(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の停止後，燃料電池スタックから残留水素を追い出す方法を提供する。【解決手段】空気流を提供し、吸着床を用いて空気流から酸素を除去することにより一時的に窒素流を提供し、窒素流を燃料電池スタックに通過させる。燃料電池スタック３４の休止後に、吸着器入口弁２０及び吸着器出口弁２４を開放し水素流弁１５を閉鎖して、空気流１２ａを吸着器１６に移動させ、得られた窒素流４４を燃料電池スタック３４のアノード側４０に流すことにより、燃料電池スタック３４から残留水素を追い出すことができる。吸着器１６中の吸着材料１７は、続く燃料電池３４の作動中に、再生させることができる。【選択図】図１
2008078140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのカソードの減成を低下させる方法であって：
アノード反応ガス流路及びカソード反応ガス流路がその中に画定されており、アノード反応ガス流路内に反応体がある燃料電池スタックを乗物に提供し；
窒素リッチガス流を提供するためのシステムを乗物上に提供し；
アノード反応ガス流路を通じて窒素リッチガス流を流すことを含む方法によりアノード反応ガス流路内の反応体を追い出す
ことを含んでなる方法。
【請求項２】
窒素リッチガス流が実質的に酸素を含有しない、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
窒素リッチガス流が２質量％未満の酸素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
該窒素リッチガス流を提供することが、酸素吸着材料を通じて空気流を流し、空気流から酸素の少なくとも実質的な部分を除去して窒素の濃度を高めることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃料電池スタックから残留水素を追い出す方法であって：
空気流を提供し；
前記空気流から酸素を除去することにより窒素流を提供し；
前記窒素流を前記燃料電池スタックのアノードに通過させる
ことを含む方法。
【請求項６】
前記空気流から酸素を除去することが、吸着材料を提供し、そして前記空気流を前記吸着材料に通過させることにより前記吸着材料上に前記酸素を吸着させることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
水素流を提供し、前記水素流を前記吸着材料に通過させることにより、前記吸着材料を再生させることを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記窒素流を前記燃料電池スタックのアノードに通過させることが、前記燃料電池スタックの停止後に前記窒素流を前記燃料電池スタックのアノードに通過させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記水素流を前記吸着材料に通過させることが、前記燃料電池スタックの停止後に前記水素流を前記吸着材料に通過させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
吸着材料から前記燃料電池スタックへの流れを流すことを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記水素流を前記吸着材料に通過させる間、前記吸着材料を加熱することを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記空気流を前記吸着材料に通過させることが、前記燃料電池スタックの始動時に前記空気流を前記吸着材料に通過させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記吸着材料を再生させることが、前記燃料電池スタックの始動後に前記吸着材料を再生させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記吸着材料が、炭素構造体、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、ＣｅＯ、又は酸素吸着材料の少なくとも１を含んでなる、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記吸着材料が、可逆的に酸化可能な酸化物材料を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
前記水素流を前記吸着材料に通過させる間に、前記吸着材料を加熱することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記吸着材料がＣｅＯ及び触媒を含んでなる、請求項７に記載の方法。
【請求項１８】
燃料電池スタックのアノードから残留水素を追い出す方法であって：
空気流を提供し；
吸着材料を提供し；
前記空気流を前記吸着材料に通過させることにより窒素流を提供し；
前記窒素流を前記燃料電池スタックに通過させ；そして
前記燃料電池スタックからのカソード排気を提供し、前記カソード排気を排出させる前にカソード排気を前記吸着材料に通過させることにより前記吸着材料を再生させる
ことを含む方法。
【請求項１９】
前記吸着材料が、炭素構造体、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、ＣｅＯ、又は酸素吸着材料の少なくとも１を含んでなる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記カソード排気を前記吸着材料に通過させる間に、前記吸着材料を加熱することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
燃料電池スタックのアノードから残留水素を追い出す方法であって：
空気流を提供し；
第一吸着材料及び第二吸着材料を提供し；
前記空気流を第一吸着材料に通過させることにより第一窒素流を提供し、前記燃料電池スタックの休止中に前記第一窒素流を前記燃料電池スタックに通過させ；
前記空気流を前記第二吸着材料に通過させることにより第二窒素流を提供し、前記燃料電池スタックの始動時に前記第二窒素流を前記燃料電池スタックに通過させ；そして
水素流を提供して前記水素流を前記第一吸着材料及び前記第二吸着材料のそれぞれに通過させることにより前記第一吸着材料及び前記第二吸着材料を再生させる
ことを含む方法。
【請求項２２】
前記水素流が、前記第一吸着材料及び前記第二吸着材料から前記燃料電池スタックを通じて排出される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第一吸着材料及び前記第二吸着材料の各々が、炭素構造体、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、ＣｅＯ、又は酸素吸着材料の少なくとも１を含んでなる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記水素流を前記第一吸着材料及び前記第二吸着材料に通過させる間、前記第一吸着材料及び前記第二吸着材料を加熱することを更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
燃料電池スタックから残留水素を追い出す追い出し装置であって：
空気流及び水素流のそれぞれを燃料電池スタックへと送る、空気流ライン及び水素流ライン；及び
前記空気流ラインに流体連続的に配置されており、吸着材料を含有し、そして空気流から酸素を選択的に受け取って除去して窒素流を燃料電池スタックへと送る、吸着器
を有する装置。
【請求項２６】
前記水素流ラインが、前記吸着器に流体連続的に配置されており、前記吸着器へと水素流を選択的に送って前記吸着材料を再生させる、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記吸着器に熱的に接触するように配置されており、前記吸着材料を加熱する、吸着器加熱器を更に有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記吸着器に流体連続的に配置されており、カソード排気を前記燃料電池から前記吸着器へと送ることにより前記吸着材料を選択的に再生させる、カソード排気分配ラインを更に有する、請求項２８に記載の装置。
【請求項２９】
前記空気流ラインに流体連続的に配置されており、第二吸着材料を含有し、そして空気流から酸素を選択的に受け取って除去して窒素流を燃料電池スタックのアノードへと送る、第二吸着器を更に有する、請求項２５に記載の装置。
【請求項３０】
燃料電池スタックから残留水素を追い出す追い出し装置であって：
空気流及び水素流のそれぞれを燃料電池スタックへと送る空気流ライン及び水素流ライン；
前記空気流ライン及び前記水素流ラインに流体連続的に配置されており、吸着材料を含有し、そして空気流から酸素を選択的に受け取って除去して窒素流を燃料電池スタックへと送る、吸着器；及び
前記水素流ライン及び前記吸着器に流体連続的に配置されており、前記水素流ラインから前記吸着器へと前記水素流を選択的に送って前記吸着材料を再生させる、水素分流ライン
を有する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、燃料電池の停止後、燃料電池スタックから水素を追い出す方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業界において燃料電池技術が比較的最近開発されている。燃料電池の電力プラントは５５％を超える効率を達成可能であることが見出されている。さらに、燃料電池の電力プラントは、副生成物として熱と水のみを排出する。
【０００３】
燃料電池には３つの要素が含まれる：カソード、アノード、及びカソードとアノードの間にはさまれてアノードからカソードへプロトンを伝導させる電解質である。電極の各々は触媒を含有する。作動中、アノード上の触媒は水素を電子とプロトンに解離させる。電子はアノードから電流として分配されて、駆動モーターのような外部のいくつかの仕事用装置へと伝達され、そしてカソードへと送られる。プロトンはアノードから電解質を通ってカソードへと移動する。カソード上の触媒は、プロトン、仕事用装置から戻った電子、及び空気からの酸素を組合わせて水を形成させる。燃料電池スタックは一続きに積み重ねられた個々の燃料電池の集合体である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池スタックの作動中、水素ガスの安定な流れが燃料電池スタックのアノード側へと導入され、空気の安定な流れが燃料電池スタックのカソード側へと導入される。燃料電池スタックの停止の際に、燃料電池スタックのアノード側への水素の流れが停止する。停止後に燃料電池スタック内に水素が残ると、アノードへの空気の漏れにより局所的なセルの腐食が形成される可能性がある。標準水素電極に対するカソード電位は１．２〜１．５Ｖに達しうる。時間がたつと、高電圧により、カソード内の触媒を担持する炭素基材が失われていくだろう。基材と触媒領域の損失は、作動電圧を低下させ、最終的にスタックの寿命を制限するだろう。この問題は米国特許２００４／００８１８６６Ａ１（Bekkedahlら）に記載されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示態様の概要
本発明の一態様は、燃料電池スタックのカソードの減成を低下させる方法を含み、その方法は、アノード反応ガス流路とカソード反応ガス流路がその中に画定されており、アノード反応ガス流路内に反応ガスがある燃料電池スタックを乗物上に提供すること、窒素リッチガス流（nitrogen-rich gas stream）を提供するためのシステムを乗物に提供すること、窒素リッチガス流をアノード反応ガス流路に流すことを含む方法によりアノードガス流路中の反応体を追い出すこと、を含む。
【０００６】
本発明の一態様は、燃料電池の作動の停止後に、又は燃料電池の停止後と最初の始動時の両方において、燃料電池スタックから残留水素を追い出す方法を含む。一態様において、この方法は、空気流を吸着床に送り、空気流から酸素を除去し、得られた窒素流を燃料電池スタックのアノード側に送って、スタックから残留水素を除去することを含む。水素流を吸着床へと送り、吸着床から酸素を脱着させて水素流へと酸素を掃き出すことにより、吸着材料を再生させてもよい。得られた可燃性（flammable）でもなく自燃性（hypergolic）でもない水素／酸素ガス混合物流は、燃料電池スタックのアノード側へと送られてもよいし、他のいくつかの出口へと送られてもよい。吸着材料の再生中に、吸着材料に熱を加えて、酸素の脱着速度を速めてもよい。
【０００７】
別の態様では、燃料電池スタックのカソード側から吸着床へと、熱い（６０℃〜８０℃）低酸素濃度のカソード排気流を送ることにより、あるいは他の酸素無含有ガス流を送ることにより、吸着材料を再生させてもよい。
【０００８】
別の態様において、吸着材料は酸化セリウム（ＣｅＯ）のような化学吸着材料である。空気中の酸素をＣｅＯと反応させてＣｅＯ2を形成させるために、空気を吸着床に送ってもよい。これにより純粋な窒素流が得られ、この窒素流を燃料電池スタックのアノード側に送ってスタックから残留水素を除去することができる。吸着床は、典型的には、吸着床に水素流を送ることにより再生させることができ、水素はＣｅＯ2をＣｅＯへと還元して、副生成物として水を形成させる。この吸熱反応を促進させるために、吸着床に熱を加えてもよいし、及び／又は吸着床の上や中に触媒を組み込むことも考えられる。
【０００９】
別の態様において、燃料電池の始動時の短い期間の間に、空気流を吸着床に分配して空気流から酸素を除去してもよい。得られた窒素流を燃料電池スタックのアノード側に分配して、スタックから残留酸素を除去してもよい。燃料電池の休止時に、吸着床に水素流を分配して吸着材料を再生させてもよい。
【００１０】
別の態様において、２つの別個の吸着床を配置する。燃料電池の停止後に、空気流を第一の吸着床に送って空気流から酸素を除去してもよい。得られた窒素流を燃料電池スタックのアノード側に送って、スタックから残留水素を除去してもよい。燃料電池の最初の始動時に、空気流を第二の吸着床に送って窒素流を生成させ、窒素流をすぐに燃料電池スタックのアノード側へと送ってもよい。第一及び第二吸着床の両方を、燃料電池スタックの始動後に、同時に再生させてもよい。
【００１１】
本発明の他の例示態様は、本明細書に示す詳細な説明により明らかとなるだろう。詳細な説明と具体的な実施例とは、本発明の例示態様を示してはいるが、例示の目的のみであり、本発明の範囲を制限することを意図していないことが理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明の詳細な説明
本発明の一態様は、燃料電池スタックのカソードの減成を低下させる方法を含み、その方法は、アノード反応ガス流路とカソード反応ガス流路がその中に画定されており、アノード反応ガス流路内に反応ガスがある燃料電池スタックを乗物に提供すること、窒素リッチガス流を提供するためのシステムを乗物上に提供すること、窒素リッチガス流をアノード反応ガス流路に流すことを含む方法によりアノードガス流路中の反応ガスを追い出すこと、を含む。窒素リッチ流は、実質的に酸素を含まないことができる。或いは、窒素リッチ流は、２ｗｔ％未満の酸素を含む。本発明の別態様では、窒素リッチ流を製造することは、空気流を酸素吸着材料を通じて流し、空気から少なくとも酸素の実質的な部分を除去して窒素の濃度を高めることを含む。
【００１３】
図１を参照する。本発明の一態様には、１０として一般的に示されている燃料電池水素追い出しシステムが含まれる。システム１０は燃料電池車用に適しており、非自動車用途にも適している。システム１０は、カソード側３６に連結した空気流ライン１２を含んでもよく、これは慣用的な燃料電池スタック３４のカソードに配置される（図示せず）。燃料電池スタック３４におけるポリマー電界質膜（図示せず）は、スタック全体を通じて、アノードからカソードを分離する。カソード排気ライン３８は、燃料電池スタック３４のカソード側３６から伸び、アノード排気ライン４２は、燃料電池スタック３４のアノード側４０から伸びる。燃料電池スタック３４の作動中、空気流ライン１２はカソード側３６への空気流１２ａの運搬を提供し、一方、水素流ライン１４は燃料電池スタック３４のアノード側４０への水素流１４ａの運搬を提供する。カソード排気はカソード排気ライン３８を通って燃料電池スタック３４から除去され、一方、アノード排気はアノード排気ライン４２を通って燃料電池スタック３４から除去される。
【００１４】
吸着器入口弁２０を有する吸着器入口ライン１８は空気流ライン１２から伸びる。ライン１８は入口弁２０から吸着器１６へと伸びる。吸着器１６は吸着材料１７を有する。吸着器出口弁２４を有する吸着器出口ライン２２は吸着床１６の出口から伸びる。以下にさらに説明するように、吸着材料１７へと熱３１を適用するために、吸着器加熱器３０を吸着器１６中の吸着材料１７に熱的に接触するように提供する。本発明の多様な態様において、例えば、吸着器加熱器３０は電気的熱源であってもよく、スタック冷却体のような流体の温かい流れにつながれる熱交換器であってもよく、加熱されたガス流であってもよい。
【００１５】
水素分流弁（hydrogen shunt valve）２８を有する水素分流ライン２６は、水素流ライン１４から分岐する。水素分流ライン２６の出口端は、吸着器入口弁２０の下流に位置する吸着器入口ライン１８ａに流体連続的に配置される。
【００１６】
本発明の一態様に従うシステム１０の作動において、燃料電池スタック３４の作動中に、水素分流弁２８、吸着器入口弁２０、及び吸着器出口弁２４は閉じられる。空気流１２ａは空気流ライン１２を通り、燃料電池スタック３４のカソード側３６へと流れる。同時に、水素流１４ａは、水素流ライン１４ａを通って、燃料電池スタック３４のアノード側４０へと流れる。アノード側４０において、水素流１４ａからの水素は、電気化学的に電子とプロトンに解離する。電子はアノードからの電流として分配され、外部の駆動モータ（図示せず）のような電気的に駆動する装置を通じて送られ、そしてカソード側３６中のカソードへと戻される。プロトンは、アノードから、ポリマー電解質膜を通って、カソードへと移動する。カソード側３６で、プロトンは、（１）電気的に駆動する装置から戻ってきた電子及び（２）空気流１２ａからの酸素と組み合わされて水と熱とを形成する。水は、カソード排気ライン３８を通じて排出され、水蒸気として汚染空気に取り込まれる。過剰の水素は、アノード側４０からアノード排気ライン４２を通って排出される。
【００１７】
燃料電池スタック３４の休止時、水素流弁１５を閉鎖して、燃料電池スタック３４のアノード側へと水素流１４ａがさらに流れるのを防止させる。吸着器入口弁２０及び吸着器出口弁２４は開放して、空気流１２ａを空気流ライン１２から吸着器入口ライン１８を通じて吸着器１６へとそれぞれ流れさせる。
【００１８】
空気流１２ａを吸着器１６に流し、空気流１２ａ中の酸素を吸着材料１７の表面上に吸着させる。かくして、最初の接触期間に、酸素のほとんどが空気流１２ａから除去される。その結果、実質的に純粋な窒素流４４が、吸着器１６の出口から吸着器出口ライン２２を通って水素流ライン１４へとそれぞれ流れる。水素流ライン１４からは、燃料電池スタック３４のアノード側４０に窒素流４４が流れ、それにより燃料電池スタック３４から残留水素を追い出す。得られる窒素−水素混合流４６は、燃料電池スタック３４からアノード排気ライン４２を通じて排出される。
【００１９】
空気流１２ａがある期間の間吸着器１６に流れた後に、吸着材料１７は酸素で飽和される。このとき、空気流１２ａが吸着床１７を通過しても、空気流１２ａから酸素は少ししか除去されないか或いは全く除去されない。結果として、空気流１２ａ、すなわち酸素が実質的に除去されない流れ４４は、吸着器出口ライン２２、水素流ライン１４を通って燃料電池スタック３４のアノード側４０へとそれぞれ流れる。図４のグラフに示すように、窒素流４４中の酸素の濃度は、空気流１２ａの所与の流速の間に、一定に増加する。酸素破過速度（rate of oxygen breakthrough）に影響する他の要素には、吸着材料の容量、温度、圧力、及び選択した吸着材料１７が含まれる。空気流４４の流速が速いと、より迅速に酸素濃度が増加する。十分な量の窒素が燃料電池スタック３４のアノード側４０を通じて流れて燃料電池スタック３４から水素の大部分を追い出すまで、窒素流４４中の酸素濃度が十分に低く維持されるように、吸着器１６の大きさを決めることができる。これは燃料電池スタック３４において局所的な腐食セルの形成を防ぎ、従ってスタックの寿命を非常に増加させる。
【００２０】
燃料電池スタック３４のアノード側４０から残留水素を除去させるには十分な量の窒素を提供すればよいだけであるから、吸着器１６は比較的小さくてもよい（４Ｌ未満）。さらに、吸着器１６は、アノード水素運搬機構とは関係なく用いることができる。例えば、吸着器１６はアノードリサイクルループ（水素がアノード排気ライン４２から水素ポンプ又は排出器を通じてスタックアノード入口へとリサイクルされる）、単一の通過流手段（ガスはスタックを通じて一回分配されるのみである）、又は他の流れ手段とともに機能するだろう。例えば酸素を減少させた窒素流４４をアノード側４０へと導入する前にカソード中の酸素量を低減させるために、空気源を閉鎖したスタック上に電気的負荷を配置することにより、吸着器１６を停止手段と組み合わせて腐食耐性を改良させてもよい。
【００２１】
残留水素を燃料電池スタック３４から排除した後、燃料電池スタック３４の作動中かあるいは燃料電池スタック３４が作動していないときに、吸着器１６中の吸着材料１７を再生させる。再生手段は吸着器１６に用いられる吸着材料１７の特定のタイプに依存する。例えば、燃料電池スタック３４の作動を再開させて水素流１４ａをアノード側４０に流した後、水素分流弁２８及び吸着器出口弁２４を開放させて、一方、吸着器入口弁２０及び水素流弁１５を閉鎖させる。これは、水素流１４ａを、水素流ライン１４から、水素分流ライン２６、吸着器入口ライン１８、吸着器１６、吸着器出口ライン２２、そして再び水素流ライン１４を通じてそれぞれ流れさせる。先に吸着材料１７上に吸着された酸素は、次いで水素流１４ａ中へと脱着し、燃料電池スタック３４のアノード側４０を通じて分配される。脱着した酸素は、水素流１４ａがアノード側４０に入るとき、水素流１４ａの小さな部分のみを占める（混合物は自燃性でも可燃性でもない）。酸素は一般的にアノード中の触媒表面上で水素により消費される。燃料電池スタックは通常、負荷下で作動しているから、アノード電位はアノードのバルク水素特性により決定される。脱着される酸素は、カソードの腐食リスクを生じさせない。
【００２２】
吸着器１６における吸着材料１７は、空気流から酸素を吸着するのに適する、当業者に知られる任意の材料であることができる。例えば、吸着材料１７は炭素モレキュラーシーブのようなシーブ（sieve）であることができる。
【００２３】
図５は、一態様に従って用いられる典型的な吸着材料の酸素吸収容量を示し、所与の酸素出口濃度について材料の酸素貯蔵能力を見積もるのに用いることができる。吸着器１６に必要とされる吸着材料１７の量は、アノードサブシステムの容量必要性、空気流１２ａの流速、及び用いられる特定の吸着材料１７に依存する。例えば、名目的に１００ｋＷの燃料電池スタックについて、図５に示される酸素吸収特性を有する吸着材料１７は、１％未満の酸素を含有する窒素ガスの２つのアノードサブシステムの容量の交換を提供するのに、４Ｌ（２．８ｋｇ）の容量を必要とするだろう。窒素流４４において５％の酸素含量が許容可能である場合には、２．５Ｌ（１．８ｋｇ）のみの吸着材料１７が必要とされる。
【００２４】
用いられる吸着材料１７に依存して、吸着材料１７は、空気流１２ａが吸着器１６を通じて分配されるまで、相対的に低い温度（例えば周囲温度）に維持することができる。多くの吸着材料１７について、材料を相対的に低い温度に維持することは、吸着材料１７の酸素吸着能力を改良するだろう。上記の通り、水素流１４ａが吸着器１６へと送られる次の吸着体再生工程の間、吸着器加熱器３０を作動させて熱３１を吸着器１７へと適用する。典型的に約８０〜１００℃の温度へと吸着材料１７を加熱することは、酸素脱着率を顕著に改善させる。選択される特定の温度は、吸着材料１７の熱特性及び吸着特性、並びに吸着器加熱器３０に使用可能な熱源に依存する。
【００２５】
図２を参照する。本発明の一態様には、１０ａとして概略的に示される燃料電池水素追い出しシステムが含まれる。システム１０ａは、燃料電池自動車への使用に適しており、非自動車用途にも適している。システム１０ａは図１について上記したシステム１０とデザインにおいて同様であるが、水素分流ライン２６及び水素分流弁２８は省略されてもよい。さらに、カソード排気ライン３８が、三方弁５６の入口に流体連続的に配置される。排気排出ライン５４は三方弁５６の１つの出口から伸び、カソード排気分配ライン５０は三方弁５６の他の出口から伸びる。カソード排気分配ライン５０の排出端は、吸着器１６に流体連続的に配置される。ライン２２ａは、吸着器１６の出口と出口弁４１とをつなぐ。
【００２６】
本発明の一態様に従うシステム１０ａの作動において、燃料電池スタック３４は図２について上記したように典型的に作動される。燃料電池スタック３４の作動中、吸着器入口弁２０及び吸着器出口弁２４は閉鎖される。それに応じて、カソード排気５２は燃料電池スタック３４のカソード側３６から、カソード排気ライン３８及び三方弁５６をそれぞれ通じて流れ、排気排出ライン５４を通じて排出される。
【００２７】
図１について上記した通り、燃料電池スタック３４の休止後に、吸着器入口弁２０及び吸着器出口弁２４を開放し水素流弁１５を閉鎖して、空気流１２ａを吸着器１６に移動させ、得られた窒素流４４を燃料電池スタック３４のアノード側４０に流すことにより、燃料電池スタック３４から残留水素を追い出すことができる。吸着器１６中の吸着材料１７は、続く燃料電池３４の作動中に、再生させることができる。その際、燃料電池３４の作動を再開させるとき、三方弁５６は、カソード排気５２が排気排出ライン５４へと流れるのを妨いで、代わりにカソード排気５２をカソード排気ライン５０へと分配する。吸着器出口弁２４は閉鎖されたままであるが、吸着器出口弁４１は開放されており、これによりカソード排気５２が吸着器１６を通じて流れる。吸着器１６において、吸着材料１７に吸着された酸素は、汚染空気であるか又は本質的に窒素であるカソード排気５２中へと脱着する。混合されたカソード排気／酸素流６０は次いで、吸着器１６から、吸着器出口ライン２２を通って、排出ライン２２ａ及び排気弁４１を通じて外の空気中へと流れる。その際、燃料電池スタック３４の作動後に、吸着材料１７は、燃料電池スタック３４から残留水素をさらに追い出すことが重要である。
【００２８】
再び図１を参照する。本発明の別態様に従うシステム１０の操作が以下のように行われる。この方法によれば、吸着材料１７は例えば酸化セリウム（ＣｅＯ）のような化学吸着材料である。燃料電池スタック３４からの残留水素の追い出しは、吸着器入口弁２０及び吸着器出口弁２４を開放することにより達成される。これは、空気流１２ａが空気流ライン１２から吸着器１６を通じて流れるのを可能にさせ、空気流１２ａ中の酸素を固体ＣｅＯ吸着材料１７と反応させて、固体ＣｅＯ2を形成させる。生じる窒素流４４は、吸着器１６から、吸着器出口ライン２２、水素流ライン１４、及び燃料電池スタック３４のアノード側４０をそれぞれ通って流れて、燃料電池スタック３４から残留水素を除去し、アノード排気ライン４２を通じて排出させる。ＣｅＯのＣｅＯ2への転化は発熱反応であるから、生じた熱が燃料電池スタック３４へと一度に移動しないように、吸着器１６を適切に設計しなければならない。
【００２９】
吸着器入口弁２０及び水素流弁１５を閉鎖し、水素分流弁２８及び吸着器出口弁２４を開放して、水素分流ライン２６、吸着器入口ライン１８、及び吸着器１６のそれぞれを通じての水素流１４ａの流れを促進させることにより、吸着材料１７の再生が行われる。吸着器１６において、水素流１４ａからの水素はＣｅＯ2をＣｅＯへと還元して戻して、水蒸気を形成させる。この反応は、例えばＰｔのような触媒を吸着器ＣｅＯ床に含ませることにより促進させてもよい。この発熱反応のための熱３１は、吸着器加熱器３０により提供してもよい。吸着体再生工程中に燃料電池スタック３４が作動し続ける場合には、水蒸気を、吸着器１６から、吸着器出口ライン２２、水素流ライン１４、及び燃料電池スタック３４のアノード側４０へと分配し、アノード排気ライン４２を通じて排出させる。一方、吸着体再生工程中に燃料電池スタック３４が作動しない場合には、水蒸気を燃料電池スタック３４を通さずに、図２に示される排出弁４１のような代わりの排出口を通して排出させる。
【００３０】
図１を再び参照する。別態様に従うシステム１０の作動は、燃料電池スタック３４の最初の始動中（典型的には数秒間）に、窒素流４４の生成を促進させる。これに応じて、吸着器入口弁２０及び吸着器出口弁２４は開放され、一方水素流弁１５及び水素分流弁２８は閉鎖される。それにより、空気流１２ａは空気流ライン１２から吸着器１６を通って流れる。生じる窒素流４４は、吸着器１６から、吸着器出口ライン２２及び水素流ライン１４をそれぞれ通って、燃料電池スタック３４のアノード側４０へと流れ、そこで窒素流４４は、燃料電池スタック３４が停止している間にアノード４０に入った残留酸素を燃料電池スタック３４から追い出し、そして、アノード排気ライン４２を通じて排出される。燃料電池スタック３４の作動中、吸着器入口弁２０、水素分流弁２８、及び吸着器出口弁２４は閉鎖され、水素流弁１５は開放され、空気流１２ａが燃料電池スタック３４のカソード側３６へと流れるのを促進させ、また水素流１４ａが燃料電池スタック３４のアノード側４０へと流れるのを促進させる。
【００３１】
燃料電池スタック３４の始動の後、水素分流弁２８及び吸着器出口弁２４を開放し、水素流弁１５を閉鎖することにより、吸着体１６を再生させる。これに応じて、水素流１４ａが、水素流ライン１４から、水素分流ライン２６及び吸着器入口ライン１８をそれぞれ通って、吸着器１６中へと流れ、そこで、吸着材料１７から水素流１４へと酸素が脱着する。水素／酸素混合流４４は、吸着器１６から吸着器出口ライン２２及び水素流ライン１４のそれぞれを通って、燃料電池スタック３４のアノード側４０へと流れる。水素／酸素混合流中の低濃度の酸素は、アノード触媒上で実質的に消費されるだろう。どの排気ガスも燃料電池スタック３４からアノード排気ライン４２を通じて排出される。この再生が休止時に行われる場合、図２に示すような排出ライン２２ａ及び弁４１が必要である。排出ライン２２ａは、水素を弁４１を通じて大気へと移動させるだろう。そのような場合、水素を浄化する手段を考える必要があるかもしれない。
【００３２】
図３を参照する。本発明の別態様の実施における水素追い出しシステムを概略的に１０ｂとして示す。システム１０ｂは、燃料電池自動車又は非自動車用途に用いるのに適する。システム１０ｂは、図１について上記したシステム１０と同様のデザインであるが、システム１０ｂは空気流ライン１２から伸びる吸着器入口弁７４を有する追加の吸着器入口ライン７２を含む。第一吸着器１６に加えて、吸着材料７０を含有する第二吸着器６８が吸着入口ライン７２に流体連続的に配置される。吸着器出口弁７８を有する吸着器出口ライン７６が吸着器６８に流体連続的に配置される。吸着器出口ライン７６の排出端は水素流ライン１４に流体連続的につながれる。水素分流ライン８０は水素分流入口弁２８から伸び、吸着器入口ライン７２に流体連続的につながれる。システム力学的に要求される場合には、単一の水素分流弁２８の代わりに、２つの水素分流弁をライン２６のそれぞれの側の上に用いてもよい。
【００３３】
本発明の一態様に従うシステム１０ｂの作動において、燃料電池スタック３４は図１について上記したように典型的に作動される。燃料電池スタック３４の作動中、吸着器入口弁２０、吸着器出口弁２４、吸着器入口弁７４、吸着器出口弁７８、及び水素分流弁２８は閉鎖され、水素流弁１５は開放される。これは、空気流ライン１２を通じて燃料電池スタック３４のカソード側３６へと空気流１２ａを流れさせ、また水素流ライン１４を通じて燃料電池スタック３４のアノード側４０へと水素流１４ａを流れさせる。
【００３４】
燃料電池スタック３４の停止後、吸着器入口弁２０及び吸着器出口弁２４は開放され、水素流弁１５は閉鎖され、それにより、空気流１２ａを空気流ライン１２から第一吸着器１６を通して流れさせる。これは、吸着器１６から吸着器出口ライン２２及び水素流ライン１４のそれぞれを通じて、燃料電池スタック３４のアノード側４０へと流れる窒素流４４を生成させる。窒素流４４は、燃料電池スタック３４のアノード側４０から残留水素を追い出し、アノード排気ライン４２を通じて排出される。
【００３５】
燃料電池スタック３４の続く始動時の短い期間（典型的には数秒間）の間、吸着器入口弁２０及び出口弁２４は閉鎖され、空気流１２ａの第一吸着器１６への流れを防ぐ。吸着器入口弁７４及び吸着器出口弁７８は開放され、弁１５は閉鎖され、これにより空気流１２ａを空気流ライン１２から第二吸着器６８を通じて流れさせ、そして、得られた窒素流４４を吸着器６８から水素流ライン１４へ流れさせ、アノード側４０へ流れさせ、アノード排気ライン４２から排出させる。アノード４０から酸素が実質的に追い払われた後、弁７４及び弁７８を閉鎖して、吸着器６８を通る流れを停止させる。水素流弁１５を開放し、水素をスタック中へと流れさせる。
【００３６】
第一吸着器１６及び第二吸着器６８は、燃料電池スタック３４の続く作動中に、典型的に再生される。これに応じて、吸着器入口弁２０、吸着器入口弁７４、及び水素流弁１５は閉鎖され、吸着器出口弁２４、水素分流弁２８、及び吸着器出口弁７８は開放される。これは、水素流ライン１４から水素分流ライン２６を通る水素流１４ａの流れを促進させる。水素流の第一の部分１４ｂは、第一吸着器１６へと流れ、一方、水素流の第二の部分１４ｃは、水素分流ライン８０及び吸着器入口ライン７２のそれぞれを通って第二吸着器６８へと流れる。第一吸着器１６において、酸素は吸着材料１７から脱着し、水素流１４ｂとともに吸着器出口ライン２２及び水素流ライン１４のそれぞれを通って燃料電池スタック３４のアノード側４０へと流れる。酸素／水素混合流は、燃料電池スタック３４からアノード排気ライン４２を通じて排出される。同様に、第二吸着器６８において、酸素は吸着材料７０から脱着し、水素流１４ｃとともに吸着器７６及び水素流ライン１４のそれぞれを通って燃料電池スタック３４のアノード側４０へと流れ、酸素／水素混合流は、アノード排気ライン４２を通って排出される。再生中、熱３１を吸着材料１７及び吸着材料７０に与えて、酸素脱着プロセスを補助してもよい。
【００３７】
本発明の例示態様を上で説明したが、本発明において多様な修正がなされ得ることが理解されるべきであり、また、付随する特許請求の範囲は本発明の精神及び範囲に含まれるそのような全ての修正を含むことを意図されていることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の１以上の態様に従う方法の実施に適する、燃料電池水素追い出しシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一態様に従う方法の実施に適する、燃料電池水素追い出しシステムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の一態様に従う方法の実施に適する、燃料電池水素追い出しシステムの概略図である。
【図４】図４は、酸素破過曲線（oxygen breakthrough curve）のグラフであり、空気が酸素を吸着する床へと供給される際の、酸素吸着床から出る酸素流の酸素濃度の経時変化を示す。
【図５】図５は、本発明の一態様に従って用いられる典型的な吸着材料について、酸素吸収能力を、純化された窒素ガスにおける酸素濃度の関数として示すグラフである。
【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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【外国語明細書】
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