(57)【要約】【課題】電気化学セルシステム及び電気化学セルを作動させるための方法が提供される。【解決手段】方法は、電気化学セルの電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルのうちの１つを判定する（３０４）ことを含み、電気化学セルはアノード側と、カソード側とを有する少なくとも１つのセルを含んでおり、カソード側に作動可能に結合された水輸送プレートをさらに有する。カソード側において酸化剤の圧力レベルが判定される（３１２）。水輸送プレート内で水圧レベルが判定される（３１０）。判定された電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルに少なくとも一部基づいて酸化剤の圧力レベルまたは水圧レベルのうちの少なくとも一方を調節する（３１４）ことによって、少なくとも１つのセルの活性面積が変更される。【選択図】図４
2017130449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルの電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルのうちの１つを判定し、前記電気化学セルは、アノード側と、カソード側とを有する少なくとも１つのセルを含み、かつ前記カソード側に作動可能に結合された水輸送プレートをさらに有することと、
前記カソード側において酸化剤の圧力レベルを判定することと、
前記水輸送プレート中で水圧レベルを判定することと、
前記判定された電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルに少なくとも一部基づいて前記酸化剤の圧力レベルまたは前記水圧レベルのうちの少なくとも１つを調節することによって、前記少なくとも１つのセルの活性面積を変更することとを含む、電気化学セルの作動方法。
【請求項２】
前記水輸送プレートのチャネルに対する入口水圧を判定することと、前記カソード側における酸化剤の入口圧力を判定することとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記入口水圧または前記酸化剤の入口圧力のうちの少なくとも一方を調節することをさらに含み、前記入口水圧が前記酸化剤の入口圧力を超えるまたはそれと等しい、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
出口水圧を判定することと、前記入口水圧、前記酸化剤の入口圧力または酸化剤の出口圧力のうちの１つを調節することとをさらに含み、前記出口水圧が、前記酸化剤の入口圧力を下回る、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つのセルの電圧を判定することをさらに含み、前記活性面積を変更することが、前記カソード側を若干フラッディングさせることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記活性面積の変更に基づいて、前記少なくとも１つのセルの前記電圧を閾値と等しくなる、またはそれを下回るように低下させることをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記閾値が０．８ボルトである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
コンピュータ可読命令を有するメモリと、
前記コンピュータ可読命令を実行する１つまたは複数のプロセッサとを含み、前記コンピュータ可読命令は、
電気化学セルの電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルのうちの１つを判定し、前記電気化学セルは、アノード側とカソード側とを有する少なくとも１つのセルを含み、前記カソード側に作動可能に結合された水輸送プレートをさらに有することと、
前記カソード側において酸化剤の圧力レベルを判定することと、
前記水輸送プレート内で水圧レベルを判定することと、
前記判定された電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルに少なくとも一部基づいて前記酸化剤の圧力レベルまたは前記水圧レベルのうちの少なくとも１つを調節することによって、前記少なくとも１つのセルの活性面積を変更することとを含む、電気化学セルシステム。
【請求項９】
前記コンピュータ可読命令がさらに、前記水輸送プレートのチャネルに対する入口水圧を判定することと、前記カソード側において酸化剤の入口圧力を判定することとを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コンピュータ可読命令がさらに、前記入口水圧、前記酸化剤の入口圧力または前記酸化剤の出口圧力のうちの少なくとも１つを調節することとを含み、前記入口水圧が前記酸化剤の入口圧力を上回る、またはそれと等しい、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記コンピュータ可読命令がさらに、出口水圧を判定することと、前記入口水圧、前記酸化剤の入口圧力または前記酸化剤の出口圧力のうちの１つを調節することとを含み、前記出口水圧が、前記酸化剤の入口圧力を下回る、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記コンピュータ可読命令がさらに、前記少なくとも１つのセルの電圧を判定することを含み、前記活性面積を変更することが、前記カソード側を若干フラッディングさせることを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記コンピュータ可読命令がさらに、前記活性面積の変更に基づいて前記少なくとも１つのセルの前記電圧を閾値と等しくなる、またはそれを下回るように低下させることを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記閾値が０．８ボルトである、請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電気化学セルに関し、より詳細には水輸送プレートを有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な燃料電池は、図１に示されるような全体の構成を使用する。水素ガス１０２が水素電極（アノード１１６）に取り込まれ、酸素または酸化剤／酸素を含有する気体、例えば空気１０４などが酸素電極（カソード１１４）に取り込まれる。例えばガス流を加湿することによって、水素供給ガス１０２と共に水を取り込むこともできる。燃料電池の作動のための水素ガスは、純粋な水素源、炭化水素、メタノール、または燃料電池の作動に適した純度（すなわち触媒に有害でない、または電池の作動を妨害しない純度）で水素を供給する任意の他の水素源から発生することができる。水素ガス１０２はアノード１１６において電気化学的に反応して陽子及び電子を生成し、電子は、アノードから電気的に接続された外部の負荷１２０を通って流れ、陽子は、膜１１８を通り抜けてカソード１１４へと移動する。カソード１１４において、陽子と電子が酸素と反応して水を形成するが、この水には、膜１１８を通り抜けてカソード１１４へと引っ張られる若干の水も付加的に含まれる。アノード１１６とカソード１１４にわたる電位を利用して外部負荷１２０に電力を供給することができる。
【０００３】
他の実施形態において、１つまたは複数の電気化学セルは必要に応じて、水を電気分解して水素と酸素を生成することと、水素と酸素を水に戻るように変換させることによって電気を生成することの両方のために、システムにおいて使用される場合もある。このようなシステムは一般に、再生式燃料電池システムと呼ばれる。
【０００４】
電気化学セルシステムは典型的には、スタック内に配置されたいくつかの個々のセルを含み、作業流体が、スタック構造の中に形成された入出力導管またはポートを介してセル内を通るように誘導される。スタック内のセルは、順々に配置され、各々は、カソード、陽子交換膜及びアノードを含む。カソードとアノードは別々の層であって良い、あるいは膜と一体式に配置される場合もある。各々のカソード／膜／アノードの組立体は（以後「膜−電極組立体」、すなわち「ＭＥＡ」とする）典型的には、カソードと流体連通する第１の流れ場と、アノードと流体連通する第２の流れ場とを有する。
【０００５】
スタックのセルは、プレートによって分離されて良く、このプレートはバイポーラプレートと呼ばれることもある。バイポーラプレートによってセル間の電流の伝導が可能になり、一部のケースでは電気化学セルシステム内の流体の移動を促進する流れ場と呼ばれる特徴を取り入れる。一部のシステムにおいて、バイポーラプレートは、セルから熱を除去するために冷却剤（例えば水）の流れを可能にするチャネルを実装する場合もある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態によって、電気化学セルを作動させるための方法が提供される。電気化学セルの作動方法は、電気化学セルの電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルのうちの１つを判定することを含み、電気化学セルは、アノード側と、カソード側とを有する少なくとも１つのセルを含んでおり、カソード側に作動可能に結合された水輸送プレートをさらに有する。カソード側において酸化剤の圧力レベルが判定される。水輸送プレート内で水圧レベルが判定される。判定された電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルに少なくとも一部基づいて酸化剤の圧力レベルまたは水圧レベルのうちの少なくとも一方を調節することによって、少なくとも１つのセルの活性面積が変更される。
【０００７】
別の実施形態によって、電気化学セルシステムが提供される。システムは、コンピュータ可読命令を有するメモリと、コンピュータ可読命令を実行する１つまたは複数のプロセッサとを含む。コンピュータ可読命令は、電気化学セルの電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルのうちの１つを判定することを含み、電気化学セルは、アノード側とカソード側とを有する少なくとも１つのセルを含み、カソード側に作動可能に結合された水輸送プレートをさらに有する。カソード側において酸化剤の圧力レベルが判定される。水輸送プレート内で水圧レベルが判定される。判定された電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルに少なくとも一部基づいて酸化剤の圧力レベルまたは水圧レベルのうちの少なくとも１つを調節することによって、少なくとも１つのセルの活性面積が変更される。
【０００８】
さらに別の実施形態によって、電気化学セルシステムが提供される。電気化学セルは水素を含有するガスを受け取るように構成されたアノード側と、酸化剤を受け取るように構成されたカソード側とを有する少なくとも１つのセルを有し、水素ガスは第１の圧力であり、酸化剤は第２の圧力である。水輸送プレートがカソード側に作動可能に結合され、水輸送プレートは微孔質材料から作製され、中を通り抜けて延びる水チャネルを有し、第３の圧力で水を受け取るように構成されている。制御装置は、電気化学セルの電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルのうちの１つの判定を行い、電気化学セルは、アノード側と、カソード側とを有する少なくとも１つのセルを含み、かつカソード側に作動可能に結合された水輸送プレートをさらに有することと、カソード側において酸化剤の圧力レベルを判定することと、水輸送プレート中で水圧レベルを判定することと、判定された電力レベル、電流レベルまたは電圧レベルに少なくとも一部基づいて酸化剤の圧力レベルまたは水圧レベルのうちの少なくとも１つを調節することによって、少なくとも１つのセルの活性面積を変更することとを実行するように構成されている。
【０００９】
同様の要素は添付の図面において同様に番号が振られている例示の図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態による使用のための電気化学反応を示す、部分的な電気化学セルの概略的な線図である。
【図２】本発明の一部の実施形態による図１の一例の電気化学セルの分解組立等角図である。
【図３】本発明の一部の実施形態による図１の電気化学組立体の単一セルの分解組立側面図である。
【図４】本発明の一部の実施形態による燃料電池の作動方法を示す図である。
【図５】図１の燃料電池に関する作動状態のグラフ式の描写を示す図である。
【図６】図１の燃料電池に関する作動状態のグラフ式の描写を示す図である。
【図７】図１の燃料電池に関する作動状態のグラフ式の描写を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態は、より低い電力条件の下でより低い電圧で作動し、かつより高い条件においてより高い電圧で作動するように構成され得る、例えば燃料電池などの電気化学システムを提供する。
【００１２】
まず図２及び図３を参照すると、燃料電池として作動するのに適し得る一例の電気化学セル２００が分解組立等角図で描かれている。セル２００は典型的には、電気化学セルシステムの一部としてセルスタック内に配列される複数のセルの１つである。スタック内のセルの数及び個々のセルの寸法は、所望されるセルの電力出力に合わせて適応させることが可能である。したがって電気化学セル２００の利用は、その用途に応じて直列または並列のいずれかで電気的に配列された複数の個々のセル２００を含む場合がある。セル２００は、水素及び酸化剤ガス流の入口圧力を変えることによって一定の範囲の圧力で作動させることができる。本明細書でより詳細に考察されるように、水の入口圧力または酸化剤の入口圧力を変更することによって、電気化学セル２００の作動を所望されるパラメータになるように変更させることができる。
【００１３】
一実施形態においてセル２００は、第１のセル分離プレート２１５と第２のセル分離プレート２２０の間に複数のバイポーラプレート２１０を有して交互に配列された複数の膜−電極−組立体（ＭＥＡ）２０５を含む。図２は単一の要素としてバイポーラプレート２１０を示しているが、以下でより詳細に考察されるように複数の個々の要素から流れ場部材２１０が形成される場合もあり、また分離プレート２１５及び２２０と協働して流体の流路を画定する場合もある。一般に第１及び第２のセル分離プレート２１５、２２０と関連するバイポーラプレート２１０の間、ならびにＭＥＡ２０５と隣接する分離プレート２１０の間の密封を強化するためにガスケット２２５が利用されて良い。
【００１４】
例示の実施形態において、バイポーラプレート２１０は、水輸送プレートである。本明細書で使用される際、水輸送プレートは、セル２００を冷却するために、入口において水を受け取りセルを横切って出口まで輸送する／流す、流れチャネル２４５を有するプレート部材である。水輸送プレートは、例えば炭素などの微孔質材料から作製される。典型的な作動条件の下、セル２００のアノード及びカソード側における圧力は、水輸送プレート内の冷却水の圧力レベルを超える圧力レベルに維持される。一般に電気化学セル２００は、チャネル２４５における水圧Ｐ3を超える酸素圧Ｐ2を超える水素圧Ｐ1で作動される（Ｐ1＞Ｐ2＞Ｐ3）。このようにして、セル２００内の水は、水輸送プレートの中へと移動し、システムから除去される。
【００１５】
ＭＥＡ２０５は、陽子交換膜（膜）２４０（図３）の対向する側に配設された第１の電極（例えばカソード、または酸素電極）２３０と、第２の電極（例えばアノード、または水素電極）２３５とを有する。バイポーラプレート２１０は、隣接するＭＥＡ２０５の電極２３０及び２３５と流体連通しており、電極２３０及び２３５に隣接する流れ場と、その封止材とを画定する構造を有する。セル構成要素、とりわけセル分離プレート２１５、２２０、プレート２１０及びガスケット２２５は、流体流れのために適したマニフォルドまたは他の導管を有するように形成されて良い。複数のセル２００が電気化学セルのスタック内に配列される実施形態では、分離プレート２１５、２２０の一方は、この組立体のための端部プレートであって良い。
【００１６】
一実施形態によると、膜２４０は、電気化学セルの作動条件の下、好ましくは固体またはゲルである電解質を有する。有益な材料には、イオノマーを伝導する陽子及びイオン交換樹脂が含まれる。イオノマーを伝導する有益な陽子には、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、プロトン酸またはプロトン酸塩を含む複合体が含まれる。複合体を形成する有益な試薬には、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩ならびにプロトン酸及びプロトン酸塩が含まれる。上記の塩において有益な対イオンには、ハロゲンイオン、過塩素酸イオン、チオシアン酸塩イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、フッ化ホウ酸イオンなどが含まれる。そのような塩の代表的な例には、以下に限定するものではないが、フッ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化リチウム、過塩素酸リチウム、チオシアン酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム 、リン酸、硫酸、トリフロメタンスルホン酸などが含まれる。アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩及びプロトン酸またはプロトン酸塩は、ポリエ−テル、ポリエステルもしくはポリイミドなどの１つまたは複数の極性高分子、またはセグメントとして上記の極性高分子を含有する網状または架橋高分子と複合される。有益なポリエーテルには、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールモノエ−テル及びポリエチレングリコールジエーテルなどのポリオキシアルキレン；ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコール、ポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールモノエーテル、及びポリ（オキシエチレン−コ−オキシプロピレン）グリコールジエーテルなどのこのようなポリエーテルのうちの少なくとも１つの共重合体；上記のポリオキシアルキレンとエチレンジアミンの凝縮生成物；ならびに上記のポリオキシアルキレンのリン酸エステル、脂肪族カルボン酸エステルまたは芳香族カルボン酸エステルなどのエステルが含まれる。ジアルキルシロキサンを含むポリエチレングリコール、無水マレイン酸、またはメタクリル酸を含むポリエチレングリコールモノエチルエーテルの共重合体が、有益になるのに十分なイオン伝導率を呈することが当分野で知られている。
【００１７】
陽子を含有する物質として有益なイオン交換樹脂には、炭化水素及び過フッ化炭化水素タイプの樹脂が含まれる。炭化水素タイプのイオン交換樹脂には、スルホン化によって陽イオン交換能力が与えられる、あるいはクロロメチル化、及びその後の対応する第４級アミンへの変換によって陰イオン交換能力が与えられるフェノール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド、ポリスチレン、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレンージビニルベンゼン−塩化ビニル三元共重合などの縮合樹脂が含まれる。
【００１８】
過フッ化炭化水素タイプのイオン交換樹脂には、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロスルホニルエトキシビニルエーテルまたはテトラフルオロエチレン−ヒドロキシレート（ペルフルオロビニルエーテル）共重合体の水和物が含まれる場合もある。例えば燃料電池のカソードにおいて酸化及び／または酸に対する耐性が望まれる場合、スルホン酸、カルボキシ酸及び／またはリン酸官能性を有する過フッ化炭化水素タイプの樹脂が好ましい。過フッ化炭化水素タイプの樹脂は典型的には、ハロゲン、強酸及び塩基による酸化に対して優れた耐性を示す。スルホン酸群官能性を有する過フッ化炭化水素タイプの樹脂の１つのファミリーは、ＮＡＦＩＯＮTM樹脂である（ドイツ、ウィルミントン、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙより商業的に入手可能である）。
【００１９】
電極２３０及び２３５は、必要とされる電気化学反応を実施するのに適した触媒を含む場合がある。好適な触媒には、以下に限定するものではないが、白金、パラジウム、ロジウム、炭素、金、タンタル、タングステン、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、上記の触媒のうちの少なくとも１つの合金などを含む物質が含まれる。電極２３０及び２３５は、膜２４０に接して形成されて良い、あるいは膜２４０に隣接して層状に重ねられるが、膜２４０には接触しない場合もある。
【００２０】
一実施形態において、電気化学セル２００は、制御装置２５０によって制御される。制御装置２５０は、データ及び命令を受け取り、命令を実行してデータを処理し、その結果を提示することが可能な好適な電子デバイスである。制御装置２５０は、ユーザインターフェースを介して、または以下に限定するものではないが、電子データカード、音声作動手段、手動式に作動可能な選択及び制御手段、放射波長ならびに電子または電気伝達装置などの他の手段を介して命令を受け取る場合がある。したがって制御装置２５０は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ミニコンピュータ、光学コンピュータ、ボードコンピュータ、複合命令セットコンピュータ、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、縮小命令セットコンピュータ、アナログコンピュータ、デジタルコンピュータ、分子コンピュータ、量子コンピュータ、携帯コンピュータ、超伝導コンピュータ、スーパーコンピュータ、ソリッドステートコンピュータ、シングルボードコンピュータ、バッファ付きコンピュータ、コンピュータネットワーク、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータまたは上記のいずれかのハイブリッドであり得る。
【００２１】
制御装置２５０は、センサ２５５によって提供されるなどのアナログ電圧または電流レベルを水素及び酸化剤のガス流及び冷却水の圧力レベルを示すデジタル信号に変換することが可能である。一実施形態において、センサ２５５は、制御装置２５０にデジタル信号を提供するように構成されて良い、あるいはアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器（図示せず）が、センサ２５５と制御装置２５０とを結合して、センサ２５５によって提供されるアナログ信号を制御装置２５０によって処理するためにデジタル信号に変換する場合もある。制御装置２５０は、電気化学セル２００を制御するための様々な工程に対する入力としてこのデジタル信号を利用する。デジタル信号はまた、１つまたは複数のシステムデータを表す場合もあり、以下に限定するものではないが、水素圧レベル、酸素圧レベル、水圧レベル、電気出力、弁２６０の作動状態、ポンプ２６５作動の状態などを含む。
【００２２】
一般に、制御装置２５０は、センサ２５５からデータを受け取り、センサ２５５からのデータを所定の作動パラメータに対して比較する目的で特定の命令が与えられる。制御装置２５０は、弁２６０及びポンプ２６５に作動信号を提供する。制御装置２５０はまた、例えば電気化学セル２００から電気化学セルが所望される電力レベル、電圧レベル及び圧力範囲において作動しているかを示すデータを受け取る場合がある。制御装置２５０は、作動パラメータを所定の変異度（例えば低い流量、低圧、前駆体物質供給が不十分である）に対して比較し、所定の変異度を超えたかどうかを判定する。一実施形態において、操作者またはコンピュータネットワークに警告を示すのに使用され得る信号が生成される場合がある。加えてこの信号は、変異度の範囲外の作動パラメータを補償するために弁２５０またはポンプ２６０の作動状態を変更するなど電気化学セル２００の作動を適合させる他の制御方法を開始する場合もある。本明細書でより詳細に考察するように、センサ２５５が電力レベルが所定の閾値を下回るまで降下したことを検知した場合、セルの電圧を低下させて電気化学セル２００の信頼性及び耐久性を高めることができる。
【００２３】
制御装置２５０は、図４に示される利用コードにおいて具現化される作動制御法を含む。このような方法は、プロセッサによって実行されるように書かれており、典型的にはソフトウェアの形態でメモリに記憶されるコンピュータ命令において具現化される。ソフトウェアは、任意の言語にエンコードすることができ、以下に限定するものではないが、アセンブラ言語、ＶＨＤＬ（ヴェリログハードウェア記述言語）、ＶＨＳＩＣ ＨＤＬ（超高速ＩＣハードウェア記述言語）、フォートラン（数式解釈）、Ｃ、Ｃ++、ビジュアルＣ++、Ｊａｖａ、ＡＬＧＯＬ（アルゴリズム言語）、ＢＡＳＩＣ（ビギナーの多目的記号命令コード）、ビジュアルＢＡＳＩＣ、アクティブＸ、ＨＴＭＬ（ハイパーテキストマークアップ言語）、及び上記のうちの少なくとも１つの何らかの組み合わせまたは派生物が含まれる。加えて操作者は、スプレッドシートまたはデータベースなどの既存のソフトウェアアプリケーションを使用し、種々のセルをアルゴリズム中に列挙された変数と相関させることができる。さらに、ソフトウェアは、他のソフトウェアから独立する場合、または統合ソフトウェアの形態などで他のソフトウェアに依存する場合がある。
【００２４】
次に図４を参照すると、電気化学セル２００を作動させるための方法３００が示されている。方法３００はブロック３０２において始まり、問い合わせブロック３０４へと進み、そこで電気化学セル２００の電気出力Ｐが閾値を下回るかどうかが判定される。電気化学セル２００の電気出力が低下する際（負荷からの要求が低下したことに起因するなど）、電気化学セル２００内のセルの電圧は相対的に高いままであることを理解されたい。一例として、但し限定することは意図せずに、より高い作動電圧は、セル当たり０．９を超える、またはこれと等しくて良い。低電力条件の下でのより高い電圧での作動は、電気化学セル２００の耐久性及び信頼性を低下させることが分かっている。電力レベルの閾値は、電気化学セル２００の大きさに左右され得ることを理解されたい。
【００２５】
問い合わせブロック３０４が肯定を返したとき、電力レベルＰが閾値を上回ることを意味しており、このとき方法３００はブロック３０６へと進み、そこで水素ガス流の圧力レベルＰ1、酸化剤ガス流の圧力レベルＰ2及び水圧Ｐ3は、Ｐ1＞Ｐ2＞Ｐ3になるように設定される。方法３００はその後ブロック３０８へと進み、そこで電気化学セルは、電力レベルに変化が生じるまで作動される。
【００２６】
問い合わせブロック３０４が否定を返したとき、電力レベルＰが閾値を下回るまで低下したことを意味しており、方法３００はブロック３１０へと進む。ブロック３１０において、水チャネル２４５の圧力レベルＰ3が判定される。一実施形態において、入口（Ｐ3inlet）及び出口（P3outlet）における水チャネル２４５の圧力レベルが測定されて、水がプレート２１０を横切って流れる際の圧力降下を判定する。方法３００はその後ブロック３１２へと進み、そこでセルのカソード側の酸化剤の圧力レベルＰ2が判定される。一実施形態において入口（Ｐ2inlet）における酸化剤の圧力レベルが判定される。一実施形態において酸化剤の圧力レベルＰ2inletは、酸化剤がセルを横切って流れる際相対的に一定のままである（例えばごくわずかの圧力降下になる程に極めて小さい）。一実施形態において酸化剤の圧力レベルＰ２及び水圧レベルＰ３は、例えば電気化学セル２００への入口などセル以外の場所で判定される場合もあり、セルにおける圧力レベルは電気化学セルの事前決定された特徴付けに基づいて判定されることを理解されたい。
【００２７】
方法３００はその後ブロック３１４へと進み、そこで酸化剤の入口圧力Ｐ2Inletと水チャネルの入口圧力Ｐ3Inletがほぼ等しくなるように調節される。圧力をほぼ等しくなるように調節することによって、水はセルのカソード側からプレート２１０内に移動しなくなることを理解されたい。むしろ一部の水は、プレート２１０から出てセルのカソード側に入るように流れる場合もある。結果として、一般に「フラッディング」と呼ばれる状況がセルの一部に生じる可能性がある。フラッディングの作用は、電極２３０の活性面積を縮小させることであり、換言するとセル内の水の存在が電極において酸素が水素陽子と反応するのを阻止する。この活性面積の縮小はさらに、各々のセルの電流密度を上昇させ、セルの電圧を低下させる。
【００２８】
チャネル２４５にわたる水の圧力降下は、カソードにわたる酸化剤の圧力降下を上回るため、フラッディングの大きさは入口付近でより大きくなり、カソードの出口付近では減少する、または生じないことをさらに理解されたい。よって酸化剤と冷却水の相対的な圧力を管理することによって、フラッディングの大きさを変化させて所望される大きさの活性面積及びセル電圧を達成することができる。一実施形態において水の入口圧力Ｐ3Inletは、酸化剤の入口圧力Ｐ2Inletを超えるように調節される。方法３００はその後問い合わせブロック３１６へと進み、そこで水の入口圧力Ｐ3Inletが酸化剤の入口圧力Ｐ2Inletを超えるか、またはそれと等しいかが判定される。問い合わせブロック３１６が否定を返したとき、方法３００はブロック３１４に戻るようにループを描き、圧力Ｐ3Inlet及びＰ2Inletが再び調節される。問い合わせブロック３１６が肯定を返したとき、方法３００は問い合わせブロック３１８へと進み、そこでセル電圧が所望される電圧を下回っているか、またはそれと等しいかが判定される。より低いセル電圧は作動効率の低下につながることを理解されたい。結果としてより低いセル電圧で作動することによって付加的な熱エネルギーが生成されることになり、これはセル２００の所望される温度を維持するのに利点を提供し得る。問い合わせブロック３１８が否定を返したとき、方法３００はブロック３１４に戻るようにループを描き、圧力Ｐ3Inlet及びＰ2Inletが再び調節される。一実施形態において、水チャネルの出口圧力Ｐ3Outletもまた判定される。この実施形態において、この圧力は、Ｐ3Inlet≧Ｐ2Inlet≧Ｐ3Outletになるように構成されて良い。これによりセルのカソード側全体のフラッディングを阻止する。
【００２９】
問い合わせブロック３１８が肯定を返したとき、方法３００はブロック３０８へと進み、そこで電気化学セル２００は低電力かつ低セル電圧の条件の下で作動される。一実施形態において所望される電圧の閾値はセル当たり０．８ボルトである。
【００３０】
電力に関する要望が大きくなった場合、この工程が逆戻しされて、カソードから出てプレート２１０内に入るように再度水を移動させることができることを理解されたい。カソード内の水の減少は活性面積を拡大させ、かつセル電圧を所望されるレベルまで増大させる。
【００３１】
他の実施形態において、方法３００は、燃料セルの電気出力以外の電圧を監視することによって実施される場合もある。図５に注目すると、図５に示される３つの作動曲線４０４、４０６、４０８に沿って燃料電池がより下位の閾値４００と上位の閾値４０２の間で作動される一実施形態が示されている。一実施形態において、閾値４００、４０２は、所望される耐久性（上位の閾値によって少なくとも一部が規定される）及び効率（下位の閾値によって少なくとも一部が規定される）を維持するために操作者によって所望される作動範囲を表している。通常の作動条件の曲線４０４の下ではＰ2＞Ｐ3inletであり、換言すると水が溢れ出ない状況である。幾分水が溢れ出た作動条件の曲線４０６の下ではＰ3Inlet＞Ｐ2＞＞Ｐ3Outletである。第３の作動曲線４０８の下ではＰ3Inlet＞＞Ｐ2＞Ｐ3Outletであり、より大きなフラッディングが生じる。
【００３２】
よって図５の実施形態では、閾値は、電圧が一定のままであるとき一定のままである。図４の方法に適用される場合、この実施形態における問い合わせブロック３０４は、燃料電池の作動電圧及び流体圧を判定し、この電圧を下位の閾値４００と上位の閾値４０２の間に維持するために、ブロック３１４においてＰ3Inlet＞Ｐ2＞＞Ｐ3Outletが修正される。
【００３３】
作動曲線４０４、４０６、４０８は直線として表されるが、これは例示の目的のためであり、曲線４０４、４０６、４０８は、直線または非直線形状を有する場合があることを理解されたい。
【００３４】
図６に示されるさらに別の実施形態において、電流の関数として電圧を下位の閾値４００と上位の閾値４０２の間に維持するために圧力Ｐ3Inlet＞Ｐ2＞＞Ｐ3Outletが調節される場合もある。この実施形態では、閾値４００、４０２は正の傾斜を有し、これは電流が上昇する際、閾値の電圧が上昇することを意味している。これにより、より高い電力出力において（対応するより高い電流と共に）より高い電圧を可能にすることで効率を高め、かつ熱遮断を抑える一方で、耐久性の向上及び熱生成の増大のためにより低い電力／より低い電流レベルでより低い電圧を提供することを可能にするという利点を提供する。
【００３５】
図７に示されるさらに別の実施形態では、電流の関数として電圧を閾値４００、４０２の間に維持するために圧力Ｐ3Inlet＞Ｐ2＞＞Ｐ3Outletが再び調節される。この実施形態において、閾値４００、４０２の傾斜は負の傾斜を有し、これは電流が上昇する際、電圧の閾値が低下することを意味している。結果として、電力／電流が低下する際、電圧がわずかに上昇することが許される。これは、より低い電力／電流状態の作動における効率の向上において利点を提供することができる。
【００３６】
それに応じて、かつ開示されるように、本発明の一部の実施形態は、セルのカソードにおける水レベルを選択的に上昇させることによって電気化学セルのセル電圧を調節することで電極の活性面積の大きさを変更するという何らかの利点を含んで良い。低い電力作動条件の下でより低いセル電圧で電気化学セルを作動させることによって、電気化学セルの耐久性及び信頼性において改善がなされて良い。
【００３７】
用語「およそ」は、本出願の提出時に利用可能な装備に基づいた特定の分量の測定に関連する誤差の範囲を含むことが意図されている。例えば「およそ」は、所与の値の±８％または５％、または２％の範囲を含むことができる。
【００３８】
本明細書で使用される専門用語は、記載する特定の実施形態の目的のためであり、開示を限定することは意図していない。本明細書で使用される際、単数形態の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、その文脈がそうでないことを明確に示していなければ複数形態も同様に含めることが意図されている。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用される際、述べられる特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／または構成要素の存在を特定するのであって、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素及び／またはその集合の存在または追加を除外するものではないことをさらに理解されたい。
【００３９】
本発明を例示の実施形態を参照して記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更が行われる可能性があり、その要素の代わりに等価物が代用され得ることは当業者によって理解されるであろう。加えて、本発明の教示に対して、その基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料に適合させるために多くの修正が行われる可能性がある。したがって本発明は、本発明を実施するために企図された最適なまたは唯一の態様として開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付のクレームの範囲にある全ての実施形態を含むことが意図されている。さらに用語第１の、第２のなどの使用は、何らかの順序または重要性を表すものではなく、用語第１の、第２のなどは、１つの要素を別のものから区別するのに使用されている。さらに用語ａ、ａｎなどの使用は、量の限定を表すものではなく、言及されるものが少なくとも１つ存在することを表している。
【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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【外国語明細書】
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