(57)【要約】燃料の放出を緩和するための方法および装置であって、筺体内に燃料電池スタックを内封する工程；酸化剤を該筐体に供給する工程；該酸化剤を該筐体内に循環させて、該筐体中に存在するあらゆる燃料と混合する工程；該循環させた酸化剤を該筐体から取り出す工程；および該筐体から取り出した該循環させた酸化剤の少なくとも一部をカソード入口を介して該スタックに供給する工程を含む。該燃料電池スタックは、燃料供給通路と酸化剤供給通路とを備え、該燃料供給通路は、燃料の流れを該燃料電池スタックに導くためのアノード入口を備え、該酸化剤供給通路は、酸化剤の流れを該燃料電池スタックに導くためのカソード入口を備え、ならびに該燃料電池スタックの周りに配置される筐体を備える。
2007531969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムを作動する方法であって、該燃料電池システムは、筐体および該筐体の内側に配置された燃料電池スタックを備え、該方法は、
燃料をアノード入口を介して該スタックに供給する工程；
酸化剤を該筐体に供給する工程；
該酸化剤を該筐体内に循環させて、該筐体中に存在するあらゆる燃料と混合する工程；
該循環させた酸化剤を該筐体から取り出す工程；および
該筐体から取り出した該循環させた酸化剤の少なくとも一部をカソード入口を介して該スタックに供給する工程
を包含する、方法。
【請求項２】
前記筐体に供給される前記酸化剤が周囲空気である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記筐体中の燃料濃度をモニタリングする工程をさらに包含する、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記モニタリングされた燃料濃度が所定のレベルを上回る場合に前記筐体への酸化剤の供給を増加させる工程をさらに包含する、方法。
【請求項５】
前記筐体に酸化剤を供給する工程が、前記燃料電池システムの少なくとも１つの作動パラメータに依存して、供給される酸化剤の量を変化させる工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記アノード入口への燃料の排気流の一部を再利用する工程をさらに包含する、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記カソード入口への酸化剤の排気流の少なくとも一部を再利用する工程をさらに包含する、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、酸化剤の排気流を前記筐体の外側に放出する工程をさらに包含する、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、酸化剤の排気流の少なくとも一部を前記筐体に放出する工程をさらに包含する、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、燃料の排気流の少なくとも一部を前記筐体に放出する工程をさらに包含する、方法。
【請求項１１】
前記燃料の排気流の一部が、前記筐体に継続的に放出される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料の排気流の一部が、前記筐体に周期的に放出される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料の排気流の一部が、少なくとも１つの燃料電池作動パラメータに依存して前記筐体に放出される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料の排気流の一部が、所定の間隔で放出される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料電池スタックが、固体ポリマー電解質膜燃料電池を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法であって、前記燃料電池システムがパージングデバイスをさらに備え、該パージングデバイスは、入口と出口とを備える保持容器を備え、該方法は、第一のモードにおいて一定量の燃料の排気を該入口を介して該パージングデバイスに引き込む工程、および第二のモードにおいて該燃料の排気を該出口を介して該パージングデバイスの外に排出する工程をさらに包含する、方法。
【請求項１７】
前記第一のモードの期間が前記第二のモードの期間よりも短い、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第一のモードの期間が、約１秒と３秒との間である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第二のモードの期間が、約６０秒と９０秒との間である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
燃料電池システムであって、
燃料供給通路と酸化剤供給通路とを備える燃料電池スタックであって、
該燃料供給通路は、燃料の流れを該燃料電池スタックに導くためのアノード入口を備え、
該酸化剤供給通路は、酸化剤の流れを該燃料電池スタックに導くためのカソード入口を備える、燃料電池スタック；ならびに
該燃料電池スタックの周りに配置される筐体であって、該筐体は、
酸化剤を該筐体に導入するために該筐体の内側と流体連絡する筐体入口通路、および
酸化剤を該筐体の外かつ該カソード入口に導くために該カソード入口に流体接続される筐体出口通路を備える、筐体
を備える、燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載の燃料電池システムであって、酸化剤を前記筐体入口通路に導入するように構成される循環デバイスをさらに備える、燃料電池システム。
【請求項２２】
前記循環デバイスが、前記筐体入口通路の上流に配置される、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記循環デバイスが、前記筐体入口通路の下流に配置される、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記循環デバイスが、前記筐体の外側に配置される、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記循環デバイスが、前記筐体出口通路内に配置される、請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記循環デバイスが、ブロワー、ポンプおよびファンからなる群より選択される、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
請求項２１に記載の燃料電池システムであって、前記循環デバイスに付随される可変速度モーターをさらに備える、燃料電池システム。
【請求項２８】
前記燃料供給通路が閉じられる、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記燃料供給通路が行き止まり型である、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記燃料供給通路が、燃料の排気流の少なくとも一部を再利用するための燃料再循環システムを備える、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
請求項２０に記載の燃料電池システムであって、前記燃料供給通路が、燃料の排気流の少なくとも一部を前記筐体の内側に導くためのアノード出口をさらに備える、燃料電池システム。
【請求項３２】
前記アノード出口がパージングデバイスを備える、請求項３１に記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記パージングデバイスがバルブを備える、請求項３２に記載の燃料電池システム。
【請求項３４】
前記パージングデバイスが、入口と出口とを備える保持容器を備え、該パージングデバイスが、第一のモードで作動される場合に一定量の燃料の排気を該入口を介して該パージングデバイスに引き込み、第二のモードで作動される場合に該燃料の排気を該出口を介して該パージングデバイスの外に排出するための手段を備える、請求項３２に記載の燃料電池システム。
【請求項３５】
前記第一のモードで作動される場合に一定量の燃料の排気を前記入口を介して前記パージングデバイスに引き込み、第二のモードで作動される場合に該燃料の排気を前記出口を介して該パージングデバイスの外に排出するための手段が、前記保持容器の内側に配置されるプランジャを備える、請求項３４に記載の燃料電池システム。
【請求項３６】
前記酸化剤供給通路が、酸化剤の排気流を前記筐体の外に導くように構成される、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項３７】
前記酸化剤供給通路が、前記酸化剤の排気流の少なくとも一部を前記筐体の内側に放出するように構成される、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項３８】
請求項２０に記載の燃料電池システムであって、前記筐体中の燃料の濃度を決定するために該筐体内に配置されるセンサーをさらに備える、燃料電池システム。
【請求項３９】
前記センサーが可燃性ガスセンサーである、請求項３８に記載の燃料電池システム。
【請求項４０】
前記燃料電池スタックが固体ポリマー電解質膜燃料電池を備える、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項４１】
請求項２０に記載の燃料電池システムを備える乗り物。
【請求項４２】
燃料電池システムであって、
筐体；
該筐体内に配置される燃料電池スタック；
燃料の流れを該スタックに導くための手段；
該筺体内に空気を供給するための手段；および
酸化剤の流れを該筐体の内側から取り出し、該酸化剤の流れを該スタックに供給するための手段
を備える、燃料電池システム。
【請求項４３】
燃料電池システム用のパージングデバイスであって、入口と出口と、第一のモードで作動される場合に一定量の燃料の排気を該入口を介して該パージングデバイスに引き込み、第二のモードで作動される場合に該燃料の排気を該出口を介して該パージングデバイスの外に排出するための手段とを備える保持容器を備える、パージングデバイス。
【請求項４４】
前記第一のモードで作動される場合に一定量の燃料の排気を前記入口を介して前記パージングデバイスに引き込み、第二のモードで作動される場合に該燃料の排気を前記出口を介して該パージングデバイスの外に排出するための手段が、前記保持容器の内側に配置されるプランジャを備える、請求項４３に記載のパージングデバイス。
【請求項４５】
前記プランジャがモーターによって作動される、請求項４４に記載のパージングデバイス。
【請求項４６】
請求項４３に記載のパージングデバイスを備える燃料電池システムであって、前記保持容器の容積がプロセス燃料システムの容積よりも大きい、燃料電池システム。
【請求項４７】
前記保持容器の容積が、前記プロセス燃料システムの容積よりも約２５％〜５０％大きい、請求項４６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、燃料電池システムからの燃料の放出の改善された管理のための方法およびシステムに関し、より具体的には、燃料電池システムにおける燃料の放出の効果を緩和するために酸化剤の送達を利用する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（先行技術の説明）
燃料電池システムは、現在、広範な用途（例えば、定置型発電装置および携帯型動力源）において電源として使用するために開発されている。このようなシステムは、環境的利益を提供すると同時に経済的に送達される力を約束する。
【０００３】
燃料電池は、燃料および酸化剤反応物を変換して、電力および反応生成物を生じる。代表的な燃料としては、水素および炭化水素（例えば、天然ガス、メタノールまたは改質ガソリン）が挙げられ、一方適切な酸化剤としては、空気および酸素が挙げられる。燃料電池は、一般的に、カソード電極とアノード電極との間に配置された電解質を使用する。触媒は、代表的には、それらの電極で所望の電気化学反応を誘導する。
【０００４】
水素の使用率は、燃料電池発電装置における検討事項である。例えば、特許文献１は、典型的なポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池において、アノードの排気中の水素含量が５０％〜９０％であり得ることを開示する。これは、部分的には、燃料の枯渇状態を回避するために化学量論的な必要量を超える量で、水素を燃料電池に供給することの結果である。それにもかかわらず、単純にアノードの排気を環境に排出することは、容認され得ない：これは、水素燃料を浪費し、水素を含む排気を排出することは特定の用途において許容され得ない。
【０００５】
いくつかの従来の燃料電池発電装置は、水素の使用率を増加させるために、閉鎖型の水素供給システムを利用している。この文脈において、閉鎖型の水素供給システムとしては、行き止まり型のシステムおよびアノードの排気の再利用を用いるシステムが挙げられる。閉鎖型のシステムにおいて、一般的に、スタックに供給される水素の流れに存在する任意の不純物の濃度は時間とともに増加する；これは燃料電池の性能において悪影響を有し得る。酸化剤が空気によって供給される場合の用途において、不活性ガス（特に、窒素）もまた、燃料電池のカソード側からアノード側に膜を越えて浸透する。燃料電池の性能は、不活性ガスの濃度が増加するにつれて時間とともに低下し、燃料の枯渇状態が発生する場合には電池の故障をもたらし得る。加圧された空気がスタックに供給される発電装置において、この問題は、膜にわたる不活性ガスの対応する増加された浸透率によって、さらに悪化する。さらに、水蒸気がアノードの流れ場に蓄積するにつれて、液体の水が凝縮し得、このことが燃料電池のフラッディングを生じ得る。したがって、このような発電装置は、一般的に、アノードから蓄積された不活性ガス、不純物および／または液体の水をパージする。パージングは、一般的に、周期的に行われるが、継続的なパージングもまた可能である。
【０００６】
燃料の漏出または放出は、ＰＥＭ燃料電池の正常な作動の間に、意図的ではなくまたは意図的に起こり得る。意図的でない放出の例としては、シール、燃料電池発電装置付属物、ポンプ、バルブ、配管または他のシステム構成要素からの漏出が挙げられ得る。燃料電池発電装置が閉鎖型の水素供給システムを利用する場合、意図的な放出としては、そのシステムの燃料の側の周期的または継続的なパージングが挙げられる。燃料および酸化剤の燃焼は、燃料の放出が制御されていない場合に起こり得る。
【０００７】
種々の方法が、これらの放出の影響を緩和するために提案されている。例えば、特許文献２は、排出燃料希釈装置を開示し、これは、所定の容積を有する保持領域、所定の容積を有する希釈領域および連絡部分を備え、その保持領域に燃料電池から排出された燃料がパージングの時に保持され、その希釈領域を燃料電池から排出された空気が流れ、その希釈領域でその空気が保持領域からの燃料と混合されて燃料が希釈され、その連絡部分を通して燃料が保持領域から希釈領域に流れる。特許文献２のシステムのようなシステムに伴う１つの不利益は、システムが意図的な放出のみ（すなわち、パージシステムからの放出のみ）に対処し、例えば、シール漏出または燃料電池システムの他の部分から起こり得る意図的でない放出のような他の放出に対処する方法を全く提供しないということである。さらに、特許文献２の燃料希釈装置のようなデバイスは、外部の発火（例えば、スパークに由来する発火）に感受性であり得る。
【０００８】
特許文献３は、保護用のハウジングによって囲まれた燃料電池のスタックによって形成された従来の燃料電池システムを議論している（特許文献３の図３を参照のこと）。その燃料電池システムは、燃料電池システムの左側の燃料電池スタックのアノードに燃焼ガスを供給するためのアノード入力、燃料電池スタックの右側のアノードから燃焼した燃焼ガスを取り除くためのアノード出力、燃料電池システム（後者）の前部の燃料電池スタックのカソードにカソードガスを供給するためのカソード入力、ならびに燃料電池スタックの後部のカソードから使用されたカソードガスを取り除くためのカソード出力を有する。アノードおよびカソードのそれぞれの入力におよびそれぞれの出力から燃焼ガスおよびカソードガスを供給および取り除くために、燃焼ガス入口フードはアノード入力にわたって置かれ（ｐｌａｃｅ  ｏｖｅｒ）、燃焼ガス出口フードはアノード出力にわたって置かれ、カソードガス入口フードはカソード入力にわたって置かれ、そしてカソードガス出口フードはカソード出力にわたって置かれ、これらの各々は、燃料電池スタックから離れてシールされる。これらのガス入口フードおよびガス出口フードへの入口および出口は、温度差異によって引き起こされる縦方向の拡大を補うためのベローを均一にすることを通して特許文献３の図３にあまり詳細に示されない様式で、保護用のハウジングを通って外側に導かれる。
【０００９】
燃焼ガスは、特許文献３の図３に示されないガス供給ユニットから燃焼ガス入口フードへの送り込み（ｆｅｅｄ）を通してアノード入力に供給される。カソードガスは、高温ガスブロワーのカソード入力に送り込まれる。使用されたカソードガスは、カソード入口の向かい側に配置されたカソード出口から取り除かれ、そしてアノード入口の向かい側に配置されたアノード出口から取り除かれた燃焼された燃焼ガスは、アノード排気ガスとして、使用されたカソードガスとアノードガス混合器中で混合される。付加的なアノード排気ガスと一緒になったカソード排気ガスの流れは、最初に、触媒バーナーを通って案内され、次いで、熱交換器を通って案内されて、有効な熱が切り離される。熱交換器の出口は、カソードガスの流れのための回路が完成するように、高温ガスブロワーの入口に接続される。熱交換器からの下流である余剰なカソード排気ガスは、排出フラップを通してカソードガスの流れから除去され、外気ブロワーによって供給される外気で置き換えられる。
【００１０】
このような配置は、各々の燃料および酸化剤の入口および出口マニホルドが、意図的にハウジングの内面から離れてシールされ、そのシステムからの任意の漏出が筐体の内側に蓄積するという点で問題である。筐体から蓄積された任意の燃料を排出する手段は企図されていない。
【００１１】
特許文献３は、燃料電池のスタックが保護用のハウジングによって囲まれる、燃料電池システム中のガス循環を制御するための代替的な方法および装置を提案する。燃料電池スタックからの使用されたカソードガスおよび燃焼された燃焼ガスは、その燃料電池スタックを囲む保護用のハウジングの内側に直接排出される。ハウジングの内側に配置されるブロワーは、使用されたカソードガスを燃焼された燃焼ガスと混合させ、燃料電池スタックのカソード入口に再循環させ、外側からの新鮮なガスとさらに混合される。特許文献４は、空気排出マニホルドに接続されたポンプによって燃料電池スタックを通して反応空気が引き出される、同様のスキームを提案する。燃料排気は、ダクトを通して大気に放出されるかまたは触媒コンバータ中で消費される前に、空気排気と接続され得る。この燃料電池発電装置は、燃料排気および／または全ての燃料漏出が入ってくる新鮮な空気と混合され、カソード触媒で反応して水を形成するように、ケーシング内に配置され得る。
【００１２】
特許文献３および特許文献４に提案されたシステムのようなシステムの重大な欠点は、燃料が適切に空気と混合されるという確実さが存在しないことである。このようなシステムには「短絡」の危険性が存在し、例えば、混合工程が起こる前に、燃料放出がカソードに直接移動し得る。それゆえ、局所的な燃料放出は触媒点火源に密接し得るが、完全に混合されず、カソード触媒に接触する前に入ってくる空気で希釈され得る。したがって、局所的な燃料放出が局所的な循環空気のみかまたは入ってくる空気のごく一部とのみ混合される危険性が存在し、結果として可燃性の混合物が触媒に到達し得る。このことは、発火、放出の点まで戻る炎の伝播、局所的な高熱の生成および／またはシステムに対する損傷もしくはシステムの故障を生じる。他の例において、燃料と入ってくる空気のごく一部のみとの不完全な混合は、可燃限界を超えて筐体内の局部点に集まる不均一な燃料／酸化剤の混合物を許容し得る。そのような不均一な燃料／酸化剤の混合物がさらに混合または希釈されることなくカソードに到達する場合、それらの混合物は、カソード触媒において局部温度を上昇させ得る。これらの「ホットスポット」は、触媒の焼結、活性の喪失または触媒構造に対する損傷を生じ得る。
【特許文献１】米国特許第６，１２４，０５４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／７７４８８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，８５６，０３４号明細書
【特許文献４】米国特許第６，４５５，１８３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
これらの困難を考えると、当該分野において、一貫して燃料を混合および希釈することによって燃料の放出を緩和する燃料電池システムを開発する必要性が残っている。本発明のシステムは、これらの必要性および他の必要性に対処し、そしてさらなる関連する利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（発明の要旨）
本発明は、燃料電池システムからの燃料の放出の改善された管理のための方法およびシステムに関し、より具体的には、燃料電池システムにおける燃料の放出の効果を緩和するために酸化剤の送達を利用する方法およびシステムに関する。
【００１５】
一実施形態において、燃料電池システムを作動する方法であって、該燃料電池システムは、筺体および該筺体の内側に配置された燃料電池スタックを備え、該方法は、燃料をアノード入口を介して該スタックに供給する工程、酸化剤を該筐体に供給する工程、該筐体内の該酸化剤を循環させ、該筐体内に存在するあらゆる燃料を混合させる工程、該循環させた酸化剤を該筺体から取り出す工程、および該筐体から取り出した該循環させた酸化剤の少なくとも一部をカソード入口を介して該スタックに供給する工程を包含する。
【００１６】
別の実施形態において、燃料供給通路と酸化剤供給通路とを備える燃料電池スタックであって、該燃料供給通路は、燃料の流れを該燃料電池スタックに導くためのアノード入口を備え、該酸化剤供給通路は、酸化剤の流れを該燃料電池スタックに導くためのカソード入口を備える、燃料電池スタック；ならびに該燃料電池スタックの周りに配置される筐体であって、該筐体は、酸化剤を該筐体に導入するために該筐体の内側と流体連絡する筐体入口通路、および酸化剤を該筐体の外かつ該カソード入口に導くために該カソード入口に流体接続される筐体出口通路を備える、筐体を備える、燃料電池システム。
【００１７】
本方法およびシステムにおける上述および他の局面は、添付された図面および以下の詳細な記載を参照することによって明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図において、同一の参照番号は、同様の要素または動作を表す。図中の寸法および要素の相対的な位置は必ずしも縮尺通りではない。例えば、様々な要素の形状および角度は縮尺通りに記載されておらず、これらの要素の一部は任意に拡大され、図面の見易さを改善するように配置されている。さらに、記載されているように、要素の特定の形は、特定の要素の実際の形状に関する情報を伝えることを意図されておらず、単に、図中においての認識の容易さのために選択されている。
【００１９】
以下の詳細な記載において、特定の詳細は、本発明の様々な実施形態の完全なる理解を提供するために説明される。しかしながら、本発明はこれらの詳細なしに実施され得ることを当業者は理解する。他の例においては、マイクロプロセッサを含む制御システムを含む（これに限定されるわけではない）燃料電池スタックおよび燃料電池システムに関連する周知の構造は、本発明の実施形態の記載を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細に記載されていない。
【００２０】
状況が別の方法を要求するのでなければ、本明細書および請求の範囲を通して、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、ならびに、その語形変化である「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、広く包括的な意味において解釈される、すなわち、「含むが、それらに限定されない」として解釈されることが意図されている。
【００２１】
例示的な燃料電池システム１は図１において略図的に示される。燃料電池システム１は燃料電池スタック１２を含み、その燃料電池スタック１２は少なくとも一つの燃料電池からなり、典型的には複数のスタックされた燃料電池からなる。燃料電池スタック１２は、筺体２０内に配置される。動作中、燃料源２２からの燃料は、燃料入口通路２４を介して燃料電池スタック１２のアノードに供給される。燃料の排気は、燃料出口通路２６を介して燃料電池スタック１２を去り、続いて筺体２０へ放出される。周囲の環境からの空気は、一つ以上の空気入口通路３６を介して筺体２０へ取り出される（一つの通路のみが明瞭さのために図１に示される）。所望の場合、フィルタ（図示されず）は空気入口通路３６に関連され得、燃料電池システム１に有害となり得る周囲の空気から、任意の微粒子または他の不純物を取り除く。入ってくる装置空気（ｉｎｃｏｍｉｎｇ  ｐｌａｎｔ  ａｉｒ）は、掃き集められ（ｓｗｅｅｐ  ｕｐ）、筺体２０に存在している放出された燃料と混合され、空気供給通路３０およびブロワー３２などの循環デバイスに引き込まれ、そこで、放出された燃料はさらに、その入ってくる装置空気と混合される。当業者は、ファンやポンプなどの他の循環デバイスが用いられ得ることを理解する。空気供給通路３０は、燃料電池スタック１２のカソードと流体連絡され、そこに空気を供給するように構成される。空気の排気は、燃料電池スタック１２を去り、筺体２０を通過し、空気出口通路３４を介して周囲の環境へと放出される。
【００２２】
ブロワー３２は、図１において示されるように、筺体２０の外側に配置され得るか、あるいは、筺体２０の内側に配置されても良い。ブロワー３２は、可変速度モーターおよびモータコントローラ（図示されず）に関連され得、例えば、スタック温度、電圧、電流、または一つ以上の反応物の流れまたはシステム出力の相対的な湿度などの別の作動パラメータなどの、測定された作動パラメータを受けて、燃料電池システムに供給される空気の量を調整することを可能にする。代替的な実施形態において、燃料電池システム１は、筺体２０または空気供給通路３０に配置されたセンサーを含み得、筺体２０内または筺体２０を出ていく燃料の濃度を検出する。燃料の濃度が前もって設定されたレベルを超えると、筺体２０へと引き込まれる空気の流量が増加され得、筺体２０または空気供給通路３０内の燃料の濃度を低減する。
【００２３】
当業者は、多くの要因が適切な酸化剤の流量の決定に関係していると理解している一方で、筺体２０に供給される酸化剤の流量容積は選択され、例えば、筺体２０内の燃料の濃度が可燃性の下限の約２５パーセント未満となるようになど、筺体２０内または筺体２０を出ていく燃料の濃度が可燃性の下限を下回ることを保証する。
【００２４】
図１は燃料出口通路２６および空気出口通路３４を有する燃料電池システム１の一実施形態を示すが、当業者は、他の実施形態において、燃料電池システム１の要素が、燃料側などにおいて、行き止まり型であり得ることを理解する。例えば、図２に示されるように、燃料電池システム１は、酸化剤の排気再利用通路３４ａを備え得、それにより、酸化剤の排気の一部が、新鮮な周囲空気と燃料との放出の混合物と共に、例えば、制御絞り弁（ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）（示されず）などを介して、ブロワー３２に送り出される。そのようなシステムにおいて、酸化剤の排気はまた、入ってくる空気／燃料の放出の混合物の全てと十分に混合され、さらに、放出された燃料を希釈する。別の代替的な実施形態（図示されず）において、酸化剤の排気の一部は、その排気を筺体２０に直接放出することによって再利用され得る。同様に、図２においてさらに示されるように、燃料電池システム１はさらに、燃料排気再利用通路２６ａを含み得、それにより、燃料の排気の一部は、燃料入口通路２４において、新たに入ってくる燃料と混合される。
【００２５】
図３は、本システムおよび方法に従った燃料電池システム１０の代替的な実施形態を示し、ブロワー３２は、筺体２０の上流に配置され、燃料電池システム１０の燃料側は、行き止まり型の作動をするように構成される。入ってくる装置空気は、ブロワー３２および空気入口通路３６を介して、筺体２０に供給され、そこで、空気は任意の燃料の放出と混合され、空気供給通路３０を介して筺体２０の外へと引き出され、燃料電池スタック１２へと送り込まれる。酸化剤の排気流（図示されず）の一部を再利用することが所望される場合、追加のブロワーが用いられ得、例えば、燃料電池スタック１２の下流に配置される。さらに、所望の場合、フィルタ（図示されず）がブロワー３２の上流に配置され得、燃料電池システム１０に対して有害であり得る周囲の空気から、任意の微粒子または他の不純物を取り除く。
【００２６】
燃料電池システム１０は、燃料側において行き止まり型であり、パージデバイス２８を含む。当業者は、以下で検討されるように、パージデバイス２８が、バルブまたは複合システムなど、多数の形式を取り得ることを理解する。一実施形態において、パージデバイス２８は、通常、動作中は閉じられており、燃料の排気が筺体２０に排出されることはないが、動作中、定期的に開いても良く、燃料の排気を筺体２０に出す。あるいは、パージデバイス２８は、燃料入口通路２４へ、燃料の排気の少なくとも一部を再利用するように構成されても良い（図示されず）。パージデバイス２８はまた、燃料電池システム１０の起動または終了の間など、燃料電池システム１０の特定の作動モードの間、開かれても良い。代替的な実施形態において、パージデバイス２８は、燃料の排気の一部が継続して筺体２０に放出されるように制御される。放出された燃料の排気の一部は、測定された作動パラメータを受けて、および／または、燃料電池システム１０の起動または終了の間など、特定の作動モード間、変化され得る。
【００２７】
他の実施形態において、燃料電池システム１および１０は、例えば、空気出口通路３４における酸化剤の排気流から一つ以上の反応物入口流への湿度を交換するために、ガス−ガス（ｇａｓ−ｇａｓ）空気加湿器などの、加湿システムをさらに含み得る。
【００２８】
図４は、複合パージデバイス２８の一実施形態に関するさらなる詳細を提供する。その複合パージデバイス２８は、図３に示されるバルブへの代替として、本システムおよび方法の一部として用いられ得る。図４に示されるように、パージデバイス２８は、保持容器４２を備え、その保持容器は、プランジャ４８によって二つのコンパートメント４４、４６に分割される。プランジャ４８はモーター４０に結合される。モーター４０は、リニアモータまたは、当業者に明らかである他の適切なモーターであっても良い。当業者は、代替的な実施形態において、プランジャ４８が、例えば、保持容器４２の内側に配置されたベローなどの、別のデバイスに取替えられても良いことを理解する。
【００２９】
通常の作動の間、プランジャが所望される場合、制御信号がモーター４０に送られ、プランジャ４８を起動させる。プランジャ４８は、コンパートメント４６のサイズを減らし、コンパートメント４４のサイズを増加させるように動き（すなわち、図４において示されるように、プランジャ４８は左に移動する）、それにより、燃料の排気の量をコンパートメント４４に引き込む。この引き込みの動きは、例えば、およそ１秒〜３秒ほどで、比較的迅速であり得る。いったん、燃料の排気の所望の量がコンパートメント４４に引き込まれると、モーター４０によって、プランジャ４８は反対方向に移動することが可能となり、燃料の排気の特定量を、制御された量にて筺体２０へと放出する。プランジャ４８の放出の動きは、プランジャ４８の引き込みの動きと比較して緩慢であり得るが、これは、筺体２０へ、一度に非常の少量の燃料を放出するためである。例えば、そのシステムは、放出の動きを完了するのに６０秒から９０秒の時間がかかるように構成され得る。これにより、燃料の放出が、入ってくる装置空気の全てと十分に混合され、筺体２０において可燃限界を超えないことに対して、さらなる保証を提供する。プランジャ４８の作動中、一方向バルブ５０は、燃料の排気が所望の方向において動くことを保証する。当業者は、他の実施形態において、一方向バルブ５０は、ソレノイドバルブなどの他のデバイスに代用され得ることを理解する。
【００３０】
保持容器４２の収容量は、システム構成に依存して、変化し得る。例えば、保持容器４２は、プロセス燃料システム（すなわち、通常の作動の間、燃料電池システム１０に含まれる燃料の全体の量）の収容量よりも、２５パーセントから５０パーセント大きい収容量を有し得る。したがって、燃料電池システム１０の起動時に、パージデバイス２８は、燃料電池システム１０のプロセス燃料システムの全体量を排出するように、トリガされ得る。燃料電池システム１０が相当な期間、作動していない場合、この初期パージはまず、例えば、燃料電池システム１０の終了の間に使用されるパージの流体、または、燃料電池システム１０が作動していない間、燃料電池システム１０の燃料側を満たしている、単なる空気からなり得る。パージデバイス２８は、プランジャ４８の第１の放出の動きが、通常の作動の間、プランジャ４８の、それに続く放出の動きよりもはるかに迅速であるように構成され得る。他の実施形態において、保持容器４２の収容量はより少なくても良く、例えば、燃料電池スタック１２のアノードの流体チャンネルの量と等しいサイズであっても良い。その燃料電池スタック１２によって、燃料の完全に新しい流れをアノード触媒に接触させることが可能となる。あるいは、保持容器４２の収容量は極小であっても良く、燃料システム１は、より多くの少ない量のパージを用いて作動される。
【００３１】
パージデバイス２８の代替的な実施形態は、例えば、プランジャ４８が、燃料の排気をコンパートメント４４に引き込み、コンパートメント４４からコンパートメント４６へ漏出する任意の燃料を取り込むように移動する場合に、コンパートメント４６における圧力を低減するために、コンパートメント４６を筺体２０へ排出されるように構成することを含む。
【００３２】
パージデバイス２８は、継続して作動し得る。すなわち、いったん放出の動きが完了すると、次の引き込みの動きは直ぐに開始され得る。これは、保持容器４２の収容量が少ない場合に所望される。あるいは、パージデバイス２８は、例えば、燃料電池の作動パラメータに応じて、現在の時間間隔、または、作動における所定のアンペア時の後、定期的に作動し得る。他の代替的な実施形態において、パージデバイス２８は、終了、起動、あるいは、高負荷作動または低負荷作動などの、特定の作動状態の間、作動し得る。
【００３３】
本システムおよび方法に従い、反応物が内部マニホルド（すなわち、反応物をスタックへ供給する／反応物をスタックから取り除くためのガス分配弁（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ）がスタックに統合されている）または外部マニホルド（すなわち、反応物をスタックへ供給する／反応物をスタックから取り除くためのガス分配弁がスタックの外部に搭載されている）を介して燃料電池スタック１２に供給され得る一方で、内部マニホルドは、意図せざる燃料の放出の短絡および局地的なホットスポットの生成のリスクをさらに低減し得る。
【００３４】
本システムおよび方法は、可燃限界未満にて、燃料の放出と入ってくる装置空気とを十分に混合させることによって、（意図的におよび意図せざるかたちの両方にて）燃料の放出を管理および緩和する。ブロワー３２が筺体２０の下流、例えば空気供給通路３０において配置される場合、燃料の放出は、その混合物が燃料電池スタック１２に供給される前に、ブロワー３２において、入ってくる装置空気とさらに混合される。従来技術のシステムとは対照的に、意図的にか意図せざるかたちにて、燃料の放出が、入ってくる空気の全てと結合され、混合されるゆえ、その放出は一掃され、その入ってくる空気によって希釈され、カソードにおいて消費される。したがって、本システムおよび方法は、任意のカソード触媒の表面が、十分に混合された燃料の低い不燃性濃度と接触（ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）することを保証する。これによって、触媒は点火源として動作せず、火気を生成することができず、また、触媒の全体の正面領域が、その材料温度能力内において、低く均一な熱の放出および温度上昇に曝されることで、局部的なホットスポットの生成を避けることを保証する。
【００３５】
上記、ならびに、本明細書において参照により援用される出願および特許における様々な実施形態は、更なる実施形態を提供するように組み合わされ得る。記載された方法は、一部の作動を省略し得、一部の作動を追加し得、ならびに例示されたものとは異なる順序での作動を実行し得、本発明の利点を達成する。
【００３６】
上述および他の変更が、詳細な記載を考慮して本発明になされ得る。一般に、上述の請求の範囲において、使用される用語は、本明細書において開示された特定の実施形態に対して、本発明を限定するように解釈されるべきではなく、請求の範囲に従って作動する、全ての、燃料電池システム、コントローラおよびプロセッサ、アクチュエータ、ならびにセンサーを含むように解釈されるべきである。したがって、本発明は、本開示に限定されるものではなく、その範囲は、請求の範囲全体によって決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本システムおよび方法の一実施形態に従った固体ポリマー電解質膜燃料電池の直列スタックおよび反応物送達システムの略図である。
【図２】本システムおよび方法の別の実施形態に従った固体ポリマー電解質膜燃料電池の直列スタックおよび反応物送達システムの略図である。
【図３】本システムおよび方法の別の実施形態に従った固体ポリマー電解質膜燃料電池の直列スタックおよび反応物送達システムの略図である。
【図４】本システムおよび方法の一部として用いられ得るパージデバイスの一実施形態の略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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