JPH11219716A - 燃料セルのｃｏセンサー - Google Patents
燃料セルのｃｏセンサーInfo
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- JPH11219716A JPH11219716A JP10297772A JP29777298A JPH11219716A JP H11219716 A JPH11219716 A JP H11219716A JP 10297772 A JP10297772 A JP 10297772A JP 29777298 A JP29777298 A JP 29777298A JP H11219716 A JPH11219716 A JP H11219716A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 改質物の流れのＣＯ濃度変動を迅速に実時間
で監視可能とする。 【解決手段】 ＰＥＭ燃料セルスタックへのＨ2燃料の
流れにおけるＣＯ汚染が、改質燃料流れと連通するＰＥ
Ｍプローブからの電流及び／又は電圧の挙動パターンを
測定することによって監視される。パターン認識ソフト
ウェアは、ＰＥＭプローブからの電流及び電圧のパター
ンを、ＰＥＭプローブと類似し、且つ、Ｈ2燃料の流れ
におけるＣＯ濃度の幅広い範囲に亘る制御条件下で作動
する基準セルから決定された電流及び電圧の内示出力と
比較するように使用することができる。ＣＯセンサー
は、ＰＥＭプローブと、ＣＯ濃度を監視するためにＰＥ
Ｍプローブを放電させる電気放電回路と、プローブの陽
極触媒に吸収されたＣＯを電気化学的に酸化させるた
め、ＰＥＭプローブの陽極の陽極電位を少なくとも約
０．８Ｖ（ＲＨＥ）まで断続的に上げる電気除去清掃回
路と、を有する。
で監視可能とする。 【解決手段】 ＰＥＭ燃料セルスタックへのＨ2燃料の
流れにおけるＣＯ汚染が、改質燃料流れと連通するＰＥ
Ｍプローブからの電流及び／又は電圧の挙動パターンを
測定することによって監視される。パターン認識ソフト
ウェアは、ＰＥＭプローブからの電流及び電圧のパター
ンを、ＰＥＭプローブと類似し、且つ、Ｈ2燃料の流れ
におけるＣＯ濃度の幅広い範囲に亘る制御条件下で作動
する基準セルから決定された電流及び電圧の内示出力と
比較するように使用することができる。ＣＯセンサー
は、ＰＥＭプローブと、ＣＯ濃度を監視するためにＰＥ
Ｍプローブを放電させる電気放電回路と、プローブの陽
極触媒に吸収されたＣＯを電気化学的に酸化させるた
め、ＰＥＭプローブの陽極の陽極電位を少なくとも約
０．８Ｖ（ＲＨＥ）まで断続的に上げる電気除去清掃回
路と、を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）センサー及び改質燃料蒸気のＣＯ濃度を制御するＰ
ＥＭ燃料セルへのＣＯ濃度を監視する方法に関する。
Ｏ）センサー及び改質燃料蒸気のＣＯ濃度を制御するＰ
ＥＭ燃料セルへのＣＯ濃度を監視する方法に関する。
【０００２】なお、アメリカ合衆国政府は、合衆国エネ
ルギー省により授与された契約Ｎｏ．DE-AC02-90CH1043
5に従って本発明における権利を持っている。
ルギー省により授与された契約Ｎｏ．DE-AC02-90CH1043
5に従って本発明における権利を持っている。
【０００３】
【従来技術】燃料セルは、多くの応用のためのパワー源
として提案されてきた。いわゆるＰＥＭ（陽子交換膜）
燃料セル［a.k.a.SPE（固体ポリマー電解質）燃料セ
ル］は、潜在的に高エネルギーを有する上に低重量であ
るので、自動車の応用（例えば電気自動車）に望まし
い。ＰＥＭ燃料セルは、当該技術分野で周知であり、一
方の面に陽極、反対側の面に陰極を有する、薄い陽子伝
達性の固体ポリマー膜電極からなる「膜電極アセンブリ
（a.k.a.ＭＥＡ）」を備えている。この膜電極アセンブ
リは、一対の電気伝導性の要素の間に挟まれており、こ
の要素は、陽極及び陰極のための電流収集器として機能
し、適切なチャンネル及び又は陽極及び陰極の各々の触
媒表面上の燃料セルのガス反応物を分配するための開口
をチャンネル間に備えている。反応物のためのチャンネ
ル／開口は、「流れチャンネル（flowchannel）」とし
てしばしば言及される。複数の個々のセルは、一般的に
は、一緒に束ねられてＰＥＭ燃料セルスタックを形成す
る。
として提案されてきた。いわゆるＰＥＭ（陽子交換膜）
燃料セル［a.k.a.SPE（固体ポリマー電解質）燃料セ
ル］は、潜在的に高エネルギーを有する上に低重量であ
るので、自動車の応用（例えば電気自動車）に望まし
い。ＰＥＭ燃料セルは、当該技術分野で周知であり、一
方の面に陽極、反対側の面に陰極を有する、薄い陽子伝
達性の固体ポリマー膜電極からなる「膜電極アセンブリ
（a.k.a.ＭＥＡ）」を備えている。この膜電極アセンブ
リは、一対の電気伝導性の要素の間に挟まれており、こ
の要素は、陽極及び陰極のための電流収集器として機能
し、適切なチャンネル及び又は陽極及び陰極の各々の触
媒表面上の燃料セルのガス反応物を分配するための開口
をチャンネル間に備えている。反応物のためのチャンネ
ル／開口は、「流れチャンネル（flowchannel）」とし
てしばしば言及される。複数の個々のセルは、一般的に
は、一緒に束ねられてＰＥＭ燃料セルスタックを形成す
る。
【０００４】ＰＥＭ燃料セルは、典型的には、Ｈ2−Ｏ2
燃料セルであり、そこでは水素が陽極反応物（即ち、燃
料）であり、酸素が陰極反応物（即ち、強酸化性物質）
である。酸素は、純粋な形態（即ち、Ｏ2）又は空気
（即ちＮ2と混合されたＯ2）のいずれであってもよい。
個体ポリマー膜は、典型的には、例えばフッ素化合され
たスルホン酸などのイオン交換樹脂から作られている。
そのような樹脂の一つがイー・アイ・デュポン デネメ
オルス社（E.I.DuPont deNemeors &Co）によって販売さ
れている「NAFIONTM」である。そのような膜は、当該技
術分野で周知であり、米国特許５，２７２，０１７号及
び３，１３４，６９７号や、とりわけ、パワー源（Powe
r Sorces)誌の第２９巻（１９９０）の３６７ページ乃
至３８７ページに述べられている。陽極及び陰極それ自
体は、典型的には、細かく分割された炭素粒子と、この
炭素粒子の内部及び外部で支持された非常に細かく分割
された触媒粒子と、炭素粒子及び触媒粒子と混ざり合っ
た導電性樹脂と、を含む。そのような膜電極アセンブリ
及び燃料セルが１９９３年１２月２１日に公表され、本
発明の代理人に指定された米国特許５，２７２，０１７
号に述べられている。
燃料セルであり、そこでは水素が陽極反応物（即ち、燃
料）であり、酸素が陰極反応物（即ち、強酸化性物質）
である。酸素は、純粋な形態（即ち、Ｏ2）又は空気
（即ちＮ2と混合されたＯ2）のいずれであってもよい。
個体ポリマー膜は、典型的には、例えばフッ素化合され
たスルホン酸などのイオン交換樹脂から作られている。
そのような樹脂の一つがイー・アイ・デュポン デネメ
オルス社（E.I.DuPont deNemeors &Co）によって販売さ
れている「NAFIONTM」である。そのような膜は、当該技
術分野で周知であり、米国特許５，２７２，０１７号及
び３，１３４，６９７号や、とりわけ、パワー源（Powe
r Sorces)誌の第２９巻（１９９０）の３６７ページ乃
至３８７ページに述べられている。陽極及び陰極それ自
体は、典型的には、細かく分割された炭素粒子と、この
炭素粒子の内部及び外部で支持された非常に細かく分割
された触媒粒子と、炭素粒子及び触媒粒子と混ざり合っ
た導電性樹脂と、を含む。そのような膜電極アセンブリ
及び燃料セルが１９９３年１２月２１日に公表され、本
発明の代理人に指定された米国特許５，２７２，０１７
号に述べられている。
【０００５】燃料セルで用いられる水素は、メタノール
又は他の有機物（例えば炭化水素）の改質物から抽出す
ることができる。不運にも、改質器から流出する改質物
は、望ましからぬほど高濃度の一酸化炭素を含み、この
一酸化炭素は燃料セルの陽極の触媒を不能にすることが
できるので、取り除かなければならない。例えば、メタ
ノールの改質プロセスでは、理論上、メタノールと水
（蒸気として）とが反応し、次の反応に従って水素と二
酸化炭素とを生成する。
又は他の有機物（例えば炭化水素）の改質物から抽出す
ることができる。不運にも、改質器から流出する改質物
は、望ましからぬほど高濃度の一酸化炭素を含み、この
一酸化炭素は燃料セルの陽極の触媒を不能にすることが
できるので、取り除かなければならない。例えば、メタ
ノールの改質プロセスでは、理論上、メタノールと水
（蒸気として）とが反応し、次の反応に従って水素と二
酸化炭素とを生成する。
【０００６】ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋３Ｈ2 この反応は、触媒塊を通して必要な熱エネルギーを提供
し、実際に、水素と二酸化炭素と一酸化炭素と水とを含
む改質ガスを与える化学反応内で種々雑多に達成され
る。このような改質器の一つがバンダーボルフ（Vander
borgh）に付与された米国特許第４，６５０，７２７号
に述べられている。一酸化炭素（即ち、１−３モル％）
は、改質器から流出するＨ2に富む改質物／流出物に含
まれており、陽極触媒に吸収されることによる陽極の不
能化を防止するため非常に低い非毒性（即ち陽極に対す
る）の濃度（約２０ｐｐｍより小さい濃度）にまで除去
又は減じられなければならない。反応しない水は燃料ガ
スを湿らせ、ＭＥＡの乾燥を防止するのに役立つ。
し、実際に、水素と二酸化炭素と一酸化炭素と水とを含
む改質ガスを与える化学反応内で種々雑多に達成され
る。このような改質器の一つがバンダーボルフ（Vander
borgh）に付与された米国特許第４，６５０，７２７号
に述べられている。一酸化炭素（即ち、１−３モル％）
は、改質器から流出するＨ2に富む改質物／流出物に含
まれており、陽極触媒に吸収されることによる陽極の不
能化を防止するため非常に低い非毒性（即ち陽極に対す
る）の濃度（約２０ｐｐｍより小さい濃度）にまで除去
又は減じられなければならない。反応しない水は燃料ガ
スを湿らせ、ＭＥＡの乾燥を防止するのに役立つ。
【０００７】メタノール改質器から流出する改質物／流
出物の一酸化炭素、即ちＣＯのレベルは、いわゆる「シ
フト（shift）」反応を用いることによって減じること
ができることが知られている。シフト反応では、水（即
ち蒸気）は、適切な触媒の存在において、その温度を低
下させ、その中の炭素に対する蒸気の比率を増加させる
ため改質器から流出するメタノール改質物／流出物に注
入される。炭素に対する蒸気の比率が高くなればなるほ
ど以下の理想的なシフト反応に従って改質物の一酸化炭
素含有量を低下させるのに役立つ。
出物の一酸化炭素、即ちＣＯのレベルは、いわゆる「シ
フト（shift）」反応を用いることによって減じること
ができることが知られている。シフト反応では、水（即
ち蒸気）は、適切な触媒の存在において、その温度を低
下させ、その中の炭素に対する蒸気の比率を増加させる
ため改質器から流出するメタノール改質物／流出物に注
入される。炭素に対する蒸気の比率が高くなればなるほ
ど以下の理想的なシフト反応に従って改質物の一酸化炭
素含有量を低下させるのに役立つ。
【０００８】ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 このシフト反応でも生き残って改質器に残ってしまうＣ
Ｏがある。改質物の流率及び蒸気注入率に応じて、シフ
ト反応で残ったガスの一酸化炭素含有量は、０．５モル
％程度であり得る。残りのメタノールは、シフト反応に
おいて二酸化炭素と水素とに変換される。従って、シフ
ト反応流出物は、水素、二酸化炭素、水及びいくらかの
一酸化炭素を含んでいる。
Ｏがある。改質物の流率及び蒸気注入率に応じて、シフ
ト反応で残ったガスの一酸化炭素含有量は、０．５モル
％程度であり得る。残りのメタノールは、シフト反応に
おいて二酸化炭素と水素とに変換される。従って、シフ
ト反応流出物は、水素、二酸化炭素、水及びいくらかの
一酸化炭素を含んでいる。
【０００９】シフト反応は、改質物のＣＯ含有量を十分
に減少させる（即ち、約２０ｐｐｍより低下させる）の
に十分ではない。従って、その燃料セルに供給する前
に、シフト反応装置から流出する水素に富む改質物の蒸
気から一酸化炭素を更に取り除くことが必要である。適
切なプロックス反応装置の中で有効に働く、いわゆる
「プロックス（PROX）」（即ち、優先酸化）反応によっ
て、シフト反応装置から流出するＨ2に富む改質物のＣ
Ｏ含有量が更に減少することが知られている。このプロ
ックス反応は、（１）断熱（即ち、触媒の温度がＣＯの
酸化中に上昇することが許される）又は（２）等温（即
ち、触媒の温度ＣＯの酸化中に実質的に一定に維持され
る）のいずれの反応もあり得る。プロックス反応装置
は、実質的な量のＨ2を消費／酸化することなくＣＯを
消費するため、調整された量の空気をシフト反応装置か
らの流出物の中に注入することによってＣＯの優先的な
酸化を促進するような温度で作用する触媒床を含んでい
る。このプロックス反応は以下の通りである。
に減少させる（即ち、約２０ｐｐｍより低下させる）の
に十分ではない。従って、その燃料セルに供給する前
に、シフト反応装置から流出する水素に富む改質物の蒸
気から一酸化炭素を更に取り除くことが必要である。適
切なプロックス反応装置の中で有効に働く、いわゆる
「プロックス（PROX）」（即ち、優先酸化）反応によっ
て、シフト反応装置から流出するＨ2に富む改質物のＣ
Ｏ含有量が更に減少することが知られている。このプロ
ックス反応は、（１）断熱（即ち、触媒の温度がＣＯの
酸化中に上昇することが許される）又は（２）等温（即
ち、触媒の温度ＣＯの酸化中に実質的に一定に維持され
る）のいずれの反応もあり得る。プロックス反応装置
は、実質的な量のＨ2を消費／酸化することなくＣＯを
消費するため、調整された量の空気をシフト反応装置か
らの流出物の中に注入することによってＣＯの優先的な
酸化を促進するような温度で作用する触媒床を含んでい
る。このプロックス反応は以下の通りである。
【００１０】ＣＯ＋1/2 Ｏ2 → ＣＯ2 望ましくは、プロックス反応のため要求されるＯ2は、
改質物の中のＣＯと反応するために最小限要求される量
の約２倍となるであろう。Ｏ2の量が必要とされる最小
限の量の約２倍よりも実質的に少なくなるならば、ＣＯ
酸化が不充分にしか起こらないだろう。他方、Ｏ2の量
が必要とされる最小限の量の約２倍よりも大きくなるな
らば、Ｈ2の過剰な消費が結果として生じる。Ｈ2の消費
は、ガスの温度を上昇させ、次いで逆ガスシフト反応と
して知られているＨ2とＣＯ2との反応によってＣＯ2の
形成を引き起こす。従って、プロックス反応で注入され
た空気量を注意深く制御することは、燃料セルへの改質
物供給の流れのＣＯ含有量を制御する上で本質的に重要
である。このプロックスプロセスは、カリフォリニア、
ロングビーチで１９８８年１０月２３日乃至２６日に開
催された１９８８年度燃料セルセミナーのプログラム及
び要約で公表された「低温度燃料セルのためのメタノー
ル燃料処理」と題された論文と、米国バンデンボルフ特
許そして他のものではとりわけ米国特許５，２７１，９
１６号とに記載されている。
改質物の中のＣＯと反応するために最小限要求される量
の約２倍となるであろう。Ｏ2の量が必要とされる最小
限の量の約２倍よりも実質的に少なくなるならば、ＣＯ
酸化が不充分にしか起こらないだろう。他方、Ｏ2の量
が必要とされる最小限の量の約２倍よりも大きくなるな
らば、Ｈ2の過剰な消費が結果として生じる。Ｈ2の消費
は、ガスの温度を上昇させ、次いで逆ガスシフト反応と
して知られているＨ2とＣＯ2との反応によってＣＯ2の
形成を引き起こす。従って、プロックス反応で注入され
た空気量を注意深く制御することは、燃料セルへの改質
物供給の流れのＣＯ含有量を制御する上で本質的に重要
である。このプロックスプロセスは、カリフォリニア、
ロングビーチで１９８８年１０月２３日乃至２６日に開
催された１９８８年度燃料セルセミナーのプログラム及
び要約で公表された「低温度燃料セルのためのメタノー
ル燃料処理」と題された論文と、米国バンデンボルフ特
許そして他のものではとりわけ米国特許５，２７１，９
１６号とに記載されている。
【００１１】断熱又は等温のプロックス反応のいずれに
しても、制御された量のＯ2（即ち空気として）は、シ
フト反応装置から流出する改質物と混合され、この混合
物は、当該技術分野の熟練者に知られている適切なプロ
ックス触媒床を通過する。空気の入力率を制御するため
に、シフト反応装置及びプロックス反応装置のいずれか
から流出するガス中のＣＯ濃度が測定され、これに基づ
いて、プロックス反応に必要とされるＯ2濃度が調整さ
れる。
しても、制御された量のＯ2（即ち空気として）は、シ
フト反応装置から流出する改質物と混合され、この混合
物は、当該技術分野の熟練者に知られている適切なプロ
ックス触媒床を通過する。空気の入力率を制御するため
に、シフト反応装置及びプロックス反応装置のいずれか
から流出するガス中のＣＯ濃度が測定され、これに基づ
いて、プロックス反応に必要とされるＯ2濃度が調整さ
れる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
でのところ、敏感で実時間のＣＯセンサーは利用可能で
なく、従って、ＣＯ濃度変動に対するシステムの反応
は、ゆっくりとしたものである。このことは、Ｈ2に富
む改質物の流れ率及びＣＯ含有量が燃料セルシステムの
パワー需要の変動に応じて連続的に変動するような動的
システムにおいて特別に困難なこととなる。プロックス
反応装置に供給されるＯ2（例えば空気）の量は、シス
テムへの変動するパワー要求を受け入れるために実時間
に基づいて変動しなければならないので、改質物の流れ
におけるＣＯを連続的に監視し、これによって（１）プ
ロックス反応装置での酸素対一酸化炭素の濃度比率を適
切に維持し、及び／又は（２）それのＣＯ含有量が受容
可能なレベル以内に低下するまで燃料セルから改質物の
流れをそらすための迅速に反応するセンサーに対する必
要が存在している。
でのところ、敏感で実時間のＣＯセンサーは利用可能で
なく、従って、ＣＯ濃度変動に対するシステムの反応
は、ゆっくりとしたものである。このことは、Ｈ2に富
む改質物の流れ率及びＣＯ含有量が燃料セルシステムの
パワー需要の変動に応じて連続的に変動するような動的
システムにおいて特別に困難なこととなる。プロックス
反応装置に供給されるＯ2（例えば空気）の量は、シス
テムへの変動するパワー要求を受け入れるために実時間
に基づいて変動しなければならないので、改質物の流れ
におけるＣＯを連続的に監視し、これによって（１）プ
ロックス反応装置での酸素対一酸化炭素の濃度比率を適
切に維持し、及び／又は（２）それのＣＯ含有量が受容
可能なレベル以内に低下するまで燃料セルから改質物の
流れをそらすための迅速に反応するセンサーに対する必
要が存在している。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、小型のＰＥＭ燃料セルをプローブとして
用いている敏感なＣＯセンサーと、燃料セルシステムの
作動を制御するための手段としてＰＥＭ燃料セルへの改
質物供給の流れにおけるＣＯ濃度を実時間で監視するた
めの方法を提供する。本発明によれば、このセンサー
は、センサーのＣＯ感度を維持するため、そこから任意
のＣＯを取り除くことによって繰り返しリフレッシュさ
れる。ＣＯの除去は、後述するように、化学的又は電気
化学的に働くようにしてもよい。本発明は、システムの
作動開始の間にプロックス流出物のＣＯレベルが、陽極
触媒に害を与えることなくそのような流出物を燃料セル
に向けることができるほど十分に低くなるような時期を
決定する上で有効である。本発明は、プロックス反応装
置内でＨ2消費を最小化する一方でＣＯ消費を最大化す
るように、プロックス反応装置から流出するＨ2ガスの
流れのＣＯ濃度に応答してプロックス反応に供給される
Ｏ2（即ち、空気として）の量を実時間制御する上で特
に有効である。改質物におけるＣＯ濃度は燃料セルへの
改質燃料の流れ内の様々な位置で測定することができる
（例えば改質器、シフト又はプロックス反応の後）。
め、本発明は、小型のＰＥＭ燃料セルをプローブとして
用いている敏感なＣＯセンサーと、燃料セルシステムの
作動を制御するための手段としてＰＥＭ燃料セルへの改
質物供給の流れにおけるＣＯ濃度を実時間で監視するた
めの方法を提供する。本発明によれば、このセンサー
は、センサーのＣＯ感度を維持するため、そこから任意
のＣＯを取り除くことによって繰り返しリフレッシュさ
れる。ＣＯの除去は、後述するように、化学的又は電気
化学的に働くようにしてもよい。本発明は、システムの
作動開始の間にプロックス流出物のＣＯレベルが、陽極
触媒に害を与えることなくそのような流出物を燃料セル
に向けることができるほど十分に低くなるような時期を
決定する上で有効である。本発明は、プロックス反応装
置内でＨ2消費を最小化する一方でＣＯ消費を最大化す
るように、プロックス反応装置から流出するＨ2ガスの
流れのＣＯ濃度に応答してプロックス反応に供給される
Ｏ2（即ち、空気として）の量を実時間制御する上で特
に有効である。改質物におけるＣＯ濃度は燃料セルへの
改質燃料の流れ内の様々な位置で測定することができる
（例えば改質器、シフト又はプロックス反応の後）。
【００１４】本発明の好ましい実施例によれば、ＰＥＭ
プローブを含むＣＯセンサーと、その感度を維持し、Ｈ
2−Ｏ2のＰＥＭ燃料セルスタックへの改質燃料の流れの
ＣＯ含有量を実時間で制御することを提供するため、Ｐ
ＥＭプローブを用いる方法を提供する。ＰＥＭプローブ
は、本質的に小型のＰＥＭ燃料セルであり、このセル
は、スタックのセルのように、陽子交換膜の各々反対側
にある表面にそれぞれ取り付けられた陽極及び陰極と、
スタックに水素を供給している水素供給マニフォールド
から水素を受け入れる、陽極と向き合った水素流れチャ
ンネルと、を有する。ＰＥＭプローブの陽極は、好まし
くは、スタックそれ自体と比較してＣＯ感度を増大させ
るため、スタックのセルよりセル領域が小さく、触媒荷
重（即ちｇ／ｃｍ2）がより低い。非常に好ましくは、
ＰＥＭプローブの電極の表面領域は、スタックの電極の
表面領域の約１０％より小さくなり、触媒荷重はスタッ
クセルの触媒荷重の約半分となる。さらに、本発明によ
れば、ＰＥＭプローブの感度は、燃料セルに供給される
改質ガスを監視する間にそこに吸収されるようになり得
るＣＯをプローブの陽極触媒から断続的に除去すること
によって、よりいっそう高められる。除去清掃の周期
は、実質的にＣＯの無い状態若しくはこれに近い状態、
即ち、短い間隔でその触媒上のＣＯの蓄積を検出すると
きにプローブが非常に効果的で敏感に反応する状態とな
るように触媒を維持するように定められる。この点に関
し、プローブは、汚染の初期の段階では、全く効果的で
敏感な反応を示すが、プローブがＣＯでますます汚染さ
れるようになるにつれてその効果は減じられる。ＣＯの
除去は、好ましくは、陽極の電位を十分に上げ［即ち、
反転可能な水素電極（ＲＨＥ)に対して測定された少な
くとも０．８Ｖにまで］、燃料蒸気に存在している水と
の反応により触媒上でＣＯを電気化学的にＣＯ2へ酸化
することによってその効果を発揮する。これは、後述す
るように、ＰＥＭプローブの反転偏倚（reverse biasin
g）又は短絡回路（short circuiting）により達成する
ことができる。その代わりに、プローブはＯ2（例えば
空気）を吹き流して化学的にＣＯを酸化させるようにし
てもよい。
プローブを含むＣＯセンサーと、その感度を維持し、Ｈ
2−Ｏ2のＰＥＭ燃料セルスタックへの改質燃料の流れの
ＣＯ含有量を実時間で制御することを提供するため、Ｐ
ＥＭプローブを用いる方法を提供する。ＰＥＭプローブ
は、本質的に小型のＰＥＭ燃料セルであり、このセル
は、スタックのセルのように、陽子交換膜の各々反対側
にある表面にそれぞれ取り付けられた陽極及び陰極と、
スタックに水素を供給している水素供給マニフォールド
から水素を受け入れる、陽極と向き合った水素流れチャ
ンネルと、を有する。ＰＥＭプローブの陽極は、好まし
くは、スタックそれ自体と比較してＣＯ感度を増大させ
るため、スタックのセルよりセル領域が小さく、触媒荷
重（即ちｇ／ｃｍ2）がより低い。非常に好ましくは、
ＰＥＭプローブの電極の表面領域は、スタックの電極の
表面領域の約１０％より小さくなり、触媒荷重はスタッ
クセルの触媒荷重の約半分となる。さらに、本発明によ
れば、ＰＥＭプローブの感度は、燃料セルに供給される
改質ガスを監視する間にそこに吸収されるようになり得
るＣＯをプローブの陽極触媒から断続的に除去すること
によって、よりいっそう高められる。除去清掃の周期
は、実質的にＣＯの無い状態若しくはこれに近い状態、
即ち、短い間隔でその触媒上のＣＯの蓄積を検出すると
きにプローブが非常に効果的で敏感に反応する状態とな
るように触媒を維持するように定められる。この点に関
し、プローブは、汚染の初期の段階では、全く効果的で
敏感な反応を示すが、プローブがＣＯでますます汚染さ
れるようになるにつれてその効果は減じられる。ＣＯの
除去は、好ましくは、陽極の電位を十分に上げ［即ち、
反転可能な水素電極（ＲＨＥ)に対して測定された少な
くとも０．８Ｖにまで］、燃料蒸気に存在している水と
の反応により触媒上でＣＯを電気化学的にＣＯ2へ酸化
することによってその効果を発揮する。これは、後述す
るように、ＰＥＭプローブの反転偏倚（reverse biasin
g）又は短絡回路（short circuiting）により達成する
ことができる。その代わりに、プローブはＯ2（例えば
空気）を吹き流して化学的にＣＯを酸化させるようにし
てもよい。
【００１５】好ましいＣＯセンサーは、吸収されたＣＯ
を取り除くために、ＰＥＭプローブの断続的な電気化学
的な除去清掃を有効にする手段を含んでいる。一つの実
施例では、ＣＯセンサーは、陽極及び陰極を有する陽子
交換膜を含み、且つ、この陽極及び陰極が前記膜の各々
反対側にある第１及び第２の表面に各々取り付けられて
いるガス監視用ＰＥＭプローブと、前記陽極と係合する
第１の電流コレクターと、前記陰極と係合する第２の電
流コレクターと、これらの電流コレクターの間に接続可
能な電気放電回路であって、前記放電回路は、陽極のＣ
Ｏ汚染に伴うＰＥＭプローブの出力降下を監視するため
に選択された第１の率でＰＥＭプローブを放電するため
の値が定められた第１の電気抵抗を有する、前記電気放
電回路と、前記電流コレクターの間に接続可能な電気除
去清掃回路であって、前記除去清掃回路は前記第１の電
気抵抗より小さい第２の電気抵抗を有し、これによっ
て、前記第２の電気抵抗を通ってＰＥＭプローブが放電
するときに陽極の電位が少なくとも０．８Ｖ（ＲＨＥ）
まで上がって、陽極に吸収されたＣＯの電気化学的な酸
化が有効に作用するようにした、前記電気除去清掃回路
と、前記電流コレクターの間を電気的に直列接続され、
且つ、前記電流コレクターを前記放電回路及び前記除去
清掃回路に交互に且つ断続的に電気接続する電気スイッ
チと、を有する。この実施例では、センサーは、除去清
掃段階の間にＰＥＭプローブへのＨ2の流れを遮断する
ための駆動弁も含むのが好ましい。さらに好ましくは、
前記放電回路と前記除去清掃回路との間をスイッチする
前記スイッチは、除去清掃サイクルの間にプローブへの
Ｈ2の流れを停止すると同時にその流れを除去清掃回路
に接続し、放電サイクルの間ではその逆を行うためのＨ
2遮断弁の中に構築されるであろう。
を取り除くために、ＰＥＭプローブの断続的な電気化学
的な除去清掃を有効にする手段を含んでいる。一つの実
施例では、ＣＯセンサーは、陽極及び陰極を有する陽子
交換膜を含み、且つ、この陽極及び陰極が前記膜の各々
反対側にある第１及び第２の表面に各々取り付けられて
いるガス監視用ＰＥＭプローブと、前記陽極と係合する
第１の電流コレクターと、前記陰極と係合する第２の電
流コレクターと、これらの電流コレクターの間に接続可
能な電気放電回路であって、前記放電回路は、陽極のＣ
Ｏ汚染に伴うＰＥＭプローブの出力降下を監視するため
に選択された第１の率でＰＥＭプローブを放電するため
の値が定められた第１の電気抵抗を有する、前記電気放
電回路と、前記電流コレクターの間に接続可能な電気除
去清掃回路であって、前記除去清掃回路は前記第１の電
気抵抗より小さい第２の電気抵抗を有し、これによっ
て、前記第２の電気抵抗を通ってＰＥＭプローブが放電
するときに陽極の電位が少なくとも０．８Ｖ（ＲＨＥ）
まで上がって、陽極に吸収されたＣＯの電気化学的な酸
化が有効に作用するようにした、前記電気除去清掃回路
と、前記電流コレクターの間を電気的に直列接続され、
且つ、前記電流コレクターを前記放電回路及び前記除去
清掃回路に交互に且つ断続的に電気接続する電気スイッ
チと、を有する。この実施例では、センサーは、除去清
掃段階の間にＰＥＭプローブへのＨ2の流れを遮断する
ための駆動弁も含むのが好ましい。さらに好ましくは、
前記放電回路と前記除去清掃回路との間をスイッチする
前記スイッチは、除去清掃サイクルの間にプローブへの
Ｈ2の流れを停止すると同時にその流れを除去清掃回路
に接続し、放電サイクルの間ではその逆を行うためのＨ
2遮断弁の中に構築されるであろう。
【００１６】他の非常に好ましい実施例では、ＣＯセン
サーは、陽極及び陰極を有する陽子交換膜を含み、且
つ、この陽極及び陰極が前記膜の各々反対側にある第１
及び第２の表面に各々取り付けられているガス監視用Ｐ
ＥＭプローブと、前記陽極と係合する第１の電流コレク
ターと、前記陰極と係合する第２の電流コレクターと、
これらの電流コレクターの間に接続可能な電気放電回路
であって、前記放電回路は、陽極のＣＯ汚染に伴うＰＥ
Ｍプローブの出力降下を監視するために選択された率で
ＰＥＭプローブを放電するための値が定められた第１の
電気抵抗を有する、前記電気放電回路と、前記電流回路
の間に接続可能であり、且つ、陽極に吸収されたＣＯの
電気化学的な酸化を促すために陽極の電位を少なくとも
約０．８Ｖ（ＲＨＥ）まで上げるのに十分な程度にＰＥ
Ｍプローブに反転電気偏倚を印加する電圧源を含む電気
除去清掃回路と、前記電流コレクターの間を電気的に直
列接続され、且つ、これらの接続点を前記放電回路及び
前記除去清掃回路に交互に且つ断続的に電気接続する電
気スイッチと、を有する。この実施例は、Ｈ2の流れを
遮断する必要無しに最も迅速で最も制御しやすい陽極の
ＣＯ除去を可能にするように思われる。
サーは、陽極及び陰極を有する陽子交換膜を含み、且
つ、この陽極及び陰極が前記膜の各々反対側にある第１
及び第２の表面に各々取り付けられているガス監視用Ｐ
ＥＭプローブと、前記陽極と係合する第１の電流コレク
ターと、前記陰極と係合する第２の電流コレクターと、
これらの電流コレクターの間に接続可能な電気放電回路
であって、前記放電回路は、陽極のＣＯ汚染に伴うＰＥ
Ｍプローブの出力降下を監視するために選択された率で
ＰＥＭプローブを放電するための値が定められた第１の
電気抵抗を有する、前記電気放電回路と、前記電流回路
の間に接続可能であり、且つ、陽極に吸収されたＣＯの
電気化学的な酸化を促すために陽極の電位を少なくとも
約０．８Ｖ（ＲＨＥ）まで上げるのに十分な程度にＰＥ
Ｍプローブに反転電気偏倚を印加する電圧源を含む電気
除去清掃回路と、前記電流コレクターの間を電気的に直
列接続され、且つ、これらの接続点を前記放電回路及び
前記除去清掃回路に交互に且つ断続的に電気接続する電
気スイッチと、を有する。この実施例は、Ｈ2の流れを
遮断する必要無しに最も迅速で最も制御しやすい陽極の
ＣＯ除去を可能にするように思われる。
【００１７】本発明のプロセスによれば、ＰＥＭプロー
ブはその触媒上に蓄積されたＣＯを断続的に除去され
る。このような除去清掃の合間に、プローブの電流及び
／又は電圧の出力は、改質物（例えばプロックス流出
物）のＣＯ濃度を決定するために監視され、参照標準値
と比較される。より詳しくは、本発明のプロセスは、以
下の通りとなる。
ブはその触媒上に蓄積されたＣＯを断続的に除去され
る。このような除去清掃の合間に、プローブの電流及び
／又は電圧の出力は、改質物（例えばプロックス流出
物）のＣＯ濃度を決定するために監視され、参照標準値
と比較される。より詳しくは、本発明のプロセスは、以
下の通りとなる。
【００１８】ａ． 陽極及び陰極を有する陽子交換膜を
含み、且つ、この陽極及び陰極が前記膜の各々反対側に
ある第１及び第２の表面に各々取り付けられている監視
用ＰＥＭプローブを含むＣＯセンサーであって、前記陽
極が触媒を含み、且つ、該触媒がその触媒によるＣＯの
吸収に伴う有害さの影響を受けやすく、このＣＯ吸収の
初期段階における最高性能のレベルからそのような吸収
におけるより後段階での低下した性能のレベルまで触媒
の漸近的な劣化が必然的に起こるような、前記ＣＯセン
サーを提供し、 ｂ． 複数の予め定められた時間間隔に亘って、燃料セ
ルに供給されるＨ2供給流れの一部分に前記陽極を接触
させ、 ｃ． 前記陰極を酸素と接触させ、 ｄ． 前記時間間隔の間、前記ＰＥＭプローブを放電さ
せ、 ｅ． 前記放電の間に前記ＰＥＭプローブからの電気出
力を監視して前記供給流れのＣＯ濃度の変動を示す挙動
パターンを有する出力信号を生成し、 ｆ． 前記監視用ＰＥＭプローブに類似した基準用ＰＥ
Ｍプローブに基づいて、前記供給流れの既知のＣＯ濃度
と相互に関連する複数の表示電気出力を決定し、 ｇ． 読み取り可能なメモリに前記表示電気出力を格納
し、 ｈ．前記監視用センサーからの出力信号を前記基準用Ｐ
ＥＭプローブからの表示電気出力と比較して前記挙動パ
ターンと実質的に類似した表示電気出力を同定すること
により前記供給流れにおけるＣＯ濃度を決定し、 ｉ．前記時間間隔の合間に、周期的に前記触媒からＣＯ
を除去して、前記触媒を実質的にその最高性能レベルに
維持する。
含み、且つ、この陽極及び陰極が前記膜の各々反対側に
ある第１及び第２の表面に各々取り付けられている監視
用ＰＥＭプローブを含むＣＯセンサーであって、前記陽
極が触媒を含み、且つ、該触媒がその触媒によるＣＯの
吸収に伴う有害さの影響を受けやすく、このＣＯ吸収の
初期段階における最高性能のレベルからそのような吸収
におけるより後段階での低下した性能のレベルまで触媒
の漸近的な劣化が必然的に起こるような、前記ＣＯセン
サーを提供し、 ｂ． 複数の予め定められた時間間隔に亘って、燃料セ
ルに供給されるＨ2供給流れの一部分に前記陽極を接触
させ、 ｃ． 前記陰極を酸素と接触させ、 ｄ． 前記時間間隔の間、前記ＰＥＭプローブを放電さ
せ、 ｅ． 前記放電の間に前記ＰＥＭプローブからの電気出
力を監視して前記供給流れのＣＯ濃度の変動を示す挙動
パターンを有する出力信号を生成し、 ｆ． 前記監視用ＰＥＭプローブに類似した基準用ＰＥ
Ｍプローブに基づいて、前記供給流れの既知のＣＯ濃度
と相互に関連する複数の表示電気出力を決定し、 ｇ． 読み取り可能なメモリに前記表示電気出力を格納
し、 ｈ．前記監視用センサーからの出力信号を前記基準用Ｐ
ＥＭプローブからの表示電気出力と比較して前記挙動パ
ターンと実質的に類似した表示電気出力を同定すること
により前記供給流れにおけるＣＯ濃度を決定し、 ｉ．前記時間間隔の合間に、周期的に前記触媒からＣＯ
を除去して、前記触媒を実質的にその最高性能レベルに
維持する。
【００１９】一旦、ＣＯ濃度が決定されたならば、この
システムに対しどのような調整が要求されているかに関
して決定を下すことができる。従って、例えば、一つの
シナリオでは、プロックス反応装置へのＯ2注入率は変
動してもよく、また他のシナリオでは、プロックス流出
物は、そのＣＯ含有量が受容可能なレベル（即ち、およ
そ２０ｐｐｍ以下）の範囲以内に低下するまで、燃料セ
ルスタックから離れたところで送られてもよい。
システムに対しどのような調整が要求されているかに関
して決定を下すことができる。従って、例えば、一つの
シナリオでは、プロックス反応装置へのＯ2注入率は変
動してもよく、また他のシナリオでは、プロックス流出
物は、そのＣＯ含有量が受容可能なレベル（即ち、およ
そ２０ｐｐｍ以下）の範囲以内に低下するまで、燃料セ
ルスタックから離れたところで送られてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明は、添付した図面と関連付
けながら以下で述べる本発明の実施形態の説明に基づい
て思慮されるとき、より良く理解されるであろう。
けながら以下で述べる本発明の実施形態の説明に基づい
て思慮されるとき、より良く理解されるであろう。
【００２１】簡単に言えば、本発明のセンサーは、好ま
しくは、内部のガスをテストするため燃料セルスタック
への水素燃料供給マニフォールドに接続されたＰＥＭプ
ローブに接続された一定負荷を通過する電流及び該抵抗
にかかる電圧を監視している。電圧検出装置は、予め定
められた時間間隔に亘って一定負荷にかかる電圧揺らぎ
を検知し、前記間隔に亘る電圧揺らぎの挙動パターンを
表す電圧信号を出力する。電流検出装置は、予め定めら
れた時間間隔に亘って一定負荷を通過する電流揺らぎを
検知し、前記間隔に亘る電流揺らぎの挙動パターンを表
す電圧信号を出力する。第１のデータプロセッサは、デ
ータ取得ユニットとして機能し、従来の技術を用いて電
流及び電圧信号を標本化し、該信号をノイズ信号を遮断
するように調整し、それらをディジタルデータの流れに
変換する。適切なメモリ装置は、改質物のＣＯ濃度に類
似したガス中の様々な温度及び圧力における既知のＣＯ
濃度に関連する、内示の電圧及び電流出力を格納する。
この点に関し、内示の出力は、ＰＥＭプローブに類似
し、ＰＥＭプローブ（例えば、ＰＥＭプローブに接続さ
れた負荷としてそこを横切る同じ抵抗を持つ）に類似し
た態様で放電する基準セルから経験的に予め生成された
ものである。この基準セルは異なるＣＯ濃度に対応する
内示の電流及び／又は電圧出力のライブラリを発展させ
るため、Ｈ2供給流れにおける幅広い範囲の既知のＣＯ
濃度に亘って作動する。最終的に、第２のデータプロセ
ッサ（例えばパーソナルコンピュータ）がディジタルデ
ータの流れを受信し、与えられた時間間隔に亘るＰＥＭ
プローブからの電圧及び電流の揺らぎの挙動パターンの
曲線をプロットし、これらの電圧及び電流の挙動パター
ンを基準セルから決定された内示の電圧及び電流の出力
と比較し、比較された挙動パターンと実質的に同様の内
示出力の少なくとも一つを候補として掲げるか、さもな
ければ同定する。好ましくは、比較の方法論及び内示出
力は、本発明の代理人に指定され、エム・メルツァーの
名前で１９９７年、２月２８日に出願された米国特許出
願の米国シリアル番号０８／８０７，５５９号に記載さ
れており、これを参照することによって本明細書に組み
入れられるように意図される。その代わりに、全挙動パ
ターン及び内示出力をプロットするより、挙動パターン
と内示出力との間の省略された関係を使用することがで
きる。例えば、開始時及び終了時の電圧が、時間の予め
定められた増分と、時間と共に線形に変化するように仮
定されたこの増分に亘って変化する電圧との始めと終わ
りに対して決定される。
しくは、内部のガスをテストするため燃料セルスタック
への水素燃料供給マニフォールドに接続されたＰＥＭプ
ローブに接続された一定負荷を通過する電流及び該抵抗
にかかる電圧を監視している。電圧検出装置は、予め定
められた時間間隔に亘って一定負荷にかかる電圧揺らぎ
を検知し、前記間隔に亘る電圧揺らぎの挙動パターンを
表す電圧信号を出力する。電流検出装置は、予め定めら
れた時間間隔に亘って一定負荷を通過する電流揺らぎを
検知し、前記間隔に亘る電流揺らぎの挙動パターンを表
す電圧信号を出力する。第１のデータプロセッサは、デ
ータ取得ユニットとして機能し、従来の技術を用いて電
流及び電圧信号を標本化し、該信号をノイズ信号を遮断
するように調整し、それらをディジタルデータの流れに
変換する。適切なメモリ装置は、改質物のＣＯ濃度に類
似したガス中の様々な温度及び圧力における既知のＣＯ
濃度に関連する、内示の電圧及び電流出力を格納する。
この点に関し、内示の出力は、ＰＥＭプローブに類似
し、ＰＥＭプローブ（例えば、ＰＥＭプローブに接続さ
れた負荷としてそこを横切る同じ抵抗を持つ）に類似し
た態様で放電する基準セルから経験的に予め生成された
ものである。この基準セルは異なるＣＯ濃度に対応する
内示の電流及び／又は電圧出力のライブラリを発展させ
るため、Ｈ2供給流れにおける幅広い範囲の既知のＣＯ
濃度に亘って作動する。最終的に、第２のデータプロセ
ッサ（例えばパーソナルコンピュータ）がディジタルデ
ータの流れを受信し、与えられた時間間隔に亘るＰＥＭ
プローブからの電圧及び電流の揺らぎの挙動パターンの
曲線をプロットし、これらの電圧及び電流の挙動パター
ンを基準セルから決定された内示の電圧及び電流の出力
と比較し、比較された挙動パターンと実質的に同様の内
示出力の少なくとも一つを候補として掲げるか、さもな
ければ同定する。好ましくは、比較の方法論及び内示出
力は、本発明の代理人に指定され、エム・メルツァーの
名前で１９９７年、２月２８日に出願された米国特許出
願の米国シリアル番号０８／８０７，５５９号に記載さ
れており、これを参照することによって本明細書に組み
入れられるように意図される。その代わりに、全挙動パ
ターン及び内示出力をプロットするより、挙動パターン
と内示出力との間の省略された関係を使用することがで
きる。例えば、開始時及び終了時の電圧が、時間の予め
定められた増分と、時間と共に線形に変化するように仮
定されたこの増分に亘って変化する電圧との始めと終わ
りに対して決定される。
【００２２】Ｈ2の流れにおける既知のＣＯ濃度に対応
する基準セルの内示電圧は、同じ仕方で決定される。次
に、２つの曲線のスロープが比較される。いずれの出来
事においても、ＰＥＭプローブの出力パターンと基準セ
ルからの内示の出力との間の実質的な一致は、水素供給
の流れにおける実時間のＣＯ濃度を示しており、次に、
このことは、改質器の調整、シフト反応及び／又はプロ
ックス反応のトリガーに用いられ、燃料セルスタックへ
のＨ2供給の流れのＣＯ濃度を減少させ、又は、必要と
あらば、燃料セルスタックから離して改質物の流れをそ
らせる。
する基準セルの内示電圧は、同じ仕方で決定される。次
に、２つの曲線のスロープが比較される。いずれの出来
事においても、ＰＥＭプローブの出力パターンと基準セ
ルからの内示の出力との間の実質的な一致は、水素供給
の流れにおける実時間のＣＯ濃度を示しており、次に、
このことは、改質器の調整、シフト反応及び／又はプロ
ックス反応のトリガーに用いられ、燃料セルスタックへ
のＨ2供給の流れのＣＯ濃度を減少させ、又は、必要と
あらば、燃料セルスタックから離して改質物の流れをそ
らせる。
【００２３】より詳細に、図１は、陽子伝導性樹脂膜８
を有するＭＥＡ６を各々含む個々の燃料セル４のスタッ
ク２を示し、この膜は、膜の一方の表面上の陽極１０と
膜の他方側の表面上の陰極１２との間に挟まれている。
陰極の流れチャンネル１６は、酸素が豊富なガス（即
ち、好ましくは空気）を陰極１２に接触した状態で流す
ために陰極１２に隣接して形成されている。同様に、陽
極の流れチャンネル１４が、水素燃料を陽極１０に接触
した状態で流すために陽極１０に隣接して形成されてい
る。膜８は、好ましくはＰＥＭ燃料セル技術分野で周知
であるように例えばＮＡＦＩＯＮTMなどのフッ素置換さ
れたスルホン酸ポリマーを含んでいる。各々の個々のセ
ル４は、両極性プレート１８によってスタック中の次の
セル４から分離されており、このプレートは、導電性の
プレート（例えば金属、炭素など）であって、ある一つ
のセルから次のセルへ、直接的に直列に電流を導電する
一方でいくつかのセルのある一つを次のセルから分離し
ている。終端のプレート２４及び２６は、スタック２の
端部をなし、スタック２の端部セル２８及び３０に対し
それぞれ陰極及び陽極の流れチャンネルを画定してい
る。酸素供給マニフォールド３２は、いくつかの陰極流
れチャンネルに空気を供給する。同様に水素供給マニフ
ォールド３４は、いくつかの陽極流れチャンネル１４に
水素燃料を供給する。水素排気マニフォールド３６は、
スタックからの放電のためにいくつかの陽極流れチャン
ネル１４から陽極排気ガスを収集する。同様に、陰極排
気ガスマニフォールド３８は、陰極流れチャンネル１６
から排気ガスを収集する。
を有するＭＥＡ６を各々含む個々の燃料セル４のスタッ
ク２を示し、この膜は、膜の一方の表面上の陽極１０と
膜の他方側の表面上の陰極１２との間に挟まれている。
陰極の流れチャンネル１６は、酸素が豊富なガス（即
ち、好ましくは空気）を陰極１２に接触した状態で流す
ために陰極１２に隣接して形成されている。同様に、陽
極の流れチャンネル１４が、水素燃料を陽極１０に接触
した状態で流すために陽極１０に隣接して形成されてい
る。膜８は、好ましくはＰＥＭ燃料セル技術分野で周知
であるように例えばＮＡＦＩＯＮTMなどのフッ素置換さ
れたスルホン酸ポリマーを含んでいる。各々の個々のセ
ル４は、両極性プレート１８によってスタック中の次の
セル４から分離されており、このプレートは、導電性の
プレート（例えば金属、炭素など）であって、ある一つ
のセルから次のセルへ、直接的に直列に電流を導電する
一方でいくつかのセルのある一つを次のセルから分離し
ている。終端のプレート２４及び２６は、スタック２の
端部をなし、スタック２の端部セル２８及び３０に対し
それぞれ陰極及び陽極の流れチャンネルを画定してい
る。酸素供給マニフォールド３２は、いくつかの陰極流
れチャンネルに空気を供給する。同様に水素供給マニフ
ォールド３４は、いくつかの陽極流れチャンネル１４に
水素燃料を供給する。水素排気マニフォールド３６は、
スタックからの放電のためにいくつかの陽極流れチャン
ネル１４から陽極排気ガスを収集する。同様に、陰極排
気ガスマニフォールド３８は、陰極流れチャンネル１６
から排気ガスを収集する。
【００２４】スタックの能力は、陽極触媒の一酸化炭素
の悪影響により低下する。このような悪影響は、水素の
供給流れに過剰（即ち、約２０ｐｐｍより多い）のＣＯ
が存在するときの潜在的な問題であり、これは当該技術
分野の熟練した技術者に知られている非効率的なメタノ
ール／炭化水素の改質、シフト及び／又はプロックス反
応から生じ得る。従って、Ｈ2燃料流れにおける過剰の
ＣＯの存在が明白であるとき、この問題を正し、好まし
くはその元から正すための努力がなされなければならな
い。この目的のために、本発明は、マニフォールド３４
の中の改質燃料の流れにおけるＣＯ濃度を検知する敏感
で応答の速い一酸化炭素センサー（ＣＯセンサー）４０
と、該センサーを作動させる方法と、を提供する。ＣＯ
センサー４０は、だめになっているが、サイズ及び可能
ならば触媒荷重を除いてスタック２のセル４に類似した
小さな（即ち小型（mini））ＰＥＭ燃料セルであるプロ
ーブ４１（後述するＰＥＭプローブ）を含んでいる。マ
ニフォールド３４の中の燃料の流れを監視している間、
ＰＥＭ燃料プローブ４１は、その時間における挙動パタ
ーンが改質燃料の流れのＣＯ濃度に依存する電気信号を
出力するような仕方で放電される。この出力信号の挙動
パターンは、様々な温度及び圧力におけるＨ2中のＣＯ
の既知の濃度と相関しているガス監視用ＰＥＭプローブ
と同一の基準ＰＥＭプローブからのある一定の内示出力
と比較される。従来からのパターン認識技術は、ＰＥＭ
プローブ４１の出力を基準セルの内示出力と信頼性を持
って比較する上で好ましい。しかしながら、洗練度の低
い内示出力（例えば電圧下降曲線のおおよそのスロー
プ）も使用することができる。ＰＥＭプローブ４１の電
気的能力を監視し、それを基準ＰＥＭプローブにより提
供された既知のＣＯ濃度条件の下で予想される能力と比
較することは、スタック２を構成する燃料セル４への改
質物供給の流れにおけるＣＯ濃度に関する直接的な情報
を提供する。この情報に基づいて、ＣＯ濃度を受容可能
なレベルの範囲内にするため必要とされる修正を改質
器、シフト又はプロックス反応に施すことができる。そ
の代わりに、燃料の流れは、それの持つＣＯ含有量が受
容可能なレベルの範囲内に修正されるまで燃料セルスタ
ックからそらせることができる。プロックス反応を制御
するために、（１）ＣＯ濃度がプロックス反応装置への
所与のＯ2注入率において測定され、（２）Ｏ2注入率が
増大されてＣＯ濃度が再び決定され、（３）ＣＯ濃度が
低下したならば、非常に少量のＯ2を注入し、ＣＯ濃度
が上昇したならば、非常に大量のＯ2を注入する。この
プロセスは最適な状態が達成されるまで、様々なＯ2注
入率において繰り返される。
の悪影響により低下する。このような悪影響は、水素の
供給流れに過剰（即ち、約２０ｐｐｍより多い）のＣＯ
が存在するときの潜在的な問題であり、これは当該技術
分野の熟練した技術者に知られている非効率的なメタノ
ール／炭化水素の改質、シフト及び／又はプロックス反
応から生じ得る。従って、Ｈ2燃料流れにおける過剰の
ＣＯの存在が明白であるとき、この問題を正し、好まし
くはその元から正すための努力がなされなければならな
い。この目的のために、本発明は、マニフォールド３４
の中の改質燃料の流れにおけるＣＯ濃度を検知する敏感
で応答の速い一酸化炭素センサー（ＣＯセンサー）４０
と、該センサーを作動させる方法と、を提供する。ＣＯ
センサー４０は、だめになっているが、サイズ及び可能
ならば触媒荷重を除いてスタック２のセル４に類似した
小さな（即ち小型（mini））ＰＥＭ燃料セルであるプロ
ーブ４１（後述するＰＥＭプローブ）を含んでいる。マ
ニフォールド３４の中の燃料の流れを監視している間、
ＰＥＭ燃料プローブ４１は、その時間における挙動パタ
ーンが改質燃料の流れのＣＯ濃度に依存する電気信号を
出力するような仕方で放電される。この出力信号の挙動
パターンは、様々な温度及び圧力におけるＨ2中のＣＯ
の既知の濃度と相関しているガス監視用ＰＥＭプローブ
と同一の基準ＰＥＭプローブからのある一定の内示出力
と比較される。従来からのパターン認識技術は、ＰＥＭ
プローブ４１の出力を基準セルの内示出力と信頼性を持
って比較する上で好ましい。しかしながら、洗練度の低
い内示出力（例えば電圧下降曲線のおおよそのスロー
プ）も使用することができる。ＰＥＭプローブ４１の電
気的能力を監視し、それを基準ＰＥＭプローブにより提
供された既知のＣＯ濃度条件の下で予想される能力と比
較することは、スタック２を構成する燃料セル４への改
質物供給の流れにおけるＣＯ濃度に関する直接的な情報
を提供する。この情報に基づいて、ＣＯ濃度を受容可能
なレベルの範囲内にするため必要とされる修正を改質
器、シフト又はプロックス反応に施すことができる。そ
の代わりに、燃料の流れは、それの持つＣＯ含有量が受
容可能なレベルの範囲内に修正されるまで燃料セルスタ
ックからそらせることができる。プロックス反応を制御
するために、（１）ＣＯ濃度がプロックス反応装置への
所与のＯ2注入率において測定され、（２）Ｏ2注入率が
増大されてＣＯ濃度が再び決定され、（３）ＣＯ濃度が
低下したならば、非常に少量のＯ2を注入し、ＣＯ濃度
が上昇したならば、非常に大量のＯ2を注入する。この
プロセスは最適な状態が達成されるまで、様々なＯ2注
入率において繰り返される。
【００２５】スタック２を構成するセルと同様に、ＰＥ
Ｍプローブ４１は、陽子交換膜５０（図２及び図３を見
よ）の各々反対側の表面上に陽極４２及び陰極４４を有
する。従来の伝導拡散部４３及び４５は、それぞれ陽極
４２及び陰極４４に接触する。そのような材料は炭素
紙、細かいワイヤメッシュ、燒結された多孔質金属（例
えば、チタニウム又はニオビウム）からなる。ＰＥＭプ
ローブ４１は、ハウジング５４の中に陽極流れチャンネ
ル４６を含んでおり、このチャンネルは、適切な流れ通
路（例えば入り口５９及び／又は導管４８）を介して水
素供給のマニフォールド３４並びに出口５１及び導管５
３を介して水素排気マニフォールド３６と連通してい
る。陰極４４は、ＰＥＭプローブのハウジング５４の開
口５２を介して周囲の空気に曝される。周囲の空気の作
用は、ＰＥＭプローブの温度を外部の冷却無しに低く保
ち、ＰＥＭプローブのＣＯ感度を上昇させる。孔のあけ
られた金属電流コレクター４９は、炭素紙４５と接触
し、そのターミナル４７に電流を伝達させる。このター
ミナルはスロット５５を通ってハウジング５４から出て
いる。好ましくは、ＰＥＭプローブ４１は、スタックセ
ル４より低い触媒荷重を持ち、低いＣＯ濃度に対するそ
の感度を上昇させる。さらに好ましくは、スタックセル
４は、ＰＥＭプローブ４１の陽極４２及び陰極４４の表
面領域よりも遥かに大きい（例えば１０倍程度の）表面
領域を備えた陽極１０及び陰極１２を有する。この小さ
な領域は、より低い触媒荷重と連結され、高められたＣ
Ｏ濃度感度を持つＰＥＭプローブを提供する。例とし
て、約１００平方インチ（in2）の電極領域を備えた個
々のセル４を持つＨ2−Ｏ2ＰＥＭ燃料セルスタック２
は、約１平方インチ乃至２平方インチでスタックセル４
の約１／２の触媒過重（即ち、ｇ／ｃｍ2）の電極領域
を有するＰＥＭプローブ４１を用いて効果的に監視され
得る。導管４８及び５３は、望みとあらば、除去清掃の
間に、Ｈ2マニフォールド３４及び３６からプローブ４
１を隔離させるための弁５７及び５７’を含むようにし
てもよい。導管４８及び５３は、ＰＥＭプローブ４１を
通る除去清掃用空気の流れを制御するために連係する弁
６３及び６４を各々備えた空気入口５９及び出口６１も
含むようにしてもよい（即ち、空気による除去清掃の実
施例が使用されたとき）。
Ｍプローブ４１は、陽子交換膜５０（図２及び図３を見
よ）の各々反対側の表面上に陽極４２及び陰極４４を有
する。従来の伝導拡散部４３及び４５は、それぞれ陽極
４２及び陰極４４に接触する。そのような材料は炭素
紙、細かいワイヤメッシュ、燒結された多孔質金属（例
えば、チタニウム又はニオビウム）からなる。ＰＥＭプ
ローブ４１は、ハウジング５４の中に陽極流れチャンネ
ル４６を含んでおり、このチャンネルは、適切な流れ通
路（例えば入り口５９及び／又は導管４８）を介して水
素供給のマニフォールド３４並びに出口５１及び導管５
３を介して水素排気マニフォールド３６と連通してい
る。陰極４４は、ＰＥＭプローブのハウジング５４の開
口５２を介して周囲の空気に曝される。周囲の空気の作
用は、ＰＥＭプローブの温度を外部の冷却無しに低く保
ち、ＰＥＭプローブのＣＯ感度を上昇させる。孔のあけ
られた金属電流コレクター４９は、炭素紙４５と接触
し、そのターミナル４７に電流を伝達させる。このター
ミナルはスロット５５を通ってハウジング５４から出て
いる。好ましくは、ＰＥＭプローブ４１は、スタックセ
ル４より低い触媒荷重を持ち、低いＣＯ濃度に対するそ
の感度を上昇させる。さらに好ましくは、スタックセル
４は、ＰＥＭプローブ４１の陽極４２及び陰極４４の表
面領域よりも遥かに大きい（例えば１０倍程度の）表面
領域を備えた陽極１０及び陰極１２を有する。この小さ
な領域は、より低い触媒荷重と連結され、高められたＣ
Ｏ濃度感度を持つＰＥＭプローブを提供する。例とし
て、約１００平方インチ（in2）の電極領域を備えた個
々のセル４を持つＨ2−Ｏ2ＰＥＭ燃料セルスタック２
は、約１平方インチ乃至２平方インチでスタックセル４
の約１／２の触媒過重（即ち、ｇ／ｃｍ2）の電極領域
を有するＰＥＭプローブ４１を用いて効果的に監視され
得る。導管４８及び５３は、望みとあらば、除去清掃の
間に、Ｈ2マニフォールド３４及び３６からプローブ４
１を隔離させるための弁５７及び５７’を含むようにし
てもよい。導管４８及び５３は、ＰＥＭプローブ４１を
通る除去清掃用空気の流れを制御するために連係する弁
６３及び６４を各々備えた空気入口５９及び出口６１も
含むようにしてもよい（即ち、空気による除去清掃の実
施例が使用されたとき）。
【００２６】その小さなサイズ及び／又は低い触媒荷重
のため、ＰＥＭプローブの陽極触媒は、それが監視して
いる燃料セルスタックよりも速い率で触媒がこわされ
る。従って、ＰＥＭプローブの電気出力の下降率は、ス
タックの下降率よりも大きく、スタックへのＨ2燃料の
流れにおけるＣＯ濃度のより明白なインディケータを提
供する。しかしながら、ＰＥＭプローブは、それがより
多くの触媒がこわされるようになったとき、ＣＯ濃度変
動に対する感度が漸次低下するようになる。この点に関
し、触媒の最高性能のレベルは、その中に吸収されたＣ
Ｏが実質的に存在しないか又はほとんど無いような状態
において発揮され、実質的な量のＣＯが触媒に吸収され
るとき最も劣化した性能レベルとなる。本発明によれ
ば、ＰＥＭプローブの感度は、ＰＥＭプローブの陽極触
媒からその中に吸収される可能性のあるＣＯを断続的に
取り除くことによって、その最高性能のレベル近傍に維
持される。好ましくは、この除去清掃は、ＣＯを水の存
在の中でＣＯ2に電気化学的に酸化させるに十分なレベ
ルにまで陽極電位を上げることによって達成される。典
型的には、これは、反転可能な水素電極（ＲＨＥ）に対
して測定されたとき、少なくとも０．８Ｖまで陽極電位
を上げることを要求し、（１）ＰＥＭプローブを低抵抗
の負荷を介して放電させるようにＰＥＭプローブを周期
的に短絡するか、或いは、（２）さらに好ましくは、補
充電源の手段によりＰＥＭプローブを周期的に反転偏倚
することによって達成され得る。その代わりに、ＣＯ除
去清掃は、陽極触媒を酸素（例えば空気）で押し流し、
化学的にＣＯを酸化させることによって実行されてもよ
い。ＰＥＭプローブのＣＯ感度は、ＰＥＭプローブ４１
に至る供給ライン４８に挿入された熱交換器（図示せ
ず）の手段によってＨ2の流れを冷却することによって
増大されるようにしてもよい。約２０℃乃至９０℃まで
冷却することは、プローブの感度を鈍らせる過剰水を液
化するのに役立つ。
のため、ＰＥＭプローブの陽極触媒は、それが監視して
いる燃料セルスタックよりも速い率で触媒がこわされ
る。従って、ＰＥＭプローブの電気出力の下降率は、ス
タックの下降率よりも大きく、スタックへのＨ2燃料の
流れにおけるＣＯ濃度のより明白なインディケータを提
供する。しかしながら、ＰＥＭプローブは、それがより
多くの触媒がこわされるようになったとき、ＣＯ濃度変
動に対する感度が漸次低下するようになる。この点に関
し、触媒の最高性能のレベルは、その中に吸収されたＣ
Ｏが実質的に存在しないか又はほとんど無いような状態
において発揮され、実質的な量のＣＯが触媒に吸収され
るとき最も劣化した性能レベルとなる。本発明によれ
ば、ＰＥＭプローブの感度は、ＰＥＭプローブの陽極触
媒からその中に吸収される可能性のあるＣＯを断続的に
取り除くことによって、その最高性能のレベル近傍に維
持される。好ましくは、この除去清掃は、ＣＯを水の存
在の中でＣＯ2に電気化学的に酸化させるに十分なレベ
ルにまで陽極電位を上げることによって達成される。典
型的には、これは、反転可能な水素電極（ＲＨＥ）に対
して測定されたとき、少なくとも０．８Ｖまで陽極電位
を上げることを要求し、（１）ＰＥＭプローブを低抵抗
の負荷を介して放電させるようにＰＥＭプローブを周期
的に短絡するか、或いは、（２）さらに好ましくは、補
充電源の手段によりＰＥＭプローブを周期的に反転偏倚
することによって達成され得る。その代わりに、ＣＯ除
去清掃は、陽極触媒を酸素（例えば空気）で押し流し、
化学的にＣＯを酸化させることによって実行されてもよ
い。ＰＥＭプローブのＣＯ感度は、ＰＥＭプローブ４１
に至る供給ライン４８に挿入された熱交換器（図示せ
ず）の手段によってＨ2の流れを冷却することによって
増大されるようにしてもよい。約２０℃乃至９０℃まで
冷却することは、プローブの感度を鈍らせる過剰水を液
化するのに役立つ。
【００２７】最も好ましい除去清掃の技術は、ＰＥＭプ
ローブを反転偏倚することである。この技術は、ＰＥＭ
プローブへのガスの流れを遮断すること無しに最も容易
に制御され、且つ、能力を発揮するように見えるからで
ある。この目的のために、ＣＯセンサー４０（図１を見
よ）は、ＰＥＭプローブ４１と、除去清掃回路Ｐにおけ
る電圧源７９（例えばコンデンサ、或いは、バッテリー
などの電流装置若しくはスタック２の１又はそれ以上の
セル４への接続）と、駆動化されたスイッチ８０と、放
電回路Ｄと、を含んで形成される。好ましくは、スイッ
チ８０は、放電回路Ｄの負荷Ｌを通過する放電モード
と、除去清掃回路Ｐにおける反転偏倚モードとの間にＰ
ＥＭプローブを周期的にスイッチするタイマー即ちクロ
ックに連結される。除去清掃回路Ｐは、小さい抵抗（例
えば約０．５オーム）も含んでおり、回路Ｄと回路Ｐと
の間をスイッチするときの高電流の急増を防止してい
る。より詳しくは、ＰＥＭプローブ４１は、放電回路Ｄ
（図１を見よ）における一定負荷Ｌに連結される。電圧
検出器６５（例えば電圧計）は、電流検出器６７（例え
ば電流計）が放電回路Ｄに流れる電流を検出する間に負
荷Ｌにかかる電圧を検出する。ＰＥＭプローブ４１は、
典型的に、約０．４〜０．９ボルトで約０．１〜１．０
アンペア／ｃｍ2の電流密度の閉回路電圧で作動する。
電圧検出回路６５は当該技術分野において周知で信号５
８を出力する機能を有するような任意の装置とすること
ができる。他方、電流検出器６７は、（１）当該技術分
野において周知で信号６０を出力する機能を有するよう
な別個の装置か、或いは、（２）そこからの電流がオー
ムの法則を用いて自動的に計算することができる電圧検
出器６５のいずれかとすることができる。電圧検出器６
５及び電流検出器６７のそれぞれの出力信号５８及び６
０は、従来の高速度のアナログ−ディジタルコンバータ
６２（即ちデータ取得ユニット）に入力され、そこで、
これらの信号がノイズを消去するために調整されてディ
ジタルデータの流れ６４及び６６が生成される。パター
ン認識技術で役立つこのような高速度コンバータで好ま
しいものは、ジェネリック・インストルメンツ アンド
システムズ・コーポペレーション（ＧｅｎＩＡＳTM）
によって販売されているＳＣＵ−４データ取得システム
である。このシステムは、入力されたデータを読み取っ
て、必要となる全ての計算を実時間で行うことができる
からである。
ローブを反転偏倚することである。この技術は、ＰＥＭ
プローブへのガスの流れを遮断すること無しに最も容易
に制御され、且つ、能力を発揮するように見えるからで
ある。この目的のために、ＣＯセンサー４０（図１を見
よ）は、ＰＥＭプローブ４１と、除去清掃回路Ｐにおけ
る電圧源７９（例えばコンデンサ、或いは、バッテリー
などの電流装置若しくはスタック２の１又はそれ以上の
セル４への接続）と、駆動化されたスイッチ８０と、放
電回路Ｄと、を含んで形成される。好ましくは、スイッ
チ８０は、放電回路Ｄの負荷Ｌを通過する放電モード
と、除去清掃回路Ｐにおける反転偏倚モードとの間にＰ
ＥＭプローブを周期的にスイッチするタイマー即ちクロ
ックに連結される。除去清掃回路Ｐは、小さい抵抗（例
えば約０．５オーム）も含んでおり、回路Ｄと回路Ｐと
の間をスイッチするときの高電流の急増を防止してい
る。より詳しくは、ＰＥＭプローブ４１は、放電回路Ｄ
（図１を見よ）における一定負荷Ｌに連結される。電圧
検出器６５（例えば電圧計）は、電流検出器６７（例え
ば電流計）が放電回路Ｄに流れる電流を検出する間に負
荷Ｌにかかる電圧を検出する。ＰＥＭプローブ４１は、
典型的に、約０．４〜０．９ボルトで約０．１〜１．０
アンペア／ｃｍ2の電流密度の閉回路電圧で作動する。
電圧検出回路６５は当該技術分野において周知で信号５
８を出力する機能を有するような任意の装置とすること
ができる。他方、電流検出器６７は、（１）当該技術分
野において周知で信号６０を出力する機能を有するよう
な別個の装置か、或いは、（２）そこからの電流がオー
ムの法則を用いて自動的に計算することができる電圧検
出器６５のいずれかとすることができる。電圧検出器６
５及び電流検出器６７のそれぞれの出力信号５８及び６
０は、従来の高速度のアナログ−ディジタルコンバータ
６２（即ちデータ取得ユニット）に入力され、そこで、
これらの信号がノイズを消去するために調整されてディ
ジタルデータの流れ６４及び６６が生成される。パター
ン認識技術で役立つこのような高速度コンバータで好ま
しいものは、ジェネリック・インストルメンツ アンド
システムズ・コーポペレーション（ＧｅｎＩＡＳTM）
によって販売されているＳＣＵ−４データ取得システム
である。このシステムは、入力されたデータを読み取っ
て、必要となる全ての計算を実時間で行うことができる
からである。
【００２８】本発明の他の実施例によれば、ＰＥＭプロ
ーブは、Ｈ2を取り除かれて本質的に短絡され、即ちＣ
Ｏの酸化電位（即ち０．８Ｖ ＲＨＥ）まで陽極電位を
上げるように比較的低抵抗を通して放電される。この目
的のために、ＣＯセンサーは、図４に示されるように、
上述したのと同様のＰＥＭプローブ８２と、負荷８６を
通って放電する通常の放電回路８４と、短絡している除
去清掃回路８８と、駆動化されたスイッチ９０と、除去
清掃の間にＨ2を遮断するための駆動弁９１と、を含ん
で形成される。駆動スイッチ９０及び駆動弁９１は、好
ましくは、（１）放電回路８４の負荷８６を介する通常
のＣＯ監視用放電モードと、（２）除去清掃用回路８８
内にＰＥＭプローブを短絡することにより達成される急
放電モードと、の間でＰＥＭプローブを周期的にスイッ
チするタイマー即ちクロックに連結される。更に好まし
くは、Ｈ2遮断弁９１とスイッチ９０とは、水素遮断及
び放電回路と除去清掃回路との間のスイッチングが同時
に達成されるように、同じ構造／装置に一体化される。
ーブは、Ｈ2を取り除かれて本質的に短絡され、即ちＣ
Ｏの酸化電位（即ち０．８Ｖ ＲＨＥ）まで陽極電位を
上げるように比較的低抵抗を通して放電される。この目
的のために、ＣＯセンサーは、図４に示されるように、
上述したのと同様のＰＥＭプローブ８２と、負荷８６を
通って放電する通常の放電回路８４と、短絡している除
去清掃回路８８と、駆動化されたスイッチ９０と、除去
清掃の間にＨ2を遮断するための駆動弁９１と、を含ん
で形成される。駆動スイッチ９０及び駆動弁９１は、好
ましくは、（１）放電回路８４の負荷８６を介する通常
のＣＯ監視用放電モードと、（２）除去清掃用回路８８
内にＰＥＭプローブを短絡することにより達成される急
放電モードと、の間でＰＥＭプローブを周期的にスイッ
チするタイマー即ちクロックに連結される。更に好まし
くは、Ｈ2遮断弁９１とスイッチ９０とは、水素遮断及
び放電回路と除去清掃回路との間のスイッチングが同時
に達成されるように、同じ構造／装置に一体化される。
【００２９】反転偏倚の実施例を用いるとき、陽極触媒
は白金のブロックを含むのが好ましく、拡散層は反転極
性反応に耐えるために多孔質金属を含むのが好ましい。
他の実施例では、炭素に耐える白金触媒と、炭素／グラ
ファイト拡散層とを用いてもよい。
は白金のブロックを含むのが好ましく、拡散層は反転極
性反応に耐えるために多孔質金属を含むのが好ましい。
他の実施例では、炭素に耐える白金触媒と、炭素／グラ
ファイト拡散層とを用いてもよい。
【００３０】ＰＥＭプローブの電流及び電流は両者と
も、約１００ミリ秒から約１０，０００ミリ秒まで変動
することができる特定の放電間隔の間で一定周期（例え
ば、１０ミリ秒乃至１００ミリ秒毎）毎にサンプリング
されるのが好ましい。その結果生成される信号５８及び
６０はコンバーター６２によって調整され、平均電圧及
び電流は、その時間間隔に亘ってプロットされる。これ
らのプロットは、その時間間隔に亘る電圧及び電流の出
力に対する挙動パターンを表している。これらの挙動パ
ターンはデータプロセッサ６８へのデータの流れ６４及
び６６として入力され、そこで、それらはメモリ７０に
蓄えられている予め定められた基準電流及び／又は電圧
の内示出力と比較される。例えば燃料／空気の流れの温
度及び圧力（即ち、図示しないセンサーから取られた）
などのスタックの作動条件（スタック操作）も、データ
プロセッサ６８に入力され、適切な内示の電圧及び／又
は電流がセンサー４０から出力されて与えられた電圧／
電流の挙動に対するライブラリ７０から選択されること
を保証する。基準電圧及び電流の内示出力は、（１）Ｐ
ＥＭプローブ４１に類似し、（２）ＣＯセンサー４０の
一定負荷Ｌと同じ値を有する一定負荷を通って放電さ
れ、（３）Ｈ2供給の流れにおける一酸化炭素濃度の幅
広い濃度に亘って作動される基準セルから様々な温度及
び圧力において経験的に決定される。そのような内示出
力の大きなライブラリはメモリ７０に蓄えられ、ＰＥＭ
プローブ４１により生成される電圧及び電流の挙動パタ
ーンとの比較のために利用可能となる。ＰＥＭプローブ
４１の電圧挙動パターン及び電流挙動パターンは、ＰＥ
Ｍプローブの電流の挙動パターンに最も近い基準電流及
び／又は電圧の特徴パターンの少なくとも一つが同定さ
れ、及び／又は、ＰＥＭプローブの電圧の挙動パターン
に最も近い基準電圧の特徴パターンの一つが同定される
まで、メモリ７０上のファイルの多数の基準電圧及び電
流の内示出力の各々と比較される。一旦、基準内示出力
と挙動パターンとの間の「一致」が判定されると、Ｈ2
供給流れにおけるＣＯ濃度が決定され、必要時には該濃
度に基づいて調整を行うことができる。挙動パターンと
内示出力との間の完全な一致は必要ではない。どちらか
といえば、内示出力が、それが比較された挙動パターン
と実質的に類似であるならば、適切な一致が見出され
る。「実質的な類似」とは、ある一定のパターン認識の
許容誤差の範囲内に収まるような類似の度合いをいい、
この許容誤差は、スタックの設計者又はオペレータが後
述されるパターン認識ソフトウェアに含ませることがで
きるものである。これらの許容誤差は、類似度及びパタ
ーンが同一でなかったとしても、「一致」とすることを
可能とする。
も、約１００ミリ秒から約１０，０００ミリ秒まで変動
することができる特定の放電間隔の間で一定周期（例え
ば、１０ミリ秒乃至１００ミリ秒毎）毎にサンプリング
されるのが好ましい。その結果生成される信号５８及び
６０はコンバーター６２によって調整され、平均電圧及
び電流は、その時間間隔に亘ってプロットされる。これ
らのプロットは、その時間間隔に亘る電圧及び電流の出
力に対する挙動パターンを表している。これらの挙動パ
ターンはデータプロセッサ６８へのデータの流れ６４及
び６６として入力され、そこで、それらはメモリ７０に
蓄えられている予め定められた基準電流及び／又は電圧
の内示出力と比較される。例えば燃料／空気の流れの温
度及び圧力（即ち、図示しないセンサーから取られた）
などのスタックの作動条件（スタック操作）も、データ
プロセッサ６８に入力され、適切な内示の電圧及び／又
は電流がセンサー４０から出力されて与えられた電圧／
電流の挙動に対するライブラリ７０から選択されること
を保証する。基準電圧及び電流の内示出力は、（１）Ｐ
ＥＭプローブ４１に類似し、（２）ＣＯセンサー４０の
一定負荷Ｌと同じ値を有する一定負荷を通って放電さ
れ、（３）Ｈ2供給の流れにおける一酸化炭素濃度の幅
広い濃度に亘って作動される基準セルから様々な温度及
び圧力において経験的に決定される。そのような内示出
力の大きなライブラリはメモリ７０に蓄えられ、ＰＥＭ
プローブ４１により生成される電圧及び電流の挙動パタ
ーンとの比較のために利用可能となる。ＰＥＭプローブ
４１の電圧挙動パターン及び電流挙動パターンは、ＰＥ
Ｍプローブの電流の挙動パターンに最も近い基準電流及
び／又は電圧の特徴パターンの少なくとも一つが同定さ
れ、及び／又は、ＰＥＭプローブの電圧の挙動パターン
に最も近い基準電圧の特徴パターンの一つが同定される
まで、メモリ７０上のファイルの多数の基準電圧及び電
流の内示出力の各々と比較される。一旦、基準内示出力
と挙動パターンとの間の「一致」が判定されると、Ｈ2
供給流れにおけるＣＯ濃度が決定され、必要時には該濃
度に基づいて調整を行うことができる。挙動パターンと
内示出力との間の完全な一致は必要ではない。どちらか
といえば、内示出力が、それが比較された挙動パターン
と実質的に類似であるならば、適切な一致が見出され
る。「実質的な類似」とは、ある一定のパターン認識の
許容誤差の範囲内に収まるような類似の度合いをいい、
この許容誤差は、スタックの設計者又はオペレータが後
述されるパターン認識ソフトウェアに含ませることがで
きるものである。これらの許容誤差は、類似度及びパタ
ーンが同一でなかったとしても、「一致」とすることを
可能とする。
【００３１】データプロセッサ６８は、読み取り専用メ
モリ（ＲＯＭ）と、読み書きランダムアクセスメモリ
（ＲＡＭ）と、電気的にプログラム可能な読み取り専用
メモリ（ＥＰＲＯＭ）と、ＰＥＭ４１により生成された
電圧及び電流のパターンと比較するための予め定められ
た基準電流及び電圧の特徴パターンのライブラリを格納
するメモリと、ＡＤコンバータ６２並びにプロックス制
御部７２のインターフェースを制御する入力／出力部な
どを備えている。このプロックス制御部７２は制御可能
なインジェクタ７６に制御信号７４の手段によりプロッ
クス反応装置への空気注入率を制御する。ディジタルコ
ンピュータの読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）は、基本的
な入力／出力部の要求を満たすのに必要となる命令を蓄
えている。電気的にプログラム可能な読み取り専用メモ
リ（ＥＰＲＯＭ）は、データプロセッサ自身の内部制
御、データ操作及び通信アルゴリズムの要求を満たすの
に必要となる命令を蓄えている。プロセッサ６８は、任
意の適当な通信ネットワークプロトコルの手段によりＡ
Ｄコンバータ６２及びプロックス制御部７２と、当該技
術分野で知られている多くのものと通信する。ウィンド
ウズver３．１又はウィンドウズ９５で走り、１６メガ
バイトのＲＡＭを備えた標準的なＣＰＵ４８６又はペン
テュアムでＡＣＢ５３０バスコントロールボードを装備
したコンピュータが、この目的のために適切である。プ
ロセッサ６８の機能を実行するための特有のプログラム
は、当該技術分野の標準的な技術者により従来の情報処
理言語を用いて達成され得る。
モリ（ＲＯＭ）と、読み書きランダムアクセスメモリ
（ＲＡＭ）と、電気的にプログラム可能な読み取り専用
メモリ（ＥＰＲＯＭ）と、ＰＥＭ４１により生成された
電圧及び電流のパターンと比較するための予め定められ
た基準電流及び電圧の特徴パターンのライブラリを格納
するメモリと、ＡＤコンバータ６２並びにプロックス制
御部７２のインターフェースを制御する入力／出力部な
どを備えている。このプロックス制御部７２は制御可能
なインジェクタ７６に制御信号７４の手段によりプロッ
クス反応装置への空気注入率を制御する。ディジタルコ
ンピュータの読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）は、基本的
な入力／出力部の要求を満たすのに必要となる命令を蓄
えている。電気的にプログラム可能な読み取り専用メモ
リ（ＥＰＲＯＭ）は、データプロセッサ自身の内部制
御、データ操作及び通信アルゴリズムの要求を満たすの
に必要となる命令を蓄えている。プロセッサ６８は、任
意の適当な通信ネットワークプロトコルの手段によりＡ
Ｄコンバータ６２及びプロックス制御部７２と、当該技
術分野で知られている多くのものと通信する。ウィンド
ウズver３．１又はウィンドウズ９５で走り、１６メガ
バイトのＲＡＭを備えた標準的なＣＰＵ４８６又はペン
テュアムでＡＣＢ５３０バスコントロールボードを装備
したコンピュータが、この目的のために適切である。プ
ロセッサ６８の機能を実行するための特有のプログラム
は、当該技術分野の標準的な技術者により従来の情報処
理言語を用いて達成され得る。
【００３２】ＰＥＭプローブ４１からの完全な電圧及び
／又は電流のパターン、或いは、縮約されたパターン
（即ち、下降曲線のおおよその傾斜）のいずれも用いる
ことができ、この縮約パターンは、（１）放電サイクル
の開始時に読み取られた電流及び／又は電圧と、（２）
放電サイクルの終了時に読み取られた電流及び／又は電
圧と、によって特徴付けられる。好ましくは、完全なパ
ターンが使用され、これは市販されているパターン認識
プログラムを使用して認識することができる。パターン
認識プログラムは、当該技術分野で知られており、中で
も、例えば（１）海洋生物をそれらの音声パターンから
同定し、（２）センサーによる測定から身体のホルモン
変化を同定し、（３）振動パターンを用いたツールで破
損箇所を同定し、（４）地上の乗り物（land vehicle）
をそれらの音響及び震動の特徴パターンから同定し、
（５）厚さの測定から材料の磨耗パターンを同定し、
（６）マイクロ波及び遠赤外線（ＩＲ）を用いて保護領
域への侵入者を同定し、（７）ショック及び音響パター
ンから自動車の侵入を同定し、（８）音響パターンから
欠点のあるパワーシート（power seat）のアセンブリを
同定したりする多くの応用に使用されている。本発明の
ＣＯ濃度監視技術のための好ましいパターン認識ソフト
ウェアは、本質的にアナログパターン認識ソフトウェア
であり、これは、特定化された時間間隔に亘って取られ
た電流及び電圧の測定に基づいて、定義された誤差許容
範囲以内の基準電流及び電圧の内示出力と比較され得る
電圧及び電流の挙動パターンを生成することができる。
このような比較から、スタックへのＨ2供給流れにおけ
る一酸化炭素濃度を決定することができ、この決定に基
づいて、改質器、シフト及び／又はプロックス反応に対
し必要な調整を行うことができる。このようなパターン
認識ソフトウェアで好ましいものは、上記のGenIASTM社
から市販されている、「Failure/Wear PredictorTM(FW
P)TM」という名前で販売されている。このＦＷＰTMソフ
トウェアは、ＧＥＮＭＡＴＣＨTMソフトウェア（GenIAS
TMでも販売されている）の中に埋め込まれており、これ
は、任意数のパターンの特徴を同時に測定でき、その単
一の特徴（例えばピーク）というよりもパターンのいく
つかの特徴をアドレスするため３つの異なる許容誤差を
含んでいる。このソフトウェアは、制御された条件下で
作動される基準セルから前もって生成された基準となる
特徴パターン（即ち、内示出力）に基づくテンプレート
の照合プロセスからなる。幅広い動的範囲（例えば、ナ
ノ秒から分までの周期に亘って生じたマイクロボルトか
らボルトまでの範囲）に亘る入力信号が振幅（Ｙ軸）で
は丁度６００無次元単位で時間（Ｘ軸）では２０００無
次元単位に正規化されるという点で振幅に感度があるの
でなければ時間に感度があるのでもない。この信号の引
き続く正規化では、「角度総和（anglesum）」として知
られている積算されたスロープが、信号の輪郭をトラバ
ースしている間に正規化入力データの２０００ポイント
の各々に対して計算される。この角度総和は、入力デー
タの曲線が正のスロープに沿って増加するときには角度
総和の大きさが増加し、その曲線が負のスロープに沿っ
て減少するときには角度総和の大きさが減少するという
ような仕方で入力データ曲線の蓄積されたスロープに比
例する。このパターン認識プロセスは、基準の特徴パタ
ーンで定義されたような、定義された許容誤差の範囲内
にある角度総和の値を利用する。この点に関し、すべて
の基準内示出力は、一連の間隔フレームを含んでおり、
その間隔フレームでは、角度総和の値と許容誤差とが各
々の間隔フレームを特徴付けるために使用される。もし
基準特徴パターンからの間隔フレームがＰＥＭプローブ
からの挙動パターンと類似して「一致」（即ち、すべて
の許容誤差を考慮して）するならば、「一致」が宣言さ
れ、同定が完了する。このプログラムは、その認識プロ
セスのために２つの間隔フレーム型式を用いている。い
わゆる「キー（ｋｅｙ）」フレーム及び「標準（standa
rd）]フレームである。このキーフレームは、ＰＥＭプ
ローブからの挙動パターンへの基準内示出力の位相調整
並びにこの認識プロセスにより第１段階で通過する識別
を可能にする。次に、標準フレームは、残りの認識プロ
セスのために使用される。キーフレームは、唯一性のた
めに選択され、基準内示出力を介したサーチ／比較の時
間を極小化し、並びに、同定されるデータに基準フレー
ムを位相整列させるために機能する。従って、キーフレ
ームは、挙動パターンの基準特徴により要求される初期
特徴を含むか否かをソフトウェアが迅速に確認すること
を可能にする。もしキーフレームの特徴がＰＥＭプロー
ブのパターンに見出されるならば、完全な比較が残りの
標準フレームを用いて開始される。標準フレームとは、
その定義によれば、キーフレーム以外のすべての間隔フ
レームをいう。基準となるキーフレームの特徴を含むＰ
ＥＭプローブの挙動パターンにとって、それは２つの基
準を満足させなければならない。第１に、基準内示出力
の角度総和の値が同じ間隔フレーム内でＰＥＭプローブ
のパターンにおいて対応する角度総和の値に一致しなけ
ればならない。第２に、分離した２つの間隔フレーム
（多くのデータポイントだけ離れた）が基準内示出力の
それと同じでなければならない。従って、２つの基準
は、間隔フレームと、一致を決定するそれらの分離と、
の両方である。
／又は電流のパターン、或いは、縮約されたパターン
（即ち、下降曲線のおおよその傾斜）のいずれも用いる
ことができ、この縮約パターンは、（１）放電サイクル
の開始時に読み取られた電流及び／又は電圧と、（２）
放電サイクルの終了時に読み取られた電流及び／又は電
圧と、によって特徴付けられる。好ましくは、完全なパ
ターンが使用され、これは市販されているパターン認識
プログラムを使用して認識することができる。パターン
認識プログラムは、当該技術分野で知られており、中で
も、例えば（１）海洋生物をそれらの音声パターンから
同定し、（２）センサーによる測定から身体のホルモン
変化を同定し、（３）振動パターンを用いたツールで破
損箇所を同定し、（４）地上の乗り物（land vehicle）
をそれらの音響及び震動の特徴パターンから同定し、
（５）厚さの測定から材料の磨耗パターンを同定し、
（６）マイクロ波及び遠赤外線（ＩＲ）を用いて保護領
域への侵入者を同定し、（７）ショック及び音響パター
ンから自動車の侵入を同定し、（８）音響パターンから
欠点のあるパワーシート（power seat）のアセンブリを
同定したりする多くの応用に使用されている。本発明の
ＣＯ濃度監視技術のための好ましいパターン認識ソフト
ウェアは、本質的にアナログパターン認識ソフトウェア
であり、これは、特定化された時間間隔に亘って取られ
た電流及び電圧の測定に基づいて、定義された誤差許容
範囲以内の基準電流及び電圧の内示出力と比較され得る
電圧及び電流の挙動パターンを生成することができる。
このような比較から、スタックへのＨ2供給流れにおけ
る一酸化炭素濃度を決定することができ、この決定に基
づいて、改質器、シフト及び／又はプロックス反応に対
し必要な調整を行うことができる。このようなパターン
認識ソフトウェアで好ましいものは、上記のGenIASTM社
から市販されている、「Failure/Wear PredictorTM(FW
P)TM」という名前で販売されている。このＦＷＰTMソフ
トウェアは、ＧＥＮＭＡＴＣＨTMソフトウェア（GenIAS
TMでも販売されている）の中に埋め込まれており、これ
は、任意数のパターンの特徴を同時に測定でき、その単
一の特徴（例えばピーク）というよりもパターンのいく
つかの特徴をアドレスするため３つの異なる許容誤差を
含んでいる。このソフトウェアは、制御された条件下で
作動される基準セルから前もって生成された基準となる
特徴パターン（即ち、内示出力）に基づくテンプレート
の照合プロセスからなる。幅広い動的範囲（例えば、ナ
ノ秒から分までの周期に亘って生じたマイクロボルトか
らボルトまでの範囲）に亘る入力信号が振幅（Ｙ軸）で
は丁度６００無次元単位で時間（Ｘ軸）では２０００無
次元単位に正規化されるという点で振幅に感度があるの
でなければ時間に感度があるのでもない。この信号の引
き続く正規化では、「角度総和（anglesum）」として知
られている積算されたスロープが、信号の輪郭をトラバ
ースしている間に正規化入力データの２０００ポイント
の各々に対して計算される。この角度総和は、入力デー
タの曲線が正のスロープに沿って増加するときには角度
総和の大きさが増加し、その曲線が負のスロープに沿っ
て減少するときには角度総和の大きさが減少するという
ような仕方で入力データ曲線の蓄積されたスロープに比
例する。このパターン認識プロセスは、基準の特徴パタ
ーンで定義されたような、定義された許容誤差の範囲内
にある角度総和の値を利用する。この点に関し、すべて
の基準内示出力は、一連の間隔フレームを含んでおり、
その間隔フレームでは、角度総和の値と許容誤差とが各
々の間隔フレームを特徴付けるために使用される。もし
基準特徴パターンからの間隔フレームがＰＥＭプローブ
からの挙動パターンと類似して「一致」（即ち、すべて
の許容誤差を考慮して）するならば、「一致」が宣言さ
れ、同定が完了する。このプログラムは、その認識プロ
セスのために２つの間隔フレーム型式を用いている。い
わゆる「キー（ｋｅｙ）」フレーム及び「標準（standa
rd）]フレームである。このキーフレームは、ＰＥＭプ
ローブからの挙動パターンへの基準内示出力の位相調整
並びにこの認識プロセスにより第１段階で通過する識別
を可能にする。次に、標準フレームは、残りの認識プロ
セスのために使用される。キーフレームは、唯一性のた
めに選択され、基準内示出力を介したサーチ／比較の時
間を極小化し、並びに、同定されるデータに基準フレー
ムを位相整列させるために機能する。従って、キーフレ
ームは、挙動パターンの基準特徴により要求される初期
特徴を含むか否かをソフトウェアが迅速に確認すること
を可能にする。もしキーフレームの特徴がＰＥＭプロー
ブのパターンに見出されるならば、完全な比較が残りの
標準フレームを用いて開始される。標準フレームとは、
その定義によれば、キーフレーム以外のすべての間隔フ
レームをいう。基準となるキーフレームの特徴を含むＰ
ＥＭプローブの挙動パターンにとって、それは２つの基
準を満足させなければならない。第１に、基準内示出力
の角度総和の値が同じ間隔フレーム内でＰＥＭプローブ
のパターンにおいて対応する角度総和の値に一致しなけ
ればならない。第２に、分離した２つの間隔フレーム
（多くのデータポイントだけ離れた）が基準内示出力の
それと同じでなければならない。従って、２つの基準
は、間隔フレームと、一致を決定するそれらの分離と、
の両方である。
【００３３】基準出力テンプレートは、一連の信号フレ
ームからなり、これらの信号フレームにはＸ軸及びＹ軸
の両方の許容誤差が割り当てられる。各々の内示出力
は、２０００区画程度に分割されることができ、これら
の区画の各々は、信号の極大値と極小値とによって画定
される。区画境界の間にある信号の振るまいは、振幅変
化、振幅変化の平均率及び振幅変化の瞬間率によって補
間される。許容誤差は、各々の区画に対して、３つの領
域に割り当てることができる。即ち、いわゆる「角度総
和の許容誤差」、「ビット許容誤差」及び「マスキング
（masking）の許容誤差」である。ビット許容誤差は、
照合プロセスが角度総和の一致をサーチする範囲内で、
特定化された基準間隔フレームの開始点及び終了点を超
える多数の要素（点）を同定する。例えば、データ要素
６５及び１３５における各々の開始点及び終了点と、５
のビット許容誤差とを持つ基準間隔フレームを考えなさ
い。次に、この照合プロセスは、基準となる間隔フレー
ムの角度総和との照合を試みようとするとき、（６０，
１３０），（６１，１３１），（６２，１３２），（６
３，１３３），（６４，１３４），（６５，１３５），
（６６，１３６），（６７，１３７），（６８，１３
８），（６９，１３９）及び（７０，１４０）の開始点
及び終了点を持つ信号パターンにおける角度総和の値に
着目するであろう。もしビット許容誤差＝０ならば、こ
のデータで対応する間隔フレームの角度総和は、基準パ
ターンにおいて対応する間隔フレームの角度総和と直接
に比較される。角度総和の許容誤差は、比較される角度
総和の値の変動に対して許容範囲を提供する。この許容
誤差は、基準内示出力における間隔フレームと、ＰＥＭ
プローブのデータセットにおいて対応する間隔フレーム
との間の角度総和の値における許容可能な誤差を示して
いる。角度総和の値＝１００、ビット許容誤差＝０、及
び角度総和許容誤差＝５を備えた、開始点６５、終了点
１３５である基準間隔フレームを考えなさい。この間隔
フレームは、６５で始まり１３５で終わる信号データの
間隔フレームの角度総和が９５以上で１０５以下の範囲
内であるならば、一致するであろう。マスキング許容誤
差は、存在し得、且つ、なおまだ認識を提供することが
できる一致していない間隔フレームの数を条件として要
求する。例えば、３０の間隔フレームと５に等しいマス
キング許容誤差とを備えた基準パターンを考えなさい。
もし信号データのセットにおいて対応する間隔フレーム
と一致していると見出された基準間隔フレームの数が、
２５以上であるならば、一致しているとみなされる。も
しこれ以外の値ならば、基準内示出力はＰＥＭプローブ
の挙動パターンに一致していないとみなされる。
ームからなり、これらの信号フレームにはＸ軸及びＹ軸
の両方の許容誤差が割り当てられる。各々の内示出力
は、２０００区画程度に分割されることができ、これら
の区画の各々は、信号の極大値と極小値とによって画定
される。区画境界の間にある信号の振るまいは、振幅変
化、振幅変化の平均率及び振幅変化の瞬間率によって補
間される。許容誤差は、各々の区画に対して、３つの領
域に割り当てることができる。即ち、いわゆる「角度総
和の許容誤差」、「ビット許容誤差」及び「マスキング
（masking）の許容誤差」である。ビット許容誤差は、
照合プロセスが角度総和の一致をサーチする範囲内で、
特定化された基準間隔フレームの開始点及び終了点を超
える多数の要素（点）を同定する。例えば、データ要素
６５及び１３５における各々の開始点及び終了点と、５
のビット許容誤差とを持つ基準間隔フレームを考えなさ
い。次に、この照合プロセスは、基準となる間隔フレー
ムの角度総和との照合を試みようとするとき、（６０，
１３０），（６１，１３１），（６２，１３２），（６
３，１３３），（６４，１３４），（６５，１３５），
（６６，１３６），（６７，１３７），（６８，１３
８），（６９，１３９）及び（７０，１４０）の開始点
及び終了点を持つ信号パターンにおける角度総和の値に
着目するであろう。もしビット許容誤差＝０ならば、こ
のデータで対応する間隔フレームの角度総和は、基準パ
ターンにおいて対応する間隔フレームの角度総和と直接
に比較される。角度総和の許容誤差は、比較される角度
総和の値の変動に対して許容範囲を提供する。この許容
誤差は、基準内示出力における間隔フレームと、ＰＥＭ
プローブのデータセットにおいて対応する間隔フレーム
との間の角度総和の値における許容可能な誤差を示して
いる。角度総和の値＝１００、ビット許容誤差＝０、及
び角度総和許容誤差＝５を備えた、開始点６５、終了点
１３５である基準間隔フレームを考えなさい。この間隔
フレームは、６５で始まり１３５で終わる信号データの
間隔フレームの角度総和が９５以上で１０５以下の範囲
内であるならば、一致するであろう。マスキング許容誤
差は、存在し得、且つ、なおまだ認識を提供することが
できる一致していない間隔フレームの数を条件として要
求する。例えば、３０の間隔フレームと５に等しいマス
キング許容誤差とを備えた基準パターンを考えなさい。
もし信号データのセットにおいて対応する間隔フレーム
と一致していると見出された基準間隔フレームの数が、
２５以上であるならば、一致しているとみなされる。も
しこれ以外の値ならば、基準内示出力はＰＥＭプローブ
の挙動パターンに一致していないとみなされる。
【００３４】この照合プロセスの間に、ソフトウェア
は、基準内示出力のセグメント（テンプレート）をＸ軸
に沿ってビット許容誤差により設定された制限の範囲内
で行きつ戻りつする。このソフトウェアは、選択された
上限及び下限の許容限界の間の角度総和を有するＰＥＭ
プローブの挙動パターンからのデータセグメントとの一
致を探し出す。次に、本質的には、この照合プロセスは
以下の通りとなる。（１）特定幅の電圧及び／又は電流
のデータがＰＥＭプローブから抽出される。（２）この
データは６００ポイントの角度総和及び２０００ポイン
トの要素構造に正規化される。（３）基準内示出力のテ
ンプレートは、ＰＥＭプローブからのデータセットと照
合される。（４）あるキー間隔フレームとの一致が見出
されたとき、テンプレート及びＰＥＭプローブのデータ
セットは位相が固定され、各々のデータセットは、Ｘ軸
に沿って位相を注意深くサーチされながら角度総和の一
致が判定される。（５）マスキング許容誤差によって特
定されたデータセグメントの数が一致したならば、ＰＥ
Ｍプローブのデータセットがテンプレートに一致するか
が考慮される。そのような一致があるならば、Ｈ2の供
給流れにおけるＣＯ濃度が決定される。
は、基準内示出力のセグメント（テンプレート）をＸ軸
に沿ってビット許容誤差により設定された制限の範囲内
で行きつ戻りつする。このソフトウェアは、選択された
上限及び下限の許容限界の間の角度総和を有するＰＥＭ
プローブの挙動パターンからのデータセグメントとの一
致を探し出す。次に、本質的には、この照合プロセスは
以下の通りとなる。（１）特定幅の電圧及び／又は電流
のデータがＰＥＭプローブから抽出される。（２）この
データは６００ポイントの角度総和及び２０００ポイン
トの要素構造に正規化される。（３）基準内示出力のテ
ンプレートは、ＰＥＭプローブからのデータセットと照
合される。（４）あるキー間隔フレームとの一致が見出
されたとき、テンプレート及びＰＥＭプローブのデータ
セットは位相が固定され、各々のデータセットは、Ｘ軸
に沿って位相を注意深くサーチされながら角度総和の一
致が判定される。（５）マスキング許容誤差によって特
定されたデータセグメントの数が一致したならば、ＰＥ
Ｍプローブのデータセットがテンプレートに一致するか
が考慮される。そのような一致があるならば、Ｈ2の供
給流れにおけるＣＯ濃度が決定される。
【００３５】プロセッサ６８は、比較のプロセスを実行
するようにプログラムされている。即ち、データ取得ユ
ニット６２からのディジタル化された電圧及び電流の値
がプロセッサ６８に供給され、該プロセッサは予め定め
られた時間の増分に亘るＩ＝ｆ（ｔ）及び／又はＶ＝ｆ
（ｔ）としてその挙動パターンを演算する。次に、これ
らの挙動パターンは、メモリ７０に蓄えられた基準内示
出力と比較される。もし（上述したように）挙動パター
ンと基準内示出力とが実質的に一致したならば、修正作
用（即ち、空気注入率の調整）を施すためにプロックス
制御モジュール７２への制御信号７８が出力される。
するようにプログラムされている。即ち、データ取得ユ
ニット６２からのディジタル化された電圧及び電流の値
がプロセッサ６８に供給され、該プロセッサは予め定め
られた時間の増分に亘るＩ＝ｆ（ｔ）及び／又はＶ＝ｆ
（ｔ）としてその挙動パターンを演算する。次に、これ
らの挙動パターンは、メモリ７０に蓄えられた基準内示
出力と比較される。もし（上述したように）挙動パター
ンと基準内示出力とが実質的に一致したならば、修正作
用（即ち、空気注入率の調整）を施すためにプロックス
制御モジュール７２への制御信号７８が出力される。
【００３６】本発明はその特有の実施例に関して開示さ
れたが、本発明は、これに限定されとを意図したもので
はなく、請求の範囲によってのみ限定される。
れたが、本発明は、これに限定されとを意図したもので
はなく、請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】本発明に係る、両極性のＰＥＭ燃料セルスタッ
ク及びそのための好ましいＣＯセンサーの概略図であ
る。
ク及びそのための好ましいＣＯセンサーの概略図であ
る。
【図２】本発明の一実施例に係るＰＥＭプローブの破断
された斜視図である。
された斜視図である。
【図３】図２のＰＥＭプローブの断面図である。
【図４】本発明に係るＣＯセンサーの他の実施例を概略
的に描いた図である。
的に描いた図である。
２ ＰＥＭ燃料セルのスタック ４ スタックの各々のセル ６ 膜電極アセンブリ ８ 陽子交換膜 １０ 陽子交換膜の表面の一方側に取りつけられた陽
極 １２ 陽子交換膜の表面の他方側に取り付けられた陰
極 １４ 陽極側の流れチャンネル １６ 陰極側の流れチャンネル ３２ 酸素供給マニフォールド ３４ 水素供給マニフォールド ３６ 水素排気マニフォールド ３８ 陰極排気ガスマニフォールド ４０ ＣＯセンサー ４１ ＰＥＭプローブ ４２ ＰＥＭプローブの陽子交換膜の表面の一方側に
取りつけられた陽極 ４４ ＰＥＭプローブの陽子交換膜の表面の他方側に
取りつけられた陰極 ４３ 伝導拡散部 ４５ 伝導拡散部 ４７ ターミナル ４８ 導管 ４９ 孔のあけられた金属電流コレクター（ＰＥＭプ
ローブの陽極と係合する第１の電流コレクター） ５０ ＰＥＭプローブの陽子交換膜 ５１ 出口 ５２ 開口 ５３ 導管 ５４ ＰＥＭプローブのハウジング ５５ スロット ５７ 弁 ５７’ 弁 ５８ 信号 ５９ 空気入口 ６０ 信号 ６１ 出口 ６２ データ取得ユニット ６３ 弁 ６４ 弁 ６５ 電圧検出器 ６６ データの流れ ６７ 電流検出器 ６８ データプロセッサ ７０ 基準内示出力を蓄えるメモリ ７２ プロックス制御モジュール ７６ インジェクタ ７９ 電圧源 ８０ 放電回路Ｄの放電モードと、除去清掃回路Ｐに
おける反転偏倚モードとの間のスイッチングを行うスイ
ッチ ８２ 本発明の他の実施例に係るＰＥＭプローブ ８４ 放電回路 ８６ 放電回路の負荷 ８８ 除去清掃用回路 ９０ 放電回路と除去清掃回路との間のスイッチング
を行うスイッチ ９１ Ｈ2遮断弁９１
極 １２ 陽子交換膜の表面の他方側に取り付けられた陰
極 １４ 陽極側の流れチャンネル １６ 陰極側の流れチャンネル ３２ 酸素供給マニフォールド ３４ 水素供給マニフォールド ３６ 水素排気マニフォールド ３８ 陰極排気ガスマニフォールド ４０ ＣＯセンサー ４１ ＰＥＭプローブ ４２ ＰＥＭプローブの陽子交換膜の表面の一方側に
取りつけられた陽極 ４４ ＰＥＭプローブの陽子交換膜の表面の他方側に
取りつけられた陰極 ４３ 伝導拡散部 ４５ 伝導拡散部 ４７ ターミナル ４８ 導管 ４９ 孔のあけられた金属電流コレクター（ＰＥＭプ
ローブの陽極と係合する第１の電流コレクター） ５０ ＰＥＭプローブの陽子交換膜 ５１ 出口 ５２ 開口 ５３ 導管 ５４ ＰＥＭプローブのハウジング ５５ スロット ５７ 弁 ５７’ 弁 ５８ 信号 ５９ 空気入口 ６０ 信号 ６１ 出口 ６２ データ取得ユニット ６３ 弁 ６４ 弁 ６５ 電圧検出器 ６６ データの流れ ６７ 電流検出器 ６８ データプロセッサ ７０ 基準内示出力を蓄えるメモリ ７２ プロックス制御モジュール ７６ インジェクタ ７９ 電圧源 ８０ 放電回路Ｄの放電モードと、除去清掃回路Ｐに
おける反転偏倚モードとの間のスイッチングを行うスイ
ッチ ８２ 本発明の他の実施例に係るＰＥＭプローブ ８４ 放電回路 ８６ 放電回路の負荷 ８８ 除去清掃用回路 ９０ 放電回路と除去清掃回路との間のスイッチング
を行うスイッチ ９１ Ｈ2遮断弁９１
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598148430 ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシ ティ・オブ・カリフォルニア アメリカ合衆国カリフォルニア州94612, オークランド，レイクサイド・ドライブ 300，トゥエンティファースト・フロア (72)発明者 スティーヴン・アンドレアス・グロット アメリカ合衆国ニューヨーク州14467，ヘ ンリエッタ，クロヴァー・ストリート 3899 (72)発明者 マーク・アレクサンダー・メルツアー アメリカ合衆国ニューヨーク州14534，ピ ッツフォード，オウクシャー・ウェイ 160 (72)発明者 スタンリー・グトウスキ アメリカ合衆国ニューヨーク州14534，ピ ッツフォード，バーンコウト・ウェイ ８
Claims (11)
- 【請求項１】 一酸化炭素センサーであって、 陽極及び陰極を有する陽子交換膜を含み、且つ、この陽
極及び陰極が前記膜の各々反対側にある第１及び第２の
表面に各々取り付けられているガス監視用ＰＥＭプロー
ブと、 前記陽極と係合する第１の電流コレクターと、 前記陰極と係合する第２の電流コレクターと、 前記第１及び第２の電流コレクターの間に接続可能な電
気放電回路であって、前記放電回路は、前記陽極のＣＯ
汚染に伴う前記ＰＥＭプローブの出力降下を監視するた
めに選択された第１の率で前記ＰＥＭプローブを放電す
るための値が定められた第１の電気抵抗を有する、前記
電気放電回路と、 前記第１及び第２の電流コレクターの間に接続可能な電
気除去清掃回路であって、前記除去清掃回路は前記第１
の電気抵抗より小さい第２の電気抵抗を有し、これによ
って、前記第２の電気抵抗を通ってＰＥＭプローブが放
電するときに前記陽極の電位が少なくとも０．８Ｖ（Ｒ
ＨＥ）まで上がって、前記陽極に吸収されたＣＯの電気
化学的な酸化が有効に作用するようにした、前記電気除
去清掃回路と、 前記電流コレクターの間を電気的に直列接続され、且
つ、前記電流コレクターを前記放電回路及び前記除去清
掃回路に交互に且つ断続的に電気接続する電気スイッチ
と、 を有する、前記一酸化炭素センサー。 - 【請求項２】 予め定められた時間間隔で前記電流コレ
クターの前記交互の接続を実行する前記スイッチに作動
的に接続されたタイマーを更に有する、請求項１に記載
の一酸化炭素センサー。 - 【請求項３】 前記電流コレクターの前記交互の接続を
周期的に実行する前記スイッチに作動的に接続されたタ
イマーを更に有する、請求項２に記載の一酸化炭素セン
サー。 - 【請求項４】 ガスが前記陽極に監視されることを可能
にする通路と、前記スイッチが前記電流コレクターを前
記除去清掃回路に接続するとき、前記陽極への前記ガス
の流れを制限するため、前記通路に作動的に連係された
弁と、有する請求項１に記載の一酸化炭素センサー。 - 【請求項５】 一酸化炭素センサーであって、 陽極及び陰極を有する陽子交換膜を含み、且つ、この陽
極及び陰極が前記膜の各々反対側にある第１及び第２の
表面に各々取り付けられているガス監視用ＰＥＭプロー
ブと、 前記陽極と係合する第１の電流コレクターと、 前記陰極と係合する第２の電流コレクターと、 前記第１及び第２の電流コレクターの間に接続可能な電
気放電回路であって、前記放電回路は、前記陽極のＣＯ
汚染に伴う前記ＰＥＭプローブの出力降下を監視するた
めに選択された率で前記ＰＥＭプローブを放電するため
の値が定められた第１の電気抵抗を有する、前記電気放
電回路と、 前記第１及び第２の電流コレクターの間に接続可能な電
気除去清掃回路であって、前記除去清掃回路は前記陽極
に吸収されたＣＯの電気化学的な酸化を促すため、前記
陽極の電位を少なくとも０．８Ｖ（ＲＨＥ）まで上げる
ことを可能にする電位を有する電圧電源を有する、前記
電気除去清掃回路と、 前記第１及び第２の電流コレクターの間を電気的に直列
接続され、且つ、前記電流コレクターとの接点を前記放
電回路及び前記除去清掃回路に断続的且つ交互に電気接
続するように構成された電気スイッチと、 を有する、前記一酸化炭素センサー。 - 【請求項６】 前記電圧電源は蓄電装置である、請求項
５に記載の一酸化炭素センサー。 - 【請求項７】 前記蓄電装置は電流装置である、請求項
６に記載の一酸化炭素センサー。 - 【請求項８】 前記電圧電源はコンデンサである、請求
項６に記載の一酸化炭素センサー。 - 【請求項９】 前記電流コネクターとの接点の前記交互
の接続を周期的に実行するため前記スイッチに作動的に
接続されたタイマーを含む、請求項５に記載の一酸化炭
素センサー。 - 【請求項１０】 （ａ）Ｈ2−Ｏ2のＰＥＭ燃料セルのス
タックであって、各々のセルは、主として、その膜上で
各々反対側にある第１及び第２の表面に各々取り付けら
れた陽極及び陰極を有する陽子交換膜と、前記陽極に接
触した状態で水素が流れるように前記陽極に隣接して形
成された第１の流れチャンネルと、前記陰極に接触した
状態で耐酸素ガスが流れるように前記陰極に隣接して形
成された第２の流れチャンネルと、を有する、前記ＰＥ
Ｍ燃料セルのスタックと、（ｂ） 前記セルに酸素を供
給する酸素供給マニフォールドと、（ｃ） 前記セルに
水素を供給する水素供給マニフォールドと、 を有する燃料セルシステムにおいて、 前記水素供給マニフォールドにおけるＣＯ濃度を検出す
るため前記水素供給マニフォールドと連通している一酸
化炭素センサーを更に有し、 前記一酸化炭素センサーは、 陽極及び陰極を有する陽子交換膜を含むガス監視用ＰＥ
Ｍプローブであって、この陽極及び陰極が前記膜の各々
反対側にある第１及び第２の表面に各々取り付けられ、
前記ＰＥＭプローブの前記陽極が前記水素供給マニフォ
ールドから供給された前記水素に曝されるようになって
いる、前記ガス監視用ＰＥＭプローブと、 前記ＰＥＭプローブの陽極に係合する第１の電流コレク
ターと、 前記ＰＥＭプローブの陰極に係合する第２の電流コレク
ターと、 前記陽極のＣＯ汚染に伴う前記ＰＥＭプローブの出力降
下を監視するために選択された率で前記ＰＥＭプローブ
を放電するための値が定められた第１の電気抵抗を有す
る電気放電回路と、 前記陽極に吸収されたＣＯの電気化学的な酸化を促すの
に十分なほど前記ＰＥＭプローブの前記陽極の電位を上
げるように構成された電気除去清掃回路と、 前記第１及び第２の電流コレクターの間を電気的に直列
接続され、且つ、前記電流コレクターとの接点を前記放
電回路及び前記除去清掃回路に交互に接続するように構
成された電気スイッチと、 を有することを特徴とする、前記燃料セルシステム。 - 【請求項１１】 一酸化炭素センサーであって、 陽極及び陰極を有する陽子交換膜を含み、且つ、この陽
極及び陰極が前記膜の各々反対側にある第１及び第２の
表面に各々取り付けられているガス監視用ＰＥＭプロー
ブと、 前記陽極と係合する第１の電流コレクターと、 前記陰極と係合する第２の電流コレクターと、 前記第１及び第２の電流コレクターの間に接続可能な電
気放電回路であって、前記放電回路は、前記陽極のＣＯ
汚染に伴う前記ＰＥＭプローブの出力降下を監視するた
めに選択された第１の率で前記ＰＥＭプローブを放電す
るための値が定められた第１の電気抵抗を有する、前記
電気放電回路と、 前記第１及び第２の電流コレクターの間に接続可能な電
気除去清掃回路であって、前記陽極に吸収されたＣＯの
電気化学的な酸化を促すため、前記陽極の電位を少なく
とも０．８Ｖ（ＲＨＥ）まで上げるように構成された、
前記電気除去清掃回路と、 前記第１及び第２の電流コレクターの間を電気的に直列
接続され、且つ、前記第１及び第２の電流コレクターを
前記放電回路及び前記除去清掃回路に交互に電気接続す
るように構成された電気スイッチと、 を有する、前記一酸化炭素センサー。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/957,563 US6001499A (en) | 1997-10-24 | 1997-10-24 | Fuel cell CO sensor |
| US957563 | 1997-10-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11219716A true JPH11219716A (ja) | 1999-08-10 |
| JP3357299B2 JP3357299B2 (ja) | 2002-12-16 |
Family
ID=25499766
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29777298A Expired - Fee Related JP3357299B2 (ja) | 1997-10-24 | 1998-10-20 | 燃料電池のｃｏセンサー |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6001499A (ja) |
| EP (1) | EP0911629A1 (ja) |
| JP (1) | JP3357299B2 (ja) |
| CA (1) | CA2245228A1 (ja) |
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