(57)【要約】互いに電気的に連通する複数の燃料電池から成るセルスタック組立体（１２）を含む燃料電池電力設備（１０）の作動効率を向上させる方法が提案される。セルスタック組立体は、反応物燃料の流れをそれぞれ受け取りかつ排出する燃料入口マニホールド（２６）および燃料出口マニホールド（２８）を含む。提案された方法は、セルスタック組立体に反応物燃料の流れを供給し、第１の所定の時間、燃料排出マニホールドを密閉し、それによって、反応物燃料の流れがセルスタック組立体から流出するのを防止し、第２の所定の時間、燃料排出マニホールドを開にすることを含む。
2004513485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的に連通する複数の燃料電池から成るセルスタック組立体を含み、このセルスタック組立体が、反応物燃料の流れをそれぞれ受け取りかつ排出する燃料入口マニホールドおよび燃料出口マニホールドを含む、燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法であって、
前記セルスタック組立体に前記反応物燃料の流れを供給し、
第１の所定の時間、前記燃料排出マニホールドを密閉し、それによって、前記反応物燃料の流れが前記セルスタック組立体から流出するのを防止し、
第２の所定の時間、前記燃料排出マニホールドを開にする、
ことを含むことを特徴とする燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項２】
前記反応物燃料の流れを加圧し、
前記第１の所定の時間、前記燃料排出マニホールドを密閉するのに反応物燃料排出弁を使用する、
ことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項３】
前記第１および第２の所定の時間の継続時間を制御するのに制御装置を使用することをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項４】
前記反応物燃料の流れの中の汚染物質のレベルを検出し、
この汚染物質のレベルを前記制御装置へ伝達する、
ことをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項５】
前記燃料出口マニホールド内に存在する窒素汚染のレベルを検出することをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項６】
前記制御装置へ伝達された前記汚染物質のレベルに依存して前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項７】
前記燃料出口マニホールド内に存在する前記汚染物質のレベルが所定の値を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項８】
前記燃料出口マニホールド内に存在する前記汚染物質のレベルが体積で７５％を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項９】
前記燃料出口マニホールド内に存在する窒素のレベルが体積で７５％を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１０】
前記燃料電池組立体のアノードの流れの場の中に存在する前記汚染物質のレベルが体積で７５％を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１１】
前記燃料電池組立体のアノードの流れの場の中に存在する窒素のレベルが体積で７５％を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１２】
水素に富んだ気体状の流れとなるように前記反応物燃料の流れを処方することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１３】
水素ガスとなるように前記反応物燃料の流れを処方することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１４】
前記反応物燃料の流れが、前記セルスタック組立体のアノードの流れの場および前記燃料排出マニホールドの全体の体積とほぼ置き換わるように、前記第２の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１５】
前記反応物燃料の流れが、前記セルスタック組立体の前記燃料入口マニホールドおよび前記燃料排出マニホールドの全体の体積とほぼ置き換わるように、前記第２の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１６】
互いに電気的に連通する複数の平面状の燃料電池を有するセルスタック組立体と、
前記燃料電池のアノードの流れの場と気体連通するとともに、加圧された反応物燃料の供給を受け取る、燃料入口マニホールドと、
前記アノードの流れの場の出口側と気体連通するとともに、前記反応物燃料を選択的に流出させる排出弁を含む、燃料排出マニホールドと、
前記排出弁を作動させる制御装置と、
を含む燃料電池電力設備であって、前記制御装置は、前記燃料電池電力設備の進行作動中に開位置と閉位置との間で交替するように前記排出弁に選択的に命令することを特徴とする燃料電池電力設備。
【請求項１７】
前記燃料電池は、プロトン交換膜を含み、
前記加圧された反応物燃料は、水素に富んだ気体状の流れであることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池電力設備。
【請求項１８】
前記制御装置は、所定の時間、閉じたままとなるように前記燃料排出マニホールドに命令することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池電力設備。
【請求項１９】
前記セルスタック組立体は、前記反応物燃料の流れの中の汚染物質のレベルを検出する検出器を含み、この検出器は、前記制御装置とデータ連通することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池電力設備。
【請求項２０】
前記制御装置は、前記反応物燃料の流れの中の前記汚染物質のレベルが所定のレベルを超えるまで、閉じたままとなるように前記燃料排出マニホールドに命令することを特徴とする請求項１９記載の燃料電池電力設備。
【請求項２１】
前記汚染物質のレベルは、前記燃料排出マニホールドに隣接する前記アノードの流れの場の中に存在する窒素のレベルであることを特徴とする請求項２０記載の燃料電池電力設備。
【請求項２２】
前記汚染物質のレベルは、前記燃料排出マニホールド内に存在する窒素のレベルであることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池電力設備。
【請求項２３】
前記所定のレベルは、体積で前記反応物燃料の流れの約７５％であることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池電力設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、一般に燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法に関し、より詳細には、燃料電池電力設備に反応物の流れを供給し、この反応物の流れの利用率を向上させ、それによって、燃料電池電力設備全体の性能を向上させる方法を扱う。
【０００２】
【背景技術】
電気化学的燃料電池組立体は、アノード電極に供給された水素などの反応物燃料とカソード電極に供給された空気または酸素などの反応物酸化剤との相互作用を通して、これらの電極間に外部電流の流れを生成することで、電気とそれに伴う反応生成物を生成する能力で知られている。燃料電池組立体では、多孔質の導電性シート材料、通常は炭素繊維紙、から形成されたアノード電極とカソード電極の間に配置され、固体高分子電解質またはイオン交換膜からなる電解質が使用できる。この種の燃料電池は、ＰＥＭ型燃料電池として知られている。
【０００３】
燃料電池の作動効率は、燃料電池に供給される燃料の利用率に直接関係している。この利用率は、一般に「水素利用率」と呼ばれており、燃料電池のアノード電極において消費される反応物燃料を燃料電池に供給される反応物燃料の全量で割った割合に１００を掛けたものである。ＰＥＭ型燃料電池電力設備はできる限り１００％の利用率に近づくように設計されるが、これは、実際には実現できない。
【０００４】
ＰＥＭ型燃料電池電力設備は、一体化したセルスタック組立体にカスケードまたは複数の経路による方法を用いて反応物燃料を供給することで作動するのが一般的であり、そこでは、セルスタック組立体内の個々の燃料電池は、２つまたはそれ以上の群に分けられている。反応物燃料は、第１の群の燃料電池へ供給され、その後、燃料出口マニホールドを通ってセルスタック組立体から流出するまで、次の群さらにはその次の群などとカスケードで供給される。このような構成では、個々のカスケード群は、約６０〜７０％の利用率で作動し、実際の水素利用率は、全体のセルスタック組立体に対しては９０％以上もの高さであることが見出されている。しかしながら、燃料電池には多くの異なる流れ配置が使用されてきた。一般にその目的は、燃料電池の各区域が必要な量の燃料を受け取るように、水素の流れを分配することである。電池内で使用されてきた流れ構成は、単一の経路、２つの経路、複数の経路、曲がりくねったもの、交互嵌合したものなどである。セルスタック組立体内の流れの均一性を向上させるために、電池出口と電池入口との間に外部再循環を使用することもある。
【０００５】
しかしながら、特定の状況、例えば、ＰＥＭ型燃料電池電力設備の停止時または始動時には、いくつかのカスケード群は、燃料電池電力設備が所望の電力出力を実現できなくなる程度まで燃料が枯渇することを経験し得る。燃料の枯渇は、燃料の流れが最初のカスケード群から最後のカスケード群までカスケードで供給される間に、瞬間的に燃料の流れが奪われる後の方のカスケード群によって一般に引き起こされる。また、燃料の枯渇は、燃料電池電力設備の進行作動中に、燃料の流れの窒素汚染によって生じることもあり、この窒素は、反応物酸化剤の流れの中に通常存在する。多くの用途では、酸化剤の流れは、窒素成分を含む大気酸素から成り、この窒素成分の一部は、固体高分子ＰＥＭを通って拡散して、水素に富んだ燃料の流れを希釈する。その結果、希釈された水素燃料の流れは、セルスタック組立体のいくつかの区域においては、必要な電流密度を維持するのに適した水素濃度を含有できず、それによって、燃料電池組立体のいくつかの部分でアノード電極が腐食するとともに、破局的な損傷に至る可能性がある。
【０００６】
従来、単一経路構成のためにカスケード構造を除去することが提案されており、そこでは、セルスタック組立体内の各燃料電池には、排気速度を向上させながら共通の供給マニホールドを介して反応物燃料の流れが供給されるが、これでは、水素利用率が、約８０％すなわち大抵の用途では許容できないほど低い効率割合に低下することになる。上述するとともに以下に用いる「排気速度」という用語は、水素燃料の流れが燃料電池またはセルスタック組立体のアノード電極、すなわちアノードの流れの場、から流出する速度を表す。
【０００７】
スペースシャトル計画のためにナサ（ＮＡＳＡ）に供給されたセルスタック組立体に関連して本発明の譲受人により実施されているように、セルスタック組立体の反応物の流れ室を完全にパージすることで、反応物燃料の流れおよび酸化剤の流れの両方の流れの中の不純物に対する懸念に対処することも知られている。容易に理解されるように、ナサ（ＮＡＳＡ）シャトル計画などのために製造されたセルスタック組立体とともに使用される比較的大きなＰＥＭおよび純粋な酸素の流れとは対照的に、相対的に薄いＰＥＭに接触させて不純な酸素の流れから成る酸化剤反応物を利用するセルスタック組立体を取り扱うときは、燃料反応物の流れおよび酸化剤反応物の流れの両方を完全にパージすることは、経済的に不利であり従って不適切である。
【０００８】
従って、上述した問題、懸念を心に留めて、本発明は、燃料電池の反応物燃料の流れの枯渇および過剰な希釈を防止すると同時に、ＰＥＭ型燃料電池電力設備のための水素利用率を向上させるように努める。
【０００９】
【発明の開示】
本発明の一実施態様によれば、互いに電気的に連通する複数の燃料電池から成るセルスタック組立体を含む燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法が提案される。セルスタック組立体は、反応物燃料の流れをそれぞれ受け取りかつ排出する燃料入口マニホールドおよび燃料出口マニホールドを含む。提案された方法は、セルスタック組立体に反応物燃料の流れを供給し、第１の所定の時間、燃料排出マニホールドを密閉し、それによって、反応物燃料の流れがセルスタック組立体から流出するのを防止し、第２の所定の時間、燃料排出マニホールドを開にすることを含む。
【００１０】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明は、一般に、電力設備へ供給される反応物燃料の流れが、通常は水素、Ｈ２の「純粋な」気体状の流れであるＰＥＭ型燃料電池電力設備の作動効率を向上させることに向けらる。容易に理解されるように、本発明の燃料電池電力設備は、燃料電池電力設備を作動させることおよびそれから電気を生成することを可能とするのに必要な構成要素から成り、限定されるものではないが、複数の電気的に一体化された平面状のＰＥＭ型燃料電池を含む、セルスタック組立体と；反応物燃料の流れおよび反応物酸化剤の流れをセルスタック組立体へおよびそこから導く、反応物供給マニホールドおよび反応物出口マニホールドと；作動中に燃料電池の周りに冷媒を循環させる、冷媒通路または冷媒プレートと；冷媒および反応物の流れを制御しかつ清浄にする、さまざまな導管、弁、および汚染除去装置と；燃料電池電力設備の作動温度および反応物の流量を監視し、これらと他の条件の変更を実行し、それによって、燃料電池電力設備をほぼ最適な作動状態に維持する、一体化された制御システムと、を含む。留意されるように、本発明は、純粋Ｈ２燃料を使用するＰＥＭ型燃料電池電力設備に向けられているとはいえ、以下に開示する方法および装置は非ＰＥＭ型燃料電池にも同様に適用できるので、本発明は、この点で限定されない。
【００１１】
セルスタック組立体内の燃料電池に純粋Ｈ２燃料の流れを供給するとき、燃料電池に供給される水素燃料の流れの約９０％以上を利用するのが好ましい。すなわち、セルスタック組立体は全体として約９０％以上の利用率で作動するのが好ましい。これまでは、いずれかのシステム内の反応物燃料の流れが、連続的にしかも可変の排気速度においてセルスタック組立体へ供給される、カスケード化された複数経路システムまたは単一経路システムを用いて、反応物燃料の流れをセルスタック組立体へ供給することが知られていた。しかしながら、これらのシステムは、水素利用率が許容できないレベルであるばかりでなく、反応物燃料の枯渇または希釈による機能低下という影響を周期的に経験する。ＰＥＭ型燃料電池では、反応物燃料の流れが、通常商標名ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮＴＭ）膜などのイオン交換膜を横切って拡散する窒素によって希釈されるのが一般的である。
【００１２】
図１には、同等の電流密度を生成する反応物としてのＨ２および酸素、Ｏ２と比較した、すなわち、同様の体積のＨ２によりセルスタック組立体で生成されるであろう同等量の電流と関連させた、通常のＰＥＭセルスタック組立体の作動中の窒素、Ｎ２の横断拡散が例示される。図１は、約１気圧の反応物圧力に対する、メリーランド州エルクトン（Ｅｌｋｔｏｎ）のＷ．Ｌ．ゴア社（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ　Ｃｏ．）により供給された１５ミクロン厚みのプロトン交換膜を含む０．４平方フィートの燃料電池を示す。図１に示すように、温度上昇によるセルスタック組立体内の水蒸気増加が、セルスタック組立体内のＮ２分圧の低下に対応し、Ｎ２透過の増加を上回るので、Ｎ２の横断拡散は、約６０℃において最高になるのが理解される。留意されるように、図１のグラフは、一定の排気速度を有する反応物燃料をセルスタック組立体へ供給する既存の方法を用いるＮ２の横断拡散を例示する。
【００１３】
図２は、１００アンペア毎平方フィートでのさまざまな温度および水素利用率における作動において得られたＮ２濃度を例示する。アノードの流れの場の排気における窒素モル分率は、６０〜７０℃の温度における９５％の水素利用率において、約４５％である。
【００１４】
従って、本発明は、燃料電池電力設備のセルスタック組立体の水素利用率も向上させながら、図１の例によって示すように、Ｎ２の横断拡散の影響を、許容できるレベルに低減するように努める。これらの目的を実現するために、本発明は、離散的な排気速度を用いてセルスタック組立体へ反応物燃料の流れを供給することを提案する。すなわち、本発明は、既存システムの大部分で現在使用されている一定排気速度方法ではなく、排出パージ−パルス方法を用いて、セルスタック組立体へ反応物燃料の流れを供給するものである。
【００１５】
セルスタック組立体を「一端を閉じ（ｄｅａｄ−ｅｎｄ）」て作動させる時間により分離された離散的なパルスの反応物の流れを燃料電池組立体へ供給することによって、許容できる燃料特性を維持しながら、高い利用率でセルスタック組立体を作動できることが発見された。上述するとともに以下に用いる「一端を閉じる」という用語は、燃料出口マニホールドが密閉されている時間、セルスタック組立体を作動させることを表す。
【００１６】
図３は、本発明の一実施態様による燃料電池電力設備１０の基本構成要素を例示するブロック図である。明確にするために、セルスタック組立体１２を単一の燃料電池組立体として示しているが、燃料電池電力設備１０は、互いに電気的に連通する複数の平面状の燃料電池組立体から通常構成されることは、理解されるであろう。図３に示すように、セルスタック組立体１２は、アノード電極１４、カソード電極１６、これらの間に配置されたＰＥＭ電解質１８、冷媒プレート２０を含む。
【００１７】
燃料電池電力設備１０の基本構成要素および機能、およびそれらの補助装置は、十分によく知られているが、燃料電池電力設備１０の明確に区別できる特徴は、燃料の流れの制御システムおよびその作動モードに関する。本発明によれば、燃料の流れの制御システムは、加圧された水素供給源２２、燃料圧力調整器２４、燃料入口マニホールド２６、アノード側面１４に一体化されたアノードの流れの場、燃料出口マニホールド２８、燃料排出排気弁３０、排気弁制御装置３２を含み、さらに随意に、セルスタック組立体１２内に配置された気体濃度検出器３４を含む。弁排気制御装置は、時間を設定した予定（ｓｃｈｅｄｕｌｅ）に基づいて、燃料電池電力設備１０への電流負荷予定が掛け合わされた平均時間に基づいて、あるいは、検出器３４により検出された窒素濃度予定に関連して、作動するように構成できる。燃料電池電力設備は、燃料再循環ループおよび送風器３６も含み得る。酸化剤供給源３８が、酸化剤送風機４０などにより燃料電池スタック１２へ導入され、一方、冷媒ポンプ４２および冷媒圧力弁４４が、冷媒プレート２０と連通する冷媒ループの熱交換器４６を通して冷媒を循環させるように機能する。
【００１８】
本発明のセルスタック組立体１２を所定の時間、一端を閉じて作動させた後に、Ｎ２は、アノードの流れの場の出口付近ばかりでなくセルスタック組立体１２の出口マニホールド３４内に集中し始める。従って、最適な作動に必要なことは、セルスタック組立体が一端を閉じて作動されない時間、セルスタック組立体１２へ供給される連続した各パルスの反応物燃料が、出口マニホールド３４およびアノード電極の流れの場の全ての全体をパージするのに十分な体積に確実になるようにすることだけである。
【００１９】
セルスタック組立体内の個々の燃料電池の機能を低下させる枯渇を防止するために、反応物燃料の流れの平均窒素濃度を体積で２５％にほぼ等しいレベルに維持することが重要である。また、同じ理由から、アノードの流れの場の出口における出口窒素濃度を体積で７５％未満に維持することが重要である。通常のセルスタック組立体では、セルスタック組立体は、２５％の平均窒素汚染を超えずに、約２０秒間以上の間、一端を閉じて作動できることが示された。
【００２０】
次に続く図４、図５は、ほぼ大気圧において作動する１５ミクロン厚みの商標名ゴア（ＧｏｒｅＴＭ）ＰＥＭを用いて作動する燃料電池組立体に基づいている。ＰＥＭを横切る窒素の拡散速度は、特定の燃料電池組立体構成に依存し、さらに、ＰＥＭの厚み、燃料電池電力設備全体の作動温度、作動圧力を含む重要な条件に依存するものである。同様に、時間またはパージ間隔は、アノードの流れの場の出口における一般に体積で約７５％以下の窒素濃度を含む基準によって設定される。実際には、実際のパージ間隔は、実験によって、または当業者に確認できる技術による特定のセルスタック組立体構成の解析によって、具体的に設定される。上述したように、バージ体積は、燃料反応物マニホールド２８およびアノードの流れの場の全体の開体積に等しくなるように設定される。
【００２１】
図４は、異なる作動温度において、アノード排出／燃料出口マニホールドの体積の２５％がＮ２で満たされる観測された時間を示す。容易に理解されるように、約２０秒間の時間を上述したが、使用するセルスタック組立体の特定の大きさ、製造、および作動に依存して、代替の時間をこれに置き換えることができるので、本発明は、この点で限定されない。
【００２２】
図４に示したグラフは、反応物燃料の流れのパージパルス間の好ましい時間が、約１００ａｓｆという相対的に低電力で作動するセルスタック組立体に対して約２２秒間であることを示しており、一方、図５は、さまざまな作動電流密度においてパージパルスの継続時間に比較した平均水素利用率を例示する。図５において理解できるように、有効利用率は、ほとんどセルスタック組立体の排気速度から独立しており、排気される全体の体積は、図５の測定全てに対して一定と見なされる。また、図５から明らかなように、必要とされるパージパルス継続時間は、セルスタック組立体の排気速度とは逆に変化し、セルスタック組立体が約１００ａｓｆで作動しているときに実現可能な最も高い利用率は、約９０％であり、一方、９５％以上の利用率は、約２００ａｓｆまたはそれ以上において実現可能である。
【００２３】
上述したように、「排気速度」という用語は、反応物燃料の流れがセルスタック組立体または燃料電池のアノードの流れの場から流出している速度である。従って、図５に関連して、「同等の排気速度」は、この速度で連続的に流れたならば、上述したように所定量の最大電流密度を可能とするであろう反応物燃料の流れが、セルスタック組立体を通って周期的に脈動する速度の単位である。「同等の排気速度」は、「パージ速度」とも呼ぶことができる。この文脈では、ここに開示したパルスパージ作動方法を用いるどのようなＰＥＭセルスタック組立体に対しても必要とされるパージ速度は、セルスタック組立体の最大作動負荷において約８０％の最大水素利用率が得られる速度に等しい。例として、６００ａｓｆの最大電流密度において作動するセルスタック組立体に対しては、パージ速度は、約１．８秒間の継続時間で適用された１５０ａｓｆの水素消費にほぼ等しくなるであろう。
【００２４】
図６は、本発明の一実施態様による燃料電池電力設備１０全体の一部としてのセルスタック組立体１２に対する１つの作動モードを例示する。図６に示すように、作動サイクル１００は、ステップ１２０において運転者が手動でまたは自動で燃料電池電力設備の始動過程を開始させると始まる。パージパルスは、好ましくは純粋な水素ガス、Ｈ２の流れがセルスタック組立体へ供給されるステップ１３０において開始される。上述したように、このパージパルスの継続時間は、使用する燃料電池電力設備の具体的な種類ばかりでなく、燃料電池電力設備のセルスタック組立体が作動されている電流密度およびパージパルスのパージ速度に依存する。従って、パージ時間は、上述したように通常のセルスタック組立体に対して約０．５秒間から約２．５秒間の間になり得る。
【００２５】
作動サイクル１００のステップ１４０は、セルスタック組立体１２の燃料排出排気弁３０を密閉することによりＨ２のバージパルスを遮断することを含み、それによって、セルスタック組立体１２は、所定の時間、一端を閉じて作動できる。なお、ステップ１４０における一端を閉じた作動の継続時間、すなわち、連続したパージパルス間の時間は、使用する燃料電池電力設備の具体的な種類、および燃料電池電力設備のセルスタック組立体が作動される電流密度に従って設定できる。通常のＰＥＭセルスタック組立体では、一端を閉じた作動の継続時間は、約２０秒間とすることができる。一端を閉じた作動の時間の最後に燃料排出排気弁３０を開にし、作動サイクルは、ステップ１３０に戻り、再びパージパルスを開始させ、それによって、セルスタック組立体に新鮮なＨ２燃料の流れを導入する。従って、容易に理解されるように、連続した各パージパルスは、上述したようにそれまで測定量のＮ２で通常は汚染されている、大部分が消費されたＨ２燃料の流れを立ち退かせることができる。
【００２６】
このように、図６に示した作動サイクル１００に従って、燃料電池電力設備は、設定されたパージパルス予定に基づいて作動でき、それによって、反応物燃料の流れが、機能を低下させる量のＮ２で確実に汚染されないようにしながら、セルスタック組立体の水素利用率を約９５％を超えるレベルに引き上げる。しかしながら、一端を閉じた作動の継続時間がセルスタック組立体１２からのフィードバックにより動的に制御される作動サイクルを利用できるので、本発明は、この点で限定されない。
【００２７】
図７に示すように、作動サイクル２００は、ステップ２２０において運転者が手動でまたは自動で燃料電池電力設備１０の始動過程を開始させると始まる。パージパルスは、好ましくは純粋な水素ガス、Ｈ２の流れがセルスタック組立体１２へ供給されるステップ２３０において開始される。上述したように、このパージパルスの継続時間は、使用する燃料電池電力設備の具体的な種類ばかりでなく、燃料電池電力設備のセルスタック組立体が作動されている電流密度およびパージパルスのパージ速度に依存する。従って、パージ時間は、通常のＰＥＭセルスタック組立体に対して約０．５秒間から約２．５秒間の間になり得る。
【００２８】
作動サイクル２００のステップ２４０は、セルスタック組立体１２の燃料排出排気弁３０を密閉することによりＨ２のバージパルスを遮断することを含み、それによって、セルスタック組立体１２は、所定の時間、一端を閉じて作動できる。図６に示した実施態様とは対照的に、ステップ２４０における一端を閉じた作動、すなわち、連続したパージパルス間の時間は、許容できないレベルのＮ２が検出器３４などによって燃料排出マニホールド内で検出されるまで継続する。
【００２９】
ステップ２５０は、セルスタック組立体１２の燃料出口マニホールド２８内またはそれに隣接したＮ２レベルを監視する、作動サイクル２００のそのような部分を例示する。検討したように、検出器３４は、Ｎ２レベルを検出しかつこの検出したレベルを制御装置３２へ伝達するために、燃料出口マニホールド２８内またはそれに隣接して配置できる。検出されたＮ２のレベルが所定のレベルより下にとどまる限り、制御装置３２は、作動サイクル２００が燃料電池電力設備１０を一端を閉じて作動させるのを、継続させることになる。所定のレベルを超えるＮ２レベルを検出すると、燃料排出排気弁３０を開にすることになり、同時に、作動サイクルは、ステップ２３０に戻り、再びパージパルスを開始させ、それによって、セルスタック組立体に新鮮なＨ２燃料の流れを導入する。
【００３０】
このように、図７に示した作動サイクル２００に従って、燃料電池電力設備は、燃料電池電力設備を一端を閉じて作動させる可変継続時間が、実際に検出されたＮ２のレベルに従って適合できるという、動的パージパルス予定に基づいて作動できる。その結果、図７の作動サイクル２００は、反応物燃料の流れが、機能を低下させる量のＮ２で確実に汚染されないようにもしながら、セルスタック組立体の水素利用率を約９５％を超えるレベルに引き上げる。
【００３１】
図６、図７の各作動サイクル１００、２００はそれぞれ、セルスタック組立体への反応物燃料のカスケード化されていない単一経路供給を用いており、それによって、燃料電池電力設備全体の構造上の複雑さが低減される。また、この方法によって、反応物燃料の流れが、セルスタック組立体内の各燃料電池へほぼ同じ濃度で供給されるので、燃料電池の燃料枯渇も効果的に防止できる。しかしながら、本発明のより広い態様から逸脱せずに、反応物の流れを供給するのに複数の経路のカスケード方法を用いるセルスタック組立体に、同様の燃料パージパルス構造を組み込むことも考慮されているので、本発明は、この点で限定されない。
【００３２】
上述した開示および図面を組み合わせて理解できるように、本発明は、燃料電池電力設備に離散的なパルスの反応物燃料が供給され、それによって、水素利用率を向上させるとともに、燃料の汚染または希釈による燃料電池電力設備の破局的な故障が生じるのを実質的に抑えるという、これまでは知られていなかった反応物燃料の供給方法を用いる。これらの特性の全てが、燃料電池電力設備全体の効率的な作動に寄与し、高い性能、信頼性、エネルギー効率が必要とされるモータ輸送装置推進などの適用に特に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ＰＥＭ型燃料電池内のイオン交換膜を横断する反応物および汚染物質の典型的な拡散速度を例示するグラフ。
【図２】
さまざまな温度および水素利用率におけるＰＥＭ型燃料電池内の窒素濃度を例示するグラフ。
【図３】
本発明の一実施態様による反応物供給方法を組み込んだ燃料電池電力設備を例示する概略図。
【図４】
図３の燃料電池電力設備内で使用されるようなＰＥＭ型燃料電池内の反応物燃料の流れが窒素により汚染される概略速度を例示するグラフ。
【図５】
本発明の一実施態様による水素利用率、パージ時間、排気速度の間の相互関係を例示するグラフ。
【図６】
本発明の一実施態様によるＰＥＭ型燃料電池電力設備の作動のための流れ図。
【図７】
本発明の別の実施態様によるＰＥＭ型燃料電池電力設備の作動のための流れ図。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年9月16日(2002.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記反応物燃料の流れを加圧し、
前記第１の所定の時間、前記燃料排出マニホールドを密閉するのに反応物燃料排出弁を使用する、
ことをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項２】
前記第１および第２の所定の時間の継続時間を制御するのに制御装置を使用することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項３】
互いに電気的に連通する複数の燃料電池から成るセルスタック組立体を含み、このセルスタック組立体が、反応物の流れをそれぞれ受け取りかつ排出する燃料入口マニホールドおよび燃料排出マニホールドを含む、燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法であって、
前記セルスタック組立体に前記反応物燃料の流れを供給し、
第１の所定の時間、前記燃料排出マニホールドを密閉し、それによって、前記反応物燃料の流れが前記セルスタック組立体から流出するのを防止し、
第２の所定の時間、前記燃料排出マニホールドを開にし、
前記反応物燃料の流れの中の汚染物質のレベルを検出し、
この検出された汚染物質に従って、前記第１および第２の所定の時間の継続時間を決定する、
ことを含むことを特徴とする燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項４】
前記燃料出口マニホールド内に存在する窒素汚染のレベルを検出することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項５】
前記制御装置へ伝達された前記汚染物質のレベルに依存して前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項６】
前記燃料排出マニホールド内に存在する前記汚染物質のレベルが所定の値を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項７】
前記燃料排出マニホールド内に存在する前記汚染物質のレベルが体積で７５％を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項８】
前記燃料出口マニホールド内に存在する窒素のレベルが体積で７５％を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項９】
前記燃料電池組立体のアノードの流れの場の中に存在する前記汚染物質のレベルが体積で７５％を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１０】
前記燃料電池組立体のアノードの流れの場の中に存在する窒素のレベルが体積で７５％を超えたときに、終了するように前記第１の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１１】
水素に富んだ気体状の流れとなるように前記反応物燃料の流れを処方することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１２】
水素ガスとなるように前記反応物燃料の流れを処方することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１３】
前記反応物燃料の流れが、前記セルスタック組立体のアノードの流れの場および前記燃料排出マニホールドの全体の体積とほぼ置き換わるように、前記第２の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１４】
前記反応物燃料の流れが、前記セルスタック組立体の前記燃料入口マニホールドおよび前記燃料排出マニホールドの全体の体積とほぼ置き換わるように、前記第２の所定の時間を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池電力設備の作動効率を向上させる方法。
【請求項１５】
互いに電気的に連通するとともにプロトン交換膜を含む複数の平面状の燃料電池を有するセルスタック組立体と、
前記燃料電池のアノードの流れの場と気体連通するとともに、水素に富んだ気体状の流れである加圧された反応物燃料の供給を受け取る、燃料入口マニホールドと、
前記アノードの流れの場の出口側と気体連通するとともに、前記反応物燃料を選択的に流出させる排出弁を含む、燃料排出マニホールドと、
前記排出弁を作動させる制御装置と、
を含む燃料電池電力設備であって、前記制御装置は、前記燃料電池電力設備の進行作動中に開位置と閉位置との間で交替するように前記排出弁に選択的に命令することを特徴とする燃料電池電力設備。
【請求項１６】
前記制御装置は、所定の時間、閉じたままとなるように前記燃料排出マニホールドに命令することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池電力設備。
【請求項１７】
前記セルスタック組立体は、前記反応物燃料の中の汚染物質のレベルを検出する検出器を含み、この検出器は、前記制御装置とデータ連通することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池電力設備。
【請求項１８】
前記制御装置は、前記反応物燃料の流れの中の前記汚染物質のレベルが所定のレベルを超えるまで、閉じたままとなるように前記燃料排出マニホールドに命令することを特徴とする請求項１７記載の燃料電池電力設備。
【請求項１９】
前記汚染物質のレベルは、前記燃料排出マニホールドに隣接する前記アノードの流れの場の中に存在する窒素のレベルであることを特徴とする請求項１８記載の燃料電池電力設備。
【請求項２０】
前記汚染物質のレベルは、前記燃料排出マニホールド内に存在する窒素のレベルであることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池電力設備。
【請求項２１】
前記所定のレベルは、体積で前記反応物燃料の流れの約７５％であることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池電力設備。
【国際調査報告】
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