(57)【要約】  燃料電池スタックのセルを保全する方法および機器が開示される。この機器は、燃料電池スタックの少なくとも１つのセルに低インピーダンスを付与する手段（例えば、スイッチ）とパルス発生器を含む燃料電池保全装置である。パルス発生器は、例えば、スイッチが閉じると、低インピーダンス付与手段を通して少なくとも１つのセルのカソードにパルスを与える機能を有する。この方法は、燃料電池スタックのセルを透明に保全し、また燃料電池スタック内の複数のセルのカソードに順にパルスを与え、セルのカソードに順にパルスを与えると共に一定数のセルが燃料電池スタックの負荷に電力を与えるように保持することを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチと、
スイッチが閉じると、スイッチを通して燃料電池スタックの少なくとも１つのセルのカソードにパルスを与える機能を有するパルス発生器と、
を含む燃料電池保全装置。
【請求項２】
請求項１記載の保全装置であって、前記スイッチは、
燃料電池スタックのセルを短絡する機能を有するリレーと、
リレーを駆動する機能を有する誘電的に絶縁されたドライバと、
を含む前記保全装置。
【請求項３】
請求項２記載の保全装置であって、前記リレーは、固体リレーを含む前記保全装置。
【請求項４】
請求項２記載の保全装置であって、前記リレーは、燃料電池スタックの第２のセルを短絡する機能を更に有する前記保全装置。
【請求項５】
請求項１記載の保全装置であって、さらに、第２のスイッチと、第２のスイッチが閉じると、これを通してパルス発生器が第２のセルのカソードにパルスを与える機能を有し、
第１および第２のリレーのどちらにパルス発生器の出力を送るかを制御する機能を有する制御回路と、
を含む前記保全装置。
【請求項６】
請求項５記載の保全装置であって、前記第２のスイッチは、
燃料電池スタックの少なくとも第２のセルを短絡する機能を有する第２のリレーと、
パルス発生器出力に応じて第２のリレーを駆動する機能を有する第２の誘電的に絶縁されたドライバと、
を含む前記保全装置。
【請求項７】
請求項６記載の保全装置であって、さらに、前記第１のリレーと第２のリレーの少なくとも一方は、燃料電池スタックの第３のセルと第４のセルの一方を短絡する機能を有する前記保全装置。
【請求項８】
請求項１記載の保全装置であって、前記スイッチとパルス発生器の少なくとも一方は、燃料電池スタックから帰還された電力を受ける機能を有する前記保全装置。
【請求項９】
請求項８記載の保全装置であって、さらに前記スイッチとパルス発生器の少なくとも一方に結合され、燃料電池スタックから帰還された電力を受けるよう形成された電圧調整器を含む前記保全装置。
【請求項１０】
請求項１記載の保全装置であって、前記パルス発生器は、スイッチが閉じると第２のセルのカソードにパルスを与える機能を有する前記保全装置。
【請求項１１】
燃料電池スタックの少なくとも１つのセルを短絡する機能を有する少なくとも１つのリレーと、
リレーを駆動する機能を有する誘電的に絶縁されたドライバと、
誘電的に絶縁されたドライバがリレーを閉じてセルを短絡すると、リレーを通してセルのカソードにパルスを与える機能を有するパルス発生器と、
を含む燃料電池保全装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の保全装置であって、前記リレーは、固体リレーを含む前記保全装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の保全装置であって、前記リレーは、燃料電池スタックの第２のセルを短絡する機能を更に有する前記保全装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の保全装置であって、さらに燃料電池スタックの少なくとも第２のセルを短絡する機能を有する第２のリレーと、
パルス発生器出力に応じて第２のリレーを駆動する機能を有する第２の誘電的に絶縁されたドライバと、
第１および第２のリレーのどちらにパルス発生器の出力を送るかを制御する機能を有する制御回路と、
を含む前記保全装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の保全装置であって、前記第１のリレーと第２のリレーの少なくとも一方は、燃料電池スタックの第３のセルと第４のセルの一方を短絡する機能を更に有する前記保全装置。
【請求項１６】
請求項１１記載の保全装置であって、前記リレーと、誘電的に絶縁されたドライバと、パルス発生器の少なくとも１つは、燃料電池スタックから帰された電力を受ける機能を有する前記保全装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の保全装置であって、さらに、電圧調整器を含み、電圧調整器は、これを通してリレーと、誘電的に絶縁されたドライバと、パルス発生器の少なくとも１つが燃料電池スタックから帰された電力を受ける機能を有する前記保全装置。
【請求項１８】
請求項１１記載の保全装置であって、誘電的に絶縁されたドライバがリレーを閉じてセルを短絡すると、前記パルス発生器は、リレーを通して第２のセルのカソードにパルスを与える機能を有する前記保全装置。
【請求項１９】
少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックの燃料電池保全装置であって、
セルに並列に電気的に接続される少なくとも１つのリレーと、
リレーに関連してリレーを駆動する機能を有する誘電的に絶縁されたドライバと、
誘電的に絶縁されたドライバに電気的に接続され、誘電的に絶縁されたドライバがリレーを閉じるとリレーを通してセルのカソードにパルスを与えるパルス発生器と、
を含む燃料電池保全装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の保全装置であって、前記リレーは、固体リレーを含む前記保全装置。
【請求項２１】
請求項１９記載の保全装置であって、前記リレーは、燃料電池スタックの第２のセルに並列に電気的に更に接続される前記保全装置。
【請求項２２】
請求項１９記載の保全装置であって、さらに、燃料電池スタックの第２のセルに並列に電気的に接続される第２のリレーと、
パルス発生器の出力に応じて第２のリレーを駆動する機能を有する第２の誘電的に絶縁されたドライバと、
第１および第２のリレーのどちらにパルス発生器の出力を送るかを制御する機能を有する制御回路と、
を含む前記保全装置。
【請求項２３】
請求項２２記載の保全装置であって、前記第１のリレーと第２のリレーの少なくとも一方は、燃料電池スタックの第３のセルと第４のセルの一方に並列に電気的に更に接続される前記保全装置。
【請求項２４】
請求項１９記載の保全装置であって、さらに、前記燃料電池スタックからパルス発生器と、リレーと、誘電的に絶縁されたドライバの少なくとも１つへの電力復帰を含む前記保全装置。
【請求項２５】
請求項２４記載の保全装置であって、前記電力復帰は、電圧調整器を含む前記保全装置。
【請求項２６】
請求項１９記載の保全装置であって、前記リレーは、第２のセルに並列に電気的に接続され、
前記パルス発生器は、誘電的に絶縁されたドライバに接続され、誘電的に絶縁されたドライバがリレーを閉じると、リレーを通して第２のセルのカソードにパルスを与える前記保全装置。
【請求項２７】
複数のセルを含む燃料電池スタックと、
複数のスイッチを含み、各スイッチは、前記セルの少なくとも１つに並列に電気的に接続されるスイッチ・バンクと、
それぞれのスイッチが閉じると、前記セルのカソードにパルスを与える機能を有するパルス発生器と、
パルス発生器とスイッチ・バンクとの間に直列に電気的に接続されて前記スイッチを順に開閉する制御回路と、
含む機器。
【請求項２８】
請求項２７記載の機器であって、各スイッチは、
燃料電池スタックの少なくとも１つのセルを短絡する機能を有するリレーと、
リレーを駆動する機能を有する誘電的に絶縁されたドライバと、
を含む前記機器。
【請求項２９】
請求項２８記載の機器であって、前記リレーは、固体リレーを含む前記機器。
【請求項３０】
請求項２８記載の機器であって、前記リレーは、燃料電池スタックの第２のセルを短絡する機能を更に有する前記機器。
【請求項３１】
請求項２７記載の機器であって、各スイッチは、複数のセルを短絡する機能を有する前記機器。
【請求項３２】
請求項２７記載の機器であって、前記スイッチ・バンクとパルス発生器の少なくとも一方は、燃料電池スタックから帰還された電力を受ける機能を有する前記機器。
【請求項３３】
請求項３２記載の機器であって、さらに電圧調整器を含み、電圧調製器は、これを通してスイッチ・バンクとパルス発生器の少なくとも一方が燃料電池スタックから帰還された電力を受ける機能を有する前記機器。
【請求項３４】
請求項２７記載の機器であって、前記セルは、陽子交換膜燃料電池である前記機器。
【請求項３５】
請求項２７記載の機器であって、制御回路は、
クロックにより駆動されるカウンタと、
カウンタのカウントに応じてパルス発生器の出力をスイッチに多重送信するマルチプレクサと、
を含む前記機器。
【請求項３６】
燃料電池スタックのセルを透明に保全する方法であって、
燃料電池スタック内の複数のセルのカソードにパルスを順に与える段階と、
セルのカソードにパルスを順に与えると共に、燃料電池スタックの負荷に電力を与える一定数のセルを保持する段階と、
を含む前記方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法であって、前記カソードにパルスを与える段階は、
パルス列を生成する段階と、
パルス列をセルに順に与える段階と、
を含む前記方法。
【請求項３８】
請求項３７記載の方法であって、前記パルス列をセルに順に供給する段階は、
パルス列を燃料電池スタックの第１のセルに供給し、そのカソードにパルスを与える段階と、
パルス列の供給を燃料電池スタックの第１のセルから第２のセルに切替えてそのカソードにパルスを与える段階と、
を含む前記方法。
【請求項３９】
請求項３６記載の方法であって、前記セルのカソードにパルスを順に与える段階は、
パルス列を燃料電池スタックの第１のセルに供給しそのカソードにパルスを与える段階と、
パルス列の供給を燃料電池スタックの第１のセルから第２のセルに切替えそのカソードにパルスを与える段階と、
を含む前記方法。
【請求項４０】
燃料電池スタックのセルを透明に保全する方法であって、
パルス列を生成する段階と、
パルス列を燃料電池スタックの第１のセルに供給しそのカソードにパルスを与える段階と、
パルス列の供給を燃料電池スタックの第１のセルから第２のセルに切替えてそのカソードにパルスを与える段階と、
を含む前記方法。
【請求項４１】
請求項４０記載の方法であって、前記パルス列を第１のセルに供給する段階は、パルス列内のパルスをカウントする段階を含み、供給を切り替える段階は、カウントに応じて供給を切り替える段階を含む前記方法。
【請求項４２】
請求項４０記載の方法であって、前記パルス列を第１のセルに供給しそのカソードにパルスを与える段階は、パルス列を燃料電池スタックの第１のセルを含むセルの第１の対に供給しそのカソードにパルスを与える段階を含み、
パルス列の供給を燃料電池スタックの第１のセルから第２のセルに切替えそのカソードにパルスを与える段階は、パルス列の供給をセルの第１の対から第２のセルを含むセルの第２の対に切替えそのカソードにパルスを与える段階を含む前記方法。
【請求項４３】
燃料電池スタックの少なくとも１つのセルに低インピーダンスを付与する手段と、
低インピーダンス付与手段を通して少なくとも１つのセルのカソードにパルスを与える機能を有するパルス発生器と、
を含む燃料電池保全装置。
【請求項４４】
請求項４３記載の保全装置であって、前記低インピーダンス付与手段は、閉じてパルス発生器からパルスを受けるときに低インピーダンスを付与するスイッチを含む前記保全装置。
【請求項４５】
請求項４４記載の保全装置であって、前記スイッチは、
燃料電池スタックのセルを短絡する機能を有するリレーと、
リレーを駆動する機能を有する誘電的に絶縁されたドライバと、
を含む前記保全装置。
【請求項４６】
請求項４５記載の保全装置であって、前記リレーは、固体リレーを含む前記保全装置。
【請求項４７】
請求項４５記載の保全装置であって、前記リレーは、燃料電池スタックの第２のセルを短絡する機能を更に有する前記保全装置。
【請求項４８】
請求項４３記載の保全装置であって、さらに燃料電池スタックの少なくとも第２のセルに低インピーダンスを付与する第２の手段と、
第１および第２の低インピーダンス付与手段のどちらにパルス発生器の出力を送るかを制御する機能を有する制御回路と、
を含む前記保全装置。
【請求項４９】
請求項４８記載の保全装置であって、前記第２の低インピーダンス付与手段は、閉じてパルス発生器からパルスを受けるときに低インピーダンスを付与する第２のスイッチを含む前記保全装置。
【請求項５０】
請求項４９記載の保全装置であって、前記第２のスイッチは、
燃料電池スタックの少なくとも第２のセルを短絡する機能を有する第２のリレーと、
パルス発生器の出力に応じて第２のリレーを駆動する機能を有する第２の誘電的に絶縁されたドライバと、
を含む前記保全装置。
【請求項５１】
請求項５０記載の保全装置であって、前記第１のリレーと第２のリレーの少なくとも一方は、燃料電池スタックの第３のセルと第４のセルの一方を短絡する機能を更に有する前記保全装置。
【請求項５２】
請求項４３記載の保全装置であって、前記低インピーダンス付与手段と前記パルス発生器の少なくとも一方は、燃料電池スタックから帰された電力を受ける機能を有する前記保全装置。
【請求項５３】
請求項５２記載の保全装置であって、さらに、前記スイッチとパルス発生器の少なくとも一方に結合されて燃料電池スタックから帰された電力を受けるよう形成された電圧調整器を含む前記保全装置。
【請求項５４】
請求項４３記載の保全装置であって、前記パルス発生器は、低インピーダンス付与手段を通して第２のセルのカソードにパルスを与える機能を有する前記保全装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、より詳しくは、燃料電池スタックの燃料電池保全装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術は、化石燃料の燃焼を用いる従来のエネルギ源に代わるエネルギ源である。燃料電池は、一般に燃料と酸素から電気と水と熱を作る。より詳しく述べると、燃料電池は、化学的酸化還元反応から電気を生成し、清浄さと効率の点で他の形の電力生成に比べて非常に大きな利点を有する。一般に燃料電池は、燃料として水素および酸化剤として酸素を用いる。電力の生成は、反応物の消費割合に比例する。
【０００３】
燃料電池の普及を妨げている大きな欠点は、水素のインフラ・ストラクチャが整備されていないことである。水素は、体積エネルギ密度が比較的低く、ほとんどの電力生成システムで現在用いられている炭化水素燃料に比べて貯蔵および輸送が困難である。この困難を克服する１つの方法は、「燃料処理装置」すなわち「改質装置」を用いて、炭化水素を燃料電池の燃料として用いることのできる水素リッチ・ガス流に変換することである。ほとんどの燃料電池で燃料として用いるには、炭化水素ベースの燃料（天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ディーゼルなど）を変換する必要がある。現在の技術は、最初の変換プロセスと複数の浄化プロセスとを組み合わせた多段プロセスを用いる。最初のプロセスは、水蒸気改質（ＳＲ）、自熱改質（ＡＴＲ）、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）、非触媒部分酸化（ＰＯＸ）が多い。通常、浄化プロセスは、脱硫、高温水性ガス・シフト、低温水性ガス・シフト、選択的ＣＯ酸化、選択的ＣＯメタン化を組み合わせる。別のプロセスは、水素選択膜リアクタおよびフィルタを含む。
【０００４】
このように多くのタイプの燃料を用いることができる。化石燃料とのハイブリッドもあるが、理想的な燃料は、水素である。燃料が、例えば、水素の場合は、燃焼は、非常に清浄であり、実際において、熱を消散および／または消費し、電気を消費した後に残るのは水だけである。多くの利用しやすい燃料（例えば、天然ガス、プロパン、ガソリンなど）も、比較的使われていない燃料（例えば、メタノールやエタノールなど）も、その分子構造内に水素を含む。したがって、或る燃料電池では特定の燃料を処理する「燃料処理装置」を用いて、燃料電池に燃料を供給するのに用いられる比較的純粋の水素ストリームを作る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料処理装置と共に用いられる陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池で起こる１つの問題は、貴金属触媒リアクタの白金触媒上に過酸化水素が形成されることである。ＰＥＭ燃料電池の劣化の１つの形態は、燃料電池のアノードに過酸化水素が形成されるのが原因である。過酸化水素は、一般にＰＥＭ燃料電池の寿命を制限する。この機構は、１９６０年代にＡ．Ｂ．ＬａＣｏｎｔｉにより初めて解明された。Ａ．Ｂ．ＬａＣｏｎｔｉ，Ｍ．Ｈａｍｄａｎ，Ｒ．Ｃ．ＭｃＤｏｎａｌｄの「膜劣化の機構（ポリマ電解液膜燃料電池およびシステム、ＰＥＭＦＣ）Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ，Ｖｏｌ．３，Ｃｈ．４９，ｐｐ．６４７−６６２，Ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｗ．Ｖｉｅｌｓｔｉｃｈ，Ａ．Ｌａｍｍ，Ｈ．Ｇａｓｔｅｉｇｅｒ，Ｗｉｌｅｙ，Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ  ＵＫ，２００３が参照される。過酸化水素は、燃料電池膜を破壊する強い酸化体である。これは、一般に燃料電池のカソードからアノードに拡散する酸素により形成される。図１のグラフは、酸素分圧が非常に低くてもアノード電位が０．０ボルト付近では過酸化水素分圧が非常に高いことを示す。アノード電位を２００ミリボルトに上げると、過酸化物濃度の大きさが３段階低下することが図１から明らかである。
【０００６】
詳しく述べると、酸素還元では、酸化白金は、比較的不活性の触媒である。白金は、次の平衡関係に従って水和酸化物Ｐｔ（ＯＨ）２を形成する。
Ｐｔ＋Ｈ２Ｏ  →  ＰｔＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−
ＰｔＯ＋Ｈ２Ｏ  →  Ｐｔ（ＯＨ）２
水和酸化物を形成する平衡ポテンシャルは、次式で与えられる。
Ｅｏ＝０．９８−０．０５９１ｐＨ
「水溶液内の電気化学的平衡の図解書（第２版）、Ｍ．Ｊ．Ｎ．Ｐｏｕｒｂａｉｘ，ＮＡＣＥ，Ｈｏｕｓｔｏｎ，ＴＸ，１９７４，ｐａｇｅ  ３７９（Ｐｏｕｒｂａｉｘ）。Ｐｏｕｒｂａｉｘは、高次酸化物がどのように形成されるかも示す。更に、Ｐｏｕｒｂａｉｘは、Ｐｔ，ＰｔＯ，ＰｔＯ２，Ｐｔ２＋イオンの間の複雑な関係を示す。
【０００７】
これらの反応の結果および関係を図２に示す。これは、Ｐｏｕｒｂａｉｘを修正したものである。図２は、Ｐｔが腐食しない不活性態の領域と、Ｐｔが腐食して安定な水和酸化物になる不動態の領域とを示す。酸化物は、酸素還元の特別な触媒ではない。図２をよく見ると、カソード電位が実線２００より下になると酸化白金は、不安定になり、金属は、安定になる。カソード電位が実線２００より上になると、酸化物は、安定になり、金属は、不安定になる。このプロセスは、複雑である。なぜなら、局所のｐＨもプロセスに影響を与えるからである。高電流の条件下（例えば、カソード陽子の消費による）で起こるように、ｐＨが大きくなるに従ってカソード電位が低くても酸化物が形成されやすくなる。
【０００８】
これらの問題は、４０年以上も前から知られている。この間この分野では、この問題に対する技術的および経済的に実現可能な方法を見出だす努力が払われてきた。他の技術では、すでにインフラ・ストラクチャが確立されたために非常に低コストで電力を生成して供給することが可能になっているので、これとの競争によって、この問題は、更に困難になっている。解決策は、いくつか提案されているが、実用的に受け入れられるものは、まだ見つかっていない。
本発明は、上述の問題の１つまたは全てを解決または少なくとも低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池スタックのセルを保全する方法および機器を含む。この機器は、燃料電池スタックの少なくとも１つのセルに低インピーダンスを付与する手段（例えば、スイッチ）とパルス発生器とを含む燃料電池保全装置である。パルス発生器は、例えば、スイッチが閉じると、低インピーダンス付与手段を通して少なくとも１つのセルのカソードにパルスを与える機能を有する。この方法は、燃料電池スタックのセルを透明に保全し、また燃料電池スタック内の複数のセルのカソードに順にパルスを与え、セルのカソードに順にパルスを与えると共に一定数のセルが燃料電池スタックの負荷に電力を与えるように保持することを含む。
【実施例】
【００１０】
本発明の実施の形態の例を以下に説明する。分かりやすくするために、この明細書では実際の実施の形態の特徴の全ては説明しない。かかる実際の実施の形態の開発において、開発者の特定の目的（実施の形態により異なるシステム関係およびビジネス関係の制約に従うなどの）を達成するために、多くの実施の形態に特有の決定を行う必要があることが認識される。更に、複雑で時間がかかっても、かかる開発努力は、この開示の恩恵を受ける当業者にとって日常の仕事であることが認識される。
【００１１】
図面に戻って、図３は、本発明の１つの特定の実施の形態３００を示す。実施の形態３００では、燃料電池保全装置３０３は、燃料電池スタック３０９のセル３０６（１つだけ示す）を保全する。燃料電池保全装置３０３は、スイッチ３１２およびパルス発生器３１５を含む。スイッチ３１２は、燃料電池スタック３０９の少なくとも１つのセル３０６を短絡するリレー３１８と、リレー３１８を駆動する誘電的に絶縁されたドライバ３２１とを含む。一実施の形態では、リレー３１８は、この技術で周知の固体リレーでよい。パルス発生器３１５は、スイッチ３１２が閉じると、スイッチ３１２を通して燃料電池スタック３０９の少なくとも１つのセル３０６のカソード３２４にパルスを与える機能を有する。パルス発生器３１５は、後で詳細に説明するデジタル・パルスを生成する。
【００１２】
スイッチ３１２は、閉じると、セル３０６に低インピーダンスを与え、これにより外部電流が流れることに注意する。この外部電流は、セル電圧を希望の値まで下げる。これについては後で詳細に説明する。したがって、他の機構を用いてセル３０６に低インピーダンスを導入する実施の形態では、スイッチ３１２は、省いてよい。スイッチ３１２は、そのカソードにパルスを与えるときにセル３０６に低インピーダンスを付与する単なる１つの手段の例である。
【００１３】
セル３０６のカソード３２４にパルスを与える図３の実施の形態に示す方法を拡張して、複数のセル３０６をカバーするようにしてよい。１つのかかる実施の形態４００を図４Ａに示す。図４Ａでは、燃料電池保全装置は、複数のスイッチ３１２を含む。各スイッチ３１２が閉じると、パルス発生器３１５は、それぞれのセル３０６のカソード３２４にパルスを与えることができる。この例示的な実施の形態では、制御回路４０６は、スイッチ３１２を順に閉じてセル３０６のカソード３２４に順にパルスを与える。パルスは、マルチプレクサを通してドライバに送られる。パルスは、ドライバを順に選択するマルチプレクサをアドレス指定するカウンタを計時するのにも用いられる。全てについて後で詳細に説明する。
【００１４】
一実施の形態では、燃料電池スタック３０９内の多数のセル３０６のカソード３２４は、同じスイッチ３１２を通してパルス発生器３１５からパルスを受けてよい。１つのかかる実施の形態４１２を図４Ｂに示す。スイッチ３１２は、１つだけなので、図４Ａの実施の形態３００における制御回路４０６に対応するものは必要ない。しかし、実施の形態３００を図４Ａで拡張したのと同様の方法で、実施の形態４１２を燃料電池スタック３０９の追加のセル３０６に拡張してよい。かかる実施の形態では、スイッチ３１２の直列動作を制御するのに実施の形態３００の制御回路４０６に対応するものを用いなければならない。
【００１５】
パルス発生器３１５から出力されるパルスの電気的特性は、本発明の性能に影響を与える。セル電圧が０．６Ｖより低い場合は、カソード白金触媒は、水酸化物がなく、このプロセスで触媒が活性化されることが分かっている。しかし、セル電圧にパルスを与えることと、パルス・サイズと、デューティ・サイクルが、かかるパルスを与えることの効率に与える影響は、これまで知られていなかった。
【００１６】
図５は、パルスを与えて動作するセルと定常電流で動作するセルの性能を比較するプロットを示す。この性能のプロットは、電流パルスを与えることによりセルの性能が顕著に改善されることを示す。これらのデータは、各電圧での平均電流密度であることに注意する。以下に示すプロットのパルスを与える条件は、１２０秒毎に５秒間、０．０５Ｖのパルスである。図５に示すように、パルスが短いほど、またパルス周波数が高いほど、性能は、改善される。曲線５００は、電流を増やした燃料電池の性能を表し、曲線５０５は、定常の燃料電池の性能を表す。このプロットは、セル温度が６５．６℃（１５０°Ｆ）、飽和温度が４８．９℃（１２０°Ｆ）、カソードの逆圧が６８９４８Ｐａ（１０ｐｓｉｇ）、アノードの逆圧が５５１５８Ｐａ（８ｐｓｉｇ）、Ｕｈが２０％、Ｕｏが３０％の６３．５ｍｍｘ６３．５ｍｍ（２．５”ｘ２．５”）の単一黒鉛セルで行われたテストから得られたものである。以下に示す情報を生成するのにも、これと同じ条件が用いられた。
【００１７】
パルス・サイズは、１つの重要な電気的特性である。パルスは、１２０秒毎に５秒間、０．４Ｖと０．０５Ｖの間に変えて１つのセルに与えられた。表１の第２列および第３列に、パルスの１０秒後および３０秒後の電流密度を示す。０．３Ｖパルスも０．４Ｖパルスも安定点に達するのに十分なほど長く動作させなかったことに注意すべきである。平均電流密度は、表１に示される数字より更に下がった。他が全て等しい場合、セル当たりの電位が低いほど性能は良い。実際的な理由から、セル当たり０．２Ｖより低くすることは困難であるが、回路は、セルを０．３Ｖより低くできるようにすべきである。低電圧／高電流という要求では、実施の形態によっては、例えば、図４Ｂの実施の形態４１２のように、一時に２つ以上のセルにパルスを与える必要がある。
【００１８】
【表１】
2007515051.tif 000003
【００１９】
パルスの長さと周波数も重要である。セルの性能は、各パルスの後に低下する。代表的な例を図６に示す。これは、１秒の０．２Ｖのパルスの直後の電流の減少を示す。減少している間は、セルは、０．７Ｖに保持された。このプロットは、パルスの間の時間が短いほうが良いことを示す。電流、温度、圧力を全て一定に保ったまま、長さが短くて周波数の大きなパルスと長さが長くて周期の長いパルスとを比較した。その結果を表２に示す。表の最後の列は、期間中にセル電圧を０．７Ｖに保ったときの、各パルスの間の平均電流密度を示す。セルからの電力は、（１デューティ・サイクル）＊平均電力により計算することができる。このように、短くて周波数の高いパルスの方が長くて周波数の低いパルスより優れている。しかし、セルの容量は、パルスの短さを制限する。図７は、オシロスコープのデータで、上側のトレース７００および下側のトレース７０３は、それぞれ電流および電圧を示すが、これから分かるように、セル電圧が上昇して、そのベースライン状態まで戻るのに７０ｍｓから１００ｍｓかかる。同様に、セルの容量は、セルの電圧がそのパルス・レベルまで落ちる速度を制限する。図７では、電圧が０．４Ｖまで下がるのに約１００ｍｓかかる。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
図７は、負荷抵抗が約３２ｍΩから約１２ｍΩに変化するのに対するセルの応答を示す。フルサイズのセルは、回路が０．４Ｖまで下がるのに抵抗が更に低いことが必要である。セルの容量のために、セルの電圧は、電流よりゆっくり変化することが分かる。また、短絡の後にセルの電圧がその「パルス・レベル」まで低下する前に、最初に回路を通してやや大きな電流を流す必要があることが示されている。
【００２２】
またセルをパルス幅０．５秒、周期１５秒、デューティ・サイクル３．３３％で、０．２Ｖと０．８Ｖの間で循環させた。図８は、トレース８００が、時間と共に変わる電圧を示し、トレース８０３が時間と共に変わる電流を示すが、これから分かるように、セルは、０．８Ｖで約３００ＡＳＦの平均電流密度に保たれる。パルスが中断すると、電流密度は、減少して１８０ＡＳＦより下になり、パルスが再開するまで減少を続け、パルスが再開すると、セルの電流密度は、約３００ＡＳＦまで上昇する。
【００２３】
本発明のどの実施の形態の実現も、燃料電池のサイズと、燃料電池の性能と、セルがピークの間で動作する電圧とに依存する。表３は、スタックの燃料電池保全装置を設計するときのいくつかの考慮すべき点を示す。一般に、セルの電流密度を６００ＡＳＦから１２００ＡＳＦにすれば、セルの電位を０．２Ｖに駆動し電流を一定に保って２６アンペア（６００ＡＳＦ）に設定するのに十分である。実験が非常に低い使用度で行ったので、電流に必要な実際の値は、テストで予想した値より低いと思われる。以下に示す値は、やや低い空気流で行った実験に基づく最高の予想である。他に考慮した点は、次の通りである。
【００２４】
・  一実施の形態では、パルス電圧（表では０．２Ｖ）は、外部回路に十分な電流を流すのに十分ではないことがあるので、一度に１つ以上のセルにパルスを与えるか、または一実施の形態では（例えば、図４Ｂの実施の形態３１２では）セル当たり２つ以上の回路を有するのが望ましい。例えば、ＭＯＳＦＥＴスイッチを通して十分な電流を流すには、燃料電池から供給されるドレン・ソース電圧（Ｖｄｓ）を増やすことが望ましい。Ｖｄｓを増やすのは、２つ以上のセル（例えば、２つまたは３つ以上のセル）に接続されるＭＯＳＦＥＴスイッチにパルスを与えることにより容易に行うことができる。
・  スタックを流れる電流が増えると、望ましいパルス電圧に達するために回路に流すのに必要な電流量が減る。例えば、表３の第１行は、スタックをセル当たり０．８Ｖおよび３００ＡＳＦで動作させる場合、第２行は、スタックをセル当たり０．７Ｖおよび５００ＡＳＦで動作させる場合である。０．８Ｖのセルを０．２Ｖまで下げるには、外部回路に７２アンペア流す必要である。０．７Ｖセルを０．２Ｖまで下げるには、外部回路に４０アンペア流すだけでよい。
同様に、セル・サイズが小さいほど、セルを適当な電圧（＜０．３Ｖ）にするのに必要な電流量が減る。
他の実施の形態では、更に別の考慮が必要になる。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
図９は、燃料電池スタック９０６の負荷（図示しない）に対して透明な方法で燃料電池スタック９０６のセル９０３を保全するのに本発明を用いる一実施の形態９００を示す。燃料電池スタック９０６は、複数のセル９０３０−９０３Ｎを含む。各セル９０３０−９０３Ｎは、セル９０３０−９０３Ｎに並列に電気的に接続されるそれぞれのスイッチ９１２０−９１２Ｎを有する。各スイッチ９１２は、金属酸化膜半導体の電界効果トランジスタ９１５（ＭＯＳＦＥＴを１つだけ示す）とこれに並列の電子なだれダイオード９１８（１つだけ示す）とを含む。ＭＯＳＦＥＴ９１５と電子なだれダイオード９１８とで図３のリレー３１８と同様に機能する。上に述べたように、ＭＯＳＦＥＴ９１５および電子なだれダイオード９１８を固体リレーとしてまとめてよい。しかし、一実施の形態は、離散的なＭＯＳＦＥＴ９１５および電子なだれダイオード９１８を用いてよく、またはＭＯＳＦＥＴ９１５および電子なだれダイオード９１８を１つのパッケージ内に統合してよい。各スイッチ９１２０−９１２Ｎは、ＭＯＳＦＥＴ９１５および電子なだれダイオード９１８を駆動する誘電的に絶縁されたダイオード９２１（１つだけ示す）も含む。
【００２７】
パルス発生器９２４は、一連のパルス９２７を生成する。その特性は、上に説明した考慮に基づいて決定される。制御回路９３３のカウンタ９３０は、パルス列をクロックとして受ける。すなわち、パルス列は、カウンタ９３０も駆動する。カウント（すなわち、Ｑ０−ＱＮ）は、制御回路９３３のマルチプレクサ９３６に出力される。マルチプレクサ９３６は、そのＣＯＭ入力にもパルス列を受ける。マルチプレクサ９３６は、カウンタ９３０のカウントにより決まる選択された線ＣＨ０−ＣＨＮにパルス列を出力する。このように、パルス発生器９２４がパルス９２７を生成する度にカウンタ９３０のカウントが増分して、マルチプレクサ９３６は、次の線ＣＨ０−ＣＨＮをパルス９２７の出力として選択する。カウンタ９３０は、Ｎまでカウントすると、０にリセットする。パルス発生器９２４が生成したパルス列のパルス９２７毎にパルスが１つのセル９０３０−９０３Ｎに与えられる。この実施の形態では、どの所定の時刻でもセル９０３０−９０３Ｎの１つだけにパルスが与えられる。
【００２８】
したがって、各セル９０３０−９０３Ｎのカソード９３９０−９３９Ｎに順に連続的に一度に１つずつ個別にパルスが与えられる。すなわち、パルスは、１つのセル９０３０−９０３Ｎに入ったり止まったりするのではなく、セル９０３０−９０３Ｎに１つずつ切り替えて与えられる。所定の時刻に１つのセル９０３０−９０３Ｎだけにパルスが与えられるので、燃料電池９０６の負荷は、Ｎ−１個のセル９０３０−９０３Ｎから電力を受ける。しかし、一実施の形態では、この方法で（すなわち、順に連続的に）２つ以上のセル９０３０−９０３Ｎにパルスを与えてよいことに注意する。したがって、セル９０３０−９０３Ｎの保全は、負荷に対して透明であり、負荷への電力は、常に一定レベルである。なぜなら、パルスを与えられないセル９０３０−９０３Ｎの数は、常に一定だからである。
【００２９】
図９の実施の形態９００は、燃料電池スタック９０６からの電圧帰路９４２を含み、これを用いて、例えば、パルス発生器９２４、カウンタ９３０、マルチプレクサ９３６の制御回路にＤＣ電力が与えられることに注意する。電圧調整器９４５が電圧帰路９４２内に設けられ、復帰電圧は、電子回路が用いるレベルに調整される。したがって、実施の形態９００は、電子回路のための外部電源を必要としない。しかし、実施の形態によっては、かかる外部電源を設けて電圧帰路９４２を除く方を選択してよい。
【００３０】
本発明は、燃料電池スタック内のセルのカソード上に過酸化水素が形成される問題だけでなく、他の保全問題に対処するのに用いてもよい。例えば、燃料電池応用で起こる他の問題は、触媒上に一酸化炭素が堆積することである。一酸化炭素は、ＰＥＭ燃料電池のアノードの触媒表面上に優先的に吸着する。水素酸化に用いられる表面が減り、酸化に利用できる面積は、触媒表面を全面的に利用できる場合より高い局所電流密度で動作しなければならない。一酸化炭素が覆う表面積の部分は吸着等温式により制御される。温度が高いほど一酸化炭素に覆われる表面積は、小さくなる。
【００３１】
これは貴金属触媒リアクタにも当てはまる。かかるリアクタは、選択的酸化剤または優先的酸化剤と呼ばれる。かかるリアクタは、ガス流から一酸化炭素の極微量を除去するのに用いられる。かかるリアクタ内の触媒粒子は、ここで燃料電池のアノードに帰したのと同じ化学吸着現象で特徴づけられる。一酸化炭素と酸素との間には競合的吸着がある。かかるリアクタ内の温度が上昇するに従って一酸化炭素が覆う表面積が減少し、より多くの表面が酸化に利用できる。一酸化炭素から二酸化炭素への化学酸化の速度は、次式で与えられる。
ＮＣＯ２ｄ／ｄｔ＝ｋ［Ｏ２］／［ＣＯ］
ただし、
ＮＣＯ２ｄ／ｄｔは、二酸化炭素の展開速度、
［Ｏ２］は、酸素濃度、
［ＣＯ］は、一酸化炭素濃度、
である。（Ｓ．Ｂｅｎｓｏｎ  の「化学反応速度論の基礎」）。これは、反応速度が一酸化炭素の濃度に反比例することを意味する。
【００３２】
一酸化炭素の酸化は、活発な発熱反応なので、温度が十分高くなって十分な酸素が一酸化炭素を吸着して化学吸着された一酸化炭素と反応するところに、選択的酸化リアクタが「過熱点」を作ることがしばしば起こる。従来の選択的酸化剤では、リアクタの端にその「過熱点」を有するよう設計されるのが普通である。このため、酸素が全くなくなると熱いガスが触媒から追い出される。酸素がなくなっても熱いガスが触媒と接触できる場合は、逆に水素と二酸化炭素から一酸化炭素が形成される。これにより、負荷変動の条件下で選択的酸化剤の中の流れを希望通りに非常に変わりにくくする。
【００３３】
図３に戻って、本発明が用いる方法は、カソード３２４だけでなくアノード３２７に同時にパルスを与える。過酸化水素の形成は、全ての燃料電池において問題であるが、一酸化炭素の形成は、主として改質燃料ストリームを用いる実施の形態での問題である。逆に、燃料電池スタックの燃料が純粋の水素によって供給される場合は、一酸化炭素の形成は、問題でない。このように、必ずしも全ての実施の形態でカソード３２４に加えてアノード３２７にパルスを与えるわけではない。
【００３４】
これで詳細な説明を終わる。上に開示された特定の実施の形態は、単なる例である。なぜなら、本発明は、この教示を参照した当業者に明らかな、異なるが同等の方法で変更しまた実施してよいからである。更に、クレームに述べたものを除き、ここに示された構造または設計の詳細には、なんらの制限もない。したがって、上に開示された特定の実施の形態は、変更または修正を行ってよく、かつ、かかる変更は、全て本発明の範囲と精神に含まれることは明らかである。したがって、ここで求められる保護は、クレームの中に指定されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
添付図面に関連して詳細な説明を参照すれば、本発明を理解することができる。図中、同じ参照番号は、同じ要素を示す。
【図１】酸素の分圧に対する電極電位の周知のグラフである。
【図２】２５℃での白金の腐食と不活性態と不動態の理論的領域を示す周知のグラフである。
【図３】本発明に係る燃料電池保全装置の１つの実施の形態を示す。
【図４Ａ】本発明の別の実施の形態を示す。
【図４Ｂ】本発明の別の実施の形態を示す。
【図５】パルスを与えて動作するセルと定常電流で動作するセルの性能を比較したプロットを示す。
【図６】パルスを受けた後のセル電流に対する時間のグラフである。
【図７】時間と共に変わるセル電圧とセル電流のグラフである。
【図８】時間と共に変わる電流密度とセル電圧のグラフである。
【図９】燃料電池スタックのセルが燃料電池スタックの負荷に対して透明に保全される本発明に係る１つの実施の形態を示す。  本発明は、種々の変更を行い、また別の形式をとるなどしてよいが、図面は、例として詳細に説明した特定の実施の形態を示す。しかし、特定の実施の形態の説明は、ここに開示された特定の形式に本発明を限定されるものではなく、本発明は、クレームに規定されている本発明の精神と範囲内に含まれる全ての変更や同等物や代替をカバーするものであることを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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