JP7292406B2 - 酸素吸着／吸収媒体の除去による燃料電池のスタートアップ／シャットダウン劣化の緩和 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システム、より具体的には、燃料電池のスタートアップおよびシャットダウン中の触媒および触媒担体の劣化を防止または軽減する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガスと酸化性ガスの電気化学反応により発電する。多くの場合、燃料ガスは水素であり、酸化性ガスは空気である。パラジウムや白金などの金属は、燃料ガスおよび酸化性ガスの間で電気化学反応を引き起こす触媒として使用される。

今日、燃料電池システムは、膜または電解質を横切って発生する電気化学反応を促進するために触媒に依存している。支持構造は、必要な膜および触媒を支持するように構成される。触媒作用は、反応のための表面積を増やすのに役立つ。多くの場合、パラジウムや白金などの金属触媒は、炭素などの触媒担体材料の表面上に使用される。これらの触媒作用は、効果的な反応速度を生み出すために所定の条件下で作用させる必要がある。

燃料電池システムの耐久性、寿命、および性能は、燃料電池システムで使用される触媒および触媒担体の状態に直接的に左右されることが広く知られている。

触媒の表面積が減少すると、燃料電池の性能や寿命が低下する。触媒担体構造が劣化または損なわれると、反応に利用できる触媒の性質と量が影響を受ける。燃料電池活性が膜電極組立体（ＭＥＡ）を介して燃料電池スタックのアノード区画に酸素を導入し、これが、アノードおよびカソード電位の増加をもたらし、炭素担体の劣化をもたらすことも広く知られている。

なぜならば、燃料電池がシャットダウンされた後、酸素はＭＥＡを介してアノード区画に拡散することができるからである。スタートアップ時に、水素が導入されると、Ｏ_２＋Ｈ_２の混合体の波面が膜を通過し、ＭＥＡのアノード側の局所電位が増加し、その結果、カソード電位が、炭素が還元されるポイントまで増加する。これにより、触媒を支持する炭素が分解され、電極面積が失われる。

このような問題に対処するために、電圧制限などの戦略が実装されている。電圧を制限するためのさまざまな戦略が実装／検討されている。これらの戦略は、燃料電池の始動時に不活性パージガスを導入し、燃料電池に補助負荷をかけることを含む。別の戦略は、システムから酸素濃度を枯渇させることであった。

いくつかの場合において、触媒腐食の量は改善されるけれども、完全に排除されない。他の場合において、採用された戦略は、触媒担体の腐食、特に炭素の量を減少させなかった。

上述の利点にもかかわらず、燃料電池システムは、触媒腐食に関連する課題に苦しみ続けている。

燃料電池に耐久性を与え、寿命が長く、性能が安定するように、燃料電池が触媒または触媒担体の腐食を引き起こさないように構成されることが望ましい。したがって、開示されたシステムおよび方法は、現在利用可能な燃料電池システムにおけるこれらの不利な点の１つまたは複数を克服することを目的としている。

本開示のいくつかの側面によれば、燃料電池システムおよびその使用方法が開示され、これは、燃料電池システムのシャットダウンおよびスタートアップサイクルが炭素支持体や当該炭素支持体に担持された触媒に及ぼす影響を低減および／または軽減するための方法、システム、およびデバイスの側面を含む。

たとえば、燃料電池のシャットダウン中、空気は膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を介してカソード区画に流れ、それによってアノード区画に酸素が導入される。残念ながら、燃料電池がシャットダウンすると、酸素はＭＥＡ膜電極アセンブリを介してアノード区画に拡散する可能性がある。次に、燃料電池のスタートアップ時に水素燃料ガスがアノードに供給され、既存の酸素と新しく導入された水素との間に電気化学反応が生じて、アノードの電位が上昇する。アノード電位が大幅に上昇すると、カソード電位が上昇し、炭素を還元させる。このより高い電位は、触媒および触媒担体の腐食を引き起こす。

したがって、頻繁なシャットダウンとスタートアップのサイクルを必要とするアプリケーションの場合、燃料電池システムの性能に大きな影響を与える。

酸素が燃料電池のカソード側からアノード側に移動するため、スタートアップ時に、水素が燃料電池システムに導入されると、酸素と水素の混合物が最初に膜を通過し、アノードの局所電位が増加する。これにより、カソード電位が上昇し、炭素が還元される。これにより、金属触媒を支持する炭素が分解または減少し、電極面積が失われ、燃料電池システムの性能に大きな影響が生じる。

支持体を保護し、腐食を軽減するために、燃料電池のアノード側がほぼ純粋な水素を含み、酸化剤を、ほとんど、または、まったく含まず、それを維持することが重要である。

ここに、本開示の燃料電池システムのシステム、デバイス、方法、または動作のいくつかの側面が開示される。本開示は、少なくとも１つの燃料電池であって、各燃料電池はアノードおよびカソードを含み、上記アノードは水素を流体的に受け取るように構成され、上記カソードは酸素を含む空気ソースを流体的に受け取るように構成される、上記少なくとも１つの燃料電池と、アノード出口に流体的に接続されたアノード排気を受け取ってアノード排気から酸素を除去するように構成された酸素捕捉システムを有する浄化ユニットとを含み、上記浄化ユニットは、上記アノードに方向づけられるのに先立って上記浄化ユニットから出る酸素の量を減少させるように構成される。いくつかの例において、上記浄化ユニットは、酸素に吸着または酸素を吸収するように構成された再生可能な酸素捕獲媒体を含む。酸素捕獲媒体は、少なくとも酸素を吸着するか、吸収するように構成される。いくつかの例において、上記媒体が酸素除去触媒を含む。いくつかの例において、上記酸素捕獲媒体は、少なくとも水素ガスを含む流体で、当該媒体を剥ぎ取り処理することによって再生される。

先に述べたシステムにおいて、いくつかの例では、上記酸素捕獲媒体を再生するための熱が、少なくとも１つの電気ヒーターによって提供される。さらに他の例において、上記酸素捕獲媒体は、水素ガスを燃焼するように構成された触媒ヒーター要素で上記媒体を加熱することによって再生される。いくつかの例において、上記触媒ヒーター要素は、上記浄化ユニットと熱的に連結されている。

先に説明したシステムにおいて、いくつかの例では、上記触媒が、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム金、銀、レニウム、鉄、クロム、コバルト、銅、マンガン、タングステン、ニオビウム、チタン、タンタル、鉛、イリジウム、カドミウム、スズ、ビスマス、およびガリウムからなるグループから選択された少なくとも１つのメンバーを含む。いくつかの例において、上記選択された触媒または触媒を形成する合金が、最低０℃の温度で水素を燃焼するように構成される。いくつかの例において、上記選択された触媒または上記触媒を形成する合金が、－３０℃の低い温度で水素を燃焼するように構成される。

スタートアップおよびシャットダウンのサイクルにおける燃料電池の劣化を低減するための燃料電池システムのシステム、デバイス、方法、または動作のいくつかの側面が開示され、これは、燃料電池からのアノード排気ストリームを、酸素捕獲媒体を含む吸収モジュールに流体接続するステップと、シャットダウン後、およびスタートアップ前またはスタータアップ中の少なくとも一方で、上記酸素捕獲媒体を介して上記アノード排気ストリーム中の酸素を除去するステップと、スタートアップ前に、上記吸収モジュールの下流のアノード排気をアノード燃料入口に方向づけるステップとを含み、上記下流の排気ストリームは酸素含有量が減少している。いくつかの例において、上記酸素捕獲媒体は、十分に加熱されたときに、再生されて、吸収された酸素を放出できる触媒である。いくつかの例において、当該方法は、上記酸素捕獲媒体に熱を供給するように構成されたアノード・オフ・ガス・バーナーを、上記酸素捕獲媒体に熱的に接続するステップと、上記アノード・オフ・ガス・バーナー内で水素を燃焼させて、上記媒体を加熱するステップとを含む。いくつかの例において、燃焼用の水素のソースは、上記アノード排気ストリーム、上記水素燃料ソース、および再循環ループ内の再循環水素のうちの１つまたは複数を含む。いくつかの例において、当該方法は、放出された酸素を含むガスストリームを上記アノード・オフ・ガス・バーナーに流体接続するステップと、上記酸素を水蒸気および排気として放出するステップとを含む。

少なくとも１つの燃料電池は、アノード側およびカソード側を有し、アノード側は、水素ガス燃料サプライを流体的に受け取るように構成され、カソード側は、酸素を含む空気ソースを受け取るように構成される。酸素捕捉システムは、アノード出口と流体連絡しており、アノード排気から水素を除去し、上記水素の燃焼から熱を生成するように構成された入口および出口を有するアノード・オフ・ガス・バーナーを有し、酸素吸収媒体を含む吸収モジュールを具備する。吸収モジュールは、アノード排気に流体的に接続されており、当該酸素捕捉システムは、アノードフローフィールドに向けられる前に、スタートアップ中に水素燃料サプライ中の酸素の量を減らすように構成されている。いくつかの例において、吸収媒体は、酸素除去触媒であり、これはニッケルおよび／または炭素も含んで良い。いつくかの例において、吸収性媒体は、酸素を充填したのちに、再生することができる。いつくかの例において、アノード・オフ・ガス・バーナー内の少なくとも１つの触媒ヒーターが水素を燃焼するように構成されている。いつくかの例において、コントローラがバルブを選択的に開閉して、システム内の流体の流れを制御する。

ここに、本開示の燃料電池システムのシステム、デバイス、方法、または動作のいくつかの側面が開示される。本開示は、少なくとも１つの燃料電池を含み、これは、アノード側およびカソード側を具備し、アノード側は水素ガス燃料サプライを流体的に受け取るように構成され、カソード側は酸素を含む空気ソースを受け取るように構成されている。酸素捕捉システムは、アノード出口と流体連通し、当該酸素捕捉システムは入口および出口を具備し、アノード排気から水素を除去し、水素を燃焼させて熱を発生させるように構成されたアノード・オフ・ガス・バーナーを有し、水素吸収媒体を含む吸収モジュールを具備する。吸収モジュールは、アノード排気に流体的に接続されており、酸素捕捉システムは、スタートアップ中に、アノードフローフィールドに方向づけられる前に、水素燃料サプライ中の酸素の量を減らすように構成されている。いくつかの例において、吸収媒体は酸素除去触媒である。いくつかの例において、吸収性媒体は、酸素を酸素を充填した後に再生することができる。いくつかの例において、アノード・オフ・ガス・バーナー内の少なくとも１つの触媒ヒーターが水素を燃焼するように構成されている。いくつかの例において、触媒は、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム金、銀、レニウム、鉄、クロム、コバルト、銅、マンガン、タングステン、ニオブ、チタン、タンタル、鉛、インジウム、カドミウム、スズ、ビスマス、およびガリウムからなるグループの少なくとも１つのメンバーを含む。いくつかの例において、白金、パラジウム、ロジウム、ならびにそれらの組み合わせおよび合金が、触媒材料として好ましい。いくつかの例において、選択された触媒または触媒を形成する合金は、０℃という低い温度で水素を燃焼するように構成される。いくつかの例において、選択された触媒または触媒を形成する合金は、－３０℃という低い温度で水素を燃焼するように構成される。

スタートアップおよびシャットダウンのサイクルにおける燃料電池部品および動作の劣化を低減するための燃料電池システムのシステム、デバイス、方法、または動作のいくつかの態様が開示され、これは、これは、燃料電池からのアノード排気ストリームを、酸素吸収媒体を含む吸収モジュールに流体的に接続するステップ、シャットダウン中およびスタートアップ前に、燃料電池システムのシャットダウンおよびスタートアップの間に燃料電池のフロー分配チャネルのカソードギャラリーから、フロー分配チャネルのアノードギャラリーに移動したアノード排気流中の酸素を酸素吸収媒体によって除去するステップ、および、スタートアップ前に、酸素吸収脱着媒体の下流のアノード排気をアノード燃料入口に方向づけるステップを含む。いくつかの例において、酸素吸収脱着媒体は、十分に加熱されると再生された、吸収された酸素を放出できる触媒である。

スタートアップおよびシャットダウンのサイクルにおける燃料電池部品および動作の劣化を低減するための燃料電池システムのシステム、デバイス、方法、または動作のいくつかの態様が開示され、これは、これは、燃料電池からのアノード排気ストリームを、酸素吸収媒体を含む吸収モジュールに流体的に接続するステップ、シャットダウン中およびスタートアップ前に、燃料電池システムのシャットダウンとスタートアップの間に、燃料電池のフロー分配チャネルのカソードギャラリーから、フロー分配チャネルのアノードギャラリーに移動したアノード排気ストリーム中の酸素を酸素吸収媒体によって除去するステップ、および、スタートアップ前に、酸素吸収脱着媒体の下流のアノード排気をアノード燃料入口に方向づけるステップを含む。いくつかの例において、この方法は、酸素吸収脱着媒体に熱を供給するように構成されたアノード・オフ・ガス・バーナーを、当該酸素吸収脱着媒体に熱的に接続するステップ、および、アノード・オフ・ガス・バーナー内で水素を燃焼させて、当該媒体を加熱するステップを含む。いくつかの例において、これは、放出された酸素を含むガスストリームをアノード・オフ・ガス・バーナーに流体接続するステップおよび水蒸気および排気として酸素を放出するステップを含む。

スタートアップおよびシャットダウンのサイクルにおける燃料電池部品および動作の劣化を低減するための燃料電池システムのシステム、デバイス、方法、または動作のいくつかの態様が開示され、これは、これは、燃料電池からのアノード排気ストリームを、酸素吸収媒体を含む吸収モジュールに流体的に接続するステップ、シャットダウン中およびスタートアップ前に、燃料電池システムのシャットダウンとスタートアップの間に、燃料電池のフロー分配チャネルのカソードギャラリーから、フロー分配チャネルのアノードギャラリーに移動したアノード排気ストリーム中の酸素を酸素吸収媒体によって除去するステップ、および、スタートアップの前に、酸素吸収脱着媒体の下流のアノード排気をアノード燃料入口に方向づけるステップを含む。いくつかの例において、この方法は、上記排気をアノード・オフ・ガス・バーナーに通すことにより、アノード排気から水素をスクラブするステップを含む。いくつかの例において、この方法は、燃料電池システムのスタートアップおよびシャットダウンの間に、酸素吸脱着媒体を再生するために、アノード・オフ・ガス・バーナー内の触媒ヒーターを介してアノード排気中の水素を燃焼させるステップを含む。いくつかの例において、コントローラがバルブを選択的に開閉して、アノード出口からの流体の流れを制御する。

本開示の上述および他の特徴および利点、ならびにそれらを達成する態様は、添付の図面と併せて本開示の一側面の以下の説明を参照することによって明らかになり、よりよく理解されるであろう。
図１は、動作中の触媒の劣化を軽減または低減するように構成された本開示の燃料電池電力システムのシステムおよび動作方法の複数の側面を示している。 図２Ａは、動作中の触媒の劣化を軽減または低減するように構成された本開示の燃料電池電力システムのシステムおよび動作方法の複数の側面を示している。 図２Ｂは、酸素緩和媒体の再生に関連するいくつかのモードでのシステムおよび方法の動作の側面を示している。 図２Ｃは、酸素緩和媒体の再生に関連するいくつかのモードでのシステムおよび方法の動作の側面を示している。 図２Ｄは、酸素緩和媒体の再生に関連するいくつかのモードでのシステムおよび方法の動作の側面を示している。

詳細な説明

本開示は、燃料電池のスタートアップおよびシャットダウンのプロセス中の触媒および触媒担体の劣化を防止または軽減するための燃料電池システムを提供する。酸素吸収－脱着スキームおよび装置は、スタンドアローンのユニットとして、および燃料電池システム内に開示されている。スタートアップ時にアノードの燃料システムへの流体接続から酸素を除去することにより、燃料電池プレートのアノード側およびカソード側での潜在的なスパイクが減少し、その中の炭素担体の腐食が減少、緩和され、また、触媒の減少および／または触媒担持面積の減少が抑止、緩和される。

［システム概要］
図１は、燃料電池アセンブリ２０および冷却剤貯蔵モジュール３０を含む燃料電池システム１０のいくつかの側面を示す模式図である。本開示は、動作中の触媒の劣化を軽減または低減するように構成された燃料電池電力システムの動作を含む。

燃料電池アセンブリ２０は、一緒に積み重ねられた複数のプロトン交換膜燃料電池を含む１つまたは複数の燃料電池スタック２１と、バランス・オブ・プラントＢＯＰ（図示せず）とを含み、ＢＯＰは当業界で良く知られているポンプ、バルブ、ファン、コントローラおよび回路などを含む。図示の燃料電池アセンブリ２０は、蒸発冷却燃料電池アセンブリである。この例において、冷却剤は水を有するけれども、グリコール、水、その他、または水溶液などの他の冷却剤を使用できることが理解されよう。この例において、冷却剤また水の貯蔵モジュール３０は、燃料電池アセンブリ２０の水和および／または蒸発冷却のために純水を貯蔵する。冷却剤貯蔵モジュール３０は、冷却剤サプライ４０を保持するための冷却剤貯蔵タンク３２を含む。

燃料電池アセンブリ２０およびその中のスタックは、燃料および酸化剤を受け入れるように構成される。図１Ｂは、単一の燃料電池アセンブリ２０内の燃料電池スタック２１および２１'のアレイまたはグループの模式図を示す。

水素などの燃料の流体の流れは、アノード入口２４を通ってアノードに流れ、空気などの酸化剤の流体の流れは、カソード入口２５を通ってカソードに向かう。アノード排気２６は、燃料の貫通流を可能にするために提供される。酸化剤の貫流を可能にするために、カソード排気２７が設けられている。排気フローは、また、いくつかの反応副生成物、およびアセンブリ２０を通過した可能性のある冷却剤／水和液を運ぶことが理解されよう。カソード排気２７は、カソード排気フローから、生成された水と冷却剤（水）４０'を分離するための冷却剤セパレータ２８を含んで良い。分離された水は、冷却剤貯蔵モジュール３０に貯蔵される。この例において、スタックを通過した水（冷却剤）のリサイクルを示しているが、この開示は、冷却剤をリサイクルしない、または冷却剤を他の方法でリサイクルするシステムに適用可能であることを理解されたい。カソード排気２７からの空気は、アノード・オフ・ガス・バーナー（ＡＯＢＨ）で使用するためにコンプレッサ８２に供給されて良い。

冷却剤貯蔵モジュール３０は、導管によって燃料電池アセンブリに流体的に接続されているけれども、モジュール３０は、スタック内の燃料電池と統合されて良いことが理解されよう。冷却剤貯蔵モジュール３０は、カソード入口２５に接続されて、燃料電池アセンブリ２０の蒸発冷却のためにカソード流に冷却剤を導入することを可能にする。冷却剤は、別個の導管によってスタックに導入されて良い。

冷却剤貯蔵モジュール３０は、複数の冷却剤貯蔵タンクを含んで良い。コンプレッサは、燃料セルアセンブリを介して酸化剤を駆動し、燃料電池アセンブリのスタートアップ後、比較的急速に暖かくなり、このため、熱交換器および作動流体／またはヒートパイプ（流体接続）を使用して、場合によっては、廃熱を利用して、酸化剤（空気ソース）１２内のコンプレッサから冷却剤貯蔵モジュールに熱を移動して、少なくとも部分的に、アノード・オフ・ガス・バーナーを駆動することができる。冷却剤注入／フローコントローラ１００は、燃料電池システムのさらなる動作を制御するための燃料電池システムコントローラ１０５の一部を形成して良い。

［触媒ヒーター］
燃料電池システム１０は、燃焼触媒の触媒作用によって燃焼燃料を燃焼させる少なくとも１つの触媒ヒーター５２を含む。触媒ヒーターは、種々の方法でシステム１０の加熱要求を満たすために使用されて良い。従来の燃料電池システムは電気ヒーターを使用していた。ただし、電気ヒーターは、バッテリーの消耗やその他の寄生損失など、前述のような欠点がある。

触媒ヒーター５２は、１つまたは複数の触媒加熱要素５５を含む。触媒ヒーター５２は、触媒加熱要素５５を収容するためのハウジング５７を提供して良い。触媒加熱要素５５は、燃焼用の触媒材料を含む。触媒材料は、基板上に支持されて良い。本開示により、触媒ヒーター５２および触媒加熱要素５５の様々な異なる構造が企図されている。

好ましくは、触媒ヒーター５２は、燃料電池アセンブリ２０から独立している。独立した触媒ヒーター５２は、燃料電池アセンブリ２０が停止している間、動作し続けることができる。この機能は、冷却液の温度が維持され、燃料電池の動作の機能ではないため、特に有利である。触媒ヒーター５２が燃料電池アセンブリから独立していない場合、燃料電池のスタートアップは、氷点下の動作周囲条件で遅延する可能性がある。

［触媒材料］
上述の実装は、触媒ヒーターの使用を詳述し、それらのヒーターは、いくつかの異なる材料で構成されて良い。適切な触媒材料の非排他的なリストは、金属を含む。以下の金属は、触媒材料として機能して良い。すなわち、パラジウム、プラチナ、ルテニウム、ロジウム、オスミウムイリジウム金、銀、レニウム、鉄、クロムコバルト、銅、マンガンタングステン、ニオブ、チタン、タンタル、鉛、インジウム、カドミウム、スズ、ビスマス、および、ガリウムなど、並びに、これらの金属の化合物および合金である。本開示の一側面において、白金、パラジウム、ロジウム、ならびにそれらの組み合わせ、および合金が、触媒材料として好ましい。本開示の別の側面において、触媒材料は好ましくはパラジウムである。他の適切な触媒材料および金属は、一般に、熟練者および／または当業者に知られている。

触媒材料は、好ましくは、比較的低温で、燃料電池システムの燃料ソース（すなわち、水素ガス）を自然発火させる。例えば、本開示のいくつかの側面において、触媒材料は、最低０℃または最低－３０℃の温度で水素ガスを燃焼させることができる。比較的低温から比較的高温までを含む広範囲の温度にわたって、直火なしで水素ガスを安全に燃焼する触媒材料を選択することも有用であろう。

触媒材料は、好ましくは、比較的低濃度の水素を使用して燃焼を誘発することができる。本開示の一側面において、触媒ヒーターは、アノード排気ストリーム中に存在する水素ガスを燃焼させるように構成される。燃料電池アセンブリが定常状態で動作しているとき、アノード排気ストリーム中の水素濃度は比較的低い。例えば、アノード排気の水素濃度は、１％まで低くてもよい。アノード排気については、以下でさらに詳しく説明する。代替的には、触媒ヒーターは、水素ソースから直接水素ガスを受け取って良い。これは、所定の状況では燃料電池システムに有益であろう。

好ましくは、水素ガスは、触媒ヒーターに導入される前に空気と事前に混合される。供給される空気は、燃料電池アセンブリに使用されるのと同じ空気ソースによって供給されて良い。この場合、燃料電池アセンブリのカソードフローフィールドへの空気入口は、触媒ヒーターに流体的に接続されている。代替的には、供給される空気は、燃料電池アセンブリの空気ソースとは別の供給ソースから供給されて良い。ファンを使用して、空気をクーラントモジュールと触媒ヒーターに送ることができる。供給された空気と水素ガスを混合するために、混合チャンバーを触媒ヒーターの上流に設けることができる。次に、水素ガス混合物は、ガス混合物が触媒材料と直接接触し、それによって触媒燃焼反応を引き起こす触媒ヒーターに向けられる。触媒燃焼反応によって生成される熱の量は、触媒材料、ガス混合物中の水素濃度、および触媒ヒーターへのガス混合物の流量に大きく依存する。いくつかの側面において、ガス混合物は、最小：３４：１（質量で）－化学量論比から最大：１８０：１（質量）である。

しかしながら、氷点下の温度で水素を燃焼させることを可能にする触媒材料は、より低温の気候で作動する燃料電池システムにとって特に有利である。白金族金属は、この点で特に効果的である。

［基板サポート］
触媒材料は、基板上に支持されて良い。例えば、触媒材料は、熟練者および／または当業者に周知の方法を使用して、適切な幾何学的表面積の基板上に被着またはコーティングされて良い。適切な基板は、金属、セラミック材料、およびそれらの組み合わせを含んで良いけれども、これらに限定されない。基材は、セラミック発泡体または発泡金属などの多孔質または発泡材料であって良い。基板は、また、フォイル、プレート、ワイヤ、金網、ハニカムなど、またはそれらの組み合わせなどの構造を含んで良い。基板材料は、燃料ソースの触媒燃焼によって生成された熱を分散させるのを支援して良い。

［排気媒介］
燃料電池システム１０は、アノード・オフ・ガス・バーナー８４を示し、これは、アノード排気を浄化し、または、アノード排気をスクラブしてその中の水素を除去するように構成されている。特に自動車用途では、排出基準により、排気流中の水素のｐｐｍが厳密に制限される場合がある。システムは、空気ソース１２、燃料電池アセンブリ２０に流体的に接続され、また、冷却剤モジュール３０に接続されて良い。排気システムは、コンプレッサ８２およびアノード・オフ・ガス・バーナー・ヒーター（ＡＯＢＨ）８４を含む。ＡＯＢＨは、上述のように、触媒ヒーター５２であって良い。排気モジュールは、アノード排気ストリーム内で水素ガスを受け取り、水素を燃焼させ熱を生成し、これは、システムから排出されても良いし、タービンで生成された電力などの追加のアプリケーションに使用されても良いし、リサイクルされ、冷却剤の解凍と酸素捕捉媒体の再生に使用されて良い。アノード排気からの水素の除去は、「スクラビング」と呼ばれて良い。

［熱モジュール］
熱モジュール７０は、カソード排気から水を回収するように構成され、この水は、流体的に接続された一次水出口７４を介して冷却剤貯蔵モジュール３０に追加することができる。図示のとおりカソード排気７６は熱モジュールを出る。

コンプレッサ８２は、システムに流体接続されており、空気ソース１２から直接空気を受け取って良い。酸化剤ストリーム１２'および／または排気空気２７'は、ファンまたはコンプレッサ８２の流体接続を通過し、それによって加圧される。コンプレッサからの供給物は、オフ・ガス・バーナー８４に供給される。オフ・ガス・バーナーは、排気ストリーム中の水素ｐｐｍを減少させるとともに、吸収モジュール８５と熱連絡するとき、そうでなければオフ・ガス燃焼から失われる熱が捕捉され供給されて吸着／吸収モジュール８５内にパックされた酸素捕獲媒体８６を再生する。モジュールは、浄化ユニットと呼ばれて良い。吸着／吸収モードにおいて、これは、アノードに水素を供給するために使用される出口ストリームから酸素を除去する。酸素捕獲媒体は酸素捕捉剤とも呼ばれ、これにより捕捉された酸素を除去するように定期的に再生されなければならない。吸収剤という用語は明細書全体で使用されるけれども、媒体、動作環境などによっては、化学物質レベルで行われる実際のプロセスは、吸収の代わりに吸着を含んで良い。この例において、浄化ユニットは、アノード・オフ・ガス・バーナー・ヒーター（ＡＯＢＨ）と一体であるように構成され、これは、熱を供給して酸素吸収脱着媒体８６（酸素捕獲、酸素吸収、酸素吸着または酸素吸入媒体とも呼ばれる）を再生し、酸素緩和システム３００を形成する。その結合は、好ましくは、媒体を再生するために必要な熱を媒体に供給するための熱接続である。物理的な結合が有利な場合もあるけれども、すべての場合に必要なわけではない。再生は、カソード出力ストリーム２６内の水素を利用することによって、または排気コンプレッサ８２に入る流体ストリームに水素を加えることによって達成される。酸素吸収媒体８６を十分に加熱することによって、酸素および水素は水を形成し、媒体を再生する。水は、ガスストリーム中の水蒸気として酸素吸収媒体８６から運び出される。

酸素吸収媒体８６は、燃料電池の動作中に定期的に再生される。スタートアップ時に、アノードは当該アノードに移動した酸素を含み、そのような酸素が存在する燃料電池を操作（起動）すると、カソード電位を上げてそれによって当該カソードを酸化させて、カソードサポートを腐食させ、もって、当該サポートを劣化させて、損傷を与え、膜の表面積を減らす。水素流体フローで酸素捕獲媒体を剥離処理することは、その再生の一部であろう。

アノード・オフ・ガス・バーナーは、吸収材料で囲まれて良く、吸収モジュールは、それに流体的に接続されたアノード排気ストリームの部分から酸素を除去し、燃料電池スタックのスタートアップのために、低酸素の燃料を供給するように機能する。

図２Ａ～２Ｄは、動作中の触媒の劣化を軽減または低減するように構成された本開示の燃料電池電力システムのシステムおよび動作方法の複数の側面を示す。

図示の動作システムおよび方法１０８は、システムおよび方法のいくつかの側面の簡略化された概要である。開示されたシステムは、燃料電池の動作のシャットダウンサイクル中に燃料電池膜を横切って拡散することができるシステム内の酸素を軽減または対処することによって、燃料電池スタック１１０内の触媒担体構造の劣化を低減するように構成される。拡散移動は、カソード側からアノード側へである。緩和せずに放置すると、酸素がシステムに損傷を与える。酸素は、スタートアップ時に燃料電池内の触媒の炭素担体を腐食させて減少させる。スタートアップの側面は、燃料電池スタックが水素燃料をアノードに直接受け取り、酸化剤をカソードに受け取ることを含む。シャットダウンプロセスの側面は、燃料電池スタックがもはや電気を生成せず、燃料を受け取らなくなったときである。

燃料電池のシャットダウン中、燃料電池システムには酸素が不可避的に存在する。システムに存在する酸素の主な供給ソースは、カソードフローフィールドへの出口に由来する。カソードには水素燃料ガスと反応する空気ソースが供給されるため、カソード出口は空気を含む酸素を燃料電池システムとアノードフローフィールドに導入する。システムに導入された空気は、主に未反応の反応物または酸素である。次に、酸素はＭＥＡを横切って移動し、電位と圧力を増加させる。水素の電位は、燃料電池のアノード側１２０で約０Ｖ ＲＨＥであり、カソード側１１５で酸素の電位は約１Ｖ ＲＨＥ（理論的には１．２３Ｖ）であり、開回路電圧で少なくとも１Ｖの電位差を与える。アノード側１１５は、アノード入口１１６およびアノード出口１１７に流体的に接続されている。アノード側１１５は、また、表面形状によってフロー分配チャネル１１５'のギャラリーを提供するように構成されて良く、これがアノード側を通る層流を方向付け、拡散させ、またはその他の方法でこれに作用する。当該表面形状は、バンプ、ディボット、チャネル、および壁であって良いけれども、これらに限定されない。

カソード側１２０は、カソード入口１２１およびカソード出口１２２に流体的に接続されている。カソード側１２０は、また、表面形状を備えたフロー分配チャネル１２０'のギャラリーを提供して、アノード側を通り抜ける層流を方向付ける、拡散させる、または、その他の影響を与えるするように構成されて良い。

緩和されていないスタートアップ中、空気と水素の混合物がアノード側に存在し、これが、最初の「波面」（流入する水素によって空気がアノードからパージされる）を持つ流体として通り抜け、この波「面」において、ガス混合物は、電極表面を横切って移動して、局所的なアノード電位を０．５Ｖまで上昇させることができる。空気（酸素を含む）のみを持つカソード側は約１Ｖ（理論的には１．２３Ｖ）の電位を持っているため、カソード側でＩＶ差を維持するために、炭素は酸化を開始して酸化電位の高いＣＯとＣＯ２になる。カソード電位が１．４Ｖを超えると、炭素の腐食速度が大幅に増加する。したがって、白金（触媒）を保持する炭素担体が酸化され、白金が電極に結合しなくなるため、白金の表面積が顕著に低下する。この問題を軽減するために、酸素吸収媒体の装置、システム、および方法は、排気流中の水素がアノード入口（１１６）にリダイレクトまたは再循環される前に、アノード排気流から酸素を除去するように構成される。吸収モジュールの下流のアノード排気は、酸素がその形で改善され、したがって軽減されたアノード排気を含む。当該システムは、再生せずに容量が制限されている吸収媒体または酸素捕捉媒体によって動作するため、オペレーティングシステムで使用するには再生が必要になる。再生は、除去された酸素を放出するのに十分な熱を加えることによって達成される。ＡＯＢＨを吸収モジュール８５と熱的に接続することは、吸収媒体の再生のためのエネルギーを提供するためにシステム損失を利用するという追加の利点を提供する。

システム１０８の主な側面は、燃料電池１１０、水素燃料サプライ２００、酸素緩和システム３００、空気サプライ（酸化剤）４００、冷却剤サプライ５００、および燃料電池の動作中に生成される水６００を含む。燃料電池は、１つまたは複数のプレナム１１２を有し、これは、水素２００および酸化剤４００をその中の複数のバイポーラプレートに分配するためのフロー分配チャネルのギャラリーを提供する。プレートのカソード側１１５は酸化剤４００を受け取り、アノード側は水素２００を受け取り、ＭＥＡ１２５は２つのサイドを分離する。ＭＥＡは、先に開示されたように、炭素担体および担体触媒を含む。簡潔にするために、冷却剤サプライフローについてはこれ以上詳しく説明しない。

［動作のシステムおよび方法の追加の側面］
［Ａ．水素サプライ］
水素燃料サプライ２００は、水素２０１を燃料電池１１０に流体的に接続し、燃料電池において、水素はスタックのアノード側を通って流れる。アノード出口ストリーム２０１'は、システムに流体的に接続されており、再循環ループの一部であって良い。燃料電池スタックへの流体経路は、第１のバルブ２０２、ガスインジェクタバルブ２０４、パッシブエジェクタバルブ２０６、第２のバルブ２０８、第１の三方電磁バルブ２１０、第２の三方電磁バルブ２１２、コンデンサ２１４、およびセパレータ２１６を含み、これは水を除去する。コンデンサ２１４は、酸素緩和または捕捉システム３００に存在するガスストリームの温度制御のために使用されてよく、しばしば、全般的にはＡＯＢＨとも呼ばれる。水素ループは、また、ポンプ２１８、接続オリフィス２２０および第３のバルブ２２２、ならびに空気サプライ４００への接続２２５を具備して良く、空気サプライ４００は、水素を供給して、酸素緩和システム３００を加熱し、酸素緩和システム３００は、銅、酸化亜鉛またはニッケルベースの微粉末吸収剤などの酸素吸収媒体８６を含むように構成されている。酸素緩和システム３００を加熱するための水素を提供するために、ポンプ２１８、接続オリフィス２２０および第３のバルブ２２２、ならびに空気サプライ４００への接続２２５を有し得る。自発的に酸素を吸収する任意の材料を使用することができるけれども、候補材料の大部分は金属、金属酸化物またはそれらの合金であることに留意されたい。

第３のバルブ２２２は、再生モードの間を除いて閉じられている。吸収モジュール８５は、継続的な動作のために再生を必要とする媒体８６を含む。ＡＯＢＨは、再循環ループに流体的に接続された入口３０５を有し、それにより、酸素吸収媒体の再生中に放出された酸素は、出口３０７を介して排出できる。空気サプライ４０１は、入口３０５に流体的に接続されている。

吸収および酸素緩和の間、アノード排気入口３０８は、吸収モジュール８５内の酸素吸収媒体８６に流体的に接続され、スタートアップ前のアノード排気ストリームは、カソードから移動した酸素を含み、緩和されないままに残されると燃料電池に有害である。ＡＯＢＨの一部であり得る酸素軽減モジュール内の媒体８６は、ストリームから酸素を吸収する。軽減された、はぎ落された、その他、酸素が低減されたアノード排気ストリームは、非制約的な例に示されるように、ＡＯＢＨ内にあり、アノード排気出口３０９を介してＡＯＢＨから外へと流体的に接続される。アノード排気は、流体フローから酸素パージするために再循環ループ内にあって良い。

媒体は、アノードガスソースから酸素を吸着または吸収することができる任意の材料であって良い。媒体は、酸素捕捉システム（これも一種の浄化ユニット）を通過するアノードガスソースと十分に接触するのに適した任意の形態であって良い。同様に、浄化ユニットは、当該媒体を含み、実質的に酸素を含まないガスストリームまたは窒素に富むガスストリームを生成するために、当該媒体を酸素含有アノードストリームに許容可能または十分に曝露することができる任意の装置または装置を含んで良い。媒体を再生するために、１つまたは複数の加熱手段が酸素緩和システムに熱的に接続され（別個に示されていないが、ＡＯＢＨ内に埋め込む必要はない）、これは、媒体８６によって捕捉された酸を当該媒体が放出するのに十分な熱を供給するように構成されている。この手段には、触媒ヒーター５２、システムからの排熱、他の化学的または電気的加熱要素が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの場合において、酸素捕捉システム３００は、媒体８６と熱連通するＡＯＢＨを含む。

いくつかの例において、アノードストリーム２０Ｇは、水素再循環ループの上流の接続２２５でＡＯＢＨ再生入口３０５に流体的に接続されている。いくつかの例において、ＡＯＢＨに流体的に接続された水素サプライ２０１は、水素再循環ループから流体的に接続されてもよいけれども、任意の凝縮および水の分離の下流にある。オプションとして、再生出口３０７から排出されたガスは、機械的エネルギーを回収するためにガス膨張ステージ（図示せず）に供給されて良い。

三方電磁バルブ２１０および２１２は、吸収および再生中に酸素捕捉システム３００および／またはＡＯＢＨ入口および出口からのフローを調整するために、コントローラ１０５によって制御される。再生中、コントローラは、酸素を除去するために媒体８６を通る最小の所定の必要な流量を維持し、三方電磁バルブ２１０および２１２、および他のバルブも、また、シャットダウン時に閉じ込められた体積を最小化するためにコントローラによって調整されて良い。三方電磁バルブ２１０および２１２および他のバルブは、システムが「オフ」状態にあるときにＡＯＢＨ吸収体側を隔離するためにコントローラ１０５によって調整されて良い。三方電磁バルブ２１０および２１２および他のバルブは、通常の燃料電池動作中にＡＯＢＨを隔離するためにコントローラによって調整される。

［Ｂ．酸素サプライ］
空気（酸化剤）サプライ４００は、燃料電池１１０に流体的に接続されており、これは、スタックのカソード側を通って流れる。空気サプライ４００は、また、酸素吸収／捕捉システム３００に流体的に接続され、それにより、それは、捕捉システム３００内の触媒加熱要素５５（図１に示される）への流体接続を介して、空気および水素を提供して良い。

［Ｃ．冷却剤サプライ］
オプションとして、冷却剤サプライ５００は、燃料電池１１０に流体的に接続され５０１、そこで、スタック中を流れ、当該スタックを冷却する。冷却剤サプライは、また、ここで開示される燃料電池システムおよび操作方法のためのバランス・オブ・プラントの水捕捉システムの一部である受動コンデンサ３５０を冷却することが示されている。セパレータ２１６は、燃料ストリームから除去または再生された水を収集するために流体接続６０１に接続され、この流れは、第１の給水バルブ６０２を介して制御されて良い。

酸素の軽減または捕捉によって対処される基本的な問題は、シャットダウンとスタートアップの間に燃料電池のアノード側から酸素を除去することである。シャットダウン中、先に開示されたように、酸素は膜を横切って移動し、それによって燃料電池内のプレートの炭素サポートのいずれの側にも増加した電位を設定する。緩和されないままにされると、潜在的な変動が炭素サポートの腐食を引き起こす。酸素捕捉システムは、固定または可変の時間枠で燃料電池の始動前に使用される。時間枠は、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）またはコントローラ（図示せず）によって与えられて良く、これは、オフ時間、および／または、圧力、温度、ガス成分の１つまたは複数のセンサ測定からのデータを測定して、酸素捕捉システム３００を通り抜けるアノード燃料流体接続に流す時間を決定する。いくつかの場合では、酸素捕捉システムを通るアノード側燃料フロー時間は、１０秒から９０秒の間である。他のいくつかの場合では、時間は２０から７０秒の間であり、他のいくつかの場合では、時間は３０から６０秒の間である。さらに他のいくつかの場合は、時間は６０秒であり、他のいくつかの場合では、時間は６０秒未満であり、他のいくつかの場合では、時間は６０秒より長い。この吸収が完了した後、酸素吸収媒体８６は再生を必要とする。再生サイクルは、酸素吸収媒体を所定の温度に加熱することを含み、それにより、吸収された酸素が放出される。酸素捕捉システム３００は、コンデンサおよびセパレータに流体的に接続されて良く、それにより、酸素は水素と結合されて水を形成し、水は水除去可能ライン６０１を介して流体的に接続され、残りの実質的に無酸素または窒素に富むガスストリームは、アノード水素燃料サプライ接続２０１に戻されて良い。

吸収フェーズの側面が図２Ｂに示される。燃料電池１１０はオフロードであり、アノードフロー２０１'は、燃料電池のカソード側からアノード側に移動した酸素を含むであろう。その中の炭素サポートを腐食する電圧スパイクを回避するために、ガスインジェクター２０４、第２のバルブ２０８、第３のバルブ２２２、および第１の三方電磁バルブ２１０は、アノードストリーム２０１'をＡＯＢＨのアノード排気入口３０８に向けるように構成される。アノードフロー２０１'は、吸収媒体がアノード排気内の酸素を研磨、洗浄、除去、またはさもなければ還元した後、アノード排気出口３０９を通ってＡＯＢＨから出る。

非アクティブまたはニュートラルフェーズの側面が図２Ｃに示される。燃料電池１１０は負荷がかかっており、アノードフロー２０１’は酸素をほとんどまたは全く含まず、第２のバルブ２０８および第１の三方電磁バルブ２１０は、アノードフロー２０１'を方向付けてＡＯＢＨを回避するように構成される。

簡略化された再生フェーズのいくつかの側面が図２Ｄに示される。燃料電池１１０は、負荷がかかっており、アノードフロー２０１'は、顕著な量の水素を含んでおらず、ガスインジェクター２０４、第２のバルブ２０８、第３のバルブ２２２、および第１の三方電磁バルブ２１０は、アノードフロー２０１'を方向付けるように構成されている。第１の三方電磁バルブ２１０は１－３構成で開いており、第３のバルブ２２２は開いているので、再生サイクル中に、吸収された酸素が放出され、キャリアガスとしてアノード排気ガスを介して排出される。ＡＯＢＨは、十分に加熱されて、吸収モジュール８５内の媒体８６に十分な熱を熱的に伝達して、貯蔵された酸素を放出する。空気サプライ４０１は、（再生）入口３０５に流体接続され、接続２２５を介して水素２０１も受け取り、これにより、空気と水素は媒体８６を通過し、水素と放出された酸素生成水蒸気とを組み合わせて、出口３０７から排出される。

温度変動が大きい別の再生プロセスの側面には、約１５℃の低温始動が含まれる。ただし、動作中は約８０℃の温度が予想される。システムを通る反応物の体積流量も低いため、スタートアップ時には低圧が通常の状態になる。逆に、より高い動作温度では、システムの流体接続を通るより大きな体積流量がありる。図２Ｄに詳細が示されているシステムは、動作中のこれらのさまざまな条件に対応するように構成されている。システムのカソード側とアノード側のそれぞれの圧力は、燃料電池スタックの劣化を避けるために、一般に約１～２バールの間で同じである必要がある。さらに、動作中、より高温の周囲条件で動作している場合、システムは３バールまでの圧力がかかる可能性があり、これにより熱の除去が促進されます。

上述の説明は、開示されたシステムおよび技術の例を提供することが理解されよう。しかしながら、本開示の他の実装は、上述の例とは詳細に異なる可能性があることが企図されている。本開示またはその例へのすべての言及は、その時点で議論されている特定の例を参照することを意図しており、より一般的に開示の範囲に関する制限を意味することを意図していない。特定の機能に関する差別および軽視のすべての文言は、それらの機能に対する選好の欠如を示すことを意図しているが、特に明記しない限り、そのような機能を開示の範囲から完全に除外するものではない。
以下、関連する発明の技術的特徴を列挙する。
［技術的特徴１］
少なくとも１つの燃料電池（１１０）であって、各燃料電池はアノードおよびカソードを含み、上記アノードは水素を流体的に受け取るように構成され、上記カソードは酸素を含む空気ソースを流体的に受け取るように構成される、上記少なくとも１つの燃料電池と、
上記アノードに流体的に接続された浄化ユニットとを有し、
上記浄化ユニットは、上記アノードに方向づけられるのに先立って上記純粋化ユニットから出る酸素の量を減少させるように構成されることを特徴とする燃料電池システム。
［技術的特徴２］
上記浄化ユニットは、酸素に吸着する、または酸素を吸収するように構成された再生可能な酸素捕獲媒体を含む技術的特徴１に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３］
上記浄化ユニットは、アノード排気（２０１'）を受け取り、上記アノード排気から酸素を除去するように構成された、アノード出口に流体接続された酸素捕捉システム（３００）である技術的特徴１に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴４］
上記浄化ユニットは、酸素に吸着または酸素を吸収するように構成された再生可能な酸素捕獲媒体を含む、技術的特徴３に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴５］
上記媒体が酸素除去触媒を含む、技術的特徴４に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴６］
上記酸素捕獲媒体は、少なくとも水素ガスを含む流体で媒体を剥ぎ取り処理することによって再生される、技術的特徴３に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴７］
上記酸素捕獲媒体を再生するための熱が、少なくとも１つの電気ヒーターによって提供される、技術的特徴４に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴８］
上記酸素捕獲媒体は、水素ガスを燃焼するように構成された触媒ヒーター要素（５５）で上記媒体を加熱することによって再生される、技術的特徴３に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴９］
上記触媒ヒーター要素は、上記浄化ユニットと熱的に連結されている技術的特徴８に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１０］
上記酸素捕獲媒体が、ニッケル、銅、酸化亜鉛、および炭素のうちの少なくとも１つを含む技術的特徴２に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１１］
上記触媒が、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム金、銀、レニウム、鉄、クロム、コバルト、銅、マンガン、タングステン、ニオビウム、チタン、タンタル、鉛、イリジウム、カドミウム、スズ、ビスマス、およびガリウムからなるグループから選択された少なくとも１つのメンバーを含む技術的特徴５に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１２］
上記選択された触媒または触媒を形成する合金が、最低０℃の温度で水素を燃焼するように構成される技術的特徴５に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１３］
上記選択された触媒または上記触媒を形成する合金が、－３０℃の低い温度で水素を燃焼するように構成される技術的特徴５に記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１４］
スタートアップサイクルおよびシャットダウンサイクル中の燃料電池の劣化を低減する方法において、
燃料電池からのアノード排気ストリームを、酸素捕獲媒体を含む吸収モジュールに流体接続するステップと、
シャットダウン後、およびスタートアップ前またはスタータアップ中の少なくとも一方で、上記酸素捕獲媒体を介して上記アノード排気ストリーム中の酸素を除去するステップと、
スタートアップ前に、上記吸収モジュールの下流のアノード排気をアノード燃料入口に方向づけるステップとを有し、
上記下流の排気ストリームは酸素含有量が減少していることを特徴とする方法。
［技術的特徴１５］
上記酸素捕獲媒体が、十分に加熱されたときに、再生されて、吸収された酸素を放出できる触媒である技術的特徴１４に記載の方法電池システム。
［技術的特徴１６］
上記酸素捕獲媒体に熱を供給するように構成されたアノード・オフ・ガス・バーナーを、上記酸素捕獲媒体に熱的に接続するステップと、
上記アノード・オフ・ガス・バーナー内で水素を燃焼させて、上記媒体を加熱するステップとをさらに有する技術的特徴１４に記載の方法電池システム。
［技術的特徴１７］
燃焼用の水素のソースが、上記アノード排気ストリーム、上記水素燃料ソース、および再循環ループ内の再循環水素のうちの１つまたは複数を含む技術的特徴１６に記載の方法。
［技術的特徴１８］
放出された酸素を含むガスストリームを上記アノード・オフ・ガス・バーナーに流体接続するステップと、
上記酸素を水蒸気および排気として放出するステップとをさらに有する技術的特徴１６に記載の方法電池システム。
［技術的特徴１８］
上記アノード排気を上記アノード・オフ・ガス・バーナーに通すことにより、上記アノード排気から水素を剥ぎ取り処理するステップをさらに有する技術的特徴１４に記載の方法。
［技術的特徴１９］
上記燃料電池システムのスタートアップおよびシャットダウンの間に、上記アノード・オフ・ガス・バーナー内の触媒ヒーターを介して、上記アノード排気中の水素を燃焼させて上記酸素捕獲媒体を再生するステップをさらに有する技術的特徴１８に記載の方法。
［技術的特徴２０］
技術的特徴１４に記載の方法は、バルブを選択的に開閉して、上記アノード入口および出口からの流体の流れを制御するコントローラ（１０５）をさらに有する技術的特徴１４に記載の方法。
［符号の説明］
１０ 燃料電池システム
１２ 酸化剤（空気ソース）
２０ 燃料電池アセンブリ
２１ 燃料電池スタック
２４ アノード入口
２５ カソード入口
２６ アノード排気
２７ カソード排気
８４ アノード・オフ・ガス・バーナー
８５ 吸着／吸収モジュール
８６ 酸素捕獲媒体
８６ 酸素吸収脱着媒体
１０８ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック
１１６ アノード入口
１１７ アノード出口
１２１ カソード入口
１２２ カソード出口
３００ 酸素捕捉システム

Claims (19)

1. 少なくとも１つの燃料電池であって、各燃料電池はアノード入口およびカソード入口を含み、上記アノード入口は水素を流体的に受け取るように構成され、上記カソード入口は酸素を含む空気ソースを流体的に受け取るように構成される、上記少なくとも１つの燃料電池と、
   浄化ユニットと、
   上記アノード出口からのアノード排気を上記浄化ユニットを介して上記アノード入口に帰還させる第１のアノード排気経路と、
   上記アノード出口からのアノード排気を上記浄化ユニットを介することなく上記アノード入口に帰還させる第２のアノード排気経路と、
   シャットダウン後、スタートアップ前、およびスタートアップ中に上記アノード排気を上記第１のアノード排気経路を介して流し、それと異なるときに上記アノード排気を上記第２のアノード排気経路を介して流すように構成されたコントローラとを有し、
   上記浄化ユニットは、上記アノード出口を出るアノード排気ストリーム中の酸素の量を、当該アノード排気ストリームが上記アノード入口に方向づけられる前に減少させるように構成され、当該減少は、シャットダウン後、スタートアップ前、およびスタートアップ中に実行され、
   上記浄化ユニットは、酸素に吸着する作用、または酸素を吸収する作用の少なくとも一方を行うように構成された再生可能な酸素捕獲媒体を含むことを特徴とする燃料電池システム。
2. 少なくとも１つの燃料電池であって、各燃料電池はアノード入口およびカソード入口を含み、上記アノード入口は水素を流体的に受け取るように構成され、上記カソード入口は酸素を含む空気ソースを流体的に受け取るように構成される、上記少なくとも１つの燃料電池と、
   浄化ユニットと、
   上記アノード出口からのアノード排気を上記浄化ユニットを介して上記アノード入口に帰還させる第１のアノード排気経路と、
   上記アノード出口からのアノード排気を上記浄化ユニットを介することなく上記アノード入口に帰還させる第２のアノード排気経路と、
   シャットダウン後、スタートアップ前、およびスタートアップ中に上記アノード排気を上記第１のアノード排気経路を介して流し、それと異なるときに上記アノード排気を上記第２のアノード排気経路を介して流すように構成されたコントローラとを有し、
   上記浄化ユニットは、上記アノード出口を出るアノード排気ストリーム中の酸素の量を、当該アノード排気ストリームが上記アノード入口に方向づけられる前に減少させるように構成され、当該減少は、シャットダウン後、スタートアップ前、およびスタートアップ中に実行され、
   上記浄化ユニットは、酸素捕捉システムであり、
   上記浄化ユニットは、酸素に吸着する作用、または酸素を吸収する作用の少なくとも一方を行うように構成された再生可能な酸素捕獲媒体を含むことを特徴とする燃料電池システム。
3. 上記媒体が酸素除去触媒を含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 上記酸素捕獲媒体は、少なくとも水素ガスを含む流体で媒体を剥ぎ取り処理することによって再生される、請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 上記酸素捕獲媒体を再生するための熱が、少なくとも１つの電気ヒーターによって提供される、請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 上記酸素捕獲媒体は、水素ガスを燃焼するように構成された触媒ヒーター要素で上記媒体を加熱することによって再生される、請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 上記触媒ヒーター要素は、上記浄化ユニットと熱的に連結されている請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 上記酸素捕獲媒体が、ニッケル、銅、酸化亜鉛、および炭素のうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 上記触媒が、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム金、銀、レニウム、鉄、クロム、コバルト、銅、マンガン、タングステン、ニオビウム、チタン、タンタル、鉛、イリジウム、カドミウム、スズ、ビスマス、およびガリウムからなるグループから選択された少なくとも１つのメンバーを含む請求項３に記載の燃料電池システム。
10. 選択された触媒または触媒を形成する合金が、最低０℃の温度で水素を燃焼するように構成される請求項３に記載の燃料電池システム。
11. 選択された触媒または触媒を形成する合金が、－３０℃の低い温度で水素を燃焼するように構成される請求項３に記載の燃料電池システム。
12. スタートアップサイクルおよびシャットダウンサイクル中の燃料電池の劣化を低減する方法において、
    シャットダウン後、スタートアップ前、およびスタータアップ中に、上記燃料電池のアノード出口、アノード入口、上記アノード出口および上記アノード入口の間に流体的に接続された、酸素捕獲媒体を含む吸収モジュールからなる第１のアノード排気経路を介して、上記燃料電池のアノード出口からのアノード排気ストリームをアノード入口に流入させて上記酸素捕獲媒体を介して上記アノード排気ストリーム中の酸素を除去するステップと、
    シャットダウン後、スタートアップ前、およびスタートアップ中と異なる期間において、上記吸収モジュールを含むことなく上記アノード出口を上記アノード入口へと流体的に接続する第２のアノード排気経路を介して上記アノード出口からのアノード排気ストリームを上記アノード入口に流入させるステップとを有し、
    シャットダウン後、スタートアップ前、およびスタートアップ中に、上記下流の排気ストリームは酸素含有量が減少していることを特徴とする方法。
13. スタートアップ前の酸素の減少が局所的なアノード電位の０．５Ｖまでの増加を減少させ、上記酸素捕獲媒体が、十分に加熱されたときに、再生されて、吸収された酸素を放出できる触媒である請求項１２に記載の方法。
14. 上記酸素捕獲媒体に熱を供給するように構成されたアノード・オフ・ガス・バーナーを、上記酸素捕獲媒体に熱的に接続するステップと、
    上記アノード・オフ・ガス・バーナー内で水素を燃焼させて、上記媒体を加熱するステップとをさらに有する請求項１２に記載の方法。
15. 燃焼用の水素のソースが、上記アノード排気ストリーム、上記水素燃料ソース、および再循環ループ内の再循環水素のうちの１つまたは複数を含む請求項１４に記載の方法。
16. 放出された酸素を含むガスストリームを上記アノード・オフ・ガス・バーナーに流体接続するステップと、
    上記酸素を水蒸気および排気として放出するステップとをさらに有する請求項１４に記載の方法。
17. 上記アノード排気をアノード・オフ・ガス・バーナーに通すことにより、上記アノード排気から水素を剥ぎ取り処理するステップをさらに有する請求項１２に記載の方法。
18. 上記燃料電池システムのスタートアップおよびシャットダウンの間に、上記アノード・オフ・ガス・バーナー内の触媒ヒーターを介して、上記アノード排気中の水素を燃焼させて上記酸素捕獲媒体を再生するステップをさらに有する請求項１６に記載の方法。
19. バルブおよびコントローラ（１０５）が設けられ、上記バルブが開閉して上記第１のアノード排気経路および上記第２のアノード排気経路を切り替えるように構成され、上記コントローラ（１０５）が当該バルブを選択的に開閉して、上記アノード入口および出口からの流体の流れを制御する請求項１２に記載の方法。

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