JP2003516615A - 燃料電池を動作させるための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、寄生電力消費を低減することにより、燃料電池システムの効率を全体的に向上させる。詳細には、オキシダントの供給を制御して、過剰のオキシダントストリームの流れを低減させて、効率を向上させる。過剰のオキシダントストリームの流れを低減させる工程は、燃料電池システムを約１〜２のオキシダントの化学量論で動作させることによる。オキシダント不足が検出されるか、オキシダントの化学量論が約１となるまでオキシダントの化学量論を低減させるようにコントローラがプログラムされる。オキシダント不足が検出されると、それが検出されなくなるまで、オキシダントの化学量論を増加させる。燃料電池システムでは、動作特性、例えば、電圧出力等を検出するセンサを用いる。コントローラは、動作特性を用いて、オキシダントの化学量論を計算するか、カソードにおいてオキシダント不足が発生する時期を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の分野） 本発明は、燃料電池システムの全体的な効率を向上させた燃料電池を稼動する
ための方法および装置に関する。詳細には、効率は、酸化剤の供給を制御して、
過剰な酸化剤のフローを低減することによって向上される。

【０００２】 （発明の背景） 電気化学燃料電池は、反応体、すなわち、燃料および酸化剤の流体ストリーム
を転化して、電力および反応生成物を発生させる。電気化学燃料電池は、一般的
に、２つの電極間、すなわちカソードとアノードとの間に配置された電解質を用
いる。電極は、それぞれ、電解質と電極との間の界面に配置された電気触媒を含
んでおり、望みの電気化学反応を誘導する。

【０００３】 アノードに供給される燃料流体ストリームは、典型的には、水素を含んでおり
、純粋な水素ガスまたは改質油ストリーム等の希釈された水素ストリームであり
得る。あるいは、メタノールまたはジメチルエーテル等の他の燃料が、アノード
に供給される。アノードでは、この種の燃料が直接酸化され得る。カソードに供
給される酸化剤ストリームは、典型的には、酸素を含んでおり、純粋な酸素ガス
、または空気等の希釈された酸素ストリームであり得る。

【０００４】 燃料電池用に、反応物の化学量論は、本明細書中、燃料電池により生じる電流
を産するために理論的に要求される反応体を上回って供給された反応物の比率と
して規定される。典型的に過剰の酸化剤をカソードに供給する従来通りに稼動さ
れる燃料電池では、カソードにて酸化剤が優先して還元されるので、酸化剤の化
学量論は、一般に、消費される酸化剤を上回って供給された酸化剤の比率として
表される。しかしながら、化学量論が低すぎると、酸化剤の還元によって、燃料
電池による全ての電流が生じるとは限らない可能性がある。他の反応、例えばプ
ロトンの還元等もまた、カソードで起こる可能性があり、電流の出力に寄与する
（すなわち、還元出力電位（ｒｅｄｕｃｅｄ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ）
の結果を伴う）。この例では、酸化剤が依然としてカソードで還元される主要な
構成要素であり得る一方で、電流出力を生じるために理論的に要求される酸化剤
の量が、実際に供給される酸化剤の量よりも高い場合があり得る。その結果、酸
化剤より他の構成要素がカソードで還元される場合、１より少ない酸化剤の化学
量論が維持され得る。酸化剤が、空気等の希釈された酸化剤ストリームである場
合、反応体の構成要素のみ、すなわち、酸素が化学量論の計算の中に考慮される
（すなわち、酸化剤の化学量論が、燃料電池の出力電流を生じるために要求され
る酸素の理論量を上回って供給された酸素量の比率になっている）。

【０００５】 水素および酸素は、燃料電池内で反応性であり、特に、互いに反応性である。
このため、固形ポリマー燃料電池において、膜電解質の重要な機能は、カソード
に供給される酸素から分離されたアノードに供給される水素を維持することであ
る。加えて、膜は、プロトン伝導性であり、電解質として機能する。

【０００６】 燃料電池システムの全体の効率は、燃料電池（単数または複数）の全電力出力
と寄生電力消費との関数である。全寄生電力消費は、本明細書において、電力を
生じる経過の中で燃料電池システムによって消費される全電力の総計として規定
される。最終的な電力出力は、全電力出力から全寄生電力消費を引き算したもの
である。したがって、全体の効率は、寄生電力消費を縮小することによって向上
され得る。

【０００７】 寄生電力消費の一つのソースは、例えば、典型的には、コンプレッサ、ファン
、ポンプ、ロータリーピストン送風機、または酸化剤を燃料電池に供給するため
に電力を消費する等価な機械装置機械装置を用いた酸化剤デリバリーサブシステ
ムである。酸化剤の化学量論をより高くすると、一般に、寄生電力消費がより高
くなる。より多くの酸化剤をカソードに送り出すために、より多くの電力が要求
されるからでる。従来の燃料電池システムは、典型的には、２（２．０）より大
きな酸化剤の化学量論により稼動される。従来の燃料電池システムは、電力要求
を満足させるために実際に要求されるより少なくとも２倍量の酸化剤をカソード
に向けるので、有意な量の寄生電力消費が、過剰の酸素をカソードの方に向ける
ために用いられる。さらに、燃料電池システムは、通常、希釈した酸化剤ストリ
ームを用いる。希釈した酸化剤ストリームは、本明細書中、１００％より少ない
酸化剤を含む流体ストリームとして規定される。例えば、空気が、約２０％の酸
素およびこれに加えて窒素等の他の要素を典型的に含む希釈された酸化剤ストリ
ームである。したがって、空気が希釈した酸化剤ストリームとして用いられた場
合、過剰の酸素に加えて、酸化剤デリバリーサブシステムが他の非反応性の要素
に比例した量をも供給する必要があるために、寄生電力消費は増大する。

【０００８】 高い酸化剤の化学量論に関連する寄生電力消費が許容される一つの理由は、カ
ソードの電気触媒で酸化剤が窮乏（ｓｔａｒｖａｔｉｏｎ）することを避けるた
めに、過剰の酸化剤がカソードで望まれることにある。酸化剤の窮乏は、本明細
書中、酸化剤の化学量論が１より少ないときの状態として規定される。酸化剤が
窮乏すると、典型的な結果として、カソードの電気触媒で酸化剤が欠落して、プ
ロトンおよび電子からの水素分子の生成に特別に偏重した状態になる。酸化剤の
窮乏が深刻な場合、燃料電池は、負の電圧を生じ得る。この状態は、電池反転（
ｃｅｌｌ ｒｅｖｅｒｓａｌ）として公知である。酸化剤ストリームデリバリー
システムは、前述の寄生電量消費が増大するという結果になるとしても、典型的
には、十分に過剰な酸化剤を提供して、性能を維持し、酸化剤が窮乏するおそれ
を低減し、およびカソードで水素が生成するおそれを低減するするように設計さ
れる。

【０００９】 燃料電池において、酸化剤の窮乏は、酸化剤ストリームが電池に入るカソード
の入口から最も遠い下流の領域、例えば、カソード出口の近傍で発生する可能性
が最も高い。過剰の酸化剤を燃料電池に提供する酸化剤の化学量論は、適切な濃
度の酸化剤を、電気触媒に、カソード出口の近傍を含めた、カソードの電気化学
的に活性なエリアの全体にわたって提供する。

【００１０】 従来の燃料電池システムが、低い酸化剤の化学量論を回避することを求める他
の理由は、酸化剤の化学量論が低すぎる場合に、燃料電池内部の温度が急激に上
昇する可能性があることにある。個体ポリマー燃料電池の温度を１００_ＥＣより
下に維持することが一般的に望ましい。燃料電池内の温度が上昇する場合、ある
程度、より低い酸化剤の化学量論での稼動に関連する寄生電力消費低減を埋め合
わせる、冷却システムの負荷がより高くなるため、寄生電力消費は増加する。燃
料電池システムを高い酸化剤の化学量論で稼動する他の不都合な点は、高い酸化
剤の化学量論は、一般に、酸化剤デリバリーサブシステムが酸化剤ストリームを
カソードに供給するために用いられる機械デバイスに対して高速性を要求するこ
とである。ここで、燃料電池システムが商用のために開発されたとすると、商用
燃料電池システムの計画される寿命に関する機械面の考察が、ファクターになる
。従来の高い化学量論の稼動方法における機械面での不都合な点は、このような
方法は、装着物が増大し、より頻繁に整備を行うという結果になり得ることであ
る。酸化剤が空気である場合、高度に過剰な酸化剤供給することによって、流速
が高くなって、空気フィルターの整備を増加し、および／またはフィルターの効
率を低減するために、さらなる稼動費用が生じ得る。 （発明の要旨） 燃料電池システムを稼動する方法は、酸化剤の化学量論を制御して、寄生電力
消費を低減する。その結果、全体の効率を向上し、他方で、性能の低下、電池反
転、カソードでの水素生成、および燃料電池内で生じる熱の増大が生じるおそれ
のある低い酸化剤の化学量論を回避する。本燃料電池システムは、少なくとも一
つの燃料電池を有する燃料電池電力産出サブシステム、および酸化剤ストリーム
を燃料電池のカソードに供給するための少なくとも一つの機械デバイスを含む一
つの酸化剤デリバリーサブシステムを含む。燃料電池は、また、燃料ストリーム
により供給されたアノードを有する。好ましい実施形態において、燃料電池は、
固形ポリマー燃料電池である。

【００１１】 本方法は、機械デバイスを制御して、酸化剤の化学量論をｄＶ／ｄ（ＯＳ）が
所定値「ＰＶ」より大きくなるまで低減することにより寄生電力消費を低減する
工程を含む。ここで、ｄＶは、電池電位の変化であり、ｄ（ＯＳ）は、酸化剤の
化学量論の変化（すなわち、酸化剤の化学量論の関数としして電位をプロットし
た場合の傾き）である。電池電位は、ボルトで測定され、酸化剤の化学量論は、
単位のない比率である。

【００１２】 本発明を実施するために、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）の値は、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）と他の
操作上の特徴との間の関係が既知である場合には、実際に計算される必要はない
。例えば、好ましい実施形態において、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）および／または酸化剤
の化学量論に相関する操作上の特徴が監視され得る。本燃料電池システムは、監
視された操作上の特徴が、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）がＰＶに等しいかまたはＰＶより大
きい時点に相関する値の場合に作動を始めるよう制御される。例えば、典型的な
燃料電池システムにおいて、正常な稼動の間、電流密度が一定に維持され、酸化
剤の化学量論が低下した場合に、特定の電池電位がｄＶ／ｄ（ＯＳ）がＰＶに増
加した時点に相関する。すなわち、電池電位が閾値電圧より下に減少する場合に
、これにより、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）がＰＶより高いときが決定される。したがって
、燃料電池システムは、寄生電力消費を、酸化剤デリバリーサブシステムを制御
して電圧出力を以内に、約１と２との間の酸化剤化学量論の範囲に典型的に対応
する所定の電圧範囲内に維持することにより低減するように稼動され得る。ここ
で、ＰＶは、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）が、選択された電圧範囲のより低い制限で、ＰＶ
に等しくなるように選択される。酸化剤の化学量論に対する好ましい範囲は、即
時の稼動状態に従って実際に変更し得る。例えば、燃料電池がアイドリングまた
は低出力状態で稼動される場合、より高い酸化剤の化学量論が、カソードでの水
の蓄積を防止するために好適であり得る。したがって、ＰＶの値は、動力学的（
ｄｙｎａｍｉｃ）であり得る。

【００１３】 燃料電池の特徴および／または反応体の種類も、好ましい酸化剤の化学量論の
範囲に影響し得る。例えば、直接メタノール燃料電池において、より高い化学量
論が典型的に用いられるが、供給される反応体は、依然として制御されて、ｄＶ
／ｄ（ＯＳ）がＰＶより高く増加することを防止し得る（ただし、直接メタノー
ル燃料電池に関し、ＰＶは、水素ガスまたは改質油が燃料ストリームとして送り
込まれる燃料電池に比較して、より高い化学量論に対応する）。

【００１４】 同様に、電流密度が一定であり、酸化剤の化学量論が低減されつつある場合に
は、特定の酸化剤の化学量論が、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）がＰＶに増加した時点に相関
する。これにより、酸化剤の化学量論に相関する、カソードの排出ストリーム内
の酸素濃度等の操作上の特徴は、酸化剤の化学量論がｄＶ／ｄ（ＯＳ）がＰＶよ
り大きい値またはＰＶに等しい値に増加する時点に相関する値に低減される時点
を判定するために、監視され得る。酸化剤供給ストリーム内の酸化剤の濃度は、
典型的には既知であるが、酸化剤供給ストリームが可変の酸化剤濃度（例えば、
濃縮酸化剤システムが用いられた場合）を有する場合には、本方法は、酸化剤排
出ストリーム内の酸化剤濃度を監視および測定する工程に加えて、酸化剤供給ス
トリーム内の酸化剤濃度を監視および測定する工程をさらに含み得る。あるいは
、酸化剤の化学量論は、異なる操作上の特徴、例えば、サブシステムを生じる燃
料電池出力に対する電流出力等を監視および測定することによって判定され得る
。このサブシステムは、酸化剤排出ストリーム内の酸化剤濃度に加えて、酸化剤
の化学量論を計算するために用いられ得る。

【００１５】 ｄＶ／ｄ（ＯＳ）の値は、一般に、酸化剤の化学量論および電池電位の両方が
減少するにつれて増加する。一実施形態において、ＰＶは、酸化剤の窮乏が発生
し始めるか時点または酸化剤の窮乏が性能の減退を引き起こし始める時点に対応
する。より好ましい実施形態において、ＰＶは、酸化剤の化学量論におけるさら
なる低減が、電池電位の出力において鋭い減退を引き起こす時点、例えば、ｄＶ
／ｄ（ＯＳ）が０．０２ボルトより高くなる時点に対応する。好ましくは、ＰＶ
は、０．３ボルトと７．０ボルトとの間であり、燃料電池システムは、ほぼｄＶ
／ｄ（ＯＳ）がＰＶより低い時点で稼動する。ＰＶに対して選択された値は、酸
化剤の化学量論を制御し、酸化剤の化学量論は、正常な駆動の間、約１と２の間
に維持され、安定状態での稼動の間、約１または所定の目標値、好ましくは、１
と１．５との間に近づけられる。

【００１６】 本方法を実施するための好ましい装置において、燃料電池は、スタック内に配
置された複数の燃料電池のうちの一つである。本方法が燃料電池スタックに適用
される場合、センサーが、一つ以上の個々の燃料電池に対しておよび／または全
体としてのスタックに対して、操作上の特徴を監視し得る。このため、センサー
は、スタックの端部プレートの外側端部表面間に配置された、反応体の通路（例
えば、内部カソード排出通路）の一部分内の操作上の特徴（例えば、酸化剤また
は水素濃度）を監視するために配置され得る。

【００１７】 酸化剤の化学量論は、好ましくは、酸化剤ストリームの質量の流速を制御する
こと、例えば、コンプレッサ、ファン、ポンプ、または送風機等の機械デバイス
のスピードを制御することによって制御される。機械デバイスのスピードを低減
することは、一般的に、寄生電力消費を低減し、酸化剤の化学量論を低減する。
しかしながら、酸化剤の化学量論を制御する代替の方法が、用いられ得、この方
法を用いても、寄生電力消費を低減する。例えば、濃縮酸化剤サブシステムが用
いられた場合、酸化剤の化学量論が、燃料電池電力産出サブシステムのカソード
（単数または複数）に供給された酸化剤ストリーム内の酸化剤の濃度を増加また
は減少させることによって制御され得る。酸化剤の化学量論を制御する他の方法
は、の燃料電池の電力出力を調節することである。ここでは、電力出力を低減す
ることは、一般的に、酸化剤の化学量論を増加させる。

【００１８】 水素センサーを用いる好ましい方法（「水素センサー法」）は、以下の（ａ）
および（ｂ）の工程を含む。

【００１９】 （ａ）カソードのカソード排出ストリームの下流ストリームを監視し、水素ガ
ス濃度を検出する工程 （ｂ）水素ガス濃度が第一の閾値濃度より低い場合に、酸化剤の化学量論を減
少させる工程 水素センサ方法は、水素濃度が第２の閾値濃度よりも高い場合（例えば、２０
ｐｐｍの水素）、オキシダント化学量論を増加させるステップをさらに包含し得
る。第２の閾値濃度は、実際のオキシダント欠乏または潜在的なオキシダント欠
乏を示す動作条件に相関している。第１の閾値濃度は、例えば、カソード排出ス
トリームをモニタするように使用される水素センサの下側検出限界であり得る。
第２の閾値濃度は第１の閾値濃度よりも高い。水素濃度が第１の閾値濃度と第２
の閾値濃度との間にある場合、コントローラは、オキシダント化学量論を調整す
るために何ら動作しない。

【００２０】 オキシダント欠乏を検出するようにカソード排気ストリームにおいて測定され
た水素濃度を用いる際の問題は、オキシダント欠乏はカソードにおいて検出され
ている水素ガスのみが考えら得る原因ではないことである。例えば、燃料が水素
を含む場合、ホールまたはクラックが膜またはシール内に形成されてもよく、リ
アクタントがアノード側からカソード側に「クロスオーバ」するか、カソード側
からアノード側に「クロスオーバ」することが可能になる。有意なリアクタント
クロスオーバが検出される場合、従来の応答は、燃料電池を修復するか、交換し
得るように燃料電池を停止することである。燃料クロスオーバとオキシダント欠
乏との両方により、燃料電池の性能は低減し得るが、ある条件の検出には、他の
条件に対して必要とされる応答とは異なる応答を必要とする。カソードにおいて
生成される水素を生じるオキシダント欠乏により、一般的に、オキシダント化学
量論を増加させる必要があり、有意な場合、燃料クロスオーバは、燃料電池を停
止させる必要があり得る。したがって、燃料が水素を含む場合、行われる適切な
動作に対して、コントローラがオキシダント欠乏と燃料クロスオーバとを区別可
能であることが望ましい。水素センサ方法の以下の実施形態は、オキシダント欠
乏と燃料クロスオーバとを区別するための手順を提供する。

【００２１】 水素センサ方法は、水素ガス濃度が第２の閾値濃度よりも高い場合、カソード
排出ストリーム内の水素ガス濃度を低減するためのステップをさらに包含しても
よく、そのステップは、オキシダントストリームマスフローレートを最大の所望
なマスフローレートと比較するステップであって、 （ａ）オキシダントストリームマスフローレートが最大の所望なマスフローレ
ートよりも小さい場合、オキシダントマスフローレートを増加させ（すなわち、
オキシダントマスフローレートはカソードにおいて検出されている水素よりも少
ない場合、オキシダント欠乏が検出されている水素にたぶん起因していたと確認
され、オキシダント欠乏がカソードにおける水素源ではない場合、オキシダント
ストリームマスフローレートが、最大の所望なマスフローレートにまですぐに増
加し、コントローラは燃料クロスオーバがたぶん水素源であると判定する）、 （ｂ）オキシダントマスフローレートがすでに最大の所望なマスフローレート
以上である場合、水素ガス濃度が、第１の濃度閾値および第２の濃度閾値よりも
大きい第３の濃度閾値よりも大きいとき、燃料電池の動作を停止させ（すなわち
、オキシダントストリームマスフローレートはすでに所望な最大のマスフローレ
ートであるか、所望な最大のマスフローレートを越えているので、オキシダント
欠乏は、おそらく、カソード排出ストリームにおける水素源ではなく、水素濃度
は第３の閾値よりも大きいので、これは、アノードとカソードとの間のリークを
通る過剰量の燃料であるかもしれないことを示す）、 水素ガス濃度が第３の濃度閾値より小さい場合、警告信号を生成し、燃料電池
を動作させ続ける（言い換えれば、すなわち、カソード排出ストリームにおける
水素濃度が第３の閾値よりも小さい場合、燃料電池システムが安全に動作し得る
ように、第３の閾値の値は選択される）、 ステップを包含する。

【００２２】 水素センサ方法は、水素ガス濃度に対するカソード排出ストリームを連続的に
モニタし、水素ガス濃度が第２の閾値濃度よりも大きい場合、水素ガス濃度が増
加しているか、減少しているかを判定するステップをさらに包含してもよく、そ
の方法は、 水素濃度が減少している場合、オキシダント化学量論を実質的に一定に保持す
るステップと、 水素濃度が増加している場合、オキシダント化学量論を増加するステップとを
さらに包含する。

【００２３】 水素濃度が増加しているか、減少しているかをモニタするステップに加えて、
水素ガス濃度が第２の閾値濃度よりも大きい場合、その方法は、また、水素源が
オキシダント欠乏か、燃料クロスオーバかを判定するための追加のステップを包
含してもよい。例えば、その追加のステップは、 燃料電池電圧を測定し、それを電圧閾値と比較するステップであって（Ｂａｌ
ｌａｒｄ_７（Ｒ） ＭＫ Ｖ燃料電池に対して、電圧閾値は、例えば、１００ミ
リボルトであり得る）、 燃料電池電圧が電圧閾値を越え、水素ガス濃度が増加している場合、燃料スト
リームの圧力を減少させ（この場合、電圧は閾値を越えるので、水素濃度を増加
させる理由は恐らくリークであり、リークの影響を減らすために、その方法は、
燃料ストリームの圧力がオキシダントストリームの圧力以下であるように燃料ス
トリームの圧力を制御するステップを包含することが好ましい）、 燃料電池電圧が電圧閾値より小さい場合、水素ガス濃度は増加しており、オキ
シダントマスフローレートは所望な最大のマスフローレートよりも小さく、オキ
シダント化学量論を増加させ（この場合、オキシダントマスフローレートは所望
な最大のマスフローレートよりも小さいので、電池電圧が低く、水素ガスが存在
することの原因はオキシダント欠乏であり得、コントローラは、オキシダント化
学量論を増加させることによって、この条件を補正しようと試みる）、 燃料電池電圧が電圧閾値よりも小さい場合、水素ガス濃度は増加しており、オ
キシダントマスフローレートは所望な最大のマスフローレート以上であり、燃料
ストリームの圧力を減少させる（この場合、低い電池電圧は、オキシダント欠乏
またはアノードからカソードへの燃料リークによって生じ得、オキシダントマス
フローレートはすでに所望な最大のマスフローレート以上であるので、燃料スト
リームの圧力は減少し、それにより、カソードにおける燃料電池電力出力と酸素
消費が減少し、オキシダント欠乏に対抗し、任意のリークの影響を減らす）、 ステップを包含し得る。

【００２４】 さらなる追加のステップは、検出された水素ガス濃度がオキシダント欠乏また
は燃料クロスオーバによって生じるかを確認し得る。例えば、その方法は、また
、オキシダントおよび燃料ストリームの流体圧力を調整し、オキシダントと燃料
ストリームとの間の圧力差を増加させるか、または、減少させて、カソードにお
いて測定された水素がリークまたはオキシダント欠乏によって生じるかを判定す
ることを支援するステップを包含してもよい。圧力差の変化が測定された水素濃
度の有意な影響を有する場合、水素クロスオーバを伴う有意な問題が存在してい
ると判定し得る。

【００２５】 上記の任意の問題に関して、オキシダント化学量論は、一般的に、オキシダン
トコンプレッサまたはブローワの速度を制御することによって調整される。しか
し、オキシダント化学量論を変化させる他の方法も使用され得る。例えば、オキ
シダント供給ストリームのオキシダント濃度を調整すること、または、オキシダ
ント供給ストリームのマスフローレートを変化させることなく、燃料電池の電力
出力を変化させることである。オキシダントストリームマスフローレートを調整
する場合、一般的に、固定量によって、すなわち、即時のオキシダントストリー
ムマスフローレートの固定された割合によって、出力は変化される。あるいは、
オキシダント化学量論は、検出された水素ガス濃度の大きさに依存した量によっ
てオキシダントストリームマスフローレートを調整することによって、調整され
得る。例えば、コントローラは、わずか量の過剰な酸素のみが検出される場合と
比較して、多くの過剰な酸素が検出される場合のより大きな量によって、オキシ
ダント化学量論を減らすようにプログラミングされ得る。

【００２６】 寄生電力消費を減らすようにオキシダント配送サブシステムを制御する方法は
、燃料電池に対するオキシダント配送サブシステムを較正するステップを含み得
る。例えば、較正方法は、 （ａ） 特定の電力出力において燃料電池を動作させるステップと、 （ｂ） オキシダントストリームを燃料電池のカソードに供給するステップと
、 （ｃ） 機械的オキシダント配送デバイスの動作速度を調整するステップと、 （ｄ） ｄｖ／ｄ（オキシダント化学量論）に対応する動作特性を測定するス
テップと、 （ｅ） ｄｖ／ｄ（オキシダント化学量論）が所定の値に等しい場合、その特
定の電力出力およびその動作速度に対する所望な動作速度として記録するステッ
プと を包含し得る。

【００２７】 その較正方法は、機械的オキシダント配送デバイスに関する所望な動作速度が
決定され、多くの異なる電力需要に対するルックアップテーブルに記録され得る
ように、複数の電力出力に対して繰り返され得る。次いで、所望な動作速度は、
即時の電力需要に対応する動作速度に対するルックアップテーブルを参照するこ
とによって決定され得る。

【００２８】 較正方法の利点は、燃料電池の動作寿命の間にそれを使用して、燃料電池の経
時的な変化を調整し得ることである。例えば、燃料電池特性のいくつかは経時的
な劣化を受け、燃料電池の動作寿命に対する化学量論的用件を変化させ得る。

【００２９】 本発明の方法および装置は、また、燃料電池スタックに供給されるオキシダン
トの量を制御し、オキシダントの供給過剰によって生じるシステムの非効率を減
らす。好適には、その方法は、また、オキシダント化学量論を増加させて、オキ
シダント欠乏条件を避けるようにオキシダント配送サブシステムを制御する。し
たがって、オキシダント化学量論が減少し得るか、増加し得る場合、およびオキ
シダントのフローが完全に切り離される場合に検出される燃料電池の動作方法が
提供される。

【００３０】 本発明の方法は、また、燃料電池を動作させ、過剰な燃料フローを減少させる
ように燃料の供給を制御することによって寄生電力消費をさらに減らすように使
用され得る。オキシダント供給を制御するための本発明の方法に適用される同じ
原理が、燃料供給を制御するための方法に適用される。燃料電池は、一般的には
、機械デバイス（例えば、燃料電池（単数または複数）のアノード（単数または
複数）に燃料ストリームを供給するコンプレッサまたはポンプ）に使用される。
したがって、寄生電力消費は、燃料電池アノード（単数または複数）に供給され
る過剰な量の燃料を減らすように燃料化学量論およびコンプレッサによって行わ
れる仕事量を減らすことによって、減少され得る。燃料化学量論の減少は、一般
的には、ｄＶ／ｄ（燃料化学量論）の増加を引き起こす。本発明の方法によれば
、ｄＶ／ｄ（燃料化学量論）が所定の閾値より大きく増加するまで、燃料化学量
論を減らすことによって、燃料化学量論は所定の範囲内に保持される。所定の範
囲および閾値は、特定の燃料電池または燃料電池スタックのそれぞれの特定の特
性および動作条件に依存する。所定の範囲は、例えば、これらの要因を考慮して
経験的に決定され得る。

【００３１】 一般的には、ｄＶ／ｄ（リアクタント化学量論）が０．０２ボルトより大きく
増加するまで、リアクタント化学量論を減らすことが望ましい。ｄＶ／ｄ（リア
クタント化学量論）に関する所定の値が０．３０ボルトと７．０ボルトとの間で
あることが、より好ましい。電圧降下は、一般的には、オキシダント欠乏と比較
された燃料欠乏に対してよりシビアであり、電池電圧がモニタされた特性の１つ
である場合、この影響は、オキシダントまたは燃料欠乏を識別することを支援す
るように使用され得る。

【００３２】 本発明の利点、本質およびさらなる特徴は、添付の図面とともに以下の詳細な
説明から明らかになる。

【００３３】 （好適な実施形態の詳細な説明） 図１は、燃料電池システムの燃料電池電力生成（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｐｏｗ
ｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ）サブシステム、オキシダント送達サブシステム、
および燃料送達サブシステムを示す回路図である。燃料電池電力生成サブシステ
ムは、端板１０２と端板１０３との間に置かれている複数の燃料電池１０１を含
む燃料電池スタック１００を含む。燃料電池電力生成サブシステムはさらに、セ
ンサ１０４を含む。燃料電池スタック１００が動作している場合、センサ１０４
は、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）と相関関係にある動作特性を測定する。例えば、燃料電池
スタック１００が一定の電流密度で動作している場合、センサ１０４は、オキシ
ダントの化学量論（ｏｘｉｄａｎｔ ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）、電池電圧
、または、オキシダント欠乏（ｏｘｉｄａｎｔ ｓｔａｒｖａｔｉｏｎ）が燃料
電池カソードで生じる場合に典型的に検出される特性と関連する動作特性を測定
し得る。

【００３４】 センサ１０４はコントローラ１０５に信号を出力し、コントローラ１０５はこ
の信号を処理して、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）が所望の動作範囲内にあるとき、および、
オキシダントの化学量論を調整してｄＶ／ｄ（ＯＳ）を所望の動作範囲内に復元
（ｒｅｓｔｏｒｅ）させる必要があるときを決定する。例えば、測定された動作
特性が、オキシダントの化学量論、および／または、カソードにおけるオキシダ
ント欠乏に関する実際のまたは潜在的な条件の存在を示す場合、オキシダントの
化学量論は増加させられ得る。好適には、所望の動作範囲は、燃料電池が所望の
電力出力を生成することを抑制する任意のオキシダント欠乏がカソードで生じる
ことを防止する。

【００３５】 センサ１０４によって監視される動作特性が、カソードイグゾーストストリー
ムの中のガスの濃度である場合、センサ１０４は、カソード排気路の内部に配置
されている検出素子を含み得、その結果、その検出素子をカソードイグゾースト
ストリームへと露出させる。検出素子が配置されているカソード排気路の一部分
は、燃料電池スタック１００の内部にあるマニホルドまたは流体路であり得る、
あるいは、カソード排気路１１６内にあり得る。

【００３６】 一実施形態において、オキシダントの化学量論は、センサ１０４を使用して制
御されて、オキシダントの化学量論と相互関係にある動作特性を測定する。別の
実施形態において、センサ１０４は、カソードにおけるオキシダント欠乏を表示
する動作特性を検出し、オキシダントの化学量論を制御し得、その結果、燃料電
池スタック１００に供給される過剰オキシダントの量を減少させると共に、燃料
電池カソードにおける有害なオキシダント欠乏を防止する（すなわち、この実施
形態において、コントローラ１０５は、センサ１０４が実際のまたは潜在的なオ
キシダント欠乏を検出する場合、オキシダントの化学量論を増加させ、オキシダ
ント欠乏が検出されない場合、オキシダントの化学量論を減少させ得る）。さら
に別の実施形態において、コントローラ１０５は、オキシダント欠乏に関して点
検を行うと共に、所定の動作範囲内にｄＶ／ｄ（ＯＳ）を維持する。オキシダン
ト欠乏が検出されると、オキシダントの化学量論は、オキシダント欠乏がもはや
検出されなくなるまで増加させられる。しかし、これは、所望の動作範囲より上
にｄＶ／ｄ（ＯＳ）を一時的に上昇させる結果となり得る。

【００３７】 燃料送達サブシステムは、燃料供給路１０７を介して、燃料供給源１０６から
燃料電池スタック１００のアノードへと燃料の流れを供給する。燃料の流れが、
実質的に純粋な水素などの圧縮ガスである場合、燃料供給源１０６は、圧力容器
および圧力制御バルブ（図示せず）を含み得、燃料電池スタック１００へと供給
される燃料の流れの圧力を調整し得る。あるいは、燃料は、メタノールなどの液
体燃料であり得、燃料供給源１０６は、燃料タンクを含み得る。液体燃料（すな
わち、いわゆる「液体給電の燃料電池（ｌｉｑｕｉｄ ｆｅｅｄ ｆｕｅｌ ｃ
ｅｌｌ）」）は、燃料電池スタック１００へと直接供給され得る。あるいは、メ
タノール、天然ガス、または他の炭化水素などの燃料はさらに処理されて、ガス
状の水素を含有する改質油ストリームを生成し得、この場合、燃料供給源１０６
は、燃料プロセッサをさらに含む。燃料保存タンクが加圧されていない場合、燃
料送達サブシステムは、コンプレッサまたはポンプをさらに含み得、その結果、
燃料電池スタック１００に供給される燃料の流れの圧力および質量流量を制御し
得る。燃料の流れが燃料電池スタック１００のアノードに向けられて、所望の電
気化学反応に加わった後、燃料が消耗した（ｆｕｅｌ−ｄｅｐｌｅｔｅｄ）燃料
排気流は、燃料排気路１０８を介して燃料電池スタック１００から排出される。

【００３８】 図１に示される好適な実施形態において、オキシダント送達サブシステムは、
オキシダント供給源１１０と、オキシダント供給ストリームの圧力を上昇させる
機械的装置１１１と、機械的装置１１１に電力を提供するために機械的装置１１
１に結合されている電気モータ１１２とを含む。オキシダント供給源１１０は、
オキシダントの供給を保持する容器を含み得るが、さらに典型的には、オキシダ
ント供給源１１０は、周囲の大気から空気を受け取りかつ濾過する吸気口を含む
。オキシダント供給ストリームは、オキシダント供給源１１０から機械的装置１
１１に向けられ、この機械的装置１１１は、オキシダントストリームの圧力を上
昇させる。加圧されたオキシダント供給ストリームは、オキシダント供給路１１
３を介して燃料電池電力生成サブシステムに向けられる。

【００３９】 コントローラ１０５は、センサ１０４から出力信号を受け取る。この出力信号
は、コントローラ１０５によって処理されて、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）が所望の動作範
囲内にあるかどうかを決定する。コントローラ１０５は、オキシダント送達サブ
システムと通信して、機械的装置１１１の出力を制御し、その結果、ｄＶ／ｄ（
ＯＳ）を所定かつ所望の動作範囲（好適には、約１〜２のオキシダントの化学量
論に相当する）内に維持する。

【００４０】 例えば、図１に示される実施形態において、コントローラ１０５は、電気モー
タ１１２を制御して、機械的装置１１１の速度を制御する。機械的装置１１１は
典型的には、回転ピストンコンプレッサまたは往復ピストンコンプレッサなどの
コンプレッサである。しかし、例えば、ポンプ、ファン、または送風器などの他
のタイプの機械的装置も使用され得る。機械的装置１１１は、オキシダント供給
ストリームの圧力を上昇させて、所望のオキシダント質量流量を燃料電池スタッ
ク１００内の燃料電池カソードへと向けるために十分なエネルギーを提供する。
カソードの後に、酸素が消耗したオキシダントストリームは、カソード排気路１
１６を介して燃料電池スタック１００から最終的に排出される。

【００４１】 好適な方法において、定常状態の動作の間、コントローラ１０５は、オキシダ
ント送達サブシステムを制御して、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）の値をオキシダントの化学
量論が約１に近い場合に動作条件に一致させる。定常状態の動作は、本明細書中
、燃料電池スタック１００の電力出力が実質的に一定である場合の燃料電池シス
テムの動作モードとして定義される。通常の動作の間、電力需要が動的である場
合、コントローラ１０５は、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）が所定かつ所望の動作範囲（好適
には、オキシダントの化学量論が約１〜２の場合に相当する）内で変化すること
を可能にし得る。通常動作は、本明細書中、コントローラ１０５がより高いまた
はより低いオキシダントの化学量論に相当するｄＶ／ｄ（ＯＳ）の値を可能にし
得る場合、起動モードおよび停止モードをそれぞれ除くように定義される。好適
な方法によって、寄生電力需要（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｄｅｍａｎ
ｄ）は、定常状態の動作の間、オキシダントの化学量論を２より少なく、好適に
は、約１に近く維持することによって、オキシダント送達サブシステムの電力消
費を減少させることにより、通常動作の間減少させられる。

【００４２】 第１の好適な実施形態において、センサ１０４は、燃料電池スタック１００か
らの電圧出力を測定する。通常動作の間、一定の電流密度において、燃料電池の
電圧出力は、オキシダントの化学量論と相関し、このため、センサ１０４が燃料
電池の電圧出力を測定する場合、センサ１０４を使用して、オキシダントの化学
量論およびｄＶ／ｄ（ＯＳ）が決定され得る。例えば、図２ａのプロットＡは、
１平方フィート当たり５００アンペア（１平方センチメートル当たり約５４０ミ
リアンペア）の一定の電流密度における燃料電池の動作に関して、電圧出力（左
ｙ軸）をオキシダントの化学量論（ｘ軸）の関数として示す。すなわち、少なく
とも１つの電池電圧出力またはオキシダントの化学量論が既知である場合、ｄＶ
／ｄ（ＯＳ）は、プロットＡを参照することによって決定され得る。図２ｂのプ
ロットＣは、電圧出力をオキシダントの化学量論の関数として示し、図２ｂのプ
ロットＤは、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）をオキシダントの化学量論の関数として示す。図
２ｂのプロットＤは、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）の所定の閾値を選択することにより、ｄ
Ｖ／ｄ（ＯＳ）が所定の閾値より大きいかまたは等しい場合にオキシダントの化
学量論が増加させられる限り、性能に重大な犠牲をもたらさずに、オキシダント
の化学量論が１に近づくまで減少さ得ることを示す。例えば、図２ｂの燃料電池
に関して、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）の所定の閾値は、０．０２〜０．３の値であり得る
。閾値０．３に関して、オキシダントの化学量論は、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）が約０．
３より上に増加する前に、約１．２に減少させられ得る。この時点で、電圧出力
はまだ０．６ボルトより高く、このため、燃料電池の性能は、著しく妥協されな
い。

【００４３】 図２ａおよび図２ｂの例において、燃料電池は、Ｎａｆｉｏｎ_Ｊ １１７（テ
トラフルオロエチレンとペリフルオロビニルエーテルスルホン酸との共重合体）
から生成される固形ポリマーイオン交換膜を利用するＢａｌｌａｒｄ_７ ＭＫ
Ｖ燃料電池である。電極は、Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．製の
厚さが０．０９インチ（約２．２９ｍｍ）の炭素繊維紙から生成される。電極上
の触媒層は、テトラフルオロエチレンバインダーと混合されている白金ブラック
触媒である。各電極上に負荷されている触媒は、４ｍｇ／ｃｍ^２である。

【００４４】 図２ａおよび図２ｂの例において、燃料電池の電圧出力が監視される場合、ｄ
Ｖ／ｄ（ＯＳ）自体が監視される必要はない。なぜならば、電圧出力とｄＶ／ｄ
（ＯＳ）との間の関係が決定され得るからである（例えば、図２ｂを参照）。従
って、オキシダント送達サブシステムは、電圧出力を約０．６３ボルト〜約０．
６７ボルトに維持するために制御され得、その結果、オキシダントの化学量論は
、約１．１２〜約１．４に維持される。すなわち、センサ１０４が０．６７ボル
トより高い電圧出力を検出する場合、コントローラ１０５は、オキシダント送達
サブシステムを制御して、機械的装置１１１の速度を減少させ、その結果、寄生
電力消費を減少させ、オキシダントの化学量論を減少させ、かつ、ｄＶ／ｄ（Ｏ
Ｓ）を所望かつ所定の範囲内に維持する。センサ１０４が０．６３ボルトより低
い電圧出力を検出する場合、コントローラ１０５は、オキシダント送達サブシス
テムを制御して、機械的装置１１１の速度を増加させ、その結果、ｄＶ／ｄ（Ｏ
Ｓ）を低下させ、かつ、電圧出力およびオキシダントの化学量論を増加させ、そ
の結果、燃料電池カソードにおけるオキシダント欠乏を防止する。

【００４５】 当業者は、例えば、電気化学活性領域の大きさなどの異なる機能を有する燃料
電池スタックは、同じ条件のもとで動作し得、かつ、図２ａに示される電圧と異
なる電圧を生成し得ることを理解する。しかし、任意の特定の燃料電池または燃
料電池スタックに関して、電圧出力とオキシダントの化学量論との間の同様の関
係が、通常動作条件においてプロットかつ使用して、オキシダントの化学量論を
制御し得、その結果、寄生電力消費を減少させ、かつ、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）を所望
かつ所定の範囲内に維持する。

【００４６】 図２ａはまた、プロットＢを示し、このプロットＢは、同じ燃料電池に関して
、燃料電池内に生成される理論上の熱（右ｙ軸）をオキシダントの化学量論（ｘ
軸）の関数として示す。燃料電池内に生成される熱の理論上の量は、燃料電池の
熱平衡を計算することにより計算される。すなわち、この計算は、入口および出
口の流体流の全体のエンタルピーと、生成される電力とを考慮することにより、
生成される熱を決定する。プロットＢは、この特定の燃料電池に関して、オキシ
ダントの化学量論が１．２〜０．９の場合、その中に生成される熱が実質的に増
加することを示す。燃料電池内の温度の増加が、冷却サブシステムによる寄生電
力消費を増加させ得るため、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）の所望かつ所定の範囲を選択する
際にこの効果を考慮することも重要である。従って、いくつかの燃料電池に関し
て、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）の所望の範囲は、約１．２〜２．０のオキシダントの化学
量論の範囲と相関し得る。

【００４７】 図２ｃは、各燃料電池が平方フィートあたり５００アンペアの定電流密度（平
方センチメータあたり約５４０ミリアンペア）で動作する、スタックに構成され
た４つの燃料電池からのデータのプロットである。プロットＥからＨはそれぞれ
、スタックになっている４つの燃料電池のうちのそれぞれ一つに対するオキシダ
ント化学量論の関数としてｄＶ／ｄ（ＯＳ）を示す。プロットＩは、オキシダン
ト化学量論に対する平均値ｄＶ／ｄ（ＯＳ）を示す。図２ｂと同様、図２ｃは、
オキシダント化学量論とｄＶ／ｄ（ＯＳ）との関係、およびオキシダント化学量
論が１に向かって減少するにしたがって、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）がいかに進歩的に増
加するかを示す。

【００４８】 図２ｃは、燃料電池スタック内で、異なる燃料電池に対するｄＶ／ｄ（ＯＳ）
には種々の値があり得ることを示す。この場合、燃料電池は平均値ｄＶ／ｄ（Ｏ
Ｓ）に関して制御され得る。あるいは、選択された燃料電池に対するｄＶ／ｄ（
ＯＳ）の値をモニタリングして、全燃料電池スタックのオキシダント化学量論を
制御し得る。選択された燃料電池をオキシダント化学量論の変化により応答する
ように製造し得、これにより、オキシダント化学量論を制御して燃料電池の性能
が大きく変動することを防ぎ得る。例えば、選択された燃料電池の電圧出力がス
タックになっている他の燃料電池の電圧出力より速く減少し、燃料電池スタック
の電圧出力が著しく減少する前にオキシダント化学量論が増加し得るように、選
択された燃料電池を設計することが可能である。

【００４９】 図３ａ、図３ｂおよび図４〜図１２のロジックダイヤグラムを、図１に示す燃
料電池システムのコンポーネントを参照しながら説明する。

【００５０】 好適な実施形態において、制御器１０５を、図３のロジックダイアグラムに示
す方法を実行するようにプログラムし得る。この方法において、制御器１０５は
、モータ１１２および機械デバイス１１１を用いてオキシダントストリームの質
量流量を制御することによって、オキシダント化学量論を制御して、センサ１０
４から発信された信号に応答して寄生電力消費を減少させる。本方法は工程１２
０において開始する。工程１２２において、反応物が燃料電池スタック１００に
供給され、センサ１０４が作動する。工程１２４において、スタック１００の動
作の間、センサ１０４はｄＶ／ｄ（ＯＳ）と相関する少なくとも一つの動作特性
をモニタリングする。例えば、定電流密度で動作する燃料電池に関して、センサ
１０４によって測定される動作特性は、燃料電池電圧出力またはオキシダント化
学量論と相関する動作特性であり得る。なぜならば、これらの動作特性のうちの
一つが分かっている場合、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）はオキシダント化学量論の関数（例
えば、図２ａ）として電池電圧のプロットを参照することによって決定され得る
からである。センサ１０４は燃料電池スタック１００の電圧出力または選択され
た個々の燃料電池１０１の電圧出力を測定して、スタック１００または個々の燃
料電池１０１それぞれのｄＶ／ｄ（ＯＳ）を決定し得る。あるいは、センサ１０
４がカソードイグソーストストリーム中の酸素濃度を測定して、ｄＶ／ｄ（ＯＳ
）と相関するオキシダント化学量論を決定し得る。オキシダント供給ストリーム
中の酸素濃度は、純酸素（すなわち、１００％）または大気（すなわち、２０％
）と知られる。希釈されたオキシダント供給ストリーム中の酸素濃度が一定でな
い場合、酸素センサを用いて、燃料電池スタック１００の上流の酸素濃度が測定
され得る。あるいは、カソードイグソースト中の燃料電池電流出力および酸素濃
度が分かっている場合、制御器１０５が、燃料電池によって消費された酸素量を
判定することによってオキシダント化学量論を計算して、電流を生成し得る。

【００５１】 別の実施形態において、センサ１０４がカソードイグソーストストリーム中の
水素濃度を測定する場合、閾値量より多い水素（例えば、２０ｐｐｍ）の検出は
、著しい量のオキシダントの欠乏が燃料電池カソードにおいて生じていることを
示し得る。この実施形態において、水素濃度は、燃料電池に関するオキシダント
化学量論と相関するオキシダントの欠乏の強度を決定する。したがって、センサ
１０４は、それ自体または他の要素と組み合わせて、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）と相関す
る任意の動作特性の測定値を表す信号を出力する。したがって、センサ１０４か
らの出力信号は、制御器１０５によって受信され、そして、処理されて、ｄＶ／
ｄ（ＯＳ）を計算または推定し得る。これにより、制御器１０５は、オキシダン
ト化学量論を制御して、寄生電力消費を減少し得る。

【００５２】 工程１２６および１２８において、制御器１０５は、動作特性が所望の範囲内
にあるｄＶ／ｄ（ＯＳ）と相関するか否かを判定する。工程１２６において、動
作特性が第一の所定の値（すなわち、所望のオキシダント化学量論の範囲の上限
）よりも低いｄＶ／ｄ（ＯＳ）と相関する場合、次いで、工程１３２において、
制御器１０５はオキシダント化学量論を減少させる。工程１２８において、動作
特性が第二の所定の値（すなわち、所望のオキシダント化学量論の範囲の下限）
よりも高いｄＶ／ｄ（ＯＳ）と相関する場合、次いで、工程１３４において、制
御器１０５は、オキシダント化学量論を増加させる。現在のオキシダント化学量
論が所望の範囲内にあると判定された場合（すなわち、工程１２６および１２８
の両方において提起された質問に対する答えが「いいえ」である場合）、オキシ
ダント化学量論を変更する工程は取られない。工程１２８、１３２または１３４
の後、センサ１０４が依然作動しているか否かが判定される。センサ１０４が作
動し続けている限り、本方法は工程１２４に戻ることによって繰り返される。セ
ンサ１０４がもはや作動していない場合、プロセスは工程１３８において終了す
る。

【００５３】 図３ｂの方法は、実質的には図３ａの方法と同じであるが、オキシダントの欠
乏が検出されたか否かを特にチェックする工程１２５が追加されている。図３ｂ
および図３ａの両方の方法に共通の工程に関して、同じ参照符号を用いる。

【００５４】 オキシダント化学量論の所望の動作範囲は、カソードにおける著しいオキシダ
ントの欠乏を通常防ぐ下限を有し得る。しかし、オキシダント化学量論が１より
相当高い場合でさえも（例えば、オキシダント化学量論が所望の動作範囲内にあ
る場合でさえも）、局所化したオキシダントの欠乏が生じ得る。局所化したオキ
シダントの欠乏は、カソードのうちのオキシダントが触媒にアクセスすることが
防がれる部分、例えば、アクセスが水の蓄積によって防がれる部分において生じ
得る。局所化した欠乏状態により、カソードにおける性能の低下、効率の低下お
よび好ましくない水素生成が生じ得る。局所化したオキシダントの欠乏を検出す
ることは困難である。なぜならば、燃料電池スタック１００は、概して、所定の
動作範囲内で正の電圧を有し得るが、カソードの一部分のみのオキシダントが欠
乏するからである。局所化した欠乏を防止することによって、例えば、カソード
にわたるオキシダントの質量流量を一時的に増加して、カソードから蓄積された
水を分散させることによって、効率を向上させ得る。

【００５５】 局所化したオキシダントの欠乏は、オキシダントの欠乏を示し得る不規則性を
モニタリングすること、例えば、カソードイグソーストストリーム中の水素ガス
濃度の閾値（例えば、２０ｐｐｍ超）を検出すること等によって、検出され得る
。特定の燃料電池または燃料電池スタックに対して選択された実際の水素ガス濃
度の閾値は、例えば、スタック内の燃料電池数、オキシダントストリームの質量
流量、電解質の種類などの特定の特徴に依存する。局所化したオキシダントの欠
乏は、燃料電池スタック１００の電圧出力に決定的な影響を有し得ないが、いか
なる程度のオキシダントの欠乏によってもカソードにおける水素の生成が生じ得
る。燃料電池スタック１００における局所化したオキシダントの欠乏の可能性を
検出する別の方法は、個々の燃料電池１０１の電圧出力をモニタリングすること
である。個々の燃料電池がスタック１００内の他の燃料電池より低い電圧出力を
有する場合、これは局所化したオキシダントの欠乏問題（例えば、電圧出力が低
い燃料電池のカソードにおける水の蓄積によって生じる問題）があり得ることを
示す。

【００５６】 図３ｂの方法によって、工程１２５において、オキシダントの欠乏が検出され
た場合、次いで、オキシダント化学量論は工程１３４において増加される。工程
１２５において、オキシダントの欠乏が検出されない場合、次いで、工程１２６
において開始するプロセスは図３ａのプロセスにあるプロセスと基本的に同じで
ある。

【００５７】 図４は、オキシダント化学量論を減少させて寄生電力消費を減少させ、かつ、
センサ１０４がカソードにおけるオキシダントの欠乏を示す動作特性をモニタリ
ングする別の方法を示す。図４の方法は工程１４０で開始する。工程１４２にお
いて、オキシダントストリームは燃料電池のカソードに供給され、燃料ストリー
ムは燃料電池のアノードに供給され、次いで、センサ１０４が作動する。工程１
４４において、作動したセンサ１０４は、カソードにおけるオキシダントの欠乏
をモニタリングする。センサ１０４は、オキシダントの欠乏がカソードにおいて
検出されるときを示す信号を制御器１０５に送信する。センサ１０４は、例えば
、燃料電池スタック１００の電圧出力またはスタック１００内の選択された個々
の燃料電池を検出し得る。あるいは、センサ１０４は、カソードイグソーストス
トリーム中の酸素または水素濃度を検出し得る。例えば、酸素が検出されないか
、または「非常に低い濃度」の酸素のみが検出された場合、これはオキシダント
の欠乏がカソードで生じている可能性があるというよい表示である。何が「非常
に低い濃度」の酸素であるかに関する定義は、動作状態および反応物の特性に依
存する。例えば、注入（ｉｎｌｅｔ）オキシダントストリームが約２０％の酸素
を含む場合、「非常に低い濃度」はカソードイグソーストストリームにおいて酸
素５％であり得る（すなわち、全オキシダント化学量論である約１．３３に対応
する）。しかし、例えば注入オキシダントストリームが３０％の酸素を含む場合
、「非常に低い濃度」は７％であり得る（すなわち、全オキシダント化学量論で
ある約１．３０に対応する）。好適には、閾値として選択された酸素の濃度は、
注入オキシダントストリーム中の酸素濃度を考慮すると、所定のオキシダント化
学量論に対応する。同様に、センサ１０４が閾値量を超える水素濃度（例えば、
２０ｐｐｍ超）を測定した場合、オキシダントの欠乏が燃料電池のカソードにお
いて生じている可能性がある。閾値濃度の値は、燃料電池システムの特定の特徴
（例えば、オキシダントストリームの流量速度、燃料電池のサイズおよびスタッ
ク内の燃料電池の数等）に依存する。

【００５８】 工程１４６において、制御器は、センサ１０４からの信号を処理して、オキシ
ダントの欠乏またはオキシダントの欠乏の可能性が検出されたか否かを判定する
。いずれの場合にしても、このような状態が検出された場合、工程１４８におい
てオキシダント化学量論が増加される。工程１４６において、燃料電池のカソー
ドにおいてオキシダントの欠乏の表示がないと判定された場合、工程１５０にお
いてオキシダント化学量論が減少される。

【００５９】 工程１４８または１５０のいずれかの後、工程１５２において、制御器１０５
はセンサ１０４が依然作動しているか否かをチェックする。センサ１０４がもは
や作動していない場合、本方法は工程１５４において終了する。センサ１０４が
作動し続けている限り、オキシダント化学量論を制御する方法は工程１４４に戻
ることによって繰り返される。

【００６０】 図５〜図１２のロジックダイヤグラムは、センサ１０４によって測定された動
作特性がカソードイグソーストストリーム中の水素ガス濃度である、方法の例に
関する。本開示の点から、当業者であれば、別の動作特性（例えば、燃料電池の
電圧出力またはオキシダントの濃度等）も図５〜図１２のロジックダイヤグラム
内で示される方法と共に用いられ得ることを理解する。すなわち、センサ１０４
は、制御器１０５によって用いられて、ｄＶ／ｄ（ＯＳ）および／またはカソー
ドにおけるオキシダントの欠乏の存在を判定し得る燃料電池システムの任意の動
作特性を測定するセンサであり得る。

【００６１】 図５は、センサ１０４によって測定される水素ガス濃度が所定の閾値濃度（Ｔ
Ｃ）を越えるか否かに基づいて、制御器１０５がオキシダント化学量論を増加さ
せるかまたは減少させるかを決定する方法のロジックダイヤグラムである。方法
は工程１６０で開始する。工程１６２において、センサ１０４は、水素気体のカ
ソードイグソーストストリームをモニタリングする。工程１６４において、制御
器１０５は、工程１６２において測定された水素ガス濃度がＴＣを越えるか否か
を判定する。カソードイグソーストストリーム中にごく少量の水素があっても、
問題は示され得ない。したがって、ＴＣは、特定の燃料電池に対して実験的に知
られている閾値の水素ガス濃度（カソードにおけるオキシダントの欠乏を示す）
である。例えば、Ｂａｌｌａｒｄ_７ ＭＫ Ｖの燃料電池に関して、制御器１０
５をＴＣが２０ｐｐｍの水素濃度であるようにプログラムし得る。センサ１０４
がＴＣ以上の水素濃度を検出するまで、通常、オキシダント供給ストリームの質
量流量を減少させる（したがって、寄生電力消費を減少させる）ことによって、
制御器１０５は工程１６６においてオキシダント化学量論を減少させる。

【００６２】 センサ１０４がＴＣより高い水素濃度を検出した場合、これは、オキシダント
の欠乏が生じている（または生じている可能性がある）ことを示し、制御器１０
５は工程１６８に進む。工程１６８において、制御器１０５は、オキシダントス
トリームの質量流量が所望の最高値以上である否かを判定する。オキシダントス
トリームの質量流量が所望の最高値以上でない場合、次いで、オキシダント化学
量論は工程１７０において増加される。通常、オキシダント化学量論は制御モー
タ１１２によって増加され、機械デバイス１１１の速度を増加させる。あるいは
、他の手段をこれの代わりまたは制御モータ１１２と組み合わせて用いて、オキ
シダント化学量論を増加させ得る。例えば、オキシダント化学量論を、オキシダ
ントストリームの質量流量における対応する減少なく、電力出力を減少させるこ
とによって増加させ得る。

【００６３】 しかし、工程１６８において、オキシダントストリームの質量流量が実際に所
望の最高値の質量流量以上であると判定された場合、制御器１０５は、工程１７
２に進み、警告信号を生成しながら（工程１７４）燃料電池システムを動作し続
けるか、または工程１７６において燃料電池スタック１００を終了（燃料電池ス
タック１００の動作を終了する）かを決定する。工程１７２において、制御器１
０５は、水素ガス濃度が所定の濃度限度（ＣＬ）より高いか低いかを考慮するこ
とによってこの決定を行う。ＣＬは、通常、ＴＣより相当高い値である。水素濃
度がＣＬより高い場合、これは、カソードにある通常の水素濃度より相当高いこ
とを示す。例えば、燃料が水素である場合、アノードとカソードとの間の著しい
量の流体の漏れにより、カソードイグソーストストリーム中の水素濃度がＣＬを
越える場合がある。このような状態が生じると、高くなった水素濃度の原因が調
査され得るように燃料電池が終了されることが保証される。

【００６４】 燃料電池システムが図５に示す様態でそれぞれのスタックがモニタリングされ
る、一アレイの燃料電池スタックを含む場合、アレイは電力を生成し続け得るが
、一つのスタックは終了される。

【００６５】 上述したように、カソード排出ストリーム中の水素濃度以外の動作特性も代替
として用いることが可能である。例えば、図５のロジックダイヤグラムを参照し
て、燃料電池の電圧出力を測定するセンサについて、別の同等の工程が本明細書
において記載されている。同じ参照符号を用いて別の工程も説明するが、これら
の参照符号の末尾には「ａ」が付してある。この別の方法によれば、工程１６０
ａにおいてこの方法を開始した後、燃料電池の電圧出力センサは、工程１６２ａ
において出力電圧をモニタリングする。工程１６４ａにおいて、コントローラ１
０５は、出力電圧が所定の閾値出力電圧（ＴＯＶ）を下回っていないかどうか判
定する。この例において、所定のＴＯＶは好適には、燃料電池カソードにおいて
オキシダント不足の可能性があるときの状態に対応する。電圧出力がＴＯＶを下
回っている場合、工程１６８ａにおいてオキシダントストリームの質量流量が既
に所望の最大値以上になっているかどうかを確認した後、工程１７０ａにおいて
オキシダントの化学量論を増加させる。燃料電池の電圧出力がＴＯＶを下回って
いない場合、コントローラ１０５は、工程１６６ａにおいてオキシダントの化学
量論を低減させる。工程１６８ａにおいて、オキシダントストリームの質量流量
が所望の最大値以上であると判定された場合、コントローラ１０５は工程１７２
ａに進む。工程１７２ａにおいて、センサによる測定結果によって出力電圧が電
池の逆転（ｒｅｖｅｒｓａｌ）を示していることが分かった場合、コントローラ
１０５は、工程１７６ａにおいて当該燃料電池を停止させる。電池逆転が検出さ
れなかった場合、燃料電池システムは引き続き動作することができるが、コント
ローラ１０５は、工程１７４ａにおいて警告信号を生成する。

【００６６】 図６は、即時の電力出力に関する所定の所望のオキシダントの化学量論につい
ての適切なアクションをコントローラ１０５に判定させる方法を示すロジックダ
イヤグラムである。この方法は工程１８０から開始し、工程１８０において、燃
料電池スタック１００にリアクタントを供給し、センサ１０４を活性化させる。
工程１８２において、センサ１０４は、カソード排出ストリームの水素ガスをモ
ニタリングする。工程１８４において、センサ１０４の測定結果が閾値濃度ＴＣ
を下回る水素ガス濃度を示す場合、コントローラ１０５は、工程１８６において
オキシダントの化学量論を低減させる。センサ１０４がＴＣを下回る水素ガス濃
度を検出しなかった場合、工程１８８において、コントローラ１０５は、ルック
アップテーブルを参照して、即時の電力出力に関する所望のオキシダントの質量
流量を判定する。工程１９０において、コントローラ１０５は、実際のオキシダ
ントの質量流量が所望のオキシダントの質量流量を上回る所定の量（例えば、Ｐ
％）よりも高いか否か判定する。実際のオキシダントの質量流量が所望のオキシ
ダントの質量流量を上回るＰ％を未だ超えていない場合、コントローラ１０５は
、工程１９２においてオキシダントの化学量論を増加させる。しかし、実際のオ
キシダントの質量流量が所望のオキシダントの質量流量を上回るＰ％よりも高い
場合、工程１９４において、コントローラ１０５は、警告信号を生成するか、ま
たは、燃料電池を停止させる。コントローラ１０５は、警告信号を生成した場合
、燃料電池システムを制御して電力出力を低下させるか、または、電力出力のピ
ークを限定することもできる。図５の実施形態と同様に、図６の方法において、
測定された水素ガス濃度の大きさを用いて、適切なアクション（すなわち、警告
信号または停止（すなわち、燃料電池スタック１００の動作の停止））を判定す
ることができる。

【００６７】 図７〜９のロジックダイヤグラムにおいて、これらの方法は、カソード排出ス
トリーム中で検出された水素ガス濃度が上昇しているかそれとも低下しているの
かを判定する工程と、この情報を用いて、水素ガス濃度の変化に応じた適切なア
クションを判定する工程と、を含む。

【００６８】 図７を参照して、本方法は工程２００から開始する。工程２００において、リ
アクタントを燃料電池スタック１００に供給し、水素センサ１０４を活性化させ
る。工程２０２において、センサ１０４は、カソード排出ストリームの水素ガス
をモニタリングする工程を開始する。一旦活性化されると、センサ１０４は、カ
ソード排出ストリーム中の水素ガス濃度を測定する。センサ１０４は即時の水素
ガス濃度（Ｈ）を測定し、コントローラ１０５はｄＨ／ｄｔを計算する。ここで
、ｄＨはＨの変化であり、ｄｔは時間の変化（一定の時間間隔）である。ｄＨ／
ｄｔが正であるか、負であるかそれとも０であるのかを計算することにより、コ
ントローラ１０５は、Ｈが上昇中であるか、低下中であるかそれとも一定である
かをそれぞれ判定する。

【００６９】 工程２０２の後、工程２０４が行われる。工程２０４において、コントローラ
１０５は、現在のＨが所定の閾値濃度（ＴＣ）を上回っているかどうかを判定す
る。現在のＨが所定の閾値濃度（ＴＣ）を上回っていない場合、コントローラは
、カソードにおいてオキシダント不足はなく、カソードに余剰の酸素があると判
定する。従って、工程２０６において、コントローラ１０５は、例えば、モータ
１１２の速度を低下させて、燃料電池スタック１００に供給されるオキシダント
ストリームの質量流量を低減させることにより、オキシダントの化学量論を低減
させる。このようにして、オキシダントの化学量論を制御して、寄生電力消費を
低減することが有利である。

【００７０】 しかし、工程２０４においてコントローラが即時のＨがＴＣを上回ると判定し
た場合、コントローラ１０５は工程２０８へと進み、ｄＨが負であるか（すなわ
ち、水素濃度が低下しているかどうか）を判定する。ｄＨ／ｄｔが負であるとコ
ントローラ１０５が判定した場合、コントローラ１０５は好適には、検出された
ＴＣを上回った水素ガス濃度を防止するための何らかの積極的アクションを行う
ことなく、工程２０２に戻る。しかし、工程２０８において、コントローラ１０
５がｄＨ／ｄｔが負になっていない（すなわち、ＨがＴＣを上回っており、水素
濃度は一定であるかまたは上昇中である）と判定した場合、コントローラ１０５
は工程２１０へと進み、オキシダントストリームの質量流量が所望の最大値質量
流量以上になっているかどうか判定する。オキシダントストリームの質量流量が
所望の質量流量以上になっていない場合、コントローラ１０５は工程２１２へと
進み、オキシダントの化学量論を（好適には所定の増分だけ）増加させる。その
後、コントローラ１０５は工程２０２に戻り、オキシダントの化学量論を増加さ
せることによって得られた効果を判定し、本方法を繰り返す。

【００７１】 工程２１０において、既にオキシダントストリームの質量流量が所望の最大値
質量流量以上になっているとコントローラ１０５が判定した場合、コントローラ
１０５は工程２１４へと進んで警告信号を生成し、その後、燃料電池スタック１
００を停止させることができる（工程２２０）。図７に示す実施形態において、
コントローラ１０５は、さらなる工程２１６および２１８を開始した後、燃料電
池スタック１００を停止させる工程に進むこともできる。オキシダントストリー
ムの質量流量は既に所望の最大値以上になっているため、コントローラ１０５は
工程２１４へと進んで警告信号を生成し、その後、工程２１６へと進んで、オキ
シダントストリームの質量流量を増加させるアクション以外の修正的アクション
を試行する。燃料電池内の一箇所以上から漏れが発生した場合、カソード排出ス
トリーム中の水素ガスが余分に検出される恐れがある。例えば、水素がアノード
流体の流れ（ｐａｓｓａｇｅ）からカソード流体の流れへと漏れる可能性があり
、また、オキシダント送達サブシステム内に漏れが発生すると、カソードへの酸
素供給が不十分になる恐れもある。

【００７２】 工程２１６において、コントローラ１０５は、燃料電池スタック１００中の燃
料圧力を低減させる。アノードとカソードとの間の１箇所以上の漏れが原因とな
ってカソードにおいて水素ガスが検出された場合、アノードにおける燃料圧力を
低減させると、アノードからカソードへの燃料移動速度を遅くすることができる
。燃料圧力は、例えば、圧力制御バルブを調節するかまたは燃料コンプレッサの
速度を低減することによって調整され得る。燃料化学量論は、初期では、１より
も大きい場合があるため、燃料圧力を低下させても、電力出力に対する効果はす
ぐには現れない場合がある。

【００７３】 工程２１８において、コントローラ１０５は、電力出力が実際に電力需要を下
回っているか否か判定する。燃料電池スタック１００からの電力出力が電力需要
を下回っている場合、コントローラ１０５は、燃料電池スタック１００を停止さ
せる工程に進む。しかし、電力出力が引き続き電力需要と整合している場合、コ
ントローラ１０５は工程２０２に戻り、本方法が繰り返されている間、燃料電池
システムは動作を継続する。一方、工程２１４において生成された警告信号は、
ＨがＴＣを上回っている原因を判定するために調査される必要があるという問題
があることを、オペレーターに警告する。

【００７４】 図８において、本方法は工程２３０から開始し、その後すぐに工程２３２へと
進む。工程２３２において、センサ１０４は、カソード排出ストリームのモニタ
リングを開始して水素ガス濃度（Ｈ）を測定し、コントローラ１０５はｄＨ／ｄ
ｔを計算する。工程２３４において、コントローラ１０５は、Ｈが閾値濃度（Ｔ
Ｃ）を上回っているかどうかを判定するか、または、工程２３８において、ｄＨ
／ｄｔが負になっているかどうかを判定する。工程２３２、工程２３４、工程２
３６および工程２３８の論理は、図７に示す対応する工程（すなわち、それぞれ
工程２０２、工程２０４、工程２０６および工程２９８）の論理と実質的に同じ
である。しかし、図８の方法において、工程２３８でｄＨ／ｄｔが負になってい
ないと判定された場合、コントローラ１０５は工程２４０に進んで、燃料電池電
圧が所定の電圧Ｖ_ｏを下回っているかどうか確認する。例えば、好適な実施形態
において電圧Ｖ_ｏには、０〜約２００ｍＶの値が割り当てられる。電圧Ｖ_ｏの値
として選択される値は０よりも大きい方が好ましい。なぜならば、電池電圧全体
が依然として正である場合にも、オキシダント不足が局所的に発生すると、水素
が発生する可能性があるからである。例えば、燃料電池スタック１００が約１０
０ｍＶの平均電池電圧を有する場合、カソード排出ストリームにおいて測定され
た約２０ｐｐｍの水素濃度が測定され得る。従って、コントローラ１０５がｄＨ
／ｄｔが正であるという結果と、電池電圧はＶ_ｏを下回っているという結果とが
同時に存在すると判定した場合、これらの２つの条件の発生要因は、オキシダン
ト不足であり得る。しかし、電池電圧がＶ_ｏを上回っている場合、それは、カソ
ード排出において水素ガスが検出されたのは、おそらく電池逆転に起因するもの
ではないことを示す。

【００７５】 従って、工程２４０においてコントローラ１０５が電池電圧がＶ_ｏを下回って
いないと判定した場合、コントローラ１０５は、ＨがＴＣを上回っている現象は
恐らくはオキシダント不足に起因するものではない（すなわち、オキシダント不
足は燃料電池電圧が著しく低下した場合にも発生するため）と判定する。より高
い可能性としては、ＨがＴＣを上回っている現象は、アノードとカソードとの間
の一箇所以上において流体漏れが発生することに起因する。従って、コントロー
ラ１０５は工程２４６へと進み、燃料電池スタック１００中の燃料圧力を低減さ
せて、ＨがＴＣを上回っている現象の原因が本当に流体漏れであるかどうかを確
認する。工程２４８および工程２５０は、図７の方法における工程２１８および
工程２２０と実質的に同じである。

【００７６】 燃料電池スタック１００におけるオキシダント不足の局所的発生条件をよりう
まく検出するために、個々の燃料電池の電圧をモニタリングすることができる。
あるいは、より簡単に電池電圧をモニタリングするシステムを用いて、スタック
中の選択された燃料電池の電池電圧を測定するか、または、燃料電池スタック中
の１つ以上の燃料電池の平均電池電圧を測定してもよい。従って、図８および図
９の実施形態において、測定された電圧Ｖ_Ｏは、個々の燃料電池電圧であっても
よく、複数の燃料電池の平均電圧であってもよく、または、燃料電池スタック１
００中の全燃料電池の平均電圧であってもよい。

【００７７】 図８の実施形態において、工程２４０において、燃料電池電圧がＶ_ｏを下回っ
ている場合、コントローラ１０５は工程２４２に進み、オキシダントストリーム
の質量流量が既に所望の最大値以上になっているかどうか確認する。オキシダン
トストリームの質量流量が既に所望の最大値以上になっている場合、それは、Ｈ
がＴＣを上回っている現象は恐らくはオキシダント不足に起因しないことを示し
、コントローラは工程２４６に進む。工程２４６、工程２４８および工程２５０
は、図７の対応する工程２１６、工程２１８および工程２２０と同様である。オ
キシダントストリームの質量流量が所望の最大値未満である場合、工程２４４に
おいて、コントローラ１０５はオキシダントの化学量論を増加させる。オキシダ
ントの化学量論を増加させる工程は、例えば、モータ１１２の速度を上げること
により、機械デバイス１１１によって提供される燃料電池スタック１００へのオ
キシダントストリームの質量流量を増加させることによって、行われる。

【００７８】 図９に示す方法は、工程２６０、工程２６２、工程２６４、工程２６６、工程
２６８、工程２７０、工程２７２および工程２７４を有する。これらの工程はそ
れぞれ、図８に示す方法の工程２３０、工程２３２、工程２３４、工程２３６、
工程２３８、工程２４０、工程２４２および工程２４４と共通する。図９におい
て、工程２７６および工程２７８は、図８中の工程２４６および工程２４８に代
わるものであり、工程２７８以降には、工程２８０および工程２８４がさらに追
加されている。工程２７０において、コントローラ１０５が燃料電池電圧がＶ_ｏ 未満ではないと判定した場合、コントローラ１０５は工程２７６へと進み、漏れ
が原因となってカソード排出ストリーム中に水素ガスが発生した可能性を確認す
るためのさらなるアクションをとり得る。工程２７６において、オキシダントス
トリームおよび燃料ストリームの圧力を調節して、オキシダントストリームの流
体流れと燃料ストリームの流体流れとの間の圧力差を調整する。例えば、コント
ローラ１０５は、オキシダント流れと燃料流れとの間の圧力差を増加させて、セ
ンサ１０４が検出するＨが圧力差の増加の影響を受けるかどうかを判定する。工
程２７８において、センサ１０４が検出するＨが圧力差の増加の影響を受けるこ
と（すなわち、工程２７６における圧力差の調節によってカソード排出ストリー
ム中の水素ガス濃度が影響を受けること）が検出された場合、水素ガス発生の要
因は漏れである可能性があるとの判定が下され、コントローラ１０５は、工程２
８０において警告信号を生成する。その後、コントローラ１０５は、低い電力出
力での動作を継続させる（工程２８４）か、または、燃料電池を停止させる（工
程２８２）かを選択する。コントローラ１０５は、工程２８４を選択した場合、
オキシダント圧力および燃料圧力をさらに調整して、リアクタント圧力のバラン
スをとり、これにより、圧力差をおよそ０にして、燃料流れからオキシダント流
れへと移動する水素の量を低減させることができる。工程２８２に進むかそれと
も工程２８４に進むかの選択は、電力出力と電力需要との間の差に基づいて行わ
れ得る。例えば、所定の量が電力需要を下回る場合において電力出力が当該所定
の量を上回る場合、工程２８２が選択され、燃料電池スタック１００は停止され
る。

【００７９】 燃料電池電圧がＶ_ｏを下回り、オキシダントの質量流量が所望の最大値以上で
ある場合、コントローラ１０５は、工程２７２から工程２７６へと進むこともで
きる。

【００８０】 図１０および図１１は、オキシダントの化学量論を制御する方法の好適な実施
形態を示す。この実施形態において、センサ１０４を定期的に活性化させて、カ
ソード排出ストリーム中の水素ガスの圧力を検出させる。センサ１０４を活性化
させる時点の間隔は、複数の変数に応じて異なり得る。電力出力を継続的に変化
させる用途の場合（例えば、車両のモータの動力を燃料電池スタック１００から
得る用途の場合）、センサ１０４を活性化させる時点の間隔は短くなり得る。こ
のような用途の場合、センサ１０４を活性化させる時点の間隔は、任意の修正的
アクションによる効果が得られる位の長さであればよい。このような間隔は、電
力出力の変化に十分応答できる周期でセンサ１０４を活性化させることができる
よう、短い方が望ましい。固定された電力プラントなどの用途の場合、一定の電
力出力を生成するように動作することが多いため、センサを活性化させる間隔は
長くてもよい。

【００８１】 図１０を参照して、工程２９０において、コントローラ１０５が活性化される
と、制御論理が開始する。工程２９２において、水素ガス濃度の初期値（Ｃ_ｏ）
が０に設定される。工程２９４においてコントローラ１０５は、カウンター数値
「ｎ」を１に設定する。工程２９６において、コントローラ１０５はセンサ１０
４を活性化させて、カソード排出ストリーム中の水素ガスの存在を検出する。セ
ンサ１０４は、水素ガスの濃度（Ｃ_ｎ）を表す出力信号を放出する。この出力信
号はコントローラ１０５へと送られ、コントローラ１０５は、工程２９８におい
てＣ_ｎが閾値濃度ＴＣを上回るかどうか判定する。Ｃ_ｎがＴＣを上回らない場合
、漏れまたはオキシダント不足に関する問題は無いとみなされる。寄生による電
気的負荷を低減することによって効率を上げるために、コントローラ１０５は工
程３００へと進んで、オキシダントの化学量論を所定の量（例えば、一定の増分
または割合）分だけ低減させる。その後、工程３０２において、コントローラ１
０５は、ｎの値を１だけ増加させて、その後工程３０４に進む。工程３０４にお
いて、コントローラ１０５は所定の期間が経過するのを待機して、その後、工程
２９６に戻り、センサ１０４を再度活性化させる。これにより、カソード排出中
にオキシダント不足、漏れまたは他の水素ガス発生要因が発生しない限り、コン
トローラ１０５は、工程２９６、工程２９８、工程３００、工程３０２および工
程３０４を繰り返し行う。このようにして、オキシダントの化学量論を、約１ま
でまたはＣ_ｎがＴＣより大きくなるまで低減させる。このようにしてオキシダン
トの化学量論を低下させると、寄生電力消費が低下する。

【００８２】 工程２９８において、Ｃ_ｎがＴＣを上回る場合、コントローラ１０５は工程３
０６へと進み、Ｃ_ｎを、前回測定された水素ガス濃度Ｃ_{（ｎ−１）}と比較する。
Ｃ_ｎ−Ｃ_{（ｎ−１）}が負である場合、それは、水素ガス濃度が低下していること
を示し、コントローラ１０５は、工程３０２および工程３０４を通じて工程２９
６へと戻る。水素ガス濃度が低下している限り、コントローラ１０５は、いかな
る修正的アクションも積極的に行わない。工程３０２において、カウンタ数値ｎ
を１だけ増やす。工程３０４は、間隔を置く工程である。

【００８３】 しかし、工程３０６において、コントローラ１０５がＣ_ｎ−Ｃ_{（ｎ−ｌ）}が正
であると判定した場合、それは、水素ガス濃度が前回の測定値と比較して増加し
たことを示す。その後、コントローラ１０５は工程３０８へと進み、修正的アク
ションをとるようプロンプトされる。工程３０８において、コントローラ１０５
は、即時のオキシダントストリームの質量流量に基づいて、オキシダントストリ
ームの質量流量が所望の最大値以上になっているかどうか判定する。オキシダン
トストリームの質量流量が所望の最大値以上になっていない場合、コントローラ
１０５は工程３１０に進んで、オキシダントの化学量論を増加させる。オキシダ
ントの化学量論を増加させる工程は、例えば、モータ１１２の速度を上げること
により、機械デバイス１１１によって提供される燃料電池スタック１００へのオ
キシダントストリームの質量流量を増加させることによって、行われる。工程３
１０の後、コントローラ１０５は、中間工程３０２（すなわち、カウンタ数値ｎ
を１だけ増加させる工程）および３０４（すなわち、間隔を置く工程）を行った
後に工程２９６に再度戻る。この修正的アクションは、カソード排出中の水素ガ
ス濃度の増加はカソードにおけるオキシダント不足に起因するとのの仮説に基づ
いて行われる。

【００８４】 しかし、カソード排出中の水素ガス濃度の増加の原因がオキシダント不足では
ない場合、オキシダントストリームの質量流量は、すぐに最大値質量流量まで上
昇する。その後、工程３０８において、コントローラ１０５は、問題の原因はオ
キシダント不足ではないことを認識し、工程３１２へと進む。

【００８５】 工程３１２において、コントローラ１０５は、燃料ストリーム中の圧力を所定
の量（例えば、一定の増分または割合）だけ低減させる。カソード排出において
検出された水素ガスの要因が燃料電池スタック１００中の漏れである場合、燃料
ストリーム中の圧力を低下させると、それに応じて、漏れ速度に対する効果が得
られる場合がある。燃料化学量論の初期値は１．０よりも大きい場合がある（例
えば、燃料化学量論は１．５または２．０であることが多い）ため、燃料質量流
量を低下させても、電力出力への影響はすぐには現れない場合がある。工程３１
４において、コントローラ１０５は、電力出力が電力需要を下回っているかどう
か確認する。電力出力が電力需要を下回っていない場合、コントローラ１０５は
、中間工程３０２および３０４を行った後、再度工程２９６に戻る。しかし、電
力出力が電力需要を下回っている場合、それは、燃料電池スタック１００に問題
該あり、当該燃料電池スタック１００はその能力を十分に発揮できていない状況
にあることを示す。この場合、コントローラ１０５は工程３１６へと進み、警告
信号を生成するか、または、燃料電池スタック１００を停止させる。

【００８６】 図１０の工程３００、工程３１０および工程３１２について、オキシダントの
化学量論または燃料圧力をそれぞれ所定の一定の割合または一定の増分だけ増加
または低減させることができる。例えば、オキシダントの化学量論または燃料圧
力を、１％または２％の一定の割合分だけ変化させることができる 図１１を参照して、工程３２０、工程３２２、工程３２４、工程３２６、工程
３２８、工程３３２、工程３３４、工程３３６、工程３４０、工程３４２、工程
３４４および工程３４６はそれぞれ、図１０の工程２９０、工程２９２、工程２
９４、工程２９６、工程２９８、工程３０２、工程３０４、工程３０６、工程３
０８、工程３１２、工程３１４および工程３１６のそれぞれと実質的に同じであ
る。しかし、図１１の方法において、コントローラ１０５は、所望の量のオキシ
ダントの化学量論を１．０を超える値で（すなわち、１．０＋Ｙで）維持しよう
とする。Ｙは、例えば、０．０５、０．１０、０．２０またはさらには約０．５
０（すなわち、約５０％）であり得る。Ｙは好適には、寄生による余剰な電力消
費が発生するのを避けるため、５０％未満の増加を表す。このようにして、オキ
シダント緩衝剤を少しだけ余分に提供して、カソード排出中の水素ガス発生の原
因となるオキシダント不足状態の発生する可能性を低減する。オキシダントの化
学量論を、従来の燃料電池の動作において用いられてきたオキシダントの化学量
論よりもずっと小さくして、オキシダントストリーム機械デバイス１１１の動作
に起因する、寄生による電気的負荷を著しく低減するのとさらに好ましい。

【００８７】 図１１の実施形態において、工程３２８の後、コントローラ１０５が水素ガス
濃度（Ｃ_ｎ）が閾値濃度ＴＣを下回ると判定した場合、コントローラは、工程３
３０、３３２（すなわち、カウンタ数値ｎを１だけ増加させる工程）および３３
４（すなわち、間隔を置く工程）を通じて工程３２６に再度戻る。工程３３０に
おいて、コントローラ１０５は、オキシダントの化学量論を所定の増分（Ｘ）だ
け低減させる。ここで、Ｘは、例えば、約０．１または約０．２であり得る。従
って、例えば、Ｘが０．１であり、オキシダントの化学量論が１．４である場合
、工程３３０において、コントローラ１０５は、オキシダントストリームの質量
流量を調節して、オキシダントの化学量論を１．３まで低下させる。これにより
、カソードに余剰オキシダントがある間、工程３２６、工程３２８、工程３３０
、工程３３２および工程３３４を含むループを通じて、オキシダントストリーム
の質量流量が低減される。このオキシダントストリームの質量流量を低減させる
工程は、コントローラ１０５が工程３２８においてＣ_ｎがＴＣを上回ると判定す
るまで行われる。コントローラ１０５は、工程３２８においてＣ_ｎがＴＣを上回
ると判定すると、工程３３６に進む。

【００８８】 図１１の工程３３６は、図１０の工程３０６と実質的に同じ機能を行う。すな
わち、水素ガス濃度が低下している場合（すなわち、Ｃ_ｎ−Ｃ_{（ｎ−１）}が負で
ある場合）、コントローラは、工程３３２および工程３３４を通じて工程３２６
に戻る。コントローラ１０５は、オキシダントの化学量論を積極的に増加させる
いかなるアクションも行うことなく、Ｃ_ｎを定期的にモニタリングし続ける。し
かし、工程３２８においてコントローラ１０５がＣ_ｎ＞ＴＣであると判定し、工
程３３６において水素ガス濃度が一定であるかまたは増加している（すなわち、
Ｃ_ｎ−Ｃ_{（ｎ−１）}が負ではない）と判定した場合、コントローラ１０５は工程
３３８に進む。

【００８９】 工程３３８において、コントローラ１０５が水素ガス濃度の前回の測定値がＴ
Ｃを下回ると判定した場合、コントローラ１０５は、工程３４８においてオキシ
ダントストリームの質量流量を（Ｘ＋Ｙ）だけ増加させる。例えば、図１１の方
法においてＴＣが約１のオキシダントの化学量論に対応する場合、工程３４８に
おいて、オキシダントの化学量論を制御して、当該化学量論がおよそ１．０＋Ｙ
となるようにする。すなわち、前回のループにおいて、水素濃度Ｃ_{（ｎ−１）}は
ＴＣ未満であったが、オキシダントの化学量論をＸだけ低下させると、次のルー
プ（すなわち、即時のループ）中の水素濃度はＴＣを上回るようになる。従って
、前回のループにおいて、Ｃ_{（ｎ−１）}の値はＴＣに近く、この例において、測
定された約ＴＣの水素濃度は約１のオキシダントの化学量論に対応するため、オ
キシダントの化学量論を（Ｘ＋Ｙ）だけ増加させると、オキシダントの化学量論
は約１．０＋Ｙとなる。

【００９０】 工程３３８において、コントローラ１０５が前回測定された水素ガス濃度がＴ
Ｃを上回ると判定した場合、コントローラ１０５は工程３４０に進んで、オキシ
ダントストリームの質量流量が既に所望の最大値以上になっているかどうか判定
する。オキシダントストリームの質量流量が既に所望の最大値以上になっていな
い場合、コントローラ１０５は工程３５０に進んで、オキシダントの化学量論を
Ｚだけ増加させる。Ｚの値を（Ｘ＋Ｙ）よりも大きくして、１ループよりも多く
の期間にかけてＣ_ｎがＴＣを上回る場合、オキシダントの化学量論を迅速に増加
させるようにすると好ましい。

【００９１】 しかし、工程３４０においてコントローラ１０５がオキシダントストリームの
質量流量が既に所望の最大値以上になっていると判定した場合、コントローラ１
０５は工程３４２に進む。工程３４２、工程３４４および工程３４６はそれぞれ
、図１０中の工程３１２、工程３１４および工程３１６と実質的に同じである。

【００９２】 図１２は、燃料電池へのオキシダント供給を制御する方法の別の好適な実施形
態を示す。図１２の方法において、好適なオキシダント供給ストリームの質量流
量を、所定のオキシダントの化学量論について特定の電力出力範囲において較正
する。較正プロシージャの間、コントローラ１０５は、（特定のオキシダントス
トリーム組成の）所望のオキシダントストリームの質量流量を選択された電力出
力について判定し、所望の質量流量をルックアップテーブルに格納する。この方
法を用いる場合、オキシダントストリームの質量流量を決定するのは、電力需要
である。すなわち、コントローラが電力需要をモニタリングし、（選択された電
力需要について所望のオキシダントストリームの質量流量を示す）ルックアップ
テーブルを参照することにより、オキシダントの質量流量を設定する。このよう
にして、オキシダントの化学量論を制御して、燃料電池スタック１００に供給さ
れる余剰オキシダントの量を低減し、これにより寄生電力消費を低減する。

【００９３】 図１２は、様々な選択電力出力についてオキシダントストリームの質量流量を
判定するための較正プロシージャを示す。燃料電池スタック１００が実際に動作
しているときに、電力出力がルックアップテーブル中の選択された負荷値の間に
ある場合、選択された電気負荷間に補間を行って所望のオキシダントストリーム
の質量流量を判定することにより、所望のオキシダントストリームの質量流量を
判定することができる。

【００９４】 別の実施形態において、較正プロシージャを用いて、オキシダント供給システ
ムを直接較正することもできる。例えば、オキシダントコンプレッサを用いたシ
ステムにおいて、システムを較正して、コンプレッサ速度を選択された電力需要
値に応じて制御するようにする。このようにして、オキシダントストリームの質
量流量を測定しなくてもすむようにし、較正が行われるたびに、較正プロセスに
よって、コンプレッサ性能の劣化をその動作寿命にわたって自動補償することが
できる。

【００９５】 燃料電池スタック１００の点検を定期的に行う場合、図１２に示す較正プロシ
ージャを定期的に行ってもよい。このプロシージャは工程３６０から開始する。
工程３６０において、コントローラ１０５を活性化させる。この実施形態におい
て、較正はメンテナンス期間中に行われることが多いため、コントローラ１０５
およびセンサ１０４は、燃料電池システムから取り外すことができるようになっ
ている。このようにして、複数の燃料電池スタックを較正する際、同じ機器を用
いることができる。燃料電池に感知素子を挿入および結合させて、カソード排出
ストリームに感知素子を接触させても良い。

【００９６】 工程３６２において、電力出力を選択し、燃料電池スタック１００を動作をさ
せて、選択された電力出力を生成する。この選択された電力出力は、燃料電池ス
タック１００の動作範囲に収まる電力出力であれば任意の電力出力でよい。典型
的には、較正プロシージャ間に電力出力を複数選択すると、これらの複数の電力
出力のうち低い方の電力出力から電力出力を開始して、その後電力出力を徐々に
高くするようにして較正プロシージャを完了できるため、便利である。

【００９７】 工程３６４において、コントローラ１０５はルックアップテーブルにアクセス
して、選択された電力出力について、前回較正されたオキシダントストリームの
質量流量を判定する。その後、コントローラ１０５はオキシダントストリームの
質量流量を設定して、当該オキシダントストリームの初期質量流量が、選択され
た電力出力の前回較正されたオキシダントストリームの質量流量よりもＩ％だけ
高くなるようにする。オキシダントストリームの質量流量の較正を（オキシダン
トが不足している状態ではなく）オキシダントストリームの質量流量が余分にあ
る状態で開始すると好適である。なぜならば、このようにオキシダントストリー
ムの質量流量が余分にある状態にしておくことで、較正プロシージャがオキシダ
ント不足状態のまま開始する事態を防ぐことができるからである。

【００９８】 工程３６６において、センサ１０４を活性化させて、カソード排出ストリーム
中の水素ガスの存在を検出させる。初めから燃料電池スタック１００にオキシダ
ントを余分に供給している場合、工程３６８において、水素ガス濃度Ｃは、閾値
濃度ＴＣを下回ることとなる。コントローラ１０５がＣがＴＣを下回らないと判
定した場合、コントローラ１０５は、工程３７０を通じて工程３６６に繰り返し
戻ることにより、オキシダントストリームの質量流量を低減し続ける。工程３７
０を通じて工程３６６を繰り返すたびに、コントローラ１０５は、オキシダント
ストリームの質量流量を増分Ａだけ減少させる。例えば、増分Ａの値を化学量論
の低減値（例えば、０．０５または０．１）に対応させて、工程３７０が行われ
るたびに、オキシダントの化学量論をその量だけ低減させることができる。選択
された負荷は、較正プロシージャの間一定であるため、オキシダントストリーム
の質量流量が変化すると、オキシダントの化学量論もそれに応じて変化する。較
正プロシージャの精度は、Ａの値を小さくすることによって向上させることがで
きるため、オキシダントストリームの質量流量の増分を小さくするほど、較正ル
ープをより多く行うことができる。

【００９９】 最後に、オキシダントストリームの質量流量を低減させることで水素ガス濃度
ＣがＴＣを上回るようになると、コントローラ１０５は工程３７２に進み、オキ
シダントストリームの質量流量を増分Ｂだけ増加させる。次いで、工程３７４に
おいて、コントローラ１０５はルックアップテーブル値を再設定して、ルックア
ップテーブル中の所望のオキシダントストリームの質量流量が選択された電力出
力の即時の質量流量に整合するようにする。最後に、コントローラ１０５は、工
程３７８において較正プロシージャを停止させることを選択するか、または、工
程３７６においてオキシダントストリームの質量流量較正のために別の電力出力
を選択することができる。工程３７６が選択された場合、異なる電力出力が選択
され、コントローラ１０５は工程３６４に戻る。工程３６４において、新規に選
択された電力出力について、較正プロシージャが再度開始する。

【０１００】 ＡおよびＢの値を同じにしてもよいし、またはＡよりもＢを高くしてもよい。
ＡよりもＢを高くした場合、ルックアップテーブルの値を較正して、カソードに
供給されるオキシダントに余裕を持たせるようにする。Ａの値とＢの値との間の
差が大きいほど、余剰オキシダントの量も多くする。余剰オキシダントを供給す
ると、オキシダントストリーム中の水素ガス発生の原因となり得るオキシダント
不足状態が発生する可能性が低くなる。電力出力が動的であることが想定される
場合、オキシダントの化学量論を大きくして、電力出力が変動している間の移行
期間の間にオキシダント不足が発生するのを防ぐことができるようにすると好適
である。Ｂの値は、オキシダントの化学量論が概して２未満（好適には約１〜約
１．５）となるように選択すると好適である。

【０１０１】 本発明の特定の要素、実施形態および用途について図示および説明してきたが
、本発明は、これらに限定されないことが当然に理解される。なぜならば、当業
者であれば、本発明の改変物を（本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく
）作製することができ、本発明の教示内容を鑑みれば、そのような改変は特に明
白となるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、カソードにおけるオキシダント欠乏を検出するための検出器と、その
検出器からの情報を処理し、オキシダント化学量論を増加または減少させるよう
にオキシダント配送サブシステムを制御するためのコントローラとを備える燃料
電池システムの模式図である。

【図２Ａ】 図２Ａは、オキシダント化学量論が動作特性（電圧出力、生成された熱、ｄＶ
／ｄ（オキシダント化学量論）など）を有する影響を示す実験データのプロット
であり、正常の動作の間、平方フィートあたり５００アンペア（平方センチメー
トル当り約５４０ミリアンペア）の電流密度で動作する固体ポリマー燃料電池に
対するオキシダント化学量論の関数とした燃料電池電圧出力のプロットである。

【図２Ｂ】 図２Ｂは、オキシダント化学量論が動作特性（電圧出力、生成された熱、ｄＶ
／ｄ（オキシダント化学量論）など）を有する影響を示す実験データのプロット
であり、図２Ａと同じ燃料電池実験に対して、オキシダント化学量論の関数とし
た燃料電池電圧出力およびｄＶ／ｄ（オキシダント化学量論）のプロットである
。

【図２Ｃ】 図２Ｃは、オキシダント化学量論が動作特性（電圧出力、生成された熱、ｄＶ
／ｄ（オキシダント化学量論）など）を有する影響を示す実験データのプロット
であり、４つの燃料電池を含む燃料電池スタックに対するオキシダント化学量論
の関数としたｄＶ／ｄ（オキシダント化学量論）のプロットである。

【図３Ａ】 図３Ａは、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方
法のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント
化学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する
方法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレート
は、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシ
ダントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調
整し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生
電力損失を減らし得る。

【図３Ｂ】 図３Ｂは、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方
法のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント
化学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する
方法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレート
は、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシ
ダントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調
整し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生
電力損失を減らし得る。

【図４】 図４は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方法
のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント化
学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する方
法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレートは
、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシダ
ントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調整
し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生電
力損失を減らし得る。

【図５】 図５は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方法
のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント化
学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する方
法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレートは
、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシダ
ントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調整
し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生電
力損失を減らし得る。

【図６】 図６は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方法
のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント化
学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する方
法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレートは
、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシダ
ントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調整
し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生電
力損失を減らし得る。

【図７】 図７は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方法
のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント化
学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する方
法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレートは
、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシダ
ントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調整
し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生電
力損失を減らし得る。

【図８】 図８は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方法
のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント化
学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する方
法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレートは
、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシダ
ントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調整
し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生電
力損失を減らし得る。

【図９】 図９は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方法
のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント化
学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する方
法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレートは
、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシダ
ントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調整
し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生電
力損失を減らし得る。

【図１０】 図１０は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方
法のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント
化学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する
方法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレート
は、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシ
ダントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調
整し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生
電力損失を減らし得る。

【図１１】 図１１は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方
法のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、オキシダント
化学量論を調整するようにオキシダントストリームマスフローレートを調整する
方法を示し、この実施形態において、オキシダントストリームマスフローレート
は、また、電力出力の変化に応じて変化し、図示される方法を使用して、オキシ
ダントストリームマスフローレートおよびそれによりオキシダント化学量論を調
整し、オキシダント欠乏を防ぎ、供給される過剰なオキシダントに関連する寄生
電力損失を減らし得る。

【図１２】 図１２は、燃料電池を動作させ、オキシダント化学量論を制御する本発明の方
法のさまざまな好ましい実施形態の論理図であり、その論理図は、所望なオキシ
ダントストリームマスフローレートを判定するように燃料電池システムを較正し
て、所定のオキシダント化学量論において特定の電力出力を生成する方法を示す
。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年１２月４日（２００１．１２．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２１】 水素センサ方法は、水素ガス濃度が第２の閾値濃度よりも高い場合、カソード
排出ストリーム内の水素ガス濃度を低減するためのステップをさらに包含しても
よく、そのステップは、オキシダントストリームマスフローレートを最大の所望
なマスフローレートと比較するステップであって、 （ａ）オキシダントストリームマスフローレートが最大の所望なマスフローレ
ートよりも小さい場合、オキシダントマスフローレートを増加させ（すなわち、
オキシダントマスフローレートはカソードにおいて検出されている水素よりも少
ない場合、オキシダント欠乏が検出されている水素にたぶん起因していたと確認
され、オキシダント欠乏がカソードにおける水素源ではない場合、オキシダント
ストリームマスフローレートが、最大の所望なマスフローレートにまですぐに増
加し、コントローラは燃料クロスオーバがたぶん水素源であると判定する）、 （ｂ）オキシダントマスフローレートがすでに最大の所望なマスフローレート
以上である場合、水素ガス濃度が、第１の濃度閾値および第２の濃度閾値よりも
大きい第３の濃度閾値よりも大きいとき、燃料電池の動作を停止させ（すなわち
、オキシダントストリームマスフローレートはすでに所望な最大のマスフローレ
ートであるか、所望な最大のマスフローレートを越えているので、オキシダント
欠乏は、おそらく、カソード排出ストリームにおける水素源ではなく、水素濃度
は第３の閾値よりも大きいので、これは、アノードとカソードとの間のリークを
通る過剰量の燃料であるかもしれないことを示す）、 水素ガス濃度が第３の濃度閾値より小さい場合、警告信号を生成し、燃料電池
を動作させ続ける（すなわち、カソード排出ストリームにおける水素濃度が第３
の閾値よりも小さい場合、燃料電池システムが安全に動作し得るように、第３の
閾値の値は選択される）、 ステップを包含する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２３】 水素濃度が増加しているか、減少しているかをモニタするステップに加えて、
水素ガス濃度が第２の閾値濃度よりも大きい場合、その方法は、また、水素源が
オキシダント欠乏か、燃料クロスオーバかを判定するための追加のステップを包
含してもよい。例えば、その追加のステップは、 燃料電池電圧を測定し、それを電圧閾値と比較するステップであって（Ｂａｌ ｌａｒｄ（Ｒ） ＭＫ Ｖ燃料電池に対して、電圧閾値は、例えば、１００ミリ
ボルトであり得る）、 燃料電池電圧が電圧閾値を越え、水素ガス濃度が増加している場合、燃料スト
リームの圧力を減少させ（この場合、電圧は閾値を越えるので、水素濃度を増加
させる理由は恐らくリークであり、リークの影響を減らすために、その方法は、
燃料ストリームの圧力がオキシダントストリームの圧力以下であるように燃料ス
トリームの圧力を制御するステップを包含することが好ましい）、 燃料電池電圧が電圧閾値より小さい場合、水素ガス濃度は増加しており、オキ
シダントマスフローレートは所望な最大のマスフローレートよりも小さく、オキ
シダント化学量論を増加させ（この場合、オキシダントマスフローレートは所望
な最大のマスフローレートよりも小さいので、電池電圧が低く、水素ガスが存在
することの原因はオキシダント欠乏であり得、コントローラは、オキシダント化
学量論を増加させることによって、この条件を補正しようと試みる）、 燃料電池電圧が電圧閾値よりも小さい場合、水素ガス濃度は増加しており、オ
キシダントマスフローレートは所望な最大のマスフローレート以上であり、燃料
ストリームの圧力を減少させる（この場合、低い電池電圧は、オキシダント欠乏
またはアノードからカソードへの燃料リークによって生じ得、オキシダントマス
フローレートはすでに所望な最大のマスフローレート以上であるので、燃料スト
リームの圧力は減少し、それにより、カソードにおける燃料電池電力出力と酸素
消費が減少し、オキシダント欠乏に対抗し、任意のリークの影響を減らす）、 ステップを包含し得る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００４３】 図２ａおよび図２ｂの例において、燃料電池は、Ｎａｆｉｏｎ（Ｒ） １１７
（テトラフルオロエチレンとペリフルオロビニルエーテルスルホン酸との共重合
体）から生成される固形ポリマーイオン交換膜を利用するＢａｌｌａｒｄ（Ｒ） ＭＫ Ｖ燃料電池である。電極は、Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎ
ｃ．製の厚さが０．０９インチ（約２．２９ｍｍ）の炭素繊維紙から生成される
。電極上の触媒層は、テトラフルオロエチレンバインダーと混合されている白金
ブラック触媒である。各電極上に負荷されている触媒は、４ｍｇ／ｃｍ^２である
。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００６１】 図５は、センサ１０４によって測定される水素ガス濃度が所定の閾値濃度（Ｔ
Ｃ）を越えるか否かに基づいて、制御器１０５がオキシダント化学量論を増加さ
せるかまたは減少させるかを決定する方法のロジックダイヤグラムである。方法
は工程１６０で開始する。工程１６２において、センサ１０４は、水素気体のカ
ソードイグソーストストリームをモニタリングする。工程１６４において、制御
器１０５は、工程１６２において測定された水素ガス濃度がＴＣを越えるか否か
を判定する。カソードイグソーストストリーム中にごく少量の水素があっても、
問題は示され得ない。したがって、ＴＣは、特定の燃料電池に対して実験的に知
られている閾値の水素ガス濃度（カソードにおけるオキシダントの欠乏を示す）
である。例えば、Ｂａｌｌａｒｄ（Ｒ） ＭＫ Ｖの燃料電池に関して、制御器
１０５をＴＣが２０ｐｐｍの水素濃度であるようにプログラムし得る。センサ１
０４がＴＣ以上の水素濃度を検出するまで、通常、オキシダント供給ストリーム
の質量流量を減少させる（したがって、寄生電力消費を減少させる）ことによっ
て、制御器１０５は工程１６６においてオキシダント化学量論を減少させる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００７４】 図８において、本方法は工程２３０から開始し、その後すぐに工程２３２へと
進む。工程２３２において、センサ１０４は、カソード排出ストリームのモニタ
リングを開始して水素ガス濃度（Ｈ）を測定し、コントローラ１０５はｄＨ／ｄ
ｔを計算する。工程２３４において、コントローラ１０５は、Ｈが閾値濃度（Ｔ
Ｃ）を上回っているかどうかを判定するか、または、工程２３８において、ｄＨ
／ｄｔが負になっているかどうかを判定する。工程２３２、工程２３４、工程２
３６および工程２３８の論理は、図７に示す対応する工程（すなわち、それぞれ
工程２０２、工程２０４、工程２０６および工程２０８）の論理と実質的に同じ
である。しかし、図８の方法において、工程２３８でｄＨ／ｄｔが負になってい
ないと判定された場合、コントローラ１０５は工程２４０に進んで、燃料電池電
圧が所定の電圧Ｖ_ｏを下回っているかどうか確認する。例えば、好適な実施形態
において電圧Ｖ_ｏには、０〜約２００ｍＶの値が割り当てられる。電圧Ｖ_ｏの値
として選択される値は０よりも大きい方が好ましい。なぜならば、電池電圧全体
が依然として正である場合にも、オキシダント不足が局所的に発生すると、水素
が発生する可能性があるからである。例えば、燃料電池スタック１００が約１０
０ｍＶの平均電池電圧を有する場合、カソード排出ストリームにおいて測定され
た約２０ｐｐｍの水素濃度が測定され得る。従って、コントローラ１０５がｄＨ
／ｄｔが正であるという結果と、電池電圧はＶ_ｏを下回っているという結果とが
同時に存在すると判定した場合、これらの２つの条件の発生要因は、オキシダン
ト不足であり得る。しかし、電池電圧がＶ_ｏを上回っている場合、それは、カソ
ード排出において水素ガスが検出されたのは、おそらく電池逆転に起因するもの
ではないことを示す。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１０１

【補正方法】削除

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ウィルキンソン， デイビッド ピー． カナダ国 ブイ７ケイ １ダブリュー４ ブリティッシュ コロンビア， ノース バンクーバー， コレマン ストリート 1391 (72)発明者 ナイツ， シァンナ カナダ国 ブイ５ジー １エックス２ ブ リティシュ コロンビア， バーナビー， フォレスト ストリート 5376 (72)発明者 シャム， ラインホルト ドイツ国 88179 シュテッテン， ミュ ンスターリンガー ヴェク 12 (72)発明者 フレッチャー， ニコラス ジェイ． カナダ国 ブイ６アール １エイ５ ブリ ティッシュ コロンビア， バンクーバ ー， ポイント グレイ ロード 3464 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 KK31 KK54 MM04 MM09

Claims (46)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池システムを動作させる方法であって、該システムは
   、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池電力生成サブシステムと、該燃料
   電池のカソードにオキシダントストリームを供給する機械デバイスを備えるオキ
   シダント送達サブシステムとを備え、該方法は、該機械デバイスを制御して、ｄ
   Ｖ／ｄ（オキシダントの化学量論）が所定の値を上回るまでオキシダントの化学
   量論を低減させることにより、寄生電力消費を低減させる工程を包含する、方法
   。
2. 【請求項２】 前記燃料電池は固形ポリマー電解質燃料電池である、請求項
   １に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記所定のｄＶ／ｄ（オキシダントの化学量論）の値は０．
   ０２ボルト以上である、請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記所定のｄＶ／ｄ（オキシダントの化学量論）の値は、約
   ０．３ボルト〜約７．０ボルトである、請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記所定のｄＶ／ｄ（オキシダントの化学量論）の値は、電
   池電圧が閾値電圧を下回ったときに判定される、請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記所定のｄＶ／ｄ（オキシダントの化学量論）の値は、前
   記カソードの電気化学的に活性の領域においてオキシダント不足が発生している
   ときに判定される、請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記ｄＶ／ｄ（オキシダントの化学量論）が所定の値よりも
   大きいと判定される工程は、前記カソード排出ストリーム中の水素の閾値濃度を
   検出することによって行われる、請求項５に記載の方法。
8. 【請求項８】 前記所定のｄＶ／ｄ（オキシダントの化学量論）の値は、前
   記オキシダントの化学量論が約１．０〜約２．０の閾値より低い場合に判定され
   る、請求項１に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記カソード排出ストリーム中の酸素濃度を測定してオキシ
   ダントの化学量論を計算して、これにより、該オキシダントの化学量論が前記オ
   キシダントの化学量論の閾値より低い時点を判定する工程をさらに包含する、請
   求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記所定のｄＶ／ｄ（オキシダントの化学量論）の値は、
    前記電池電圧の値が閾値電池電圧を下回った場合に判定され、電池電圧は、オキ
    シダントの化学量論を低減させる工程を中止する時点を判定するためにモニタリ
    ングされる、請求項１に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記オキシダント送達サブシステムを制御して、電圧出力
    を所定の電圧範囲内に収まるように維持する工程をさらに包含し、該所定の電圧
    範囲は、約１．０〜約２．０のオキシダントの化学量論範囲に対応し、前記閾値
    電池電圧は、該所定の電圧範囲の下限電池電圧に対応する、請求項１０に記載の
    方法。
12. 【請求項１２】 前記オキシダントストリームは希釈オキシダントストリー
    ムである、請求項１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記オキシダントストリームは空気である、請求項１２に
    記載の方法。
14. 【請求項１４】 動作状態が定常状態である間、前記機械デバイスを制御し
    て、オキシダントの化学量論を約１．０に維持する工程をさらに包含する、請求
    項８に記載の方法。
15. 【請求項１５】 前記機械デバイスは、コンプレッサ、ファン、ポンプおよ
    び送風器からなる群から選択され、オキシダントの化学量論は、前記機械デバイ
    スの速度を低下させることによって低減される、請求項１に記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記オキシダントの化学量論を判定する方法は、前記カソ
    ードに向かうオキシダント供給ストリーム中の酸素濃度をモニタリングする工程
    をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記燃料電池の電力生成サブシステムからの電流出力をモ
    ニタリングする工程をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
18. 【請求項１８】 燃料電池を動作させる方法であって、該燃料電池は、オキ
    シダントストリームの供給先であるカソードと、燃料ストリームの供給先である
    アノードとを備え、 （ａ）該カソードの下流においてカソード排出ストリームをモニタリングして
    、水素ガスの濃度を検出する工程と、 （ｂ）該水素ガス濃度が第１の閾値濃度より低い場合、オキシダントの化学量
    論を低減させる工程と、 を包含する、方法。
19. 【請求項１９】 前記燃料電池は、単一の燃料電池スタックとして構成され
    た複数の燃料電池のうちの１つであり、前記カソード排出ストリームは、該複数
    の燃料電池と関連付けられた複数のカソードの下流においてモニタリングされる
    、請求項１８に記載の方法。
20. 【請求項２０】 前記水素ガス濃度が第２の閾値濃度より大きい場合、前記
    オキシダントの化学量論を増加させる工程をさらに包含する、請求項１８に記載
    の方法。
21. 【請求項２１】 前記第１の閾値濃度は、前記カソード排出ストリームをモ
    ニタリングするように用いられる水素センサの検出下限である、請求項２０に記
    載の方法。
22. 【請求項２２】 前記第２の閾値濃度は約２０ｐｐｍの水素である、請求項
    ２０に記載の方法。
23. 【請求項２３】 前記第２の閾値濃度は前記第１の閾値濃度よりも高い、請
    求項２０に記載の方法。
24. 【請求項２４】 前記オキシダントの化学量論は、前記カソードに供給され
    るオキシダントストリーム中のオキシダント濃度を調節することによって調節さ
    れる、請求項２０に記載の方法。
25. 【請求項２５】 前記オキシダントの化学量論は、前記燃料電池の電力出力
    を調節することによって調節される、請求項２０に記載の方法。
26. 【請求項２６】 前記オキシダントの化学量論は、前記カソードに供給され
    るオキシダントストリームの質量流量を調節することによって調節される、請求
    項２０に記載の方法。
27. 【請求項２７】 前記オキシダントストリームの質量流量は、前記オキシダ
    ントストリームを前記カソードに供給する機械デバイスの速度を調節することに
    よって調節される、請求項２６に記載の方法。
28. 【請求項２８】 前記オキシダントストリームの質量流量は、一定の量また
    は一定の割合の即時のオキシダントストリームの質量流量の分だけ調節される、
    請求項２６に記載の方法。
29. 【請求項２９】 前記オキシダントの化学量論は、前記オキシダントストリ
    ームの質量流量を前記検出された水素ガス濃度の大きさに依存する量だけ調節す
    ることによって調節される、請求項２６に記載の方法。
30. 【請求項３０】 前記水素ガス濃度が第２の閾値濃度より大きい場合に前記
    カソード排出ストリーム中の水素ガス濃度を低減させる工程をさらに包含し、該
    工程は、前記オキシダントストリームの質量流量を所望の質量流量の最大値と比
    較する工程を包含し、 （ａ）該オキシダントストリームの質量流量が該所望の質量流量の最大値より
    小さい場合、該オキシダントの質量流量を増加させ、 （ｂ）該オキシダントの質量流量が該所望の質量流量の最大値以上である場合
    、該燃料電池の動作を中止させ、該水素ガス濃度が前記第１の閾値濃度および該
    第２の閾値濃度よりも高い第３の閾値濃度より高い場合、警告信号を生成し、該
    水素ガス濃度が該第３の閾値濃度よりも低い場合、該燃料電池を動作させ続ける
    、 請求項１８に記載の方法。
31. 【請求項３１】 前記方法は、水素ガスの濃度が前記第１の閾値濃度と前記
    第２の閾値濃度との間にある場合、前記オキシダントの化学量論を変化させない
    工程をさらに包含する、請求項２０に記載の方法。
32. 【請求項３２】 前記オキシダントの質量流量を増加させた後、前記オキシ
    ダントの質量流量と、前記即時の燃料電池の電力出力の所望のオキシダントの質
    量流量とを比較して、該オキシダントの質量流量が該所望のオキシダントの質量
    流量よりも高い所定の量より多い場合、警告信号を生成するか、または、該燃料
    電池の動作を停止させる工程をさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
33. 【請求項３３】 前記所望のオキシダントの質量流量は、ルックアップテー
    ブルから判定される、請求項３０に記載の方法。
34. 【請求項３４】 前記モニタリング工程は、前記カソード排出ストリームの
    水素ガス濃度を継続的にモニタリングして、該水素ガス濃度が上昇しているのか
    それとも低下しているのかを判定する工程を包含し、該水素ガス濃度が第２の閾
    値濃度よりも高い場合、 該水素濃度が低下している場合、オキシダントの化学量論を実質的に一定に維
    持する工程と、 該水素濃度が上昇している場合、該オキシダントの化学量論を増加させる工程
    と、 をさらに包含する、請求項１８に記載の方法。
35. 【請求項３５】 前記水素ガス濃度が前記第１の閾値濃度よりも高く、前記
    カソード排出ストリーム中の水素ガス濃度が上昇しており、かつ、前記オキシダ
    ントストリームが所望の質量流量の最大値で流れている場合に警告信号を生成す
    る工程 をさらに包含する、請求項３４に記載の方法。
36. 【請求項３６】 前記燃料ストリームを制御して、前記警告信号が生成され
    た場合に燃料ストリーム圧力を低下させる工程をさらに包含する、請求項３５に
    記載の方法。
37. 【請求項３７】 前記燃料電池の電力出力をモニタリングして、該電力出力
    が電力需要よりも小さくない場合は該燃料電池を動作させ続け、該電力出力が前
    記電力需要未満の所定の量である場合は該燃料電池の動作を停止させる工程をさ
    らに包含する、請求項３６に記載の方法。
38. 【請求項３８】 電力出力を確認して、 該電力出力が電力需要よりも小さくない場合は前記燃料電池を動作させ続ける
    工程と、 該電力出力が該電力需要よりも小さい場合、警告信号を生成し、その後、該燃
    料電池を低い電力出力で動作させるかそれとも該燃料電池の動作を停止させるか
    選択する工程と、 をさらに包含する、請求項３６に記載の方法。
39. 【請求項３９】 前記モニタリング工程は、前記カソード排出ストリームの
    水素ガス濃度を継続的にモニタリングし、該水素ガス濃度が上昇しているのかそ
    れとも低下しているのかを判定し、該水素ガス濃度が第２の閾値濃度よりも大き
    い場合において、 該水素濃度が低下している場合、オキシダントの化学量論を一定に維持し、 燃料電池の電圧を測定し、該燃料電池の電圧を閾値電圧と比較し、 該燃料電池電圧が該閾値電圧を上回り、かつ、該水素ガス濃度が上昇してい
    る場合、該燃料ストリームの圧力を低下させ、 該燃料電池電圧が該閾値電圧より低く、該水素ガス濃度が上昇しており、か
    つ、オキシダントの質量流量が所望の最大値よりも小さい場合、該オキシダント
    の化学量論を増加させ、 該燃料電池電圧が該閾値電圧よりも小さく、該水素ガス濃度が上昇しており
    、かつ、オキシダントの質量流量が所望の最大値以上である場合、該燃料ストリ
    ームの圧力を低減させる工程、 をさらに包含する、請求項１８に記載の方法。
40. 【請求項４０】 前記オキシダントストリームおよび前記燃料ストリームの
    流体圧力を調整して、該オキシダントストリームと該燃料ストリームとの間の圧
    力差を増加させる工程をさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
41. 【請求項４１】 前記オキシダントストリームおよび前記燃料ストリームの
    流体圧力を調整して、該オキシダントストリームと該燃料ストリームとの間の圧
    力差を低下させる工程をさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
42. 【請求項４２】 前記閾値電圧は約１００ミリボルトである、請求項３９に
    記載の方法。
43. 【請求項４３】 電力出力が電力需要より低い場合、前記燃料電池の動作を
    停止させる工程をさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
44. 【請求項４４】 前記モニタリング工程は定期的に行われる、請求項１８に
    記載の方法。
45. 【請求項４５】 前記水素ガスの第２の所定の閾値濃度が検出されるまで前
    記オキシダントストリームの質量流量を低下させ、その後、該オキシダントの質
    量流量を所定の割合だけ増加させ、これにより、該オキシダントの化学量論が約
    １よりも高い所定の割合となるようにする、 請求項２６に記載の方法。
46. 【請求項４６】 前記所定の割合は５０％未満である、請求項４５に記載の
    方法。