JP2005518077A - 燃料電池の間欠的冷却法 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体冷却剤１６と、燃料電池に冷却剤を循環させるポンプ２０と、冷却剤から熱を抽出する熱交換器１８とを有する燃料電池システム２の効率を向上させる方法に関する。この効率の向上は、燃料電池が、その「全出力」設計点の２５％未満で作動する時に、間欠的にポンプを停止させることによって達成される。

Description

本発明は、液体冷却燃料電池システム、より詳しくは、燃料電池が低出力条件で動作する時、冷却剤ポンプによってそのシステムに課される寄生的消耗を減少することによって、その効率を向上させることに関する。

燃料電池は、連続的に、燃料及び酸化剤を電気に変換する電気化学的デバイスである。これは、燃料（例えばＨ₂）、酸化剤（例えばＯ₂）、反応生成物（例えばＨ₂Ｏ）、及び冷却剤が、電池内外に連続的に移動するように設けられたイオン伝導性電解質によって分離される２つの電極（即ち、アノードとカソード）を含む。燃料は、連続的にアノード（陰極）に供給され、そこで酸化され、内部回路に電子を提供する。酸化剤は、外部回路から電子を受け取るカソード（陽極）に連続的に供給され分解される。電解質のイオン電流が、その回路を完成させる。個々の複数の燃料電池が一緒に束ねられて、これがしばしば燃料電池スタックと呼ばれる。

ＰＥＭ（陽子交換膜）燃料電池［別名ＳＰＥ（固体高分子型電解質）燃料電池］は、Ｈ₂／Ｏ₂を基礎にした、よく知られている燃料電池であり、車両（例えば電気自動車）の使用分野で理想的であり、水素を、圧縮した状態または液化した状態で貯蔵し、または改良メタノール、ガソリン、ディーゼル燃料などから生成することができる。ＰＥＭ燃料電池は、「膜電極アセンブリ」（別名ＭＥＡ）を含むが、これが備える薄い、陽子透過性の固体高分子電解膜は、その面の１つにアノード、その反対の面にカソードにカソードを有する。このＭＥＡは、アノード用とカソード用の、集電装置としての働きをする一対の導電性要素の間に挟まれる。この集電装置はまた、アノードとカソードの表面全体に、燃料電池の気体反応物質を散布する働きもする。この固体高分子型膜は、一般的に、過酸化スルオン酸（perfluoronated sulfonic acid）、（例えばＤｕＰｏｎｔ社のＮＡＦＩＯＮ）などの、膜に対するイオン伝導率を促進するように水酸化されたイオン交換樹脂から作られる。アノードとカソードは、一般に、微粉化された炭素及び触媒粒子と、それらと混ざり合った陽子導電性樹脂を含む。

燃料電池そのものに加えて、燃料電池システムは、燃料電池の動作を助けるために、様々な補助機器（例えばポンプ、熱交換器、燃料処理機、燃焼器、水分離機等）を必要とする。これらの補助機器の一部は、それらが動作するために燃料電池から電力を引き出すという点で、燃料電池によってエネルギーが与えられ（燃料電池によって電力が供給され）、したがって、基本的にはシステムの寄生的な電力消耗部である（即ち、それらが消費する電力は、燃料電池システムの外部の実質的な仕事には利用できない）。補助機器のこのような寄生的な電力消耗部分の１つに、液体冷却剤を燃料電池に循環させるのに使用するポンプがある。

ＰＥＭ燃料電池は、動作温度が長時間にわたって高すぎる場合、電解膜が水分を失い始めて、燃料電池の能力／電圧の落下を引き起こす可能性があるという点で、ＰＥＭ燃料電池は温度感受性である。したがって、ＰＥＭ燃料電池（ならびに他の燃料電池）は、そこに液体冷却剤を連続的に流すことによって冷却される。冷却技法の１つは、一定速度のポンプを使用し、これが、電池の温度が全出力条件になるべく制御するのに充分に高く設定された一定の流量で、冷却剤を燃料電池に流す。別の技法は、可変速度のポンプを使用し、これが、任意の所与の時点でのスタックへの負荷によって決定された可変流量で、冷却剤を連続的にスタックに流す。しかし、燃料電池スタックの制約（即ちスタック内の冷却剤の流路）によって、流れをスタック全体に均一に分配して、スタックの均一な冷却を達成するために、冷却剤は、ある種の最低限流量を守って流れなければならない。スタックが低出力レベル（即ち全出力の２５％未満）で動作し、したがって比較的少量の熱しか生成していない時に、燃料電池スタックによって生成される熱を取り除くのに必要な流量より、そのような最低限流量は一般的に高い。したがって、可変速度ポンプを用いても、燃料電池の低負荷条件では、冷却のみに必要なものより、より多くの出力が、冷却ポンプによって消費される。

高効率の燃料電池システムが望ましい。燃料電池システムの効率は、システムの純出力（即ちシステム外での使用に利用可能な出力）を、システムの潜在出力によって除算することによって決定されるが、ここで、純出力は、燃料電池によって生産された出力量から、システムの寄生的出力消耗を減じたものと等しく、潜在的出力は、燃料の発熱量（グラム当たりキロジュール）に、システムに供給される燃料の質量流量（毎秒グラム）を掛けたものと等しい。したがって、高い寄生的負荷を有するシステムは、低い寄生的負荷を有するシステムよりも低効率である。本発明は、燃料電池スタックが、全出力の２５％未満で動作する時、冷却剤ポンプによって燃料電池システムに課せられる寄生的負荷を縮小することによって、燃料電池システムの効率を向上させるものである。

本発明は、燃料電池システムの効率を、それが低出力レベルで動作する時、冷却剤を間欠的に燃料電池にポンピングすることだけで向上させる方法を企図するものである。本発明が適用可能である燃料電池システムは、（１）ある種の電流密度で全出力動作をするように設計され、アノード及びカソードを有する燃料電池と、（２）燃料電池を流れる液体の冷却剤と、（３）冷却剤から熱を抽出する熱交換器と、（４）燃料電池からエネルギーが与えられて、燃料電池と熱交換器の間に冷却剤をポンピングするポンプとを含む。この方法は、（ｉ）燃料を燃料電池のアノードに供給する工程と、（ｉｉ）酸化剤を燃料電池のカソードに供給する工程と、（ｉｉｉ）燃料電池の全出力の電流密度の２５％未満の電流密度で、燃料電池から電流を引き出す工程と、（ｉｖ）そのように燃料電池から電流を引き出しながら、ある時間間隔の間で、冷却剤のポンピングを中断する工程と、（ｖ）ポンピングが中断される時間間隔中に、燃料電池の温度が燃料電池の能力を低下させない温度まで上昇を許容する工程と、（ｖｉ）その時間間隔の終端でポンピングを再開する工程とを含む。燃料電池システムの効率は、ポンプがオフである時間間隔中、前記システムへのポンプの寄生的負荷を解消することによって増大される。本発明は、任意の液体冷却燃料電池にも適用可能であるが、特に、０．２Ａ／ｃｍ²未満の電流密度で動作する温度感受性ＰＥＭ燃料電池を有する燃料電池システムの効率を向上させるのに、適用可能である。

本発明の一実施形態によれば、「ポンプ・オフ」の時間間隔中、燃料電池の温度は、予め定められた温度／前もって設定された温度まで上昇することを許容する。その温度になると、冷却ポンプに再度エネルギーが与えることによって、冷却流が復旧する。この実施形態では、燃料電池の温度は、好ましくはアノードから出る燃料（別名アノードテールガス）、または、最も好ましくはカソードを出る酸化剤（別名カソードテールガス）の温度を監視することによって決定される。一度開始すると、燃料電池の酸化剤テールガスの温度が、燃料電池を出る冷却剤の温度から２度以内に下降するまでオンであることが好ましい。その後、ポンプは再び停止される。

本発明の他の実施形態によれば、「ポンプ・オフ」の時間間隔は、制御された検査条件で（例えば実験室で）実験的に決定された１つまたは複数の、前もって設定された／調整された継続時間を有する。この実施形態では、燃料電池の電気出力が監視され、時間間隔の継続時間がそれに応じて、実験結果に基づいて調整される。

本発明は、以下に図面と合わせて掲げる、本発明の好ましい実施形態についての、以下の詳しい記述に照らして検討する時、よりよく理解されよう。

この図面は、アノード側４とカソード側６を有する燃料電池２を含む、本発明の好ましい燃料電池システムを、簡略化した形態で示す。水素８がアノード側４に供給され、アノードテールガス１０として出る。酸素（空気）１２は、がソード側に供給され、カソードテールガス１４として出る。冷却剤用環状回路１６内の液体の冷却剤（例えばエチレングリコールと水）が、燃料電池２と、熱交換器（例えば車両用放熱器）１８とを、燃料電池２によってエネルギーが与えられるポンプ２０によって循環される。冷却剤の温度は、それが燃料電池２を出る地点２５で、測定される。放熱器１８は、外気を放熱器１８に流通させる扇風器及びモータ２４を有することができる。この実施形態によれば、燃料電池システムが、その全出力設計点の２５％未満で動作する時、制御回路２２が、カソードテールガス１４の温度を測定し、それに応じて、ポンプ２０を稼動させ、または停止させる。全出力レベルの２５％を超えると、「ポンプ・オフ」の時間は、意味のある有利な効率を得るには短過ぎる。カソードテールガス１４の温度が、所定の上限に達すると、ポンプが稼動され、カソードテールガスの温度が、燃料電池スタック２を点２５で出る冷却剤の温度から２度以内に降下するほどに長い間、冷却剤を燃料電池に循環させる。その温度になると、ポンプ２０は停止され、カソードテールガス１４が所定の上限に上昇するのに充分な時間間隔の間停止する。放熱扇風器モータ２４を、ポンプ２０と同時に停止して、追加の利益を得ることができる。この上限は、燃料電池の能力を低下させることのない温度に設定される。したがって、例えば、燃料電池２がＰＥＭ燃料電池である場合、その上限は約７０℃で、これは、ポンプが長い時間期間の間停止することができる程充分に高く、電解膜が、燃料電池の端子電圧の降下を引き起こす点にまで水分を失うことがないことを保証する程充分に充分低いものである。

車両推進用に設計され、「全出力」の電流密度の設計点が０．８Ａ／ｃｍ²であるＰＥＭ燃料電池では、燃料電池への負荷が０．２Ａ／ｃｍ²未満に降下すると、ポンプ２０のオン／オフの条件は、回路２２によって制御される。このようなＰＥＭ燃料電池は、この低出力領域では、通常、約６４℃の温度でほぼ恒温的に作動されることになる。しかし、本発明が企図する低出力領域（即ち０．２Ａ／ｃｍ²未満）では、燃料電池の温度は、ポンプが停止すると、その時間間隔にわたって上昇し、ポンプが稼動されると、元に下降するという点で、燃料電池は、実際に、周期的に断熱的に動作する。このような周期的モードによる動作で、ＰＥＭ燃料電池の温度は、ポンプが稼動されると、約６０℃まで下降し、ポンプが停止すると、約６８℃まで上昇することが可能になって、燃料電池の能力を損なわず、または燃料電池を損傷せずに、８℃の総温度変動域で変動する。ポンプの使用率（即ち「オン」時間の％）は、燃料電池にかかる負荷によって変化する。燃料電池に対する負荷が高いほど、「ポンプ・オン」条件の継続時間は長くなり、「ポンプ・オフ」の時間間隔は短くなる。したがって、例えば、燃料電池がアイドル動作する（即ち、システムの動作に必要な寄生的負荷以外には負荷がない）時、燃料電池によって生成される熱はほとんどなく、使用率が極めて低くなり、その結果、より効率的なシステムがもたらされる。アイドル動作をする８０ｋｗの自動車（即ち全出力で０．８Ａ／ｃｍ²）用ＰＥＭ燃料電池スタックの、一般的な使用率は、約１５％（例えば１０秒の「ポンプ・オン」と５５秒の「ポンプ・オフ」）となる。他方、０．２Ａ／ｃｍ²の負荷で、使用率は、約６５％（例えば１５秒の「ポンプ・オン」と８秒の「ポンプ・オフ」）となる。

本発明の他の実施形態によれば、使用率、したがって「ポンプ・オフ」時間間隔の継続時間は、０．２Ａ／ｃｍ²の電流密度レベルで燃料電池の充分な冷却を保障するのに充分な時間間隔に、タイマーによって前もって設定され、制御される。別法として、燃料電池の様々な出力レベルに対して、本発明によって企図された低出力領域で、多数の、前もって設定される（即ち調整される）間隔が決定される。この場合、燃料電池の出力が監視され、ルックアップテーブル（索表）及び市販の適切なコンピュータハードウェア／ソフトウェアを使用して、その出力に対応する適正な「ポンプ・オフ」の時間間隔が選択され、実施される。電流（したがって電流密度）が０．２Ａ／ｃｍ²レベルに向けて増加するにつれて、「ポンプ・オフ」時間間隔の継続時間は徐々に短くなり、電流が０．０１Ａ／ｃｍ²レベルに向けて減少するにつれて、「ポンプ・オフ」の間隔の継続時間は徐々に増大する。ルックアップテーブルのための、燃料電池の様々なレベルに対応する時間間隔の継続時間は、燃料電池の電圧上昇及び温度上昇が一定の負荷で監視される制御された実験室条件下で、事前に実験的に決定される。「ポンプ・オフ」の間隔の継続時間は、燃料電池の能力（即ち電圧）及び耐久能力（即ち温度変動に耐える力）から決定される。燃料電池に掛けられる様々な負荷に対して、様々な間隔の継続時間が決定されて、最後に、低出力動作領域（即ち０．２Ａ／ｃｍ²）全体についての完全なルックアップテーブルが構築される。

本発明を、そのある種の特定の実施形態に関して述べたが、これらに限定するようここで意図するものではなく、特許請求の範囲に示される範囲で限定するものである。

本発明による簡略化された燃料電池システムの概略図である。

Claims (10)

1. 燃料電池システムの効率を向上させる方法であって、前記システムが、アノード及びカソードを有しある種の電流密度で全出力動作を行うように設計される燃料電池と、前記燃料電池を流れる液体の冷却剤と、前記冷却剤から熱を抽出する熱交換器と、前記燃料電池によってエネルギーが与えられて、前記冷却剤を前記燃料電池と前記熱交換器との間でポンピングするポンプとを含む、方法であって、
   前記方法が、燃料を前記アノードに供給する工程と、酸化剤を前記カソードに供給する工程と、前記全出力の電流密度の２５％未満の電流密度で、前記燃料電池から電流を引き出す工程と、前記電流を引き出しながら、ある時間間隔で前記ポンピングを中断する工程と、前記時間間隔中に前記燃料電池の温度が当該燃料電池の能力を低下させない温度まで上昇することを許容する工程と、前記時間間隔の終端で前記ポンピングを開始する工程とを含み、それによって、前記時間間隔中に前記システムに掛かる前記ポンプの寄生的負荷を除去して、前記システムの効率を向上させる、方法。
2. 燃料電池システムの効率を向上させる方法であって、前記システムが、アノード及びカソードを有するある種の電流密度で全出力動作を行うように設計されたＰＥＭ燃料電池と、前記燃料電池を流れる液体の冷却剤と、前記冷却剤から熱を抽出する熱交換器と、前記燃料電池によってエネルギーが与えられて、前記冷却剤を前記燃料電池と前記熱交換器との間でポンピングするポンプとを含む、方法であって、
   前記方法が、燃料を前記アノードに供給する工程と、酸化剤を前記カソードに供給する工程と、約０．２Ａ／ｃｍ²未満の電流密度で、前記燃料電池から電流を引き出す工程と、前記電流を引き出しながら、ある時間間隔で前記ポンピングを中断する工程と、前記時間間隔中に前記燃料電池の温度が当該燃料電池の能力を低下させない温度まで上昇することを許容する工程と、前記時間間隔の終端で前記ポンピングを開始する工程とを含み、それによって、前記時間間隔中に前記システムに掛かる前記ポンプの寄生的負荷を除去して、前記システムの効率を向上させる、方法。
3. 前記温度が、所定の第１の温度まで上昇できるようにされ、前記第１の温度になると、前記ポンピングの前記開始が始まる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の温度が、前記カソードを出る前記酸化剤の温度である、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の温度が、前記アノードを出る前記燃料の温度である、請求項３に記載の方法。
6. 前記時間間隔が、前もって設定された継続時間を有する、請求項２に記載の方法。
7. 前記カソードを出る前記酸化剤の温度が、前記燃料電池を出る前記冷却剤の温度の約２度以内である時、前記ポンピングの前記中断が始まる、請求項２に記載の方法。
8. 前記アノードを出る前記燃料の温度が、前記燃料電池を出る前記冷却剤の温度の約２度以内である時、前記ポンピングの前記中断が始まる、請求項２に記載の方法。
9. 前記電流を監視する工程と、前記燃料電池から引き出された電流が前記約０．２Ａ／ｃｍ²からかけ離れた低い電流密度を生じるようなものである時に前記時間間隔の継続時間をより長く、また前記燃料電池から引き出された電流が前記約０．２Ａ／ｃｍ²付近の高い電流密度を生じるようなものである時に前記時間間隔の継続時間をより短く、調整する工程とを含む、請求項２に記載の方法。
10. 燃料電池システムの効率を向上させる方法であって、前記システムが、アノード及びカソードを有するある種の電流密度で全出力動作を行うように設計された燃料電池と、前記燃料電池を流れる液体の冷却剤と、前記冷却剤から熱を抽出する熱交換器と、前記燃料電池によってエネルギーが与えられて、前記熱交換器に空気を流すモータ駆動の扇風器と、前記燃料電池によってエネルギーが与えられて、前記冷却剤を前記燃料電池と前記熱交換器との間でポンピングするポンプとを含む、方法であって、
    前記方法が、燃料を前記アノードに供給する工程と、酸化剤を前記カソードに供給する工程と、前記全出力の電流密度の２５％未満の電流密度で、前記燃料電池から電流を引き出す工程と、前記電流を引き出しながら、ある時間間隔で前記ポンプ及びモータ駆動の扇風器を停止させる工程と、前記時間間隔の間、前記燃料電池の温度が前記燃料電池の能力を低下させない温度まで上昇することを許容する工程と、前記時間間隔の終端で前記ポンピングを開始する工程とを含み、それによって、前記時間間隔中に前記システムに掛かる前記ポンプ及び前記扇風器の寄生的負荷を除去して、前記システムの効率を向上させる、方法。

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