(57)【要約】燃料電池アセンブリ（２０）は、燃料電池アセンブリを運転するために用いられる独自の起動手順および停止手順を１つの要因として、動作寿命を延ばす。開示された実施例において、水素および窒素からなるパージ用混合気は、起動手順または停止手順の間にアセンブリの各部分を選択的にパージするために、２％未満の水素を含んでいる。開示された実施例において、水素−窒素混合気の水素含有量は０．１％未満である。
2008525980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池部を有する燃料電池アセンブリの運転方法において、
起動手順が、
（Ａ）前記燃料電池部を選択された動作温度にするために前記燃料電池部を加熱するステップと、
（Ｂ）起動手順のステップ（Ａ）を行いながら、前記燃料電池部の水素極および酸素極の流れ場をパージ用混合気によって定期的にパージするステップと、
（Ｃ）前記燃料電池部の温度が選択された動作温度に対応するとき、前記水素極の流れ場へ水素リッチな燃料を流し始めるステップと、
（Ｄ）前記燃料電池部に結合したすべての補助電気負荷を機能しなくするステップと、
（Ｅ）前記酸素極の流れ場へ空気を流し始めるステップと、
（Ｆ）前記燃料電池部を少なくとも一つのアイドル状態の主要電気負荷に接続するステップと、
を含み、
あるいは、
停止手順が、
（Ａ）前記燃料電池部がアイドル状態の主要電気負荷に結合しているとき、燃料電池部の平均温度を動作温度から選択された低い温度まで下げるステップと、
（Ｂ）前記主要電気負荷を前記燃料電池部から切り離すステップと、
（Ｃ）前記酸素極の流れ場への空気流を停止するステップと、
（Ｄ）前記燃料電池部の電圧をセル１個当たり０．２Ｖ未満に低下させるために、停止手順のステップ（Ｃ）を行いながら、前記燃料電池部に補助電気負荷を接続するステップと、
（Ｅ）前記酸素極の流れ場を通してパージ用混合気を流すステップと、
（Ｆ）前記燃料電池部への水素リッチな燃料の流れを止めるステップと、
（Ｇ）前記水素極の流れ場にパージ用混合気を流すステップと、
（Ｈ）前記燃料電池部を選択された保管温度まで冷却するステップと、
（Ｉ）停止手順のステップ（Ｈ）を行いながら、前記酸素極の流れ場および前記水素極流れ場を、パージ用混合気で定期的にパージするステップと、
を含み、
両手順のうち少なくとも一方を実行することを含む燃料電池アセンブリの運転方法。
【請求項２】
前記停止手順が、前記燃料電池部が前記選択された保管温度に達した後に、前記酸素極の流れ場および前記水素極流れ場を、パージ用混合気で定期的にパージすることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記起動手順および前記停止手順の両方を実行することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記パージ用混合気が、２％未満の水素を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記起動手順の前記パージ用混合気が、約０．１％未満の水素を含む水素−窒素混合気からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記停止手順のステップ（Ａ）における前記動作温度が、少なくとも約３５０°Ｆ（１７７℃）であり、選択された低い温度が約３００°Ｆ（１５０℃）であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記動作温度が約２５０ＡＳＦの負荷に対応し、前記選択された低い温度が約５０ＡＳＦの負荷に対応することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記停止手順で使用される前記パージ用混合気が、約０．１％未満の水素を含む水素−窒素混合気からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記停止手順のステップ（Ｈ）の前記選択された保管温度が、約１１０°Ｆ（約４３℃）から約１４０°Ｆ（約６０℃）の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料電池アセンブリが燃料処理部を含み、かつ、前記起動手順が、
前記少なくとも選択された一要素を選択された動作温度にするために、前記起動手順のステップ（Ａ）を実行しながら、前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素を加熱するステップと、
前記燃料処理部の温度が前記選択された動作温度に対応するとき、前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素へ反応物を流し始めるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料電池アセンブリが燃料処理部を含み、かつ、前記停止手順が、
前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素への炭化水素燃料の流れを止めることにより、前記停止手順のステップ（Ｆ）を実行するステップと、
前記停止手順のステップ（Ｇ）を実行しながら、前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素へパージ用混合気の流れを供給するステップと、
前記停止手順のステップ（Ｈ）およびステップ（Ｉ）を実行しながら、前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素を、前記パージ用混合気で定期的にパージするステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記停止手順が、前記燃料電池部が前記選択された保管温度に達した後に、少なくとも前記燃料処理部の前記選択された一要素と、前記酸素極の流れ場と、前記水素極の流れ場とを、前記パージ用混合気で定期的にパージするステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
燃料電池部を有する燃料電池アセンブリを起動する方法において、
起動手順が、
（Ａ）前記燃料電池部を前記燃料電池部を選択された動作温度に加熱するステップと、
（Ｂ）前記起動手順のステップ（Ａ）を行いながら、前記燃料電池部の水素極および酸素極の流れ場を、パージ用混合気で定期的にパージするステップと、
（Ｃ）前記燃料電池部の温度が前記選択された動作温度に対応するとき、前記水素極の流れ場へ水素リッチな燃料を流し始めるステップと、
（Ｄ）前記燃料電池部に結合したすべての補助電気負荷を機能しないようにするステップと、
（Ｅ）前記酸素極の流れ場へ空気を流し始めるステップと、
（Ｆ）前記燃料電池部を少なくとも一つのアイドル状態の主要電気負荷に接続するステップと、
を含む燃料電池アセンブリを起動する方法。
【請求項１４】
前記パージ用混合気が、２％未満の水素を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記パージ用混合気が、約０．１％未満の水素を含む水素−窒素混合気からなることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料電池アセンブリが燃料処理部を含み、
少なくとも前記選択された要素を選択された動作温度にするために、ステップ（Ａ）を実行しながら、前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素を加熱するステップと、
前記燃料処理部の温度が前記選択された動作温度に対応するとき、前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素へ反応物を流し始めるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
燃料電池部を有する燃料電池アセンブリを停止する方法において、
停止手順が、
（Ａ）前記燃料電池部がアイドル状態の主要電気負荷に結合しているとき、前記燃料電池部の平均温度を動作温度から選択された低い温度まで下げるステップと、
（Ｂ）前記燃料電池部から前記主要電気負荷を切り離すステップと、
（Ｃ）前記酸素極の流れ場への空気流を停止するステップと、
（Ｄ）前記燃料電池部の電圧をセル１個当たり０．２Ｖ未満に低下させるために、前記停止手順のステップ（Ｃ）を行いながら、前記燃料電池部に補助電気負荷を接続するステップと、
（Ｅ）前記酸素極の流れ場を通してパージ用混合気を流すステップと、
（Ｆ）前記燃料電池部への水素リッチな燃料の流れを止めるステップと、
（Ｇ）前記水素極の流れ場にパージ用混合気を流すステップと、
（Ｈ）前記燃料電池部を選択された保管温度まで冷却するステップと、
（Ｉ）前記停止手順のステップ（Ｈ）を行いながら、前記酸素極の流れ場および前記水素極の流れ場を、パージ用混合気で定期的にパージするステップと、
を含む燃料電池アセンブリを停止する方法。
【請求項１８】
前記燃料電池部が選択された保管温度に達した後に、前記酸素極の流れ場および前記水素極の流れ場を、前記パージ用混合気で定期的にパージすることを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
ステップ（Ａ）における前記動作温度が少なくとも約３５０°Ｆ（１７７℃）であり、選択された低い温度が約３００°Ｆ（１５０℃）であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記パージ用混合気が、２％未満の水素を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記パージ用混合気が、約０．１％未満の水素を含む水素−窒素混合気からなることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（Ｈ）の前記選択された保管温度が、約１１０°Ｆ（４３℃）から約１４０°Ｆ（６０℃）の範囲にあることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記燃料電池アセンブリが燃料処理部を含み、
前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素への炭化水素燃料の流れを止めることによりステップ（Ｆ）を実行するステップと、
ステップ（Ｇ）を実行しながら、前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素に約２％未満の水素を含むパージ用混合気の流れを供給するステップと、
ステップ（Ｈ）および（Ｉ）を実行しながら、前記燃料処理部の少なくとも選択された一要素を、前記パージ用混合気で定期的にパージするステップと、
を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料電池部が、前記選択された保管温度に達した後に、少なくとも前記燃料処理部の前記選択された一要素と、前記酸素極の流れ場と、前記水素極の流れ場とを、前記パージ用混合気で定期的にパージすることを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池の動作寿命を延ばすための起動および停止の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池はよく知られている。典型的な構成は、燃料処理部と燃料電池スタックすなわち燃料電池部とからなる。燃料電池アセンブリは既知の動作の仕方で電力を発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池アセンブリの設計者が直面する１つの課題は、長い動作寿命を経済的に実現することである。燃料電池アセンブリの稼動寿命には、多くの要因が影響する。例えば燃料電池アセンブリが運転状態から保管状態に移行する停止の仕方が、燃料電池アセンブリの寿命の間に起きる性能の劣化に影響する。具体的には、温度と電気化学ポテンシャルとの相乗作用で起きる炭素系触媒担体の酸化が性能の低下をもたらすが、低下の速さは少なくとも部分的に燃料電池アセンブリの運転を停止する手順に左右される。
【０００４】
燃料電池アセンブリの稼動寿命を長くするために、様々な技術が提案されてきた。例えば米国特許第５,０４５,４１４号は、リン酸形燃料電池の停止操作において酸素−窒素ガスを酸素極側のパージガスとして使うことを開示している。この特許はまた、補助電気負荷を使用することで酸素極の電位を下げることも教示している。米国特許第６,５１９,５１０号は、パージを実行する前に、燃料電池部をアイドル状態の負荷(idle load)で運転しながら、燃料電池を動作温度から遷移温度(transition temperature)まで冷却することを開示している。米国特許第６,６３５,３７０号は、燃料電池の寿命を長くするように空気流を選択的に制御し、かつ電池電圧を低下させることを含む起動手順および停止手順を開示している。
【０００５】
当業者らは常に改良を行っている。本発明は、燃料電池アセンブリの稼動寿命を延ばす上で優れた結果をもたらす独自の起動手順および停止手順を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
燃料電池アセンブリを運転するための起動手順の一実施例は、アセンブリの少なくとも燃料電池部および燃料処理部を加熱して、加熱した部分を選択された動作温度にすることを含む。これらの部分を動作温度に加熱する間に、燃料電池部の水素極(anode)および酸素極(cathode)の流れ場を、約２％未満の水素を含む水素−窒素混合気で定期的にパージする。一実施例では、この混合気の水素含有量は約０．１％未満である。
【０００７】
少なくとも燃料処理部の温度が選択された動作温度に対応するとき、燃料処理部へ反応物を流し始める。少なくとも燃料電池部の温度が選択された動作温度に対応するとき、水素リッチな燃料を水素極流れ場へ流し始める。このとき燃料電池部に結合した補助電気負荷はすべて機能しない。
【０００８】
その後、酸素極の流れ場へ空気を流し始め、燃料電池部を、少なくともアイドル状態にある主要電気負荷に接続する。
【０００９】
燃料電池アセンブリを運転するための停止手順の一例は、燃料電池部をアイドル状態の負荷に結合しているとき、燃料電池部の平均温度を動作温度から選択された低い温度まで下げることを含む。選択された温度に達したら、主要電気負荷を燃料電池部から切り離す。燃料電池部の酸素極の流れ場への空気流を停止するのと同時に、補助電気負荷を燃料電池部に接続することで、燃料電池部の電圧をセル１個当たり約０．２Ｖ未満に低下させる。
【００１０】
約２％未満の水素を含む水素−窒素混合気を酸素極の流れ場に流し始める。一実施例では、酸素極の流れ場の空所体積(void volume)の少なくとも３倍の体積の混合気が使用される。燃料処理部への炭化水素燃料の流れを止めるのと同時に、燃料電池部への水素リッチな燃料の流れを止める。約２％未満の水素を含む水素−窒素混合気を、燃料電池部の水素極の流れ場および燃料処理部を通して流し始める。一実施例では、水素極の流れ場の空所体積および燃料処理部それぞれの少なくとも約３倍の体積の混合気が使用される。
【００１１】
その後、燃料電池部を選択された保管温度まで冷却する。燃料電池部を冷却する間に、酸素極の流れ場、水素極流れ場、および燃料処理部を、約２％未満の水素を含む水素−窒素混合気で定期的にパージする。
【００１２】
燃料電池部が選択された保管温度に達したら、酸素極の流れ場、水素極流れ場、および燃料処理部を、約２％未満の水素を含む水素−窒素混合気で定期的にパージする。
【００１３】
一実施例では、停止手順の様々な段階で使用されるパージ用水素−窒素混合気の水素含有量は約０．１％未満である。
【００１４】
好適な実施形態に関する下記の詳細な説明を読めば、当業者には本発明の様々な特徴および利点が明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、燃料電池部２２を含む燃料電池アセンブリ２０を模式的に示す。既知のように、燃料電池部２２は水素極２４と酸素極２６を有する燃料電池を含む。既知のように、水素極２４と酸素極２６はそれぞれ触媒層および流れ場を含む。典型的な燃料電池部２２は複数の燃料電池のスタックを含むことにより、複数の水素極および複数の酸素極を備える。一実施例では、燃料電池部２２はリン酸形燃料電池のスタックからなる。燃料電池部２２は既知の動作の仕方をする。
【００１６】
燃料処理部２８も既知の動作の仕方をする。燃料処理部２８は水素添加脱硫器、水蒸気改質器、および水ガスシフト反応器(water gas shift reactor)のような既知の要素を含む。一実施例における水蒸気改質器内の触媒はニッケルのような卑金属であり、シフト反応器内の触媒は銅のような卑金属である。ニッケルを含有する改質器は既知の理由により、ニッケルカルボニルの生成を防ぐために、停止手順の間に不活性ガスでパージしなければならない。銅を含有するシフト反応器は、その活性を低下させる銅の酸化を防止するために、停止手順の間に不活性ガスでパージしなければならない。
【００１７】
燃料処理部２８の一例は、改質器およびシフト反応器内に貴金属触媒を有する。このような貴金属を含有する燃料処理部２８の要素は、劣化することなく空気に露出することができる。この貴金属を含有する要素は、起動動作および停止動作のとき、水素−窒素混合気でパージする必要が無い。このような実施例では以下において説明するように、燃料処理部の一部のみが水素−窒素混合気でパージされる。従って、本明細書における燃料処理部のパージに関する考察は、このようなパージによって有益な結果が得られるような要素のみに該当すると理解されたい。
【００１８】
燃料電池アセンブリ２０の実施例では、独自の起動手順および停止手順により性能の経時的劣化を軽減することで、部分的に動作寿命が長くなり、その結果、稼動寿命が延びてアセンブリ２０によって発生する電力コストが低下する。
【００１９】
燃料電池アセンブリ２０を運転するための起動手順の一実施例は、少なくとも燃料電池部２２と燃料処理部２８の適切な部分とを加熱して、加熱された部分を選択された動作温度にすることを含む。これらの部分を動作温度に加熱する間に、水素極２４および酸素極２６の流れ場を、供給源３０からのパージガスによって定期的にパージする。
【００２０】
一実施例では、パージガスは約２％未満の水素を含む水素と不活性ガスとの混合気である。好適な実施形態では、この混合気の水素含有量は約０．１％未満である。
【００２１】
水素−窒素混合気はパージガスとして、酸素−窒素混合気よりも優れている。ここに開示する水素−窒素混合気は、性能の低下をもたらすことが少ないので、アセンブリ２０の稼動寿命が長くなる。
【００２２】
ここで説明する実施例で使用されるパージガスは水素−窒素混合気である。窒素の代わりに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびラドンのうち、どの不活性ガスを使用してもよい。燃料電池の環境において不活性なガスを、窒素の代わりに使用してもよい。そのようなガスのひとつは、二酸化炭素である。
【００２３】
少なくとも燃料処理部２８の温度が選択された動作温度に対応するとき、反応物を燃料処理部２８へ流し始める。少なくとも燃料電池部２２の温度が選択された動作温度に対応するとき、水素リッチな燃料を水素極２４の流れ場へ流し始める。手順のこの辺りで、燃料電池部に結合していたすべての補助電気負荷４０を既知の方法で機能しないようにする。図は、燃料電池を使用しない期間に、既知の動作の仕方でセル電位を下げる補助電気負荷４０も示している。
【００２４】
その後、酸素極２６の流れ場へ空気を流し始め、燃料電池部２２を少なくともアイドル状態にある主要電気負荷４２に既知の技術で接続する。燃料電池部２２での初期負荷は、主負荷４２の条件に対応するので、アイドル状態の負荷より大きくなる場合がある。
【００２５】
燃料電池アセンブリ２０を運転するための停止手順のひとつに、燃料電池部２２に接続した主負荷４２がアイドル状態にあるとき、燃料電池部２２の平均温度を動作温度から選択された低い温度まで下げることを含む。一実施例では、負荷が約２５０ＡＳＦの時の動作温度は約３５０°Ｆ（１７７℃）よりも高く、また選択された低い温度は負荷が約５０ＡＳＦの時に約３００°Ｆ（１５０℃）である。選択された温度に達したら、既知の技術で主要電気負荷４２を燃料電池部２２から切り離す。酸素極２６の流れ場への空気流を停止するのと同時に、補助電気負荷４０を燃料電池部２２に接続することで、燃料電池部２２の電圧を低下させる。一実施例では、低下した電圧はセル１個当たり約０．２Ｖ未満である。
【００２６】
水素−窒素混合パージガスを酸素極２６の流れ場を通して流し始める。燃料処理部２８への炭化水素燃料の流れを止めることにより、燃料電池部２２への水素リッチな燃料の流れを止める。供給源３０からの水素−窒素混合気を、水素極２４の流れ場および燃料処理部２８を通して流し始める。一実施例では、水素極２４の流れ場の空所体積および燃料処理部２８それぞれの少なくとも約３倍の体積のパージガスが使用される。好適な実施例では、停止手順で使用される水素−窒素混合パージガスの水素含有量は約０．１％未満である。
【００２７】
その後、燃料電池部２２を選択された保管温度まで冷却する。一実施例では、保管温度は約１１０°Ｆ〜１４０°Ｆ（４３℃〜６０℃）の範囲である。燃料電池部２２を冷却する間に、酸素極２６の流れ場、水素極２４の流れ場、および燃料処理部２８を、水素−窒素混合気で定期的にパージする。
【００２８】
燃料電池部２２が選択された保管温度に達したら、酸素極２６の流れ場、水素極２４の流れ場、および燃料処理部２８を、水素−窒素混合気で定期的にパージする。
【００２９】
例示的な停止手順の１つの独自の特徴は、酸素極２６の流れ場および燃料処理部２８を水素−窒素混合気でパージすることである。酸素極２６をパージすることで、酸化剤入口から空気および出口マニホールドからの空気をそれぞれ置き換えるか、あるいは一掃する。その結果、酸素極２６への空気流を単純に止めるのと比べて、さらに効果的に酸素極２６が不動態化する。
【００３０】
炭化水素を改質する燃料ではなく、純粋な水素を燃料とする燃料電池アセンブリの運転に汎用できる可能性がある。そのような水素の供給源のひとつは、既知の塩化アルカリプロセスを用いる塩素製造から出る副産物としての水素である。このような燃料電池アセンブリは、上記のような燃料処理部を含まない。一実施例では、このような燃料電池アセンブリの燃料電池部も、上記のように起動され、停止されるであろう。
【００３１】
上記の説明は制限的なものではなく、例示的なものである。本発明の趣旨から逸脱することなく、開示された実施例に変更および修正が行えることは、当業者には明白であろう。本発明に与えられる法的な保護の範囲は、以下の請求項を検討することによってのみ決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例により設計された手順を使用して運転する燃料電池アセンブリの部分的模式図。
【図１】
2008525980.tif 000003
【国際調査報告】
2008525980.tif 000004
2008525980.tif 000005