(57)【要約】単一の燃料電池、燃料電池スタック及び燃料電池アレイなどの少なくとも１つの燃料電池と、燃料供給部と、調節可能な燃料電池電流負荷部とを含む燃料電池ガスパージシステムが提供される。このシステムは、燃料電池内に蓄積した非燃料物質を前記燃料電池からパージするべく配置された前記燃料電池の内部圧力と外部圧力との圧力差に従って作動する少なくとも１つの受動的パージバルブをさらに含む。前記受動的パージバルブは、受動的二方向バルブ（例えばドーム型バルブ）または受動的一方向バルブであり得る。また、このシステムは、前記パージを開始するべく前記燃料電池の前記内部圧力を増加させる時期を判断するためのパージ要求モジュール及び前記パージを完了するべく前記燃料電池の前記内部圧力を減少させる時期を判断するためのパージ完了モジュールを有するパージ制御モジュールをさらに含む。前記非燃料物質は、非燃料ガスまたは凝縮水であり得る。【選択図】図２
2011511416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池ガスパージシステムであって、
（ａ）少なくとも１つの燃料電池と、
（ｂ）燃料供給部と、
（ｃ）調節可能な燃料電池電流負荷部と、
（ｄ）前記燃料電池内に蓄積した非燃料物質を前記燃料電池外にパージするべく前記燃料電池に接続された、前記燃料電池の内部圧力と外部圧力との圧力差に従って作動する少なくとも１つの受動的パージバルブと、
（ｅ）前記パージを開始するべく前記燃料電池の前記内部圧力を増加させる時期を判断するためのパージ要求モジュール及び前記パージを完了するべく前記燃料電池の前記内部圧力を減少させる時期を判断するためのパージ完了モジュールを有するパージ制御モジュールと
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記燃料電池が、水素燃料電池、プロパン燃料電池、ブタン燃料電池及びメタン燃料電池から成る群より選択されることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記少なくとも１つの燃料電池が、単一の燃料電池、燃料電池スタック及び燃料電池アレイから成る群より選択されることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記非燃料物質が、非燃料ガス及び凝縮水から成る群より選択されることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
通常運転時は、前記燃料電池の前記内部圧力が前記受動的パージバルブのクラッキング圧力よりも低く保たれるように前記調節可能な燃料電池電流負荷部により調節し、
パージ時は、前記燃料電池の前記内部圧力が前記受動的パージバルブの前記クラッキング圧力よりも高くなるように前記調節可能な燃料電池電流負荷部により調節するようにしたことを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記調節可能な燃料電池電流負荷部が、充電電流が調節可能なバッテリに接続されたバッテリ充電回路を含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記受動的パージバルブが、受動的二方向バルブ及び受動的一方向バルブから成る群より選択されることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記受動的二方向バルブが、ドーム型バルブを含むことを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記受動的パージバルブの前記クラッキング圧が、６８９４．７５７Ｐａ（１ＰＳＩ）であることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記少なくとも１つの燃料電池が、少なくとも２つの燃料電池を直列に接続して構成した燃料電池アレイであり、
前記燃料供給部が、前記燃料電池アレイの近位端に位置する燃料電池に接続され、
前記受動的パージバルブが、前記燃料電池アレイの遠位端に位置する燃料電池に接続されたことを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記少なくとも１つの燃料電池が、少なくとも２つの燃料電池を直列に接続して構成した燃料電池アレイであり、
前記パージ要求モジュールは、前記燃料電池アレイのうちの任意の燃料電池の電圧が所定の閾値を下回った場合に、前記非燃料物質をパージする必要があると判断することを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記パージ要求モジュールは、前記燃料電池アレイのうちの前記受動的パージバルブに接続された前記燃料電池の電圧が所定の閾値を下回った場合に、前記非燃料物質をパージする必要があると判断することを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記パージ完了モジュールは、前記受動的パージバルブからパージされたガスが主として燃料を含むようになったことが検出された場合に、前記少なくとも１つの燃料電池から前記非燃料物質がパージされたことを判断することを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記少なくとも１つの燃料電池が、少なくとも２つの燃料電池を直列に接続して構成した燃料電池アレイであり、
前記受動的パージバルブからパージされた前記非燃料物質が、前記燃料電池アレイのうちの１若しくは複数の燃料電池のカソードに導かれるように構成され、
前記パージ完了モジュールは、前記１若しくは複数の燃料電池の圧力が所定の閾値電圧を下回った場合に、前記非燃料物質がパージされたと判断することを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記受動的パージバルブからパージされた前記非燃料物質が、大気存在下の触媒床に導かれるように構成され、
前記パージ完了モジュールは、前記触媒床の温度が所定の閾値温度を超えた場合に、前記非燃料物質がパージされたと判断することを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記触媒が、白金、パラジウム、ルテニウム、マンガン酸化物、銀酸化物及びコバルト酸化物から成る群より選択されることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記パージ完了モジュールは、タイマーを使用して、前記非燃料物質がパージされた時期を判断することを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
前記タイマーの設定時間は、前記少なくとも１つの燃料電池のパージ開始前の電流負荷に従って決定されることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１に記載の燃料電池ガスパージシステムであって、
補助的燃料電池をさらに含み、
前記受動的パージバルブからパージされた前記非燃料物質が前記補助的燃料電池のアノードに導かれるように構成され、
前記パージ完了モジュールは、前記補助的燃料電池の電流または電圧の出力が所定の閾値レベルを超えた場合に、前記非燃料物質がパージされたと判断することを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、パージが必要となる時期及びパージが完了した時期を判断することができるようにした、水素燃料電池から水素をパージするためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
大気から酸素が供給される燃料電池システムでは、燃料電池の電解質を通過するガス拡散率に限界があるため、燃料流内に大気中の非反応性成分（主に窒素及び多少の水蒸気または凝集水）が蓄積する。不活性ガスの蓄積は燃料濃度の低下をもたらし、やがては燃料電池の出力電圧を低下させる。したがって、燃料電池を連続運転するためには、燃料区画内のガスを定期的にパージする必要がある。また、燃料電池システムは、多くの場合、内部圧力または真空が危険レベルに達した場合に、装置の損傷及び／またはユーザへの危険を防止するべくガスを逃がすための安全弁を備えている。このような問題を解決するためには、能動的パージバルブを使用する方法と受動的パージバルブを使用する方法との２つの方法がある。能動的パージバルブを使用するシステムでは、燃料及び蓄積した窒素を必要に応じて逃がすための電気的または機械的に制御されたバルブが燃料ガス流の流路出口に配置される。小型のマイクロ燃料電池システムでは、サイズ及び重量の最小化が所望される場合、パーカー・ハネフィン社（Parker Hannifin）から入手可能なＸ型バルブなどの小型バルブが使用されることが多い。これらの能動的バルブには、高コスト及び高消費電力などの、様々な問題点がある。また、これらの能動的バルブは、適切に機能させるためには外部から正確に制御する必要があるので、安全パージバルブとしては信頼性が低いという問題点もある。受動的パージバルブを使用するシステムは、ガス圧力または真空が所定圧力に達したときに、前記圧力を解放することができる。システムの作動圧力をバルブのパージ圧力よりも高くし、前記バルブからガスを逃がすことによって、蓄積した非反応性ガスをパージすることができる。このような受動的バルブは、能動的バルブよりも安価であると共に、外部制御を必要としないために能動的バルブよりも信頼性が高い。このような受動バルブとしては、スマート・プロダクツ社（Smart Products）から入手可能なものなどのポペットバルブや、ヴェルネイ社（Vernay）から入手可能なものなどのダックビルバルブがある。受動バルブを利用したパージシステムの場合でも、燃料損失や過度のパージを避けるために、パージバルブの上流側圧力を適切に制御する必要がある。例えば、多くの水素燃料電池システムでは、水素は例えば二元系の化学反応を用いてオンデマンドで生成される。このようなシステムでの反応時間は、多くの場合、化学的水素反応システムにおける熱質量及び質量移動の限界に起因する待ち時間及び長時定数として特徴付けられる。このような限界は、圧力変更を素早くかつ頻繁に行うことを不可能にし、それ故に、受動的パージバルブを利用したパージを非実用的なものとする。
【０００３】
さらに、従来のパージ方法は、蓄積した非燃料ガスの全てがシステムからパージされた時期を判断することができなかった。この曖昧性を補償するために、受動的パージバルブを備えたシステムは、燃料を余分にパージする必要があった。その場合、安全上の問題や燃料の浪費が生じるという問題があった。また、前記システムでは、パージが失敗に終わる危険性があった。その場合、システム出力が減少したり動作が不安定になったりするという問題があった。
【０００４】
したがって、高い燃料利用率を維持しながら、システムの複雑さを最小化した、単純で、低コストかつ効果的な燃料電池用パージシステムを開発する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池ガスパージシステムを提供する。このガスパージシステムは、少なくとも１つの燃料電池と、燃料供給部と、調節可能な燃料電池電流負荷部とを含む。このガスパージシステムは、燃料電池内に蓄積した非燃料物質を前記燃料電池外へパージするべく配置された、燃料電池の内部圧力（バルブの上流側の圧力）と燃料電池の外部圧力（バルブの下流側の圧力）との圧力差に従って作動する少なくとも１つの受動的パージバルブと、パージ要求モジュール及びパージ完了モジュールを有するパージ制御モジュールとをさらに含む。パージ要求モジュールは、前記パージを開始するべく燃料電池の内部圧力を増加させる時期を判断するためのものであり、パージ完了モジュールは、前記パージを完了するべく燃料電池の内部圧力を減少させる時点を判断するためのものである。
【０００６】
本発明の一態様では、燃料電池は、水素燃料電池、プロパン燃料電池、ブタン燃料電池またはメタン燃料電池であり得る。
【０００７】
本発明の一態様では、前記少なくとも１つの燃料電池は、単一の燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池アレイまたはそれらの任意の組み合わせであり得る。
【０００８】
本発明のさらなる態様では、非燃料物質には、非燃料ガス及び／または凝縮水が含まれ得る。
【０００９】
本発明の別の態様では、非パージ時は、燃料電池の内部圧力が受動的パージバルブのクラッキング圧力よりも低く保たれるように調節可能な燃料電池電流負荷部により調節し、パージ時は、燃料電池の内部圧力が受動的パージバルブのクラッキング圧力よりも高くなるように調節可能な燃料電池電流負荷部により調節するようにする。
【００１０】
別の態様では、調節可能な燃料電池電流負荷部は、充電電流が調節可能なバッテリに接続されたバッテリ充電回路を含む。
【００１１】
さらなる別の態様では、受動的パージバルブは、受動的二方向バルブまたは受動的一方向バルブであり得る。受動的二方向バルブには、ドーム型バルブが含まれ得る。
【００１２】
一態様では、受動的パージバルブのクラッキング圧力は、６８９４．７５７Ｐａ（１ＰＳＩ）である。
【００１３】
本発明のさらなる態様では、前記少なくとも１つの燃料電池が、少なくとも２つの燃料電池を直列に接続して構成した燃料電池アレイであり、燃料供給部は、前記燃料電池アレイの近位端に位置する燃料電池に接続され、受動的パージバルブは、前記燃料電池アレイの遠位端に位置する燃料電池に接続される。
【００１４】
一態様では、前記少なくとも１つの燃料電池が、少なくとも２つの燃料電池を直列に接続して構成した燃料電池アレイであり、パージ要求モジュールは、前記燃料電池アレイのうちの任意の燃料電池の電圧が所定の閾値を下回った場合に、非燃料物質をパージする必要があると判断する。あるいは、前記パージ要求モジュールは、前記燃料電池アレイのうちの受動的パージバルブに接続された燃料電池の電圧が所定の閾値を下回った場合に、非燃料物質をパージする必要があると判断する。
【００１５】
別の態様では、パージ完了モジュールは、受動的パージバルブからパージされたガスの主成分が燃料であることが検出された場合に、前記少なくとも１つの燃料電池から非燃料物質がパージされたと判断する。
【００１６】
本発明のさらなる態様では、前記少なくとも１つの燃料電池が、少なくとも２つの燃料電池を直列に接続して構成した燃料電池アレイであり、受動的パージバルブからパージされた非燃料物質が、前記燃料電池アレイのうちの１若しくは複数の燃料電池のカソードに導かれるように構成され、パージ完了モジュールは、前記１若しくは複数の燃料電池の圧力が所定の閾値電圧を下回った場合に、非燃料物質がパージされたと判断する。
【００１７】
本発明のさらなる別の態様では、受動的パージバルブからパージされた非燃料物質が、大気存在下の触媒床に導かれるように構成され、パージ完了モジュールは、触媒床の温度が所定の閾値温度を超えた場合に、非燃料物質がパージされたと判断する。前記触媒は、白金、パラジウム、ルテニウム、マンガン酸化物、銀酸化物またはコバルト酸化物であり得る。
【００１８】
本発明の別の態様では、前記パージ完了モジュールは、タイマーを使用して、前記非燃料物質がパージされた時期を判断する。タイマーの設定時間は、パージ開始前の前記少なくとも１つの燃料電池の電流負荷に従って決定される。
【００１９】
さらなる態様では、補助的燃料電池をさらに含み、受動的パージバルブからパージされた非燃料物質が前記補助的燃料電池のアノードに導かれるように構成され、パージ完了モジュールは、前記補助的燃料電池の電流または電圧の出力が所定の閾値レベルを超えた場合に、非燃料物質がパージされたと判断する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明の目的及び利点は、下記の詳細な説明を添付図面を参照しながら読むことによって理解できるであろう。
【００２１】
【図１】タイマーを利用してパージの完了を検出する手段を有する本発明の燃料電池ガスパージシステムを示す。
【図２】パージの完了を検出する手段を有する本発明の燃料電池ガスパージシステムを示す。
【図３】複数の燃料電池から構成され、前記複数の燃料電池の１若しくは複数に接続されるパージ排気ラインを有するシステムを示す。
【図４】前記システムをモニタし、パージガスが供給される燃料電池から取得した電圧データを使用してパージが効果的に完了した時期を判断するためのソフトウエアのアルゴリズムのフローチャートを示す。
【図５】補助的な燃料電池を備え、補助的な燃料電池のアノードに接続されるパージ排気ラインを有する燃料電池ガスパージシステムを示す。
【図６】大気存在下の触媒床を備え、触媒床に接続されるパージ排気ラインを有する燃料電池ガスパージシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
下記の詳細な説明には例示のための多くの具体的な詳細が含まれているが、下記の例示的な詳細に対する種々の変更及び修正が本発明の範囲内にあることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。したがって、下記に記載された本発明の好ましい実施形態に関する記述によって、本発明の特許請求の範囲の一般性が失われることも、特許請求の範囲が制限されることもない。
【００２３】
図面を参照して、図１は、本発明の一実施形態に従った、タイマーを利用した燃料電池ガスパージシステム１００を示す。例えばファンによって駆動される空気源１０４が接続された水素燃料電池１０２が示されている。空気源１０４から水素燃料電池１０２のカソード（図示せず）へ酸素が供給される。水素燃料電池１０２に供給された酸素は、空気排出ライン１０６から加湿空気の形態で排出される。本明細書では一例として水素燃料電池１０２を示しているが、本明細書の全体を通じて、水素燃料電池１０２は、例えばプロパン燃料電池、ブタン燃料電池またはメタン燃料電池などの様々な種類のガス燃料電池のいずれかであってもよいことを理解されたい。また、燃料電池は、単一の燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池アレイまたはそれらの任意の組み合わせであってもよいことを理解されたい。本実施形態は、少なくとも１つの水素燃料電池１０２を含む水素燃料電池ガスパージシステム１００である。ガスパージシステム１００は、水素燃料供給部１０８と、電流負荷を調節可能な水素燃料電流負荷部１１６をさらに含む。ガスパージシステム１００は、水素燃料電池１０２の燃料区画内に蓄積した非燃料物質１１０をパージするべく配置された少なくとも１つの受動的パージバルブ１１２をさらに含む。受動的パージバルブ１１２は、該バルブバルブを横切る圧力（すなわち、燃料電池の内部圧力と外部圧力）の圧力差に従って作動する。本明細書の全体を通じて、非燃料物質１１０は、非燃料ガスまたは凝縮水であり得ることを理解されたい。また、本明細書においては、受動的パージバルブ１１２は、受動的二方向バルブ（例えばドーム型バルブ）または受動的一方向弁であり得ることを理解されたい。また、ガスパージシステム１００は、パージ要求モジュール１２０とパージ完了モジュール１２２とを有するパージ制御モジュール１１８をさらに含む。パージ要求モジュール１２０は、パージを開始するべく水素燃料電池の内部圧力を増加させる時期（タイミング）を判断し、パージ完了モジュール１２２はパージを終了するべく水素燃料電池の内部圧力を減少させる時期を判断する。ここで、非燃料物質１１０は、非燃料ガスまたは凝縮水であり得る。本発明によれば、受動的パージバルブからパージされたパージガスが主として燃料を含むようになった時期を判断するための様々な方法が存在する。本実施形態では、パージ完了モジュール１２２は、タイマー１２４を使用することによって、非燃料物質がパージされた時期を判断することができる。ここで、タイマー１２４の設定時間は、前記少なくとも１つの水素燃料電池のパージ開始前の電流負荷に従って決定することができる。パージ開始前の電流負荷は、パージ開始前の水素流量の指標となる。水素流量と燃料電池アノードの既知の容積とに基づいて、パージが必要となる時期を判断することができる。
【００２４】
図２は、パージが完了したことを検出する機能を有する水素燃料電池ガスパージシステム２００を示す。パージ検出機能を有する燃料電池ガスパージシステム２００は、少なくとも１つの水素燃料電池１０２、水素燃料供給源１０８及び調節可能な水素燃料電池電流負荷部１１６を含む。システム２００は、水素燃料電池１０２内に蓄積した非燃料物質１１０をパージするべく配置された少なくとも１つの受動的パージバルブ１１２をさらに含む。また、システム２００は、パージ要求モジュール１２０とパージ完了モジュール１２２とを有するパージ制御モジュール１１８をさらに含む。パージ要求モジュール１２０は、パージを開始するべく水素燃料電池の内部圧力を増加させる時期を判断し、パージ完了モジュール１２２はパージを終了するべく水素燃料電池の内部圧力を減少させる時期を判断する。本実施形態では、パージ要求モジュール１２０は、燃料電池１０２の電圧（例えば、燃料電池スタックのうちの１つの燃料電池の電圧）が所定の閾値を下回った場合に、非燃料物質１１０をパージする必要があると判断する。
【００２５】
非パージ時は、受動的パージバルブ１１２の上流側圧力（燃料電池の内部圧力）がバルブ１１２のクラッキング圧よりも低く保たれるように、調節可能な水素燃料電池電流負荷部１１６により調節する（燃料電池１０２で消費される燃料（水素）の流量が、燃料供給源１０８から供給される燃料の流量と実質的に一致するように調節する）パージ時は、受動的パージバルブ１１２の上流側圧力（燃料電池の内部圧力）がバルブ１１２のクラッキング圧よりも高くなるように、調節可能な水素燃料電池電流負荷部１１６により調節する。燃料電池の内部圧力の増加は、燃料電池に供給される燃料の流量を一定に保ちながら（燃料電池負荷電流を減少させて）燃料電池１０２による燃料消費量を減少させることによりなされる。電流負荷の調節は素早く行うことができるので、燃料電池の内部圧力を素早く変更することが可能となる。したがって、パージを素早くかつ制御された態様で行うことが可能となる。
【００２６】
図２に示した実施形態では、受動的パージバルブ１１２は、水素燃料源１０８が並列接続された燃料電池スタック１０２の遠位端に配置される。水素燃料源１０８は、燃料電池スタック１０２の近位端に配置される。ここで、パージ要求モジュール１２０は、負荷時に、スタック１０２のうちの任意の燃料電池の電圧が所定の閾値を下回った場合に、非燃料物質１１０をパージする必要があると判断する。例えば、パージ要求モジュール１２０は、燃料電池スタック１０２のうちの受動的パージバルブ１１２に最も近接する燃料電池（受動的パージバルブに接続された燃料電池）の電圧が所定の閾値を下回った場合に、非燃料物質１１０をパージする必要があると判断する。
【００２７】
図２は、パージ検出機能を有する水素燃料電池ガスパージシステム２００を示す。パージバルブからパージされたパージガス２０２は、調節可能な電流負荷部１１６を有する燃料電池システム２００の１若しくは複数の燃料電池のカソード（図示せず）へ送達される。パージの初期に、パージバルブからパージされた不活性ガス及び他の非燃料物質１１０（例えば水蒸気／凝縮水）が燃料電池のカソードへ送達されたときは、特に低負荷または非負荷の場合、燃料電池の電圧に対する影響はほとんどない。その後、パージバルブから全ての非燃料物質１１０がパージされ、非燃料物質の代わりに純粋な水素がパージされるようになると、パージバルブからパージされた水素は燃料電池のカソードへ送達され、カソード触媒層で空気中に存在する酸素と触媒的に反応するため、燃料電池内の酸素が効果的に消費されることとなる。その結果、燃料電池の電圧の検出可能な減少が生じる。特に、受動的自然対流駆動型のカソード流システム（図３参照）では、パージバルブからパージされた非燃料物質１１０が燃料電池に送達された後に、パージバルブからパージされた水素のみが燃料電池に送達されることにより、パージが成功したことを確認することができる（このシステムでは、流れ経路の終端部に窒素が蓄積する傾向がある）。また、パージバルブからパージされた水素を燃料電池のカソードへ送達することは、水素により酸素などの触媒汚染物質を減少させることができるので、燃料電池１０２の作動において有益な効果を奏する。
【００２８】
一実施形態によれば、パージガス２０２は、これらに限定しないが、チューブを介してパージバルブ１１２から燃料電池１０２の表面へパージガスを導く手法や、パージの検出に使用するべくパージガス２０２が燃料電池１０２に導かれるようにパージバルブ１１２を設置する手法などの様々な手法によって、燃料電池１０２のオープンカソードへ導くことができる。
【００２９】
パージバルブと燃料電池１０２とを接続するパージラインの出口は、燃料電池カソードにおける、燃料電池の中央や縁部近傍などの様々な位置に配置することができる。パージラインの出口が燃料電池１０２の縁部近傍に配置される場合、パージラインから送達された燃料ガスはすぐに逃げてしまうので、パージの検出感度はより低いものとなる。このことは、燃料ガスの圧力制御が限られており、燃料電池１０２から過度の量のガスがパージされる可能性があるために燃料電池１０２の出力の制御が限定的である場合は、有利である。
【００３０】
図３は、本発明に係る、複数の別個の燃料電池３０４を含む燃料電池システム３００を示す。この燃料電池システム３００では、パージバルブから排出されたパージガス２０２は、システム３００の１若しくは複数の別個の燃料電池３０４に送達される。燃料電池アレイ１０２を有するシステムなどの様々な燃料電池システムでは、複数の燃料電池は、一連の燃料ガス流ライン３０２によって接続されており、自然対流により駆動されるカソードフローシステムを構成している。燃料ガス流ライン３０２は、圧力センサ３１０に接続されている。受動的パージバルブ１１２からパージされた非燃料物質１１０が、受動的パージバルブ１１２の上流に位置する、燃料電池アレイ１０２の燃料電池３０４に導かれると、パージ完了モジュール１１８は、燃料電池３０４の電圧が所定の閾値電圧を下回った場合に、非燃料物質１１０をパージされたと判断する。図示のように、受動的パージバルブ１１２は、少なくとも２つの水素燃料電池を直列に接続して構成した燃料電池アレイ１０２のうちの遠位端に位置する燃料電池に接続され、水素燃料源１０８は、アレイ１０２のうちの近位端に位置する燃料電池に接続される。図３に示したタイプのシステムでは、燃料電池アレイ１０２の遠位端に位置する燃料電池３０６に窒素ガスが経時的に蓄積し、やがては燃料電池３０６の電圧及び出力の低下を引き起こす。したがって、パージガス２０２をアレイ１０２の遠位端に位置する燃料電池３０６に送達するように構成すると、パージ検出モジュールは、アノード側における窒素の堆積に起因する電圧降下（この場合、パージを行う必要がある）と、パージが成功的に完了したことによる電圧降下（カソード側における触媒反応による酸素の消費に起因する電圧降下）とを区別することができないという問題が生じ得る。したがって、一実施形態では、アレイ１０２の近位側に位置する或る燃料電池３０４に対してパージガスを送達するように構成することが好ましい。
【００３１】
一実施形態では、調節可能な水素燃料電池電流負荷部１１６は、バッテリ３０８に取り付けられた充電回路を含むことができる。バッテリ３０８の充電電力は調節可能であり得る。一態様では、バッテリ３０８は、例えば、定電流などの充電されるべきものに基づいては充電されず、水素の生成量に基づいて充電される。ここで、バッテリ３０８は、パージバルブ１１２の上流側圧力（燃料電池の内部圧力）をバルブのクラッキング圧力よりも低く保つために必要な容易に利用可能なエネルギーストレージとしてのみならず、燃料電池システムから外部ユーザへ継続的に（パージ中に出力低下が生じないように）最大出力を提供するためのハイブリッド装置としての役割を果たす。
【００３２】
本発明によれば、燃料電池、燃料電池スタックまたは燃料電池アレイのカソードにおいて水素ガスの存在を検出するための様々な手法が存在する。１つの手法は、或る燃料電池の電圧を、別の燃料電池の電圧と比較することである。パージガスが供給された燃料電池の電圧が、その燃料電池に隣接する別の燃料電池の電圧よりも大幅に低く、かつ、システム圧力（燃料電池の内部圧力）がパージ要求圧力（パージを行う必要があると判断される圧力）よりも低い圧力である場合、パージが成功したことを信頼性をもって結論することができる。
【００３３】
上述したパージガスを使用して判断する方法の１つのスキームは、ソフトウエアのアルゴリズムを使用してシステムをモニタし、パージガスが供給される燃料電池から取得した電圧データを使用してパージが効果的に完了した時期を判断することである。１つの可能な制御スキームは、これに限定しないが、図４に示したフローチャート４００に示す方法である。このスキームでは、システムのＣＰＵはまず、一般的に、直列接続された複数の燃料電池における一番後ろの燃料電池の電圧低下を検出した場合に、パージする必要があると判断する（ステップ４０２）。システムＣＰＵは、その後、システム圧力（燃料電池の内部圧力）をパージ圧力まで増加させる（ステップ４０４）。システム圧力を増加させる手法は、システムの種類に応じて異なる。液体と固体との間の二方向化学反応を利用して水素がオンデマンドで生成される１つの例示的な水素燃料電池システムでは、反応性固体を収容しているチャンバへの液体供給量（ポンプ流量）を増加させて水素生成量を増加させることによりシステム圧力を増加させることができる。あるいは、水素生成量を一定に保ちながら、図２及び図３に示した調節可能な電流負荷部１１６により燃料電池システムへの電流負荷を減少させて水素の消費率を減少させることによって、システム圧力を増加させることもできる。水素生成速度が遅いシステムの場合は、システムへの電流負荷を減少させることによってシステム圧力を増加させる手法が好ましい実施形態である。システム圧力がパージ圧力の最小閾値を超えると、システムＣＰＵは、パージが成功したことを示す、パージガスが供給された燃料電池（パージ検出燃料電池）の圧力降下４０６が検出されるまで待機する。このシステムは、その後、前記ポンプ流量を減少させるか、または燃料電池への電流負荷を増加させるのいずれかを行うことにより、システムの圧力をパージ圧力よりも低い圧力に戻し、水素が過度にパージされることを防止する。
【００３４】
本発明は、所定の圧力で二方向の流れを可能にする少なくとも１つの受動的パージバルブを使用する。可能性のある一実施形態では、燃料電池システムの受動的パージバルブとして、ドーム型のバルブが使用される。ドーム型バルブは、所定の圧力閾値に達したときに二方向の流れを可能にし、単一のバルブを圧力逃し、パージ及び真空逃がしとして使用することを可能にする。パージのための好ましいクラッキング圧は、６８９４．７５７Ｐａ（１ＰＳＩ）であり得る。
【００３５】
パージバルブアセンブリは、スタンドアローン部分であり得るか、または別のアセンブリに組み込まれ得る。一実施形態では、ドーム型バルブは、シリコン製の４尖型ドームバルブであり得る。これらのバルブは、低コスト及び非常に低い圧力でのシーリングの信頼性というさらなる利益を提供する。ドーム型バルブは、閉鎖時においてある程度のヒステリシスが得られるというさらなる利益を提供する。このことにより、パージをより素早く行うことが可能となる。このことは、平行流れ場構造体を有する燃料電池システムにおいて有益である。
【００３６】
図５は、補助的な燃料電池を有するシステム５００を示す。このシステム５００では、パージガス２０２が補助的燃料電池５０２のアノードに導かれるように構成される。補助的燃料電池５０２のカソードには、空気から酸素が供給される。前記空気（酸素）は、例えばファンなどの送風機５０６によって能動的に供給されるか、または好ましくは拡散によって受動的に供給される。受動的パージバルブ１１２からパージされたパージガス２０２は、補助的燃料電池５０２のアノードなどの水素センサに導かれる。パージ完了モジュール１２２は、補助的燃料電池５０２の出力（電圧または電流のいずれかであり得る）が閾値レベルを超えた場合に、非燃料物質１１０がパージされたと判断する。パージの初期に、パージバルブから補助的燃料電池のアノードへ不活性ガス及びその他の非燃料物質１１０（例えば水蒸気または凝縮水）が供給されたとき、補助的燃料電池５０２の開放電圧は低下し、負荷電流が印可されている場合は負荷電流は最小となる。その後、パージバルブから全ての非燃料物質１１０がパージされ、非燃料物質の代わりに純粋な水素がパージされるようになると、補助的燃料電池５０２の開放電圧は増加し、負荷電流が印可されている場合は負荷電流は大幅に増加する。補助的燃料電池５０２の負荷電流を閾値と比較することにより、パージ流における水素の純度を知ることができる。
【００３７】
別の実施形態では、図６は、触媒床２０２を利用するシステム６００を示す。このシステム６００では、パージガス２０２は、大気６０４の存在下の触媒床６０２に導かれる。パージ完了モジュール１２２は、触媒床６０２の温度６０６が閾値を超えた場合に、非燃料物質１１０が排出されたと判断する。触媒床の構造体は、例えば拡散またはベンチュリ効果により、パージガス２０２を大気６０４と混合させる。パージの初期では、不活性ガス及び他の非燃料物質１１０（例えば水蒸気または凝縮水など）が触媒床に供給され、触媒床と反応することなく触媒床を通過する。その後、パージバルブから全ての非燃料物質１１０がパージされ、非燃料物質の代わりに純粋な水素がパージされるようになると、触媒床に供給された水素は大気からの酸素と混合して触媒床において触媒的に発火し、熱及び水蒸気を生成する。触媒床６０２で測定された温度６０６は、パージ流における水素純度の良好な指標となる。この方法に好適な触媒は、白金族元素（白金、パラジウム、ルテニウムなど）、銀酸化物、コバルト酸化物、マンガン酸化物、または室温で良好な触媒反応性を示すその他の触媒から選択される。
【００３８】
以上、本発明の様々な実施形態について説明したが、これらは例示のためのものであり、いかなる意味においても本発明を限定するためのものではない。したがって、当業者は本明細書中の記載に基づいて、本発明の詳細な実施例に様々な変更を加えることができる。そのような変形例は、添付の特許請求の範囲及びその法的な均等物によって規定された本発明の範囲及び精神の範囲内にあると考えられる。
【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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【国際調査報告】
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