(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を発生するための燃料電池発電装置（１０）であって：
ａ．水素を含む還元流体燃料のフローを燃料電池（１２）内及び外へそれぞれ導くための燃料インレット（２８）および燃料イグゾースト（５０）を有する少なくとも１つの燃料電池（１２）；
ｂ．前記燃料電池（１２）内の前記還元流体燃料の濃度を検出するための燃料濃度センサ・セル（５４）であって、
ｉ．膜電極アッセンブリ（６０）の対向する側に配置されたアノード・フロー・フィールド（５６）およびカソード・フロー・フィールド（５８）；
ｉｉ．前記膜電極アッセンブリ（６０）の対向する側に配置された前記アノード・フロー・フィールド（５６）及び前記カソード・フロー・フィールド（５８）の間に電源スイッチ（６６）を介して電力を供給する電力回路（６２）；
ｉｉｉ．前記膜電極アッセンブリ（６０）と電気的に接続され、前記膜電極アッセンブリ（６０）の対向する側の間における電流または電圧を検出する検出器（６８）；および、
ｉｖ．前記センサ・セル（５４）は前記燃料イグゾースト（５０）との流体的な連通が確保されており、これにより、燃料イグゾースト・ストリームの一部が前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の一方を通ること；
を含むセンサ・セル（５４）；
ｃ．前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の少なくとも一方と流体的に連通し、前記センサ・セル（５４）から熱および凝縮水を除去しかつ前記膜電極アッセンブリ（６０）の湿度を維持するために、前記センサ・セル（５４）と隣接して流れるように冷却流体を導く多孔質センサ水運搬プレート（７４）；および、
ｄ．前記燃料電池（１２）の動作をコントロールするコントロール手段（１０８）であって、前記検出器（６８）と電気的に接続されるとともに燃料インレット・バルブ手段との連絡が確保され、前記検出器（６８）からの連絡に応答して前記燃料電池（１２）に適切な量の燃料が供給されるように前記還元流体燃料の供給レートをコントロールするコントロール手段（１０８）；
を包含する燃料電池発電装置。
【請求項２】
センサ燃料供給ライン（５２）が、前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）だけを通って流れるように前記燃料イグゾースト・ストリームの一部を導き、前記電力回路（６２）の電源スイッチ（６６）が閉じると前記膜電極アッセンブリ（６０）を通る電流が導かれる、請求項１に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項３】
センサ燃料供給ライン（５２）が、前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の一方に流れるように前記燃料イグゾースト・ストリームの一部を導き、第２のセンサ燃料供給ライン（１３０）が、前記アノード・フロー・フィールド（５６）または前記カソード・フロー・フィールド（５８）の他方に流れるように前記燃料インレット・ストリームの一部を導き、前記電力回路（６２）の電源スイッチ（６６）が閉じると前記膜電極アッセンブリ（６０）に電流が導かれる、請求項１に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項４】
前記センサ・セル（５４）の前記膜電極アッセンブリ（６０）は、前記膜電極アッセンブリ（６０）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の少なくとも一方に確保された、カーボン担持材料に担持されていない触媒を含む、請求項１に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項５】
前記センサ・セル（５４）の前記膜電極アッセンブリ（６０）は、前記膜電極アッセンブリ（６０）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の少なくとも一方に確保されたパラジウム黒触媒を含む、請求項１に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項６】
前記多孔質センサ水運搬プレート（７４）は、センサ冷媒圧力コントロール手段（９２）と流体的に連通し、センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）を流れる各々の流体ストリームと、前記センサ水運搬プレート（７４）を流れる冷却流体と、の間の正の圧力差を維持する、請求項１に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項７】
前記燃料インレット・バルブ手段は、改質器（３０）へ炭化水素を送るリフォーマ燃料インレット・バルブ（３６）、前記改質器（３０）へ酸化体を送るリフォーマ酸化体インレット・バルブ（４２）、前記燃料インレット（２８）へ純粋な水素を送る水素燃料インレット・バルブ（４８）、および燃料イグゾースト・ストリームの一部を前記燃料インレット（２８）へ戻す、燃料再循環ライン（７０）上の燃料再循環ブロワ（７２）を含む、請求項１に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項８】
電流を発生するための燃料電池発電装置（１０）であって：
ａ．水素を含む還元流体燃料のフローを燃料電池（１２）内及び外へそれぞれ導くための燃料インレット（２８）および燃料イグゾースト（５０）を有する少なくとも１つの燃料電池（１２）；
ｂ．前記燃料電池（１２）内の前記還元流体燃料の濃度を検出するための燃料濃度センサ・セル（５４）であって：
ｉ．膜電極アッセンブリ（６０）の対向する側に配置されたアノード・フロー・フィールド（５６）およびカソード・フロー・フィールド（５８）；
ｉｉ．前記膜電極アッセンブリ（６０）と電気的に接続され、前記膜電極アッセンブリ（６０）の対向する側の間における電流または電圧を検出する検出器（６８）；および、
ｉｉｉ．前記センサ・セル（５４）は前記燃料イグゾースト（５０）との流体的な連通が確保されており、これにより、燃料イグゾースト・ストリームの一部が前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の一方を通ること；
を含むセンサ・セル（５４）；
ｃ．前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の少なくとも一方と流体的に連通し、前記センサ・セル（５４）から熱および凝縮水を除去しかつ前記膜電極アッセンブリ（６０）の湿度を維持するために、前記センサ・セル（５４）と隣接して流れるように冷却流体を導く多孔質センサ水運搬プレート（７４）；および、
ｄ．前記燃料電池（１２）の動作をコントロールするコントロール手段（１０８）であって、前記検出器（６８）と電気的に接続されるとともに燃料インレット・バルブ手段との連絡が確保され、前記検出器（６８）からの連絡に応答して前記燃料電池（１２）に適切な量の燃料が供給されるように前記還元流体燃料の供給レートをコントロールするコントロール手段（１０８）；
を包含する燃料電池発電装置（１０）。
【請求項９】
センサ燃料供給ライン（５２）が、前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の一方に流れるように前記燃料イグゾースト・ストリームの一部を導き、前記燃料電池（１２）に供給される酸化体は、前記センサ・セル（５４）の前記カソード・フロー・フィールド（１４）および前記アノード・フロー・フィールド（１６）の他方に流れるように導かれる、請求項８に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項１０】
センサ燃料供給ライン（５２）が、前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の一方に流れるように前記燃料イグゾースト・ストリームの一部を導き、第２のセンサ燃料供給ライン（１３０）が、前記センサ・セル（５４）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の他方に流れるように前記燃料インレット・ストリームの一部を導く、請求項８に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項１１】
前記センサ・セル（５４）の前記膜電極アッセンブリ（６０）は、前記膜電極アッセンブリ（６０）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の少なくとも一方に確保された、カーボン担持材料に担持されていない触媒を含む、請求項８に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【請求項１２】
前記センサ・セル（５４）の前記膜電極アッセンブリ（６０）は、前記膜電極アッセンブリ（６０）の前記アノード・フロー・フィールド（５６）および前記カソード・フロー・フィールド（５８）の少なくとも一方に確保されたパラジウム黒触媒を含む、請求項８に記載の燃料電池発電装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送用乗り物、ポータブル発電装置、あるいは静的発電装置に適した燃料電池発電装置に関し、特に本発明は、発電装置の燃料電池内の水素を含む還元流体燃料の濃度を検出するセンサ・セルを有する燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は周知であり、水素を含む還元流体燃料および酸素を含む酸化反応体ストリームから電気エネルギを生成し、モータ等の電気装置および輸送用車両に電力供給するために広く使用されている。燃料電池発電装置は、炭化水素燃料処理装置、温度管理システム等の種々のサポート・システムとともに周知のセル・スタック・アッセンブリにアレンジされた複数の燃料電池を含むことがある。従来技術の燃料電池においては、発電装置に掛かる電気的負荷の急激な増加によって、発電装置の燃料電池内の水素燃料の量が不適切になるという結果がもたらされことが知られている。発電装置の燃料電池へ適切な水素を供給することに失敗すると、電極触媒をサポートする共通炭素サポート材料の腐食を含む多くの問題を招く。その種の腐食は、短時間で不可逆性のダメージを発電装置の燃料電池にもたらす。
【０００３】
燃料電池のアノード・フロー・フィールド内における適切な水素の供給を維持する周知の方法は、燃料イグゾーストを通って燃料電池の外に出る未使用水素を燃焼するためのバーナの使用を含む。バーナからの排出物の温度は、燃料電池のイグゾースト・ストリーム内における水素の量に直接関係する。この温度が検出されてコントローラに伝えられ、それが、燃料電池または燃料処理装置に供給される水素燃料および／またはエアの量を変化させ、その結果、燃料電池に対する適切な量の燃料の供給が促進される。たとえば、バーナ排出物の温度が低下した場合には、燃料電池内への水素のフローを増加させることになる。しかしながらバーナは、コストならびに燃料電池発電装置のかさを増加させる。また、２００２年９月２４日に発行された米国特許第６，４５５，１８１号に開示されているように、膜電極アッセンブリが、そのアッセンブリの対向する側を隣接して通る燃料電池の燃料インレット・ストリームおよびイグゾースト・ガス・ストリームを有し、それを使用して燃料インレットとイグゾーストのストリームの間における燃料濃度差を検出し、その燃料の差をコントローラに伝えて、燃料インレット・ストリーム内の燃料のフローを調整することも知られている。この種のシステム内の検出器は、燃料インレット・ストリームとイグゾースト・ストリームの間における組成の相違からもたらされる膜電極アッセンブリにわたる電圧内のわずかな変動を検出する電圧計である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、その種の公知のシステムは、膜電極アッセンブリを含めた動作中のセルの多くの変数の影響を受けやすい敏感な電位差の測定に頼っている。たとえば、燃料インレット・ストリームの温度ならびに露点は、燃料イグゾースト・ストリームの温度ならびに露点と相当に異なる。これらの燃料ストリームの温度ならびに露点における相違の結果、セル内に水の凝結がもたらされ、それがフロー・チャンネルの遮断または膜電極アッセンブリに隣接する拡散レイヤのあふれを招く可能性があるが、これらはすべて膜電極アッセンブリにわたって検出される電圧に悪影響を及ぼすことになる。それに加えて、再現性のあるセンサ・セルのパフォーマンスを提供しようとするのであれば、膜電極アッセンブリのＰＥＭ電解質を完全に乾燥させてはならない。したがって、発電装置の燃料電池を通る燃料の供給の強化されたコントロールを有する燃料電池発電装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池に対する燃料の供給をコントロールするために、発電装置の燃料電池内の燃料の濃度を検出するための燃料濃度センサ・セルを有する燃料電池発電装置である。この燃料電池発電装置は、燃料電池を通る水素を含む還元流体燃料のフローを振り向けるための燃料インレットおよび燃料イグゾーストを有する少なくとも１つの燃料電池、および燃料電池内の還元流体燃料の濃度を検出するための燃料濃度センサ・セルを有する。このセンサ・セルは：膜電極アッセンブリの対向する側に配置されたアノード・フロー・フィールドおよびカソード・フロー・フィールド；膜電極アッセンブリの対向する側に対して電流を選択的に引き渡すための電力回路；膜電極アッセンブリの対向する側の間における電圧を検出するための、膜電極アッセンブリとの電気的な連絡が確保された検出器；を含み、それにおいてセンサ・セルは、燃料イグゾーストとの流体的な連通が確保されており、その結果、燃料イグゾースト・ストリームの一部がセンサ・セルを通る。
【０００６】
またこの発電装置は、冷却流体、すなわち水流をセンサ・セルと隣接して通るべく振り向け、センサ・セルから熱および凝縮水を除去し、かつ膜電極アッセンブリの加湿を維持するための、センサ・セルとの流体的な連通が確保された多孔質センサ水運搬プレートを含む。さらに、燃料電池の動作をコントロールするためのコントローラ手段も含まれ、このコントローラは、検出器および燃料インレット・バルブとの電気的な連絡が確保されており、その結果コントローラ手段は、検出された電圧に応答して燃料電池を通る燃料のレートを変更することができる。種々の実施態様においては、コントローラが燃料および／または酸素インレット・バルブとの通信およびそれらのコントロールを行い、燃料ならびに酸素をストリーム・リフォーマ、自動サーマル・リフォーマ、あるいは触媒利用部分酸化リフォーマといった炭化水素燃料処理装置に提供することができ、続いてそれが燃料電池に燃料を提供する。それに代えて、この燃料インレット・バルブを、燃料電池に直接供給される純水素燃料源用とすることもできる。燃料インレット・バルブを、燃料電池に対する燃料を増加するための燃料バルブ手段としてもよく、それには、燃料イグゾーストから燃料インレットへの燃料の再循環を増加するための燃料イグゾーストと燃料インレットの間を流体的に連通する燃料再循環ライン上に確保された燃料再循環ブロワも含まれる。
【０００７】
好ましい実施態様においては、センサ・セルのアノード・フロー・フィールドを通って流れるべく燃料イグゾースト・ストリームの一部が振り向けられるが、同時に電力回路が閉じられており、センサ・セルの膜電極アッセンブリに対して電流が振り向けられている間は、センサ・セルのカソード・フロー・フィールドを通って流れるべく振り向けられる流体がない。これは、実質的にセンサ・セルを水素ポンプに変え、その結果、カソード・フロー・フィールドに水素が放出されてセンサ・セルのアノードとカソードのフロー・フィールドの間における水素濃度差の非常に正確な測定が提供される。センサ・セルは、アノードとカソードのフロー・フィールドの間における種々の既知電流ならびに既知水素濃度差において特定の電圧が識別されるように、使用に先行して較正を行うことができる。この種の方法でセンサ・セルの較正を行うことによって、検出器により検出された電圧内の変化が、燃料電池のイグゾースト・ストリームの水素濃度内の変化を正確に測定することになり、その結果、コントローラが、燃料電池に対する燃料供給のレートを迅速かつ正確に調整して、発電装置の燃料電池内または複数燃料電池内における燃料の不適切な供給を回避しつつ、電流の需要を満たすことができる。
【０００８】
代替実施態様においては、燃料イグゾースト・ストリームの一部がセンサ・セル膜電極アッセンブリの一方の側に隣接して流れるべく、すなわちカソード・フロー・フィールド等を通って流れるべく振り向けられ、燃料インレット・ストリームの一部が、膜電極アッセンブリの反対側に隣接して流れるべく、すなわちアノード・フロー・フィールド等を通って流れるべく振り向けられる。この種の実施態様は、水による材料の湿潤度の不足がチャンネルの遮断をもたらす場合に、局部的なカソード側のフローの遮断に対する追加の保護手段を提供し、この実施態様は、センサ・セルに電流を振り向ける電源を必要としない。
【０００９】
さらに別の実施態様においては、電源スイッチを開くか、あるいは単にバッテリ等のＤＣ電源を含めないことによって、センサ・セルの電力回路がセンサ・セル膜電極アッセンブリの対向する側に電流を振り向けない選択がなされる。この種の実施態様においては、センサ・セルが水素ポンプとして作用せず、センサ・セル膜電極アッセンブリの対向する側の間における水素濃度の差を測定する濃度セルの形式となる。その実施態様においては、センサ・セルの対向する側を流れるべく燃料インレット・ストリームおよび燃料イグゾースト・ストリームの一部を振り向け、その結果、検出器が、燃料電池のインレット・ストリームとイグゾースト・ストリームの間の水素濃度差を基礎として電圧の変化を検出することができる。それに代えて、水素濃度セルの実施態様において、燃料イグゾースト・ストリームの一部をセンサ・セルの一方の側に振り向け、エア等の、燃料電池のカソード・インレットの酸化体ストリームの一部を、センサ・セルの他方の側を通って流れるべく振り向けることができる。
【００１０】
別の実施態様においては、多孔質センサ水運搬プレートが、センサ・セルのアノードおよび／またはカソード・フロー・フィールドを通る流体ストリームの圧力より低い圧力において多孔質センサ水運搬プレートに対して冷媒流体を引き渡すための圧力コントロール・バルブを含むセンサ冷媒ループと流体的に連通し、センサ・セルからの凝縮水の除去を促進することができる。
【００１１】
それに加えてセンサ・セルを、共通の冷媒インレットならびにアウトレット・マニフォールドを共有する燃料電池スタック・アッセンブリと一体をなすべく確保するか、あるいは燃料電池もしくは燃料電池スタック・アッセンブリとは分けて確保することができる。また、センサ・セルのアノードまたはカソード・フロー・フィールドのいずれかもしくは両方に隣接させてセンサ水運搬プレートを確保することもできる。追加の実施態様においては、センサ・セル膜電極アッセンブリの触媒の炭素腐食の可能性を最小化するために、炭素をまったく伴うことなく、たとえばプラチナ・ブラックとして触媒を確保することができる。さらに別の実施態様においては、水素化パラジウムの形成に帰する、より安定した基準電位を提供するために、センサ・セルの電極がパラジウム・ブラック触媒を含むことができる。
【００１２】
したがって本発明は、従来技術の欠点を克服する燃料濃度センサ・セルを有する燃料電池発電装置を提供することを一般的な目的とする。
【００１３】
より特定された目的は、燃料濃度における検出された変化に応答して燃料電池に対する燃料供給を調整することができるように、発電装置の燃料電池または複数の燃料電池内の水素燃料濃度を高い信頼性で正確かつ迅速に検出することの可能な燃料濃度センサ・セルを有する燃料電池発電装置を提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を詳細に参照するが、図１には本発明に従って構成された燃料濃度センサ・セルを有する燃料電池発電装置が示されており、包括的に参照番号１０によって示されている。発電装置１０は、この分野で周知の態様で膜電極アッセンブリ１８の対向する側に配置されたカソード・フロー・フィールド１４およびアノード・フロー・フィールド１６を有する少なくとも１つの燃料電池１２を含む。酸化体源２０は、酸化体インレット２２を介してカソード・フロー・フィールド１４にエア等の酸化体を供給する。酸化体インレット２２は、酸化体の圧力を増加するためのブロワ２４を有することがある。酸化体は、酸化体イグゾースト２６を通ってカソード・フロー・フィールド１４ならびに燃料電池１２から出て、燃料電池１２から排出される。水素に富む還元流体燃料が、燃料インレット２８を通る燃料インレット・ストリームとしてアノード・フロー・フィールド１６に供給される。この燃料は、リフォーマ燃料インレット３４ならびにリフォーマ燃料インレット・バルブ３６を介してリフォーマ燃料源３２から炭化水素流体を受け取る、ストリーム・リフォーマ、自動サーマル・リフォーマ、あるいは触媒利用部分酸化リフォーマ等のこの分野に周知の燃料処理システム３０の燃料処理装置によって生成される。またリフォーマ３０は、リフォーマ酸化体インレット４０ならびにリフォーマ酸化体インレット・バルブ４２を介してリフォーマ酸化体源３８から酸化体も受け取る。燃料処理装置または燃料処理システム３０は、この分野において周知のとおり、一般にシフト・リアクタおよび選択的酸化剤（図示せず）も含む。それに代えて、および／またはその補助として、還元流体燃料を水素源４４内にストアされる純水素の形式とし、水素ライン４６ならびに水素インレット・バルブ４８を介して燃料インレット２８に引き渡すこともできる。還元流体燃料は、燃料イグゾースト・ストリームとしてアノード・フロー・フィールド１６ならびに燃料電池１２から燃料イグゾースト５０を通って排出されるが、これは、燃料イグゾースト・ストリームが酸化体イグゾースト２６内に流れ、燃料電池１２の外に排出されるべくそれを振り向けることもできる。
【００１５】
燃料イグゾースト５０は、燃料イグゾースト５０と燃料濃度センサ・セル５４の間の流体的な連通が確保されたセンサ・セル燃料供給ライン５２を含む。このセンサ・セルは、センサ・セル膜電極アッセンブリ６０の対向する側に配置されたアノード・フロー・フィールド５６およびカソード・フロー・フィールド５８、および膜電極アッセンブリ６０の対向する側に確保された、この分野において周知の直流電流バッテリ等の電源６４から、膜電極アッセンブリ６０の対向する側に、それを通る電流を選択的に引き渡すための電力回路６２を含む。電力回路６２は、電源スイッチ６６（図１では開ポジションで示されている）を含み、その結果、電源からの電流が膜電極アッセンブリ６０に印加されること、あるいは図１および２に示されているように電源スイッチ６６が開いているときには、電流が膜電極アッセンブリ６０に印加されないことを選択できる。検出器手段６８は、電力回路６２を介することなどによって膜電極アッセンブリ６０との電気的な連絡が確保されており、膜電極アッセンブリからの、アノード・フロー・フィールド５６とカソード・フロー・フィールド５８の間における水素濃度差に関係する電圧またはアンペア数等の電気信号を検出するための、この分野で周知の電圧計検出器６８等である。また電力回路６２にはアンペア計６９も確保されている。さらに燃料イグゾースト５０は、燃料再循環ブロワ７２を有する燃料再循環ライン７０と流体的に連通している。燃料再循環ライン７０は、燃料イグゾースト５０と燃料インレット２８の間において流体的な連通が確保されており、その結果、燃料再循環ブロワは、燃料イグゾースト・ストリームの一部を選択的に強制してアノード・フロー・フィールド１６に戻すことができる。
【００１６】
多孔質センサ水運搬プレート７４もまた、燃料濃度センサ・セル５４との流体的な連通が確保されており、センサ・セル５４の近隣を通るべく水等の冷却流体を振り向け、センサ膜電極アッセンブリ６０の電解質の乾燥を防止するため、センサ・セル５４から熱および水の凝結を取り除くため、およびアッセンブリ６０を加湿するための液体を供給する。それに加えて、信頼性のある電圧測定をもたらすためにセンサ・セル５４の温度コントロールを行わなければならないが、センサ・セル５４の温度のコントロールにセンサ水運搬プレート７４を通る冷却流体を使用することができる。冷却流体は、センサ冷媒供給ライン７６を介してセンサ水運搬プレート７４内に振り向けられ、センサ冷媒排出ライン７８を介してプレート７４から排出され、供給ライン７６および排出ライン７８は、プライマリ冷媒ループ８２の冷媒ポンプ８０の対向する側において流体的な連通を確保することができる。このセンサ冷媒供給ラインは、冷媒ポンプ８０の排出側に固定されたプライマリ冷媒供給ライン８４との流体的な連通が確保され、センサ冷媒排出ライン７８は、燃料電池水運搬プレート８８と冷媒ポンプ８０の吸引側の間において流体的な連通が確保されたプライマリ冷媒排出ライン８６に固定されている。またプライマリ冷媒ループ８２は、この分野に周知の方法でプライマリ冷媒供給ライン８４に固定された冷媒ラジエータ８９ならびに関連するファン９０も含む。燃料電池水運搬プレート８８もまた、この分野に周知の方法でカソード・フロー・フィールド１４に隣接して固定される。
【００１７】
センサ・セル５４を通る流体ストリームまたは複数の流体ストリームと、センサ水運搬プレート７４を通る冷媒流体の間において正の圧力差を維持するためのセンサ冷媒圧力コントロール手段が含められる。このセンサ圧力コントロール手段は、２００１年１１月１３日に発行され、本発明におけるすべての権利の譲受人によって所有されている米国特許第６，３１６，１３５号に開示されているような従来技術において周知の方法で、冷媒ポンプ８０およびセンサ・セルを通る流体の検出済み圧力と調和されるセンサ冷媒圧力コントロール・バルブ９２を含むことができる。また冷媒ループは、この分野で周知であり、上記の米国特許第６，３１６，１３５号にも開示されているように、カソード・フロー・フィールド１４を通る酸化体ストリームと、プライマリ冷媒圧力コントロール・バルブ９４等の、隣接する燃料電池水運搬プレート８８を通る冷媒流体の間において正の圧力差を維持するためのプライマリ冷媒圧力コントロール手段を含むこともできる。さらに燃料電池膜電極アッセンブリ１８ならびにセンサ・セル膜電極アッセンブリ６０、冷媒ループ、およびここに述べているそのほかの燃料電池コンポーネントは、上記の米国特許第６，３１６，１３５号に開示されているような、この分野で周知の類似のコンポーネントと一貫性のある方法で製造することができることが指摘される。
【００１８】
燃料濃度センサ・セル５４は、センサ・アノード・イグゾースト９６およびセンサ・カソード・イグゾースト９８も含み、それらは、センサ・セル５４から出た流体ストリームを酸化体または発電装置のイグゾースト２６に振り向けることのできるセンサ・イグゾースト・バルブ１０２を有するセンサ・イグゾースト１００と合流する。それに代えて図１および２に示されているように、センサ・イグゾースト・バルブ１０２をコントロールし、センサ再循環ライン１０４およびセンサ再循環ライン１０４に固定されたワンウェイ・バルブまたはチェック・バルブ１０６を介してセンサ・セル５４から出た流体の全部または一部を燃料再循環ライン７０に振り向けてもよい。チェック・バルブ１０６は、センサ・セル５４によって生成された水素燃料が、センサ再循環ライン１０４から燃料イグゾースト５０またはセンサ・セル燃料供給ライン５２内に引き戻されない手段を講じる。
【００１９】
検出器６８は、この分野で周知の、検出された電気信号を伝達することのできる任意のワイヤまたはワイヤレス・メカニズムを構成することのできる電気的ライン１１０を介してコントローラ手段１０８との電気的な連絡が確保されている。コントローラ手段１０８は、検出済み情報に応答してバルブ、ブロワといった燃料電池の動作コントロールをコントロールすることができるマイクロプロセッサ、コンピュータ等の、この分野で周知の任意のコントローラとすることができる。コントローラは、燃料インレット２８に対する還元流体燃料の供給レートをコントロールするために、任意の周知の手段（たとえば、電気的、空気式、液圧式、機械式の手段）を介して燃料インレット・バルブ手段との連絡が確保される。燃料インレット・バルブ手段は、ライン１１２を介してコントローラ１０８と連絡しているリフォーマ燃料インレット・バルブ３６；ライン１１４を介してコントローラ１０８と連絡しているリフォーマ酸化体インレット・バルブ４２；ライン１１６を介してコントローラ１０８と連絡している水素燃料インレット・バルブ４８；および、ライン１１８を介してコントローラ１０８と連絡している燃料再循環ブロワ７２；またはこれらの組み合わせを含むことができる。
【００２０】
図１に示されているとおり、好ましい実施態様においては、センサ燃料供給ライン５２が、電源スイッチ６６が閉じて（図１ではこのスイッチが開いて示されている）電流をセンサ・セル膜電極アッセンブリ６０に指向している間、燃料電池イグゾースト・ストリームの一部を燃料濃度センサ・セル５４のアノード・フロー・フィールド５６へ振り向けることができる。この実施態様においては、センサ・セル５４が事実上の水素ポンプになり、センサ・セル５４のカソード・フロー・フィールド５８内において水素が放出されるようになる。燃料電池発電装置１０が比較的薄い燃料に対して非常に高い燃料利用レートで動作していた場合、この好ましい実施態様は、燃料イグゾースト・ストリーム内の水素濃度における変化の迅速かつ正確な測定を容易にする。検出器６８は、電圧計とすることができ、電源が一定電流を供給している間における燃料イグゾースト・ストリーム内の水素濃度の関数としてセンサ・セル膜電極アッセンブリ６０にわたる電圧の変化を測定する。それに代えて、膜電極アッセンブリ６０に対して一定電圧を供給し、検出器６８が、燃料イグゾースト・ストリーム内の水素濃度の変化の関数として電流内の変化を測定することもできる。
【００２１】
センサ・セル５４が、本質的に純水素を放出する水素ポンプとなるこの好ましい実施態様を使用することによって、追加の主要な利点が達成される。純水素は、センサ・セル５４が純水素を用いて較正されることになるため、燃料イグゾースト・ストリーム内における水素濃度の変化の検出精度を向上させる。追加の利点は、センサ・セル５４に入る燃料イグゾースト・ストリームの一部が有する一酸化炭素の含有量が、燃料電池内の一酸化炭素の酸化に起因して、燃料電池１２に入る燃料ストリームより低くなることである。一酸化炭素がより低いということは、センサ・セル膜電極アッセンブリ６０の触媒毒を低減する傾向を持つことになる。それに加えて、代替実施態様においては、センサ・セル膜電極アッセンブリ６０が、膜電極アッセンブリの電極に、少なくとも１つのプラチナ・ブラックから作られる電極を含むことができ、これは炭素サポートを持たず、それにより炭素サポートを有する電気触媒に関連付けされる混合電位が回避されるだけでなく、センサ・セル５４の膜電極アッセンブリ６０に対する周期的な燃料不足の影響が最小化される。別の実施態様においては、膜電極アッセンブリ６０の少なくとも１つの電極が、パラジウム・ブラック触媒を含むことができる。この種のパラジウム・ブラック触媒は、水素化パラジウムの形成に起因して、より安定した基準電位を提供する。
【００２２】
検出器６８によって検出されるセンサ・セル５４を通る燃料イグゾースト・ストリームの水素濃度における変化は、コントローラ手段に伝達され、コントローラ手段はそれに応答して燃料インレット・バルブ手段をコントロールし、燃料電池１２が適切な量の燃料を受け取ることを確実にする。この好ましい実施態様の追加の有益な有効性は、センサ・セル５４によって生成される純水素を、センサ・アノード・イグゾースト９６およびセンサ再循環ライン１０４を介して燃料電池１２のアノード・フロー・フィールド１６に戻すことができることである。
【００２３】
センサ・セル５４は、膜電極アッセンブリ６０にわたって特定の電流を印加している間に、既知の濃度の水素をセンサ・セル５４に通すことによって較正することができる。その後、結果として得られるセンサ・セル５４の電圧変化を測定する。たとえば、また図３に示されているように、セル電圧内の変化を、１００％の水素濃度についてライン１２０にプロットし；空気（『Ｎ2』）中の２０％の水素濃度についてライン１２２にプロットし；空気中の５％の水素濃度についてライン１２４にプロットする。
【００２４】
この種の既知の水素濃度に対するセンサ・セル５４の較正によって、当業者は、定常電流が印加される場合には電圧変化を基礎として、あるいは定常電圧が印加される場合には電流変化を基礎としてセンサ・セル５４を通る燃料イグゾースト・ストリームの実際の濃度を正確に測定できることになる。
【００２５】
図２に示されているとおり、代替実施態様１２９においては、センサ燃料供給ライン５２が、燃料イグゾースト・ストリームの一部をセンサ・セル５４の一方の側、すなわちセンサ・セル５４のカソード・フロー・フィールド５８等に振り向け、燃料インレット・ストリームの一部が、燃料インレット２８から第２のセンサ燃料供給ライン１３０を介してセンサ・セル５４の対向する側、すなわちセンサ・セル５４のアノード・フロー・フィールド５６等に振り向けられる。電源６４からセンサ・セル５４の膜電極アッセンブリ６０に電流を印加することによって、センサ・セル５４のカソード・フロー・フィールド５８内に水素が放出され、膜電極アッセンブリ６０にわたる電圧における変化が、燃料電池１２に入る燃料インレット・ストリームとそこから出て行く燃料イグゾースト・ストリーム内の水素濃度の間の差に比例する。その後、検出器６８を使用してコントロール手段１０８に燃料電池による燃料濃度内における変化を伝え、燃料電池１２に対する適切な燃料の供給を確実にする。それに加えて、酸化体供給ライン１３２が、酸化体供給バルブ１３４を介して燃料インレット２８に入り、さらに第２のセンサ供給ライン１３０に入って、センサ・セル５４に入る燃料インレット・ストリームを補助することができる。低濃度の酸素を燃料に注入すると、燃料ストリーム内の相当な量の一酸化炭素の酸化がもたらされることが知られている。センサ・セル内に向けられる燃料ストリーム内の一酸化炭素を低減することは、結果としてセンサ・セル５４のより信頼できる動作がもたらされる。
【００２６】
図１または図２の実施態様のいずれを用いる場合にも、前述したとおり電源スイッチ６６を閉じてセンサ・セル５４を実質的に『水素ポンプ』に変え、あるいは図１または２に示されているように電源スイッチを開いてセンサ・セル５４を『水素濃度セル』として動作させることができる。水素濃度セルの実施態様においては、図２に示されているとおり、燃料インレット・ストリームの一部がセンサ・セルの一方の側を通って流れ、燃料電池イグゾースト・ストリームの一部がセンサ・セルの対向する側を通って流れるように発電装置１０を動作させることができる。それに代えて、水素濃度セルの実施態様において、図１に示されているとおり、燃料電池イグゾースト・ストリームの一部がセンサ・セル５４の一方の側、すなわち図１に示されているようにアノード側等を通り、燃料電池１２のカソード・フロー・フィールド１４を通るエア等の酸化体がセンサ・セルの対向する側、すなわちセンサ・セル５４のカソード・フロー・フィールド５８を通って流れるべく振り向けられるように発電装置１０をコントロールすることができる。水素濃度セルの実施態様には電源６４がまったく必要ないか、あるいは図１および２に示されているとおり、電源スイッチを単純に開いておくことができる。電源６４が利用できない場合は、精度がガス遮断に対してより敏感でなくなり、常に利用可能な酸素とともに膜電極アッセンブリ６０を介した拡散が、膜電極アッセンブリ６０のアノード触媒上の一酸化炭素がより少なくなるという結果をもたらすことができる。
【００２７】
図１および２には、センサ・セル５４が燃料電池１２から分離されて示されているが、本発明は、燃料電池１２と一体化されて共通の冷媒インレットおよびアウトレット・マニフォールド（図示せず）を共有する燃料電池も含み、それにおいてはセンサ・セル５４ならびに燃料電池１２がともに周知の燃料電池スタック・アッセンブリ内の複数の燃料電池とともに一体化される。センサ・セル５４は、燃料電池スタック・アッセンブリ内の複数のセンサ・セルならびに燃料電池とともに使用することもできる。それに加えて多孔質センサ水運搬プレート７４またはクーラ・プレートを、図１および２に示されているとおり、センサ・セル５４のカソード・フロー・フィールド５８に隣接させて固定するか、プレート７４をセンサ・セルのアノード・フロー・フィールド５６に隣接させて固定するか、あるいは追加のセンサ水運搬プレート（図示せず）をセンサ・セルのアノード・フロー・フィールド５４に隣接させて固定し、センサ・セル５４の水管理の管理を強化することができる。
【００２８】
以上、説明ならびに例を示した実施態様に関連して本発明を開示してきたが、本発明がこれらの実施態様に限定されないことを理解されるものとする。たとえば、燃料電池１２が、陽子交換膜（『ＰＥＭ』）を使用する膜電極アッセンブリ１８を含んでもよく、あるいは燃料電池１２がこの分野に周知の代替電解質を使用してもよい。センサ・セル膜電極アッセンブリ６０は、この分野において周知のとおり、サポートおよび／または拡散レイヤによって対向する側に固定された触媒を有するＰＥＭ電解質として構成することができる。図１および２に記述されている電解質は、冷却流体が水の場合には、水性の酸または塩基としてもよい。それに代えて、水の冷却流体がセンサ・セル５４から取り除かれ、センサ・セルがこの分野に周知の方法で冷却される反応体である場合には、センサ・セル５４が、溶融塩電解質または固体の酸化物電解質を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の好ましい実施態様に従って構成された燃料濃度センサ・セルを有する燃料電池発電装置の簡略化した回路表現である。
【図２】本発明の代替実施態様に従って構成された燃料濃度センサ・セルを有する燃料電池発電装置の簡略化した回路表現である。
【図３】３つの異なる水素濃度、およびネルンストの式に従った２つの予測について電流密度が変化するときの本発明のセンサ・セルのセル電圧のプロットを示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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