(57)【要約】本開示は、燃料電池モジュールに関する。燃料電池モジュールは、アノード、カソード、及び該アノードと該カソードとの間に位置する電解質を有する燃料電池を含み得る。燃料電池モジュールはまた、中に燃料電池を収容するエンクロージャーを含み得る。エンクロージャーは、空気入口及び空気出口を含み得る。燃料電池モジュールは、エンクロージャーに流体連結された空気加圧メカニズムをさらに含み得る。空気加圧メカニズムは、空気を、該空気入口を通って、該エンクロージャーに引き込み、該空気出口を通って、エンクロージャーから該空気加圧メカニズムに引き込むように構成され得る。空気加圧メカニズムは、空気を加圧して、該カソードに方向付けられる加圧空気ストリームを形成するように構成され得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード、カソード、および該アノードと該カソードとの間に位置する電解質を有する燃料電池；
中に該燃料電池を収容するエンクロージャーであって、空気入口および空気出口を有する、エンクロージャー；および
該エンクロージャーに流体連結された空気加圧メカニズムであって、空気を、該空気入口を通って、該エンクロージャーに引き込み、該エンクロージャーから、該空気出口を通って、該空気加圧メカニズムに引き込むように構成されており、該空気を加圧して、該カソードに方向付けられる加圧空気ストリームを形成する、空気加圧メカニズム
を含む、燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記燃料電池から漏れた任意のガスは、前記エンクロージャー内に漏れ、前記空気加圧メカニズムによって前記エンクロージャーから引き込まれて前記カソードに供給される、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記燃料電池から漏れた水素は、前記エンクロージャー内に漏れ、前記空気加圧メカニズムによって前記エンクロージャーから引き込まれて前記カソードに供給され、水に処理される、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記エンクロージャーは排気出口をさらに含み、排気出口で酸素を枯渇させた空気が前記カソードから放出される、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記空気加圧メカニズムが、送風機および空気圧縮機の少なくとも一方である、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記エンクロージャーが、前記空気入口と前記空気出口を除いて、気密シールされている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記燃料電池が、前記エンクロージャーから絶縁されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記空気入口が、前記エンクロージャー上部のセクションまたは下部のセクションに配置され、前記カソードより前記アノードの近くに配置されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
電圧検出器および制御器をさらに含み、該電圧検出器は、前記燃料電池の電圧を検出するように構成されており、該制御器は、前記燃料電池の電圧が予め決定された閾値未満に低下する場合、前記燃料電池の稼働を止めるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記空気入口を通る空気の流量を測定するように構成された空気流量センサーをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記空気出口を通る空気中の水素、または前記加圧空気ストリーム中の水素を検出するように位置付けられた、水素検出器をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
水素のレベルが予め決定された閾値を超える場合、シャットダウンされる、請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
水素が検出されたら、前記空気入口を通る空気の流量を増加させて、前記加圧空気ストリーム中の水素の濃度を許容できる閾値未満に維持する、請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１４】
水素が検出されたら、空気入口を通る空気の流量を増加または減少させ、その結果生じた前記燃料電池の電圧の変化を、水素の漏れを定量するために、水素の漏れがない前記燃料電池で予測された電圧の変化と比較する、請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
燃料電池システムにおける水素の漏れを回収する方法であって、
エンクロージャー中に燃料電池を収容すること、ここで、該燃料電池は、アノード、カソード、および該アノードと該カソードとの間に位置する電解質を有し、該エンクロージャーは、空気入口および空気出口を有する；
空気を、該空気入口を通って、該エンクロージャーに引き込み、該エンクロージャーから、該空気出口を通って、空気加圧メカニズムに引き込むこと；
該空気加圧メカニズムを介して空気を加圧して、加圧空気ストリームを形成すること；および
該加圧空気ストリームを、該カソードに方向付けること
を含む、前記方法。
【請求項１６】
前記燃料電池から漏れた任意のガスを前記エンクロージャーに引き込むこと、およびそれを前記エンクロージャーから前記カソードへと前記空気加圧メカニズムを通じて方向付けることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池から漏れた水素が、前記エンクロージャー内に漏れ、前記空気加圧メカニズムによって前記エンクロージャーから引き込まれて前記カソードに供給され、水に処理される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
酸素を枯渇させた空気を、前記カソードから排気出口を通って放出させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記エンクロージャーが、前記空気入口と前記空気出口を除いて、気密シールされている、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料電池が、前記エンクロージャーから絶縁されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記空気入口が、前記エンクロージャーの上部のセクションまたは下部のセクションに配置され、前記カソードより前記アノードの近くに配置されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
電圧検出器を使用して、前記燃料電池の電圧を検出すること；および
前記燃料電池の電圧が予め決定された閾値未満に低下する場合、制御器を使用して、前記燃料電池の稼働を止めること
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
空気流量センサーを使用して、前記空気入口を通る空気の流量を測定することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
水素検出器を使用して、前記空気出口を通る空気中の水素または前記加圧空気ストリーム中の水素を検出することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記水素検出器によって検出された水素のレベルが予め決定された閾値を超える場合、前記燃料電池モジュールをシャットダウンすることをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記水素検出器によって水素が検出されたら、前記空気入口を通る空気の流量を増加させて、前記加圧空気ストリーム中の水素の濃度を許容できる閾値未満に維持することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
水素が検出されたら、空気入口を通る空気の流量を増加または減少させ、その結果生じた前記燃料電池の電圧の変化を、水素の漏れを定量するために、水素の漏れがない前記燃料電池で予測された電圧の変化と比較することをさらに含む、請求項２４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２８】
複数のアノード、カソード、および該アノードと該カソードとの間に位置する電解質を有する燃料電池を含む燃料電池スタック；
中に該燃料電池スタックを収容するエンクロージャーであって、空気入口および空気出口を有する、エンクロージャー；および
該エンクロージャーに流体連結された空気加圧メカニズムであって、空気を、該空気入口を通って、該エンクロージャーに引き込み、該エンクロージャーから、該空気出口を通って、該空気加圧メカニズムに引き込むように構成されており、該空気を加圧して、該複数の燃料電池の該カソードに方向付けられる加圧空気ストリームを形成する、空気加圧メカニズム
を含む燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、参照によりその全体が組み入れられる２０１７年１１月３日付けで出願された米国仮出願第６２／５８１，２１６号の利益を主張する。
[002]本発明の開示は、電気化学セルモジュール、より具体的には、漏れ回収能を備えた電気化学セルモジュールに向けられる。
【背景技術】
【０００２】
[003]燃料電池は通常、電気化学セルまたは電解セルとして分類され、化学反応により電流を生成したり、または電流の流れを使用して化学反応を誘導したりするのに使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）と酸化体（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気と、熱および水である廃棄物とに変換する。基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
【０００３】
[004]様々な燃料電池技術が様々な電解質材料を利用している。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質として高分子のイオン伝導性膜を利用している。水素ＰＥＭ燃料電池では、アノードで水素原子を電子とプロトン（水素イオン）に電気化学的に分けることができる。電子は回路を通ってカソードに流れ、電気を生成するが、プロトンは電解質膜を通ってカソードに拡散する。カソードでは、プロトンは、電子およびカソードに供給される酸素と反応して、水および熱を生産することができる。
【０００４】
[005]水素ＰＥＭ燃料電池のアノードおよびカソードで起こる反応は、以下に示すような化学方程式として表すことができる。
アノードの酸化反応：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソードの還元反応：４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
全体の電気化学反応：２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ。
【０００５】
[006]燃料電池または燃料電池システムに関する共通の安全性の懸念は、水素の漏れである。例えば、水素は、アノードから漏れる場合もあるし、または反応することなく電解質（例えば、ポリマー性のイオン伝導性膜）を通って漏れる場合もある。水素の漏れは、個々の燃料電池の不十分な電気的性能をもたらす可能性がある。また水素は可燃性ガスでもあり、水素が漏れて空気と混合されると火災の危険を有する。
【０００６】
[007]火災または爆発のリスクを低減するために、燃料電池における水素の漏れを検出する様々な方法または技術が提唱されている。例えば、様々な種類の水素センサーまたは水素検出器が、燃料電池に近い選択された場所で水素の漏れを検出するのに使用されている。しかしながら、水素の特性のために、これらのセンサーで水素の漏れを検出することは困難である。例えば、水素は無臭で無色であり、最も低い分子量を有し（空気より軽い）、急速に拡散する。したがって、水素センサーは、漏れの検出が困難であり、高価になる可能性がある。加えて、水素センサーは漏れの位置を知らせないため、漏れの位置を突き止めるのに労力と時間を要する場合がある。一部の方法は、防爆容器で燃料電池を囲うこと、それと同時に容器中の水素の蓄積を検出することを含む。水素の漏れの検出は、漏れの位置を突き止めて修復するまで、燃料電池システムのさらなる検査と稼働の停止を必要とする。他の方法は、燃料電池システムに換気システムを追加すること、および／または防爆性の、アーチングしない（non-arching）、またはスパークしない（non-sparking）システム要素、例えばモーター、バルブ、および他の機器を使用することを含む。しかしながら、これらの技術および方法は、燃料電池システムに費用と複雑さを追加することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
[008]それゆえに、水素の漏れと火災または爆発のリスクを低減させるための改善された燃料電池のアレンジメントおよび方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[009]上述した状況を考慮して、本発明の開示は、周囲環境に水素が漏れるリスクを防止するかまたは少なくとも低減することができる、漏れ回収能を備えた燃料電池モジュールまたは燃料電池システムに向けられる。
【０００９】
[010]一形態において、本発明の開示は、燃料電池モジュールに向けられる。燃料電池モジュールは、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置する電解質を有する燃料電池を含んでいてもよい。燃料電池モジュールはまた、燃料電池を収容するエンクロージャーを含んでいてもよい。エンクロージャーは、空気入口および空気出口を含んでいてもよい。燃料電池モジュールは、エンクロージャーに流体連結された空気加圧メカニズムをさらに含んでいてもよい。空気加圧メカニズムは、空気を、空気入口を通って、エンクロージャーに引き込み、空気出口を通って、エンクロージャーから空気加圧メカニズムに引き込むように構成されていてもよい。空気加圧メカニズムは、空気を加圧して、カソードに方向付けられる加圧空気ストリームを形成するように構成されていてもよい。燃料電池から漏れた任意のガスは、エンクロージャーに漏れ、そこでエンクロージャーから空気加圧メカニズムによって引き込まれ、カソードに供給されるように構成されていてもよい。一部の実施態様において、燃料電池から漏れた水素は、エンクロージャーに漏れ、そこでエンクロージャーから空気加圧メカニズムによって引き込まれ、カソードに供給され、そこで水素が水に処理されてもよい。エンクロージャーは、排気出口をさらに含んでいてもよく、そこで酸素を枯渇させた空気は、カソードから放出される。エンクロージャーは、空気入口と空気出口を除いて、気密シールされるように構成されていてもよい。空気加圧メカニズムは、送風機および空気圧縮機の少なくとも一方であってもよい。燃料電池は、エンクロージャーから絶縁されるように構成されていてもよい。空気入口は、エンクロージャーの上部のセクションまたは下部のセクションに配置されていてもよく、カソードよりアノードの近くに配置されていてもよい。一部の実施態様において、燃料電池モジュールはまた、電圧検出器および制御器を含んでいてもよい。電圧検出器は、燃料電池の電圧を検出するように構成されていてもよい。制御器は、燃料電池の電圧が予め決定された閾値未満に低下する場合、燃料電池の稼働を止めるように構成されていてもよい。燃料電池モジュールは、空気入口を通る空気の流量を測定するように構成された空気流量センサーをさらに含んでいてもよい。
【００１０】
[011]別の形態において、本発明の開示は、燃料電池システムにおける水素の漏れを低減させる方法に向けられる。本方法は、エンクロージャー中に燃料電池を収容することを含んでいてもよい。燃料電池は、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置する電解質を含んでいてもよい。エンクロージャーは、空気入口および空気出口を含んでいてもよい。エンクロージャーは、空気入口と空気出口を除いて、気密シールされていてもよい。空気入口は、エンクロージャーの上部のセクションまたは下部のセクションに配置されていてもよく、カソードよりアノードの近くに配置されていてもよい。燃料電池は、エンクロージャーから絶縁されるように構成されていてもよい。本方法はまた、空気を、空気入口を通って、エンクロージャーに引き込み、空気出口を通って、エンクロージャーから空気加圧メカニズムに引き込むことを含んでいてもよい。本方法は、空気加圧メカニズムを介して空気を加圧して、加圧空気ストリームを形成することをさらに含んでいてもよい。本方法は、加圧空気ストリームを、カソードに方向付けることを含んでいてもよい。本方法は、前記燃料電池から漏れた任意のガスを前記エンクロージャーに引き込むこと、およびそれを前記空気加圧メカニズムを通って前記エンクロージャーから前記カソードに方向付けることをさらに含んでいてもよい。燃料電池から漏れた水素は、エンクロージャーに漏れ、そこで前記エンクロージャーから前記空気加圧メカニズムによって引き込まれ、前記カソードに供給され、そこで水素が水に処理されてもよい。本方法はまた、排気出口を通って、前記カソードから酸素を枯渇させた空気を放出させることを含んでいてもよい。本方法はまた、電圧検出器を使用して、前記燃料電池の電圧を検出することを含んでいてもよい。本方法は、前記燃料電池の電圧が予め決定された閾値未満に低下する場合、制御器を使用して、前記燃料電池スタックの稼働を止めることを含んでいてもよい。本方法は、空気流量センサーを使用して、前記空気入口を通る空気の流量を測定することをさらに含んでいてもよい。
【００１１】
[012]別の形態において、本発明の開示は、燃料電池システムに向けられる。燃料電池システムは、燃料電池スタックを含んでいてもよい。燃料電池スタックは、複数の燃料電池を含んでいてもよい。燃料電池はそれぞれ、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置する電解質を含んでいてもよい。燃料電池システムはまた、中に燃料電池スタックを収容するエンクロージャーを含んでいてもよい。エンクロージャーは、空気入口および空気出口を含んでいてもよい。燃料電池システムは、エンクロージャーに流体連結された空気加圧メカニズムをさらに含んでいてもよい。空気加圧メカニズムは、空気を、空気入口を通って、エンクロージャーに引き込み、空気出口を通って、エンクロージャーから空気加圧メカニズムに引き込むように構成されていてもよい。空気加圧メカニズムは、空気を加圧して、複数の燃料電池のカソードに方向付けられる加圧空気ストリームを形成するように構成されていてもよい。
【００１２】
[013]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された本発明の開示を限定しないことが理解されると予想される。
[014]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成し、本発明の開示の実施態様を例示し、その記載と共に、本開示の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】[015]図１は、本発明の開示の実施態様に係る例示的な燃料電池モジュールの概略図である。
【図２】[016]図２は、本発明の開示の実施態様に係る別の例示的な燃料電池モジュールの概略図である。
【図３】[017]図３は、本発明の開示の実施態様に係る燃料電池システムにおける水素の漏れを低減させる例示的な方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[018]以下、本発明の開示の例示的な実施態様について詳細に述べる。その例は、添付の図面で例示される。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために、図面全体にわたり同じ参照番号を使用する。
【００１５】
[019]本発明の開示は、例示的な実施態様を参照して本明細書で説明される。本明細書に記載される実施態様は、それらに限定されないことが理解される。当業界において通常の技術を有し本明細書で示された教示を利用する者は、全て本発明の開示の範囲内に含まれる追加の改変、適用、実施態様、および等価体での置換を認識すると予想される。
【００１６】
[020]水素の漏れは、安全上の欠陥を引き起こすため、燃料電池システムに共通する懸念である。水素は、アノードから漏れる場合もあるし、または反応することなく電解質（例えば、ポリマー性のイオン伝導性膜）を通って漏れる場合もある。例えば、その寿命にわたりポリマー性のイオン伝導性膜に穴が発生して、そのため水素がアノードからカソードに通過し、燃料電池から漏れ出す可能性がある。また、水素は、アノードで破損したガスシールから漏れたり、またはスタックの圧縮が緩んだときに燃料電池スタックから漏れたりすることも起こり得る。水素は、カソードで漏れて、燃料電池システムの冷却材に、または燃料電池スタックまたは燃料電池システムの外部に向かう可能性がある。水素は、広範な濃度で空気と混合されると可燃性になり、スパークまたは高温の表面により容易に発火する可能性がある。本発明の開示の実施態様は、燃料電池または燃料電池スタックから周囲環境への水素漏れのリスクを低減し、それにより燃料電池システムにより起こり得る火災または爆発のリスクを低減させる、漏れ回収の装置、システム、および方法を提供する。
【００１７】
[021]図１は、本発明の開示の実施態様に係る例示的な燃料電池モジュール１００の概略図である。燃料電池モジュール１００は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化体（例えば、空気または酸素）の化学エネルギーを電気に変換して、熱および水を生産することができる。燃料電池モジュール１００は、少なくとも１つの燃料電池１１０を含んでいてもよいし、または端板の間に一緒にスタックされて燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池１１０を含んでいてもよい。燃料電池１１０は、カソード１１２、アノード１１４、およびカソード１１２とアノード１１４との間に配置された電解質１１６を含んでいてもよい。燃料電池１１０はまた、電極（アノードおよびカソード）のそれぞれに隣接するバイポーラプレート１１７および１１８を含んでいてもよい。バイポーラプレートは、支持プレートやコンダクターとして機能することができ、燃料電池１１０のそれぞれの電極へのガス入口を提供し、また、使用済みの燃料および排気ガスを放出するための通路または出口を提供するように構成されていてもよい。一部の実施態様において、燃料電池１１０は、例えば、電極とバイポーラプレートとの間に位置するフロー構造およびガス拡散層などの追加の要素を含んでいてもよい。燃料電池１１０のアノード１１４に、燃料ストリーム（例えば、水素）が供給され、アノード１１４から、使用済みの燃料ストリーム（図示していない）を放出することができる。図１に示されていないが、燃料電池モジュール１００は、消費されていない燃料を再利用するために、使用済みの燃料ストリームを再循環させることができる。
【００１８】
[022]電解質１１６は、イオン伝導性材料、例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）であってもよい。ＰＥＭは、純粋な高分子膜または複合膜を含んでいてもよく、複合膜は、他の材料、例えば、シリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムを、高分子マトリックス中に埋め込んでいてもよい。ＰＥＭは、電子は伝導させないがプロトンを透過させることができる。アノード１１４およびカソード１１２は、触媒層を含有する多孔質炭素電極であってもよい。触媒材料、例えば白金は、アノード１１４および／またはカソード１１２で起こる電気化学反応を増大させることができる。
【００１９】
[023]この説明の目的のために、燃料電池１１０がＰＥＭ燃料電池であると仮定する。しかしながら、本明細書に記載されるように、本開示は、ＰＥＭ燃料電池に限定されない。当業界において公知のように、ＰＥＭ燃料電池の場合、例えば、水素原子は、アノード１１４で電子とプロトン（水素イオン）に電気化学的に分けることができる。電気化学反応によって生じた電子は、電気負荷回路（図１に示されていない）を通ってカソード１１２に流れ、直流電流を生産する。アノード１１４で電気化学反応によって生産されたプロトンは、電解質またはプロトン交換膜１１６を通ってカソード１１２に拡散する。電解質またはプロトン交換膜１１６は、正電荷を有するイオン、例えばプロトンは通過させながらも、負電荷を有する電子の通過を防止することができる。電解質またはプロトン交換膜１１６を通過した後、カソード１１２におけるプロトンは、電気負荷回路を通過した電子およびカソード１１２に供給された酸素と反応して、熱および水を生産することができる。
【００２０】
[024]図１で示されるように、燃料電池モジュール１００はさらに、中に燃料電池１１０を収容するエンクロージャー１２０、およびエンクロージャー１２０に流体連結された空気加圧メカニズム１３０を含む。エンクロージャー１２０は、空気入口１２２および空気出口１２４を含んでいてもよい。酸化体ガス、例えば空気１３２は、空気入口１２２および空気出口１２４を介して燃料電池１１０に供給されてもよい。一部の実施態様において、空気１３２は、取り囲む周囲環境から引き込まれた空気であってもよい。エンクロージャー１２０は、空気入口１２２と空気出口１２４を除いて、気密シールされている。一部の実施態様において、燃料電池１１０または燃料電池スタックから、エンクロージャー１２０を通って流れる空気１３２への熱伝達を低減するために、燃料電池１１０は、エンクロージャー１２０から絶縁されている。例えば、燃料電池１１０または燃料電池モジュール１００の燃料電池スタックは、低い熱伝導率を有する材料、例えばプラスチック、多孔質セラミック、または繊維状材料で囲まれていてもよい。
【００２１】
[025]空気加圧メカニズム１３０は、いずれの好適な空気加圧メカニズムであってもよく、例えば、送風機または空気圧縮機である。空気加圧メカニズム１３０の入口は、空気出口１２４に流体連結されていてもよく、空気加圧メカニズム１３０の出口は、カソード１１２の加圧空気入口１２６に流体連結されていてもよい。例えば、図１で示されるように、空気加圧メカニズム１３０は、空気１３２を、空気入口１２２を通って、エンクロージャー１２０に引き込み、空気出口１２４を通って、エンクロージャー１２０から空気加圧メカニズム１３０に引き込むように構成されていてもよい。空気加圧メカニズム１３０は、空気１３２を加圧して、加圧空気ストリーム１５０を形成し、加圧空気ストリーム１５０を、加圧空気入口１２６を介してカソード１１２に方向付けることができる。
【００２２】
[026]カソード１１２に供給された加圧空気ストリーム１５０の少なくとも一部は、カソード１１２で起こる電気化学反応によって消費され、水を含有する酸素を枯渇させた空気の流れ１６０を生産することができる。酸素を枯渇させた空気の流れ１６０は、排気出口１２８を介してカソード１１２から放出させることができる。加圧空気入口１２６および排気出口１２８は、いずれの好適な幅、断面積、深さ、形状、および／または立体配置を有していてもよい。燃料電池１１０は、図１に描写されるように、１つの空気入口および１つの排気出口を有するが、より多くの数の入口または出口が提供されていてもよいことが理解されると予想される。
【００２３】
[027]本明細書に記載される通り、図１に描写されないが、燃料電池１１０のアノード１１４は、燃料入口を介して、燃料ストリーム、例えば水素が供給されてもよく、燃料出口を介して、アノード１１４から使用済みの燃料ストリームを放出してもよい。一部の場合において、アノード１１４に供給された水素は、アノード１１４から漏れる場合もあるし、または反応することなく電解質またはプロトン交換膜１１６を通って漏れる場合もある。図１で示されるように、燃料電池モジュール１００において、燃料電池１１０から漏れた水素（以降、「水素の漏れ１４０」）は、アノード１１４および／または電解質１１６からエンクロージャー１２０に漏れる可能性がある。エンクロージャー１２０に入った後、水素の漏れ１４０は、空気１３２と混合される場合もあり、一緒に、空気加圧メカニズム１３０によって、生じたドラフト（通風）によりエンクロージャー１２０から空気出口１２４を通って空気加圧メカニズム１３０に引き込まれる場合もある。空気加圧メカニズム１３０によって生じたエンクロージャー１２０内のドラフトは、水素の漏れが空気入口１２２を通ってエンクロージャー１２０から出ることを防止することができる。加圧メカニズム１３０は、水素の漏れ１４０と空気１３２とを合わせ、それらを加圧して、加圧空気ストリーム１５０を形成することができ、加圧空気ストリーム１５０を、カソード１１２に方向付けることができる。カソード１１２に供給された水素の漏れ１４０は、カソード１１２で反応して水を生成することができる。例えば、水素の漏れ１４０は、カソードで空気１３２中の酸素と反応して、熱および水を生産することができる（例えば、２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）。それゆえに、燃料電池１１０からの任意の可能性のある水素の漏れ１４０が、火災または爆発のリスクを引き起こす可能性がある外側の環境にエンクロージャー１２０から逃げることを防止することができる。
【００２４】
[028]本明細書に記載される通り、空気入口１２２および空気出口１２４は、いずれの好適な幅、断面積、深さ、形状、および／または立体配置を有していてもよい。空気入口１２２および空気出口１２４の配置は、燃料電池１１０からの水素の漏れ１４０が、空気１３２の流れによって実質的にパージできるように選択することができる。例えば、空気入口１２２は、空気加圧メカニズム１３０によって生じたドラフトがエンクロージャー１２０の全長をカバーするように、エンクロージャー１２０の１つの端部に配置することができ、空気出口１２４は、エンクロージャー１２０の逆の端部に配置することができ、それによってエンクロージャー１２０における低い流量またはデッドスポットのリスクを低減させる。加えて、一部の実施態様において、空気入口１２２および空気出口１２４は、生じたドラフトがエンクロージャー１２０の全長および全幅を交差できるように、エンクロージャー１２０の逆の端部および逆の側に配置することができる。一部の実施態様において、空気入口１２２は、エンクロージャー１２０の上部のセクションに配置されていてもよい。他の実施態様において、空気入口１２２は、エンクロージャー１２０の下部のセクションに配置されていてもよい。図１に描写されるように、エンクロージャー１２０は、１つの空気入口および１つの空気出口を有するが、より多くの数の入口または出口が提供されていてもよいことが理解されると予想される。
【００２５】
[029]一部の実施態様において、加圧空気ストリーム１５０中の水素のパーセンテージおよび／または濃度は、例えば、約０．１％未満、約０．２％未満、約０．３％未満、約０．４％未満、約０．５％未満、約０．６％未満、約０．７％未満、約０．８％未満、約０．９％未満、約１％未満、約２％未満、約３％未満、または約４％未満であり得る。一部の実施態様において、図２で示されるように、燃料電池モジュール１００は、加圧空気ストリーム１５０中の水素のパーセンテージおよび／または濃度を検出するために、空気出口１２４または加圧空気入口１２６の配管または導管と一体化されるように、または空気出口１２４または加圧空気入口１２６の配管または導管に沿って配置されるように構成された水素検出器１４２を含んでいてもよい。エンクロージャー１２０中の任意の水素の漏れ１４０を、空気出口１２４を通って引き込み、加圧空気入口１２６を通って方向付けることができるため、漏れの発生源が燃料電池１１０のどこかにかかわらず、水素の漏れを検出することができる。これにより、燃料電池スタック周辺に複数の水素検出器を使用しなければならないことを避けることができ、または十分な水素検出器が使用されない場合に、漏れが水素検出器の配置場所の付近にないため漏れが見逃されることを防止することができる。
【００２６】
[030]一部の実施態様において、加圧空気入口１２６を介してカソード１１２に供給された加圧空気ストリーム１５０の少なくとも一部は、カソード１１２で起こる電気化学反応によって消費され、排気出口１２８から放出された酸素を枯渇させた空気の流れ１６０を生産することができる。酸素を枯渇させた空気の流れ１６０中の酸素の体積パーセンテージおよび／または濃度は、カソード１１２での電気化学反応によって消費される酸素の損失のために、カソード１１２に供給された加圧空気ストリーム１５０の酸素の体積パーセンテージおよび／または濃度より低い可能性がある。
【００２７】
[031]一部の実施態様において、加圧空気入口１２６を介して加圧空気ストリーム１５０を介してカソード１１２に供給された水素の漏れ１４０は、カソード１１２で起こる電気化学反応によって消費されることもあり、その場合、酸素を枯渇させた空気の流れ１６０が実質的に水素を含まない。例えば、酸素を枯渇させた空気の流れ１６０中の水素のパーセンテージおよび／または濃度は、約０．１％未満、約０．２％未満、約０．３％未満、約０．４％未満、約０．５％未満、約０．６％未満、約０．７％未満、約０．８％未満、約０．９％未満、約１％未満、または約２％未満であり得る。
【００２８】
[032]一部の実施態様において、燃料電池モジュール１００は、スタック中にアレンジされた複数の燃料電池１１０を含んでいてもよい。例えば、燃料電池スタックは、一般的に当業界で公知の方式で、連続して、または平行して電気的に連結された、５個より多く、１０個より多く、２０個より多く、２５個より多く、５０個より多く、１００個より多く、２００個より多く、またはそれより多くの燃料電池１１０を含んでいてもよい。この記載は、燃料電池１１０について述べている場合があるが、記載された実施態様は、複数の燃料電池１１０を含む燃料電池スタックを有する燃料電池モジュール１００にも適用可能であることが理解される。
【００２９】
[033]一部の実施態様において、図２で示されるように、燃料電池モジュール１００は、電圧検出器１７０および制御器１８０を含んでいてもよい。電圧検出器１７０は、燃料電池１１０に電気的に連結され、燃料電池１１０または複数の燃料電池１１０の電圧を検出するように構成され、電圧の値を示す電圧信号１７５を生成することができる。電圧検出器１７０は、例えば、アナログ電圧計、デジタル電圧計、マルチメーター、および／または電子試験デバイスを含んでいてもよい。電圧検出器１７０は、制御器１８０と連通するように構成され、電圧信号１７５を制御器１８０に送るように構成されていてもよい。電圧検出器１７０からの電圧信号１７５に基づいて、制御器１８０は、燃料電池１１０の電圧をモニターすることができる。
【００３０】
[034]一部の実施態様において、燃料電池モジュール１１０は、燃料電池１１０または複数の燃料電池１１０の１つまたはそれより多くの電圧値を示す複数の電圧信号１７５を生成できる複数の電圧検出器１７０を含んでいてもよい。例えば、複数の燃料電池１１０を有する燃料電池モジュール１１０は、各燃料電池１１０の電圧をモニターできるように、対応する複数の電圧検出器１７０を有していてもよい。電圧検出器１７０から送られた複数の電圧信号１７５に基づいて、制御器１８０は、各燃料電池１１０の１つまたはそれより多くの電圧値をモニターするように構成されていてもよい。
【００３１】
[035]一部の実施態様において、制御器１８０は、電圧信号１７５に基づいて燃料電池モジュール１００の稼働を調整することができる。例えば、検出された燃料電池１１０の電圧が、最小の設定値より低い場合、これは、過剰な水素の漏れ１４０を示す可能性があり、制御器１８０は、燃料電池１１０の電流密度を減少させ、燃料電池モジュール１００の稼働を止めることができる。例えば、制御器１８０は、燃料電池１１０の稼働を制御するように構成された出力調節装置および／または回路（図２に示されていない）に連結されていてもよい。最小の設定値は、例えば、セルごとであってもよいし、約０〜１ボルト、約０．１ボルト〜１ボルト、約０．２ボルト〜１ボルト、約０．３ボルト〜１ボルト、０．４ボルト〜１ボルト、０．５ボルト〜１ボルト、０．６ボルト〜１ボルト、０．７ボルト〜１ボルト、０．８ボルト〜１ボルト、または０．９ボルト〜１ボルトの範囲であってもよい。
【００３２】
[036]一部の実施態様において、図２で示されるように、燃料電池モジュール１１０は、空気入口１２２を通る空気１３２の質量または体積流量を検出するように構成されたセンサー１９０を含んでいてもよい。一部の実施態様において、センサー１９０は、空気入口１２２に一体化されるように構成されていてもよいし、または空気入口１２２の配管または導管に沿って配置されていてもよい。センサー１９０は、空気１３２の質量または体積流量を示す空気信号１８５を生成するように構成されていてもよい。センサー１９０は、制御器１８０と連通して、制御器１８０に空気信号１８５を送るように構成されていてもよい。制御器１８０は、空気１３２の流量を調節するために、空気加圧メカニズム１３０と連通して、空気加圧メカニズム１３０の速度または出力を調整するように構成されていてもよい。例えば、空気信号１８５に基づいて、制御器１８０は、コマンド信号を空気加圧メカニズム１３０に送信し、望ましい流量で空気加圧メカニズム１３０が空気１３２を空気入口１２２を通って引き込むように、空気加圧メカニズム１３０の速度を調整することができる。他の実施態様において、流量制御弁（図２に示されていない）は、空気入口１２２で、アクチュエーターおよび／または位置決め装置に電気的または機械的に結合されていてもよく、制御器１８０によって調節することができる。制御器１８０は、流量制御弁のアクチュエーターおよび／または位置決め装置にコマンド信号を送信して、バルブを開いたりまたは閉じたりして、燃料電池１１０の稼働に基づき望ましい流量に空気１３２の流れを調節することができる。
【００３３】
[037]一部の実施態様において、空気入口１２２を通る空気１３２の流量を調節することによって、制御器１８０は、エンクロージャー１２０における水素の漏れ１４０のパージを調節することができる。例えば、空気入口１２２を通る空気１３２の流量を増加させることは、エンクロージャー１２０を通って通過する空気１３２の流量を増加させることができ、それによって、水素の漏れ１４０をエンクロージャー１２０から空気出口１２４の外へと引き込むことができる量または速度を増加させる。この流量の増加は、空気出口１２４での空気１３２中の水素の濃度、または加圧空気出口１２６での加圧空気ストリーム１５０中の水素の濃度を、許容できる閾値未満（例えば、爆発限界の下限（ＬＦＬ：lower flammability limit）の２分の１もしくは１ｖｏｌ％、またはＬＦＬの２分の１もしくは０．５ｖｏｌ％）に維持するために、水素の漏れ１４０の検出に応答してなされ得る。例えば、図２で示されるように、水素検出器１４２は、空気出口１２４を通って流れる空気１３２中の、または加圧空気入口１２６に入る加圧空気ストリーム１５０中の水素の質量または体積濃度またはパーセンテージを示す水素信号１４５を生成するように構成されていてもよい。水素検出器１４２は、制御器１８０と連通して、制御器１８０に水素信号１４５を送るように構成されていてもよい。制御器１８０は、検出された水素のレベルが予め決定された閾値を超える場合、燃料電池モジュール１００をシャットダウンすることもできる。
【００３４】
[038]一部の実施態様において、水素検出器１４２によって水素が検出されたら、空気出口１２４から出る空気１３２中の、または加圧空気ストリーム１５０の水素の濃度を許容できる閾値未満に維持するように、空気入口１２２を通る空気１３２の流量を増加させることができる。加えて、または代替として、空気１３２の流量の変更を使用して、水素１４０の漏れを検出し、定量してもよい。例えば、水素が検出されたら、空気入口１２２を通る空気１３２の流量を増加または減少させることができ、その結果生じた燃料電池１１０の電圧の変化を、水素の漏れがない燃料電池１１０で予測された電圧の変化と比較して、水素の漏れを定量することができる。
【００３５】
[039]一部の実施態様において、制御器１８０は、燃料電池モジュール１００の設計、例えばエンクロージャー１２０のサイズおよび／または幾何学的配置、燃料電池１１０の数、ならびに空気入口１２２および空気出口１２４の配置に基づいて、空気１３２の最適な流量を決定することができる。例えば、制御器１８０は、燃料電池モジュール１００が複数の燃料電池１１０を含む場合、空気１３２の流量を増加させることができる。
【００３６】
[040]本明細書に記載される通り、制御器１８０は、様々なフィードバック制御スキーム、例えば、比例−積分−微分制御、適応制御、最適制御、モデル予測制御、非線形制御、または知能制御を利用するように構成されていてもよい。加えて、制御器１８０は、燃料電池モジュール１００の多数の機能を制御することが可能な１つまたはそれより多くのプロセッサーを含んでいてもよい。制御器１８０は、燃料電池モジュール１００の開示された機能を行うために、メモリー（例えば、ＲＡＭ）、二次記憶デバイス（例えば、ＲＯＭ）、プロセッサー（例えば、ＣＰＵ）、または命令を実行する他の任意の要素を含んでいてもよい。様々な他の回路は、制御器１８０、例えば電源回路構成要素、信号調節回路構成要素、データ収集回路構成要素、信号出力回路構成要素、信号フィルタリング構成要素、信号増幅回路構成要素、および当業界において公知の他のタイプの回路構成要素と連携していてもよい。
【００３７】
[041]一部の実施態様において、制御器１８０、電圧検出器１７０、センサー１９０、水素検出器１４２、および空気加圧メカニズム１３０は、例えばワイヤレスまたはハード接続を介して作動可能に結合でき、連続的に、定期的に、または確率論的に、検出、測定、および／または命令信号を伝達することができる。一部の実施態様において、制御器１８０は、燃料電池モジュール１１０のユーザーに、最小の閾値未満の電圧が検出されていることを、例えば可視的なまたは可聴的な信号によって示すことができ、燃料電池モジュール１００を、自動的に、またはユーザーからの命令を受けてシャットダウンすることもできる。
【００３８】
[042]本明細書に記載される燃料電池モジュール１００は、様々な燃料電池システムで、燃料電池システムにおける水素の漏れを回収し、漏れた水素を処理して水にするための方法によって利用することができる。
【００３９】
[043]燃料電池システムにおける水素の漏れを回収するための方法２００は、図１および２を参照して上述した燃料電池モジュール１００の１つまたはそれより多くの機構を使用することができる。方法２００の例示的な実施態様を図３を参照しながら後述する。
【００４０】
[044]本明細書に記載される通り、方法２００の一部または全部の工程は、燃料電池モジュール１１０または燃料電池モジュール１１０の１つまたはそれより多くの構成要素、例えば制御器１８０によって実行することができる。方法２００の工程の順序は、変更でき、様々な例示的な実施態様で実行することができる。方法２００に追加の工程が追加されてもよい。一部の工程は省略してもよいし、または繰り返してもよいし、および／または同時に実行してもよい。
【００４１】
[045]一部の実施態様において、方法２００は、図３で示されるように、工程２１０〜２４０を含んでいてもよい。工程２１０は、エンクロージャー１２０中に、燃料電池１１０を収容することを含んでいてもよい。工程２１０は、燃料電池１１０が燃料電池モジュール１００の一部としてエンクロージャー１２０中に提供される場合、省略してもよい。工程２２０は、空気１３２を、空気加圧メカニズム１３０を使用して、空気入口１２２を通って、エンクロージャー１２０に引き込み、空気出口１２４を通って、エンクロージャー１２０から空気加圧メカニズム１３０に引き込むことを含んでいてもよい。空気１３２は、周囲環境からの空気であってもよいし、または圧縮空気供給源または圧縮酸素供給源からの空気であってもよい。工程２２０は、燃料電池１１０からの水素の漏れ１４０の相当量または全部を、エンクロージャー１２０に引き込むかまたはパージし、空気出口１２４を通って、エンクロージャー１２０から空気加圧メカニズム１３０に引き込むかまたはパージすることをさらに含んでいてもよい。
【００４２】
[046]工程２３０は、空気１３２を、加圧メカニズム１３０を介して空気を加圧し、加圧空気ストリーム１５０を形成することを含んでいてもよい。工程２３０は、空気加圧メカニズム１３０を介して、燃料電池１１０からの水素の漏れ１４０を空気１３２と共に加圧することをさらに含んでいてもよい。したがって、加圧空気ストリーム１５０は、空気１３２と燃料電池１１０からの任意の水素の漏れ１４０の両方を含んでいてもよい。
【００４３】
[047]工程２４０は、加圧空気ストリーム１５０をカソード１１２に方向付けることを含んでいてもよい。例えば、空気加圧メカニズム１３０の出口は、化学反応のために加圧空気ストリーム１５０がカソード１１２に供給されるように、カソード１１２に流体連結されていてもよい。工程２４０は、カソード１１２で加圧空気ストリーム１５０中の水素を水に処理することをさらに含んでいてもよい。工程２４０はまた、排気出口１２８からカソード排気を放出することを含んでいてもよい。カソード排気は、酸素を枯渇させた空気の流れ１６０、水または水蒸気、および／または最大の設定値または閾値未満の量の水素を含んでいてもよい。
【００４４】
[048]方法２００に、追加の工程が追加されてもよい。例えば、方法２００は、電圧検出器を使用して、燃料電池１１０の電圧を検出することを含んでいてもよい。方法２００は、電圧が予め決定された閾値未満に低下したら、燃料電池１１０または燃料電池モジュール１００の稼働を止めることをさらに含んでいてもよい。加えて、または代替として、方法２００は、センサー１９０を使用して、空気入口１２２を通る酸化体ガス、例えば空気１３２の流量を測定することを含んでいてもよい。方法２００は、空気加圧メカニズム１３０の出力または速度を調節することによって、空気１３２の流量を調整することをさらに含んでいてもよい。一部の実施態様において、方法２００は、空気出口１２４における空気１３２中の水素の濃度、または加圧空気入口１２６における加圧空気ストリーム１５０中の水素の濃度を検出することをさらに含んでいてもよい。一部の実施態様において、方法２００は、燃料電池１１０からの水素の漏れ１４０が実質的にまたは完全に空気１３２でパージされ、カソード１１２で水に処理されるように、空気１３２の流量を最適な流量に調整することを含んでいてもよい。
【００４５】
[049]前述の説明は、例示の目的のために示したものである。それらは全てを網羅したわけではなく、開示された正確な形態または実施態様に限定されない。実施態様の改変、調節、および他の適用は、開示された実施態様の詳細と実施の考察から明らかであると予想される。
【００４６】
[050]さらに、例示的な実施態様を本明細書に記載したが、その範囲は、本発明の開示に基づいて、等価な要素、改変、省略、組合せ（例えば、様々な実施態様にわたる形態の）、調節および／または変更を有するありとあらゆる実施態様を含む。特許請求の範囲に記載の要素は、請求項で用いられる文言に基づき広く解釈されることとし、本明細書に記載されるかまたは出願の手続きの間の実施例に限定されず、これらの実施例は非排他的と解釈されるものとする。さらに、開示された方法の工程は、工程の並べ替えおよび／または工程の挿入もしくは削除などいずれの方式で改変することができる。
【００４７】
[051]本開示の特徴および利点は、詳細な明細書から明らかであり、したがって、添付の特許請求の範囲は本開示の真の本質および範囲内に含まれる全てのセルおよびセルスタックを網羅することが意図される。不定冠詞「１つの（a）」および「１つの（an）」は、本明細書で使用される場合、「１つまたはそれより多くの」を意味する。同様に、複数形の用語の使用は、所与の文脈で複数であることが明白でない限り、必ずしも複数を意味するとは限らない。「および」または「または」などの言葉は、具体的にそうではないことが示されない限り、「および／または」を意味する。さらに、多数の改変およびバリエーションが、本発明の開示を研究することで容易に考え付くと予想されるため、本開示を例示および記載された正確な構築および稼働に限定することは望ましくなく、したがって、全ての好適な改変および均等物に頼ることができ、それらは本開示の範囲内に含まれる。
【００４８】
[052]本発明の開示の他の実施態様は、本明細書で開示された本発明の開示の詳細と実施の考察から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は、以下の特許請求の範囲により示されることが意図される。
【符号の説明】
【００４９】
１００  燃料電池モジュール
１１０  燃料電池
１１２  カソード
１１４  アノード
１１６  電解質、プロトン交換膜
１１７および１１８  バイポーラプレート
１２０  エンクロージャー
１２２  空気入口
１２４  空気出口
１２６  加圧空気入口
１２８  排気出口
１３０  空気加圧メカニズム
１３２  空気
１４０  水素の漏れ
１４２  水素検出器
１５０  加圧空気ストリーム
１６０  空気の流れ
１７０  電圧検出器
１７５  電圧信号
１８０  制御器
１８５  空気信号
１９０  センサー
１４５  水素信号
２００  方法
２１０〜２４０  工程
【図１】
2021501966.tif 000003
【図２】
2021501966.tif 000004
【図３】
2021501966.tif 000005
【国際調査報告】
2021501966.tif 000006
2021501966.tif 000007
2021501966.tif 000008