JP2007504623A - 凍結条件のもとで燃料電池システムを作動させる方法 - Google Patents
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- 各PEM型燃料電池が水輸送板を含みかつ各PEM型燃料電池が内部を通る水流通路を有するPEM型燃料電池のスタックを含む燃料電池システムであって、前記スタックが、不凍液を前記スタックに通して前記スタックから熱を奪うための少なくとも1つの冷却器を含む燃料電池システムを、氷点下の周囲温度において作動させる方法であって、a) スタックの前回停止時または前回停止後で凍結が発生し得る前に、前記燃料電池の水流通路からどのような液体水も抜き出し、その後、b) 燃料反応物および酸化剤反応物を前記燃料電池内へ導き、かつ負荷を前記スタックに接続して、前記スタックを始動させ、c) 前記スタックにより生じた熱を用いて、前記スタックの作動温度を少なくとも0°まで高めることで、前記燃料電池内のどのような氷も溶解し、d) 前記スタックの作動温度が少なくとも0℃に達すると、少なくとも、液体水が前記水流通路を循環しない間は、前記スタックの前記作動温度を、燃料電池の完全乾燥を防止するように充分低く維持するよう、不凍液を前記スタックの冷却器を通して循環させる、各ステップを含むことを特徴とする方法。
- 前記燃料電池システムが、水を前記燃料電池の前記水流通路を通して循環させるための水循環システムを含み、かつ、前記水循環システムが水蓄積装置を含み、前記水流通路から液体水を抜き出すステップが、前記水循環システムから、実質的にすべての液体水を抜き出すことを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記スタックの前記作動温度が少なくとも10℃となるまで、前記不凍液の循環が開始されないことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記スタックの前記作動温度が少なくとも30℃となるまで、前記不凍液の循環が開始されないことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 水が前記燃料電池の前記水流通路内を循環しないスタック作動の間、前記スタックの前記作動温度が、約40℃以下に維持されることを特徴とする請求項4記載の方法。
- 始動後の作動の間、前記蓄積装置内に燃料電池生成水を収集し、また、水が前記水流通路を循環できるのに充分な量の水を前記蓄積装置内に収集した後で、前記水を前記水流通路を通して循環させ、かつ、前記スタック作動温度を、正規作動レベルまで上昇させるステップを含むことを特徴とする請求項2記載の方法。
- 前記燃料電池システムが、水を前記燃料電池の前記水流通路を通して循環させるための水循環システムを含み、かつ、前記水循環システムが水蓄積装置を含み、前記スタックの始動時に、前記水循環システムが、前記蓄積装置内に水を有しており、前記スタックを始動させるステップが、前記蓄積装置内のどのような凍結水も溶解し、また、前記水循環システム内で充分な液体水が利用できるときに、液体水を、前記燃料電池の水流通路を通して循環させることを含むこと特徴とする請求項1記載の方法。
- 各燃料電池がプロトン交換膜を含みかつ各燃料電池が水循環システムに接続されている水流通路も内部に含む燃料電池のスタックを含む燃料電池システムであって、前記プロトン交換膜が、前記プロトン交換膜のアノード側のアノード水輸送板、前記プロトン交換膜のカソード側のカソード水輸送板の間に挟まれており、各燃料電池がさらに、前記プロトン交換膜の前記アノード側に隣接するアノード触媒層と、前記プロトン交換膜の前記カソード側に隣接するカソード触媒層とを含み、冷却器が、前記スタック内の少なくとも一対の隣り合った燃料電池を隔離しかつ不凍液を前記スタックに通し、前記冷却器が不凍液循環システムに接続されている燃料電池システムを、周囲温度が水の凝固点よりも低くなり得るときに作動させる方法であって、(a) 前記プロトン交換膜の前記カソード側の上に空気を流すこと、前記プロトン交換膜の前記アノード側の上に燃料反応物ガスを流すこと、および、負荷を前記スタックに接続することを含め、前記水流通路内に水なしで前記燃料電池システムを始動させ、(b) 少なくとも、前記スタックにより発生した熱が前記スタック温度を0℃よりも高くするまで、不凍液冷却材を前記冷却器を通して循環させずに、前記スタックを作動させ、その後、(c) 不凍液を前記冷却器を通して循環させて、液体水がまったく前記水循環システムを循環しない期間の間、前記スタックを正規作動温度よりも低い温度に維持し、この場合、前記正規作動温度よりも低い温度を、前記期間の間、燃料電池の完全乾燥を防止するのに充分低い温度とし、(d) 前記燃料電池システムの停止時に、すべての液体水を、それが凍結する前に、前記水流通路から抜き出す、各ステップを含むことを特徴とする方法。
- 前記スタック内に凍結水が少しでもあれば、前記凍結水が溶解し始めるまで、前記不凍液の循環が開始されないことを特徴とする請求項8記載の方法。
- 前記スタック内に凍結水が少しでもあれば、前記凍結水がすべて溶解してしまうまで、前記不凍液の循環が開始されないことを特徴とする請求項8記載の方法。
- 年の選択された期間中に氷点下の温度が予想され、前記燃料電池システムが、水を前記燃料電池の前記水流通路を通して循環させる水循環システムを含み、かつ、前記水循環システムが水蓄積装置を含み、前記ステップ(a)の前に、(i)前記蓄積装置から、すべての液体水を抜き出して、年の前記選択された期間の間、前記蓄積装置を空にしておき、(ii)年の前記選択された期間の間、水が前記水流通路と前記水循環システム内を循環するのを防止し、ステップ(a)〜(d)は、水が前記水流通路を循環せずに、年の前記選択された期間の間中、行われることを特徴とする請求項1記載の方法。
- ステップ(c)の前記正規作動温度よりも低い温度が、40℃以下であることを特徴とする請求項9記載の方法。
- 前記スタックの前記作動温度が少なくとも10℃となるまで、前記不凍液の循環が開始されないことを特徴とする請求項11記載の方法。
- 水が前記燃料電池の前記水流通路内を循環しないスタック作動の間、前記スタックの前記作動温度が、約40℃以下に維持されることを特徴とする請求項11記載の方法。
- 液体水が前記水流通路を循環できるのに充分な液体水が前記水循環システム内に蓄積されるまで、前記スタックの作動からの生成水が前記蓄積装置内に蓄積され、その後、前記水流通路および前記水循環システムを通して前記蓄積された水の循環を開始し、継続し、かつ、前記スタックの温度を、正規作動温度まで上昇させることを特徴とする請求項2記載の方法。
- 前記スタック温度が少なくとも10℃まで上昇した後でのみ、前記不凍液の循環が開始されることを特徴とする請求項8記載の方法。
- 停止前の或るときに、前記水循環システムが、水を前記水流通路を通して循環させ始め、そのときに、前記スタックの前記温度を、正規作動温度まで上昇させることを特徴とする請求項8記載の方法。
- プロトン交換膜型燃料電池のスタックを備える燃料電池システムであって、システム停止時に、あるいは、システム停止後で、かつ次のシステム始動の前に、前記スタックを氷点下の温度に晒し、また、前記燃料電池のそれぞれが、前記電池のアノード側に燃料反応物ガス流れ区域と、前記燃料電池のカソード側に酸化物反応物ガス流れ区域とを含み、また、冷却器が前記スタック内の少なくとも一対の隣り合った燃料電池を隔離して前記スタックから熱を奪い、さらに、前記スタックが、水流通路も内部に含み、前記水流通路が、水を前記水流通路を通して循環させる水循環システムに接続されている燃料電池システムを停止させ、再始動させる方法であって、(a) 前記燃料電池システムが電力を発生させている間に、その負荷から前記スタックを切り離して、前記反応物の流れを停止させ、前記水流通路を通る水のどのような循環も停止させ、前記水流通路から前記液体水を抜き出すことで、前記燃料電池システムを停止させ、その後、(b) (i)空気を前記酸化剤反応物ガス流れ区域に、また燃料反応物ガスを前記燃料反応物ガス流れ区域に流し、(ii)前記負荷を前記スタックに接続し、(iii)少なくとも、前記スタック温度が0℃よりも高くなり、かつ、前記スタック内のどのような凍結水も溶解するまで、前記スタックを部分電力にて作動させることにより、前記燃料電池システムの始動を開始し、その後、(c) 少なくとも、前記水循環システムが、水を前記水流通路を通して循環させることができるまで、前記スタック温度を、正規スタック作動温度よりも低い温度に維持するように、前記冷却器を通る不凍液の循環を開始して、維持し、この場合、このように正規スタック作動温度よりも低い温度を、燃料電池の完全乾燥を防止するのに充分低い温度とし、その後、(d) 前記水流通路および前記水循環システムを通る水の循環を開始し、継続し、かつ、前記スタックの温度を、前記燃料電池システムを停止するまで、正規作動温度に上昇させる、各ステップを含むことを特徴とする方法。
- 前記スタック温度が少なくとも10℃まで上昇した後に、前記不凍液の循環を開始させるステップが行われ、また、ステップ(c)の前記正規作動温度よりも低い温度が約40℃以下であることを特徴とする請求項18記載の方法。
- 前記スタックを停止するステップ(a)が、前記水循環システム全体から前記液体水を抜き出すことを含むことを特徴とする請求項18記載の方法。
- 前記水循環システムが、前記燃料電池の前記水流通路を通る水の循環に使用される水を収容するための水蓄積装置を含み、前記スタックの停止時および停止の間に、前記水蓄積装置から水を抜き出さず、また、ステップ(b)が、前記スタックにより発生したエネルギーを用いて、始動を開始させた後で、前記蓄積装置内に凍結水が少しでもあれば、その凍結水を溶解することを含むことを特徴とする請求項6記載の方法。
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