JP2005522821A - 燃料電池の電極から汚染物質を除去する方法 - Google Patents

Abstract

デバイスの電極に電流を印加するステップと、電流の電圧波形もしくは電流波形を決定するステップと、多数の点すなわち多数の未知の係数および固定数の既知の関数を特徴とする解析関数などの数学記述で波形を表現するステップと、電流の適用に関連するデバイスの関数を測定するステップと、点すなわち係数をデバイスの関数を最適化するための独立変数として使用する最適化ルーチンを含んだアルゴリズム（このアルゴリズムは、コンピュータ・プログラム中のアルゴリズムであっても、あるいは手動計算を含む他の計算デバイスであって良い）に波形記述および測値を供給するステップと、デバイスの関数を最適化する点すなわち係数の値を決定するための計算を実行し、それによりデバイスの電極に印加する電流の最適化波形を決定するステップを含む、電極に印加する電流の波形を最適化する方法。

Description

本発明は一般に燃料電池の陽極または陰極から一酸化炭素などの汚染物質を除去する方法に関する。

本出願は、２００２年２月６日出願の米国仮出願第６０／３５４，７１３号および２００２年１２月５日出願の米国仮出願第６０／４３１，０５１号の利益を主張するものである。

現在、燃料電池、詳細には重合体電解液膜（「ＰＥＭ」）燃料電池は、極めて多くの企業で積極的に開発されている。これらのデバイスは、効率および環境の点で有利であるが、主要な市場に影響を及ぼすには、現時点の価格で余りにも高価であり、したがって世界中でこれらのユニットのコスト低減の努力がなされている。

定置アプリケーションのための燃料電池は、主としてメタンおよびプロパンを燃料にしており、その燃料から、蒸気改質と水−ガス・シフティングおよび一酸化炭素クリーンアップとを結合する燃料処理ユニット中に水素を得ている。燃料に含有されている一酸化炭素（ＣＯ）が５０ｐｐｍであっても、燃料電池の陽極が被覆され、水素の反応に有効な面積が減少して燃料電池の電流が制限されることは広く認識されている。また、ＣＯは、改質メタノールおよび直接メタノール燃料電池（ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）には極めて有害である。

メタンを改質させることにより、約１０％又はそれ以上のＣＯが生成される。このＣＯは、水−ガス・シフト反応器内で約１パーセントのＣＯに低減され、続いてＣＯクリーンアップ反応器内で１０ないし５０ｐｐｍに低減される。水−ガス・シフト反応器およびクリーンアップ反応器は、いずれも燃料電池システムにおける大きなコストを占めている。例えば、ある手法のＰＲＯＸクリーンアップ反応器には、８０℃のスタック温度（ｓｔａｃｋ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）と比較して１６０℃ないし１９０℃の温度で動作する２つないし３つの反応ステージが使用されている。水−ガス・シフト反応器は、通常、より高い温度で動作するステージと、より低い温度で動作するステージの２つの反応ステージからなっている。また、１０ないし５０ｐｐｍのＣＯでランするスタックは、純Ｈ_２で動作するスタックの電極面積の約２倍でなければならない。

「Ｂａｓｉｓ ｏｆ Ｐｏｓｓｉｂｌｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｓｅｌｆ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ Ｉｎ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、第７巻４８７〜４９０頁（１９６４年））の中でＢｏｃｋｒｉｓによって、陽極の電位を変化させることによる電気化学エネルギー変換器の陽極の浄化が提案されている。Ｂｏｃｋｒｉｓのスキームでは、約４０ｍＡの浄化電流パルスが使用されている。浄化電流パルスがオンしている時間の間、浄化が実施されるが、生成される電力は極めてわずかであるか、あるいは全く生成されない。浄化電流パルスがオフのとき、浄化済みの電極を使用して電力が生成される。この電極は、再びＣＯで徐々に被覆されることになる。したがってこのシステムは、浄化パルスのデューティ・サイクルにおける持続時間が短い場合に最も魅力的である。浄化パルスによってエネルギーが消費されるため、正味電力利得を実現するためには、浄化パルスが消費する電力より大きい電力を生成しなければならない。

この手法を使用し、かつ、拡張した刊行物が刊行されている。これらの刊行物には、Ｓｔｉｍｍｉｎｇらによる、この技術をＰＥＭ燃料電池に適用した国際公開第ＷＯ９８／４２０３８号、およびＣａｒｒｅｔｔｅ、Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ、ＨｕｂｅｒおよびＳｔｉｍｍｉｎｇの「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ＣＯ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｏｆ Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｂｙ ａ Ｐｕｌｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」（ＰＣＣＰ、ｖ．３、ｎ．３、２００１年２月７日、３２０〜３２４頁）が含まれている。Ｓｔｉｍｍｉｎｇの手法には、同じく、１００ｍＡ／ｃｍ^２と６４０ｍＡ／ｃｍ^２の間の、パルス持続期間および周波数が可変の浄化電流パルスが使用されている。Ｂｏｃｋｒｉｓのやり方と類似した方形波電流パルスが使用されている。また、Ｓｔｉｍｍｉｎｇは、正の浄化電圧パルスを使用して処理している。Ｓｔｉｍｍｉｎｇは、この方法によって、研究所のベンチトップ実験のための供給流中に１パーセントのＣＯを使用して電極を浄化することができることを証明した。

ＷａｎｇおよびＦｅｄｋｉｗの「Ｐｕｌｓｅｄ−Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｈａｎｏｌ，Ｉ」（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖ．１３９ｎ．９、１９９２年９月、２５１９〜２５２５）、および「Ｐｕｌｓｅｄ−Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｈａｎｏｌ，ＩＩ」（Ｖ．１３９、ｎ．１１、３１５１〜３１５８）に、特定の周波数の正の方形波パルスを直接メタノール燃料電池にパルス印加することによって実質的に出力電流が増加することが示されている。この出力電流の増加は、電極から中間生成物を除去することによるものとされている。

この特許に使用されているパルス手法および技術文献は、方形波以外のパルス波形形状には言及されていない。また、様々な電極、電解液、負荷特性および動作条件に適した波形形状を決定する方法については考察されていない。したがって、燃料電池の電極を浄化するためのより強力な技法、とりわけ、１パーセント以上のＣＯレベルで矛盾することなく頑丈に動作し、かつ、クリーンアップ反応器が除去され、改質器およびシフト反応器が単純化され、また、スタック・サイズが縮小された燃料電池を可能にする技法が必要である。本明細書において公表する本発明には、燃料電池の性能を改善し、かつ、適切なパルス波形形状あるいは電極電圧制御方法に到達するべく、電極に固有の動的特性が利用されている。

また、知られている現時点における文献は、１パーセント未満のＣＯレベルに限定されている。本明細書において公表する本発明によれば、より高いＣＯレベルでの動作が可能になるため、改質器を実質的に単純化することができる。

本発明は、電極に印加する電流の波形を最適化する方法に関している。この方法には、デバイスの電極に電流を印加するステップと、電流の電圧波形もしくは電流波形を決定するステップと、数学表現式もしくは数で波形を表現するステップと、電流の適用に関連するデバイスの関数を測定するステップと、デバイスの関数を最適化するべく、波形の形状および周波数を変化させ、それによりデバイスの電極に印加する電流の最適化波形を決定するステップが含まれている。

また、本発明は、電極に印加する電流の波形を最適化する他の方法に関している。この方法には、デバイスの電極に電流を印加するステップと、電流の電圧波形もしくは電流波形を決定するステップと、多数の点すなわち多数の未知の係数および固定数の既知の関数を特徴とする解析関数などの数学記述で波形を表現するステップと、電流の適用に関連するデバイスの関数を測定するステップと、点すなわち係数をデバイスの関数を最適化するための独立変数として使用する最適化ルーチンを含んだアルゴリズム（このアルゴリズムは、コンピュータ・プログラム中のアルゴリズムであっても、あるいは手動計算を含む他の計算デバイスであっても良い）に波形記述および測値を供給するステップと、デバイスの関数を最適化する点すなわち係数の値を決定するための計算を実行し、それによりデバイスの電極に印加する電流の最適化波形を決定するステップが含まれている。

また、本発明は、燃料電池の陽極から汚染物質を除去する方法に関している。この方法には、燃料電池の陽極に電流を印加するステップと、パルスが印加されている間、陽極の過電圧が負になり、かつ、パルスとパルスとの間、陽極の過電圧が正になるように、適用中、電流の電圧をパルス化するステップが含まれている。

また、本発明は、燃料電池を動作させる方法に関している。この方法には、基準電極に対して陽極に電圧を印加することによって燃料電池の陽極に過電圧を印加するステップであって、燃料が１パーセントを超えるＣＯを含有しているステップと、電力の生成に正規に使用される小さい値と、電極からＣＯを除去するだけの十分な大きさの値との間で過電圧を変化させるステップが含まれている。

また、本発明は、燃料電池を動作させる他の方法に関している。この方法には、電気化学的に活性な少なくとも１パーセントの汚染物質を含有する燃料を燃料電池に供給するステップと、燃料電池の電極に過電圧を印加するステップと、電力の生成に正規に使用される小さい値と、電極から汚染物質を除去する大きさの値との間で過電圧を変化させるステップが含まれている。

また、本発明は、陽極に電流を印加するステップと、デバイスの電圧波形もしくは電流波形を決定するステップと、数学表現式あるいは数で波形を表現するステップと、電流の適用に関連するデバイスの関数を測定するステップと、デバイスの関数を最適化するべく、波形の形状および周波数を変化させ、それによりデバイスの陽極に印加する電流の最適化波形を決定するステップを含む、陽極に印加する電流の波形を最適化する方法を使用して、１パーセントを超えるＣＯで動作する電気デバイスのパルス陽極に関している。

また、本発明は、酸化パルスを含むパルス電極を有し、かつ、酸化パルスを印加している間、電池電圧を所望のレベルに変化させるための電圧ブースタを有する燃料電池に関している。

また、本発明は、特許請求の範囲の請求項１に記載の方法を使用して動作する燃料電池と、水−ガス・シフト反応器およびＣＯクリーンアップ反応器がなく、燃料改質器を備えた簡易燃料処理装置とを備えた、燃料電池システムに関している。

また、本発明は、特許請求の範囲の請求項１１に記載の方法を使用して動作する燃料電池と、水−ガス・シフト反応器およびＣＯクリーンアップ反応器がなく、燃料改質器を備えた簡易燃料処理装置とを備えた燃料電池システムに関している。

また、本発明は、パルス電極を有し、１パーセントを超える電気化学的に活性な汚染物質を含有する燃料で動作する燃料電池と、同じ燃料電池をパルスを発生することなく使用する場合に必要な燃料処理装置と比較して簡易化された燃料処理装置とを備えた他の燃料電池システムに関している。

また、本発明は、燃料電池を動作させる方法であって、電極から汚染物質が除去され、また、動作中、燃料電池の陽極および／または陰極の過電圧が変化する方法に関している。この方法には、電圧波形を変化させ、それにより所望の電流を維持するべく、燃料電池の電流出力の一部を制御回路にフィードバックするステップと、汚染物質を除去するステップが含まれている。

また、本発明は、電気化学プロセスに使用される装置の電極から電気化学的に活性な汚染物質を除去する方法に関している。汚染物質を酸化させることによって電極が浄化されるため、電極上で他の反応を進行させることができる。動作中、装置は、その電極の過電圧が変化する。この方法には、電圧波形を変化させ、それにより所望の電流を維持するべく、装置の電流出力の一部をフィードバックするステップと、汚染物質を除去するステップが含まれている。

また、本発明は、電気化学プロセスに使用される装置の電極から電気化学的に活性な汚染物質を除去する方法に関している。汚染物質を酸化させることによって電極が浄化されるため、電極上で他の反応を進行させることができる。動作中、装置は、その電極の過電圧が変化する。この方法には、デバイスの陽極および陰極の両端間の電流もしくは電圧を測定するステップと、その測値を、所望の電流を維持するべく電極の電圧波形もしくは電流波形を変化させるためのデバイスの有効負荷と並列もしくは直列の負荷インピーダンスを変化させるデバイスの入力として利用するステップと、汚染物質を除去するステップが含まれている。

また、本発明は、燃料電池の電極から汚染物質を除去する方法に関しており、この方法には、燃料電池が動作している間、燃料電池電圧の固有振動を励起するための電気エネルギーを、固有振動の周波数と同じ周波数もしくは固有振動の周波数とは異なる周波数で印加される微小電圧パルスの形で燃料電池の電極に印加するステップが含まれている。

また、本発明は、燃料電池の陽極から汚染物質を除去する方法に関しており、この方法には、燃料電池が動作している間、燃料電池電圧の固有振動を励起するための電流を、固有振動の周波数と同じ周波数もしくは固有振動の周波数とは異なる周波数で印加される微小電圧パルスの形で燃料電池の陽極に印加するステップが含まれている。

また、本発明は、燃料電池の陽極もしくは陰極から汚染物質を除去する方法に関している。この方法には、燃料電池の陽極もしくは陰極に電流を印加するステップと、適用中、電流の電圧をパルス化するステップと、汚染物質を除去し、かつ、燃料電池から出力される電力を最大化するパルス波形もしくはパルス周波数を生成するべく、制御関数を使用してパルス化ステップを制御するステップが含まれている。

また、本発明は、燃料電池の陽極もしくは陰極から汚染物質を除去する方法に関している。この方法には、燃料電池の陽極もしくは陰極に電流を印加するステップと、適用中、電流の電圧をパルス化するステップであって、燃料電池システムの固有振動をパルス励起し、かつ、維持するステップが含まれている。

また、本発明は、
ａ）水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲（ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｖｅｒａｇｅ）を陽極に印加する過電圧に関連させる数学モデルを決定するアルゴリズムと、
ｂ）水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲を燃料電池の測定電流に関連させるオブザーバを形成するアルゴリズムと、
ｃ）過電圧を変化させることによって予測一酸化炭素有効範囲を小さい値にドライブするアルゴリズムと、
ｄ）過電圧を変化させることによって予測水素有効範囲を大きい値にドライブするアルゴリズムと、
ｅ）必要に応じてステップａ）からｄ）を繰り返すアルゴリズムと
を使用して燃料電池の陽極に電圧制御を適用するステップを含む、燃料電池を動作させるフィードバック制御方法に関している。

また、本発明は、
ａ）水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲を陽極に印加する過電圧に関連させる数学モデルを決定するアルゴリズムと、
ｂ）水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲を燃料電池の測定電流に関連させるオブザーバを形成するアルゴリズムと、
ｃ）水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲の所望する軌道を時間を関数として指令するアルゴリズムと、
ｄ）ステップａ）、ｂ）およびｃ）から、電流の測定、過電圧の指令、および瞬時一酸化炭素有効範囲および瞬時水素有効範囲の指令を可能にする１組の数学的関係を形成するアルゴリズムと、
ｅ）ステップｄ）に従って過電圧を変化させることによって一酸化炭素有効範囲を小さい値にドライブするアルゴリズムと、
ｆ）ステップｄ）に従って過電圧を変化させることによって水素有効範囲を大きい値にドライブするアルゴリズムと、
ｇ）必要に応じてステップａ）からｆ）を繰り返すアルゴリズムと
を使用して燃料電池の陽極に電圧制御を適用するステップを含む、燃料電池を動作させるフィードバック制御方法に関している。

また、本発明は、
ａ）燃料および汚染物質の瞬時有効範囲を陽極に印加する過電圧に関連させる数学モデルを決定するアルゴリズムと、
ｂ）燃料および汚染物質の瞬時有効範囲を装置の測定電流に関連させるオブザーバを形成するアルゴリズムと、
ｃ）過電圧を変化させることによって予測汚染物質有効範囲を小さい値にドライブするアルゴリズムと、
ｄ）過電圧を変化させることによって予測燃料有効範囲を大きい値にドライブするアルゴリズムと、
ｅ）必要に応じてステップａ）からｄ）を繰り返すアルゴリズムと
を使用して装置の陽極に電圧制御を適用するステップを含む、電気化学的に活性な汚染物質を含有する燃料を使用して動作する電気化学装置を動作させるフィードバック制御方法に関している。

さらに、本発明は、
ａ）燃料および汚染物質の瞬時有効範囲を陽極に印加する過電圧に関連させる数学モデルを決定するアルゴリズムと、
ｂ）燃料および汚染物質の瞬時有効範囲を装置の測定電流に関連させるオブザーバを形成するアルゴリズムと、
ｃ）燃料および汚染物質の瞬時有効範囲の所望する軌道を時間を関数として指令するアルゴリズムと、
ｄ）ステップａ）、ｂ）およびｃ）から、電流の測定、過電圧の指令、および瞬時汚染物質有効範囲および瞬時燃料有効範囲の指令を可能にする１組の数学的関係を形成するアルゴリズムと、
ｅ）ステップｄ）に従って過電圧を変化させることによって汚染物質有効範囲を小さい値にドライブするアルゴリズムと、
ｆ）ステップｄ）に従って過電圧を変化させることによって燃料有効範囲を大きい値にドライブするアルゴリズムと、
ｇ）必要に応じてステップａ）からｆ）を繰り返すアルゴリズムと
を使用して装置の陽極に電圧制御を適用するステップを含む、電気化学的に活性な汚染物質を含有する燃料を使用して動作する電気化学装置を動作させるフィードバック制御方法に関している。

本発明の様々な利点については、当分野の技術者には、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を添付の図面に照らして読むことにより、明らかになるであろう。

電気化学プロセスから電気化学的に活性な汚染物質を除去する方法
本発明は一般に電気化学プロセスから電気化学的に活性な汚染物質を除去する方法に関している。この方法は、任意の電気化学プロセスに適用することができ、汚染物質が酸化されるため、他の反応を進行させることができる。電気化学的に活性な汚染物質とは、動作電圧を−Ｖｏｃと＋Ｖｏｃで拘束された電圧に設定することによって除去することができる任意の汚染物質である。Ｖｏｃは、プロセスに使用される装置の開路電圧である。いくつかの特定の実施形態では、本発明は、燃料電池の陽極もしくは陰極から一酸化炭素あるいは他の汚染物質を除去し、それにより燃料電池の電力出力あるいは電流などの性能測度を最大化し、あるいは最適化する方法に関している。

この方法には、通常、電極の過電圧を変化させる必要がある。この過電圧は、理想的な電極電圧に対して必要な超過電極電圧であり、デバイスの負荷を変化させることによって、つまり徐々に変化する第２の負荷を一次負荷に並列に置くことによって、あるいは陽極、陰極および基準電極に接続されたフィードバックシステムを使用することによって達成される。広く使用されているフィードバックシステムは、ポテンシオスタットである。いくつかの事例では、陰極を基準電極にすることができ、また、他の事例では、基準電極は第３の電極である。

一般的には、以下に示す概念が様々な方法に包含されている。
１． 電気化学装置からの汚染物質の除去、例えば燃料電池の電極からのＣＯの除去に使用されるパルス浄化動作の浄化パルス印加中における有効電力の獲得。これにより（１）燃料電池を高いＣＯレベルで動作させることができ、（２）通常の５０ｐｐｍ程度のＣＯに代わって最大１０％のＣＯを生成する改質器を備えた燃料電池システムを簡易化することができ、（３）浄化パルスが印加されている間動作する電圧ブースタを使用して、燃料電池をほぼ一定の電圧で動作させ、高い電流出力を得ることができる。
２． 浄化動作の間、浄化電圧の大きさもしくは持続期間を最小化し、性能を最大化し、かつ／または負荷に対する追従あるいは電極もしくは装置の信頼性に悪影響を及ぼす電圧条件あるいは電流条件の回避などの他のいくつかのシステム上の制約を満足するための電圧波形の制御。
３． 所望の電流および負荷プロファイルを維持し、あるいは汚染物質を除去することによって性能を最大化するための、電気化学システム電圧の固有振動に基づくフィードバック制御技法。

生成される電流もしくは電力を最大化するための、燃料電池の陽極もしくは陰極に印加するパルスの波形改善、および任意の電極に印加するパルス波形を最適化するための一般的な方法
２つの好ましい実施形態では、本発明により、
・ 陽極電位が陰極に対して負の電位にもたらされ、続いて本発明者らの半電池実験におけるＳＣＥに対して約０．６ボルトの通常の電力生成電位にもたらされる、直接メタノール燃料電池に印加するパルスの波形改善、および、
・ 任意のタイプの電極に適用することができ、かつ、バッテリの充電、電極センサ、分析化学および材料の製造など、燃料電池以外の分野におけるアプリケーションを有する浄化波形を最適化するための一般的な方法
が提供される。

実験は、１．０Ｍメタノールおよび０．５Ｍ硫酸を含有する標準の３電極電池を使用して実施された。陽極は白金であり、陰極は飽和カンコウ電極（「ＳＣＥ」）（ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｃａｌｕｍｅｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）である。これは、電池中で燃料（メタノール）と電解液（硫酸）が混合するバッチ・システムである。陽極電圧は、ポテンシオスタットによって直接生成することができる電圧波形、あるいはプログラム可能関数発生器を使用して外部からポテンシオスタットをトリガすることによって生成することができる電圧波形を使用してポテンシオスタットによって制御された。図１に示す、５つの異なる実験によって得られたデータは、短い浄化パルス印加時における波形が負（陰極に対して）のとき、電流出力がより大きく、かつ、実体的であることを示している。図２はこれをより良好に示したもので、浄化パルスが負であり、かつ、電力生成中の電圧レベルがサイクリック・ボルタモグラム（ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｏｇｒａｍ）のピーク・メタノール酸化電位に近い０．６ボルト（一番上のダッシュで示す曲線）のとき、引き渡される電荷がより大きいことを示している。比較のために、実線の黒い曲線は、０．０ボルトの浄化電位を有しており、０．６ボルトで電力を生成している。この電流トレースは、正および負の電流成分を有していることに留意されたい。電流が正のとき、電池は電流を引き渡し、また、電流が負のとき、電池は電流を受け取っている。したがって正の電流を最大化し、かつ、負の電流を最小化することが望ましい。

正および負の電流に影響を及ぼすべく、電圧パルスの形状を変化させた。図３ａ、３ｂおよび３ｃは、電圧の形状を変化させることにより、電流のトレースの形状に強い影響を及ぼすことができ、かつ、負の電流を小さくすることができることを示している。図４は、図３ａ、３ｂおよび３ｃに示す様々な波形形状によって引き渡される電荷を示したものである。

これらの実験の結果は、既存の燃料電池より実質的に多くの電力を引き渡すべく、体系的なコンピュータ手順によって波形を最適化することができることを示している。実験は、波形を変化させることにより、電流出力を著しく変化させることができることを示している。

この方法を説明するために、図５に示すように、固定数の点による波形の表現について考察する。点の数は任意であるが、点の数が多いほど最適化に要する時間が長くなる。波形は、電圧波形もしくは電流波形であり、陽極がその電圧で動作するように、あるいは場合によってはその電圧プラスもしくはマイナス固定オフセット電圧で動作するように燃料電池の陽極に接続される。このオフセット電圧は、例えば負荷の変化による動作条件に応じて徐々に変化させることができる。波形の変化は、オフセット電圧のあらゆる変化よりはるかに速い。

この波形パターンは陽極に供給され、図に示す点によって指定される周波数で繰り返される。燃料電池によって引き渡される電力あるいは電流もしくは他の性能パラメータのうちのいずれか最も適切なパラメータが測定される。次に、性能パラメータおよび波形点がアルゴリズムに供給される。このアルゴリズムは、コンピュータ・プログラム中のアルゴリズムであっても、あるいは手動計算であっても良く、引き渡される電力あるいは電流などの性能を最大化するべく波形の形状を最適化している。

したがって、特定の燃料電池電極および動作条件に対して最適波形を決定することができる。この最適化手順は、動作中、電極もしくは他のコンポーネントの変化を常時防止するべく、必要な頻度で反復することができ、あるいは異なる動作条件に対して、必要な頻度で反復することができる。

数学的には、波形を表現している点は、最適化ルーチンのための独立変数と見なすことができる。生成される正味電流もしくは正味電力（出力される電流もしくは電力から、電極に供給されるあらゆる電流もしくは電力を控除したもの）は、最適化すべき目的関数である。最適化分野の技術者であれば、最適化を実行するためのコンピュータ・アルゴリズムを選択することができよう。典型的なアルゴリズムには、最急降下アルゴリズム、無誘導アルゴリズム（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ−ｆｒｅｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）、アニーリング・アルゴリズムを始めとする、当分野の技術者に良く知られている多くのアルゴリズムがある。

別法としては、１つまたは複数の未知の係数を含む１組の関数で波形を表現することもできる。この場合、これらの係数は、前述の表現における点に類似しており、最適化ルーチンの独立変数として取り扱うことができる。一例として、級数中の個々の項の係数が未知の係数であるフーリエ級数で波形を表現することができる。

電気化学装置からの汚染物質の除去に使用されるパルス浄化動作の浄化パルス印加中における有効電力の獲得
電気化学装置の電極から電気化学的に活性な汚染物質をパルス除去するには、電極表面に吸着した汚染物質を酸化させるだけの十分に大きい値まで電極の過電圧を上昇させる必要がある。例えば、燃料電池の陽極もしくは陰極をパルス浄化するには、通常、過電圧を上昇させ、吸着したＣＯをＣＯ_２に酸化させる必要がある。過電圧は、十分な時間が経過した後、電力を生成する従来の過電圧に戻される。

従来の考え方は、浄化パルスを印加している間、有効電力をほとんど、あるいは全く生成しないことであるが、驚くべきことには、燃料電池の陽極にパルスを印加する本発明によれば、浄化パルスを印加している間、高電流を得ることができる。同じく驚くべきことには、本発明によれば、水素燃料が最大１０パーセントの高レベルのＣＯを含有している場合、純水素を燃料として使用した場合に得られる電流に近い電流を得ることができる。図６は、ポテンシオスタットを備え、かつ、時間を関数として陰極に空気が供給される標準の３電極構成の下で、単一電池として室温で動作する５ｃｍ^２のＰＥＭ燃料電池によって引き渡される電荷をプロットしたものである。図の最上部に示す滑らかな曲線は、純水素を燃料として使用した場合に得られる電荷である。パルスが印加されない場合、水素に１パーセントのＣＯを加えると、電荷は２桁以上減少する。５パーセントのＣＯでも、同様の性能が見られる。しかし、燃料電池の陽極にパルスを印加すると電荷が増加し、パルス幅と周波数の特定の組合せによって電荷が増加する。１、５および１０パーセントのＣＯでは、図は、電池電荷が、燃料が純水素である場合の電池電荷とほぼ同じであることを示すデータを示している。

したがって、本発明者らは、燃料電池の陽極にパルスを印加することにより、１％を超える最大１０％のＣＯ、場合によってはそれ以上のＣＯを含有する水素燃料を使用して燃料電池を動作させることができることを見出した。パルスを印加することにより、従来考えられていた量よりはるかに多量のＣＯを処理することができる。過去においては、ほとんどの燃料電池は、５０ないし１００ｐｐｍのＣＯを含有する水素燃料を使用して動作していたが、本発明者らは、最大１０％もしくはそれ以上のＣＯ（従来のレベルの少なくとも１０，０００倍）を使用することができることを見出した。本発明により、ＣＯ汚染の階段状変化による増加が許容され、かつ、電流出力に対する影響が最少に維持される。

有利なことには、高レベルのＣＯを有する水素を使用して燃料電池を動作させることができるため、使用すべき燃料電池システムが簡易化され、かつ、コストが低減される。また、高レベルのＣＯで動作させることができるため、燃料処理装置がはるかに単純になり、かつ、コストおよびサイズが低減される。従来の燃料電池システムの燃料処理装置には、通常、燃料改質器、多重ステージ水−ガス・シフト反応器およびＣＯクリーンアップ反応器が含まれている。本発明による簡易燃料処理装置は、燃料改質器および簡易水−ガス・シフト反応器、例えば多重ステージ反応器の代わりに１ステージもしくは２ステージ反応器を備えることができる。いくつかの事例では、水−ガス・シフト反応器を省略することができる。通常、簡易燃料処理装置のクリーンアップ反応器は省略することができる。本発明により、燃料電池の電極は基本的には１０パーセント以上のＣＯ濃度を許容することができ、したがって燃料処理装置によって１０パーセント以上のＣＯ濃度が生成されるため、簡易コンポーネントを使用して燃料処理装置を動作させることができる。

図７は、図６に示す燃料電池および動作条件と同じ燃料電池および同じ動作条件における水素中の１％ＣＯに対する電池電圧試験および電池電流試験を示したもので、２つの事例が示されている。第１の事例では、０．０５ボルトと０．７ボルトの間で過電圧波形が変化しており、第２の事例では、０．０５ボルトと０．６５ボルトの間で過電圧が変化している。図は、電圧が０．７ボルトに到達した時点の電池電流が大きく、また、電圧が０．６５ボルトに到達した時点の電池電流がはるかに小さいことを示している。これは、０．７ボルトがＣＯを酸化させる電圧であることを示しており、知られている理論と一致している。電圧が最初に０．７ボルトに到達した時点の初期電流ピークによってＣＯが酸化することが期待される。次にこの電流が減少し、新たに浄化された表面に水素が到達すると、再び着実に増加する。水素の流れは、この大きな過電圧時に大きくなる。

したがってＣＯ酸化電圧の間、電流が大きくなるが、総合電池出力電圧は小さい（過電圧が大きいため）。しかしながら、驚くべきことには、１パーセントを超えるＣＯ濃度に対しては、電圧を電流倍した積として定義される電力が大きいため、様々な電圧調整回路を使用して、電流あるいは電圧もしくはその両方を所望の形態に変換することができる。本発明による一実施形態では、出力電圧は、スイッチング回路などの電圧ブースト回路を使用して、より有用な値にブーストされている。これらのデバイスは、通常、出力エネルギーをほぼ同じレベルに維持している（効率は、通常、８０パーセントを超えている）が、電流が減少している間、電圧を増加させている。図８および９は、デバイスの略図を、調整回路前段の典型的な電圧波形および電流波形と共に示したものである。したがって、本発明による一実施形態は、酸化パルスを印加している間、電池電圧を所望のレベルに変化させるための電圧ブースタなどの電圧調整回路と組み合わせたパルス電極を有する燃料電池に関している。また、本特許で説明するすべての浄化技法は、１パーセントを超えるＣＯ濃度の燃料電池に使用することができる。

また、本特許で説明するすべての浄化技法は、１パーセントを超えるＣＯ濃度の燃料電池に使用することができる。

電極電圧のモデル・ベースフィードバック制御
電極にパルスを印加する場合、パルスによる若干の電圧損失を余儀なくされる。この電圧損失は、パルスの印加に費やされるわずかな時間を最短化するか、あるいは過電圧を最小化することによって低減される。本発明者らの次の改変には、電圧波形の知的制御が必要である。この知的制御は、パルスの大きさもしくは持続期間を最小化し、あるいは信頼性を損なう状態の回避など、他のいくつかのシステム上の制約を満足するために実施される。ここでは、最初に高過電圧を使用して陽極上のＣＯの有効範囲を狭くし、次に、はるかに小さい過電圧を使用して広い水素有効範囲を維持し、それにより電極からの高電流を維持する方法を提供する。水素の有効範囲は、常に徐々に狭くなるため、必要に応じてこの方法を繰り返すことができる。

この方法には、電極表面の水素（θ_Ｈ）およびＣＯ（θ_ｃｏ）の有効範囲に基づくモデルが使用されている。以下の節では、（１）過電圧を上昇させることによって表面のＣＯを除去し、それによりＣＯの有効範囲を最小化し、（２）水素の有効範囲を最大化することによって表面を広い水素有効範囲に維持するためのいくつかの数学的手法を提供する。この２つの部分の最適化および制御の問題は、多くの技法を使用して解決することができる。以下、一連の実施例によって、フィードバック線形化技法、すべりモード制御技法および最適制御技法について説明する。

フィードバック線形化（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ）
フィードバック線形化のステップは以下の通りである。
１．当該燃料電池に対する、θ_Ｈおよびθ_ｃｏの時間導関数を過電圧に関連させるモデルを展開する。このモデルには、実験によって見出さなければならないいくつかの未知の係数が含まれている。例えば、Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの科学者は、以下に示すモデルを提案している（参照により本明細書に組み込まれている、Ｔ．Ｅ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、Ｔ．Ｒｏｃｋｗａｒｄ、Ｔ．Ａ．Ｚａｗｏｄｚｉｎｓｋｉ、Ｓ．ＧｏｔｔｅｓｆｅｌｄのＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１４８、Ａ１１〜Ａ２３（２００１年））。ｋおよびｂは未知の係数であり、ηは過電圧である。

２．オブザーバ・セットと呼ばれる、θ_Ｈおよびθ_ｃｏを測定電池電流ｊ_Ｈに関連させるモデルを展開する。オブザーバの式は、実時間で数値積分され、有効範囲値θ_Ｈおよびθ_ｃｏに集束する。パラメータｌ_１およびｌ_２は、集束率を決定している。

３．θ_ｃｏおよびθ_Ｈの変化に対する所望の軌道を適宜展開する。この軌道は、電池の耐久性を最大化し、また、期待過電圧変化を最小化するために、あるいは他の何らかの理由のために選択することができる。つまり、任意の変数を使用して制約条件を指令することができる。この実施例では、第１次の軌道を使用して、所望の状態値θ_Ｈ ^ｄおよびθ_ｃｏ ^ｄに到達している。

４．軌道（３）中のθ_ｃｏの時間導関数とオブザーバ・モデル（２）中のθ_ｃｏの時間導関数を等式化し、かつ、軌道（４）中のθ_Ｈの時間導関数とオブザーバ・モデル（２）中のθ_Ｈの時間導関数を等式化する。

５．（５）におけるθ_ｃｏの式から過電圧を解く。

６．（５）におけるθ_Ｈの式から過電圧を解く。

７．θ_ｃｏを引き出すべく６に従って過電圧を所望の値に変化させる。
８．θ_ｃｏが所望の値に到達すると、θ_Ｈを引き出すべく７に従って過電圧を所望の値に変化させる。
９．必要に応じて繰り返す。

図１０は、このアルゴリズム例の結果を示したものである。図の上側のプロットは、時間を関数とした過電位を示したもので、過電位は、約１３秒の間、ハイであり、また、残りの時間の間、ローである。図の下側のプロットは、ステップ５を適用することにより、約０．８８から０．５までＣＯの有効範囲が狭くなり、続いてステップ６を適用することにより、ほぼゼロから０．９５まで水素の有効範囲が広くなっていることを示している。水素の有効範囲は、常に徐々に狭くなるため、周期的にこのプロセスを繰り返すことができる。

すべりモード制御
上に示した通りのフィードバック線形化技法は、モデル・パラメータ（ｋおよびｂ）の不確実性により、必ずしも達成可能ではなく、したがって、すべりモード制御技法を適用することにより、モデル・パラメータに対する感度を鈍くすることができる。設計手順は以下の通りである。
１．オブザーバ・セットと呼ばれる、θ_Ｈおよびθ_ｃｏを測定電池電流ｊ_Ｈに関連させるモデルを展開する。オブザーバの式は、実時間で数値積分され、有効範囲値θ_Ｈおよびθ_ｃｏに集束する。パラメータｌ_１およびｌ_２は、集束率を決定している。

２．θ_ｃｏおよびθ_Ｈの変化に対する所望の軌道を適宜展開する。この軌道は、電池の耐久性を最大化し、また、期待過電圧変化を最小化するために、あるいは他の何らかの理由のために選択することができる。つまり、任意の変数を使用して制約条件を指令することができる。この実施例では、第１次の軌道を使用して、所望の状態値θ_Ｈ ^ｄおよびθ_ｃｏ ^ｄに到達している。

３．ＣＯ有効範囲マイナス所望する状態軌道の積分として、ＣＯすべり表面を設計する。

４．η＝Ｍ^＊ｓｉｇｎ（Ｓ_ｃｏ）として制御を設計する。Ｍは、すべりモードを強制するために使用される何らかの定数である。
５．すべりモードが出現すると、

として等価制御を定義する。
６．Ｈ_２有効範囲マイナス所望する状態軌道の積分として、Ｈ_２すべり表面を設計する。

７．η＝Ｍ^＊ｓｉｇｎ（Ｓ_Ｈ）として制御を設計する。Ｍは、すべりモードを強制するために使用される何らかの定数である。
８．すべりモードが出現すると、

として等価制御を定義する。
９．θ_ｃｏを引き出すべく４に従って過電圧を所望の値に変化させる。
１０．θ_ｃｏが所望の値に到達すると、θ_Ｈを引き出すべく７に従って過電圧を所望の値に変化させる。
１１．必要に応じて繰り返す。

最適制御
また、最適制御を実施することにより、水素電極有効範囲を安定化させるために使用される電池に印加する電力を最小化し、それにより電池の出力電力を最大化することができる。最適制御を実施するステップは以下の通りである。
１．オブザーバ・セットと呼ばれる、θ_Ｈおよびθ_ｃｏを測定電池電流ｊ_Ｈに関連させるモデルを展開する。オブザーバの式は、実時間で数値積分され、有効範囲値θ_Ｈおよびθ_ｃｏに集束する。パラメータｌ_１およびｌ_２は、集束率を決定している。

２．ＣＯ有効範囲が所望の値θ_ｃｏ ^ｄにドライブされると、電池に印加する電力を最小化するために使用するコスト関数を展開する。ＡおよびＢは重みであり、Ｔ_１は、適用すべきＣＯ制御の時間インターバルである。

３．Ｋｉｒｋ，Ｄｏｎａｌｄ Ｅ．のＯｐｔｉｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｙ（Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ、Ｎ．Ｊ．、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ Ｉｎｃ、１９７０年）に記載されている動的計画法技法を適用して、ＣＯを所望の値にドライブするための過電圧を解く。時間ゼロの間、積分の下限で過電圧を印加する。
４．Ｈ_２有効範囲が所望の値θ_Ｈ ^ｄにドライブされると、電池の電力出力を最大化するために使用するコスト関数を展開する。ＡおよびＢは重みであり、Ｔ_２−Ｔ_１は、適用すべき水素制御の時間インターバルである。

５．ステップ３と同様に過電圧を解く。時間Ｔ_１からＴ_２までの間、過電圧を印加する。
６．必要に応じて繰り返す。

電極を浄化するための、燃料電池電圧の固有振動に基づくフィードバック制御技法
しばらくの間、電極の中には、水素および一酸化炭素を有する陽極として動作する場合、振動電流もしくは振動電圧をもたらすことがあることが知られていた。事実、これは、電極上の競合する他の反応によるものであることが分かっている。以下は、この効果を、一定の電流で動作するシステムに対して説明したものである。最初は清浄な電極上で水素が反応して一酸化炭素が表面の毒物汚染を開始し、それにより過電圧が増加する。特定の過電圧まで増加すると、ＣＯが酸化してＣＯ_２になり、毒物が除去される。毒物が除去されると、過電圧が減少してほぼ元の清浄表面値に復帰する。ＤｅｉｂｅｒｔおよびＷｉｌｌｉａｍｓ（「Ｖｏｌｔａｇｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈ２／ＣＯ ｓｙｓｔｅｍ」（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｓｏｃ．、１９６９年））によれば、これらの電圧振動は、１０，０００ｐｐｍすなわち１パーセントのＣＯレベルでは極めて強力であるが、５パーセントのＣＯでシステムを動作させると、振動は消滅する。

１パーセントは、燃料電池中の改質反応からの近似ＣＯ濃度であるため、これらの固有振動を利用した電極の周期的な浄化は極めて有効な利点であり、燃料電池メーカが現在必要としている１０〜５０ｐｐｍまでＣＯを低減する必要が除去される。また、１パーセントを超えるＣＯレベルでの燃料電池の動作および固有振動の観察は、これまで未知であり、上で言及した高いＣＯレベルでの動作の利点を可能にしている。

フィードバック制御システムを使用して、燃料電池を一定の電流で、燃料中のＣＯレベルが１パーセントを超えるレベルで動作させ、かつ、一定の電流出力を維持するべく制御システムに陽極電圧を変化させることにより、性能を強化することができる。

図１１は、本発明者らの研究所で、既に挙げた段落で説明した燃料電極と同じ５ｃｍ^２の燃料電池を使用して得られたデータを示したものである。これらのデータは、一定の電流動作で得られたデータであり、ＰＡＲ Ｍｏｄｅｌ２７３ポテンシオスタットは、ガルバノスタティック・モードで動作している。水素燃料には、５００ｐｐｍＣＯ、１パーセントＣＯ、５パーセントＣＯおよび１０パーセントＣＯの４つの異なるＣＯレベルの水素燃料が使用された。図は、電流が０．４アンペアまで増加し、かつ、ＣＯの濃度が１パーセント以上である場合、ＣＯの酸化が期待される振幅に矛盾しない振幅で電池電圧が振動を開始することを示している。また、振幅は、燃料中のＣＯレベルの増加に伴って増加している。

このアプリケーションでは、最初に、図１１と同様に電圧を変化させることによって一定の電流を維持する方法について説明し、次に、このシステムを使用して電力の電流変化に追従する方法について説明する。

この方法を達成するために、フィードバック制御システムを使用して燃料電池の電流が測定され、測定した電流と所望の値が比較され、かつ、その所望の値を達成するべく陽極電圧の波形が調整される。これにより、基本的には図１１と同様の電圧波形が再生される。

使用すべきコントローラは、任意の制御アルゴリズムであり、あるいは必ずしも数学モデルもしくはＰａｓｓｉｎｏ、Ｋｅｖｉｎ Ｍ．、Ｓｔｅｐｈｅｎ ＹｕｒｋｏｖｉｃｈのＦｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ（Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ Ｌｏｎｇｍａｎ Ｉｎｃ．、１９９８年）に記載されている動的システムの表現を必要としないブラック・ボックス方式である。制御アルゴリズムは、電圧追従回路もしくは所望の過電圧を陽極に維持するだけの十分な電力を電池に供給することができる他のバッファ回路に従って使用することができる。電圧フォロワによって電力が提供されるため、コントローラは、低電力電子工学に基づくことができるが、いくつかの事例では、過電圧を維持するための外部電力を必要としないため、制御回路に電圧フォロワを組み込まないことがより有利な場合もある。

得られるコントローラの出力は、図１１に示す出力と同様であるが、電圧ブースト回路の追加により、所望する何らかの一定の電圧で電池を運転することができ、あるいは指令された負荷に電池を追従させることができる。

いくつかの事例では、振動を励起し、かつ、維持するべく、適切な周波数および持続期間のパルスをデバイスの陽極もしくは陰極に提供することによって電圧の固有振動を維持することができる。これは非線形システムであるため、周波数は、固有振動の周波数と同じ周波数であっても、あるいは固有振動の周波数とは異なる周波数であっても良い。印加するパルスのエネルギーは、外部電力源から得ることができ、あるいは燃料電池が生成する電力の一部をフィードバックすることによって得ることができる。フィードバックされる電力は、電極に引き渡されるパルスを生成するコントローラへの入力として働かせることができる。

以上、特許法の規定により、本発明の原理および動作モードについて、本発明の好ましい実施形態によって説明し、かつ、図解したが、本発明の精神もしくは範囲を逸脱することなく、とりわけ上で説明し、かつ、図解した以外の方法で本発明を実践することができることを理解されたい。

負のパルスを印加することによって電流の大部分が引き渡されることを示す、メタノール燃料電池の電圧波形および電流波形を示すグラフである。 実験中にメタノール燃料電池によって引き渡された電荷を示すグラフである。 メタノール燃料電池の電圧波形およびそれによって得られる電流を示すグラフである。 メタノール燃料電池の電圧波形およびそれによって得られる電流を示すグラフである。 メタノール燃料電池の電圧波形およびそれによって得られる電流を示すグラフである。 図３ａ〜３ｃに示す様々な波形形状によって引き渡される電荷を示すグラフである。 固定数の点で表現した電圧波形を示すグラフである。 正規の燃料電池の動作と比較した、水素燃料および様々なレベルの一酸化炭素を有するダイナミック電極によって引き渡される電荷の比較を示すグラフである。 燃料として１％のＣＯを含有する水素を使用した燃料電池の電圧波形および電流波形を示すグラフである。 燃料電池、電子パルス発生ハードウェアおよび電圧ブースト回路を備えたデバイスを示す略図である。 デバイスの典型的な電圧波形および電流波形を示すグラフである。 フィードバック線形化を使用した燃料電池の過電位とＣＯの有効範囲をプロットしたグラフである。 電極を浄化するための固有電圧振動に基づくフィードバック制御技法を使用した燃料電池の電圧波形および電流波形を示すグラフである。

Claims (47)

1. 電極に印加する電流の波形を最適化する方法であって、
   デバイスの電極に電流を印加するステップと、
   前記電流の電圧波形もしくは電流波形を決定するステップと、
   数学表現式もしくは数で前記波形を表現するステップと、
   前記電流の適用に関連するデバイスの関数を測定するステップと、
   前記デバイスの前記関数を最適化するべく、前記波形の形状および周波数を変化させ、それにより前記デバイスの前記電極に印加する前記電流の最適化波形を決定するステップとを含む方法。
2. 電極に印加する電流の波形を最適化する方法であって、
   デバイスの電極に電流を印加するステップと、
   前記電流の電圧波形もしくは電流波形を決定するステップと、
   多数の点すなわち多数の未知の係数および固定数の既知の関数を特徴とする解析関数などの数学記述で前記波形を表現するステップと、
   前記電流の適用に関連するデバイスの関数を測定するステップと、
   前記点すなわち係数を前記デバイスの前記関数を最適化するための独立変数として使用する最適化ルーチンを含んだアルゴリズム（このアルゴリズムは、コンピュータ・プログラム中のアルゴリズムであっても、あるいは手動計算を含む他の計算デバイスであっても良い）に波形記述および測値を供給するステップと、
   前記デバイスの前記関数を最適化する前記点すなわち係数の値を決定するための計算を実行し、それにより前記デバイスの前記電極に印加する前記電流の最適化波形を決定するステップとを含む方法。
3. 前記電極が燃料電池の陽極もしくは陰極であり、前記関数が前記燃料電池の電流出力もしくは電力出力であり、また、前記関数の最適化が、前記燃料電池が生成する正味電流もしくは正味電力の最適化である、請求項１に記載の方法。
4. 前記電流の適用が、前記陽極もしくは陰極からの汚染物質の除去に有効である、請求項２に記載の方法。
5. アルゴリズムが、最急降下アルゴリズム、共役勾配アルゴリズム、無誘導アルゴリズムもしくはアニーリング・アルゴリズムである、請求項１に記載の方法。
6. 前記燃料電池がＰＥＭ燃料電池である、請求項１に記載の方法。
7. 前記燃料電池が直接メタノール燃料電池である、請求項１に記載の方法。
8. 前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である、請求項１に記載の方法。
9. 前記燃料電池がリン酸燃料電池である、請求項１に記載の方法。
10. 前記電極がバッテリの陽極もしくは陰極であり、前記関数が前記バッテリの充電である、請求項１に記載の方法。
11. 燃料電池の陽極から汚染物質を除去する方法であって、
    前記燃料電池の前記陽極に電流を印加するステップと、
    パルスが印加されている間、前記陽極の過電圧が負になり、かつ、次のパルスが印加されるまでの間、前記陽極の前記過電圧が正になるように、適用中、前記電流の電圧をパルス化するステップとを含む方法。
12. 前記燃料電池がメタノールを燃料として使用し、前記パルスとパルスの間の前記陽極の電位が、ＳＣＥに対して約０．５ボルトと約１．０ボルトの間の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
13. 前記燃料電池がメタノールを燃料として使用し、前記パルスとパルスの間の前記陽極の電位が、ＳＣＥに対して約−０．８ボルトと約０．０ボルトの間の範囲にある、請求項１１に記載の方法。
14. 燃料電池を動作させる方法であって、
    基準電極に対して陽極に電圧を印加することによって前記燃料電池の陽極に過電圧を印加するステップであって、燃料が１パーセントを超えるＣＯを含有しているステップと、
    電力の生成に正規に使用される小さい値と、電極からＣＯを除去するだけの十分な大きさの値との間で前記過電圧を変化させるステップとを含む方法。
15. 前記基準電極が陰極である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記基準電極が、陽極、陰極および個別基準電極からなる燃料電池中に存在する、請求項１４に記載の方法。
17. 燃料電池を動作させる方法であって、
    電気化学的に活性な少なくとも１パーセントの汚染物質を含有する燃料を前記燃料電池に供給するステップと、
    前記燃料電池の電極に過電圧を印加するステップと、
    電力の生成に正規に使用される小さい値と、前記電極から汚染物質を除去する大きな値との間で前記過電圧を変化させるステップとを含む方法。
18. 前記燃料が水素であり、前記汚染物質が一酸化炭素である、請求項１７に記載の方法。
19. 陽極に電流を印加するステップと、
    デバイスの電圧波形もしくは電流波形を決定するステップと、
    数学表現式もしくは数で前記波形を表現するステップと、
    前記電流の適用に関連するデバイスの関数を測定するステップと、
    前記デバイスの前記関数を最適化するべく、前記波形の形状および周波数を変化させ、それにより前記デバイスの前記陽極に印加する前記電流の最適化波形を決定するステップを含む、前記陽極に印加する前記電流の前記波形を最適化する方法を使用して、１パーセントを超えるＣＯで動作する電気デバイスのパルス陽極。
20. ＣＯ酸化パルスを印加している間、電池電圧を所望の値に変化させるための電圧ブースト回路を備えた燃料電池中における請求項１９に記載のパルス陽極。
21. 酸化パルスを含むパルス電極を有し、かつ、前記酸化パルスを印加している間、電池電圧を所望のレベルに変化させるための電圧ブースタを有する燃料電池。
22. 請求項１に記載の方法を使用して動作する燃料電池と、
    燃料改質器を備え、水−ガス・シフト反応器およびＣＯクリーンアップ反応器のない簡易燃料処理装置とを備えた燃料電池システム。
23. 請求項１１に記載の方法を使用して動作する燃料電池と、
    燃料改質器を備え、水−ガス・シフト反応器およびＣＯクリーンアップ反応器のない簡易燃料処理装置とを備えた燃料電池システム。
24. パルス電極を有し、１パーセントを超える電気化学的に活性な汚染物質を含有する燃料で動作する燃料電池と、
    同じ燃料電池をパルスを印加することなく使用する場合に必要な燃料処理装置と比較して簡易化された燃料処理装置とを備えた燃料電池システム。
25. 前記汚染物質が一酸化炭素である、請求項２４に記載の燃料電池システム。
26. 燃料電池を動作させるための、電極から汚染物質が除去され、また、動作中、前記燃料電池の陽極および／または陰極の過電圧が変化する方法であって、電圧波形を変化させ、それにより所望の電流を維持するべく、前記燃料電池の電流出力の一部を制御回路にフィードバックするステップと、前記汚染物質を除去するステップとを含む方法。
27. 前記方法が、燃料改質器および水−ガス・シフト反応器を備え、かつ、ＣＯクリーンアップ反応器のない簡易燃料処理装置に使用される、請求項２６に記載の方法。
28. 電気化学プロセスに使用される装置の電極から電気化学的に活性な汚染物質を除去する方法であって、前記汚染物質を酸化させることによって前記電極が浄化され、それにより前記電極上で他の反応を進行させることができ、また、動作中、前記装置の電極の過電圧が変化し、前記方法が、電圧波形を変化させ、それにより所望の電流を維持するべく、前記装置の電流出力の一部をフィードバックするステップと、前記汚染物質を除去するステップとを含む方法。
29. 電気化学プロセスに使用される装置の電極から電気化学的に活性な汚染物質を除去する方法であって、前記汚染物質を酸化させることによって前記電極が浄化され、それにより前記電極上で他の反応を進行させることができ、また、動作中、前記装置の電極の過電圧が変化し、前記方法が、デバイスの陽極および陰極の両端間の電流もしくは電圧を測定するステップと、その測値を、所望の電流を維持するべく前記電極の電圧波形もしくは電流波形を変化させるためのデバイスの有効負荷と並列もしくは直列の負荷インピーダンスを変化させるデバイスの入力として利用するステップと、前記汚染物質を除去するステップとを含む方法。
30. 前記制御回路が、前記電極に制御電力を提供する電圧フォロワなどのバッファ回路を備えたコントローラからなる、請求項２７に記載の方法。
31. 前記コントローラが、ファジー論理コントローラ、ニューラル・ネットワーク・コントローラあるいは適応コントローラなどの任意のインテリジェント・コントローラである、請求項３０に記載の方法。
32. 前記コントローラが、測定した電流および所望の電流に基づいて前記電圧波形を変化させる任意のコントローラである、請求項３０に記載の方法。
33. 前記装置が燃料電池である、請求項２８に記載の方法。
34. 前記所望の電流が徐々に変化する、請求項２７に記載の方法。
35. 所望の電力が徐々に変化する、請求項２７に記載の方法。
36. 常に一定の値であっても、あるいは徐々に変化する値であっても良い所望の電圧に前記出力電圧を変換するべく、前記燃料電池の出力が電圧変更回路に接続される、請求項２７に記載の方法。
37. 燃料が１パーセントを超える一酸化炭素を含有する、請求項２７に記載の方法。
38. 燃料電池の電極から汚染物質を除去する方法であって、前記燃料電池が動作している間、燃料電池電圧の固有振動を励起するための電気エネルギーを、前記固有振動の周波数と同じ周波数もしくは前記固有振動の周波数とは異なる周波数で印加される微小電圧パルスの形で前記燃料電池の前記電極に印加するステップを含む方法。
39. 燃料電池の陽極から汚染物質を除去する方法であって、前記燃料電池が動作している間、燃料電池電圧の固有振動を励起するための電流を、前記固有振動の周波数と同じ周波数もしくは前記固有振動の周波数とは異なる周波数で印加される微小電圧パルスの形で前記燃料電池の前記陽極に印加するステップを含む方法。
40. 燃料電池の陽極もしくは陰極から汚染物質を除去する方法であって、
    前記燃料電池の前記陽極もしくは陰極に電流を印加するステップと、
    適用中、前記電流の電圧をパルス化するステップと、
    前記汚染物質を除去し、かつ、前記燃料電池から出力される電力を最大化するパルス波形もしくはパルス周波数を生成するべく、制御関数を使用して前記パルス化ステップを制御するステップを含む方法。
41. 燃料電池の陽極もしくは陰極から汚染物質を除去する方法であって、
    前記燃料電池の前記陽極もしくは陰極に電流を印加するステップと、
    適用中、前記電流の電圧をパルス化するステップであって、燃料電池システムの固有振動をパルス励起し、かつ、維持するステップとを含む方法。
42. ａ）水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲を陽極に印加する過電圧に関連させる数学モデルを決定するアルゴリズムと、
    ｂ）前記水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲を燃料電池の測定電流に関連させるオブザーバを形成するアルゴリズムと、
    ｃ）前記過電圧を変化させることによって予測一酸化炭素有効範囲を小さい値にドライブするアルゴリズムと、
    ｄ）前記過電圧を変化させることによって予測水素有効範囲を大きい値にドライブするアルゴリズムと、
    ｅ）必要に応じてステップａ）からｄ）を繰り返すアルゴリズムと
    を使用して燃料電池の陽極に電圧制御を適用するステップを含む、燃料電池を動作させるフィードバック制御方法。
43. ａ）水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲を陽極に印加する過電圧に関連させる数学モデルを決定するアルゴリズムと、
    ｂ）前記水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲を燃料電池の測定電流に関連させるオブザーバを形成するアルゴリズムと、
    ｃ）前記水素および一酸化炭素の瞬時有効範囲の所望する軌道を時間を関数として指令するアルゴリズムと、
    ｄ）ステップａ）、ｂ）およびｃ）から、前記電流の測定、前記過電圧の指令、および前記瞬時一酸化炭素有効範囲および瞬時水素有効範囲の指令を可能にする１組の数学的関係を形成するアルゴリズムと、
    ｅ）ステップｄ）に従って前記過電圧を変化させることによって一酸化炭素有効範囲を小さい値にドライブするアルゴリズムと、
    ｆ）ステップｄ）に従って前記過電圧を変化させることによって水素有効範囲を大きい値にドライブするアルゴリズムと、
    ｇ）必要に応じてステップａ）からｆ）を繰り返すアルゴリズムと
    を使用して燃料電池の陽極に電圧制御を適用するステップを含む、燃料電池を動作させるフィードバック制御方法。
44. ステップｅ）で、すべりモード制御技法を使用して電圧を変化させることによって前記一酸化炭素有効範囲が小さい値にドライブされ、
    ステップｆ）で、すべりモード技法を使用して前記過電圧を変化させることによって前記水素有効範囲が大きい値にドライブされる、請求項４３に記載の方法。
45. ステップｅ）で、最適制御技法を使用して電圧を変化させることによって前記一酸化炭素有効範囲が小さい値にドライブされ、
    ステップｆ）で、最適制御技法を使用して前記過電圧を変化させることによって前記水素有効範囲が大きい値にドライブされる、請求項４３に記載の方法。
46. ａ）燃料および汚染物質の瞬時有効範囲を陽極に印加する過電圧に関連させる数学モデルを決定するアルゴリズムと、
    ｂ）前記燃料および汚染物質の瞬時有効範囲を装置の測定電流に関連させるオブザーバを形成するアルゴリズムと、
    ｃ）前記過電圧を変化させることによって予測汚染物質有効範囲を小さい値にドライブするアルゴリズムと、
    ｄ）前記過電圧を変化させることによって予測燃料有効範囲を大きい値にドライブするアルゴリズムと、
    ｅ）必要に応じてステップａ）からｄ）を繰り返すアルゴリズムと
    を使用して装置の陽極に電圧制御を適用するステップを含む、電気化学的に活性な汚染物質を含有する燃料を使用して動作する電気化学装置を動作させるフィードバック制御方法。
47. ａ）燃料および汚染物質の瞬時有効範囲を陽極に印加する過電圧に関連させる数学モデルを決定するアルゴリズムと、
    ｂ）前記燃料および汚染物質の瞬時有効範囲を装置の測定電流に関連させるオブザーバを形成するアルゴリズムと、
    ｃ）前記燃料および汚染物質の瞬時有効範囲の所望する軌道を時間を関数として指令するアルゴリズムと、
    ｄ）ステップａ）、ｂ）およびｃ）から、前記電流の測定、前記過電圧の指令、および前記瞬時汚染物質有効範囲および瞬時燃料有効範囲の指令を可能にする１組の数学的関係を形成するアルゴリズムと、
    ｅ）ステップｄ）に従って前記過電圧を変化させることによって汚染物質有効範囲を小さい値にドライブするアルゴリズムと、
    ｆ）ステップｄ）に従って前記過電圧を変化させることによって燃料有効範囲を大きい値にドライブするアルゴリズムと、
    ｇ）必要に応じてステップａ）からｆ）を繰り返すアルゴリズムと
    を使用して装置の陽極に電圧制御を適用するステップを含む、電気化学的に活性な汚染物質を含有する燃料を使用して動作する電気化学装置を動作させるフィードバック制御方法。

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