(57)【要約】  燃料電池の水及び蓄積した不反応ガスをパージする方法及び装置が提供され、この場合、システムは、いかなる流出水素をも、増大した安全性のためのその可燃限界以下に希釈するように、構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのアノードコンパートメント及びカソードコンパートメントの一方又は両方から水又は他の液体をパージする方法であって、１又はそれ以上の上記コンパートメントが第１の弁を介して水素又は酸素の制御された供給源に接続され、かつ、第２の弁を介してリサイクルタンクに接続され、上記リサイクルタンクが更にガスをパージするための第３の弁及び当該タンクから水又は他の液体をパージするための第４の弁に接続されているような方法において、
（１）上記第１の弁及び他の弁が閉じた状態での、通常の燃料電池作動；
（２）上記第１、第３及び第４の弁が閉じ、上記第２の弁が開いた状態での、アノードパージ；
（３）上記第１及び第２の弁が開き、上記第３及び第４の弁が閉じるような加圧ステージ；
（４）上記第２の弁のみが開くような排気ステージ；及び
（５）上記第１の弁を再度開き、他の弁を閉じることにより、通常のステージへ戻す工程；
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
ガスが上記タンクからパージされるような第５の状態を更に有し、同第５の状態が上記第３の弁を開くことにより上記第１の状態から得られ、上記第１の弁が開き、かつ、上記第２及び第４の弁が閉じている間に、当該第３の弁を閉じることにより、終了することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
液体が上記タンクからパージされるような第６の状態を更に有し、同第６の状態が上記第４の弁を開くことにより上記第１の状態から得られ、上記第１の弁が開き、かつ、上記第２及び第３の弁が閉じている間に、当該第４の弁を閉じることにより、終了することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
システムが更に上記タンクからのガスの流出量を制限する流れ制限手段を提供することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記流れ制限手段が予め組立てられたオリフィス、バリヤ内の較正された穴、ある長さの小直径のチューブ及びポンプのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
上記コンパートメントがアノードコンパートメントであり、上記タンクを去るアノード排気ガスが、システムから排出される前に、空気の希釈流と混合させられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記希釈流が、結果として生じた混合流内の水素濃度を、空気内の水素の下方可燃限界よりも低くなるように減少させるのに十分なものであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
上記希釈流がカソード排気物であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記第５の状態が上記第１ないし第４の状態の各サイクル後に達成されるのではなく、必要に応じてのみ、あるいは計算又はタイミングにより達成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
上記第５の状態が平均約５サイクル毎に遂行されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記第５の状態が平均約１０サイクル毎に遂行されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
上記第６の状態が上記第１ないし第４の状態の各サイクル後に達成されるのではなく、必要に応じてのみ、あるいは計算又はタイミングにより達成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
上記第６の状態が平均約５サイクル毎に遂行されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
燃料電池スタックのアノードコンパートメントを安全にパージする方法において、
ａ）上記アノードコンパートメントの下流側のリサイクルタンク内にパージすべきアノード排気物を収集する工程と；
ｂ）上記アノードコンパートメントから上記リサイクルタンクを隔離する工程と；
ｃ）リサイクルコンパートメントからアノード排気ガスを逃避させる手段を作動させる工程と；
ｄ）逃避するアノード排気ガスを希釈量の空気と混合させる工程と；
を有し、希釈空気が、混合ストリーム内の水素の濃度を、空気内の水素の下方可燃限界よりも低くなるように減少させるのに十分なものであることを特徴とする方法。
【請求項１５】
希釈が空気内の水素の下方可燃限界の１／４よりも低いレベルであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。  
【請求項１６】
希釈空気が上記燃料電池スタックのカソード排気物であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。  
【請求項１７】
希釈空気が上記燃料電池スタックのカソード排気物以外の空気であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。  
【請求項１８】
逃避するアノード排気ガスが、希釈空気と混合される前に、流れ制限手段を通ることを特徴とする請求項１４に記載の方法。  
【請求項１９】
上記流れ制限手段が予め組立てられたオリフィス、バリヤ内の較正された穴、ある長さの小直径のチューブ及びポンプのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
上記アノード排気ガスの流れが更に弁により規制されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
燃料電池スタックのアノードコンパートメント及びカソードコンパートメントの一方又は両方内に存在する流体又はガスをパージする装置であって、アノードコンパートメント及びカソードコンパートメントを有する燃料電池スタックを備え、パージすべき上記各コンパートメントが第１の弁を介して水素又は酸素の制御された供給源に接続され、かつ、第２の弁を介してリサイクルタンクに接続され、上記リサイクルタンクが更にガスをパージするための第３の弁及び当該タンクから水又は他の液体をパージするための第４の弁に接続されるような装置において、
パージすべき上記各コンパートメントに接続された圧力センサと、上記圧力センサからの入力に基づき及びタイミング又は計算に基づき及び随意には１又はそれ以上の他のセンサからの入力に基づき弁の開閉をシーケンス制御するコントローラとを更に有することを特徴とする装置。
【請求項２２】
上記第３の弁を越えたライン内に位置し、上記リサイクルタンクからの水素含有アノード排気物の逃避の割合を制限するための流れ規制手段を更に有することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
上記第３の弁を去るアノード排気物を希釈空気の源と混合するための手段を更に有することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
希釈が空気内の水素の下方可燃限界の１／４よりも低いレベルであることを特徴とする請求項２３に記載の装置。  
【請求項２５】
希釈空気が上記燃料電池スタックのカソード排気物であることを特徴とする請求項２３に記載の装置。  
【請求項２６】
希釈空気が上記燃料電池スタックのカソード排気物以外の空気であることを特徴とする請求項２３に記載の方法。  
【請求項２７】
逃避したアノード排気ガスが、希釈空気と混合される前に、流れ制限手段を通ることを特徴とする請求項２２に記載の装置。  
【請求項２８】
上記流れ制限手段が予め組立てられたオリフィス、バリヤ内の較正された穴、ある長さの小直径のチューブ及びポンプのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
上記コントローラが上記燃料電池スタックの１又はそれ以上のコンパートメントをパージするための一連の状態を提供するように構成され、配列され、上記各状態が組となった弁を開閉するようになっており、第１の状態においては、上記第１の弁のみが開き；第２の状態においては、上記第２の弁のみが開き；第３の状態においては、当該第１及び第２の弁が開き；第４の状態においては、該第２の弁のみが開き；上記第１の状態が上記第４の状態に続くことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項３０】
上記第２の弁及び上記第４の弁が閉じている間に、上記第３の弁を開くことにより、第５の状態が提供され、それによって、上記リサイクルタンクからガスをパージすることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項３１】
上記第２の弁及び上記第３の弁が閉じている間に、上記第４の弁を開くことにより、第６の状態が提供され、それによって、上記リサイクルタンクから液体をパージすることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項３２】
上記第３の弁を介しての上記リサイクルタンクのパージをそうする機会毎には行わないことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項３３】
上記第４の弁を介しての上記リサイクルタンクのパージをそうする機会毎には行わないことを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項３４】
システムが更に上記リサイクルタンクからのガスの流出量を制限する手段を提供することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池からの不要物のパージに関する。
【背景技術】
【０００２】
この出願は２００３年１２月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／５３４，３４８号の利益を主張する。
【０００３】
種々の使用のための燃料電池の関心が高まっており、特に、「ＰＥＮ」形式の燃料電池は特に小型の又は可動の作動に対して大いに関心がある。ＰＥＭ燃料電池においては、水素は膜の片側で触媒分解され、陽子は膜を通過し、電子は、電流として働いた後に、陽子及び酸素と結合して水及び熱を発生させる。
【０００４】
ＰＥＭ電池の１つの魅力的な特徴は６０ないし１００℃の範囲内において比較的低温で作動することである。これは始動の速度を改善し、安全性を改善する。しかし、低温のＰＥＭ電池は典型的には水の沸点以下で作動するという欠点を有し、これは、燃料電池内で生成水の蓄積を許してしまい、その場合、周知のように（米国特許第２，９１３，５１１号明細書参照）、活性膜へのガスの接近を遮断してしまうことがある。燃料電池が燃料電池スタックとして直列に組立てられた場合、この問題は特に深刻になる。その理由は、スタックが水を蓄積させることのある付加的な場所を提供する、個々の電池へ空気及び水素を送給するマニホルドを有するからである。
【０００５】
水の処理の問題は膜を湿潤な状態に保つ必要性により更に悪化する。その理由は、膜内のチャージされたグループに吸収された水が膜を通過する陽子のための通路となるからである。更に、陽子の膜の通過は膜を通して水の分子を引き込む傾向を有する。その結果、水は、システムの構成及び作動に応じて、膜のカソード側（酸素消費側）又はアノード側（水素消費側）又は両側のいずれかで蓄積することがある。
【０００６】
流れ方向の調整、ウィックス(wicks) の使用、特殊な冷却構造の使用、及び、以下に説明するようなガス圧力によるスタックからの水のパージ（一掃）を含む、この問題に対する種々の解決策が提案されている。カソード側のパージは簡単である。その理由は、空気が安価で、安全で、消費すべき水素のよりも多く通常供給されるからである。しかし、アノード側のパージは水素の解放を必然的に伴う傾向を有し、水素の解放は燃料電池の効率を減少させるのみならず、有害なガス混合物を発生させることもある。
【０００７】
米国特許第５，４７８，６６２号明細書においては、水素パージの重大な欠陥は、水素が消費されるときに水素を減少する膜領域を通過させて、燃料の流れが燃料電池スタックを去るときに水素を殆ど全部消費させることにより、阻止される。この対処法はまた水素内の非水素ガスの存在又は水素内への（例えば窒素の）拡散の問題も解決する。しかし、スタック内の燃料電池膜外へ水を追い出すための活発なパージを実行する手段は設けられていない。
【０００８】
一般的には、水は水素燃料と共にパージによりアノードから除去される。一般に、水は水／燃料分離機内へ強制的に送られ、そこから、水素がリサイクルされるか又は燃焼される。米国特許第５，３６６，８１８号明細書においては、水素はポンプにより再加圧され、脱イオンされ、逆止め弁を介して燃料流れ内へ戻される。米国特許第６，６６３，９９０号明細書においては、ドローポンプを使用して、アノードを通して水素を引き込み、水素と一緒に水を運ぶ。ＥＰ１０１８７７４号は、水素パージがその中へ水を強制的に送ることのできるリザーバを使用し、次いで、水素がスタックにより消費されるのを許容するか、又は、水素選択膜又は逆止め弁を介してスタックへ戻されるのを許容する。次いで、周期的に、リザーバの内容物が排出され、それによって、水、望ましくないガス及び残留したいくらかの水素を除去する。スタックが燃料改質器に関連して作動する場合は、これは問題にならない。その理由は、改質器が改質反応のための熱を提供するようにアノードガスを燃焼させることができるからである。しかし、水素で作動する孤立のスタックにおいては、水素の解放は効率のみならず安全性にも影響を及ぼす。
【０００９】
上述の提案はいずれも安全性の問題に対処していない。水素は体積比で約２％以下の極めて低い「下方可燃限界」を有し、これよりも一層多くの水素を含む混合物は任意の熱源により点火される可能性がある。燃料電池をビル又は自動車において使用すべき場合、可燃混合物の発生は実質上許容できるものとは思えない。これは、燃料電池に純化した水素を使用する場合に解決すべき問題である。
【特許文献１】米国特許第２，９１３，５１１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，４７８，６６２号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３６６，８１８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，６６３，９９０号明細書
【特許文献５】ヨーロッパ特許第１,０１８，７７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は水素の損失を最小にし、安全性を増大させた、有効なパージサイクルを提供する方法を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は可燃の濃度での水素の解放を阻止する手段を備えた燃料電池スタックを提供することである。
【００１２】
本発明のこれらの及び他の目的及び利点は以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
１つの態様においては、本発明は燃料電池スタックからの可燃の濃度での水素の解放を阻止するように設計された装置である。燃料電池のアノードコンパートメントは周期的に又は可変の間隔でパージされ、好ましくはスタックの作用により水素の少なくとも一部を除去した後に、アノードガスは較正されたオリフィス又は機能的に同等の流れ絞りを通して解放される。較正されたオリフィスは導管に通じ、この導管はスタックを去るカソードガス及びアノードガスとカソードガスとの混合物を運ぶ。オリフィスは、アノードコンパートメント内の最大の設計された又は可能な圧力において又はカソードコンパートメントの通常の又は最低の通常作動圧力において、カソードガスと混合された後に、その濃度が空気中の水素の下方可燃限界（ＬＦＬ）を越えないのに十分なほどアノードガスの流量が小さくなるように、寸法決めされる。好ましくは、安全性の十分な余裕が提供され、それによって、最終濃度はＬＦＬの１／２よりも小さくなるか又は、一層好ましくは、ＬＦＬの１／４よりも小さくなる。
【００１４】
本発明の別の態様においては、電池からの流出物内の水素の濃度をＬＦＬ以下に保ちながら、スタックからの水のパージを許容するように燃料電池スタックを作動させる方法が提供される。本発明の別の態様においては、弁の特定の開閉パターンを使用して、少ない水素の損失でパージを有効に行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、水素の濃度を制御する好ましい規制手段、スタックから水を除去するためのパージに関連して制御された水素パージを履行する装置、及び、この装置を作動させる方法である。
【００１６】
規制システムの好ましい実施の形態の概略的な線図を図１に示し、図１は燃料電池スタックのアノード（燃料）コンパートメントを示し、システムは燃料電池スタックへの水素の供給及び燃料電池スタックからの水素の排出を規制する。水素は圧力レギュレータ１０を介して常閉ソレノイド弁１４へ送られ、次いで、燃料電池のアノードコンパートメント２２内へ送られる。圧力センサ１８は（図示のように）燃料電池への入口又は出口に位置することができる。水素や、燃料からの不燃焼ガスや、膜を横切る拡散による空気からの不燃焼ガスを含むアノード排気物は常開ソレノイド弁２６を介してアノードコンパートメントから去り、リサイクルタンク３０内へ至る。アノード排気物はリサイクルタンク３０内へ流入し、パージ中はオリフィス板３４の較正されたオリフィスを通り、次いで、常閉ソレノイド弁３８を通る。次いで、アノード排気物は排気チューブ４２を通過してカソード排気物（図示せず）と最終的に混合され、次いで、システムから出る。
【００１７】
リサイクルタンク３０はアノード排気物によりスタックから運ばれた水を収集し、排気物から水を分離する。水は常閉ソレノイド弁４６を介してリサイクルタンク３０から除去され、水の除去はレベル検出器５０からの信号により開始される。
【００１８】
図示しないが、随意には圧力レギュレータであるソレノイド弁及び圧力センサ１８やレベルセンサ５０のような任意のセンサはマイクロプロセッサ又は他の形式のシステムコントローラに接続され、このようなマイクロプロセッサ等は時間又は信号に応答して弁を開閉し、典型的にはシステムの他の部分を作動させる。臨場的か遠隔的かに関係なく、コントローラは典型的には全体のパージサイクルを処理するためのルーチンを記憶している。
【００１９】
このシステムを作動させることのできるいくつかの方法がある。水の蓄積がアノードコンパートメント内で生じるようなシステムに対する好ましいモードは次の通りである。システムは以下の表１に１ないし６で示す６つの作動状態を有する。各弁の位置（開はＯ、閉はＣ、無関係は‐‐）も示す。作動状態間の遷移は後に説明する。６つの状態のうちの５つは図２に示し、図２はスタック及びリサイクルタンク内の圧力を示す。ステージの水平成分は概略的なもので、実際のサブサイクルの長さには比例しない。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
通常の作動（状態１）においては、弁１４は開き、弁２６、３８は閉じる。アノードは「デッドエンド」モードで作動し、水素はスタックに連続的に供給される。
【００２２】
水は燃料電池の電流出力にほぼ比例する割合でアノードコンパートメント２２内に蓄積される。アノードコンパートメント２２内の圧力は、例えばゲージ基準でそれから約１０ＰＳＩ（ｃａ．０．６６バール；ｃａ．６６ｋＰａ）上回る値に、レギュレータ１０により制御される。状態１においては、アノード内の圧力は設定圧力であり、リサイクルタンク内の圧力は普通低い（ゲージの近傍）。これは図２の第１のパネル即ち区分内に示す。一定とすることができるか又は好ましくはスタックの出力に基づいて計算される時間の経過後、システムの状態は状態２に変わる。
【００２３】
状態２はパージ及び排気サイクルであり、この場合、好ましくは同時に、弁１４が閉じ、弁２６が開く。この遷移中、アノードコンパートメント２２とリサイクルタンク３０との間の圧力不平衡により、水はアノードコンパートメントから押し出されてリサイクルタンク３０内へ入る。状態２においては、初期のパージの後、水素はスタック（又はリサイクルタンク）へ供給されず、アノードコンパートメント２２及びリサイクルタンク３０内の圧力は、スタックによる水素の消費のために、急激に低下する。スタックが水素を消費するにつれ、水素はリサイクルタンクからスタックへ逆流し、水素が消費されるにつれて、圧力は減少する。
【００２４】
制限された最小圧力Ｐｍにおいて、または、計算又はタイミングにより、システムは状態３に移行し、この状態では、アノードコンパートメント２２が加圧される。（Ｐｍへ圧力が低下することの失敗又はこれを達成させる遅さは、アノード排気物をパージする時期を示す信号として使用することができる。）状態３を生じさせるため、弁１４が開き、水素がスタックのアノードコンパートメント２２内へ突進し、リサイクルタンク３０内へ前進する。これは、アノードコンパートメント２２から水をパージし、リサイクルタンク３０内へ水を移動させる際の第２の主要な工程である。圧力変動の一般的な範囲を理解するため、Ｐｍは１ＰＳＩＧ（Ｃａ．７ｋＰａ）とすることができ、一方、図２に示すように、スタックは１０ＰＳＩＧ（Ｃａ．７０ｋＰａ）に加圧することができる。アノードコンパートメントがゲージ１８により測定されて通常の圧力に戻った後に、状態３は終了する。これは、典型的には、せいぜい数秒を必要とし、典型的には、簡単のために（計算で求めるより）時間で決めされた工程である。
【００２５】
次いで、システムは状態４に移行し、この状態では、弁１４を閉じることにより、アノードコンパートメントが排水される。圧力ゲージにより（又はタイミング或いは計算により）測定された状態で、水素がアノードコンパートメント２２及びリサイクルタンク３０の両方で消耗したとき、（リサイクルタンクを比較的低圧のままにする）弁２６を閉じ、次いで弁１４を開くことにより、システムは状態１へ戻る。次いで、サイクルを繰り返す。典型的には、実験で確かめられているように、システムは、リサイクルタンク３０からアノード排気物又は水をパージする前に、このサイクルを多数回繰り返すことができる。
【００２６】
アノードコンパートメントからの水の頻繁のパージが望ましい。その理由は、水が急速に蓄積し、膜を迅速に水浸しにするからである。しかし、リサイクルタンクからのアノード排気物のパージが水素を排出するので、タンクは可能な限り過度にならない頻度でアノード排気物のパージを行うべきである。アノード排気物のパージを要求する実際の限定は、燃料の希釈物として作用し、従って電流出力を減少させる傾向を有するかなりの量の非水素ガスの蓄積を含む。排気物のパージの必要性の決定は計算、又は（例えば、状態２又は４中のＰｍへのコンパートメント圧力の接近速度の測定；又は蓄積された電流出力の測定のような）測定、又は予め設定された頻度（タイミング）のうちの１又はそれ以上に基づくことができる。
【００２７】
システムからアノード排気物をパージする時がきた場合、弁２６を閉じ、次いで弁１４及びパージ弁３８を開くことにより、システムは状態５のために状態４を去る。これにより、リサイクルタンク３０内の残留したアノード排気ガスはオリフィス板３４を通過して、弁３８を通り、チューブ４２内へ至ることができ、そこで、排気ガスはカソード排気物又は他の希釈ガス（図示せず）と最終的に混合される。多数のサイクル後、リサイクルタンク内のアノード排気物では、水素は実質的に消耗し、特に窒素及び二酸化炭素のような不反応ガスが蓄積している。それ故、排気物パージサイクル中、完全に最小量の水素が失われる。一方、スタックはその他の点については通常の作動状態にある。
【００２８】
必要なら、状態５の期間は状態１のサイクルとほぼ同じ長さとすることができる。制限はスタックの出力を減少させるスタックの水浸しの始まりであるが、好ましくは、パージサイクルはその地点に達する前に開始される。状態１に戻るために、システムは弁３８を閉じる。今度は、必要なら、弁１８を閉じ、弁２６を開くことにより、状態１は状態２に直ちに移行することができる。
【００２９】
状態６はリサイクルタンク３０からの水の除去のためのものである。状態５と同様、これは、ＳＶ−２及びＳＶ−３（弁２６及び３８）が閉じる（状態１）毎に、生じることができる。弁４６が開き、リサイクルタンク３０内の残留圧力がリサイクルタンクから、通常はシステムリザーバ（図示せず）へ、水を駆逐する。状態２の開始及びリザーバへの水の完全な排水のいずれか早いものよりも先に、弁４６が閉じる。後者の制限はシステムの他の部分への水素の解放を阻止する。
【００３０】
制限オリフィス板３４は、リサイクルタンク内の最高の予期される圧力で及び排気物として純粋水素を伴った状態で、オリフィスを通る水素含有アノード排気物の最大流れが臨界量以下に維持されるように、構成される。好ましい実施の形態においては、臨界量はカソード排気物の流量により決定される。この過剰の空気は、直接又は水回収工程後に、通常排出される。カソード空気は、例えば２倍の化学量論的な過剰度で、水素の供給量よりも多く、通常提供される。これはほぼ１０倍も過剰な体積的なカソード流れになる。このような場合、制限流れは水素の消費率の約２０％以下にする必要がある。実際の必要量は特定のシステムの構造及び作動の詳細により決定される。また、更なる希釈が必要な場合は、カソード排気物の流れ内に圧縮空気を添加することができる。
【００３１】
図３は作動している燃料電池内の種々の電力レベルでの本発明のシステムを使用した効果を示す。通気により失われる水素の量は（圧力曲線の下方の面積を測定することにより）状態５でのパージサイクル中の弁３８からの体積的な流出物の計算から計算され、サイクル毎の未消費の水素及びアノードパージとして見積もられる。これは「最悪の場合の」仮定である。この実験においてはサイクル時間を一定としたので、電力が倍以上になった場合でも、水素の損失はさほど大きくない。その結果、電力が増大するにつれて、水素の利用効率は増大し、使用される水素の百分率は９７％からほぼ９９％まで上昇する。１０サイクル毎にのみ作動するパージの状態で又は「要求」に応じて及び水素が消費されたガスを排出している状態で、パージによる水素の使用の１％以下の損失を、すべての電力レベルで得ることができることが期待される。
【００３２】
システムは圧力弁の故障の場合に水素の圧力を制御するために圧力レギュレータ１０の下流側のある地点で圧力逃し弁（図示せず）を有する。圧力逃し弁は、好ましくは、閉じられた空間内での水素の蓄積を阻止するのに十分な程度まで、燃料電池を収容する構造体の「外側」に通じるべきである。可能なら、水素を希釈するために圧力逃し弁の出口を通過するかなりの空気流を提供する構成を採用すべきである。
【００３３】
ソレノイド弁として弁を説明したが、他の形式の弁を使用することができる。望ましくは１４、３８、４６として常閉型のものを用い、また弁２６も通常は閉じるようにすることである。しかし、操業停止時にシステムの水素をパージする手段がない場合は、未使用の水素を排出するために操業停止後に弁３８、４６の一方又は両方を開くべきであり；または、この目的のために別の弁を設けるべきである。更に、ここで述べたようなガスの流れを制御するために、ソレノイド形式又は他の形式の常開及び常閉弁の任意の組み合わせを使用することは、本発明の要旨内に入る。
【００３４】
オリフィス板３４内に較正されたオリフィスを提供する便宜的な方法は板内に螺入できる、炉等内で利用できる標準のオリフィスを使用することである。代わりに、１又はそれ以上の較正された穴を板内に形成することができる。板及びオリフィスはある長さの狭いボアのチューブ又はパイプと交換することができる。一般に、アノードガスの流れを確実に制限する任意の絞りが適している。絞りはポンプとすることもできるが、これはあまり好ましくない。これらの任意の変形及びガス流を制限する等価の手段は「流れ制限手段」として述べることができる。
【００３５】
あまり一般的ではないが、純粋酸素で燃料電池スタックを作動させることが知られており、これは好ましくはバイパスするものではなく、むしろ水素について上述したようなデッドエンドモードで作動する。その場合、カソードコンパートメントのパージが必要となる。この構成及び手順はまたスタックのカソード側をパージするために適用できる。このような場合、制限オリフィス又はその等価物はさして重要ではない。しかし、空気ブロワー又は触媒コンバータ又はバイパスされた水素及び酸素を組み合わせるためのバーナーのような、パージされた残留水素を希釈するためのある他の手段が典型的には必要となる。カソード及びアノードパージの同期化も可能であるが、必須ではない。ある場合、パージサイクルを同期化させるか否かの決定における制限は、損傷せずに圧力変動に耐える膜の能力にある。これはまた、水素パージ態様における可能な圧力変動を制限する。最大の許容できる圧力は膜の特性及び電極組立体内でのその支持体の特徴に依存する。
【００３６】
本発明の作用を容易に理解できるように本発明の特定の実施の形態を詳細に説明したが、当業者にとっては、これらの教示に照らして、特許請求の範囲内での種々の修正が可能であることは明らかであり、このような修正は本発明内に入る。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】好ましいアノードパージ装置を示す図である。
【図２】図1の装置の使用中に期待できる圧力曲線を示す図である。
【図３】本発明のパージサイクルを使用した結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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