JP2003510766A - 燃料電池装置の燃料電池スタックの始動方法及びシステム - Google Patents

燃料電池装置の燃料電池スタックの始動方法及びシステム

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Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの燃料電池ユニットを一様にかつ迅速に作動温度に加熱する、複数の燃料電池ユニットから成る燃料電池スタックの始動方法と、この方法を実施するための手段を有するシステムとを提供する。少なくとも１つのセルの電極に電圧を印加し、水素をカソード室に導入することにより、両者を急速に電気的に加熱してスタックの電気的な低温始動を可能にする。この方法によれば、始動時酸素の遊離を起こさないので、正電極のカーボンペーパ、触媒および電極ホルダの酸化を防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、少なくとも１つの燃料電池ユニットを一様にかつ迅速に作動温度に
もたらす、複数の燃料電池ユニットから成る燃料電池スタック始動方法に関する
。更に本発明は、本方法を実施する手段を有するシステムに関する。
【０００２】 公知のＰＥＭ燃料電池スタックにおいては、低温始動、即ち比較的長い休止状
態後の装置の始動は未だ解決されていない問題の１つである。これは、特に従来
のＰＥＭ燃料電池、即ち水素で作動される燃料電池にも、直接メタノール型燃料
電池にも、また特に例えば４０℃以上の凝固点を有するリン酸を電解質として含
む高温ＰＥＭ（ＨＴＭ）燃料電池にも該当する。
【０００３】 未公開のドイツ特許出願公開第１９９１４２４９号明細書により、燃料電池反
応の排熱でセルの自己加熱を行う前に、まず少なくとも１つのセル内に装入した
加熱線を介する電流の流れ及び抵抗加熱によりセルの最小の範囲を加熱する、燃
料電池装置の低温始動方法が提案されている。この方法は、セルが不均一に加熱
され、また補助的加熱線をセル内に組込まなければならない欠点を持つ。
【０００４】 低温始動の最も簡単な方法は、電源としてのバッテリーから電圧を印加するも
のであり、その際オーム抵抗により電流が流れ、結果として生じる電流は抵抗の
電圧降下を生じる。この電圧降下はセルの加熱に利用できる熱を生じる。特に電
極及び触媒に反応室を有し、また特にアノードにカーボンペーパを有するＰＥＭ
燃料電池の場合、低温状態でとりわけ正電極のカーボンペーパ、触媒及び電極ホ
ルダの腐食を伴う酸素の遊離を生ずることになる。この腐食は好ましいものでは
なく、特に燃料電池の故障を引き起こしかねない。
【０００５】 本発明の課題は、従来技術の欠点を克服し、その燃料電池装置も含めて燃料電
池スタックの改善された始動方法を提供することにある。
【０００６】 この課題は、本発明の請求項１に記載の方法により解決される。適切な構成部
材を有する燃料電池装置のシステムは請求項８の対象である。本発明方法及びこ
のシステムの実施態様は従属請求項に記載されている。
【０００７】 本発明方法では、燃料電池スタックの始動のために、スタックの少なくとも１
つの燃料電池に電圧を印加し、セルの両方の反応室内に水素だけを供給し、アノ
ードで水素を消費し、カソードで水素を生成する。
【０００８】 即ち本発明では、カソードで発生した水素をアノードで消費するように、カソ
ードのガス流をアノードのガス流と組み合わせる。
【０００９】 本発明の他の詳細及び利点を以下の実施例の記載から明らかにする。その際本
発明は公知のＰＥＭ燃料電池から出発する。
【００１０】 ＰＥＭ燃料電池装置は、１つの燃料電池スタックに積層された多数の燃料電池
ユニットを含む。少なくとも１つの燃料電池ユニットから成る積層体を「スタッ
ク」と云う。１つの燃料電池ユニットは、電気回路、それぞれ隣接する反応室、
即ちアノード室及びカソード室並びに相応するガス供給管を有する膜−電極ユニ
ット（ＭＥＡ、膜電極集合体）でできている。
【００１１】 ＰＥＭ燃料電池を、比較的高温で、即ちいわゆるＨＴ−ＰＥＭ−又は一般にＨ
ＴＭ燃料電池として作動させねばならないなら、できるだけ迅速に完全な作動準
備状態を保証するため低温始動の問題が起こる。これは、単数又は複数の燃料電
池ユニットに電圧を印加することにより達成される。同時に燃料電池の酸化性物
質としての酸素の供給を中止し、つまり水素のみを供給する。従って燃料電池の
両方の反応室内で水素だけを使用する。即ち、これはアノードで水素を消費し、
一方カソードに水素を生じることを意味する。アノードとカソードのガス流の適
切な組み合わせにより、カソードに生じる水素が消費され、その際熱が生ずる。
この熱は燃料電池スタックを作動温度に加熱するために用いられる。
【００１２】 ここに提案した始動法により、電流が流れる際に触媒坦体、炭素粉末及び／又
はカーボンペーパの腐食を招くであろう電気分解及び酸素の遊離を起こさずに、
プロトンの移動、両電極の電流の流れ及び／又は電極の分極により熱を供給する
水素のポンピングを生ずる。
【００１３】 本発明方法の一実施形態では、スタックを始動させる電流の少なくとも一部を
、例えば装置の最終作動期間中に充電された、例えばバッテリー及び／又はコン
デンサのようなエネルギー貯蔵器から取り出す。
【００１４】 １実施形態によればスタックを始動させるこの電流は、少なくとも部分的に外
部の電源から供給する。
【００１５】 本方法の一実施形態によれば、既に電力の遮断時に、燃料電池のカソード室へ
の酸化性物質の供給を遮断する。この実施形態では、カソード室を電力の遮断時
にアノード室の残留ガスで掃気すると有利である。
【００１６】 １つの実施態様によれば、セル内及び／又はスタック内の実際の温度及び／又
は温度分布を測定する、制御装置と接続した少なくとも１つの温度センサを設け
、その際自己加熱を保証する作動温度又は最低温度のような所定又は予定温度に
おいてこの制御装置は自動的に水素のカソードへの流入を遮断し、カソード室へ
の酸化性物質の供給路を再び開ける。こうして通常の燃料電池の作動が始まる。
【００１７】 必要に応じてスタックは、冷却系統又は冷却系統の一部を含んでいる。
【００１８】 本発明は、水素のカソード室への導入と結び付けて、少なくとも１つのセルの
電極に単に電圧を印加することでスタックの電気的な低温始動を可能にする。こ
うして電極及び膜は腐食の問題を起こすことなく迅速に加熱される。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アノード及びカソード並びにそれぞれ１つの反応室を有する
    複数の燃料電池ユニットから成る燃料電池スタックの始動方法において、 −少なくとも１つの燃料電池ユニットに電圧を印加し、 −燃料電池ユニットへの酸化性物質の供給を遮断し、水素だけを供給し、 −それにより燃料電池の双方の反応室内に水素だけを供給し、アノードで水素を
    消費し、カソードで水素を生成させる、 各処理工程により、少なくとも１つの燃料電池ユニットを一様かつ迅速に作動温
    度にもたらすことを特徴とする燃料電池スタックの始動方法。
  2. 【請求項２】 燃料電池スタックの低温始動中にアノードとカソードのガス
    流を、カソードで生じた水素をアノードで再び消費するように組み合わせること
    を特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 スタックの始動電流を、少なくとも一部のバッテリー等の電
    気エネルギー貯蔵部から採取することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 スタックの始動電流を、少なくとも部分的に外部の電源から
    採取することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  5. 【請求項５】 負荷遮断時に、燃料電池のカソード室への酸化性物質の給送
    を遮断することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】 負荷遮断時に、カソード室をアノードの残留ガスで掃気する
    ことを特徴とする請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 スタックの少なくとも１つのセル内の実際の温度及び／又は
    温度分布を測定する、少なくとも１つの温度センサを制御装置と接続し、所定又
    は予定温度に達した後、この制御装置により自動的に水素のカソードへの供給を
    停止し、カソード室への酸化性物質の供給路を再び開けることを特徴とする請求
    項１乃至６の１つに記載の方法。
  8. 【請求項８】 複数の燃料電池ユニットから成る燃料電池スタックを有する
    燃料電池装置で請求項１又は請求項２乃至７の１つに記載の方法を実施する手段
    を有するシステムにおいて、燃料電池スタックに少なくとも１つの温度センサと
    燃料電池ユニット用の反応ガスを制御する少なくとも１つの制御装置が存在する
    ことを特徴とするシステム。
  9. 【請求項９】 反応ガス導管が、反応ガスを制御する開閉手段を有すること
    を特徴とする請求項８記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 この燃料電池ユニットがＨＴＭ燃料電池装置の一部である
    ことを特徴とする請求項８又は９記載のシステム。
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