(57)【要約】  燃料電子システムを動作する方法及びデバイスである。燃料電池カソードに結合された再循環ループは、カソードを通過する流体が再利用されることを保証し、それによって、燃料電池を横切る低減された電圧レベルが達成されるまで、再利用される流体に残留する酸素と、再循環ループ内に導入された燃料との間の反応を可能にする。低減された電圧レベルの達成は、再利用される流体が実質的に酸素のない状態であり、不活性流体を生じることを示す。その後、空気が後続するこの合成物又は空気を、システム停止期間に燃料電池アノード及び関連する流路を浄化するために直接使用することができる。同様に、システム始動期間に、水素を燃料電池アノードに導入することができ、次いで、通常の動作のために空気をカソード及び関連する流路に導入することができる。パージ弁の配置により、カソードに空気を再導入することなく、アノードを空気で浄化することができる。
2007506245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作中の燃料電池システムを停止させる方法であって、
前記システムを、
アノード、カソード、及び、前記アノードとカソードとの間に配置された膜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結合するように構成されたアノード流路と、
前記カソードを酸素源に結合するように構成され、再循環ループを含むカソード流路と、
前記アノードに流体結合されたパージ弁と、
を含むように構成するステップと、
前記燃料源から前記アノードを分離するステップと、
前記再循環ループを通して、前記カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、
前記再循環ループに前記燃料源から燃料を導入するステップと、
前記燃料電池において測定された電圧が所定レベルに到達するまで、前記再利用される流体と前記燃料を反応させるステップと、
前記再循環ループへの前記燃料の流れを中断するために、前記再循環ループから前記燃料源を分離するステップと、
前記アノードに前に残留する任意の流体が実質的に除去されるように、前記パージ弁を通して前記アノードに浄化流体を導入するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記浄化流体が、前記カソードの上流側でかつ前記酸素源の下流側で前記カソード流路から逸らされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記浄化流体が、前記カソードの下流側でかつカソード出口弁の上流側で前記カソード流路から逸らされる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記浄化流体が、実質的に酸素の欠乏した流体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記浄化流体が、前記カソード流路の少なくとも一部から導入された前記実質的に酸素の欠乏した流体と、それに続く前記酸素源から導入された空気とを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記再利用するステップが、カソード出口弁を閉じるステップと、カソード流路再利用弁を開くステップとをさらに含み、両方の弁が前記再循環ループ内に配置された、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記パージ弁が、前記カソードの上流側で前記カソード流路に流体結合される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記浄化流体を導入する前記ステップが、燃料不活性弁を閉じ、前記パージ弁を開くことによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記燃料電池を横切る前記所定電圧レベルが０．４ボルトを上回らない、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
動作している燃料電池システムを停止させる方法であって、
前記システムを、
アノード、カソード、及び、前記アノードとカソードとの間に配置された膜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結合するように構成されたアノード流路と、
前記カソードを空気源に結合するように構成され、再循環ループを含むカソード流路と、
それを通して流体の再循環を選択的に可能にするために前記再循環ループに配置された少なくとも１つの弁と、前記カソードの上流側で前記カソード流路を前記アノード流路に流体結合するパージ弁と、前記カソード流路を前記燃料源に結合するように構成された燃料不活性弁と、前記アノード流路に流体的に配置された燃料供給弁とを含む複数の弁と、
前記空気源に結合された圧力源と、
燃料と空気との間の反応を容易にするように構成されたデバイスと、
を含むように構成するステップと、
前記燃料源から前記アノードを分離するステップと、
前記再循環ループを通して前記カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、
前記再循環ループに前記燃料源から燃料を導入するステップと、
前記燃料電池において測定された電圧が所定レベルに到達するまで、前記再利用される流体と前記燃料を反応させるステップと、
前記再循環ループへの前記燃料の流れを中断するために、前記再循環ループから前記燃料源を分離するステップと、
前記アノードに前に残留した任意の流体が実質的にアノードから除去されるように、前記パージ弁から前記アノードへ、前記再循環ループの少なくとも一部からの実質的に酸素の欠乏した流体と前記空気源からの空気とを順次導入するステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
燃料電池システムを始動させる方法であって、
前記システムを、
アノード、カソード、及び、前記アノードとカソードとの間に配置された膜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結合するように構成されたアノード流路と、
前記カソードを酸素源に結合するように構成され、再循環ループを含むカソード流路と、
前記アノードに流体結合されたパージ弁と、
を含むように構成するステップと、
前記再循環ループを通して、前記カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、
前記再循環ループ内に前記燃料を導入するステップと、
燃料電池において測定される電圧が所定レベルに到達するまで、前記デバイス内で前記再利用される流体と前記燃料を反応させるステップと、
前記再循環ループへの前記燃料の流れを中断するために、前記再循環ループから前記燃料源を分離するステップと、
前記アノードを燃料で充填するステップと、
前記反応の期間に生成された実質的に酸素の欠乏した流体を移動させるために、前記カソードに空気を導入するステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記実質的に酸素の欠乏した流体の存在が、前記アノードを燃料で前記充填するステップの前に、前記少なくとも１つの燃料電池における負電圧を引き起こす、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
低温始動を容易にするために、前記アノードへ前記酸素源から流体を流入させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
低温始動を容易にするために、前記カソードへ前記燃料源から燃料を流入させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
デバイスであって、
アノード、カソード、及び、前記アノードとカソードとの間に配置された膜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結合するように構成されたアノード流路と、
前記カソードを酸素源に結合するように構成され、再循環ループを含むカソード流路と、
複数の弁と、
を備え、
前記複数の弁のうちの少なくとも幾つかは、前記アノード流路と前記カソード流路との間に流体連通を確立するように構成され、
前記複数の弁は、
前記燃料源と前記アノードとの間に配置された燃料供給弁と、
前記再循環ループを通して流体の再利用を選択的に可能にするために、前記再循環ループに配置された少なくとも１つの弁と、
前記カソード流路への燃料の選択的な導入を可能にするために、前記アノード流路と前記カソード流路との間に配置された燃料不活性弁と、
前記カソードの上流側で、前記アノード流路と前記カソード流路との間に配置されたパージ弁と、
を備えており、
前記デバイスはさらに、前記カソード流路に配置されされた反応器を備え、
前記反応器が、前記燃料電池の遷移動作時に燃料電池における電圧を低減するように、燃料と酸素との間の反応を促進するように構成され、
前記反応器が、燃料と前記再循環ループを通して再利用される流体とを組合せて、空気又は前記再利用される流体の少なくとも１つにより前記アノード又は前記カソードのうちの１つを浄化することを可能にするデバイス。
【請求項１６】
前記デバイスが、前記燃料電池システムによって生成された電気を取り出し、該電気を原動力に変換するように構成された電力変換機構をさらに備える、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記デバイスが、前記燃料電池システム及び前記電力変換機構を収容するように構成された車両をさらに備えることができ、前記車両は、前記電力変換機構で生成された前記原動力に依存して移動することができる、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
燃料電池システムを遷移動作させる方法であって、
前記システムを、
アノード、カソード、及び、前記アノードとカソードとの間に配置された膜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結合するように構成されたアノード流路と、
前記カソードを酸素源に結合するように構成され、再循環ループを含むカソード流路と、
前記アノードに前記再循環ループを選択的に結合するように構成されたアノード浄化流路と、
を含むように構成するステップと、
前記システムの始動を含む第１のモードと、前記システムの停止を含む第２のモードとの２つの遷移動作モードのうちの１つを選択するステップと、
前記再循環ループを通して、前記カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、
前記燃料電池において測定された電圧が所定レベルに到達するまで、燃料を前記再利用される流体と反応させるステップと、
前記反応を中断するステップと、
前に残留した任意の流体が実質的に除去されるように、少なくとも１つの前記アノード又は前記カソードに流体を導入するステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
前記アノード浄化流路が、前記選択的な結合を行うためにその内に配置されたパージ弁を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記選択するステップが、前記第１の動作モードを選択するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記反応するステップが中断された後、前記アノードを燃料で充填するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
一旦、前記アノードが燃料で充填されると、前記カソードを通して空気を流すステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記カソードを通して空気を流す前記ステップが、前記再循環ループを不能にするステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記選択するステップが、前記第２の動作モードを選択するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つの前記アノード又は前記カソードに流体を導入する前記ステップが、前記カソード流路の少なくとも一部から実質的に酸素の欠乏した流体を導入し、それに続いて前記酸素源から空気を前記アノードに順次導入するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記再循環ループを通して前記カソード流路に配置された流体を再利用するステップの前に、前記アノードを前記燃料源から分離するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
一旦、前記アノードが実質的に浄化されると、前記カソード流路を通る流体の流れを停止するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、全般的に燃料電池システムを動作させることに関し、より詳細には、システムの簡単性を維持しながら触媒支持体材料の酸化を最小化するように、燃料電池を始動停止することに関する。
【０００２】
燃料電池内の水素と酸素との間の電気化学反応を容易にするために触媒を使用することは、良く知られている。典型的に、触媒は、それ自体がより大きな炭素の粉末又は炭素ベースの粒子である支持体上に分散された貴金属粉末の形態である。この粉末ベースのアプローチは、その上で前述の反応が生じることができる表面積の著しい増大を可能にする。そのような構成は、大きな面積にわたって比較的高価な触媒（白金など）を広げることによって、電力出力における著しい改善と同時に未加工材料の価格の低減を結果として生じる有効な小型の反応器を提供するが、その有効性は所定の動作モードによって制限されることがある。例えば、燃料電池で生成される電流の必要性が低減され又は中止されたときでも、残留する酸素及び水素反応物質は、開回路電圧（典型的には約０．９Ｖ又はそれ以上）を生成し続け、触媒及び触媒支持体の酸化を導くことができ、それによって燃料電池寿命を低減させる。１つの燃料電池電極（アノードなど）上の水素―空気界面の存在が、なおより大きな関心であるが、空気は他の電極（カソードなど）上に存在し、１．４Ｖと１．８Ｖとの間の電位を生成することになる。これらの高められた電位は、触媒及び触媒支持体材料の前述された腐食を悪化させる。この状況は、始動期間に（空気が水素によってパージされるとき）、及び、停止期間に（水素がクロスオーバによって消費されるので、空気がアノード内に引き込まれるとき）生じることがある。本発明者らは、動作の遷移、特に、繰り返されるシステムの始動及び停止が、そのような遷移間に生じる比較的安定な状態動作より極めて速く燃料電池寿命を短くするように見えることを観察した。
【０００３】
残留する燃料及び酸化体の問題を軽減する１つの方法は、電池動作停止の直後にアノード流路及びカソード流路を浄化するために不活性ガスを注入することである。これは、例えばアノード及びカソードの経路に車上の窒素を注入することによって達成されることができる。しかしながら、寄生的なガス状窒素の供給を車上で使用すると、乗客、快適性又は安全性の特徴のために使用される貴重な車両空間を占めることになるので、これは、特に多くの車両ベースの燃料電池システムに関して不利である。他のアプローチは、空気が残留する水素と反応できるように、アノード流路に空気を導入することである。この混合物を再循環させることによって、水素は実質的に何も残らなくなるまで発火され又は触媒反応されることができる。このアプローチによって、搭載窒素浄化ガスは必要ない。しかしながら、このシステムは、精密な制御機構にとともに全て連結された複雑な弁ネットワークに結合された追加のポンプを含む、複雑なシステム構成要素類を必要とする点で不利である。
【０００４】
したがって、重量、容積又は複雑性において著しい増大を必要とするアプローチに頼る必要なく、始動停止されることができる燃料電池システムの必要性が存在する。
発明の概要
これらの必要性は本発明によって満たされ、システム構成要素に対する動作遷移の有害な影響を避けるように燃料電池システム及びシステムを動作させる方法が開示される。本発明の第１の態様によれば、燃料電池システムの停止方法が開示される。燃料電池システムは、少なくともアノード、カソード、及び、アノードとカソードとの間に配置された膜からなる少なくとも１つの燃料電池と、アノードを燃料源に結合するように構成されたアノード流路と、カソードを酸素源に結合するように構成されたカソード流路と、浄化流体のアノードへの導入を可能にするパージ弁とを含む。前述の流路は配管及び関連する導管を含む、燃料電池内及び燃料電池の周囲の流体の流れに必要な支持機器を含むことができる。同様に流路の一部を形成する弁（前述のパージ弁に加えて）、ポンプ及び関連する構成要素は、それらのそれぞれの流路でのそれらの機能をより明瞭に識別するように個別に議論してもよい。本システムにおいて、再循環ループはカソード流路に形成されており、カソード流路とアノード流路との間の接続性と併せて、希釈されていない化学量論燃焼に関連する高温なしに不活性ガスを生成するための手段を提供する。当業者には理解されるように、本発明から利益を得ることができる１つのタイプの燃料電池は陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池であるが、他の燃料電池構成の使用も本発明の範囲内である。本動作は、燃料の流れが遮断されるように燃料源からアノードを分離するステップと、再循環ループを通して、カソード流路に配置された燃料を再利用するステップと、（実質的に酸素の欠乏するようになる再利用流体に起因してなど）燃料電池の電圧が低減されるまで、燃料を再利用される流体と反応させることができるように再循環ループに燃料を導入するステップと、再循環ループを通る燃料の流れを中断するために再循環ループから燃料源を分離するステップと、前の流体がアノード流路から実質的に取り除かれるように、アノード流路に浄化流体を導入するステップと、によって生じる。用語「酸素源」及びその変形は、酸素又は相当な酸素含有化合物、混合物、又は類似物を提供するように構成された任意のデバイス、容器又は環境（周囲環境を含む）を包含するよう広く理解されるべきである。電圧（任意の従来の手段によって測定されることができる）の低減は、より簡単なシステム構成及び動作を可能にする。例えば、遷移動作条件の開始時に１つの電極上での電圧の低減を確立することによって、連続する又は動作中の不活性化を低減又は排除することができる。これは、低い電圧レベルは空気浄化に匹敵するからである。
【０００５】
任意選択で、再循環ループ内に含まれる流体を加圧するために圧力源（例えばエアコンプレッサ）を使用することができる。好ましくは、パージ弁は、浄化流体（実質的に酸素の欠乏した流体及び空気の一方又は両方であり得る）が、カソードの上流側且つ酸素源の下流側でカソード流路から逸らされるように、カソードの上流側に配置される。浄化流体が両方を含む場合には、カソード流路と一致する再循環ループの一部を通って送られる制限された量の実質的に酸素の欠乏した流体の後に、酸素源から供給されることができる大量の空気が続く。カソードの上流側にパージ弁を配置することによって、燃料と酸素との間の反応によって生成される大量の実質的に酸素の欠乏した流体を使用する必要なく、酸素源からの空気でアノードを浄化することができる。これにより、一層簡単なシステム動作、及び、燃料と酸素の反応によって生成される不活性流体への低減された依存を可能にする。
【０００６】
１つの特定の形態において、再利用するステップは、カソード出口弁を閉じるステップとカソード流れ経路再生弁を開くステップをさらに含み、両方の弁は再循環ループ内に配置される。さらに、パージ弁を通してアノードに空気又は実質的に酸素の欠乏した流体のうちの少なくとも１つを導入するステップは、アノードに実質的に酸素の欠乏した流体を導入し、続いてアノードに空気を導入するステップを含む。これを達成するために、パージ弁は、再循環ループとアノード流路との間、より詳細には、パージ弁がカソードの上流側で再循環ループに流体結合される場所に配置される。再循環ループ内に燃料を導入するステップは、アノード流路をカソード流路に流体結合する燃料不活性弁を調整することによって達成することができる。アノードに実質的に酸素の欠乏した流体及び空気を導入するステップは、燃料不活性弁を閉じてパージ弁を開くことによって行われる。
【０００７】
他の選択肢において、再循環ループ内に導入される燃料の量は、再利用される流体に存在する燃料と酸素との間の所定の比率を維持するために調整されることができる。燃料の量を調整するステップは、再循環ループ内に存在する酸素の量を検知するステップと、再循環ループにアノード流路を流体結合する燃料不活性弁を調整するステップとを含む。一形態において、燃料は、水素の含有量が多く且つメタノール、水素、メタン、ガソリン又は同様の水素を含む燃料であり得る。一形態において、酸素源は空気を提供する。さらに反応は触媒の存在下で起きる。触媒は、カソード上に、又はカソード流路に流体結合された燃焼器に配置されることができる。燃焼器を含む状況においては、冷却器を燃焼器と少なくとも１つの燃料電池との間に置くことができる。１つの特定の形態において、アノードを燃料源から分離するステップは、燃料供給弁を閉じることによって達成される。
【０００８】
本発明の他の態様において、燃料電池システムを停止させる方法が開示される。前述のように、燃料電池システムは、少なくとも１つのアノード、カソード、及び、アノードとカソードとの間に配置された膜からなる少なくとも１つの燃料電池と、アノードを燃料源に結合するように構成されたアノード流路と、カソードを酸素源に結合するように構成されたカソード流路とを含む。さらに、燃料電池システムは、アノード流路とカソード流路との間の流体連通を確立するように構成された複数の弁と、空気源に結合された圧力源と、燃料と空気との間の反応を容易にするためのデバイスとを含む。本方法に含まれるステップは、燃料源からアノードを分離するステップと、再循環ループを通して、カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、再循環ループに燃料を導入するステップと、燃料電池の電圧が低減されるまで、再利用される流体と燃料とを反応させるステップと、燃料流を中断するために再循環ループから燃料源を分離するステップと、アノード流路内に前に残留した流体が実質的にアノード流路から除去されるように、カソード流路の少なくとも一部からの実質的に酸素の欠乏した流体がアノード流路に導入された後に空気を導入するステップとを含む。
【０００９】
本発明のさらなる他の態様によれば、燃料電池システムを始動させる方法が開示される。システムの構成要素は、前述のように、少なくとも１つの燃料電池、アノード流路、カソード流路及びパージ弁を含む。この方法におけるステップは、再循環ループを通して、カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、再循環ループ内に燃料を導入するステップと、燃料電池における電圧が所定レベルに低減されるまで、デバイスで再利用される流体と燃料を反応させるステップと、再循環ループへの燃料の流れを中断するために再循環ループから燃料源を分離するステップと、アノードを燃料で充填するステップと、少なくとも１つの燃料電池が動作を開始できるように、カソード内に空気を導入するステップとを含む。
【００１０】
任意選択で、過剰な水素はカソード上に現れることができ、空気はアノード上に現れるので、再循環ループ内の実質的に酸素の欠乏した流体の存在は、燃料電池において（少なくとも一時的な）負の電圧を作る。アノードを燃料で充填するステップは、アノード流路内に配置された燃料供給弁を開くことによって達成されることができる。カソードに空気を導入するステップは、再循環ループ内に配置された背圧弁を開くステップを含む。同様に、カソードに空気を導入するステップは、再循環ループ内に配置された再利用弁を調整するステップをさらに含み、酸素源からアノードに流入する流体は、低温始動を容易にするために使用されることができ、又は、燃料源からカソードに流入する燃料は、低温始動を容易にするために使用されることができる。さらに、燃料電池システムは、アノード流路とカソード流路との間に流体連通を確立するように構成された複数の弁と、空気源に結合された圧力源と、燃料と空気との間の反応を容易にするためのデバイスとを含むことができる。任意選択のステップは、圧力源によって加圧された流体がループを通して再利用されることができるように、再循環ループ内に配置された１つ以上の弁を構成するステップと、燃料が燃料源からカソード流路内へ導入されることができるように燃料不活性弁を構成するステップと、再利用される流体が実質的に酸素欠乏状態になるまで、燃料を再利用される流体と反応させるステップと、カソード流路から燃料源を分離するために不活性弁を閉じるステップと、アノードを燃料で充填するために燃料供給弁を開くステップと、少なくとも１つの燃料電池が動作を開始できるように、カソードに空気を導入するステップとを含むことができる。
【００１１】
本発明のさらなる態様によれば、少なくとも１つの燃料電池を備えるデバイスが開示される。燃料電池は、アノード、カソード、及び、アノードとカソードとの間に配置された膜を含む。デバイスは、前述のように、アノード流路、カソード流路、及び、アノード流路とカソード流路との間に流体連通を確立するように構成された複数の弁を含む。複数の弁は、燃料源とアノードとの間に配置された燃料供給弁、ループ内で流体の再利用を選択的に可能にするために再循環ループに配置された少なくとも１つの弁、燃料不活性弁、及びパージ弁を含む。前述のように、カソードの上流側にパージ弁を配置することによって、燃料と酸素との間の反応器によって生成される大量の実質的に酸素の欠乏した流体を使用する必要なく、酸素源からの空気がアノードを浄化することを可能にする。デバイスは、燃料と酸素との間の反応を促進するように構成された反応器も含む。デバイスは、燃料電池システムによって生成された電気を取り出して原動力に変換するように構成される電力変換機構をさらに備えることができ、さらに、燃料電池システム及び電力変換機構を収容するように構成された車両を含むことができる。車両（その一例は、乗用車、トラック、オートバイ、航空機、又は船舶であり得る）は、電力変換機構で生成された原動力に依存して移動することができる。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、燃料電池システムを遷移動作する方法が開示される。これに関連して、遷移動作モードは、システムが始動されている第１のモードと、システムが停止されている第２のモードとを含む。方法は、前述された態様の１つでシステムを構成するステップと、前述の２つの遷移動作モードのうちの１つを選択するステップと、燃料電池電圧が所定レベルに低減されるまで燃料が再利用される流体と反応するように、再循環ループを通して、カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、それぞれの電極に前に残留した流体が実質的に電極から除去されるように、反応するステップ及び少なくとも１つのアノード又はカソードに流体を導入するステップを中断するステップとを含む。
【００１３】
さらなる任意選択のステップは、アノードに再循環ループを選択的に結合させるために、アノード浄化流路にパージ弁を提供するステップを含むことができる。パージ弁に加えて、システムは、好ましくは前述のように複数の弁を含む。他の選択肢において、アノード又はカソードの少なくとも１つに流体を導入するステップは、順次に実質的に酸素の欠乏した流体を、次いで空気を導入するステップを含む。同様に、反応を中断するステップは燃料不活性弁を閉じることによって達成されることができる。始動のステップのために、選択するステップは第１の動作モードを選択するステップを含む。さらに、アノードは、反応するステップが中断された後に燃料で充填されることができ、空気は、アノードが燃料で充填されるとカソードを通して流れることができる。この最後のステップは、再循環ループを不能にすることによって（例えば、前述のカソード出口弁又はカソード流路再利用弁の一方又は両方の適切な操作によって）達成されることができる。停止のステップのために、アノードは、再循環ループを通してカソード流路内に配置された流体を再利用する前に燃料源から分離されることができる。さらに、カソード流路を通る流体流れは、アノードが実質的に浄化されると停止されることができる。前述のように、アノード又はカソードを浄化するために使用される流体は、空気、再循環ループにおける反応によって生成された不活性流体、又はそれら両方であることができる。浄化に使用される流体が空気であるとき、空気をカソード流路からアノード流路に導入することができる。
【００１４】
本発明の以下の詳細な記載は、同様の構造が同様の参照符号で示される、以下の図面とともに読まれるとき、最も良く理解され得る。
好ましい実施の形態の説明
最初に図１Ａを参照すると、ブロック図は、本発明による自動車燃料電池システム１の主な構成要素を強調する。システムは、燃料配送システム１００（燃料源１００Ａ及び酸素源１００Ｂからなる）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蓄積デバイス４００と、動力伝達系路５００と、ホイールとして抽象的に示される１つ以上の原動力デバイス６００とを含む。本システム１は移動用（車両など）の応用に関して示されているが、燃料電池３００及びその付属機器の使用が同様に静止型の応用に適用可能であることは、当業者には理解されるであろう。他の燃料配送及び燃料処理システムが利用可能であることも、当業者には理解されるであろう。例えば、燃料源１００Ａ及び酸素源１００Ｂに加えて、水供給源（図示せず）が存在することができる。同様に、実質的に精製された燃料が既に利用可能であるいくつかの変形例において、燃料処理システム２００は必要ではない場合がある。エネルギー蓄積デバイス４００は、蓄電池、コンデンサ、電気変換器、又は、燃料電池３００からの電流を動力伝達系路５００及び１つ以上の原動力デバイス６００を動作させるために使用できる回転シャフト動力などの機械的動力へ変換するモータのうちの１つの形態であることができる。燃料処理システム２００は、メタノールなどの未加工の燃料を、燃料電池３００で使用するための水素又は水素含有量の多い燃料に変換するために組み込まれ得る。燃料源１００Ａが既に実質的に純粋な水素を供給する構成においては、燃料処理システム２００は必要ではない。燃料電池３００は、アノード３１０、カソード３３０、及び、アノード３１０とカソード３３０との間に配置された電解質層３２０を含む。単一の燃料電池３００だけが示されているが、当業者は理解するように、燃料電池システム１（特に車両及び関連する応用に関する燃料電池システム）は直列に接続されたそのような電池の積層体から作ることができる。
【００１５】
次に図１Ｂ及び図１Ｃを参照すると、アノード３１０は、電極基板３１２と流れチャネル３１６に接続された触媒層３１４とを含む。カソード３３０は、電極基板３３２と流れチャネル３３６に接続された触媒層３３４とを含む。流れチャネル３１６、３３６は、それらのそれぞれアノード及びカソードを接触させるアノード流路及びカソード流路（これについては後述する）の一部を形成する。好ましくは、電極基板３１２、３３２は多孔性であり、燃料及び酸素の拡散を可能にし、燃料と酸素との反応の結果として形成される水の流れを可能にする。触媒層３１４は、支持体３１４Ｂの表面上に分散された触媒３１４Ａで作られる。陽子交換膜の形態で現在示される電解質層３２０は、アノード３１０とカソード３３０との間にそれぞれ配置され、アノード３１０からカソード３３０へイオン化された水素が流れることを可能とし、それを通る電流の通過を禁止する。（典型的にはガス状水素の形態の）燃料は流れチャネル３１６を通過するので、燃料は電極基板３１２を通して拡散して触媒３１４Ａと接触することができ、それによって、水素燃料の電気化学的な酸化が、分離吸収反応であると考えられる反応によって進行する。この反応は触媒３１４Ａによって容易にされ、触媒３１４Ａは、典型的には炭素をベースとする支持体３１４Ｂの表面上に分散された貴金属（白金など）の細かく分離された粒子の形態である。アノード３１０で生成された正に帯電した水素イオン（陽子）は次いで電解質３２０を通過し、カソード３３０で生成された負に帯電した酸素イオンと反応する。自由電子の流れが、モータ又は関連する電流依存デバイスが回転できるように、負荷４００を通る電流を供給する。前で議論されたエネルギー蓄積デバイスの形態で示された負荷４００は、燃料電池３００のアノードとカソードとの間の電気的な流路を完成する。追加のポンプ（図示せず）を、集まってきて多孔性通路を塞ぐ可能性がある水を電極基板３１２、３３２から取り除くために備えることができる。
【００１６】
次に図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃを参照すると、燃料電池３００における水素と酸素との界面を低減するように構成された、本システムの変形例のブロック図が示される。アノード流路３４０は、燃料供給弁３４２を通してアノード３１０に燃料源１００Ａを流体結合する。酸素源１００Ｂは、酸素がカソード３３０を通過して流れることができるように、カソード流路３５０に流体結合される。全ての３つの図に詳細に示されるように、再循環ループ３５２は、水素と酸素の反応によって形成された浄化流体（窒素含有量の多いガス）を再利用するためにカソード流路３５０に配置される。酸素の消費を介して浄化流体の生成を促進することに加えて、再循環ループ３５２は、様々な電池間の電圧の均一性を促進する。再循環ループ３５２は圧力源３６０、燃焼器３７０、酸素センサ３８０、及び冷却器３９０を含み、これら全ては、特定の種が適切な触媒反応又は燃焼反応を通して低減されるように、動作遷移期間にカソード３３０を通って様々な流体が繰り返し通過するのを助けるために流体結合される。単一の冷却器３９０（熱交換器の形態であることができる）だけが示されているが、追加の冷却器ならびに冷却器３９０のための他の位置が使用されることができることは、当業者には理解されるであろう。冷却器３９０を通して数回、水素、酸素及び生成された浄化流体（集合的に流体は再循環される）を再利用することによって、温度上昇が小さくなり、したがってシステムへの熱負荷が低減される。カソード出口弁３５４は、カソード３３０の排出口と再循環ループ３５２との間の流体の流れを制御するために、カソード３３０の下流側に配置され、カソード流路再利用弁３５６はカソード３３０の上流側で再循環されている流体の選択的な導入を可能にする。好ましくは、圧力源３６０はエアコンプレッサである。追加の空気は、カソード出口弁３５４が閉じられることによるデッドヘッドの存在に起因して再循環ループ３５２に流れない傾向にあるので、酸素源１００Ｂは（始動又は停止などの）動作遷移期間に遮断される必要がない。アノード流路３４０とカソード流路３５０との間の流体連通は、流路３４０、３５０間の所望の流体流れを達成するために、独立して又は並行して作動される燃料不活性弁３４４及びパージ弁３４６を介して確立される。
【００１７】
本システムに組み込まれることができる他の特徴は、過剰な燃料が燃焼されることができるように再循環ループ３５２に配置された燃焼器３７０（バーナとしても知られている）である。水素と酸素との間の触媒反応は、両反応物質が再循環ループ３５２内に存在する限り、カソード３３０で連続して生じるが、燃焼器３７０によって可能にされる燃焼プロセスは、燃料をより迅速に消費することによって、システムの遷移動作の速度を上げることができ、また、カソードの過熱の可能性を低減することができる。反応の速度をさらに上げるために、単一の燃焼器よりも複数の燃焼器を使用することができる。好ましくは、燃焼器３７０及びカソード３３０での触媒反応は、速度の最良の特質と水素除去の完全性とを組み合わせるために使用される。さらなる特徴においては、燃焼器３７０は、水素を空気内の酸素とさらに反応させるために、燃焼器内に配置された触媒要素を含むことができる。この場合、燃焼器要素（図示せず）は触媒で被覆されかつ電気的に加熱されることができる。いずれの構成においても、反応可能な種の迅速で完全な除去が有利である。なぜなら、それは迅速な開始を可能にし、アノードに形成される水素と空気との界面の結果として生成される前述の過剰な停止エネルギー・レベルを最小化するからである。そのような場合、本発明のシステムがないと、支持体３１４Ｂを侵食する過剰な電圧電位ができる。
【００１８】
燃料電池システム１の動作状態は、システムが電気を生成する第１動作状態と、システムが電気を生成しない第２動作状態と、第１動作状態と第２動作状態との間の遷移的な第３動作状態とを少なくとも含む。そのような遷移動作はシステム電力出力における変化が生じる動作期間を含む。本発明にとって特に関心のあるそのような動作は、システム始動期間と停止期間である。したがって、遷移動作は、システム出力が実質的に一定である定常状態動作から識別される。
【００１９】
特に図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、燃料電池システム１の停止シーケンスは、アノード３１０への燃料の流れを停止するために燃料供給弁３４２を閉じるのに伴って開始するのが好ましい。次に、カソード出口弁３５４は閉じられ、カソード流路再利用弁３５６は、燃料がカソード３３０から出て再循環ループ３５２に入れるために開かれる。さらに、圧力源３６０（エアコンプレッサなど）が、再循環ループ３５２を通る流体流れを促進するために動作される。再循環ループ３５２は、空気と燃料が混合されて適切な触媒上で反応するように、燃焼器３７０又はカソード３３０を通して流体を移動させるために必要である。燃料不活性弁３４４は、再循環流体への水素の導入を可能にし、それによって、まだそこに存在する酸素と反応するよう、流体再循環期間に調整され得る。燃料電池電圧の低下（従来の手段によって測定されることができる）は、カソードが不活性であることの指示として使用されることができる。酸素センサ３８０は、まだ再循環ループ３５２に存在する酸素のために使用されることができる。酸素センサ３８０は、以下に議論される連続する浄化が必要である状況において、水素と酸素との化学量論的比を維持するために使用されることができる。特に図２Ａで示されるように、反応は燃焼器３７０内の触媒上で生じることができ、その後、燃焼プロセスによって流体内に生成される過剰な熱は、熱交換器（冷却器３９０の形態で）を通して流体を通過させることによって、カソード３３０への導入の前に低減されることができる。そのような冷却器は二重使用であることができ、エアコンプレッサから出る空気を冷却するためにも使用されることができる。図２Ｂに示される代替の構成は、反応がカソード３３０上の触媒で生じることを可能にする。この変形例は一層簡単な構成要素の構成を実現し、別個の燃焼器及び関連する冷却機構の必要性を排除することができる。
【００２０】
必要な反応速度に依存して、一方又は両方の組み合わせ構成を使用することができる。上記構成のいずれかにおいて、再循環流体内の酸素が消費されると、パージ弁３４６は開かれ、アノード流路３４０とカソード流路３５０との間の流体連通を可能にする。これにより、これまで再循環ループ３５２に引き込まれていた流体（現在は実質的に酸素がない）が、残留する燃料及び他の流体をアノード３１０から除去することを可能にする。カソードに酸素を提供するために使用される流体が空気である場合に、酸素が実質的に除去されると、残る流体は僅かな量の他のガスを有する窒素をほぼ排他的に含む。窒素は不活性であるので、その存在は、アノード及びカソードの浄化のための適切かつ有益な流体を保証する。さらに、窒素自体は必要に応じて容易に除去されることができる。好ましくは、浄化流体は、浄化のためにカソード３３０の全容積を利用するようカソード３３０の出口から回収される。燃料電池内のカソードの流体容量は、アノードの流体容量より大きいのが一般的であるが、追加の浄化流体がアノードに必要である状況が存在する。そのような場合、燃料不活性弁３４４を通るカソード・ループ３５０への燃料の流れは、カソード流路３５０での燃料と酸素との実質的な化学量論的比が維持されるように調整されることができる。フィードバックをベースとする制御器（図示されず）を備えることができ、酸素センサ３８０によって伝達される信号に基づいて、再循環ループ３５２を通過する流体における所望の燃料対酸素比を維持するために使用することができる。また、燃料電池電圧は過剰な空気の状況下で増大するので、測定された燃料電池電圧を、空気に対する燃料の比が好ましい値から逸れるときを知らせるために使用することができ、この比を調整して所望の範囲内に維持するために使用することができる。水素がアノード３１０から除去されると、アノード３１０は空気（又は所望であれば他の流体）で浄化されることができる。この状況では、燃料不活性弁３４４は閉じられ、圧力源３６０によって加圧された再循環ループ３５２内の流体は、パージ弁３４６を通してアノード３１０に流れることができる。この最後のステップは、空気が燃料電池３００の不動作期間にアノード３１０及びカソード３３０に存在することを保証する。
【００２１】
燃料電池システム１の始動シーケンスは、カソード出口弁３５４を閉じる一方、カソード流路再利用弁３５６を開いて流体をカソード３３０から出して再循環ループ３５２へ入れるステップを含む。前述の停止シーケンスのように、圧力源３６０は、再循環ループ３５２を通る流体流れを促進するために動作される。燃料不活性弁３４４は燃料再循環期間に調整されることができ、再循環する流体への水素の導入を可能にし、それによって、まだそこに存在する酸素と反応させる。前と同様に、図２Ａ及び図２Ｂに示される実施の形態のいずれかのデバイスにおいて、反応は燃焼器３７０内の触媒で、カソード３３０上で、又はそれら両方で生じることができる。パージ弁３４６はアノード流路３４０とカソード流路３５０との間の流体連通を可能にするために開かれる。これは、このときまで再循環ループ３５２に引き込まれる流体（現在は実質的に酸素がない）が、アノード３１０から残留する空気及び他の流体を除去することを可能にする。好ましくは、浄化流体は、浄化のためにカソード３３０の全容積を利用するためにカソード３３０の出口から引き出される。前のように、燃料不活性弁３４４を通るカソード・ループ３５０への燃料の流れは、カソード流路３５０において燃料と酸素との実質的な化学量論的比が維持されることができるように調整されることができる。フィードバックをベースとする制御器（図示されず）を備えることができ、酸素センサ３８０によって伝達される信号に基づいて、再循環ループ３５２を通過する流体における所望の燃料対酸素比を維持するために使用することができる。一旦、酸素がアノード３１０から除去されると、アノード３１０は、次に通常の動作を開始するために水素で充填される。このとき（前ではないなら）、燃料不活性弁３４４及びパージ弁３４６は閉じられ、燃料供給弁３４２が開かれる。通常動作期間に、燃料の流れは、制御器の使用を含む上記で議論されたものと類似する方法で調整されることができる。空気は、パージ弁３４６を開くことによってアノード３１０に供給されることができる。同様に、水素は、燃料不活性弁３４４を開くことによってカソード３３０に供給されることができるので、燃料電池３００が低温度環境に曝されるとき、動作開始を支援するために追加の加熱を提供する。
【００２２】
図２Ｃを詳細に参照すると、燃料電池システム１の動作停止のシーケンスは、上記図２Ａ及び図２Ｂに関連して議論されたシーケンスとは僅かに異なる。全部で３つの動作停止の構成は、アノード３１０への燃料の流れを停止するために燃料供給弁３４２を閉じることで開始し、それに続いて、カソード流路再利用弁３５６を開き、カソード出口弁３５４を閉じることでカソード流路のガスを再循環させ、次いで、図２Ｃの構成に独特の特徴である再循環ループ３５２内の過剰な酸素の消費が、燃料電池３００を停止させることができる方法で変わることができる。例えば、図示されるように、カソード３３０の上流側のパージ弁３４６の配置は、（アノード流路３４０及びカソード流路３５０を相互接続する弁の適切な操作時に）カソード３３０を通過する必要がない浄化流体として、アノード３１０への空気の導入を可能にする。これが有利なのは、空気はエアコンプレッサ３６０を通して単に給送されるだけであり、（燃焼器３７０又はカソード３３０における燃料及び空気の反応によって生成される不活性流体とは異なり）反応される必要はないため、反応に必要な燃料消費が低減されるので動作が単純化され、制御器３８０の監視及びフィードバックを行う必要はないからである。そのようなシステム動作に関する理論的根拠は、カソード３３０を不活性にする結果として燃料電池電圧の低減（図４に関連して以下に詳細に議論される）により、アノード３１０が空気で浄化されるときに通常の開回路電圧から生じる高い電極電位を生成することなく、空気でアノード３１０を浄化することができるという考えに基づいている。理解されるように、カソード３３０を不活性にするステップは、十分な水素をカソード３３０へ供給して、カソード３３０の触媒上で吸収される酸素を反応させることを可能にするステップを含む。アノード３１０とカソード３３０とのプレート間で測定された電圧が所定のレベル（０．４ボルトなど）より低下すると、さらなる不活化のステップは必要ない。したがって、他の２つのシステムと図２Ｃに示されるシステムを識別するのは、不活性流体生成及び分散に対する依存の低減である。これに関して、再循環ループ３５２で生成された流体が測定電圧を実質的に酸素の欠乏した不活性流体の存在と一般的に一致する所望レベルまで低減すると、図２Ｃの燃料不活性弁を遮断することができる。理解されるように、図２Ｃのシステムでの不活性流体の使用は低減されるけれども、全く無くなってしまうわけではない。これは、図２Ａ及び図２Ｂの再循環プロセスに類似する方法で再循環プロセス期間にカソード３３０から酸素を動かすことによって、開回路電圧の低減において有用だからである。
【００２３】
前の段落で議論された燃料電池システム１の停止シーケンスに類似して、図２Ｃのシステムの動作開始シーケンスは、不活性流体を連続して必要とすることなしに浄化する空気の導入を可能にする。３つの図示のシステム間に類似性があり、３つ全ての構成において、カソード流路３５０に配置された流体は再循環ループ３５２を通して再利用され、その後に、燃料は、再利用される流体が実質的に酸素欠乏状態になるまで、再利用される流体に導入され又はそれと反応する。さらに、全ての３つのシステムは、酸素消費が再循環ループ３５２で生じる期間のどこかの時点で（例えば、前述の停止ステップのために残されたままである）アノード３１０に残留する酸素と、カソード３３０における燃料（水素）の存在との結果として、負の電池電圧を示す。前に議論したように、カソード３３０の上流側のパージ弁３４６の配置は空気浄化を容易にし、図２Ｃのシステムの通常の動作は、アノード３１０を燃料で充填した後、アノード３１０の燃料がアノードに配置された酸素との反応を完了するよう膜３２０を通ってカソード３３０に到達することができるようにカソード３３０に空気を導入することによって、開始できる。
【００２４】
図１とともに図３を次に参照すると、本発明による燃料電池システムを組み込む車両が示される。燃料電池３００は燃料供給部１００Ａに流体結合される。車両は乗用車として抽象的に示されているが、他の車両の形態における燃料電池システムの使用も本発明の範囲内であることを当業者には理解される。
【００２５】
図４は、どのように燃料電池における電圧が始動、停止などの遷移状態期間に変動するかの表示である。燃料電池３００の動作状態の変化が生じると、アノード３１０及びカソード３３０における流体の構成が変化する。例えば、定常状態動作期間に、アノード３１０はアノードを通して流れる燃料（典型的には水素の形態）の比較的一定のストリームを有し、カソード３３０はカソードを通して流れる酸素（典型的には空気の形態）の比較的一定のストリームを有する。定常状態から動作停止へ進むなど遷移動作時に、アノード３１０に既に存在する水素は、陽子と電子とに変換されながら消費され続ける。この水素消費は、到来する空気（例えば、開いたアノード排出ラインから来る）によって充填される希薄なガス環境を作り、測定電圧より高い電極電位を作る前面（又は、水素と空気との界面）を生成する。通常の開回路電圧の下で前面の左側の燃料電池３００の部分は、約０．９ボルトのアノード３１０とカソード３３０との間の測定電位を示し、前面の右側の燃料電池３００の部分は、約１．７ボルトの電位を経験する（前面の右側の領域への不十分な面内陽子伝導のために、膜３２０での０．８ボルトの逆極性の負の電気化学電位低下と測定された０．９ボルトの開回路電圧とを含む）。これらの高められた電位の下で、前面の右側の燃料電池３００の部分は利用可能な水素の低減を経験し、したがって、その燃料源に対する電極上の炭素の酸化を助ける。０．４ボルトの低減された測定電圧を生成するように本発明によるシステムを動作することによって、電極電位差に対する電解質は約１．７ボルトから約１．２ボルトに低減されることができ（すなわち、カソード３３０の電圧に対するアノード３１０の測定された０．４ボルト及び−０．８ボルトの電気化学電位低下）。
【００２６】
上記の例示的な電圧を使用して、本発明のアプローチを用いることなく前面の左に対する様々な位置で測定された開回路電圧は、（０．９ボルトの正味の電圧に対して）アノード３１０で０ボルト、膜３２０で０ボルト、カソード３３０で０．９ボルトを生成する。前面の右側で測定された開回路電圧は、（前述の炭素酸化を引き起こすのに十分である）１．７ボルトの正味の電圧に対してアノード３１０で０ボルト、膜３２０で−０．８ボルト、カソード３３０で０．９ボルトを示す。本発明のアプローチを用いた後で前面の左側での様々な位置で測定された開回路電圧は、（０．４ボルトの正味の電圧に対して）アノード３１０で０ボルト、膜３２０で０ボルト、及びカソード３３０で０．４ボルトを生成する。同様に、前面の右側で測定された開回路電圧は、（従来のアプローチに対する炭素酸化の量を全体的に低減する）１．２ボルトの正味の電圧に対して、アノード３１０で０ボルト、膜３２０で−０．８ボルト、カソード３３０で０．４ボルトを示す。
【００２７】
所定の代表的な実施の形態及び詳細は、本発明を示す目的のために示されたが、当業者には明らかなように、様々な変更が、添付の請求項に規定される本発明の範囲から逸脱することなく行われ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】車両の応用に対して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１Ａのシステムからの代表的な燃料電池を示す。
【図１Ｃ】支持体上の触媒の配置を強調する、図１Ｂの燃料電池のアノードと膜との間の領域の拡大を示す図であり、触媒は燃料のイオン化を容易にするために使用される。
【図２Ａ】本発明の一態様による燃料電池システムのブロック図を示す。
【図２Ｂ】図２Ａのシステムの変形例を示す。
【図２Ｃ】パージ弁がカソードの上流側に配置された、図２Ａのシステムの変形例を示す。
【図３】図２Ａ又は図２Ｂの燃料電池システムを用いる車両を示す。
【図４】様々な電子及び陽子の流路と、燃料電池動作遷移期間に燃料電池を横切る流体の状況を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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