JP2017022094A - 交替供給およびパージ局面を有する燃料電池に供給する処理 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電気あるいは電気化学の性能における、その影響の最小化技術を提供するする。
【解決手段】燃料電池に反応種を供給する処理であり、２以上のセルＮの異なるグループＡ、グループＢに分割された一群の電気化学セルを有する処理である。前記セルＮのグループＡ、グループＢに反応種を選択的に供給する複数の工程が実行され、続く各供給工程の後、前記セルのＮのグループＡ、グループＢをパージする工程を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明の分野は、燃料電池、特に、燃料電池に燃料ガス及び／又は酸化剤の供給を管理するものである。本発明は、特に、水素燃料電池のカソードに酸素を含む大気の供給に適用される。

燃料電池は、一群の電気化学セルから構成されており、それぞれは、電解質膜によってお互いに電気的に分けられたアノードとカソードを有している。そこでは、電気化学反応が、連続的に導入された２つの反応物間で生じている。水素燃料電池の場合、燃料（水素）は、アノードに接触して導入され、一方、酸化剤（酸素）は、例えば、空気に含まれ、カソードに接触して導入される。その反応は、２つの半反応、酸化および還元、に分割され、一方はアノード／電解質膜表面で起こり、他方はカソード／電解質膜表面で起こる。その反応は、２つの電極、すなわち、電解質膜および外部電子回路によって形成される電子伝導体、間のイオン伝導体を必要とする。一群のセルは、電子化学反応の位置であり、その反応物は、その中に導入されるにちがいない。生成物と非反応種は、そこから排出され、熱も生成されるにちがいない。

燃料電池の排出口では、２つの構成が慣例的に合う。所謂オープンモードにおける動作に対応した第１ケースでは、アノード及びカソードの排出口が流体排出管と導通する。このように、燃料電池は、超化学量論的に（導入される反応物の量と消費される反応物の量との比が１よりも大きい）供給されるとき、出て行く気体は、十分な流速を有し、反応物によって生成される水を排出し、その気体は、そのとき、相分離物によって収集される。未消費の反応物の損失を回避するために、再循環装置が慣習的に設けられており、その再循環装置は、未消費の反応物を燃料電池の入口に再排出する。しかし、流体的再循環のために、空気がカソードで供給されている場合におけるアノードの窒素のような未反応物種は、モル濃度が徐々に増加していることを見ている。そのため、規則的に、セルをパージする工程が必要となる。

デットーエンドモードとして言及されている動作に対応する第２ケースにおいて、アノードの排出口は塞がれ、そこでは、おおよそ、カソードの排出口も、そして、燃料電池は、実質的に１に等しい化学量論量の比率で反応物と共に供給される。このように、アノードで導入される水素の量は、反応中に消費される量と等しい。この場合、未反応種及び生成された液体の水は、排出されず、セル内におけるモル濃度を徐々に増加させる。そのとき、規則的にセルをパージする工程を実行して、そこから未反応種および液体の水を排出する必要がある。

窒素の通過、および、カソード側とアノード側間の電解質膜に渡って生成される水の流路が、これら２つの動作モードのうちの一方がアノードで適用される、主な理由である。再循環は、アノードにおいて気体混合の最良の均質化を可能にし、結果として、パージおよび水素の損失を最低レベルにすることができるモードである。一方で、設定及び制御するのが最も複雑なモードである。その状況は、実質的に純粋な酸素と共に供給されるときのカソードにおいて、類似している。

図１は、ＷＯ２０１２／１５２６２３に記載されているように、燃料電池を供給するたの工程の一例を示しており、気体混合の均質化を改善しつつ、再循環の使用を回避することができる。この例では、燃料電池１は、２つの異なるグループＡ及びＢに分けられた一群の電気化学セルを有しており、セルのそのグループは、選択的に、反応種、ここでは水素、と共に供給されている。

第１工程中（フェーズ１）、セルの第１グループ、ここでは、グループＡでありグループＢではない、は、水素と共に供給され、未消費の水素は、両グループ間を、両グループのセルに共通する排出口マニホールドＣｓによって、循環する。このように、反応種のモル濃度の勾配は、流路に沿って、グループＡの入口（入口マニホールドＣｅ−Ａ）における最大値からグループＢの排出口（ここでは、入口マニホールドＣｅ−Ｂ）の最小値までに現れる。グループＢのセルは、したがって、未反応種及び液体の水が蓄積する領域（図１のグレー部分）を有し、その領域は、流路の端に位置している。

第２工程中（フェーズ２）に、２つのグループの供給は逆転され、グループＡではなくグループＢを供給する。グループＢの未反応物は、２つのグループ間を、共通の出口マニホールドＣｓによって、循環する。このように、フェーズ１と同様の方法で、グループＡのセルは、未反応種及び液体の水が蓄積する領域を有し、その領域は、流路の端（ここでは、入口マニホールドＣｅ−Ａ）に位置している。

２つの工程間の交替が、燃料電池のセル内において、未反応種と反応の生成物の混合を実行し、それにより、その蓄積領域が同一セルに停滞するのを防止できる。

第３工程中（フェーズ３）、２つの供給工程間で一連の交替後に実行され、グループＡ及びＢのセルがパージされる。これを行うために、２つのグループは、共通の出口マニホールドＣｓを出口オリフィスに接続するパージ弁Ｖｐを閉じて維持しつつ、そして、その弁Ｖｐを開くことで、同時に供給される。このパージ工程は、その供給工程中に、２つのグループ内蓄積する未反応種及び液体の水を排出することを可能にする。

国際公開第２０１２／１５２６２３号

しかし、この供給工程は、特に、燃料電池に希釈した反応流体を供給する場合、例えば、カソードに大気の空気を供給する場合に、燃料電池の電気のあるいは電気化学の性能に影響を与える、不利益を有しているかもしれない。

本発明の目的は、従来技術の欠点を少なくとも部分的に克服することであり、より詳細には、燃料電池に反応種を供給する処理を提案し、燃料電池の電気あるいは電気化学の性能におけるその影響を最小化することである。

この目的のために、本発明は、
燃料電池に反応種を供給し、前記燃料電池がセルのＮ（Ｎ≧２）の異なるグループに分割された一群の電気化学セルを有する、処理であって、
前記セルのＮのグループに反応種を選択的に供給する複数の工程が実行され、その間、セルの第１グループが供給され、前記第１グループで消費されなかった前記反応種が、分配管によって、他のグループ内で循環しており、前記分配管は、相互に前記グループの流体的伝達を保証しており、供給された前記第１グループから流体路の端を形成する１以上の最後のグループまで行く、前記反応種のための流体路を形成するために、前記Ｎのグループに、配置される、処理
を提案する。

本発明によれば、続く前記各供給工程、セルの前記Ｎのグループをパージする工程が、実行され、その間、前記各グループには、同時に、反応種が供給され、各グループは、セルの前記Ｎのグループの流体排出を可能にする前記燃料電池の出口オリフィスと導通する。

前記反応種は、運搬流体内で希釈されている。さらに、前記第１グループは、１つの供給工程から次の工程、すなわち、２つの連続する供給工程間で、異なる。

この供給工程の、ある好ましい、しかし制限されない局面は、次のようになっている。

前記流体の分配管は、前記グループに配置され、供給工程中の最後のグループにおける前記反応種の流体の流方向は、続く前記パージ工程中の同一の前記グループにおける流体の流方向と同一であってもよい。

前記流体の分配管は、前記グループに配置され、供給工程中の前記Ｎのグループの夫々における前記反応種の流体の流方向は、続く前記パージ工程中の同一の前記グループにおける流体の流方向と、同一であってもよい。

前記流体の分配管は、前記グループに配置され、パージ工程中の前記最後のグループにおける前記反応種の流体の流方向は、続く前記供給工程中の同一の前記グループにおける流体の流方向と、同一であってもよい。

前記流体の分配管は、前記グループに配置され、パージ工程中の前記グループの夫々における前記反応種の流体の流方向は、続く前記供給工程中の同一の前記グループの夫々における流体の流方向と、同一であってもよい。

前記セルは、夫々、アノードとカソードを有し、前記一群のセルのカソード及び／又はアノードには、運搬流体内で希釈された反応種が供給されていてもよい。

一実施形態によれば、前記カソードには、酸素を含む大気が供給される。

前記パージ工程中に、セルの前記グループの入口における反応種のモル流速は、前記グループのうちの少なくとも２つの間で異なっていてもよい。

前記パージ工程中に、前の前記供給工程中で最後のグループとなるセルのグループの入口における反応種のモル流速は、少なくとも１つの他のグループのモル流速よりも大きくてもよい。

本発明は、燃料電池であって、
運搬気体内で希釈された反応種を前記燃料電池に供給する入口オリフィスと、
前記燃料電池から流体を排出する出口オリフィスと、
前記燃料電池がセルのＮ（Ｎ≧２）の異なるグループに分割された一群の電気化学セルと、セルの前記各グループは、前記運搬気体で希釈された前記反応種を前記グループのセルに運搬する入口マニホールドと、前記セル内で循環する流体を排出する出口マニホールドと、を有しており、
セルの前記Ｎのグループに選択的に供給し、前記入口オリフィスを前記入口マニホールドの夫々に接続し、前記入口オリフィスと前記入口マニホールドの夫々との間の流れを許可あるいは禁止する少なくとも１つの選択スイッチを有し、１つの供給工程から次の工程まで異なる第１グループに供給する、のに適した流体供給管と、
相互に前記グループの流体伝達を保証し、反応種が供給される前記第１グループから流体路の端を形成する１以上の最後のグループまで行く、前記反応種のための流体路を形成するために前記Ｎのグループに配置される、のに適した流体分配管と、
前記出口マニホールドを前記出口オリフィスに接続し、前記出口マニホールドと前記出口オリフィスとの間の流れを許可あるいは禁止する少なくとも１つのスイッチを有するパージ管と、
を備える、燃料電池に関するものである。

本発明によれば、前記燃料電池は、前記最後のグループ又は前記最後のグループのうちの少なくとも１つを前記出口オリフィスに接続し、その中に存在する流体を排出するのに適した排出装置を備える。

セルの前記グループは、相互に全グループのセルの流体的伝達を可能にする共通の出口マニホールドを有し、前記流体分配管は、前記共通の出口マニホールドから形成され、前記第１グループは他のグループと連続して接続され、これらグループは、流体的に相互に平行に配置され、いくつかの最後のグループを形成し、前記排出装置は、最後のグループの前記入口マニホールドを前記出口オリフィスに接続する少なくとも１つの排出配管を有していてもよい。

前記Ｎのグループは、出口マニホールドを有し、該出口マニホールドは相互に異なり、前記流体分配管は、前記第１グループから最後のグループまで、連続して前記グループを流体的に接続する分配管を有し、前記排出装置は、前記最後のグループを前記出口オリフィスに接続する少なくとも１つの排出配管を有していてもよい。

前記排出装置は、各出口マニホールドを前記出口オリフィスに接続するＮの排出配管を有し、該排出配管には、パージ弁が設けられていてもよい。

多様な前記グループのセルは、１つ又は同一の群に、重なるように、積み重ねられており、１つのグループのセルが前記群の他のグループのセルに隣接していてもよい。

本発明の他の局面、目的、利益及び特徴は、次の好ましい実施形態の詳細な説明を読み、例を点綴することなく、添付された図面を参照して、より明確になるであろう。
図１は、既に上で説明されている。 図２は、複数の異なるグループに分割された一群の電気化学セルを有し、その一群の全セルに共通する出口マニホールドを有する、第１実施形態に係る燃料電池の概略図である。 図３ａは、第１供給工程中の、第１実施形態に係る燃料電池の概略的代表図である。図である。 図３ｂは、安定状態の第１供給工程中における、図３ａで記載された燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。 図３ｃは、第１供給工程に直接続く、第２供給工程中における、第１実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。 図３ｄは、第２供給工程の過渡状態の多様な瞬間に対する、図３ｃに記載された燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。 図３ｅは、過渡状態の燃料電池の各グループに対する、反応種の平均モル分率の時間変化を示す図である。 図４ａは、供給工程中の第１実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。 図４ｂは、安定状態の供給工程中における、図４ａに記載された燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。 図４ｃは、供給工程に直接続く、パージ工程中における、第１実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。 図４ｄは、パージ工程の過渡状態の多様な瞬間に対する、図４ｃに記載された燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。 図４ｅは、過渡状態の燃料電池の各グループに対する、反応種の平均モル分率の時間変化を示す図である。 図５ａは、パージ工程の過渡状態の多様な瞬間に対する、図４ｃに記載された燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。化学量論係数は各グループに対して異なる。 図５ｂは、過渡状態の燃料電池の各グループに対する、反応種の平均モル分率の時間変化を示す図である。 図６ａは、図４ｃからのパージ工程に続く供給工程の過渡状態の多様な瞬間に対する、燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。 図６ｂは、過渡状態中の燃料電池の各グループに対する、反応種の平均モル分率の時間変化を示す図である。 図７は、複数の異なるグループに分割された一群の電気化学セルを有し、異なる出口マニホールドを有する、第２実施形態に係る燃料電池の概略図である。 図８ａは、供給工程中の第２実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。 図８ｂは、安定状態の供給工程中における、図８ａに記載された燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。 図８ｃは、供給工程に直接続く、パージ工程中における、第２実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。 図８ｄは、パージ工程の過渡状態の多様な瞬間に対する、図８ｃに記載された燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。 図８ｅは、過渡状態中における、燃料電池の各グループの反応種の平均モル分率の時間変化を示す図である。 図９ａは、図８ｃからのパージ工程に続く供給工程の過渡状態の多様な瞬間に対する、燃料電池のグループの反応種のモル分率の空間分布を示す図である。 図９ｂは、過渡状態中における、燃料電池の各グループの反応種の平均モル分率の時間変化を示す図である。 図１０ａは、３つのグループに共通する出口マニホールドを有する、３つの異なるグループに属する一群の３つのセルの概略的な斜視図である。 図１０ｂは、３つのグループに対して異なる出口マニホールドを有する、３つの異なるグループに属する一群の３つのセルの概略的な斜視図である。

図及び記載の残りにおいて、同一の符号は、同一又は類似した要素を表している。また、多様な要素は、縮尺が表しているわけではなく、図の明瞭性を向上させている。

多様な実施形態及び変数は、燃料電池を参照して記載され、その電気化学セルのカソード側及び／又はアノード側は、運搬流体で希釈された反応種と共に供給されるであろう。“運搬流体で希釈された反応種”という記載は、未反応性および凝縮性の種が、運搬流体の中で、実質的に、１％よりも大きく、好ましくは、１０％以上のモル分率を有するという意味で理解される。例えば、運搬流体は、非凝縮性の気体混合において、２０％程度の酸素のモル分率を有する大気であってもよい。

特に、大気が供給される水素燃料電池のカソード側は、２０％程度の酸素のモル分率を含んでいると考えられるであろう。カソードが炭化水素の改質物から供給される場合のような他の供給例も、この発明によって包含されてもよい。この反応器から生じる及び燃料電池に注入される気体混合は、水素に加えて、多様な気体種を含んでいてもよく、それらは、使用される炭化水素及び変換工程に依存した割合で、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素のようなものである。本発明は、いかなる種類の燃料電池にも適用され、特に、低温で、すなわち、２００℃以下で動作するものに適用される。

図２は、第１実施形態に係る燃料電池１１０を示す。燃料電池１１０は、複数の異なるグループ、ここでは、２つのグループＡ及びＢ、に分割された一群の電気化学セルを有している。セルは、相互に同一であり、各セルは電解質膜によって相互に分離されたアノードとカソードを有しているのが好ましい。同一の群の様々なグループのセルは連動するように配置され、一方のグループのセルが他方のグループのセルと隣接していてもよい。

セルの各グループＡ、Ｂは、入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂを有しており、それらは、問題の、流体をグループのセルの中へ注入し又は液体をグループのセルから排出するのに最適となっている。セルの各グループは、この実施形態で、一群の全セルに共通する出口マニホールドＣｓを有しており、それらは、流体をグループのセルの中へ注入し又は液体をグループのセルから排出するのに最適となっている。

燃料電池１１０は、セルに反応種を供給する入口オリフィス１１と、セルから流体を排出する出口オリフィス１２と、を有している。流体は、入口オリフィス１１で注入された反応種を有しており、供給流体として述べられている。この例では、セルのカソードで注入される供給流体は大気であり、その大気は約２０％の割合で酸素に含まれている。燃料電池の入口で、化学量論量の酸素率は１以上であり、注入される酸素量は、燃料電池のカソードによって消費される酸素量以上である。

燃料電池の入口オリフィス１１は、流体供給管１２０によって、各グループの入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂに接続、すなわち、流体的に接続されており、流体供給管１２０は、セルの２つのグループに選択的に供給するのに最適なようになっている。換言すると、流体的な導通が、グループの入口オリフィス１１と各入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂとの間で可能となっている。これらの供給管１２０は、入口オリフィス１１を様々な入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂに接続している配管１２１Ａを有している。供給管１２０は、入口オリフィス１１から入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂまでの間の流れを許可あるいは禁止する少なくとも一つの選択スイッチを有しており、一つの供給工程から次の工程へと異なる第１グループを供給している。この選択スイッチは、すなわち、一つの供給工程から次の工程へと異なる第１グループに供給するのに最適となっている。この例では、２つの入口弁１２２Ａ、１２２Ｂが入口オリフィス１１と入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂとの間に設けられている。

説明の残りでは、“選択供給”は、供給管１２０によって、直接的に１以上のグループに供給流体を供給できるようになるという意味で理解され、その他のグループ、供給されたグループは、１つの供給工程から次の工程へと、すなわち、２つの連続する供給工程間では異なるものである。さらに、“供給されたセルのグループ、あるいは直接的に供給された”という表現は、供給されたグループの入口マニホールドは流体的に入口オリフィスに接続されているという意味、および、供給流体が、第１に、セルの一方のグループを通り過ぎることなく、問題のグループに導入されるという意味、で理解される。さらに、“流体路”は、第１に供給されたグループから１以上の最後のグループまでの、セルのグループの供給流体によって移動する流体循環の路という意味で理解される。

燃料電池は、また、相互にグループの流体伝達を確認するのに最適な流体分配管１３０を有している。この例では、流体分配管１３０は、各グループに共通する出口マニホールドＣｓから形成されており、１つのグループに循環している流体は、他のグループの方向に流れることができる。図２において、共通の出口マニホールドＣｓは、２つのグループを結ぶ連続線によって表現されている。

燃料電池は、最後のグループから、直接的に出口オリフィス１２に供給されるのではなく、未消費の反応種を含む供給流体の連続的な排出を可能にするのに最適な排出装置１４０を有している。この例では、排出装置１４０は、２つの排出配管１４１Ａ、１４１Ｂを有しており、その排出配管は、入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂを出口オリフィス１２に接続している。各管には、その流れを許可あるいは禁止する弁１４２Ａ，１４２Ｂが設けられている。

さらに、燃料電池１１０は、共通の出口マニホールドＣｓを出口オリフィス１２に接続するパージ管１５０を有している。これらパージ管１５０は、出口マニホールドＣｓを出口オリフィス１２に接続するパージ弁１５２を有する管１５１を有している。

発明者は、ＷＯ２０１２／１５２６２３で記載された供給処理を説明した。その説明は、その供給処理が上記説明した流体構成に適用されたときである。そこでは、燃料電池１１０は、排出装置１４０を有しており、燃料電池のセルには、運搬流体内で希釈された反応種が供給され、例えば、水素燃料電池のカソードには、大気が供給され、燃料電池によって生成された電圧又は電流において温度低下が生じるかもしれない。

これは、特に、２つの供給工程が直接的に相互に続く場合であり、すなわち、第２供給工程が、中間パージ工程がなく、第１供給工程に直接的に続いて実行されるときである。発明者は、第２供給工程は、過渡局面で始まり、その局面中、電圧あるいは電流の一時的な低下が発生することを説明した。この電圧の低下は、反応種のモル分率における急激な低下を有する消耗した局所領域の一時的な形成から起こるようである。

図３ａ乃至３ｅは、概略的に、燃料電池によって生成される電圧の一時的な低下を招く物理現象を示している。例によって、供給流体は、入口オリフィス１１によって注入された大気であり、その大気は、超化学量論量あるいは化学量論係数が２であり、すなわち、入口オリフィス１１を介して注入された酸素のモル流速がセルのグループのカソードによって流体路に沿って消費された酸素のモル流速の４倍より大きい。入口オリフィス１１を介して注入された空気（水蒸気を除く）のモル流速は、大気（２１％）における酸素濃縮を考慮すると、それ自身、注入された酸素のモル流速よりも５倍大きい。

図３ａは、第１供給工程中の、図２を参照して説明した第１実施形態に係る燃料電池の概略的代表図である。図３ｂは、図３ａで示された燃料電池のグループＡ及びＢの入口及び出口マニホールドの、空間分布を示す図である。その空間分布は、第１供給工程中で安定状態における反応種のモル分率のものであり、すなわち、流体路に沿って反応種のモル分率の空間分布がもはや時間変化しないときのものである。

図２及び３ａを参照して、グループＡには、大気、すなわち、供給流体が供給され、その供給流体は、入口オリフィス１１から生じており、入口マニホールドＣｅ−Ａに注入されている。これを行うために、弁１２２Ａは開いており、弁１２２Ｂは閉じている。流体が排出管１４１Ａに流入するのを防止するために、弁１４２Ａは閉じている。流体は、共通の出口マニホールドＣｓに流れ、そのとき、パージ弁１５２は閉じており、グループＢ内に導入され、流体路の端、すなわち、入口マニホールドＣｅ−Ｂ、へ流れる。供給流体は、そのとき、出口オリフィス１２に排出され、弁１４２Ｂは開いている。

図３ｂを参照して、安定状態でこの供給工程中に、例えば、この工程の端ｔ_finで、流体路に沿った酸素Ｃ_Ｏ２ ^ｒｅｌのモル分率の空間分布は、流体路の始点、すなわち、マニホールドＣｅ−Ａ、の位置での最大値Ｃ_２から、流体路の終点、すなわち、マニホールドＣｅ−Ｂの位置での最小値Ｃ_１まで連続的に減少する。供給の位置は、Ｃｅ−ＡのＣ_２の位置での点によって表されており、流れ方向は、グループＡの出口マニホールドＣｓあるいは、グループＢの入口マニホールドＣｅ−Ｂに向けた矢印によって示されている。

仮に、酸素消費の度合が、セルの２つのグループのいかなる点においても同一である場合、酸素のモル分率における空間変化ｃ（ｘ）は、流体路に沿った位置ｘの関数として、以下の式（１）に従う。物理量ｃ_０、Ｓ_ｔおよびｎは、それぞれ、注入された空気における酸素のモル分率（ここでは、０．２１０）、超化学量論的率（ここでは、２）、通り抜けたセルのグループの総数（ここでは、２）を示しており、ｘは、０（流体路の始点）とｎ（流体路の終点）との間で変化している。

式（１）

この式（１）によって、流れのその点でも酸素のモル分率を算出することができる。次のような値になっているであろう。ｃ（０）＝０．２１０（グループＡの入口）、ｃ（０．５）＝０．１８８（グループＡの中間）、ｃ（１）＝０．１６６（グループＡの出口およびグループＢの入口）、ｃ（１．５）＝０．１４２（グループＢの中間）、ｃ（２）＝０．１１７（グループＢの出口）

この例では、値ｃ_２は、０．２１０に等しく、値ｃ_１は、０．１１７に等しい。空間分布は、ここでは純粋に図に従い、それは、式（１）によって得られた現実的な直線変化であり、セルのいずれの点においても酸素消費が同一速度であるが、他の変化も可能である。さらに、グループＡに供給する工程が示されたが、その状況は、その供給工程がグループＢと関連するときと類似している。

図３ｃは、図３ａから第１供給工程に直接続く、第２供給工程中における、図２を参照して説明された第１実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。図３ｄは、第２供給工程の過渡状態の多様な瞬間に対する、反応種のモル分率の、図３ｃに記載された燃料電池のグループＡ及びＢの入口及び出口マニホールド間の空間分布を示す図である。

図２及び３ｃを参照して、供給は、前の供給工程に関連して、逆転される。特に、グループＢには、今、大気、すなわち、供給流体が供給され、供給流体は、入口オリフィス１１から生じており、入口マニホールドＣｅ−Ｂに注入されている。これを行うために、弁１２２Ｂは開いており、弁１２２Ａは閉じている。その流体が排出管１４１Ｂに流入するのを防止するために、弁１４２Ｂは閉じている。その流体は、共通の出口マニホールドＣｓに流れ、そのとき、パージ弁１５２は閉じており、グループＡ内に導入され、流体路の端、すなわち、入口マニホールドＣｅ−Ａ、に流れる。供給流体は、そのとき、排出管１４１Ａを介して、出口オリフィス１２に排出され、弁１４２Ａは開いている。

図３ｄを参照して、第２供給工程は、時間Ｔの過渡状態で開始し、酸素Ｃ_Ｏ２ ^relのモル分率の空間分布は、安定状態が確立されるまで（ｔ≧Ｔから開始）、時間変化している。時間関数としての気流における酸素消費のシミュレーションで得られた様々な図において、供給の位置は、Ｃｅ−ＢでのＣ_２の位置の点によって表されており、流れ方向は、グループＢの出口マニホールドＣｓおよび、グループＡの入口マニホールドＣｅ−Ａに向けた矢印によって示されている。

第２供給工程の始点で（図３ｄ、ｔ＝０）、流体路に沿った酸素のモル分率は、第１供給工程の終点（図３ｂ）の酸素のモル分率と同一である。すなわち、Ｃｅ−Ｂの酸素のモル分率は、０．１１７である。この新しい供給工程中に、大気は直接にマニホールドＣｅ−Ｂに注入される。その結果、Ｃｅ−Ｂのモル分率の新値ｃ_２は０．２１０になる。このように、局所領域Ｐは、酸素のモル分率において急激な減少、ここでは、５０％程度、が生じるようである。この領域Ｐに位置する減少した空気は、既に、一度、セルＡ及びＢの２つのグループを通過している。その流れ方向における変化を考慮すると、この領域Ｐの空気は、この過渡局面の工程で、２度、２つのグループＡ及びＢを通過するであろう。流れの下流で、酸素のモル分率は、初期プロファイルに続き、グループＡのマニホールドＣｅ−Ａの値Ｃ_２まで、連続的に増加する。

第２供給工程の続く瞬間（図３ｄ、ｔ＝Ｔ／４）では、グループＢの供給のため、減少した局所領域Ｐは、流体路に沿って移動し、大体、グループＢのセルの中間点に位置する。この領域Ｐに位置する減少した空気は、グループＢを通過し、セル内の酸素消費は、さらに、酸素減少を強める。このように、この流路の中間点に着くと、この領域Ｐの酸素の最小モル分率は減少し、０．０９３に等しくなる。その流れの下流で、酸素のモル分率は、おおよその初期プロファイルに続き、連続的に増加し、しかし、酸素消費によって、より低い値となる。

第２供給工程の続く瞬間（図３ｄ、ｔ＝Ｔ／２）では、減少した局所領域Ｐは、再び、流体路に沿って移動し、大体、共通の出口マニホールドＣｓに位置する。領域Ｐのモル分率の最小値は、再び、減少し、ここでは０．０６８程度になる。

第２供給工程の続く瞬間（図３ｄ、ｔ＝３Ｔ／４）では、減少した局所領域Ｐは、再び、流体路に沿ってグループＡの入口マニホールドＣｅ−Ａの方向に移動し、大体、グループＡの中間点に位置する。安定状態は、供給されたグループＢ内で達成され、すなわち、グループＢ内のモル分率の空間分布は、もはや、実質的に時間変化しない。しかし、減少した領域ＰがグループＡ内に位置する限り、過渡状態は、燃料電池内で終了しない。領域Ｐの酸素のモル分率の最小値は、減少し、ここでは０．０４１程度になる。さらに、流体路の端（マニホールドＣｅ−Ａ）の酸素のモル分率の値がグループＡの酸素消費のため、減少する限り、比較的広い酸素減少した領域Ｐ’は、形成され、その領域は領域ＰからマニホールドＣｅ−Ａまで広がる。

第２供給工程の続く瞬間（図３ｄ、ｔ＝Ｔ）では、減少した局所領域Ｐは、流体路の端、すなわち、ここで、グループＡの入口マニホールドＣｅ−Ａ、に到達する。過渡状態は、実質的に終了し、安定状態は、燃料電池で開始する。しかし、領域Ｐの酸素のモル分率の最小値は、ここではとても低く、０．０１５程度である。

図３ｅは、セルの各グループＡ、Ｂに対する、ｔ＝０からｔ＝Ｔまでの、図３ｄに示す過渡状態の期間に渡る酸素の平均モル分率の時間変化を示す図である。グループＢにおいて、平均モル分率は、常時、安定状態で会った２つの極値間、すなわち、０．１４２と０．１８８との間を維持する。これは、過渡状態中に、セルのこのグループの性能において、小さな減少に相当する。一方で、グループＡにおいて、平均モル分率は、過渡状態の３／４に渡って、０．１４２よりも小さく、０．０９６で最小値を通る。性能の減少は、セルのそのグループにとって、そのとき実質的なものとなる。

このように、時間Ｔの過渡状態中において、グループの全セルは、反応種のモル分率に実質的減少を有する局所領域Ｐによって、移動される。燃料電池は、したがって、供給工程に直接続く各新しい供給工程の開始点で、時間Ｔに渡って、生じた電圧又は電流において減少が生じる。電圧又は電流の一時的な減少は、特に、セルのグループＡで大きく、酸素の平均モル分率は、安定状態動作で観測された値よりも、はるかに低い最小値を通る。この減少は、電子制御システムのある要素、例えば、パワーエレクトロニクス、の動作を阻害する。実際に、変換器は、しばしば、高出力燃料電池のターミナルに接続され、より大きな入力電圧範囲に耐えなければならない、そして、この装置の大型化を必要とし、そのシステムのコスト及びスペース要求に関する結果に悪影響がある。この高い電気化学の不均一性の領域は、燃料電池のグループの全セルに影響を与え、その電気化学特性の劣化を招くかもしれず、特に、反応種のモル分率が局所的に低いときに、その影響がある。

特に、領域Ｐ及びＰ’で極所的に得られた、モル分率の減少を制限するために、過渡状態中に供給流速を一時的に増加させ、一時的に超化学量論量を増加させることを想定してもよい。領域Ｐの酸素モル分率の最小値が、例えば、０．０１５から０．０３９を通ってもよく、一方、グループＡの平均モル分率が０．０９６ではなく０．１０６よりも低く減少しない、という意味では、この計測は効果的である。一方、流速のこの迅速かつ短い増加が、燃料電池の供給装置（例えば、空気圧縮器を有する）を複雑にし、その制御も複雑にしている。いずれの場合でも、この計測は、本発明において、実施され得る。

上記流体構成に適用されたＷＯ２０１２／１５２６２３に記載された供給処理の電気化学の影響を制限するために、そして、セルに運搬流体で希釈された反応種を供給するために、本発明に係る供給処理は、各供給工程後に、セルの全グループをパージする工程を有している。

より詳細には、本発明に係る供給処理は、セルのＮグループに反応種を選択的に供給する複数の工程を有しており、その間、セルの第１グループに供給される。第１グループで消費されなかった反応種は、分配管１３０によって他のグループ内で循環し、分配管１３０は、相互にグループの流体伝達を確保し、それは、その分配管が、Ｎグループと共に反応種のための流体路を形成するように配置され、供給された第１グループから、流体路の端を形成する１以上の最後のグループまで行っている限り確保される。１つの供給工程から次の工程まで、すなわち、２つの連続する供給工程で、供給された第１グループは異なり、選択的に最後のグループ（１又は複数のグループ）となる。各供給工程に続いて、セルのＮグループをパージする工程は、各グループが同時に反応種が供給される間、実行される。各グループは、そのとき、燃料電池の出口オリフィス１２と導通しており、セルのＮグループの流体排出を可能にする。

このように、上述した従来技術に従った処理、そこでは、セルの全グループをパージする工程を実行する前に、複数の選択的な供給工程が連続的実行される、と異なり、パージ処理が、各選択的供給工程の後、ここで実行されている。換言すると、２つの連続する選択的供給工程間で、セルのグループをパージする工程が実行される。本発明に係る燃料電池に供給する処理は、電気又は電気化学の性能及び／又は燃料電池の特性上の影響を制限することができる。

図４ａ乃至４ｅは、パージ工程に続く供給工程間の流体路に沿った、反応種のモル分率の空間分布の時間変化を概略的に示している。ここでは、また、例のみによって、供給流体が入口オリフィス１１を介して、超化学量論量が２に等しい状態で、注入された大気である。すなわち、その状態において、入口オリフィス１１を介して注入された酸素のモル流速が、セルのグループのカソードによって流体路に沿って消費された酸素のモル流速の４倍より大きい。入口オリフィス１１介して注入された空気（蒸気を除く）のモル流速は、注入された酸素のモル流速よりも４倍大きく、大気（２１％）中の酸素の濃縮を考慮している。

図４ａは、供給工程中の、図２を参照して説明した第１実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。図４ｂは、安定状態の供給工程中における、図４ａに記載された燃料電池のグループＡ及びＢの入口及び出口マニホールド間で、安定状態の供給工程中、すなわち、流体路に沿った反応種のモル分率の空間分布がもはや時間変化しないとき、における反応種Ｃ_ｏ２ ^ｒｅｌのモル分率の、空間分布を示す図である。

供給条件は、図３ａの条件と同一で、その条件で図３ｂと同一の酸素のモル分率の空間分布が生じる。これら図は、したがって、さらに記載されていない。空間分布は、ここで、純粋に、記載、直線変化に従うが、他の変化も可能である。さらに、グループＡに供給する工程は、示されているが、その状況は、供給工程がグループＢに関係するときと類似している。

図４ｃは、図４ａからの供給工程に直接続くパージ工程中における、図２を参照して説明した第１実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。図４ｄは、安定状態の供給工程中における、図４ｃに記載された燃料電池のグループＡ及びＢの入口及び出口マニホールド間の、パージ工程の過渡状態の様々な瞬間に対する反応種のモル分率の、空間分布を示す図である。

図２及び４ｃを参照して、２つのグループは、両方とも、同時に、入口オリフィス１１から、反応種が供給される。このように、グループＡは、前の供給工程に関して、供給されることを維持しており、グループＢも、反応種が供給される。このように、供給流体は、入口オリフィス１１から生じており、同時に、入口マニホールドＣｅ−Ａ及びＣｅ−Ｂに注入される。弁１２２Ａ及び１２２Ｂは開いており、排出弁１４２Ｂ及び１４２Ｂは閉じている。その流体は、各グループのセルに流入し、共通の出口マニホールドＣｓに対し流れる。そのとき、その流体は、パージ配管１５１を介して、出口オリフィス１２に排出され、弁１５２は開いている。しかし、２つのグループは同時に供給されるので、パージ工程中の入口オリフィス１１における供給流体のモル流速は、一定、あるいは、前の供給工程中の値に関して、増加してもよいことに留意すべきである。例によって、入口オリフィス１１における供給流体のモル流速が、実質的に前の供給工程中におけるモル流速と実質的に等しい場合が、図４ｄの図に詳述されている。

図４ｄを参照して、パージ工程は、時間Ｔ’の過渡状態で始まり、そこでは、酸素のモル分率の空間分布が、安定状態が確立されるまで（ｔ≧Ｔ’から）時間に渡って変化する。多様な図の中で、供給の位置は、Ｃｅ−ＡおよびＣｅ−Ｂに位置する２点で表されている。流れの方向は、グループＡ及びＢの出口マニホールドＣｓに向けた矢印によって示されている。

パージ工程の始点で（図４ｄ、ｔ＝０）、流体路に沿った酸素のモル分率の空間分布は、供給工程の端での空間分布（図４ｂ）、すなわち、Ｃｅ−Ａの酸素のモル分率が０．２１０であり、一方、Ｃｅ−Ｂでの酸素のモル分率が０．１１７のとき、と同一である。このパージ工程中に、入口マニホールドＣｅ−Ａ及びＣｅ−Ｂでのモル流速の和は、前の工程中にオリフィス１１で注入された空気のモル流速に等しい。セルの２つのグループ間の均衡した流れの分配の例を考慮して、セルの各グループの入口における空気の供給は、常時、超化学量論量の２に等しくなる。グループＡ及びＢの同時供給は、マニホールドＣｅ−Ａで同一の値ｃ_２となるが、マニホールドＣｅ−Ｂで新しい値ｃ_２、その値は０．２１０となる。したがって、グループＢ内だけ、局所領域Ｐは、酸素のモル分率において急激な低下を有し、ここでは、５０％程度である。グループＢの下流で、酸素のモル分率は、初期プロファイルに従って、共通の出口マニホールドＣｓまで連続的に増加し、一方、グループＡ内で、マニホールドＣｓまで連続的に減少する。

グループＡでは、酸素のモル分率の空間分布は、マニホールドＣｅ−Ａの上流で０．２１程度の新値ｃ２と、マニホールドＣｓの下流で０．１１７程度の値ｃ１との間で、徐々に確率される。安定状態における酸素のモル分率のプロファイルの計算は、式（１）で算出されてもよい。そこでは、ｎ＝１とし、ｘは０と１との間で変化する。その過渡状態は、Ｔ’程度で継続する。モル分率の急激な低下は、グループＡでは観測されない。唯一、変曲点が図４ｄに示すプロファイル上で見ることができる。モル分率は、常時、ｃ_１以上の値を維持しており、グループＡの平均モル分率は単調に減少し、高い値（０．１８８から０．１６６）を維持している。

グループＢでは、パージ工程の続く瞬間で（図４ｄ、ｄ＝Ｔ’／４）、新しいプロファイルが徐々に確立される。減少した局所領域Ｐは、流体路に沿って移動し、グループＢのセルの最初の約１／４に位置している。電気化学反応中のグループのセルによる酸素消費によって、領域Ｐのモル分率の最小値は減少し、ここで、その値は０．０９３程度となる。

パージ工程の続く瞬間（図４ｄ、ｔ＝Ｔ’／２）では、減少した局所領域Ｐは、再び、流体路に沿って移動し、大体、グループＢのセルの中間点に位置する。領域Ｐのモル分率の最小値は、減少し、ここで、その値は０．０６９程度になる。

パージ工程の続く瞬間（図４ｄ、ｔ＝３Ｔ’／４）では、減少した局所領域Ｐは、再び、流体路に沿って移動し、大体、グループＢのセルの最後の１／４に位置する。領域Ｐのモル分率の最小値は、減少し、ここで、その値は０．０４１程度になる。流体路の端（マニホールドＣｓ−Ｂ）における酸素のモル分率の値は、グループＢ内での酸素消費によって、減少し、比較的広い酸素減少した領域Ｐ’は、形成され、その領域は領域ＰからマニホールドＣｅ−Ｂまで広がる。にもかかわらず、前のケース（図３ｄ）で観測された領域Ｐ’と比較して、出口マニホールドはここでは非常に高くなっている。

パージ工程の続く瞬間（図４ｄ、ｔ＝Ｔ’）では、減少した局所領域Ｐは、グループＢのセルの端、すなわち、ここで、入口マニホールドＣｓ、に到達する。過渡状態は、実質的に終了し、安定状態は、燃料電池内で開始する。領域Ｐの酸素のモル分率の最小値は、ここで０．０１７程度であり、一度、この領域が排出されると、グループＢのモル分率の最小値は、グループＡの端のように、約０．１１７になるであろう。

図４ｅは、各グループＡ、Ｂに対する、ｔ＝０からｔ＝Ｔ’までの、図４ｄに示す過渡状態の期間における、酸素の平均モル分率の時間変化を示す図である。グループＢにおいて、過渡局面に渡って、酸素の平均モル分率における緩やかな減少が現れる。平均モル分率は、ｔ＝０とｔ＝３Ｔ’／４の間で、０．１４２よりも小さく、０．１３４で最小値を通る。これは、流れの中で、領域Ｐ及びＰ’の存在が、全体のレベルに、唯一、制限された影響を有する、ということを示している。セルのグループに対する性能の減少は、前のケースでグループＡにより見られたものより、緩やかであろう。

燃料電池の超化学量論量をある値、例えば、２の代わりに２．５、に一時的に増加させることで、モル分率の最小値は、０．０１７から０．０４０に変化し、最小平均モル分率は、０．１３４から０．１３９に変化する。過渡局面での超化学量論量の増加の肯定的効果が、ここで、見出されている。

このように、２つの連続する選択的供給工程間でセルのグループをパージする工程を体系的に実行することで、減少した局所領域、今回、セルの単一のグループに沿って移動する、の影響が制限される。過渡状態中の燃料電池によって生成される電圧又は電流の低下の大きさは、低減される。さらに、減少した領域は、グループの制限した数に影響を与え、もはやセルの全グループには影響を与えない。本発明に係る処理は、燃料電池によって生成される電圧又は電流における一時的な低下を制限することができる。

変形例及び有利なものとして、パージ工程中、セルのグループの入口で反応種のモル流速は、上記少なくとも２つのグループ間で異なっていてもよい。好ましくは、セルの一方のグループ、このグループは前の供給工程中に最後のグループである、の入口における反応種のモル流速は、少なくとも他方のグループのモル流速よりも大きい。このように、セルのグループＡ、Ｂは、パージ工程中に、例えば、弁１２２Ａ及び１２２Ｂ（図２）での酸素のモル流速の値を変化させることで、別々に供給されてもよい。このように、入口モル流速を異ならせることで、異なる超化学量論量が一時的にグループＡ及びグループＢに適用される。例によって、グループＡ及びＢの入口で２の超化学量論量を適用する代わりに、時間Ｔ’’の間だけ、１．５の超化学量論量がグループＡの入口で適用され、２．５の超化学量論量がグループＢの入口で適用される。いずれのケースでも、セルの２つのグループの集まりに適用される全超化学量論量は、２に等しいものにとどまる。これは、例えば、グループＡの供給管１２１Ａで一時的に流れ制限することで、容易に実施されてもよい。もたらされた圧力減少は、グループＡの供給流速の減少を生成するために設定されており、その減少は、超化学量論量における所望の減少に対応するものであり、グループＢの入口における供給流速及び超化学量論量に対する対応する増加を伴うものである。

図５ａ及び５ｂは、この過渡局面を示しており、その過渡局面は、２つの段階で起こっている。第１に、時間Ｔ’’に渡って、酸素のモル分率における急激な低下が、ｔ＝０でグループＢ（Ｃｅ−Ｂ）の入口におけるモル分率のプロファイルの中に現れており、ｔ＝Ｔ’’でグループ（Ｃｓ）の出口に移動する。前のケースのように、領域Ｐは、グループＢを通過するに従がって減少するモル分率の最小値で、表されている。しかし、ここで、空気を供給するための流速は前のものより大きいので、モル分率の減少はより小さく、それは、ｔ＝Ｔ’’／２で見ることができるように、領域Ｐの上流でのモル分率の変化の傾斜によって証明されたようなものである。この傾斜は、より高い超化学量論量のために、図４ｄのｔ＝Ｔ’／４とｔ＝３Ｔ’／４の間で観測されたものほど大きくはない。したがって、ｔ＝Ｔ’’における領域Ｐで得られた、図５ａのグループＢにおけるモル分率の最小値は、０．０１７の代わりに０．０３７で、前のものより非常に高い。さらに、モル分率の減少はここで、前のものより小さいため、領域ＰとグループＣｓの出口との間に、領域Ｐ’がもはや存在しない。

過渡局面のこの第１部分中では、グループＡの酸素のモル分率における変化は、前のケースで観測された変化と類似しており、プロファイルは、変曲点を有しており、異なる傾斜の２つの領域に分離しており（図５ａ、ｔ＝０からｔ＝Ｔ’’）、入口Ｃｅ−Ａから始まり、その傾斜は、第１に、１．５の超化学量論量に対応し（この局面中に適用された一つ）、そのとき、４の超化学量論量に対応している（前の供給工程中に適用された一つ）。グループＢに対する領域Ｐのように、グループＡの変曲点は、入口Ｃｅ−Ａから出口Ｃｓに向けて移動する。グループＡに供給する流速が、グループＢに供給する流速より低いので、時間Ｔ’’の終点で、この変曲点は、出口Ｃｓに到達していない。

ｔ＝Ｔ’’から開始して、過渡局面の第２部分は始まる。２つのグループの供給は、両グループに対する同一の供給条件の再確立で、変更される。換言すると、超化学量論量は、グループＡ及びＢに対して、２に等しくなる。この第２部分の期間は、各グループの超化学量論量が２に設定された場合の前ケースのように、Ｔ’に等しい。第１に、３つの領域はグループＡ内に現れ、それぞれは、酸素のモル分率の変化において異なる傾斜を有しており、変曲点によって分離されている（図５ａ、ｔ＝Ｔ’’＋Ｔ’／４で明確に見ることができる）。入口Ｃｅ−Ａから第１変曲点まで、その傾斜は、２の超化学量論量、すなわち、現パージ局面中に適用した値に対応している。この変曲点の下流、及び次の変曲点まで、その傾斜は、このパージ局面の第１部分中に課された超化学量論量、すなわち、１．５に対応している。最終的に、第２変曲点の下流で、その傾斜は、過渡状態前、供給工程中に適用された超化学量論量、すなわち、４に対応している。

グループＢで、単一の変曲点が現れており（ｔ＝Ｔ’’＋Ｔ’／４で見ることができる）、それは、グループＡ内のＣｅ−Ａから同一距離に位置している。この変曲点の上流では、酸素のモル分率における変化の傾斜は、グループＡ内と同様に、２の超化学量論量に対応している。この変曲点の下流および出口Ｃｓまで、その傾斜は一定であり、この過渡局面中に適用された超化学量論量、すなわち、２．５に対応している。

セルの両グループ内における、入口Ｃｅから出口Ｃｓへ向けての流体の引き込みによって、変曲点は、出口に向けて引かれ、そして、消える。過渡局面のこの第２部分の時間Ｔ’の終点、すなわち、ｔ＝Ｔ’’＋Ｔ’で、２つの各グループにおける濃縮プロファイルが確立される。

過渡局面中の各グループにおける酸素の平均モル分率の変化は、図５ｂに表されており、グループＢのこの物理量における減少は、両方とも、より小さく（最小値は０．１３４ではなく０．１３９であり、０．１４２の値から始まる）、時間もより短い（３Ｔ’／４ではなく、Ｔ’’／２の期間であり、例えば、おおよそ、係数２によって減少、ここで、Ｔ’〜１．４Ｔ’’とする）。高い値での酸素のモル分率の維持、および、流れの中での領域Ｐ’の存在によって、過渡局面中のこの燃料電池の良好な性能を保証することができ、セルの寿命に害をもたらす局所条件の出現を防止できる。

過渡局面中の超化学量論量の一時的な増加は、ここで、他のケースのように、考えてもよい。２．５の全超化学量論を考慮して、グループＡ及びＢに適用された超化学量論量は、例えば、それぞれ、２及び３に設定されてもよい。この計測の影響は、特に肯定的であり、その理由は、グループＢのモル分率の最小値が０．０３７から０．０５２まで変化し、グループＢに対する平均モル分率の変化で観測された最小値が、無視できるのみ、過渡局面の始点の値と異なるからである。

図６ａ及び６ｂを参照して、供給処理は、他の選択的供給工程と共に継続し、その間、第１グループは直接的に供給され、このグループは前の供給工程と異なり、最後のグループは、流体路の端に位置しており、前の供給工程と異なる。

続く供給工程中に、供給された第１グループにおける流方向は、前のパージ工程中の同一グループで生じた流方向と、有利に同一である、ということが観測される。より詳細に、ここで、グループＢ内では、パージ工程中の流方向は、マニホールドＣｅ−ＢからマニホールドＣｓへ向かっている。続く供給工程中に、グループＢは供給された第１グループになるので、その流方向は同一である。このように、反応種のモル分率の空間分布のプロファイルの逆転が存在せず、それは、流体路に沿って移動する新たな減少した領域の形成を制限する。

パージ工程から続く供給工程までの流路中のセルの両グループにおける、モル分率のプロファイルにおける、空間変化は、図６ａに表されており、そこで、グループＢは供給され、流体路は図３ｃに表すように燃料電池の構成に対応している。図６ａが示すように、時間Ｔの過渡局面は、セルのグループＡ及びＢにおける反応種のモル分率のプロファイルにおいて、不連続性を示していない。２つの変曲点は出現し、流路に沿って移動する。最小値は、Ｃｓの位置、ｔ＝０で、その流体に対して得られ、そのとき、ｔ＝Ｔ／２までグループＡを通り過ぎる。その最低値がその局所モル分率に対して観測されるのは、この瞬間であり、０．０６９程度の値であり、マニホールドＣｅ−Ａの位置である。

図６ｂを参照して、酸素の平均モル分率は、瞬間ｔ＝０で、セルの各グループ内において、同一である。それは、グループＡに対しては減少するが、決して０．１１３よりも低く減少しない。この値は、比較的高く、値ｃ_１に非常に近い状態を保ち、観測された性能の減少は、特に、ｔ＝Ｔ／４およびｔ＝Ｔ／２の間で、制限された状態を維持するであろう。

さらに、詳細に説明するように、セルの各グループの流方向が、供給工程から続くパージ工程まで、その逆についても、同一である状態を維持するのは有益であるかもしれない。

図７は、第２実施形態に係る燃料電池１１０を示している。それは、本質的に、第１実施形態に係る燃料電池と相違しており、その相違は、分配管２３０および排出装置２４０が配置され、グループの供給流体の循環における方向が一のグループから次のグループへと平行、すなわち、同一になることができ、供給工程から続くパージ工程まで、その逆についても、同一の流方向を得ることができる、ということである。

この例では、セルの各グループは、異なる、入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂ、および出口マニホールドＣｓ−Ａ、Ｃｓ−Ｂを有している。供給管２２０は、入口オリフィス１１を入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂに接続する配管２２１Ａ，２２１Ｂを有しており、入口オリフィスから各入口マニホールド間の流れを許可または禁止する少なくとも１つの選択スイッチを有しており、１つの供給工程から次の工程までの異なる第１グループに供給する。この選択スイッチは、したがって、１つの供給工程から次の工程までの異なる第１グループに供給するのに最適となっている。この例では、２つの入口弁２２２Ａ、２２２Ｂが、入口オリフィス１１と入口マニホールドＣｅ−Ａ，Ｃｅ−Ｂとの間位に設けられている。

燃料電池２１０は、相互にグループの流体的伝達を保証するのに最適な流体分配管２３０を有している。この例では、出口マニホールドＣｓ−Ａ、Ｃｓ−Ｂが、相互に異なることから、流体分配管は２つの分配管２３１Ａ、２３１Ｂを有しており、これらは、１つのグループの出口マニホールドＣｓ−Ｂ、Ｃｓ−Ａを隣接するグループの入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂに、その逆についても、接続するように配置されており、１つのグループ内で循環する流体が第２グループの方向に流れることができる。各分配管２３１Ａ、２３１Ｂには、その管内の流体の流れを許可あるいは禁止する弁２３２Ａ、２３２Ｂが設けられている。

燃料電池は、排出装置２４０を有しており、その装置は、少なくとも１つの流体路の最後のグループを出口オリフィス１２に接続しており、他のグループが供給されたときに、このグループ内に存在する流体の連続的な排出を保証するのに最適である。この例では、排出装置２４０は、グループＡの出口マニホールドＣｓ−Ａを出口オリフィス１２に、排出管２４１Ａを介して接続しており、その排出管は、ここで、弁２４２Ａを有している。また、排出装置２４０は、グループＢの出口マニホールドＣｓ−Ｂを出口オリフィス１２に、排出管２４１Ｂを介して接続しており、その排出管は、ここで、弁２４２Ｂを有している。この例では、その排出装置は、燃料電池をパージするのに最適である。

図８ａ乃至８ｅは、図７を参照して説明した燃料電池における、パージ工程に続く供給工程間の流体路に沿った反応種のモル分率の時間変化を示す図である。ここでも、例のみによって、供給流体が、２に等しい超化学量論量の入口オリフィス１１を介して注入された大気であり、すなわち、入口オリフィス１１を介して注入された酸素のモル流速がセルの各グループのカソードによって消費された酸素のモル流速よりも４倍大きい。入口オリフィス１１を介して注入された空気（水蒸気を除く）のモル流速は、それ自体、注入された酸素のモル流速よりも約５倍大きく、それは、大気（２１％）内の酸素の濃縮を考慮してである。

図８ａは、供給工程中の、図７を参照した説明した第２実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。図８ｂは、安定状態の供給工程中における、反応種のモル分率の、図８ａに記載された燃料電池のグループＡ及びＢの入口及び出口マニホールド間の流体路に沿った空間分布を示す図であり、すなわち、流体路に沿った反応種のモル分率の空間分布は、もはや時間変化していない。

図４ａと異なり、グループＡの流方向は、グループＢの流方向と同一であり、すなわち、供給流体は、入口オリフィス１１からグループＡ内へマニホールドＣｅ−Ａを介して注入されており、弁２２２Ａは開いており、弁２２２Ｂは閉じており、分配弁２３２Ａと同様に、そのとき、その供給流体はマニホールドＣｓ−Ａに流れ、弁２４２Ａは閉じており、弁２３２Ｂは開いており、その供給流体は、グループＢの入口マニホールドＣｅ−Ｂに運ばれ、出口マニホールドＣｓ−Ｂに流れ、出口オリフィス１２に排出されて、弁２４２Ｂは開いている。これは、流体路に沿って連続的に減少する酸素のモル分率の空間分布を生じさせ、その減少は、最大値ｃ_２、ここで、マニホールドＣｅ−Ａで０．２１０程度、から始まって、最小値ｃ_１、ここで、流体路の端に位置するマニホールドＣｓ−Ｂで０．１１７程度、までである。空間分布は、純粋に、図に従い、直線変化であり、しかし、他の変化でも可能である。さらに、グループＡに供給する工程が示されているが、この状況は、供給工程がグループＢと関連したときと類似している。

図８ｃは、図８ａから供給工程に直接続く、パージ工程中における、図７を参照して説明された第２実施形態に係る燃料電池の概略的な代表図である。図８ｄは、パージ工程の過渡状態の多様な瞬間に対する、図８ｃに記載された燃料電池のグループＡ及びＢの入口及び出口マニホールド間の流体路に沿った、反応種のモル分率の空間分布を示す図である。

図８ｃを参照して、２つのグループには、両方とも、同時に、入口オリフィス１１から反応種が供給されており、各グループの流方向は、前の供給工程中に生じた流方向と同一である。グループＡは、前の供給工程に関して供給される状態を保ち、グループＢも、反応種が供給されている。このように、供給流体は、入口オリフィス１１から生じ、同時に、入口マニホールドＣｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂ内に注入され、弁２２２Ａ及び２２２Ｂは開いており、弁２３２Ａ、２３２Ｂは閉じている。流体は、各グループのセル内に、共通の出口マニホールドＣｓに向かって流れ、出口オリフィス１２に排出される。しかし、２つのグループは、同時に供給されるので、入口オリフィス１１での供給流体のモル流速は一定又は前の供給工程中の値に関して増加した状態を維持してもよい、ことに留意すべきである。例によって、図６ｄの図において、入口オリフィス１１での供給流体のモル流速が、実質的に、前の供給工程の供給流体のモル流速に等しい場合が詳述されている。

図８ｄを参照して、パージ工程は、時間Ｔ’の過渡状態で開始し、そこでは、酸素のモル分率の空間分布が、安定状態が確立する（ｔ≧Ｔ’から開始）、までの時間に渡って変化する。様々な図において、供給の位置は、２つの点、Ｃｅ−ＡおよびＣｅ−Ｂでのｃ_２の位置、によって表されており、流れ方向は、グループＡ及びＢの出口マニホールドＣｓ―Ａ及びＣｓ−Ｂに向けた矢印によって示されている。

パージ工程の始点で（図８ｄ、ｔ＝０）、酸素のモル分率の流体路に沿った空間分布は、供給工程の端での空間分布（図８ｂ）、すなわち、Ｃｅ−Ａの酸素のモル分率が０．２１０であり、一方、Ｃｅ−Ｂでの酸素のモル分率が０．１６６のとき、と同一である。
このパージ工程中に、入口マニホールドＣｅ−Ａ及びＣｅ−Ｂでのモル流速は、２に等しい超化学量論量に対応し、すなわち、入口オリフィス１１を介して注入された空気のモル流速は、セルの各グループのカソードによって消費された酸素のモル流速よりも、４倍大きい。各グループの入口マニホールドで注入された空気のモル流速は、入口オリフィス１１を介して注入された空気のモル流速の半分と等しく、それにより、マニホールドＣｅ−Ａでの同一値ｃ_２、マニホールドＣｅ−Ｂでの新値ｃ_２である０．２１０を導く。

グループＡでは、酸素のモル分率の空間分布は、マニホールドＣｓ−Ａの上流で０．２１０程度の新値ｃ_２と、出口マニホールドＣｓ−Ａの下流で０．１１７程度の値ｃ_１と、の間で、徐々に確立される（図８ｄ、ｔ＝０からｔ＝Ｔ’）。過渡状態はＴ’程度で継続する。モル分率における空間変化の曲線での唯一の変曲点を見ることができる。後者は、マニホールドＣｅ−ＡからマニホールドＣｓ−Ａまで徐々に移動する。グループＡの出口における酸素のモル分率は、徐々に、０．１６６から値ｃ_１まで変化する。

グループＢにおいても、酸素のモル分率の空間分布は、マニホールドＣｅ−Ｂの上流で０．２１０程度の新値ｃ_２と、出口マニホールドＣｓ−Ｂの下流で０．１１７程度の値ｃ_１と、の間で、徐々に確立される（図８ｄ、ｔ＝０からｔ＝Ｔ’）。モル分率の局所的な変形を有する領域の存在が、ここで留意される。減少した局所領域Ｐが生成される、図４ｄを参照して説明されたパージ工程と異なり、ここで、その領域は、モル分率のほんの小さな局所の変形を有し、その変形は、図４ｄを参照した説明した、５０％の相対減少よりもずっと低い。

図８ｅは、ｔ＝０からｔ＝Ｔ’までの、図８ｄで説明した過渡局面の期間に渡る、酸素の平均モル分率の時間変化を示す図である。セルのグループＡでは、平均モル分率は、減少し、常時、その安定中に達成した値、すなわち、約０．１６６、よりも大きい状態を維持する。セルのグループＢでは、平均モル分率は、唯一、増加し、０．１６６の安定値に到達する。平均モル分率のそのような値は、セルの一方又は他方のグループに対して、実質的な性能の減少を生じさせる。

２つの連続する選択的供給工程間でセルのグループをパージする工程を体系的に実行することで、および、供給工程とパージ工程との間で、セルのグループにおいて、同一の流方向を保証することで、セルのグループにおける、いかなる減少した局所領域の生成も防止される。第２実施形態に係る燃料電池に適用した、本発明に係る供給処理によって、燃料電池によって生成される電圧又は電流におけるいかなる一時的な減少も防止できる。

供給処理は、他の選択的供給工程と共に継続し、その間、第１グループには直接的に供給され、このグループは前の供給工程のものとは異なり、最後のグループは流体路の端に位置しており、前の供給工程のものとは異なる。

続く供給工程中に、供給された第１グループにおける流方向は、前のパージ工程中の同一グループで生じた流方向と、有利に同一である、ということが観測される。より詳細に、ここで、グループＢ内では、パージ工程中の流方向は、マニホールドＣｅ−ＢからマニホールドＣｓへ向かっている。続く供給工程中に、グループＢは供給された第１グループになるので、その流方向は同一である。このように、反応種のモル分率の空間分布のプロファイルの逆転が存在せず、それは、流体路に沿って移動する新たな減少した領域の形成を制限する。この過渡状態中の各グループにおける反応種のモル分率のプロファイルにおける空間変化は、図９ａに表されている。

図９ａを参照して、時間Ｔの過渡局面は、セルのグループＢにおける反応種のモル分率のプロファイルにおいて、不連続性を示していない。しかし、グループＡにおいて、急激な減少が現れており、最小点Ｐは、始点でグループＢの出口に対応しており、入口Ｃｅ−Ａから出口Ｃｓ−Ａに向けて移動する。変曲点は、初期に、グループＢに現れ、流路に沿って、まず、出口Ｃｓ−Ｂへ移動し、そこで、Ｃｅ−ＡからＣｓ−Ａまで移動する。最小値は、Ｃｓ−Ａの位置、ｔ＝Ｔ／２の流体に対して得られ、０．０６９程度の局所モル分率値である。

図９ｂを参照して、各グループの酸素の平均モル分率は、瞬間ｔ＝０でセルの各グループにおいて、等しくなっている。その平均モル分率は、唯一、セルのグループＢで増加する。一方で、観測された最小値が約０．１２０であることから、その平均モル分率は、グループＡに対しては、値ｃ_１に到達することなく減少する。その値は、観測された性能の減少が大きく制限された状態を維持するのに十分な高さであり、それは、図６ｂのケースで説明されたものよりもたとえ低くてもそうである。

セルの２つのグループで前に説明した燃料電池は、多数のセルのグループを有していてもよい。グループには、例えば、特許文献ＦＲ２９７５２２７で説明されているように、周期的に、選択的に供給されてもよい。

図１０ａを参照して、セルの３つグループＡ、Ｂ、Ｃを有し、その出口マニホールドが各グループに共通する燃料電池の場合において、第１グループＡの入口マニホールドに導入された供給流体は、共通の出口マニホールドＣｓにつながり、同時に、２つの各グループＢ及びＣの入口マニホールドＣｅ−Ｂ、Ｃｅ−Ｃの方向で、共通の出口マニホールドから次の２つのグループ内に流入する。このように、供給された第１グループＡは、次の２つのグループＢ及びＣと連続し、それらグループは、最後のグループとして言及され、平行に相互に接続されている。その最後のグループのうちの少なくとも１つまたは最後のグループの夫々に対し、排出装置（不図示）を設けることも可能である。

上述した電圧の減少を制限するために、パージ工程が実行され、その流体が、グループＢ及びＣ内に前の供給工程中のそれらグループ内への流方向と同一方向で、流入する、のは有益である。２つのグループＢ及びＣのためではなく、グループＡだけのために、供給工程とパージ工程間で流方向の逆転があり、それが、グループＡにおいてのみ電圧の局所減少をもたらし、燃料電池の電気化学性能におけるその影響を制限することができる。

図１０ｂを参照して、燃料電池は、セルの３つの異なるグループを有しており、その出口マニホールドＣｓ−Ａ、Ｃｓ−Ｂ、Ｃｓ−Ｃは異なっている。この例では、供給流体はグループＡの入口マニホールドＣｅ−Ａ内に導入され、出口マニホールドＣｓ−Ａにつながり、グループＢの入口マニホールドＣｅ−Ｂに対する分配管３３１ＡＢで、出口マニホールドＣｓ−Ｂに流れ、グループＣの入口マニホールドＣｅ−Ｃに対する分配管３３１ＢＣ内を流れ、最後に、出口マニホールドＣｓ−Ｃへ流れる。このように、様々なグループの流方向は、１つのグループから次のグループへと平行となり、すなわち、その流体は、各グループで、入口マニホールドから出口マニホールドへと流れる。その流方向が１つの供給工程から次の工程まで同一であり、流体路の全グループ内に移動させる電圧における減少の存在を制限する、ということは有益である。さらに、パージ工程が実行され、そのパージの流方向が前の供給工程の流方向と同一であるとき、いかなる電圧減少の影響も防止される（上述したように）。

特定の実施形態は、説明された。多様な変形および変更は、当業者にとって、明確になるであろう。

各供給およびパージ工程の期間、および、工程間の交替の周期は、いくつかの基準に依存していてもよい。その基準は、例えば、燃料電池のパラメータ（現在伝達された、温度など）、所定のあるいは設定された閾値の関数としてセルのグループの電圧レベルの検出、燃料電池のパラメータ（現在伝達された、温度など）の関数として変化する所定の閾値の関数としてのセルのグループの電圧レベルの検出、燃料電池内における汚染物量の検出又は推定、などである。その基準は、各供給及びパージ工程に対して異なっていてもよい。

Claims (14)

1. 燃料電池（１１０、２２０）に、運搬気体内で希釈された反応種を供給し、前記燃料電池が、セルのＮ（Ｎ≧２）の異なるグループ（Ａ、Ｂ）に分割された一群の電気化学セルを有する、処理であって、
   前記セルのＮのグループ（Ａ、Ｂ）に、前記運搬気体で希釈された反応種を選択的に供給する複数の工程が実行され、その間、セルの第１グループが供給され、前記第１グループで消費されなかった前記反応種が、分配管（１３０、２３０）によって、他のグループ内で循環しており、前記分配管は、相互に前記グループの流体的伝達を保証しており、供給された前記第１グループから流体路の端を形成する１以上の最後のグループまで行く、前記反応種のための流体路を形成するために、前記Ｎのグループに配置され、供給された前記第１グループは、１つの供給工程から次の工程まで、異なり、
   続く前記各供給工程、セルの前記Ｎのグループ（Ａ、Ｂ）をパージする工程が、実行され、その間、前記各グループには、同時に、反応種が供給され、各グループは、セルの前記Ｎのグループの流体排出を可能にする前記燃料電池の出口オリフィス（１２）と導通する、
   処理。
2. 請求項１記載の供給する処理であって、
   前記流体の分配管（１３０、２３０）は、前記グループ（Ａ、Ｂ）に配置され、供給工程中の最後のグループにおける前記反応種の流体の流方向は、続く前記パージ工程中の同一の前記グループにおける流体の流方向と同一である、
   処理。
3. 請求項１又は２記載の供給する処理であって、
   前記流体の分配管（１３０、２３０）は、前記グループ（Ａ、Ｂ）に配置され、供給工程中の前記Ｎのグループの夫々における前記反応種の流体の流方向は、続く前記パージ工程中の同一の前記グループにおける流体の流方向と、同一である、
   処理。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の供給する処理であって、
   前記流体の分配管（１３０、２３０）は、前記グループ（Ａ、Ｂ）に配置され、パージ工程中の前記最後のグループにおける前記反応種の流体の流方向は、続く前記供給工程中の同一の前記グループにおける流体の流方向と、同一である、
   処理。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の供給する処理であって、
   前記流体の分配管（１３０、２３０）は、前記グループ（Ａ、Ｂ）に配置され、パージ工程中の前記グループの夫々における前記反応種の流体の流方向は、続く前記供給工程中の同一の前記グループの夫々における流体の流方向と、同一である、
   処理。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の供給する処理であって、
   前記セルは、夫々、アノードとカソードを有し、前記一群のセルのカソード及び／又はアノードには、運搬流体内で希釈された反応種が供給されている、
   処理。
7. 請求項６に記載された供給する処理であって、
   前記カソードには、酸素を含む大気が供給される、
   処理。
8. 請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の供給する処理であって、
   前記パージ工程中に、セルの前記グループの入口における反応種のモル流速は、前記グループのうちの少なくとも２つの間で異なる、
   処理。
9. 請求項８に記載の供給する処理であって、
   前記パージ工程中に、前の前記供給工程中で最後のグループとなるセルのグループの入口における反応種のモル流速は、少なくとも１つの他のグループのモル流速よりも大きい、
   処理。
10. 燃料電池（１１０、２２０）であって、
    運搬気体内で希釈された反応種を前記燃料電池に供給する入口オリフィス（１１）と、
    前記燃料電池から流体を排出する出口オリフィス（１２）と、
    前記燃料電池がセルのＮ（Ｎ≧２）の異なるグループ（Ａ、Ｂ）に分割された一群の電気化学セルと、セルの前記各グループは、前記運搬気体で希釈された前記反応種を前記グループのセルに運搬する入口マニホールド（Ｃｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂ）と、前記セル内で循環する流体を排出する出口マニホールド（Ｃｓ；Ｃｓ−Ａ、Ｃｓ−Ｂ）と、を有しており、
    セルの前記Ｎのグループに選択的に供給し、前記入口オリフィス（１１）を前記入口マニホールド（Ｃｅ−Ａ、Ｃｅ−Ｂ）の夫々に接続し、前記入口オリフィスと前記入口マニホールドの夫々との間の流れを許可あるいは禁止する少なくとも１つの選択スイッチ（１２２Ａ、１２２Ｂ、２２２Ａ、２２２Ｂ）を有し、１つの供給工程から次の工程まで異なる第１グループに供給する、のに適した流体供給管（１２０、２２０）と、
    相互に前記グループの流体伝達を保証し、反応種が供給される前記第１グループから流体路の端を形成する１以上の最後のグループまで行く、前記反応種のための流体路を形成するために前記Ｎのグループに配置される、のに適した流体分配管（１３０、２３０）と、
    前記出口マニホールド（Ｃｓ、Ｃｓ−Ａ、Ｃｓ−Ｂ）を前記出口オリフィス（１２）に接続し、前記出口マニホールドと前記出口オリフィスとの間の流れを許可あるいは禁止する少なくとも１つのスイッチ（１５２；２４２Ａ、２４２Ｂ）を有するパージ管（１５０、２４０）と、
    前記最後のグループ又は前記最後のグループのうちの少なくとも１つを前記出口オリフィス（１２）に接続し、その中に存在する流体を排出するのに適した排出装置（１４０、２４０）と、
    を備える、燃料電池。
11. 請求項１０記載の燃料電池であって、
    セルの前記グループは、相互に全グループのセルの流体的伝達を可能にする共通の出口マニホールド（Ｃｓ）を有し、
    前記流体分配管（１３０）は、前記共通の出口マニホールドから形成され、前記第１グループは他のグループと連続して接続され、これらグループは、流体的に相互に平行に配置され、いくつかの最後のグループを形成し、
    前記排出装置（１４０）は、最後のグループの前記入口マニホールドを前記出口オリフィス（１２）に接続する少なくとも１つの排出配管（１４１Ａ、１４１Ｂ）を有する、
    燃料電池。
12. 請求項１０記載の燃料電池であって、
    前記Ｎのグループは、出口マニホールド（Ｃｓ−Ａ、Ｃｓ−Ｂ）を有し、
    該出口マニホールドは相互に異なり、
    前記流体分配管（２３０）は、前記第１グループから最後のグループまで、連続して前記グループを流体的に接続する分配管（２３１Ａ、２３１Ｂ）を有し、
    前記排出装置（２４０）は、前記最後のグループを前記出口オリフィス（１２）に接続する少なくとも１つの排出配管（２４１Ａ、２４１Ｂ）を有する、
    燃料電池。
13. 請求項１２記載の燃料電池であって、
    前記排出装置（２４０）は、各出口マニホールド（Ｃｓ−Ａ、Ｃｓ−Ｂ）を前記出口オリフィス（１２）に接続するＮの排出配管（２４１Ａ、２４１Ｂ）を有し、
    該排出配管には、パージ弁（２４２Ａ、２４２Ｂ）が設けられている、
    燃料電池。
14. 請求項１０乃至１３のうちいずれか１項記載の燃料電池であって、
    多様な前記グループのセルは、１つ又は同一の群に、重なるように、積み重ねられており、１つのグループのセルが前記群の他のグループのセルに隣接している、
    燃料電池。

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