(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
停止された燃料電池電力プラント（１０）を起動する方法であって、前記停止された燃料電池電力プラント（１０）は水素含有還元流体燃料と酸素含有酸化剤から電流を発生する少なくとも一つの燃料電池（１２）と、前記燃料電池（１２）に設けられた外部回路（６８）を介して電流を受ける主負荷（７０）とを含み、前記燃料電池は電解物質（１８）の両側にあるアノード電極（１４）及びカソード電極（１６）と、還元流体燃料が前記アノード電極（１４）に隣接して流れるように仕向けるアノード電極（１４）に隣接するアノード流路（２８）と、酸素含有酸化剤が前記カソード電極（１６）に隣接して流れるように仕向ける前記カソード電極（１６）に隣接するカソード流路（３８）とを含み、前記停止された燃料電池電力プラント（１０）を起動する方法が
ａ．還元流体燃料が前記カソード流路（３８）を流れるように仕向けることにより還元流体燃料を用いて前記カソード流路（３８）をパージするステップと、
ｂ．次いで、前記カソード流路（３８）を通る還元流体の流れを停止させ、還元流体燃料が前記アノード流路（２８）を流れるように仕向けるステップと、
ｃ．次いで、酸素含有酸化剤が前記カソード流路（３８）を流れるように仕向けるステップと、
ｄ．次いで、電流が燃料電池（１２）から前記主負荷（７０）に流れるように前記主負荷（７０）を燃料電池（１２）に接続するステップと、
を含むことを特徴とする停止された燃料電池電力プラント（１０）を起動する方法。
【請求項２】
前記電解物質（１８）と前記アノード流路（２８）の間にプラチナブラック・アノード電極（１４）を設けるステップを更に含む請求項１に記載の停止された燃料電池電力プラント（１０）を起動する方法。
【請求項３】
前記カソード流路（３８）を還元流体燃料でパージするステップの後で、還元流体燃料が前記アノード流路（２８）を流れるように仕向けるステップの前に、補助負荷（７４）を燃料電池（１２）に接続して、前記アノード流路（２８）内の酸素を電気化学反応により消費し、次いで、前記アノード流路（２８）内の酸素が消費されたときに還元流体燃料が前記アノード流路（２８）を流れるように仕向け、次いで前記補助負荷（７４）を遮断し、次いで前記主負荷（７０）を燃料電池（１２）に接続するステップを更に含む請求項１に記載の停止された燃料電池電力プラント（１０）を起動する方法。
【請求項４】
前記カソード流路（３８）を還元流体燃料でパージするステップの後で、還元流体燃料が前記アノード流路（２８）を流れるように仕向けるステップの前に、補助負荷（７４）と、ダイオード（７８）とを燃料電池（１２）に対して直列に接続して、前記アノード流路（２８）内の酸素を電気化学反応により消費し、次いで、前記アノード流路（２８）内の酸素が消費されたときに還元流体燃料が前記アノード流路（２８）を流れるように仕向け、次いで前記補助負荷（７４）を遮断し、次いで前記主負荷（７０）を燃料電池（１２）に接続するステップを更に含み、前記ダイオード（７８）は、少なくとも一つの燃料電池（１２）により発生される電圧が０．２ボルトを超えたときに電流が前記補助負荷を流れるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の停止された燃料電池電力プラント（１０）を起動する方法。
【請求項５】
前記アノード流路（２８）を出るアノード排出物流の一部を再循環させて前記アノード流路（２８）に戻すために、燃料電池（１２）のアノード排出ライン（５６）と還元流体入口ライン（５４）の間にアノード再循環ライン（６５）を設け、前記アノード再循環ライン（６５）内の前記アノード排出物の前記一部を送給して前記アノード流路（２８）に戻すための再循環送風機（６６）を前記アノード再循環ライン（６５）に設け、前記補助負荷（７４）を燃料電池（１２）に接続したときは常に前記再循環送風機（６６）を動作するステップを更に含む請求項３に記載の停止された燃料電池電力プラント（１０）を起動する方法。
【請求項６】
燃料電池電力プラント（１０）を起動するシステムであって、
ａ．水素含有還元流体燃料と酸素含有酸化剤から電流を発生する少なくとも一つの燃料電池（１２）であって、電解物質（１８）の両側にアノード電極（１４）及びカソード電極（１６）と、還元流体燃料が前記アノード電極（１４）に隣接して流れるように仕向ける前記アノード電極（１４）に隣接するアノード流路（２８）と、酸素含有酸化剤が前記カソード電極（１６）に隣接して流れるように仕向ける前記カソード電極（１６）に隣接するカソード流路（３８）と、前記燃料電池（１２）からの電流を受けるように外部回路（６８）を介して接続された主負荷（７０）と、を含む燃料電池（１２）と、
ｂ．カソード入口ライン（４４）を通ってカソード流路（３８）までの酸素含有酸化剤の通過を選択的に開放及び停止させるように、酸素含有酸化剤源（４２）と前記カソード流路（３８）の間を流体連通する酸化剤入口ライン（４４）に設けられた酸化剤入口弁（５０）と、
ｃ．還元流体入口ライン（５４）を通って前記アノード流路（２８）までの還元流体燃料の通過を選択的に開放及び停止させるように、還元流体燃料源（４０）と前記アノード流路（２８）の間を流体連通する還元流体入口ライン（５４）に設けられたアノード流路遮断弁（６２）と、
ｄ．還元流体燃料源（４０）と前記カソード流路（３８）の間を流体連通して設けられたカソード燃料パージ弁（６３）であって、前記酸化剤入口弁（５０）と前記アノード流路遮断弁（６２）が閉じられたときは常に前記カソード燃料パージ弁（６３）を開いて還元流体燃料を前記カソード流路（３８）まで通過させて燃料電池電量プラント（１０）の起動時に前記カソード流路（３８）をパージし、前記酸化剤入口弁（５０）とアノード流路遮断（６２）弁が開かれたときは常に前記カソード燃料パージ弁（６３）を閉じて還元流体燃料の前記カソード流路（３８）への流れを防止するように設けられた、カソード燃料パージ弁（６３）と、
を備える燃料電池電力プラント（１０）を起動するシステム。
【請求項７】
ａ．還元流体燃料が前記還元流体入口ライン（５４）を通過するのを選択的に開放及び停止するように前記アノード遮断弁（６２）と前記還元流体燃料源（４０）の間の前記還元流体入口ライン（５４）に設けられた還元流体入口弁（６０）
を更に備え、
ｂ．前記カソード燃料パージ弁（６３）が前記還元流体入口弁（６０）と前記アノード流路遮断弁（６２）の間の還元流体入口ライン（５４）に流体連通し、かつ前記酸化剤入口弁（５０）と前記カソード流路（３８）の間の前記酸化剤入口ライン（４４）に流体連通するように設けられて、前記酸化剤入口弁（５０）と前記アノード流路遮断弁（６２）が閉じられ、還元流体入口弁（６０）が開かれるときは常に前記カソード燃料パージ弁（６３）が開かれて還元流体燃料の前記還元流体入口ライン（５４）から前記カソード流路（３８）までの還元流体燃料の通過を開放して燃料電池電力プラント（１２）の起動時に前記カソード流路（３８）をパージし、前記酸化剤入口弁（５０）、アノード流路遮断弁（６２）及び還元流体入口弁（６０）が開かれるときは常に前記カソード燃料パージ弁（６３）が閉じられて還元流体燃料の前記カソード流路（３８）への流れを防止するように前記カソード燃料パージ弁（６３）が設けられる
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池電力プラント（１０）を起動するシステム。
【請求項８】
前記アノード電極（１４）がプラチナブラック・アノード電極（１４）を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池電力プラント（１０）を起動するシステム。
【請求項９】
主負荷（７０）であって、燃料電池が停止されるときに燃料電池（１２）から電流を受けないように、燃料電池（１２）と電気的に連通して設けられた主負荷（７０）と、補助負荷（７４）であって、前記カソード燃料パージ弁（６３）が開かれて還元流体燃料を前記カソード流路（３８）へと送給するときには常に燃料電池（１２）により発生された電流を受けて前記アノード流路（２８）内の酸素を電気化学反応により消費するように燃料電池（１２）と電気的に連通して設けられた補助負荷（７４）と、を更に備える請求項６に記載の燃料電池電力プラント（１０）を起動するシステム。
【請求項１０】
燃料電池が停止されるときに燃料電池（１２）から電流を受けないように、燃料電池（１２）と電気的に連通して設けられた主負荷（７０）と、
燃料電池（１２）と電気的に連通して設けられるとともに、前記アノード流路（２８）内の酸素を電気化学反応により消費させるようにダイオード（７８）と直列に設けられた補助負荷（７４）と
を更に備え、
前記ダイオード（７８）は、前記少なくとも一つの燃料電池（１２）の電圧が０．２ボルトより大きいときに電流が前記補助負荷（７４）を流れるように構成されており、それにより、前記カソード燃料パージ弁（６３）が開かれて還元流体燃料が前記カソード流路（３８）に送給されたときに、前記アノード流路（２８）内の酸素を電気化学反応によって消費するために燃料電池（１２）により発生される電圧が０．２ボルトを超えた場合に前記補助負荷（７４）が電流を受ける
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池電力プラント（１０）を起動するシステム。
【請求項１１】
前記アノード流路（２８）を出るアノード排出物流の一部を再循環させて前記アノード流路（２８）に戻すように、燃料電池（１２）のアノード排出ライン（５６）と前記還元流体入口ライン（５４）の間に設けられたアノード再循環ライン（６５）と、
前記アノード再循環ライン（６５）内の前記アノード排出物流の前記一部を送給して前記アノード流路（２８）に戻すように、前記アノード再循環ライン（６５）に設けられた再循環送風機（６６）であって、前記補助負荷（７４）が燃料電池（１２）から電流を受けるときは常に動作するように設けられた再循環送風機（６６）と、
を更に備える請求項９に記載の燃料電池電力プラント（１０）を起動するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は運送車両、携帯型電力プラントでの使用に適した燃料電池電力プラント、あるいは定置式電力プラントとしての燃料電池発電プラントに関し、発明は特に、停止した燃料電池電力プラントを起動する手順に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池電力プラントは周知であり、モータ及び運送車両等の電動装置に対して水素含有還元流体流と酸素含有酸化剤反応物流から電気エネルギーを作り出すために広く使用される。先行技術の燃料電池電力プラントにおいて、プラントの燃料電池の起動時に、電極、特にカソード電極に腐食が生じることが発見されている。この腐食はカソード電極とプラントの性能損失をもたらす。
【０００３】
両電極に空気を入れ、カソード電極とアノード電極の間に配設された電解物質として陽子交換膜「ＰＥＭ」を採用する既知の燃料電池電力プラントの起動において、酸素含有酸化剤はカソード流路を流れるように仕向けられ、このカソード流路は酸化剤がカソード電極に隣接して流れるように仕向ける。それとほとんど同時に、水素リッチ還元流体燃料流がアノード流路を流れるように仕向けられ、このアノード流路は燃料がアノード電極に隣接して流れるように仕向ける。燃料がアノード流路を流れながら、燃料が全ての空気をアノード流路から追い出すまで燃料−空気界面がアノード電極に沿って作り出される。燃料−空気界面に向い合う電極が既知の燃料電池電力プラントの起動の度に顕著な腐食を受けることが観察されている。詳細には、わずか数十回の起動／停止サイクルを経た使用済み燃料電池の試験によりカソード電極のカソード触媒を支持する多孔質カーボンの２５％乃至３０％が腐食消失していたことが示された。この腐食を生じる過程及び関連する性能劣化の説明は本発明の全権利の被譲渡人により所有される米国特許出願において提示されており、その出願は米国特許出願第２００２−００７６５８２−Ａ１号の下に２００２年６月２０日に公開された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池電力プラントの停止時に直ちに不活性ガスでアノード及びカソード流路をパージすることによりアノード及びカソード電極を不動態化してそのような酸化腐食を最小限にすることが知られている。しかしながら、不活性ガスの使用は燃料電池電力プラントの複雑さとコストのかなりの増加をもたらし、これは特に、コンパクトさと低コストが重要でありかつシステムを頻繁に停止及び起動しなければならない自動車用途では望ましくない。上記の公開された出願に述べられている起動腐食問題に対するもう一つの解決策は、空気が１秒以下で、あるいは０．０５秒以内の速さでアノード流路からパージされるように、起動時に水素リッチ還元流体燃料でアノード流路を急激にパージすることを提案している。燃料−空気界面を有する流路に向い合うように配置された電極電解物質を支持するカーボンの腐食をもたらす過程が燃料電池の起動中に急激に生じることは明らかである。この問題を解決する既知の試みは電極腐食を抑制したけれども、燃料電池電力プラントの起動時の電極腐食を除去又は更に最小限にすることがやはり望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明は水素リッチ還元流体燃料を用いたカソード電極流路のパージを使用する燃料電池電力プラント用の起動システム及び方法である。燃料電池電力プラントは水素含有還元流体燃料と酸素含有酸化剤から電流を発生する少なくとも一つの燃料電池と、主負荷と燃料電池の間に設けられた外部回路を介して電流を受け、プラントの停止中に遮断される主負荷とを含む。燃料電池は電解物質の両側にあるアノード電極及びカソード電極と、還元流体燃料がアノード電極に隣接して流れるように仕向けるアノード電極に隣接するアノード流路と、酸素含有酸化剤がカソード電極に隣接して流れるように仕向けるカソード電極に隣接するカソード流路とを含む。
【０００６】
停止された燃料電池電力プラントを起動する方法は、ａ．還元流体燃料がカソード流路を流れるように仕向けることにより還元流体燃料を用いてカソード流路をパージするステップと、ｂ．次いで、カソード流路を通る還元流体の流れを停止させ、還元流体燃料がアノード流路を流れるように仕向けるステップと、ｃ．次に、酸素含有酸化剤がカソード流路を流れるように仕向けるステップと、ｄ．最後に、電流が燃料電池から主負荷に流れるように主負荷を燃料電池に接続するステップとを含む。
【０００７】
燃料をアノード流路に入れる前に燃料でカソード流路をパージし、次いで酸素含有酸化剤をカソード流路の中に流すことにより、燃料−空気界面に向い合う電極はアノード電極となる。従って、カソード電極ではなくアノード電極が先に腐食する。酸素に比較して水素の既知のより高い拡散性、溶解性及び反応性のために、また空気酸化剤内の酸素濃度に比較してずっと高い燃料内水素濃度のために、アノード電極の腐食効果はアノード電極に対する水素の物質移動を顕著には減少しない。従って、燃料電池の性能は同じ腐食がカソード電極に起こる場合ほど急激には劣化しない。実際において、本カソード電極燃料パージを使用することにより、アノード電極の犠牲の下にカソード電極の性能向上をもたらす。
【０００８】
本発明の好ましい実施例において、アノード電極はカーボンブラックに支持されたプラチナ触媒ではなくて、プラチナ、又はプラチナ合金の金属ブラック触媒で構成される。カソード電極燃料パージを使用することによりカソードの腐食は除去され、あるいは最小限になり、アノード電極は如何なるカーボンも含まないのでアノード電極触媒支持の酸化腐食は起こらない。
【０００９】
更なる好ましい実施例において、カソード流路が水素リッチ還元流体燃料でパージされた後に補助負荷が適用される。補助負荷を適用することにより、アノード流路内の酸素は電気化学反応で消費される。それにより酸素がアノード流路内で消費されるので、燃料が、アノード流路を流れるように仕向けられるときに安全性問題がなくなる。酸素が消費されるときに、燃料はアノード流路を通るように仕向けられ、次いで、補助負荷が遮断される。次に、酸化剤がカソード流路を通るように仕向けられ、次いで、主負荷が燃料電池に接続される。
【００１０】
更なる好ましい実施例において、燃料電池電力プラントは、アノード流路を出るアノード排出物流の一部をアノード流路まで戻すように仕向けるための、アノード排出ラインと入口ラインの間に設けられたアノード再循環ラインを含む。アノード再循環ライン内のアノード排出物流の一部を吹いてアノード入口ラインとアノード流路に戻すための再循環送風機がアノード再循環ラインに設けられる。補助負荷が燃料電池に接続されるが、再循環送風機はアノード流路とアノード再循環ライン内の酸素の消費を促進するように動作される。
【００１１】
カソード電極燃料パージを用いた燃料電池電力プラントを起動するシステムは、ａ．酸化剤入口ラインを通ってカソード流路まで酸素含有酸化剤が通過するのを選択的に開放及び停止するための、酸化剤源とカソード流路の間を流体連通する酸化剤入口ラインに設けられた酸化剤入口弁と、ｂ．還元流体入口ラインを通ってアノード流路まで還元流体燃料が通過するのを選択的に開放及び停止するための、還元流体燃料源とアノード流路の間を流体連通する還元流体入口ラインに設けられたアノード流路遮断弁と、ｃ．還元流体燃料源とカソード流路の間を流体連通して設けられたカソード燃料パージ弁とを含む。カソード燃料パージ弁は、酸化剤入口弁とアノード流路遮断弁が閉じられているときはいつも、カソード燃料パージ弁が開かれ、還元流体燃料をカソード流路まで通過させて燃料電池電力プラントの起動時にカソード流路をパージするよう設けられる。更に、酸化剤入口弁とアノード流路遮断弁が開かれているときはいつも、カソード燃料パージ弁はとじられて還元流体燃料のカソード流路までの流れを防止する。
【００１２】
従って、本発明の概略の目的は先行技術の欠陥を克服する、カソード電極燃料パージを使用する燃料電池電力プラント用の起動システム及び方法を提供することである。
【００１３】
より詳細な目的はカソード電極のカーボン支持材料の腐食を最小限にする、カソード電極燃料パージを使用する燃料電池電力プラント用の起動システム及び方法を提供することである。
【００１４】
なおもう一つの目的はアノード電極の腐食を最小限にするカソード電極燃料パージを使用する燃料電池電力プラント用の起動システム及び方法を提供することである。
【００１５】
カソード電極燃料パージを使用する燃料電池電力プラント用の本起動システム及び方法のこれら及び他の目的と利点は以下の説明を添付図面と関連して読めば直ちにより明らかと成るであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面を詳細に言及すれば、カソード電極燃料パージを使用する燃料電池電力プラント用起動システムが図１に示され、概ね参照数字１０で表示される。システムはアノード電極１４、カソード電極１６及びアノードとカソード電極１４、１６の間に配設された電解物質１８を有する燃料電池１２含む。電解物質１８は米国特許第６０２４８４８号に述べられたタイプの陽子交換膜（ＰＥＭ）の形式でもよく、あるいは電解物質は、燐酸電解質燃料電池のような酸性水電解質燃料電池に典型的に見られるようなセラミック鋳型内に保持されても、当技術分野で知られたアルカリ性熔融カーボネートと固体酸化物電解質の燃料電池で使用されてもよい。
【００１７】
アノード電極１４は当技術分野で知られたカーボンブラック等の既知の支持材料に支持されたプラチナ触媒で構成されてもよい。あるいは、第１の代替アノード電極１４はプラチナ又はプラチナ合金のメタルブラック・アノード電極でもよい。便宜上、「プラチナ又はプラチナ合金のメタルブラック・アノード電極」の形式の第１の代替アノード電極１４は以下「プラチナブラック・アノード電極」と総称される。当技術分野で知られるように、カーボンブラックは、以前の、電極としてプラチナブラックのみを使用する場合より旨く低プラチナ負荷でのプラチナを利用したために、カーボンブラックに支持されたプラチナが燃料電池に広く使用されるようになった。しかしながら、本発明に関しては、アノード電極１４はカーボンブラックに支持されたプラチナ触媒でも、プラチナブラック・アノード電極でもよい。プラチナブラック・アノード電極１４は当技術分野で知られた如何なるやり方で、例えば蒸着、メッキにより、あるいは電解物質１８又は隣接するアノード拡散層２０に対する粉末として直接的に塗布されてもよい。
【００１８】
アノード拡散層２０はアノード基板２２に固定され、これが今度はアノード水搬送板又はセパレータ板２４に固定されてもよい。アノード水搬送板２４は水素リッチ還元燃料がアノード水搬送板２４を通るように仕向ける少なくとも一つの燃料溝２６と、協同してアノード流路２８を定める燃料溝２６と板２４を含む。アノード流路２８は、当技術分野で知られ、また例えば２００２年８月１３日に発行され、本発明の全権利の被譲渡人により所有される米国特許第６４３２５６６号に示されるように、還元流体がアノード電極１４に隣接して通過するように仕向ける働きをする。
【００１９】
カソード電極１６はカーボンブラック支持体に固定されたプラチナ触媒等の燃料電池技術で知られた何れかの電極で構成され、この支持体は電解物質１８に直接、あるいはカソード拡散層３０に固定される。カソード拡散層３０はカソード基板３２により支持され、これが今度はカソード水搬送又はセパレータ板３４に固定されてもよい。カソード水搬送板３４は空気等の酸素含有酸化剤がカソード水搬送板３４を通るように仕向ける少なくとも一つの酸化剤溝３６を含み、酸化剤溝３６及び板３４は協同してカソード流路３８を定める。カソード流路３８は当技術分野で知られるように、酸化剤がカソード電極１６に隣接して流れるように仕向ける働きをする。
【００２０】
本発明の範囲が前記のアノード流路２８とカソード流路３８を含み、これらが既述の穴及び溝２６、３６で構成されてもよいことは言うまでもない。アノード及びカソード流路２８、３８はまた溝、通路、空洞等の当技術分野内の既知の如何なる構造で形成されてもよく、これらは流路２８、３８を通過する反応物流がアノード又はカソード電極１４、１６に隣接して通過するように仕向ける働きをする。一つの電池１２のみが示されているが、発明はまた電気的に直列に接続された複数の隣接する電池（即ち、「電池スタックアセンブリー」）を含み、そのそれぞれは、アノード又はカソード水搬送板２４、３４又は当技術分野で周知の隣接する電池のアノード流路から一つの電池のカソード流路を分離するセパレータ板（図示せず）を有する。
【００２１】
システム１０は水素含有還元流体燃料源４０と空気等の酸化剤源４２を含む。燃料は純粋水素又は、改質された天然ガス又はガソリン等の他の水素リッチ燃料でもよい。酸化剤入口ライン４４は空気を酸化剤源４２からカソード流路３８まで運び、カソード排出ライン４６はカソード排出物流をカソード流路３８から、カソード排出口弁４８を通って燃料電池１２の外へ運び去る。酸化剤入口弁５０は、カソード流路３８を通る酸素含有酸化剤又は空気の流れを開放及び停止するために酸化剤入口ライン４４に設けられる。カソード流路３８を通過する酸化剤の圧力を増すために送風機５２が酸化剤入口ライン４４に設けられてもよい。
【００２２】
還元流体入口ライン５４は燃料源４０とアノード流路２８の間を流体連通して設けられ、アノード排出ライン５６は還元流体燃料流がアノード流路２８からアノード排出口弁５８を通って燃料電池１２から出るように仕向ける。還元流体入口弁６０はアノード流路２８を通る水素含有還元流体燃料の流れを選択的に開放及び停止するために還元流体入口ライン５４に設けられる。アノード流路遮断弁６２もまた、図１に示されるように還元流体入口弁６０とアノード流路２８の間の還元流体入口ライン５４に設けられる。
【００２３】
カソード燃料パージ弁６３が還元流体源４０とカソード流路３８の間を流体連通して設けられる。図１に示されるように、カソード燃料パージ弁６３は、還元流体入口弁６０とアノード流路遮断弁６２の間の還元流体入口ライン５４と流体連通して設けられるカソード燃料パージライン６４に設けられてもよい。カソード燃料パージライン６４がまた酸化物入口弁５０とカソード流路３８の間の酸化物入口ライン４４に設けられる。
【００２４】
アノード再循環ライン６５はアノード排出ライン５６と、アノード遮断弁６２とアノード流路２８の間の還元流体入口ライン５４とに流体連通して設けられてもよく、それにより、アノード再循環ライン６５は選択的に、アノード流路２８を出るアノード排出流の一部がアノード流路２８に戻るように仕向ける。アノード再循環ライン６５はアノード排出ライン５６内のアノード排出物流の一部がアノード再循環ライン６５を通ってアノード流路２８に戻るように移動するためのアノード再循環ポンプ又は送風機６６を含む。
【００２５】
燃料電池電力プラント１０を起動するシステムはまたアノード電極１４とカソード電極１６を接続する外部回路６８を含む。外部回路６８は燃料電池１２により発生された電流を受けるための、主負荷スイッチ７２を介して外部回路６８に接続された主負荷７０を含む。外部回路６８はまた補助負荷スイッチ７６を介して外部回路６８に接続された補助抵抗負荷７４を含んでもよい。燃料電池１２が停止されるときは、主負荷スイッチ７２は開かれ、補助負荷スイッチ７６は開いていても閉じていてもよい。燃料電池１２の正常動作の間、主負荷スイッチは閉じられ（図１では開かれて示される）、補助負荷スイッチ７６は開かれ、それにより、燃料電池１２は電気を電動機等の主負荷７０に供給している。ダイオード７８は補助負荷７４と直列に配置されてもよく、ダイオード７８が、電圧が燃料電池１２当たり約０．２ボルト以上であるときのみ電流が補助負荷７８を流れるように構成されてもよい。
【００２６】
従って、燃料電池１２の正常動作の間、酸化剤源４２から空気等の酸素含有酸化剤が酸化剤入口ライン４４を通ってカソード流路３８まで供給され、カソード排出ライン４６を通ってカソード流路３８を出る。水素含有還元流体燃料は燃料源４０からアノード入口ライン５４を通ってアノード流路２８まで供給される。消耗された水素燃料を含有するアノード排出物の一部はアノード排出ライン５６とアノード排出口弁５８を通ってアノード流路２８を出、一方、アノード再循環ライン６５と再循環送風機６６はアノード排出物の残りを先行技術で周知のやり方でアノード流路２８を戻って再循環させる。アノード排出物の一部を再循環することによりアノード流路２８を通る比較的均一なガス組成を維持し、また水素利用を増加させる。水素がアノード流路を通過しながら、周知のやり方でアノード電極１４の触媒と電気化学的に反応して陽子（水素イオン）と電子を生じる。電子はアノード電極１４から外部回路６８を通ってカソード電極１６へ流れて主負荷７０に電力を与え、一方陽子は電解物質１８を通ってカソード電極１６に搬送される。
【００２７】
停止された燃料電池電力プラント１０を起動する方法は以下のステップを含む。先ず、燃料がカソード流路３８を流れるように仕向けることによりカソード流路３８が還元流体燃料でパージされる。次いで、カソード流路３８を通る燃料の流れは停止され、還元流体燃料がアノード流路２８を流れるように仕向けられる。次に、酸素含有酸化物がカソード流路３８を流れるように仕向けられ、それにより、燃料電池１２により電流を発生させる。最後に、電流が外部回路６８を通って主負荷７０に流れて燃料電池１２の起動を完了するように主負荷スイッチ７２が閉じられる。
【００２８】
燃料電池１２を起動する代わりの方法は補助負荷７４を利用することを含む。燃料でカソード流路３８をパージするステップの後に補助負荷スイッチ７６が閉じられ、一方、主負荷スイッチ７２は開かれたままである。これは周知の電気化学反応により、カソード電極１６で水素が、アノード電極１４で酸素が消費されるようにする。アノード電極１４で酸素を消費することにより、還元流体燃料がアノード流路２８を流れるように仕向けられるときに、アノード電極流路２８内に存在する酸素が皆無又は少なく、それにより如何なる安全性問題をも更に少なくする。更に、代わりの起動方法の間、アノード再循環送風機６６が動作され、アノード再循環ライン６５内の如何なる酸素もアノード流路２８を通って移動してその酸素を消費してもよい。こうすればアノード再循環ライン６５及びアノード流路２８内の酸素のずっと急速な消費を促進することになる。アノード流路２８内の酸素がかなり消費されたら、アノード再循環送風機６６は切られてもよい。次いで、還元流体燃料がアノード流路２８を流れるように仕向けられる。次に、補助負荷スイッチ７６が開かれ、酸化剤がカソード流路３８を流れるように仕向けられて燃料電池１２に電流を発生させる。最後に、主負荷スイッチ７２が閉じられて燃料電池１２の起動を完了する。アノード流路２８内の酸素を消費するために補助負荷７０を利用するステップはシステム１０にアノード再循環ライン６５又はアノード再循環送風機６６がなくても利用できる。
【００２９】
停止された燃料電池電力プラント１０を起動するシステムは酸化物入口弁５０とアノード流路遮断弁６２が閉じられて弁の通過を禁じているときはいつもカソード燃料パージ弁６３は開かれて還元流体燃料がカソード流路３８まで流れるようにし、それにより燃料電池１２の起動時にカソード流路３８をパージさせるように設けられたカソード燃料パージ弁６３を含む。更に、酸化物入口弁５０とアノード流路遮断弁６２が開かれて弁を通過させるときはいつも、カソード燃料パージ弁６３が閉じられて還元流体燃料のカソード流路３８までの流れを防止するように、カソード燃料パージ弁６３が設けられる。酸化剤入口弁５０とアノード流路遮断弁６２の開閉に従ってカソード燃料パージ弁６３を開閉されるように設けられるとしてカソード燃料パージ弁６３を特徴付けることは、弁を開閉する当技術分野で既知の何れかの制御手段により酸化物入口弁５０とアノード流路遮断弁６２の位置に応じてカソード燃料パージ弁６３が開閉することを意味する。そのような制御手段は機械的制御、手動制御、他の弁の感知信号又は感知状態に応じて弁を開く電磁作動スイッチ等を含んでもよい。
【００３０】
燃料をアノード流路２８に入れる前に燃料でカソード流路３８をパージし、次いでアノード流路２８が燃料でパージされた後に酸化物をカソード流路３８まで流すことにより、起動時に燃料−空気界面に向い合う電極はアノード電極１４となる。従って、カソード電極１６ではなくアノード電極１４が先に腐食する。酸素に比べて水素の知られた高拡散性、溶解性及び反応性のために、また空気酸化剤内の酸素濃度に比較してずっと高い燃料内水素濃度のために、アノード電極１４の腐食効果はアノード電極１４に対する水素の物質移動を顕著には減少しない。従って、燃料電池の性能は同じ腐食がカソード電極１６に起こる場合ほど急激には劣化しない。実際において、本カソード電極１６燃料パージを使用することにより、アノード電極１４の犠牲の下にカソード電極１６の性能向上をもたらす。しかしながら、アノード電極１６がカーボンブラック支持上のプラチナ触媒でなく、プラチナブラック触媒で構成されるならアノード電極１６は実質的に起動時の腐食を受けない。更に、アノード電極１４で酸素を急速に消費するために補助負荷７４とアノード再循環ライン６５とアノード再循環送風機６６を使用すると共にプラチナブラック・アノード電極１４に対してカソード電極１６の燃料パージを使用することにより、本発明は燃料電池１２の起動中のカソード電極１６の如何なる腐食をも最小限にする。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に従って作られたカソード電極燃料パージを使用する燃料電池電力プラント用の起動システムの好ましい実施例の模式図である。
【図１】
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