JP2001185179A - 減圧乾燥による燃料電池の凍結−保護 - Google Patents

減圧乾燥による燃料電池の凍結−保護

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、凍結条件に暴露された不活性状態
/非加熱燃料電池における氷形成に関する問題を克服す
ることである。。 【解決手段】 凍結条件下で貯蔵する前にPEM燃料電池
を減圧乾燥する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、PEM/SPE燃料電
池、特に氷点下条件での不活性状態(例えば、貯蔵)に備
えてかかる燃料電池をコンディショニングする方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、多くの用途での電力源とし
て提案されてきた。いわゆるPEM(プロトン交換膜)燃料
電池[通称SPE(固体ポリマー電解質)燃料電池]は非常に
高エネルギー、低重量であるので、移動用途(例えば、
電気自動車)に望ましい。PEM/SPE燃料電池としては、そ
の表面の一方にアノードと、対面上にカソードとを有す
る、薄いプロトン−透過性、固体−ポリマー膜−電解質
を含む「膜電極アセンブリ」(通称MEA)が挙げられる。M
EAは、アノードとカソード用の集電装置として機能し、
その中にチャネル/溝を含む一対の導電性素子の間に挟
まれており、それぞれのアノードとカソードの表面に燃
料電池の気体反応体を分散させるためにその表面上にい
わゆる「フローフィールド」を形成する。
【０００３】PEM/SPE燃料電池は通常、水素がアノード
反応体(即ち、燃料)であり、酸素がカソード反応体(即
ち、酸化剤)である、H2-O2燃料電池である。酸素は純粋
形または窒素で希釈形(例えば、空気)のいずれであって
もよく、水素は純粋形またはメタノール、ガソリンなど
の改質から誘導形のいずれであってもよい。この固体ポ
リマー膜は通常、過フッ素化スルホン酸等のイオン交換
樹脂から製造されている。係る樹脂の一つであるナフィ
オン(NAFION：商標)はデュポン社(DuPont Company)よ
り市販されている。係る膜は当業界で公知であり、米国
特許第5,272,017号及び同第3,134,697号並びに中でもJo
urnal of Power Sources、第29巻(1990)367-387頁に
記載されている。アノード及びカソードは通常、炭素粒
子の内部及び外部表面上に担持されているかまたは単独
の微粉砕触媒粒子を含み、これらと混合したプロトン導
電性樹脂を有する。
【０００４】市販されている固体ポリマー膜は全て、効
力を発揮させるためにはある程度加湿しなければならな
い。従って、燃料電池系のどこかに加湿器が通常備えら
れていて、この電池に水分を供給する。さらに、現在製
造されている燃料電池の反応(即ち、
【０００５】
【化１】
【０００６】)はその通常操作の間、電池の中に現場で
水が形成する。凍結させてしまうと、電池内の水は氷を
形成し、(1)これがフローチャネルを閉塞してその中に
反応体ガスが全く通過できないようにしてしまい、(2)
ポリマー膜を傷つけ、(3)凍結時に水が膨張することに
よって(単数または複数種類の)セルの中に有害な圧力を
加えてしまうことがある。燃料電池を操作している(即
ち、電流を出している)限りまたは加熱している限り、
氷の形成は問題ではない。しかしながら、使用停止、貯
蔵、または凍結条件下で燃料電池が不活性状態にある間
は、有害な氷が形成してしまうことがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、凍結条件に
暴露された不活性状態/非加熱燃料電池における氷形成
に関する問題を克服することである。
【０００８】
【発明の概要】本発明は、氷点下条件で不活性状態にな
るのに先だってPEM/SPE燃料電池をコンディショニング
する方法に関する。特に本発明は、凍結による損傷を受
けないようにするために、(単数または複数種類の)燃料
電池の(単数または複数種類の)フローフィールドを、
(単数または複数種類の)燃料電池から水を蒸発させて除
去するのに十分な減圧で排気することによって、凍結す
る前に燃料電池を実質的に脱水することを含む。電池ス
タックが少なくとも約20℃の温度である時に燃料電池の
排気を実施するのが好ましい。この点において、冷たい
燃料電池よりも温かい燃料電池からの方がより低度の減
圧によって水を容易に蒸発させられる。燃料電池スタッ
クは通常高温(例えば、約80℃)で操作し、その停止直後
で今だ温かい(即ち、少なくとも約50℃)で排気して水を
除去するのが最も好ましい。
【０００９】本発明は、幾つかの図面と併せて与えられ
ている以下の記載を考慮すると、よりよく理解されるだ
ろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は、凍結点未満に燃料電池
の温度が低下する前に燃料電池を実質的に脱水するため
に燃料電池のフローフィールドに十分な減圧を適用する
ことにより、凍結による損傷からPEM/SPE燃料電池を保
護することを含む。この目的のために、燃料電池へまた
は燃料電池から導かれるアノード及びカソードの供給管
または排気管に真空ポンプを接続する。図１は、水素燃
料流２及び酸素(例えば、空気)酸化剤流４が加湿器６で
加湿され、そこから流れが遮断バルブ１０及び１２を経
て燃料電池８へ通される本発明の一態様を示す。アノー
ド及びカソード流出流１４及び１６はそれぞれ燃料電池
を出て、遮断バルブ１８及び２０を通過する。燃料電池
が失活した後、バルブ１０、１２、１８及び２０を閉め
て系の残りの部分から燃料電池を隔離する。その後、流
１４及び１６と連通する真空ポンプ２２を作動させて燃
料電池内に残存する全ての自由水(即ち、膜内に含有さ
れていない分)を蒸発させる。真空ポンプは、燃料電池
を停止した後及び燃料電池の温度が凍結域(即ち、１気
圧で０℃未満)に低下する前は何時でも作動される。燃
料電池付き電気自動車の場合には、真空ポンプは電気自
動車により運ばれる(例えば、他の用途で使用するため
に既に内蔵されている)内蔵ポンプ、または自動車外部
(例えば、車庫)に配備されている離れた形の、単独のポ
ンプであってもよい。
【００１１】適用した減圧強度は、減圧が適用される時
の燃料電池の温度に依存して変動する。高温では、同量
を脱水するのに低温の場合よりも低い減圧を使用するこ
とができる。排気は少なくとも約20℃の温度で行うのが
好ましい。本発明の最も好ましい態様では、排気は、燃
料電池が失活した直後で電池が今だ温かい間、即ち、温
度が操作温度近傍の温度または少なくとも約50℃である
間に行う。このことは、(単数または複数の)ポンプをよ
り小型、軽量にすることができ、(単数または複数種類
の)大型のポンプよりも電力の消費が少ないので、(単数
または複数種類の)内蔵真空ポンプを有する電気自動車
の用途に関しては特に都合がよい。最近のPEM/SPE燃料
電池は通常、約80℃で操作する。この温度では、燃料電
池から自由水を蒸発させるのには、たった約47.4(絶対)
pKaの減圧しか必要でない。50℃では、約12.35kPaが必
要である。より低温であればあるほど、より高い減圧が
必要になる。例えば、減圧を適用する際の燃料電池の温
度がたったの約35℃であった場合には、少なくとも約5.
6(絶対)kPaの減圧が必要であろう。この場合、より高温
で排気する場合に有用なより小型のポンプよりももっと
多くのエネルギーを消費するずっと大型の真空ポンプが
必要になる。或いは、その通常操作の間に燃料電池から
熱を取り出すために燃料電池内を通常流れる冷却剤の温
度を調節することによって、排気時に燃料電池の温度を
保持または調節することができる。
【００１２】一般的には、所定の温度で水を蒸発させる
のに必要な最低の減圧は、図２または、種々の周囲圧力
以下での水の沸点(即ち、温度)を示す任意の他の乾湿度
表(psychrometric table)またはチャートにより知見す
ることができる。この点において、図２は、１気圧以下
の種々の圧力(即ち、絶対kPaにおける減圧)での水の沸
点(即ち、℃における温度)を示す曲線である。
【００１３】
【実施例】種々の試験を実施して、電池の損傷を防ぎ、
凍結状態から電池を始動させ易くするために、凍結する
前に燃料電池スタックを減圧脱水する有効性について評
価した。この目的の為に、スタック当たり10〜20個の電
池を変動する多くのPEM燃料電池スタック及び500cm2電
池を、(1)純粋H2、及び(2)CO-非含有の、合成改質剤(即
ち、65H2/25CO2/10N2)を使用して、約80℃、種々の負荷
及び湿度レベルで操作した。スタックの通常操作が終了
したら、アノードとカソード出口をシールし、入口を真
空ポンプと接続して、25℃で３kPa未満の圧力に排気し
た。減圧を適用する前に１分間、スタックの幾つかを乾
燥窒素でフラッシュ／パージした。他にはフラッシュ/
パージは実施しなかった。次いでスタックを０℃〜約−
30℃の範囲の氷点下温度に冷却し、その状態で数時間安
定化させた。凍結後電池を再始動させるために、反応体
(即ち、空気及びH2)ラインを再接続し、加湿することな
く約20℃で乾燥反応体を供給した。内部スタック温度が
凍結点を十分超えるまで、スタック内に冷却剤を流さな
かった。
【００１４】これらの試験において、３つの異なる速度
(即ち、負荷)で電池から電流を取り出した。「標準」速
度では、初期負荷50ampで取り出し、全ての電池がそれ
ぞれ.600〜.650ボルトで安定になった後、負荷は50amp
の増分で増加させた。「低い」速度では、初期負荷５am
pであり、これは電池がそれぞれ.550〜.600ボルトで安
定になった後１ampの増分で増加させた。「自動」速度
では、スタック内のそれぞれの電池が0.5ボルト未満に
確実に低下しないようにさせながら、できる限り早く負
荷を増加させた。スタック上の電気的負荷、及び反応体
流速は(1)スタックの通常操作温度に到達するまで、ま
たは(2)0.6amp/cm2の電流密度に到達するまで、増加さ
せた。うまく始動できた最も低い温度によって、性能、
及び出来不出来を評価した。これらの試験結果を表Iに
示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】本発明をその特定の態様について説明して
きたが、本発明はこれらの態様によって限定されるもの
でなく、付記請求の範囲記載の範囲によってのみ限定さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明を示す簡単な略図である。
【図２】 図２は、種々の周囲圧力以下(即ち、減圧)で
の水の沸点曲線を示す図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 凍結条件で不活性状態に保持されるのに
    先だってPEM/SPE燃料電池をコンディショニングする方
    法であって、前記燃料電池を前記条件に暴露する前に前
    記燃料電池を実質的に脱水するのに十分な減圧で前記燃
    料電池を排気することを含む、該方法。
  2. 【請求項２】 該燃料電池が少なくとも約20℃の温度で
    あるときに前記脱気を実施する、請求項１に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 凍結条件下でその後不活性状態になるの
    にPEM/SPE燃料電池を準備する方法であって、高温で前
    記燃料電池を操作し、前記操作を停止し、次いで前記燃
    料電池が前記高温に近い温度である間に、前記燃料電池
    を脱水するのに十分な減圧を前記燃料電池に適用するこ
    とを含む、該方法。
  4. 【請求項４】 前記高温が少なくとも約50℃である、請
    求項３に記載の方法。
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