JP4926708B2 - カソード再利用ループを使用する燃料電池の停止及び始動 - Google Patents

Description

本発明は、全般的に燃料電池システムを動作させることに関し、より詳細には、システムの簡単性を維持しながら触媒支持体材料の酸化を最小化するように燃料電池を始動停止させることに関する。

燃料電池内の水素と酸素との間の電気化学反応を容易にするために触媒を使用することは、良く知られている。一般的に、触媒は、それ自体がより大きな炭素の粉末又は炭素ベースの粒子である支持体上に分散された貴金属粉末の形態である。この粉末ベースのアプローチは、その上で前述の反応が生じることができる表面積における著しい増大を可能にする。そのような構成は、大きな面積にわたって比較的高価な触媒（白金など）を広げることによって、電力出力における著しい改善と同時に、未加工材料の価格における低減を結果として生じる有効な小型の反応器を提供するが、その有効性は所定の動作モードによって制限されることがある。例えば、燃料電池で生成される電流の必要性が低減され又は中止されたときでも、残留する酸素及び水素反応物質は、開回路電圧（典型的には約０．９Ｖ又はそれ以上）を生成し続け、触媒及び触媒支持体の酸化を導くことができ、それによって燃料電池寿命を低減させる。

１つの燃料電池電極（アノードなど）上の水素空気界面の存在が、なおより大きな関心であるが、空気は他の電極（カソードなど）上に存在し、生成される１．４Ｖと１．８Ｖとの間の電位を導くことがある。これらの高められた電位は、触媒及び触媒支持体材料の前述された腐食を悪化させる。この状況は、始動の間（空気が水素によって除去されるとき）及び停止の間（水素がクロスオーバによって消費されるので、空気がアノードに引き込まれるとき）に生じることがある。本発明者らは、動作の遷移、特に繰り返されるシステムの始動及び停止が、そのような遷移間に生じる比較的安定な状態動作より極めて速く燃料電池寿命を短縮するように見えることを観察した。

残留する燃料及び酸化体の問題を軽減する１つの方法は、電池停止の直後にアノード流路及びカソード流路を浄化するために、不活性ガスを注入することである。これは、例えばアノード及びカソード流路に車上の窒素を注入することによって達成されることができる。しかしながら、寄生的なガス状窒素の供給を車上で使用することは、乗客、快適性又は安全性の特徴のために使用される貴重な車両空間を占めるので、これは、特に多くの車両ベースの燃料電池システムに関して欠点である。

他のアプローチは、空気が残留する水素と反応できるように、アノード流路に空気を導入することである。この混合物を再循環することによって、水素は、実質的に何も残らなくなるまで発火され又は触媒反応されることができる。このアプローチによって、搭載窒素浄化ガスは必要ない。しかしながら、このシステムは、精密な制御機構にとともに全て連結された複雑な弁ネットワークに結合された追加のポンプを含む、複雑なシステム構成要素類を必要とすることが欠点である。

したがって、重量、容積又は複雑性において著しい増大を必要とするアプローチに頼る必要なく、始動及び停止されることができる燃料電池システムの必要性が存在する。
発明の概要
これらの必要性は本発明によって満たされ、システム構成要素に対する動作遷移の有害な影響を避けるような燃料電池システム及びシステムの動作方法が開示される。本発明の第１の態様によれば、燃料電池システムの動作方法が開示される。燃料電池システムは、アノードを燃料源に結合するように構成されたアノード流路と、カソードを酸素源に結合するように構成されたカソード流路とに加えて、少なくとも１つのアノード、カソード、及び、アノードとカソードとの間に配置された膜からなる少なくとも１つの燃料電池を含む。前記流路は、配管及び関連する導管を含む、燃料電池内の及び燃料電池の周囲の流体の流れに必要な支持機器を含むことができる。同様に流路の一部を形成する弁、ポンプ及び関連する構成要素類は、それらのそれぞれの流路内でのそれらの機能をより明瞭に識別するために個別に議論されることもできる。本システムにおいて、再循環ループはカソード流路に形成され、カソード流路とアノード流路との間の接続性と併せて、希釈されていない化学量論燃焼に関連する高温なしに不活性ガスを生成するための手段を提供する。

本発明から利益を得ることができる１つのタイプの燃料電池は、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池であるが、他の燃料電池構成の使用も本発明の範囲内であることは当業者には理解される。本システムの動作は、燃料の流れが遮断するように燃料源からアノードを分離するステップと、再循環ループを通して、カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、再利用される流体が実質的に酸素欠乏状態になるまで、それが再利用される流体と反応できるように再循環ループ内に燃料を導入するステップと、次に、アノード流路内に前の流体が実質的に除去されるように、アノード流路内に実質的に酸素が欠乏した流体を導入するステップとによって生じる。用語「酸素源」及びその変形は、酸素又は相当な酸素含有化合物、混合物又は類似物を提供するように構成された任意のデバイス、容器又は環境（周囲環境を含む）を包含して広く理解されるべきである。

任意選択で、本方法は、燃料及び酸素源の少なくとも一方に圧力源を流体結合するステップを含む。そのような圧力源（例えばエアコンプレッサ）が、再循環ループ内に含まれる流体を加圧するために使用されることができる。再利用するステップは、カソード出口弁を閉じるステップとカソード流路再利用弁を開くステップを更に含むことができ、両方の弁は再循環ループ内に配置される。一形態において、アノード流路内に実質的に酸素が欠乏したガスを導入するステップは、カソード流路をアノード流路に流体結合するパージ弁を開くステップを含むことができる。好ましくは（必ずしも必要ではないが）、パージ弁はカソードとカソード出口弁との間に配置される。再循環ループ内に燃料を導入するステップは、アノード流路をカソード流路に流体結合する燃料不活性弁を調整するステップを含むことができる。前述のパージ弁とともに、この弁は２つの流路間の直接のブリッジを提供する。

本システムは、少なくともシステムが電気を生成する第１動作状態、システムが電気を生成しない第２動作状態、及び、第１動作状態及び第２動作状態の間で遷移する第３動作状態を規定することができる。そのような遷移動作は、システム電力出力における変化が生じるこれらの動作の期間を含む。本発明が特に関心を持つのは、システム始動及びシステム停止の期間である。したがって、遷移動作はシステム出力が実質的に一定である定常状態動作と識別される。

１つの動作モードにおいて、分離するステップ、再利用するステップ、反応するステップ、及び両方の導入するステップが第３動作状態を構成する。追加のステップは、実質的に酸素が欠乏した流体がアノード流路を実質的に浄化すると、アノード流路を燃料で充填するステップを含む。この場合、システムは、通常の動作の準備がされる（前述の第１動作状態に関連する動作など）。この最後のステップを行う１つの方法は、アノード流路をカソード流路から流体分離するステップと、燃料源をアノードに流体結合するステップとである。例えば、カソード流路からアノード流路を流体分離するステップは前述のパージ弁を閉じるステップを含む。アノード流路からカソード流路を流体分離するステップは前述の燃料不活性弁を閉じるステップによって達成されることができる。燃料源をアノードに流体結合するステップは、アノード流路内に配置された燃料供給弁を開くステップによって実行されることができる。

燃料の流れは、システムがその第１動作状態で通常に動作するまで調整されることができる。他の選択肢は、通常の動作前の期間にアノードに酸素源から流体を流出する更なるステップを含み、それによって、低温環境において始動する期間に、最適動作温度（例えば、６０℃から８０℃の間）をより迅速に達成するためにシステムを支援する更なる加熱を提供する。この流出するステップはパージ弁を開くステップを含むことができる。同様に、低温開始を支援するために、燃料を匹敵する期間に燃料源から供給してカソードに送ることができる。これを達成するために、燃料不活性弁が開かれる。

他の任意選択のステップは、浄化ステップの期間について、燃料と再循環ループ内に存在する酸素との間の実質的な化学量論的比を維持するために、カソード流路内の導入される燃料の量を調整するステップを含む。例えば、再循環ループ内に存在する前記酸素の量を検知することができ、実質的な化学量論的比を維持するために必要な量だけ、燃料不活性弁を調整することができる。検知された酸素レベルへの応答が、１つ以上の前述の弁の自動的な操作によってなど自動的に行われることができるように、制御器をシステムに含めることができる。

反応物に関係なく、燃料は、水素含有量が多く、例えばメタノール、水素、メタン（天然ガスからなど）及びガソリンであることが好ましい。燃料源からの燃料が実質的に純粋な水素では無い場合、燃料処理システム（メタノール改質器又は当業者によって知られている他のそのような反応器）が、燃料電池へ実質的に純粋な水素を供給するために使用されることができる。好ましい酸素源は空気である。

好ましくは、反応するステップは、カソード上に配置された触媒とカソード流路に流体結合される燃焼器とのうちの一方又は両方で行う。更なるステップは、反応するステップの間に生成される産物を冷却するステップであることができる。これは、燃焼器と燃料電池との間に冷却器を配置する更なるステップによって達成されることができる。アノード流路内に実質的に酸素が欠乏した流体を導入するステップは、カソードの下流側で、カソード流路をアノードの入口位置に流体結合するステップを含むことができる。別の更なるステップは、前に残留する燃料が実質的に取り除かれると、アノード流路を空気で充填するステップを含むことができる。アノード流路を空気で充填するステップは、燃料不活性弁を閉じてパージ弁を開くステップによって行われることができる。更に、燃料源からアノードを分離するステップは、燃料供給弁を閉じるステップによって達成されることができる。

本発明の他の態様によれば、始動するために燃料電池システムを準備する方法が開示される。前のように、燃料電池システムは、少なくともアノード、カソード、及び、アノードとカソードとの間に配置された膜からなる少なくとも１つの燃料電池を含み、加えて、アノードを燃料源に結合するように構成されたアノード流路と、カソードを酸素源に結合するように構成されるカソード流路とを含む。更に、燃料電池システムは、アノード流路とカソード流路との間に流体連通を確立するように構成された複数の弁を含む。本発明に含まれるステップは、カソード流路内に燃料源からの燃料を導入するステップと、再循環ループを通して、カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、再循環ループ内に燃料を導入するステップと、再利用される燃料が実質的に酸素欠乏状態になるまで、再利用される流体と燃料を反応させるステップと、アノード流路に前に残留する流体がそこから実質的に除去されるように、アノード流路内に実質的に酸素が欠乏した流体を導入するステップとを含む。

任意選択で、実質的に酸素が欠乏した流体を導入するステップは、カソード流路をアノード流路に流体結合するパージ弁（前述された）を開くステップと、その後に燃料源をアノードに流体結合する燃料供給弁（前述された）を開くステップとを含む。更に、流体は、低温始動を容易にするために、流体を酸素源からアノードに供給されることができる。アノードに空気を供給するステップは、カソード流路とアノード流路との間に配置されるパージ弁を開くステップを含むことができる。更に、低温始動を容易にするために、燃料を燃料源からカソードに供給することができる。燃料を供給するステップは、前述されたものと類似する燃料不活性弁を開くステップによって達成されることができる。

本発明の更に他の態様によれば、燃料電池システムを遷移動作させる方法が開示される。システムは、少なくともシステムが電気を生成する第１動作状態とシステムが電気を生成しない第２動作状態とを規定するように構成される。システム内の構成要素は、少なくとも１つの燃料電池と、アノード流路と、カソード流路と、全て前述されたように、酸素源に結合された圧力源と、複数の弁とを含み、複数の弁のいくつかは、再循環ループに配置された少なくとも１つの弁と、パージ弁と、燃料不活性弁とである。この方法におけるステップは、システムを第１動作状態又は第２動作状態にするステップと、アノードを燃料源から分離するステップと、圧力源によって加圧された流体がループを通して再利用されることができるように、再循環ループ内に配置された少なくとも１つの弁を構成するステップと、燃料が燃料源からカソード流路内に導入されることができるように、燃料不活性弁を構成するステップと、再利用される流体が実質的に酸素欠乏状態になるまで、燃料を再利用される流体と反応させるステップと、実質的に酸素が欠乏した流体がアノード流路内に導入され、それによってアノード流路を実質的に浄化するようにパージ弁を開くステップとを含む。

本発明の更に他の態様によれば、アノード、カソード、及び、アノードとカソードとの間に配置された膜を備える少なくとも１つの燃料電池を備えるデバイスが開示される。デバイスは、また、アノード流路と、カソード流路と、全て前述されたように、アノード流路とカソード流路との間の流体連通を確立するように構成された複数の弁とを含む。複数の弁は、燃料源とアノードとの間に配置された燃料供給弁と、ループを通して流体の再利用を選択的に可能にするために再循環ループに配置された少なくとも１つの弁と、燃料不活性弁と、パージ弁とを含む。

任意選択で、デバイスは、燃料源及び酸素源の少なくとも一方に結合された圧力源を更に含む。更に、再循環ループ内に配置された少なくとも１つの弁は、カソード流路内の排出ラインにおける背圧を選択的に制御するように構成されたカソード出口弁と、酸素源と圧力源との間に配置されたカソード流路再利用弁とを含む複数の弁であることができる。前述のように、圧力源はエアコンプレッサによって供給されることができる。燃焼器は、燃料と酸素との間の反応を促進するように含まれることもできる。また前述のように、冷却器は燃焼器の下流側で流体結合されることができ、触媒は、燃料と酸素との間の反応を促進するように、カソード上に配置されることができる。

カソード流路内に導入される燃料の量を調整するように構成された制御器を更に含むことができ、酸素センサを更に含むことができ、制御器が、酸素センサから送られる信号に応答して複数の弁を操作するように構成される。デバイスは、燃料電池システムによって生成された電気を取り出して原動力に変換するように構成される電力変換機構を更に備えることができ、更に、燃料電池システム及び電力変換機構を収容するように構成された車両を含むことができる。車両（その一例は乗用車、トラック、オートバイ、航空機又は船舶である）は、電力変換機構で生成された原動力に依存して移動することができる。

本発明の以下の詳細な記載は、同様の構造が同様の参照符号で示される、以下の図面とともに読まれるときに最も良く理解されることができる。
好ましい実施の形態の詳細な説明
最初に図１Ａを参照すると、ブロック図は、本発明による自動車燃料電池システム１の主な構成要素を強調する。システムは、燃料送出システム１００（燃料源１００Ａ及び酸素源１００Ｂからなる）と、燃料処理システム２００と、燃料電池３００と、１つ以上のエネルギー蓄積デバイス４００と、動力伝達系路５００と、ホイールとして抽象的に示される１つ以上の原動力デバイス６００とを含む。当業者には理解されるように、本システム１は移動用（車両など）に関して示されているが、燃料電池３００及びその付属機器の使用は同様に静止用にも適用可能である。他の燃料送出及び燃料処理システムが利用可能であることも当業者には理解されるであろう。例えば、燃料源１００Ａ及び酸素源１００Ｂに加えて、水供給源（図示せず）が存在することができる。同様に、実質的に精製された燃料が既に利用可能である幾つかの変形例においては、燃料処理システム２００は必要ではない可能性がある。

エネルギー蓄積デバイス４００は１つ以上の蓄電池、コンデンサ、電気変換器、又は、燃料電池３００からの電流を動力伝達系路５００及び１つ以上の原動力デバイス６００を動作するために使用されることができる回転シャフト動力などの機械的動力へ変換するモータの形態であることができる。燃料処理システム２００は、メタノールなどの未加工の燃料を燃料電池３００で使用するための水素又は水素含有量の多い燃料に変換するために組み込まれることができる。燃料源１００Ａが既に実質的に純粋な水素を供給する構成においては、燃料処理システム２００は必要ではないこともある。燃料電池３００は、アノード３１０、カソード３３０、及び、アノード３１０とカソード３３０との間に配置された電解質層３２０を含む。当業者は理解するであろうが、単一の燃料電池３００だけが示されているが、燃料電池システム１（特に、車両及び関連する応用に関する燃料電池システム）は、直列に接続されたそのような電池の積層体から作られることができる。

次に、図１Ｂ及び図１Ｃを参照すると、アノード３１０は、電極基板３１２と流れチャネル３１６に接続された触媒層３１４とを含む。カソード３３０は、電極基板３３２と流れチャネル３３６に接続された触媒層３３４を含む。流れチャネル３１６、３３６は、それらのアノード及びカソードを接触させるアノード流路及びカソード流路（両方とも後述する）の一部を形成する。好ましくは、電極基板３１２、３３２は多孔性であり、燃料及び酸素の拡散を可能にし、燃料と酸素との反応の結果として形成される水の流れを可能にする。触媒層３１４は支持体３１４Ｂの表面上に分散された触媒３１４Ａで作られる。

陽子変換膜の形態で現在示される電解質層３２０はそれぞれのアノード３１０とカソード３３０の間に配置され、電流の通過を禁止しながらアノード３１０からカソード３３０へイオン化された水素が流れるようにする。燃料（典型的にはガス状水素の形態）は流れチャネル３１６を通過して、電極基板３１２を通して拡散しかつ触媒３１４Ａと接触することができる。水素燃料の電気化学的な酸化が、触媒３１４Ａを介して、分離吸収反応であると考えられる反応によって生じる。この反応は、典型的には炭素ベースである支持体３１４Ｂの表面上に分散された貴金属（白金など）の細かく分類された粒子の形態である触媒３１４Ａによって容易にされる。アノード３１０で生成された正に帯電した水素イオン（陽子）は次いで電解質３２０を通過し、カソード３３０で生成された負に帯電した酸素イオンと反応する。自由電子の流れが、モータ又は関連する電流依存デバイスを回転させることができるように、負荷４００を通る電流を供給する。前で議論されたエネルギー蓄積デバイスの形態で示された負荷４００は、燃料電池３００のアノードとカソードとの間の電気的な流路を完成する。電極基板３１２、３３２から、集まってきて多孔性通路を塞ぐ可能性がある水を除去するよう、追加のポンプ（図示せず）を備えることができる。

次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、燃料電池３００内の水素と酸素との界面を低減するように構成された、本システムの変形例のブロック図が示される。アノード流路３４０は燃料供給弁３４２を通してアノード３１０に燃料源１００Ａを流体結合する。酸素源１００Ｂは、酸素がカソード３３０を通過して流されることができるように、カソード流路３５０に流体結合される。図に詳細に示されるように、再循環ループ３５２は、水素と酸素の反応によって形成された浄化流体（窒素含有量の多いガス）を再利用するために、カソード流路３５０に配置される。

酸素の消費によって浄化流体の生成を促進することに加えて、再循環ループ３５２は様々な電池間の電圧の均一性を促進する。再循環ループ３５２は、圧力源３６０、燃焼器３７０、酸素センサ３８０及び冷却器３９０を含み、これら全ては、特定の種が、適切な触媒又は燃焼反応を通して低減されることができるように、動作遷移期間にカソード３３０を通る様々な流体を繰り返し通過することを助けるために流体結合される。単一の冷却器３９０（熱交換器の形態であることができる）だけが示されているが、追加の冷却器ならびに冷却器３９０のための他の位置が使用されることができることは、当業者には理解されるであろう。冷却器３９０を通して数回、水素、酸素、及び、生成された浄化流体（集合的に流体は再循環される）を再利用することによって、温度上昇を小さくし、したがってシステム上での熱負荷を低減する。

カソード出口弁３５４は、カソード３３０の排出口と再循環ループ３５２との間の流体の流れを制御するために、カソード３３０の下流側に配置され、カソード流路再利用弁３５６は、流体を選択的に導入することによってカソード３３０の上流側で再循環されることを可能にする。好ましくは、圧力源３６０はエアコンプレッサである。追加の空気は、カソード出口弁３５４が閉じられることによるデッドヘッドの存在に起因して、再循環ループ３５２内に流れない傾向があるので、酸素源１００Ｂは動作遷移（始動又は停止など）期間に遮断される必要がない。アノード流路３４０とカソード流路３５０との間の流体連通は、流体経路３４０、３５０間の所望の流体流れを達成するために、独立して又は並行して作動されることができる、燃料不活性弁３４４及びパージ弁３４６を介して確立される。

本システムに組み込まれることができる他の特徴は、過剰な燃料が燃焼されることができるように、再循環ループ３５２に配置された燃焼器３７０（バーナとしても知られている）である。水素と酸素との間の触媒反応は、両反応物質が再循環ループ３５２内に存在する限り、カソード３３０で連続して生じるが、燃焼器３７０によって可能にされる燃焼プロセスは、燃料をより迅速に消費することによって、システムの遷移動作の速度を上げることができ、カソード過熱の可能性を低減することができる。反応速度を更に上げるために、単一の燃焼器よりむしろ、複数の燃焼器が使用されることができる。好ましくは、燃焼器３７０及びカソード３３０での触媒反応は、速度の最良の特質と水素除去の完全性とを組み合わせるために使用される。

更なる特徴においては、燃焼器３７０は、水素を空気内の酸素と更に反応させるために、燃焼器内に配置された触媒要素を含むことができる。この場合、燃焼要素（図示せず）は、触媒で被覆されて電気的に加熱されることができる。いずれの構成においても、反応可能な種の迅速で完全な除去は有利である。なぜなら、それは迅速な開始を可能にし、アノード上に形成された水素と空気との界面の結果として生成される前述の過剰な停止エネルギー・レベルを最小化するからである。そのような場合、本発明のシステムがないと、支持体３１４Ｂを侵食する過剰な電圧電位ができる。

燃料電池システム１の停止シーケンスは、好ましくは、アノード３１０への燃料の流れを停止するよう燃料供給弁３４２を閉じることから開始する。次に、カソード出口弁３５４が閉じられ、カソード流路再利用弁３５６は、カソード３３０に存在する燃料を再循環ループ３５２に送るために開かれる。更に、圧力源３６０（エアコンプレッサなど）が、再循環ループ３５２を通じて流体の流れを促進するように動作されるが、理解されるように、流体が既に十分に加圧されているなら、そのような追加の加圧は必要ではない。再循環ループ３５２は、空気及び燃料が混合されて適切な触媒上で反応するように、燃焼器３７０又はカソード３３０を通して流体を移動させるために必要である。燃料不活性弁３４４は再循環流体への水素の導入を可能にし、それによって、まだそこに存在する酸素と反応する流体再循環期間に調整されることができる。

酸素センサ３８０は、まだ再循環ループ３５２にまだ存在する酸素のために使用されることができる。酸素センサ３８０は、以下に議論される連続する浄化が必要である状況において、水素と酸素との化学量論的比を維持するために使用されることができる。特に図２Ａで示されるように、反応は燃焼器３７０内の触媒上で生じることができ、その後、燃焼プロセスによって流体内に生成される過剰な熱は、熱交換器（冷却器３９０の形態で）を通して流体を通過させることによって、カソード３３０への導入の前に低減されることができる。そのような冷却器は二重の使用であることができ、コンプレッサを出る空気を冷却するためにも使用されることができる。図２Ｂに示される代替の構成は、反応がカソード３３０上の触媒で生じることを可能にする。この変形例は一層簡単な構成要素の構成を実現し、別個の燃焼器及び関連する冷却機構の必要性を排除することができる。必要な反応速度に応じて、燃焼において一方又は両方の構成を使用することができる。

上記構成のいずれかにおいて、再循環流体内の酸素が消費されると、パージ弁３４６は開かれ、アノード流路３４０とカソード流路３５０との間の流体連通を可能にする。これは、このときまで再循環ループ３５２に引き込まれる流体（現在実質的に酸素がない）が、残留する燃料及び他の流体をアノード３１０から除去することを可能にする。カソードに酸素を提供するために使用される流体が空気である場合、理解されるように、酸素が実質的に除去されると、残る流体は僅かな量の他のガスを有する窒素をほぼ排他的に含む。窒素は不活性であるので、その存在はアノード及びカソードの浄化のための適切かつ有益な流体を保証する。更に、窒素自体は必要に応じて容易に除去されることができる。

好ましくは、浄化流体は、浄化のためにカソード３３０の全容積を利用するようにカソード３３０の出口から引き出される。燃料電池内のカソードの流体容量はアノードの流体容量より大きい場合が一般的であるが、追加の浄化流体がアノードに必要である状況がある。そのような場合において、燃料不活性弁３４４を通るカソード・ループ３５０への燃料の流れは、カソード流路３５０内の燃料と酸素との実質的な化学量論的比が維持されることができるように調整されることができる。

フィードバックをベースとする制御器（図示せず）を備えることができ、酸素センサ３８０によって伝達される信号に基づいて、再循環ループ３５２を通過する流体における所望の燃料対酸素比を維持するために使用されることができる。水素がアノード３１０から除去されると、アノードは次いで空気（又は所望であれば他の流体）で浄化されることができる。この状況で、燃料不活性弁３４４は閉じられ、圧力源３６０によって加圧された再循環ループ３５２内の流体が、パージ弁３４６を通してアノード３１０に流れることができる。この最後のステップは、空気が燃料電池３００の不活性期間にアノード３１０及びカソード３３０に存在することを保証する。

燃料電池システム１の始動シーケンスは、流体をカソード３３０から再循環ループ３５２内へ送るために、カソード流路再利用弁３５６を開きながらカソード出口弁３５４を閉じるステップを含む。前述の停止シーケンスのように、圧力源３６０は、必要な場合、再循環ループ３５２を通る流体の流れを促進するために動作される。燃料不活性弁３４４は燃料再循環期間に調整されることができ、再循環する流体への水素の導入を可能にし、それによって、まだそこに存在する酸素と反応する。前のように、反応は、図２Ａ及び図２Ｂに示される実施の形態のいずれかのデバイスにおいて、燃焼器３７０内の触媒で、カソード３３０上で、又はそれら両方で生じることができる。パージ弁３４６は、アノード流路３４０とカソード流路３５０との間の流体連通を可能にするために開かれる。これは、このときまでに再循環ループ３５２に引き込まれる流体（現在実質的に酸素がない）が、残留する空気及び他の流体のアノード３１０を浄化することを可能にする。

好ましくは、浄化流体は、浄化のためにカソード３３０の全容積を利用するためにカソード３３０の出口から引き出される。前のように、燃料不活性弁３４４を通るカソード・ループ３５０内への燃料の流れは、カソード流路３５０内の燃料と酸素との実質的な化学量論的比が維持されることができるように調整されることができる。フィードバックをベースとする制御器（図示されず）が含まれることができ、酸素センサ３８０によって伝達される信号に基づいて、再循環ループ３５２を通過する流体における所望の燃料対酸素比を維持するために使用されることができる。

酸素がアノード３１０から除去されると、アノード３１０は次に通常の動作を開始するために水素で充填されることができる。このとき（前ではないなら）、燃料不活性弁３４４及びパージ弁３４６は閉じられ、燃料供給弁３４２が開かれる。通常動作期間に、燃料の流れは制御器の使用を含む上記で議論されたものと類似する方法で調整されることができる。空気はパージ弁３４６を開くことによってアノード３１０に流入することができる。同様に、水素は燃料不活性弁３４４を開くことによってカソード３３０に流入することができ、したがって燃料電池３００が低温度環境に曝されるとき、始動を支援するために追加の加熱を提供する。

図１とともに図３を参照すると、本発明による燃料電池システムを組み込む車両が示される。燃料電池３００は燃料供給部１００Ａに流体結合される。車両は乗用車として抽象的に示されているが、当業者には理解されるように、他の車両の形態における燃料電池システムの使用も本発明の範囲内である。

本発明を示す目的のために、所定の代表的な実施の形態及び詳細を示したが、添付の請求項に規定される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができることは当業者には明らかであろう。

車両の応用に構成された燃料電池システムのブロック図を示す。 図１Ａのシステムからの代表的な燃料電池を示す。 触媒が燃料のイオン化を容易にするために使用される、支持体上の触媒の配置を強調する、図１Ｂの燃料電池のアノードと膜との間の領域の拡大を示す。 本発明の一態様による燃料電池システムのブロック図を示す。 図２Ａのシステムの変形例を示す。 図２Ａ又は図２Ｂの燃料電池システムを用いる車両を示す。

Claims (52)

1. 燃料電池システムの動作方法であって、
   前記システムを
   アノード、カソード、及び、前記アノードと前記カソードとの間に配置された膜を備える少なくとも１つの燃料電池と、
   前記アノードを燃料源に結合するように構成されたアノード流路と、
   前記カソードを酸素源に結合するように構成され、その内に配置された再循環ループを含むカソード流路と
   を含むように構成するステップと、
   前記燃料源から前記アノードを分離するステップと、
   前記再循環ループを通して前記カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、
   前記再循環ループ内に燃料を導入するステップと、
   前記再利用される流体が実質的に酸素欠乏状態になるまで、再利用される前記流体と前記燃料を反応させるステップと、
   前記アノード流路に前に残留する流体が実質的に除去されるように、前記アノード流路内に前記実質的に酸素が欠乏した流体を導入するステップと、
   を含む方法。
2. 前記システムを構成する前記ステップが、前記燃料源及び前記酸素源の少なくとも一方に圧力源を流体結合する更なるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記再循環ループ内に含まれる流体を加圧する更なるステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記再利用するステップが、前記再循環ループ内に配置されたカソード出口弁を閉じるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記再利用するステップが、前記再循環ループ内に配置されたカソード流路再利用弁を開くステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記アノード流路内に前記実質的に酸素が欠乏したガスを導入する前記ステップが、前記カソード流路を前記アノード流路に流体結合するパージ弁を開くステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記パージ弁が前記カソードとカソード出口弁との間に配置される、請求項６に記載の方法。
8. 前記再循環ループ内に燃料を導入する前記ステップが、前記アノード流路を前記カソード流路に流体結合する燃料不活性弁を調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記システムが、少なくとも前記システムが電気を生成する第１動作状態、前記システムが電気を生成しない第２動作状態、及び、前記第１動作状態及び第２動作状態の間で遷移する第３動作状態を規定する、請求項１に記載の方法。
10. 前記分離するステップ、前記再利用するステップ、前記反応させるステップ、及び前記導入するステップが前記第３動作状態を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記実質的に酸素が欠乏した流体が前記アノード流路を実質的に浄化すると、前記アノード流路を燃料で充填するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記実質的に酸素が欠乏した流体が前記アノード流路を実質的に浄化すると、前記アノード流路を燃料で充填する前記ステップが、カソード流路から前記アノード流路を流体分離するステップと、前記燃料源を前記アノードに流体結合するステップとを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記カソード流路から前記アノード流路を流体分離する前記ステップが、前記カソード流路と前記アノード流路との間に配置されたパージ弁を閉じるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記カソード流路から前記アノード流路を流体分離する前記ステップが、前記カソード流路と前記アノード流路との間に配置された燃料不活性弁を閉じるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記燃料源を前記アノードに流体結合する前記ステップが、前記アノード流路内に配置された燃料供給弁を開くステップを含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記システムを前記第１の動作状態にする更なるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
17. 定常状態動作が達成されるまで前記燃料の流れを調整する更なるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１動作状態を支援するために、前記アノード内に前記酸素源から流体を流出する更なるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
19. 前記流出するステップが前記カソード流路を前記アノード流路に流体結合するパージ弁を開くステップを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１動作状態を支援するために、前記カソード内に前記燃料源から燃料を流出する更なるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
21. 前記カソード内に燃料を流出する前記ステップが、前記カソード流路を前記アノード流路に流体結合する燃料不活性弁を開くステップを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 少なくとも、前記酸素が前記反応させるステップで実質的に消費されるまで、前記燃料と前記再循環ループ内に存在する前記酸素との間の実質的な化学量論的比を維持するために、前記カソード流路内に導入される燃料の量を調整する更なるステップを含む、請求項１に記載の方法。
23. 前記燃料の量を調整する前記ステップが、
    前記再循環ループ内に存在する前記酸素の量を検知するステップと、
    前記実質的な化学量論的比を維持するために必要な量だけ、前記アノード流路を前記カソード流路に流体結合する燃料不活性弁を調整するステップと、
    を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記燃料は水素含有量が多い、請求項１に記載の方法。
25. 前記燃料が、メタノール、水素、メタン、及びガソリンからなるグループから選択される、請求項２４に記載の方法。
26. 前記酸素源が空気を含む、請求項１に記載の方法。
27. 前記反応させるステップが前記カソード流路に流体結合される燃焼器で行われる、請求項１に記載の方法。
28. 前記反応させるステップの間に生成される産物を冷却する更なるステップを含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記冷却するステップを行うために、前記燃焼器と前記少なくとも１つの燃料電池との間に冷却器を配置する更なるステップを含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記反応させるステップが前記カソード上に配置された触媒で行われる請求項１に記載の方法。
31. 前記アノード流路内に前記実質的に酸素が欠乏した流体を導入する前記ステップが、前記カソードの下流側で前記カソード流路を前記アノード内の入口位置に流体結合するステップを含む、請求項１に記載の方法。
32. 前記前に残留する燃料が前記アノード流体経路から実質的に除去されると、前記アノード流路を空気で充填する更なるステップを含む、請求項１に記載の方法。
33. 前記アノード流路を空気で充填する前記ステップが、燃料不活性弁を閉じてパージ弁を開くステップによって行われ、前記燃料不活性弁と前記パージ弁とは前記アノード流路と前記カソード流路との間に配置されている、請求項３２に記載の方法。
34. 前記燃料源から前記アノードを分離する前記ステップが、燃料供給弁を閉じるステップによって達成される、請求項１に記載の方法。
35. 始動するための燃料電池システムの準備方法であって、
    前記システムを
    アノード、カソード、及び、前記アノードと前記カソードとの間に配置された膜を備える少なくとも１つの燃料電池と、
    前記アノードを燃料源に結合するように構成されたアノード流路と、
    前記カソードを酸素源に結合するように構成され、その内に配置された再循環ループを含むカソード流路と、
    前記アノード流路と前記カソード流路との間に流体連通を確立するように構成された複数の弁と
    を含むように構成するステップと、
    前記カソード流路内に前記燃料源からの燃料を導入するステップと、
    前記再循環ループを通して、前記カソード流路に配置された流体を再利用するステップと、
    前記再循環ループ内に燃料を導入するステップと、
    前記再利用される流体が、実質的に酸素が欠乏する状態になるまで、前記再利用される流体と前記燃料を反応させるステップと、
    前記アノード流路に前に残留する流体が実質的に除去されるように、前記アノード流路内に前記実質的に酸素が欠乏した流体を導入するステップと、
    を含む方法。
36. 前記実質的に酸素が欠乏した流体を導入する前記ステップが、前記カソード流路を前記アノード流路に流体結合するパージ弁を開くステップと、その後に前記燃料源を前記アノードに流体結合する燃料供給弁を開くステップとを含む、請求項３５に記載の方法。
37. 低温始動を容易にするために前記アノード内に前記酸素源から流体を流出する更なるステップを含む、請求項３６に記載の方法。
38. 前記アノード内に空気を流出する前記ステップが、前記カソード流路と前記アノード流路との間に配置されるパージ弁を開くステップを含む、請求項３７に記載の方法。
39. 低温始動を容易にするために前記カソード内に前記燃料源から燃料を流出する更なるステップを含む、請求項３６に記載の方法。
40. 前記燃料を流出するステップが、前記アノード流路を前記カソード流路に流体結合する燃料不活性弁を開くステップを含む、請求項３９に記載の方法。
41. 燃料電池システムを遷移動作させる方法であって、
    少なくとも前記システムが電気を生成する第１動作状態と前記システムが電気を生成しない第２動作状態を規定するために前記システムを構成するステップを含み、前記システムが、
    アノード、カソード、及び、前記アノードと前記カソードとの間に配置された膜を備える少なくとも１つの燃料電池と、
    前記アノードを燃料源に結合するように構成されたアノード流路と、
    前記カソードを酸素源に結合するように構成され、その内に配置された再循環ループを含むカソード流路と、
    前記再循環ループを通して流体の再循環を選択的に可能にするために、前記再循環ループに配置された少なくとも１つの弁と、
    前記カソード流路を前記アノード流路に流体結合するパージ弁と、
    前記アノード流路を前記カソード流路に流体結合する燃料不活性弁と、
    前記酸素源に結合された圧力源と、
    を備え、前記燃料電池システムを遷移動作する方法が更に、
    前記システムを前記第１動作状態又は第２動作状態にするステップと、
    前記アノードを前記燃料源から分離するステップと、
    前記圧力源によって加圧された前記流体が前記再循環ループを通して再利用されることができるように、前記再循環ループ内に配置された少なくとも１つの弁を構成するステップと、
    燃料が前記燃料源から前記カソード流路内に導入されることができるように、前記燃料不活性弁を構成するステップと、
    前記再利用される流体が実質的に酸素が欠乏するようになるまで、前記燃料を前記再利用される流体と反応させるステップと、
    前記実質的に酸素が欠乏した流体が前記アノード流路内に導入され、それによって前記アノード流路を実質的に浄化するように、前記パージ弁を開くステップと、
    を含む方法。
42. デバイスであって、
    アノード、カソード、及び、前記アノードと前記カソードとの間に配置された膜を備える少なくとも１つの燃料電池と、
    前記アノードを燃料源に結合するように構成されたアノード流路と、
    前記カソードを酸素源に結合するように構成され、その内に配置された再循環ループを含むカソード流路と、
    前記アノード流路と前記カソード流路との間の流体連通を確立するように構成された複数の弁と
    を備え、
    前記複数の弁が、
    前記燃料源と前記アノードとの間に配置された燃料供給弁と、
    前記再循環ループを通して流体の再利用を選択的に可能にするために、前記再循環ループに配置された少なくとも１つの弁と、
    前記アノード流路と前記カソード流路との間の流体連通を選択的に可能にするために、前記アノード流路と前記カソード流路との間に配置され、前記燃料源からの燃料を前記カソード流路へ導入するときに開かれる燃料不活性弁と、
    前記アノード流路と前記カソード流路との間の流体連通を選択的に可能にするために、前記アノード流路と前記カソード流路との間に配置され、前記燃料不活性弁から導入された前記燃料と前記再循環ループ内の流体との間の反応によって前記再循環ループ内に生成された不活性流体を前記アノード流路に導入するときに開かれるパージ弁と、
    を備えるデバイス。
43. 前記燃料源及び前記酸素の少なくとも一方に結合された圧力源を更に備える、請求項４２に記載のデバイス。
44. 前記再循環ループ内に配置された前記少なくとも１つの弁が、
    前記カソード流路内の排出ラインにおける背圧を選択的に制御するように構成されたカソード出口弁と、
    前記酸素源と前記圧力源との間に配置されたカソード流路再利用弁と、
    を備える、請求項４３に記載のデバイス。
45. 前記圧力源はエアコンプレッサを備える、請求項４３に記載のデバイス。
46. 燃料と酸素との間の反応を促進するように構成された燃焼器を更に備える、請求項４２に記載のデバイス。
47. 前記燃焼器の下流側で流体結合された冷却器を更に備える、請求項４６に記載のデバイス。
48. 前記カソード上に配置された触媒を更に備える、請求項４２に記載のデバイス。
49. 前記カソード流路内に導入される燃料の量を調整するように構成された制御器を更に備える、請求項４２に記載のデバイス。
50. 前記酸素センサを更に備え、前記制御器が、前記酸素センサから送られる信号に応答して前記複数の弁を操作するように構成される、請求項４９に記載のデバイス。
51. 前記デバイスが、前記燃料電池システムによって生成された電気を取り出しかつ該電気を原動力に変換するように構成される電力変換機構を更に備える、請求項４２に記載のデバイス。
52. 前記デバイスが、前記燃料電池システム及び前記電力変換機構を収容するように構成された車両を更に備えることができ、前記車両は、前記電力変換機構で生成された前記原動力に依存して移動することができる、請求項５１に記載のデバイス。

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