(57)【要約】  有機燃料（１０６）を水素に変換するために改質器（１２８）およびシフト変成装置（１３０）などの燃料処理構成要素を含む燃料電池システム（１００）は、燃料電池の負荷（１２０）から燃料電池の接続を解除し、空気の流れで燃料処理構成要素から残留水素をパージすることで停止される。パージ空気は、送風機を用いて強制的に直列にあるいは並行して構成要素を通して送られるか、あるいはパージ空気は、低い入口（２１６）を通って構成要素に流入し、そこで自然循環により空気は構成要素を通って上昇し、高い出口（２１８）を通って残留水素と共に排出される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムが、（Ａ）燃料電池および（Ｂ）有機燃料の供給源と、（Ｃ）空気の供給源と、（Ｄ）有機燃料を水素に変換するための燃料処理システムとを備え、この燃料処理システムが、触媒シフト変成装置と直列に流れる関係にある燃料改質器を含む複数の触媒燃料処理構成要素を備え、燃料電池の運転の際は、負荷が、電池の両端に接続され、供給源からの有機燃料が、直列に燃料改質器、シフト変成装置、および燃料電池のアノード流れ場を通して導かれる、燃料電池システムの運転において、燃料電池および燃料処理システムを停止させる方法であって、
ａ．  電池から負荷の接続を解除し、供給源からの有機燃料の燃料処理システムへの流れを止めるステップと、
ｂ．  空気を改質器に流すことにより改質器から残留水素をパージするステップと、
を含むことを特徴とする停止方法。
【請求項２】
ステップ（ａ）の後、空気をシフト変成装置に流すことによりシフト変成装置から残留水素をパージする追加のステップ（ｃ）を含むことを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項３】
改質器および燃料電池は、直列に空気を、改質器に通し、その後燃料電池のアノード流れ場に通して流すことにより、残留水素がパージされることを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項４】
ステップ（ｂ）における改質器の空気パージが、少なくとも、改質器から排出されるガス流中の水素濃度が体積で４％より低くなるまでは、続けられることを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項５】
シフト変成装置および改質器は、空気を改質器およびシフト変成装置に通して流すことにより、残留水素がパージされることを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項６】
パージステップ（ｂ）は、水蒸気の流れを改質器に、その後シフト変成装置に通して流すことをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の停止方法。
【請求項７】
パージステップ（ｂ）において、水蒸気およびパージ空気は、実質上同時に改質器内へ導入されることを特徴とする請求項６記載の停止方法。
【請求項８】
パージステップ（ｂ）において、空気で改質器をパージする直前に水蒸気を改質器に流すことを特徴とする請求項６記載の停止方法。
【請求項９】
選択的酸化器が、シフト変成装置の下流に配置され、ステップ（ｂ）は、直列に空気を、改質器、シフト変成装置、および選択的酸化器に通して流すことにより、シフト変成装置および選択的酸化器から残留水素をパージすることをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項１０】
脱硫器が、改質器の上流に配置され、ステップ（ｂ）は、直列に空気を、脱硫器、改質器、シフト変成装置、および選択的酸化器に通して流すことにより、脱硫器から残留水素をパージすることをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項１１】
燃料処理システムの改質器および少なくとも１つの他の触媒構成要素は、空気を改質器およびこのような少なくとも１つの他の構成要素に直列に流すことにより、残留水素がパージされ、そのようなパージステップに使用される空気の体積が、パージされる最も大きな構成要素の体積の少なくとも３倍であることを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項１２】
改質器をパージするのに使用される空気の体積が、改質器の体積の少なくとも３倍であることを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項１３】
空気を用いて改質器をパージするステップ（ｂ）において、パージ空気は、改質器体積の低い位置に配置された入口を通して改質器内へ導入され、自然循環によって改質器を通過し、改質器容積の高い位置に配置された出口を通して改質器から排気されることを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項１４】
燃料処理システムは、スタック内で垂直に上下に配置されるとともに直列に流れる関係にある改質器および少なくとも１つの他の触媒燃料処理構成要素を含み、ステップ（ｂ）において、改質器およびこのような少なくとも１つの他の構成要素は、直列に空気をそれらに流すことにより、残留水素がパージされ、パージ空気は、空気でパージされるそのような触媒構成要素のうちの垂直方向で最下部の触媒構成要素の低い位置に配置された入口を通してスタック内へ流入し、この空気は、自然循環により直列に、パージされるそのような各燃料処理システム構成要素を通過し、パージされるそのような触媒構成要素のうちの最上部の触媒構成要素から、そのような最上部の構成要素の高い位置に配置された出口を通して排出されることを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項１５】
パージ空気は、有機燃料から水素を生成する処理の際に生じる流れの方向とは反対の方向に、スタックを通って流れることを特徴とする請求項１４記載の停止方法。
【請求項１６】
空気の自然循環によるパージは、燃料処理構成要素のスタックから排出されるパージガス中の水素濃度が４％より低い水素になるまで続けられることを特徴とする請求項１４記載の停止方法。
【請求項１７】
ステップ（ｂ）において、パージ空気は、弁を介して燃料処理構成要素のスタック内へ流入されかつそこから流出され、該弁は、燃料電池の通常運転の際に燃料電池により生成されるエネルギーによって閉じたまま保持され、また該弁は、ステップ（ａ）において負荷が電池スタックから接続を解除されると、電源が切られ自動的に開けられることを特徴とする請求項１４記載の停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料処理システム、特に燃料電池で使用される有機燃料から水素を生成するのに用いられる燃料処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機燃料を水素に変換するための燃料処理システムの触媒構成要素を含む燃料電池システム、および燃料電池自体の特にアノード側は、通常、停止および／または起動の際にパージを行って、残留水素を取り除き（停止の際）、また起動の際に空気を取り除く必要がある。これはいくつかの理由から必要である。その理由には、水素および酸素の引火性混合物となりうるものを除くこと、燃料処理システム触媒および電極触媒の性能劣化を最小限に止めること、起動および停止過程の際の有害物質の形成を防ぐことが含まれる。例えば、触媒としてニッケルを含む改質器では後者が起こり得る。ニッケルは、一酸化炭素と反応し、有毒なニッケルカルボニルを形成する。一般的な方法は、窒素あるいは窒素とパージされる構成要素に害の無い他のガスとの混合物などの不活性ガスで構成要素をパージすることである。例えば、米国特許第４，５３７，８３９号では、燃料電池をパージするために触媒燃焼器からの生成物ガスなどの不活性ガス（この特許では「実質上水素を含まないガス」と定義されている）を用いる方法について記述されている。さらに米国特許第５，２４８，５６７号では、燃焼成分（主として酸素および反応性炭素）の取り除かれた燃料電池パージガスを用いることについて記述されている。
【０００３】
燃料電池発電装置では、窒素などの不活性ガスを用いて、ガソリンあるいは天然ガスなどの有機燃料を水素に変換する燃料処理システムの構成要素をパージする（停止の際）ことも知られている。燃料電池あるいは燃料処理システムに不活性パージガスを供給する際のコストおよび複雑性を省くことが望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に従うと、有機燃料を水素に変換するための燃料改質器を含む燃料電池システムは、燃料電池の負荷から燃料電池の接続を解除し、改質器への有機燃料の流れを止め、空気を改質器に流すことにより改質器から残留水素をパージすることによって停止される。
【０００５】
改質器が水蒸気改質器あるいは自熱式改質器である場合は、水蒸気および空気により同時にパージされる。しかしながら、初めに水蒸気でパージし、それから空気でパージすることが好ましい。停止直後には、改質器の上流に未処理燃料が残留する。パージが始まると、まだ高温の改質器に燃料が流入し、反応する。水蒸気による初期パージが望ましいが、なぜならこれはパージ過程において適切な反応物比を維持する助けになり、またこの時点において炭素の形成などの好ましくない反応が起こらないことを保証するからである。水蒸気はまた、燃料に富む環境と空気環境との間に緩衝剤を提供し、安全上の懸念を和らげる。
【０００６】
よく見られることだが、燃料処理システムがシフト変成装置、選択的酸化器、および／または脱硫器などといった他の構成要素を１つまたは複数含む場合は、それらの構成要素も空気を用いて残留水素がパージされる。１つの構成要素のパージガス出力物が次の構成要素に入りそこを通過するように、直列に空気を構成要素に通して流すことが好ましい。構成要素が、酸素に耐性のない触媒を用いる場合は、構成要素は、迂回され、不活性ガスなどを用いて従来の方法でパージされる。
【０００７】
改質器および／または他の燃料処理構成要素を通過した後、パージガスは、電池のアノード側から残留水素をパージするために、燃料電池のアノード流れ場に通して導かれる。あるいは、パージガスは、燃料電池に通して流さずに燃料電池システムから大気などへ排気される。
【０００８】
直列にパージ空気を燃料処理構成要素に通して流すよりも、むしろ大気へと排気される個別のパージ空気の流れにより並行してそれぞれの構成要素をパージしてもよい。
【０００９】
本発明に従うと、燃料処理構成要素は、十分完全な水素の除去を確保するため、最も大きい構成要素の体積の少なくとも３倍の体積の空気でパージするのが望ましい。水素の除去の目安は、体積で４％未満（空気中における水素の可燃限界）、また好ましくは、１％未満である。いずれにしてもパージガスは、多かれ少なかれ前線として反応装置を通って移動する。様々な触媒層上の反応は、この前線の前縁の水素含有量を実質的にゼロまで減らす。
【００１０】
パージ空気および他のガスを燃料処理構成要素および関連する配管に通して送るのに送風機を用いることができるものの、本発明の一実施例では、受動型のパージが検討された。この実施例では、パージされる燃料処理構成要素が、垂直なスタックに配置される。弁が取り付けられた１つまたは複数のパージ空気入口が、燃料処理スタックの低い位置に設置され、弁が取り付けられた１つまたは複数のパージガス出口が、スタックの高い位置に配置される。燃料電池の運転の際は、パージ空気入口および出口の双方が閉じられる。燃料電池の停止の際、新規の燃料の流れを止めた後、パージ空気弁が開けられる。空気は、１つまたは複数の入口より流入し、自然循環により残留水素および他のいずれのガスとも共に燃料処理スタックを通って上昇する。ガスは燃料処理スタックの１つまたは複数の出口から排出される。最終的には空気のみが構成要素内に残る。垂直な燃料処理スタックが設置に好ましくない、あるいは実用的でない場合は、構成要素は、個別に別々に受動的にパージされる。
【００１１】
送風機等を用いての高速な空気パージが好ましいものの、受動型の空気パージは、少量の電力で十分、あるいは電力を必要としないという利点を有する。例えば、パージ空気弁は、電源が切られた時に開けられるように設計されている。この場合は、外部電源無しでパージが達成される。
【００１２】
燃料電池のアノード流れ場も（不活性ガスの代わりに）空気でパージされる場合、速さがより重要となり、空気前線は、約１．０秒間を超えない間に、好ましくは０．２秒間より短い間にアノード流れ場を通って移動しなければならない。この場合は、送風機等が必要となる。
【００１３】
構成要素を通る空気パージの方向は重要ではない。言い換えると、構成要素を通して導かれるパージ空気の流れの方向は、燃料処理の際の燃料の流れの方向と同じであっても逆であってもよい。しかしながら、垂直な燃料処理スタックの自然循環の速さを最大限にするためには（温度とガス組成に起因するガス密度差を利用することによって）、燃料処理の際の流れの方向とは逆方向にパージすることを可能にするように燃料処理構成要素を積み重ねることが好ましい。
【００１４】
本発明の上述の特徴および利点は、添付図面に図示されている本発明の典型的実施例の以下の詳細な説明と照らし合わせるとさらに明白なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１を参照すると、全体が符号１００で示される燃料電池システムは、燃料電池１０２と燃料処理システム１０４、酸化剤の供給源（ここではブロック１０５Ａおよび１０５Ｂで表されていて、これらは共に単なる局限されていない大気である）、および、天然ガス、ガソリン、あるいはメタノールなどの有機燃料の供給源１０６を備えるように図示されている。燃料電池１０２は、アノード電極１０８と、カソード電極１１０と、これらの電極の間に配置される電解質１１２とを備える。電解質は、米国特許第６，０２４，８４８号で記述されているタイプのプロトン交換膜（ＰＥＭ）の形態でもよく、あるいは電解質は、リン酸電解質型燃料電池などの酸電解質型燃料電池に一般的に見られるようなセラミックマトリックス内に保持されてもよい。電池はまた、アノード電極に隣接したアノード流れ場プレート１１４と、カソード電極に隣接したカソード流れ場プレート１１６とを含む。カソード流れ場プレートは、カソード流れ場プレートに亘ってカソード電極に隣接して延び、かつ、供給源１０５からカソード電極に亘って空気を運ぶためのカソードの流れ場を形成する、複数の流路（図示せず）を有する。アノード流れ場プレートは、アノード流れ場プレートに亘ってアノード電極に隣接して延び、かつ、燃料処理システム１０４からアノード電極に亘って水素を含有する燃料を運ぶためのアノードの流れ場を形成する、複数の流路（図示せず）を有する。主要な負荷１２０を含む外部回路１１８は、アノードおよびカソード電極に亘って接続されている。回路内のスイッチ１２２は、燃料電池の負荷への接続または接続の解除を可能にする。
【００１６】
１つの電池のみしか図示されていないものの、実際には燃料電池システム１００は、電気的に直列に接続されている隣接した複数の電池を含む。図1に示されている燃料電池のような燃料電池のさらに詳細な情報を得るには、読者は、同一出願人所有の米国特許第５，５０３，９４４号（ＰＥＭ型電池）および第４，１１５，６２７号（リン酸電解質型電池）に案内される。
【００１７】
この実施例の燃料処理システムの構成要素は、それぞれ触媒反応を伴い、脱硫器１２６と、自熱式改質器１２８と、シフト変成装置１３０と、選択的酸化器１３２とを含む。これらの構成要素は、直列に流れる関係になるよう配置される。水蒸気供給源１４０が、流量制御弁１４２経由で改質器に水蒸気を供給する。
【００１８】
燃料電池の分野ではよく知られているように、硫黄および一酸化炭素は、燃料電池および燃料処理システム構成要素に有害であり、除去するか、あるいは少なくとも特定の装置に許容されると見なされる極めて低い濃度レベルまで減らす必要がある。水素脱硫器として知られる種類の脱硫器の１つでは、燃料中の硫黄が水素と反応して硫化水素ガスを形成し、それから亜鉛を含有する吸着剤層を通過する。吸着剤層中で、硫化水素は、亜鉛と反応して硫化亜鉛を形成し、実質的に全ての硫黄を燃料流れから取り除く。改質器は、炭化水素を、一酸化炭素および二酸化炭素などの他のガスを含む水素に富む流れに変換する。シフト変成装置は、一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素（燃料電池に無害）と水素を生成することにより、一酸化炭素濃度を低減する。選択的酸化器は、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素を生成することにより、一酸化炭素濃度をさらに低減する。
【００１９】
図１では、燃料処理システムが脱硫器および選択的酸化器を共に含んでいるが、本発明の停止方法は、そのような構成要素を含まない燃料電池システムに用いることができる。供給源１０６からの有機燃料の性質（例えば、燃料がいくらかの、あるいは許容しかねるレベルの硫黄を含むかどうか）、および燃料電池の一酸化炭素に対する許容度により、脱硫器および選択的酸化器が必要かどうか決定される。
【００２０】
燃料電池の通常運転の際、遮断弁Ａ、ＣおよびＤは、開けられ、遮断弁Ｂは、閉じられ、切換え弁Ｅは、燃料処理システムの全ての出力物がアノード流れ場１１４内へ導かれるように設定され、外部回路１１８内のスイッチ１２２は、閉じられ、空気送風機１３３、１３４は、起動される。水蒸気流れ弁１４２も開けられる。このモードでは、供給源１０６からの有機燃料は、脱硫器内へおよびそこを通って流れ、そこでは、硫黄が取り除かれる。脱硫器からの出力物および供給源１０５Ｂからの空気（周囲空気あるいは加湿空気）および供給源１４０からの水蒸気は、自熱式改質器１２８に流入する。自熱式改質器は、白金あるいは白金合金などの貴金属触媒を用いる。改質器内で空気は、脱硫された燃料と反応し、改質器の出力物は、シフト変成装置内へ導かれる。シフト変成装置内では、白金あるいは白金合金などの貴金属触媒の存在下、ほとんどの一酸化炭素を二酸化炭素と水素に変換する。シフト変成装置の出力物は、供給源１０５Ｂからの追加の酸素と共に選択的酸化器に流入する。選択的酸化器内では、白金などの貴金属触媒の存在下、二酸化炭素の濃度がさらに低減される。
【００２１】
基本的に水素、二酸化炭素、窒素、および水である選択的酸化器からの出力物は、アノード流れ場を通過して電池から排出される。電池の反対側では、送風機１３４が、空気を供給源１０５Ａからカソード流れ場へと送る。
【００２２】
本発明の一実施例に従うと、燃料電池システム１００は、以下のように停止される。スイッチ１２２が開かれ、燃料電池は、負荷１２０から接続が解除される。弁Ａが閉じられて、燃料処理システム内への有機燃料の流れが止められる。混合を最小限に止め、空気が直接改質器内および選択的酸化器内に流れ込むことを止めるため、弁ＣおよびＤは、閉じられることが好ましいが、必要があれば開いたままでもよい。切換え弁Ｅは、選択的酸化器の出力物ガスが、燃料電池を通してではなく、導管１３８を通して大気に排気されるように設定される。燃料電池の負荷から燃料電池の接続を解除した直後、水蒸気パージ弁１４２が開けられて、自熱式改質器は、短時間、水蒸気でパージされる。水蒸気によるパージの時間は、改質器の体積の少なくとも３倍に等しい体積の水蒸気を改質器に通して流すのに十分であるのが好ましい。その後、弁１４２は、閉じられる。
【００２３】
依然として送風機１０５Ｂが稼働している状態で、弁Ｂがそれから開けられて、供給源１０５Ｂからの空気の流れが、直列に、脱硫器、改質器、シフト変成装置、および選択的酸化器を通して導かれて、これらの構成要素は、残留水素がパージされ、導管１３８を通して排気される。（随意に、弁Ｅは、アノード流れ場１１４を通して選択的酸化器の出力物ガスを導くように設定され、燃料電池自体は、残留水素がパージされる。）好ましくはないが、改質器は、水蒸気および空気で同時にパージされてもよい。
【００２４】
改質器１２８が、自熱式改質器ではなく、水蒸気改質器である場合は、上述のパージ手順は同じものである。改質器が部分酸化改質器である場合は、改質の際に水蒸気が用いられず、パージに利用できない。この場合は、空気パージのみが用いられる。
【００２５】
パージに必要な流量は、構成要素の設計の関数である。残留水素を完全に取り除くことを保証するため、パージの際に最も大きな構成要素の体積の少なくとも３倍の体積の空気を燃料処理装置を通して流すのが好ましい。
【００２６】
上述のように、パージの主目的は、安全のためにシステムから残留水素を取り除くことである。一旦、水素濃度が、許容可能なレベルに低減されると、送風機１３３は、停止されてよい。しかしながら、この時点で弁ＢおよびＥを閉じることは、燃料電池システムの起動時にそれらが適切に再設定される限り、重要ではない。停止モードの際に、送風機１３３が停止された後においても、燃料処理システムの構成要素は、ゆっくりと冷め続ける。システム内の空気が周囲まで冷めると、周囲より低い圧力（すなわち負圧）が生じ、追加の周囲空気をシステム内に引き込む。切換え弁Ｅなどの弁は、構成要素に対する機械的な損傷を防止するために負圧を最小限に抑えるように、冷める際は開けられる。
【００２７】
上述の実施例では、パージ空気は、燃料電池内で消費するために水素が生成されているのと同じ方向および順序で燃料処理システム構成要素を通って流れるように、燃料処理システム内へ導入される。シャットダウンの開始の時点で改質器が最も温度の高い構成要素であり、またさらなる安全のために最も温度の高い構成要素は、最も迅速に、温度のより低いパージ空気でパージされることが最善であることから、これは好ましいのである。しかしながら、本発明は、燃料処理構成要素が逆の順序でパージされることが検討されている。
【００２８】
上述の実施例では、空気によるパージは、直列に構成要素を通過する単一の空気の流れによって達成される。個別に並行して構成要素をパージすることも可能である。供給源１０５Ｂからの新規のパージ空気は、別々にそれぞれの構成要素の上流端内へ導入され、構成要素を通過し、適切な配管および弁を用いることで構成要素から排気することができる。一例として、個別にパージされた各構成要素からのパージガス出力物は、大気に排気される共通のパージガス出力物マニホールド（図示せず）内へ導くことができる。
【００２９】
シフト変成装置がたまたま銅／亜鉛触媒などの酸素（すなわち空気）に対する曝露に耐え得ない触媒を用いる場合は、その構成要素をパージするのに空気を用いてはならない。これは、改質器からの空気パージ出力物をバイパス導管１４４（図１中に仮想線で図示）を用いてシフト変成装置のまわりに導くことで、対処することができる。燃料電池が負荷に電流を供給していると同時に水素の生成が行われている際、バイパス導管１４４の両端の切換え弁１４６、１４８（同様に仮想線で図示）は、改質器の出力物をシフト変成装置に通して、またそこから選択的酸化器内へ導くように設定される。空気パージの際は、弁１４６、１４８は、シフト変成装置内への流れを防止するように、また改質器の出力物をバイパス導管１４４に通して、さらに選択的酸化器内へ導くように設定される。供給源１５０（仮想線で図示）からの不活性ガス（窒素など）は、空気が他の構成要素をパージするのに用いられるのと同時に別個にシフト変成装置をパージするのに用いることができる。その場合、遮断弁１５２および排気弁１５４（共に仮想線で図示）は、燃料電池の通常運転の際には閉じられ、パージの際には開けられる。シフト変成装置の体積の少なくとも約３倍の体積の不活性ガスが、シフト変成装置を通過した後、弁１４２は、閉じられる。排気弁１５４は、シフト変成装置がほぼ周囲温度まで冷めるまで開けられたままにする。好ましい停止方法は、不活性ガスの供給の必要性を無くすことであるが、上述の実施例は、酸素に対する暴露により損傷を受ける触媒を用いた燃料処理システム内の構成要素に対処する一方法を示している。
【００３０】
本発明の別の実施例をこれより図２を参照して説明する。図２において、図１で用いられていた参照符号と同じ参照符号で指定された部材は、同じ部材を示す。図２における燃料電池システムの全体は、符号２００で指定され、そして燃料処理システムは参照符号２０４で全体が指定される。図１のシステム１００と図２のシステム２００との基本的な物理的相違は、燃料システム構成要素、すなわち、脱硫器１２６、改質器１２８、シフト変成装置１３０、および選択的酸化器１３２が、燃料処理スタック２０２内で垂直に、上下に配置されていることである。概略図様式の図面は、容器２０８内に囲まれて基盤２０６上に置かれた燃料処理スタック２０２を示している。容器２０８は、断熱されてもよい。容器２０８は、随意に用いられ、本発明を実施する上で必須ではない。停止手順の一部として必須ではないが、本実施例では隣接する構成要素は、符号２０９、２１０、２１２、および２１４で指定されたプレナムあるいはマニホールドで隔てられかつ相互に接続されている。
【００３１】
図１に関して説明した第１の実施例と同様に、燃料電池の通常運転の際は、スイッチ１２２は、閉じられ、弁Ａ、Ｃ、Ｄおよび１４２は、開けられ、弁Ｂは、閉じられ、そして空気送風機１３３および１３４は、稼働されている。弁Ｅは、燃料処理システムからの水素および他のガス生成物がアノード流れ場１１４へ流入できるように開けられる。目的は以下で説明するが、パージ排気弁Ｆは、閉じられる。有機燃料は、脱硫器、改質器、シフト変成装置、および選択的酸化器を直列に通過し、これらを相互に接続するそれぞれのマニホールド２１４、２１２、および２１０を通して逐次移動する間に処理される。弁ＢおよびＦは、燃料電池によって生成される電力により通電されたソレノイド等により燃料電池の通常運転の際は閉じられたまま維持される。
【００３２】
燃料電池を停止させるには、スイッチ１２２が開かれ、そして弁Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、および１４２が閉じられる。弁Ｂおよびパージ排気弁Ｆが開けられる。ソレノイドにより閉じたまま維持される場合、それらは、負荷が燃料電池から接続を解除される際にソレノイドの電源が切られるようにすることにより自動的に開けられるように設計することができる。弁ＢおよびＦが開けられることにより、周囲空気などの空気が、選択的酸化器の下部のマニホールド２０９内の燃料処理スタック２０２の低い位置に配置されるパージ空気入口２１６内へと流れることを可能にする。燃料処理スタック内の温度に起因して、また空気と比べて水素の密度が低いことに起因して、少なくとも最初は、空気が燃料処理スタックの下端部内に引き込まれる。空気が上昇するに連れて、空気の温度は上昇し、その密度は減少する。従って自然循環により空気は上昇し、燃料処理スタック内での水素の生成の際の流れの方向とは反対の方向に、それぞれの構成要素およびマニホールドを直列に通過する。パージ空気は、燃料処理スタック内の残留水素と共に、燃料処理スタックの高い位置に配置された出口２１８を通して排出される。本実施例では、この位置は、脱硫器１２６の頂点となる。パージガスは、弁Ｆを通して大気へと排気される。水素が除かれ、スタック内の温度が周囲まで戻ると、パージ空気流れは、止められることが好ましいが、必要であればそれらの弁は、燃料電池が再起動されるまで、開いたままになっていてもよい。本発明の一実施例では、水素検出器（図示せず）が出口２１８あるいは出口２１８および弁Ｆの間に設置され、水素濃度が予め決められた安全レベルを下回ると、自動的に弁ＢおよびＦを閉じるのに用いられる。水素濃度の安全レベルは、体積で４％またはそれを下回り、また好ましくは１％またはそれを下回る。
【００３３】
脱硫器、改質器、シフト変成装置、および選択的酸化器を含む燃料処理システムに関連して、自然循環によるパージを説明したが、一部の燃料電池システムにおいては、燃料処理スタック２０２が脱硫器および選択的酸化器を含まないものもある。例えば、燃料処理スタック２０２がシフト変成装置および改質器のみを有する場合は、パージ空気は初め、シフト変成装置の底部付近の入口内へと導かれる。
【００３４】
燃料処理構成要素が垂直ではなく水平に配置される場合、構成要素は、自然循環を用いて別々にそして並行してパージすることができる。また、全ての構成要素を空気でパージするのが好ましいとは限らないこともある。例えば、本発明の一実施例においては、改質器のみがパージされる。空気は、改質器体積の低い位置にある入口を通して改質器内に流入し、自然循環により改質器を通って上昇し、改質器体積の高い位置にある出口を経由して排出される。従って空気は、改質器内を通って移動する際に改質器から残留水素をパージする。
【００３５】
本発明は、その典型的な実施例に関して記述および図示したが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく上述のおよび様々な他の変更、省略および追加を行うことができるということが当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施例の方法に従って停止される燃料電池システムの一例のブロック線図。
【図２】燃料処理構成要素の垂直なスタックを内蔵し、本発明の別の実施例の方法に従って停止される、燃料電池システムの概略ブロック線図。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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