(57)【要約】  【課題】  【解決手段】  複数の個別電気化学セルスタックを有する電気化学システムが記載されている。このシステムは、複数の電気化学セルスタックに液通した水−酸素管理システムと、複数の電気化学セルに液通した水素管理システムとを具える。システムを換気する手段と、前記電気化学システムをモニタして動作させる制御システムがあり、この制御システムが、異常動作状態を検出する手段と、この異常状態に応じて前記電気化学システムの性能を低減する手段を具える。【選択図】  図２
2007523259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学システムにおいて：
複数の個別の電気化学セルスタックと；
前記複数の電気化学セルスタックに液通した水−酸素管理システムと；
前記複数の電気化学セルスタックに液通した水素管理システムと；
を具えることを特徴とする電気化学システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学システムがさらに、前記電気化学システムをモニタし動作させる制御システムを具え、当該制御システムが異常な動作状態を検出する手段を具えることを特徴とする電気化学システム。
【請求項３】
請求項２に記載の電気化学システムにおいて、前記制御システムが更に、前記異常状態に応答して前記電気化学システムの性能を低減する手段を具えることを特徴とする電気化学システム。
【請求項４】
請求項３に記載の電気化学システムが更に、前記システムの換気手段を具えることを特徴とする電気化学システム。
【請求項５】
電気化学システムにおいて：
複数の個別の電気化学セルスタックと；
前記複数の電気化学セルスタックに液通した酸素−水相分離器であって、前記電気化学セルスタックに水を放出する第１のマニフォールドと、前記電気化学セルスタックから水を受け取る第２のマニフォールドを具え、前記第１のマニフォールドが前記電気化学セルとガードベッド出口へ水を放出する複数のセルスタック出口を具える分離器と；
を具えることを特徴とする電気化学システム。
【請求項６】
請求項５に記載の電気化学システムが更に、前記相分離器に液通した放出導管を具え、この導管が前記相分離器からのガス流を受ける入口と、前記ガス流を放出するための排出ポートとを具えることを特徴とする電気化学システム。
【請求項７】
請求項６に記載の電気化学システムが更に、前記第１のマニフォールドガードベッド出口に連結された流量低減器を具え、この流量低減器が、前記ガードベッド出口からの圧力レンジを超える水量を制限することを特徴とする電気化学システム。
【請求項８】
可燃ガスセンサを自動的にキャリブレートするシステムにおいて：
ユーザインターフェースと；
前記ユーザインターフェースに接続された制御パネルと；
あらかじめ混合した可燃ガスのキャニスタと；
前記制御パネルに電気的に接続された少なくとも一の可燃ガスセンサと；
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項８に記載の可燃ガスセンサを自動的にキャリブレートするシステムが更に、前記キャニスタと前記少なくとも一の可燃ガスセンサに液通しているバルブ構造を具えることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載の可燃ガスセンサを自動的にキャリブレートするシステムにおいて、前記バルブ構造が前記コントロールパネルに電気的に接続されていることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
可燃ガスセンサを自動的にキャリブレートする方法において：
所定のインターバルであらかじめ混合した可燃ガスを放出するステップと；
可燃ガスセンサの検出表面に前記あらかじめ混合した可燃ガスを注入するステップと；
前記センサで検出した可燃ガスのレベルを測定するステップと；
を具えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の可燃ガスセンサを自動的にキャリブレートする方法が更に、前記測定に応じて前記センサのキャリブレーションを自動的に調節するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
電気化学システムの出力圧力を制御するシステムにおいて、前記システムが：
少なくとも一の電気化学セルと；
設定ポイントを有する圧力調整器であって、前記電気化学セルに液通している圧力調整器と；
前記圧力調整器と前記電気化学セルとの間で前記圧力調整器に液通している圧力センサと；
前記圧力センサに応じて電気化学セルの出力を制御する手段であって、前記圧力センサの圧力を、前記圧力調整器の設定ポイント以上の所定の圧力に保つ手段と；
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電気化学システムの出力圧力を制御するシステムにおいて、前記出力を制御する手段が、前記圧力センサをモニタする制御パネルを具えることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
電気化学セルシステムを制御する方法において：
複数の電気化学セルを動作させるステップと；
前記複数の電気化学セルに電気的に接続された複数の電源から電力を供給するステップと；
前記複数の電気化学セルと前記複数の電源の動作を制御システムでモニタするステップと；
エラー状態を検出するステップと；
前記検出したエラー状態を受け入れて前記制御システムの動作を調整するステップと；
を具えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電気化学セルシステムを制御する方法において、前記エラー状態が電源の故障であり、前記調整動作が、前記複数の電気化学セルの一方の出力を低減させるステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の電気化学セルシステムを制御する方法において、前記エラー状態が高ＬＦＬ測定値であり、前記調整動作が、どの電気化学セルが高ＬＦＬレベルを発生しているかどうかを決定するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の電気化学セルシステムを制御する方法において、前記どの電気化学セルが高ＬＦＬレベルを発生しているかどうかを決定する方法が、前記複数の電気化学セルのうちのひとつである単一の電気化学セルに電力を提供するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の電気化学セルシステムを制御する方法が、更に、前記単一の電気化学セルによって発生するガスのＬＦＬレベルを測定するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の電気化学セルシステムを制御する方法において、前記エラー状態が過剰な水温であり、前記調整動作が、前記複数の電源の出力を低減するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１５に記載の電気化学セルシステムを制御する方法において、前記エラー状態が前記複数の電源のうちの一つの故障であり、前記調整動作が、どの単一の電源が故障しているかを決定するステップと、当該電源の接続を切断するステップとを具えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルシステムに関するものであり、特に単一のシステム内の多数の電気化学セルの使用に関する。
【０００２】
発明の背景
電気化学セルはエネルギィ変換デバイスであり、通常電解セルまたは燃料セルのいずれかに分類される。電解セルは、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発生することによって水素発生器として機能し、水素を酸素と電気化学的に反応させて電力を発生する燃料セルとして機能する。図１を参照すると、典型的な陽子交換膜電解セルの一部の詳細が示されている。通常のアノード給水電解セル（図示せず）では、処理水を酸素電極（電解セル中の、アノード）の横のセルに供給し、酸素ガス、電子および陽子にする。電解反応は、このアノードに電気的に接続された電力源の正端子と、水素電極（電解セル中の、カソード）に接続された電力源の負端子によって促進される。
【０００３】
酸素ガスと処理水の一部がセルから出て、陽子と水が陽子交換膜を通ってカソードへ移動し、そこで水素ガスができる。カソード供給電解セル（図示せず）では、処理水が水素電極に送られ、この水の一部がカソードから前記膜を通ってアノードへ移動し、そこで陽子と酸素ガスができる。処理水の一部は、この膜を通過することなくカソード側のセルから出てゆく。陽子は、この膜を通ってカソードへ移動し、そこで水素ガスができる。典型的な電気化学セルシステムは、スタックに配置した複数の個別セルと、スタック構造内に形成した入力及び出力導管を介してセルへ導入される作動液を具える。スタック内のセルは順番に配列されており、各々がカソードと、陽子交換膜と、アノードを具えている。
【０００４】
従来の構成では、アノード、カソード、またはその両方が、ガスの膜への拡散を容易にするガス拡散電極である。各カソード／膜／アノードアッセンブリ（以下、「膜電極アッセンブリ」、あるいは「ＭＥＡ」という）は、通常、その両側を、スクリーンパックあるいはバイポーラプレートを具える流動場によって支持されている。このような流動場は、流体の移動と膜の水和作用を容易にし、ＭＥＡに機械的な支持を提供する。セル内にはしばしば差圧が存在するので、しばしば圧縮パッドあるいはその他の圧縮手段を用いて、セルの活性領域、すなわち電極内の圧縮を均一に維持するようにして、これによって、流体場とセル電極間の密接な接触を長期間にわたって維持するようにしている。パイプシステムによって液体及び気体ストレージデバイスに連結されている電気化学セルへおよび電気化学セルからポンプを用いて反応物と生成物を移動させる。この外付ポンプとストレージ領域の双方を使用することで、電気化学セルの移送の容易さが制限され、ポンプとストレージタンクの導入あるいは稼動が困難な場所での電気化学セルの使用を複雑なものになる。現存の電気化学セルシステムはその意図する目的に適している一方、特に、複数の電気化学セルスタックとそれらの動作による電気化学セルシステムの動作にいまだ改善の余地がある。
【０００５】
発明の概要
複数の別々の電気化学セルスタックを有する電気化学システム。このシステムは、複数の電気化学セルスタックに液通した水−酸素管理システムと、複数の電気化学セルスタックに液通した水素管理システムを具える。このシステムを換気する手段と、電気化学システムをモニタし操作する制御システムを具え、この制御システムは異常動作状態を検出する手段と、この異常状態に反応して電気化学システムの性能を下げる手段とを具える。
【０００６】
複数の個別の電気化学セルスタックを有する電気化学システムであって、複数の電気化学セルスタックに液通した酸素−水相分離器を具えるシステム。この相分離器は、電気化学セルスタックに水を放出する第１のマニフォールドと、電気化学セルスタックから水を受け取る第２のマニフォールドを具える。第１のマニフォールドは電気化学セルに水を放出するための複数のセルスタック出口と、ガードベッド出口を具える。排出導管が相分離器に液通しており、この導管は相分離器からガス流を受け取る入口と、このガス流を放出する排出ポートを具える。このシステムは、また、第１のマニフォールドガードベッド出口に連結された流量低減器を具える。この流量低減器は、圧力範囲を超えるガードベッド出口を通る水量を制限する。
【０００７】
ユーザインターフェースと、このユーザインターフェースに連結された制御パネルを有する可燃ガスセンサを自動的にキャリブレートするシステム。あらかじめ混合された可燃ガスのキャニスタと、制御パネルに電気的に接続されている少なくとも一の可燃ガスセンサがある。このキャニスタと少なくとも一の可燃ガスセンサに液通するバルブ構造が設けられている。バルブ構造も、制御パネルに電気的に接続されている。
【０００８】
可燃ガスセンサを自動的にキャリブレートする方法であって、あらかじめ混合された可燃ガスを所定のインターバルで自動的に放出するステップと、可燃ガスセンサの検出表面にこのあらかじめ混合された可燃ガスを注入するステップとを具える。このセンサで検出された可燃ガスのレベルを測定し、この測定に応じてセンサキャリブレーションを自動的に調整する。
【０００９】
少なくとも一の電気化学セルを具える電気化学システムの出力圧を制御するシステム。設定ポイントを有する圧力調整器があり、この圧力調整器は電気化学セルに液通している。圧力センサは、圧力調整器と電気化学セルの間で圧力調整器に液通している。制御パネルが圧力センサと、この圧力センサに応じて電気化学セルの出力を調整する手段をモニタしており、圧力センサのガス圧が圧力調整器の設定ポイント以上の所定の圧力に維持される。
【００１０】
詳細な説明
水素ガスは工業的に様々に使用され、アンモニアの生成、発電機の冷却から、宇宙空間を推進するロケットの動力にいたるまでのエネルギィのアプリケーションを有する、用途の広い材料である。水素ガスは宇宙で最も豊富な元素である一方、入手が容易でなく、その他の材料から抽出しなくてはならない。通常は、蒸気還元プロセスを通じてメタンを改質する大量生産設備を使用して大量の水素ガスを作り、コンテナあるいはタンクに保存して、用途に合わせて顧客のところへ輸送する。
【００１１】
物流とセキュリティの問題のため、使用の最終地点により近いところで水素を製造することが一層望まれてきている。最も望ましい製造方法は、ユーザが使用する地点で必要とされるときに水素を製造できることである。これを実現するために、水の電気分解を用いた水素発生器を用いて、必要なときに水素ガスを生成するようにしている。図１及び図２を参照すると、本発明の電気化学システム１２が示されている。電気化学セル１４は通常、スタックに配置された一またはそれ以上の個別セルと、スタック構造内のセルを介して導入される作動液を具える。スタック内のセルは、シーケンシャルに配列されており、各々が、図１に示すようなカソード、陽子交換膜、およびアノード（以下、「膜電極アッセンブリ」あるいは「ＭＥＡ」１１９という）を有する。通常、各セルは更に、カソードと液通した第１の流動場と、アノードに液通した第２の流動場を具える。ＭＥＡ１１９は、これらの流動場内に配置されたスクリーンパックによって、あるいは、バイポーラプレートによって、いずれか一方あるいは双方の側部が支持されており、膜水和作用及び／又はＭＥＡ１１９へおよびＭＥＡ１１９からの流体の移動を容易にするように構成することができる。
【００１２】
膜１１８は、電気化学セルの動作状態の下、好ましくは固相あるいはゲル状の電解質を具える。実用的な材料は、例えば、陽子伝導性イオノマ及びイオン交換樹脂を具えている。実用的な陽子伝導性イオノマには、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プロトン酸、プロトン酸塩を具える錯体、または上述の錯体を一またはそれ以上具える混合物がある。上記の塩に実用的なカウンタイオンには、ハロゲンイオン、過塩素イオン、チオシアネートイオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、フルオロホウ酸イオン、その他がある。このような塩の代表的な例には、限定するものではないが、フッ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化リチウム、過塩化リチウム、チオシアン化ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、六フッ化リン酸リチウム、燐酸、硫酸、トリフルオロメタンスルホン酸、その他がある。アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プロトン酸、あるいはプロトン酸塩は、ポリエーテル、ポリエステル、またはポリイミドなどの一又はそれ以上の極性ポリマと、あるいは、上述の極性ポリマをセグメントとして含有するネットワークポリマまたは架橋ポリマと合成することができる。実用的なポリエーテルには、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル、およびポリエチレングリコールジエーテルなどのポリオキシアルキレン；ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコール、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールモノエーテル、及び、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールジエーテルなどの、上述のポリエーテルの少なくとも一つの共重合体；上述のポリオキシアルキレンによるエチレンジアミンの凝縮生成物；及び、燐酸エステル、脂肪族カルボキシル酸エステル、あるいは芳香族カルボキシル酸エステルなど、上述のポリオキシアルキレンのエステル；がある。例えば、ポリエチレングリコールモノエチルエーテルとメタクリル酸などの共重合体は、十分なイオン導電性を示し、有用である。
【００１３】
陽子伝導性材料として実用的なイオン交換樹脂には、炭化水素と過フッ化炭化水素タイプの樹脂がある。炭化水素タイプのイオン交換樹脂には、フェノール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒドなどの縮合樹脂、ポリスチレン、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン、スチレン−ジビニルベンゼン−ビニルクロライドターポリマ、その他があり、これらはスルホン化によるカチオン交換能力を用いて十分にしみこませることができ、あるいは、クロロメチル化の後、対応する第４アミンへ転換することによるアニオン交換能力を用いて十分にしみこませることができる。
【００１４】
過フッ化炭化水素タイプのイオン交換樹脂には、例えば、テトラフルオロエチレン−パーフルオロスルホニルエトキシビニルエーテル、あるいはテトラフルオロエチレン−ヒドロキシル化（過フッ化ビニルエーテル）共重合体、その他の水和物がある。例えば、燃料セルのカソードなど、酸化および／又は耐酸が必要な場合、スルホン酸、カルボキシル酸及び／又は燐酸官能基を有する過フッ化炭化水素タイプの樹脂が好ましい。過フッ化炭化水素タイプの樹脂は通常、ハロゲン、強酸、および塩基によって優良な耐酸性を示す。スルホン酸基官能基を有する過フッ化炭化水素タイプの樹脂の一の族は、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）樹脂（デラウエア州、ウイルミントン所在のE.I. du Pont de Nemours and Company社から商業的に入手可）である。
【００１５】
電極１１４と１１６は、必要な電気化学反応（すなわち、水を電気分解して水素と酸素を発生する）を行うのに適した触媒を具えている。好適な電極は、限定するものではないが、プラチナ、パラジウム、ロジウム、炭素、金、タンタル、タングステン、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、その他、また、上述の金属の一またはそれ以上を具える合金と組み合わせである。電極１１４と１１６は、膜１１８の上に形成することもでき、あるいは膜１１８の近傍に、膜１１８と接触してあるいはイオン的に連通して層を成している。
【００１６】
流動場部材（図示せず）と支持膜１１８は、システム流体の通路を作り、好ましくは導電性であり、例えば、スクリーンパックまたはバイポーラプレートであってもよい。スクリーンパックは、一またはそれ以上の穴の開いたシート、あるいは金属またはストランドで形成された織ったメッシュを具える。これらのスクリーンは、典型的には、例えば、ニオビウム、ジルコニウム、タンタル、チタン、カーボンスチール、ステンレススチール、ニッケル、コバルトなどの金属と、また、合金および上述の金属の一またはそれ以上の組み合わせを含む。バイポーラプレートは、一般に、ファイバーカーボン、ポリテトラフルオロエチレン、またはＰＴＦＥ（デラウエア州、ウイルミントン所在のE.I. du Pont de Nemours and Company社から、商標名ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）の名前で商業的に入手可）を含侵させたファイバーカーボンを具える多孔性構造である。
【００１７】
図２及び図３を参照すると、電気化学セル１４内で水が水素ガスと酸素ガスに分解された後、下流側の更なる処理のために電気化学セル１４に各ガスが残る。分解されなかった処理水と混合された酸素が、水−酸素管理システム１６（以下、「ＷＯＭＳ」という）に送られる。ＷＯＭＳ１６は、水から酸素ガスを分離する、水のラインをマニフォールドすること、水質をモニタすること、水を脱イオン化することを含む、電気化学システム１２内の水の液体としての機能の全てを持続する。これらの全機能を以下により詳細に説明する。
【００１８】
水素ガスは、水を電気分解するプロセス間に水素陽子と共に持ち越される少量の水と共に電気化学セル１４から出て行く。この水素−水混合物は、更なる処理のために水素ガス管理システム１８（以下、「ＨＧＭＳ」という）へ送られる。ＨＧＭＳ１８は、水素ガスから水を分離して、追加の乾燥装置を用いてこのガスを処理し、水の混入を更に最小にする。最終的に、水素ガスがポート２０を通ってシステム１２から出てゆき、最終アプリケーションの使用に付される。
【００１９】
電気化学システム１２は、更に、換気システム２２、電源モジュール２４、制御パネル２６、ユーザ入力パネル２８、燃焼ガスセンサキャリブレーションシステム３０などのサブシステムを具える。電気化学システム１２のキャビネット３２は、ガス発生コンパートメント３８から電気コンパートメント３６を分離するパーティション３４によって分割されており、水素ガスが点火ソースにうっかり露出することを防止している。
【００２０】
ＷＯＭＳ１６は、図４と図６に最もよく示されている。脱イオン水が外付源から水入口導管４２を介して相分離器と水マニフォールド４０へ送られる。追加のフィルタ４４を水入口導管４２へ接続して、システム１２に汚染物質が入ることを更に防護している。システム１２がスタートすると、導管４２を介して水が入り、ソレノイドバルブ５０を閉じる所望のレベルの水がセンサ４８で検出されるまで、相分離器本体４６を満たす。動作中に、相分離器の水レベルが所定のスレッシュホールドを下回ったことを水レベルセンサ４８が検出すると、ソレノイドバルブ５０が開いて、システムに追加の水を提供する。相分離器と水マニフォールド４０は、ブラケット４３によってキャビネットに装着されている。
【００２１】
適当な水レベルになり、システム１２が稼動すると、水が相分離器本体４６から導管５２とポンプ５４を介して放出される。追加の熱交換器５６を用いて、水の温度を下げるようにしても良い。ポンプ５４をそのままにしておいて、水が導管６０を介してマニフォールド５８に入る。複数の出口６２と６４が電気化学セル１４とガードベッド６６に水を提供する。出口６２は、流量スイッチ１３３を通って導管６８を介して電気化学セル１４へ水を送り込む。流量スイッチ１３３は電源２４の制御回路に電気的に接続されている。導管６８内で流れが遮断された場合、流量スイッチが電源２４に信号を送り、遮断された導管が水を提供していた電気化学セル１４への電力を切断する。電気化学セル１４に向けられていない追加の水が出口６４を介してマニフォールド５８から出て、ガードベッド６６でフィルタされる。以下により詳細に説明するように、ガードベッド６６は、出口６４を通る過剰フローを防止する制限器を具え、逆の動作をして、作動寿命を低減する電気化学セル１４の水の不足を防止するようにしている。マニフォールド５８も、システム１２内の水質を測定する導管センサ７０を具える。このセンサ７０は、通常、水導管と温度センサ（Pathfinder Instruments社が製造しているモデルＲＣ−２０/ＰＳ１０２Ｊ２として商業的に入手可能）である。これらのタイプのセンサは、精密な測定を維持するためには水が流れていることが必要なので、センサ７０の設置箇所は重要である。センサ７０をガードベッド６６への出口近傍のマニフォールド５８の端部に設置することによって、センサ７０によって二つの機能を行うことができる。第１は、センサ７０が水質を測定することである。水質が、通常１ないし５マイクロシーメンス／ｃｍである、所定のスレッシュホールドが通常の値以下に下がると、システム１２がシャットダウンして、電気化学セル１４にダメージを与える汚染を防止する。更に、センサ７０は、正確な測定のためには水が流れていることが必要なので、ガードベッド、あるいはこれに取り付けられている導管またはバルブのいずれかが詰まると水が流れなくなり、導電センサ７０は、システム１２に問題があり、不正に高い導電率を読み出してしまいプロセスをシャットダウンするべきであることを表示する。
【００２２】
水が出口６４に入ると、導管７２を介してガードベッド６６へ移動する。ガードベッド６６は、導管７２からの水を受け取って、ガードベッド６６の本体７５からあらゆる粒子状物質をろ過するスクリーン７４を介してその水に力を加えるマニフォールド７３を具える。本体７５内で処理された後、その水はマニフォールド７３を通ってボリューム制限器７６を介してガードベッド６６から出てゆく。制限器７６（Neoperl, Inc.社によって製造されているモデル５８．６２７１．１として商業的に入手可能）は、広い圧力範囲にわたってガードベッド６６を通過できる水量を制限する。ポンプ５４の出力と電気化学セル１４の動作条件を知ることによって、制限器７６を、電気化学セル１４へ適度な水の流量を維持するレベルで、ガードベッド６６を通って流れる水量を維持するための好適なサイズにすることができる。ガードベッド６６から入口７９へ水が戻り、導管７７を介してマニフォールド７８へ戻る。
【００２３】
上述したとおり、電気化学セル１４によって水が水素ガスと酸素ガスに分解され、酸素−水の混合物が導管８０を介して相分離器４０に戻る。戻りのマニフォールド７８は、入口８２を通って導管８０を受けている。酸素−水混合物は、戻りマニフォールド７８に沿って移動して、相分離器本体４６へ移る。混合物が本体４６に入ると、内壁と表面に当たって、重力と表面張力の影響で水をガスから分離して、分離器本体４６の底に集める。自由になったガスは、導管８４を介して分離器本体４６から出てゆき、出口８６を通ってキャビネット３２へ排出される。出口８６を出てゆくガスを可燃ガスセンサ８８でモニタして、何らかの可燃ガスが所定のレベルを超えると警告する。本体４６内の分離された水は、上述したように、システム１２内で再使用される。
【００２４】
電気化学セル１４が水を分解すると、水と混合された水素ガスがＨＧＭＳ１８によって処理される。図３に最もよく示されているように、ＨＧＭＳ１８は、マニフォールド９０を介して水を受け取る。水素水相分離器９２は、液状の水から略全ての水素ガスを分離する。水素ガスは、導管９４を介して分離器９２を出て行き、一方、水は分離器９２の底に集まる。ここに述べる背圧調整器１５４が、生成した水素ガスの送出と、相分離器９２から水を戻すために、水素ガス圧を確実に最小限にする。少量の水素ガスを加圧することによって、ガスが水の中で分解される。好ましい実施例では、分解された水素を伴う水がバルブ１５２を介して出てゆき、減圧され、結果物である混合物は、酸素−水相分離器４６に戻る導管９６を介して流れる。代替の実施例では、分解された水素を伴う水がバルブ１５２と導管９６を介して出て行き、減圧されて、水素−水相分離器１５０に入る。この代替の実施例では、結果物である水素ガスがキャビネット３８内へ換気され、水は導管１５１を介して酸素−水相分離器４６へ戻る。水素ガスは、導管９４を介して乾燥機９８、９９へ移動し、このガスを、通常、標準的な温度と圧力において体積あたり１０パーツパーミリオン以下の、所望のレベルに更に乾燥させる。乾燥機９８、９９はマニフォールド１２０によって連結されており、所定の時間インターバルで、二つの乾燥機９８、９９間で水素ガスを切り替える。通常、圧力スイング、またはスイングベッド乾燥機と呼ばれるこれらの乾燥機は、代替の乾燥機によって処理された減圧したドライガスの小さなスリップ流で一つのベッドを再生する。水素ガス乾燥機９８、９９をそのままにしておき、水素ガスの圧力を圧力センサ１５５で測定する。圧力センサ１５５は、電気化学セル１４に提供する好適な量の電力を決定するための制御パネル２８へのフィードバックを提供する。制御パネル２８によって提供される電力量は、水素ガスの出力圧をもたらす電気化学セルの生成レートを決定する。圧力センサ１５５を圧力調整器１５４の上流側に配置することによって、制御パネル２８は、ガス乾燥機９８、９９の循環運動の結果、相分離器９２のドレインサイクル、およびカスタマの要求の変化によって生じる圧力変動を補償することができる。圧力センサ１５５で測定した圧力を圧力調整器１５４の設定圧力より若干上に調整することによって、システム１２は、以前は必要とされていた水素バッファタンクを使用することなく、エンドユーザへの出力水素ガス圧を＋／−０．５バール内に維持することができる。通常、制御パネル２８は、圧力調整器１５４の設定ポイントより０．１ないし３バール大きい圧力で、圧力センサ１５５の圧力を制御するように動作する。エンドユーザの使用のために、出口２０を介してシステム１２から水素ガスが出てゆく。
【００２５】
上述したように、システム１２は、換気システム２２も具えており、ガス発生コンパートメント３８の内部にフレッシュエアを提供している。放熱用グリル１２２近傍のファン１２４が外の空気を引き込む。空気は、ダクト１２６を下りてきて、電気化学セル１４近傍のガス発生コンパートメント３８の内部に入る。コンパートメント３８から出るためには、空気は、コンバートメント３８を縦に横切らなくてはならず、放熱用グリル１２８を通って出て行く。空気の流れがあるために、酸素−水相分離器ベント８６によって放出される酸素が、システム１２から迅速に除去される。相分離器１５０から換気される水素など、出てゆく水素は全て、空気の流量の中へ放出され、希釈されてシステム１２から迅速に取り去られる。センサ１６０は、換気のロスを検出して、自動的にシステム１２をシャットダウンし、酸素と水素の生成を中止する。更に、可燃ガスセンサ１３０が出口グリル１２８の近傍に配置されている。換気した空気流中の可燃ガスレベルが許容できないレベルに近づくと、システム１２がメンテナンスまたは修理のために自動的にシャットダウンする。
【００２６】
センサ１３０および８８などの可燃ガスセンサは、通常、「触媒反応ビーズ」タイプセンサ（Detcon Inc.社による商品モデル名ＦＰ−５２４Ｃとして商業的に入手可能）と呼ばれる技術を用いている。これらのセンサは、生成したガス流中の可燃ガスの燃焼下限（lower flammable limit 「ＬＦＬ」）のパーセンテージをモニタする。このＬＦＬの測定は、水素、プロパン、天然ガスなどの可燃ガスの、空気中の所定の体積のパーセンテージを表す（例えば、空気中の水素のＬＦＬは体積あたり４％である）。これらのセンサ８８、１３０は、適当な性能を確実なものにするために、定期的なキャリブレーションが必要である。キャリブレーション工程は、通常、ユーザが、水素と空気の所定の混合率で製造したあらかじめ混合されたキャリブレーションガスを一瓶使用する必要がある。この混合物は、通常、可燃ガスの燃焼下限の２５−５０％である。本発明の好ましい実施例では、システム１２は、定期的なベースでのセンサの自動キャリブレートを行うか、あるいはガス発生コンパートメントにユーザがアクセスする必要性をなくすことによって自動キャリブレーションを容易にするかの、いずれかのために構成されている。好ましい実施例の自動キャリブレーションシステム３０は、あらかじめ混合されたキャリブレーションガス瓶１３２と、ソレノイドバルブブロック１３４と、外部ポート１３６と、導管１３８、１４０、１４２、１４３を有する。
【００２７】
動作中は、可燃ガスキャリブレーションシステム３０は、ユーザがインターフェースパネル２８を介して、あるいは制御パネル２６によって所定のインターバルで始動されたときにトリガされる。始動が、インターフェースパネルによってトリガされる場合は、外部キャリブレーションボトルをポート１３６に自動的に接続する、あるいは内部キャリブレーションガス１３２を使用するか、のいずれかの選択をユーザが行う。ユーザが、外部ボトルの使用を選択した場合は、ユーザはインターフェースパネル２８をそのボトルに接続するように指示する。ユーザが内部キャリブレーションガスを使用することを選択した場合は、制御パネル２６がバルブブロック１３４のソレノイドバルブ１４４を開いて、可燃ガス混合物を導管１３８、１４０に導入する。導管１３８と１４０のオリフィス１４５、１４６は、それぞれ、適宜の量のガスを導管内へ導入できるサイズを有する。ガスは、導管１３８、１４０に沿って可燃ガスセンサ８８、１３０へ移動する。制御パネル２６は、センサ８８、１３０によって測定された可燃ガスのレベルをモニタする。測定されたレベルが、あらかじめ混合されたキャリブレーションガスのレベルと同じでない場合は、制御パネルが可燃ガスセンサ８８、１３０を、適宜のレベルに達するまで調整する。
【００２８】
キャリブレーションが、所定の時間リミットが満了することによってトリガされた場合は、シーケンスが働いて、上述したのと略同じ動作を行う。キャリブレーションの設定が調整から所定量外れている場合は、制御パネルが追加で信号を発して警告し、ユーザにアドバイスを行う、及び／又は、キャリブレーション間の期間を短くするようにする。
【００２９】
可燃ガスセンサキャリブレーションが検出されるなどの、動作条件あるいはパラメータが異常である場合は、システム１２は、システム１２の動作を自動的に調整する補正アクションを行うことができるいくつものヘルスモニタリングプロセスを含んでいる。システム１２の好ましい実施例では、電気化学セル１４、あるいは電源などの複数の部材がモジュール調整される。このモジュール方式は、致命的なエラーが一のモジュールに生じた場合に更に利益を提供する。ここにより詳細に述べるとおり、致命的なエラーが生じた場合、システム１２は、そのエラーを受け入れて、修理あるいはメンテナンスを実行できるまでシステムの動作を落としたモードにすることができる。これによって、その工程に主たる打撃を与えることなくエンドユーザは動作を続けることができる。
【００３０】
上述の機能及び所望の処理、およびそのためのコンピュータ処理（すなわち、水素発生のための制御アルゴリズム、その他）を実行するために、制御パネル２６と電源２４は、限定するものではないが、プロセッサと、コンピュータと、メモリと、ストレージと、レジスタと、タイミングと、中断と、通信インターフェースと、入力／出力信号インターフェース、その他、およびこれらのうちの少なくとも一つを具える組み合わせを具えていても良い。例えば、制御パネル２６は、正確なサンプリングと、通信インターフェースからのこれらの信号の変化あるいは遷移を可能とする入力信号処理及びフィルタリングを含む。制御パネル２６と所定のプロセス、機能、および動作の更なる特徴は、以下の点において全体的に議論される。
【００３１】
通常の動作モードの間は、電源２４から制御パネル２６と電気化学セル１４へ電力が供給されて、上述したように水素ガスを生成する。この上述した処理機能に加えて、制御パネル２６は、限定されるものではないが、回路ブレーカ、リレー、接触器、ヒューズ、ｄｃ−ｄｃ電力調整器、その他、およびこれらの少なくとも一つを具える組み合わせ、といった配電部品を具えていても良い。これらの配電部品によって、ポンプ、ファン、ソレノイドバルブなどのシステム１２内の部品に電力が提供される。通常モードでは電気化学セル１４への電流が変化して、ユーザが必要とする好適な水素ガス生成レベルを提供する。
【００３２】
図７を参照すると、システム１２用制御プロセス２００の例示的な方法を示す状態変化図が提供されている。プロセス２００は、様々なモード間の状態の変化を制御するいくつかのモードと基準、条件、イベント、その他を具える。プロセス２００は、通常、正常モード２１０で運転しており、様々なセンサと状態をモニタし、評価して、システム１２の状態を確かめている。このようなモニタリングは、センサ８８、１３０からの換気ストリーム中の燃焼ガスレベルを評価する。燃焼下限（以下、「ＬＦＬ」という）のパーセンテージが、ＬＦＬがスレッシュホールド以下に残る時間とレベル以上に上がる傾向にある場合は、プロセス２００がログモード２１２に移転して、ＬＦＬデータを記録し、ユーザインターフェース２８に警告を送る。
【００３３】
プロセス２００は、ＬＦＬが修理あるいは防止動作を必要とすることの表示である所定のスレッシュホールドを超えたことを検出すると、プロセスが診断モード２１４に移行して、電気化学セル１４を評価する。高いＬＦＬ測定値が電気化学セル１４の故障あるいは磨耗によるものであるかどうかを決定するために、診断モード２１４で各電気化学セル１４を個別に動作させて、センサ８８、１３０からのＬＦＬ測定値をモニタする。ＬＦＬ測定値がシャットダウンレベルより大きい場合、あるいはＬＦＬ測定値が下がらない場合、あるいは、電気化学セル１４が一つだけ稼動している場合、プロセス２００がシャットダウンモード２１６に移行して、システム１２の処理を順次の態様で終了する。プロセス２００は、アラートモード２１８を用いてユーザに通知する。
【００３４】
診断モード２１４がどの電気化学セル１４が高ＬＦＬレベルに応答しているかを決定した場合は、プロセス２００は低減モード２２０に移行する。低減モード２２０は、電源２４の適宜のモジュールをオフにして、故障して動作していない電気化学セル１４の電源を切る。ログモード２１２で、適宜のデータを記録して、ユーザに警告する。システム１２がシャットダウンして正しい動作になったら、プロセス２００が通常モード２１０にリセットされる。
【００３５】
システム１２によって行われるもう一つのエラー状態は、マニフォールド５８中の超過水温である。通常動作モード２１０を行う間にセンサ７０から温度測定値が得られ、プロセス２００でモニタして、分析する。通常モード２１０が、温度が上がり気味であることを検出し、実際の水温が所定のスレッシュホールド以下である場合は、プロセス２００は、ログモード２１２に移行して、この情報を記録してユーザに警告を送る。
【００３６】
センサ７０によって測定される水温が所定のスレッシュホールドを超える場合、プロセス２００が低減モード２２２に移行する。低減モード２２２では、電源２４の電流出力が低下して、電気化学セル１４の水素ガス出力を下げる。処理２００は、ログモード２１２に移行して、温度情報を記録して、システム１２の能力を低減したことをユーザに警告する。システム１２がシャットダウンして、正しい動作になると、プロセス２００が通常モード２１０にリセットされる。センサ７０で測定された温度が、通常ガードベッド６６の最大動作温度に等しい第２の所定のスレッシュホールド以上に維持されている場合、プロセス２００はシャットダウンモード２１６に移行して、システム１２の処理を順次の態様で停止させる。プロセス２００は、警告モード２１８を使ってユーザに警告する。
【００３７】
システム１２が経験するかもしれないもう一つのエラー状態は、電気化学セル１４内の低電圧または高電圧状態である。通常モード２１０が電圧の上昇あるいは下降傾向を検出すると、プロセス２００はログモード２１２に移行して、情報を記録し、ユーザに警告を送る。電気化学セル１４を稼動させるのに必要な電圧が、スレッシュホールド以下に落ちた場合、スレッシュホールド以上にあがった場合、及び電気化学セル１４によって出されている電流がある場合、処理２００は診断モード２２８に移行して、どの電気化学セルが通常のパラメータ以外で稼動しているかを決定する。稼動している電気化学セル１４が一つだけの場合は、プロセス２００はシャットダウンモード２１６に移行して、システム１２の処理を順次の態様で停止させる。プロセス２００は、アラートモード２１８を使ってユーザに通知する。
【００３８】
二つ以上の電気化学セル１４を稼動できる場合は、プロセス２００は、低減モード２２６に移行して、故障した電気化学セルに電力を提供している電源を切って、残りの電気化学セルでシステム１２を稼動し続ける。低減モード２２６は、その電気化学セルの電圧のモニタと分析を続け、上述の動作と同様に、上昇傾向あるいは下降傾向が検出されたら、プロセス２００がログモード２１２に移行して、情報を記録し、ユーザに警告を送る。システム１２がシャットダウンして、正しい動作になると、プロセス２００が通常モード２１０にリセットされる。電圧が再び所定のスレッシュホールド以上に上がる、または、所定のスレッシュホールド以下に下がる場合は、プロセス２００は再び診断モード２２８に移行して、上述したシーケンスを再度繰り返す。このプロセスは、システム１２が修理されるあるいはリセットされる、または、最後の電気化学セルが故障していることが決定されるまで続く。
【００３９】
システム１２が遭遇するもう一つのエラーは、電源２４内の故障電源モジュールである。通常モード２１０にあるプロセス２００が、電源の故障を検出すると、プロセス２００は、診断モード２３０に移行する。診断モード２３０は、電源２４内の各モジュールと対話を行い、どの個別モジュールが故障しているかを決定する。診断モード２３０がどのモジュールが故障しているかを決定すると、プロセス２００は低減モード２３２に移行して、故障している電源モジュールを切断し、動作を続ける。単一の電気化学セル１４を動作させるのに複数の電源モジュールが必要な場合は、低減モード２３２は、故障モジュールに関連する全ての電源モジュールの接続を切る。プロセス２００は、また、ログモードに移行して、適宜の電源情報を記録し、ユーザに警告を送る。プロセス２００は、次いで、システム１２の動作を低減モードで継続する。システム１２がシャットダウンして、正しい動作になると、プロセス２００は通常モード２１０にリセットされる。他の電源が落ちた場合、プロセス２００が診断モード２３０に移行したときのシーケンスが繰り返される。単一の電気化学セル１４を動作させるために十分な電源モジュールがない場合、プロセス２００がシャットダウンモード２１６に移行して、システム１２の処理を順次の態様で停止させる。プロセス２００は、警告モード２１８を使って、ユーザに通知する。
【００４０】
システム１２が遭遇するかもしれないエラーの最後の例は、入口の脱イオン水の低い流量である。システム１２の動作を維持するためには、通常、新鮮な脱イオン水を一定して供給することが必要である。外付の水源１７の問題に起因してこの脱イオン水の流量が低減したり、止まったりして、電気化学セル１４に十分な脱イオン水が供給されない場合、システムがダメージを受けることがある。脱イオン化装置１７からの水の流量は、酸素−水相分離器４６内のセンサ４８によって測定された水のレベルを変えるのに必要な時間量を測定することによって決まる。通常モード２１０が、入口の脱イオン水の流量が低すぎると決定したら、プロセス２００は、診断モード２３４に移行して、入手できる脱イオン水の入口の流量でどのくらいの水素ガス生成レートを実現できるかを決定する。プロセス２００は、低減モード２３６に移行して、電源２４による電流を低減して、電気化学セル１４の水素発生率を下げる。低減モード２３６は、脱イオン水の入口での流量を上述した態様でモニタし、分析を続ける。システム１２がシャットダウンして、正しい動作になるか、脱イオン水の流量が通常の動作状態に戻ったら、プロセス２００が通常モード２１０にリセットされる。水の流量が下がる傾向にある場合は、プロセス２００は、ログモード２１２に移行して、その情報を記録し、ユーザに警告を送る。
【００４１】
入口の水の流量が、第２のスレッシュホールド以下に下がっている場合は、プロセス２００は診断モード２３４に戻り、上述したように、入口での流量が最小動作レベルに下がるまでシーケンスを繰り返す。最小動作レベルになると、プロセス２００がシャットダウンモード２１６に移行して、システム１２のプロセスを順次の態様で停止させる。プロセス２００は、警告モード２１８を使ってユーザに通知する。
【００４２】
好ましい実施例を示して説明したが、本発明の精神と範囲から離れることなく、様々な変形、交換を行うことができる。例えば、ここに示す実施例は、特に３つの電気化学セルを有する電気化学システムに言及しているが、２つ、４つ又はそれ以上の電気化学セルを有するシステムにも同様に適用することができる。従って、本発明は、図面によって説明されているが、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
例示的なものであり、限定するものではない図面を参照する。ここでは、同じエレメントには同じ符号が付されている。
【図１】図１は、電気化学反応を示す従来の電気化学セルの一部の概略図である。
【図２】図２は、水素発生システムの例示的な実施例の斜視図である。
【図３】図３は、図２の水素発生システムの配管および器械を示す図である。
【図４】図４は、図２の水管理システムの斜視図である。
【図５】図５は、図２の酸素−水相分離器と水管理マニフォールドを示す斜視図である。
【図６】図６は、図２の水脱イオン化フィルタと水制限器を示す平面図である。
【図７】図７は、過剰ＬＥＬレベルに起因する動作低下モードにおける制御体系の例示的な実施例を示す状態変化図である。
【図８】図８は、高温の水に起因する動作低下モードにおける制御体系の例示的な実施例を示す状態変化図である。
【図９】図９は、電気化学セルの高電圧または低電圧に起因する動作低下モードにおける制御体系の例示的な実施例を示す状態変化図である。
【図１０】図１０は、電源の故障に起因する動作低下モードにおける制御体系の例示的な実施例を示す状態変化図である。
【図１１】図１１は、入口の脱イオン水の流量が低いことに起因する動作低下モードにおける制御体系の例示的な実施例を示す状態変化図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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