(57)【要約】再循環ループ（１４９）内のアノード排気の一部分を再循環させる作動燃料電池装置（１００）を停止する方法は、外部回路から主要な負荷（１４６）の接続を解除し、カソード（１０６）への空気の流れを停止し、電池の両端に補助抵抗負荷（１４８）を印加して、燃料が依然としてアノードへ流れているとともにアノード排気が再循環している間に、電池電圧の低減と制限の少なくとも一方を行いかつカソード電位を低減することを含む。その後、燃料の流れは停止されるが、アノード排気は、再循環ループ内を再循環され続けて、その中の水素を酸素の存在下に触媒（１１２，１１６）と接触させることで、触媒燃焼器（１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ）内などでのように、水素を水に変換する。再循環は、実質的に全ての水素が除去されるまで、継続されながら継続される。その後、電池は、完全に停止できる。不活性ガスパージは、停止処理過程の一部として必要とされない。
2004521447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置の作動時に、酸化剤の連続的な流れが、電解質の１つの面にあるカソード流れ場を通して酸化剤供給源から燃料電池カソードに供給されており、水素を含有する燃料の連続的な流れが、電解質の他方の面にあるアノード流れ場を通して主要な燃料供給源から燃料電池アノードに供給されており、電流が、外部回路内で燃料電池により生成されるとともに外部回路内の主要な電気を使用する装置を作動させる、作動燃料電池装置を停止する方法であって、
（Ａ）  外部回路から主要な電気を使用する装置の接続を解除し、かつ、主要な燃料供給源からアノード流れ場の中への燃料の流れを停止し、その後、
（Ｂ）  再循環ループ内の触媒と接触するように再循環ループ内のアノード流れ場を通してアノード排気を再循環させることによりアノード流れ場の中の水素を酸素と反応させて水素を触媒によって消費し、かつ、アノード流れ場の中の実質的に全ての水素が除去されてしまうまでこのような再循環および水素の触媒による消費を継続する、
ステップを含むことを特徴とする停止方法。
【請求項２】
ステップ（Ｂ）において、水素は、アノードにおいて酸素と触媒によって反応して水を生成することを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項３】
ステップ（Ｂ）は、アノード排気が再循環されている間に、空気をカソード流れ場を通して流して、カソードからアノードへの電池を通る酸素の拡散速度を増加することにより、アノード上で水素を触媒によって反応させる速度を増加することを含むことを特徴とする請求項２記載の停止方法。
【請求項４】
ステップ（Ｂ）は、アノード流れ場の入り口の上流の再循環ループ内の再循環アノード排気に反応空気を付加して、前記水素を触媒によって反応させるのに付加的酸素を供給することを含むことを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項５】
実質的に全ての水素が消費された後に、アノード流れ場とカソード流れ場を空気でパージすることを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項６】
ステップ（Ｂ）において付加される反応空気の量は、アノード流れ場の入口に流入する酸素と水素の量を燃焼限界より下に維持するように調整されることを特徴とする請求項４記載の停止方法。
【請求項７】
ステップ（Ａ）において、通常の燃料電池電気化学反応によりカソード流れ場の中の酸素を消費することで電池電圧とカソード電位を低減するように、前記主要な電気を使用する装置の接続を解除した後でかつ前記燃料の流れを停止する前に、カソード流れ場の中への空気の流れを停止するとともに、所定の長さの時間、外部回路内にアノードとカソードを横断する補助抵抗負荷を接続することを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項８】
前記所定の長さの時間は、電池電圧が、１つの電池につき０．２ボルトまたはそれより下に低減されるまでであり、その後、前記燃料の流れを停止することが実行されることを特徴とする請求項７記載の停止方法。
【請求項９】
前記所定の長さの時間は、少なくとも、カソード流れ場の中の実質的に全ての酸素が消費されてしまうまでであることを特徴とする請求項７記載の停止方法。
【請求項１０】
ステップ（Ｂ）は、アノード流れ場への入り口の上流の再循環ループに反応空気を付加して、アノード上での水素の触媒反応に付加的酸素を供給することを含むことを特徴とする請求項７記載の停止方法。
【請求項１１】
前記電池電圧は、適切な大きさとされたダイオードを補助負荷と直列に使用することにより、１つの電池につき０．２ボルトまたはそれより下に制限されることを特徴とする請求項８記載の停止方法。
【請求項１２】
ステップ（Ｂ）において、前記水素を触媒によって反応させることは、再循環ループ内に配置された燃焼器を通して再循環アノード流れ場排気を流し、燃焼器内の触媒要素上で再循環アノード流れ場の中の水素を触媒によって反応させることを含むことを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項１３】
反応空気が、制御された量で燃焼器に付加されて、触媒反応に酸素を供給することを特徴とする請求項１２記載の停止方法。
【請求項１４】
制御された量の反応空気を再循環アノード排気に付加し、触媒要素の上流のこの制御された量の反応空気で再循環アノード排気中の水素を拡散燃焼させることを含むことを特徴とする請求項１２記載の停止方法。
【請求項１５】
ステップ（Ａ）において、カソード流れ場の中の酸素を消費することで電池電圧を低減するように、前記主要な電気を使用する装置の接続を解除した後でかつ前記燃料の流れを停止する前に、カソード流れ場の中への空気の流れを停止するとともに、所定の長さの時間、外部回路内にアノードとカソードを横断する補助抵抗負荷を接続することを特徴とする請求項１４記載の停止方法。
【請求項１６】
ステップ（Ｂ）の全体を通して、補助抵抗負荷が、アノードとカソードを横断して維持されることを特徴とする請求項１５記載の停止方法。
【請求項１７】
前記アノード流れ場への燃料の流れを停止する前に、補助負抵抗負荷は、１つの電池につき０．２ボルトまたはそれより下に電池電圧を低減するのに十分な長さの時間、アノードとカソードを横断して維持されることを特徴とする請求項１５記載の停止方法。
【請求項１８】
ステップ（Ｂ）の水素を触媒によって反応させることは、再循環ループ内に直列に配置され各燃焼器が内部に触媒要素を含む複数の燃焼器を通して、再循環アノード排気を流すとともに、反応空気の別々の制御された流れを触媒燃焼器のそれぞれの中に供給して、触媒要素上での酸素との水素の触媒反応に酸素を供給することで、水を生成することを含むことを特徴とする請求項１記載の停止方法。
【請求項１９】
前記燃焼器内で酸素と水素を触媒によって反応させた後でかつ水素が再循環ループ内に実質的に残らなくなった後に、カソード流れ場とアノード流れ場を空気でパージすることを特徴とする請求項１７記載の停止方法。
【請求項２０】
ステップ（Ｂ）において、アノード排気中の水素は、アノードにおいて酸素と触媒によって反応し、アノードにおいて水素と反応する酸素の少なくとも一部は、アノード流れ場への入口の上流の再循環アノード排気に付加された反応空気により供給されることを特徴とする請求項６記載の停止方法。
【請求項２１】
前記主要な電気を使用する装置の接続を解除した後でかつ前記アノード流れ場の中への燃料の流れを停止する前に、前記アノード流れ場への燃料の流れを停止する前において１つの電池につき選択値に電池電圧を低減するのに十分な長さの時間、アノードとカソードを横断する補助抵抗負荷を接続し、ステップ（Ｂ）の全体を通してこの抵抗負荷をアノードとカソードを横断するように維持して電池電圧を低く維持することを特徴とする請求項１８記載の停止方法。
【請求項２２】
前記選択値は、１つの電池につき０．２ボルトまたはそれを下まわることを特徴とする請求項２１記載の停止方法。
【請求項２３】
ステップ（Ｂ）において、実質的に全ての水素が消費された後に、アノード流れ場とカソード流れ場を空気でパージすることを特徴とする請求項２２記載の停止方法。
【請求項２４】
ダイオードが、補助抵抗負荷と直列に使用されて、電池電圧を選択値に制限することを特徴とする請求項２１記載の停止方法。
【請求項２５】
燃料電池装置の作動時に、酸化剤の連続的な流れが、電解質の１つの面にあるカソード流れ場を通して酸化剤供給源から燃料電池カソードに供給されており、水素を含有する燃料の連続的な流れが、電解質の他方の面にあるアノード流れ場を通して主要な燃料供給源から燃料電池アノードに供給されており、アノード流れ場排気の一部分が、アノード流れ場を通して再循環ループ内を再循環されており、電流が、外部回路内で燃料電池により生成されるとともに外部回路内の主要な電気を使用する装置を作動させる、作動燃料電池装置を停止する方法であって、
（Ａ）  外部回路から主要な電気を使用する装置の接続を解除し、かつ、カソード流れ場への酸化剤の流れを停止し、その後、水素を含有する燃料の流れをアノード流れ場の中へ継続させ、
（Ｂ）  １つの電池につき選択値に電池電圧を低減するのに少なくとも十分な長さの時間、アノードとカソードを横断する補助抵抗負荷を接続し、この長さの時間、アノード排気は、再循環ループを通って循環し続け、その後に、電池電圧は、選択値またはそれより下に到達し、
（Ｃ）  アノード流れ場の中への燃料の流れを停止し、水素が再循環ループ内に実質的に残らなくなるまで循環アノード排気が再循環ループ内を循環する間に循環アノード排気中の水素を触媒によって消費する、
ステップを含むことを特徴とする停止方法。
【請求項２６】
前記選択値は、１つの電池につき０．２ボルトまたはそれを下まわることを特徴とする請求項２５記載の停止方法。
【請求項２７】
前記電池電圧が、０．２ボルトまたはそれより下に低減された後に、電池電圧は、ステップ（Ｃ）の全体を通して補助負荷と直列のダイオードによって０．２ボルトまたはそれより下に維持されることを特徴とする請求項２６記載の停止方法。
【請求項２８】
ステップ（Ｃ）の後に、アノード流れ場とカソード流れ場が空気でパージされることを特徴とする請求項２６記載の停止方法。
【請求項２９】
ステップ（Ｃ）において、水素は、再循環ループ内に配置された燃焼器内の触媒要素上で酸素と反応させることにより触媒によって消費され、空気が、制御された量で再循環ループ内に導入されて、前記触媒反応に酸素を供給することを特徴とする請求項２５記載の停止方法。
【請求項３０】
前記電池電圧は、ステップ（Ｃ）の全体を通して、予め選択された値またはそれより下に維持されることを特徴とする請求項２９記載の停止方法。
【請求項３１】
ステップ（Ｃ）において、再循環ループ内に導入された空気は、触媒要素の上流の拡散区域内において再循環ループ内の水素と拡散燃焼されることを特徴とする請求項２９記載の停止方法。
【請求項３２】
前記再循環ループは、複数の拡散燃焼区域と触媒要素とを直列に交互に含み、ステップ（Ｃ）において、再循環アノード排気は、直列の区域を通ってかつ直列の触媒要素を横断して流れ、水素が、再循環ループ内に実質的に残らなくなるまで、交互に、水素および酸素を拡散燃焼させかつ水素を触媒によって消費することを特徴とする請求項３１記載の停止方法。
【請求項３３】
前記電池電圧は、ステップ（Ｃ）の全体を通して、予め選択された値またはそれより下に維持されることを特徴とする請求項３２記載の停止方法。
【請求項３４】
ステップ（Ｃ）の後に、アノード流れ場とカソード流れ場が空気でパージされることを特徴とする請求項３３記載の停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関し、より詳細には、作動燃料電池装置を停止する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の技術では、よく知られているように、電気回路が開にされ、電池を停止させたときおよび電池を停止させている間など、もはや電池の両端に負荷がないとき、カソード上に空気が存在すると、アノード上に残っている水素燃料と結合して、一般に、容認できないアノード電位とカソード電位を生じさせ、その結果、触媒および触媒支持体の酸化および腐食、さらに付随する電池性能の劣化が生じる。アノードとカソードを不動態化してそのような電池性能の劣化を最小限に抑えるかまたは防止するように、電池を停止させた直後にアノードの流れの場とカソードの流れの場の両方をパージするのに不活性ガスを使用する必要があると考えられた。さらに、不活性ガスパージを用いると、安全性の問題である、水素と空気の可燃性混合物が生じる可能性が、回避された。パージ気体として１００％不活性ガスを使用するのが、従来技術では最も一般的であるが、同一出願人が所有する米国特許第５，０１３，６１７号および第５，０４５，４１４号には、アノード側のパージ気体として１００％窒素を使用すること、カソード側のパージ混合物が、非常に小さな割合の酸素（例えば、１％未満）と窒素の残部から成ること、が記載されている。また、これらの特許の両方とも、カソード電位を迅速に０．３〜０．７ボルトの許容限界の間に低下させるように、パージの開始時に疑似電気負荷を電池の両端に接続する選択肢を論じている。
【０００３】
自動推進の用途など燃料電池電力設備の小型さおよび点検間隔が重要である燃料電池の停止パージ気体または始動パージ気体として、窒素または他の不活性ガスを使用するのは望ましくない。さらに、不活性ガスを貯蔵しかつ電池へ供給することに付随する費用を回避するのは望ましい。従って、実質的な性能劣化を生じさせず、不活性ガスの使用あるいは他の通常の燃料電池の作動に必要とされる以外の気体の使用を必要とせず、安全で費用対効果が大きな停止方法および始動方法が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に従うと、作動時にアノード流れ場を通して再循環ループ内をアノード流れ場排気の一部分を再循環させる燃料電池装置は、外部回路から主要な負荷の接続を解除し、その後、アノード流れ場の中への新鮮な水素を含有する燃料の流れを停止し、再循環ループ内の気体中の実質的に全ての水素が除去されるまで、触媒と接触するように再循環ループ内の気体を再循環させることで、再循環アノード排気中の水素を触媒によって反応させることによって、停止される。好ましくは、主要な負荷の接続解除時に、アノードへの燃料の流れが停止される前に、電池電圧およびカソード電位を低下させるように、所定の長さの時間、カソード流れ場への酸化剤流れが、中止されるとともに、小さな補助負荷が、電池の両端に接続される。電池の不活性ガスパージは、停止方法の一部として使用もされず必要ともされない。
【０００５】
同一出願人が所有する米国特許第５，５０３，９４４号に記載されている一般的な種類のＰＥＭ型燃料電池のスタックを用いる一実験においては、主要な電気を使用する装置は、接続が解除され、アノードへの燃料（水素）の流れとカソードへの空気の流れが遮断された。不活性ガスパージなどを用いることによってアノード流れ場から残留燃料をパージする試みもカソード流れ場から空気をパージする試みもなされなかった。電池を再始動するために、燃料と酸化剤が、それらの各流れ場の中へ直接流された。（上述した方法は、以下、「制御されていない」始動／停止サイクルと呼ぶ。）このように作動された電池スタック組立体は、以前には観察されなかった迅速な性能減衰を経験することが見出された。さらに、多数回の始動／停止サイクルは、負荷時の多数の通常作動時間が電池性能に対して有害であるより電池性能に対して有害であることが発見された。結局、実験を通して、停止方法と始動方法の両方とも、電池が経験する迅速な性能減衰の一因となっていることが決定されたのであり；そのような迅速な減衰は、従来技術の手法に従って各停止時に電池を不動態化するのに不活性ガスを使用すると、生じないことが知られたのである。わずか数十回の制御されていない始動／停止サイクルを経験した使用済み電池の調査からは、高表面積カーボンブラックカソード触媒支持体の２５％から５０％が腐食することが示されたが、これは、これ以前には従来技術においては報告されていなかった。
【０００６】
さらなる試験および結果の分析から、以下の機構が、上述した実験において経験された性能減衰を生じさせるとの考えに至った。図２を参照すると、ＰＥＭ型燃料電池の概略図が示される。（留意されるように、説明される機構は、イオン流れを適切に変えてリン酸、水酸化カリウムなどの他の電解質を用いる電池にも適用できる。）図２において、Ｍは、１つの面にカソード触媒層Ｃを、他方の面にアノード触媒層Ａを有する、プロトン交換膜（ＰＥＭ）を表す。カソード触媒へ空気を運ぶカソード空気流れ場は、垂直方向の点線によって空気区域１と空気区域２に分割され、この点線は、以下にさらに説明するように、アノード流れ場を通って移動する水素前線の位置を表す。アノード燃料流れ場は、一般に、入口Ｉから出口Ｅへアノード触媒に亘って水素を運ぶが、同様に、同じ点線によって２つの区域に分割される。点線の左にありかつ入口Ｉに隣接する区域は、水素で満たされており、記号Ｈ2で表示される。点線の右にありかつ入口Ｅに隣接する区域は、区域３であり、空気で満たされている。
【０００７】
制御されていない停止（すなわち、性能減衰を制限するどのような特別な処置もとらない停止）のとき、それぞれアノード流れ場とカソード流れ場の中にある残留水素の一部と酸素の一部が、ＰＥＭを横断して（互いに電池の反対側へ）拡散し、触媒上で（場合により、酸素または水素と）反応して、水を生成する。アノード上での水素の消費は、周囲圧力を下まわるまでアノード流れ場の中の圧力を低下させ、出口Ｅにおいてアノード流れ場の中へ外部空気を引き込むことになり、水素／空気前線（図２の点線）を生成し、この水素／空気前線は、ゆっくりと燃料出口Ｅから燃料入口Ｉへアノード流れ場を通って移動する。結局、アノード流れ場（およびカソード流れ場）は、完全に空気で満たされる。電池の始動時に、空気の流れが、カソード流れ場の中へさらにそこを通って導かれ、水素の流れが、アノード流れ場の入口Ｉ内へ導入される。これによって、電池のアノード側では、水素／空気前線（図２の点線によって同様に表される）が生成することになり、この水素／空気前線は、アノードを横断して、アノード流れ場を通って移動し、その正面の空気を置き換え、この空気は、電池から押し出される。いずれの場合も（すなわち、停止時および始動時）、水素／空気前線は、電池を通って移動する。移動前線の一方側（図２の区域Ｈ2内）では、アノードは、実質的に燃料（すなわち、水素）だけに曝され；区域Ｈ2に対向するカソード流れ場の区域１内では、カソードは、空気だけに曝される。このような電池の領域は、以下、Ｈ2／空気領域と呼ぶが、すなわち、アノード上に水素、カソード上に空気がある。移動前線のもう一方側では、アノードは、本質的に空気だけに曝されており；区域３に対向するカソード流れ場の区域２も、空気だけに曝される。このような電池の領域は、以下、空気／空気領域と呼ぶが、すなわち、アノード上とカソード上の両方に空気がある。
【０００８】
アノード流れ場の中に水素と空気の両方が存在すると、水素に遭遇するアノードの部分と空気に遭遇するアノードの部分との間で電池が短絡することになる。この結果、Ｈ+で表示した矢印の方向に、膜Ｍ内でプロトン（Ｈ+）の小さな面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）流れと、膜を横断するプロトンのより大きな面通過（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｐｌａｎｅ）流れが生じるとともに、同様に表示された矢印によって図示されるように、電池のそれぞれの側で電子（ｅ-）の面内流れが生じる。電子は、導電性触媒層および導電性触媒層に接触し得る他の導電性電池構成要素を通って移動する。アノード側では、電子は、水素に遭遇するアノードの部分から空気に遭遇する部分へと移動し；カソード側では、電子は、反対の方向へ移動する。
【０００９】
水素に遭遇するアノードの部分から空気に遭遇するアノードの部分への電子の流れによって、電子伝導体の電位が少し変化することになる。一方、膜中の電解質は、相対的に弱い面内プロトン伝導体であり、プロトンの流れによって、区域Ｈ2と区域３との間で電解質電位が非常に大幅に降下することになる。
【００１０】
区域Ｈ2と区域３との間の電解質電位の低下は、約０．９〜１．０ボルトの一般的な電池開回路電圧程度であると推定される。この電位降下によって、カソード側の区域２からアノード側の区域３へＰＥＭすなわちＭを横断するプロトンの流れが生じるが、これは、通常の電池作動条件下に生じるものとは逆方向である。同様に、空気に遭遇するアノードの部分（区域３）内の電解質電位の低下は、結果として、０．９から１．０ボルトの通常のカソード電位に対して、約１．５から１．８ボルトの区域２内のカソード電位になると推定される。（注意：これらの電位は、同じ作動条件における水素電位を基準にしたものである。）この上昇したカソード電位によって、炭素支持体材料とカソード触媒の迅速な腐食が生じ、大幅な電池性能減衰が生じる。
【００１１】
本発明の１つの目的は、燃料電池の停止時に燃料電池触媒と触媒支持体の腐食を最小限に抑えること、およびそれを、停止時に不活性ガスを用いて電池から水素をパージせずに、行うことである。
【００１２】
本発明の停止方法の特定の一実施態様では、外部回路から主要な負荷の接続を解除するとともに、アノード流れ場の中への新鮮な燃料の流れを遮断する処置の後で、アノード排気が、アノード流れ場を通して再循環ループ内を再循環されて、再循環ループ内に残っている水素を、電池のアノード触媒と連続的に接触させることで、カソード流れ場からアノード流れ場へ電池を横断して拡散する酸素と反応させる。酸素は、アノード触媒の存在下、水素と結合して水を生成し、それによって、自由水素分子を「消費」する。この実施態様では、カソード流れ場を通る空気の流れは、好ましくは、アノード排気の再循環中に継続されて、電池を横断して拡散しアノード触媒上で水素と反応する酸素の利用度を向上させる。実質的に全ての水素が反応した後で、アノード流れ場排気の再循環は、停止することができ、アノード流れ場とカソード流れ場は、空気で満たされることができ、または、好ましくは、両方とも空気でパージされる。これによって、不活性ガスパージを用いずにかつアノード流れ場の中で水素／空気前線を生成せずに、停止方法が完了する。随意の空気パージによって、最小量の水素でも電池から確実に取り去られるとともに、停止後に電池内に残っているアノード流れ場の気体とカソード流れ場の気体は、確実に本質的に同一（すなわち、１００％空気）になる。
【００１３】
上述した実施態様の変形例では、再循環水素を触媒によって消費するのに電池を横断して拡散する酸素のみに依拠するのではなくて、制御された少量の外部空気が、再循環アノード流れ場排気がアノード流れ場入口に流入する位置の上流において、再循環アノード流れ場排気と混合される。これによって、アノード上での触媒反応の速度を増加することで停止処理過程が促進され、カソード電位が低減し、それによって、停止処理過程中の触媒腐食の速度および触媒支持体腐食の速度が低減する。一旦付加されると、外部空気は、実質的に全ての残っている水素が反応してしまうまで、アノード流れ場排気によって循環される。（以下、触媒反応を促進するように付加される制御された量の外部空気は、「反応空気」と呼ぶ。この命名は、停止方法で流れ場をパージするのに後で追加され得る外部空気と反応空気を区別するために使用される。）アノード排気および空気の再循環混合物内の水素と酸素は、アノード触媒上で互いに触媒によって反応して水を生成する。方法のこの処置において、空気およびアノード排気の混合物だけが、アノード流れ場へ流入するので、アノード流れ場を横切る明瞭な水素／空気前線は、存在せず；決して、アノードの一方の領域が、水素だけに遭遇し、他方が、空気だけに遭遇する、ということはない。
【００１４】
付加された外部空気中の酸素が、アノード触媒上で水素と反応して、再循環気体中に残っている実質的に全ての水素を速やかに（実際の大きさの全ての装置に対して、ほんの数秒で）消費する。通常の７０キロワット燃料電池は、燃料流れ場、反応物マニホールド、および再循環ループ内に約１２リットルの水素在庫を有しており、一方、再循環送風機は、一般に、４００から７００リットル／分で再循環させるような大きさとされている。燃料再循環ループ内への約１４０リットル／分の空気流量によって、約１３秒間で実質的に全ての水素を消費するのに十分な空気が供給されながら、空気濃度が燃焼限界（以下に、より十分に説明する）より低く維持される。
【００１５】
カソードからアノードへ膜を通って輸送される酸素または外部空気中の酸素との水素の反応は、結果として、再循環ループ内の圧力低下になる。再循環ループ内の圧力を周囲圧力より下に降下させると、どのような装置漏出によっても、再循環ループ内に制御されない量の空気を引き込むことになるので、再循環ループ内の圧力を周囲圧力より下に降下させるのは望ましくない。しかしながら、全ての実際の大きさの再循環送風機および再循環ループ体積は、装置内に安全に取り込むことができる量の外部空気と一緒にすると、結果として、周囲圧力より上に圧力を維持することになり、それによって、装置内へのどのような任意の空気の流入も防止される。
【００１６】
本発明のいくつかの実施態様について以下に説明するいくつかの具体的な実例を除いて、安全上の理由から、水素が存在している間に再循環ループ内に付加される空気の量は、水素と酸素の可燃性混合物になるであろう量よりは、少なくする必要がある。水素中で体積で約４％酸素（約２０％空気に相当する）より多いと、燃焼限界を超えると考えられており；空気中で体積で約４％水素より多いと、燃焼限界を超えると考えられる。従って、再循環ループが、１００％水素を収容する場合は、再循環ループ内への空気流量は、最初は、再循環ループ流量全体の約２０％を超えてはならず、安全裕度を見込むためには２０％を下まわるのが好ましい。図示しないが、循環気体中の水素に対する酸素の割合を測定する装置を、再循環ループ内に配置し、再循環ループ内に気体を供給するのに使用される弁または他の装置を制御するのに、使用できる。
【００１７】
留意されるように、本発明の停止方法の間に、電池のカソード側の空気中に自然に存在する窒素が、酸素と共に電池を横断してアノード流れ場の中へ拡散する。再循環アノード排気に付加されたどのような空気中にも窒素が存在する。この窒素は、電池内で少しも消費されない。従って、空気を再循環排気に付加するために、再循環排気は、部分的に排出される必要がある。実質的に全ての水素が消費された後に、空気中に見出される量を超える窒素を含む電池内のどのような気体混合物も、最後には、上述したように停止後または最後の空気パージを用いる結果として、電池に流入させた新鮮な空気によって置き換えられ得る。しかしながら、過剰の窒素を電池から除去するのは、重要ではない。ちょうど今説明した実施態様では、停止処理過程を促進するために、アノード流れ場への水素燃料の流れを遮断する前に、かつ、制御されたどのような量の外部空気もアノード流れ場内に付加する前に、カソード電位を低減するのが好ましい。より詳細には、燃料をアノードへ依然として流しながら、しかし、主要な負荷の接続を解除した後に、電池電圧を速やかに低減するためには、小さな補助抵抗負荷が電池の両端に接続される。カソードへの空気の流れは、この補助負荷印加時に中止される。補助負荷の印加は、通常の電気化学反応が生じることによって、カソード流れ場の中の酸素の量を低減し、これは、電池電圧およびカソード電位を低減する。カソード電位の低減は、電池停止処理過程の残りの処置でアノード流れ場に空気が流入する際の触媒および触媒支持体の腐食速度を低減する。
【００１８】
補助負荷は、電池電圧を予め選択された値に、好ましくは１つの電池につき０．２０ボルトまたはそれを下まわる値に低減するのに十分な長さの時間、接続され、それによって、カソード流れ場の中の実質的に全ての酸素が、消費されてしまうことになる。電池電圧が、所望の値に低減された後に、アノード流れ場への燃料の流れが、遮断され、制御された量の空気が、アノード流れ場に付加されることができ、この制御された量の空気は、実質的に全ての水素がアノード流れ場から除去されてしまうまで、先に説明した実施態様に従ってアノード流れ場の中の全ての水素を触媒によって反応させるように、再循環し続ける。補助負荷は、一旦電池電圧が所望のレベルに降下してしまうと、接続が解除できるが；停止処理過程が完了するまで、補助負荷は、接続し続けるのが好ましい。従って、停止方法が、（上述したように）アノード流れ場とカソード流れ場の空気パージで終わることになる場合は、空気パージの間に１つの電池ごとの電圧を０．２ボルトにまたはそれを下まわるまで制限するように電池の両端に補助負荷を接続し続けるのが好ましい。これによって、カソード電位が最低限に抑えられるとともに、ａ）再循環ループ内のほんのごく少量の水素の存在からも、および、ｂ）パージ空気が電池を通って流れる間のアノード空気入口からアノード排気出口までのアノード電位のどのような相違からも、生じ得る可能性のある触媒および触媒支持体の損傷が最低限に抑えられる。
【００１９】
本発明の停止方法のさらに別の実施態様では、再循環ループは、直列に１つまたは複数の燃焼器を含み、各燃焼器は、内部に触媒燃焼器要素を有する。（先に説明した実施態様に従うなどして）主要な負荷が、外部回路から接続を解除されるとともに、アノード流れ場の中への新鮮な燃料の流れが、遮断された後に、好ましくは、電池電圧が、（補助負荷を使用するなどして）０．２ボルトまたはそれを下まわるまで低減された後に、制御された少量の外部空気（すなわち、反応空気）が、燃焼器の上流において、または最も好ましくは直接各燃焼器内へと、再循環ループに付加される。再循環アノード流れ場排気中の水素は、燃焼器要素上で空気中の酸素と触媒によって反応して水を生成する。燃焼器からの排気は、実質的に全ての水素が反応してしまうまで、再循環ループを通って（すなわち、アノード流れ場および燃焼器を通って）連続的に再循環する。先に説明したように、再循環アノード流れ場排気に付加される空気の量は、再循環ループ内のどこにおいても水素と酸素の可燃性の混合物になるのを避けるように調整される。好ましくは、停止処理過程は、１分間を超える時間を費やしてはならず、最も好ましくは、１０秒間を下まわる時間である。この理由から、複数の燃焼器が、単一の燃焼器より好ましい。
【００２０】
好ましくは、各燃焼器は、触媒燃焼器要素の上流に、かつ、触媒燃焼器要素と直列に、好ましくは同じハウジング内に統合されて、拡散燃焼器を含む。拡散燃焼器は、拡散燃焼器に流入する水素および空気の拡散燃焼を開始するのに使用される点火器を含む。拡散燃焼処理過程は、（触媒燃焼単独に比較して）再循環流れの中の水素をより速やかに消費することにより停止処理過程を促進するが；拡散燃焼単独は、本発明に必要なレベルまで水素を除去するためには、触媒燃焼ほど効果的ではない。これら２つの組み合わせが、所望の速度および実質的に完全な水素除去を提供する。燃焼限界は、上述したように、燃料電池装置内の安全性のために遵守する必要があり、明らかに、拡散燃焼器には当てはまらないが；燃焼限界は、拡散燃焼区域から流出する気体組成に関しては遵守する必要がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１に、燃料電池装置１００を示す。装置は、アノード１０４と、カソード１０６と、アノードとカソードの間に配置された電解質層１０８とを備える燃料電池１０２を含む。アノードは、アノード基体１１０を含み、アノード基体１１０は、電解質層１０８に面する側のその上に配置されたアノード触媒層１１２を有する。カソードは、カソード基体１１４を含み、カソード基体１１４は、電解質層１０８に面する側のその上に配置されたカソード触媒層１１６を有する。さらに、電池は、アノード基体１１０に隣接するアノードの流れの場のプレート１１８と、カソード基体１１４に隣接するカソードの流れの場のプレート１２０とを含む。
【００２２】
カソード流れ場プレート１２０は、カソード基体に隣接してプレート１２０を横断して延びる複数の流路１２２を有し、この流路１２２は、酸化剤、好ましくは空気を、入口１２４から出口１２６へカソードを横断して運ぶためのカソードの流れの場を形成する。アノード流れ場プレート１１８は、アノード基体に隣接してプレート１１８を横断して延びる複数の流路１２８を有し、この流路１２８は、水素を含有する燃料を、入口１３０から出口１３２へアノードを横断して運ぶためのアノードの流れの場を形成する。また、各電池は、カソード流れ場プレート１２０に隣接して、電池から熱を除去するための冷却器１３１を含み、この熱の除去は、冷却器１３１、熱を廃棄するためのラジエータ１３６、流量制御弁またはオリフィス１３８を通るループ１３２を通して水を循環させるのに水ポンプ１３４を使用するなどして行われる。
【００２３】
単一の電池１２０だけが示されているとはいえ、実際は、燃料電池装置は、電気的に直列に接続された複数の隣接する電池（すなわち、電池のスタック）を備え、各電池は、１つの電池のカソード流れ場プレートを、隣接する電池のアノード流れ場プレートから隔てる冷却器を有する。図１に表された燃料電池のような燃料電池に関するより詳細な情報については、同一出願人が所有する米国特許第５，５０３，９４４号および第４，１１５，６２７号を参照のこと。第‘９４４号特許には、電解質層がプロトン交換膜（ＰＥＭ）である固体高分子電解質型燃料電池が記載される。第‘６２７号特許には、電解質層が、細孔内に液体電解質を収容する多孔質炭化ケイ素基材層である、リン酸電解質型燃料電池が記載される。
【００２４】
図１を再度参照すると、燃料電池装置は、圧力下の水素を含有する燃料の供給源１４０、空気の供給源１４２、空気送風機１４４、ここでは主要な負荷と呼ぶ主要な電気を使用する装置１４６、ダイオード１４７、このダイオードに直列に補助抵抗負荷１４８、およびアノード排気再循環ループ１４９を含む。本出願と添付の請求項の目的のために、再循環ループ１４９は、アノード流れ場を画定する流路１２８ばかりでなく、アノード触媒層１１２と、多孔質アノード基体１１０とを含むと考えられる。
【００２５】
再循環ループ内には、再循環ループ送風機１５０、複数の燃焼器１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ、および再循環ループ熱交換器１５２が配置される。各燃焼器は、それぞれ１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃで示される電気的に加熱される触媒によって被覆された燃焼器要素を内部に含む。各燃焼器内には、各触媒要素の上流に、それぞれ拡散燃焼区域１５５ａ、１５５ｂ、および１５５ｃがある。この各区域内には、それぞれ点火器１５７ａ、１５７ｂ、および１５７ｃが延びている。空気供給源１４２からの導管１６４の枝管１６４ａが、各拡散燃焼区域内への空気の流れを制御する別々の空気供給弁１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃに空気を運ぶ。（所望ならば、空気供給弁１６２ａ、１６２ｂ、および１６２ｃは、固定オリフィスとすることができ、その場合は、単一の空気遮断弁（図示せず）が、全ての空気供給オリフィスの上流の導管１６４に配置されることになる。）枝管１６４ｂが、空気を再循環ループ内へ、好ましくは送風機１５０の上流に運ぶ。枝管１６４ｂは、制限オリフィス（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｎｇ  ｏｒｉｆｉｃｅ）１８０と、流れを制御するための空気放出制御弁（ａｉｒ  ｂｌｅｅｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｖａｌｖｅ）１８２とを含む。燃料供給源１４０からの導管１９２は、各拡散燃焼器区域内への燃料の流れを制御する別々の燃料供給弁１９０ａ、１９０ｂ、１９０ｃに燃料を運ぶ（所望ならば、燃料供給弁１９０ａ、１９０ｂ、および１９０ｃは、固定オリフィスとすることができ、その場合は、単一の燃料遮断弁（図示せず）が、全ての燃料供給オリフィスの上流の導管１９２に配置されることになる）。
【００２６】
単一の熱交換器１５２のみが、燃焼器のすぐ下流に配置されて示されているとはいえ、熱交換器のための可能な配置は他にもあり、また、１つを超える熱交換器を使用することもできる。例えば、各燃焼器のすぐ下流に熱交換器を配置することもでき；あるいは、各燃焼器は、それと一体化した熱交換器を有することもできる。使用される熱交換器の種類およびその配置は、本発明の重きをなす部分ではない。
【００２７】
通常燃料電池作動
通常の燃料電池の作動時に、電池が、主要な負荷１４６に電気を供給しているとき、主要負荷スイッチ１５４は、閉にされており（主要負荷スイッチ１５４は、図面では開で示されている）、補助負荷スイッチ１５６は、開にされている。空気送風機１４４、アノード流れ場排気再循環送風機１５０、冷媒ポンプ１３４は、全てオンになっている。弁１８２は、閉にされている。アノード流れ場への燃料供給導管１６８内の燃料供給弁１６６は、アノード排気導管１７４内のアノード排気排出弁１７２と同じように、開にされている。冷媒ループ流れ制御弁１３８も、開にされている。空気入口供給弁１６２ａ、１６２ｂ、および１６２ｃ、燃料供給弁１９０ａ、１９０ｂ、および１９０ｃは、閉にされており；触媒燃焼器要素１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃは、オフになっている。
【００２８】
このように、通常の作動時には、供給源１４２からの空気は、導管１６０を介してカソード流れ場入口１２４内へ連続的に供給され、導管１７６を介して出口１２６から流出する。加圧供給源１４０からの水素を含有する燃料は、導管１６８を介してアノード流れ場の中へ連続的に供給される。消耗された水素燃料を含有するアノード排気の一部分は、導管１７４を介して排出弁１７２を通ってアノード流れ場から流出し、一方、再循環送風機１５０は、アノード排気の残りを、当業技術内でよく知られる仕方で、再循環ループを介してアノード流れ場を通して再循環させる。アノード排気の一部分を再循環させることは、アノード流れ場の入口１３０から出口１３２までの相対的に均一な気体組成を維持するのを助ける。再循環気体中の水素は、アノード流れ場を通って流れる間に、よく知られた仕方でアノード触媒層上で電気化学的に反応して、プロトン（水素イオン）と電子を生成する。電子は、アノード１０４からカソード１０６へ外部回路１７８を通って流れて負荷１４６に電力を供給する。
【００２９】
停止方法
本発明の一実施態様においては、燃焼器１５１ａ、１５１ｂ、および１５１ｃは、停止時にも、通常作動時にも使用されず、省くことができる。そのような場合には、作動燃料電池装置は、好ましくは以下のように停止される。外部回路１７８内のスイッチ１５４は、開にされて、主要な負荷１４６の接続が解除される。燃料流れ弁１６６は、開にされたままであり；アノード排気排出弁１７２は、開にされたままであり；再循環送風機は、オンのままで、アノード排気の一部分の再循環を継続し；空気送風機１４４は、オフにされて、カソード流れ場への新鮮な空気の流れを中止する。主要な負荷の接続が解除されると、補助負荷１４８が、スイッチ１５６を閉にすることによって接続される。補助負荷を通って電流が流れながら、通常の電気化学電池反応が生じ、カソード流れ場の中の酸素濃度を低減するとともに、電池電圧を低下させる。
【００３０】
補助負荷は、電池電圧が、大幅に、好ましくは１つの電池につき０．２ボルトまたはそれを下まわる値に（または、別の他の予め選択された値に）低下されるまでは少なくとも、印加される。ダイオード１４７が、カソードとアノードを横断して接続され、電池電圧を検出し、電池電圧が予め選択された値を超えるときはいつでも、電流を負荷１４８を通して流す。このように、電池電圧は、予め選択された値に制限される。この好ましい実施態様では、燃料電池電圧が、１つの電池につき０．２ボルトに下がると、燃料弁１６６が、閉にされ、空気放出弁１８２が、開にされる。（補助負荷は、ここで接続が解除できるが；停止方法の残りの全体を通して補助負荷を接続したままにして、停止方法の全体を通して電池電圧を１つの電池につき０．２ボルトに制限するようにするのが好ましい。）弁１８２を開にすると、制御された少量の空気が、導管１６４ｂ内の制限オリフィス１８０を通して、再循環送風機１５０のちょうど上流にあるアノード排気流れの再循環部分の中へ導入される。この付加された空気の流れは、アノード触媒上の水素と酸素の触媒反応の速度を増加させる。上述したように、再循環ループ内に与えられる（上で、「反応空気」と呼ぶ）この空気の量は、水素と空気の可燃性混合物となるであろう量を超えてはいけない。
【００３１】
アノード排気の再循環は、実質的に全ての水素が、消費されてしまうまで（すなわち、アノード上で酸素と触媒によって反応してしまい水を生成するまで）、継続される。補助負荷が、依然として接続されている場合は、その接続を解除することができ、停止処理過程は、完了する。代替として、停止処理過程の最後の処置は、実質的に全ての水素が消費された後でさえも、再循環ループおよびカソード流れ場の空気パージとすることができる。空気バージは、完全に全ての水素が、除去されてしまうこと、および、純粋空気などといった同一の気体組成が、再始動する時間になるまで電池が無負荷運転となっている間に、電池の両側に存在することを、確実にする。好ましくは、補助負荷は、パージの間、接続されたままである。パージのための空気は、再循環送風機がオンとなっている間に、弁１８２を開にすることによって、アノード流れ場入口１３０へ供給される。空気は、空気送風機１４４を用いて導管１６０を介してカソード流れ場入口１２４へ供給される。パージ後、補助負荷は、接続が解除され、停止が完了する。
【００３２】
停止方法の間にカソードからアノードへ電池を横断する酸素の拡散速度は、電解質層１０８の性質と、電解質層を横断する酸素および水素の濃度勾配とによって、決定されることになる。電解質層が、酸素および水素それぞれに対して、より透過性であればあるほど、これらの気体のそれぞれの拡散速度は、より大きくなる。いくつかの適用では、拡散速度は、導管１６４ａを通して再循環ループに反応空気を付加する必要がなくなり得るように、アノード上で水素を十分に速やかに消費するのに十分となり得る。しかしながら、十中八九、大部分の適用では、上述したように、直接再循環気体中に反応空気を付加するのが好ましいかまたは必要となる。そのような空気は、アノード流れ場入口１３０の上流に付加されるので、電池に流入する前に再循環アノード排気と混合し、それによって、触媒と触媒支持体材料の両方の腐食の原因となる過剰に高いカソード電位をもたらすと考えられている水素／空気前線の生成が、回避される。
【００３３】
プレート１１８、１２０などのアノード流れ場プレートとカソード流れ場プレートが、多孔質であり、かつ、気体を電池のアノードとカソードに運ぶことと、電池から水を輸送し去ることの両方を行うのに使用される、燃料電池装置では、ポンプ１３４などの冷媒ループポンプは、停止方法の間はオンのままにする必要がある。これによって確実に、水は、細孔を閉塞しないとともに、反応物気体がアノード触媒とカソード触媒に到達するのを妨げも制限もしない。
【００３４】
ここで、本発明の別の実施態様に目を転じると、燃焼器１５１ａ、１５１ｂ、および１５１ｃは、アノード流れ場から水素を除去するのに使用される。より詳細には、作動燃料電池装置１００のための停止方法は、以下のようになるであろう。主要な負荷１４６は、接続が解除され、アノード流れ場への新鮮な燃料の流れは、弁１６６を閉にすることにより遮断される。燃料弁１９０ａ、１９０ｂ、および１９０ｃは、閉にされる。弁１７２が、部分的に開にされたまま、アノード流れ場排気気体の一部分が、再循環送風機１５０により再循環ループを通して再循環され、複数の燃焼器１５１ａ、１５１ｂ、および１５１ｃを通って流れる。燃焼器には、弁１６２ａ、１６２ｂ、および１６２ｃを通して制御された量の空気（反応空気）が供給される。安全上の理由から、触媒燃焼器に供給される空気の量は、空気と水素の可燃性混合物が直列の最後の燃焼器から流出することになり得るであろう量を超えないようにする必要がある。
【００３５】
第１の燃焼器１５１ａにおいては、外部空気および再循環アノード排気が、随意ではあるが好ましくは、拡散燃焼区域１５５ａに流入し、そこで、それは、点火器１５７ａにより点火される。再循環アノード排気中の水素の一部は、拡散燃焼区域１５５ａ内で消費されず、触媒燃焼器要素１５３ａ上で、消費されていない酸素と触媒によって反応して、水を生成する。燃焼器１５１ａからの排気は、直列の次の燃焼器に流入し、この流れの中の水素は、同じように消費され、再循環排気が、全ての燃焼器を通って流れてしまい再度アノード流れ場を通って流れるまで、同じようになる。先の実施態様のように、アノード流れ場排気の再循環ばかりでなく、拡散燃焼および触媒燃焼も、水素がアノード流れ場の中に実質的に残らなくなるまで、継続される。その後、処理過程の最後の処置として、アノード流れ場とカソード流れ場の両方の空気パージを、先に説明した実施態様におけるように、行うことができる。
【００３６】
燃焼処理過程の結果として、再循環気体は、（いくらかの水素ばかりでなく）燃焼器に付加されたどのような未燃焼空気の一部および窒素の一部が、部分的に開となっている弁１７２を通って排出されるとはいえ、窒素に富んだものとなる。停止時のアノード流れ場の中の過剰の窒素は、有害ではないが；最後の空気パージの使用は、過剰の窒素を除去することになる。
【００３７】
いくらかの水素は、この実施態様の停止方法の間にアノード上で触媒によって水に変換される。しかしながら、アノード上で水に変換される水素の量は、燃焼器内で変換される量に比較して少ないので、燃焼器の使用中のカソード流れ場への空気の流れは必要とされず（しかしながら、それは有害ではなく）、空気送風機１４４は、オフのままとすることができる。同じ理由から、オリフィス１８０と弁１８２を介する付加的空気は、燃焼器が作動している間、必要でない。従って、この実施態様では、再循環ループ内に導入される全ての空気は、好ましくは、弁１６２ａ、１６２ｂ、および１６２ｃを通る。燃焼器の使用を伴わない本発明の実施態様ではそうであったように、しかもまさに同じ理由から、主要な付加１４６の接続を解除した後で、かつ、アノード流れ場への燃料の流れを遮断する前に、随意ではあるが好ましい付加的処置をとることができる。この処置は、電池電圧が、大幅に、好ましくは１つの電池につき０．２ボルトまたはそれを下まわる値に、低下されるまで、空気送風機１４４をオフにしたまま補助負荷上で短時間、電池を作動させることである。これは、外部回路内のスイッチ１５６を閉にすることにより行われる。空気送風機１４４は、補助負荷が接続される間は、オフにする必要がある。先のように、補助負荷の印加は、電池電圧およびカソード電位を速やかに低減する。一旦電圧の所望の低減が達成されると、燃焼器１５１ａ、１５１ｂ、および１５１ｃ内での水素の拡散燃焼および触媒燃焼を含む先に説明した処置がとられる。いま一度、補助負荷が、停止処理過程の最後を通して接続されたままになるのは、必要でないが、好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の停止方法に従って作動できる燃料電池装置の概略図。
【図２】始動時および停止時に電池性能の劣化を生じさせ得る機構を説明するのに使用される燃料電池断面の概略図。
【図１】
2004521447.tif 000003
【図２】
2004521447.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2004521447.tif 000005
2004521447.tif 000006
2004521447.tif 000007
2004521447.tif 000008
2004521447.tif 000009
2004521447.tif 000010
2004521447.tif 000011
2004521447.tif 000012
2004521447.tif 000013
2004521447.tif 000014
2004521447.tif 000015
2004521447.tif 000016
2004521447.tif 000017
2004521447.tif 000018
2004521447.tif 000019
2004521447.tif 000020
2004521447.tif 000021
2004521447.tif 000022
2004521447.tif 000023
2004521447.tif 000024
2004521447.tif 000025
2004521447.tif 000026
2004521447.tif 000027
2004521447.tif 000028
2004521447.tif 000029
2004521447.tif 000030
【国際調査報告】
2004521447.tif 000031