JP6133473B2 - 燃料電池スタックのシャットダウン方法及びそのための燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示内容は、一般的に燃料電池スタックの運転方法及びそのための燃料電池システムに関し、より詳細には、反応物質の大量の漏れが検出された際に燃料電池スタックをシャットダウンする方法及びそのための燃料電池システムに関する。

燃料電池は、化学反応を介して燃料を使用可能な電気に変換する。このようなエネルギ生成手段の重要な利点は、中間工程として燃焼を経ずにエネルギが生成されるということである。そのように、燃料電池は、環境上、推進力及び関連する動力用の内燃機関（ＩＣＥ）や関連する電力生成源に比べて幾つもの点で有利である。典型的な燃料電池、例えば、プロトン交換膜又は固体高分子電解質膜（いずれにせよ、ＰＥＭ）燃料電池では、一対の触媒電極が、イオン透過媒体（例えばナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）、登録商標）によって分離されており、これは、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と一般に称される。気体の還元剤としての第１反応物質（例えば水素、Ｈ₂）がアノードに導入されてイオン化し、イオン透過媒体を通過して、他の電極（カソード）を通じて導入される気体の酸化剤としての第２反応物質（例えば酸素、Ｏ₂）と化合する電気化学反応が起こる。これら反応物質の化合により、副生成物の水が生成される。第１反応物質のイオン化で遊離した電子は、有効な仕事を行う負荷（例えば電動モータ、各種ポンプ、バルブ、コンプレッサ、又は他の流体移送要素）を通常含む外部回路を通じて、直流電流（ＤＣ）としてカソードに流れる。この直流電流によって生成される電力は、このような燃料電池（セル）を多数組み合わせてより大きな電流発生アセンブリとすることにより増大させることが可能である。そのような構造の一つとして、一組のトランプカードのように、複数の燃料電池が共通の積層方向に沿って接続され、燃料電池スタックを形成する。

燃料電池要素の故障には、薄膜化及び最終的な破裂（rupture）や、シール不良があり、両者ともスタックの寿命が尽きた状態が一般的である。そのような故障は、概して漏れにつながり、特に、スタック内でアノード部位、アノード側、若しくはアノードサブシステムから、カソード部位、カソード側、若しくはカソードサブシステム、又は全体としてボード外（overboard）へのＨ₂の意図しない大量の伝達を引き起こす可能性がある。勿論、セル又はスタックのカソード部位内で空気が存在しているところでこのような漏れが高いＨ₂濃度となる場合が特に懸念される。

１つの修復アプローチは、スタックの通常運転を続け、追加の希釈用空気をシステムに導入することによって、漏れの流れに対処（accounted for）することである。漏れの規模が十分な希釈用空気を移送するためのシステムの容量を超えてしまう可能性があるため、特により大量の漏れに対し、このようなアプローチの有効性には限界がある。このような深刻な故障に対し現在行われている他の修復作業は、「急停止（quick-stop）」として知られている。これは、Ｈ₂をアノードに残留させたまま、負荷（例えば、電動モータ等）をスタックから開放する（disengagement）ことに伴いＨ₂の供給を遮断することである。一般的に、急停止アプローチにおける重要な欠点は、漏れが検出された後、スタック内にＨ₂を残留させてしまうことである。さらに、このようなアプローチは、十分な希釈用空気で対処する際、排気ガスがある閾値（例えば、８％）を超える場合にのみ適する。本アプローチは、多くの故障モード（例えば、反応物質欠乏）でスタックの寿命を延ばすために有効である可能性があるが、その有効性は、アノードカソード間の流路で大量の漏れが発生した後では著しく低減する。重要なことは、たいていの燃料電池システムでは、スタックのアノード側圧力がカソード側圧力よりバイアスされて動作しているということである（しばしば約１．５ｐｓｉ（１０ｋＰａ）〜３ｐｓｉ（２０ｋＰａ））。このような状況下においては、大量の漏れが、スタックのＯ₂を含むカソード側内で極めて局所的なスポットへの深刻なＨ₂の流入（さらにこれに伴って上昇する濃度）につながる。このように、急停止アプローチがある動作条件で用いられる可能性ほどには、大量の漏れが生じた後に空気（すなわち、Ｏ₂）側又はサブシステムで燃料（すなわち、Ｈ₂）による悪影響（corruption）を防ぐ方法として、動作中の燃料電池システムをシャットダウンすることは適当でない。

本発明の一態様によれば、漏れが検出された場合に燃料電池スタック内の過剰なＨ₂の除去に役立つ、燃料電池スタックをシャットダウンする方法が開示される。本明細書では、前記スタックは多数の燃料電池から構成され、各燃料電池は、それぞれの反応物質を移送する流路を備えるアノード部位及びカソード部位と、前記アノード部位と前記カソード部位との間に位置するプロトン透過性電解質と、を含む。本方法は、前記スタック内の漏れを検出する工程と、アノード部位内の圧力を低減させる工程と、酸素源からの残留未反応流体（すなわち、窒素、Ｎ₂）でカソード部位の不活性化が起こりその後に不活性流体がアノード部位へ移送されるように、燃料源反応物質及び酸素源反応物質を反応させる目的で、各アノード流路及びカソード流路と流体的に共働する１以上の弁を操作する工程と、を含む。本明細書において、これらの弁が（ａ）物理的に前記流路内に存在する場合、又は（ｂ）その開閉が、接続される流路を通じた流体移送の変化に影響を与えるために用いられることが可能なように、流路と流体的に共働する場合、これらの弁のいずれもが各流路内に位置すると考えられる。発明者は、両反応物質を消費すること（単に一方を消費することとは対照的に）が以下の点で優れていることを信じている。すなわち、過剰なＨ₂を除去できない場合（たとえ０．２ｍｏｌ程の少量であっても）依然として約５０ｋＪの残留エネルギを残すことになり、これは、漏れを介して局所的に付与された（deposited）場合に、容認し難い高レベルのセル温度上昇をもたらす可能性がある。一態様によれば、所定電圧は、スタック内で生成される電流から電力を得る一以上の寄生負荷に電流を付与するのに必要な閾値となる。

本発明の他の態様によれば、動作中の燃料電池スタックの反応物質の漏れ検出時に、当該燃料電池スタックをシャットダウンする方法が開示される。本方法は、アノード及び第１反応物質源と共働するアノード流路を規定するアノード部位と、カソード及び第２反応物質源と共働するカソード流路を規定するカソード部位と、前記アノード部位と前記カソード部位との間に位置するプロトン透過性電解質と、をそれぞれ備える多数の燃料電池を有するように前記スタックを構成する工程を含む。制御装置が前記スタックと共働して前記スタック内の流量を操作し、漏れが検出されると、前記制御装置は、漏れの検出に対応する１以上の信号を受信し、それにより前記第１反応物質源の前記アノードへの供給を遮断し、前記アノード部位内の圧力を低減することが可能となり、前記アノード流路内に配置される第１弁と、前記カソード流路内に配置される第２弁とを操作することが可能となる。その後、（ａ）端子電圧又は（ｂ）アノード部位圧力の少なくとも一方が所定レベルを下回るまで、前記カソード部位内の前記第１反応物質源及び前記第２反応物質源の少なくとも一部の消費を促進させるために、前記第１弁及び第２弁の一方又は両方をさらに操作することにより前記カソード流路内の不活性流体の濃度を増加させることが可能である。これは、次に前記カソード部位から前記アノード部位に前記不活性流体の少なくとも一部を移送することを可能にする。

本発明の他の態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタックと、多数の流量制御弁と、少なくとも１つの負荷と、前記スタック、前記流量制御弁及び前記負荷の少なくとも１つと共働し、前記スタック内で特定される漏れ状態に呼応してシャットダウン命令を与える制御装置と、から構成される。前記制御装置は、前記漏れ状態の証拠（indicia）に対応するデータを受領し、前記弁、前記負荷、及び前記スタックの１つ又は複数の動作を操作し、前記スタックのアノード部位の少なくともある部位を減圧し、前記スタック内のカソード部位の少なくともある部位内でＨ₂及びＯ₂反応物質の少なくとも一方の存在を欠乏させ、残留する未反応Ｎ₂の濃度を増加させてカソード部位内でのさらなる反応活性（reactive activity）を終了させ、その後カソード部位でＨ₂反応物質及びＯ₂反応物質の欠乏（喪失）から残ったそのＮ₂を使用して、アノード部位の少なくともある部位を実質的に再び満た（backfill）してもよい。

本発明のさらに他の態様によれば、燃料電池システムは、制御装置を含む。当該制御装置は、スタックのアノード流路とカソード流路との間に多量の突然の漏れを検出した際に、動作中の燃料電池スタックの１つ又は複数をシャットダウンするようになっている。他の箇所で議論される通り、このような制御は、燃料電池システムの他の構成要素に信号を送信して、順に、（ａ）アノードの少なくとも一部位内の圧力を低減し、（ｂ）カソード内でのさらなる電気化学活性（activity）を実質的に終了させるように、カソード内でその２つの反応物質の化学反応から残った不活性流体を使用し、（ｃ）アノードの少なくとも一部位を少なくともその不活性流体の一部で満たしてもよい。

以下、添付の図面と併せて参照することにより、本発明に係る好ましい実施形態の詳細な説明が最もよく理解されるであろう。同様な構造は、同様の参照符号によって示されるが、図面中の様々な部品は必ずしも一定の縮尺で示されない。
図１Ａは、車両に用いられる燃料電池システムのブロック図である。 図１Ｂは、図１Ａのシステムにおける代表的な燃料電池の概略縦断面説明図である。 図２Ａは、図１Ａのシステムのシャットダウン動作遂行を支援するために用いられるアノード側ブリード弁及びカソード側背圧弁の配置の第１実施形態を示すブロック回路図である。 図２Ｂは、アノード側ブリード弁がカソード側出口に接続される、図２Ａのブロック回路図の一実施形態を示す図である。 図３Ａは、本発明の漏れ時シャットダウン手順の使用によって起こる仮想的な圧力のタイムチャートに関する詳細を示す図である。 図３Ｂは、本発明の漏れ時シャットダウン手順の使用によって起こる仮想的な電圧のタイムチャートに関する詳細を示す図である。

まず図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、仮想の燃料電池システムのブロック図（図１Ａ）と、個々の燃料電池（図１Ｂ）が示される。本発明の実施形態に沿った方法で動作可能な可動型燃料電池システム１は、反応物質移送システム１００（燃料（すなわち、第１反応物質）源１１０（例えば、水素タンク）及び酸素（すなわち、第２反応物質）源１２０（好ましい一形態においては周囲空気）を備える）と、燃料電池スタック２００と、バッテリ又はモータ３００の形態をなす負荷と、ドライブトレイン４００と、仮想的に車輪として示される１以上の動力装置５００と、を含む。負荷３００がモータである形態において、それはスタック２００からの電流を機械的動力に変換するために用いられる。当該機械的動力とは、例えば、当業者が既知の方法でドライブトレイン４００及び車輪５００を動作させるために用いることが可能なシャフト回転力である。特に図１Ｂに示される追加的な負荷６００は、以下に詳細に議論されるスタック放電抵抗の形態であってもよい。スタック２００内には、多数の個々の燃料電池（セル）２１０が直列に接続されて示されている。視認可能なように、反応物質の移送及び補助的な流体、例えば冷却又は他の熱伝達に用いられる流体の移送は、好ましくは専用回路によって実現される。専用回路は、適切に構成された導管１３０、対応するポンプ１４０、及び弁１５０を含む。当業者に了解される通り、各燃料源及び酸素源からの反応物質が既に加圧されている構成において、ポンプ１４０は任意に選択される要素であってもよく、いずれの改変例も本発明の範囲内である。図示されないが、他の燃料移送システム及び燃料処理システムがシステム１で利用可能である。例えば、燃料源１１０及び酸素源１２０に加えて、（特に）スタック２００の冷却に用いられることが可能な水源（図示せず）を設けることが可能である。

スタック２００のセル２１０によって生じる電流は、ポンプ１４０及び関連する機器に電力を供給するために用いてもよい。他に、快適性向上装置（creature comfort apparatus、例えば空調装置、ヒータ、窓用デフロスタ、電動シート）等に電力を供給するために用いてもよい。さらに、本システム１は可動型（例えば車両用）として示されているが、セル２１０、その各スタック２００、及び補助機器の用途は、据え置き用としても同等に適用可能であることが、当業者は理解されよう。本明細書において、スタック補助機器は、周辺機器（ＢＯＰ）を動作させるために使用されるものであり、本明細書で議論される寄生装置（parasitic device）や、スタック２００に電流源を得る他の構成要素を含んでもよい。本明細書の開示に沿った方法でスタック２００をシャットダウンする一形態には、当該スタック２００から供給される電流が好ましくはそのような補助機器を動作させるのに必要となる電流に略一致したレベルまで減じさせることを含む。

本発明による方法及びシステムは、コンピュータによる制御装置１６０（プログラマブル制御装置又は制御ユニットとも称される）によって遂行可能である。制御装置１６０は、命令を実行可能であり、専用ハードウエア装置及び対応するソフトウエアから構成される１以上のプログラムモジュールとして設けられる。本発明によるシステム１の如何なる操作機能を実行する命令（例えば、弁の開閉、ポンプ若しくはコンプレッサのオンオフ（及びそれらの速度上昇若しくは下降）、並びに検出データ及び診断機能情報の伝送）も、制御装置１６０を構成する様々な装置又は構成要素の好適な実施形態において実体的に具体化（tangibly embodied）可能である。その様々な装置又は構成要素は、そのメモリ部に常駐する形態を含む。特に図１Ａを参照すると、制御装置１６０と燃料電池システム１を構成する様々な構成要素との間に示される接続は、制御装置１６０から受領する命令を通じて、そこで動作を変更させることが可能であることを示す。

好適な一形態において、制御装置１６０は、デジタルコンピュータに関連付けられる機器のような自動データ処理機器として構成される。その場合、好適な形態は、入力部、出力部、処理ユニット（しばしば中央処理装置（ＣＰＵ）と称される）及び一時的若しくは恒久的にコード、プログラム、若しくはアルゴリズムを制御装置１６０のメモリに記憶可能なメモリ、のうちの１つ又は複数を含む。前記メモリは、コードに含まれる命令が入力データに基づいて処理ユニットによって実行され、そのコード及び処理ユニットによって生成される出力データが他のプログラム若しくはユーザに出力部を介して伝送されるように、記憶する。そのように、制御装置１６０は、漏れ状態の適切なトリガが検出された際にシステム１の迅速で効率的なシャットダウンに必要な、少なくともデータ取得、操作若しくは関連する演算機能の幾つかを実行する目的に特化される。本開示の他の箇所で議論される演算を具体化する、コンピュータが実行可能な命令は、本発明で記載される目的を達成するために、制御装置１６０内の適切な場所（例えば前述のメモリ）に配置されることが可能であることが、当業者に了解されよう。

ある特定の形態において、上記に概述した検出及び制御機能を実行するために必要となるアルゴリズム及び式を含むコンピュータが読み取り可能なプログラムコードは、制御装置１６０のメモリの適切な箇所にロード可能である。このようなコンピュータが読み取り可能なプログラムコードは、コードに含まれる命令が磁気的に読み取り可能若しくは光学的に読み取り可能なディスク又は他の関連する非一時的な、機械で読み取り可能な媒体に存在するように、ある製品の一部として形成されてもよい。そのような媒体は、例えばフラッシュメモリデバイス、ＣＤ、ＤＶＤ、ＥＥＰＲＯＭ、フロッピーディスク又は機械が実行可能な命令及びデータ構造を記憶可能な他の媒体を含む。そのような媒体は、制御装置１６０又はコンピュータが読み取り可能なプログラムコードから命令を解釈するために用いられる処理ユニットを有する他の電子機器からアクセス可能である。同時に、処理装置及びその処理装置によって実行される如何なるプログラムコードも、本明細書で議論される制御機能の１つ又は複数を実行する手段を規定する。コンピュータ技術の当事者が理解するように、制御装置１６０は、追加的なチップセット、並びに処理ユニットと他の内部機器（上述した入力部、出力部、メモリ装置）と外部機器（例えばスタック２００及びその補助機器）との間でデータ及び関連する情報を伝送するためのバス及び関係する配線を含んでもよい。プログラムコード手段がＲＯＭにロードされた際、システム１の制御装置１６０は、本明細書で記載されるような様式で適切なシャットダウンシーケンスを決定するように構成される特定の目的をもった機械となる。

特に図１Ｂに、各セル２１０の細部が示される。セル２１０は、電極に対応する部位、とりわけアノード２２０、カソード２３０及びその電極間に位置する電解質層２４０を含む。セル２１０に、及びセル２１０から、反応物質を移送するために用いられる各水素及び酸素通路２２６、２３６も図示されている。本明細書において、文言「部位」は、燃料電池スタック２００全体のある部分、又はスタック２００内の個々のセル２１０のある部分を記載するために用いられる。そのように、セル２１０又はスタック２００のアノード２２０部位内に生じる漏れとは、セル２１０又はスタック２００のアノード２２０部位に導入されている反応物質が漏れて、その後各セル２１０又はスタック２００のカソード２３０部位に移送される状況を含むように意図される。また、本明細書は、各セル２１０又はスタック２００全体のいずれかにそのような漏れが起こったのかに関し明白にするであろう。それにもかかわらず、いずれの変形例も本発明の範囲内にあると考えられる。

アノード２２０は、水素通路２２６に流体的に露呈する電極基板２２２及び触媒層２２４を含む。同様に、カソード２３０は、酸素通路２３６に流体的に接続される電極基板２３２及び触媒層２３４を含む。両通路２２６、２３６は、アノード流路及びカソード流路（両者とも以下に説明される）の一部を形成し、それぞれがアノード部位２２０及びカソード部位２３０に、並びにアノード２２０部位及びカソード２３０部位から、適当な反応物質を移送する。好ましくは、電極基板２２２、２３２は、多孔性であって水素及び酸素の拡散を可能にするとともに、燃料−酸素反応の結果生成される水の流れを可能にする。電解質層２４０は、本願においてプロトン交換膜の形態で示され、イオン化した水素がアノード２２０からカソード２３０へ流れることを可能にするとともに、電流が通過することを防ぐ。

燃料電池の過渡的な運転、特に始動時及びシャットダウン時（後者は以下に詳述される）の運転中、水素−空気界面の存在及び他の状況は、触媒層２３４の寿命を短縮させる過剰な電位をもたらす可能性がある。このような状況の影響を防ぐため又は最小化するために、不活性化及びパージ機器（以下に詳しく議論される）がシステム１に含まれてもよい。電極の実質的な不活性を示す電圧レベル（本明細書では端子電圧とも称される）は、好ましくは０．５ボルト未満、より好ましくは０．４ボルト未満である。

次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、２つのブロック回路図が、図１Ａのシステムにおける本発明に係るシャットダウン動作で遂行される、アノード流路及びカソード流路の相互作用に関する２つの実施形態を示している。特に図２Ａを参照すると、スタック２００、導管１３０に関するアノードブリード弁１５０_A及びカソード背圧弁１５０_C（排気弁とも呼ばれる）の配置が示される。これら２つの弁は、漏れＬが検出された際にシステム１のシャットダウン動作実行を支援するために用いられることが可能であり、背圧弁１５０_Cはカソード反応物質をスタック２００から排出するためにも用いられる。ウォームアップ時にスタック２００からの排気の削減を援助するべく、触媒加熱するために、又は、スタック２００の負荷同期（load-syncing）を促進する目的で電圧を抑制するために、スタック２００のカソード２３０部位に残留する水素を希釈しようとして酸素を導入する目的で、追加的な弁（例えば、図示しないバイパス弁）を用いることが可能である。他の弁（例えば、図示しないバイパス弁）も、システム１の動作改善を促進するために設けられてもよい。

検出された水素漏れに加え、共働するブリード弁１５０_A及び背圧弁１５０_Cが従う入力パラメータは、様々な温度条件、圧力条件、設定点条件を含んでもよい。これら及び他のパラメータ（例えば、制御装置１６０の機能を可能若しくは無効にするパラメータ）は、制御装置１６０によってシステム１の動作を変更させるために使用されてもよい。さらに、本明細書で記載される制御論理の大部分は、（総じて）弁１５０並びに（特に）アノードブリード弁１５０_A及びカソード背圧弁１５０_C及びその各ポンプ１４０の制御のためであるが、スタック２００の通常動作の期間（normal periods）の制御を行うために、追加的な制御論理が適用されてもよいことが当業者によって理解されよう。燃料電池システム１は、さらに、その内部のガスの特性を計測する１以上のセンサＳを含む。ある一形態において、当該センサＳは、ガス（特にＨ₂）を検出するセンサの形式であってもよく、スタック２００と通信又は流体連通するように配置されて、内部の突然の大量の漏れの証拠（indicia）を示すために用いられるとともに、制御装置１６０と通信可能に配置されて、対応する漏れの信号を制御装置１６０に送出する。ある一形態において、そのようなセンサＳは、スタック２００からのボード外（overboard）への漏れを検出するために適切に近接した位置に配置されてもよい。これら及び他のセンサＳが、制御装置１６０内に実現される演算的な制御手順によって作用する入力信号を供給可能なことが当業者によって了解されよう。例えば、幾つかのセンサＳは、システム１のシャットダウン動作時又は通常動作のために、適切な電圧レベルが維持されているか否かを決定するために使用されてもよい。さらに他の特定の形態において、Ｈ₂を検出するようなセンサＳを必要としなくともよく、代わりにＨ₂の漏れ又は濃度は、直接制御装置１６０によってモデル化してもよい。この漏れ又は濃度情報を得るためのそのようなモデル化に基づく方法の具体例は、「シャットダウン時及びスタートアップ時の燃料電池システムにおける水素濃度推定値を推定するためのオンライン方法」と題される米国特許第８１９５４０７号明細書、及び「燃料電池システムのためのアノードパージ及びドレイン弁手順」と題される米国特許出願公開第２０１３／００８９７９７号明細書に見出されることが可能である。両者とも、本発明の譲受人の一方によって所有され、参照することによりその開示内容全体をここに盛り込むこととする。そのような構成では、センサの使用が圧力センサ及び温度センサの１つ又は複数に限定され、両者とも、スタック２００の環境内及びその周囲においてより安定（robust）する可能性がある。

次に、図１Ｂとともに図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、Ｈ₂の流量で約５ｋＷ〜１０ｋＷ以上に達する場合、本明細書において漏れＬは大量であると考えられる。そのように、「大量」の漏れとして認定するために、アノード２２０部位の外側へ極めて高いレベルのＨ₂の移送（例えば、アノードブリード弁１５０_Aが車両サイズの典型的な燃料電池システム１で消費可能な約６０ｋＷのＨ₂の通過を可能にするサイズとなる、所定のセル２１０における従来のカソード触媒加熱（ＣＣＨ）に関連したレベル）となる必要は無いが、しかしながら、本発明のアプローチは、このような状況下でシャットダウンを遂行可能である。対照的に、同程度のサイズの燃料電池システム１でかなり一般的な漏れ（例えば、効率的観点からスタックの寿命切れ状況で規定（dictated）される）である約１ｋＷ未満のＨ₂の流量（生成電流の低下において約５ｍＡ／ｃｍ²に対応する可能性あり）は、少量と考えられる。

次に図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、燃料電池スタック２００のシャットダウン事象（events）並びに圧力（図３Ａ）及び電圧（図３Ｂ）に対するシャットダウンの影響のタイムチャートが示されている。特に、燃料電池スタック２００の運転は、漏れＬが検出される時刻Ｔ₁まで続行される。漏れ検出の形態は、本発明にとって重要ではないが、ある１つの好適な形態は、アノード若しくはカソード流路に共働して配置されることが可能な水素ガスセンサＳ（例えば、図１Ａに示される）を通じて行われてもよい。スタック２００は、負荷３００がかかっていること（例えば、車両ドライブトレインの電動モータ又は他の部品に結合されている）が仮定され、スタック２００の各セル２１０内において、アノード２２０部位内の圧力は、カソード２３０部位の圧力より高くバイアスされている。一例として、仮想車両燃料電池スタック２００の低圧力設定は、カソード２３０部位内を約１１０ｋＰａとし、アノード２２０部位を約１３０ｋＰａとする圧力設定でよく、ピーク電力時においてはそれぞれ約２２０ｋＰａ及び約２４０ｋＰａとしてもよい。このような燃料電池スタック２００の通常運転条件を背景に、本発明の方法及びシステムによるスタック２００のシャットダウンは、大量の漏れを検出した際に、以下の３つの一般工程を含んでもよい。（１）時刻Ｔ₁からＴ₂に対応するアノード２２０部位の減圧、（２）他の経路を通じて供給されるか又は流出してカソード２３０部位に送られる（rerouted or bled）水素と酸素の化学反応による酸素の消費の結果、時刻Ｔ₂からＴ₃に対応する不活性流体（一般的には、窒素（Ｎ₂））の相対的濃度の上昇、及び（３）時刻Ｔ₃以降に対応するアノード２２０部位への不活性流体の導入である。これらの工程が、以下詳細に議論される。

タイムチャートにおいてＴ₀（スタック２００が最大電力条件にて動作中）とＴ₁（大量の突然の漏れＬが検出される）との間の期間を参照すると、アノード部位圧力Ｐ_Aは、カソード部位圧力Ｐ_Cを超えている。時刻Ｔ₁における（例えば１以上のセンサＳによる）漏れＬの検出に呼応して、制御装置１６０が、燃料源１１０からの第１反応物質（すなわち、Ｈ₂等の形態である燃料）の供給を遮断することにより第１工程の動作を開始し、スタック２００への第１反応物質の移送が終了となる。この間、アノード２２０部位の圧力制御は続行される。その後すぐに（時刻Ｔ₁〜時刻Ｔ₂に渡る期間で明示されるように）、最初はカソード２３０部位の圧力よりも速く、アノード２２０部位の圧力が低減し始める。上述の通り、アノード圧力は、好ましくはＨ₂注入器又は好適に構成されたポンプ１４０によって制御される。スタック２００からの電力の取得（例えば、約０．１Ａ／ｃｍ²（約１０ｋＷと等価））は低減されるべきであり、好ましくはスタック２００の負荷の要求電力の値と同等とされる。電力取得量に対応する信号を伝送するセンサＳが設けられ、制御装置１６０と通信可能とし、このような同等さを維持するよう補助してもよい。本開示の他の箇所で記載されるように、このような負荷は、補助機器（本明細書で議論される様々な寄生負荷及び他の負荷）の形態をとってもよい。負荷（例えば走行モータ等）の要求が低い場合、システム１の寄生構成要素、例えばコンプレッサ、ポンプ、バッテリ、抵抗加熱器、空調装置他のいずれか１つ又は複数が、依然として生成される過剰な電力を消費するために用いられてもよい。一形態において、カソード２３０部位の化学量（stoichiometry）がより高いスタック２００を動作させ、排気（emission）を低く保つことも有益である。これは、アノードからカソード（anode-to-cathode）への漏れがカソード２３０部位側の出口近くで起き、Ｈ₂を消費する活性領域が限られている場合、特に有益である。カソード２３０部位の高流量は、コンプレッサ力（power）を増加させ、アノード２２０部位のＨ₂消費を速める結果となる。スタック２００の冷却媒体の流量（適切に装備されたポンプ、導管、弁及び制御回路によってもたらされることが可能（いずれも図示せず））は、最大流量まで増加させるべきである。これは、局所的に発生する如何なる反応ホットスポットも冷却すること、及びＨ₂消費を促進するために利用可能な上述された他の寄生負荷を具備すること、に役立つ。

上述した３つの一般工程のうちの第１工程の一部において、アノード２２０部位を減圧するために、アノードブリード弁１５０_Aが開かれる。図２Ａに示されるように、導管及び関連する機器のサイズは、Ｈ₂の流れにおける最も抵抗の少ない流路が、漏れの場所Ｌを通過する流路よりブリード弁１５０_Aを通過する流路の可能性があるように設定される。さらに（少なくとも図２Ａに示される実施形態において）、アノードブリード弁１５０_Aから放出されるＨ₂は、個々のセル２１０のカソード２３０部位に供給するために用いられる入口マニフォールド若しくは導管１３０の一部であるヘッダにおいて混合し、それによりそのＨ₂は全てのセル２１０において相対的に等しく分配され、上述したＣＣＨと同様な方法で消費される。カソード２３０部位の弁（背圧弁１５０_C及び図示しない如何なるバイパス弁をも含む）は、アノード２２０部位の圧力Ｐ_Aを制御するためにも操作可能であり、カソード２３０部位の圧力Ｐ_Cに比してアノード２２０部位の圧力Ｐ_Aに小さいバイアス（例えば、約５〜１０ｋＰａ）をかけて維持した状態で、その圧力低減が可能となる。この工程は、アノード２２０部位の圧力Ｐ_Aが大気圧（すなわち、約１４．７ｌｂ／ｉｎ²又は１００ｋＰａ）に近づいた際に終了してもよい。この工程の間、故障（compromised）セルの電圧Ｖ_LEAKが急激に低下するが、平均スタック電圧Ｖ_AVEは、比較的影響を受けないままである。

時刻Ｔ₂に開始される第２工程に関し、Ｈ₂及びＯ₂の触媒反応により、カソード２３０部位内で周囲空気の供給で存在する窒素の相対的濃度が増加する。この第２工程の間、次の工程で議論される方法で有益な不活性流体、すなわちＮ₂の局所的濃度増加がなされる。この第２工程の間、アノード２２０部位及びカソード２３０部位を互いに隔離するために、アノードブリード弁１５０_Aを閉じることが重要である。さらに、スタック２００の端子電圧が、Ｈ₂の大部分が消費されたことを示すゼロ又は略ゼロに低下するまで、スタック２００の負荷を維持し反応物質（Ｈ₂及びＯ₂の両者）を消費し続けることが重要である。このように、Ｈ₂が消費されるにつれて、スタック２００から出力される電力が徐々にゼロ又は略ゼロまで低下する。これは、電力が突然開放される上述の「急停止」の修復アプローチと対照的である。可能な限り多くのＯ₂がカソード２３０部位で減少することを確実にするために、背圧弁１５０_Cが閉じられる。これは、通常のシャットダウン中に生じるＯ₂減少に類似したやり方によって、カソード２３０部位の圧力を上げるためにさらに役立つ。加えて、平均スタック電圧Ｖ_AVEが低下し始めるが、漏れが生じている（又は故障）セルの電圧Ｖ_LEAKの低下にまだ追いつかない。この工程は、平均スタック電圧Ｖ_AVEが所定の閾値を下回った際に完了してもよい。一形態において、この閾値は、スタック２００が如何なる寄生負荷も駆動できなくなる電圧レベルである。他の形態において、この工程は、アノード部位圧力Ｐ_Aが大気圧を下回った際に完了してもよい。一形態において、背圧弁１５０_Cは、上述したアノード部位圧力Ｐ_Aの低い圧力バイアスを維持する方法として、カソード部位圧力Ｐ_Cの圧力を低減させるために若干開位置になるよう操作されてもよい。そのような操作は、消費によりアノード２２０部位の圧力Ｐ_Aが適切に低いレベルへ低減するまでなされてもよい（例えば大気圧以下）。図３Ｂの電圧記録で了解可能なように、漏れが生じている／故障セルの電圧Ｖ_LEAKが負の値となる期間が存在する可能性がある。これは、漏れが生じている／故障セルの炭素腐食をもたらすことが予想されるが、発明者は、漏れＬが進行したためセルがいずれにせよ交換される必要があるという点においてこのことは問題にはならないと主張する。上述のように、もしＥＴＳからの負荷が得られなければ、システム１は、制御装置１６０を通じて、直ぐに利用可能な形態の寄生負荷（例えば上述のポンプ、コンプレッサ、又は他の搭載機器）の１つ又は複数を使用するように動作してもよい。

第３工程において、アノード２２０部位に不活性流体（Ｎ₂）を再び満たすこと又は増加させることが時刻Ｔ₃から始まる。この工程において、アノード部位圧力Ｐ_Aが大気圧以下になった際に、ポンプ１４０又は関係するコンプレッサの動作が停止され、それにより反応物質がスタック２００へ移送されなくなる。この場合、ブリード弁１５０_Aが開かれ、背圧弁１５０_Cが閉じられたまま、Ｎ₂リッチの空気がカソード２３０部位からアノード２２０部位に導管１３０の一部であるヘッダ、及びブリード弁１５０_Aを介して移送され、アノード２２０部位に不活性流体（Ｎ₂）を再び満たすか、又は増加させる。この間、スタック電圧放電抵抗６００を連結し、スタック２００内に残留する空気及びＨ₂を消費する。アノード２２０部位を不活性流体（Ｎ₂）で満たすことにより、局所的な反応によるスタック２００内の発熱を防止することが重要である。他の形態において、アノード圧力Ｐ_Aが大気圧以下になった際に、コンプレッサ（ある実施形態では、図１Ａのポンプ１４０のように作動する）が停止されブリード弁１５０_Aが開かれることにより、Ｎ₂リッチの空気をアノード２２０に押し出し、スタック２００内に残留するＨ₂を希釈する。

本明細書で用いられる「好ましくは」「一般的に（又は略）」及び「通常（又は典型的）」のような文言は、本発明の特許請求の範囲を限定するためにも、ある特徴が該特許請求の範囲の構造又は機能に対して決定的、必須又は重要であるということを含意するためにも使用されないことに留意されたい。むしろ、これらの文言は、本発明のある特定の実施形態において利用可能か又は利用可能でない、代替的又は追加的な特徴を強調するために単に意図されているにすぎない。

本発明を記載し規定するために、本明細書で用いられる文言「略（又は実質的に）」、「約」及びその類義語は、何らかの量的な比較、値、測定及び他の表現に起因する可能性のある、内在する不確かさの度合いを示すことに留意されたい。本明細書で用いられる文言「略」は、問題となる主題の基本的な機能に変化をもたらさずに、量的な表現が記載された内容から変化する可能性があるという度合いを示すことにも留意されたい。

具体的な実施形態を参照して本発明を詳細に説明することにより、添付の請求項の範囲で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、その改変及び変形が可能であることは、明白である。特に、本発明の範囲は、記載された好ましい態様及び例示された実施形態に必ずしも限定されず、添付の請求項によって規定される。

１…燃料電池システム １００…反応物質移送システム
１１０…燃料源 １２０…酸素源
１４０…ポンプ １５０…弁
１６０…制御装置 ２００…燃料電池スタック
２１０…燃料電池（セル） ２２０…アノード
２３０…カソード ３００…負荷
４００…ドライブトレイン ５００…動力装置

Claims (10)

1. 動作中に燃料電池スタックをシャットダウンする方法であって、
   アノード及び第１反応物質を含む第１源に結合され且つ第１弁が配置されるアノード流路を規定する第１部位と、カソード及び第２反応物質を含む第２源に結合され且つ第２弁が配置されるカソード流路を規定する第２部位と、前記第１部位と前記第２部位との間に位置するプロトン透過性電解質と、をそれぞれ備える複数の燃料電池を含む前記燃料電池スタック内の漏れを検出する工程と、
   前記漏れの検出に呼応して、前記第１反応物質の前記アノードへの供給を遮断することにより、前記第１部位内の圧力を低減させる工程と、
   端子電圧及び第１部位圧力の少なくとも一方が各所定レベルを下回るまで前記第２部位内の前記第１反応物質及び前記第２反応物質の少なくとも一部の消費を促進させるために、前記第１弁及び第２弁の少なくとも一方を操作することにより前記カソード流路内の不活性流体の濃度を増加させる工程と、
   前記第２部位から前記第１部位に前記不活性流体の少なくとも一部を移送する工程と、を含み、
   前記第１部位内の圧力を低減させる前記工程は、前記アノード流路内の前記第１弁と前記カソード流路内の前記第２弁との少なくとも一方を操作することを含むことを特徴とする動作中に燃料電池スタックをシャットダウンする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記第１弁はブリード弁であり、前記第２弁は背圧弁であり、前記第１弁を操作する前記工程は、前記ブリード弁を通過する前記第１反応物質の少なくとも一部が前記第２部位へ移送されるように、前記ブリード弁を開く工程を含み、前記第２弁を操作する前記工程は、前記第２部位に比して前記第１部位に圧力バイアスをかけて維持するために十分な量だけ前記背圧弁を閉じる工程を含むことを特徴とする動作中に燃料電池スタックをシャットダウンする方法。
3. 請求項１又は２記載の方法において、
   端子電圧の前記所定レベルは、約０ボルトであって、前記第１部位圧力の前記所定レベルは、略周囲雰囲気圧力であることを特徴とする動作中に燃料電池スタックをシャットダウンする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法において、
   前記不活性流体の濃度を増加させる前記工程は、所定の状態が発生した際に実質的に終了し、前記所定の状態とは、前記第１部位圧力が周囲雰囲気圧力を下回るか、又は前記燃料電池スタックの電圧が寄生負荷を駆動するために必要となる値を下回るか、の少なくとも一方であることを特徴とする動作中に燃料電池スタックをシャットダウンする方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法において、
   前記第１部位内の圧力を低減させる前記工程は、さらに、前記燃料電池スタックによって供給される電流を、スタック補助機器を動作させるのに必要な量に実質的に一致するレベルまで低下させる工程を含むことを特徴とする動作中に燃料電池スタックをシャットダウンする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法において、
   前記スタック内の漏れを検出する前記工程は、少なくとも１つのガス検出センサによって行われ、前記ガス検出センサは、前記燃料電池スタックと流体連通するように配置され、前記圧力を低減する前記工程、前記不活性流体の濃度を増加させる前記工程、及び前記不活性流体を移送する前記工程のうち少なくとも１つの工程が、少なくとも部分的に、前記ガス検出センサと通信する制御装置によって行われることを特徴とする動作中に燃料電池スタックをシャットダウンする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法において、
   前記スタック内の漏れを検出する前記工程、前記圧力を低減する前記工程、前記不活性流体の濃度を増加させる前記工程、及び前記不活性流体を移送する前記工程は、少なくとも部分的に、少なくとも１つの圧力センサ及び少なくとも１つの温度センサを通じて、前記燃料電池スタックと通信する制御装置によって行われ、且つガス検出センサからの入力無しに行われることを特徴とする動作中に燃料電池スタックをシャットダウンする方法。
8. 燃料電池と、
   第１反応物質を含む第１源と、
   第２反応物質を含む第２源と、
   第１部位を前記第１源に流体的に結合するアノード流路と、
   第２部位を前記第２源に流体的に結合するカソード流路と、
   前記アノード流路及び前記カソード流路の少なくとも一方と流体的に共働する少なくとも１つの流量制御弁と、
   前記燃料電池に電気的に結合され、前記燃料電池内に生成される電流が少なくとも部分的に消費可能である負荷と、
   前記流量制御弁、前記燃料電池、及び前記負荷の少なくとも１つに結合され、漏れ状態の特定に呼応してシャットダウン命令を与える制御装置と、を含む燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、前記第１部位と、前記第２部位と、前記第１部位と前記第２部位との間に位置するプロトン透過性電解質と、を含み、
   前記制御装置は、
   前記漏れ状態の証拠（indicia）を受領し、
   前記少なくとも１つの流量制御弁を操作することにより、前記第１部位への前記第１反応物質の供給を遮断して前記第１部位内の圧力を低減させ、
   前記少なくとも１つの流量制御弁又は他の流量制御弁を操作することにより、前記第２反応物質の消費を増加させ、当該増加した消費が前記カソード流路内に存在する不活性流体の濃度を増加させ、
   前記アノード流路及び前記カソード流路の少なくとも一方を通じて、前記第２部位から前記第１部位に前記不活性流体の少なくとも一部を移送する、ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８記載の燃料電池システムにおいて、
   前記漏れ状態は、前記燃料電池と流体連通するように配置される少なくとも１つのセンサによって特定され、前記少なくとも１つのセンサは、圧力及び温度の少なくとも１つを検出することを特徴とする燃料電池システム。
10. 動作中の燃料電池スタック内の反応物質の漏れ検出時に、当該燃料電池スタックをシャットダウンする方法であって、
    複数の燃料電池と、アノード流路と、カソード流路と、を前記燃料電池スタック内に設ける工程と、
    前記アノード流路内に配置される第１弁と、前記カソード流路内に配置される第２弁と、を設ける工程と、
    前記燃料電池スタックに結合される制御装置を用いる工程と、を含み、
    前記複数の燃料電池は、それぞれ、アノードと、第１反応物質を含む第１反応物質源に前記アノードを流体的に結合する前記アノード流路と、を含む第１部位と、
    カソードと、第２反応物質を含む第２反応物質源に前記カソードを流体的に結合する前記カソード流路と、を含む第２部位と、
    前記第１部位と前記第２部位との間に位置するプロトン透過性電解質と、を含み、
    前記制御装置は、
    前記反応物質の漏れの検出に対応する少なくとも１つの信号を受信する工程と、
    前記第１部位内の圧力を低減させるために、前記第１弁と前記第２弁との少なくとも一方を操作することにより、前記第１反応物質の前記アノードへの供給を遮断する工程と、
    前記第１反応物質及び前記第２反応物質の消費を促進させるために、前記第１弁及び前記第２弁の少なくとも一方を操作する工程と、
    端子電圧及び第１部位圧力の少なくとも一方が各所定レベルを下回った後、前記第２部位から前記第１部位に不活性流体の少なくとも一部を移送する工程と、
    を行うことを特徴とする、動作中の燃料電池スタック内の反応物質の漏れ検出時に、当該燃料電池スタックをシャットダウンする方法。

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