JP5793782B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池を遮断するプロセス - Google Patents
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Description
本出願の原出願は、米国暫定出願第60/482010号(2003年6月25日に出願された)の利点、および米国暫定出願第60/495091号(2003年8月15日に出願された)の利点を主張している。したがって、両方の米国暫定出願の第60/482010号と第60/495091号の全体の内容が、参照として本明細書に組込まれる。
本発明の他の実施例の態様によれば、燃料電池モジュールを操作する方法であって、(a)燃料として供給された、燃料電池モジュールの作動圧力を有する水素を、アノード電極に接続された固定の容積を有する水素貯留部に貯留し、(b)遮断時に、燃料電池モジュールのアノード電極とカソード電極との間に寄生負荷を接続して水素貯留部から燃料電池モジュールのアノード電極側に水素を開放し、燃料電池モジュールのカソード電極側に空気の流入を許容し、カソード電極からアノード電極へ圧力勾配を引起すことによってアノード電極を窒素によりブランケット化する、燃料電池モジュールを操作する方法が提供される。
(1) H2→2H++2e-
反応(1)の化学的生成物は、水素イオン(すなわち、陽イオン)と電子である。水素イオンは、電解質膜30を通してカソード電極41まで通る一方、電子は、負荷115を通して引出される。余分の水素(時には、他の気体および/または流体との組合せの)は、気体出口ポート24を通して引出される。
(2) 1/2O2+2H++2e-→H2O
反応(2)の化学的生成物は水である。アノード電極21において反応(1)により生成された、電子とイオン化された水素原子は、カソード電極41において反応(2)により電気化学的に消費される。この電気化学的反応(1)と(2)は、互いに相補的であり、また電気化学的に消費されるそれぞれの酸素分子(O2)について、2個の水素分子(H2)が電気化学的に消費されることを示す。
11 出力弁
12 入力弁
13 出力弁
14 流れ制御弁
15 逆止弁
16 水素再循環ポンプ
17 寄生負荷
18a 電気結線
18b 電気結線
19 水素貯留部
60 送風機
106 空気供給ポート
107 燃料供給ポート
108 第1の排出ポート108
109 第2の排出ポート
200 燃料電池スタック
202 カソード入口ポート
203 カソード出口ポート
204 アノード入口ポート
205 アノード出口ポート
300 燃料電池モジュール
Claims (21)
- 少なくとも1個の燃料電池を含む燃料電池スタックであって、それぞれの燃料電池は、アノード電極、カソード電極および前記アノード電極と前記カソード電極との間に配置される電解質媒体を有し、通常の作動中に、前記アノード電極には、第1の反応体が供給され、また前記カソード電極には、第2の反応体と非反応性物を含有する第1の混合物が供給される燃料電池スタックと、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に恒久的若しくは選択的に連結可能な、又は前記燃料電池スタックの内部インピーダンスから成る寄生負荷と、
アノード入口ポートと、
アノード出口ポートと、
燃料電池モジュールが遮断される際に使用され、前記少なくとも1個の燃料電池の前記カソード電極へ、大気圧下にある前記第1の混合物の遅延された流入を許容するカソード入口ポートと、
固定の容積を有し、燃料電池モジュールの遮断プロセスに適切な前記第1の反応体の量を貯留する、前記アノード入口ポートと前記少なくとも1個の燃料電池の前記アノード電極との間に接続可能な反応体貯留部と、
前記アノード入口ポートへの反応体気体の流入を遮断するように制御可能なアノード入力弁と、
前記アノード出口ポートからの排出気体の流出を遮断するように制御可能なアノード出力弁と、
を備え、
使用中に燃料電池モジュールが遮断されると、前記アノード入力弁と前記アノード出力弁が閉じられ、前記第1の反応体の貯留された量が、反応体貯留部から引出され、少なくとも燃料電池モジュールが遮断されたときに燃料電池スタック内に残存する前記第1の反応体の所定量と合わせて、前記少なくとも1個の燃料電池の前記カソード電極内に残存する前記第2の反応体の所定量と電気化学的に反応して前記第1と第2の反応体の全ての量を電気化学的に消費し、それにより、実質的に前記非反応性物から成る前記少なくとも1個の燃料電池の前記カソード電極内の第2の混合物を残し、前記電解質媒体において前記カソード電極から前記アノード電極へ圧力勾配を引起し、前記アノード電極へ実質的に前記非反応性物からなる前記第2の混合物を引き出す、反応体貯留部と、
を備える燃料電池モジュール。 - 前記カソード入口ポートは、前記第1の混合物を前記カソード電極へ供給し、 前記燃料電池スタックは、
前記第2の反応体の未反応量、前記非反応性物の量および前記カソード電極からの排出生成物を減圧排気するカソード出口ポートを備える、
請求項1に記載の燃料電池モジュール。 - 前記電解質媒体は、陽子交換膜(PEM)である、請求項2に記載の燃料電池モジュール。
- 前記第1の反応体は水素であり、前記第2の反応体は、空気中に保持される酸素であり、および前記非反応性物は、空気中に保持される窒素である、請求項2又は3に記載の燃料電池モジュール。
- 前記第1の反応体は水素であり、
前記燃料電池モジュールは、水素供給ポートをさらに備え、
前記アノード入力弁は、遮断プロセス中に、前記水素供給ポートと前記反応体貯留部との間において、前記水素供給ポートから前記反応体貯留部への水素の流れを遮断するよう制御可能である、請求項2〜4のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。 - 前記カソード入口ポートは、前記第1の混合物を前記カソード電極へ少なくとも2つの異なる圧力で供給可能に構成されている、請求項2〜5のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 通常の作動中に、空気を前記カソード電極中に送入する、前記カソード入口ポートと空気供給源との間に接続自在な送風機をさらに備える、請求項2〜6のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 前記送風機は、遮断プロセス中に、前記カソード電極中への空気の自由な流れを受動的に妨げるが、完全には阻止しないように、さらに構成される、請求項7に記載の燃料電池モジュール。
- 前記送風機を通して前記カソード入口ポートに流入する空気の流れを遮断する、前記送風機と前記カソード入口ポートとの間に接続自在なカソード入力弁をさらに備える、請求項7又は8に記載の燃料電池モジュール。
- 前記カソード入口ポートと前記空気供給源との間に接続自在な逆止弁をさらに備え、前記逆止弁は、前記カソード電極の内部圧力と空気供給圧力との間の所定の圧力差において開放し、また前記内部圧力と前記空気供給圧力がほぼ同一であるときに閉止されたままである、請求項7〜9のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 遮断プロセス中に、前記カソード出口ポートを封止的に締切る、前記カソード出口ポートへ接続自在なカソード出力弁をさらに備える、請求項7〜10のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 前記カソード入口ポートと前記アノード入口ポートとの間に接続自在な逆止弁をさらに備え、
前記逆止弁は、前記カソード電極の内部圧力と前記アノード電極の内部圧力との間の所定の圧力差において開放し、また前記それらの内部圧力がほぼ同一であるときに閉止されたままである、請求項5に記載の燃料電池モジュール。 - 前記カソード出口ポートに流入する空気の自在な流れを防ぐが、完全には阻止しない、前記カソード出口ポートへ接続自在な排気ポートをさらに備える、請求項7に記載の燃料電池モジュール。
- 前記アノード電極へ送出される前記第1の反応体の流れを調節する、前記アノード電極へ接続自在な流れ制御装置をさらに備える、請求項1〜13のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 前記反応体貯留部は、容器、加圧容器、およびチューブの長さ部分のいずれかである、請求項1〜14のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 遮断プロセス中に、前記反応体貯留部に貯留される前記第1の反応体の近理論量が、他の好ましくない反応体の生成を防ぐために、前記燃料電池モジュールに残存する前記第2の反応体の量を電気化学的に消費するように、かつ前記第1と第2の反応体の残存量が電気化学的に消費されるにつれて、前記燃料電池モジュール内に対応する圧力低下を生じさせるように、前記反応体貯留部はサイズが決められる、請求項1〜15のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 遮断プロセス中に、前記反応体貯留部に貯留される前記第1の反応体の近理論量が、他の好ましくない反応の生成を防ぐために、前記燃料電池モジュールに残存する前記第2の反応体の全量を電気化学的に消費するに足る未満であるように、前記反応体貯留部はサイズが決められ、および遮断プロセス中に、前記第2の反応体の残存量の殆ど全てが、遮断プロセス中に前記反応体貯留部へ加えられる前記第1の反応体の追加量により電気化学的に消費されるように前記反応体貯留部は再補給可能である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 前記寄生負荷は、前記燃料電池モジュールの内部抵抗部分および外部抵抗構成要素の少なくともいずれかを含む、請求項1〜17のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
- 第1の電極、第2の電極および前記第1と第2の電極間に配置される電解質媒体を有する燃料電池であって、通常の作動中に、前記第1の電極には、第1の反応体が供給され、また前記第2の電極には、第2の反応体と非反応性物を含有する第1の混合物が供給される燃料電池と、
前記第1と第2の電極間に接続自在である寄生負荷と、
前記第1の混合物を前記第2の電極へ大気圧を含む少なくとも2つの異なる圧力で供給可能に構成されている入力ポートと、
固定の容積を有し、燃料電池モジュールの遮断プロセスに適切な前記第1の反応体の量を貯留する、前記第1の電極へ接続自在な反応体貯留部であって、それにより、使用中に燃料電池モジュールが遮断されると、前記第1の反応体の貯留された量が、反応体貯留部から引出され、大気圧下にある前記第1の混合物が前記第2の電極に供給され、前記第1の反応体が燃料電池モジュール内に残存する前記第2の反応体と電気化学的に反応して前記第1と第2の反応体の全ての量を電気化学的に消費し、それにより、前記非反応性物からほぼ成る第2の混合物を残す、反応体貯留部と、
を備える燃料電池モジュール。 - 燃料電池を遮断するプロセスであり、前記燃料電池は、第1の電極、第2の電極および前記第1と第2の電極間に配置される電解質媒体を有し、そこにおいて、通常の作動中に、前記第1の電極には、第1の反応体が供給され、また前記第2の電極には、第2の反応体と非反応性物を含有する第1の混合物が供給されるプロセスであって、
前記第1の電極への前記第1の反応体の流入を阻止するステップと、
バランスオブプラントの構成要素を支援する電力を遮断するステップと、
前記第1と第2の電極間に接続自在な寄生負荷を通して電流を引出すステップと、
第2の反応体の残存量を電気化学的に消費するために、第1の反応体の固定の容積を有する容器内に事前に貯留される近理論量を生成するステップと、および
前記第2の電極へ大気圧下にある前記第1の混合物の量を遅延して流入させるステップと、を含むプロセスにおいて、
前記第1の反応体の前記近理論量が、前記第2の反応体の前記残存量と反応し、それにより、前記第1の電極において真空を作り前記第2の電極において前記非反応性物からほぼ成る第2の混合物を残し、
前記電解質媒体において前記第2の電極から前記第1の電極へ圧力勾配を引起し、前記第1の電極へ前記非反応性物からほぼ成る第2の混合物を引き出すことによって前記第1の電極が前記非反応性物からほぼ成なる第2の混合物によりブランケット化される、
プロセス。 - 燃料電池モジュールを操作する方法であって、
(a)燃料として供給された、前記燃料電池モジュールの作動圧力を有する水素を、アノード電極に接続された固定の容積を有する水素貯留部に貯留し、
(b)遮断時に、前記燃料電池モジュールの前記アノード電極とカソード電極との間に寄生負荷を接続して前記水素貯留部から前記燃料電池モジュールの前記アノード電極側に前記水素を開放し、前記燃料電池モジュールの前記カソード電極側に空気の流入を許容し、これにより、開放された前記水素が前記カソード電極における空気内の酸素と反応することにより、開放された前記水素及び前記カソード電極における空気内の酸素を消費して前記アノード電極側において真空を作り、前記カソード電極から前記アノード電極へ圧力勾配を引起すことによって前記アノード電極を窒素を含む前記カソード電極における空気によりブランケット化する、
燃料電池モジュールを操作する方法。
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