JP2005515603A - アノード排気再循環ループを有する燃料電池システム始動手順 - Google Patents
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Abstract
Description
燃料電池の通常作動中に、電池が主負荷146に電気を供給しているときは、主負荷スイッチ154は入れられており(図では切られた状態で示されている)、補助負荷スイッチ156は切られている。空気送風機144、アノード流れ区域排気再循環送風機150および冷却液ポンプ134はすべて作動している。弁182は閉じられている。アノード流れ区域への燃料供給導管168上の燃料供給弁166は開かれており、アノード排気導管174上のアノード排気通気弁172も同様である。冷却液ループ流量制御弁138も開かれている。空気供給弁162a、162b、および162cおよび燃料供給弁190a、190b、および190cは閉じられており、触媒燃焼器要素153a、153b、153cは作動していない。
上述した燃料電池システムが停止されており、アノードおよびカソード流れ区域内部にはいずれも100%の空気がある状態を想定する。該システムまたは任意の、アノードおよびカソード流れ区域に空気が入っている無負荷状態の燃料電池システムを再始動するために、以下の手順を用いることができる。
Claims (26)
- 停止中の燃料電池システムを始動するための手順であって、該停止中のシステムは、水素含有燃料の供給源と、電池電解質の一方の側面上にある電池のカソードに隣接するカソード流れ区域および電池電解質の他方の側面上にある電池のアノードに隣接するアノード流れ区域を含む燃料電池と、アノード流れ区域排気の少なくとも一部をアノード流れ区域に通して再循環させるためのアノード再循環ループとを有し、アノード流れ区域とカソード流れ区域とはいずれも空気で満たされており、主電力を用いる装置が燃料電池外部回路から接続解除されており、始動手順は、
(A) 当初100%空気であるアノード流れ区域排気の再循環ループを通る再循環を開始し、次いで限られた流量の水素含有燃料を再循環アノード排気中に供給し、かくして再循環ループ内に水素と空気の混合物を生成する段階と、
(B) 水素と酸素が触媒と接触して再循環ループを通って循環する間に、混合物中の水素と酸素を再循環ループ内の触媒上で触媒的に反応させて水を生成し、酸素が再循環ループ内に実質的に残留しなくなるまで水素含有燃料を継続して再循環混合物に添加し、この際水素と酸素が触媒に接触するとき、またはアノード流れ区域に入るときに、再循環ガスが可燃性比率の水素と酸素を含まないように、添加する燃料の流量を制御する段階と、
(C) 酸素が再循環ループ内に実質的に残留しなくなった後に、(i) アノード流れ区域内への燃料流量を通常作動の流量に増加し、(ii) 酸化剤をカソード流れ区域内に通常作動の流量で供給し、かつ(iii) 主電力を使用する装置を外部回路に接続する段階と、
を含むことを特徴とする、停止中の燃料電池システムを始動するための手順。 - 段階(B)において水素と酸素を触媒的に反応させることは、再循環アノード排気および水素含有燃料を再循環ループ内に配置され触媒要素を内蔵する燃焼器内に通して、触媒要素上で水素と酸素を触媒的に反応させることを含むことを特徴とする請求項1記載の始動手順。
- 段階(B)に亘って、再循環ループ内に導入された水素含有燃料が再循環アノード流れ区域排気と混合され、該混合物がアノード流れ区域内に導入され、その際酸素が電池アノードにおいて水素の存在下に触媒的に消費されることを特徴とする請求項1記載の始動手順。
- 段階(A)において水素含有燃料の流れを供給する前記段階以前に、補助抵抗負荷を電池の両端に接続して電池電圧を所定の値に低減させ、かつ少なくとも酸素が再循環ループ内に実質的に残留しなくなるまでは、電池電圧を所定の値またはそれより下に維持することを特徴とする請求項1記載の始動手順。
- 補助抵抗負荷が電池電圧を電池あたり0.2ボルトまたはそれより下に低下させ、かつ電池電圧は、酸素が再循環ループ内に実質的に残留しなくなるまで電池あたり0.2ボルトまたはそれより下に維持されることを特徴とする請求項4記載の停止手順。
- ダイオードが補助負荷と直列になっており、該ダイオードは電池電圧を電池あたり0.2ボルトまたはそれより下に制限することを特徴とする請求項5記載の始動手順。
- 段階(B)において補助負荷が接続されている間は空気がカソード流れ区域に供給されないことを特徴とする請求項4記載の始動手順。
- 補助負荷と直列になったダイオードによって電圧が電池あたり0.2ボルトまたはそれより下に維持されることを特徴とする請求項5記載の始動手順。
- 段階(A)において水素含有燃料の流れを供給する前記段階以前に、補助抵抗負荷を電池の両端に接続して電池電圧を所定の値に低減させ、かつ少なくとも酸素が再循環ループ内に実質的に残留しなくなるまでは、電池電圧を所定の値またはそれより下に維持することを特徴とする請求項2記載の始動手順。
- 前記所定の値は電池あたり0.2ボルトであることを特徴とする請求項9記載の始動手順。
- ダイオードが補助負荷と直列になっており、該ダイオードは段階(B)に亘って電池電圧を前記所定の値に制限することを特徴とする請求項9記載の始動手順。
- 段階(B)において添加される水素含有燃料の量が、アノード流れ区域の入口に入る水素と酸素の量を可燃限界より下に維持するように制御されることを特徴とする請求項4記載の始動手順。
- 再循環ループは直列に配置された複数の燃焼器を含み、かつ段階(A)において燃料流を供給することは各燃焼器に個別の燃料流を供給することを含み、この際水素と酸素が各燃焼器内で触媒的に消費されることを特徴とする請求項1記載の始動手順。
- 水素と酸素を触媒的に反応させる前記段階(B)は、再循環アノード排気を再循環ループ内に直列に配置された複数の燃焼器に通すことを含み、各燃焼器は触媒要素を内蔵しており、さらに、水素含有燃料の個別の制御された流れを各触媒燃焼器内に送ること、および前記水素と酸素を各触媒要素上で触媒的に反応させて水を生成することを含むことを特徴とする請求項4記載の始動手順。
- 段階(B)において添加される反応用空気の量が、水素と酸素の混合物が燃焼器の触媒要素に接触する以前に水素と酸素の混合物の量を可燃限界より下に維持するように、制御されることを特徴とする請求項14記載の始動手順。
- 段階(B)に亘って電池電圧が電池あたり0.2ボルトまたはそれより下に制限されることを特徴とする請求項14記載の始動手順。
- ダイオードが補助負荷と直列になっており、該ダイオードは段階(B)に亘って電池電圧を電池あたり0.2ボルトまたはそれより下に制限することを特徴とする請求項16記載の始動手順。
- 段階(B)において再循環アノード排気中に添加された制御された量の水素が、前記触媒要素の上流の拡散燃焼区画において前記排気中の酸素と共に燃焼され、前記区画からの排気が前記触媒要素に亘って導かれ、この際前記拡散燃焼区画排気中に残留する酸素と水素が触媒的に反応して水を生成することを特徴とする請求項8記載の始動手順。
- 前記拡散燃焼区画排気の水素の酸素への混合物が可燃限界より下であることを特徴とする請求項17記載の始動手順。
- 停止中の燃料電池システムを始動するための手順であって、該停止中のシステムは、水素含有燃料供給源と、電池電解質の一方の側面上にある電池のカソードに隣接する空気で満たされたカソード流れ区域および電池電解質の他方の側面上にある電池のアノードに隣接する空気で満たされたアノード流れ区域を含む燃料電池と、アノード流れ区域排気をアノード流れ区域に通して再循環させるためのアノード再循環ループとを有し、再循環ループは一つまたは複数の燃焼器を含み、停止の際に主電力を用いる装置が燃料電池外部回路から接続解除されており、始動手順は、
(A) 電池の両端に補助抵抗負荷を接続する段階と、
(B) 燃焼器を通ることを含んで、アノード流れ区域排気の再循環ループを通る再循環を開始する段階と、
(C) 水素含有燃料の制御された流れを燃焼器内に供給して、各燃焼器内で、(i) アノード排気中の酸素の少なくとも一部と、(ii) 燃焼器に供給された燃料の少なくとも一部を消費する段階と、
(D) 少なくともアノード排気中に残留する酸素が実質的になくなるまでは、燃焼器内への制御された燃料流とアノード流れ区域排気の燃焼器を通る再循環とを継続し、その後、(i) アノード流れ区域への燃料流とカソード流れ区域への空気流を通常作動の流量で供給し、(ii) 主電力を使用する装置を外部回路に接続する段階と、
を含み、
少なくともアノード排気中に残留する酸素が実質的になくなるまでは、補助負荷を接続されたままとして、始動過程中の電池電圧を制限することを特徴とする、停止中の燃料電池システムを始動するための手順。 - 各燃焼器は、触媒要素を内蔵しており、水素と酸素が要素上で触媒的に水に変換されることを特徴とする請求項19記載の始動手順。
- 各燃焼機内において各燃焼器の触媒要素の上流に拡散燃焼区画があり、段階(C)において各燃焼器に添加される燃料は、拡散区画に添加され、ここで燃料は、燃焼器を通る再循環アノード排気ガス中の酸素と共に点火されて拡散燃焼することを特徴とする請求項20記載の始動手順。
- 燃焼器内への燃料の流量が、各燃焼器の拡散区画を出ていく未燃焼ガス、およびアノード流れ区域に入る再循環ガスが確実に常に可燃限界より下となるように、制御されることを特徴とする請求項21記載の始動手順。
- 段階(B)において水素と酸素を触媒燃焼器内で燃焼させることが、アノード排気を直列に配置された複数の燃焼器に通すことを含み、各燃焼器は、触媒要素を含み、かつ前記燃料を供給する段階は、直列の各触媒燃焼器に個別の燃料流を供給することを含むことを特徴とする請求項12記載の始動手順。
- 補助抵抗負荷は、電池電圧を電池あたり0.2ボルトまたはそれより下に低減し、かつ電池電圧は、少なくとも酸素が再循環ループ内に実質的に残留しなくなるまでは、0.2ボルトまたはそれより下に維持されることを特徴とする請求項18記載の始動手順。
- ダイオードが補助負荷と直列になっており、該ダイオードは電池電圧を電池あたり0.2ボルトまたはそれより下に制限することを特徴とする請求項25記載の始動手順。
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