JP2001189164A - Ｐｅｍ燃料電池の低温始動 - Google Patents
Ｐｅｍ燃料電池の低温始動Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低温においても有意な遅れ無しに燃料電池を
始動する。 【解決手段】 ＰＥＭ燃料電池の低温始動を加速するた
め低温の膜電極アセンブリを加熱する方法に関する。膜
電極アセンブリは、アノード及び／又はカソードの触媒
上でＨ2及びＯ2の間で化学的な発熱反応を引き起こすこ
とにより氷点下の温度から適切な作動温度まで局所的に
加熱される。それらの端部にまで、Ｈ2がＯ2の豊富なカ
ソード供給流れに供給され、及び／又はＯ2がＨ2の豊富
なアノード供給流れに導入される。
始動する。 【解決手段】 ＰＥＭ燃料電池の低温始動を加速するた
め低温の膜電極アセンブリを加熱する方法に関する。膜
電極アセンブリは、アノード及び／又はカソードの触媒
上でＨ2及びＯ2の間で化学的な発熱反応を引き起こすこ
とにより氷点下の温度から適切な作動温度まで局所的に
加熱される。それらの端部にまで、Ｈ2がＯ2の豊富なカ
ソード供給流れに供給され、及び／又はＯ2がＨ2の豊富
なアノード供給流れに導入される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＥＭ／ＳＰＥ燃
料電池に係り、より詳しくは、氷点下温度からそのよう
な燃料電池を始動するための方法に関する。本出願は、
１９９９年１２月２２日に出願された米国特許シリアル
番号０９／４７０，３６６号の一部継続出願である。
料電池に係り、より詳しくは、氷点下温度からそのよう
な燃料電池を始動するための方法に関する。本出願は、
１９９９年１２月２２日に出願された米国特許シリアル
番号０９／４７０，３６６号の一部継続出願である。
【０００２】
【従来技術】燃料電池は、多数の用途のための電源とし
て提案されてきた。いわゆるＰＥＭ（陽子交換膜）燃料
電池（別称、ＳＰＥ（固体ポリマー電解質）燃料電池）
は、移動可能な用途（例えば電気自動車）及び据付用途
の両方に対して特に望ましい。ＰＥＭ／ＳＰＥ燃料電池
は、薄い陽子伝達性（即ち、Ｈ+伝達性）の固体ポリマ
ー膜電解質を含む「膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備
え、これは該電解質の面の一方にアノード、その反対側
の面にカソードを有する。固体ポリマー膜は、典型的
に、例えばフッ素置換されたスルホン酸などのイオン交
換樹脂から作られる。そのような樹脂の一つが、デュポ
ン社から販売されている「ＮＡＦＩＯＮTM」である。そ
のような膜は当該技術分野で周知されており、とりわ
け、米国特許５，２７２，０１７号及び３，１３４，６
９７号、並びに、電源誌（The Journal of Power sourc
es）第２９巻（１９９０年）、３６７〜３８７頁に説明
されている。アノード及びカソードは、典型的には、そ
れ単独か或いは炭素粒子の内側及び外側表面に担持され
た、細かく分割された触媒粒子を含み、それらと混合さ
れた陽子伝達性樹脂を有する。アノード及びカソードの
触媒は、固体ポリマー膜電解質の両面を覆う。
て提案されてきた。いわゆるＰＥＭ（陽子交換膜）燃料
電池（別称、ＳＰＥ（固体ポリマー電解質）燃料電池）
は、移動可能な用途（例えば電気自動車）及び据付用途
の両方に対して特に望ましい。ＰＥＭ／ＳＰＥ燃料電池
は、薄い陽子伝達性（即ち、Ｈ+伝達性）の固体ポリマ
ー膜電解質を含む「膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備
え、これは該電解質の面の一方にアノード、その反対側
の面にカソードを有する。固体ポリマー膜は、典型的
に、例えばフッ素置換されたスルホン酸などのイオン交
換樹脂から作られる。そのような樹脂の一つが、デュポ
ン社から販売されている「ＮＡＦＩＯＮTM」である。そ
のような膜は当該技術分野で周知されており、とりわ
け、米国特許５，２７２，０１７号及び３，１３４，６
９７号、並びに、電源誌（The Journal of Power sourc
es）第２９巻（１９９０年）、３６７〜３８７頁に説明
されている。アノード及びカソードは、典型的には、そ
れ単独か或いは炭素粒子の内側及び外側表面に担持され
た、細かく分割された触媒粒子を含み、それらと混合さ
れた陽子伝達性樹脂を有する。アノード及びカソードの
触媒は、固体ポリマー膜電解質の両面を覆う。
【０００３】膜電極アセンブリは、アノード及びカソー
ド用の一対の導電性電流コレクターの間に挟持される。
これらの電流コレクターは、夫々のアノード及びカソー
ド触媒の表面に亘って燃料電池のガス状反応物（即ち、
Ｈ2及びＯ2）を分配するための「流れ場」を画成する、
その表面上のチャンネル／溝を含む。水素は、アノード
反応物（即ち、燃料）であり、純粋な形態、或いは、メ
タノール、ガソリンなどの改質から導出されたもののい
ずれから得ることができる。酸素は、カソード反応物
（即ち、酸化物）であり、純粋な形態、或いは、窒素で
希釈されたもの（例えば空気）のいずれかから得ること
ができる。通常の燃料電池の作動下で膜電極アセンブリ
で発生する電気化学的反応全体は次の反応から形成され
る。（１）Ｈ2が２Ｈ+イオンを形成して外部回路に２つ
の電子を解放するためアノード触媒上で酸化される。
（２）Ｈ+イオンが膜を通過してそのカソード側に移動
する。（３）２電子は、外部回路を通ってそれらがカソ
ード触媒上でＯ2を減少させてＯ-イオンを形成するとこ
ろの膜のカソード側に流れる。（４）Ｏ-イオンは膜の
カソード側でＨ+イオンと反応して水を形成する。
ド用の一対の導電性電流コレクターの間に挟持される。
これらの電流コレクターは、夫々のアノード及びカソー
ド触媒の表面に亘って燃料電池のガス状反応物（即ち、
Ｈ2及びＯ2）を分配するための「流れ場」を画成する、
その表面上のチャンネル／溝を含む。水素は、アノード
反応物（即ち、燃料）であり、純粋な形態、或いは、メ
タノール、ガソリンなどの改質から導出されたもののい
ずれから得ることができる。酸素は、カソード反応物
（即ち、酸化物）であり、純粋な形態、或いは、窒素で
希釈されたもの（例えば空気）のいずれかから得ること
ができる。通常の燃料電池の作動下で膜電極アセンブリ
で発生する電気化学的反応全体は次の反応から形成され
る。（１）Ｈ2が２Ｈ+イオンを形成して外部回路に２つ
の電子を解放するためアノード触媒上で酸化される。
（２）Ｈ+イオンが膜を通過してそのカソード側に移動
する。（３）２電子は、外部回路を通ってそれらがカソ
ード触媒上でＯ2を減少させてＯ-イオンを形成するとこ
ろの膜のカソード側に流れる。（４）Ｏ-イオンは膜の
カソード側でＨ+イオンと反応して水を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】多数の用途、特に電気
自動車の用途に対して、燃料電池は、有意な遅れ無しに
自動車を推進させるため必要とされるエネルギーを生成
するべく直ちに利用可能なように、迅速に始動すること
ができることが望ましい。高い周囲温度（例えば約２０
℃以上）では、燃料電池スタック（即ち、個々の電池を
複数個、高電圧パックへと一緒に束ねらたもの）は、電
流をスタックから直ちに引き出すことができるので、相
応の時間で始動させ、次いで、スタックをその好ましい
作動温度（即ち、約８０℃）まで迅速に加熱するように
該スタックの電気的ＩＲ加熱を引き起こすことができ
る。しかし、約−２５℃以下の氷点下温度では、急速な
始動は、遥かに困難となる。これらの温度では、膜電極
アセンブリで生じる電気化学的反応全体が発生する率は
有意に減少され、これによって、スタックから引き出す
ことができる電流の量、よってスタックに導入すること
ができるＩＲ加熱を制限してしまうからである。この反
応率減少に対する正確なメカニズムは良くわかっていな
い。しかし、（１）固体ポリマー膜電解質のＨ+イオン
の伝導が、これらの温度で非常に乏しくなるか、或いは
（２）Ｈ2及び又はＯ2を電気化学的にイオン化するため
の触媒効率が、これらの温度で非常に乏しくなるため、
有意な量の電流をスタックから引き出すことができなく
なり、更に、これに対応するＩＲ加熱も生じなくなるこ
とのいずれかであると考えられている。
自動車の用途に対して、燃料電池は、有意な遅れ無しに
自動車を推進させるため必要とされるエネルギーを生成
するべく直ちに利用可能なように、迅速に始動すること
ができることが望ましい。高い周囲温度（例えば約２０
℃以上）では、燃料電池スタック（即ち、個々の電池を
複数個、高電圧パックへと一緒に束ねらたもの）は、電
流をスタックから直ちに引き出すことができるので、相
応の時間で始動させ、次いで、スタックをその好ましい
作動温度（即ち、約８０℃）まで迅速に加熱するように
該スタックの電気的ＩＲ加熱を引き起こすことができ
る。しかし、約−２５℃以下の氷点下温度では、急速な
始動は、遥かに困難となる。これらの温度では、膜電極
アセンブリで生じる電気化学的反応全体が発生する率は
有意に減少され、これによって、スタックから引き出す
ことができる電流の量、よってスタックに導入すること
ができるＩＲ加熱を制限してしまうからである。この反
応率減少に対する正確なメカニズムは良くわかっていな
い。しかし、（１）固体ポリマー膜電解質のＨ+イオン
の伝導が、これらの温度で非常に乏しくなるか、或いは
（２）Ｈ2及び又はＯ2を電気化学的にイオン化するため
の触媒効率が、これらの温度で非常に乏しくなるため、
有意な量の電流をスタックから引き出すことができなく
なり、更に、これに対応するＩＲ加熱も生じなくなるこ
とのいずれかであると考えられている。
【０００５】
【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、ＰＥＭ燃料電池の膜電極アセンブリをそ
れが低温である間に加熱して該膜電極アセンブリを解凍
し、これによって燃料電池の低温始動を加速する方法を
含む。本方法は、単一電池並びにそのような電池のスタ
ックに適用される。燃料電池は、陽子伝達性膜、該膜の
第１の面に支持されたカソード触媒及び該第１の面の反
対側にある膜の第２の面に支持されたアノード触媒を含
む膜電極アセンブリを有する。本発明によれば、膜電極
アセンブリは、アノード及び又はカソード触媒上におけ
るＨ2及びＯ2の間の化学的な発熱反応により生成された
熱を使用し、それを局所的に加熱することによって解凍
される。この化学的な発熱反応は、第１の氷点下温度か
ら、膜電極アセンブリで発生する電気化学的反応全体の
率を高めるため該第１の温度より高い第２の温度まで膜
電極アセンブリの温度を上昇させる。より詳しくは、本
発明の方法は、（１）Ｈ2の豊富なガス（例えば純粋な
Ｈ2又はＣＯを含む改質物）をアノード触媒に供給し、
及び、Ｏ2の豊富なガス（例えば純粋なＯ2又は空気）を
カソード触媒に供給する工程、（２）十分な量のＨ2を
該Ｏ2の豊富なガスに導入し、及び／又は、十分な量の
Ｏ2を該Ｈ2の豊富なガスに導入して、Ｈ2をＯ2と化学的
に発熱反応させ、これによって燃料電池から電流を引き
出すことができる第２の温度にまで膜電極アセンブリを
加熱する工程、（３）膜電極アセンブリが第２の温度又
はそれ以上の適切な温度に達した後、そのような量のＨ
2及び／又はＯ2の導入を停止する工程、及び、（４）燃
料電池の加熱をその通常の作動温度まで達成する上で役
立たせるため燃料電池から電流を引き出す工程を含む。
め、本発明は、ＰＥＭ燃料電池の膜電極アセンブリをそ
れが低温である間に加熱して該膜電極アセンブリを解凍
し、これによって燃料電池の低温始動を加速する方法を
含む。本方法は、単一電池並びにそのような電池のスタ
ックに適用される。燃料電池は、陽子伝達性膜、該膜の
第１の面に支持されたカソード触媒及び該第１の面の反
対側にある膜の第２の面に支持されたアノード触媒を含
む膜電極アセンブリを有する。本発明によれば、膜電極
アセンブリは、アノード及び又はカソード触媒上におけ
るＨ2及びＯ2の間の化学的な発熱反応により生成された
熱を使用し、それを局所的に加熱することによって解凍
される。この化学的な発熱反応は、第１の氷点下温度か
ら、膜電極アセンブリで発生する電気化学的反応全体の
率を高めるため該第１の温度より高い第２の温度まで膜
電極アセンブリの温度を上昇させる。より詳しくは、本
発明の方法は、（１）Ｈ2の豊富なガス（例えば純粋な
Ｈ2又はＣＯを含む改質物）をアノード触媒に供給し、
及び、Ｏ2の豊富なガス（例えば純粋なＯ2又は空気）を
カソード触媒に供給する工程、（２）十分な量のＨ2を
該Ｏ2の豊富なガスに導入し、及び／又は、十分な量の
Ｏ2を該Ｈ2の豊富なガスに導入して、Ｈ2をＯ2と化学的
に発熱反応させ、これによって燃料電池から電流を引き
出すことができる第２の温度にまで膜電極アセンブリを
加熱する工程、（３）膜電極アセンブリが第２の温度又
はそれ以上の適切な温度に達した後、そのような量のＨ
2及び／又はＯ2の導入を停止する工程、及び、（４）燃
料電池の加熱をその通常の作動温度まで達成する上で役
立たせるため燃料電池から電流を引き出す工程を含む。
【０００６】アノードに燃料供給するＨ2の豊富なガス
は、Ｏ2の豊富なカソードガスに提供されるＨ2の源であ
り得る。空気は、Ｈ2の豊富なガスに提供されるＯ2の源
であり得る。Ｏ2の豊富なガスに導入されるＨ2の量は、
体積にして約０．５％乃至約３．５％の水素含有量を有
する混合物を生成するように設定される。体積にして、
低い方が約１％で高い方が約７％のＯ2濃度（即ち、Ｈ2
の豊富なガスと混合されるとき）を、純粋なＨ2が燃料
であるときに使用することができる。ＣＯを含むＨ2の
豊富なガス（例えば改質物）が使用されるとき、Ｏ2濃
度は、体積にして約２％から約７％の間にあるのが好ま
しい。
は、Ｏ2の豊富なカソードガスに提供されるＨ2の源であ
り得る。空気は、Ｈ2の豊富なガスに提供されるＯ2の源
であり得る。Ｏ2の豊富なガスに導入されるＨ2の量は、
体積にして約０．５％乃至約３．５％の水素含有量を有
する混合物を生成するように設定される。体積にして、
低い方が約１％で高い方が約７％のＯ2濃度（即ち、Ｈ2
の豊富なガスと混合されるとき）を、純粋なＨ2が燃料
であるときに使用することができる。ＣＯを含むＨ2の
豊富なガス（例えば改質物）が使用されるとき、Ｏ2濃
度は、体積にして約２％から約７％の間にあるのが好ま
しい。
【０００７】触媒を支持する膜の面は、ガスが適切なカ
ソード又はアノード面に亘って流れるとき、（１）Ｏ2
の豊富なガス／Ｈ2の豊富なガスと最初に接触する先導
エッジ部と、（２）Ｏ2の豊富なガス／Ｈ2の豊富なガス
と最後に接触する後エッジ部と、を各々有する。本発明
の解凍工程の間、Ｏ2の豊富なガス及び／又はＨ2の豊富
なガスは、一旦燃料電池が通常の作動温度に達した場合
にその通常の作動のため使用される流れ率よりも大きい
流れ率で先導エッジ部から後エッジ部に向かって、それ
らが係り合う膜電極アセンブリの面に沿って流れる。よ
り高い流れ率は、Ｏ2及び／又はＨ2が先導エッジ部の下
流で適切に掃引され、Ｏ2／Ｈ2ガスがよりゆっくりとし
た率で流れてその大部分が先導エッジ部の近傍に達する
場合に生じるよりも、更に均等に膜電極アセンブリを加
熱するように先導エッジ部の下流の触媒上で反応するこ
とを確実にする。この点に関し、ゆっくりとした流れ率
は、先導エッジ部の近傍におけるＯ2／Ｈ2ガスの滞留時
間を増加させる傾向を持ち、当該場所でＯ2／Ｈ2ガスの
より多くを反応させて、膜電極アセンブリの不均等加熱
を引き起こす。従って、例示の方法によれば、通常の作
動の間に与えられたスタックを通過するＨ2の流れ率が
０．０１ｋｇ／分（min）とした場合、膜電極アセンブ
リの解凍の間の有用な流れ率は、例えば約０．０４ｋｇ
／分である。同様に、通常の作動の間に与えられたスタ
ックを通過するＯ2の流れ率が０．１６ｋｇ／分とした
場合、膜電極アセンブリの解凍の間の有用な流れ率は、
例えば約０．６４ｋｇ／分である。その代わりに、Ｏ2
の豊富なガス及びＨ2の豊富なガスが流れるところのガ
ス流れチャンネルは、その中のガス速度が、先導エッジ
部における第１のより高い速度から先導エッジ部の下流
における第２のより低い速度まで変化するように構成す
ることができる。これは、膜電極アセンブリのより均等
な加熱を実行する上でも役立つ。
ソード又はアノード面に亘って流れるとき、（１）Ｏ2
の豊富なガス／Ｈ2の豊富なガスと最初に接触する先導
エッジ部と、（２）Ｏ2の豊富なガス／Ｈ2の豊富なガス
と最後に接触する後エッジ部と、を各々有する。本発明
の解凍工程の間、Ｏ2の豊富なガス及び／又はＨ2の豊富
なガスは、一旦燃料電池が通常の作動温度に達した場合
にその通常の作動のため使用される流れ率よりも大きい
流れ率で先導エッジ部から後エッジ部に向かって、それ
らが係り合う膜電極アセンブリの面に沿って流れる。よ
り高い流れ率は、Ｏ2及び／又はＨ2が先導エッジ部の下
流で適切に掃引され、Ｏ2／Ｈ2ガスがよりゆっくりとし
た率で流れてその大部分が先導エッジ部の近傍に達する
場合に生じるよりも、更に均等に膜電極アセンブリを加
熱するように先導エッジ部の下流の触媒上で反応するこ
とを確実にする。この点に関し、ゆっくりとした流れ率
は、先導エッジ部の近傍におけるＯ2／Ｈ2ガスの滞留時
間を増加させる傾向を持ち、当該場所でＯ2／Ｈ2ガスの
より多くを反応させて、膜電極アセンブリの不均等加熱
を引き起こす。従って、例示の方法によれば、通常の作
動の間に与えられたスタックを通過するＨ2の流れ率が
０．０１ｋｇ／分（min）とした場合、膜電極アセンブ
リの解凍の間の有用な流れ率は、例えば約０．０４ｋｇ
／分である。同様に、通常の作動の間に与えられたスタ
ックを通過するＯ2の流れ率が０．１６ｋｇ／分とした
場合、膜電極アセンブリの解凍の間の有用な流れ率は、
例えば約０．６４ｋｇ／分である。その代わりに、Ｏ2
の豊富なガス及びＨ2の豊富なガスが流れるところのガ
ス流れチャンネルは、その中のガス速度が、先導エッジ
部における第１のより高い速度から先導エッジ部の下流
における第２のより低い速度まで変化するように構成す
ることができる。これは、膜電極アセンブリのより均等
な加熱を実行する上でも役立つ。
【０００８】燃料電池スタックが「湿った状態（we
t）」（即ち、自由水（free water）が存在した状態）
で停止された場合、スタックが氷点下温度に曝されると
きに触媒の頂上部に氷が形成され得る。そのような氷
は、Ｈ2及び／又はＯ2による触媒へのアクセスを遮蔽す
ることができ、所望の化学反応が生じることを防止す
る。そのような氷結の場合には、乾燥したＨ2の豊富な
ガス及び／又はＯ2の豊富なガスを暖め（即ち、膜電極
アセンブリの温度以上にする）、Ｈ2及び／又はＯ2を燃
料又は酸化剤流れに導入する前に、触媒から除氷するの
に十分な時間に亘ってそれらを係り合う流れ場に通過さ
せることが好ましい。
t）」（即ち、自由水（free water）が存在した状態）
で停止された場合、スタックが氷点下温度に曝されると
きに触媒の頂上部に氷が形成され得る。そのような氷
は、Ｈ2及び／又はＯ2による触媒へのアクセスを遮蔽す
ることができ、所望の化学反応が生じることを防止す
る。そのような氷結の場合には、乾燥したＨ2の豊富な
ガス及び／又はＯ2の豊富なガスを暖め（即ち、膜電極
アセンブリの温度以上にする）、Ｈ2及び／又はＯ2を燃
料又は酸化剤流れに導入する前に、触媒から除氷するの
に十分な時間に亘ってそれらを係り合う流れ場に通過さ
せることが好ましい。
【０００９】本発明は、添付図面を参照して以下に述べ
るその特定の実施形態の詳細な説明を考慮するとき、よ
り良く理解されるであろう。
るその特定の実施形態の詳細な説明を考慮するとき、よ
り良く理解されるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る燃料電池シ
ステムの簡単な概略図である。本実施形態では、燃料プ
ロセッサ（例えば改質器）は、ＣＯを含むＨ2の豊富な
燃料ガスを生成するため使用される。その代わりに、Ｈ
2の豊富なガスを、タンクに貯蔵されたＨ2、（例えばカ
ーボン上に）吸着されたＨ2、或いは、化学的に結合さ
れた水素（例えば水素化金属（metal hydride））など
から供給することもできる。図示の実施形態では、水素
を含む燃料（例えばメタノール又はガソリン）２は、燃
料プロセッサ４（例えば、蒸気改質器又は自熱反応器
（autothermal reactor））に供給される。この燃料プ
ロセッサ４は、当該燃料を、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ及びＣ
Ｏを含むＨ2の豊富な改質物６に触媒的に解離する。改
質物６のＣＯ含有量は、通常、燃料電池スタック８に対
して非常に高いので適合することができず、それで改質
物６は、１つ又はそれ以上のＣＯ浄化装置１０を通過す
る。該装置は、典型的には、水ガスシフト反応器と、優
先酸化反応器とを備え、その両方とも当該技術分野で周
知されており、本発明の一部分を形成するものではな
い。ＣＯ含有量が満足のいくレベルまで減少された後、
改質物の供給流れ１２は、燃料電池スタック８に供給さ
れる。最終的なＣＯ浄化手段として、少量の空気（即
ち、体積にして８％以下）が、スタック８への入口にお
いて計量装置１４を介して供給流れ１２に供給される。
計量装置１４は、それが空気の流れを変調することがで
きる限り、例えば可変オリフィスのインジェクタ、パル
ス幅変調インジェクタ、或いは、固定変位型式の装置な
ど様々な装置のうち任意の一つから構成することができ
る。計量装置１４に対する空気は、コンプレッサ１６に
より提供され、コンプレッサ１６内で生成された圧縮熱
に付随して、その中で加熱される。コンプレッサ１６
は、燃料電池スタック８のカソード側のための圧縮空気
１８も生成し、このカソード側の空気は、コンプレッサ
１６の下流に位置した加湿器２０内で加湿される。圧力
調整器２２は、燃料電池８に供給された空気が適切な圧
力状態を保つことを保証する。
ステムの簡単な概略図である。本実施形態では、燃料プ
ロセッサ（例えば改質器）は、ＣＯを含むＨ2の豊富な
燃料ガスを生成するため使用される。その代わりに、Ｈ
2の豊富なガスを、タンクに貯蔵されたＨ2、（例えばカ
ーボン上に）吸着されたＨ2、或いは、化学的に結合さ
れた水素（例えば水素化金属（metal hydride））など
から供給することもできる。図示の実施形態では、水素
を含む燃料（例えばメタノール又はガソリン）２は、燃
料プロセッサ４（例えば、蒸気改質器又は自熱反応器
（autothermal reactor））に供給される。この燃料プ
ロセッサ４は、当該燃料を、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ及びＣ
Ｏを含むＨ2の豊富な改質物６に触媒的に解離する。改
質物６のＣＯ含有量は、通常、燃料電池スタック８に対
して非常に高いので適合することができず、それで改質
物６は、１つ又はそれ以上のＣＯ浄化装置１０を通過す
る。該装置は、典型的には、水ガスシフト反応器と、優
先酸化反応器とを備え、その両方とも当該技術分野で周
知されており、本発明の一部分を形成するものではな
い。ＣＯ含有量が満足のいくレベルまで減少された後、
改質物の供給流れ１２は、燃料電池スタック８に供給さ
れる。最終的なＣＯ浄化手段として、少量の空気（即
ち、体積にして８％以下）が、スタック８への入口にお
いて計量装置１４を介して供給流れ１２に供給される。
計量装置１４は、それが空気の流れを変調することがで
きる限り、例えば可変オリフィスのインジェクタ、パル
ス幅変調インジェクタ、或いは、固定変位型式の装置な
ど様々な装置のうち任意の一つから構成することができ
る。計量装置１４に対する空気は、コンプレッサ１６に
より提供され、コンプレッサ１６内で生成された圧縮熱
に付随して、その中で加熱される。コンプレッサ１６
は、燃料電池スタック８のカソード側のための圧縮空気
１８も生成し、このカソード側の空気は、コンプレッサ
１６の下流に位置した加湿器２０内で加湿される。圧力
調整器２２は、燃料電池８に供給された空気が適切な圧
力状態を保つことを保証する。
【００１１】本発明によれば、スタックが該スタック内
の膜電極アセンブリを加熱するため約−２５℃以下の温
度、少なくとも約−２０℃の温度にあるとき、十分な量
の酸素Ｏ2（即ち空気として）がスタック８のアノード
側のためのＨ2の豊富な供給流れに提供され、及び／又
は、十分な量のＨ2がスタック８のカソード側のための
Ｏ2の豊富な供給流れに供給される。この後者の温度で
は、電流をスタックから引き出し、スタックの内部ＩＲ
加熱を開始することができる。スタック８の熱的始動
は、通常では、該スタックを冷却するためスタック８を
循環する冷却剤を（例えば、燃焼器を用いて）加熱する
ことによって更に有効に実行することができる。好まし
くは、加熱／解凍のため使用されるＯ2及び又はＨ2は、
スタックが、氷点下でＩＲ加熱を増補するため少なくと
も約０℃の温度に達するまで流れ続けるであろう。
の膜電極アセンブリを加熱するため約−２５℃以下の温
度、少なくとも約−２０℃の温度にあるとき、十分な量
の酸素Ｏ2（即ち空気として）がスタック８のアノード
側のためのＨ2の豊富な供給流れに提供され、及び／又
は、十分な量のＨ2がスタック８のカソード側のための
Ｏ2の豊富な供給流れに供給される。この後者の温度で
は、電流をスタックから引き出し、スタックの内部ＩＲ
加熱を開始することができる。スタック８の熱的始動
は、通常では、該スタックを冷却するためスタック８を
循環する冷却剤を（例えば、燃焼器を用いて）加熱する
ことによって更に有効に実行することができる。好まし
くは、加熱／解凍のため使用されるＯ2及び又はＨ2は、
スタックが、氷点下でＩＲ加熱を増補するため少なくと
も約０℃の温度に達するまで流れ続けるであろう。
【００１２】Ｏ2（例えば空気として）は、上記したス
タックの通常の作動中に、最終的なＣＯ浄化用の空気を
供給するために使用されるのと同じ計量装置１４を介し
て、スタック８のアノード側に利便的に供給することが
できる。しかし、発熱して加熱するという本発明の目的
のため、Ｏ2は、体積にして少なくとも２％で且つ体積
にして約７％以下のＯ2含有量を有する供給流れを与え
るのに十分な率でアノード側に供給される。一旦、膜電
極アセンブリの温度が十分に上げられると（即ち、約０
℃以上にまで）、Ｏ2の流れ率は、望ましいＣＯ浄化レ
ベル（即ち、体積にして１．６％以下）にまで減少され
る。同様に、Ｈ2は、ライン２６及び計量装置２８を介
して、空気流れ２４に、スタック８に供給される。この
Ｈ2は、体積にして少なくとも０．５％で且つ体積にし
て約３．５％以下のＨ2含有量を有する空気流れ２４を
与えるのに十分な率でスタック８のカソード側に供給さ
れる。Ｈ2センサー３０は、空気流れ２４内のＨ2濃度を
監視し、Ｈ2の流れ率を制御するための適切な装置に連
結することができる。
タックの通常の作動中に、最終的なＣＯ浄化用の空気を
供給するために使用されるのと同じ計量装置１４を介し
て、スタック８のアノード側に利便的に供給することが
できる。しかし、発熱して加熱するという本発明の目的
のため、Ｏ2は、体積にして少なくとも２％で且つ体積
にして約７％以下のＯ2含有量を有する供給流れを与え
るのに十分な率でアノード側に供給される。一旦、膜電
極アセンブリの温度が十分に上げられると（即ち、約０
℃以上にまで）、Ｏ2の流れ率は、望ましいＣＯ浄化レ
ベル（即ち、体積にして１．６％以下）にまで減少され
る。同様に、Ｈ2は、ライン２６及び計量装置２８を介
して、空気流れ２４に、スタック８に供給される。この
Ｈ2は、体積にして少なくとも０．５％で且つ体積にし
て約３．５％以下のＨ2含有量を有する空気流れ２４を
与えるのに十分な率でスタック８のカソード側に供給さ
れる。Ｈ2センサー３０は、空気流れ２４内のＨ2濃度を
監視し、Ｈ2の流れ率を制御するための適切な装置に連
結することができる。
【００１３】低温のため、ガス流れが膜のアノード面及
びカソード面を形成する触媒と接触するまで、Ｈ2及び
Ｏ2の間でほとんど反応が生じない。そのような接触が
なされたとき、発熱反応が発生し、それから生じた熱が
直接膜電極アセンブリの中に送られる。スタックが「湿
った状態」で停止された場合、スタックが凍結されたと
き触媒上に氷が形成され得る。そのような氷形成は、触
媒とＨ2−Ｏ2との間の接触を禁止し得るが、供給流れ１
２及び空気流れ２４を加熱し、それらを触媒上に流して
氷を溶かし、Ｏ2及びＨ2がそれらの適切な流れに入る前
に形成された水を奪い取ることにより容易に除去するこ
とができる。
びカソード面を形成する触媒と接触するまで、Ｈ2及び
Ｏ2の間でほとんど反応が生じない。そのような接触が
なされたとき、発熱反応が発生し、それから生じた熱が
直接膜電極アセンブリの中に送られる。スタックが「湿
った状態」で停止された場合、スタックが凍結されたと
き触媒上に氷が形成され得る。そのような氷形成は、触
媒とＨ2−Ｏ2との間の接触を禁止し得るが、供給流れ１
２及び空気流れ２４を加熱し、それらを触媒上に流して
氷を溶かし、Ｏ2及びＨ2がそれらの適切な流れに入る前
に形成された水を奪い取ることにより容易に除去するこ
とができる。
【００１４】本発明は、その特定の実施形態の観点で開
示されたが、本発明は、上記例にのみ限定されるもので
はなく、請求の範囲によってのみ画定される。
示されたが、本発明は、上記例にのみ限定されるもので
はなく、請求の範囲によってのみ画定される。
【図１】図１は、本発明に係る燃料電池システムの簡単
な概略図である。
な概略図である。
２ 水素含有燃料 ４ 燃料プロセッサ ６ Ｈ2の豊富な改質物 ８ 燃料電池（スタック） １０ ＣＯ浄化装置 １２ 改質物の供給流れ １４ 計量装置 １６ コンプレッサ １８ 圧縮空気 ２０ 加湿器 ２２ 圧力調整器 ２４ 空気の流れ ２６ ライン ２８ 計量装置 ３０ Ｈ2センサー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローレンス・ブルース・プラント アメリカ合衆国ミシガン州48381，ミルフ ォード，サウス・ヒル・ロード 1980
Claims (18)
- 【請求項１】 第１の氷点下温度から、該第１の温度よ
り高い第２の温度までＰＥＭ燃料電池の膜電極アセンブ
リを加熱する方法であって、前記第２の温度では、前記
膜電極アセンブリで発生する電気化学的反応全体の率が
高められ、前記燃料電池は、陽子伝達性膜、該膜の第１
の面に支持されたカソード触媒、及び、該第１の面の反
対側にある該膜の第２の面に支持されたアノード触媒を
含む膜電極アセンブリを有し、 前記方法は、（ａ） Ｈ2の豊富なガスを前記アノード
触媒に供給し、（ｂ） Ｏ2の豊富なガスを前記カソー
ド触媒に供給し、（ｃ） 前記膜電極アセンブリを前記
第２の温度まで加熱するため、十分な量のＨ2を前記Ｏ2
の豊富なガスに導入し、前記カソード触媒上で該Ｈ2を
該Ｏ2の豊富なガスと化学的に発熱反応させる、各工程
を含む、前記方法。 - 【請求項２】 前記Ｈ2の豊富なガスは、前記第１の温
度を超える温度で供給される、請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記Ｏ2の豊富なガスは、前記第１の温
度を超える温度で供給される、請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 前記膜電極アセンブリを前記第２の温度
まで更に加熱するように、十分な量のＯ2を前記Ｈ2の豊
富なガスに導入し、前記アノード触媒上で該Ｏ2を該Ｈ2
の豊富なガス内の十分な量のＨ2と化学的に発熱反応さ
せる、請求項１に記載の方法。 - 【請求項５】 第１の氷点下温度から、該第１の温度よ
り高い第２の温度までＰＥＭ燃料電池の膜電極アセンブ
リを加熱する方法であって、前記第２の温度では、前記
膜電極アセンブリで発生する電気化学的反応全体の率が
高められ、前記燃料電池は、陽子伝達性膜、該膜の第１
の面に支持されたカソード触媒、及び、該第１の面の反
対側にある該膜の第２の面に支持されたアノード触媒を
含む膜電極アセンブリを有し、 前記方法は、（ａ） ＣＯ無しのＨ2の豊富なガスを前
記アノード触媒に供給し、（ｂ） Ｏ2の豊富なガスを
前記カソード触媒に供給し、（ｃ） 前記膜電極アセン
ブリを前記第２の温度まで加熱するため、十分な量のＯ
2を前記ＣＯ無しのＨ2の豊富なガスに導入し、前記アノ
ード触媒上で該Ｏ2を前記Ｈ2の豊富なガス内の十分な量
のＨ2と化学的に発熱反応させる、各工程を含む、前記
方法。 - 【請求項６】 前記Ｈ2の豊富なガスは、前記第１の温
度を超える温度で供給される、請求項５に記載の方法。 - 【請求項７】 前記Ｏ2の豊富なガスは、前記第１の温
度を超える温度で供給される、請求項５に記載の方法。 - 【請求項８】 前記Ｏ2の豊富なガス内の前記Ｈ2の濃度
は、体積にして約０．５％乃至約３．５％である、請求
項１に記載の方法。 - 【請求項９】 前記Ｈ2の豊富なガス内の前記Ｏ2の濃度
は、体積にして約１％乃至約７％である、請求項５に記
載の方法。 - 【請求項１０】 第１の氷点下温度から、該第１の温度
より高い第２の温度までＰＥＭ燃料電池の膜電極アセン
ブリを加熱する方法であって、前記第２の温度では、前
記膜電極アセンブリで発生する電気化学的反応全体の率
が高められ、前記燃料電池は、陽子伝達性膜、該膜の第
１の面に支持されたカソード触媒、及び、該第１の面の
反対側にある該膜の第２の面に支持されたアノード触媒
を含む膜電極アセンブリを有し、 前記方法は、（ａ） ＣＯを含むＨ2の豊富なガスを前
記アノード触媒に供給し、（ｂ） Ｏ2の豊富なガスを
前記カソード触媒に供給し、（ｃ） 前記膜電極アセン
ブリを前記第２の温度まで加熱するため、体積にして約
２％乃至約７％のＯ2を前記ＣＯを含むＨ2の豊富なガス
に導入し、前記アノード触媒上で前記Ｏ2を前記Ｈ2の豊
富なガス内の十分な量のＨ2と化学的に発熱反応させ
る、各工程を含む、前記方法。 - 【請求項１１】 前記Ｈ2の豊富なガスは、前記第１の
温度を超える温度で供給される、請求項１０に記載の方
法。 - 【請求項１２】 前記Ｏ2の豊富なガスは、前記第１の
温度を超える温度で供給される、請求項１０に記載の方
法。 - 【請求項１３】 前記第１の面は、前記Ｏ2の豊富なガ
スが該第１の面に亘って流れるとき、該Ｏ2の豊富なガ
スと最初に接触する先導エッジ部と、該Ｏ2の豊富なガ
スと最後に接触する後エッジ部と、を有し、前記燃料電
池の通常の作動中には、該Ｏ2の豊富なガスは第１の率
で前記先導エッジ部から前記後エッジ部に向かって前記
第１の面を亘って流れ、前記膜電極アセンブリの化学的
加熱の間には、該Ｏ2の豊富なガスは前記第１の率より
大きい第２の率で前記第１の面を亘って流れることによ
り、前記Ｏ2の豊富なガスのより多くが、前記先導エッ
ジ部の下流のカソード触媒上で反応するため前記先導エ
ッジ部の下流を掃引され、これにより、前記Ｏ2の豊富
なガスが前記第１の率で流れる場合よりも更に均等に前
記膜を加熱する、請求項１に記載の方法。 - 【請求項１４】 前記カソード触媒の表面から、除去し
なければ該カソード触媒上で生じるべきＨ2−Ｏ2化学反
応を遅らせ得る氷を除去するため、前記Ｏ2の豊富なガ
スが前記Ｈ2の導入前の十分な時間に亘って前記カソー
ド触媒に供給される、請求項３に記載の方法。 - 【請求項１５】 前記アノード触媒の表面から、除去し
なければ該アノード触媒上で生じるべきＨ2−Ｏ2化学反
応を遅らせ得る氷を除去するため、前記Ｈ2の豊富なガ
スが前記Ｏ2の導入前の十分な時間に亘って前記アノー
ド触媒に供給される、請求項２に記載の方法。 - 【請求項１６】 前記第１の面は、前記Ｏ2の豊富なガ
スが該第１の面に亘って流れるとき、該Ｏ2の豊富なガ
スと最初に接触する先導エッジ部と、該Ｏ2の豊富なガ
スと最後に接触する後エッジ部と、を有し、該Ｏ2の豊
富なガスは、前記膜を実質的に均等に加熱するため、前
記先導エッジ部における第１の速度から、前記後エッジ
部における該第１の速度より小さい第２の速度まで変動
する率で前記先導エッジ部から前記後エッジ部に向かっ
て前記第１の面を亘って流れる、請求項１に記載の方
法。 - 【請求項１７】 前記Ｈ2の豊富なガスが、前記Ｈ2の源
である、請求項１に記載の方法。 - 【請求項１８】 空気が前記Ｏ2の源である、請求項１
に記載の方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US47036699A | 1999-12-22 | 1999-12-22 | |
| US09/546,404 US6358638B1 (en) | 1999-12-22 | 2000-04-10 | Cold start-up of a PEM fuel cell |
| US09/546404 | 2000-04-10 | ||
| US09/470366 | 2000-04-10 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001189164A true JP2001189164A (ja) | 2001-07-10 |
| JP3920024B2 JP3920024B2 (ja) | 2007-05-30 |
Family
ID=27043062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000387197A Expired - Fee Related JP3920024B2 (ja) | 1999-12-22 | 2000-12-20 | Ｐｅｍ燃料電池の低温始動 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6358638B1 (ja) |
| EP (1) | EP1113516B1 (ja) |
| JP (1) | JP3920024B2 (ja) |
| CA (1) | CA2323125A1 (ja) |
| DE (1) | DE60010212T2 (ja) |
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