(57)【要約】【解決手段】  燃料電池システムを作動するための装置及び方法に関する。本装置は、燃料電池内の電極を不活性化するため使用される不活性流体を生成する仕方で、燃料電池で使用される反応物を結合するように構成された燃焼器を備える。本装置は、不活性化に続いて電極のパージを可能にするための部品を備える。一形態では、燃焼器は、反応物の燃焼により発生した熱が、増補の冷却装置に頼る必要がないように燃焼器により実質的に吸収されるような熱吸収物を有する。燃焼器は、反応により発生した余剰熱を更に制限するため段階的混合及び燃料電池反応物の引き続く反応を促進するように構成されてもよい。本発明の装置はシステム作動中には使用されていないが、燃料電池触媒又は触媒支持部に損傷を与えかねない高い電圧ポテンシャルの形成を禁止することは、始動及び停止に伴う作動状態にとって特に有利となる。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備える少なくとも１つの燃料電池と、
前記アノードを第１の反応物の源に連結するように構成されたアノード流れ経路と、
前記カソードを第２の反応物の源に連結するように構成されたカソード流れ経路と、
前記流れ経路の両方と選択的に流体連通する燃焼器であって、前記第１及び第２の反応物の段階的な混合を促進するように構成された反応チャンバーを備える、前記燃焼器と、
複数のバルブであって、該バルブのうち少なくとも１つは、前記燃焼器と前記流れ経路のうち少なくとも１つとの間で前記選択的な流体連通を確立するように構成されている、前記複数のバルブと、
を備える装置。
【請求項２】
前記反応チャンバーの少なくとも一部分に配置された触媒を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記反応チャンバーは、第１の反応物導管と、第２の反応物導管と、を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記導管のうち少なくとも１つは、前記反応物の前記段階的混合を促進するように内部に軸方向に間隔を隔てられた複数のアパーチャを形成する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記反応チャンバーは、前記第１及び第２の反応物が互いに逆流の関係で導入されるように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記燃焼器は、触媒コンバータである、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の反応物の間の反応によって発生した熱が前記燃焼器により実質的に吸収され、これにより、前記反応に伴う温度上昇を所定量より小さくするような熱吸収物を前記燃焼器が有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記所定量は、２０℃以内である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記燃焼器の下流側に配置されたセンサーと、
前記センサーから送られた信号に応答したコントローラであって、該コントローラは前記燃焼器内の前記第１及び第２の反応物の間で実質的な化学量論的比率を維持するように構成された、前記コントローラと、
を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の反応物と圧力を介して連通する圧力源を更に備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記圧力源はコンプレッサを備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数のバルブは、
前記第１の反応物又は前記第２の反応物のうちいずれかを前記燃焼器に選択的に導入するように構成された不活性バルブと、
前記第１の反応物又は前記第２の反応物のうちいずれかを前記燃焼器又は前記アノードのうち少なくとも１つに選択的に導入するように構成された運転バルブと、
を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記燃焼器は、前記アノード流れ経路に配置され、前記不活性バルブは、前記第２の反応物の前記源と前記燃焼器との間に流体的に配置されており、前記運転バルブは、前記アノード流れ経路内に流体的に配置されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記燃焼器は、前記カソード流れ経路に配置され、前記不活性バルブは前記第１の反応物源と前記燃焼器との間に流体的に配置され、前記運転バルブは前記アノード流れ経路に流体的に配置されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記アノード流れ経路及び前記カソード流れ経路の間で選択的な流体連通を可能にするため該アノード及びカソード流れ経路の間に配置されたパージバルブを更に備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記カソード流れ経路の少なくとも一部分の背圧を選択的に制御するように構成されたカソード出口バルブを更に備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記パージバルブは、前記カソード流れ経路内で、前記燃焼器の上流側で前記運転バルブの下流側に流体的に配置されている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記装置は、前記燃料電池システムにより発生された電気を受け取り、該電気を駆動力に変換するように構成されたパワー変換機構を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置は、前記燃料電池システム及び前記パワー変換機構を収容するように構成された車両を更に備え、該車両は、前記パワー変換機構で発生した前記駆動力に応答して移動可能である、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記燃料電池は、陽子交換膜燃料電池である、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１の反応物は、水素の豊富な流体である、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１の反応物は、メタノール、水素、メタン及びガソリンからなる群から選択される、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２の反応物は、酸素の豊富な流体である、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記酸素の豊富な流体は空気である、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備える少なくとも１つの燃料電池と、
前記アノードを第１の反応物の源に連結するように構成されたアノード流れ経路と、
前記カソードを第２の反応物の源に連結するように構成されたカソード流れ経路と、
前記流れ経路の両方と選択的に流体連通し、前記第１及び第２の反応物からの反応生成物を形成するように構成された燃焼器であって、該燃焼器は前記第１及び第２の反応物の間の反応により発生した熱が該燃焼器により実質的に吸収され、これにより、前記反応に伴う温度上昇を所定量より小さくするような熱吸収物を有する、前記燃焼器と、
複数のバルブであって、該バルブのうち少なくとも１つは、前記燃焼器と前記流れ経路のうち少なくとも１つとの間で前記選択的な流体連通を確立するように構成されている、前記複数のバルブと、
を備える装置。
【請求項２６】
前記熱吸収物は、前記燃焼器と前記燃料電池との間の位置にあり、それらの間の熱連通を減少する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
エネルギー生成装置であって、
アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備える少なくとも１つの燃料電池と、
前記アノードを燃料源に連結するように構成されたアノード流れ経路と、
前記カソードを加圧空気源に連結するように構成されたカソード流れ経路と、
前記流れ経路の両方と選択的に流体連通する燃焼器であって、該燃焼器は前記燃料電池における作動的遷移に対応する燃料及び空気の間の反応により発生した熱が該燃焼器により実質的に吸収されるような熱吸収物を有し、前記燃焼器は、複数の反応物導管であって、該反応物導管の少なくとも１つは複数のアパーチャを形成し、前記燃焼器への該反応物の対応する一つの段階的導入を促進する前記複数の反応物導管と、該反応物導管により少なくとも部分的に形成された反応チャンバーであって、該チャンバーはその少なくとも一部分に配置された触媒を備える、前記反応チャンバーと、を備える、前記燃焼器と、
複数のバルブであって、該バルブのうち少なくとも１つは、前記燃焼器と前記流れ経路のうち少なくとも１つとの間で前記選択的な流体連通を確立するように構成されており、前記複数のバルブは、前記燃料又は空気のうち一方を前記燃焼器内に選択的に導入するように構成された不活性バルブと、前記燃料を前記燃焼器又は前記アノードのうち一方に選択的に導入するように構成された運転バルブと、を備える、前記複数のバルブと、
前記燃焼器の下流側に配置されたセンサーと、
前記センサーから送られた信号に応答するコントローラであって、前記燃焼器内の前記燃料及び空気の間で実質的に化学量論的比率を維持するように構成される、前記コントローラと、
を備える、エネルギー生成装置。
【請求項２８】
燃料電池システムをパージする方法であって、
前記システムを、
アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備える少なくとも１つの燃料電池と、
前記アノードを第１の反応物の源に連結するように構成されたアノード流れ経路と、
前記カソードを第２の反応物の源に連結するように構成されたカソード流れ経路と、
前記流れ経路の両方と選択的に流体連通する燃焼器であって、前記第１及び第２の反応物の段階的な混合を促進するように構成された反応チャンバーを備える、前記燃焼器と、
複数のバルブであって、該バルブのうち少なくとも１つは、前記燃焼器と前記流れ経路のうち少なくとも１つとの間で前記選択的な流体連通を確立するように構成され、前記複数のバルブは、前記第１又は第２の反応物の一方を前記燃焼器内に選択的に導入するように構成された不活性バルブと、前記第１の反応物を前記燃焼器又は前記アノードの少なくとも１つに選択的に導入するように構成された運転バルブと、を有する前記複数のバルブと、を備えるように構成し、
前記燃焼器内で前記第１及び第２の反応物の実質的に化学量論通りの混合物を得るため、前記不活性バルブ又は前記運転バルブの少なくとも１つを調整し、
実質的に不活性の流体が生成されるように前記実質的に化学量論通りの混合物を反応させ、
前記実質的に不活性の流体を前記アノード又はカソードの少なくとも１つに導入し、それにより、その内部に以前に存在していた流体を追い出し、
前記システムを安定化させるため前記不活性バルブ又は前記運転バルブの少なくとも１つを調整する、各工程を備える、方法。
【請求項２９】
前記燃焼器は、前記反応により発生した熱が該燃焼器により実質的に吸収され、これにより、前記反応に伴う温度上昇を所定量より小さくするような熱吸収物を有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記不活性バルブは、前記第２の反応物の源と前記燃焼器との間に流体的に配置され、前記運転バルブは、前記アノード流れ経路に流体的に配置されている、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記調整工程のうち第１の工程は、前記不活性バルブを開放し、これにより前記導入工程で前記アノードにおける電圧ポテンシャルを減少させる工程を備え、前記調整工程のうち第２の工程は、一旦、前記電圧ポテンシャルの減少が達成されたならば、前記運転バルブを閉じる工程を備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記減少した電圧ポテンシャルは、０．５ボルト以内である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記減少した電圧ポテンシャルは、０．４ボルト以内である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記安定化工程は、少なくとも前記アノードが実質的にパージされるまで、前記第２の反応物を前記アノードに流す工程を備える、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記システムは、前記燃焼器の下流側に配置されたセンサーと、該センサーから送られてきた信号に応答するコントローラであって、該コントローラは、前記実質的に不活性の流体をその略不活性状態に維持するように構成される、前記コントローラと、を更に備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記調整工程の前記第１の工程の前に、前記第２の反応物を前記不活性バルブに流す工程を更に備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３７】
前記調整工程の前記第２の工程は、前記不活性バルブを閉じる工程を備える、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記不活性バルブは、前記第１の反応物の源と前記燃焼器との間に流体的に配置され、前記運転バルブは前記アノード流れ経路に流体的に配置されている、請求項２９に記載の方法。
【請求項３９】
前記複数のバルブは、前記カソード流れ経路で前記燃料電池の下流側に配置され、前記アノード流れ経路で前記燃料電池の上流側に流体的に連結されたパージバルブを更に備える、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記調整工程の第１の工程は、前記運転バルブを閉じ、前記不活性バルブを開放する工程を備え、これにより前記導入工程で前記カソードにおける電圧ポテンシャルを減少させる工程を備え、前記導入工程は、一旦、前記電圧ポテンシャルの減少が達成されたならば、前記パージバルブを開放して前記実質的に不活性の流体が前記アノードを通って流れることを可能にする工程を備える、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記減少した電圧ポテンシャルは、０．５ボルト以内である、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記減少した電圧ポテンシャルは、０．４ボルト以内である、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記システムは、前記燃焼器の下流側に配置されたセンサーと、該センサーから送られてきた信号に応答するコントローラであって、該コントローラは、前記実質的に不活性の流体をその略不活性状態に維持するように構成される、前記コントローラと、を更に備える、請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記調整工程の前記第２の工程は、前記アノード及びカソードの少なくとも１つを前記第２の反応物でパージするため前記不活性バルブを閉じる工程を備える、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
一旦、前記アノード及びカソードの少なくとも１つがパージされたならば、前記第２の反応物を流すことを停止する追加の工程を備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記パージバルブの下流側に背圧バルブを配置し、
前記カソード流れ経路から前記アノードへの流体の流れを促進するため前記背圧バルブを閉じる、各工程を更に備える、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記調整工程の前記第２の工程は、前記運転バルブを開放し、次に前記不活性バルブを閉じる工程を備え、前記方法は、
前記調整工程の前記第１の工程の前に前記第２の反応物を流し、
前記調整工程の前記第２の工程の前に前記パージバルブを閉じる、各工程を更に備える、請求項３９に記載の方法。
【請求項４８】
前記調整工程の第２の工程の前に前記パージバルブを閉じる前記工程の前に、前記実質的に不活性の流体のうち十分な量を前記アノードを通して流し、該実質的に不活性の流体を流す前記工程の前に前記アノードに存在していた全ての流体を実質的に追い出す、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記カソード流れ経路において前記パージバルブの下流側に背圧バルブを配置し、
前記調整工程の第２の工程の前に、前記背圧バルブを前記開放位置に設定する、各工程を更に備える、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記複数のバルブは、前記燃焼器の上流の位置における前記カソード流れ経路を前記燃料電池の上流の位置における前記アノード流れ経路に選択的に流体連結するように構成されたパージバルブを更に備える、請求項３８に記載の方法。
【請求項５１】
前記調整工程の第１の工程は、前記運転バルブを閉じ、前記不活性バルブを開放する工程を備え、これにより前記導入工程で前記カソードにおける電圧ポテンシャルを減少させる工程を備え、前記導入工程は、一旦、前記電圧ポテンシャルの減少が達成されたならば、前記パージバルブを開放して前記第２の反応物が前記アノードを通って流れることを可能にする工程を備える、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記減少した電圧ポテンシャルは、０．５ボルト以内である、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記減少した電圧ポテンシャルは、０．４ボルト以内である、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記システムは、前記燃焼器の下流側に配置されたセンサーと、該センサーから送られてきた信号に応答するコントローラであって、該コントローラは、前記実質的に不活性の流体をその略不活性状態に維持するように構成される、前記コントローラと、を更に備える、請求項５０に記載の方法。
【請求項５５】
前記調整工程の前記第２の工程は、前記不活性バルブを閉じる工程を備える、請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
一旦、前記アノードがパージされたならば、前記第２の反応物を流すことを停止する追加の工程を備える、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記調整工程の第１の工程の前に前記パージバルブを閉位置に設定し、
前記配置工程の後に前記第２の反応物を流すことを開始する、各工程を更に備える、請求項５０に記載の方法。
【請求項５８】
前記調整工程の第２の工程は、前記運転バルブを開し、前記不活性バルブを閉じる工程を備える、請求項５６に記載の方法。
【請求項５９】
前記システムを構成する前記工程は、前記第２の反応物の源に圧力源を流体連結する追加の工程を備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項６０】
燃料電池システムをパージする方法であって、
前記システムを、
アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備える少なくとも１つの燃料電池と、
前記アノードを第１の反応物の源に連結するように構成されたアノード流れ経路と、
前記カソードを第２の反応物の源に連結するように構成されたカソード流れ経路と、
前記流れ経路の両方と選択的に流体連通する燃焼器であって、該燃焼器は反応プロセスにより発生した熱が該燃焼器により実質的に吸収され、これにより、前記反応に伴う温度上昇を所定量より小さくするような熱吸収物を有する、前記燃焼器と、
複数のバルブであって、該バルブのうち少なくとも１つは、前記燃焼器と前記流れ経路のうち少なくとも１つとの間で前記選択的な流体連通を確立するように構成され、前記複数のバルブは、前記第１又は第２の反応物の一方を前記燃焼器内に選択的に導入するように構成された不活性バルブと、前記第１の反応物を前記燃焼器又は前記アノードの少なくとも１つに選択的に導入するように構成された運転バルブと、を有する前記複数のバルブと、を備えるように構成し、
前記燃焼器内で前記第１及び第２の反応物の実質的に化学量論通りの混合物を得るため、前記不活性バルブ又は前記運転バルブの少なくとも１つを調整し、
実質的に不活性の流体が生成されるように前記実質的に化学量論通りの混合物を反応させ、
前記実質的に不活性の流体を前記アノード又はカソードの少なくとも１つに導入し、それにより、その内部に以前に存在していた流体を追い出し、
前記システムを安定化させるため前記不活性バルブ又は前記運転バルブの少なくとも１つを調整する、各工程を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムを作動する方法に係り、より詳しくは、システムを簡単に維持しつつ触媒支持材料の酸化を最小にする仕方で燃料電池を始動、停止させる方法に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
燃料電池システムと、システムの構成部品に作用する作動的遷移の有害な効果を回避する仕方で本システムを作動する方法と、が開示される。本装置、並びに、該装置を作動スル方法は、触媒又はその支持部を腐食しかねない電位の形成を回避するため、開放回路電圧を最初に減少させ、次に燃料電池電極をパージする。反応物スピーシーズの迅速且つ徹底した除去は、迅速な燃料電池の始動及び停止を可能にする。これは、余剰の停止エネルギーレベル及び付随する余剰電圧ポテンシャルを最小にする。該電圧ポテンシャルは燃料電池電極の一つ又は両方に形成された水素−空気のインターフェースの結果として発生する。
【０００３】
本発明の第１の態様によれば、燃焼器を有し、少なくとも１つの燃料電池を備える装置が開示される。燃料電池は、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備える。アノード流れ経路及びカソード流れ経路は、それらの対応する電極を第１の反応物の源及び第２の反応物の源に各々連結するため使用される。装置内のバルブは、燃焼器を流れ経路の両方と選択的に流体連通して配置することを可能にする。燃焼器は、燃料源から来た第１の反応物と、酸素源から来た第２の反応物との段階的な混合を促進するように構成された反応チャンバーを備える。
【０００４】
オプションで、本装置は、反応チャンバーの少なくとも一部分に配置された触媒を備える。加えて、反応チャンバーは、第１及び第２の反応物が互いに逆流の関係で導入されるように構成することができる。その上、反応チャンバーは、第１の反応物導管と第２の反応物導管とにより形成された構成を備え、該構成では、それらのうち少なくとも１つが反応物の段階的混合を促進するため軸方向に間隔を隔てたアパーチャの配列を形成する。例を用いると、導管は、環状（同心）の構成に配列することができる。反応物のこの段階付けられた漸次的な導入は、反応を、より制御された態様で形成することを可能にし、これにより、流れ経路上の熱負荷を減少させる。従来の炎バーナーを用いる燃焼器も使用することもできると認められるが、一つのオプションの形態では、燃焼器は、触媒燃焼器である。燃焼器は、反応物の間の反応により発生した熱が燃焼器により実質的に吸収されるような熱吸収物を有する。この文脈では、「実質的に」という用語は、理論的には厳密な一致又は振る舞いを示すことが期待されるが、実際には、厳密な値よりも僅かに小さいものを具現化する、要素又は特徴に言及している。かくして、この用語は、定量的な値、測定値又は他の関連する表現が、問題とする主要事項の基本的機能に変化を生じさせることなく、述べられた参照値からばらつき得る度合いを示している。開示された燃焼器と関連して、このことは、燃焼器の構成（例えば、金属等の高い熱含有材料から作ることができる）は、反応熱の吸収後に、その先駆的反応物の熱含有量を超えた過度の熱含有量の反応生成物がほんの僅かな量しか存在しないように、燃焼器の内部の反応により発生した過剰熱に対するヒートシンクとして機能することを意味している。これは、これらの温度を燃料電池に損傷を与えかねない温度以下に維持し、しかも増補の熱交換器又はクーラーのコスト及び複雑さを要求することがない。例を用いると、許される温度上昇は、２０℃以内である。燃焼器に伴う熱吸収物は、燃焼器内に一体形成する必要は必ずしもなく、一例として、例えば燃焼器の下流側（しかし、燃料電池のなおも上流側）の金属重量（冷却フィンがあろうがなかろうが）の形態で主要燃焼器ハウジングの外部に用いることもできることも認められよう。そのような熱吸収物の主要目的が該熱含有量の大部分を吸収する質量の故に反応生成物の熱含有量を減少することである限り、たとえ該熱吸収物が燃焼器に一体形成されていなかったとしても、本発明の範囲内にあることが理解されよう。
【０００５】
更に加えて、センサーが、燃焼器の下流側に配置され、コントローラがセンサーから送られてきた信号に応答するように該センサーがコントローラと協働するようにしてもよい。例を挙げると、センサーは、酸素センサーであってもよく、該センサーが送る信号は、反応生成物がその理想的な化学量論的条件から逸脱するというコントローラへの表示を与えることができる。実際の応用は、コントローラに連結されたフィードバック機構は、燃焼器における反応物の間で実質的に化学量論的比率を維持することを可能にする。本文脈では、「化学量論」という用語は、反応物の各々に十分な量が反応を完了するため与えられる反応に言及している。例えば、関心の対象が酸素の化学量論的除去である場合には、反応生成物が実質的に酸素を消耗させるように十分に与えられた酸素及び燃料（例えば、水素）が存在するべきである。本装置は、第２の反応物の流れを促進するため第２の反応物の源に連結された圧力源（例えば、コンプレッサ）を更に備えることができる。本装置は、燃料電池により発生された電気を受け取り、該電気を原動力に変換するためパワー変換機構を更に備えていてもよいことが認められよう。加えて、本装置は、燃料電池、その補助設備及びパワー変換機構を収容するように構成された車両を更に備えていてもよい。車両（例えば、車、トラック、オートバイ、航空機又は船舶）は、パワー変換機で発生した原動力に移動可能に応答する。一実施例では、燃料電池は、陽子交換膜燃料電池であり、該燃料電池では、第１の反応物が水素の豊富な流体であり、第２の反応物が酸素の豊富な流体である。本文脈では、「水素の豊富な」及び「酸素の豊富な」という用語は、適切な燃料電池構成部品により要求された所望の反応を維持するため十分な量の水素及び酸素を各々含む反応材料を含んでいる。水素の豊富な燃料の例は、メタノール、水素、メタン及びガソリンである。
【０００６】
燃焼器及びバルブの構成は、とりわけ、燃焼器がアノード又はカソードのいずれに供給するか否かに応じて、変わり得る。例を用いると、本装置は、最初に化学量論的燃焼器がアノードに供給し、第２には、化学量論的燃焼器がアノードのための不活性流体パージでカソードを供給し、又は、第３には、化学量論的燃焼器がアノードのための反応物流体パージでカソードを供給するように構成することができる。これらの全ては、以下でより詳細に説明される。かくして、オプションで、複数のバルブが第１又は第２の反応物の一つを燃焼器へと選択的に導入するように構成された不活性バルブと、燃焼器又はアノードの少なくとも１つへと第１の反応物を選択的に導入するように構成された運転バルブと、を備える。このオプションの第１の形態では、燃焼器は、アノード流れ経路に流体連通可能に配置され、不活性バルブは、第２の反応物源と燃焼器との間に流体連通可能に配置され、運転バルブは、第１の反応物源と燃焼器との間のアノード流れ経路に流体連通可能に配置されている。このオプションの第２及び第３の形態では、燃焼器は、カソード流れ経路に配置され、不活性バルブは、第１の反応物源と燃焼器との間に流体連通可能に配置され、運転バルブは、第１の反応物源とアノードとの間のアノード流れ経路に流体連通可能に配置されている。アノード流れ経路とカソード流れ経路との間の選択的な流体連通を可能にするため、パージバルブを、アノード流れ経路とカソード流れ経路との間に位置を定めて備え付けることができる。パージバルブを用いる構成（第２のオプションの形態等）では、カソードの下流にあるカソード流れ経路の一部において背圧を選択的に制御するため、カソード出口バルブを備え付けていてもよい。これは、燃料電池の下流（出口）部分の流体をアノードに押しやらせる上で有利となり得る。（第３のオプションの形態等の）構成では、パージバルブを、カソード流れ経路における燃料電池の上流側で運転バルブの下流側に流体連通可能に配置してもよい。これは、燃料電池の上流部分の混合されていない反応物（例えば、空気）をアノード内に押しやらせる上で有利となり得る。
【０００７】
本発明の更に別の態様によれば、アノード及びカソードの流れ経路及びバルブ機能が連係された燃料電池を備えるエネルギー生成装置が開示される。前記態様に関して、燃焼器は、流れ経路の両方と選択的に流体連通し、第１及び第２の反応物から反応生成物を形成するように構成されている。この態様では、第１及び第２の反応物の間の反応により発生した熱が燃焼器により実質的に吸収され、これにより当該反応に伴う温度上昇を所定量より小さくするような熱吸収物を燃焼器が持っている。前記したように、熱吸収物は、燃焼器の一体部分（例えば、より厚い燃焼器の部品又は熱吸収付属物の形態にある）を形成するか、又は、燃料電池に対する燃焼器の熱的衝撃を減少させるため燃焼器と燃料電池との間に位置を定めて配置することができる。燃焼器に一体に又は下流に余剰の熱吸収物を提供することにより、別個の熱交換装置の使用が避けられる。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、エネルギー生成装置が開示される。前述した態様に関して、本装置は、アノード、カソード、それらの間に配置された膜、アノード及びカソード流れ経路、及び、燃焼器を有する少なくとも１つの燃料電池を備えている。この態様では、カソード流れ経路はカソードを圧縮空気源に流体的に連結する。加えて、燃焼器は触媒が形成され、両方の流れ経路と流体連通している。前記したように、燃焼器は、反応により発生した熱が燃焼器により実質的に吸収されるような熱吸収物を持っている。燃焼器の構成は、燃焼器と流れ経路の少なくとも１つとの間に選択的な流体連通を確立するため使用される多数のバルブの構成が設けられているように、前記した態様の構成と類似している。更に前記したように、センサーは、燃焼器の下流側に配置され、センサーに発生した信号を、燃焼器の反応物の間で実質的に化学量論的比率を維持するため（フィードバックシステムの一部としての）コントローラにより使用することができる。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、燃料電池システムをパージする方法が開示されている。本方法は、本システムを、少なくとも１つの燃料電池、燃焼器、及び、前述した態様のうち少なくとも１つので説明されたものに類似したバルブの構成を含むように構成する工程を備えている。追加の工程は、燃焼器内で反応物の実質的に化学量論的混合物を得るためバルブの少なくとも１つを調整し、実質的な不活性の流体が生成されて次いで該流体をアノード又はカソードの少なくとも１つへと導入することができるように該混合物を反応させ、
システムを安定化するためバルブの少なくとも１つを調整する、各工程を備える。
【００１０】
オプションの工程は、反応工程により発生した熱が燃焼器により実質的に吸収され、これにより反応工程に伴う温度上昇を所定量より小さくして燃料電池の損傷を避けるような熱吸収物を持つように燃焼器を構成する工程を備えている。前述したように、この燃焼器の構成は、燃料電池システムが、増補の熱交換器の使用に頼らずに作動することを可能にする。前記のように、燃焼器及びバルブの構成は、図示され説明された３つのオプションの形態（しかし、これらに限定されない）を含む、多数の形態を取り得る。加えて、様々に異なる工程及び様々に異なるシーケンスを、燃料電池が始動するか停止するかに応じて、採用することができる。
【００１１】
第１の前述したオプションの形態を停止させるために、調整工程の第１の工程は、不活性バルブを開放する工程を備える。これは、実質的に不活性の流体の形成を引き起こし、該流体はアノードに流れ込み、残留流体（例えば、燃料、又は、燃料／空気インターフェースを備えた燃料及び空気であり得る）を実質的に追い出すことによりアノードで電圧ポテンシャルの減少をもたらす。実質的な電極を指し示す電圧レベルは、好ましくは、０．５ボルトより小さく、より好ましくは、０．４ボルトより小さい。調整工程の第２の工程は、一旦、望ましい減少電圧ポテンシャルが達成されたならば、運転バルブを閉じる工程を備えている。より詳細には、調整工程の第２の工程の安定した部分は、アノードが実質的にパージされるまで、第２の反応物をアノードに流す工程を備える。そのような第２の反応物流れを停止する一つの方法は、例えば、空気コンプレッサ等の圧力源をオフにすることによって実現することができる。反応工程の後の追加の工程も可能となる。残りの第２の反応物（例えば、酸素）が実質的に化学量論的混合物内に存在するか否か、並びに、燃焼器内で実質的に化学量論的関係が維持されることを確実にすることを少なくとも１つのバルブの調整が保証するか否かを決定するため例えば、センサー、コントローラ及び補助的なフィードバック機構を使用することができる。
【００１２】
第１の前述したオプションの形態の始動に対して他の工程を用いることができる。これらの工程は、調整工程の第１の工程の前に第２の反応物を不活性バルブ内に流す工程を備える。そのような流れを開始することができる一つの方法は、例えば空気コンプレッサ等のオプションのコンプレッサを駆動することにより実現される。その上、調整工程の第２の工程は、アノードが不活性化された後、不活性バルブを閉じる工程を備える。
【００１３】
前述したように、第２の前述したオプションの形態では、不活性バルブを、第１の反応物源と燃焼器との間に流体連通可能に配置すると共に、運転バルブを第１の反応物源とアノードとの間にアノード流れ経路に流体連通可能に配置することができる。これらのバルブは、前述したように、アノード流れ経路及びカソード流れ経路の間に位置を定められたパージバルブを更に備えていてもよい。このオプションの形態の停止のために、調整工程の第１の工程は、運転バルブを閉じ、不活性バルブを開放する工程を備える。前記したように、このことは、電圧ポテンシャルの減少（ただし、このときはカソード内で）をもたらす実質的に不活性の流体の形成を引き起こす。調整工程の第２の工程は、一旦、カソード内で電圧ポテンシャルの減少が達成されたならば、実質的に不活性の流体がアノードを通過してアノードをパージすることを可能にするためパージバルブを開放する工程を備える。更には、調整工程の第２の工程は、アノード及びカソードを第２の反応物でパージするため不活性バルブを閉じる工程を備え、その後、第２の反応物が流れることを停止させることができる。更に背圧バルブをパージバルブの下流に配置してもよい。このバルブは、アノードへの排気物の流体流れを促進するため不活性バルブを閉じる前に閉じることができる。
【００１４】
第１の前記したオプションの形態と同様に、第２のオプションの形態も、燃料電池の始動をもたらすため他の工程を用いることができる。例えば、調整工程の第１の工程の前に、（例えば、前述したオプションのコンプレッサの使用により）第２の反応物を流すことができる。その上、調整工程の第１の工程の後で調整工程の第２の工程の前には、パージバルブを閉じることができる。パージバルブを閉じることに関連させて、パージバルブの下流に配置された背圧バルブを、開放位置に設定することができ、その後、前記調整工程の第２の工程が実行され、該工程は運転バルブを開放し不活性バルブを閉じる工程を備える。システム始動を達成する代替の仕方は、調整工程の第２の工程前にパージバルブを閉じ、該閉鎖工程の前にアノードを通して実質的に不活性の流体流れの十分な流れを流す工程を備える。これは、アノード内に以前に残留していた流体を実質的に追い払う効果を有する。
第１のオプションの形態と同様に、センサー、コントローラ及び補助フィードバック機構を、燃焼器内で生成された流体を実質的に不活性の状態に維持するため使用することができる。
【００１５】
複数のバルブが燃料電池の上流で流れ経路を互いに選択的に連結するように構成されたパージバルブを更に備える第３のオプションの形態を停止させる工程は、調整工程の前記した第１の工程において、運転バルブを閉じ、不活性バルブを開放する工程（両者とも第２のオプションの形態で使用された態様に類似した態様で）を備える。また、第２のオプションの形態と同様に、これは、カソードにおいて電圧ポテンシャルの減少をもたらす実質的に不活性の流体の形成を引き起こす。ここで、導入工程は、一旦、電圧ポテンシャルの減少が達成されたならば、パージバルブを開放する工程を備える。他の２つのオプションの形態と同様に、電圧は、例えば０．５ボルト以下、より好ましくは０．４ボルト以下等の所定のレベルとすることができる。パージバルブの開放工程は、第２の反応物がアノードをパージすることを可能にする。この状況では、調整工程の第２の工程は、不活性バルブを閉じる工程を備え、その後、第２の反応物を流すことを停止することができる。
【００１６】
第３のオプションの形態の始動は、いずれとも調整工程の第１の工程の前に、パージバルブを閉じた位置に設定し（既に開放されている場合）、第２の反応物の流れを開始する工程を備えている。調整工程の第２の工程は、運転バルブを開放し、不活性バルブを閉じる工程を備える。
【００１７】
本発明の更に別の態様によれば、燃料電池システムをパージする方法が開示される。本方法は、燃焼器が、燃焼器内の反応プロセスにより発生した熱を吸収するのに十分な熱吸収物を有するように構成されることを除いて、前述した態様に類似している。このことは、当該反応に起因する温度上昇を所定量より小さく抑える。前記で示唆したように、燃焼器内の反応により生成された不活性流体は、一般に、非常に高温で、燃料電池内に直接供給することはできない。当該反応の間に生成された余剰熱を吸収するため比較的短い燃料電池の始動及び停止期間の間に燃焼器の追加の熱吸収物を使用することができ、これによって、不活性流体の温度を下げ、燃料電池への損傷を回避することができる。
【実施例】
【００１８】
本発明の実施例についての次の詳細な説明は、添付図面と関連付けて読むとき最も良く理解することができる。これらの図面では、同様の構成は、同様の参照番号で指し示されている。
【００１９】
先ず、図１Ａを参照すると、本発明に係る車両用燃料電池システム１の主要構成部品をブロック図が強調している。本システムは、燃料分配システム１００（燃料（即ち、第１の反応物）源１００Ａと、酸素（即ち、第２の反応物）源１００Ｂから構成される）と、燃料処理システム２００と、燃料電池３００と、１つ以上のエネルギー貯蔵装置４００と、動力伝達機構５００と、車輪として抽象的に示された１つ以上の動力装置６００と、を備えている。本システム１は自動車（例えば、車両）用途に対して示されているが、当業者によって、燃料電池３００とその補助設備の使用は、静止用途にも等しく適用可能であることが認識されている。例えば、燃料源１００Ａ及び酸素源１００Ｂに加えて、水源（図示せず）が設けられていてもよい。同様に、実質的に浄化された燃料が既に利用可能である幾つかの変形例では、燃料処理システム２００は、要求されない。エネルギー貯蔵装置４００は、１つ以上のバッテリー、電気コンバータ、又は、燃料電池３００からきた電流を、例えば動力伝達機構５００及び１つ以上の動力装置６００を動作させるために使用することができる回転シャフトパワー等の機械的パワーへと変換するためのモーターの形態であってもよい。燃料処理システム２００が、メタノール等の原燃料を燃料電池３００で使用するための水素又は水素の豊富な燃料へと変換するため組み込まれていてもよい。燃料電池３００は、電極、特にアノード３１０及びカソード３３０と、これらの電極の間に配置された電解質層３２０と、備える。単一の燃料電池３００のみが示されているが、燃料電池システム１（特に、車両及び関連する用途のための燃料電池システム）は、直列に接続されたスタックから作られていてもよいことが当業者により理解される。
【００２０】
次に、図１Ｂ及び図１Ｃを参照すると、アノード３１０が、電極基体３１２と、流れチャンネル３１６に接続された触媒層３１４と、を備えている。カソード３３０が、電極基体３３２と、流れチャンネル３３６に接続された触媒層３３４と、を備えている。流れチャンネル３１６、３３６は、それらのアノード及びカソードを各々接触するアノード流れ経路及びカソード流れ経路（両者とも後述される）の一部を形成する。好ましくは、電極基体３１２、３３２は、燃料及び酸素の拡散、並びに、燃料−酸素の反応の結果として形成された水の流れを可能にするため多孔性を有する。ここでは陽子効果膜の形態で示された電解質層３２０は、イオン化された水素が、アノード３１０からカソード３３０まで、該経路を通した電流の通過を禁止しつつ、流れることを可能にする。触媒層３１４は、支持部３１４Ｂの表面に分散された触媒３１４Ａから構成される。図示されていないが、当業者は、カソード３３０のための触媒層３３４の構成は、図１Ｃに表された触媒層３１４のものと実質的に類似していることを理解している。
【００２１】
作動中には、燃料（典型的には、ガス状水素の形態）は、流れチャンネル３１６を通過し、燃料が電極基体３１２を通って拡散して触媒３１４Ａと接触するに至ることが可能となる。該触媒を通って水素燃料の電気化学的酸化が進行し、これによって解離吸収反応が発生したと考えられる。この反応は、典型的には、触媒３１４Ａにより促進される。該触媒は、典型的には、炭素を基にした支持部３１４Ｂの表面に亘って分散された貴金属（例えば、プラチナ）の細かく分割された粒子の形態である。アノード３１０で発生した正に耐電した水素イオン（陽子）は、カソード３３０で発生した負に帯電した酸素イオンと反応するため電解質３２０を通過する。遊離された電子の流れは、モーター又は関連する電流応答装置を回転させることができるように、エネルギー貯蔵装置４００の負荷を通る電流を形成する。電極基体３１２、３３２から水を除去するため追加のポンプ（図示せず）を備え付けることができる。この追加のポンプが無いと、水が集まって多孔性通路を遮断するおそれが出てくる。遷移的な燃料電池の作動、特に始動及び停止の間に、水素−空気のインターフェースの存在は、流れチャンネル３１６、３３６に沿って且つ電解質３２０を横切って、触媒層３１４、３３４の寿命を短くしかねない余剰の電圧ポテンシャルを生じさせ得る。水素−空気のインターフェースへの衝撃を防止するか又は最小にするため、本システムは、これらの高電圧ポテンシャルの影響が改善されるべくカソード及びアノードを不活性にし、カソード及びアノードから貯留空気又は燃料をパージするように本システムを構成することができる。
【００２２】
次に、図２Ａ乃至図２Ｃを参照すると、本システムの様々な実施例のブロック図が示されている。特に、図２Ａを参照すると、燃焼器３７０がアノード流れ経路３４０に配置された第１のシステムの構成が示されている。アノード流れ経路３４０は、運転（即ち燃料供給）バルブ３４２を介して燃料源１００Ａをアノード３１０に流体連結する。流れ経路３４０は、燃料電池３００の上流側にある一部分３４０Ａと、その下流側にある一部分３４０Ｂと、を備える。酸素源１００Ｂは、酸素が、カソード３３０を超えて流れることができるようにカソード流れ経路３５０へと流体連結される。アノード流れ経路３４０に非常に類似して、カソード流れ経路３５０は、燃料電池３００の上流側にある一部分３５０Ａと、その下流側にある一部分３５０Ｂと、を備える。圧力源３６０（例えば空気コンプレッサの形態）が、酸素源１００Ｂからの酸素の流れを促進するためカソード流れ経路３５０の上流部分３５０Ａに配置されている。不活性バルブ３４４は、燃焼器３７０を介して、カソード流れ経路３５０の上流部分３５０Ａをアノード流れ経路３４０に連結する。本構成では、該不活性バルブは、空気の不活性バルブとして機能する。フィードバック機構３８０が、センサー及びコントローラを備える。センサーは、好ましくは、酸素センサーであり、燃焼器３７０内で生成された、他の点では実質的に不活性の流体内における第２の反応物（例えば、酸素）の残余量の存在を検知するため使用される。所定の閾値を超える酸素濃度がセンサーにより検知された場合、該センサーは、燃焼器３７０内で反応物を所望の化学量論的比率に維持しようとして１つ以上のバルブのセッティングを変化させるように指令するためコントローラに信号を送る。
【００２３】
本構成によって、燃料中の水素と空気中の酸素との化学量論的反応により生成された実質的に不活性の流体（例えば、ほとんどが窒素及び水蒸気からなり他の気体が微量しか含まれない）は、燃焼器３７０から出て、アノード３１０に分配され、該アノードでは、不活性流体は、如何なる流体がアノード中に現在存在していようが、該流体を追い出す。例えば、始動の間では、アノード３１０は、空気中につかっているが、その後、空気は不活性流体により追い出される。これとは対照的に、停止時には、開放回路電圧を減少させるため水素が不活性流体により追い出され、その後、該不活性流体は、酸素源１００Ｂから不活性バルブ３４４及び燃焼器３７０を通って流れることを可能にされた第２の反応物に置き換えられる。
【００２４】
図２Ａの実施例（及び、図２Ｂ及び図２Ｃの実施例は、いずれともより詳細に後述される）は、不活性流体及びパージ流体を使用することは、如何にアノード３１０及びカソード３３０で開放回路電圧を減少させる上で有効であるかを強調している。例えば、実質的に不活性の流体がより不活性であればあるほど、許される開放回路電圧はより高くなる。同様に、開放回路電圧が低い値、例えば０ないし０．４ボルトへと減少されたならば、不活性ガスの適切な選択を通して、比較的不活性でない流体（例えば空気）は、パージ流体として引き続いて導入することができ、システムを非常に簡単化する。開放回路電圧をこのレベルにまで減少させるために、カソード３３０又はアノード３１０内に導入された流体は、かなり不活性である必要がある（即ち、非常に低い酸素又は水素の分圧を所有する）。燃焼器３７０を化学量論的に作動させることにより、そのような不活性流体の生成を効率的に有効にすることができる。従って、不活性機能及びパージ機能を、図示され本明細書で説明されたように結合することができる。加えて、電圧レベルの測定は、存在するガスが実質的に不活性であり、従ってパージするのに安全であるか否かを決定するため使用することができる。そのような測定は、前述されたフィードバック機構３８０と連係して使用することができる。
【００２５】
特に図２Ｂを参照すると、第２のシステムの構成が示されており、該システムでは、燃焼器３７０がカソード流れ経路３５０に配置されている。この構成では、図２Ａの前述した実施例のものとは異なり、燃焼器３７０で発生した不活性流体は、カソード３３０に供給される。カソード３３０のよりゆっくりとした運動は、図２Ａのシステムのものほどには純粋である必要がない不活性流体の使用を可能にするので、アノード３１０に接続する燃焼器３７０を有する図２Ａの構成は、構成上非常に簡単になる一方で、本図面の構成は不活性化することにより遷移の間に電圧ポテンシャルを減少させることを更に容易にすることができる。不活性バルブ３４４は、燃焼器３７０を介してカソード流れ経路３５０の上流部分３５０Ａをアノード流れ経路３４０に連結する。この構成では、それは、燃料不活性バルブとして機能する。本実施例は、カソード流れ経路３５０の下流部分３５０Ｂに流体連結されたアノードパージ流れ経路を更に備え、アノード流れ経路３４０の上流部分３４０Ａにカソード排気物の選択的流体連結を可能にするパージバルブ３４６を備える。本構成は、カソード背圧バルブ３５４を更に備え、該バルブは、パージバルブ３４６にカソード排出流れを回送するため使用することができる。該パージバルブは、開放された場合には、流体の流れがカソード流れ経路３５０をアノード３１０に通過させることを可能にする。本実施例における流れ経路の間の相互接続の故に、燃焼器３７０により生成された不活性流体は、アノード３１０及びカソード３３０の両方をパージするため使用することができる。加えて、本相互接続は、燃料電池３００が停止並びに始動する間に電極をパージすることを可能にする。以前のオプションの形態に関して、遷移作動の停止及び始動モードの両方において、本実施例の化学量論的反応を、コンプレッサ３６０の操作及びその結果としての空気流れを通して調整することもできる。かくして、フィードバック機構３８０のコントローラは、燃焼器３７０に形成された反応生成物の化学量論を維持するためコンプレッサ３６０に適切な制御信号を送ることができる。このオプションの形態は、かくして、停止のためのパージ用の第２の反応物（例えば、酸素）又は始動のための燃料（例えば、水素）のいずれかを流す前に、実質的に不活性の流体を用いて、カソード３３０を不活性にし、アノード３１０をパージすることができることは当業者に理解される。
【００２６】
特に、図２Ｃを参照すると、第３のシステム構成は、燃焼器３７０が、図２Ｂのそれに幾分類似した態様でカソード流れ経路３５０に配置される。しかし、図２Ｂの構成とは異なり、本実施例は、不活性の流体パージよりもアノードの反応物パージを使用する。かくして、それは、前述された背圧バルブを必要としない。加えて、パージバルブ３４６は、燃焼器３７０の上流のカソード流れ経路３５０を運転バルブ３４２の下流であるがアノード３１０の上流にあるアノード流れ経路３４０に接続するように再配置される。好ましい（しかし、必ずしも必要としない）形態では、反応物は、空気に含まれる酸素である。燃料電池が停止している間、一旦、カソード３３０が不活性かされたならば（前述した燃料電池電圧により指し示されるように）、パージバルブ３４６は、第２の反応物がアノード３１０内に流れ込み、これによりアノードをパージすることを可能にするため開放される。その後、パージバルブ３４４を閉じることができ、コンプレッサ３６０を停止させることができる。始動の間には、パージバルブ３４６が閉鎖され（既に閉じていないならば）、その後、コンプレッサ３６０が始動される。他の実施例に関して、１つ以上のバルブを、燃焼器３７０内で化学量論的反応を達成するため調整することができる。前述したオプションの形態に関しては、本実施例の化学量論的反応は、コンプレッサ３６０の操作及びその結果としての空気流れを通して調整することもできる。
【００２７】
次に、図２Ａ乃至図２Ｃのいずれかと関連して図３を参照すると、燃焼器３７０が段階環状燃焼器の形態にあるのが好ましく、カソード３３０又はアノード３１０を不活性にするため引き続いて使用される実質的に不活性の流体を発生することができるように、燃料電池３００の上流でアノード流れ経路３４０又はカソード流れ経路３５０に配置される。燃焼器３７０により可能にされるプロセスは、アノード３１０及びカソード３３０内に存在する燃料及び酸素をより迅速に置換することによりシステムの遷移動作を高速化すると共に、そのようなシステム遷移の間にアノード３１０又はカソード３３０のより簡単なパージを可能にすることができる。好ましい実施例では、燃焼器３７０は、ヒートシンクとして機能する能力を有意に備えた比較的高い密度の材料から作られる。金属は、そのような特性を所有する材料のクラスであり、セラミックスも然りである。熱を吸収する燃焼器３７０の能力は、より多くの質量を追加することにより向上させることができ、該質量は、壁の構成をより厚く作り、より長い物理的寸法の構成とすることにより達成することができる。熱伝導付属器を、熱吸収性を改善するため燃焼器３７０に追加することもできる。燃焼器３７０の熱吸収物の位置は、反応物混合領域即ち燃焼領域に直ちに隣接させることや、燃焼器３７０のハウジング内に設けることに限定されない。例えば、熱吸収物は、その主要な目的が、燃焼器３７０に発生する反応と連係した熱形成を減少させることである限り、燃焼器３７０及び燃料電池４００の間に、燃焼器３７０の一部となおも考えられる位置に配置することができる。
【００２８】
燃焼器３７０の比較的大きい熱吸収物の故に、不活性流体の生成の間に内部に発生した熱は、熱吸収物内に実質的に含まれ、これにより、例えば熱交換器等の増補の冷却装置のための必要性を減少させるか又は完全に無くす。例えば、パージ工程の持続時間が数十秒以下のオーダーである場合、燃焼器３７０の熱吸収物を増補の冷却装置が要求されないように作ることができる。燃焼器３７０の熱吸収物は、発生された不活性ガスの総体積でその熱吸収質量をスケーリングすることにより、より長いパージ持続時間をカバーするように作ることができる。例えば、燃焼器３７０内の温度上昇が２０℃である状態では、約２５０グラムの金属ヒートシンクが、発生した不活性ガスの各リットルに対して必要とされる。与えられたパージ流量に対して、パージ時間が、必要とされるパージ体積に対応し、該パージ体積は燃料電池３００のサイズに比例する。特に、操作者が迅速な始動及び停止期間に慣れた車両用途では、短時間が望ましい。
【００２９】
燃焼器３７０の環状構成は、内側パイプ３７２と、外側パイプ３７４とを備え、環帯３７６がそれらパイプの間に形成される。触媒３７８（例えば、コーティングの形態）が、環帯３７６を画定する内側及び外側パイプの壁に沿って配置される。燃焼器３７０は第１の端部３７０Ａ及び第２の端部３７０Ｂを備える略長さ方向に延びた構成を持ち、燃焼器３７０内への流体の流れが図示の方向に進行することが指し示されている。この構成では、第２の反応物（空気として示される）が第１の端部３７０Ａに入ると共に第１の反応物（燃料として示される）が第２の端部３７０Ｂに入り、実質的に不活性の流体反応生成物が形成されるとき、該不活性流体反応生成物は、システムの構成に依存してアノード３１０又はカソード３３０に至る通路へと図示のように流れ出す。内側パイプ３７２は第１の反応物の段階的な流入を可能にするため多数の小さい孔３７２Ａを備えている。第１の反応物は、該第１の反応物が孔３７２Ａを通過して内側及び外側パイプ３７２、３７４の間に位置する環帯３７６に至るまで、内側パイプ３７２を介して第２の端部３７０Ｂへと軸方向に導入される。第２の反応物は、第１の端部３７０Ａを介して環帯３７６内に供給される。孔３７２Ａの軸方向の間隔は、環帯３７６内の反応物の漸次的（即ち段階的な）な混合と、触媒３７８の引き続く触媒反応とを促進する。孔３７２Ａは、触媒反応を最大にするため環帯３７６内の反応混合領域の下流方向に十分な触媒３７８が存在するように燃焼器３７０の第２の端部３７０Ｂの上流側に適切に終わっている。環帯３７６内に形成された混合物は、触媒被覆壁へと拡散し、該壁で反応物の間の反応が生じる。触媒３７８における反応からのエネルギーは、燃焼器３７０の壁を加熱する。本システムでは、燃料電池内の作動遷移（特に、始動及び停止）の間に熱的余剰物が発生し、燃焼器からの反応生成物は、アノード又はカソードの少なくとも一つを不活性にし、引き続いて（幾つかの場合では同時に）パージするため使用される。反応生成物は、電圧ポテンシャルを減少させるため炭素支持部３１４Ｂ、３３４Ｂとアノード３１０及びカソード３３０の触媒３１４Ａ、３３４Ａを取り囲む領域に存在する不活性流体を形成するが、その上昇した温度（チェックされていないままである場合）は、アノード３１０、カソード３３０又は膜３２０に損傷を与えるおそれがある。
【００３０】
上記したように、燃焼器３７０の熱吸収物は、有意な温度上昇無しに、パージサイクルの持続に亘って反応熱を吸収する上で適切である。加えて、段階的反応は、反応熱のより漸次的な上昇を可能にし、これにより、燃焼器３７０の構成部品に有害な影響を与えかねない局所化された高温スポットを形成する可能性を減少させる。特に、互いに逆の流れ方向が、反応領域へのより均一な空気分配を提供するため示されているが、第１及び第２の反応物が燃焼器３７０の同じ側部へと導入することができる共同流れ構成も用いることができることが当業者には理解される。燃焼器３７０の構成及び反応物の導入が、連続的な進行中の燃焼プロセスの一部として、又は、離散的なバッチプロセスとして作動することができること、並びに、いずれのアプローチも本発明の実施例に適用可能であることは当業者により理解される。
【００３１】
燃焼器３７０内の環帯３７６のサイズは、燃焼器の壁への拡散距離を最小にするのに十分に小さいが、反応を支持する上で十分な触媒被覆表面積を持っている。一例を挙げると、空気流量（毎秒０．６８７グラム）の化学量論的部分と共に、水素の毎秒０．０２グラムのパージ率（全パワーの燃料流量の約２％に等しい）に対して、２．８ｃｍ（１．１インチ）の内径、３．６ｃｍ（１．４インチ）の外形、２５．４ｃｍ（１０インチ）の長さの環状燃焼器は、燃焼器３７０の触媒被覆壁への適切な質量転移を可能にする。この状況では、外側パイプ３７４及び内側パイプ３７２の０．２５４ｃｍ（０．１インチ）の壁厚は、所望の質量を提供する。このパージ率では、パージ時間は、約４秒であり、約４リットルの不活性ガスを発生する。図２Ａの第１システム構成のための全パワー燃料流量のために、又は、通常の作動の間の図２Ｂ及び図２Ｃの第２及び第３の構成のための全パワー空気流量のために、内側パイプ３７２及び環帯３７６のサイズは、適切な流れ領域を提供するように選択される。勿論、より長い燃焼器３７０又はより低いパージ率が、完全な反応及び熱除去を更に確実にするため使用することができる。燃焼器壁の延長した表面（例えば、リブ又はフィン）も、反応及び熱転移面積を増大させるために使用することができる。
【００３２】
次に、図１と連係した図４を参照すると、本発明に係る燃料電池システムを組み込んだ車両１０００が示されている。燃料電池３００は、燃料供給部１００Ａに流体的に連結されている。車両１０００が特に車として示されているが、他の車両形態の燃料電池システム（例えば、トラック、オートバイ、飛行機、宇宙船又は船舶）の使用も、本発明の範囲内に含まれることが当業者により理解される。
【００３３】
幾つかの代表的な実施例とそれらの詳細な構成が本発明を示すという目的のため示されたが、様々な変更が、添付された請求の範囲で画定された本発明の範囲から逸脱すること無くなし得ることは、当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】図１Ａは、車両用途のために構成された燃料電池システムのブロック図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａのシステムからの代表的な燃料電池を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ｂの燃料電池のアノード及び膜の間の領域の拡大図を示し、触媒が燃料のイオン化を促進するため使用されるところの支持部上の触媒の配置を強調している。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施例に係るアノード流れ経路における化学量論的燃焼器を用いる燃料電池システムのブロック図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の別の実施例に係るアノードの不活性流体のパージ機能を備えたカソード流れ経路における化学量論的燃焼器を用いる燃料電池システムのブロック図を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の別の実施例に係るアノードの第２の反応物のパージ機能を備えたカソード流れ経路における化学量論的燃焼器を用いる燃料電池システムのブロック図を示す。
【図３】図３は、図２Ａ、２Ｂ又は２Ｃの燃料電池システムの一部を形成する段階燃焼器の詳細構成を示す。
【図４】図４は、図２Ａ、２Ｂ又は２Ｃの燃料電池システムを用いる車両を示す。
【図１Ａ】
2007506244.tif 000003
【図１Ｂ】
2007506244.tif 000004
【図１Ｃ】
2007506244.tif 000005
【図２Ａ】
2007506244.tif 000006
【図２Ｂ】
2007506244.tif 000007
【図２Ｃ】
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【図３】
2007506244.tif 000009
【図４】
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【国際調査報告】
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