(57)【要約】  アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを含む燃料電池は、アノード燃料配送流路を通して水素燃料の供給を受ける。再循環ループが、燃料配送流路内のガスを、混合ポイントに再利用するために備えられている。この混合ポイントには、燃料が、制御された流量だけ供給され、上記再利用ガスと混合される。従って、燃料配送流路内に残留しているオキシダント類は、何れも、燃料電池の膜−電極組立体にダメージを与えないように制御された状態で燃焼することになる。燃料配送流路に、オキシダントを少量だけゆっくりと慎重に導入することにより、水蒸気及び熱を生成させ、アノードに配送される燃料を事前調整してもよい。かような事前調整によれば、燃料電池の最高性能に向けて膜の含水状態を制御(hydrationcontrol)し、かつ、膜−電極組立体の温度を制御することが促進される。
2005516349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを含む燃料電池であって、
燃料源からアノードの活性面領域に燃料を供給するための燃料配送流路を有し、
更に、前記燃料配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるための手段を含む
燃料電池。
【請求項２】
請求項1に記載された燃料電池であって、
前記燃料配送流路は、流体流れ場プレートと、燃料配送導入部と、燃料配送排出部とを含んで構成され、
前記流体流れ場プレートは、アノードの一部分を構成し、該流体流れ場プレートを通って延びる流体流れ溝を有し、
前記燃料配送導入部は、前記流体流れ溝の一端に接続され、
前記燃料配送排出部は、前記流体流れ溝の他端に接続される、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載された燃料電池であって、
燃料配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるための手段は、再循環流路と、流体流れ調節器とを含んでおり、
前記再循環流路は、前記燃料配送排出部と、前記燃料配送導入部における混合ポイントとの間で延びており、
前記流体流れ調節器は、前記混合ポイントに配送される燃料の量を、制御可能に変化させるためのものである、
燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載された燃料電池であって、
前記混合ポイントは、前記流体流れ調節器からの燃料と前記再循環流路からのオキシダント類とを反応させるための反応室を含む、
燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載された燃料電池であって、
前記反応室は、触媒材を備えている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項３に記載された燃料電池であって、
前記混合ポイントは、前記流体流れ調節器からの燃料と前記再循環流路からのオキシダント類とを混合するための前混合室を含む、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載された燃料電池であって、
前記再循環流路は、二方弁を介して燃料配送排出部に切替可能に接続されている、
燃料電池。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載された燃料電池であって、
前記燃料配送流路の少なくとも一部分におけるオキシダント類の存在レベルを検出するための検出手段を備える
燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載された燃料電池であって、
前記検出手段は、燃料電池のアノード及びカソードにわたって生じる開放電圧について試験するための手段を含む、
燃料電池。
【請求項１０】
請求項３に記載された燃料電池であって、
燃料を比較的高い流量でアノードに配送し、かつ、オキシダントをカソードに配送する通常動作モードと、前記再循環流路を通して配送されたオキシダントと一緒に、燃料を比較的低い流量でアノードに配送する再循環モードとの間で燃料電池を切り替えるための制御手段を備える
燃料電池。
【請求項１１】
請求項３に記載された燃料電池であって、
燃料を比較的高い流量でアノードに配送し、かつ、オキシダントをカソードに配送する通常動作モードと、前記再循環流路を通して配送されたオキシダントと一緒に、燃料を比較的低い流量で燃料配送流路内に配送する再循環モードとの間で燃料電池を切り替えるための制御手段を備える
燃料電池。
【請求項１２】
請求項２に記載された燃料電池であって、
燃料配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるための手段は、オキシダント供給流路を含んでおり、
前記オキシダント供給流路は、オキシダント供給系から、前記燃料配送導入部における混合ポイントまで延びている、
燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２に記載された燃料電池であって、
前記混合ポイントに配送されるオキシダントの量を、制御可能に変化させるためのオキシダント流れ調節器を備える
燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３に記載された燃料電池であって、
前記オキシダント流れ調節器は、カソードオキシダント配送流路に前記オキシダント供給流路を接続する弁を備える、
燃料電池。
【請求項１５】
請求項１２に記載された燃料電池であって、
前記混合ポイントは、前記流体流れ調節器からの燃料と前記オキシダント供給流路からのオキシダント類とを反応させるための反応室を含む、
燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５に記載された燃料電池であって、
前記反応室は、触媒材を備えている、
燃料電池。
【請求項１７】
請求項１に記載された燃料電池であって、
カソード流体配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるための手段を含む
燃料電池。
【請求項１８】
請求項１７に記載された燃料電池であって、
前記カソード流体配送流路は、流体流れ場プレートと、オキシダント配送導入部と、排出物排出部とを含んで構成され、
前記流体流れ場プレートは、カソードの一部分を構成し、該流体流れ場プレートを通って延びる流体流れ溝を有し、
前記オキシダント配送導入部は、前記カソード流体流れ溝の一端に接続され、
前記排出物排出部は、前記カソード流体流れ溝の他端に接続される、
燃料電池。
【請求項１９】
請求項１８に記載された燃料電池であって、
カソード流体配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるための手段は、燃料供給流路を含んでおり、
前記燃料供給流路は、燃料供給系から、前記オキシダント配送導入部における混合ポイントまで延びている、
燃料電池。
【請求項２０】
請求項１９に記載された燃料電池であって、
前記混合ポイントは、前記燃料供給流路からの燃料とオキシダント供給系からのオキシダント類とを反応させるための反応室を含む、
燃料電池。
【請求項２１】
燃料電池と、燃料配送流路とを含む燃料電池装置であって、
前記燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有し、
前記燃料配送流路は、流体流れ場プレートと、燃料配送導入部と、燃料配送排出部とを含んで構成され、
前記流体流れ場プレートは、アノードの一部分を構成し、該流体流れ場プレートを通って延びる流体流れ溝を有し、
前記燃料配送導入部は、前記流体流れ溝の一端に接続され、
前記燃料配送排出部は、前記流体流れ溝の他端に接続され、
前記燃料電池装置は、更に、再循環流路を含み、
前記再循環流路は、前記燃料配送排出部と、前記燃料配送導入部における混合ポイントとの間で延びている、
燃料電池装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載された燃料電池装置であって、
前記混合ポイントに配送される燃料の量を、制御可能に変化させるための流体流れ調節器を備える
燃料電池装置。
【請求項２３】
請求項２１または請求項２２に記載された燃料電池装置であって、
前記混合ポイントは、前記流体流れ調節器からの燃料と前記再循環流路からのオキシダント類とを反応させるための反応室を含む、
燃料電池装置。
【請求項２４】
請求項２１または請求項２２に記載された燃料電池装置であって、
前記混合ポイントは、前記流体流れ調節器からの燃料と前記再循環流路からのオキシダント類とを混合するための前混合室を含む、
燃料電池装置。
【請求項２５】
請求項２１に記載された燃料電池装置であって、
前記再循環流路は、二方弁を介して燃料配送排出部に切替可能に接続されている、
燃料電池装置。
【請求項２６】
請求項２１に記載された燃料電池装置であって、
前記燃料配送流路の少なくとも一部分におけるオキシダント類の存在レベルを検出するための検出手段を備える
燃料電池装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載された燃料電池装置であって、
前記検出手段は、燃料電池のアノード及びカソードにわたって生じる開放電圧について試験するための手段を含む、
燃料電池装置。
【請求項２８】
請求項２１に記載された燃料電池装置であって、
燃料を比較的高い流量でアノードに配送し、かつ、オキシダントをカソードに配送する通常動作モードと、前記再循環流路を通して配送されたオキシダントと一緒に、燃料を比較的低い流量でアノードに配送する再循環モードとの間で燃料電池を切り替えるための制御手段を備える
燃料電池装置。
【請求項２９】
請求項２１に記載された燃料電池装置であって、
燃料を比較的高い流量でアノードに配送し、かつ、オキシダントをカソードに配送する通常動作モードと、前記再循環流路を通して配送されたオキシダントと一緒に、燃料を比較的低い流量で燃料配送流路内に配送する再循環モードとの間で燃料電池を切り替えるための制御手段を備える
燃料電池装置。
【請求項３０】
燃料電池と、燃料配送流路とを含む燃料電池装置であって、
前記燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有し、
前記燃料配送流路は、
事前調整された燃料をアノードに配送するためのものであり、
燃料とオキシダントとを反応させるための反応室と、前記反応室に燃料を配送するための燃料供給導入部と、前記反応室にオキシダントを供給するためのオキシダント供給導入部と、アノードに接続される反応室排出部とを含んでおり、
前記反応室は、該反応室に配送された供給燃料の少なくとも一部分を、該反応室に供給されたオキシダントと反応させることにより、アノードに配送される燃料を事前調整することに適合している、
燃料電池装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載された燃料電池装置であって、
アノードに配送される燃料流れに、所定の程度だけ加湿を施すために、燃料及びオキシダントのうち一方または両方の流量を、制御可能に変化させるための制御手段を備える
燃料電池装置。
【請求項３２】
請求項３０に記載された燃料電池装置であって、
アノードに配送される燃料流れに、所定の程度だけ前加熱を施すために、燃料及びオキシダントのうち一方または両方の流量を、制御可能に変化させるための制御手段を備える
燃料電池装置。
【請求項３３】
燃料電池と、オキシダント配送流路とを含む燃料電池装置であって、
前記燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有し、
前記オキシダント配送流路は、
事前調整されたオキシダントをカソードに配送するためのものであり、
燃料とオキシダントとを反応させるための反応室と、前記反応室に燃料を配送するための燃料供給導入部と、前記反応室にオキシダントを供給するためのオキシダント供給導入部と、カソードに接続される反応室排出部とを含んでおり、
前記反応室は、該反応室に配送された供給オキシダントの少なくとも一部分を、該反応室に供給された燃料と反応させることにより、カソードに配送されるオキシダントを事前調整することに適合している、
燃料電池装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載された燃料電池装置であって、
カソードに配送されるオキシダント流れに、所定の程度だけ加湿を施すために、燃料及びオキシダントのうち一方または両方の流量を、制御可能に変化させるための制御手段を備える
燃料電池装置。
【請求項３５】
請求項３３に記載された燃料電池装置であって、
カソードに配送されるオキシダント流れに、所定の程度だけ前加熱を施すために、燃料及びオキシダントのうち一方または両方の流量を、制御可能に変化させるための制御手段を備える
燃料電池装置。
【請求項３６】
実質上、添付図面を参照して本明細書に記載されているような装置。
【請求項３７】
アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有する燃料電池の使用方法であって、
燃料源から燃料配送流路を通してアノードの活性面領域に燃料を供給するステップと、
前記燃料配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるステップとを含む
方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載された方法であって、
流体配送流路内の流体を、アノードの活性面領域の上流側における混合ポイントに再循環させるステップを含む
方法。
【請求項３９】
請求項３８に記載された方法であって、
前記混合ポイントにおいて反応室でオキシダント類を消費するステップを含む
方法。
【請求項４０】
請求項３８または請求項３９に記載された方法であって、
前記混合ポイントに配送される燃料の量を、制御可能に変化させるステップを含む
方法。
【請求項４１】
請求項３７乃至４０に記載された方法であって、
前記燃料配送流路の少なくとも一部分におけるオキシダント類の存在レベルを検出するステップを含む
方法。
【請求項４２】
請求項３８に記載された方法であって、
燃料を比較的高い流量でアノードに配送し、かつ、オキシダントをカソードに配送する通常動作モードと、前記再循環流体に含まれて配送されたオキシダントと一緒に、燃料を比較的低い流量でアノードに配送する再循環モードとの間で燃料電池を切り替えるステップを含む
方法。
【請求項４３】
請求項３８に記載された方法であって、
燃料を比較的高い流量でアノードに配送し、かつ、オキシダントをカソードに配送する通常動作モードと、前記再循環流体に含まれて配送されたオキシダントと一緒に、燃料を比較的低い流量で燃料配送流路内に配送する再循環モードとの間で燃料電池を切り替えるステップを含む
方法。
【請求項４４】
アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有する燃料電池の使用方法であって、
燃料源から燃料配送流路を通してアノードの活性面領域に燃料を供給するステップと、
アノードの上流側における反応室で燃料とオキシダントとを反応させることにより、アノードに配送される燃料を事前調整するステップとを含む
方法。
【請求項４５】
請求項４４に記載された方法であって、
アノードに配送される燃料流れに、所定の程度だけ加湿を施すために、燃料及びオキシダントのうち一方または両方の流量を制御するステップを含む
方法。
【請求項４６】
請求項４４に記載された方法であって、
アノードに配送される燃料流れに、所定の程度だけ前加熱を施すために、燃料及びオキシダントのうち一方または両方の流量を制御するステップを含む
方法。
【請求項４７】
アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有する燃料電池の使用方法であって、
オキシダント源からオキシダント配送流路を通してカソードの活性面領域にオキシダントを供給するステップと、
カソードの上流側における反応室で燃料とオキシダントとを反応させることにより、カソードに配送されるオキシダントを事前調整するステップとを含む
方法。
【請求項４８】
請求項４７に記載された方法であって、
カソードに配送されるオキシダント流れに、所定の程度だけ加湿を施すために、燃料及びオキシダントのうち一方または両方の流量を制御するステップを含む
方法。
【請求項４９】
請求項４７に記載された方法であって、
カソードに配送されるオキシダント流れに、所定の程度だけ前加熱を施すために、燃料及びオキシダントのうち一方または両方の流量を制御するステップを含む
方法。
【請求項５０】
実質上、添付図面を参照して本明細書に記載されているような方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の燃料供給流れに含まれるオキシダント(oxidants)を、制御可能に除去(controllably removing)する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の電気化学燃料電池は、燃料及びオキシダント(oxidant)を、電気エネルギー及び反応生成物に変換する。図１には、既存の燃料電池１０の典型的構成が図示されている。図示では明確化のため、幾つかの異なる層を分解状態で示してある。固体高分子型イオン移動膜(solid polymer ion transfer membrane)１１が、アノード１２とカソード１３との間に配置される。その高分子膜は、プロトン(proton)については通過を許容するが、電子については通過を遮断する。アノード１２及びカソード１３は、典型的には、両者ともポーラス・カーボンなどの導電性多孔質材で構成され、当該導電性多孔質材には、白金触媒及び／または他の貴金属触媒の微粒子が付着される。多くの場合、アノード１２及びカソード１３は、それぞれ、膜１１の隣り合う面に直接に接合される。この組立体は、一般には、膜−電極組立体、即ち、ＭＥＡと称される。
【０００３】
アノード流体流れ場プレート１４及びカソード流体流れ場プレート１５が、高分子膜及び多孔質電極層を挟む。流体流れ場プレート１４、１５は、導電性の非多孔質材で構成され、これにより、アノード電極１２またはカソード電極１３にそれぞれ電気的に接触することができる。同時に、これらの流体流れ場プレートは、流体の燃料、オキシダント及び／または反応生成物（及び／または、反応に関与しない他の希釈ガス）を、多孔質電極に供給、及び／または、多孔質電極から排出できるようにするものでなくてはならない。通常、これは、流体流れ場プレートの、多孔質電極に向いている面に溝(grooves or channels)１６を形成するなど、流体流れ場プレートの一面に流体の流路を形成することによって達成される。
【０００４】
図２は、蛇行構造２０となっている典型的な流体流れ溝１６の平面図である。この蛇行構造２０は、アノード１４（またはカソード）の表面に設けられており、導入マニホールド(inlet manifold)２１及び排出マニホールド(outlet manifold)２２を備えている。流体流れ溝の構成としては、多くの異なる構成が採用され得る。
【０００５】
典型的な使用例として述べると、アノード流体流れ場プレート１４では、水素ガスが導入マニホールド２１から蛇行溝２０に供給される。カソード流体流れ場プレート１５では、オキシダント（例えば酸素ガス）が導入マニホールドから蛇行溝２０に供給される。
【０００６】
最初の組み立て、試運転(commissioning)もしくは修理を行った後、または、長時間にわたって休止状態(inactivity)もしくは待機状態とした後、燃料電池１０を始動する場合、その始動前には、空気が燃料流れ溝(fuel flow channels)及び燃料配送流路に、一般的に述べると燃料電池の燃料配送経路の内部にたまっていることがある。従って、如何なる水素燃料もしくは水素リッチガス混合物をアノード１２及び膜１１に導入する前にも、アノード燃料配送経路からこの空気を除去する必要があり、とりわけ空気中の酸素を除去する必要がある。
【０００７】
このように燃料の供給前に酸素を除去することは、制御されてない不適切な触媒燃焼(catalytic combustion)がアノード１４の表面で生じることにより、局所的な発熱及び脱水(dehydration)が生じたり、プロトン交換膜(proton exchange membrane)１１に孔があいたりするのを防止するために、重要である。
【０００８】
先行技術では、水素燃料を導入する前に一定時間にわたり窒素などの不活性ガスを通すことにより、アノード溝１６(anode channels)、及び、燃料配送流路の他の部分をパージ(purge)することが一般的方法となっている。
【０００９】
このプロセスでは、局所的に窒素を供給することが必要であり、更に窒素は一般には圧力シリンダに充填されており、充填窒素を定期的に取り替えることも必要である。このような要求を解消することにより、システム(system)を操作し点検する必要性を簡単化することが望ましい。このことは、とりわけ、燃料電池が既に現場に取り付けられている場合、例えば、燃料電池が、乗り物に備えられる電力システムの一部分として取り付けられ、そこでパージ用ガスを利用すること、つまり、当該燃料電池にパージ用ガスを用いることが制限され得る場合に、重要となる。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の課題は、電気化学燃料電池の燃料配送流路から酸素を除去するのに便利な方法及び装置を提供することである。
【００１１】
本発明の更なる課題は、電気化学燃料電池の燃料配送流路から酸素を除去することを自動的に行うことができる装置を提供することである。
【００１２】
燃料電池の始動に関する更なる問題は、膜−電極組立体が理想動作温度及び膜の理想含水度(ideal degree of hydration)に達したときしか、最高性能で動作しないことである。従来技術では、このような最高性能レベルは、燃料電池を一定時間稼動させた後でないと達成できない。
【００１３】
本発明の更なる課題は、燃料及び／またはオキシダントのガス流を事前調整(pre-conditioned)することにより、膜−電極組立体の含水現象(hydration)を促進し、及び／または、最適動作条件に向けて膜−電極組立体の発熱を促進する装置を提供することである。
【００１４】
本発明では、１つの態様として、次の燃料電池が提供される。
この燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを含んでおり、更に、燃料源からアノードの活性面領域に燃料を供給するための燃料配送流路(fuel delivery conduit)を有しており、更に、前記燃料配送流路内で燃料及びオキシダント類(oxidant species)を制御燃焼(controlled combustion)させるための手段を含んでいる。
【００１５】
本発明では、もう１つの態様として、次の燃料電池装置が提供される。
この燃料電池装置は、燃料電池と、燃料配送流路とを含む。前記燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有する。前記燃料配送流路は、流体流れ場プレートと、燃料配送導入部と、燃料配送排出部とを含んで構成される。前記流体流れ場プレートは、アノードの一部分を構成し、該流体流れ場プレートを通って延びる流体流れ溝(fluid flow channel)を有する。前記燃料配送導入部は、前記流体流れ溝の一端に接続される。前記燃料配送排出部は、前記流体流れ溝の他端に接続される。更に前記燃料電池装置は、再循環流路(recirculation conduit)を含む。前記再循環流路は、前記燃料配送排出部と、前記燃料配送導入部における混合ポイントとの間で延びている。
【００１６】
本発明では、もう１つの態様として、次の燃料電池装置が提供される。
この燃料電池装置は、燃料電池と、燃料配送流路とを含む。前記燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有する。前記燃料配送流路は、事前調整された燃料をアノードに配送するためのものである。前記燃料配送流路は、燃料とオキシダント(oxidant)とを反応させるための反応室と、前記反応室に燃料を配送するための燃料供給導入部と、前記反応室にオキシダントを供給するためのオキシダント供給導入部と、アノードに接続される反応室排出部とを含む。前記反応室は、該反応室に配送された供給燃料の少なくとも一部分を、該反応室に供給されたオキシダントと反応させることにより、アノードに配送される燃料を事前調整(precondition)することに適合している。
【００１７】
本発明では、もう１つの態様として、次の燃料電池装置が提供される。
この燃料電池装置は、燃料電池と、オキシダント配送流路(oxidant delivery conduit)とを含む。前記燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有する。前記オキシダント配送流路は、事前調整されたオキシダントをカソードに配送するためのものである。前記オキシダント配送流路は、燃料とオキシダントとを反応させるための反応室と、前記反応室に燃料を配送するための燃料供給導入部と、前記反応室にオキシダントを供給するためのオキシダント供給導入部と、カソードに接続される反応室排出部とを含む。前記反応室は、該反応室に配送された供給オキシダントの少なくとも一部分を、該反応室に供給された燃料と反応させることにより、カソードに配送されるオキシダントを事前調整することに適合している。
【００１８】
本発明では、もう１つの態様として、次の方法が提供される。
この方法は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有する燃料電池の使用方法であって、燃料源から燃料配送流路を通してアノードの活性面領域に燃料を供給するステップと、前記燃料配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるステップとを含む。
【００１９】
本発明では、もう１つの態様として、次の方法が提供される。
この方法は、アノードと、カソードと、アノード−カソード間に配置されるイオン交換膜とを有する燃料電池の使用方法であって、燃料源から燃料配送流路を通してアノードの活性面領域に燃料を供給するステップと、アノードの上流側における反応室で燃料とオキシダントとを反応させることにより、アノードに配送される燃料を事前調整するステップとを含む。
【００２０】
次に、添付図面を参照し、例を挙げて本発明の実施例を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
燃料配送経路(fuel delivery path)から酸素を除去できる方法の１つは、燃料電池外部に備えられる水素の被制御触媒燃焼器(controlled catalytic combustion)内の酸素を利用することである。
【００２２】
図３を参照すると、燃料電池１０が、燃料配送流路３０、３１及びオキシダント／排出物流路３２、３３に接続されている。燃料配送流路３０、３１は、それぞれ、アノード流体流れ場プレート１４（図１）に配送するための導入部３０と、アノード流体流れ場プレート１４からの配送を受けるための排出部３１とを構成する。オキシダント供給流路３２は、カソード流体流れ場プレート１５の導入端にオキシダントを供給し、排出流路３３は、利用されなかったオキシダント、及び、反応生成物をカソードから排出する。
【００２３】
燃料（例えば水素）の供給系が、反応室３５に供されるシステム導入部(system inlet)３４に接続されている。再利用ル−プ(recycle loop)３６が、排出部３１と反応室との間で延びている。再利用ル−プ３６は、ポンプ３７を備えており、二方弁３８を用いることにより稼動状態に切り替えることができる。
【００２４】
反応室３５は、支持体上に分散配置された適当な触媒材を備えており、これにより、当該技術分野の周知技術に従い、該反応室を通過するオキシダント(oxidants)を除去することが可能となっている。現在採用されている触媒材としては、アルミナなどのセラミック支持体上に分散配置されたプラチナまたはプラチナ合金などの貴金属が挙げられる。
【００２５】
通常動作モードのとき、水素燃料の供給系は、システム導入部３４を介し、好ましくは流れ調節器(flow regulator)または流量調整弁(metering valve)３９を経由し、燃料電池１０に与えられる。水素燃料は、導入マニホールド２１及びアノード流体流れ場プレート１４（図１）に到達し、そこで、少なくとも一部分が消費される。消費されなかった水素燃料の全て、及び、燃料供給系の不活性希釈流体は、二方弁３８が排出ポジションになっているとき、燃料システム排出部(fuel system outlet)２２を通して排出される。
【００２６】
アノード（燃料）流れが酸化燃料により汚染されていると判定され、または疑われたとき、システム(system)は再循環動作モードに切り替えられる。この構成では、二方弁３８は、燃料電池排出部３１を再利用ル−プ３６に接続するように切り替えられる。もし、流体の循環を維持する必要があれば、再利用ポンプ３７を作動させる。このようにしてアノードの流体流れは再循環され、反応室３５を通る。反応室３５では、オキシダント類が、流体流れから除去(scrubbed)され、好ましくは、燃料システム導入部３４及び流れ調節器３９から水素ガスを制御状態で流す(bleed)際の反応によって除去される。
【００２７】
かようにして、水素及びオキシダント類の燃焼は、燃料電池１０内ではなく、反応室３５内でのみ行われる。
【００２８】
再循環動作モードは、現在行われている条件のうち、所望の条件の何れに依っても開始することができる。このような条件としては、次の１つ乃至複数の条件が挙げられる。
（ｉ）適切な検出手段（後述する）により、燃料配送流路の導入部３０及び／または排出部３１でオキシダントを自動的に検出したとき。
（ｉｉ）燃料電池の不稼動時間が所定の経過時間しきい値を超えたことを、自動的に検出したとき。
（ｉｉｉ）燃料電池の稼動時間が所定の経過時間しきい値を超えたことを、自動的に検出したとき。
（ｉｖ）燃料電池要整備状態(fuel cell maintenance condition)を検出した後など、要点検状態(service condition)を自動的に検出したとき。
（ｖ）使用者が手動で開始するとき。
【００２９】
再循環モードでは、燃料電池内のガスは再利用ル−プ３６を巡り、反応室３５を通って再循環される。不要な酸素が全て除去されるまで、反応室３５には、水素ガスが制御態様で導入される。このような再循環モードは、所定時間だけ自動継続させてもよいし、または、不要なオキシダント類が所定のしきい値よりも減少したことを検出するまで自動継続させてもよい。また、再循環モードの継続時間は、使用者により手動で制御してもよい。
【００３０】
流れ調節器３９から水素燃料を定量だけ供給(metered supply)することにより、燃料及びオキシダントの燃焼を、反応室３５の容積内に制限し、燃料電池の内部には燃焼を生じさせないようにすることができる。
【００３１】
燃料配送流路及びアノード流路(anode conduits)におけるオキシダント類の存在は、幾つかの方法によって検出することができる。燃料電池積層体(fuel cell stack)１０の開放電圧が低く、ほぼゼロであることは、多くの場合、アノード電極の表面に酸素が存在することの良い指標となる。この酸素が実質上除去されると、水素は反応ベッド(reaction bed)を通って燃料電池のアノード表面に移動し、これにより、開放電圧が上昇し、酸素が上手く除去されたことがわかる。
【００３２】
従って、１つの好ましい実施例では、燃料電池の稼動前に、開放電圧についての試験を行う。もし、この開放電圧が所定のしきい値よりも低い場合、システムは、水素を低い流量で供給する再循環動作モードを、通常動作モードに入る前に開始すべき旨、判定する。更なる実施例では、再循環モードのあいだ、開放電圧が所定のしきい値を超えるまで開放電圧を継続的に監視する。
【００３３】
更なる実施例では、適当な熱電対またはサーミスタを用い、反応室またはその出口の温度を監視することにより、酸素レベルを検出してもよい。酸素が反応室の内部で燃料と反応しているあいだ、反応室の温度、または、該反応室から出るガス流の温度は、上昇し続けるであろう。温度の上昇が止むか、温度が低下し始まるか、または、温度上昇が所定の上昇率よりも遅くなると、酸素レベルが適切なしきい値よりも低くなったと判定される。これは、燃料電池を通常動作モードに移行させてもよいということである。
【００３４】
酸素が除去されると、燃料電池からの通常の電力供給に対応するようなレベルに水素の流量を増大させ、通常の動作を開始することができる。
【００３５】
図４を参照すると、燃料配送経路から酸素を除去できるもう１つの方法は、燃料電池内部に備えられる水素の被制御燃焼器(controlled combustion)内の酸素を利用することである。
【００３６】
この実施例の場合、反応室３５が取り外されており、再利用ル−プ３６は、再循環ガス流を混合ポイント(mixing point)４０に送る。混合ポイント４０では、再循環ガス流が、燃料システム導入部３４及び流れ調節器３９からの、制御された低流量の水素燃料流(low flow bleed of hydrogen fuel)と混合される。
【００３７】
好ましくは、混合ポイント４０は、前混合室４１を含む。前混合室４１は、複数の混合板(mixing baffles)または他の適切な物理的構造を備えており、燃料電池への導入前に燃料流体と再循環流体とが完全に混合されるように促進される。このようにして、如何なる重大なダメージも燃料電池に与えないように、きわめて制御された低レベルの反応を燃料電池のアノードで行うことができる。
【００３８】
これは、燃料電池１０のアノード表面における触媒活性に依るものであり、燃料とオキシダントとがその場で反応するように促進される。水素の供給が厳密に制御(close control)され、充分な混合が燃料電池への導入前に行われるならば、アノードでの局所的発熱という結果が回避され、優れた反応分布を生じ、これにより、燃料電池へのダメージが回避されるであろう。
【００３９】
定量供給(metered)される水素燃料は、例えば、水素と不活性希釈流体との混合物などの水素リッチガスを含んでもよく、この場合、燃料とオキシダントとを混合することについて更なる改善が得られる。
【００４０】
通常動作モードに切り替える前、いつ再循環モードを開始し、いつまで再循環モードを継続させるか判定するための自動制御手段が、図３に示した実施例と同様に備えられてもよい。
【００４１】
膜−電極組立体へのダメージを防止もしくは制限するもう１つの態様は、アノードに供給される燃料を、最適な温度及び／または湿度で与えることである。始動段階中に燃料流れの温度及び／または湿度を制御することによって、燃料電池の最適動作条件に達するまでの過程を早めることもできる。
【００４２】
ここで図５を参照すると、図３を参照して説明されたプロセスは、水または蒸気を導入して燃料ガス流の湿度を改善または維持することにより燃料流れを事前調整するように改変され得る。この構成の更なる利点は、燃料流れの温度も制御できることである。
【００４３】
かかる事前調整を実現するため、水及び熱を生成させる目的で、オキシダント（例えば空気）を反応室３５に送り込んで水素と酸素との反応をゆっくりと慎重に増大させることが行われる。
【００４４】
オキシダント供給ライン５０が、適当なオキシダントの供給系に接続される。図示の好ましい実施例の場合、この供給系は、便宜のため、カソードへの供給に用いられるのと同一のオキシダント源、すなわち、オキシダント供給流路３２となっている。オキシダント供給ライン５０は、そのオキシダント供給流路３２に、弁５１を介して接続されている。弁５１には、流れ調節器（別個に図示されてはいない）が備えられていてもよい。このシステム構成は、図３及び図４で説明された再利用ループ３６と共に用いてもよいし、再利用ループ３６なしに用いてもよい。
【００４５】
反応室３５へのオキシダントの供給量を制御することにより、反応室において水素及び酸素が所定の反応速度(rate)で反応することになる。これにより、燃料配送流路の導入部３０を通して燃料電池１０のアノードに供給される燃料ガスの温度及び湿度を制御することが可能となる（もちろん、流れ調節器３９からの燃料供給において、供給オキシダントに必要とされる燃料よりも余分量の燃料が与えられることを前提としている）。
【００４６】
燃料電池１０への水もしくは水蒸気の流れによって（再利用ループ３０との組み合わせで用いられた場合、前記流れと、その継続的再循環(its continued recirculation)とによって）、膜の含水状態(hydration state)を制御することができる。従って、事前調整された燃料流れを用いることにより、伝導性を維持することができる。
【００４７】
この機能は、長時間にわたって不稼動状態にされると膜の脱水(dehydration)を生じがちなオープン型カソード構成(open cathode design)の燃料電池において、特に有益である。
【００４８】
反応室３５における反応の過程ではエネルギーが発生するので、熱を、熱交換／移動作用により燃料電池にまたは関連システムの他の部分に直接に供給することが可能となる。これは、冷えた状態(cold)から燃料電池を始動する場合に、とりわけ有用となり得る。この場合、温度が急速に上昇することにより、通常の動作温度及び最高の出力性能に達するまでの時間が短縮されるであろう。
【００４９】
いずれの場合でも、導入される燃料ガスの上流側で、及び／または、再循環ループで触媒反応器(catalytic reactor)を用いると、燃料ガスの湿度を制御し、ガス流れを通して熱を導入するという融通性が追加されることになる。
【００５０】
図６を参照すると、更なる構成が示されている。この構成は、燃料電池１０のアノードへの燃料流れに加湿及び前加熱(pre-heating)を施し、かつ、それとは別に燃料電池１０のカソードへのオキシダント流れに加湿及び前加熱を施すことができる。
【００５１】
この構成では、燃料システム導入部３４が、燃料配送流路３０に備えられた第１の反応室３５に燃料を供給(feed)するように接続されており、第１の反応室３５は、更に、オキシダント供給ライン５０から供給を受ける。オキシダント供給流路３２は、第２の反応室６０を備えており、第２の反応室６０は、燃料供給ライン６１から供給を受ける。適当な弁６２、６３が、第１の反応室３５へのオキシダントの流れ及び第２の反応室６０への燃料の流れを制御する。これらの弁６２、６３は、求められる加湿及び前加熱の程度に応じて流量を変化させるための流れ調節器を備えていてもよい。
【００５２】
第1、第２の反応室の何れか一方もしくはそれぞれを、他方の反応室とは独立に使用(used independently)できることが理解されよう。更に、図６に示されたシステムは、図３を参照して説明されたような再利用ループとの組み合わせで用いることもできる。
【００５３】
図５及び図６を参照して説明された事前調整モードは、現在行われている条件のうち、所望の条件の何れに依っても開始することができる。このような条件としては、次の１つ乃至複数の条件が挙げられる。
（ｉ）燃料電池の不稼動時間が所定の経過時間しきい値を超えたことを、自動的に検出したとき。
（ｉｉ）燃料電池の稼動時間が所定の経過時間しきい値を超えたことを、自動的に検出したとき。
（ｉｉｉ）例えば燃料電池要整備状態を検出した後、要点検状態を自動的に検出したとき。
（ｉｖ）燃料配送流路もしくは燃料電池内で所定の温度条件もしくは湿度条件を自動的に検出したとき。
（ｖ）使用者が手動で開始するとき。
【００５４】
事前調整モードは、所定時間だけ自動継続させてもよいし、または、期限を定めないで(indefinitely)自動継続させてもよいし、燃料配送流路もしくは燃料電池内で適切な温度条件もしくは湿度条件を検出するまで自動継続させてもよい。また、事前調整モードの継続時間は、使用者により手動で制御してもよい。
【００５５】
本明細書では、簡便のため、１つだけのアノード、膜及びカソードを考え、燃料電池１０を説明した。しかし、供給電圧もしくは供給電流を増大させるため、複数の膜−電極組立体が、既存の燃料電池構成に従い、積層体として直列もしくは並列に接続された状態で用いられることが理解されよう。かかる構成の場合、燃料配送流路は、典型的には複数のアノード流体流れ場プレートを含んで構成され、オキシダント供給流路は、典型的には複数のカソード流体流れ場プレートを含んで構成されることになる。本発明の主概念(principles)は、このような膜−電極組立体の積層体にも同等に適用される。
【００５６】
高分子膜を含んで構成される既存のＭＥＡに関して本発明を説明したが、本発明は、他の種類の燃料電地にも関連している。
【００５７】
本発明の他の実施例は、添付された特許請求の範囲内に在る。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来の燃料電池を示す分解断面図である。
【図２】図１に図示された燃料電池の流体流れ場プレートを示す平面図である。
【図３】本発明に係る酸素除去システムの第１の構成を示す概略図である。
【図４】本発明に係る酸素除去システムの第２の構成を示す概略図である。
【図５】燃料配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるための、本発明に係る事前調整システムを示す概略図である。
【図６】燃料配送流路内で燃料及びオキシダント類を制御燃焼させるための、本発明に係るもう１つの事前調整システムを示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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