JP2005531904A - 氷点下温度での始動を向上させる停止方法 - Google Patents

Abstract

スタックに配列された複数の燃料電池を含む燃料電池システムを停止させる方法は、燃料電池を通して実質的に均一な水蒸気圧を維持しながら燃料電池を停止温度に冷却することを含み、それによって冷却中の燃料電池内の水の移動が低減される。

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、氷点下条件に曝された後の始動を向上させる、燃料電池を停止させる方法に関する。

電気化学燃料電池アッセンブリは、アノードに提供される燃料と、カソードに提供される酸化剤との反応を通して電気と、それに伴う反応生成物とを生成し、それによってこれらの電極間に電位を生成する能力によって知られている。このような燃料電池アッセンブリは、特に内燃燃料システムおよび同様のものに比較して、その高効率に起因して非常に有用でありかつ需要の多いものである。燃料電池アッセンブリは、水などといった生成される環境にやさしい化学反応副生成物に起因してさらに有利である。燃料電池アッセンブリ内の温度を制御するために、冷却剤が燃料電池アッセンブリに提供されるが、この冷却剤も一般に水とすることができる。従って、燃料電池アッセンブリの作動中に燃料電池アッセンブリを通って水が循環する。

燃料電池アッセンブリの特に魅力的な使用の一つは、車両用途にある。しかしがなら、このような使用に関連する深刻な問題は、氷点下温度に対する燃料電池アッセンブリの敏感さにあり、燃料電池アッセンブリを通って循環する水は特に、燃料電池内で凍結して、次の始動に対して深刻な問題を生じやすい。

この問題に対する多数の解決策が試みられてきたが、その大部分は、このような水が凝固温度に到達する前に燃料電池アッセンブリから水を除去する方法を含む。これらの努力にも拘わらず、燃料電池の大きさ、費用、および始動時間を実質的に増加させずに氷点下条件後に迅速な始動を可能とする効率的かつ有効な停止方法の必要性が残されている。

従って、本発明の主な目的は、これらの必要性を満たす改善された停止方法を提供することである。

本発明に従うと、上述した目的および利点が容易に達成された。

本発明に従うと、スタックに配列された複数の燃料電池を含む燃料電池システムを停止させる方法が提供され、この方法は、燃料電池を通して実質的に均一な水蒸気圧を維持しながら燃料電池を停止温度に冷却することを含み、それによって冷却中の燃料電池内の水の移動が低減される。

本発明に従うと、冷却ステップ中に燃料電池を通して実質的に均一な水蒸気圧を維持するステップは、燃料電池システムの端部を絶縁すること、燃料電池システムの端部を加熱すること、冷却中に燃料電池システムを通して空気を流すこと、燃料電池を通って循環する冷却剤または空気の流れで燃料電池システムを積極的に冷却すること、および同様のものを含む、いくつかの代替の方法によって達成され得る。これらは全て、所望の目的、すなわち、水の移動が、解消されないとしても低減され、それによって燃料電池アッセンブリの端板に隣接する燃料電池部品内の水の蓄積が防止されるように、冷却ステップ中に燃料電池アッセンブリの燃料電池を通して実質的に均一な水蒸気圧を維持する所望の目的、を達成するための代替の方法である。

本発明の好ましい実施態様の詳細な説明は、添付の図面に関連して、以下の通りである。

本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、氷点下温度を見越して燃料電池システムを停止させる方法に関し、この方法は、そのような氷点下温度を受けた後の向上された始動を提供する。

図１は、本発明の方法に従って作動され得る燃料電池システムの燃料電池スタック１０の概略断面図を示す。

燃料電池スタック１０は、燃料電池スタック１０の反応部１４を画成する複数の燃料電池部品板１２を含む。当業者にはよく知られているように、燃料電池部品板１２は、個々の燃料電池を構成する板状部品を含み、また、燃料電池スタック１０の最適温度を維持するためにいくつかの燃料電池間に配設され得る冷却剤板と共に、ＰＥＭ電解質といった電解質の両側のアノード電極およびカソード電極といった部品を含む。

図１はまた、所望のように、またよく知られるように、燃料電池スタックの側面に沿って配置され、さまざまな燃料電池部品板に反応物および酸化剤を運ぶためのマニホールド１６、１８を有する燃料電池スタック１０を示している。さらに、図１は、加圧板、シールガスケット、および同様のものなどの端部アッセンブリ２０、２２を含む燃料電池スタック１０を示している。

作動中は、反応物と酸化剤は、マニホールド１６、１８を通して燃料電池スタック１０に供給されて、所望の電気を生成し、また、副生成物として水を生成する。上述したように、燃料電池スタック１０は、冷却する必要があり、有利なことには、冷却剤母管２４、２６、および他のそのような構造が備えられて、所望のように燃料電池スタック１０を通して冷却剤を供給する。冷却剤は、通常は水である。

本発明に従うと、作動中は、水がさまざまな燃料電池部品板１２内に存在することは、容易に明らかとなるであろう。燃料電池スタック１０が停止され、氷点下温度を受けるとき、この水は、凍結することができ、それによって、所望のように燃料電池スタックを再始動するには大きな困難が生じる。

本発明に従うと、そのような困難は、過剰の水が端部電池２８、３０内で凍結し、通常のブートストラップ（ｂｏｏｔｓｔｒａｐ）始動操作を妨げることに起因して最も問題となること、また、水は、燃料電池スタック１０が冷却するときに、端部電池２８、３０の方へ移動する傾向があること、が見出された。これは、マニホールド１６、１８が不良な熱伝導体であり、従って、冷却が端部電池２８、３０において最も迅速に生じるという事実に起因する。このように、蒸気分圧が、燃料電池スタック１０の中心領域３２において最も高く、より低温の端部電池２８、３０において最も低い。これによって、端部電池２８、３０へ水が移動することになり、このような水は、凝固温度に到達すると凍結し、それによって、実質的な困難さが生じる。従って、本発明の趣旨は、冷却中にそのような移動を防止することである。

本発明に従うと、燃料電池スタックは、所定の温度に少なくとも到達するまで、端部電池２８、３０への水の移動を最小限に抑えるような仕方で、停止され、冷却中に燃料電池スタック１０全体に亘って水蒸気圧を実質的に一定に維持することにより、評価できるほどの量で水が移動するのはやむ。

本発明に従って蒸気分圧を実質的に均一に維持することにより、有利なことには、水は、端部電池２８、３０へ移動せず、むしろ、それが位置する板内で凍結し、燃料電池スタック１０全体に亘って実質的に均一な量となる。これらの量は、始動中の実質的な困難さを生じるには十分ではなく、従って、本発明の方法は、燃料電池スタック１０が氷点下条件に曝された後に、大幅に容易にされた始動を提供する。

本発明の主題は、マニホールド１６、１８が相対的に不良な熱伝導体であり、一方、加圧板および同様のものなどの端部電池２８、３０に隣接する構造がより良好な熱伝導体として機能するという発見に基づく。これに起因して、冷却は、端部電池２８、３０の区域内で最も迅速に生じ、端部電池２８、３０への移動を進める水蒸気圧の差が生じる。

本発明に従うと、燃料電池スタック１０に亘る水蒸気圧は、有利なことには、実質的に一定に維持される。これは、所望するように燃料電池スタック１０のより均一な冷却を提供するように燃料電池スタック１０の端部領域を絶縁することによって、達成され得る。代替として、本発明に従うと、端部電池２８、３０の領域は、実質的に均一な冷却を提供するように、冷却中に加熱され得る。さらに、実質的に均一な水蒸気圧が、冷却中に燃料電池スタック１０を通して空気を流すことによる冷却を通して維持されることができ、空気の流れは、実質的に均一な速度で燃料電池スタック１０を冷却する傾向がある。

本発明に従うと、蒸気圧は、端部電池２８、３０と、中心領域３２との間の温度差を約３℃と同じかそれより小さい差に、より好ましくは約１℃と同じかそれより小さい差に維持することにより冷却中に最も容易に実質的に一定に維持されることが見出された。上述したように、温度差を最小限に維持することにより、燃料電池スタック１０全体に亘る水蒸気圧は、実質的に一定のままとなり、水は、評価できるほど移動しない。

本発明に従うと、水蒸気圧の維持は、それより低温では水移動が評価できるほどでない温度に燃料電池スタック１０が到達するまで、実行される。よく知られているように、水は、０℃（３２°Ｆ）の温度において凍結する。水移動が生じないことを確実にするために、燃料電池スタック１０が、約１０℃より低い、より好ましくは約５℃より低い、および理想的には約０℃より低い停止温度に到達するまで、水蒸気圧を一定に維持するのが好ましくなり得る。適切な停止温度に到達するまで、冷却を通して水蒸気圧を実質的に一定に維持することにより、水の凝固温度より高い温度であろうと、停止温度がそれにもかかわらず上に特定したように水の凝固温度に十分に近いと、ほんのわずかの水の移動しか生じない。

本発明の一態様に従うと、端部電池２８、３０と、中心領域３２との温度差は、加圧板および同様のものなどの良好な熱伝導体である端部構造から端部電池２８、３０を絶縁することにより、最小限にされ得る。この絶縁は、機械的なスペーサ、間に置かれた不良な熱伝導性材料層、および同様のものなどといった多数の形態を取り得る。

本発明の代替の態様に従うと、空気は、所望のように燃料電池スタック１０の実質的に均一な冷却を提供するように、冷却中に、例えばマニホールド１６、１８の一方または両方を通って燃料電池スタック１０を通過できる。

なおさらに本発明に従うと、熱が、例えば従来の加熱装置を用いて、最も好ましくは小型の加熱装置を用いて、端部電池２８、３０に施されることができ、それによって、燃料電池スタック１０は、できる限り小さいままであり、また端部電池２８、３０に施される熱は、所望のように燃料電池スタック１０の実質的に均一な冷却を提供するのに十分に維持される。

冷却は、周囲の条件によって駆動される速度で許可され得るか、あるいは、例えば燃料電池部品板１２を通して周囲空気などの冷却剤を流すことにより駆動され得る。冷却が許可されると、約０．５と約１．０℃毎時の間の実質的に均一な冷却速度が予想され得るが、一方、積極的な冷却は、少なくとも約７℃毎時の実質的に均一な冷却速度を提供できる。

本発明に従うと、上述した任意の一つまたは複数の方法を用いて水蒸気圧を実質的に均一に維持することにより、水の移動は、防止されるか、あるいは、許容できない濃度の水が端部電池２８、３０内で凍結しない程度まで、少なくとも低減され、従って、いくらかの流れが、凍結状態からの始動中に即座に確立され得る。

これは、任意の凍結条件に到達する前に全ての水を除去するのに焦点を合わせた従来の方法に対する実質的で有利な改善を提供する。水を除去するこれらの努力は、費用がかかりかつ非効率であり、本発明によって不必要であることが示される。

本発明は、本発明を実施するための最良の形態の単なる例示と見なされるとともに部品の形状、大きさ、構成、および作動の詳細の変更が可能であるここに説明かつ示した例示に限定されるものでないことは、理解する必要がある。本発明は、むしろ、請求項によって規定される本発明の精神および範囲内にあるそのような全ての変更を含むものである。

本発明の方法に関連する燃料電池アッセンブリの概略図。

Claims (15)

1. スタックに配列された複数の燃料電池を含む燃料電池システムを停止させる方法であって、燃料電池を通して実質的に均一な水蒸気圧を維持しながら燃料電池を停止温度に冷却することを含み、それによって冷却中の燃料電池内の水の移動が低減されることを特徴とする方法。
2. 前記停止温度は、約１０℃に等しいかまたはそれより低いことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記停止温度は、約５℃に等しいかまたはそれより低いことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記停止温度は、約０℃に等しいかまたはそれより低いことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記の維持ステップは、前記の冷却ステップ中にスタックの電池間の温度差を約３℃と同じかそれより小さく維持することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記の維持ステップは、前記の冷却ステップ中にスタックの電池間の温度差を約１℃と同じかそれより小さく維持することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記の維持ステップは、燃料電池システムの一部を断熱することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記の維持ステップは、実質的に均一な水蒸気圧を維持するように、前記の冷却ステップ中に燃料電池を通して空気を流すことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記の維持ステップは、実質的に均一な水蒸気圧を維持するように、前記の冷却ステップ中に燃料電池を通して冷却剤を流すことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 前記複数の燃料電池は、二つの端部電池を含む一連の電池を含み、前記の維持ステップは、前記端部電池に熱を供給することを含み、それによって、前記蒸気圧が、実質的に均一に維持されることを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 前記の熱を提供するステップは、前記端部電池と、それらの間に配置された電池との間の温度差を約３℃と同じかそれより小さく維持するのに十分な熱を提供することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記の熱を提供するステップは、前記端部電池と、それらの間に配置された電池との間の温度差を約１℃と同じかそれより小さく維持するのに十分な熱を提供することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. 前記の冷却ステップは、約０．５〜１℃毎時の冷却速度で実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 前記の冷却ステップは、少なくとも約７℃毎時の冷却速度で前記燃料電池を積極的に冷却することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
15. スタックに配列された複数の燃料電池を含む燃料電池システムを停止させる方法であって、
    所定の水蒸気圧で燃料電池内に水を生成するように燃料電池システムを作動させ、
    燃料電池を停止温度に冷却し、
    前記の冷却ステップ中に燃料電池を通して実質的に均一な水蒸気圧を維持する、
    ステップを含み、それによって冷却ステップ中の燃料電池内の水の移動が低減されることを特徴とする方法。

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