(57)【要約】  本開示は、酸素欠乏空気を生成するための燃料電池システムである。燃料電池システムは、アノード、カソード、予備アノードとカソードとの間の電解質を有する燃料電池を含んでよい。カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されていてよい。燃料電池システムは、酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第１のシグナルを生成するように設計されたセンサーと、該センサーおよび燃料電池と連通する制御器とをさらに含んでよい。制御器は、第１のシグナルに基づいて、酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出し、酸素欠乏空気流中の水素の存在の検出に応答して、燃料電池の電流密度により、カソードへの空気流の流速を選択的に減少及び／又は増加させるように設計されてよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード、カソード、および該アノードと該カソードとの間に位置する電解質を有し、該カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されている、燃料電池、
該酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第１のシグナルを生成するように設計されたセンサー、及び
該センサーおよび該燃料電池と連通する制御器、
を含み、該制御器は、
第１のシグナルに基づいて、該酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出し、
該酸素欠乏空気流中の水素の存在の検出に応答して、該燃料電池の電流密度により、該カソードへの空気流の流速を選択的に減少および／または増加させる
ように設計されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器が、前記カソードへの空気流の流速を調節することによって、前記酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を調節するように設計されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器が、前記燃料電池の電流密度を調節することによって、前記酸素欠乏空気流の体積流量を調節するように設計されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器が、前記酸素欠乏空気流中で水素の存在が検出されるまで電流密度を増加させることによって、前記燃料電池の電流密度の最大値を決定するように設計されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器が、前記酸素欠乏空気流中で水素の存在が検出されるまで前記カソードへの空気流の流速を減少させることによって、前記流速の最小値を決定するように設計されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の電圧値を示す第２のシグナルを生成するように設計された検出器をさらに含み、該検出器は、前記制御器と連通している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御器が、前記燃料電池の電流密度を調節して、前記燃料電池もしくは複数の燃料電池または燃料電池スタックの電圧値が最小の設定値より高い状態を保つように設計されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器が、前記カソードへの空気流の流速を調節して、前記燃料電池の電圧値が最小の設定値より高い状態を保つように設計されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御器が、前記燃料電池の電流密度および前記カソードへの空気流の流速を調節して、前記燃料電池の電圧値が最小の設定値より高い状態を保つように設計されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電解質が、プロトン交換膜であり、水素の存在が、該プロトン交換膜における穴の形成を示す、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記酸素欠乏空気流が、消火システムに供される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御器がＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Derivative control）、適応制御（adaptive control）、最適制御、モデル予測制御、非線形制御、および知的制御の少なくとも１つを利用するフィードバック制御スキームを実行するように設計されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御器が、第１のシグナルに基づいて、前記燃料電池の乾燥を適応的に（adaptively）調節するように設計されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
スタック状に並べられた複数の前記燃料電池をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
酸素欠乏空気流を生成する方法であって、
燃料電池のカソードに空気流を供給し、該空気流は、燃料電池での電気化学反応によって、酸素欠乏空気流に変換される工程、
該カソードから排出された該酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出する工程、および
該酸素欠乏空気流中の検出された水素の存在に基づいて、該燃料電池の電流密度および／または該カソードへの空気流の流速を制御する工程
を含む、上記方法。
【請求項１６】
前記カソードへの空気流の流速を制御することによって、前記酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を制御する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池の電流密度を制御することによって、前記酸素欠乏空気流の体積流量を制御する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸素欠乏空気流中で水素の存在が検出されるまで電流密度を増加させることによって、前記燃料電池の電流密度の最大値を決定する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸素欠乏空気流中で水素の存在が検出されるまで前記カソードへの空気流の流速を減少させることによって、前記流速の最小値を決定する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料電池の電圧値を検出する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料電池の電流密度を調節して、前記電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記カソードへの空気流の流速を調節して、前記電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記燃料電池の電流密度および前記空気流の流速を調節して、前記電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料電池の電解質が、プロトン交換膜であり、水素の存在が、該プロトン交換膜における穴の形成を示す、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記酸素欠乏空気流を、消火システムに供する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Derivative control）、適応制御（adaptive control）、最適制御、モデル予測制御、非線形制御、および知的制御の少なくとも１つを利用するフィードバック制御スキームを実行することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
検出された水素の存在に基づいて、前記燃料電池の乾燥を適応的に（adaptively）調節する工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
アノード、カソード、および該アノードと該カソードとの間に位置する電解質を有し、該カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されている、燃料電池、
該燃料電池の電圧値を示す第１のシグナルを生成するように設計された検出器、及び
該検出器および該燃料電池と連通する制御器、
を含み、該制御器は、
第１のシグナルに基づいて、該燃料電池の電圧値を測定し、
該電圧値に応答して、該燃料電池の電流密度および／または該カソードへの空気流の流速を選択的に調節する
ように設計されている、燃料電池システム。
【請求項２９】
前記制御器が、前記カソードへの空気流の流速を調節することによって、前記酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を調節するように設計されている、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記制御器が、前記燃料電池の電流密度を調節することによって、前記酸素欠乏空気流の体積流量を調節するように設計されている、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
前記制御器が、前記燃料電池の電流密度を調節することによって、前記燃料電池の電圧値を最小の設定値より高く調節するように設計されている、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３２】
前記制御器が、前記カソードへの空気流の流速を調節することによって、前記燃料電池の電圧値を最小の設定値より高く調節するように設計されている、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記制御器が、前記燃料電池の電流密度および前記カソードへの空気流の流速を調節することによって、前記燃料電池の電圧値を最小の設定値より高く調節するように設計されている、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３４】
前記酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第２のシグナルを生成するように設計されたセンサーをさらに含み、該センサーは、前記制御器と連通している、請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３５】
前記制御器が、
第２のシグナルに基づいて、前記酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出し、
前記酸素欠乏空気流中の水素の存在の検出に応答して、前記燃料電池の電流密度により、前記カソードへの空気流の流速を選択的に減少および／または増加させる
ように設計されている、請求項３４に記載の燃料電池システム。
【請求項３６】
酸素欠乏空気流を生成する方法であって、
燃料電池のカソードに空気流を供給し、該空気流は、該燃料電池での電気化学反応によって、酸素欠乏空気流に変換される工程、
該燃料電池の電圧値を検出する工程、および
検出された電圧値に基づいて、該燃料電池の電流密度および／または該カソードへの空気流の流速を制御する工程
を含む、上記方法。
【請求項３７】
前記カソードへの空気流の流速を制御することによって、前記酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を制御する工程をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記燃料電池の電流密度を制御することによって、前記酸素欠乏空気流の体積流量を制御する工程をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記燃料電池の電流密度を調節して、前記電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記カソードへの空気流の流速を調節して、前記電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記燃料電池の電流密度および前記カソードへの空気流の流速を調節して、前記電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
前記燃料電池の電圧値が最小の閾値より低いとき、前記酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第２のシグナルを感知する工程をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
第２のシグナルに基づいて、前記酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出する工程、および
前記酸素欠乏空気流中の検出された水素の存在に基づいて、前記燃料電池の電流密度および／または前記カソードへの空気流の流速を制御する工程
をさらに含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
アノード、カソード、および該アノードと該カソードとの間に位置する電解質を有し、該カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されている燃料電池、
該燃料電池の電圧値を示す第１のシグナルを生成するように設計された検出器、
該酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第２のシグナルを生成するように設計されたセンサー、および
該検出器、該センサー、および該燃料電池と連通する制御器、
を含み、該制御器は、
第１のシグナルに基づいて、該燃料電池の電圧値を測定し、
該電圧値に応答して、該燃料電池の電流密度および／または該カソードへの空気流の流速を選択的に調節し、
第２のシグナルに基づいて、該酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出し、
該酸素欠乏空気流中の水素の存在の検出に応答して、該燃料電池の電流密度により、該カソードへの空気流の流速を選択的に減少および／または増加させる
ように設計されている、燃料電池システム。
【請求項４５】
酸素欠乏空気流を生成する方法であって、
燃料電池のカソードに空気流を供給し、該空気流は、該燃料電池での電気化学反応によって、酸素欠乏空気流に変換される工程、
該燃料電池の電圧値を検出する工程、
該燃料電池の検出された電圧値に基づいて、該燃料電池の電流密度および／または該カソードへの空気流の流速を制御する工程、
検出された電圧値が最小の閾値より低いとき、該カソードから排出された該酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出する工程、および
該酸素欠乏空気流中の検出された水素の存在に基づいて、該燃料電池の電流密度および／または該カソードへの空気流の流速を制御する工程
を含む、上記方法。
【請求項４６】
アノード、カソード、および該アノードと該カソードとの間に位置する電解質を有し、該カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されている燃料電池、
該酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を示す第１のシグナルを生成するように設計されたセンサー、および
該センサーおよび該燃料電池と連通する制御器、
を含み、該制御器は、該燃料電池の電流密度および／または該カソードへの空気流の流速を調節することによって、該酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を調節するように設計されている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、参照によりその全体が開示に組み入れられる２０１５年７月１３日付けで出願された米国仮出願第６２／１９１，９８８号の利益を主張する。
[002]本発明の開示は、酸素欠乏空気の生成、より具体的には、燃料電池システムによる酸素欠乏空気の生成に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
[003]燃料電池は、通常、電気化学セルまたは電解セルとして分類され、化学反応により電流を生成したり、または電流の流れを使用して化学反応を誘発するために使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化体（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気と、熱および水である廃棄物とに変換する。基礎的な燃料電池は、負に帯電したアノード、正に帯電したカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
【０００３】
[004]様々な燃料電池技術が様々な電解質材料を利用している。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質としてポリマー性のイオン伝導性膜を利用する。水素ＰＥＭ燃料電池において、水素原子は、アノードで電気化学的に電子およびプロトン（水素イオン）に分かれることができる。電子は、回路を通ってカソードに流れ、電気を発生させ、一方でプロトンは、電解質膜を通ってカソードに拡散する。カソードでは、プロトンは、カソードに供給された電子および酸素と反応して、水および熱を生産することができる。
【０００４】
[005]水素ＰＥＭ燃料電池のアノードおよびカソードで起こる反応は、以下に示すような化学方程式として表すことができる。
アノードの酸化反応：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソードの還元反応：４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
全体の電気化学反応：２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ。
【０００５】
[006]水素ＰＥＭ燃料電池は、酸素欠乏空気を生成するのに使用することができる。空気流が酸化剤としてカソードに供給される場合、空気流中の酸素は、上記の化学方程式で示されるように、カソードにおける電気化学反応によって消費される。したがって、カソードから排出された出力空気流中の酸素の量は、カソードに供給された空気流中の酸素の量と比較して、低減される。したがって、カソードから排出された酸性物である空気流は、酸素欠乏空気流である。酸素欠乏空気流は、様々な用途に利用することができる。例えば、酸素欠乏空気は、消火のため、人工物および物体の酸化もしくは分解の遅延のため、または食物の劣化を防ぐためのシステムに供給することができる。消火するために酸素欠乏空気を利用する用途は、酸素欠乏空気を、閉鎖された環境、例えば航空機の荷物室、建築物、電子機器を備えた部屋（例えばサーバー、データセンター）、大きい倉庫、または文書格納室などの中に循環させることができる様々な状況に見出すことができる。
【０００６】
[007]燃料電池から生成した酸素欠乏空気を使用して火炎を鎮静したりまたは消したりするために、酸素欠乏空気中の酸素の量を最小に低減して、燃焼に利用可能な酸化剤の量を低減することが最適である。燃料電池の設計および水分管理の問題のために、燃料電池のカソードに供給される空気流中の酸素は、電気化学反応によって消費される酸素を上回ると予想される。したがって、カソードから排出された酸素欠乏空気流中に未消費の酸素の量が残るが、酸素欠乏空気流中に残存する酸素の量を低減するには、カソードに供給される過量の酸素を最小にすることが望ましい。
【０００７】
[008]また、限定的な期間で燃料電池から所定体積の酸素欠乏空気を生成できることも望ましい。典型的には、カソードから排出された酸素欠乏空気の体積流量は、燃料電池の電流密度が増加するにつれて増加する。したがって、限定的な期間で燃料電池における電気化学反応から生成する酸素欠乏空気の体積を増加させるために、燃料電池の電流密度を最大に増加させることが望ましい。
【０００８】
[009]高い体積流量で燃料電池から高品質の酸素欠乏空気（例えば、最小の酸素含量）を生成するために、カソードに最小の空気流速を供給し、最高の電流密度で燃料電池を作動させることが望ましい。例えばこれらの極端な条件下で燃料電池またはスタック状に配された燃料電池を作動させるための１つの課題は、酸素の欠如による燃料電池の電圧の減少である。燃料電池の電圧の減少は、時には水素ポンプとも称される電気化学的な力の下でのアノードからカソードへの水素輸送を引き起こす可能性がある。水素ガスは、極めて可燃性が高いことから、消火に使用される場合、酸素欠乏空気中に存在することは好適ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
[010]それゆえに、カソードから確実に且つ一貫して酸素欠乏空気を生成し、カソードの産生物である空気流中の水素の存在を制限および／または抑止する、改善された燃料電池システムおよびシステムを制御する方法への必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[011]上述の状況を考慮すると、本発明の開示は、酸素欠乏空気を生成するための燃料電池システムおよびシステムを制御する方法に向けられる。
[012]一形態において、本発明の開示は、燃料電池システムに向けられる。燃料電池システムは、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置する電解質を有する燃料電池を包含していてもよい。カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されていてもよい。燃料電池システムはまた、酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第１のシグナルを生成するように設計されたセンサーと、該センサーおよび燃料電池と連通する制御器とを包含していてもよい。制御器は、第１のシグナルに基づいて、酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出し、酸素欠乏空気流中の水素の存在の検出に応答して、燃料電池の電流密度により、カソードへの空気流の流速を選択的に減少および／または増加させるように設計されていてもよい。制御器はまた、カソードへの空気流の流速を調節することによって、酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を調節するように設計されていてもよい。制御器は、さらに、燃料電池の電流密度を調節することによって、酸素欠乏空気流の体積流量を調節するように設計されていてもよい。制御器は、酸素欠乏空気流中で水素の存在が検出されるまで電流密度を増加させることによって、燃料電池の電流密度の最大値を決定するように設計されていてもよい。制御器は、酸素欠乏空気流中で水素の存在が検出されるまでカソードへの空気流の流速を減少させることによって、前記流速の最小値を決定するように設計されていてもよい。燃料電池システムは、燃料電池の電圧値を示す第２のシグナルを生成するように設計された検出器をさらに包含していてもよい。検出器は、制御器と連通していてもよい。制御器は、燃料電池の電流密度を調節して、燃料電池もしくは複数の燃料電池または燃料電池スタックの電圧値が最小の設定値より高い状態を保つように設計されていてもよい。制御器は、カソードへの空気流の流速を調節して、燃料電池の電圧値が最小の設定値より高い状態を保つように設計されていてもよい。制御器はまた、燃料電池の電流密度およびカソードへの空気流の流速を調節して、燃料電池の電圧値が最小の設定値より高い状態を保つように設計されていてもよい。電解質は、プロトン交換膜であってもよく、水素の存在は、プロトン交換膜における穴の形成を示し得る。酸素欠乏空気流は、消火システムに供給されてもよい。制御器はＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Derivative control）、適応制御（adaptive control）、最適制御、モデル予測制御、非線形制御、および知的制御の少なくとも１つを利用するフィードバック制御スキームを実行するように設計されていてもよい。制御器はさらに、第１のシグナルに基づいて、燃料電池の乾燥を適応的に（adaptively）調節するように設計されていてもよい。燃料電池システムは、複数のスタック状に配された燃料電池を包含していてもよい。
【００１１】
[013]別の形態において、本発明の開示は、酸素欠乏空気流を生成する方法に向けられる。本方法は、燃料電池のカソードに空気流を供給する工程を包含していてもよい。空気流は、燃料電池での電気化学反応によって、酸素欠乏空気流に変換されてもよい。本方法はまた、カソードから排出された酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出する工程を包含していてもよい。本方法は、酸素欠乏空気流中の検出された水素の存在に基づいて、燃料電池の電流密度および／またはカソードへの空気流の流速を制御する工程をさらに包含していてもよい。本方法は、カソードへの空気流の流速を制御することによって、酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を制御する工程を包含していてもよい。本方法は、燃料電池の電流密度を制御することによって、酸素欠乏空気流の体積流量を制御する工程を包含していてもよい。本方法は、酸素欠乏空気流中で水素の存在が検出されるまで電流密度を増加させることによって、燃料電池の電流密度の最大値を決定する工程をさらに包含していてもよい。本方法は、酸素欠乏空気流中で水素の存在が検出されるまでカソードへの空気流の流速を減少させることによって、前記流速の最小値を決定することをさらに包含していてもよい。本方法はまた、燃料電池の電圧値を検出する工程を包含していてもよい。本方法は、燃料電池の電流密度を調節して、電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程を包含していてもよい。本方法は、カソードへの空気流の流速を調節して、電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程を包含していてもよい。本方法は、燃料電池の電流密度および空気流の流速を調節して、電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程を包含していてもよい。本方法は、酸素欠乏空気流を、消火システムに供給する工程を包含していてもよい。本方法は、（Proportional-Integral-Derivative control）、適応制御（adaptive control）、最適制御、モデル予測制御、非線形制御、および知的制御の少なくとも１つを利用するフィードバック制御スキームを実行することを包含していてもよい。本方法は、検出された水素の存在に基づいて、燃料電池の乾燥を適応的に（adaptively）調節する工程を包含していてもよい。
【００１２】
[014]別の形態において、本発明の開示は、燃料電池システムに向けられる。燃料電池システムは、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置する電解質を有する燃料電池を包含していてもよく、カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されている。燃料電池システムはまた、燃料電池の電圧値を示す第１のシグナルを生成するように設計された検出器と、検出器および燃料電池と連通する制御器とを包含していてもよい。制御器は、第１のシグナルに基づいて、燃料電池の電圧値を測定し、電圧値に応答して、燃料電池の電流密度および／またはカソードへの空気流の流速を選択的に調節するように設計されていてもよい。制御器はまた、カソードへの空気流の流速を調節することによって酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を調節するように設計されていてもよい。制御器はまた、燃料電池の電流密度を調節することによって、酸素欠乏空気流の体積流量を調節するように設計されていてもよい。制御器は、燃料電池の電流密度を調節することによって、燃料電池の電圧値を最小の設定値より高く調節するようにさらに設計されていてもよい。制御器は、カソードへの空気流の流速を調節することによって、燃料電池の電圧値を最小の設定値より高く調節するようにさらに設計されていてもよい。制御器は、燃料電池の電流密度およびカソードへの空気流の流速を調節することによって、燃料電池の電圧値を最小の設定値より高く調節するようにさらに設計されていてもよい。燃料電池システムはまた、酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第２のシグナルを生成するように設計されたセンサーを包含していてもよく、該センサーは、制御器と連通している。制御器はさらに、第２のシグナルに基づいて、酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出し、酸素欠乏空気流中の水素の存在の検出に応答して、燃料電池の電流密度により、カソードへの空気流の流速を選択的に減少および／または増加させるように設計されていてもよい。
【００１３】
[015]別の形態において、本発明の開示は、酸素欠乏空気流を生成する方法に向けられる。本方法は、燃料電池のカソードに空気流を供給する工程を包含していてもよい。空気流は、燃料電池での電気化学反応によって、酸素欠乏空気流に変換されてもよい。本方法はまた、燃料電池の電圧値を検出する工程、および検出された電圧値に基づいて、燃料電池の電流密度および／またはカソードへの空気流の流速を制御する工程を包含していてもよい。本方法はまた、カソードへの空気流の流速を制御することによって、酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を制御する工程を包含していてもよい。本方法はまた、燃料電池の電流密度を制御することによって、酸素欠乏空気流の体積流量を制御する工程を包含していてもよい。本方法はまた、燃料電池の電流密度を調節して、電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程を包含していてもよい。本方法は、カソードへの空気流の流速を調節して、電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程をさらに包含していてもよい。本方法は、燃料電池の電流密度およびカソードへの空気流の流速を調節して、電圧値が最小の設定値より高い状態を保つようにする工程をさらに包含していてもよい。本方法は、燃料電池の電圧値が最小の閾値より低いとき、酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第２のシグナルを感知する工程をさらに包含していてもよい。本方法は、第２のシグナルに基づいて、酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出する工程、および酸素欠乏空気流中の検出された水素の存在に基づいて、燃料電池の電流密度および／またはカソードへの空気流の流速を制御する工程をさらに包含していてもよい。
【００１４】
[016]別の形態において、本発明の開示は、燃料電池システムに向けられる。燃料電池システムは、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置する電解質を有する燃料電池を包含していてもよい。カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されていてもよい。燃料電池システムはまた、燃料電池の電圧値を示す第１のシグナルを生成するように設計された検出器を包含していてもよい。燃料電池システムは、酸素欠乏空気流中の水素の存在を示す第２のシグナルを生成するように設計されたセンサーを包含していてもよい。燃料電池システムは、検出器、センサー、および燃料電池と連通する制御器をさらに包含していてもよい。制御器は、第１のシグナルに基づいて、燃料電池の電圧値を測定し、電圧値に応答して、燃料電池の電流密度および／またはカソードへの空気流の流速を選択的に調節するように設計されていてもよい。電圧値が最小の閾値より低い場合、制御器は、第２のシグナルに基づいて、酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出し、酸素欠乏空気流中の水素の存在の検出に応答して、燃料電池の電流密度により、カソードへの空気流の流速を選択的に減少および／または増加させるように設計されていてもよい。
【００１５】
[017]別の形態において、本発明の開示は、酸素欠乏空気流を生成する方法に向けられる。本方法は、燃料電池のカソードに空気流を供給する工程を包含していてもよい。空気流は、燃料電池での電気化学反応によって、酸素欠乏空気流に変換されてもよい。本方法はまた、燃料電池の電圧値を検出する工程を包含していてもよい。本方法はまた、燃料電池の検出された電圧値に基づいて、燃料電池の電流密度および／またはカソードへの空気流の流速を制御する工程を包含していてもよい。本方法はまた、検出された電圧値が最小の閾値より低いとき、カソードから排出された酸素欠乏空気流中の水素の存在を検出する工程を包含していてもよい。本方法は、酸素欠乏空気流中の検出された水素の存在に基づいて、燃料電池の電流密度および／またはカソードへの空気流の流速を制御する工程をさらに包含していてもよい。
【００１６】
[018]別の形態において、本発明の開示は、燃料電池システムに向けられる。燃料電池システムは、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置する電解質を包含していてもよい。カソードは、空気流を受け取り、酸素欠乏空気流を排出するように設計されていてもよい。燃料電池システムはまた、酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を示す第１のシグナルを生成するように設計されたセンサーを包含していてもよい。燃料電池システムはまた、該センサーと、燃料電池と連通する制御器とを包含していてもよい。制御器は、燃料電池の電流密度および／またはカソードへの空気流の流速を調節することによって、酸素欠乏空気流中の酸素の濃度を調節するように設計されていてもよい。
【００１７】
[019]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された本発明の開示を限定しないと理解されるべきである。
[020]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成し、本発明の開示の実施態様を例示するものであり、本明細書の記載と共に本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】[021]図１は、例示的な実施態様に係る燃料電池の部分断面図である。
【図２】[022]図２は、例示的な実施態様に係る燃料電池スタックの概略図である。
【図３】[023]図３は、例示的な実施態様に係る燃料電池システムの概略図である。
【図４】[024]図４は、例示的な実施態様に係る燃料電池システムの制御ロジックの流れ図である。
【図５】[025]図５は、別の例示的な実施態様に係る燃料電池システムの制御ロジックの流れ図である。
【図６】[026]図６は、別の例示的な実施態様に係る燃料電池システムの制御ロジックの流れ図である。
【図７】[027]図７は、燃料電池からの酸素欠乏空気流の水素の体積のパーセンテージ対燃料電池電圧の例示的なデータセットのグラフである。
【図８】[028]図８は、例示的な実施態様に係る酸素欠乏空気流を生成する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
[029]以下、本発明の開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、その実施例は、添付の図面に例示される。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用されている。
【００２０】
[030]本発明の開示は、例示的な実施態様を参照しながら本明細書に記載される。本明細書に記載される実施態様は、それらに限定されないことが理解される。当業界において通常の技術を有し本明細書で示された教示を利用する者であれば、追加の改変、適用、実施態様、および等価体の置換が全て本発明の開示の範囲内に含まれると理解するだろう。
【００２１】
[031]図１は、例示的な実施態様に係る燃料電池１００の部分断面図である。燃料電池１００は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化体（例えば、空気または酸素）の化学エネルギーを電気に変換して、熱および水を生産することができる。燃料電池１００は、アノード１１０、カソード１２０、およびアノード１１０とカソード１２０との間に配置された電解質１３０を含んでいてもよい。図１に示されるように、燃料電池１００のアノード１１０に燃料ストリームを供給して、アノード１１０から使用された燃料ストリームを排出させることができる。図１には示されていないが、燃料電池１００は、例えば水素などの未消費の燃料を再利用するために使用された燃料ストリームを再循環させることができる。
【００２２】
[032]燃料電池１００は、電極のそれぞれに隣接する２つのバイポーラプレート１４０、１４２をさらに含んでいてもよい。バイポーラプレートは、支持体プレート、コンダクターとして作用することができ、燃料電池１００のそれぞれの電極表面への通路と、使用される燃料および酸化体ガスを排出するための通路とを備えるように設計されていてもよい。例えば、バイポーラプレート１４０は、例えば酸素などの酸化体を含む空気流１６２を受け取るための入口１６０、電気化学反応のためのカソード１２０の表面に空気流１６２を導入するための通路１５０、および燃料電池１００から産生物である空気流１７２を排出するための出口１７０を備えるように設計されていてもよい。一部の実施態様において、入口１６０は、バイポーラプレート１４０の第１の端部の近くに配置されていてもよいし、出口１７０は、バイポーラプレート１４０の第２の端部の近くに配置されていてもよい。入口１６０および出口１７０は、バイポーラプレート１４０に関して別の位置に配置されていてもよいことが理解されるであろう。入口１６０および出口１７０は、あらゆる好適な幅、断面積、深さ、形状、および／または立体配置を有していてもよい。燃料電池１００は、図１に描写されているように合計４つの入口および出口を有するが、それより多くまたはそれより少ない数の入口および出口が備えられていてもよいことが理解されると予想される。
【００２３】
[033]一部の実施態様において、バイポーラプレート１４０の入口１６０は、周囲の環境から周囲の空気流１６２を受け取ることができる。バイポーラプレート１４０の入口１６０を介してカソード１２０に供給された空気流１６２中の酸素は、カソード１２０で起こる電気化学反応によって消費されて、バイポーラプレート１４０の出口１７０から排出された酸素欠乏空気流１７２を生産することができる。酸素欠乏空気流１７２中の酸素の体積パーセンテージおよび／または濃度は、カソード１２０における電気化学反応によって消費される酸素の損失のために、カソード１２０に供給された空気流１６２のパーセンテージおよび／または濃度未満であり得る。酸素欠乏空気流１７２中の酸素のパーセンテージおよび／または濃度は、例えば、約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１２％、１４％、１６％、１８％、または２０％未満であり得る。一部の実施態様において、酸素欠乏空気流１７２はまた、カソード１２０における電気化学反応によって生産された水蒸気を含有していてもよく、一部の実施態様において、空気流１６２の一部としてカソード１２０に供給された水蒸気を含有していてもよい。
【００２４】
[034]電解質１３０は、例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）などのイオン伝導性材料であってもよく、これは、純粋な高分子膜または複合膜を含んでいてもよく、その場合、例えばシリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムなどの他の材料が、高分子マトリックス中に埋め込まれていてもよい。ＰＥＭは、電子を伝導させずにプロトン透過性であってもよい。アノード１１０およびカソード１２０は、触媒層を含有する多孔質炭素電極を含んでいてもよい。触媒材料、例えば白金は、アノード１１０および／またはカソード１２０で起こる電気化学反応を増加させることができる。
【００２５】
[035]この記載の目的のために、燃料電池１００はＰＥＭ燃料電池であると仮定される。しかしながら、本明細書に記載されるように、本開示は、ＰＥＭ燃料電池に限定されない。当業界において公知のように、ＰＥＭ燃料電池の場合、例えば、水素原子は、アノード１１０で電気化学的に電子およびプロトン（水素イオン）に分けることができる。電気化学反応によって生産された電子は、電気負荷回路（図１には示されていない）を通ってカソード１２０に流れ、直流電流を生産する。アノード１１０における電気化学反応によって生産されたプロトンは、電解質またはプロトン交換膜１３０を通ってカソード１２０に拡散する。電解質またはプロトン交換膜１３０は、正電荷を有するイオン、例えばプロトンを通過させながら、負電荷を有する電子の通過を妨げることができる。カソード１２０におけるプロトンは、電解質またはプロトン交換膜１３０を通過した後、電気負荷回路を通過した電子およびカソード１２０に供給された空気流１６２の酸素と反応して、熱および水を生産することができる。
【００２６】
[036]一部の実施態様において、複数の燃料電池１００は、スタック状にアレンジされていてもよく、典型的には、図２に示されるように、燃料電池スタック１００’と称される。例えば、燃料電池スタック１００’は、一般的に当業界で公知の方式で連続してまたは並列で電気的に接続された、５個より多くの、１０個、２０個、２５個、５０個、１００個またはそれより多くの燃料電池１００を含有していてもよい。一部の実施態様において、燃料電池スタック１００’は、空気流１６２を受け取るための１つまたはそれより多くの入口１６０、および燃料電池スタック１００’から酸素欠乏空気流１７２を排出するための１つまたはそれより多くの出口１７０を包含していてもよい。一部の実施態様において、燃料電池スタック１００’は、複数のバイポーラプレート１４０、１４２、ならびに複数の入口１６０および／または出口１７０を包含していてもよく、これらは、燃料電池１００の数に対応していてもよい。以下の記載は燃料電池１００を参照する場合があるが、記載された実施態様は燃料電池スタック１００’にも適用可能であることが理解される。
【００２７】
[037]典型的には、出口１７０から排出された酸素欠乏空気流１７２中には、一定の未消費の酸素の量が残る。「量」は、本明細書に記載される場合、パーセンテージ、体積、体積パーセンテージ、質量、質量パーセンテージ、体積分率、質量分率、および／または濃度を指す場合がある。一部の実施態様によれば、酸素欠乏空気流１７２中に残存する酸素の量を低減させるために、入口１６０を介してカソード１２０に供給される空気流１６２中の過量の酸素が、最小であることが好ましい。一部の実施態様において、カソード１２０に供給された空気流１６２の流速を減少させることが、酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量を減少させる可能性がある。他の実施態様において、カソード１２０に供給された空気流１６２中の酸素の量と、カソード１２０における電気化学反応によって消費される酸素の量との比率は、典型的にはカソードの化学量論と称されるが、この比率を減少させることによって、酸素欠乏空気流１７２中に残存する酸素の量を低減させ、有効性を改善させ、かくして酸素欠乏空気流１７２の品質を改善することができる。
【００２８】
[038]さらに、燃料電池１００から酸素欠乏空気流１７２の所定体積、好ましくは最大体積を、限定的な時間で生成することが好ましい。一部の実施態様において、所与の空気流速および／またはカソードの化学量論において、燃料電池１００を作動させる電流密度が増加するにつれて、燃料電池１００によって生成した酸素欠乏空気流１７２の体積流量は増加し得る。したがって、燃料電池１００を高い電流密度で作動させて、酸素欠乏空気流１７２の体積流量を生成し最大にすることは好ましいといえる。
【００２９】
[039]一部の実施態様において、最適化された条件下で燃料電池１００を作動させることが有利であり得る場合、燃料電池１００を作動させる電流密度を最大に増加させ、燃料電池１００のカソード１２０に供給された空気流１６２の流速またはカソードの化学量論を最小に減少させる。一部の実施態様において、このような最適化された条件下で、燃料電池１００によって生成した酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量を、最適化および／または最小化することができる。一部の実施態様において、このような最適化された条件下で、燃料電池１００によって生成した酸素欠乏空気流１７２の品質を、最適化および／または最大化することができる。
【００３０】
[040]上記で論じられた最適化された条件下で燃料電池１００または燃料電池スタック１００’を作動させる課題の１つは、水素がアノード１１０からカソード１２０に渡り、酸素欠乏空気流１７２の一部を構成する状況が起こり得ることである。例えば、カソード１２０に供給された空気流１６２の流速が低減すると、カソード１２０とアノード１１０との間の電位差である燃料電池１００の電圧が、カソードでの低い酸素濃度のために減少する可能性がある。いくつかの状況では、燃料電池１００の電圧、または燃料電池スタック１００’中の複数のセルの電圧は、最小の閾値に減少する可能性があり、そこでプロトンは、燃料電池１００または燃料電池スタック１００’中の１つまたはそれより多くのセルごとに、電解質またはプロトン交換膜１３０を通ってアノード１１０からカソード１２０に電気化学的に輸送されるかまたは「ポンプ輸送」される可能性があり、一方で電子は、電解質またはプロトン交換膜１３０（図１には示されていない）を迂回する。カソード１２０では、輸送されたプロトンおよび迂回された電子が還元されて、水素を形成する。水素は高度に可燃性のガスであることから、酸素欠乏空気流１７２中のその存在を制限または排除することが望ましい。これは、酸素欠乏空気流１７２が例えば消火用途に利用され得る場合に特に望ましい。さらに、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在は、燃料電池１００または燃料電池スタック１００’の使用者にとって安全上の欠陥になり得る。いくつかの状況において、ＰＥＭ燃料電池１００のプロトン交換膜１３０において、寿命を超えると穴が拡大する可能性もあり、それにより水素がアノード１１０からカソード１２０に通過するようになる。例えば、カソード１２０から排出された酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在は、ＰＥＭ燃料電池１００のプロトン交換膜１３０における１つまたはそれより多くの穴の形成を示す可能性がある。
【００３１】
[041]本発明の開示と一致する燃料電池システムの実施態様は、好ましくは、例えばカソード１２０への空気流１６２の流速を最小に、および／または燃料電池１００の電流密度を最大に作動可能に制御することによって、酸素欠乏空気流１７２を生成するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、本発明の開示と一致する燃料電池システムは、燃料電池１００における水素のポンプ輸送および／またはカソード１２０から排出された酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を制限または排除することができる。
【００３２】
[042]図３は、酸素欠乏空気流１７２を生成するように設計された燃料電池システム２００の例示的な実施態様の概略図を示す。燃料電池システム２００は、燃料電池１００および制御器２１０を包含していてもよい。一部の実施態様において、制御器２１０は、カソード１２０への空気流１６２の流速を調節するように設計されていてもよい。例えば、制御器２１０は、空気流１６２をカソード１２０に供給するように設計された、空気圧縮機、空気ポンプ、もしくはファン供給器（fan feed）、またはカソード１２０への空気流１６２を調節するように設計された流量制御弁と連通していてもよい。一部の実施態様において、空気圧縮機、ポンプ、またはファン供給器は、カソード１２０に望ましい流速を提供するのに十分な速度で作動させるためのモーター（図３には示されていない）に電気的または機械的に連結されていてもよい。制御器２１０は、モーターにコマンドシグナルを送ることによって、空気圧縮機、ポンプ、またはファン供給器の速度を調整することができ、それゆえにカソード１２０への空気流１６２を望ましい流速に調節することができる。他の実施態様において、流量制御弁は、アクチュエーターおよび／または位置決め装置（図３には示されていない）に電気的または機械的に連結されていてもよい。制御器２１０は、流量制御弁のアクチュエーターおよび／または位置決め装置にコマンドシグナルを送ることによって、バルブを開閉して、カソード１２０への空気流１６２を望ましい流速に調節することができる。一部の実施態様において、カソード１２０への空気流１６２の流速を調節することによって、制御器２１０は、カソード１２０から排出された酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量を調節することができる。例えば、制御器が空気流１６２の流速を減少させ、空気流１６２の酸素が同じ速度でカソード１２０における電気化学反応によって消費される場合、酸素欠乏空気流１７２中に残存する酸素の量は減少する。
【００３３】
[043]一部の実施態様において、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を調節するように設計されていてもよい。例えば、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を調整するように設計された、電流レギュレーター、電圧レギュレーター、電力レギュレーター、および／または回路（図３には示されていない）と連通していてもよい。制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を望ましい値に増加もしくは減少させるための、レギュレーター、電圧レギュレーター、電力レギュレーター、および／または回路にコマンドシグナルを送ることができる。一部の実施態様において、燃料電池１００の電流密度を調節することによって、制御器２１０は、燃料電池１００によって生成した酸素欠乏空気流１７２の体積流量を調節することができる。例えば、制御器２１０が燃料電池１００の電流密度を増加させる場合、カソード１２０における電気化学反応の速度が増加し、それゆえに酸素欠乏空気流１７２の体積流量が増加する。
【００３４】
[044]一部の実施態様によれば、燃料電池システム２００は、図２に示されるように、燃料電池スタック１００’を包含していてもよい。制御器２１０は、燃料電池スタック１００’中の１つまたはそれより多くの燃料電池１００と連通し、１つまたはそれより多くの入口１６０への空気流１６２の流速を別々にまたは集合的に調節するように設計されていてもよい。例えば、制御器２１０は、燃料電池スタック１００’中の１つまたはそれより多くの燃料電池１００への空気流１６２を供給するように設計された、１つまたはそれより多くの空気圧縮機、空気ポンプ、もしくはファン供給器、または燃料電池スタック１００’中の１つまたはそれより多くの燃料電池１００への空気流１６２を調節するように設計された１つまたはそれより多くの流量制御弁と連通していてもよい。他の実施態様において、制御器２１０は、燃料電池スタック１００’中の１つまたはそれより多くの燃料電池１００の電流密度を別々にまたは集合的に調節するように設計されていてもよい。例えば、制御器２１０は、燃料電池スタック１００’中の１つまたはそれより多くの燃料電池１００の電流密度を調整するように設計された、１つまたはそれより多くの電流レギュレーター、電圧レギュレーター、電力レギュレーター、および／または回路と連通していてもよい。
【００３５】
[045]一部の実施態様において、図３に示されるように、燃料電池システム２００はまた、出口１７０から排出された酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在および／または水素の量を検出するように設計されたセンサー２２０を包含していてもよい。一部の実施態様において、センサー２２０は、バイポーラプレート１４０に一体化されるように設計されていてもよいし、または出口１７０下流の配管またはコンジットに沿って位置していてもよい。
【００３６】
[046]センサー２２０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在（例えば、検出スイッチ）または量（例えば、アナログ送信器）を示すフィードバックシグナルを生成するように設計されていてもよい。センサー２２０は、制御器２１０と連通していてもよいし、制御器２１０にフィードバックシグナル２２５を送信するように設計されていてもよい。フィードバックシグナル２２５に基づいて、制御器２１０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在または量を検出および／または決定するように設計されていてもよい。一部の実施態様、燃料電池システム２００は、複数のフィードバックシグナル２２５を生成することができる複数のセンサー２２０を包含していてもよく、制御器２１０は、複数のフィードバックシグナル２２５に基づいて、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在または量を検出および／または決定することができる。一部の実施態様において、複数のセンサー２２０は、１つまたはそれより多くのバイポーラプレート１４０の異なる位置に一体化されるように設計されていてもよいし、または１つまたはそれより多くの出口１７０下流の配管またはコンジットに沿って配置されていてもよい。
【００３７】
[047]一部の実施態様において、センサー２２０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素のパーセンテージ、濃度、または量の範囲を測定し、測定された水素のパーセンテージ、濃度、または量を示す対応するフィードバックシグナル２２５を生成できるように設計されたアナログトランスデューサーであってもよい。例えば、センサー２２０の測定範囲は、０．０１％〜１０．０％の水素の濃度または体積パーセンテージをカバーすることができる。他の実施態様において、センサー２２０は、デジタルトランスデューサー、例えば検出スイッチであってもよく、これらは、特定の閾値または限定に基づいて酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在または非存在のみを検出することができ、水素が存在するかまたは存在しないかを示す対応するフィードバックシグナル２２５を生成することができる。一部の実施態様において、センサー２２０は、シグナル増幅器、アナログ−デジタル変換器、シグナルプロセッサー、シグナルフィルタリング回路、および／またはノイズ消去回路を包含していてもよい。あらゆる好適な水素センサーが、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を直接的または間接的に検出または測定するのに採用できることが理解されるであろう。このようなセンサーとしては、例えば、パラジウムベースのセンサー、光ファイバーの水素センサー、電気化学的な水素センサー、ＭＥＭＳ水素センサー、薄膜水素センサー、厚膜水素センサー、ケモクロミック（chemochromic）水素センサー、熱触媒性およびダイオードベースのショットキー水素センサーなどが挙げられる。一部の実施態様において、センサー２２０は、製造工場で較正して、燃料電池の実用寿命の間有効にすることができる。他の実施態様において、センサー２２０は、燃料電池の寿命中に再較正したりおよび／または交換したりすることもできる。
【００３８】
[048]一部の実施態様において、図３に示されるように、燃料電池システム２００は、検出器２３０を包含していてもよい。検出器２３０は、アノード１１０およびカソード１２０に電気的に接続されていてもよい。検出器２３０は、燃料電池１００の電圧値を検出し、燃料電池１００の電圧値を示すフィードバックシグナル２３５を生成するように設計されていてもよい。検出器２３０は、例えば、アナログ電圧計、デジタル電圧計、マルチメーター、および／または電子試験デバイスを含んでいてもよい。検出器２３０は、制御器２１０と連通していてもよいし、フィードバックシグナル２３５を制御器２１０に送信するように設計されていてもよい。検出器２３０からのフィードバックシグナル２３５に基づいて、制御器２１０は、燃料電池１００の電圧値を測定および／または決定するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、燃料電池システム２００は、燃料電池１００または燃料電池スタック１００’の１つまたはそれより多くの電圧値を示す複数のフィードバックシグナル２３５を生成できる複数の検出器２３０を包含していてもよい。例えば、複数の燃料電池１００を有する燃料電池システム２００は、各燃料電池１００の電圧値をモニターできるように、対応する複数の検出器２３０を有していてもよい。検出器２３０から送信された複数のフィードバックシグナル２３５に基づいて、制御器２１０は、各燃料電池１００の１つまたはそれより多くの電圧値を測定および／または決定するように設計されていてもよい。他の実施態様において、複数のフィードバックシグナル２３５に基づいて、制御器２１０は、１つまたはそれより多くのアルゴリズムによって計算された燃料電池１００の電圧値を決定することができる。
【００３９】
[049]図４に示されるように、制御器２１０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在および／または量に基づいて、燃料電池１００の電流密度および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を選択的に調節するように設計されていてもよい。例えば、図４に示されるように、センサー２２０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在および／または量を検出して、シグナル２２５を生成することができる。センサー２２０は、シグナル２２５を制御器２１０に送信することができる。シグナル２２５に基づいて、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を選択的に調整することができ、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を調整することができる。例えば、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在の検出に応答して、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を減少させることができ、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を増加させることができる。一部の実施態様において、制御器２１０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素の量に応答して、燃料電池１００の電流密度の好ましい値および／または空気流１６２の好ましい流速を決定することができ、さらに、燃料電池１００の電流密度を好ましい値に減少させることができ、および／または空気流１６２の流速を好ましい流速に増加させることができる。
【００４０】
[050]一部の実施態様において、例えば、酸素欠乏空気流１７２中の閾値を超える水素の存在または特定の量がセンサー２２０によって検出されるまで電流密度を増加させることによって、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度にとって最適なおよび／または最大の作動値を決定することができる。他の実施態様において、例えば、酸素欠乏空気流１７２中の閾値を超える水素の存在または特定の量がセンサー２２０によって検出されるまで空気流１６２の流速を減少させることによって、制御器２１０は、カソード１２０への空気流１６２の流速にとって最適なおよび／または最小の作動値を決定することができる。
【００４１】
[051]図５に示されるように、制御器２１０はまた、燃料電池１００の検出された電圧値に基づいて、燃料電池１００の電流密度および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を選択的に調節することもできる。例えば、図５に示されるように、検出器２３０は、燃料電池１００の電圧値を検出して、シグナル２３５を生成することができる。検出器２３０は、シグナル２３５を制御器２１０に送信することができる。シグナル２３５に基づいて、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を選択的に調整することができ、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を調整することができる。例えば、検出された燃料電池１００の電圧値が、燃料電池１００で水素のポンプ輸送が起こり得る最小の設定値より低い場合、制御器２１０は、燃料電池１００の電圧値が最小の設定値より高く増加するまで燃料電池１００の電流密度を減少させることができる。別の例において、検出された燃料電池１００の電圧値が最小の設定値より低い場合、制御器２１０は、燃料電池１００の電圧値が最小の設定値より高く増加するまでカソード１２０への空気流１６２の流速を増加させることができる。他の実施態様において、制御器２１０はまた、燃料電池１００の電圧値が最小の設定値より高い状態を保つように、燃料電池１００の電流密度およびカソード１２０への空気流１６２の流速の両方を順次または同時に調節するように設計されていてもよい。
【００４２】
[052]一部の実施態様において、図３に示されるように、燃料電池システム２００は、センサー２２０および検出器２３０の両方を包含していてもよい。制御器２１０は、センサー２２０および検出器２３０の両方と連通するように設計されていてもよい。このような実施態様の場合、図６に示されるように、制御器２１０は、センサー２２０および検出器２３０からフィードバックシグナル２２５および２３５の両方を受け取ることができ、さらに、両方のフィードバックシグナルに基づいて、燃料電池１００の電流密度および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を選択的に調節することができる。一部の実施態様において、制御器２１０は、両方のフィードバックシグナルを使用して、燃料電池１００の電圧値の最小の作動設定値または最小の閾値を決定するように設計されていてもよい。例えば、図７に示されるように、１つの例示的なデータセットにおいて、制御器は、電圧値を減少させて、どの電圧値で水素がアノード１１０からカソード１２０に渡り始め、酸素欠乏空気流１７２中で特定のレベルまたは閾値より高く出現するのかを決定することによって、燃料電池１００の電圧値の最小の設定値または最小の閾値を決定することができる。図７に示されるように、この特定の例示的なデータセットにおいて、電圧値が１８０ｍＶから５０ｍＶに減少するにつれて、酸素欠乏空気流１７２中で検出された水素の量はゼロかわずかである。電圧値が５０ｍＶ未満に減少し続けると、酸素欠乏空気流１７２中の水素の体積パーセンテージは上昇し始め、電圧値が約２０ｍＶに低減すると、約０．９％を記録する。燃料電池１００の酸素欠乏空気流１７２中に水素が出現し始める電圧値の最小の設定値または最小の閾値は、燃料電池１００の特性および作動条件に応じて変化し得る。例えば、燃料電池１００の最小の設定値または最小の閾値は、約０から１ボルト、０．０１ボルトから１ボルト、約０．０２ボルトから１ボルト、約０．０３ボルトから１ボルト、約０．０４ボルトから１ボルト、約０．０５ボルトから１ボルト、約０．０６ボルトから１ボルト、約０．０７ボルトから１ボルト、約０．０８ボルトから１ボルト、約０．０９ボルトから１ボルト、約０．１ボルトから１ボルト、約０．２ボルトから１ボルト、約０．３ボルトから１ボルト、０．４ボルトから１ボルト、０．５ボルトから１ボルト、０．６ボルトから１ボルト、０．７ボルトから１ボルト、０．８ボルトから１ボルト、または０．９ボルトから１ボルトの範囲であり得る。
【００４３】
[053]いくつかの状況において、燃料電池１００の電圧値が、最小の設定値または閾値より低い場合、燃料電池１００中で水素のポンプ輸送が起こる可能性があり、燃料電池１００からの酸素欠乏空気流１７２中に水素が出現する可能性がある。このような状況において、センサー２２０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素の量を検出する場合もあるし、または検出しない場合もある。センサー２２０は、シグナル２２５を生成して、シグナル２２５を制御器２１０に送信することができる。シグナル２２５に基づいて、例えば、制御器２１０が閾値レベルより高い特定の量または濃度の水素を検出する場合、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を減少させるか、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を増加させて、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を制限または排除することができる。別の例において、燃料電池１００の電圧値が最小の設定値より低い場合であっても制御器２１０がシグナル２２５に基づいて水素を検出しない場合、燃料電池１００の電圧値のより低い最小の作動設定値または閾値を決定するために、制御器２１０はさらに、燃料電池１００の電流密度を増加させるか、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を減少させて、燃料電池１００の電圧値を低減させることができる。一方で、燃料電池１００の電圧値が最小の設定値より低い場合であっても制御器２１０がシグナル２２５に基づいて水素を検出しない場合、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を減少させるか、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を増加させて、最小の設定値または最小の閾値より高くなるように電圧値を上昇させることができる。
【００４４】
[054]他の状況において、燃料電池１００の電圧値が最小の閾値より高い場合、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を増加させるか、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を減少させて、酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量をさらに低減させることができ、そうすることにおいて、燃料電池１００の電圧値を減少させることができる。このような状況において、制御器２１０は、例えば、燃料電池１００の電圧値がほぼ最小の設定値に低減するまで、燃料電池１００の電流密度を増加させ続けるか、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を減少させ続けることができる。燃料電池１００の電圧値が最小の閾値以上である場合、例えば、センサー２２０はまた、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在または量を検出し、シグナル２２５を生成し、シグナル２２５を制御器２１０に送信するように設計されていてもよい。シグナル２２５に基づいて、例えば、制御器２１０は、燃料電池１００の酸素欠乏空気流１７２中の水素の量を検出することができる。例えば、燃料電池１００の電圧値が最小の設定値より高い場合であっても制御器２１０が閾値より高い特定の量または濃度の水素を検出する場合、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度を減少させるか、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を増加させて、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を制限または排除することができる。制御器２１０はさらに、それより高い燃料電池１００の電圧値の最小の作動設定値または閾値を決定することができる。別の例において、制御器２１０が酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を検出しない場合、制御器は、制御器２１０がフィードバックシグナル２２５から水素の存在を検出するまで、燃料電池１００の電流密度および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を調節しない場合もある。
【００４５】
[055]一部の実施態様によれば、燃料電池システム２００は、図２に示されるように、燃料電池スタック１００’を包含していてもよい。例えば温度および湿度などの特定の作動条件下における外形上、化学的および／または物理的特性の起こり得るセル間のばらつきのために、燃料電池スタック１００’中の各燃料電池１００の電圧は、異なる値で検出される可能性がある。一部の実施態様において、燃料電池スタック１００’中の燃料電池１００の１つまたはそれより多くの電圧は、集合的に酸素欠乏空気流１７２の一部を構成する１つまたはそれより多くの燃料電池１００で水素のポンプ輸送が起こり得る最小の設定値または最小の閾値未満であり得る。燃料電池スタック１００’によって生成した酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を制限または排除するために、例えば、制御器２１０は、燃料電池スタック１００’中の燃料電池１００の最も低い電圧値を、最小の設定値または最小の閾値より高い望ましい正の値に増加させるように設計されていてもよい。例えば、制御器２１０は、上述した例示的な実施態様および状況と同様に、カソード１２０への空気流１６２の流速および／または燃料電池スタック１００’の電流密度を選択的に調節することができる。
【００４６】
[056]一部の実施態様において、制御器２１０は、燃料電池スタック１００’中のセルの数に基づいて最小の設定値または最小の閾値を調整することができる。他の実施態様において、制御器２１０は、低い電圧値を有する燃料電池スタック１００’中の燃料電池の数に基づいて最小の設定値または最小の閾値を調整することができる。これは、燃料電池スタック１００’中の燃料電池の一部が低い電圧値を有し、そのためアノードからカソードへの水素のポンプ輸送が起こる可能性があるが、それ以外のものはそうではない可能性がある場合に有利であり得る。それゆえに、燃料電池スタック１００’中の燃料電池の数が増加するにつれて、低い電圧値を有する燃料電池から生成した水素の量は、酸素欠乏空気流１７２中で希釈され、減少する可能性がある。これらの状況において、単一の燃料電池からはより多くの量の水素が許容される可能性があるため、より低い最小電圧の設定値または閾値が許容される可能性がある。十分な数の燃料電池が燃料スタック１００’を構成するという条件で、燃料電池スタック１００’中の低い電圧値を有する燃料電池からの酸素欠乏空気流１７２中の水素の量は、希釈され低減される可能性がある。いくつかの状況において、制御器２１０は、燃料電池の電圧値を適応的に検出し、低い電圧値を有する燃料電池の数に基づいて最小の設定値または最小の閾値を決定することができる。
【００４７】
[057]一部の実施態様において、センサー２２０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在または量を検出し、フィードバックシグナル２２５を生成することができ、検出器２３０は、燃料電池システム２００で、燃料電池１００の電圧値を検出して、フィードバックシグナル２３５をほぼ同時に生成することができる。例えば、フィードバックシグナル２２５および２３５に基づいて、制御器２１０は、検出された電圧値を最小の設定値と比較することができ、さらに酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在または量を決定することもできる。上述した状況と類似の状況下で、制御器２１０は、燃料電池１００の電流密度および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を選択的に調節して、燃料電池システム２００によって生成した酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を制限または排除しながら酸素の量を最小に減少させることができる。
【００４８】
[058]一部の実施態様において、センサー２２０は、酸素センサーであってもよく、酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量または濃度を検出し、フィードバックシグナル２２５を生成することができる。フィードバックシグナル２２５は、制御器２１０に送られてもよい。上述した状況と類似の状況下で、制御器２１０は、センサー２２０によって検出された酸素の濃度に基づいて、燃料電池１００の電流密度および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を選択的に調節して、酸素の量を最小に減少させることができる。
【００４９】
[059]制御器２１０は、様々なフィードバック制御スキーム、例えばＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Derivative control）、適応制御（adaptive control）、最適制御、モデル予測制御、非線形制御、および知的制御を利用するように設計されていてもよい。加えて、制御器２１０としては、例えば、燃料電池システム２００の多数の機能を制御することが可能な１つまたはそれより多くの一般的なマイクロプロセッサーが例示される。制御器２１０としては、メモリー（例えば、ＲＡＭ）、二次記憶デバイス（例えば、ＲＯＭ）、プロセッサー（例えば、ＣＰＵ）、または燃料電池システム２００の開示された機能を果たすためのプログラムを実行するための他のあらゆる構成要素を挙げることができる。様々な他の回路、例えば電力供給回路、シグナル調整回路、データ収集回路、シグナル出力回路、シグナルフィルタリング回路、シグナル増幅回路、および当業界において公知の他のタイプの回路などが、制御器２１０に連結されていてもよい。
【００５０】
[060]一部の実施態様において、制御器２１０、センサー２２０、検出器２３０、および燃料電池１００は、例えばワイヤレスのまたはハードの接続を介して作動可能に連結されていてもよく、検出、測定、および／または指令シグナルを、連続的に、定期的に、または確率論的に（stochastically）伝達することができる。一部の実施態様において、制御器２１０はさらに、酸素欠乏空気流１７２中で検出された水素の存在に基づいて、燃料電池１００の乾燥を適応的に調節するように設計されていてもよい。例えば、制御器２１０は、燃料電池１００への空気流１６２および／もしくは燃料電池１００からの空気流１７２の湿度もしくは水蒸気のパーセンテージを調節および／もしくは検出するように設計された１つまたはそれより多くの湿度制御ユニット、ファン、真空発生器、水蒸気発生器、酸素センサー、ならびに／または、湿度センサーと連通していてもよい。一部の実施態様において、制御器２１０は、燃料電池システムの使用者に、水素が検出されるおよび／または最小の閾値未満の電圧値が測定されることを、例えば可視または可聴シグナルによって示すことができる。
【００５１】
[061]一部の実施態様において、センサー２２０および／または検出器２３０は、規則的な時間間隔で自動的にフィードバックシグナル２２５および２３５を生成するように設計されていてもよい。他の実施態様において、センサー２２０および／または検出器２３０は、制御器２１０からの要求時にフィードバックシグナル２２５および２３５を生成するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、センサー２２０および／または検出器２３０は、燃料電池システムの作動条件の１つまたはそれより多く、例えば温度、湿度、圧力、および電流密度に基づいて、較正または調整されてもよい。したがって、作動条件のあらゆる好適なパラメーターを測定するために、１つまたはそれより多くの追加の測定デバイスが燃料電池システム中に包含されていてもよく、このような測定デバイスとしては、例えば、圧力計、温度計、湿度センサー、または他の好適なデバイスが挙げられる。
【００５２】
[062]本明細書に記載される燃料電池システム２００は、消火用途などその用途に応じて最適化および／または最大化された酸素欠乏空気流１７２の量および体積が生成してカソード１２０から排出されるように、１つまたはそれより多くの燃料電池１００の制御が可能なものであってもよい。燃料電池システム２００によって生成した酸素欠乏空気流１７２は、収集されて、酸素欠乏空気の供給元または消費者に、例えば収集の直後または貯蔵期間後に送達することができる。消費者は、火炎を鎮静したりもしくは消したりするため、または化学物質もしくは材料の酸化を遅延させるためなどのあらゆる好適な使用に、酸素欠乏空気を使用する可能性がある。一部の実施態様において、酸素欠乏空気流１７２を空間に循環および／または注入して、空間中の空気の全体積に対する特定の濃度またはパーセンテージを達成することができる。他の実施態様において、酸素欠乏空気流１７２を局所的に適用して、火を消したりまたは火中の物体を包囲したりすることができる。加えて、酸素欠乏空気流１７２を収集して、次いで輸送、貯蔵、および使用に好適な貯蔵容器に貯蔵およびパッケージ化してもよい。供給元と消費者は、例えば小売業者または製造元などの同じ主体であってもよく、自らの使用のための自らの酸素欠乏空気を生産することができる。酸素欠乏空気中の酸素の最大濃度または量は、工業規格、例えば、低酸素空気火災予防システムのための規格であるクリーンエージェント消火システムのためのＮＦＰＡ規格（NFPA Standard for Clean Agent Fire Extinguishing Systems）によって設定してもよいし、または例えば消費者の要求によって少なくとも部分的に規定してもよい。一部の場合において、例えば、酸素欠乏空気中の酸素の体積パーセンテージは、約０．５％未満、１％未満、２％未満、３％未満、４％未満、５％未満、６％未満、７％未満、８％未満、９％未満、１０％未満、１２％未満、１４％未満、１６％未満、１８％未満、または２０％未満であり得る。
【００５３】
[063]図８は、例示的な実施態様に係る燃料電池システム２００を制御することによって酸素欠乏空気流１７２を生成するために、制御器２１０が実行することができる工程のフローチャートを示す。第１の方法は、工程８１０、８２０、８４０、８５０、および／または８６０を含んでいてもよい。工程８１０は、システム初期化操作、例えば、動力源への接続、または例えば温度、湿度、および初期電流密度などの作動条件の測定および設定を含んでいてもよい。一部の実施態様において、工程８１０は、カソード１２０から排出された酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を検出しながら、カソード１２０への空気流１６２の流速を減少させることによって、燃料電池１００の電圧値の最小の設定値または閾値を決定することを含んでいてもよい。図７の例示的なデータセットで示されるように、水素がアノード１１０からカソード１２０に渡り始め、酸素欠乏空気流１７２中で特定のレベルまたは閾値より高くなる最小の設定値を決定することができる。工程８２０は、燃料電池１００のカソード１２０に空気流１６２を供給することを含んでいてもよく、ここで空気流１６２は、特定の量の酸素を含んでいてもよい。燃料電池１００が酸素欠乏空気流１７２を生成するときに、工程８４０は、カソード１２０から排出された酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在または量を検出することを含んでいてもよい。いくつかの状況において、水素が検出される場合、制御器２１０は、工程８５０および／または工程８６０に進むことができる。工程８５０は、燃料電池１００の電流密度を制御することを含んでいてもよく、工程８６０は、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を低減または排除するために、カソード１２０への空気流１６２の流速を制御することを含んでいてもよい。例えば、水素が検出されないかまたは排除されるまで、工程８５０は、燃料電池１００の電流密度を減少させてもよいし、工程８６０は、カソード１２０への空気流１６２の流速を増加させてもよい。他の状況において、水素が検出されない場合、制御器２１０は、水素が検出されるまで、燃料電池１００の電流密度を増加させてもよいし、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を減少させてもよい。
【００５４】
[064]別の例示的な実施態様によれば、制御器２１０に関するの第２の操作方法は、工程８１０、８２０、８３０、８３５、８５０および／または８６０を含んでいてもよい。工程８１０および８２０は、上述したように実行することができる。工程８３０は、燃料電池１００が酸素欠乏空気流１７２を生成するときに、燃料電池１００の電圧値を検出することを含んでいてもよい。工程８３５は、検出された電圧値を最小電圧の設定値または最小の閾値と比較することを含んでいてもよい。電圧値が最小の設定値または閾値未満である場合、制御器２１０は、工程８５０および／または工程８６０に進むことができ、これらの工程は、同様に上述したように実行することができる。例えば、最小の設定値より高くなるように燃料電池１００の電圧値を増加させるために、工程８５０は、燃料電池１００の電流密度を減少させることができ、工程８６０は、カソード１２０への空気流１６２の流速を増加させることができる。電圧値が最小の設定値または閾値より高い場合、例えば、制御器２１０は、工程８５０および／または工程８６０に進むことができ、ここで酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量を減少させるために、工程８５０は、燃料電池１００の電流密度を増加させることができ、工程８６０は、カソード１２０への空気流１６２の流速を減少させることができる。そうすることにより、制御器２１０は、燃料電池１００の電圧値を減少させることができ、および／または燃料電池１００の電圧値の新しい最小の設定値または閾値をアップデートすることができる。代替として、制御器２１０は、例えば、検出された燃料電池１００の電圧値が最小の設定値または閾値より高い場合、工程８５０および／または８６０に進まない場合もある。
【００５５】
[065]別の例示的な実施態様によれば、制御器２１０の第３の操作方法は、工程８１０、８２０、８３０、８３５、８４０、８５０および／または８６０を含んでいてもよい。工程８１０、８２０、８３０、および８３５も同様に上述したように実行することができる。工程８３５において、検出された電圧値が最小の設定値または閾値より低い場合、制御器２１０は、工程８４０に進んで、カソード１２０から排出された酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在または量を検出することができる。工程８４０において、水素が検出される場合、例えば、制御器２１０は、工程８５０および／または工程８６０に進むことができ、ここで酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を低減または排除するために、工程８５０は、燃料電池１００の電流密度を減少させることができ、工程８６０は、カソード１２０への空気流１６２の流速を増加させることができる。例えば水素が検出されない場合、制御器２１０はまた、工程８５０および／または工程８６０に進んでもよく、ここで酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量を減少させるために、工程８５０は、燃料電池１００の電流密度を増加させることができ、工程８６０は、カソード１２０への空気流１６２の流速を減少させることができる。そうすることにより、制御器２１０は、燃料電池１００の電圧値を減少させることができ、燃料電池１００の電圧値の新しい最小の設定値または閾値をアップデートする。代替として、例えば水素が検出されない場合、制御器２１０は、工程８５０および／または８６０に進まない場合もある。
【００５６】
[066]一方で、工程８３５において、例えば、検出された電圧値が最小の設定値または閾値より低くない場合、制御器２１０は、工程８４０に進んで、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を検出することもでき、それに基づいて、制御器２１０が工程８５０および／または工程８６０に進むことができる。例えば、工程８４０において、酸素欠乏空気流１７２中で水素が検出される場合、制御器２１０は、工程８５０および／または工程８６０に進んで、燃料電池１００の電流密度を減少させるか、および／またはカソード１２０への空気流１６２の流速を増加させて、酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を制限または排除することができる。制御器２１０は、燃料電池１００の電圧値のより高い最小の作動設定値または閾値をさらに決定することができる。別の例の場合、工程８４０で水素が酸素欠乏空気流１７２中で検出されない場合、制御器は、工程８４０で水素の存在が検出されるまで、工程８５０および／または工程８６０に進まない場合もある。
【００５７】
[067]一部の実施態様において、制御器２１０は、上記で論じられた例示的な方法のいずれか２つまたは全部を組み合わせることができる。例えば、工程８３０および８４０は、上述した例示的な方法において順次に、並行して、または選択的に実行することができる。一部の実施態様において、図８に示されるように、工程８５０でカソード１２０への空気流１６２の流速を制御することによって、制御器２１０は、工程８２０で生成した酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量を調節することができる。例えば、工程８５０で空気流１６２の流速を減少させることにより、工程８２０で生成した酸素欠乏空気流１７２中の酸素の量または濃度を減少させることができる。他の実施態様において、工程８６０で燃料電池１００の電流密度を制御することによって、制御器２１０は、カソード１２０からの酸素欠乏空気流１７２の体積流量を調節することができる。例えば、工程８６０で燃料電池１００の電流密度を増加させることにより、工程８２０で生成した酸素欠乏空気流１７２の量を増加させることができる。
【００５８】
[068]一部の実施態様において、低い電圧または酸素欠乏空気流１７２中の水素の存在を感知したら、燃料電池１００または燃料電池スタック１００’の電圧が増加するかまたは酸素欠乏空気流１７２中の水素濃度が許容できる閾値に減少するかのいずれかになるまで、制御器２１０は、カソードに供給された空気流中における一時的な増加などの空気パージを活性化することができる。一部の実施態様において、空気パージはまた、固定された空気流速を用いた、または例えば酸素欠乏空気流１７２中の水素濃度または燃料電池１００もしくは燃料電池スタック１００’の電圧などの他のパラメーターに基づいてチューニングされる空気流速を用いた一定時間のパージを包含し得る。いくつかの状況において、空気パージは、所与の燃料電池への空気流を制限するガス流チャネルからのウェーハの障害物を除去することができる。水の障害物を除去した後、燃料電池は、電流密度をさらに増加させることによって、酸素欠乏空気のより多くの体積流量を生産することができ、さらに、空気流を低減させること、したがってカソードからの酸素欠乏空気流１７２中に残留した酸素濃度を減少させることによって、燃料電池からの酸素欠乏空気の品質を改善することができる。
【００５９】
[069]本発明の開示の他の実施態様は、当業者には本明細書で開示された本発明の開示の詳細と実施の考察から明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は、以下の特許請求の範囲により示されることが意図される。
【符号の説明】
【００６０】
１００  燃料電池
１１０  アノード
１２０  カソード
１３０  電解質
１４０、１４２  バイポーラプレート
１５０  通路
１６２  空気流
１６０  入口
１７２  産生物である空気流、酸素欠乏空気流
１７０  出口
１３０  プロトン交換膜
１００’  燃料電池スタック
２００  燃料電池システム
２１０  制御器
２２０  センサー
２２５、２３５  フィードバックシグナル
２３０  検出器
８１０、８２０、８３０、８３５、８４０、８５０、８６０  工程
【図１】
2018528572.tif 000003
【図２】
2018528572.tif 000004
【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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【図８】
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【国際調査報告】
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