JP2004039632A - 燃料電池システムにおける化学センサ手段 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムにおける化学センサのためのシステムと方法を提供すること。
【解決手段】燃料流給送システム（１４）に結合するよう構成した流入管（４８）と、２以上の電気防食用化学センサ燃料電池（４４）と、電気防食用化学センサ燃料電池（４４）を流入管（４８）に選択的に結合するよう構成した多岐管（４６）を備えることを特徴とする交換可能な電気防食用センサシステム（２０）を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】燃料流給送システム（１４）に結合するよう構成した流入管（４８）と、２以上の電気防食用化学センサ燃料電池（４４）と、電気防食用化学センサ燃料電池（４４）を流入管（４８）に選択的に結合するよう構成した多岐管（４６）を備えることを特徴とする交換可能な電気防食用センサシステム（２０）を提供する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムにおける化学センサ（又はケミカルセンサ）手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気化学的燃料電池は、燃料（例えばほぼ純粋な水素や改質メタノールや天然改質ガスやメタノール含有流）と酸化体（例えばほぼ純粋な酸素や酸素含有空気や搬送ガス内酸素）を電気や反応生成物へ変換する。固体ポリマー電気化学的燃料電池には一般に、イオン交換膜や二つの電極間の固体ポリマー電解液を含む膜電極組立体が用いられる。電極は通常、炭素繊維紙や炭素布などの多孔質導電シート材の層から形成される。膜電極組立体は、各膜／電極界面に選択された電気化学的反応を誘起する触媒（例えば白金粉末）を含む。動作時に、電極は外部電気回路により電気的に接続される。燃料は多孔質アノード基板を通って移動し、アノード電解触媒層で酸化させられる。他方、酸化体は多孔質カソード基板を通って移動し、カソード電解触媒層で低減されて反応生成物を形成する。水素をベースにした燃料電池システムでは、アノードにおける触媒作用が陽子を生成する。イオン交換膜は、アノードからカソードへの陽子の流れを促進する。膜は、酸素含有酸化体流から水素含有燃料流を隔絶する。カソード電解触媒層では、膜障壁を横切り反応生成物として水を形成する陽子と酸素が反応する。
【０００３】
燃料電池システムの全体的な電力出力を増やすため、２以上の燃料電池を電気的に直列に接続することがある。この種の多数の燃料電池の配列は、燃料電池スタックと呼ばれる。このスタックには、通常、燃料流と酸化体流を個々の燃料電池反応流路に導く流入ポートと多岐管が含まれる。スタックにはまた、流入口と冷媒流体（例えば水）流をスタック内の内部流路へ案内して動作中に燃料電池により生成された熱を吸収する多岐管とを含むものもある。
【０００４】
燃料流は、所望の電気化学的反応に貢献せず、邪魔することもある不純物を含むことがある。これらの不純物は、燃料流の供給自体から生じたり、或いは燃料電池反応の間に中間種として生成されたり、或いは燃料電池システムから放出された不純物であることもある。これら不純物の一部は化学的に吸収されたり、アノード電解触媒の表面に物理的に付着したりし、活性電解触媒の所々を塞ぐ。この種の不純物は、「電解触媒毒」として公知であり、電気化学的燃料電池へのそれらの影響は、「電解触媒毒作用」として知られている。電解触媒毒作用は燃料電池性能の低下（例えば、所与の電流密度に対する燃料電池からの電圧出力の低下）を招く。触媒毒の構成内容は通常、燃料電池の種類に依存する。
【０００５】
アノード電解触媒毒作用問題の従来の対処法は、不活性ガス（例えば窒素）を用いたアノードの浄化と、一酸化炭素や他の毒物を殆ど含まない「清浄な」燃料流の毒物汚染燃料電池アノードへの給送を含む。一酸化炭素による電解触媒毒作用を低減する別の技術は、燃料電池の上流位置において燃料流に低濃度酸素を連続的に導入するものである。例えば、米国特許第６，２１０，８２０号（特許文献１）には、その称するところによれば、燃料電池に供給される不純燃料流内へ酸素を過剰使用することなく触媒の活性低下を低減或いは阻止する仕方で様々な濃度の酸素を導入する燃料電池の動作方法が開示されている。
【０００６】
一部のシステムでは、燃料電池スタック内の１以上の燃料電池からの低出力電圧が一酸化炭素中毒の目安として用いられている。他のシステムでは、中毒レベルが有害なレベルに達した時点の検出にセンサが用いられている。これらのシステムでは、センサは主燃料電池に並列結合されよう。例えば、米国特許第６，００１，４９９号（特許文献２）には、主燃料電池スタックに並列結合したプローブとして小型の陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を用いる一酸化炭素感応センサを含む燃料電池システムが提案されている。他のシステムでは、センサはスタックをなす主燃料電池に直列結合されている。例えば、国際公開第００／０２２８２号（特許文献３）には複数の燃料電池で、その少なくとも一つがセンサ電池である電気化学的燃料電池スタックが提案されている。センサ電池は、残る複数の燃料電池に関し少なくとも一つの構造上の相違点を有する。この構造上の相違点には、例えば低減されたセンサ電池電気化学的活性領域や低減された電解触媒負荷や改変したアノード或いはカソード流フィールドや異なる電解触媒組成や改変された冷媒流フィールド構成が含まれよう。センサ電池は、スタック内の残る電池とほぼ同じ条件でもって動作する。しかしながら、特定のスタック動作条件における変化に応答し、残る燃料電池では同時誘起しない電気的応答又は熱的応答がセンサ電池内に誘起する。このように、センサ電池は望ましからざる条件を検出し、その応答は補正動作の始動に用いることができる。異種条件に特有の１以上のセンサ電池がスタック内に用いられよう。不要条件が存在しない場合、センサ電池は電力生成燃料電池として機能することができる。
【０００７】
さらに他のシステムでは、センサは主燃料電池スタック上流に位置する。例えば、米国特許第６，０８３，６３７号（特許文献４）には改質流路内の異なる位置に位置する複数の改質センサを含む燃料電池エネルギー発生システムが提案されている。各改質センサは、燃料電池スタックの主燃料電池と同じ構成をもつ燃料電池に対応する。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第６，２１０，８２０号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，００１，４９９号明細書
【特許文献３】
国際公開第００／０２２８２号パンフレット
【特許文献４】
米国特許第６，０８３，６３７号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムにおける化学センサのためのシステムと方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
一つの態様では、本発明は燃料流給送システムに結合する構成とした流入管と、２以上の電気防食用化学センサ燃料電池（犠牲用のセンサ電池）と、電気防食用化学センサ燃料電池を流入管に選択的に結合するよう構成した多岐管とを含む交換可能な電気防食用センサシステムを特徴とするものである。
【００１１】
別の態様では、本発明は、主燃料電池と、燃料流を主燃料電池へ導くよう構成した燃料流給送システムと、酸化体流を主燃料電池へ導くよう構成した酸化体流給送システムと、センサシステムとを含むことを特徴とするものである。センサシステムは、主燃料電池上流の所定位置にて燃料流給送システムに結合してあり、２以上の電気防食用化学センサと電気防食用化学センサを燃料流給送システムへ選択的に結合する構成の多岐管を備える。
【００１２】
別の態様では、本発明は燃料電池法を特徴とする。この発明方法によれば、１以上の電気防食用化学センサ群が燃料流に結合される。電気防食用化学センサ群が、主燃料電池上流の１以上の個別位置に配置された１以上のセンサシステムから選択される。各センサシステムは、２以上の電気防食用化学センサからなる。１以上の被結合電気防食用化学センサを監視する。１以上の被結合電気防食用化学センサの劣化検出に応答し、１以上の劣化した電気防食用化学センサが燃料流給送システムから分離される。本発明の他の特徴及び利点は、図面と特許請求の範囲を含む以下の説明から明らかとなろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下の説明にあっては、同様の構成要素の識別に同様の参照符号を用いることにする。さらに、図面は例示実施形態の主要な特徴を概略的に例示することを意図するものである。図面は、実際の実施形態の各特徴も描写した要素の相対的な寸法の描写も意図しておらず、実寸で描いたものではない。
【００１４】
図１を参照すると、一実施形態では、燃料電池システム１０は、燃料源１２と燃料流給送システム１４と酸化体流給送システム１６と燃料電池スタック１８と３個の電気防食用センサシステム２０，２２，２４とコントローラ２６を含む。燃料源１２は、ほぼ純粋な水素ガスやガス状水素含有改質流やメタノールを含む従来からある実に様々な水素含有燃料のいずれでもよい。例示実施形態では、燃料源１２は炭化水素をベースにした燃料源である。戻り燃料２８は先ず脱硫床３０にて処理され、これが多くの燃料電池システムと改質システム内の触媒にとって有害な硫黄含有化合物の濃度を著しく低減する。脱硫された燃料３２は、従来の改質器（リフォーマ）３４により水素と一酸化炭素（ＣＯ）へ改質される。高温燃料電池にとってはさらなる処理は通常は不要であり、何故なら水素と一酸化炭素は高温でガスであるからである。しかしながら、低温燃料電池（例えば陽子交換膜ＰＥＭ；Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）をベースにした燃料電池）にとっては、燃料流３８のＣＯレベルは、燃料電池スタック１８内に導入する前に百万分の一（ｐｐｍ）のレベルまで低減させねばならない。一般に１０ｐｐｍ以上のレベルでは、ＣＯは通常ＰＥＭ燃料電池内に用いられる貴金属触媒を可逆的に毒物汚染する傾向がある。例示実施形態では、従来のＣＯ変換器３６（例えば水性ガス転位反応炉）が改質燃料流３８を処理して改質燃料流３８中のＣＯの殆どの部分を燃料電池スタック１８にとって無害の二酸化炭素へ変換する。
【００１５】
燃料電池スタック１８は、好ましくは高温固体酸化燃料電池技術と低温固体ポリマー燃料電池技術を含む実に様々な異なる燃料電池技術を用いて実装することのできる複数の個別燃料電池を含む。例示実施形態では、スタック１８の個々の燃料電池は、それぞれがアノード層とカソード層の間に配置される薄肉の陽子伝導固体ポリマー膜電解液或いはイオン交換膜から形成された膜電極組立体を含むＰＥＭ燃料電池として実装してある。膜電極組立体は、好ましくは一対の導電アノードとカソード電流コレクタの間に挟持し、好ましくは燃料流給送システム１４と酸化体流給送システム１６から個別に受け取ったガス状反応物をアノードとカソードに分配するチャンネル（或いは開口）を含む。
【００１６】
通常可逆的であるＣＯ中毒に加え、スタック１８をなす燃料電池は、アノードとカソードの電解触媒により不可逆的に吸着された電解触媒毒にさらされることがある。例えば、幾つかの硫黄含有化合物（例えば硫化水素）は、１０億分の１（ｐｐｂ）の１００倍程度の濃度レベルで一般的なアノードとカソードの電解触媒を毒物汚染する。これらの硫黄含有化合物はまた、１０億分の１（ｐｐｍ）の３０倍未満の濃度レベルで一般の改質触媒を毒物汚染する。脱硫床３０は戻り燃料流２８から１００ｐｐｂ未満の濃度まで硫黄化合物を除去するよう構成することができるが、時間が経過したり、或いは特に混じり物を含む燃料を用いたときに所与の脱硫床の設計は特定の戻り燃料流に対し不適切となることがある。以下に詳細に説明する如く、燃料電池スタック１８の非可逆毒物汚染の危険は、燃料電池スタック１８上流の１以上の位置に１以上の電気防食用センサシステム２０〜２４を配置することによってほぼ低減することができる。燃料流内の可逆或いは非可逆毒物の存在の検出に応答し、コントローラ２６が１以上の応答動作をトリガーし、燃料電池スタック１８を検出された毒物にさらさないよう保護するが、この応答動作には弁４２を用いた燃料流の阻止や燃料流の逃がしや燃料電池スタック１８内への酸化ガス（例えば空気）の注入のうちの１以上が含まれる。
【００１７】
図２を参照するに、一部実施形態では、各電気防食用センサーシステム２０〜２４が、２以上の電気防食用センサ化学センサ４４と、燃料流給送システム１４に結合するよう構成した燃料流入管４８を有する燃料多岐管４６と、酸化体流給送システム１６に結合するよう構成した酸化体流入管５２を有する酸化体多岐管５０を含む。燃料多岐管４６は、電気防食用化学センサ４４を燃料流入管４８へ選択的に結合する一組の弁５４を含む。同様に、酸化体多岐管５０は電気防食用化学センサ４４を酸化体流入管５２へ選択的に結合する一組の弁５６を含む。図示の実施形態では、電気防食用化学センサ２４は並列結合させた５個の電気防食用化学センサ４４を含む。他の実施形態では、より数の多いか又は少ない電気防食用化学センサ４４を含ませることもできる。
【００１８】
図２，３を参照するに、例示実施形態では、各電気防食用化学センサ４４は主燃料電池スタック１８の小型版に対応する。本実施形態では、各電気防食用化学センサ４４は、アノード電解触媒を有するアノード５８と、カソード電解触媒を有するカソード６０と、アノード５８とカソード６０の間に配置したイオン交換膜６２を含む。
【００１９】
一部実施形態では、各電気防食用化学センサ４４内のアノード電解触媒とカソード電解触媒は、それぞれ主燃料電池のスタック１８内のアノード電解触媒とカソード電解触媒に対応する。こうして、電気防食用化学センサは主燃料電池と同じく広範な有害な化学種に応答することになる。一部実施形態では、１以上の電解触媒毒に対し電気防食用化学センサ４４は少なくとも主燃料電池と同じく応答又は感応或いはその両方を行なう構成としてある。例えば、電気防食用化学センサ感度は、電気防食用化学センサ４４のカソードとアノードの電解触媒負荷レベルを主燃料電池の対応負荷レベルよりも低く設定することで増大させ得るか、又は電気防食用化学センサ４４は主燃料電池よりも低い温度で作動させ得るか、或いはその両方である。他の実施形態では、各電気防食用化学センサは主燃料電池とは異なる燃料電池技術を用いて実装される。例えば、主燃料電池が燐酸スタックをベースにした燃料電池である実施形態では、電気防食用化学センサは陽子交換膜ベースの燃料電池とすることができ、それは燐酸スタックをベースにした燃料電池よりもＣＯ感応性がある。これらの実施形態では、陽子交換膜電気防食用化学センサは通常１００ｐｐｍを超えるＣＯ濃度レベルで故障するが、燐酸燃料電池は通常は約１％までのＣＯ濃度レベルに耐えることができる。さらに他の実施形態では、各電気防食用化学センサシステムには、流入管４８と燃料多岐管４６の間に介挿した化学フィルタ６６（例えば、選択性膜或いは吸着剤）を含ませることができる。例えば、化学フィルタ６６は１以上の選択された化学種に対応する電解触媒毒を選択的に通過させ、それによって電気防食用化学センサ４４が調整されるよう構成することができる。これらの各方法では、電気防食用化学センサは、電解触媒毒濃度が主燃料電池スタック１８にとって著しく有害なレベルへ達するずっと前に電解触媒毒汚染にさらされることの指示をもたらすよう構成することができる。
【００２０】
所与のセンサシステム２０〜２４の電気防食用化学センサは、同じものでも或いは異なるものでもよい。例えば、一部実施形態では、センサシステムの電気防食用化学センサ４４は一対にグループ化することができる。すなわち、一方は電解触媒への負荷の比較的小さな（高感度）センサであり、他方は電解触媒への負荷の比較的大きな（低感度）センサである。これらの実施形態では、両方のセンサ対は同時に燃料流給送システム１４へ結合することができる。高感度電気防食用化学センサの故障に応答して、コントローラ２６は動作保護モードを開始することができる。低感度電気防食用化学センサが電解触媒毒のより高いレベルに耐えることができるため、それは電解触媒毒濃度が安全レベルに達した時点（例えば、高感度電気防食用化学センサが故障した後の選択された時間期間に亙って低感度電気防食用化学センサの応答がほぼ不変のままであるとき）で通常の動作モードを再開できる時点の検出に用いることができる。
【００２１】
各電気防食用化学センサ４４は、好ましくは主燃料電池スタック１８よりも格段に小さいのがよい。例えば、一部実施形態では、電気防食用化学センサ４４のアノードは、主燃料電池のアノード活性領域の１００倍程度も小さな活性領域を有する。いくつかの実施形態では、電気防食用化学センサ４４のアノードは約４ｃｍ２程度或いはそれ未満の好ましくは約１ｃｍ２程度或いはそれ未満の小さな活性領域を有する。一般に、各電気防食用化学センサ４４は出来る限り安価に製作すべきであるが、その一方で燃料流が有害な濃度レベルの１以上の電解触媒毒種を含むときに信頼に足る指示を依然として供給できねばない。こうして、１以上の関連する非可逆有毒化学種は、主燃料電池と同じか或いはより良好な感度でもって容易に検出することができ、しかもそのコストは主燃料電池よりも格段に低いものとなる。
【００２２】
図４を参照するに、一部実施形態では、燃料電池システム１０は以下の如く動作することになる。先ず、一組の１以上の電気防食用化学センサ４４を燃料流給送システム１４へ結合（ステップ７０）する。一組の電気防食用化学センサを、主燃料電池スタック１８の１以上の個別上流位置に配置した１以上のセンサシステム２０〜２４から選択する。各センサシステム２０〜２４は、２以上の電気防食用化学センサを含む。例えば、図１に示す如く、電気防食用化学センサシステム２０〜２４は、燃料流給送システム１４各段の後方に結合することができる。一部実施形態では、１以上の電気防食用化学センサシステム２０〜２４を燃料電池スタック１８の燃料流路上流と同じ位置に結合することができる。コントローラ２６は、弁５４をして１以上の選択された電気防食用化学センサ４４の選択群を燃料流給送システム１４に選択的に結合するよう構成している。同時に、コントローラ２６はまた弁５６をして電気防食用化学センサ４４の選択群を酸化体流給送システム１６へ選択的に結合するよう構成している。一般に、コントローラ２６は１以上の燃料流電気防食用化学センサ４４を１以上の電気防食用センサーシステム２０〜２４から燃料流へ選択的に結合する。コントローラ２６は、好ましくは電気防食用センサシステムの電気防食用化学センサ４４の部分群だけを一度に結合し、これにより１以上の（可逆又は不可逆）電解触媒毒にさらされることで生じるセンサ故障発生時に、１以上の残る電気防食用化学センサ４４を燃料流給送システム１４の監視用に結合することができる。こうして、燃料電池システム１０は電気防食用化学センサ４４が故障するたびに完全に稼働停止させる必要はなくなる。
【００２３】
燃料電池システム１０の動作期間中、コントローラ２６は１以上の選択された電気防食用化学センサ４４の応答を監視（ステップ７４）する。コントローラ２６は、１以上の電気防食用化学センサ応答の劣化が検出されるまで、選択された電気防食用化学センサ４４を監視し続ける。例えば、一部実施形態では、コントローラ２６は監視していた電気防食用化学センサ４４が生成する電流か電圧（或いはその両方）を測定することができる。これらの実施形態では、電気防食用化学センサ４４の劣化は、電気防食用化学センサ４４により生成される電流か電圧（又はその両方）における低下に基づいて検出することができる。劣化が検出（ステップ７６）された場合、コントローラ２６は１以上の選択された電気防食用化学センサ４４を燃料流給送システム１４から切り離す（ステップ７８）。例えば、コントローラ２６がセンサシステム２４の電気防食用化学センサ４４が故障したことを検出した場合、コントローラ２６は故障した電気防食用化学センサを切り離すことができる。
【００２４】
劣化した応答を有する電気防食用化学センサの切り離しに加え、コントローラ２６はまた主要燃料電池スタック１８を１以上の電解触媒毒にさらすことから保護するよう設計された動作保護モードをトリガーする制御信号を生成（ステップ８０）することができる。例えば、制御信号は以下の保護動作のうち１以上をトリガーすることができる。すなわち、弁４２を用いた燃料流の阻止、燃料流の抜き、酸化ガス（例えば空気）の燃料電池スタック１８内への注入である。他の周知の保護手段もまた、コントローラ２６によりトリガーすることができる。
【００２５】
１以上の保護手段を実行した後、コントローラ２６は１以上の電気防食用化学センサの異なる組を燃料流給送システムへ結合（ステップ８２）することができる。
【００２６】
一部の実施形態では、（例えば、センサアノードに空気などの酸化体を浴びせたり、電解触媒毒を電気化学的に無毒の化学種に変えるのに十分なレベルの電圧を印加して）コントローラ２６はそれらを標準的な燃料電池再生処理にさらして切り離された電気防食用化学センサ４４を再生するよう試行（ステップ８４）することができる。
【００２７】
本願明細書に記載した燃料電池制御システム及び方法は、どんな特定のハードウェア構成或いはソフトウェア構成にも限定はされないが、むしろそれらはディジタル電子回路網或いはコンピュータハードウェアやファームウェアやソフトウェアを含む任意の計算環境或いは処理環境に実装することができる。これらのシステムと方法は、コンピュータプロセッサによる実行向けの機械読み取り可能な記憶装置内で有形実施されるコンピュータプログラム製品にて一部実装することができる。一部実施形態では、これらのシステム及び方法は好ましくは高水準の手順的或いはオブジェクト指向プログラミング言語において実装される。しかしながら、そのアルゴリズムは必要に応じてアッセンブリ言語或いは機械語にて実装することもできる。いずれにせよ、プログラミング言語は翻訳言語か解釈言語となろう。本願明細書に記載した方法は、例えば入力データへの操作と出力の生成によりこれらの方法を実行するために、例えば、プログラムモジュールに編成された指令を実行するコンピュータプロセッサにより実施することができる。適切なプロセッサは、例えば汎用と専用の両方のマイクロプロセッサを含む。一般に、プロセッサは読み出し専用メモリ及び／又は随時読み書き可能メモリから指示とデータを受け取る。コンピュータプログラム指示を有形実施するのに適した記憶装置は、例えばＥＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭやなどの半導体メモリ装置やフラッシュメモリ装置、内蔵ハードディスクや着脱可能なディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭを含むあらゆる形態の不揮発性メモリを含む。前述の技術のいずれもが、特別に設計されたＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）により補充するか或いはその中に組み込むことができる。
【００２８】
他の実施形態も、本発明の範囲に含まれ得る。例えば、電気防食用化学センサシステム２０〜２４に加え、燃料電池システム１０には１以上の異なる化学センサ（例えば戻り燃料流２８を採取する構成の屈折率センサ）を含めることもできる。
【００２９】
上述の実施形態に即して本発明を説明すると、本発明は、燃料流給送システム（１４）に結合するよう構成した流入管（４８）と、２以上の電気防食用化学センサ燃料電池（４４）と、電気防食用化学センサ燃料電池（４４）を流入管（４８）に選択的に結合するよう構成した多岐管（４６）を備えることを特徴とする交換可能な電気防食用センサシステム（２０）を提供する。
【００３０】
好ましくは、各電気防食用化学センサ燃料電池（４４）は、アノード電解触媒を有するアノード（５８）と、カソード電解触媒を有するカソード（６０）と、カソード（６０）とアノード（５８）の間に配置したイオン交換膜（６２）を含む。
【００３１】
好ましくは、流入管（４８）は主燃料電池上流の所定位置で燃料流に結合する構成とされ、各電気防食用化学センサ燃料電池は主燃料電池よりも格段に小さいものとされる。
【００３２】
更に本発明は、主燃料電池と、主燃料電池へ燃料流を案内するよう構成した燃料流給送システム（１４）と、主燃料電池へ酸化体流を案内するよう構成した酸化体流給送システム（１６）と、主燃料電池上流の所定位置で燃料流給送システム（１４）に結合され、２以上の電気防食用化学センサ（４４）と、電気防食用化学センサ（４４）を燃料流給送システム（１４）へ選択的に結合する構成とした多岐管（４６）を含むセンサシステム（２０）を備える、ことを特徴とする燃料電池システム（１０）を提供する。
【００３３】
好ましくは、各電気防食用化学センサ（４４）は、主燃料電池よりも相当に小さな燃料電池とされる。
【００３４】
好ましくは、各電気防食用化学センサ（４４）は、１以上の電解触媒毒に対し主燃料電池と少なくとも同程度は高い応答性或いは感度又はその両方を有する。
【００３５】
好ましくは、センサシステム（２０）に結合され、センサシステム（２０）の１以上の動作応答の計測値に基づいて制御信号を生成するよう作動可能なコントローラ（２６）をさらに備える。
【００３６】
好ましくは、燃料流給送システム（１４）と電気防食用化学センサ（４４）の間に配置した化学フィルタ（６６）をさらに備える。
【００３７】
好ましくは、化学フィルタ（６６）は、１以上の選択された化学種に対応する電解触媒毒を選択的に通過させる構成とされる。
【００３８】
燃料流給送システムを主燃料電池上流の１以上の個別位置に配置され、それぞれ２以上の電気防食用化学センサ（４４）を有する１以上のセンサシステム（２０）から選択された１以上の電気防食用化学センサ（４４）群へ結合するステップと、１以上の被結合電気防食用化学センサ（４４）を監視するステップと、１以上の被結合電気防食用センサ（４４）の劣化検出に応答し、燃料流給送システム（１４）から１以上の劣化した電気防食用化学センサ（４４）を切り離すステップを含むことを特徴とする燃料電池動作方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料源と燃料流給送システムと酸化体流給送システムと燃料電池スタックと複数の電気防食用センサシステムとコントローラを含む燃料電池システムのブロック線図である。
【図２】電気防食用センサシステムのブロック線図である。
【図３】電気防食用化学センサのブロック線図である。
【図４】燃料電池法のフロー線図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料源
１４ 燃料流給送システム
１６ 酸化体流給送システム
１８ 燃料電池スタック
２０，２２，２４ 電気防食用センサシステム
２６ コントローラ
２８ 戻り燃料
３０ 脱硫床
３２ 燃料
３４ 改質器
３６ ＣＯ変換器
３８ 改質燃料流
４４ 電気防食用化学センサ
４６ 燃料多岐管
４８ 燃料流入管
５０ 酸化体多岐管
５２ 酸化体流入管
５４，５６ 弁
５８ アノード
６０ カソード
６２ イオン交換膜
６４ 燃料多岐管
６６ 化学フィルタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムにおける化学センサ（又はケミカルセンサ）手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気化学的燃料電池は、燃料（例えばほぼ純粋な水素や改質メタノールや天然改質ガスやメタノール含有流）と酸化体（例えばほぼ純粋な酸素や酸素含有空気や搬送ガス内酸素）を電気や反応生成物へ変換する。固体ポリマー電気化学的燃料電池には一般に、イオン交換膜や二つの電極間の固体ポリマー電解液を含む膜電極組立体が用いられる。電極は通常、炭素繊維紙や炭素布などの多孔質導電シート材の層から形成される。膜電極組立体は、各膜／電極界面に選択された電気化学的反応を誘起する触媒（例えば白金粉末）を含む。動作時に、電極は外部電気回路により電気的に接続される。燃料は多孔質アノード基板を通って移動し、アノード電解触媒層で酸化させられる。他方、酸化体は多孔質カソード基板を通って移動し、カソード電解触媒層で低減されて反応生成物を形成する。水素をベースにした燃料電池システムでは、アノードにおける触媒作用が陽子を生成する。イオン交換膜は、アノードからカソードへの陽子の流れを促進する。膜は、酸素含有酸化体流から水素含有燃料流を隔絶する。カソード電解触媒層では、膜障壁を横切り反応生成物として水を形成する陽子と酸素が反応する。
【０００３】
燃料電池システムの全体的な電力出力を増やすため、２以上の燃料電池を電気的に直列に接続することがある。この種の多数の燃料電池の配列は、燃料電池スタックと呼ばれる。このスタックには、通常、燃料流と酸化体流を個々の燃料電池反応流路に導く流入ポートと多岐管が含まれる。スタックにはまた、流入口と冷媒流体（例えば水）流をスタック内の内部流路へ案内して動作中に燃料電池により生成された熱を吸収する多岐管とを含むものもある。
【０００４】
燃料流は、所望の電気化学的反応に貢献せず、邪魔することもある不純物を含むことがある。これらの不純物は、燃料流の供給自体から生じたり、或いは燃料電池反応の間に中間種として生成されたり、或いは燃料電池システムから放出された不純物であることもある。これら不純物の一部は化学的に吸収されたり、アノード電解触媒の表面に物理的に付着したりし、活性電解触媒の所々を塞ぐ。この種の不純物は、「電解触媒毒」として公知であり、電気化学的燃料電池へのそれらの影響は、「電解触媒毒作用」として知られている。電解触媒毒作用は燃料電池性能の低下（例えば、所与の電流密度に対する燃料電池からの電圧出力の低下）を招く。触媒毒の構成内容は通常、燃料電池の種類に依存する。
【０００５】
アノード電解触媒毒作用問題の従来の対処法は、不活性ガス（例えば窒素）を用いたアノードの浄化と、一酸化炭素や他の毒物を殆ど含まない「清浄な」燃料流の毒物汚染燃料電池アノードへの給送を含む。一酸化炭素による電解触媒毒作用を低減する別の技術は、燃料電池の上流位置において燃料流に低濃度酸素を連続的に導入するものである。例えば、米国特許第６，２１０，８２０号（特許文献１）には、その称するところによれば、燃料電池に供給される不純燃料流内へ酸素を過剰使用することなく触媒の活性低下を低減或いは阻止する仕方で様々な濃度の酸素を導入する燃料電池の動作方法が開示されている。
【０００６】
一部のシステムでは、燃料電池スタック内の１以上の燃料電池からの低出力電圧が一酸化炭素中毒の目安として用いられている。他のシステムでは、中毒レベルが有害なレベルに達した時点の検出にセンサが用いられている。これらのシステムでは、センサは主燃料電池に並列結合されよう。例えば、米国特許第６，００１，４９９号（特許文献２）には、主燃料電池スタックに並列結合したプローブとして小型の陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を用いる一酸化炭素感応センサを含む燃料電池システムが提案されている。他のシステムでは、センサはスタックをなす主燃料電池に直列結合されている。例えば、国際公開第００／０２２８２号（特許文献３）には複数の燃料電池で、その少なくとも一つがセンサ電池である電気化学的燃料電池スタックが提案されている。センサ電池は、残る複数の燃料電池に関し少なくとも一つの構造上の相違点を有する。この構造上の相違点には、例えば低減されたセンサ電池電気化学的活性領域や低減された電解触媒負荷や改変したアノード或いはカソード流フィールドや異なる電解触媒組成や改変された冷媒流フィールド構成が含まれよう。センサ電池は、スタック内の残る電池とほぼ同じ条件でもって動作する。しかしながら、特定のスタック動作条件における変化に応答し、残る燃料電池では同時誘起しない電気的応答又は熱的応答がセンサ電池内に誘起する。このように、センサ電池は望ましからざる条件を検出し、その応答は補正動作の始動に用いることができる。異種条件に特有の１以上のセンサ電池がスタック内に用いられよう。不要条件が存在しない場合、センサ電池は電力生成燃料電池として機能することができる。
【０００７】
さらに他のシステムでは、センサは主燃料電池スタック上流に位置する。例えば、米国特許第６，０８３，６３７号（特許文献４）には改質流路内の異なる位置に位置する複数の改質センサを含む燃料電池エネルギー発生システムが提案されている。各改質センサは、燃料電池スタックの主燃料電池と同じ構成をもつ燃料電池に対応する。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第６，２１０，８２０号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，００１，４９９号明細書
【特許文献３】
国際公開第００／０２２８２号パンフレット
【特許文献４】
米国特許第６，０８３，６３７号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムにおける化学センサのためのシステムと方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
一つの態様では、本発明は燃料流給送システムに結合する構成とした流入管と、２以上の電気防食用化学センサ燃料電池（犠牲用のセンサ電池）と、電気防食用化学センサ燃料電池を流入管に選択的に結合するよう構成した多岐管とを含む交換可能な電気防食用センサシステムを特徴とするものである。
【００１１】
別の態様では、本発明は、主燃料電池と、燃料流を主燃料電池へ導くよう構成した燃料流給送システムと、酸化体流を主燃料電池へ導くよう構成した酸化体流給送システムと、センサシステムとを含むことを特徴とするものである。センサシステムは、主燃料電池上流の所定位置にて燃料流給送システムに結合してあり、２以上の電気防食用化学センサと電気防食用化学センサを燃料流給送システムへ選択的に結合する構成の多岐管を備える。
【００１２】
別の態様では、本発明は燃料電池法を特徴とする。この発明方法によれば、１以上の電気防食用化学センサ群が燃料流に結合される。電気防食用化学センサ群が、主燃料電池上流の１以上の個別位置に配置された１以上のセンサシステムから選択される。各センサシステムは、２以上の電気防食用化学センサからなる。１以上の被結合電気防食用化学センサを監視する。１以上の被結合電気防食用化学センサの劣化検出に応答し、１以上の劣化した電気防食用化学センサが燃料流給送システムから分離される。本発明の他の特徴及び利点は、図面と特許請求の範囲を含む以下の説明から明らかとなろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下の説明にあっては、同様の構成要素の識別に同様の参照符号を用いることにする。さらに、図面は例示実施形態の主要な特徴を概略的に例示することを意図するものである。図面は、実際の実施形態の各特徴も描写した要素の相対的な寸法の描写も意図しておらず、実寸で描いたものではない。
【００１４】
図１を参照すると、一実施形態では、燃料電池システム１０は、燃料源１２と燃料流給送システム１４と酸化体流給送システム１６と燃料電池スタック１８と３個の電気防食用センサシステム２０，２２，２４とコントローラ２６を含む。燃料源１２は、ほぼ純粋な水素ガスやガス状水素含有改質流やメタノールを含む従来からある実に様々な水素含有燃料のいずれでもよい。例示実施形態では、燃料源１２は炭化水素をベースにした燃料源である。戻り燃料２８は先ず脱硫床３０にて処理され、これが多くの燃料電池システムと改質システム内の触媒にとって有害な硫黄含有化合物の濃度を著しく低減する。脱硫された燃料３２は、従来の改質器（リフォーマ）３４により水素と一酸化炭素（ＣＯ）へ改質される。高温燃料電池にとってはさらなる処理は通常は不要であり、何故なら水素と一酸化炭素は高温でガスであるからである。しかしながら、低温燃料電池（例えば陽子交換膜ＰＥＭ；Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）をベースにした燃料電池）にとっては、燃料流３８のＣＯレベルは、燃料電池スタック１８内に導入する前に百万分の一（ｐｐｍ）のレベルまで低減させねばならない。一般に１０ｐｐｍ以上のレベルでは、ＣＯは通常ＰＥＭ燃料電池内に用いられる貴金属触媒を可逆的に毒物汚染する傾向がある。例示実施形態では、従来のＣＯ変換器３６（例えば水性ガス転位反応炉）が改質燃料流３８を処理して改質燃料流３８中のＣＯの殆どの部分を燃料電池スタック１８にとって無害の二酸化炭素へ変換する。
【００１５】
燃料電池スタック１８は、好ましくは高温固体酸化燃料電池技術と低温固体ポリマー燃料電池技術を含む実に様々な異なる燃料電池技術を用いて実装することのできる複数の個別燃料電池を含む。例示実施形態では、スタック１８の個々の燃料電池は、それぞれがアノード層とカソード層の間に配置される薄肉の陽子伝導固体ポリマー膜電解液或いはイオン交換膜から形成された膜電極組立体を含むＰＥＭ燃料電池として実装してある。膜電極組立体は、好ましくは一対の導電アノードとカソード電流コレクタの間に挟持し、好ましくは燃料流給送システム１４と酸化体流給送システム１６から個別に受け取ったガス状反応物をアノードとカソードに分配するチャンネル（或いは開口）を含む。
【００１６】
通常可逆的であるＣＯ中毒に加え、スタック１８をなす燃料電池は、アノードとカソードの電解触媒により不可逆的に吸着された電解触媒毒にさらされることがある。例えば、幾つかの硫黄含有化合物（例えば硫化水素）は、１０億分の１（ｐｐｂ）の１００倍程度の濃度レベルで一般的なアノードとカソードの電解触媒を毒物汚染する。これらの硫黄含有化合物はまた、１０億分の１（ｐｐｍ）の３０倍未満の濃度レベルで一般の改質触媒を毒物汚染する。脱硫床３０は戻り燃料流２８から１００ｐｐｂ未満の濃度まで硫黄化合物を除去するよう構成することができるが、時間が経過したり、或いは特に混じり物を含む燃料を用いたときに所与の脱硫床の設計は特定の戻り燃料流に対し不適切となることがある。以下に詳細に説明する如く、燃料電池スタック１８の非可逆毒物汚染の危険は、燃料電池スタック１８上流の１以上の位置に１以上の電気防食用センサシステム２０〜２４を配置することによってほぼ低減することができる。燃料流内の可逆或いは非可逆毒物の存在の検出に応答し、コントローラ２６が１以上の応答動作をトリガーし、燃料電池スタック１８を検出された毒物にさらさないよう保護するが、この応答動作には弁４２を用いた燃料流の阻止や燃料流の逃がしや燃料電池スタック１８内への酸化ガス（例えば空気）の注入のうちの１以上が含まれる。
【００１７】
図２を参照するに、一部実施形態では、各電気防食用センサーシステム２０〜２４が、２以上の電気防食用センサ化学センサ４４と、燃料流給送システム１４に結合するよう構成した燃料流入管４８を有する燃料多岐管４６と、酸化体流給送システム１６に結合するよう構成した酸化体流入管５２を有する酸化体多岐管５０を含む。燃料多岐管４６は、電気防食用化学センサ４４を燃料流入管４８へ選択的に結合する一組の弁５４を含む。同様に、酸化体多岐管５０は電気防食用化学センサ４４を酸化体流入管５２へ選択的に結合する一組の弁５６を含む。図示の実施形態では、電気防食用化学センサ２４は並列結合させた５個の電気防食用化学センサ４４を含む。他の実施形態では、より数の多いか又は少ない電気防食用化学センサ４４を含ませることもできる。
【００１８】
図２，３を参照するに、例示実施形態では、各電気防食用化学センサ４４は主燃料電池スタック１８の小型版に対応する。本実施形態では、各電気防食用化学センサ４４は、アノード電解触媒を有するアノード５８と、カソード電解触媒を有するカソード６０と、アノード５８とカソード６０の間に配置したイオン交換膜６２を含む。
【００１９】
一部実施形態では、各電気防食用化学センサ４４内のアノード電解触媒とカソード電解触媒は、それぞれ主燃料電池のスタック１８内のアノード電解触媒とカソード電解触媒に対応する。こうして、電気防食用化学センサは主燃料電池と同じく広範な有害な化学種に応答することになる。一部実施形態では、１以上の電解触媒毒に対し電気防食用化学センサ４４は少なくとも主燃料電池と同じく応答又は感応或いはその両方を行なう構成としてある。例えば、電気防食用化学センサ感度は、電気防食用化学センサ４４のカソードとアノードの電解触媒負荷レベルを主燃料電池の対応負荷レベルよりも低く設定することで増大させ得るか、又は電気防食用化学センサ４４は主燃料電池よりも低い温度で作動させ得るか、或いはその両方である。他の実施形態では、各電気防食用化学センサは主燃料電池とは異なる燃料電池技術を用いて実装される。例えば、主燃料電池が燐酸スタックをベースにした燃料電池である実施形態では、電気防食用化学センサは陽子交換膜ベースの燃料電池とすることができ、それは燐酸スタックをベースにした燃料電池よりもＣＯ感応性がある。これらの実施形態では、陽子交換膜電気防食用化学センサは通常１００ｐｐｍを超えるＣＯ濃度レベルで故障するが、燐酸燃料電池は通常は約１％までのＣＯ濃度レベルに耐えることができる。さらに他の実施形態では、各電気防食用化学センサシステムには、流入管４８と燃料多岐管４６の間に介挿した化学フィルタ６６（例えば、選択性膜或いは吸着剤）を含ませることができる。例えば、化学フィルタ６６は１以上の選択された化学種に対応する電解触媒毒を選択的に通過させ、それによって電気防食用化学センサ４４が調整されるよう構成することができる。これらの各方法では、電気防食用化学センサは、電解触媒毒濃度が主燃料電池スタック１８にとって著しく有害なレベルへ達するずっと前に電解触媒毒汚染にさらされることの指示をもたらすよう構成することができる。
【００２０】
所与のセンサシステム２０〜２４の電気防食用化学センサは、同じものでも或いは異なるものでもよい。例えば、一部実施形態では、センサシステムの電気防食用化学センサ４４は一対にグループ化することができる。すなわち、一方は電解触媒への負荷の比較的小さな（高感度）センサであり、他方は電解触媒への負荷の比較的大きな（低感度）センサである。これらの実施形態では、両方のセンサ対は同時に燃料流給送システム１４へ結合することができる。高感度電気防食用化学センサの故障に応答して、コントローラ２６は動作保護モードを開始することができる。低感度電気防食用化学センサが電解触媒毒のより高いレベルに耐えることができるため、それは電解触媒毒濃度が安全レベルに達した時点（例えば、高感度電気防食用化学センサが故障した後の選択された時間期間に亙って低感度電気防食用化学センサの応答がほぼ不変のままであるとき）で通常の動作モードを再開できる時点の検出に用いることができる。
【００２１】
各電気防食用化学センサ４４は、好ましくは主燃料電池スタック１８よりも格段に小さいのがよい。例えば、一部実施形態では、電気防食用化学センサ４４のアノードは、主燃料電池のアノード活性領域の１００倍程度も小さな活性領域を有する。いくつかの実施形態では、電気防食用化学センサ４４のアノードは約４ｃｍ２程度或いはそれ未満の好ましくは約１ｃｍ２程度或いはそれ未満の小さな活性領域を有する。一般に、各電気防食用化学センサ４４は出来る限り安価に製作すべきであるが、その一方で燃料流が有害な濃度レベルの１以上の電解触媒毒種を含むときに信頼に足る指示を依然として供給できねばない。こうして、１以上の関連する非可逆有毒化学種は、主燃料電池と同じか或いはより良好な感度でもって容易に検出することができ、しかもそのコストは主燃料電池よりも格段に低いものとなる。
【００２２】
図４を参照するに、一部実施形態では、燃料電池システム１０は以下の如く動作することになる。先ず、一組の１以上の電気防食用化学センサ４４を燃料流給送システム１４へ結合（ステップ７０）する。一組の電気防食用化学センサを、主燃料電池スタック１８の１以上の個別上流位置に配置した１以上のセンサシステム２０〜２４から選択する。各センサシステム２０〜２４は、２以上の電気防食用化学センサを含む。例えば、図１に示す如く、電気防食用化学センサシステム２０〜２４は、燃料流給送システム１４各段の後方に結合することができる。一部実施形態では、１以上の電気防食用化学センサシステム２０〜２４を燃料電池スタック１８の燃料流路上流と同じ位置に結合することができる。コントローラ２６は、弁５４をして１以上の選択された電気防食用化学センサ４４の選択群を燃料流給送システム１４に選択的に結合するよう構成している。同時に、コントローラ２６はまた弁５６をして電気防食用化学センサ４４の選択群を酸化体流給送システム１６へ選択的に結合するよう構成している。一般に、コントローラ２６は１以上の燃料流電気防食用化学センサ４４を１以上の電気防食用センサーシステム２０〜２４から燃料流へ選択的に結合する。コントローラ２６は、好ましくは電気防食用センサシステムの電気防食用化学センサ４４の部分群だけを一度に結合し、これにより１以上の（可逆又は不可逆）電解触媒毒にさらされることで生じるセンサ故障発生時に、１以上の残る電気防食用化学センサ４４を燃料流給送システム１４の監視用に結合することができる。こうして、燃料電池システム１０は電気防食用化学センサ４４が故障するたびに完全に稼働停止させる必要はなくなる。
【００２３】
燃料電池システム１０の動作期間中、コントローラ２６は１以上の選択された電気防食用化学センサ４４の応答を監視（ステップ７４）する。コントローラ２６は、１以上の電気防食用化学センサ応答の劣化が検出されるまで、選択された電気防食用化学センサ４４を監視し続ける。例えば、一部実施形態では、コントローラ２６は監視していた電気防食用化学センサ４４が生成する電流か電圧（或いはその両方）を測定することができる。これらの実施形態では、電気防食用化学センサ４４の劣化は、電気防食用化学センサ４４により生成される電流か電圧（又はその両方）における低下に基づいて検出することができる。劣化が検出（ステップ７６）された場合、コントローラ２６は１以上の選択された電気防食用化学センサ４４を燃料流給送システム１４から切り離す（ステップ７８）。例えば、コントローラ２６がセンサシステム２４の電気防食用化学センサ４４が故障したことを検出した場合、コントローラ２６は故障した電気防食用化学センサを切り離すことができる。
【００２４】
劣化した応答を有する電気防食用化学センサの切り離しに加え、コントローラ２６はまた主要燃料電池スタック１８を１以上の電解触媒毒にさらすことから保護するよう設計された動作保護モードをトリガーする制御信号を生成（ステップ８０）することができる。例えば、制御信号は以下の保護動作のうち１以上をトリガーすることができる。すなわち、弁４２を用いた燃料流の阻止、燃料流の抜き、酸化ガス（例えば空気）の燃料電池スタック１８内への注入である。他の周知の保護手段もまた、コントローラ２６によりトリガーすることができる。
【００２５】
１以上の保護手段を実行した後、コントローラ２６は１以上の電気防食用化学センサの異なる組を燃料流給送システムへ結合（ステップ８２）することができる。
【００２６】
一部の実施形態では、（例えば、センサアノードに空気などの酸化体を浴びせたり、電解触媒毒を電気化学的に無毒の化学種に変えるのに十分なレベルの電圧を印加して）コントローラ２６はそれらを標準的な燃料電池再生処理にさらして切り離された電気防食用化学センサ４４を再生するよう試行（ステップ８４）することができる。
【００２７】
本願明細書に記載した燃料電池制御システム及び方法は、どんな特定のハードウェア構成或いはソフトウェア構成にも限定はされないが、むしろそれらはディジタル電子回路網或いはコンピュータハードウェアやファームウェアやソフトウェアを含む任意の計算環境或いは処理環境に実装することができる。これらのシステムと方法は、コンピュータプロセッサによる実行向けの機械読み取り可能な記憶装置内で有形実施されるコンピュータプログラム製品にて一部実装することができる。一部実施形態では、これらのシステム及び方法は好ましくは高水準の手順的或いはオブジェクト指向プログラミング言語において実装される。しかしながら、そのアルゴリズムは必要に応じてアッセンブリ言語或いは機械語にて実装することもできる。いずれにせよ、プログラミング言語は翻訳言語か解釈言語となろう。本願明細書に記載した方法は、例えば入力データへの操作と出力の生成によりこれらの方法を実行するために、例えば、プログラムモジュールに編成された指令を実行するコンピュータプロセッサにより実施することができる。適切なプロセッサは、例えば汎用と専用の両方のマイクロプロセッサを含む。一般に、プロセッサは読み出し専用メモリ及び／又は随時読み書き可能メモリから指示とデータを受け取る。コンピュータプログラム指示を有形実施するのに適した記憶装置は、例えばＥＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭやなどの半導体メモリ装置やフラッシュメモリ装置、内蔵ハードディスクや着脱可能なディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭを含むあらゆる形態の不揮発性メモリを含む。前述の技術のいずれもが、特別に設計されたＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）により補充するか或いはその中に組み込むことができる。
【００２８】
他の実施形態も、本発明の範囲に含まれ得る。例えば、電気防食用化学センサシステム２０〜２４に加え、燃料電池システム１０には１以上の異なる化学センサ（例えば戻り燃料流２８を採取する構成の屈折率センサ）を含めることもできる。
【００２９】
上述の実施形態に即して本発明を説明すると、本発明は、燃料流給送システム（１４）に結合するよう構成した流入管（４８）と、２以上の電気防食用化学センサ燃料電池（４４）と、電気防食用化学センサ燃料電池（４４）を流入管（４８）に選択的に結合するよう構成した多岐管（４６）を備えることを特徴とする交換可能な電気防食用センサシステム（２０）を提供する。
【００３０】
好ましくは、各電気防食用化学センサ燃料電池（４４）は、アノード電解触媒を有するアノード（５８）と、カソード電解触媒を有するカソード（６０）と、カソード（６０）とアノード（５８）の間に配置したイオン交換膜（６２）を含む。
【００３１】
好ましくは、流入管（４８）は主燃料電池上流の所定位置で燃料流に結合する構成とされ、各電気防食用化学センサ燃料電池は主燃料電池よりも格段に小さいものとされる。
【００３２】
更に本発明は、主燃料電池と、主燃料電池へ燃料流を案内するよう構成した燃料流給送システム（１４）と、主燃料電池へ酸化体流を案内するよう構成した酸化体流給送システム（１６）と、主燃料電池上流の所定位置で燃料流給送システム（１４）に結合され、２以上の電気防食用化学センサ（４４）と、電気防食用化学センサ（４４）を燃料流給送システム（１４）へ選択的に結合する構成とした多岐管（４６）を含むセンサシステム（２０）を備える、ことを特徴とする燃料電池システム（１０）を提供する。
【００３３】
好ましくは、各電気防食用化学センサ（４４）は、主燃料電池よりも相当に小さな燃料電池とされる。
【００３４】
好ましくは、各電気防食用化学センサ（４４）は、１以上の電解触媒毒に対し主燃料電池と少なくとも同程度は高い応答性或いは感度又はその両方を有する。
【００３５】
好ましくは、センサシステム（２０）に結合され、センサシステム（２０）の１以上の動作応答の計測値に基づいて制御信号を生成するよう作動可能なコントローラ（２６）をさらに備える。
【００３６】
好ましくは、燃料流給送システム（１４）と電気防食用化学センサ（４４）の間に配置した化学フィルタ（６６）をさらに備える。
【００３７】
好ましくは、化学フィルタ（６６）は、１以上の選択された化学種に対応する電解触媒毒を選択的に通過させる構成とされる。
【００３８】
燃料流給送システムを主燃料電池上流の１以上の個別位置に配置され、それぞれ２以上の電気防食用化学センサ（４４）を有する１以上のセンサシステム（２０）から選択された１以上の電気防食用化学センサ（４４）群へ結合するステップと、１以上の被結合電気防食用化学センサ（４４）を監視するステップと、１以上の被結合電気防食用センサ（４４）の劣化検出に応答し、燃料流給送システム（１４）から１以上の劣化した電気防食用化学センサ（４４）を切り離すステップを含むことを特徴とする燃料電池動作方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料源と燃料流給送システムと酸化体流給送システムと燃料電池スタックと複数の電気防食用センサシステムとコントローラを含む燃料電池システムのブロック線図である。
【図２】電気防食用センサシステムのブロック線図である。
【図３】電気防食用化学センサのブロック線図である。
【図４】燃料電池法のフロー線図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料源
１４ 燃料流給送システム
１６ 酸化体流給送システム
１８ 燃料電池スタック
２０，２２，２４ 電気防食用センサシステム
２６ コントローラ
２８ 戻り燃料
３０ 脱硫床
３２ 燃料
３４ 改質器
３６ ＣＯ変換器
３８ 改質燃料流
４４ 電気防食用化学センサ
４６ 燃料多岐管
４８ 燃料流入管
５０ 酸化体多岐管
５２ 酸化体流入管
５４，５６ 弁
５８ アノード
６０ カソード
６２ イオン交換膜
６４ 燃料多岐管
６６ 化学フィルタ
Claims (10)
- 燃料流給送システムに結合するよう構成した流入管と、
２以上の電気防食用化学センサ燃料電池と、
電気防食用化学センサ燃料電池を流入管に選択的に結合するよう構成した多岐管を備えることを特徴とする交換可能な電気防食用センサシステム。 - 各電気防食用化学センサ燃料電池は、アノード電解触媒を有するアノードと、カソード電解触媒を有するカソードと、カソードとアノードの間に配置したイオン交換膜を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
- 流入管は主燃料電池上流の所定位置で燃料流に結合する構成とされ、各電気防食用化学センサ燃料電池は主燃料電池よりも格段に小さいことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
- 主燃料電池と、
主燃料電池へ燃料流を案内するよう構成した燃料流給送システムと、
主燃料電池へ酸化体流を案内するよう構成した酸化体流給送システムと、
主燃料電池上流の所定位置で燃料流給送システムに結合され、２以上の電気防食用化学センサと、電気防食用化学センサを燃料流給送システムへ選択的に結合する構成とした多岐管を含むセンサシステムを備える、ことを特徴とする燃料電池システム。 - 各電気防食用化学センサは、主燃料電池よりも相当に小さな燃料電池であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
- 各電気防食用化学センサは、１以上の電解触媒毒に対し主燃料電池と少なくとも同程度は高い応答性或いは感度又はその両方を有することを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
- センサシステムに結合され、センサシステムの１以上の動作応答の計測値に基づいて制御信号を生成するよう作動可能なコントローラをさらに備えることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
- 燃料流給送システムと電気防食用化学センサの間に配置した化学フィルタをさらに備える、
ことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。 - 化学フィルタは、１以上の選択された化学種に対応する電解触媒毒を選択的に通過させる構成としてある、
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。 - 燃料流給送システムを主燃料電池上流の１以上の個別位置に配置され、それぞれ２以上の電気防食用化学センサを有する１以上のセンサシステムから選択された１以上の電気防食用化学センサ群へ結合するステップと、
１以上の被結合電気防食用化学センサを監視するステップと、
１以上の被結合電気防食用センサの劣化検出に応答し、燃料流給送システムから１以上の劣化した電気防食用化学センサを切り離すステップを含むことを特徴とする燃料電池動作方法。
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