(57)【要約】【課題】燃料電池の始動時にカソード炭素腐食を低減するシステムと方法を提供すること。【解決手段】最後のシステム停止以降に十分に長い期間が経過した場合、スタックのアノード側とカソード側の両方に空気が充填される。システムが分割サブスタックを備える場合、始動シーケンスにおいて、それぞれのサブスタックを別々に通る高速水素パージを使用して、水素／空気前線がスタックのアノード側を通って流れる時間を短縮する。次いで、この始動シーケンスで、同時に複数のサブスタックを通る低速の水素パージを使用する。最後の停止から経過した時間が十分に短く、サブスタックのカソード側およびアノード側にまだ著しい量の水素が存在している場合、高速水素パージは、行われなくてもよく、始動シーケンスは、直接、低速水素パージに進む。【選択図】図１
2008192614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムを始動する方法であって、前記システムは第１の分割スタックと第２の分割スタックとを備え、前記方法は、
第１の期間に亘って前記第１の分割スタックのアノード側および前記第１の分割スタックと第２の分割スタックとの間に結合されたパージ弁を通して第１の流量でパージガスを流すステップと、
前記第１の期間の後の第２の期間に亘って前記第２の分割スタックのアノード側および前記パージ弁を通して第１の流量でパージガスを流すステップと、
前記第２の期間の後の第３の期間に前記第１の分割スタックと前記第２の分割スタックの両方の前記アノード側を通して第２の流量でパージガスを流すステップとを含み、前記第２の流量は、前記第１の流量よりも少ない、燃料電池システムを始動する方法。
【請求項２】
さらに、前記パージガスを前記パージ弁の後のカソード排ガス管路内に流し込むステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、圧縮機空気が前記カソード排ガス管路に流れて、前記第１と第２の期間に前記第１の分割スタックと前記第２の分割スタックとを通って流れることなく前記パージガスを希薄化するように圧縮機を動作させるステップを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
さらに、前記第３の期間に空気を前記第１の分割スタックおよび前記第２の分割スタックのカソード側に通して流すステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記パージガスを流すステップは、水素ガスを流すステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第２の流量で前記パージガスを流すステップは、前記パージガスを前記第１および第２の分割スタックとの間に結合された水分離器およびドレン弁に通し、前記パージ弁には通さずに、流すステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の流量、前記第２の流量、前記第１の期間、前記第２の期間、および前記第３の期間は、すべて、前記燃料電池システムが停止されている期間の長さに基づいて制御される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１および第２の期間は、前記燃料電池システムが十分短い期間の間に停止されて有意な量の空気が前記第１および第２の分割スタックに入っていない場合に０である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記システムは、前記パージガスがランダムに前記第１の期間および前記第２の期間に前記第１の分割スタックまたは前記第２の分割スタックに流れるかどうかを選択する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記システムは、アノード流体移動を使用する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
燃料電池システムを始動する方法であって、前記システムは燃料電池スタックと空気を前記燃料電池スタックのカソード側に通して流す圧縮機とを備え、前記方法は、
第１の期間に亘って前記燃料電池スタックのアノード側およびパージ弁を通して第１の流量でパージガスを選択的に流すステップと、
前記第１の期間の後の第２の期間に亘って前記燃料電池スタックの前記アノード側を通して第２の流量で前記パージガスを選択的に流すステップと、を含み、前記第２の流量は、前記第１の流量よりも少なく、前記第１の流量、前記第２の流量、前記第１の期間、および前記第２の期間は、前記システムが停止されている時間の長さに基づいて決定される、燃料電池システムを始動する方法。
【請求項１２】
前記第１の期間は、前記燃料電池システムが十分短い期間の間に停止されて有意な量の空気が前記第１および第２の分割スタックに入っていない場合に０である請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、前記パージガスを前記パージ弁の後のカソード排ガス管路内に流し込むステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、圧縮機空気を前記カソード排ガス管路に流して、前記第１の期間の間に前記空気を前記スタックを通して流すことなく前記パージガスを希薄化するステップを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、前記第２の期間の間に圧縮機空気を前記燃料電池スタックのカソード側に通して流すステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記パージガスを流すステップは、水素ガスを流すステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
第２の流量で前記パージガスを流すステップは、前記パージガスを水分離器およびドレン弁に通し、前記パージ弁には通さずに、流すステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
燃料電池システムを停止する方法であって、
前記燃料電池システムは、燃料電池スタックと、空気を前記燃料電池スタックのカソード側に供給する圧縮機とを備え、
前記方法は、
前記スタックの前記カソード側への前記圧縮機空気の流れをオフにするステップと、
弁を閉じて前記スタックの前記カソード側を封止するステップと、
水素を前記燃料電池スタックの前記アノード側に流して前記スタック内の酸素を消費するステップと、
前記スタック電力が第１の所定のレベルまで降下したときに前記スタック上の負荷を第１のシステムコンポーネントから第２のシステムコンポーネントに切り替えるステップと、
前記スタック電力が前記第１の所定のレベルよりも小さい第２の所定のレベルまで減少したときに前記スタック上の前記負荷を抵抗器に切り替えるステップと、
前記酸素が前記スタックから消費された後、水素の前記流れをオフにし、弁を閉じて前記燃料電池スタックの前記アノード側を封止するステップと、
を含む、燃料電池システムを停止する方法。
【請求項１９】
前記スタック上の負荷を第１のシステムコンポーネントから第２のシステムコンポーネントに切り替えるステップは、前記スタック上の前記負荷をバッテリーに切り替えるステップを含む請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、システムの始動時に燃料電池スタックのＭＥＡ内の触媒劣化を低減するシステムおよび方法、より具体的には、スタックが停止されていた時間の長さに応じてアノードパージ速度および時間を決定するステップを含むシステムの停止および始動時の燃料電池スタックのＭＥＡ内のカソード触媒劣化を低減するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、クリーンであり、燃料電池で電力を効率よく発生するために使用できるため、非常に魅力的な燃料である。水素燃料電池は、電解質を間に挟んだアノードとカソードを備える電気化学的デバイスである。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素または空気を受け取る。水素ガスは、アノードにおいて解離され、遊離した陽子と電子を生成する。陽子は、電解質を通ってカソードに達する。陽子は、酸素、およびカソードの電子と反応し、水を生成する。アノードから出る電子は、電解質を通ることができず、そのため、負荷に通され、カソードに送られる前に仕事をする。
【０００３】
陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両向けによく使われている燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、一般に、ペルフルオロスルホン酸膜などの、固体高分子電解質陽子伝導性膜を含む。アノードおよびカソードは、典型的には、炭素粒子上に担持され、アイオノマーと混合された、微粉化触媒粒子、通常は白金（Ｐｔ）を含む。触媒混合物が、膜の対向する面に堆積される。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物、および膜の組合せは、膜電極一体構造（ＭＥＡ）を定める。
【０００４】
複数の燃料電池は、典型的には、燃料電池スタックに組み合わされることで、所望の電力を発生する。上述の自動車用燃料電池スタックでは、スタックは、２００個またはそれ以上の燃料電池を含みうる。燃料電池スタックは、カソード反応ガス、典型的には圧縮機により強制的にスタック内に通される空気の流れを受け取る。送られた酸素のすべてがスタックにより消費されるわけではなく、空気の一部がスタック副産物として水を含みうるカソード排ガスとして放出される。燃料電池スタックは、さらに、スタックのアノード側に流れ込むアノード水素反応ガスも受け取る。
【０００５】
燃料電池スタックは、スタック内の複数のＭＥＡ間に配置された一連のバイポーラ板を備え、このバイポーラ板とＭＥＡは、２つの端板の間に位置する。バイポーラ板は、スタック内の隣接する燃料電池に対するアノード側とカソード側を備える。アノードガス流路がバイポーラ板のアノード側に設けられており、これにより、アノード反応ガスは、それぞれのＭＥＡに流れることができる。カソードガス流路がバイポーラ板のカソード側に設けられており、これにより、カソード反応ガスは、それぞれのＭＥＡに流れることができる。一方の端板が、アノードガス流路を備え、他方の端板が、カソードガス流路を備える。バイポーラ板および端板は、ステンレススチールまたは導電性複合材などの導電性材料で作られている。端板は、スタックから燃料電池により発生する電気を伝える。バイポーラ板は、さらに、冷却流体が流れる流路も備える。
【０００６】
燃料電池システムが停止されると，未反応水素ガスは、燃料電池スタックのアノード側に残る。この水素ガスは、膜を通して、または膜を乗り越えて拡散し、カソード側の酸素と反応することができる。水素ガスが、カソード側に拡散するにつれ、スタックのアノード側にかかる全圧は、周囲圧力よりも低くなる。この差圧により、周囲からスタックのアノード側に空気が引き込まれる。空気がスタックのアノード側に入ると、アノード側に短絡回路を形成する空気／水素前線を生成し、その結果、アノード側の水素の溢れ出た部分からアノード側の空気が溢れ出た部分への水素イオンの側方流動が生じる。この高いイオン電流と膜の側方イオン抵抗とが組み合わさって、膜に著しい側方電圧降下（−０．５Ｖ）が発生する。これにより、アノード側の空気の満たされている部分と反対側にあり、高速な炭素腐食を進める電解質に隣接するカソード側の間に局所的な高電位が生じ、炭素層が薄くなる。これにより、燃料電池の性能を下げる触媒粒子の担持が減少する。
【０００７】
当該技術分野では、システム停止時に、圧縮機から高圧のアノード側に空気を強制的に送り込むことにより、燃料電池スタックのアノード側から水素ガスをパージすることが知られている。この空気パージで、さらに、上述のように、カソード炭素腐食を引き起こす空気／水素前線が形成される。したがって、空気／水素前線滞留時間をできる限り短くすることが望ましく、その場合、前線滞留時間は、アノード流路体積を空気パージ流量で割った値として定義される。パージ率が高いほど、一定のアノード流路体積に対し前線滞留時間が短くなる。
【０００８】
また、当該技術分野では、カソード再循環を行うことで、システム停止時のカソード腐食を低減することも知られている。特に、システム停止時に空気と少量の水素との混合気をポンプでスタックのカソード側に通し、カソード側で水素と酸素が結合するようにして、酸素の量を減らし、それにより炭素腐食を引き起こす電位を下げることが知られている。
【０００９】
また、システム停止時にスタックを抵抗器と短絡させて、スタックのカソード側の酸素の量、したがってカソード側の腐食を減らすことも知られている。これら２つの技術は、スタックのカソード側の炭素腐植を緩和することが証明されている。しかし、改善が行われうる。
【００１０】
次のシステム始動時に、十分な時間が経過していると仮定すると、カソードとアノードの流路は両方とも、一般的に空気で満たされる。システムの始動時にアノード流路内に水素が導入されると、また水素がアノード流路内の空気を押し出して、アノード流路内を通る水素／空気前線を形成する。水素／空気前線は、膜上での反応との組合せで高い電位を発生する前線が移動するときにそれぞれの燃料電池内の膜の長さにそって触媒反応を引き起こす。この組み合わされた電位は、触媒および触媒が形成される炭素粒子をひどく劣化させるほど高く、燃料電池スタック内のＭＥＡの寿命を縮める。特に、水素／空気前線と通常の燃料電池反応とが組み合わさって生じる反応は、膜上の燃料電池反応のみと比べて数桁大きい。例えば、システム始動時の水素−空気前線の劣化効果を解消することなく、この方法で燃料電池スタックを破壊するのに約１００回の停止と始動のサイクルしか要しないことが示されている。
【００１１】
当該技術分野では、劣化が生じる時間を短縮するために、できる限り短時間のうちに水素をアノード流路に強制的に通すことによりシステム始動時の水素／空気前線の劣化効果を低減することが提案されている。また、低速でアノード流路に水素を導入し、空気と水素を活発に混合させて水素／空気前線をなくすことも提案されている。また、当該技術分野では、アノード流路から水素を除去する前に燃料電池を冷却することも提案されている。しかし、これらの解決策のすべてが、水素／空気劣化を低減して燃料電池スタックの寿命を望んだほど延ばすことはなかった。特に、水素／空気前線を素早く移動させても、触媒の劣化を完全に排除することはなく、アノード流路から空気を高速にパージするためにオーバーサイズの配管およびその他のコンポーネントを必要とする。始動時に水素をゆっくりと導入する方法には、アノード流路から空気を完全に除去するために数分かかる再循環ポンプを必要とするという欠点がある。さらに、アノード流路内に入る水素の量を正確に制御する必要があるため、実装が困難である。
【００１２】
また、当該技術分野では、炭素が水素−空気反応に対する影響をあまり受けないようにＭＥＡ内の材料を交換することも提案されている。一実施例では、黒鉛化炭素を使用する。しかし、この解決策には、燃料電池スタックの性能を低下させるいくつかの問題点がある。
【００１３】
また、当該技術分野では、燃料電池スタックに抵抗器などの負荷を付けて、水素／空気前線により生じる電位を下げることも提案されている。しかし、負荷の抵抗が極端に低い場合、電力定格の高い電気コンポーネントが必要になる。また、燃料電池スタック内の電池間の流れと平衡により、電池アノードに腐食が生じうる。さらに、ほとんどの実施例では、炭素腐食を最小にするうえで、抵抗器は、典型的にはそのままでは不十分である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の教示によれば、燃料電池スタックの停止および始動時にカソード炭素腐食を低減するシステムおよび方法が開示される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
システム停止時に、カソード空気流が停止され、スタックのカソード側が封止される。スタックのアノード側への水素の流れは、スタック内の残存酸素が消費されるように続く。スタックのアノード側は、この流れが、アノードサブシステムを出る水素の流れではなくむしろ、スタックのカソード側にポンプで送られた水素を置き換えるだけであるように封止される。スタック電力が所定のレベルまで下がった場合、スタックにより発生する電流は、バッテリーなどの特定のシステムコンポーネントに送られる。スタック電力が別の所定のレベルにまで減少した場合、スタック負荷は、抵抗器に切り替えられる。酸素がスタックから消費された後、水素流は、オフにされ、スタックのアノード側は、スタックのアノード側とカソード側の両方にＮ２／Ｈ２混合気があるように封止される。
【００１６】
最後のシステム停止以降に十分に長い期間が経過した場合、スタックのアノード側とカソード側の両方に空気が充填される。システムが分割サブスタックを備える場合、始動シーケンスにおいて、それぞれのサブスタックを別々に通る高速水素パージを使用して、水素／空気前線がスタックのアノード側を通って流れる時間を短縮する。さらに、圧縮機を作動させて、カソード空気を、サブスタックをバイパスするカソード排ガス管路に送り、パージガス内に存在しうる水素が希薄化されるようにする。次いで、始動シーケンスでは、同時にサブスタックを通る低速水素パージを使用し、圧縮機は空気をスタックのカソード側に流す。最後の停止から経過した時間が十分に短く、サブスタックのカソード側およびアノード側にまだ著しい量の水素が存在している場合、高速水素パージは、行われなくてもよく、始動シーケンスは、直接、低速水素パージに進む。
【００１７】
本発明の追加の特徴は、付属の図面を参照すると、以下の説明および付属の請求項から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】
【００１８】
システム停止および始動時にカソード炭素劣化を最小限に抑えるシステムおよび方法を対象とする本発明のいくつかの実施形態の以下の説明は、本質的に例示的であるにすぎず、決して、本発明またはその応用もしくは用途を制限することは意図されていない。
【００１９】
図１は、第１の分割燃料電池スタック１２および第２の分割燃料電池スタック１４を備える燃料電池システム１０の略ブロック図である。圧縮機１６は、カソード投入管路１８上のカソード投入空気をノーマルクローズのカソード投入弁２０を通じて分割スタック１２および１４に供給する。カソード排ガスは、管路２４上の分割スタックから排出され、カソード排ガスは、管路２６上の分割スタック１４から排出され、そこで、カソード排ガスは、単一のカソード排出管路２８内に組み合わされて入る。ノーマルクローズのカソード背圧弁３０は、管路２８を通るカソード排ガスの流れを制御する。投入管路１８と排出管路２８との間のカソードバイパス管路３２により、カソード投入空気はスタック１２および１４をバイパスすることができる。ノーマルクローズのバイパス弁３４は、カソード空気がスタック１２および１４をバイパスするかどうかを制御する。弁２０および３０が閉じられ、弁３０が開いている場合、圧縮機１６から出る空気は、スタック１２および１４をバイパスする。典型的には、カソード加湿ユニット（図示せず）が、カソード投入管路１８内の適当な場所に設けられる。
【００２０】
この限定されない実施形態では、分割スタック１２および１４は、アノード反応ガスの流れが当業者によく理解されている形で分割スタック１２および１４内を所定のサイクルで行き来するアノード流体移動を使用する。インジェクタ３８は、水素ガス供給源４０からアノード管路４２を通して分割スタック１２に水素ガスを注入し、インジェクタ４４は、水素ガス供給源４６からアノード管路４８を通して分割スタック１４に水素ガスを注入することが、交互に行われる。アノード流体移動を行わせるために、ノーマルクローズのアノード流体移動弁５０および５２が使用される。弁５０が、閉じられており、弁５２が開いているときには、供給源４０からの水素ガスは、管路４２上のスタック１２内に流れ込み、分割スタック１２と１４との間のコネクタ管路５４を通り、分割スタック１４内に流れ込み、アノード管路４６から出て、弁５２を通り、カソード排ガス排出管路２８内のカソード排ガスと混合される。同様に、弁５２が、閉じられており、弁５０が開いているときには、水素供給源４６からの水素ガスは、管路４６上の分割スタック１４内に流れ込み、コネクタ管路５４を通り、分割スタック１２に流れ込み、弁５０を通り、管路２８内のカソード排ガスと混合される。
【００２１】
水分離器６０は、コネクタ管路５４に結合されており、分割スタック１２と１４との間のアノードガス流内の水を回収する。ノーマルクローズのドレン弁６２は、定期的に開かれ、水を管路６４上のカソード排ガス管路２８に放出する。さらに、アノード排ガスパージ弁６６は、コネクタ管路５４および管路６４に結合されているが、それは、以下の説明から明らかになる理由によるものである。
【００２２】
燃料電池スタック１２および１４は、電流を発生する。通常のスタック動作では、車両の電気牽引システム（ＥＴＳ）７０などのシステム負荷を駆動するために、スタック１２および１４により発生する電流が使用される。以下でさらに詳しく説明されるように、停止シーケンスにおいて、スタック１２および１４により発生する電流は、バッテリー７２を充電するために使用されるか、または他のシステムコンポーネントにより消費され、次いで抵抗器７４により消費されうる。
【００２３】
システム停止時に、圧縮機１６が停止され、弁２０および３０が閉じられ、スタック１２および１４のカソード側を封止する。水素の流れは、スタック１２および１４内の残存酸素が消費されるように続けられる。スタックの電力が所定のレベルまで下がった場合、スタック１２および１４により発生した電流は、ＥＴＳ７０からバッテリー７２に切り替えられる。スタック電力が別の所定のレベルにまで減少すると、スタック負荷は、抵抗器７４に切り替えられる。特に、電圧が固定されたカットオフ電圧まで低下した後、スタック負荷は、抵抗器７４に切り替えられる。カットオフ電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図に示されていない）の下限であるか、または電力デバイスの下限とすることも可能である。バッテリー負荷の目的は、他の方法だと無駄にされてしまうであろうエネルギーを消費および／または蓄積することである。また、抵抗器負荷の必要なエネルギー消費量も減らす。
【００２４】
スタック１２および１４から酸素が消費された後、水素流は、オフにされ、弁５０、５２、６２、および６６は、スタック１２および１４のアノード側を封止するように閉じられる。システム１０が、このようにして停止されると、スタック１２および１４は、Ｎ２／Ｈ２混合気をカソード側とアノード側の両方に含む。時間の経過とともに、空気は、スタック１２および１４内に漏れ、スタック１２および１４内の水素は、最初に、酸素を消費する。さらに、水素は、スタック１２および１４からゆっくりと漏れる。その結果、スタック１２および１４内のガスの組成は、時間の経過とともに、窒素と水の中の水素を豊富に含む混合気と空気混合気との間で変化する。
【００２５】
本発明は、カソード触媒腐食を最小限に抑えるため次のシステム始動時のステップの特定のシーケンスを提案する。ステップのシーケンスは、システム１０がどれだけの間停止されていたか、つまり、スタック１２および１４のアノード側とカソード側が水素／窒素混合気から空気までどれだけ遷移したかにより異なる。このシーケンスは、高速水素パージ状態とスタック１２および１４のアノード側の低速水素パージ状態に分離される。以下で詳しく説明されるように、スタック１２および１４のアノード側を通る水素の流れの速度およびこれら２つの状態の時間の長さは、システム１０が停止された時間、周囲温度およびその他の要因に依存し、前回システム停止からの時間の長さが記録される。
【００２６】
当該技術分野では、システム始動時にできる限り速くスタック１２および１４のアノード側に強制的に水素を通し、カソード触媒劣化を引き起こすアノード流路内に水素／空気前線が存在する時間を最小にすることが知られている。試験と様々な計算から、スタック１２および１４がシステム停止後に空気で満たされるのに要する時間が知られている。スタック１２および１４が著しい量の空気を含まない場合、より遅い水素／空気前線を許容できる。スタック１２および１４が著しい量の空気を含む場合、高速な水素／空気前線速度であるのがよい。
【００２７】
初期水素空気前線がスタック１２および１４を通って流れると、抵抗器７４は、スタック上で有効化される。抵抗器７４は、カソード電圧を部分的には抑制するために使用される。典型的には、抵抗器７４は、抵抗が小さく、より高い電力を流すことができ、炭素腐食を低減する。同様にして、水素／空気前線が高速であるほど、炭素腐食は少ない。
【００２８】
スタック１２および１４に空気が満たされる十分に長い期間の間、システム１０が停止状態にあったと仮定すると、システム１０は、高速な水素パージ状態を最初に実行する。本発明によれば、分割スタック１２および１４は、システム始動時に水素で別々にパージされる。始動シーケンスにおいて、水蒸気トラップ６０は空である。インジェクタ３８は、所定の量の水素が高速度でスタック１２内に注入されるように制御される。ドレン弁６２およびパージ弁６６が開かれ、分割スタック１２のアノード側内の空気が、強制的にコネクタ管路５４に通され、弁６２および６６に通され、管路６４に通され、カソード排ガス管路２８に送り込まれる。圧縮機１６が作動され、バイパス弁３４が開かれて、空気がアノードパージガスと混合され、存在している可能性のある水素をさらに希薄化する。スタック１２がパージされているときに、ドレン弁６２とパージ弁６６に押し通されるガスは、最初に空気、次に水素と空気の混合気、次いでほとんど純粋な水素となる。分割スタック１２に強制的に通すことができる水素の量は、圧縮機空気により行える希薄の量に関係している。一実施形態では、環境に排出できる水素の濃度は、４％未満である必要がある。スタック１２がパージされた後、インジェクタ４４はオンにされ、同じようにしてドレン弁６２およびパージ弁６６を通して分割スタック１４をパージする。したがって、高いガス速度を使用することで、分割スタック１２および１４のアノード側を別々に素早くパージし、分割スタック１２および１４を通る水素／空気前線滞留時間を短縮することができる。
【００２９】
分割スタック１２および１４のうちの１つのみが一度にパージされるので、パージは、パイプが２つのスタックの組合せではなく一方のスタックからより大きな体積のガスを受け入れることができるため高速化できる。水素が一度に１つのスタックへ流れると、同じ排出流量の場合にそれぞれのサブスタックを通る速度が倍になる。供給源４０および４４から出る水素の速度により、分割スタック１２および１４のアノード側内の圧力が直接設定される。限定しない一実施形態では、インジェクタ３８および４４は、約４０ｋＰａの圧力で０．１〜０．４秒の範囲の期間に、強制的に水素を分割スタック１２および１４に通す。さらに、水素が流れ込む第１のスタックは、ランダム化されるべきである。
【００３０】
分割スタック１２および１４をパージするために使用される水素の量は、スタック１２および１４のアノード側の体積、スタック１２および１４の温度、分割スタック１２および１４内の圧力に基づいて計算できる。スタック１２および１４に流れ込む水素は、約１アノード体積とすべきである。スタック内に流れ込む水素の量が不十分だと、燃料電池の一部がＨ２／Ｏ２前線を含んだままとなるおそれがある。第１のスタックに流れ込む水素が多すぎる場合、過剰な水素が排ガスとして無駄にされ、圧縮を通じて第２のスタック内に入り、水素／空気前線が淀み、過剰な電圧低下を引き起こすおそれがある。スタックのそれぞれに対するループ体積が計算され、この情報は、始動時に水素流量と組み合わされ、第１のスタックに対するパージ時間が決定される。
【００３１】
分割スタック１２および１４の両方が上述のようにパージされた後、システム１０は、低速の水素パージ状態に進む。この状態では、インジェクタ３８および４４の両方が、低い流量で一定の期間に同時に作動され、スタック１２および１４を通る平行水素流が得られる。低速水素パージ状態では、パージ弁６６が閉じられ、ドレン弁６２が開かれる。ドレン弁６２は、パージ弁６６に比べて開口がかなり小さく、したがって、その中を通りうるパージガスは少ない。さらに、バイパス弁３４は、低速パージ状態で徐々に閉じられ、圧縮機空気がスタック１２および１４に通される。限定されない一実施形態では、スタック１２または１４のアノード側の圧力は、低速水素パージ状態においてスタック１２または１４のカソード側内の圧力よりも約２５ｋＰａ高い。
【００３２】
システム１０が、スタック１２および１４のアノード側およびカソード側にそのまま大部分、またはほとんど大部分、水素および窒素がある短時間しか停止されていない場合、高速水素パージ状態が排除され、低速パージ状態のみが使用される。特に、分割スタック１２および１４は、高速度水素により別々にはパージされない。始動シーケンスは、低い水素速度によるドレン弁６２を通るスタック１２および１４の平行パージに直接進む。
【００３３】
上述のように、始動シーケンスは、システム１０が停止されていた時間の長さ、およびアノード流路内に入っている空気の量を決定する他の要因に応じて調節される。水素パージの速度は、高速水素パージ状態および低速水素パージ状態に両方について制御することができる。さらに、パージの時間も制御できる。スタック１２および１４内に残存している水素の量を最後に停止した以降の時間の関数として定義する特性曲線が、システム１０について生成されうる。この曲線は、最後の停止からの経過時間の関数として表されたスタック内への空気侵入の逆数である。これらの曲線に基づき、最後の停止から経過した時間の関数として信頼性に対する始動時に必要な最小水素量が表される曲線が結果として得られる。この最小必要水素量は、排ガス要件における最大水素濃度まで必要なだけ高速に流すことができる。水素の流れが遅いほど、排ガス濃度曲線は長く、平坦になる。水素の流れが速いほど、排ガス濃度曲線は短く、パルス状になる。
【００３４】
システム１０は、即時停止があるか、または意図しない停止がある場合があり、スタック１２および１４内の水素の量は、わからない。この場合、システムにおいてスタック１２および１４を通りカソード排ガス管路２８に入る１００％の水素放出がある場合でも、排ガス中の水素の濃度が許容可能なレベルであるように、低速の十分な水素流量を使用するフェールセーフリスタートを使用することができる。さらに、フェールセーフリスタートは、システム内の水素ガスが０％であるとしても、スタック１２および１４が、スタック１２および１４上の負荷が引かれる前に水素を完全に充填されるように長い、十分な水素流量を有しているべきである。
【００３５】
上述のように、システム１０は、アノード流体移動を使用する。しかし、他のシステムは、アノード排ガスが当業者によく理解されている方法でアノード投入に送り返されるアノード再循環を使用することができる。上述のカソード触媒腐食を最小限に抑える停止および始動に対する様々なステップのすべてまたは大半は、これらのタイプのシステムにも使用することができる。
【００３６】
前記の説明では、本発明の単に例示的な実施形態を開示し、説明している。当業者であれば、このような説明および付属の図面および請求項から、請求項で定義されているように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な変更、修正、および変形を行うことができることを容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態による、システム停止および始動時のカソード炭素劣化を低減するため様々な技術を使用する燃料電池システムの略ブロック図である。
【図１】
2008192614.tif 000003
【外国語明細書】
2008192614000001.pdf