JP2002543566A - Freeze-resistant fuel cell system and method - Google Patents

Freeze-resistant fuel cell system and method

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JP2002543566A
JP2002543566A JP2000614524A JP2000614524A JP2002543566A JP 2002543566 A JP2002543566 A JP 2002543566A JP 2000614524 A JP2000614524 A JP 2000614524A JP 2000614524 A JP2000614524 A JP 2000614524A JP 2002543566 A JP2002543566 A JP 2002543566A
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ケイ. ニューツラー、ジェイ
バービー、フラーノ
グー、ヤン
フサール、アッティラ
スニパス、レイチェル
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テレダイン エナジー システムズ インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 耐凍性燃料電池システム及びその耐凍性燃料電池システムを稼動する方法が開示される。耐凍性燃料電池システムは、コレクタセル板(18,19)の間に挟まれたガスケット(20,21)を使用することにより、冷却剤ループ(25)を活性な膜(12)から分離させることによって実現される。純粋以外の十分に低い凝固点を有する冷却液を冷却剤ループ25を介して流すことを有する耐凍性燃料電池システムの稼動方法が開示される。耐凍性燃料電池システムの稼動開始及び稼動停止の方法も開示される。 (57) Abstract: A frost-resistant fuel cell system and a method of operating the frost-resistant fuel cell system are disclosed. The freeze-tolerant fuel cell system separates the coolant loop (25) from the active membrane (12) by using gaskets (20, 21) sandwiched between the collector cell plates (18, 19). It is realized by. A method of operating a frost-resistant fuel cell system that includes flowing a coolant having a sufficiently low freezing point other than pure through a coolant loop 25 is disclosed. A method for starting and stopping the operation of the frost-resistant fuel cell system is also disclosed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (関連出願のクロスリファレンス) 本出願は、「耐凍性冷却剤を備える燃料電池及びシステム(FUEL CEL
L AND SYSTEM WITI(FREEZE TOLERANT CO
OLANTS)」と題される、1999年4月23日出願の米国仮出願第60/
130,801からの利益に関連し、かつ権利請求するものである。前記仮出願
の全容は本願に援用される。
(Cross Reference of Related Application) [0001] The present application relates to a fuel cell and a system including a frost-resistant coolant (FUEL CEL).
L AND SYSTEM WITI (FREEZE TOLERANT CO
OLANTS), US Provisional Application No. 60 / filed April 23, 1999.
130, 801 relating to and claiming benefits. The entire contents of the provisional application are incorporated herein by reference.

【0002】 (発明の分野) 本発明は燃料電池システムと、より詳細には燃料電池システム用の冷却システ
ムとに関連する。 (関連技術の説明) 燃料電池とは、電池に供給される燃料及び酸素の電気化学反応によって化学エ
ネルギーを電気エネルギーに直接変換することにより、電気エネルギーを生成す
る装置である。代表的な電池、陽極、陰極及び電解質膜を収容するケースを有す
る。電解質膜は陽極及び陰極の間に配置される。触媒層は、各電極の電解質に面
する表面に配置される。適切な触媒としては、ニッケル、銀、プラチナがあり、
さらに安定した酸化ジルコニウム電解質の場合には、卑金属酸化物がある。白金
が最も一般に使用される。適当な燃料物質及び酸化剤がそれぞれ陽極及び陰極に
供給され、燃料及び酸化剤は電気化学的に反応して電流を生成し、反応最終生成
物は電池から回収される。比較的単純な型式の燃料電池(一般にPEM燃料電池
と呼ばれる)は、燃料及び酸化剤物質として、それぞれ水素及び酸素を使用する
。水素は酸素と結合して水を形成すると同時に電流及び熱を生成する。より詳細
には、等式(1)に示されるように、水素は燃料電池陽極でプロトン及び電子を
放出しながら消費される。
FIELD OF THE INVENTION [0002] The present invention relates to fuel cell systems and, more particularly, to cooling systems for fuel cell systems. (Description of Related Art) A fuel cell is a device that generates electrical energy by directly converting chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction of fuel and oxygen supplied to the battery. It has a case that houses a typical battery, anode, cathode and electrolyte membrane. The electrolyte membrane is disposed between the anode and the cathode. A catalyst layer is disposed on the electrolyte-facing surface of each electrode. Suitable catalysts include nickel, silver, platinum,
In the case of a more stable zirconium oxide electrolyte, there is a base metal oxide. Platinum is most commonly used. Appropriate fuel material and oxidant are provided to the anode and cathode, respectively, and the fuel and oxidant react electrochemically to produce an electric current, and the end products of the reaction are recovered from the cell. Relatively simple types of fuel cells (commonly referred to as PEM fuel cells) use hydrogen and oxygen as the fuel and oxidant materials, respectively. Hydrogen combines with oxygen to form water and at the same time generates current and heat. More specifically, as shown in equation (1), hydrogen is consumed while emitting protons and electrons at the fuel cell anode.

【0003】 (1) H2→2H++2e- 陽極反応 生成されたプロトンは、燃料電池電解質に引き込まれる。生成された電子は燃
料電池陽極から陽極端子に移動し、電気的負荷によって、陰極端子に、そして電
池の陰極に戻る。電解質を介するイオンの流れが回路を完成する。化学反応速度
は電極上の位置に応じて変化し、かつ反応物及び生成生物の濃度、並びに温度の
ような局所的なファクタに依存する。等式(2)に示されるように、陰極では酸
素が負荷からの電子及び電解質からのプロトンと結合して水を形成する。
(1) H 2 → 2H + + 2e anode reaction Protons are drawn into the fuel cell electrolyte. The generated electrons travel from the anode of the fuel cell to the anode terminal, and return to the cathode terminal and back to the cell cathode by electrical loading. The flow of ions through the electrolyte completes the circuit. Chemical reaction rates vary with location on the electrode and depend on local factors such as the concentrations of reactants and product products, and temperature. At the cathode, oxygen combines with electrons from the load and protons from the electrolyte to form water, as shown in equation (2).

【0004】 (2) 1/2O2+2H++2e→H2O 陰極反応 燃料電池の主要な利点は、燃料電池が、例えば、従来の火力発電所でのような
炭化水素または炭素に基づく燃料の燃焼などの任意の中間工程を経る必要なく、
化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するということである。燃料電池は
、使用される電解質によっていくつかの型式に分類することが可能である。比較
的高性能な燃料電池は、水酸化カリウム水溶液、濃縮リン酸、縮合アルカリカー
ボネート、及び安定化された酸化ジルコニウムのような電解質を使用する。
(2) 1/2 O 2 + 2H + + 2e → H 2 O Cathodic Reaction A major advantage of fuel cells is that fuel cells can be used for fuels based on hydrocarbons or carbon, such as in conventional thermal power plants. Without having to go through any intermediate steps such as combustion
It means converting chemical energy directly into electrical energy. Fuel cells can be classified into several types depending on the electrolyte used. Relatively sophisticated fuel cells use electrolytes such as aqueous potassium hydroxide, concentrated phosphoric acid, condensed alkali carbonates, and stabilized zirconium oxide.

【0005】 個々の燃料電池は、最大限の負荷で所与の用途に対して所望の電圧に満たない
電圧を生じ得るので、実用上の燃料電池は、所望の電圧レベルに到達するために
、1つの電池の陰極を隣接した電池の陽極に電気的に接続することによりいくつ
かの個々の燃料電池を直列に積み重ねている。従って、燃料電池積層体が一般に
使用される。
[0005] Since individual fuel cells can produce less than the desired voltage for a given application at full load, practical fuel cells require the following to achieve the desired voltage level: Several individual fuel cells are stacked in series by electrically connecting the cathode of one cell to the anode of an adjacent cell. Therefore, fuel cell stacks are commonly used.

【0006】 電池内の全体的な反応(つまり水の化合)は、非常に発熱性である。従って、
発熱の速度は反応速度及び燃料電池の所与の領域を横切る熱流束に依存し、局所
反応速度に比例する。従って、燃料電池を冷却するための構造が一般に要求され
、該構造は概して突出したピーク熱流束に基づいて設計される。燃料電池を冷却
するためには、一般に水が使用される。
[0006] The overall reaction in the battery (ie, the combination of water) is very exothermic. Therefore,
The rate of heat generation depends on the reaction rate and the heat flux across a given area of the fuel cell, and is proportional to the local reaction rate. Accordingly, there is a general need for a structure for cooling a fuel cell, which is generally designed based on a prominent peak heat flux. Water is generally used to cool the fuel cell.

【0007】 PEM燃料電池は、一般に効率的な燃料電池の稼動のために要求される電解質
膜の水分を維持するために加湿を必要とする。一般に単一の水ループが加湿及び
燃料電池の冷却の双方を行う。
[0007] PEM fuel cells generally require humidification to maintain the water content of the electrolyte membrane required for efficient fuel cell operation. Generally, a single water loop provides both humidification and fuel cell cooling.

【0008】 自動車における用途のようないくつかの燃料電池の用途では、水の凝固点以下
のコア温度を有する燃料電池積層体の操作を開始することが必要となることがあ
る。例えば、SAE自動車規格(SAE automotive standa
rd)は−40°C〜53°Cでの稼動、及び−46°C〜66°Cでの存続(
保管)を要求している。水の凝固点未満での用途における燃料電池の稼動を試み
る際に、多数の障害に遭遇する。水は凍結によって非常に膨張することが知られ
ている。燃料電池システム内における水の凍結は、燃料電池の構成部材を破壊し
得る。凍結によって構成部材の損傷が生じなくても、燃料電池の運転開始を遅ら
せ得る燃料システムラインの閉塞が生じ得る。最後に、氷点下における用途のた
めには、水の凝固点より低い温度で凍結する冷却剤が選択されなければならない
。水の凝固点より低い凝固点を有する最も入手可能な冷却剤は、そのような物質
が触媒層に接することを許容された場合に、触媒サイトへ結合することにより、
触媒層を「壊す(poison)」ことが知られている。水の凝固温度よりかな
り低い温度において信頼性のある燃料電池の稼動を許容する耐凍性燃料電池構造
及び方法が必要である。
In some fuel cell applications, such as in automotive applications, it may be necessary to initiate operation of a fuel cell stack having a core temperature below the freezing point of water. For example, SAE automobile standard (SAE automatic standa)
rd) operates between -40 ° C and 53 ° C and survives between -46 ° C and 66 ° C (
Storage). Numerous obstacles are encountered in attempting to operate fuel cells in applications below the freezing point of water. Water is known to expand significantly upon freezing. Freezing of water in a fuel cell system can destroy components of the fuel cell. Even if the freezing does not cause damage to the components, blockage of the fuel system line may occur, which may delay the start of operation of the fuel cell. Finally, for sub-zero applications, a coolant that freezes below the freezing point of water must be selected. The most available coolants with a freezing point lower than the freezing point of water, by binding to catalyst sites when such materials are allowed to contact the catalyst layer,
It is known to "poison" the catalyst layer. There is a need for a frost resistant fuel cell structure and method that allows reliable fuel cell operation at temperatures well below the freezing temperature of water.

【0009】 (発明の概要) 従って、本発明の目的は、氷点下環境において使用可能な燃料電池システムを
提供することにある。 本発明の別の目的は、MEAと適合性を有する冷却剤以外の冷却剤を使用可能
である燃料電池システムを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be used in a sub-zero environment. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can use a coolant other than a coolant that is compatible with the MEA.

【0010】 本発明のさらに別の目的は、稼動停止時に燃料電池から水を除去し、稼動開始
時に急速に燃料電池を再加熱するための技術を提供することにある。 本発明のこれらの目的及び他の目的は、本発明の特徴及び利点を具体化する多
くの実施形態によって達成される。本発明は、反応物流のための一連のチャネル
を有する一対のコレクタ板から形成される少なくとも1つの燃料電池を備える凍
結耐性燃料電池システムを有し得る。前記コレクタ板の間には第1気体拡散層及
び第2気体拡散層が配置されており、膜電極アセンブリ(MEA)は2つの電極
層の間に挟まれた膜を備える。MEAは前記気体拡散層の間に配置され、MEA
の各側面上の反応物のものは、MEAの他方の側面に漏れないよう実質的にシー
ルされている。燃料電池積層体は、冷却剤流が燃料電池を冷却する間に前記ME
Aと接触しないように、コレクタ板に対して冷却剤流を流すための少なくとも1
つの冷却剤流路をさらに備える。
Yet another object of the present invention is to provide a technique for removing water from a fuel cell when operation is stopped and rapidly reheating the fuel cell when operation is started. These and other objects of the invention are achieved by a number of embodiments that embody the features and advantages of the invention. The present invention may have a freeze-tolerant fuel cell system comprising at least one fuel cell formed from a pair of collector plates having a series of channels for a reactant stream. A first gas diffusion layer and a second gas diffusion layer are disposed between the collector plates, and the membrane electrode assembly (MEA) includes a membrane sandwiched between the two electrode layers. An MEA disposed between the gas diffusion layers;
The reactants on each side of the MEA are substantially sealed from leaking to the other side of the MEA. The fuel cell stack may include the ME while the coolant stream cools the fuel cell.
At least one for flowing a coolant stream against the collector plate so as not to contact
And two coolant channels.

【0011】 本発明の別の態様によれば、前記冷却剤流路内を流れる冷却剤は、MEAに対
して有害であるため、このようにMEAから物理的に隔離されなければならない
。冷却剤に接する冷却剤流路の表面は電気的に絶縁されているか、あるいは、冷
却剤は非導電性であり得る。前記隔離はコレクタ板を介して延びる冷却剤ポート
の周囲にガスケット装置を設けることによって行われ得る。ガスケットは、好ま
しくは、気体拡散層から離間される。これに代わって、冷却路は、コレクタ板の
導電部の外側に配置され、ハウジングによって包囲されることが可能である。こ
のハウジングはコレクタ板と一体成形されているか、またはコレクタ板に連結さ
れ得る。
According to another aspect of the invention, the coolant flowing in the coolant channel is harmful to the MEA and must thus be physically isolated from the MEA. The surface of the coolant channel in contact with the coolant may be electrically insulated, or the coolant may be non-conductive. Said isolation may be provided by providing a gasket device around a coolant port extending through the collector plate. The gasket is preferably spaced from the gas diffusion layer. Alternatively, the cooling passage can be located outside the conductive part of the collector plate and be surrounded by the housing. The housing may be integrally formed with the collector plate or connected to the collector plate.

【0012】 燃料電池冷却剤ループは、燃料電池内における縁部の冷却(edge coo
ling)を含むか、あるいは前記コレクタ板の外側に冷却剤層が設けられ得る
。この冷却剤層は、各反応性燃料電池に直接隣接するか、または燃料電池積層体
全体にわたって断続的な段で備えられる。
[0012] The fuel cell coolant loop provides edge cooing within the fuel cell.
ling) or a coolant layer may be provided on the outside of the collector plate. This coolant layer is provided immediately adjacent to each reactive fuel cell or in intermittent steps throughout the fuel cell stack.

【0013】 本発明の別の態様によると、周囲ポートガスケットと反応領域膜との間の境界
部分は、膜における機械的・電気的なエッジ効果を損なうのを防止するためにサ
ブガスケットで埋めることによって、支持されることが可能である。好ましい実
施形態では、サブガスケットは、ポートガスケットと気体拡散層との間の被覆さ
れていない膜部分を横切って延びている。サブガスケットは、FEP、TFE、
ETFE、PFA、CTFE、E−CTFE、PVF2及びPVFを含む多くの
材料から形成され得る。
According to another aspect of the invention, the interface between the peripheral port gasket and the reaction zone membrane is filled with a subgasket to prevent compromising mechanical and electrical edge effects in the membrane. Can be supported by In a preferred embodiment, the subgasket extends across the uncoated membrane portion between the port gasket and the gas diffusion layer. The sub gasket is FEP, TFE,
ETFE, PFA, CTFE, E- CTFE, may be formed of many materials including PVF 2 and PVF.

【0014】 氷点下環境で使用するための燃料電池システムを装備するために、本発明は、
燃料電池システムが稼動していない場合のような、燃料電池の温度が水の凝固点
より下がった場合に、燃料電池内に有意量の水が存在することを防止する稼動停
止及び稼動開始に関連する改良及び技術をさらに意図する。
To equip a fuel cell system for use in a sub-zero environment, the present invention provides
Related to shutdown and start-up to prevent the presence of a significant amount of water in the fuel cell when the temperature of the fuel cell falls below the freezing point of water, such as when the fuel cell system is not operating. Improvements and techniques are further contemplated.

【0015】 燃料電池の稼動中、気体拡散層内並びにコレクタ板の流路内に水が蓄積し得る
。本発明の一態様によれば、コレクタ板中の反応物チャネルが不連続であること
によって、気体拡散層を介して流れの領域が確立される。この構成において、耐
凍性稼動停止操作の一部として、燃料電池内にパージ用乾燥気体を圧送して、チ
ャネルからだけでなく気体拡散層からも水を回収して追い出し得る。
During operation of the fuel cell, water can accumulate in the gas diffusion layer as well as in the flow path of the collector plate. According to one aspect of the invention, the discontinuity of the reactant channels in the collector plate establishes a region of flow through the gas diffusion layer. In this configuration, as part of the freeze-resistant operation shutdown operation, purge dry gas may be pumped into the fuel cell to collect and expel water not only from the channel but also from the gas diffusion layer.

【0016】 稼動停止後に残留水が蓄積するのを低減するために、好ましくは、チャネルの
表面は、本質的に水に対して非透過性である。さらに、チャネルの表面は、すべ
ての流体に対して本質的に非透過性であり得る。
Preferably, the surface of the channel is essentially impermeable to water to reduce the accumulation of residual water after a shutdown. Further, the surface of the channel may be essentially impermeable to all fluids.

【0017】 さらに稼動停止中における水の効果的な除去を補助するために、本発明による
燃料電池システムは、水分勾配及び水の移動速度を増加させるように、膜の片側
面上の気体拡散層中に向流を備え得る。1つの気体拡散層内の反応物流の方向が
、別の気体拡散層内の反応物流の方向と対向するように、各コレクタ板の反応物
チャネルを構成することが可能である。
To further assist in the effective removal of water during shutdowns, the fuel cell system according to the present invention provides a gas diffusion layer on one side of the membrane so as to increase the moisture gradient and the rate of water movement. A countercurrent may be provided therein. The reactant channels of each collector plate can be configured such that the direction of the reactant stream in one gas diffusion layer is opposite the direction of the reactant stream in another gas diffusion layer.

【0018】 水の除去を助ける別の改良は、重力を利用するために出口チャネルを配置する
こと関する。本発明による燃料電池システムは複数の反応物出口を有し、該出口
のうち少なくとも1つがチャネルの下方に配置されることにより、水の除去は重
力によって支援され得る。
Another improvement that assists in water removal involves placing an outlet channel to take advantage of gravity. The fuel cell system according to the present invention has a plurality of reactant outlets, at least one of which is located below the channel, so that water removal can be assisted by gravity.

【0019】 排水はシステムから除去されるか、あるいはタンクのような貯蔵器に回収され
得る。前記タンクは、隔離すること、あるいは直接的な専用発生源、またはシス
テムの燃料処理装置もしくは燃料電池からの熱生成のような一時的発生源からの
加熱を含めた様々な方法で、凍結に対する耐性を有し得る。休止段階の間、タン
クが水の凍結による膨張を許容するように設計されていれば、タンク内の給水は
凍結してもよい。
Effluent can be removed from the system or collected in a reservoir, such as a tank. The tank may be isolated or freezing resistant in a variety of ways, including direct dedicated sources, or heating from temporary sources, such as heat generation from the system's fuel processor or fuel cell. May be provided. During the rest phase, the water supply in the tank may freeze if the tank is designed to allow freezing expansion of the water.

【0020】 残留する水の凍結膨張によるコレクタ板の機械的損傷に対して保護するために
、チャネルの壁はテーパー状であり、かつ丸い角を有し得る。 本発明によれば、燃料電池システムは、凍結環境に資する稼動停止手順を組込
むことにより、凍結に対してより耐性を有するようになることが可能である。前
記稼動停止手順は、燃料電池システム温度を低下させることによって、前記燃料
積層体内の水蒸気を凝縮させる工程と、前記燃料電池から水、液体、及びガスを
除去する工程と、前記反応ガスラインを加湿されていない気体でパージする工程
と、システムの圧力を大気圧とほぼ等しい圧力に低減する工程とを有し得る。こ
れらの工程は異なる順序で実行されてもよいし、これに代わって、同時に開始さ
れることも可能である。
In order to protect against mechanical damage of the collector plate due to freezing expansion of the remaining water, the walls of the channels may be tapered and have rounded corners. According to the present invention, the fuel cell system can become more resistant to freezing by incorporating an operation stop procedure that contributes to the freezing environment. The operation stopping step includes a step of condensing water vapor in the fuel stack by lowering a fuel cell system temperature, a step of removing water, a liquid, and a gas from the fuel cell, and humidifying the reaction gas line. Purging with unpurified gas and reducing the system pressure to a pressure approximately equal to atmospheric pressure may be included. These steps may be performed in a different order, or alternatively, may be started simultaneously.

【0021】 稼動停止手順は、稼動停止時またはその直前に、燃料電池の熱をさらに増加さ
せる工程を備えることが可能である。好ましい1つの工程は、前記燃料積層体を
パルス電流出力を生じるモードで稼動させることを備える。
The shutdown procedure may include a step of further increasing the heat of the fuel cell at or immediately prior to shutdown. One preferred step comprises operating the fuel stack in a mode that produces a pulsed current output.

【0022】 稼動開始中、燃料が凝固点よりも高く加熱される前に有意量の水が存在するこ
とは、水の凍結膨張による損傷の危険性を呈し得る。従って、本発明による技術
は、凍結を防止するように水を導入する稼動開始手順を備える。これらの技術は
、反応物ラインを介して乾燥した反応気体を前記燃料電池に流す工程と、前記燃
料電池の温度を測定する工程と、燃料電池温度が所定温度よりも高くなった後に
前記反応ガスの加湿を開始する工程とを有し得る。所定温度は大気圧における水
の凝固点であり得る。前記稼動開始手順は、好ましくは、燃料電池の熱を増加さ
せ、かつ、融解した残留水を保持するように、最大動作圧に加圧する工程を有し
得る。
During start-up, the presence of significant amounts of water before the fuel is heated above its freezing point can present a risk of damage due to freezing and expansion of the water. Thus, the technique according to the invention comprises a start-up procedure for introducing water so as to prevent freezing. These techniques include flowing a dried reactant gas through the reactant line to the fuel cell, measuring the temperature of the fuel cell, and reacting the reactant gas after the fuel cell temperature rises above a predetermined temperature. Starting the humidification of the water. The predetermined temperature can be the freezing point of water at atmospheric pressure. The start-up procedure may preferably include the step of increasing the heat of the fuel cell and pressurizing to a maximum operating pressure so as to retain the molten residual water.

【0023】 稼動開始手順はまた、燃料電池に流れる反応ガスに加湿するための加湿装置を
準備する工程と、反応ガス流の加湿用の水を供給するための水貯蔵器を準備する
工程と、貯蔵器内の水を融解するために貯蔵器を加熱する工程と、貯蔵器内で水
を融解させる工程と、気体流の加湿のための加湿装置に水を供給する工程とを有
し得る。
The operation start procedure also includes a step of providing a humidifier for humidifying the reaction gas flowing through the fuel cell, and a step of providing a water reservoir for supplying water for humidification of the reaction gas stream. The method may include heating the reservoir to melt the water in the reservoir, melting the water in the reservoir, and supplying water to a humidifier for humidifying the gas stream.

【0024】 貯蔵器の水を融解するための熱は燃料処理装置から得ることが可能である。本
方法を実施するための工程は、発生する熱を増加させるために、酸化剤過多モー
ドで燃料処理装置を稼動させる工程と、前記発生した熱の一部を前記貯蔵器に伝
達して貯蔵器内の水を融解させる工程と、前記の発生した熱の一部を前記燃料電
池に伝達して燃料電池温度を上げる工程と、前記貯蔵器の水の融解及び燃料電池
温度を監視する工程と、前記貯蔵器の水の少なくとも一部が融解されて、かつ燃
料電池温度が所定温度に達した後に、燃料処理装置中の反応混合物を調整して燃
料生成を増加させる工程とを有する。
Heat for melting the water in the reservoir can be obtained from the fuel processor. The steps for performing the method include operating the fuel processor in an oxidant-rich mode to increase the generated heat, and transferring a portion of the generated heat to the storage to store the fuel in the storage. Melting the water inside, transmitting a part of the generated heat to the fuel cell to raise the fuel cell temperature, monitoring the melting of the water in the reservoir and the fuel cell temperature, Adjusting the reaction mixture in the fuel processor to increase fuel production after at least a portion of the water in the reservoir has been melted and the fuel cell temperature has reached a predetermined temperature.

【0025】 上記の構造及び稼動方法はすべて、様々な組合わせで使用することが可能であ
る。また、これらの特徴は、単独あるいは組み合わされて、氷点下環境における
燃料電池システムの利用に寄与する。
All of the above structures and operating methods can be used in various combinations. These features, alone or in combination, contribute to the use of fuel cell systems in sub-zero environments.

【0026】 (好適な実施形態の詳細な説明) 本発明は、以下氷点下環境という、氷点下温度にさらされる環境における操作
に適合する新規な耐凍性燃料電池構造を提供する。本明細書の全体に渡って使用
されるように、氷点下環境とは、燃料電池の稼動中は氷点を超えるが、燃料電池
の休止の期間は氷点下に達する周囲条件のことも指す。冷却システム及び加湿シ
ステムは分離されることが望ましい。冷却システムは、ガスケットの使用により
、燃料電池の電気化学的に活性な領域からも分離されることが望ましい。冷却シ
ステムと加湿システムの分離、及び冷却システムの電気化学的に活性な燃料電池
の領域からの分離により、そうしない場合には燃料電池にとって有害となりうる
、水の凝固点以下の凝固点を有する物質を、冷却剤物質として使用してもよい。
氷点下条件における耐凍性燃料電池の稼動方法も示される。氷点下条件における
アイドリングモードから燃料電池を起動する間は、燃料電池システムは、燃料電
池により生成される熱を最大化させるモードで作動される。加湿は、燃料電池温
度が凝固点を超えて上昇するまで遅延される。氷点下条件における燃料電池の運
転停止は、最短時間で燃料電池から最大限の水を除去することを伴う。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention provides a novel frost-resistant fuel cell structure that is compatible with operation in environments that are exposed to sub-zero temperatures, hereinafter the sub-zero environment. As used throughout this specification, sub-freezing environment also refers to ambient conditions that exceed the freezing point during operation of the fuel cell, but reach the freezing point during periods of fuel cell outage. Preferably, the cooling system and the humidification system are separated. Preferably, the cooling system is also separated from the electrochemically active area of the fuel cell by use of a gasket. Due to the separation of the cooling and humidification systems and the separation of the cooling system from the electrochemically active fuel cell area, substances having a freezing point below the freezing point of water, which would otherwise be detrimental to the fuel cell, It may be used as a coolant substance.
A method of operating a frost-resistant fuel cell in sub-zero conditions is also shown. During start-up of the fuel cell from the idle mode in sub-zero conditions, the fuel cell system is operated in a mode that maximizes the heat generated by the fuel cell. Humidification is delayed until the fuel cell temperature rises above the freezing point. Shutting down a fuel cell in sub-zero conditions involves removing the maximum amount of water from the fuel cell in a minimum amount of time.

【0027】 ガスケット及びサブガスケットの両方を有する新規な耐凍性燃料電池構造も記
載されている。耐凍性燃料電池の組立時に、ガスケットと、燃料電池の電気化学
的に活性な領域の端部との境界領域が形成される。この領域は、境界領域から離
隔された燃料電池の電気化学的に活性な領域に比較して、端部における増加され
た伝導性によって、増加された機械的、及び電気的応力にさらされる。燃料電池
の、ガスケットに連結され、電気化学的に活性な燃料電池の端部における機械的
、及び電気的応力を最小化させ、向上された燃料電池の信頼性をもたらすサブガ
スケットの使用が開示される。
A novel frost resistant fuel cell structure having both a gasket and a subgasket is also described. During assembly of the frost-resistant fuel cell, a boundary region is formed between the gasket and the end of the electrochemically active region of the fuel cell. This region is exposed to increased mechanical and electrical stress due to the increased conductivity at the edges as compared to the electrochemically active region of the fuel cell remote from the boundary region. Disclosed is the use of a fuel cell sub-gasket coupled to a gasket to minimize mechanical and electrical stresses at the ends of the electrochemically active fuel cell and provide improved fuel cell reliability. You.

【0028】 図1を参照する。燃料電池は、部材番号10により一般的に示されている。1
つの電池ユニット11により構成された、1つの燃料電池10が図中に示されて
いる。しかし、本発明は複数の電池ユニットを有する燃料積層体に関連して使用
可能であることが理解される。各電池ユニット11は、固体イオン導電性膜から
なり、膜の片側に陽極13を有し、もう一方の側に陰極14を有し、それぞれが
膜の外部に直接取り付けられた電気化学的に活性な触媒層により形成された膜電
極アセンブリ(MEA)12を含む。MEA12は、第1の気体拡散層15、及
び第2の気体拡散層16の間に挟まれている。
Referring to FIG. A fuel cell is indicated generally by the reference numeral 10. 1
One fuel cell 10 constituted by one cell unit 11 is shown in the figure. However, it is understood that the present invention can be used in connection with a fuel stack having a plurality of cell units. Each battery unit 11 comprises a solid ionic conductive membrane, having an anode 13 on one side of the membrane and a cathode 14 on the other side, each of which is attached directly to the exterior of the membrane. And a membrane electrode assembly (MEA) 12 formed by a suitable catalyst layer. The MEA 12 is sandwiched between the first gas diffusion layer 15 and the second gas diffusion layer 16.

【0029】 代替手段として、陽極及び陰極は、気体拡散層15,16に密着され、又は一
体化されていてもよく、膜に圧接されている。好適な実施形態においては、ME
Aは、電極が気体拡散層15,16上に取り付けられるときの圧力による接触に
比較して密接な電極との接触に起因する、より大きな燃料電池効率により密着さ
れた陽極13を備えている。MEA12は、気体拡散層15,16上の外周より
もある最小距離だけ拡張していることが望ましい。代替手段として、端部がME
Aの周囲の反応物の漏れを防止するべく適切に密閉されている場合に限り、ME
Aは、気体拡散層の端部で終端していることが可能である。気体拡散層15,1
6は、燃料電池積層体を形成するために2つ以上の燃料電池が使用される場合に
一般的にバイポーラプレートと呼ばれる2つの導電性を有するコレクタ/分離板
18,19(コレクタ板)の間に挟まれている。気体拡散層15,16は、典型
的には多孔質の導電性材料、例えば炭素/グラファイトファイバ紙、或いは炭素
/グラファイトクロスからなる。2つ以上の燃料電池が燃料電池積層体を形成す
る場合には、コレクタ板18,19は、1つの電池ユニット11の陰極を隣接す
る電池ユニット(図示せず)の陽極から分離するために設けられる。
As an alternative, the anode and the cathode may be in close contact with or integral with the gas diffusion layers 15, 16 and are pressed against the membrane. In a preferred embodiment, the ME
A comprises an anode 13 that is more closely adhered to with greater fuel cell efficiency due to its close contact with the electrodes as compared to the pressure contact when the electrodes are mounted on the gas diffusion layers 15,16. It is desirable that the MEA 12 extends a certain minimum distance from the outer circumference on the gas diffusion layers 15 and 16. Alternatively, the ends may be ME
ME only if properly sealed to prevent leakage of reactants around A
A can terminate at the end of the gas diffusion layer. Gas diffusion layer 15, 1
6 is between two conductive collector / separator plates 18, 19 (collector plates) commonly referred to as bipolar plates when more than one fuel cell is used to form the fuel cell stack. It is sandwiched between. The gas diffusion layers 15 and 16 are typically made of a porous conductive material such as carbon / graphite fiber paper or carbon / graphite cloth. When two or more fuel cells form a fuel cell stack, collector plates 18, 19 are provided to separate the cathode of one battery unit 11 from the anode of an adjacent battery unit (not shown). Can be

【0030】 本発明の好適な実施形態において、燃料電池10はプロトン交換膜(PEM)
燃料電池である。個々のPEM燃料電池が最大負荷(full load)にお
いて1ボルト未満を生成するため、実用化されたPEM燃料電池は、所望の電圧
レベルに到達するために電池ユニット11のようないくつかの個々の電池を、1
つの電池の陰極を隣接する電池(図示せず)の陽極に電気接続することにより直
列に積層する。
In a preferred embodiment of the present invention, the fuel cell 10 is a proton exchange membrane (PEM)
It is a fuel cell. Since individual PEM fuel cells produce less than 1 volt at full load, a commercialized PEM fuel cell may require several individual cells, such as cell unit 11, to reach a desired voltage level. Battery 1
One battery is stacked in series by electrically connecting the cathode of the battery to the anode of an adjacent battery (not shown).

【0031】 コレクタ板18,19は導電性を有する。本発明の好適な実施形態において、
コレクタ板18,19は、ポリマーに例えばグラファイトのような導電性粒子を
充填することにより導電性を有したポリマー複合物からなる。コレクタ板18,
19は、高い透過性からほぼ不透過性の透水性の範囲を有するように設計されて
いてもよい。いくつかの用途では、透水性のコレクタ板を有することが望ましい
。例えば、透水性のコレクタ板が膜の加湿のための水蒸気を燃料電池に供給して
もよい。しかし、燃料電池の稼動中は、透水性のコレクタ板は、相当に多量の水
を貯蔵する。水の凝固点以下の温度での燃料電池の適用においては、含有された
水の凍結により作用される膨張力によるコレクタ板18,19の破損を回避する
ために、水を通さないコレクタ板18,19が一般的に必要とされる。従って、
本発明の好適な実施形態において、選択されたコレクタ板18,19は、ほとん
ど水を通さない。少なくとも、チャネルの表面が水を不透過性であり、コレクタ
板の残りの部分が透水性であってもよい。
The collector plates 18 and 19 have conductivity. In a preferred embodiment of the present invention,
The collector plates 18 and 19 are made of a polymer composite having conductivity by filling a polymer with conductive particles such as graphite. Collector plate 18,
19 may be designed to have a range of high permeability to nearly impervious water permeability. For some applications, it is desirable to have a permeable collector plate. For example, a permeable collector plate may supply water vapor to the fuel cell for humidifying the membrane. However, during operation of the fuel cell, the permeable collector plate stores a significant amount of water. In the application of the fuel cell at a temperature below the freezing point of water, the collector plates 18, 19 which are impermeable to water are prevented in order to avoid damage to the collector plates 18, 19 due to the expansion force exerted by freezing of the contained water. Is generally required. Therefore,
In a preferred embodiment of the present invention, the selected collector plates 18, 19 are substantially impervious to water. At least the surface of the channel may be impermeable to water and the rest of the collector plate may be permeable.

【0032】 水を生成する陰極14での電気化学反応は、高度な発熱を伴う。従って、燃料
電池のために冷却システムが一般に必要とされる。燃料電池を冷却するために、
また膜を通過する十分なイオンの移動のために必要であることとして当業者に公
知である膜の水分補給(「加湿」)を維持するためにも、脱イオン水が一般的に
使用される。この構造は大部分の燃料電池用途において全く十分であるが、温度
が凍結温度(1気圧において0℃以下)に到達する可能性がある用途においては
、水が凍結すればこれに伴う固体に相変化する間の水の膨張によって燃料電池が
破損され、又は破壊されるため、純水を冷却剤として使用することができない。
必要な場合は、膜の加湿も燃料電池11中の水の凍結を回避するべく設計変更さ
れなければならない。加湿が要求される場合、本発明は加湿システムと冷却剤シ
ステムを分離する。加湿と冷却とを分離することにより、純水以外の冷却剤の使
用が可能となる。水は1気圧では0℃で凍結することから耐凍性燃料電池中の冷
却液を純水とすることが可能でないため、このことは重要である。
The electrochemical reaction at the cathode 14 that produces water is accompanied by a high degree of exotherm. Therefore, a cooling system is generally needed for fuel cells. To cool the fuel cell,
Deionized water is also commonly used to maintain membrane hydration ("humidification"), which is known to those skilled in the art as necessary for sufficient ion transfer through the membrane. . While this structure is quite sufficient for most fuel cell applications, in applications where the temperature can reach freezing temperatures (less than 0 ° C. at 1 atmosphere), the freezing of water will cause the solids associated with it to freeze. Pure water cannot be used as a coolant because the expansion of the water during the change will damage or destroy the fuel cell.
If necessary, the humidification of the membrane must also be redesigned to avoid freezing of the water in the fuel cell 11. If humidification is required, the present invention separates the humidification system from the coolant system. By separating humidification and cooling, it becomes possible to use a coolant other than pure water. This is important because water freezes at 0 ° C. at 1 atm and it is not possible to use pure water as the coolant in the antifreeze fuel cell.

【0033】 膜の加湿は、燃料セル積層体の外部のソースから、例えば流入する反応ガスを
噴霧器或いはバブラーの使用によって加湿することにより得てもよい。水素燃料
を生産するために燃料処理装置が使用される状況では、リフォーミングプロセス
の副産物として生産された水分により、陽極は加湿を必要としない。
The humidification of the membrane may be obtained by humidifying the incoming reactant gas from a source external to the fuel cell stack, for example, by using a nebulizer or bubbler. In situations where a fuel processor is used to produce hydrogen fuel, the anode does not require humidification due to the moisture produced as a by-product of the reforming process.

【0034】 専用冷却剤ループ25は、コレクタ板を通過して、及びコレクタ板間に冷却剤
が流れる場を有し、これが燃料電池11に隣接した冷却層を形成する。導電性の
シーラント32は、上部コレクタ板及び底部コレクタ板を束縛する。冷却剤は、
通路を通じる垂直方向と、冷却層を通じる水平方向との双方を流れて、隣接する
燃料電池11のコレクタ板の表面にわたって均一に熱を拡散させる。冷却剤の帰
路は設けられているが、図示されていない。
The dedicated coolant loop 25 has a field for coolant to flow through and between the collector plates, which forms a cooling layer adjacent to the fuel cell 11. A conductive sealant 32 binds the top and bottom collector plates. The coolant is
It flows both vertically through the passages and horizontally through the cooling layer to spread the heat evenly over the surface of the collector plate of the adjacent fuel cell 11. A return path for the coolant is provided but not shown.

【0035】 冷却剤ループ25は、燃料電池11に加湿を与えない。さらに、冷却剤ループ
25は最小距離「A」だけ膜から離間している。燃料電池11がさらされると予
想される動作温度範囲に依存して、純水以外の冷却剤が燃料電池11用の冷却剤
として必要とされる。水は1気圧においては約0℃で凍結するため、純水は0℃
になることがある燃料電池用途のための実施可能な冷却剤ではない。製造時には
冷却剤システムが機械的に密閉されるため、冷却液は膜から隔離される。距離「
A」は、冷却剤が膜と接触することを回避するように選択され、燃料電池の密閉
全体の一体性に基づく。本発明の好適な実施形態において、距離「A」は少なく
とも約0.254センチメートル(約0.1インチ)である。密閉の一体性は主
に選択されたガスケット材のタイプの機能による。
The coolant loop 25 does not humidify the fuel cell 11. Further, coolant loop 25 is separated from the membrane by a minimum distance "A". Depending on the operating temperature range in which the fuel cell 11 is expected to be exposed, a coolant other than pure water is required as a coolant for the fuel cell 11. Pure water is 0 ° C because water freezes at about 0 ° C at 1 atm.
Not a viable coolant for fuel cell applications that can be During manufacture, the coolant is isolated from the membrane because the coolant system is mechanically sealed. distance"
"A" is selected to avoid contact of the coolant with the membrane and is based on the integrity of the entire fuel cell seal. In a preferred embodiment of the present invention, distance "A" is at least about 0.1 inches. The integrity of the seal is largely a function of the type of gasket material chosen.

【0036】 純水以外の多くの冷却剤は、触媒サイトを占拠することにより膜と接触するこ
とが可能な場合は燃料電池を汚染する。例えば、炭化水素が触媒サイトを占拠す
ることが公知である。これらの汚染する冷却剤は、本明細書の全体を通して「有
害」であると記載する。有害な冷却剤は、MEA電極と接触する場合には触媒と
結合可能であるか、或いは燃料電池の電気化学反応に影響を及ぼす、全ての非純
水冷却剤を指すものである。
[0036] Many coolants other than pure water contaminate fuel cells where they can contact the membrane by occupying catalyst sites. For example, it is known that hydrocarbons occupy catalyst sites. These contaminating coolants are described as "harmful" throughout this specification. Noxious coolants refer to all non-pure water coolants that can be combined with the catalyst when in contact with the MEA electrode or affect the electrochemical reaction of the fuel cell.

【0037】 耐凍性燃料電池の代替の実施形態において、冷却剤の通路はコレクタ板の一部
ではない。例えば、冷却剤は、燃料電池コレクタ板の表面に隣接した外部マニホ
ールドを介して流れていてもよい。燃料電池のさらに異なる実施形態において、
冷却剤チャネルは、コレクタ板表面の燃料電池活性領域から離隔した領域に設け
られる。これらの代替の実施形態の双方において、冷却剤は隣接するコレクタ板
の間を通過しない。
In an alternative embodiment of the frost-resistant fuel cell, the coolant passage is not part of the collector plate. For example, the coolant may be flowing through an external manifold adjacent the surface of the fuel cell collector plate. In yet another embodiment of the fuel cell,
The coolant channel is provided in a region of the collector plate surface remote from the fuel cell active region. In both of these alternative embodiments, the coolant does not pass between adjacent collector plates.

【0038】 燃料電池11の予想された最低動作温度に適合するべく、0℃よりも十分に低
い凝固点を有する純水以外の冷却剤が、耐凍性燃料電池のために一般に有用であ
る。適切な冷却剤として可能なものには、以下が含まれる。 (a)溶液の凝固点がその目的とする用途のために十分に低い限り、水、及び
/又は潤滑材を含む任意の濃度の他の冷却剤を含有する、単独のエチレングリコ
ール。 (b)溶液の凝固点がその目的とする用途のために十分に低い限り、水、及び
/又は潤滑材を含む任意の濃度の他の冷却剤を含有する、単独のプロピレングリ
コール。 (c)溶液の凝固点がその目的とする用途のために十分に低い限り、水、及び
/又は潤滑材を含む任意の濃度の他の冷却剤を含有し、プロピレングリコール及
びエチレングリコールと同様の凝固点及び沸点を有する、例えばメタノールのよ
うな他のアルコール。 (d)予期される動作条件下における気体、例えば窒素又は水素。
Refrigerants other than pure water having a freezing point well below 0 ° C. to match the expected minimum operating temperature of the fuel cell 11 are generally useful for frost-resistant fuel cells. Possible suitable coolants include: (A) Ethylene glycol alone, containing water and / or any concentration of other coolants, including lubricants, as long as the freezing point of the solution is low enough for its intended use. (B) A single propylene glycol containing water and / or any concentration of other coolants, including lubricants, as long as the freezing point of the solution is low enough for its intended use. (C) as long as the freezing point of the solution is low enough for its intended use, it contains water and / or any other cooling agent, including lubricants, and has a freezing point similar to propylene glycol and ethylene glycol And other alcohols having a boiling point, for example methanol. (D) Gas under expected operating conditions, such as nitrogen or hydrogen.

【0039】 許容可能な冷却剤のイオン化レベルの最大値は、冷却剤ループ25の構成に依
存する。冷却剤ループ25がコレクタ板18,19から電気的に分離されるよう
に構成されている場合は、イオン性の冷却剤が使用されてもよい。しかし、冷却
剤ループ25がコレクタ板18,19から電気的に分離されるように構成されて
いない場合は、冷却剤ループ25を流れる液体を介して隣接するコレクタ板18
,19(図示せず)を電気的に結合することを回避するため、冷却剤のイオン化
レベルは制限されている必要がある。隣接するコレクタ板18,19(図示せず
)が異なる電位にあり、導電性の冷却剤の材料を使用する冷却剤ループ25によ
って電気的に結合される場合は、導電性冷却剤を介して隣接するコレクタ板18
,19(図示せず)の間に電流が流れる。本発明の好適な実施形態においては、
冷却剤ループ25がコレクタ板18,19から電気的に分離されるように設計さ
れている場合には、冷却剤板、及び流場の設計がはるかに複雑かつ高価になるた
め、冷却剤ループ25はコレクタ板18,19から電気的に分離されていない。
The maximum allowable coolant ionization level depends on the configuration of the coolant loop 25. If the coolant loop 25 is configured to be electrically separated from the collector plates 18, 19, an ionic coolant may be used. However, if the coolant loop 25 is not configured to be electrically isolated from the collector plates 18, 19, the liquid flowing through the coolant loop 25 will cause the adjacent collector plate 18 to be separated.
, 19 (not shown), the coolant ionization level needs to be limited. If the adjacent collector plates 18, 19 (not shown) are at different potentials and are electrically coupled by a coolant loop 25 using a conductive coolant material, the adjacent collector plates 18, 19 Collector plate 18
, 19 (not shown). In a preferred embodiment of the present invention,
If the coolant loop 25 is designed to be electrically isolated from the collector plates 18, 19, the coolant plate and flow field design becomes much more complicated and expensive, so the coolant loop 25 Are not electrically separated from the collector plates 18 and 19.

【0040】 冷却剤の分離は、ガスケットの配置により設けることが可能である。MEA1
2の外側端部は、第1のガスケット20、及び第2のガスケット21の間に挟ま
れている。ガスケット20,21は、気体拡散層15,16に重ならないように
配置されていることが望ましい。ガスケット20,21は、ポリマー材料、例え
ばEPDMゴム(EPゴムとしても公知である)、フッ素化炭化水素、ブチルゴ
ム、フルオロシリコーン、ポリシロキサン、熱可塑性エラストマー、例えばポリ
プロピレンとEPゴムを含有するブレンド、及び/又は他の類似した物質からな
る。気体拡散層15,16と、ガスケット20,21との間に境界領域22が形
成される。
The separation of the coolant can be provided by a gasket arrangement. MEA1
2 is sandwiched between the first gasket 20 and the second gasket 21. It is desirable that the gaskets 20 and 21 are arranged so as not to overlap the gas diffusion layers 15 and 16. The gaskets 20, 21 may be made of polymeric materials such as EPDM rubber (also known as EP rubber), fluorinated hydrocarbons, butyl rubber, fluorosilicone, polysiloxane, thermoplastic elastomers such as blends containing polypropylene and EP rubber, and And / or consist of other similar substances. A boundary region 22 is formed between the gas diffusion layers 15 and 16 and the gaskets 20 and 21.

【0041】 境界領域22における、或いはその領域に近接した膜は、活性な膜の他の部分
に対して、増加した機械的及び電気的応力の両方にさらされる。燃料電池11の
製造中に気体拡散層15と気体拡散層16との間、及びガスケット20とガスケ
ット21との間に、例えば、公差により空間が生じると、境界領域22の膜は支
持されなくなり、垂れ下がるか、或いは締め付けられることがある。垂れ下がり
、或いは締め付けは、反応物の1つの流場から他の流場への流入を可能にさせる
、破裂という不適当な結果を生じる。境界領域22における機械的応力の強度は
、境界領域22を2つの部分に効果的に分割することにより縮小される。境界領
域22は、燃料電池11の製造中に、気体拡散層15とガスケット20との間の
上部境界、及び気体拡散層16とガスケット21との間の下部境界を移動させる
ことにより有効に分割される。また、製造中において、気体拡散層15,16が
ガスケット20,21に対して突合せられて境界領域22の膜の圧縮に帰着する
可能性がある。いずれの場合も、膜は、境界領域においてさらなる機械的応力に
さらされ、燃料電池11の早期の寿命損失に帰着する可能性がある。
The film at or near the boundary region 22 is exposed to both increased mechanical and electrical stress relative to other portions of the active film. If a space is created between the gas diffusion layer 15 and the gas diffusion layer 16 and between the gasket 20 and the gasket 21 during the manufacture of the fuel cell 11, for example, due to a tolerance, the membrane in the boundary region 22 is not supported, May hang down or be pinched. Sagging or pinching results in the inadequate consequence of rupture, which allows reactants to flow from one flow field to another. The intensity of the mechanical stress in the boundary region 22 is reduced by effectively dividing the boundary region 22 into two parts. The boundary region 22 is effectively divided during manufacturing of the fuel cell 11 by moving the upper boundary between the gas diffusion layer 15 and the gasket 20 and the lower boundary between the gas diffusion layer 16 and the gasket 21. You. Also, during manufacture, the gas diffusion layers 15, 16 may be abutted against the gaskets 20, 21, resulting in compression of the membrane in the boundary region 22. In either case, the membrane is exposed to additional mechanical stress in the boundary region, which can result in early life loss of the fuel cell 11.

【0042】 さらに、平行導電板の端部は導電板内部に比較してより高い電束を生成するこ
とが知られているため,境界領域22の、或いはその近傍の活性な膜は、その内
部に比較して燃料電池11動作時に、より高い電流密度を受ける。この現象は、
図1のように空間が形成されるか、或いは気体拡散層15,16がガスケット2
0,21に対して突合せられたかに関わらず、境界領域における膜への電気的応
力を増強する。
Further, since it is known that the ends of the parallel conductive plate generate a higher electric flux compared to the inside of the conductive plate, the active film in or near the boundary region 22 has a higher internal flux. When the fuel cell 11 is operated, a higher current density is received. This phenomenon is
A space is formed as shown in FIG. 1, or the gas diffusion layers 15 and 16 are
Enhance the electrical stress on the film in the boundary region, whether or not abutted against 0,21.

【0043】 良好に構成された耐凍性燃料電池においても、内部に取り込まれた水からの凍
結状態における氷の生成に起因する損害を最小限にするために特別な起動、運転
停止、及び加湿を必要とする。本発明の好適な実施形態においては、耐凍性燃料
電池システムの全ての操作の形態、例えば反応物流量制御、温度のモニタリング
及び制御はフィードバックコントロールシステムを使用する中央計算機により制
御される。次に図2を参照する。燃料電池積層体10を起動させるために、まず
燃料源からの熱が燃料処理装置60により陽極入口62を介して、また、起動の
間は形成される氷の量を最小化させるべく最小限の水分を有して、燃料電池10
に供給可能である。例えば、自動熱燃料処理装置に基づく部分酸化プロパンを高
熱ガス流に入れる。改質ガスの流れの中の水素濃度は、燃料処理装置60中の空
気対燃料の化学量論比と共に、水蒸気対炭素比を変化させることにより、所望の
レベルに設定される。高い水の収率は、供給された燃料の完全燃焼に必要な量に
近い量、又は好適には過剰量の空気を、燃料処理装置60に供給することにより
達成される。その後、燃料処理装置60により生成された高熱ガス流は陽極66
中の冷却剤によって冷却されて水の凝縮を生じ、この水は陽極セパレータ68中
で分離され、プロセス用水タンク64に送られる。燃焼は通常非常に迅速なプロ
セスであり、十分な水がプロセス用水タンク64に収集されるまで、燃料処理装
置60はこの方式で作動される。水タンク64に保存されたプロセス用水は、水
蒸気改質、及びシステム内の動作温度が水の凝固点よりも高くなったときに陰極
ガスの加湿に使用される。プロセス用水タンク64が初期に氷を含んでいる起動
条件においては、燃料処理装置60は上記された燃焼の方式で作動され、燃料処
理装置60により生成された高熱ガス流が耐凍性プロセス用水タンク64中の氷
を溶解させるために使用可能である。上記の起動手順のいずれかを行うことによ
り、燃料処理装置60は、起動の間に最小限の含水量を有した水素を多く含む高
熱反応物流を燃料電池積層体10に生成する。高熱反応物流は多様な燃料積層体
部品の解凍を促進する。
Even well-configured frost-resistant fuel cells require special startup, shutdown, and humidification to minimize damage due to ice formation in the frozen state from the water taken inside. I need. In a preferred embodiment of the present invention, all modes of operation of the frost-resistant fuel cell system, such as reactant flow control, temperature monitoring and control, are controlled by a central computer using a feedback control system. Next, reference is made to FIG. To start the fuel cell stack 10, heat from the fuel source is first minimized by the fuel processor 60 through the anode inlet 62 and during operation to minimize the amount of ice formed. With water, the fuel cell 10
Can be supplied to For example, partially oxidized propane based on an automatic thermal fuel processor is placed in the hot gas stream. The hydrogen concentration in the reformed gas stream is set to a desired level by varying the steam to carbon ratio, as well as the air to fuel stoichiometry in the fuel processor 60. High water yields are achieved by feeding the fuel processor 60 with an amount of air close to, or preferably in excess of, that required for complete combustion of the supplied fuel. Thereafter, the hot gas stream generated by the fuel processor 60 is
It is cooled by the coolant therein to cause water condensation, which is separated in the anode separator 68 and sent to the process water tank 64. Combustion is usually a very rapid process, and the fuel processor 60 is operated in this manner until sufficient water has been collected in the process water tank 64. The process water stored in the water tank 64 is used for steam reforming and for humidifying the cathode gas when the operating temperature in the system is above the freezing point of the water. Under start-up conditions in which the process water tank 64 initially contains ice, the fuel processor 60 is operated in the manner of combustion described above, and the hot gas flow generated by the fuel processor 60 generates the frost resistant process water tank 64. Can be used to melt the ice inside. By performing any of the start-up procedures described above, the fuel processor 60 produces a highly hydrogen-rich, high-temperature reactant stream with minimal water content in the fuel cell stack 10 during start-up. The high heat reactant stream facilitates thawing of various fuel stack components.

【0044】 加湿は、積層体及び冷却剤の温度が水の凝固点よりも上がるまで、遅らせる必
要がある。起動の初期段階中には、加圧された乾燥空気が加湿されずに、陰極7
0に供給される。陰極圧縮機からの加圧された乾燥空気は典型的に、外気の温度
が、約−10〜−20℃の範囲にある場合には、ゲージ圧約207kPa(30
psig)で加圧することにより90〜100℃の範囲内の温度まで加熱される
。加熱された陰極の空気も、凍結条件にさらされた膜、及び他の積層体部品の解
凍を促進させる。燃料処理装置60からの水素が発電に利用可能となると、燃料
電池積層体10は発熱を最大限にするために低圧、高電流密度モードで作動され
る。生成された熱は、積層体10及び冷却剤の温度を上昇させるために使用され
る。積層体10の温度が上昇するにつれて、積層体はより高い出力電圧を生成し
始めるべく作動される。従って、燃料電池積層体10の温度上昇につれて、シス
テムはより効率的な発電モードに移行される。陰極空気の加湿は、積層体10及
び冷却剤の温度が凝固点を十分に超えたときに開始される。随意に陽極の加湿も
同時に開始されてもよい。
The humidification needs to be delayed until the temperature of the laminate and the coolant is above the freezing point of the water. During the initial phase of startup, the pressurized dry air is not humidified and the cathode 7
0 is supplied. Pressurized dry air from the cathode compressor typically has a gauge pressure of about 207 kPa (30 kPa) when the temperature of the outside air is in the range of about -10 to -20C.
Heating to a temperature in the range of 90-100 ° C. by pressing at psig). The heated cathode air also facilitates thawing of membranes and other laminate components exposed to freezing conditions. When hydrogen from the fuel processor 60 becomes available for power generation, the fuel cell stack 10 is operated in a low pressure, high current density mode to maximize heat generation. The generated heat is used to raise the temperature of the laminate 10 and the coolant. As the temperature of the stack 10 increases, the stack is activated to begin producing a higher output voltage. Therefore, as the temperature of the fuel cell stack 10 increases, the system is shifted to a more efficient power generation mode. The humidification of the cathode air is started when the temperature of the laminate 10 and the coolant has sufficiently exceeded the freezing point. Optionally, humidification of the anode may also be started simultaneously.

【0045】 耐凍性燃料電池の代替の実施形態において、図6に示された燃料処理装置はほ
ぼ純粋な水素発生源により置き換えられる。陰極に対する酸素の供給源と共に陽
極に対して水素が供給されて、直ちに発熱した。生成された熱は耐凍性冷却剤の
温度を上昇させる。水タンクが氷を含んでいる場合、加熱された耐凍性冷却剤は
水タンクを通過して循環されて水タンク中の氷を溶かす。一旦積層体の温度が水
の凝固点よりも上昇すると、反応物ラインの加湿が開始されてもよい。
In an alternative embodiment of a frost-resistant fuel cell, the fuel processor shown in FIG. 6 is replaced by a substantially pure hydrogen source. Hydrogen was supplied to the anode together with a supply of oxygen to the cathode, which generated heat immediately. The heat generated raises the temperature of the antifreeze coolant. If the water tank contains ice, the heated antifreeze coolant is circulated through the water tank to melt the ice in the water tank. Once the temperature of the laminate rises above the freezing point of water, humidification of the reactant lines may be initiated.

【0046】 耐凍性燃料電池を停止する方法も、停止の際に燃料電池システム内の氷の生成
を防止することが必要である。システム停止の場合には、主な目的は可能な限り
迅速に燃料電池積層体及びシステム部品から大部分の水分を除去することである
。システムからの水の除去に必要な3つの段階がある。最初に、システム内の水
蒸気を凝縮させるべくシステム温度を降下させなければならない。温度は、冷却
剤ループを通じて冷却剤を流すことにより、より急速に低減される。システムの
冷却は、気相燃料電池に含まれていた水の凝縮を可能にする。一旦水が液相にな
ると、容易に気体流から分離し、耐凍性貯蔵タンク64へと排水することが可能
である。2番目に、燃料電池積層体10及びシステム反応物ラインは、内蔵、或
いは追加のパージングシステムを使用して加湿されていない気体により全体的に
パージされる必要がある。最後に、全体のシステムは大気圧に戻されなければな
らない。これらの3段階の手順に従うことは、停止後に燃料電池に残留する凝縮
された水の量を著しく減少させる。停止の際に水が燃料電池中に残される場合に
は、結氷により膨張し、主要な燃料電池部品、例えば陽極水セパレータ、陰極水
セパレータ、燃料電池積層体、燃料処理装置水貯蔵タンク(使用される場合)、
及び反応物供給ラインに損害を生じる可能性がある。
The method of shutting down the frost-resistant fuel cell also needs to prevent the formation of ice in the fuel cell system at the time of shutting down. In the event of a system outage, the primary purpose is to remove most of the water from the fuel cell stack and system components as quickly as possible. There are three stages required for water removal from the system. First, the system temperature must be reduced to condense the water vapor in the system. The temperature is reduced more rapidly by flowing the coolant through the coolant loop. Cooling of the system allows condensation of the water contained in the gas phase fuel cell. Once the water is in the liquid phase, it can be easily separated from the gas stream and drained to the frost-resistant storage tank 64. Second, the fuel cell stack 10 and system reactant lines need to be totally purged with unhumidified gas, either internally or using an additional purging system. Finally, the entire system must be returned to atmospheric pressure. Following these three-step procedures significantly reduces the amount of condensed water remaining in the fuel cell after shutdown. If water is left in the fuel cell at the time of shutdown, it expands due to freezing and the main fuel cell components, such as anode water separator, cathode water separator, fuel cell stack, fuel processor water storage tank (used ),
And damage to the reactant supply lines.

【0047】 陽極の運転停止用の同様な方法が以下に記載される。陽極の加湿が使用される
場合は、陽極気体の加湿が停止される。その後、陽極気体ライン62には乾燥し
た低温の陽極気体がパージされる。これは、燃料電池部品から加湿された陽極気
体を全て除去し、燃料電池システム10の部品から大部分の液体の水滴を除去す
る。
A similar method for shutting down the anode is described below. If humidification of the anode is used, humidification of the anode gas is stopped. Thereafter, the anode gas line 62 is purged with a dry and low-temperature anode gas. This removes all humidified anode gas from the fuel cell components and removes most of the liquid droplets from the components of the fuel cell system 10.

【0048】 凝縮された水滴は1つ以上の陽極セパレータの中で分離され、耐凍性貯蔵タン
ク64へ排水され、或いは完全にシステムから除去されることが可能である。プ
ロセス用水貯蔵タンクが使用される場合、重力が水貯蔵タンクへの移送を可能に
するために、プロセス用水貯蔵タンクは可能な限り低い場所に置かれるべきであ
る。
The condensed water droplets can be separated in one or more anode separators, drained to a frost-resistant storage tank 64, or completely removed from the system. If a process water storage tank is used, the process water storage tank should be located as low as possible to allow gravity to transfer to the water storage tank.

【0049】 燃料処理装置の運転停止用の同様な方法が以下に記載される。燃料電池積層体
の温度が周囲温度まで下げられる。陽極流から水分を凝縮し、冷却剤に熱を伝達
するために陽極冷却器/チラーが使用される。この水は陽極セパレータ74によ
って陽極流から除去される。分離された水は耐凍性貯蔵タンク64へ排水するか
、或いはシステムから完全に除去することが可能である。陽極冷却器/チラーは
、積層体の内部を流れ、積層体の温度であるシステム冷却剤を保持する。積層体
温度は、陽極ガス温度も周囲温度の近くまで冷却可能であるように周囲温度まで
下げられる。
A similar method for shutting down a fuel processor is described below. The temperature of the fuel cell stack is reduced to ambient temperature. An anode cooler / chiller is used to condense moisture from the anode stream and transfer heat to the coolant. This water is removed from the anode stream by the anode separator 74. The separated water can be drained to a frost-resistant storage tank 64 or removed completely from the system. The anode cooler / chiller flows inside the stack and holds a system coolant, which is the temperature of the stack. The laminate temperature is reduced to ambient temperature so that the anode gas temperature can also be cooled to near ambient temperature.

【0050】 陰極の運転停止用の同様な方法が以下に記載される。陰極の停止は、陽極の停
止と同時に開始される必要がある。陰極気体の加湿が終了する。その後、陰極シ
ステムは乾燥した陰極気体でパージされる。圧縮機の温度及び圧力は、周囲条件
近傍まで下げられる。液体の水は全て1つ以上の陰極セパレータにおいて分離さ
れて、耐凍結性の水貯蔵タンク64へ排水するか、或いは完全にシステムから除
去することが可能である。
A similar method for shutting down the cathode is described below. Cathode shutdown must be started at the same time as anode shutdown. The humidification of the cathode gas ends. Thereafter, the cathode system is purged with dry cathode gas. The temperature and pressure of the compressor are reduced to near ambient conditions. All liquid water is separated at one or more cathode separators and can be drained to a freeze-resistant water storage tank 64 or completely removed from the system.

【0051】 冷却剤ループの運転停止用の同様な方法が以下に記載される。システムレイア
ウトは、冷却剤貯蔵タンク76がシステムの最も低い箇所に位置するようなもの
であるべきである。このことは、冷却剤が重力によって冷却剤貯蔵タンク76に
戻されることを可能にする。冷却剤が冷却剤貯蔵タンクに重力により供給される
のと同時に、システムは乾燥反応物パージを完了する。最後に、冷却剤ポンプの
スイッチが切られる。
A similar method for shutting down the coolant loop is described below. The system layout should be such that the coolant storage tank 76 is located at the lowest point of the system. This allows the coolant to be returned to the coolant storage tank 76 by gravity. The system completes the dry reactant purge at the same time that the coolant is supplied to the coolant storage tank by gravity. Finally, the coolant pump is switched off.

【0052】 運転停止プロセスの向上において、燃料電池積層体l0は、燃料電池に乾燥し
た反応物を供給するのと同時に、大量の熱を生成するのに十分な電流が積層体を
通過して生成するモードで作動される。この条件は、燃料電池積層体10内の水
の蒸発速度を最大にし、より速い停止時間をもたらす。
In improving the shutdown process, the fuel cell stack 10 provides a dry reactant to the fuel cell while at the same time generating sufficient current through the stack to generate large amounts of heat. It is operated in the mode that performs. This condition maximizes the rate of water evaporation in the fuel cell stack 10 and results in faster downtime.

【0053】 記載された起動及び運転停止の手順は、異なる順序で実施可能であり、或いは
同時に開始することも可能であるような多数のステップを含む。 図3を参照する。運転停止プロセスに対するさらなる向上において、コレクタ
板18,19中の互いに入り組んだ不連続のチャネルを有する燃料電池の好適な
実施形態が示される。流場の陽極入口チャネル26、陰極入口チャネル28、陽
極出口チャネル27、及び陰極出口チャネル29が分離されていることにより、
気体拡散層を通じる流れを圧送する。図示されたチャネルは丸い角を有する。流
場の入り組み及び丸い角は、耐凍性用途のための燃料電池の改良を形成するため
に必ずしも組み合わせる必要がない。入り組んだ流場構造は、気体拡散層15,
16内に取り込まれる水の量の制限を促進し、凍結条件における燃料電池の停止
中に気体拡散層15,16からの水のパージングを促進する。さらに、流場を形
成するチャネルの壁面がわずかにテーパー状であり、角が丸くなっていることに
より凍結の際に水が膨張するための場所を許容して、凍結状態における燃料電池
11に対する損害を最小限にする。
The described start-up and shut-down procedures include a number of steps that can be performed in a different order or can be started simultaneously. Please refer to FIG. In a further improvement to the shutdown process, a preferred embodiment of a fuel cell having intricate discontinuous channels in the collector plates 18, 19 is shown. With the flow field anode inlet channel 26, cathode inlet channel 28, anode outlet channel 27, and cathode outlet channel 29 being separated,
The flow through the gas diffusion layer is pumped. The illustrated channel has rounded corners. The involution and rounded corners of the flow field need not necessarily be combined to form a fuel cell improvement for frost-resistant applications. The intricate flow field structure consists of a gas diffusion layer 15,
This promotes the restriction of the amount of water taken into the fuel cell 16 and facilitates the purging of water from the gas diffusion layers 15 and 16 during shutdown of the fuel cell under freezing conditions. In addition, the walls of the channels forming the flow field are slightly tapered, and the rounded corners allow for a place for water to expand during freezing, causing damage to the fuel cell 11 in a frozen state. To minimize.

【0054】 図4は、図1に示される本出願人のガスケットを有する燃料電池に1組のサブ
ガスケット23,24を付加する。サブガスケット23,24は、第1及び第2
のガスケット20,21の間に設けられ、気体拡散層15,16と膜が重なる領
域の遠位端の、気体拡散層15,16と膜との間の箇所まで延伸する。サブガス
ケット23,24は、境界領域において補助的な支持を燃料電池に与えて、境界
領域22、或いはその近傍における膜に対する機械的応力を減少させる。さらに
、境界22における膜を横切る増強された端部の導電は、活性な膜の有効な端部
をサブガスケット23,24の遠位端に移動させることにより削減される。従っ
て、サブガスケット23,24の使用は改善された燃料電池の信頼性に帰着する
。本発明の好適な実施形態において、サブガスケット23,24は、耐強酸性材
料、例えばFEP、TFE、ETFE、PFA、CTFE、E−CTFE、PV
2、及びPVFから形成され、ガスケット20,21の厚さの約1/10の厚
さを有する。
FIG. 4 adds a set of subgaskets 23 and 24 to the fuel cell having the applicant's gasket shown in FIG. The sub gaskets 23 and 24 are composed of the first and second
Between the gas diffusion layers 15, 16 and the membrane at the distal end of the region where the gas diffusion layers 15, 16 overlap the membrane. The subgaskets 23, 24 provide additional support to the fuel cell at the boundary region to reduce mechanical stress on the membrane at or near the boundary region 22. In addition, the enhanced end conduction across the membrane at the boundary 22 is reduced by moving the active end of the active membrane to the distal ends of the subgaskets 23,24. Thus, the use of subgaskets 23, 24 results in improved fuel cell reliability. In a preferred embodiment of the present invention, the sub-gaskets 23, 24 are made of a strong acid-resistant material, such as FEP, TFE, ETFE, PFA, CTFE, E-CTFE, PV.
F 2, and is formed from a PVF, has about one-tenth the thickness of the thickness of the gasket 20, 21.

【0055】 図示されるように、冷却剤ループ25は、サブガスケット23,24のみなら
ずガスケット20,21をも通過する。上記されたように、サブガスケット23
,24は、境界領域22の活性な膜の端部近傍の機械的及び電気的応力を減少さ
せる。サブガスケット23,24は、活性な膜の反対側では必ずしも主要なガス
ケット20,21の端部と終端を同じくして延伸していなくてもよい。本発明の
好適な実施形態において、サブガスケット23,24は、製造の容易さ、及び活
性な膜領域の外側に有意に延伸しない比較的短いサブガスケット23,24を形
成することに対して付加される労働コストに比べて、サブガスケット23,24
の材料コストは比較的低いために、活性な膜の反対側において主要なガスケット
20,21と終端を同じくしている。
As shown, the coolant loop 25 passes through the gaskets 20, 21 as well as the sub-gaskets 23, 24. As described above, the sub gasket 23
, 24 reduce mechanical and electrical stresses near the edge of the active film in the boundary region 22. The subgaskets 23, 24 do not necessarily have to extend the same end and end of the main gaskets 20, 21 on the opposite side of the active membrane. In a preferred embodiment of the invention, the subgaskets 23, 24 are added for ease of manufacture and for forming relatively short subgaskets 23, 24 that do not extend significantly outside the active membrane area. Sub-gaskets 23, 24
Due to the relatively low material cost, they are terminated with the main gaskets 20, 21 on the opposite side of the active membrane.

【0056】 本発明の好適な実施形態を例証し、記載してきたが、本発明がそれらにより限
定されないことは明白である。当業者は、請求項に記載されるような本発明の精
神及び範囲から逸脱することなく、多数の改良、変更、別例、置換及び等価なも
のを想到するであろう。
While the preferred embodiments of the invention have been illustrated and described, it will be clear that the invention is not so limited. Numerous improvements, changes, alternatives, permutations, and equivalents will occur to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 発明による燃料電池及び冷却剤システムの切断側面図。FIG. 1 is a cut-away side view of a fuel cell and coolant system according to the invention.

【図2】 燃料処理装置に接続された燃料電池積層体、及び外部冷却及び加
湿システムを備え、耐凍性燃料電池を使用する本発明の方法を実行するために使
用される耐凍性燃料電池システムの概略図。
FIG. 2 shows a fuel cell stack connected to a fuel processor and an external cooling and humidification system, which is used to carry out the method of the present invention using a freeze-resistant fuel cell. Schematic.

【図3】 テーパー状かつ丸みを帯びた角部を有する不連続な流場チャネル
を備えたコレクタ板を有する燃料電池の側面図。
FIG. 3 is a side view of a fuel cell having a collector plate with a discontinuous flow field channel having tapered and rounded corners.

【図4】 第1のガスケット及び第2のサブガスケットを有する燃料電池の
切断側面図。
FIG. 4 is a cut-away side view of a fuel cell having a first gasket and a second sub-gasket.

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment

【提出日】平成13年4月5日(2001.4.5)[Submission date] April 5, 2001 (2001.4.5)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【特許請求の範囲】[Claims]

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0003[Correction target item name] 0003

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0003】 (1) H2→2H++2e- 陽極反応 生成されたプロトンは、燃料電池電解質に引き込まれる。生成された電子は燃
料電池陽極から陽極端子に移動し、電気的負荷によって、陰極端子に、そして電
池の陰極に戻る。電解質を介するイオンの流れが回路を完成する。化学反応速度
は電極上の位置に応じて変化し、かつ反応物及び生成生物の濃度、並びに温度の
ような局所的なファクタに依存する。等式(2)に示されるように、陰極では 酸素が負荷からの電子及び電解質からのプロトンと結合して水を形成する。
(1) H 2 → 2H + + 2e anode reaction Protons are drawn into the fuel cell electrolyte. The generated electrons travel from the anode of the fuel cell to the anode terminal, and return to the cathode terminal and back to the cell cathode by electrical loading. The flow of ions through the electrolyte completes the circuit. Chemical reaction rates vary with location on the electrode and depend on local factors such as the concentrations of reactants and product products, and temperature. As shown in equation (2), at the cathode , oxygen combines with electrons from the load and protons from the electrolyte to form water.

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0010[Correction target item name] 0010

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0010】 本発明のさらに別の目的は、稼動停止時に燃料電池から水を除去し、稼動開始
時に急速に燃料電池を再加熱するための技術を提供することにある。 本発明のこれらの目的及び他の目的は、本発明の特徴及び利点を具体化する多
くの実施形態によって達成される。本発明は、反応物流のための一連のチャネル
を有する一対のコレクタ板から形成される少なくとも1つの燃料電池を備える凍
結耐性燃料電池システムを有し得る。前記コレクタ板の間には第1気体拡散層及
び第2気体拡散層が配置されており、膜電極アセンブリ(MEA)は2つの電極
層の間に挟まれた膜を備える。MEAは前記気体拡散層の間に配置され、MEA
の各側面上の反応物は、MEAの他方の側面に漏れないよう実質的にシールされ
ている。燃料電池積層体は、冷却剤流が燃料電池を冷却する間に前記MEAと接
触しないように、コレクタ板に対して冷却剤流を流すための少なくとも1つの冷
却剤流路をさらに備える。
Yet another object of the present invention is to provide a technique for removing water from a fuel cell when operation is stopped and rapidly reheating the fuel cell when operation is started. These and other objects of the invention are achieved by a number of embodiments that embody the features and advantages of the invention. The present invention may have a freeze-tolerant fuel cell system comprising at least one fuel cell formed from a pair of collector plates having a series of channels for a reactant stream. A first gas diffusion layer and a second gas diffusion layer are disposed between the collector plates, and the membrane electrode assembly (MEA) includes a membrane sandwiched between the two electrode layers. An MEA disposed between the gas diffusion layers;
The reactants on each side of the MEA are substantially sealed from leaking to the other side of the MEA. The fuel cell stack further comprises at least one coolant flow path for flowing a coolant flow to the collector plate such that the coolant flow does not contact the MEA while cooling the fuel cell.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0011[Correction target item name] 0011

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0011】 本発明の別の態様によれば、冷却剤流路内を流れる冷却剤は、MEAに対して
有害であるため、このようにMEAから物理的に隔離されなければならない。冷
却剤に接する冷却剤流路の表面は電気的に絶縁されているか、あるいは、冷却剤
は非導電性であり得る。前記隔離はコレクタ板を介して延びる冷却剤ポートの周
囲にガスケット装置を設けることによって行われ得る。ガスケットは、好ましく
は、気体拡散層から離間される。これに代わって、冷却路は、コレクタ板の導電
部の外側に配置され、ハウジングによって包囲されることが可能である。このハ
ウジングはコレクタ板と一体成形されているか、またはコレクタ板に連結され得
る。
According to another aspect of the present invention, the coolant flowing through the cold却剤passage are the harmful to MEA, thus must be physically isolated from the MEA. The surface of the coolant channel in contact with the coolant may be electrically insulated, or the coolant may be non-conductive. Said isolation may be provided by providing a gasket device around a coolant port extending through the collector plate. The gasket is preferably spaced from the gas diffusion layer. Alternatively, the cooling passage can be located outside the conductive part of the collector plate and be surrounded by the housing. The housing may be integrally formed with the collector plate or connected to the collector plate.

【手続補正5】[Procedure amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0012[Correction target item name] 0012

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0012】 燃料電池冷却剤ループは、燃料電池内における縁部の冷却(edge coo
ling)を含むか、あるいはコレクタ板の外側に冷却剤層が設けられ得る。こ
の冷却剤層は、各反応性燃料電池に直接隣接するか、または燃料電池積層体全体
にわたって断続的な段で備えられる。
[0012] The fuel cell coolant loop provides edge cooing within the fuel cell.
or including ling), there have may coolant layer is provided on the outside of the collector plate. This coolant layer is provided immediately adjacent to each reactive fuel cell or in intermittent steps throughout the fuel cell stack.

【手続補正6】[Procedure amendment 6]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0020[Correction target item name] 0020

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0020】 残留する水の凍結膨張によるコレクタ板の機械的損傷に対して保護するために
、チャネルの壁はテーパー状であり、かつ丸い角を有し得る。 本発明によれば、燃料電池システムは、凍結環境に資する稼動停止手順を組込
むことにより、凍結に対してより耐性を有するようになることが可能である。前
記稼動停止手順は、燃料電池システム温度を低下させることによって、燃料積層
体内の水蒸気を凝縮させる工程と、前記燃料電池から水、液体、及びガスを除去
する工程と、反応ガスラインを加湿されていない気体でパージする工程と、シス
テムの圧力を大気圧とほぼ等しい圧力に低減する工程とを有し得る。これらの工
程は異なる順序で実行されてもよいし、これに代わって、同時に開始されること
も可能である。
In order to protect against mechanical damage of the collector plate due to freezing expansion of the remaining water, the walls of the channels may be tapered and have rounded corners. According to the present invention, the fuel cell system can become more resistant to freezing by incorporating an operation stop procedure that contributes to the freezing environment. The operation stop procedure, humidification by reducing the fuel cell system temperature, a step of condensing the fuel stack steam, water from the fuel cell, a liquid, and removing the gas, the reaction gas line Purging with unpurified gas and reducing the system pressure to a pressure approximately equal to atmospheric pressure may be included. These steps may be performed in a different order, or alternatively, may be started simultaneously.

【手続補正7】[Procedure amendment 7]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0021[Correction target item name] 0021

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0021】 稼動停止手順は、稼動停止時またはその直前に、燃料電池の熱をさらに増加さ
せる工程を備えることが可能である。好ましい1つの工程は、燃料積層体をパル
ス電流出力を生じるモードで稼動させることを備える。
The shutdown procedure may include a step of further increasing the heat of the fuel cell at or immediately prior to shutdown. One preferred process involves causing operated in a mode that produces a pulsed current output fuel stack.

【手続補正8】[Procedure amendment 8]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0022[Correction target item name] 0022

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0022】 稼動開始中、燃料が凝固点よりも高く加熱される前に有意量の水が存在するこ
とは、水の凍結膨張による損傷の危険性を呈し得る。従って、本発明による技術
は、凍結を防止するように水を導入する稼動開始手順を備える。これらの技術は
、反応物ラインを介して乾燥した反応気体を前記燃料電池に流す工程と、燃料電
池の温度を測定する工程と、燃料電池温度が所定温度よりも高くなった後に反
ガスの加湿を開始する工程とを有し得る。所定温度は大気圧における水の凝固点
であり得る。前記稼動開始手順は、好ましくは、燃料電池の熱を増加させ、かつ
、融解した残留水を保持するように、最大動作圧に加圧する工程を有し得る。
During start-up, the presence of significant amounts of water before the fuel is heated above its freezing point can present a risk of damage due to freezing and expansion of the water. Thus, the technique according to the invention comprises a start-up procedure for introducing water so as to prevent freezing. These techniques, the step of flowing a dried reaction gas through the reaction line to the fuel cell, a step of measuring the temperature of the fuel cell, reaction after the fuel cell temperature is higher than a predetermined temperature Starting the humidification of the gas. The predetermined temperature can be the freezing point of water at atmospheric pressure. The start-up procedure may preferably include the step of increasing the heat of the fuel cell and pressurizing to a maximum operating pressure so as to retain the molten residual water.

【手続補正9】[Procedure amendment 9]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0024[Correction target item name] 0024

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0024】 貯蔵器の水を融解するための熱は燃料処理装置から得ることが可能である。本
方法を実施するための工程は、発生する熱を増加させるために、酸化剤過多モー
ドで燃料処理装置を稼動させる工程と、発生した熱の一部を貯蔵器に伝達して貯
蔵器内の水を融解させる工程と、発生した熱の一部を燃料電池に伝達して燃料電
池温度を上げる工程と、貯蔵器の水の融解及び燃料電池温度を監視する工程と、
前記貯蔵器の水の少なくとも一部が融解されて、かつ燃料電池温度が所定温度に
達した後に、燃料処理装置中の反応混合物を調整して燃料生成を増加させる工程
とを有する。
Heat for melting the water in the reservoir can be obtained from the fuel processor. Process for carrying out the method, in order to increase the heat generated, a step of operating the fuel processor in oxidizing agent excess mode, the reservoir and transfer some of the heat that occurred savings built instrument a step of melting the water inside, a step of raising the fuel cell temperature by transferring some of the heat that occurred fuel cell, comprising the steps of monitoring the melting and the fuel cell temperature of the water savings built device,
Adjusting the reaction mixture in the fuel processor to increase fuel production after at least a portion of the water in the reservoir has been melted and the fuel cell temperature has reached a predetermined temperature.

【手続補正10】[Procedure amendment 10]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0029[Correction target item name] 0029

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0029】 代替手段として、陽極及び陰極は、気体拡散層15,16に密着され、又は一
体化されていてもよく、膜に圧接されている。好適な実施形態においては、ME
Aは、電極が気体拡散層15,16上に取り付けられるときの圧力による接触に
比較して密接な電極との接触に起因する、より大きな燃料電池効率により密着さ
れた陽極13を備えている。MEA12は、気体拡散層15,16上の外周より
もある最小距離だけ拡張していることが望ましい。代替手段として、端部がM
EAの周囲の反応物の漏れを防止するべく適切に密閉されている場合に限り、M
EAは、気体拡散層の端部で終端していることが可能である。気体拡散層15,
16は、燃料電池積層体を形成するために2つ以上の燃料電池が使用される場合
に一般的にバイポーラプレートと呼ばれる2つの導電性を有するコレクタ/分離
板18,19(コレクタ板)の間に挟まれている。気体拡散層15,16は、典
型的には多孔質の導電性材料、例えば炭素/グラファイトファイバ紙、或いは炭
素/グラファイトクロスからなる。2つ以上の燃料電池が燃料電池積層体を形成
する場合には、コレクタ板18,19は、1つの電池ユニット11の陰極を隣接
する電池ユニット(図示せず)の陽極から分離するために設けられる。
As an alternative, the anode and the cathode may be in close contact with or integral with the gas diffusion layers 15, 16 and are pressed against the membrane. In a preferred embodiment, the ME
A comprises an anode 13 that is more closely adhered to with greater fuel cell efficiency due to its close contact with the electrodes as compared to the pressure contact when the electrodes are mounted on the gas diffusion layers 15,16. It is desirable that the MEA 12 extends a certain minimum distance from the outer circumference on the gas diffusion layers 15 and 16. As an alternative, each end may be M
Only if properly sealed to prevent leakage of reactants around the EA
The EA can terminate at the end of the gas diffusion layer. Gas diffusion layer 15,
16 is between two electrically conductive collector / separator plates 18, 19 (collector plates) commonly referred to as bipolar plates when more than one fuel cell is used to form the fuel cell stack. It is sandwiched between. The gas diffusion layers 15 and 16 are typically made of a porous conductive material such as carbon / graphite fiber paper or carbon / graphite cloth. When two or more fuel cells form a fuel cell stack, collector plates 18, 19 are provided to separate the cathode of one battery unit 11 from the anode of an adjacent battery unit (not shown). Can be

【手続補正11】[Procedure amendment 11]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0043[Correction target item name] 0043

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0043】 良好に構成された耐凍性燃料電池においても、内部に取り込まれた水からの凍
結状態における氷の生成に起因する損害を最小限にするために特別な起動、運転
停止、及び加湿を必要とする。本発明の好適な実施形態においては、耐凍性燃料
電池システムの全ての操作の形態、例えば反応物流量制御、温度のモニタリング
及び制御はフィードバックコントロールシステムを使用する中央計算機により制
御される。次に図2を参照する。燃料電池積層体10を起動させるために、まず
燃料源からの熱が燃料処理装置60により陽極入口62を介して、また、起動の
間は形成される氷の量を最小化させるべく最小限の水分を有して、燃料電池10
に供給可能である。例えば、自動熱燃料処理装置に基づく部分酸化プロパン ような炭化水素を 高熱ガス流に変換する。改質ガスの流れの中の水素濃度は、燃
料処理装置60中の空気対燃料の化学量論比と共に、水蒸気対炭素比を変化させ
ることにより、所望のレベルに設定される。高い水の収率は、供給された燃料の
完全燃焼に必要な量に近い量、又は好適には過剰量の空気を、燃料処理装置60
に供給することにより達成される。その後、燃料処理装置60により生成された
高熱ガス流は陽極66中の冷却剤によって冷却されて水の凝縮を生じ、この水は
陽極セパレータ68中で分離され、プロセス用水タンク64に送られる。燃焼は
通常非常に迅速なプロセスであり、十分な水がプロセス用水タンク64に収集さ
れるまで、燃料処理装置60はこの方式で作動される。水タンク64に保存され
たプロセス用水は、水蒸気改質、及びシステム内の動作温度が水の凝固点よりも
高くなったときに陰極ガスの加湿に使用される。プロセス用水タンク64が初期
に氷を含んでいる起動条件においては、燃料処理装置60は上記された燃焼の方
式で作動され、燃料処理装置60により生成された高熱ガス流が耐凍性プロセス
用水タンク64中の氷を溶解させるために使用可能である。上記の起動手順のい
ずれかを行うことにより、燃料処理装置60は、起動の間に最小限の含水量を有
した水素を多く含む高熱反応物流を燃料電池積層体10に生成する。高熱反応物
流は多様な燃料積層体部品の解凍を促進する。
Even well-configured frost-resistant fuel cells require special startup, shutdown, and humidification to minimize damage due to ice formation in the frozen state from the water taken inside. I need. In a preferred embodiment of the present invention, all modes of operation of the frost-resistant fuel cell system, such as reactant flow control, temperature monitoring and control, are controlled by a central computer using a feedback control system. Next, reference is made to FIG. To start the fuel cell stack 10, heat from the fuel source is first minimized by the fuel processor 60 through the anode inlet 62 and during operation to minimize the amount of ice formed. With water, the fuel cell 10
Can be supplied to For example, partial oxidation based on the autothermal fuel processor for converting a hydrocarbon such as propane in the hot gas stream. The hydrogen concentration in the reformed gas stream is set to a desired level by varying the steam to carbon ratio, as well as the air to fuel stoichiometry in the fuel processor 60. The high water yields can result in an amount of air close to, or preferably in excess of, that required for complete combustion of the supplied fuel,
This is achieved by supplying Thereafter, the hot gas stream generated by the fuel processor 60 is cooled by the coolant in the anode 66 to cause water condensation, which is separated in the anode separator 68 and sent to the process water tank 64. Combustion is usually a very rapid process, and the fuel processor 60 is operated in this manner until sufficient water has been collected in the process water tank 64. The process water stored in the water tank 64 is used for steam reforming and for humidifying the cathode gas when the operating temperature in the system is above the freezing point of the water. Under start-up conditions in which the process water tank 64 initially contains ice, the fuel processor 60 is operated in the manner of combustion described above, and the hot gas flow generated by the fuel processor 60 generates the frost resistant process water tank 64. Can be used to melt the ice inside. By performing any of the start-up procedures described above, the fuel processor 60 produces a highly hydrogen-rich, high-temperature reactant stream with minimal water content in the fuel cell stack 10 during start-up. The high heat reactant stream facilitates thawing of various fuel stack components.

【手続補正12】[Procedure amendment 12]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0045[Correction target item name] 0045

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0045】 耐凍性燃料電池の代替の実施形態において、図に示された燃料処理装置はほ
ぼ純粋な水素発生源により置き換えられる。陰極に対する酸素の供給源と共に陽
極に対して水素が供給されて、直ちに発熱した。生成された熱は耐凍性冷却剤の
温度を上昇させる。水タンクが氷を含んでいる場合、加熱された耐凍性冷却剤は
水タンクを通過して循環されて水タンク中の氷を溶かす。一旦積層体の温度が水
の凝固点よりも上昇すると、反応物ラインの加湿が開始されてもよい。
In an alternative embodiment of a frost-resistant fuel cell, the fuel processor shown in FIG. 2 is replaced by a substantially pure hydrogen source. Hydrogen was supplied to the anode together with a supply of oxygen to the cathode, which generated heat immediately. The heat generated raises the temperature of the antifreeze coolant. If the water tank contains ice, the heated antifreeze coolant is circulated through the water tank to melt the ice in the water tank. Once the temperature of the laminate rises above the freezing point of water, humidification of the reactant lines may be initiated.

【手続補正13】[Procedure amendment 13]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0055[Correction target item name] 0055

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【0055】 図1に示される冷却ループ25に類似した冷却剤ループは、サブガスケット2
3,24のみならずガスケット20,21をも通過する。上記されたように、サ
ブガスケット23,24は、境界領域22の活性な膜の端部近傍の機械的及び電
気的応力を減少させる。サブガスケット23,24は、活性な膜の反対側では必
ずしも主要なガスケット20,21の端部と終端を同じくして延伸していなくて
もよい。本発明の好適な実施形態において、サブガスケット23,24は、製造
の容易さ、及び活性な膜領域の外側に有意に延伸しない比較的短いサブガスケッ
ト23,24を形成することに対して付加される労働コストに比べて、サブガス
ケット23,24の材料コストは比較的低いために、活性な膜の反対側において
主要なガスケット20,21と終端を同じくしている。
A coolant loop similar to the cooling loop 25 shown in FIG .
It passes through gaskets 20, 21 as well as 3, 24. As described above, the subgaskets 23, 24 reduce the mechanical and electrical stresses near the edge of the active film in the boundary region 22. The subgaskets 23, 24 do not necessarily have to extend the same end and end of the main gaskets 20, 21 on the opposite side of the active membrane. In a preferred embodiment of the invention, the subgaskets 23, 24 are added for ease of manufacture and for forming relatively short subgaskets 23, 24 that do not extend significantly outside the active membrane area. Because the material costs of the subgaskets 23, 24 are relatively low compared to the labor costs of the subgaskets 23, 24, they end with the main gaskets 20, 21 on the opposite side of the active membrane.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/10 H01M 8/10 8/24 8/24 E // H01M 8/00 8/00 Z (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA, BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CR,C U,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD ,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN, IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,L K,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK ,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO, RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,T M,TR,TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZA ,ZW (72)発明者 バービー、フラーノ アメリカ合衆国 33410 フロリダ州 パ ーム ビーチ ガーデンズ アスペン ウ ェイ 10163 (72)発明者 グー、ヤン アメリカ合衆国 33407 フロリダ州 ウ ェスト パーム ビーチ サーティーファ ースト ストリート 521 (72)発明者 フサール、アッティラ アメリカ合衆国 33401 フロリダ州 ウ ェスト パーム ビーチ エグゼクティブ センター ドライブ 701 ナンバー 1015 (72)発明者 スニパス、レイチェル アメリカ合衆国 33408 フロリダ州 ジ ュノービーチ サウス ライラ サークル 440 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA01 CC06 CC11 DD00 MM16 MM21 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/10 H01M 8/10 8/24 8/24 E // H01M 8/00 8/00 Z (81 ) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF) , CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZW) ), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CR , CU , CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, L K, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Barbie, Furano USA 33410 Palm Beach Gardens, Aspen Way 10163 (72) Inventor Gu, Yang United States 33407 West Palm Beach, Florida Thirty First Street 521 (72) Inventor Hussar, Attila United States 33401 West Palm Beach, Florida Executive Center Interdrive 701 Number 1015 (72) Inventor Snipas, Rachel United States 33408 Juno Beach, Florida South Lyra Circle 440 F-term (reference) 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA01 CC06 CC11 DD00 MM16 MM21

Claims (45)

【特許請求の範囲】 [Claims] 【請求項1】 少なくとも1つの燃料電池を備える耐凍性燃料電池システム
であって、前記少なくとも1つの燃料電池システムは、 一対のコレクタ板であって、該コレクタ板を介して形成されたポートからの反
応物流のための一連のチャネルを有するコレクタ板と、 前記コレクタ板の間に配置された第1気体拡散層及び第2気体拡散層と、 2つの電極層の間に挟まれた膜を備える膜電極アセンブリ(MEA)と、前記
MEAは前記気体拡散層間の間に配置されていることと、MEA周囲における反
応物の移動を実質的に防止するようにシールが設けられていることとを備え、 前記燃料電池システムは、前記燃料電池を冷却するために前記コレクタ板に対
して冷却剤流を流すための少なくとも1つの冷却剤流路をさらに備え、前記冷却
剤流は前記MEAと接触しない燃料電池システム。
1. An anti-freeze fuel cell system comprising at least one fuel cell, wherein the at least one fuel cell system is a pair of collector plates, and receives a signal from a port formed through the collector plates. A membrane electrode assembly comprising: a collector plate having a series of channels for reactant flow; a first gas diffusion layer and a second gas diffusion layer disposed between the collector plates; and a membrane sandwiched between two electrode layers. (MEA), the MEA being disposed between the gas diffusion layers, and a seal provided to substantially prevent the movement of reactants around the MEA. The battery system further comprises at least one coolant flow path for flowing a coolant flow to the collector plate to cool the fuel cell, wherein the coolant flow is The fuel cell system that is not in contact with the serial MEA.
【請求項2】 前記冷却剤流路内を流れる冷却剤をさらに備え、前記冷却剤
はMEAに有害である請求項1に記載の燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a coolant flowing in the coolant channel, wherein the coolant is harmful to the MEA.
【請求項3】 冷却剤流路の冷却剤に接する表面が電気的に絶縁されている
請求項1に記載の燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein a surface of the coolant passage in contact with the coolant is electrically insulated.
【請求項4】 冷却剤が非電性である請求項1に記載の燃料電池システム。4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the coolant is non-electric. 【請求項5】 冷却剤ループをさらに備え、前記少なくとも1つの冷却剤流
路は、前記冷却剤ループの一部を形成している請求項1に記載の燃料電池システ
ム。
5. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a coolant loop, wherein the at least one coolant channel forms a part of the coolant loop.
【請求項6】 前記冷却剤ループが前記コレクタ板の外側に冷却剤層を備え
る請求項5に記載の燃料電池システム。
6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the coolant loop comprises a coolant layer outside the collector plate.
【請求項7】 前記冷却剤層が前記コレクタ板の1つと隣接している請求項
6に記載の燃料電池システム。
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein said coolant layer is adjacent to one of said collector plates.
【請求項8】 冷却剤ループが、前記コレクタ板内に、前記反応物チャネル
から分離された複数の冷却剤チャネルを備える請求項5に記載の燃料電池システ
ム。
8. The fuel cell system according to claim 5, wherein the coolant loop comprises a plurality of coolant channels in the collector plate separated from the reactant channels.
【請求項9】 前記コレクタ板は、冷却剤の移送のための、反応物流から離
れて分離された複数の冷却剤ポートを備え、同冷却剤ポートを囲み、かつコレク
タ板の間に配置されている一対のガスケットをさらに備える請求項1に記載の燃
料電池システム。
9. The collector plate comprising a plurality of coolant ports separated from the reactant stream for coolant transfer, surrounding the coolant ports and disposed between the collector plates. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a gasket.
【請求項10】 前記冷却剤流路は、前記コレクタ板の導電領域の外側で構
造物に収容されている請求項1に記載の燃料電池システム。
10. The fuel cell system according to claim 1, wherein the coolant channel is accommodated in a structure outside a conductive region of the collector plate.
【請求項11】 一対のガスケットは気体拡散層から分離されている請求項
9に記載の燃料電池システム。
11. The fuel cell system according to claim 9, wherein the pair of gaskets are separated from the gas diffusion layer.
【請求項12】 少なくとも前記膜が、前記気体拡散層の周縁部の少なくと
も一部分を越えて延び、かつ一対のガスケットは膜に重なっている請求項9に記
載の燃料電池システム。
12. The fuel cell system according to claim 9, wherein at least the membrane extends over at least a part of a periphery of the gas diffusion layer, and a pair of gaskets overlap the membrane.
【請求項13】 一対のサブガスケットをさらに備え、各サブガスケットは
前記ガスケットの間に配置され、かつ前記気体拡散層と前記MEAとの間の位置
に延びることによって、前記膜が支持されている請求項9に記載の燃料電池シス
テム。
13. The apparatus further comprises a pair of subgaskets, each subgasket being disposed between the gaskets and extending to a location between the gas diffusion layer and the MEA to support the membrane. The fuel cell system according to claim 9.
【請求項14】 前記サブガスケットが、フッ素系ポリマーから形成されて
いる請求項13に記載の燃料電池システム。
14. The fuel cell system according to claim 13, wherein the sub gasket is formed from a fluorine-based polymer.
【請求項15】 前記サブガスケットが、FEP、TFE、ETFE、PF
A、CTFE、E−CTFE、PVF2、及びPVFのうちから選択される材料
から形成されている請求項14に記載の燃料電池システム。
15. The sub gasket is made of FEP, TFE, ETFE, PF
The fuel cell system according to claim 14, wherein the fuel cell system is formed from a material selected from A, CTFE, E-CTFE, PVF2 , and PVF.
【請求項16】 前記燃料電池がプロトン交換膜(PEM)燃料電池であり
、前記イオン交換膜は透水性である請求項1に記載の燃料電池システム。
16. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell is a proton exchange membrane (PEM) fuel cell, and the ion exchange membrane is permeable.
【請求項17】 前記反応物チャネルが不連続であることによって、気体拡
散層を介して反応ガス流が確立される請求項1に記載の燃料電池システム。
17. The fuel cell system according to claim 1, wherein the discontinuity of the reactant channel establishes a reactant gas flow through a gas diffusion layer.
【請求項18】 各コレクタ板内の前記反応物チャネルは、1つの気体拡散
層中の反応物流の方向が、MEAの反対側の気体拡散層内の反応物流の方向と対
向するように構成されることによって、大きな水分勾配を確立して、稼動停止及
びパージ操作中における水の移動を促進する請求項17に記載の燃料電池システ
ム。
18. The reactant channels in each collector plate are configured such that the direction of the reactant stream in one gas diffusion layer is opposite the direction of the reactant stream in the gas diffusion layer opposite the MEA. 18. The fuel cell system according to claim 17, whereby a large water gradient is established to facilitate water movement during shutdown and purge operations.
【請求項19】 各コレクタ板中の前記反応物チャネルが、MEAの一方の
側面上の反応物の比較的乾燥した部分が、MEAの他方の側上の反応物の比較的
湿った部分に対向するように構成されることによって、大きな水分勾配を確立し
て、稼動停止及びパージ操作中における水の移動を促進する請求項17に記載の
燃料電池システム。
19. The reactant channel in each collector plate, wherein a relatively dry portion of the reactant on one side of the MEA faces a relatively wet portion of the reactant on the other side of the MEA. 18. The fuel cell system of claim 17, wherein the fuel cell system is configured to establish a large water gradient to facilitate water movement during shutdown and purge operations.
【請求項20】 チャネルの表面が水に対して本質的に非透過性である請求
項1に記載の燃料電池システム。
20. The fuel cell system according to claim 1, wherein the surface of the channel is essentially impermeable to water.
【請求項21】 チャネルの表面が全ての流体に対して本質的に非透過性で
ある請求項20に記載の燃料電池システム。
21. The fuel cell system according to claim 20, wherein the surface of the channel is essentially impermeable to all fluids.
【請求項22】 前記チャネルの壁はテーパー状であり、かつ丸い角を有す
ることにより、凍結する燃料電池中の残留水が自由に膨張可能であり、コレクタ
板への損傷を防止することが可能である請求項1に記載の燃料電池システム。
22. The wall of the channel is tapered and has rounded corners, so that the remaining water in the frozen fuel cell can freely expand and prevent damage to the collector plate. The fuel cell system according to claim 1, wherein
【請求項23】 反応物チャネルが複数の反応物出口を有し、前記出口の少
なくとも1つがチャネルの下方に位置していることにより、水の除去が重力によ
って支援される請求項1に記載の燃料電池システム。
23. The method of claim 1, wherein the reactant channel has a plurality of reactant outlets, wherein at least one of the outlets is located below the channel such that water removal is assisted by gravity. Fuel cell system.
【請求項24】 前記積層体の外側に配置された水貯蔵器をさらに備え、反
応物チャネルは、燃料電池からの水を水貯蔵器に排出させるように、反応物出口
を水貯蔵器に作動的に接続する請求項1に記載の燃料電池システム。
24. A water reservoir disposed outside the stack, wherein the reactant channels actuate a reactant outlet to the water reservoir to drain water from the fuel cell to the water reservoir. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is electrically connected.
【請求項25】 水貯蔵器は耐凍性であり、少なくとも1つの隔離及び加熱
源を備える請求項24に記載の燃料電池システム。
25. The fuel cell system according to claim 24, wherein the water reservoir is freezing resistant and comprises at least one isolation and heating source.
【請求項26】 加熱源が貯蔵器用ヒータである請求項25に記載の燃料電
池システム。
26. The fuel cell system according to claim 25, wherein the heating source is a storage heater.
【請求項27】 加熱源が燃料処理装置である請求項25に記載の燃料電池
システム。
27. The fuel cell system according to claim 25, wherein the heating source is a fuel processor.
【請求項28】 加熱源が燃料電池である請求項25に記載の燃料電池シス
テム。
28. The fuel cell system according to claim 25, wherein the heating source is a fuel cell.
【請求項29】 氷点下温度下にある環境において燃料電池システムを使用
する方法であって、前記燃料電池システムは少なくとも1つの燃料電池を有し、
前記燃料電池は膜と、一対の気体拡散層と、一対の電極と、一対のコレクタ板と
、少なくとも2つの反応物流ラインとを備え、前記方法は、 燃料電池を冷却する間に冷却剤が前記膜と接触するのを防止するように、前記
燃料電池に対する少なくとも1つの冷却剤流路を形成する工程と、 前記少なくとも1つの流路を介して膜に有害な冷却剤流を流すことによって、
水の凝固点より低い凝固点を有する冷却剤を使用することが可能であるように前
記冷却剤流は前記膜と接触しない工程とを備える方法。
29. A method of using a fuel cell system in an environment that is below freezing temperature, wherein the fuel cell system has at least one fuel cell,
The fuel cell comprises a membrane, a pair of gas diffusion layers, a pair of electrodes, a pair of collector plates, and at least two reactant flow lines, wherein the method comprises: Forming at least one coolant flow path to the fuel cell to prevent contact with a membrane; and flowing a harmful coolant flow through the membrane through the at least one flow path,
The coolant stream does not contact the membrane such that it is possible to use a coolant having a freezing point lower than the freezing point of water.
【請求項30】 前記冷却剤物質がフッ素系ポリマーである請求項29に記
載の方法。
30. The method according to claim 29, wherein said coolant substance is a fluoropolymer.
【請求項31】 氷点下温度下にある環境で燃料電池システムを稼動停止す
る方法であって、前記燃料電池システムは、膜と、一対の気体拡散層と、一対の
電極と、一対のコレクタ板と、少なくとも2つの反応物流ラインとを有する少な
くとも1つの燃料電池を備え、 燃料電池システム温度を低下させることによって、前記燃料電池中の水蒸気が
凝縮される工程と、 前記燃料電池から水、液体、及び気体を除去する工程と、 加湿されていない気体によって少なくとも1つの反応ガスラインをパージする
工程と、システム圧力を大気圧とほぼ等しい圧力に低減させる工程とを有する方
法。
31. A method for shutting down a fuel cell system in an environment at a temperature below freezing, wherein the fuel cell system includes a membrane, a pair of gas diffusion layers, a pair of electrodes, and a pair of collector plates. Comprising at least one fuel cell having at least two reactant flow lines, wherein water vapor in the fuel cell is condensed by lowering a fuel cell system temperature; and water, liquid, and A method comprising: removing a gas; purging at least one reactant gas line with a non-humidified gas; and reducing a system pressure to a pressure approximately equal to atmospheric pressure.
【請求項32】 水を除去する工程がシステムからパージする工程を有する
請求項31に記載の方法。
32. The method of claim 31, wherein removing water comprises purging from the system.
【請求項33】 水を除去する工程が水を水貯蔵器へ排出する工程を有する
請求項31に記載の方法。
33. The method of claim 31, wherein removing the water comprises discharging the water to a water reservoir.
【請求項34】 前記稼動停止が、 前記燃料積層体をパルス電流出力を生じるモードで稼動させる工程をさらに備
える請求項31に記載の方法。
34. The method of claim 31, wherein said shutting down further comprises: operating said fuel stack in a mode that produces a pulsed current output.
【請求項35】 氷点下温度下にある環境で燃料電池システムを稼動開始す
る方法であって、前記燃料電池システムは、膜と、一対の気体拡散層と、一対の
電極と、一対のコレクタ板と、少なくとも2つの反応物流ラインとを有する少な
くとも1つの燃料電池を備え、 乾燥した反応ガスを前記少なくとも1つの前記反応物ラインを介して、前記燃
料電池中へ流す工程と、 前記燃料電池の温度を測定する工程と、 前記燃料電池温度が所定温度より高くなった後、前記反応ガスの加湿を開始す
る工程とを備える方法。
35. A method for starting operation of a fuel cell system in an environment at a temperature below freezing, wherein the fuel cell system includes a membrane, a pair of gas diffusion layers, a pair of electrodes, and a pair of collector plates. Flowing at least one fuel cell having at least two reactant flow lines into the fuel cell through the at least one reactant line; and controlling the temperature of the fuel cell. A method comprising: measuring; and starting humidification of the reaction gas after the fuel cell temperature becomes higher than a predetermined temperature.
【請求項36】 前記所定温度が、大気圧における水の凝固点である請求項
35に記載の方法。
36. The method of claim 35, wherein said predetermined temperature is the freezing point of water at atmospheric pressure.
【請求項37】 燃料電池積層体に流れる反応ガスを加湿するために加湿装
置を準備する工程と、 反応ガス流を加湿するための水を供給するのための貯蔵器を準備する工程と、 貯蔵器の水を融解するために貯蔵器を加熱する工程と、 貯蔵器の水を融解する工程と、 気体流の加湿用の加湿装置に水を供給する工程とをさらに有する請求項36に
記載の方法。
37. Preparing a humidifier for humidifying the reaction gas flowing through the fuel cell stack, providing a reservoir for supplying water for humidifying the reaction gas flow, and storage. 37. The method of claim 36, further comprising: heating the reservoir to melt the water in the vessel; melting the water in the reservoir; and supplying water to a humidifier for humidifying the gas stream. Method.
【請求項38】 貯蔵器を加熱する工程が、 発生する熱を増大させるために酸化剤過多なモードで燃料処理装置を作動させ
る工程と、 貯蔵器の水を融解するために、前記発生した熱の一部を前記貯蔵器に伝達する
工程と、 燃料電池温度を上昇させるために、前記発生した熱の一部を前記燃料電池に伝
達する工程と、 前記貯蔵器の水の融解及び燃料電池温度を監視する工程と、 前記貯蔵器の水の少なくとも一部が融解され、かつ燃料電池温度が所定温度に
達した後に、燃料の生成を増加させるように燃料処理装置内の反応混合物を調整
する工程とを有する請求項31に記載の方法。
38. The step of heating the reservoir, operating the fuel processor in an oxidant-rich mode to increase the heat generated, and generating the heat to melt the water in the reservoir. Transferring a portion of the generated heat to the fuel cell to increase the temperature of the fuel cell; and melting the water in the reservoir and the fuel cell temperature to increase the temperature of the fuel cell. And adjusting the reaction mixture in the fuel processor to increase fuel production after at least a portion of the water in the reservoir has been melted and the fuel cell temperature has reached a predetermined temperature. 32. The method of claim 31, comprising:
【請求項39】 氷点下環境におけるプロトン交換膜型(PEM)燃料電池
積層体の使用方法であって、前記燃料電池積層体は、水の凝固点より低い温度に
おいて、各々、膜と、一対の気体拡散層と、一対の電極と、一対のコレクタ板と
、少なくとも一対ガスケットを備える複数の燃料電池を有し、 前記燃料電池の各々の前記一対のコレクタ板の間及び前記一対のガスケットの
間を通過して、かつ前記膜を通過しない、少なくとも1つの流路を形成する工程
と、 前記少なくとも1つの流路に膜に有害な冷却剤流を流すことによって、前記冷
却剤流は前記膜と接触しない工程と、 前記少なくとも2つの反応物ラインを介して、乾燥した反応気体を前記燃料電
池内に流すことと、 前記燃料積層体の温度を測定することと、 前記燃料電池温度が所定温度を越えた後に、前記反応ガスの加湿を開始すること
とからなる稼動開始工程と、 燃料電池システム温度を低下させることと、 1つ以上の加湿されていない気体で反応ガスラインをパージすることと、 システムの圧力を大気圧とほぼ等しい圧力に低減させる稼動停止工程とを有する
方法。
39. A method of using a proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack in a sub-zero environment, the fuel cell stack each comprising a membrane and a pair of gas diffusion layers at a temperature below the freezing point of water. Layer, a pair of electrodes, a pair of collector plates, and a plurality of fuel cells including at least a pair of gaskets, passing between the pair of collector plates and between the pair of gaskets of each of the fuel cells, And not passing through the membrane, forming at least one flow path, and flowing a coolant flow harmful to the membrane through the at least one flow path, so that the coolant flow does not contact the membrane, Flowing a dry reactant gas into the fuel cell through the at least two reactant lines; measuring a temperature of the fuel stack; Starting the humidification of the reaction gas after the temperature is exceeded; reducing the temperature of the fuel cell system; and purging the reaction gas line with one or more non-humidified gases. And a shutdown step for reducing the pressure of the system to a pressure approximately equal to atmospheric pressure.
【請求項40】 前記稼動停止工程が、前記燃料積層体をパルス電流出力を
生じるモードで稼動させる工程をさらに有する請求項39に記載のプロトン交換
膜型(PEM)燃料電池積層体の使用方法。
40. The method of using a proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack according to claim 39, wherein the operation stopping step further includes a step of operating the fuel stack in a mode that generates a pulse current output.
【請求項41】 少なくとも1つのガスケット付燃料電池を備える燃料電池
積層体であって、前記少なくとも1つのガスケット付燃料電池は、 導電性材料のシートと一対の反対側に面する平面とをそれぞれ有する第1気体
拡散層及び第2気体拡散層と、前記気体拡散層は互いにほぼ平行に配置されてい
ることと、 前記気体拡散層の間に配置された膜電極アセンブリ(MEA)と、前記MEA
は一対の反対側に面する平面と、イオン交換膜と、前記イオン交換膜と前記気体
拡散層との間に配置された一対の電極とを有することと、前記MEAは前記気体
拡散層の長さを越えて延びていることと、 一対のガスケットと、前記MEAは前記ガスケットの末端部の間に挿入されて
いることと、前記ガスケットは前記気体拡散層に重なっておらず、そこで境界部
分が形成されていることと、 前記気体拡散層、前記ガスケット及び前記MEAは全て、一対のコレクタ板の
間に挿入されていることと、 前記コレクタ板は反応物流用チャネルを備えることとを有する燃料電池積層体
41. A fuel cell stack comprising at least one fuel cell with a gasket, the at least one fuel cell with a gasket each having a sheet of conductive material and a pair of oppositely facing flat surfaces. A first gas diffusion layer and a second gas diffusion layer, the gas diffusion layers being disposed substantially parallel to each other, a membrane electrode assembly (MEA) disposed between the gas diffusion layers, and the MEA
Has a pair of opposite surfaces, an ion exchange membrane, and a pair of electrodes disposed between the ion exchange membrane and the gas diffusion layer; The gasket, the pair of gaskets, the MEA being inserted between the ends of the gasket, the gasket not overlapping the gas diffusion layer, where the boundary is A fuel cell stack comprising: being formed; wherein the gas diffusion layer, the gasket and the MEA are all inserted between a pair of collector plates; and wherein the collector plates are provided with channels for reactant flow. .
【請求項42】 前記燃料電池がプロトン交換膜(PEM)燃料電池であり
、かつ、前記イオン交換膜は透水性である請求項41に記載の燃料電池積層体。
42. The fuel cell stack according to claim 41, wherein said fuel cell is a proton exchange membrane (PEM) fuel cell and said ion exchange membrane is water permeable.
【請求項43】 前記チャネルの表面が、流体に対して本質的に非透過性で
ある請求項42に記載の燃料電池積層体。
43. The fuel cell stack according to claim 42, wherein the surface of the channel is essentially impermeable to fluid.
【請求項44】 一対のサブガスケットをさらに備え、各サブガスケットは
前記ガスケット間に配置され、かつ前記気体拡散層が前記MEAに重なっている
領域の末端で前記気体拡散層と前記MEAと間の位置に延び、それによって、前
記膜境界領域が支持される請求項43に記載の燃料電池積層体。
44. The apparatus further comprising a pair of subgaskets, each subgasket being disposed between the gaskets, and between the gas diffusion layer and the MEA at an end of a region where the gas diffusion layer overlaps the MEA. 44. The fuel cell stack of claim 43, wherein the fuel cell stack extends to a location, thereby supporting the membrane boundary region.
【請求項45】 前記サブガスケットがFEP、FTE、ETFE、PFA
、CTFE、E−CTFE、PVF2、及びPVFのうちから選択される材料か
ら形成される請求項44に記載の燃料電池。
45. The sub gasket is made of FEP, FTE, ETFE, PFA.
, CTFE, E-CTFE, fuel cell according to claim 44, which is formed from a material selected from the group consisting of PVF 2, and PVF.
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