特表 2016-535427 燃料電池寿命を延ばすための方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2016-535427(P2016-535427A)

(43)【公表日】2016年11月10日

(54)【発明の名称】燃料電池寿命を延ばすための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20161014BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20161014BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20161014BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20161014BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 Y

   H01M8/10

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2016-550911(P2016-550911)

(86)(22)【出願日】2014年1月24日

(85)【翻訳文提出日】2016年6月22日

(86)【国際出願番号】CN2014000091

(87)【国際公開番号】WO2015062154

(87)【国際公開日】20150507

(31)【優先権主張番号】201310523533.3

(32)【優先日】2013年10月30日

(33)【優先権主張国】CN

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US

(71)【出願人】

【識別番号】516127352

【氏名又は名称】チャン，ヨン

(71)【出願人】

【識別番号】516127363

【氏名又は名称】マ，ウェイ

(71)【出願人】

【識別番号】516127374

【氏名又は名称】キ，ジガン

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 香元

(72)【発明者】

【氏名】チャン，ヨン

(72)【発明者】

【氏名】マ，ウェイ

(72)【発明者】

【氏名】キ，ジガン

【テーマコード（参考）】

5H026

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H026AA06

5H127AA06

5H127AB09

5H127AB10

5H127AC05

5H127BA02

5H127BB02

5H127BB45

5H127CC01

5H127DC47

5H127DC48

5H127DC57

5H127DC58

(57)【要約】

本発明は、特に燃料電池システムが外部負荷への電力供給を停止したときから次の起動までの期間に、スタックのために前記Ｈ_２脆化に強い材料で作製された気密筐体内に封じ込まれたＨ_２からなるＨ_２環境を作り出すことにより燃料電池寿命を延ばすための方法を開示する。本発明は、その中にスタックが配置される気密筐体からなり、前記筐体上に筐体−Ｈ_２−入口および筐体−Ｈ_２−出口があり、前記筐体−Ｈ_２−入口の前に電磁弁があり、かつ前記筐体−Ｈ_２−出口の後に電磁弁があり、前記筐体上に、燃料、酸化剤および冷却剤をそれぞれ輸送するための前記スタックに接続されたパイプラインが通ることができる適切にサイズ決めされた開口部があり、前記開口部と前記パイプラインとの間の間隙は封止されていることを特徴とする、燃料電池寿命を延ばすための装置を開示する。本発明は、本燃料電池システムがアイドリングまたは停止状態にある場合に空気がスタック内に進入するのを防止し、従って、それにより、燃料電池非運転期間全体を通して開放電圧によって引き起こされる電極損傷および本燃料電池システムの起動または停止プロセスのいずれかの間に空気／水素境界の形成によって引き起こされる電極損傷に関連する問題を効率的に解決する。本発明は、開放電圧のＭＥＡまたはスタックのいずれかへのそれらの保管期間中の損傷を排除するための方法および装置も開示する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スタックのために気密筐体内に封じ込まれたＨ_２からなるＨ_２環境を作り出すことを特徴とする、燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項2】

前記スタックのための前記Ｈ_２環境を燃料電池運転状態および非運転状態の両方の間に維持する、請求項１に記載の燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項3】

前記スタックのための前記Ｈ_２環境を前記燃料電池非運転期間中に維持する、請求項１に記載の燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項4】

前記Ｈ_２環境は１気圧よりも大きい絶対圧力を有する、請求項１に記載の燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項5】

前記燃料電池システムが前記非運転状態にある場合、スタック−空気−入口、スタック−空気−出口およびスタック−Ｈ_２−出口は閉鎖状態にあるが、スタック−Ｈ_２−入口は開放状態にある、請求項１に記載の燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項6】

前記燃料電池システムが前記非運転状態にある場合、前記スタック−空気−入口、前記スタック−空気−出口および前記スタック−Ｈ_２−出口は閉鎖状態にあるが、前記スタック−Ｈ_２−入口はそれが閉鎖される前の１０〜２０分間は開放状態にある、請求項１に記載の燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項7】

前記燃料電池システムが外部負荷への電力供給を停止した後に、カソード室内に残っているＯ_２をＨ_２を用いて素早くパージして除去する、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項8】

前記燃料電池システムが前記外部負荷への電力供給を停止した後に疑似負荷または補助負荷を前記スタックに接続してカソード室内に残っているＯ_２を素早く消費させる、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項9】

前記燃料電池システムが前記外部負荷への電力供給を停止した後に外部電源を使用してカソード室内に残っているＯ_２を素早く消費させる、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池寿命を延ばすための方法。

【請求項10】

その中にスタックが配置される気密筐体からなり、前記筐体上に筐体−Ｈ_２−入口および筐体−Ｈ_２−出口があり、前記筐体上に、燃料、酸化剤および冷却剤をそれぞれ輸送するための前記スタックに接続されたパイプラインが通ることができる適切にサイズ決めされた開口部があり、前記開口部と前記パイプラインとの間の間隙は封止されていることを特徴とする、燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項11】

前記筐体−Ｈ_２−入口の前に圧力調整器がある、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項12】

前記筐体−Ｈ_２−入口の前に電磁弁があり、かつ前記筐体−Ｈ_２−出口の後に電磁弁がある、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項13】

前記筐体内にＨ_２濃度センサがある、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項14】

前記筐体内にガス圧力センサがある、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項15】

前記筐体は、ステンレス鋼、アルミニウムもしくはその合金または高密度ポリエチレンで作られている、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項16】

前記筐体の外面または内面のいずれかの周りに絶縁材が巻き付けられている、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項17】

前記筐体の内部に乾燥剤が配置されている、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項18】

各カバーのより幅広い側は前記スタックの空気チャネルを覆い、かつ各カバーのより狭い側はスタック−空気−入口パイプラインまたはスタック−空気−出口パイプラインのいずれかに接続されている状態で開放カソード型スタックのためにカバーが装着されている、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項19】

前記筐体上に少なくとも１つの操作可能かつ密閉可能な扉がある、請求項１０に記載の燃料電池寿命を延ばすための装置。

【請求項20】

ＭＥＡおよびスタックのそれらの保管中の寿命を延ばすための方法であって、前記ＭＥＡおよびスタックのためにＨ_２環境を作り出し、かつ前記Ｈ_２環境は気密筐体内に封じ込まれたＨ_２からなることを特徴とする方法。

【請求項21】

ＭＥＡおよびスタックの寿命を延ばすための装置であって、その中に前記ＭＥＡおよび前記スタックが配置される気密筐体からなり、前記筐体上に筐体−Ｈ_２−入口および筐体−Ｈ_２−出口があり、前記筐体−Ｈ_２−入口の前に圧力調整器があり、前記筐体−Ｈ_２−入口の前に電磁弁があり、前記筐体−Ｈ_２−出口の後に電磁弁があり、前記筐体内にＨ_２濃度センサがあることを特徴とする装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は燃料電池に関し、特に、燃料電池非運転期間における開放電圧（ＯＣＶ）および燃料電池の起動／停止プロセス中の酸化剤／燃料境界の形成によって引き起こされる燃料電池に対する損傷を排除し、このようにして燃料電池寿命を延ばすための方法および装置、ならびにそれらの保管期間中のＯＣＶによる膜電極アセンブリおよびスタックに対する損傷を排除するための方法および装置に関する。

【背景技術】

【0002】

全種類の燃料電池の開発において耐久性は最も難しい課題である。商業化のためには、燃料電池は従来技術のものに匹敵する寿命を達成するものでなければならない。米国エネルギー省は、異なる用途に対して１，５００〜６０，０００時間の範囲の燃料電池寿命目標を定めている。

【0003】

燃料電池の耐久性は、材料そのもの、運転条件、制御戦略およびシステム設計などの多くの要因によって影響を受ける。運転条件としては、温度、相対湿度、圧力、混入物、反応物の化学量論比、温度サイクル、相対湿度（ＲＨ）サイクル、電圧サイクル、開放電圧（ＯＣＶ）、および電極における酸化剤／燃料境界（例えばＯ_２／Ｈ_２境界）の形成が挙げられる。慎重な設計や工学技術および適切な制御アルゴリズムを用いれば、温度、相対湿度、圧力、混入物、反応物の化学量論比、ＲＨサイクルおよび温度サイクルの影響を回避または制御することができる。しかし、ＯＣＶおよび酸化剤／燃料境界の有害な影響はこれまで満足が行く程に解決されていない。

【0004】

燃料電池がアイドリングまたは停止状態のいずれかになった後、すなわち燃料電池システムが外部負荷に電力を供給しない非運転状態になった後に、スタック内の各単位セルは約１ＶのＯＣＶを有する。カソード室内に残っている空気（例えば酸化剤）およびアノード室内に残っているＨ_２（例えば燃料）はＰＥＭＦＣ内のプロトン交換膜（ＰＥＭ）などの電解質を通って他の室に徐々に拡散し、そこでは反応（１）に従って空気からのＯ_２はＨ_２と化学反応して水を生成し、それに応じて両室内の圧力は低下する。
Ｈ_２＋０．５Ｏ_２＝Ｈ_２Ｏ （１）

【0005】

より高い温度およびより高い反応物圧力下でより薄い（すなわち不完全に製造された）ＰＥＭを通した場合、拡散率はより高くなる。ＰＥＭを通るＨ_２およびＯ_２の流束は、フィックの拡散の第一法則すなわちＪ＝−Ｄｄｃ／ｄｘ（式中、Ｄおよびｄｃ／ｄｘは拡散種の拡散係数および濃度勾配である）を用いて容易に推測することができる。アノード室およびカソード室内の絶対圧力は、１０分で周囲圧力よりも非常に低い圧力まで低下する可能性がある。例えば、これらの室の圧力は１５分で０．５バール程の低い圧力まで低下することがある。上記室内圧力が低下することで、環境からの空気のスタック内への拡散が促進される。最終的に、アノード室およびカソード室の両方が空気で満たされ、その最終圧力は周囲圧力に到達する。図１に示すように、各単位セルのカソードおよびアノード間のＯＣＶは０Ｖであるが、アノード／ＰＥＭ界面およびカソード／ＰＥＭ界面における電位はどちらも反応（２）によって決まる約１Ｖである。
０．５Ｏ_２＋２Η^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏ Ｅ°＝１．２Ｖ （２）

【0006】

従って、燃料電池システムが非運転状態に入って数分後のアノード／ＰＥＭ界面およびカソード／ＰＥＭ界面はどちらも約１Ｖであり、それによりＰｔ触媒粒子および炭素担体などの電極構成要素の経年劣化が加速され、このようにして電極の寿命が短くなる。燃料電池は輸送用途、バックアップ用途および携帯用途のための電源として使用される場合、大部分の時間は非運転状態にあるため、非運転状態中のＯＣＶの累積的影響は深刻であり、燃料電池システムの寿命を劇的に短くする恐れがある。スタックが運転状態よりも運転状態でない場合に速く劣化することは非常に憂慮すべき事実であり、これまで解決されていない。

【0007】

同様に、ＯＣＶは、その保管期間中に膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の性能および寿命にも影響を与える。ＭＥＡを準備した後であるがスタックに組み立てていない場合、ＭＥＡは空気で満たされた周囲環境に通常露出されている。アノード／ＰＥＭ界面およびカソード／ＰＥＭ界面における電位はどちらも約１Ｖであり、それによりＰｔ触媒粒子および炭素担体などの電極構成要素の経年劣化が加速される。

【0008】

ＯＣＶはその保管期間中のスタックの性能および寿命にも影響を与える。スタックが製造された後であるが燃料電池システム内に設置されていない場合、スタックは周囲環境に通常露出されているため、アノード室およびカソード室はどちらも空気で満たされる。各単位セルのアノード／ＰＥＭ界面およびカソード／ＰＥＭ界面の電位はどちらも約１Ｖであり、それによりＰｔ触媒粒子および炭素担体などの電極構成要素の経年劣化が加速される。

【0009】

さらに悪いことに、電極表面にＯ_２／Ｈ_２境界などの酸化剤／燃料境界が形成される。そのような境界の形成は、各ＭＥＡの性能および耐久性をひどく低下させ、このようにして燃料電池寿命を短くする恐れがある。燃料電池を停止した後に環境からの空気が未反応のＨ_２をなお含むアノード室内にゆっくりと拡散した後、および燃料電池の起動中に、非運転期間中に既に空気で満たされているアノード室にＨ_２が進入した場合に、そのような境界がアノードにおいて容易に形成される。図２に示すように、燃料電池システムを停止した後にＯ_２が残りの未反応のＨ_２を含むアノード内に拡散した場合、あるいは起動中に既に空気で満たされているアノード内にＨ_２が進入した場合に、アノードでＯ_２／Ｈ_２境界が形成される。図２では、点線の垂直線はＯ_２／Ｈ_２境界を仮定として表し、この線は単位セルをＩ、ＩＩ、ＩＩＩおよびＩＶ部分に分離している。これらの４つの部分は図２において電子およびプロトンの流れについて矢印で示されている内部回路を形成している。部分Ｉにおける半反応は、反応（３）に従った一般的な水素酸化反応（ＨＯＲ）であり、電極／ＰＥＭ界面電位は約０Ｖである。
Ｈ_２＝２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ Ｅ°＝０．０Ｖ （３）

【0010】

部分ＩＩおよびＩＩＩにおける半反応は、反応（２）に従った一般的な酸素還元反応（ＯＲＲ）であり、電極／ＰＥＭ界面電位は約１Ｖである。カソードとアノードとの総電位差は約１Ｖであるため、部分ＩＶと部分ＩＩＩとの電位差はこの電位差に近くなるはずであり、部分ＩＩＩは約１Ｖの電極／ＰＥＭ界面電位を有するため、部分ＩＶにおける電極／ＰＥＭ界面電位は約２Ｖである。各種試験において、部分ＩＶと部分ＩＩＩとの電位差は約１．６Ｖである。そのような高電位下では、反応（４）、（５）および（６）にそれぞれ従って、炭素腐食、Ｐｔ酸化／溶解および水電解が部分ＩＶにおいて生じる。水電解は、通常はカソードに対して損傷を引き起こさないが、炭素腐食およびＰｔ溶解は、部分ＩＶにおいてカソード触媒層を素早くかつ顕著に損傷させる。
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ Ｅ°＝０．２Ｖ （４）
Ｐｔ＝Ｐｔ^２＋＋２ｅ⁻ Ｅ°＝１．２Ｖ （５）
Ｈ_２Ｏ＝０．５Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ Ｅ°＝１．２Ｖ （６）

【0011】

第２のガス（例えば空気）が第１のガス（例えばＨ_２）で満たされている室に進入すると、Ｏ_２／Ｈ_２境界はアノードの表面に沿って移動する。第２のガスが環境からアノード室内に拡散した場合、その境界の移動は非常に遅く、そのため部分ＩＶが約１．６Ｖの電圧を受ける時間が長くなり、より多くの損傷が引き起こされる。第２のガスを第１のガスで満たされているアノード内にパージした場合、その境界がアノード全体を移動する時間はより短くなるため、部分ＩＶに対して生じる損傷はさらに小さくなる。速いバージは、燃料電池の停止および起動プロセス中にＯ_２／Ｈ_２境界のカソードに対する損傷を減らすために各種燃料電池の開発者によって使用されている一般的な方法である。

【0012】

ＯＣＶの影響を制限するために、人々は燃料電池の停止後に、Ｎ_２を使用してアノードをパージすることを考えることが多い。実際に、そのようなパージ目的であらゆる不活性ガスを使用することができる。しかし、燃料電池非運転期間中に環境からの空気はアノード内に徐々に拡散するため、ＯＣＶによって引き起こされる劣化は防止されず、空気／燃料境界の形成を防止するために起動中にＮ_２パージが常に必要である。また、Ｎ_２ボンベを輸送および携帯用途のために持ち運んで定置用途のために現場で設置しなければならないため、Ｎ_２を用いたパージは便利ではない。Ｎ_２が入手可能でなければ、アノードを空気またはカソード排気でパージすることも有用であり、それによりアノードにおける空気／Ｈ_２境界の存在時間を劇的に短くすることができる。

【0013】

不活性ガスを用いてアノードをパージする代わりに、燃料電池が非運転状態になる前に、燃料タンクまたはアノード排気のいずれかからのＨ_２を使用してカソードをパージすることもできる。図３に示すように、アノードにＨ_２が存在すれば、カソードにおけるＯ_２／Ｈ_２境界の形成によって約１Ｖを超える界面電位が生じることはない。短い非運転期間（例えば１０分未満）の間にアノードおよびカソードの両方においてＨ_２を維持することができれば、燃料電池システムの再起動によって約１Ｖよりも高い電位が生じることは恐らくないであろう。従って、ＯＣＶおよびＯ_２／Ｈ_２境界によって引き起こされる損傷はどちらも回避される。Ｈ_２でのパージ前に、疑似負荷または補助負荷を使用してカソードにおけるＯ_２濃度を減少させることができる。しかし、より長い非運転期間（例えば３０分超）では、環境からの空気がスタック内に拡散してしまうことでアノード室およびカソード室の両方が空気で満たされるため、非運転期間中のＯＣＶに関連する問題および次の起動中のＯ_２／Ｈ_２境界の形成を完全に回避することができない。

【発明の概要】

【0014】

Ｎ_２、空気またはＨ_２を用いたパージによりＯＣＶおよびＯ_２／Ｈ_２境界の影響を減少させる全ての最近の進歩にも関わらず、より長い非運転期間では環境からの空気がアノード室およびカソード室の両方に拡散し、空気／Ｈ_２境界の形成による損傷が潜在的に生じ、両室が空気で満たされるとＯＣＶ損傷が開始し、またその後の起動中にＯ_２／Ｈ_２境界が再び形成されてさらなる損傷を引き起こしてしまうため、ＯＣＶおよびＯ_２／Ｈ_２境界の影響は完全に解決されていない。

【0015】

本発明の目的は、ＯＣＶおよび酸化剤／燃料境界によって引き起こされる損傷を完全に回避し、このようにして燃料電池の耐久性および寿命を顕著に高めるための方法および装置を提供することにある。

【0016】

本発明の別の目的は、燃料電池非運転期間中のＨ_２損失を防止することにある。

【0017】

本発明のさらなる目的は、ＭＥＡおよびスタックに対してそれらの保管期間中にＯＣＶによって引き起こされる損傷を完全に回避するための方法および装置を提供することにある。

【0018】

その後の説明と共に考察される添付の図面を参照することで本発明の完全な理解を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】アノード室およびカソード室の両方が空気で満たされる燃料電池非運転期間中の典型的なＯＣＶならびにアノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位を示す。

【図2】Ｈ_２が空気で満たされているアノード室に進入する燃料電池の起動中または環境からの空気がＨ_２を含むアノード室に進入する燃料電池の停止中にＯ_２／Ｈ_２境界がアノードにおいて形成された場合の電圧状況を示す。

【図3】アノード室およびカソード室の両方がＨ_２で満たされる燃料電池の起動中にＯ_２／Ｈ_２境界がカソードにおいて形成された場合の電圧状況を示す。

【図4】燃料電池が非運転状態になった後の電解質を通したＨ_２および空気の拡散を示す。

【図5】アノード室およびカソード室の両方がＨ_２で満たされた場合のＯＣＶならびにアノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位を示す。

【図6】燃料電池寿命を延ばすための本発明の装置を示す。

【図7】空気を輸送するためにその上に装着されたカバーを有する開放カソード型スタックを示す。

【図8】操作可能かつ密閉可能な扉を有する気密筐体を示す。

【図9】本発明の開放カソード型スタックを操作するために図８に示す筐体の扉を開放した後の構造を示す。

【図10】本発明の燃料電池システムの停止手順を示す。

【図11】本発明の別の燃料電池システムの停止手順を示す。

【図12】本発明の別の燃料電池システムの停止手順を示す。

【図13】本発明の別の燃料電池システムの停止手順を示す。

【図14】本発明の別の燃料電池システムの停止手順を示す。

【図15】本発明の別の燃料電池システムの停止手順を示す。

【図16】本発明の別の燃料電池システムの停止手順を示す。

【図17】本発明の別の燃料電池システムの停止手順を示す。

【図18】ＭＥＡおよびスタックを保管するための本発明の手順を示す。

【図19】外部電源を使用することによるカソード内に残っているＯ_２の素早い消費を示す。

【0020】

これらの図および例示では、主要な構成要素に以下のように符号が付されている。
１：アノード
２：カソード
３：電解質
４：最初の段階
５：中間の段階
６：最終の段階
７：水素源
８：外部電源
８０１：気密筐体
８０２：スタック
８０３：筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁
８０４：筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁
８０５：スタックのための支持体
８０６：圧力調整器
８０７：Ｈ_２濃度センサ
８０８：スタック−Ｈ_２−入口
８０９：スタック−Ｈ_２−出口
８１０：スタック−冷却剤−入口
８１１：スタック−冷却剤−出口
８１２：スタック−空気−入口
８１３：スタック−空気−出口
８１４：筐体−Ｈ_２−入口
８１５：筐体−Ｈ_２−出口
８１６：開放カソード型スタックのためのカバー
８１７：ダクト
８１８：扉

【0021】

燃料電池システムは開発者の設計および制御戦略に応じて、上記構成要素をすべて含んでいなくてもよく、それ以上の構成要素を含んでいてもよい。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の本質は、スタックのためにＨ_２環境を作り出し、かつ燃料電池システムが外部負荷に電力を供給する必要がなくなった後にそのアノード室およびカソード室の両方をＨ_２で満たすことである。

【0023】

酸化剤として空気、燃料としてＨ_２を用いて、本発明を以下に概括的に説明する。

【0024】

燃料電池寿命を延ばすための方法は基本的に以下のとおりである。本燃料電池システムが外部負荷に電力を供給する必要がなくなった後、すなわち本燃料電池システムがアイドリングまたは停止状態（本発明では「非運転状態」と呼び、本燃料電池システムが外部負荷に電力を供給する場合は本発明では「運転状態」と呼ぶ）のいずれかに入った後に、スタックのためにＨ_２環境を作り出し、前記Ｈ_２環境を密閉筐体内に封じ込まれたＨ_２で作り、前記密閉筐体をＨ_２脆化に強い気密材料で作る。スタックはＨ_２環境内にあるため、燃料電池非運転期間全体を通して、環境からの空気はスタック内に拡散することができず、従って本燃料電池が非運転状態に入った後にＯ_２／Ｈ_２境界の形成は生じない。

【0025】

本燃料電池が非運転状態に入った後に、カソード内に残っているＯ_２は電解質を通ってアノードに拡散し、そこでＨ_２と化学反応して水を生成する。同様に、アノード内に残っているＨ_２は電解質を通ってカソードに拡散し、そこでＯ_２と化学反応して水を生成する。最終的に、アノード室およびカソード室はどちらもＨ_２およびＮ_２の混合物で満たされる。そのプロセス全体が図４に示されており、そこでは、点線の矩形内のＨ_２およびＯ_２／Ｎ_２は対向室から来るガスを表す。アノード室およびカソード室はどちらもＨ_２（および不活性ガスＮ_２）で満たされているため、図５に示すように、アノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位はどちらも反応（３）によって決まる０Ｖである。従って、アノードまたはカソードのどちらにもＯＣＶ損傷が生じることはなく、これは、アノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位がどちらも約１Ｖである図１に示す状況とは明らかに対照的である。次の起動中に空気をカソードに送ると、図３に示すように、Ｏ_２はカソードに以前から存在するＨ_２に出会ってＯ_２／Ｈ_２境界を形成する。しかし、アノード室およびカソード室はどちらも最初にＨ_２で満たされているため、前記Ｏ_２／Ｈ_２境界の形成は、部分ＩＶにおける電極／電解質の界面電位を正常なＯＣＶである約１Ｖまで上昇させるだけであり、図２に示す部分ＩＶにおける約２Ｖの電極／電解質界面電位まで上昇させることはなく、このようにして、図２に示す高い電極／電解質界面電位の影響が回避される。

【0026】

上記燃料電池寿命を延ばすための方法では、スタック−空気−入口、スタック−空気−出口、スタック−Ｈ_２−入口およびスタック−Ｈ_２−出口は全て、本燃料電池システムが非運転状態に入った後に閉鎖状態に切り換えることができる。

【0027】

上記燃料電池寿命を延ばすための方法では、スタック−空気−入口、スタック−空気−出口およびスタック−Ｈ_２−出口は全て、本燃料電池システムが非運転状態に入った後に閉鎖状態に切り換えることができるが、スタック−Ｈ_２−入口は、Ｈ_２が必要に応じてＨ_２源から自動的にスタックに進入することができるように、常に開放したままにすることができる。

【0028】

上記燃料電池寿命を延ばすための方法では、スタック−空気−入口、スタック−空気−出口およびスタック−Ｈ_２−出口は全て、本燃料電池システムが非運転状態に入った後に閉鎖状態に切り換えることができるが、スタック−Ｈ_２−入口は、Ｈ_２が必要に応じてＨ_２源から自動的にスタックに進入することができるように１０〜２０分間開放したままにした後に、スタック−Ｈ_２−入口を閉鎖する。

【0029】

上記燃料電池寿命を延ばすための方法では、気密筐体内のＨ_２圧力を１気圧超に設定する。

【0030】

上記燃料電池寿命を延ばすための方法では、本燃料電池システムが外部負荷に電力を供給する必要がなくなった後に、カソード室内に残っているＯ_２をＨ_２で素早くパージして除去することができる。

【0031】

上記燃料電池寿命を延ばすための方法では、本燃料電池システムが外部負荷に電力を供給する必要がなくなった後に、スタックを疑似負荷または補助負荷に接続することによりカソード室内に残っているＯ_２を素早く消費させることができる。

【0032】

上記燃料電池寿命を延ばすための方法では、本燃料電池システムが外部負荷に電力を供給する必要がなくなった後に、スタック内の各ＭＥＡのアノードに約５０ｍＶを印加し、かつカソードに０ｍＶを印加する小さい外部電源を使用してＨ_２をアノードからカソードにポンプで送り出すことにより、カソード室内に残っているＯ_２を素早く消費させることができる。

【0033】

上記方法を行うための本発明の装置が図６に示されている。本装置は、その中にスタック８０２が配置されるＨ_２で満たされた気密筐体８０１からなる。筐体８０１上には、筐体８０１の内部と筐体８０１の外部とを繋ぐための筐体−Ｈ_２−入口８１４および筐体−Ｈ_２−出口８１５がある。筐体８０１上にはスタックに接続されたパイプラインが通ることができる開口部（図６には図示せず）があり、パイプラインとしては、スタック−Ｈ_２−入口パイプライン、スタック−Ｈ_２−出口パイプライン、スタック−空気−入口パイプライン、スタック−空気−出口パイプライン、スタック−冷却剤−入口パイプラインおよびスタック−冷却剤−出口パイプラインが挙げられる。

【0034】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置には、Ｈ_２源７を筐体−Ｈ_２−入口８１４を介して筐体８０１に接続するパイプラインがあり、筐体８０１を筐体−Ｈ_２−出口８１５を介して外部環境に接続するパイプラインがある。

【0035】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置には、Ｈ_２源７を筐体８０１に接続するパイプライン上に筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３があり、筐体８０１を外部環境に接続するパイプライン上に筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４がある。

【0036】

パイプライン上の筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３を使用してＨ_２源７と筐体８０１との接続を開閉する。パイプライン上の圧力調整器８０６を使用して気密筐体８０１に進入してそこを満たすＨ_２の圧力を制御し、筐体８０１内のＨ_２の圧力を圧力調整器８０６によって事前設定されたものに等しくする。筐体８０１が許容されない量の空気を含む場合、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３および筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４をどちらも開いて空気をＨ_２でパージし、次いで筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を閉じる。

【0037】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置には、筐体８０１内にＨ_２濃度センサ８０７を配置して筐体８０１内のＨ_２濃度を監視することができる。

【0038】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置には、筐体８０１内にガス圧力センサ（図６には図示せず）を配置して筐体８０１内の総ガス圧力を監視することができる。筐体８０１内のＨ_２圧力が１気圧を超える限り（例えば１．０５バール）、適正である。筐体８０１内部のＨ_２と環境内の空気との圧力差が非常に小さいため、筐体壁の厚さを非常に薄くすることができる。

【0039】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置では、筐体８０１の壁厚は約１〜３ｍｍであってもよい。

【0040】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置では、筐体８０１は、Ｈ_２を透過させず、かつＨ_２脆化に対して良好な性質を有するアルミニウムもしくはその合金、ステンレス鋼または高密度ポリエチレンなどの材料で作られている。これらはＨ_２貯蔵ボンベを作製するために使用される一般的な材料である。

【0041】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置では、絶縁材（図６には図示せず）を使用して筐体８０１の外面または内面の周りに巻き付けて、スタックを環境から熱的に絶縁することができる。これは、特に冬季時で環境温度が低い場合にスタック８０２の冷間始動を支援する。

【0042】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置では、筐体８０１内に乾燥剤（図６には図示せず）を配置して水およびその水分を吸収させることができる。

【0043】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置では、スタック８０２を支持体８０５上に配置して、スタック８０２のあらゆる突出部が筐体８０１を損傷するのを防止する。

【0044】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置では、パイプラインが水素、空気および冷却剤をそれらを通して輸送することができるようにするための筐体上の開口部（図６には図示せず）とそれらのパイプラインとの間の間隙は完全に封止されている。

【0045】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置では、筐体８０１は、スタック８０２を内部に配置することができる程に十分に大きい。

【0046】

上記燃料電池寿命を延ばすための装置では、筐体８０１は、筐体８０１内に構成要素を配置したりそこから取り外したりするための操作可能かつ密閉可能な扉を有することができる。

【0047】

図６に示すスタック８０２は閉鎖カソード型スタックすなわちそのカソードチャネルが環境に露出していないスタックである。上記燃料電池寿命を延ばすための装置は開放カソード型スタックすなわちそのカソードチャネルが環境に開放されているスタックにも適している。１つの選択肢は、図７に示すように、スタック−空気−入口側およびスタック−空気−出口側を、より狭いダクト８１７を有するカバー８１６で完全に覆うことである。スタックの両側に２つのカバーが装着されており、開放カソードチャネルに面している。一方のカバーは環境からの空気を回収してそれをスタック内に送り、他方のカバーはカソード排気を環境に送り出すので、空気は全ての開放カソードチャネルを均等に通過することができる。ダクト８１７は、スタック−空気−入口およびスタック−空気−出口パイプラインに接続することができるように適切にサイズ決めされている。開放カソード型スタックを取り扱うための別の選択肢は、図８および図９に示すように、筐体８０１上に２つの操作可能かつ密閉可能な扉８１８をスタック気流チャネルに面するように作製することであり、これらの２つの扉は、燃料電池スタックの運転中に開放され（図９）、非運転期間中に閉鎖される（図８）。

【0048】

上記方法は、ＭＥＡおよびスタックのためにそれらの保管期間中に使用することもできる。ＭＥＡおよびスタックを作製した後であるが燃料電池システムに組み込む前に、それらを一般的な空気環境の代わりに人工のＨ_２環境に保管し、前記Ｈ_２環境を気密筐体内に封じ込める。

【0049】

ＭＥＡおよびスタックを保管するための装置はＨ_２で満たされた気密筐体からなり、Ｈ_２源を筐体に接続するパイプラインがあり、筐体を外部環境に接続するパイプラインがあり、Ｈ_２源を筐体に接続するパイプライン上に電磁弁があり、筐体を外部環境に接続するパイプライン上に電磁弁があり、Ｈ_２源を筐体に接続するパイプライン上に筐体に進入してそこを満たすＨ_２の圧力を制御する圧力調整器があり、筐体内のＨ_２濃度を監視するためのＨ_２濃度センサが筐体内に配置されており、筐体内のガス圧力を監視するためのガス圧力センサがあり、構成要素を筐体内に配置したりそこから取り出したりするために操作可能かつ密閉可能な扉が筐体上にある。

【0050】

筐体８０１は完全に気密であるため、筐体８０１をＨ_２で満たすとＨ_２はそこに保持される。従って、筐体から環境へのＨ_２の損失はほとんどない。

【0051】

本発明の方法および装置の利点としては以下の点が挙げられる。スタックのために人工のＨ_２環境を作り出すため、環境からの空気はスタックに進入することができず、アノード室およびカソード室はどちらもＨ_２で満たされるため、ＯＣＶの影響およびＯ_２／Ｈ_２の形成は完全に排除される。ＭＥＡおよびスタックはＨ_２環境に保管されるため、それらの保管期間中のＯＣＶの影響は完全に排除される。

【0052】

本燃料電池システムが非運転状態に入った後にスタックのアノード室およびカソード室の両方をＨ_２で満たすためのいくつかの方法がある。図４に示すように、最も簡単な方法は、Ｈ_２および空気がＰＥＭ燃料電池内のプロトン交換膜（ＰＥＭ）などの電解質を通って対向室に自然に拡散することに依存している。最初の段階では、アノード室およびカソード室は残留するＨ_２および空気をそれぞれ有する。中間の段階では、一部のＨ_２はカソードに拡散し、一部の空気はアノードに拡散し、点線の矩形内のＨ_２およびＯ_２／Ｎ_２はそれらが対向室から来ることを意味している。Ｈ_２およびＯ_２は、それらが出会うと反応（１）に従って両室内で化学反応する。最終的に、カソード室内に元々存在していた全てのＯ_２が消費されるため、両室はＨ_２およびＮ_２の混合物で満たされる。アノード室およびカソード室の両室内の絶対ガス圧力が大気圧未満まで低下する期間が存在することがあり、筐体８０１内の一部のＨ_２はその室内に拡散する。最終的に、両室の絶対圧力は筐体内のＨ_２圧力に等しくなる。別の方法は、本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を停止した後にカソード室内の空気をＨ_２でパージして除去することである。第３の方法はカソード室内のＯ_２を素早く消費させるために疑似負荷または補助負荷を使用することである。第４の方法は、小さい外部電源を使用してＨ_２をアノードからカソードにポンプで送り出すことである。

【0053】

自然なガス拡散に依存する上記方法では、電解質を通したＨ_２の拡散およびひいてはカソード室内のＯ_２の消費を促進するために、スタック−Ｈ_２−入口を開放したままにすることができる。

【0054】

スタックはＨ_２で満たされた筐体内にあるため、その期間がどんなに長くとも燃料電池非運転期間全体を通してアノード室およびカソード室の両室はＨ_２で満たされた状態を維持する。

【0055】

図５に示すように、スタックのアノード室およびカソード室の両方がＨ_２で満たされている場合、セルのＯＣＶおよびスタック内の各単位セルのアノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位は全て０Ｖである。従って、その期間がどんなに長くとも非運転期間全体を通して、ＯＣＶによって引き起こされる損傷を完全に回避する。

【0056】

そのような条件下では、燃料電池のその後の起動プロセス中に空気がカソード室に進入した場合にＯ_２／Ｈ_２境界がカソードにおいて形成されるが、アノードは既にＨ_２で満たされているため、ＯＣＶおよびスタック内の各単位セルのアノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位は１Ｖ程の高さにしかなり得ない。その電圧状況は図３に示すものと同じである。従って、そのようなＯ_２／Ｈ_２境界の形成は、アノードまたはカソードのいずれに対してもどんな損傷も引き起こさない。

【0057】

開放カソード型スタックを用いる燃料電池システムでは、図７に示すようにスタック上にカバーを作製することができる。

【0058】

図８および図９に示すように、気密筐体の２つの対向端に開閉可能な扉を作製して、空気を開放カソード型スタックに通すように管理することもできる。燃料電池運転状態では、空気を各開放カソードチャネルに均等に通すことができるように、これらの操作可能かつ密閉可能な扉は図９に示すように開放されている。扉を開ける１つの機構は、扉をその縁部に向かってスライドさせてスタックの開放カソードチャネルを環境に完全に露出させることができるようにすることである。燃料電池非運転状態では、これらの操作可能かつ密閉可能な扉は閉鎖および密閉されており、筐体は、スタックを環境から隔離するための図８に示すような気密性を達成する。次いで、筐体内の空気をＨ_２で置き換える。その後の起動プロセスでは、操作可能かつ密閉可能な扉を開放して最初にＨ_２を外に出し、次いで開放カソードチャネルを通して空気をスタック内に送る。

【0059】

前の非運転期間中にスタックがＨ_２環境に露出されていた燃料電池システムを再起動させた場合、閉鎖カソード型スタックのためにＨ_２環境をそのままにすることができる。言い換えると、運転期間および非運転期間の両方において閉鎖カソード型スタックをＨ_２環境内に置くことができるため、本燃料電池システムの全寿命の間に、筐体は非常に僅かなＨ_２の再充填しか必要としない。開放カソード型スタックでは、本燃料電池システムを再起動させる前に筐体内のＨ_２を空気で置き換え、本燃料電池システムが非運転状態に入った後、好ましくはスタックの電圧がほぼ０Ｖまで低下した後に、筐体内の空気をＨ_２で置き換える。

【0060】

図および実施例を用いて本発明についてさらに詳細に説明する。

【0061】

燃料電池寿命を延ばすための方法
スタックのためにＨ_２環境を作り出し、前記Ｈ_２環境を密閉筐体内に封じ込まれたＨ_２で作り、前記密閉筐体を気密にし、かつＨ_２脆化に強い材料で作製する。スタックはＨ_２環境内にあるため、燃料電池非運転期間全体を通して環境からの空気はスタック内に拡散することができず、その結果、アノード室およびカソード室を確実にＨ_２で満たし、よって、燃料電池非運転状態全体を通してアノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位が約１Ｖになるのを回避し、かつ燃料電池の停止および起動プロセス中のＯ_２／Ｈ_２境界形成による損傷を回避する。

【0062】

本手順は以下のとおりである。本燃料電池が非運転状態に入った後に、スタック−空気−入口８１２、スタック−空気−出口８１３およびスタック−Ｈ_２−出口８０９を閉鎖するが、筐体−Ｈ_２−入口を開放状態にしてスタックをＨ_２環境内に置く。スタックのためのこのＨ_２環境は、閉鎖カソード型スタックのために本燃料電池システムの寿命全体を通して本燃料電池システムが運転および維持される第１の時間の間に作り出すことができる。アノード室内に残っているＨ_２およびカソード室内に残っているＯ_２は電解質３を通って対向室に拡散し、そこでそれらは化学反応してＨ_２Ｏを生成し、従って、両室は最終的にＨ_２およびＮ_２の混合物で満たされる。スタック−Ｈ_２−入口８０８は、本燃料電池システムが非運転状態に入ってすぐに閉鎖することができ、本燃料電池システムが非運転状態に入った後に１０〜２０分間開放したままにしてから閉鎖することができ、また、常に開放したままにすることもできる。スタック−Ｈ_２−入口が開放状態にある場合、Ｈ_２はスタック−Ｈ_２−入口８０８からスタック８０２に進入することができ、これは電解質３を通したＨ_２の拡散を促進する。このプロセスでは、気密筐体８０１内のＨ_２圧力は１．１気圧などの１気圧よりも高い気圧に維持される。

【0063】

本燃料電池システムが非運転状態に入った後に少ししてから、カソード室内のＯ_２は電解質３を通した拡散によりアノード室から来るＨ_２によって完全に消費され、このようにしてカソード室は最終的にＨ_２およびＮ_２の混合物で満たされるが、Ｎ_２が主要成分である。同様に、空気はカソードから電解質３を通ってアノードに拡散し、Ｏ_２はアノード室内でＨ_２と化学反応するが、Ｎ_２はその反応に関与せず、従って、アノード室もＨ_２およびＮ_２の混合物で満たされるが、Ｈ_２が主要成分である。プロセス全体が図４に示されており、そこでは点線の矩形内のＨ_２またはＯ_２／Ｎ_２は対向室から来るガスを表す。図５に示すように、アノード室およびカソード室はどちらもＨ_２（および不活性ガスＮ_２）で満たされているため、アノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位はどちらも反応（３）によって決まる０Ｖである。従って、アノードまたはカソードのどちらに対してもＯＣＶ損傷は生じることはなく、これはアノード／電解質およびカソード／電解質の界面電位がどちらも約１Ｖである図１に示す状況とは明らかに対照的である。次の起動中に空気をカソードに送ると、図３に示すように、Ｏ_２はカソード内に以前から存在するＨ_２に出会ってＯ_２／Ｈ_２境界を形成する。しかし、図３に示すように、アノード室およびカソード室はどちらも最初にＨ_２で満たされているため、前記Ｏ_２／Ｈ_２境界の形成は、部分ＩＶにおける電極／電解質の界面電位を正常なＯＣＶである約１Ｖまで上昇させるだけであり、図２に示す部分ＩＶにおける約２Ｖの電極／電解質界面電位まで上昇させることなく、このようにして、図２に示す高い電極／電解質界面電位の影響が回避される。

【0064】

上記方法では、本燃料電池システムが非運転状態に入った後にカソード室内に残っているＯ_２をＨ_２で素早くパージして除去することができる。

【0065】

上記方法では、スタック−Ｈ_２−入口８０８が開放状態にある場合、本燃料電池システムが非運転状態に入った後にスタック８０２を疑似負荷または補助負荷に接続することにより、スタック８０２のカソード室内に残っているＯ_２を素早く消費させることができる。前記疑似負荷または補助負荷とは、本燃料電池システムが電力を供給する負荷ではない適当に小さい負荷を指し、疑似負荷または補助負荷は、抵抗器または本燃料電池システムの制御盤もしくは小型ファンなどの寄生電力消費装置であってもよい。

【0066】

上記方法では、スタック−Ｈ_２−入口８０８が開放状態にある場合、スタック８０２の各アノード１に約５０ｍＶの電圧を印加し、かつスタック８０２内の各ＭＥＡの各カソード２に約０ｍＶの電圧を印加する小さい外部電源８を使用してＨ_２をアノードからカソードにポンプで送り出すことにより、スタック８０２のカソード室内に残っているＯ_２を素早く消費させることができる（図１９）。

【0067】

上記手順では、筐体−Ｈ_２−入口８１４は常に開放状態にあることが好ましい。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を停止した後に筐体−Ｈ_２−入口８１４が開放状態にない場合は、それを開放することができる。本燃料電池が外部負荷への電力供給を停止した直後に、あるいは、電解質を通したＨ_２およびＯ_２の自然な拡散もしくはカソード室のＨ_２でのパージ、疑似負荷または補助負荷の使用、または外部電源を印加してカソード室内のＯ_２を消費させることによりスタックＯＣＶがほぼ０Ｖまで低下した後に、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３の開放を行うことができる。

【0068】

燃料電池寿命を延ばすための装置
本発明の方法を実施するための装置が図６に示されている。本装置は、その中にスタック８０２が配置されるＨ_２で満たされた気密筐体８０１からなる。筐体８０１上には、筐体８０１内のＨ_２環境のＨ_２濃度を調整するための筐体−Ｈ_２−入口８１４および筐体−Ｈ_２−出口８１５がある。筐体８０１の内外に出入りするＨ_２を制御するための筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３および筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４がそれぞれある。筐体８０１上には、スタック８０２に接続されたパイプラインが通ることができるように適切にサイズ決めされたいくつかの開口部（図６には図示せず）があり、パイプラインと開口部との間の間隙はＨ_２の漏出を防止するために封止されており、前記パイプラインとしては、スタック−Ｈ_２−入口８０８およびスタック−Ｈ_２−出口８０９を介してスタック８０２に接続されたＨ_２パイプライン、スタック−空気−入口８１２およびスタック−空気−出口８１３を介してスタック８０２に接続された空気パイプライン、およびスタック−冷却剤−入口８１０およびスタック−冷却剤−出口８１１を介してスタック８０２に接続された冷却剤パイプラインが挙げられる。上記構成では、燃料電池非運転期間中にスタック８０２のアノード室およびカソード室をどちらも確実にＨ_２で満たすために、スタック８０２はその内部がＨ_２で満たされている気密筐体８０１内に配置されている。筐体−Ｈ_２−入口８１４の前に圧力調整器８０６が配置されており、筐体８０１内のＨ_２圧力が圧力調整器８０６によって設定されるものと等しくなると、Ｈ_２は筐体８０１への進入を停止し、筐体８０１内のガス圧力が低下すると、Ｈ_２は自動的に筐体８０１内に進入する。筐体内には、スタック８０２を物理的に支持してスタック８０２のあらゆる突出部が筐体８０１への損傷を引き起こすのを防止するための支持体８０５がある。筐体８０１内にはＨ_２濃度を監視するためのＨ_２濃度センサ８０７がある。筐体８０１内の総ガス圧力を監視するためのガス圧力センサ（図６には図示せず）がある。筐体８０１の外面または内面のいずれかに巻き付けて特に冬季時におけるスタックの冷間始動を支援するための絶縁材（図６には図示せず）がある。筐体８０１は、Ｈ_２を透過させず、かつＨ_２脆化に対して良好な性質を有するアルミニウムもしくはその合金、ステンレス鋼または高密度ポリエチレンなどの材料で作られている。筐体の壁厚は約１〜３ｍｍである。筐体８０１内には、スタック８０２を乾燥環境に維持して水がスタック８０２上で濃縮するのを防止するための水およびその水分を吸収する乾燥剤（図６には図示せず）がある。開放カソード型スタックのために、図７に示すように、それらのより幅広い側がスタック８０２の空気チャネルを覆い、かつそれらのより狭いダクト８１７がスタック−空気−入口パイプラインおよびスタック−空気−出口パイプラインと接続している状態でスタック８０２上にカバー８１６が装着されている。開放カソード型スタックとは、それらの空気チャネルが環境に開放されているスタックを指す。カバー８１６およびダクト８１７を使用して、上に考察されている閉鎖カソード型スタックと同様に開放カソード型スタックを保護する。

【0069】

図８および図９に示すように、筐体８０１上には、必要に応じて開閉することができる操作可能かつ密閉可能な扉８１８があってもよい。開放カソード型スタックを使用する場合、スタック空気チャネルの２つの端部に面する位置に２つの扉８１８が配置される。扉８１８が閉鎖状態にある場合、筐体８０１全体が気密である。扉８１８には２つの主要な機能があり、一方の機能は、スタックなどの構成要素を筐体８０１内に配置したりそこから取り外したりするためのものであり、他方の機能は、本燃料電池システムの運転中に開放カソード型スタックが環境から空気を受け取るためのものである。扉８１８を開放するための数多くの方法がある。１つの方法は、図９に示すように扉を縁部に向かってスライドさせることができるようにするためのものである。本燃料電池システムが非運転状態に入ると、図８に示すように、扉８１８を閉鎖してスタック８０２を環境から隔離し、筐体８０１をＨ_２で満たされた気密な状態にする。

【実施例】

【0070】

燃料電池寿命を延ばすための手順
以下は、本発明をさらに例示するための実施例としてのいつくかの手順である。本発明はそれらの実施例に限定されないことは明らかである。

【0071】

実施例１
図１０は、気密筐体が既にＨ_２で満たされ、かつ筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁が開状態にある場合の停止手順を示す。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を必要としない場合、接触器または他の接続装置をオフにして本燃料電池システムと前記負荷との電気的接続を切断し、スタック−空気−入口電磁弁およびスタック−空気−出口電磁弁を閉じ、スタック−Ｈ_２−出口電磁弁およびスタック−Ｈ_２−入口電磁弁を閉じ、かつ他の従来の工程を行って本燃料電池システムをアイドリングまたは停止状態のいずれかの状態にする。

【0072】

本実施例では、本燃料電池システムが運転状態または非運転状態のいずれかにある間、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁はその期間全体を通して開状態を維持する。筐体８０１は気密であるため、筐体内のＨ_２濃度は本プロセス全体においてほとんど変化しない。設計上の欠陥により筐体８０１が完全な気密性を達成していない場合には、Ｈ_２は筐体内に徐々に進入し続け、筐体内のＨ_２圧力を圧力調整器８０６によって事前設定されたものに等しく維持する。

【0073】

電解質３を通してＨ_２および空気が拡散し、かつスタック８０２のアノード室内に残っているＨ_２の量がスタック８０２のカソード室内に残っているＯ_２の量を超えているために、図４に示すように、アノード室およびカソード室の両方が最終的にＨ_２およびＮ_２の混合物で満たされる。本プロセスの特定の段階では、アノード室またはカソード室のいずれかの室内の総ガス圧力は筐体８０１内のＨ_２圧力未満に低下するため、筐体８０１内の一部のＨ_２はアノード室およびカソード室の両室内に拡散し、いずれかの室内の最終的なガス圧は筐体８０１内のＨ_２圧力に等しくなる。その後、筐体は気密であるため、筐体８０１内に進入するＨ_２はなくなり、その結果、Ｈ_２の損失は生じない。筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３が常に開状態に維持されることで、筐体８０１は常にＨ_２で満たされ、その圧力は圧力調整器８０６によって設定されたものに等しい。設計上の欠陥により筐体８０１が完全な気密性を達成していない場合であっても、環境からの空気が筐体８０１内に拡散するのを完全に防止するためには、圧力調整器８０６によって設定される圧力を１．０５気圧などの大気圧よりも僅かにのみ高い圧力にすればよい。

【0074】

実施例２
図１１は、気密筐体が既にＨ_２で満たされ、かつ筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁が開状態にある場合の別の停止手順を示す。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を必要としない場合、接触器または他の接続装置をオフにして本燃料電池システムと前記負荷との電気的接続を切断し、スタック−空気−入口電磁弁およびスタック−空気−出口電磁弁を閉じ、スタック−Ｈ_２−出口電磁弁を閉じ、かつ他の従来の工程を行って本燃料電池システムを非運転状態にする。

【0075】

本手順の第３の工程では、スタック−Ｈ_２−出口電磁弁のみを閉じる。言い換えると、スタック−Ｈ_２−入口電磁弁は閉じない。そのような構成により、スタック８０２のアノード室が常にＨ_２で満たされることを保証することができ、Ｈ_２のアノードからカソードへの拡散を促進し、このようにして、Ｈ_２の電解質３を通した拡散によりカソード内の酸素をより速く消費させることができる。

【0076】

実施例３
図１２は、本燃料電池システムの運転中に気密筐体が空気で満たされる場合の停止手順を示す。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を必要としない場合、接触器または他の接続装置をオフにして本燃料電池システムと前記負荷との電気的接続を切断し、スタック−空気−入口電磁弁およびスタック−空気−出口電磁弁を閉じ、スタック−Ｈ_２−出口電磁弁を閉じ、スタック電圧がほぼ０Ｖまで低下した後に筐体−Ｈ_２−入口電磁弁８０３および筐体−Ｈ_２−出口電磁弁８０４を開き、２分後に筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を閉じ、かつ他の従来の工程を行って本燃料電池システムを非運転状態にする。

【0077】

本実施例では、スタック電圧がほぼ０Ｖまで低下した後に筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３および筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を開き、２分後に筐体がＨ_２で満たされた後に筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁を閉じるが、その後筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁を開状態に維持する。

【0078】

実施例４
図１３は、本燃料電池システムの運転中に筐体がＨ_２で満たされ、かつ筐体−Ｈ_２−電磁弁が閉状態にある場合の停止手順を示す。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を必要としない場合、接触器または他の接続装置をオフにして本燃料電池システムと前記負荷との電気的接続を切断し、スタック−空気−入口電磁弁およびスタック−空気−出口電磁弁を閉じ、スタック−Ｈ_２−出口電磁弁を閉じ、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３を開き、１５分後に筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３を閉じ、かつ他の従来の工程を行って本燃料電池システムを非運転状態にする。

【0079】

本燃料電池が非運転状態に入った後に、カソード室内に最初に残っているＯ_２を、電解質を通した拡散によりアノード室から来るＨ_２と約１０〜２０分間（この時間は電解質の厚さによって決まり、何回かの測定により５０μｍ未満の厚さを有するＰＥＭでは約１５分であることが分かった）化学反応させることにより完全に消費させることができる。従って、筐体が完全に気密であれば、約１５分後に筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁を開状態に維持する必要はない。本手順では、筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁を閉状態に維持する。

【0080】

実施例５
図１４は、筐体が最初に空気で満たされている場合の手順を示す。例えば、燃料電池システムを初めて起動させた場合、筐体は空気で満たされている可能性が高く、本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を停止した後、筐体はなお空気で満たされているであろう。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を必要としない場合、接触器または他の接続装置をオフにして本燃料電池システムと前記負荷との電気的接続を切断し、スタック−空気−入口電磁弁およびスタック−空気−出口電磁弁を閉じ、スタック−Ｈ_２−出口電磁弁を閉じ、スタック電圧がほぼ０Ｖまで低下した後に、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３および筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を開き、筐体内のＨ_２濃度が７７％よりも高くなったら筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を閉じ、かつ他の従来の工程を行って本燃料電池システムを非運転状態にする。

【0081】

空気中でのＨ_２の燃焼限界は４〜７７体積％であるため、Ｈ_２濃度が７７％よりも高い場合にはＨ_２および空気の混合物は燃焼することができない。筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁およびスタック−Ｈ_２−入口電磁弁をどちらも開状態に維持して、非運転期間全体を通して確実に筐体８０１内のＨ_２体積濃度を常に７７％よりも高くする。

【0082】

実施例６
図１５は、筐体が最初に空気で満たされている場合の別の手順を示す。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を必要としない場合、接触器または他の接続装置をオフにして本燃料電池システムと前記負荷との電気的接続を切断し、スタック−空気−入口電磁弁およびスタック−空気−出口電磁弁を閉じ、スタック−Ｈ_２−出口−電磁弁およびスタック−Ｈ_２−入口−電磁弁を閉じ、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３および筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を開き、筐体内のＨ_２濃度が約１００％に到達したら筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を閉じ、かつ他の従来の工程を行って本燃料電池システムを非運転状態にする。

【0083】

筐体内のＨ_２が１００体積％である場合、確実にＯ_２がスタック内に拡散しないようにし、このようにしてスタック内の空気／燃料境界の形成を回避し、非運転期間全体を通したＯＣＶの影響および空気／Ｈ_２境界の形成を効率的に排除する。

【0084】

実施例７
図１６は、筐体が最初に空気で満たされている場合のさらなる手順を示す。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を必要としない場合、接触器または他の接続装置をオフにして本燃料電池システムと前記負荷との電気的接続を切断し、スタック−空気−入口電磁弁およびスタック−空気−出口電磁弁を閉じ、スタック−Ｈ_２−出口電磁弁およびスタック−Ｈ_２−入口電磁弁を閉じ、スタック電圧がほぼ０Ｖまで低下した後に、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３および筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を開き、筐体内のＨ_２濃度が約１００％に到達したら、筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４および筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３を閉じ、他の従来の工程を行って本燃料電池システムをアイドリング状態にし、筐体８０１内のＨ_２圧力が事前設定された値まで低下したら、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁を開いて前記圧力を圧力調整器８０６によって事前設定された圧力に到達させ、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３を閉じ、前記最後の２つの工程を繰り返す。

【0085】

本手順では、事前設定された圧力は、１．０１気圧のなどの１気圧よりも僅かに高い圧力であればよい。最後の２つの工程を繰り返すことにより、筐体内のＨ_２圧力を確保し、よって、環境からのＯ_２が筐体８０１に進入することができず、それによりＯ_２がスタックに進入するのを防止し、ＯＣＶの影響および空気／Ｈ_２境界の形成を効率的に排除する。最後の２つの工程を自動的に行うことができるようにするために、本燃料電池システムは停止状態ではなくアイドリング状態にある。

【0086】

実施例８
図１７に示す手順は、開放カソード型スタックを使用する場合に筐体８０１が操作可能かつ密閉可能な扉８１８を有する状況に適用可能である（図８および図９を参照）。本燃料電池システムが外部負荷への電力供給を必要としない場合、接触器または他の接続装置をオフにして本燃料電池システムと前記負荷との電気的接続を切断し、筐体８０１上の扉８１８を閉鎖し、スタック−Ｈ_２−出口電磁弁およびスタック−Ｈ_２−入口電磁弁を閉じ、スタック電圧がほぼ０Ｖまで低下した後に、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁８０３および筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を開き、筐体内のＨ_２濃度が約１００％に到達したら筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁８０４を閉じ、かつ他の従来の工程を行って本燃料電池システムを非運転状態にする。

【0087】

実施例９
図１８に示す手順は、燃料電池システムへの組み込み前にＭＥＡおよびスタックを保管するために適用可能である。ＭＥＡまたはスタックを気密筐体内に配置し、筐体−Ｈ_２−入口−電磁弁および筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁を開き、筐体内のＨ_２濃度が約１００％に到達したら筐体−Ｈ_２−出口−電磁弁を閉じる。

【0088】

上記実施例２、実施例３および実施例４では、スタック−Ｈ_２−入口電磁弁は開状態に維持されるため、疑似負荷または補助負荷を用いてカソード室内に残っているＯ_２を素早く消費させることができ、本プロセス全体が必要とする時間は、疑似負荷または補助負荷の電力消費率およびカソード室の体積に応じて、たった約１分である。スタック電圧がほぼ０Ｖまで低下したら疑似負荷または補助負荷をスタックから切断する。スタックのアノード室は十分なＨ_２を含んでいるため、本プロセスはスタックに対するどんな損傷も引き起こさない。

【0089】

上記実施例２、実施例３および実施例４では、スタック−Ｈ_２−入口電磁弁は開状態に維持されるため、外部電源を用いてカソード室内に残っているＯ_２を素早く消費させることができる。外部電源は、各アノードに対して約５０ｍＶの電圧を印加し、スタック内の各カソードに対して０ｍＶを印加する。アノードにおけるＨ_２は、反応（３）に示すように酸化されて電子およびプロトンになり、それらはカソードに移動して反応（２）に示すようにＯ_２と反応して水を生成する。本プロセス全体は図１９に示されている。本プロセス全体で必要な時間はたった約１分である。

【0090】

本発明を実施するための全ての手順を列挙することは不可能である。上記実施例は全て、単に例示のためのものであり、それらを本発明に対する限定として使用すべきではない。本発明における説明および実施例に基づき、当業者であれば多くの変形形態を思い付くことができ、そのような変形形態は全て本発明の範囲に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【国際調査報告】