(57)【要約】発明は燃料電池発電設備（１０）用水素不動態化運転停止システムである。アノード触媒（１４）に隣接して流れるように水素燃料を導くためのアノード流路（２４）がアノード触媒（１４）と流体連通し、燃料電池（１２）のカソード触媒（１６）に隣接して流れるように酸化剤を導くためのカソード流路（３８）がカソード触媒（１６）に流体連通している。水素燃料はアノード流路（２４）とカソード流路（３８）の間で移送される。燃料電池（１２）の動作の間に水素を受け入れかつ貯蔵し、燃料電池（１２）が運転停止されるときは常に水素を燃料電池（１２）に放出するために水素貯蔵器（６６）がアノード流路（２４）と流体連通して取り付けられる。
2007534108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電設備（１０）用水素不動態化運転停止システムにおいて、
ａ．水素含有還元性流体燃料及び酸素含有酸化剤反応物の流れから電流を発生する少なくとも一つの燃料電池（１２）であって、電解質（１８）の両側にアノード触媒（１４）及びカソード触媒（１６）と、前記燃料電池（１２）を通ってかつ前記アノード触媒（１４）に隣接して流れるように水素燃料を導く、前記アノード触媒（１４）と流体連通するアノード流路（２４）と、前記燃料電池（１２）を通ってかつ前記カソード触媒（１４）に隣接して流れるように酸化剤を導く、前記カソード触媒（１６）と流体連通するカソード流路（３８）と含む燃料電池（１２）と、
ｂ．水素燃料を前記アノード流路（２４）に選択的に流入させる、水素含有還元性流体燃料源（５４）と前記アノード流路（２４）の間に取り付けられた水素入口弁（５２）と、
ｃ．酸化剤を前記カソード流路（３８）に選択的に流入させる、酸素含有酸化剤源（５８）と前記カソード流路（３８）の間に取り付けられた酸化剤入口弁（５６）と、
ｄ．水素燃料を前記アノード流路（２４）と前記カソード流路（３８）の間で選択的に流れるようにする、前記アノード流路（２４）と前記酸化剤流路（３８）の間に連通して取り付けられた水素移送手段と、
ｅ．前記水素入口弁（５２）が開いて水素燃料が前記アノード流路（２４）を通って流されるときは常に水素燃料を貯蔵し、前記水素入口弁（５２）が閉じられるときは常に水素燃料を前記アノード流路（２４）に放出する、前記アノード流路（２４）と流体連通して取り付けられた水素貯蔵器手段と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記水素貯蔵器手段が、前記アノード流路（２４）と流体連通して前記燃料電池（１２）の外部に取り付けられた水素容器（６６）を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記水素容器（６６）が前記容器（６６）内に貯蔵された水素吸蔵媒体を含むことを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記水素貯蔵器手段が前記アノード流路（２４）と流体連通して取り付けられた水素吸蔵媒体を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記水素貯蔵器手段が前記アノード流路（２４）内に取り付けられた水素吸蔵媒体を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記水素貯蔵器手段が前記アノード触媒（１４）を支持する多孔質アノード基体層（２０）内に取り付けられた水素吸蔵媒体を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記水素移送手段が前記アノード流路（２４）と前記カソード流路（３８）の間に流体連通して取り付けられた水素移送弁（６４）を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記水素移送手段が、水素が前記アノード触媒（１４）において消費され、前記カソード触媒（１６）において発生されるように前記燃料電池（１２）と電気的に連通して取り付けられる直流源を含む水素移送用電気化学ポンプを備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記水素移送手段が前記アノード触媒（１４）と前記カソード触媒（１６）の間に取り付けられた水素移送用プロトン交換膜電解質（１８）を備え、前記カソード流路（３８）内の水素濃度が前記アノード流路（２４）内の水素濃度と実質的に平衡し得るように前記プロトン交換膜電解質（１８）が前記プロトン交換膜電解質（１８）を横断して水素を拡散させることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記カソード流路（３８）のカソード排出口（４４）と流体連通して取り付けられたカソードバイパス弁（７２）と、前記カソードバイパス弁（７２）と前記カソード流路（２４）のカソード流入口（４０）の間に流体連通して取り付けられたカソードバイパスライン（７４）と、前記カソード排出口（４４）から前記カソード流路（２４）の前記カソード流入口（４０）を通るようにカソード排気流の流れを選択的に導きかつ加速する、前記カソードバイパスライン（７４）に取り付けられたカソードバイパスブロワ（７６）又は前記カソード流入口（４０）に取り付けられた酸化剤ブロワ（６０）の一方とを更に備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムは、アノード排気流を前記燃料電池（１２）から発電設備（１０）の外に導く、前記アノード流路（２４）と流体連通して取り付けられたアノード排気口（３４）と、カソード排気流を前記燃料電池（１２）から発電設備（１０）の外に導く、前記カソード流路（３８）と流体連通して取り付けられたカソード排気口（４８）とを更に備えており、前記アノード排気口（３４）及びカソード排気口（４８）が重力方向（５３）に関して前記燃料電池（１２）の下に取り付けられることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
真空が前記燃料電池（１２）の内部に形成されるのを防止するための、前記アノード排気口（３４）が真空解放弁であり、前記カソード排気口（４８）が真空解放弁であることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記アノード流路（２４）のアノード排出口（３０）と前記アノード流路（２４）のアノード流入口（２６）の間に流体連通して取り付けられたアノード再循環ライン（７５）と、アノード排気流の流れを前記アノード排出口（３０）とアノード流入口（２６）の間に選択的に導きかつ加速する、前記アノード再循環ライン（７５）に取り付けられたアノード再循環ブロワ（７７）とを更に備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
前記アノード流路（２４）と前記カソード流路（３８）内の水素濃度を検知する、前記燃料電池（１２）と連通して取り付けられた水素センサ手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１５】
前記水素センサ手段が、前記アノード触媒（１４）及び前記カソード触媒（１６）と電気的に連通して取り付けられたセンサ回路（８０）を更に備え、前記センサ回路（８０）は、電源（８４）と、電圧測定装置（８６）と、センサ回路スイッチ（８８）とを含み、前記電源（８４）が前記アノード触媒（１４）とカソード触媒（１６）の電圧差を測定する所定の検出期間に所定の検出用電流を前記燃料電池（１２）に選択的に供給できるように前記センサ回路（８０）が前記燃料電池（１２）に取り付けられることを特徴とする請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
外部回路（８２）に接続された補助負荷（９４）であって、前記カソード流路（３８）内の酸素濃度を低下させ、燃料電池電圧を低下させる補助負荷（９６）を更に備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１７】
燃料電池発電設備（１０）を運転停止する方法において、前記発電設備が水素含有還元性流体燃料及び酸素含有酸化剤反応物の流れから電流を発生する少なくとも一つの燃料電池（１２）を備え、前記燃料電池（１２）が電解質（１８）の両側にアノード触媒（１４）及びカソード触媒（１６）と、前記燃料電池（１２）を通ってかつ前記アノード触媒（１４）に隣接して流れるように水素燃料を導く、前記アノード触媒（１４）と流体連通するアノード流路（２４）と、前記燃料電池（１２）を通ってかつ前記カソード触媒（１４）に隣接して流れるように酸化剤を導く、前記カソード触媒（１６）と流体連通するカソード流路（３８）とを含む方法であって、
ａ．前記燃料電池（１２）から主要負荷（９０）を遮断し、
ｂ．酸化剤源（５８）から前記カソード流路（２４）への酸化剤の流れを終了させ、
ｃ．補助負荷（９４）を前記燃料電池（１２）に接続し、
ｄ．前記アノード流路（２４）から前記カソード流路（３８）に水素燃料を移送し、
ｅ．前記アノード流路（２４）とカソード流路（３８）が７０パーセント水素より高い水素濃度で満たされるときは常に水素燃料源（５４）から前記アノード流路（２４）への水素燃料の流れを終了させ、
ｆ．前記アノード流路（２４）と流体連通して取り付けられる、水素を貯蔵する水素貯蔵器手段内に貯蔵された水素を前記アノード流路（２４）と前記カソード流路（３８）に放出させる、
各ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記アノード流路（２４）から前記カソード流路（３８）に水素燃料を移送する前記ステップが、前記アノード流路（２４）と前記カソード流路（３８）の間に流体連通して取り付けられた水素移送弁（６４）を通過するように水素燃料を導くことを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記アノード流路（２４）から前記カソード流路（３８）に水素燃料を移送する前記ステップが、前記燃料電池（１２）に直流を流すことにより前記アノード流路（２４）から前記カソード流路（３８）に水素を電気化学的にポンプ送りすることを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記アノード流路（２４）から前記カソード流路（３８）に水素燃料を移送する前記ステップが、水素がアノード流路（２４）から前記カソード流路（３８）にプロトン交換膜電解質（１８）を通って拡散できるように前記アノード触媒（１４）と前記カソード触媒（１６）の間に前記プロトン交換膜電解質（１８）を取り付けることを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
水素燃料を移送するステップの後で、水素燃料の流れを終了するステップの前に、酸化剤ブロワ（６０）又はカソードバイパスブロワ（７６）の一方を用いて前記カソード流路（３８）のカソード排出口（４４）からカソードバイパスライン（７４）を通って前記カソード流路（３８）のカソード流入口（４０）へのカソード排気流の流れを加速させる更なるステップを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
前記水素貯蔵器から前記アノード流路（２４）に水素を放出させる前記ステップの後に、前記アノード流路（２４）又は前記カソード流路（３８）内の水素濃度を検知する水素センサ手段を用いて前記アノード流路（２４）又は前記カソード流路（３８）内の水素の量を周期的に検出し、次いで前記センサ手段が前記アノード流路（２４）又は前記カソード流路（３８）内の水素濃度が所定の濃度未満であるときは常に７０パーセント水素より高い濃度まで水素を前記アノード流路（２４）に受け入れる更なるステップを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２３】
前記アノード流路（２４）に水素を受け入れることが前記アノード流路（２４）内の９０パーセント水素より高い濃度まで水素を前記アノード流路（２４）に受け入れることを更に含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記水素貯蔵器から前記アノード流路（２４）に水素を放出させる前記ステップの後に、前記アノード流路（２４）又は前記カソード流路（３８）内の水素濃度を検知する水素センサ手段を用いて前記アノード流路（２４）又は前記カソード流路（３８）内の水素の量を周期的に検出し、次いで前記アノード流路（２４）又は前記カソード流路（３８）内の検知された水素濃度に反比例する濃度で水素を前記アノード流路（２４）に受け入れる更なるステップを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２５】
前記水素貯蔵器から前記アノード流路（２４）に水素を放出させる前記ステップの後に、前記アノード流路（２４）又は前記カソード流路（３８）内の水素濃度を検知する水素センサ手段を用いて前記アノード流路（２４）又は前記カソード流路（３８）内の水素の量を検出し、次いで検知された水素濃度が０．０００１パーセント未満であるときは常に、水素燃料が１．０秒未満でアノード流入口（２６）とアノード排出口（３０）の間の前記燃料電池（１２）の前記アノード流れ区域（２８）を通過するように導かれる急速な水素燃料パージを実行し、次いで前記燃料電池（１２）を起動する更なるステップを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２６】
前記急速水素燃料パージステップが、０．２秒未満で前記アノード流入口（２６）と前記アノード排出口（３０）の間の前記燃料電池（１２）の前記アノード流れ区域（２８）を通過するように水素燃料を導くステップを更に含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記急速水素燃料パージステップが、０．０５秒未満で前記アノード流入口（２６）と前記アノード排出口（３０）の間の前記燃料電池（１２）の前記アノード流れ区域（２８）を通過するように水素燃料を導くステップを更に含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は輸送車両、携帯型発電設備又は据置型発電設備での使用に適した燃料電池発電設備に関し、発明は特に繰り返される設備の運転停止と起動から生じる設備の燃料電池の性能劣化を最小にするシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電設備は周知であり、水素含有還元性流体燃料及び酸素含有酸化剤反応物の流れから電気エネルギーを生み出して発電設備及び輸送車両のような電気装置に電力を供給するために広く使用される。先行技術の燃料電池発電設備において、燃料電池に接続された電気回路が遮断され又は開かれ、例えば電池の運転停止時及び運転停止中に電池にかかる負荷が最早ないときに、アノード電極上に残留する水素燃料と共にカソード電極上の空気の存在がしばしば許容できないアノード電位及びカソード電位を生じ、電極触媒及び触媒担体材料の酸化と腐食、及び付随する電池性能劣化をもたらすことは周知である。
【０００３】
燃料電池の運転停止時にカソード電極を不動の非酸化性状態に戻すために不動態化の試みが提案されてきた。例えば、アノード及びカソード電極を電池運転停止直後に不動態化してそのような電池性能劣化を最小化又は防止するために不活性ガスを使用してアノード流れ区域とカソード流れ区域の両方をパージする必要があると考えられていた。更に、不活性ガスパージの使用により、安全の問題である可燃性の水素・酸素混合物の存在の可能性が起動時に回避された。同一出願人の米国特許第５，０１３，６１７号及び米国特許第５，０４５，４１４号はアノード側パージガスとして１００％の窒素を、また非常に少ない割合（例えば１％未満）の酸素と残りの窒素から成るカソード側パージ混合物を使用することを述べている。これら両特許はまたパージ工程の始動中に電池の両端に擬似電気負荷を接続してカソード電位を０．３〜０．７ボルトの許容限界範囲に急速に低下させる選択肢を論じている。しかしながら、そのような貯蔵された不活性ガスのコストと複雑さは、特に小型化と低コストが重要であり、システムが頻繁に運転停止及び起動される自動車用途においては望ましくない。
【０００４】
触媒及び触媒担体材料の腐食を最小にする他の試みは、主要電気使用装置（以下「主要負荷」）を遮断することにより燃料電池発電設備を運転停止すること、空気又はプロセス酸化剤の流れを止めること、及び燃料電池ガスがセル間で平衡状態となり、運転停止中に少なくとも０．０００１％の水素（体積で）と残りの燃料電池不活性ガスというガス組成を維持するようにシステムに流入する水素燃料流とシステムから流出するガス流を制御することを含む。この燃料電池運転停止方法はまた主要負荷の遮断とカソード流れ区域への空気供給の停止の後に残留酸化剤が完全に消費されるまで新鮮な燃料をアノード流れ区域に供給し続けることを含む。好ましくはこの酸化剤消費は電池に小さな補助負荷をかけることにより助長され、これはまた電極電位を迅速に降下させる。全ての酸化剤が消費されたら、水素燃料供給が停止される。そのあと、引き続く停止の間に、水素濃度がモニタされ、必要なら必要なだけ水素が追加され、所望の水素濃度レベルを維持する。
【０００５】
電極触媒及び触媒担体材料の酸化と腐食の問題に対する既知の改良により、燃料電池の運転停止及び起動時と運転停止及び起動中に許容できないアノード及びカソード電極の電位をもたらすという、カソード電極上の酸素の存在と、アノードとカソード電極間の反応物流体の非平衡とによる有害な帰結が低減されてきた。しかしながら、既知の解決策を以ってさえ、起動中のアノード流れ区域内の酸素の存在は許容できない局部的な電極電位と触媒及び触媒担体材料の腐食とをもたらす逆電流に帰着することが分かってきた。更に、設備が運転停止され、無人の間に発電設備の燃料電池に水素を積極的に追加することは、システムが故障すれば潜在的に可燃性の水素濃度が発電設備から放出されるかも知れないという重大な安全性問題を引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、設備の著しい性能劣化を排除し、設備の運転停止時、あるいは燃料電池発電設備の運転停止中又は再起動時の設備燃料電池内の酸化と腐食を最小にする、燃料電池発電設備用運転停止システムの必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明は燃料電池発電設備用の水素不動態化運転停止システムである。システムは水素含有還元性流体燃料及びプロセス酸化剤反応物の流れから電流を発生する少なくとも一つの燃料電池を含む。燃料電池は電解質の両側にアノード触媒及びカソード触媒と、燃料電池を通って流れかつアノード触媒に隣接して流れるように水素燃料を導く、アノード触媒と流体連通するアノード流路と、燃料電池を通って流れかつカソード触媒に隣接して流れるように酸化剤を導く、カソード触媒と流体連通するカソード流路と含む。水素入口弁が、水素燃料をアノード流路に選択的に流入させるために、水素含有還元性流体貯蔵源とアノード流路の間に取り付けられる。酸化剤入口弁が、酸化剤をカソード流路に選択的に流入させるために、酸素含有酸化剤貯蔵源とカソード流路の間に取り付けられる。
【０００８】
システムは、水素燃料をアノード流路とカソード流路の間で選択的に移送するためにアノード流路とカソード流路の間に連通して取り付けられた水素移送手段を含む。水素移送手段はアノード流路とカソード流路の間を流体連通する水素移送弁の形態でも、水素をアノード流路から電解質を通ってカソード流路内へポンプ送りする電気化学ポンプの形態でも、水素をアノード流路からプロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）（「ＰＥＭ」）電解質を通ってカソード流路内へ拡散させるＰＥＭ電解質の形態でもよい。更に、水素貯蔵器がアノード流路と流体連通して取り付けられる。水素貯蔵器は、水素入口弁が開いて水素燃料がアノード流路を通って流されるときは常に水素を受け入れ及び貯蔵し、水素貯蔵器は水素入口弁が閉じてアノード流れ区域内の水素濃度が燃料電池の動作中の水素濃度未満に低下されるときは常に水素をアノード流路に放出する。水素貯蔵器は水素化物等の水素吸蔵媒体でもよく、それらは例えばアノード流路内のマニホールドに付けられた被覆のようにアノード流路内に配置され、あるいはアノード触媒を支持しあるいはそれと流体連通する多孔質担体板内に配置される。水素貯蔵器はまた燃料電池の外側に取り付けられた水素容器でもよく、これも容器内に水素吸蔵媒体を有してもよい。
【０００９】
システムの好ましい実施例の使用において、燃料電池が運転停止されるときは常に、酸化剤入口弁は閉じられて酸化剤がカソード流路に流れ込むのを禁止し、カソード流路内の酸素は消費され、次いで水素移送弁が開かれて燃料貯蔵源からの水素燃料と水素貯蔵器内に貯蔵された水素がカソード流路の中に移動できるようになる。カソード流路及びアノード流路が約１００％の水素で実質的に満たされたら、水素入口弁が閉じられ、何れの水素排気弁及び酸素排気弁も閉じられる。運転停止期間の間、大気からのいくらかの酸素が燃料電池に入り、水素貯蔵器内に貯蔵された水素が貯蔵器からアノード流路及びカソード流路に移動し続けて酸素と反応し、両流路内の０．０００１％水素を超える有限の濃度を維持する。
【００１０】
システムのもう一つの好ましい実施例において、カソード再循環ブロワと酸化剤ブロワを含むカソード再循環ラインがカソード流路のカソード排出口とカソード流入口の間に流体連通して取り付けられてもよい。運転停止手順の間、酸化剤源隔離弁が閉じられた後にカソード再循環又は酸化剤ブロワが動作されて水素燃料をアノード流路から水素移送弁を通ってカソード流路の中及び全体に急速に循環させてもよい。
【００１１】
更なる実施例において、システムは、燃料電池発電設備が運転停止されている間、アノード流路及びカソード流路内の水素燃料の濃度を決定するために利用される水素センサを含んでもよい。水素濃度が許容限界未満、例えば０．０００１パーセント水素未満に低下したことをセンサが検知したら、燃料電池発電設備が運転停止している間、例えば設備の起動直前に、制御装置が水素入口弁を開いてアノード流路及びカソード流路に流入するように水素を能動的に導いてもよい。センサからの出力は起動手順を選択するために使用されてもよい。模範的な起動手順は、急速燃料パージを含み、その場合、水素燃料が１．０秒未満、好ましくは０．２秒未満、最も好ましくは０．０５秒未満で燃料電池のアノード流れ区域を通過するように導かれて電極触媒及び触媒担体材料の酸化と腐食を最小にする。水素センサは発明の属する技術において知られた直接水素濃度センサでも、燃料電池の触媒と電気的に連通するセンサ回路でもよい。
【００１２】
システムはまたアノード流路のアノード排出口とアノード流入口の間に流体連通して取り付けられるアノード再循環ライン及びアノード再循環ブロワを含んでもよい。アノード再循環ライン及びブロワはまた、アノード再循環ブロワにより水素燃料が急激にアノード流路を通過するように還元性流体燃料貯蔵源と流体連通してもよい。
【００１３】
更なる実施例において、アノード流路はアノード排気口を含んでもよく、カソード流路はカソード排気口を含んでもよく、その場合、アノード排気口とカソード排気口は共に重力方向に関して燃料電池の下に来るように配置される。水素は酸素より軽いので、水素は上、即ち燃料電池内に残留する傾向にあり、一方、運転停止中に流路に入る大気中の酸素が下に流れ、アノード排気口及びカソードの排気口を通ってアノード流路及びカソード流路を出て、それにより燃料電池発電設備の運転停止中に０．０００１パーセントを超える有限の水素濃度を保つのを助ける。
【００１４】
従って、本発明の一般的な目的は先行技術の欠陥を克服する燃料電池発電設備用水素不動態化運転停止システムを提供することである。
【００１５】
より具体的な目的は、設備の運転停止中に設備のアノード流路及びカソード流路を約１００パーセントの水素で実質的に充満及び維持し、それにより燃料電池発電設備が運転停止されている間に燃料電池のカソード及びアノード触媒と触媒担体材料を不動態化する燃料電池発電設備用水素不動態化運転停止システムを提供することである。
【００１６】
なおもう一つの目的は、設備の運転停止中に設備のアノード流路及びカソード流路内の水素濃度を検出し、設備の起動に先立って付加的な水素を流路に流入させて燃料電池のカソード及びアノード触媒と触媒担体材料を不動態化する燃料電池発電設備用水素不動態化運転停止システムを提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図面に詳細に言及すれば、燃料電池発電設備用水素不動態化運転停止システムの第１の実施例が図１に示され、全体的に参照符号１０で示される。システム１０は、アノード触媒１４（これは本願ではアノード電極とも呼ばれる）、カソード触媒１６（これは本願ではカソード電極とも呼ばれる）、及びアノードとカソードの間に設けられた電解質１８を有する燃料電池１２のような、少なくとも一つの燃料電池を含む。電解質１８は米国特許第６，０２４，８４８号に述べられるタイプのプロトン交換膜（ＰＥＭ）の形態であってもよく、あるいは、電解質はリン酸電解質燃料電池等の酸水性電解質燃料電池に典型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。
【００１８】
アノード触媒１４はアノード基体層２０に支持されてもよく、カソード電極１６はカソード基体層２２に支持されてもよい。システム１０はまた燃料源５４から燃料電池１２を通ってかつアノード触媒１４に隣接して通過するように水素含有還元性流体燃料を導くための、アノード触媒１４と流体連通するアノード流路２４を含む。アノード流路２４は、発明の属する技術において知られた例えばマニホールド等の水素燃料を燃料電池１２の中に導くためのアノード流入口２６を含む。アノード流入口２６は、アノード流路２４の一部であるアノード流れ区域２８と流体連通し、アノード流れ区域２８は、アノード触媒１４に隣接して通過するように水素燃料を導くためにアノード触媒１４と流体連通しかつそれに隣接する、担体材料の隙間、通路、又は細孔として定義される。アノード流路２４はまた水素燃料を燃料電池１２の外に導くための、アノード流れ区域２８と流体連通するアノード排出口３０を含む。アノード排気弁３２がアノード排出口３０と流体連通して取り付けられ、アノード排気口３４がアノード排気弁３２に取り付けられる。発明の属する技術において知られるように、ガスが反応において消費され、あるいは凝縮されながら燃料電池１２の運転停止中に部分的真空がアノード流路２４内に形成されるのを回避するために大気がアノード流路２４の中に移動できるように既知の一方向弁又は逆止弁の性質をもつアノード真空解放弁３６がアノード排出口３０、アノード再循環ライン７５、又はアノード流路２４に取り付けられてもよい。
【００１９】
システム１０はまた燃料電池１２を通ってかつカソード触媒１６に隣接して通過するように酸素含有酸化剤を導くためのカソード触媒１６と流体連通するカソード流路３８を含む。カソード流路３８は発明の属する技術において知られた例えばマニホールド等の酸化剤を燃料電池１２の中に導くための、カソード流入口４０を含む。カソード流入口４０はカソード流路２４の一部であるカソード流れ区域４２と流体連通し、カソード流れ区域４２は、カソード触媒１６に隣接して通過するように酸化剤を導くためにカソード触媒１６と流体連通しかつそれに隣接する、担体材料の隙間、通路、又は細孔として定義される。カソード流路３８はまた酸化剤を燃料電池１２の外に導くための、カソード流れ区域４２と流体連通するカソード排出口４４を含む。カソード排気弁４６がカソード排出口４４と流体連通して取り付けられ、カソード排気口４８がカソード排気弁４４に取り付けられる。発明の属する技術において知られるように、ガスが反応において消費され、あるいは凝縮されながら燃料電池１２の運転停止中に部分的真空がカソード流路３８内に形成されるのを回避するために大気がカソード流路３８の中に移動できるように既知の一方向弁又は逆止弁の性質をもつカソード真空解放弁５０がカソード排出口４４、又はカソード流路３８に取り付けられてもよい。
【００２０】
アノード排気口３４とカソード排気口４８は共に燃料電池１２の下に設けられるが、この場合、「下に」は図１に示されるように矢印５３により表される重力方向に関して関連付けられることが指摘される。アノード排気口３４とカソード排気口４８を燃料電池１２の下のアノード流路２４とカソード流路３８からガスを排出するように設けることにより酸素より軽い水素ガスは酸素の上に上昇して燃料電池１２内に残留する傾向にあり、一方、より重い酸素は、何れの水素も排気口３４、４８を通過しないうちに排気口３４、４８を重力方向５３に流れ傾向にある。アノード排気口３４とカソード排気口４８はまた、真空が燃料電池１２の内部に形成されるのを防止する真空解放弁の形態をしていてもよい。
【００２１】
アノード流路２４に流入するように水素燃料を選択的に導くための水素入口弁５２がアノード流路２４のアノード流入口２６と水素含有還元性流体燃料貯蔵源５４の間に流体連通して取り付けられる。水素燃料供給ライン５５が水素燃料源５４と水素入口弁５２の間に取り付けられてもよい。カソード流路３８に流入するように酸化剤を選択的に導くための酸化剤入口弁５６が大気等の酸素含有酸化剤源５８とカソード流入口４０の間に流体連通して取り付けられる。酸化剤がカソード流路３８の中までかつそこを通って移動する間に酸化剤を加圧するための酸化剤ブロワ又は圧縮機６０が酸化剤源５８と酸化剤入口弁５６の間の酸化剤供給ライン６２に取り付けられてもよい。酸化剤入口弁５６はブロワ６０の上流に配置されても、酸化剤ブロワ６０の下流（図１に示されるように）に配置されてもよい。
【００２２】
システムはまた、燃料電池１２の運転停止中にアノード流路２４とカソード流路３８の間で水素燃料を選択的に移送するための、アノード流路２４とカソード流路３８の間を流体連通する水素移送手段を含む。水素移送手段は、アノード流路２４とカソード流路３８の間、例えばアノード流入口２６とカソード流入口４０の間に流体連通して取り付けられる水素移送弁６４でもよい。「選択的に」させる又は導くという言い回しの使用は本願ではスイッチ又は水素移送弁６４のような弁が開位置になるように選択されてアノード流路２４とカソード流路３８の間の水素燃料の流れを許すこと、あるいは弁６４が閉位置になるように選択されてアノード及びカソード流路２４、３８の間の水素燃料又は如何なる流体の流れも禁止することを意味する。
【００２３】
あるいは、水素移送手段は電気化学水素ポンプの形態でもよく、その場合、発明の属する技術において知られた方式で燃料電池に直流を流すことにより水素がアノード流路２４からカソード流路３８に電気化学的にポンプ送りされ、それにより水素がアノード触媒１４において消費され、カソード触媒１６において発生されてカソード流れ区域４２における水素濃度を増加させる。このような水素移送電気化学ポンプは燃料電池１２の運転停止中にカソード流路３８内の酸素濃度を低下させ、低下された酸素濃度を達成するための更なる弁及び配管の必要条件を低減する。水素移送手段はまた水素移送用プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）電解質１８の形態でもよく、その場合、水素は、カソード流れ区域４２内の水素濃度がアノード流れ区域２８内の水素濃度と水素濃度と実質的に平衡するまでＰＥＭ電解質１８を横断して拡散する。このような水素移送手段は前に述べた水素移送弁６４と水素移送電気化学ポンプより遅い速度で水素を移送するが、水素移送ＰＥＭ電解質は最も複雑でない水素移送手段である。
【００２４】
システム１０はまたアノード流路２４と流体連通して取り付けられる、水素燃料を貯蔵する水素貯蔵器手段を含む。水素貯蔵器手段は燃料電池１２の外側に取り付けられた水素容器６６の形態でもよく（図１に示されるように）、これは例えば容器６６とアノード流路２４のアノード流入口２６の間に取り付けられた容器供給ライン６８を通ってアノード流路２４と流体連通している。
【００２５】
あるいは水素貯蔵器手段は例えば被覆によりアノード流路２４内に取り付けられた水素化物のような水素吸蔵媒体の形態でもよい。更に、水素吸蔵媒体は多孔質アノード基体層２０の細孔の被覆として適用されてもよく、それにより、水素燃料がアノード流路２４を通って流れながらその燃料が吸蔵媒体内に貯蔵される。また水素容器６６がその容器６６内に水素吸蔵媒体を含んでもよい。水素吸蔵媒体はまた、水素吸蔵媒体がアノード流路２４を通過する水素燃料と流体連通するようにアノード流入口２６又はアノード排出口３０内に定められた流入又は排気マニホールドの被覆の形態でもよい。水素貯蔵器手段の水素吸蔵媒体はまた水素燃料に露出したアノード流れ区域２８内の被覆であってもよい。このように水素燃料を貯蔵する水素貯蔵器手段は水素燃料がアノード流路２４を通過する間にこの燃料を貯蔵することができ、この媒体は、水素燃料が水素燃料貯蔵源５２からアノード流路２４を最早通過していないときは常に貯蔵された水素をアノード流路２４に受動的に放出できる。水素貯蔵器手段と水素移送手段は、システム１０が実質的に純粋な水素のアノード流路２４及びカソード流路３８内濃度を達成できるように作られてもよく（ただし、「実質的に純粋な水素」は７０パーセント水素より高い水素濃度である）、あるいはシステムが本質的に純粋な水素のアノード流路２４及びカソード流路２４内水素濃度を達成できるように作られてもよい（ただし、「本質的に純粋な水素」は９０パーセント水素より高い水素濃度である）。
【００２６】
燃料電池発電設備用水素不動態化運転停止システム１０はまた図１に示されるように、カソード流路３８のカソード排出口４４とブロワ６０の上流で酸化剤源隔離弁７１の下流にある酸化剤供給ライン６２の間に流体連通して取り付けられる第１のカソード再循環ライン７０を含んでもよい。カソード再循環弁７２が選択的にカソード排気流の一部がカソード排出口４４から酸化剤供給ライン６２まで通過して再びカソード流路３８を通過するようにしてもよい。酸化剤源隔離弁７１が閉じられるときは、カソード再循環ブロワ７６又は酸化剤ブロワ６０は、カソード流れ区域４２、及び発明の属する技術において知られた関連する入口及び出口マニホールドと配管を含むカソード流路３８からの酸素減少速度を加速するように運転停止工程中に連続的又は間欠的に動作してもよい。そのような再循環流がなければ、カソード流路３８マニホールド内に含まれる酸素はカソード流れ区域４２の中にゆっくりと拡散し、そこでそれはカソード触媒１６上の水素と反応することになる。水素とのその反応は水素を消費することになり、それにより、燃料電池１２を不動態に維持できる時間を減少する。水素を水素貯蔵器手段６６から第１のカソード再循環ライン７０とカソード流路３８を通って再循環させることにより燃料電池１２運転停止工程の終わりに燃料電池１２の水素濃度を最大にする。それは延いては、更なる水素を燃料電池１２に追加することなく燃料電池１２が不動態に維持される期間を最大にする。
【００２７】
第２のカソード再循環ライン７４がカソード再循環弁７２とカソード流入口４０の間に流体連通して取り付けられてもよく、カソード再循環ブロワ７６が第２のカソード再循環ライン７４に取り付けられて第２のカソード再循環ラインを通る流れを加速してもよい。システム１０はまたアノード排出口３０とアノード流入口２６の間に流体連通して取り付けられるアノード再循環ライン７５であって、アノード再循環ライン７５に取り付けられてアノード再循環ライン７５を通る流れを加速するアノード再循環ブロワ７７を有するアノード再循環ライン７５を含んでもよい。
【００２８】
システム１０はまたアノード流路２４とカソード流路３８内の水素濃度を検知する水素センサ手段を含んでもよい。水素センサ手段は、燃料電池発電設備１０が運転停止されるときにカソード流路３８内の水素濃度を検出し、制御装置と通信するための、例えばカソード流れ区域４２内に取り付けられる発明の属する技術において知られた直接水素センサ７８または複数のセンサであってもよい。このような制御装置は、例えばコンピュータ、電気機械スイッチ、人間制御装置等の検出情報を受け、それに応答できる何れの制御手段（図示せず）であってもよい。
【００２９】
あるいは、水素センサ手段は、例えば外部回路８２を介して燃料電池１２のカソード触媒１４とアノード触媒１６に電気的に連通して取り付けられるセンサ回路８０であってもよい。センサ回路８０は従来のＤＣ安定化電力供給バッテリー型電源等の直流電源８４と、標準の電圧計８６等のセンサ回路内の電圧を測定する電圧測定装置手段と、センサ回路スイッチ８８とを含む。センサ回路８０は、アノード流れ区域２８とカソード流れ区域４２の両方におけるガス組成が純粋水素から空気まで変化されながら一定の電流での電圧を確立することにより較正される。センサ回路８０はアノード触媒１４とカソード触媒１６の間の電圧差を測定してそれによりアノード流路２４とカソード流路３８内の水素濃度を決定するための所定検出期間、燃料電池１２に所定の検出電流を選択的に供給してもよい。
【００３０】
燃料電池発電設備１０の通常動作の間、主要負荷９０は燃料電池１２により発生された電流を、外部回路８２を介して受け、主要負荷スイッチ９２が閉じられ（図１ではそれは開かれて示されている）、補助負荷９４は電流を受けず、補助負荷スイッチ９６が開かれ、それにより、燃料電池発電設備１０は電動機等のような主要負荷９０にのみ電気を供給し、センサ回路スイッチ８８が開かれ、それにより、センサ回路８４はアノード及びカソード触媒１４、１６に何も電流を導かない。酸化剤ブロワ６０、及びアノード排気再循環ブロワ７７がオンにされる。酸化剤入口弁５６とカソード排気弁４６が、水素入口弁５２とアノード排気弁３２と同様に開かれる。アノード真空解放弁３６が閉じられて空気はアノード流路２４に流入しない。
【００３１】
従って、設備１０の通常動作の間、酸化剤源５８からの空気等のプロセス用酸化剤はカソード流路３８を通ってカソード流れ区域４２の中に連続的に供給され、カソード排気口４８を通ってカソード流路３８を出て行く。燃料源５４からの水素含有還元性流体燃料はアノード流路２４を通ってアノード流れ区域２８に連続的に供給される。使用済み水素燃料を含むアノード排気流の一部はアノード排気弁３２とアノード排気口３４を通ってアノード流路２４を出、一方、アノード再循環ライン７５とアノード再循環ブロワ７７は先行技術において周知の方式でアノード流路２４を通って残りのアノード排気を再循環させる。アノード排気の一部の再循環はアノード流路２４全体に比較的均一なガス組成を維持することを助け、向上された水素利用を可能にする。水素がアノード流れ区域を通過する際に、それは周知の方式でアノード触媒層１４上で電気化学的に反応してプロトン（水素イオン）と電子を生じる。電子はアノード触媒１４から外部回路８２を介してカソード触媒１６に流れて主要負荷９０に電力供給する。
【００３２】
動作している燃料電池発電設備１０の運転停止は外部回路８２の主要負荷スイッチ９２を開き、即ち遮断して（図１に示されるように）主要負荷９０を遮断する。水素入口弁５２は開いたままであり、アノード排気再循環ブロワ７７はオンのままであり、アノード排気の一部の再循環を続ける。しかしながら、アノード排気弁３２は流入する燃料中の水素の割合によって開いたまま、あるいは閉じたままとなる。カソード流路３８を通る新鮮な空気又は酸化剤の流れはカソードブロワ６０を切ることにより切られる。
【００３３】
運転停止の間、次いで補助負荷スイッチ９６を閉じることにより補助負荷９４が外部回路８２に接続されてもよい。電流が補助負荷９４を通って流れることにより、典型的な電気化学電池反応が生じて、カソード流路３８内の酸素濃度が低下され、電池電圧が低下される。補助負荷９４の適用は、燃料電池１２内に残留する全ての酸素を電気化学的に反応させるのに燃料電池１２内にまだ十分な水素がある間に開始される。好ましくは、それは少なくとも電池電圧が所定値、好ましくはセル当り０．２ボルト以下に低下されるまで接続されたままである。カソード触媒１４とアノード触媒１６間に接続されたダイオード９８が電池電圧を検出し、電池電圧が所定の値を超える限り電流が補助負荷９４を通過するようにする。そのようにして、燃料電池１２電圧は所定の値に低下され、その後その値に限定される。電池電圧がセル当り０．２ボルトに降下するときは、カソード流れ区域４２内の実質的に全ての酸素、及び電解質１８を横断してアノード流れ区域２８に拡散した全ての酸素は消費されることになる。次いで補助負荷９４は補助負荷スイッチ９６を開くことにより遮断されてもよいが、好ましくは接続されたままである。
【００３４】
次いで水素移送弁６４は開位置に選択されて水素燃料がアノード流路２４からカソード流路３８内へ通過するようにする。次いで酸化剤源隔離弁７１が閉じられ、次いでカソード再循環弁７２が開かれ、一方、カソード再循環ブロワ７６又は酸化剤ブロワ６０の電源が入れられてアノード流路２４から水素移送弁６４を通り、カソード流路３８を通って水素を引く。水素センサ手段が、アノード流路２４とカソード流路３８内の水素濃度が約１００パーセント（１００％）水素であると判定したときは常にアノード排気弁３２とカソード排気弁４６は閉じられ、水素入口弁５２、酸化剤入口弁５６、及びカソード再循環弁７２も閉じられ、一方、水素移送弁６４は開いたままである。次いで水素貯蔵器手段内に貯蔵された水素は燃料電池設備１０の運転停止中にアノード流路２４とカソード流路３８内の上昇した水素濃度を維持するように受動的に放出されることができる。運転停止工程中はアノード流路２４とカソード流路３８内の水素濃度を最大にすることが望まれる。運転停止工程の終わりに水素濃度を最大にすることにより燃料電池１２がもっと水素を追加することなく不動態に維持されることになる。運転停止持の好ましい水素濃度は７０パーセント（７０％）水素より大きく、より好ましい水素濃度は、９０パーセント（９０％）より高い。運転停止期間の間、補助負荷スイッチ９６を閉じることにより補助負荷９４が外部回路８２に接続される。これは個々の電極の電位を最小にし、あるいはカソード触媒１６及びカソード基体２２は燃料電池１２の中に空気を漏入させるはずである。
【００３５】
設備１０の運転停止の間、空気からの酸素はシール、あるいはアノード真空解放弁３６又はカソード真空解放弁５０を通ってカソード流路２４又はアノード流路３８内に漏入する場合があり、それにより、アノード及びカソード触媒１４、１６の電位が必然的に水素基準電極に対して０．２ボルトより上に上昇し、燃料電池１２内の酸化的腐食をもたらす。次いで還元性流体源５４からの水素ガスは酸素を消費するために電極電位が０．２ボルトに達する前に受け入れられることができ、それにより如何なる酸化的腐食をも最小にする。水素は、アノード流入口弁５２が開かれ、アノード排気弁３２が閉じられたままアノード再循環ブロワ６８に電源を入れることによりアノード流路２４全体に循環されてもよい。あるいは、水素入口弁５２が閉じられたまま、水素燃料貯蔵源５４とアノード再循環ライン７５の間に流体連結して取り付けられたアノード再循環供給ライン１０２に取り付けられたアノード再循環弁１００が開かれて水素をアノード流路２４に供給してもよい。そのように受け入れられた何れの水素もまた水素移送手段を通過してカソード流路３８の中に送られることになる。カソード流路３８全体にわたる水素の分散を促進するためにカソード再循環ブロワ７６又は酸化剤ブロワ６０もまた使用されてもよい。流路２４、３８に受け入れられた水素の量はアノード及びカソード流路２４、３８内の水素濃度に反比例してもよい。それは燃料電池を不動態に維持するのに必要な水素の量を最小にし、設備１０の運転停止中に流路２４、３８に水素を付加することなく燃料電池１２が不動態を維持できる時間を最大にする。
【００３６】
センサ回路８０はまた水素燃料のアノード流路２４及びカソード流路３８への受入を制御する水素受入制御手段（図示せず）と通信してもよい。水素受入制御手段は、センサ電圧限界付近又はそれを超える運転停止モニタ電圧をセンサ回路８０が検知したときに流路２４、３８へ水素を受け入れるタスクを達成できる、発明の属する技術において知られた何れの制御装置でもよい。例示的制御装置手段には運転者又は制御システムにより流路２４、３８に水素を受け入れかつアノード排気再循環ブロワ７７を始動することが可能な水素入口弁５２、アノード再循環弁１００、又は他の何らかの機構の発電設備運転者（図示せず）による簡単な手動開放も含まれる。他の制御装置手段は電圧測定装置を水素入口弁５２や、アノード再循環弁１００や、アノード再循環ブロワ６８や、カソード再循環ブロワに組み入れた電子機械制御装置を含んでもよく、これらは検出された信号に応じて弁及びブロワ等を開くものとして発明の属する技術において知られている。
【００３７】
例えば、システム１０の消極的使用方法において、例えば燃料電池により電力供給される自動車が終夜運転停止された場合のように、運転停止期間後に燃料電池１２を起動する直前にアノード及びカソード流路２４、３９内に適量の水素があるかどうかを判定するために運転者（図示せず）は直接センサ７８等のセンサ手段を利用してもよい。アノード電極１４とカソード電極１６の電位を適切な低電位、例えば標準水素電極に対して０．２ボルト未満に維持するために適切な水素が存在することをセンサ７８が示したら、通常の起動を利用でき、その場合、水素移送弁６４は閉じられ、水素入口弁５２、酸素入口弁５６及び隔離弁７１は開かれ、酸化剤ブロワ６０が作動され、アノード再循環ブロワ６６が作動され、アノード及びカソード排気弁３２、４６が開かれる。
【００３８】
しかしながら、センサ手段が不適切な水素濃度を検知したら、アノード及びカソード触媒１４、１６とアノード及びカソード担体基体層２０、２２に接触する酸素を除去するために急速水素パージが利用されてもよい。急速水素燃料パージは１．０秒未満、好ましくは０．２秒未満、最も好ましくは０．０５秒未満でアノード流入口２６からアノード排出口３０までアノード流れ区域２８を通過するように水素燃料を導くことを含む。好ましくは、水素パージの間、補助負荷９４が接続される。水素パージが完了し、補助負荷９６が取り外された後にカソード流れ区域４２への空気流が開始される。このような急速水素燃料パージは発明の属する技術において知られた高度に加圧された水素燃料源５４、あるいはやはり発明の属する技術において知られた燃料ブロワ又は圧縮機等の利用により達成されてもよい。システム１０のこの消極的用途において、運転者がいる間のみ水素が燃料電池１２に受け入れられ、それにより、システムの故障が発電設備１０からの可燃性濃度の水素の放出をもたらし得る、無人水素移送という安全問題を排除する。
【００３９】
代わりの、本水素不動態化運転停止システム１０の積極的用途において、カソード及びアノード電極１４、１６電位が許容レベルを超えて上昇したときを検知するためにセンサ手段が利用され、次いで水素受入制御装置がセンサ手段からの検出された情報に応じて水素入口弁５２又はアノード再循環弁１００を制御し、適量の水素をアノード流路２４に受け入れ、電極電位を許容レベルに戻しまたはそれより下に下げてもよい。
【００４０】
動作条件により長期の運転停止が予測されないシステム１０の個々の実施例に対し、また許容できない水素の消耗を規制するために燃料電池１２が適当にシールされる状況に対して、システム１０は上記のような水素容器６６等の水素貯蔵器手段からの貯蔵水素の受動的放出にのみ頼ってもよい。そのような実施例において、システム１０は、燃料電池から主要負荷９０を遮断し、例えば酸化剤ブロワを運転停止することにより酸化剤源からカソード流路３８への酸化剤の受入を終了し、アノード流路２４からカソード流路３８へ水素を通過させるために水素移送手段を動作させ、アノード流路２４とカソード流路３８が所定の適量の水素で満たされるときは常に水素燃料のアノード流路２４への流れを停止し、例えば水素容器６６から、水素貯蔵器手段内に貯蔵された水素をアノード流路２４、水素移送弁及びカソード流路３８へ放出する、各ステップとによる燃料電池１２の水素不動態化を含む。選択肢として、そのシステム実施例はまたカソード流路３８内の酸素をより急速に消費するためにカソード再循環ブロワを動作させ、アノード及びカソード流路２４、３８が水素で満たされたらアノード及びカソード排気弁３２、４６を閉じることを含んでもよい。
【００４１】
本燃料電池発電設備用水素不動態化運転停止システム１０は、燃料電池１２を運転停止している間に燃料電池１２内の酸素を水素に置き換えることにより触媒及び触媒担体材料の酸化的腐食を低減する燃料電池触媒又は電極１４、１６の効率的不動態化と、システム１０の条件により受動的に、あるいは能動的に燃料電池の起動前に水素を補充することに備えることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明により構築された燃料電池発電設備用水素不動態化運転停止システムの好ましい実施例の模式図。
【図１】
2007534108.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月22日(2005.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
アノード排気口３４とカソード排気口４８は共に燃料電池１２の下に設けられるが、この場合、「下に」は図１に示されるように矢印５３により表される重力方向に関して関連付けられることが指摘される。アノード排気口３４とカソード排気口４８を燃料電池１２の下のアノード流路２４とカソード流路３８からガスを排出するように設けることにより酸素より軽い水素ガスは酸素の上に上昇して燃料電池１２内に残留する傾向にあり、一方、より重い酸素は、何れの水素も排気口３４、４８を通過しないうちに排気口３４、４８を重力方向５３に流れる傾向にある。アノード排気口３４とカソード排気口４８はまた、真空が燃料電池１２の内部に形成されるのを防止する真空解放弁の形態をしていてもよい。
【国際調査報告】
2007534108.tif 000004
2007534108.tif 000005
2007534108.tif 000006