JP2007517372A - 燃料パージを利用した燃料電池の起動方法 - Google Patents

Abstract

減圧燃料電池システム１０およびその方法がアノード流れ場３８の急速な燃料パージを有する燃料電池１２の起動を提供してこのアノード流れ場３８を通る燃料空気前線（ｆｕｅｌ−ａｉｒ ｆｒｏｎｔ）の移動によって生み出される逆方向電流メカニズムによる炭素触媒支持層２６の腐食を最小限に抑える。燃料電池１２が停止して燃料入口弁７０および燃料排出弁７４が閉じられているときに減圧源９０はアノード流れ場３８を減圧する。結果として生じるアノード流れ場３８内の負圧は起動時にアノード流れ場３８を通る燃料の急速なパージを生み出し、また強力な減圧はアノード流れ場３８内の実質的にすべての空気を除去して燃料空気前線の移動を実質的に排除する。

Description

本発明は運搬用車両、携帯用発電装置、もしくは定置型発電装置といった用途に適した燃料電池に関し、特に燃料電池の起動により生じる燃料電池の性能劣化を最小限に抑えるシステムおよびその方法に関する。

燃料電池は周知のものであり、水素含有還元流体と酸素含有酸化反応物との流れから電気エネルギーを発生させて、モータや運搬用車両などの電気装置に電力を供給するように一般的に利用されている。従来技術の燃料電池では、起動時に電極の触媒層、特にカソード触媒層に腐食が発生することがわかっている。この腐食はカソード触媒層および燃料電池の性能低下をもたらす。

アノードおよびカソード触媒層の両方に空気を含み、カソード触媒層とアノード触媒層との間に取り付けられた電解層に固体高分子膜（ＰＥＭ）を使用した公知の燃料電池を起動する際、酸素含有酸化剤は、カソード触媒層に隣接して流れるように案内するカソード流れ場を通流するように導かれる。ほぼ同時に水素を豊富に含んだ還元流体燃料の流れが、アノード触媒層に隣接して流れるように案内するアノード流れ場を通流するように導かれる。燃料がアノード流れ場を通流するにしたがい、燃料がすべての空気をアノード流れ場の外へ押し出すまで燃料空気前線（ｆｕｅｌ−ａｉｒ ｆｒｏｎｔ）がアノード触媒層に沿って移動するように形成される。燃料空気前線の反対側の触媒層は公知の燃料電池の起動時に実質的に腐食を受けることが観察されている。こうした問題は流れ場を通る燃料空気前線の進行が原因で生じる「逆方向電流メカニズム」の結果としての特徴を持ち、この詳細については公開番号ＵＳ ２００２／０１３４１６５ Ａ１で公開されている米国特許出願番号１０／３０５，３０１に記載されている。

燃料電池のシャットダウン時の不活性ガスによるアノードおよびカソード流れ場の速やかなパージが、アノードおよびカソード触媒層を不動態化してこうした酸化腐食を最小限に抑えることが知られている。例えば、米国特許第５，０１３，６１７号および５，０４５，４１４号には１００％窒素のアノード側パージガスと、ごく少量の酸素（例えば１％以下）と残りすべて窒素とを備えてなるカソード側パージ混合物の使用が開示されている。これらの特許は双方ともパージ過程の開始時にカソード電位を０．３〜０．７Ｖの許容限度の間に急激に低下させるように擬似電気負荷を燃料電池に接続する選択肢についても議論している。しかしながら、こうした貯蔵不活性ガスのコストや複雑性により、特にコンパクトさや低コスト性が重要となり、かつシステムが頻繁に停止あるいは起動されなければならない自動車への応用には望ましくない。

電極触媒や触媒支持材料の酸化や腐食に関する問題の公知の改良により、燃料電池の停止および起動時あるいはこれらの最中にアノード電極やカソード電極に受け入れがたい電位をもたらすカソード電極の酸素の存在やアノード電極とカソード電極との間の反応流体の非平衡によってもたらされる悪影響が軽減された。しかしながら、公知の解決策でさえ、起動中のアノード流れ場内の酸素の存在により受け入れがたい局所的な電極電位や、触媒および触媒支持材料の腐食を招く逆方向電流がもたらされることが分かっている。

したがって、燃料電池内の酸化および腐食を最小限に抑える燃料電池の起動方法が必要となる。

本発明は燃料による燃料電池のパージの前に、この停止した燃料電池内の酸素を減少もしくは除去するように真空ポンプを利用した燃料パージを有する燃料電池の起動方法である。燃料電池はこの電解質層の一方に隣接するように取り付けられたカソードと、この電解質層の反対側に隣接するように取り付けられたアノードとを含み、カソードは炭素層に支持された触媒を含む。また燃料電池はカソードに隣接するように画定されたカソード流れ場と、アノードに隣接するように画定されて酸素含有酸化剤と還元流体燃料反応物の流れを、燃料電池を通流するように導くアノード流れ場とを含んでなる。燃料電池の停止中、カソード流れ場とアノード流れ場の双方には空気が充満して、一次電力消費装置すなわち負荷が燃料電池から切り離される。この方法は、アノード流れ場を減圧するステップと、次に新しい水素含有燃料の連続的な流れをアノード流れ場内へと供給するステップと、次に酸化剤の流れをカソード流れ場へと供給するステップと、次に一次負荷を燃料電池に接続するステップと、を含んでなる。この方法は燃料電池を起動する毎に繰り返される。また別の実施例では、減圧はカソード流れ場にも適用されうる。

また本発明はアノード流れ場に連通する真空ポンプのような減圧源を含む燃料電池を起動する減圧燃料電池システムを含み、また別の実施例では真空ポンプはカソード流れ場にも連通する。また減圧システムは燃料電池への減圧適用を制御する弁とともに燃料や酸化剤の流れを燃料電池内へ、そしてこの燃料電池を通るように制御する弁を含む。

好ましい実施例では、燃料電池は多孔質水輸送板を含み、これはまた冷却板としても知られ、冷却液の流れを燃料電池を通して案内する。水輸送板がアノード流れ場に連通するように取り付けられた多孔板である場合は、アノード流れ場が減圧される一方で多孔質水輸送板を横切る圧力差を最小限に抑えるように、真空ポンプが冷却液に連通した冷却アキュムレータをも減圧する。本発明は流れ場と冷却液との間に多孔質水輸送板の気泡圧力を超えない圧力差を生じさせるようなアノードおよびカソード流れ場の減圧を含む。

アノードおよびカソード流れ場に適用される減圧レベルは周囲圧力を２１ｋＰａ〜約９５ｋＰａ下回る範囲に及ぶ。周囲圧力を約１０．５ｋＰａ上回る燃料入口圧力によって、流入する燃料とアノード流れ場との間に約３１．５ｋＰａ〜約１０５．５ｋＰａの圧力差を生じさせる。このように増幅された圧力差により水素燃料がアノード流れ場を通過するのに要する時間が大いに短縮され、これにより燃料空気前線の移動に関連した逆方向電流メカニズムに起因する酸化や腐食を減少させる。さらに重要なのは、真空ポンプは実質的にアノードやカソード流れ場内のすべての空気を除去しうる。アノード流れ場からの空気の除去は腐食を生じさせる逆方向電流メカニズムを本質的に排除する。

したがって、本発明の目的は概ね従来技術の欠陥を克服する燃料パージを利用した燃料電池の起動方法を提供することである。

特に燃料パージを利用した燃料電池の起動方法を提供する目的は触媒支持材料の酸化および腐食を最小限に抑えることである。

図面を詳しく参照すると、減圧燃料電池システムが図１に示され、参照符号１０により概ね示されている。システムは電解質層１８の両側に取り付けられたアノード１４とカソード１６とを有する燃料電池１２を含む。アノードはアノード基板２０を含むとともに、このアノード基板２０の電解質層１８に隣接する側に取り付けられたアノード触媒層２２を有する。同様に、カソード１６はカソード基板２４を含むとともに、この基板の電解質層１８に隣接する側に取り付けられた炭素支持層２６に支持されたカソード触媒を有する。また燃料電池１２はアノード基板２０に隣接したアノード流れ場板２８とカソード基板２４に隣接したカソード流れ場板３０とを含んでなる。

カソード流れ場板３０は、この流れ場板３０にわたって延びる複数の酸化剤流路３２を画定して、例えば空気のような酸素含有酸化剤の流れをこのカソード流れ場板２０にわたり酸化剤入口３４から酸化剤出口３６へと導くカソード流れ場を形成する。またアノード流れ場板２８は、この流れ場板２８にわたって延びる複数の燃料流路３８を有するとともに、水素含有還元流体燃料の流れを燃料入口４０から燃料出口４２へと導くアノード流れ場を形成する。

また燃料電池１２はカソード流れ場板２０に隣接するように取り付けられた冷却板４４を含む。冷却板４４は燃料電池１２から熱を除去する中実板、もしくは反応物の流れ等に加湿を供給するとともに熱および燃料電池１２生成水を除去する周知の技術の多孔板のいずれでもよい。冷媒ポンプ４６は、冷却液が冷却板４４を通して循環するように水もしくは耐凍結性溶液といった冷却液を冷却板４４、ラジエータ５０、流れ制御すなわち圧力制御弁５２、そして冷却アキュムレータ５４を通流させる冷媒ループ４８に取り付けられる。減圧燃料電池システム１０は公知の燃料電池スタックアセンブリにおいて協働するように配置された前述の燃料電池１２と同様の複数の燃料電池を含むことを理解されたい。この燃料電池スタックアセンブリでは、周知のように追加の冷却板（図示せず）がアノード流れ場板２８に隣接するように取り付けられて冷媒ループ４８から冷却液の流れを受ける。したがって、ここでの議論では、冷媒ループ内の冷却液とアノード流れ場３８との圧力差の関係における記述の効率のため、冷却板４４は水輸送板でありアノード流れ場３８と直接流体で連通しているものと想定する。

また減圧燃料電池システム１０は酸化剤入口ライン５８と連通した酸化剤供給源５６を含むとともに、このラインは酸化剤入口弁５９と、場合によってはこのライン５８に取り付けられて酸化反応物の流れをカソード流れ場３２内へ、そしてこれを通して案内する酸化剤ブロワ６０と、を含んでなる。また酸化剤排出ライン６２および酸化剤排出弁６４が公知のようにカソード流れ場３２に連通するように取り付けられて酸化剤を燃料電池１２の外へと選択的に導く。またシステム１０は燃料入口弁７０をもつ燃料入口ライン６８を通してアノード流れ場３８へと連通するように取り付けられた燃料源６６を含む。また燃料排出ライン７２および燃料排出弁７４はアノード流れ場３８に連通するように取り付けられて燃料を燃料電池１２の外へと選択的に導く。

反応物の流れが燃料電池１２を通流するように制御されているため、周知の技術により電気がつくられこの電気が電力回路７６を通して例えば自動車に動力を供給するモータのような一次負荷７８へと、一次負荷スイッチ８０を通して導かれる。図１に概略的に示すように補助負荷８２が電力回路にわたって取り付けられるとともに、この補助負荷８２と補助負荷スイッチ８６との間にダイオード８４を備えて、周知の技術によりこの電池の電圧を一電池あたり約０．９０〜１．０Ｖの開放電圧から約０．２Ｖ以下に低減させる。

また減圧燃料電池システム１０はアノード流れ場３８とカソード流れ場３２とに選択的に減圧を適用する減圧源を含む。「選択的に適用する」という表現は、例えば燃料反応物の流れをアノード流れ場３８内へと導く直前などの所定のタイミングに、減圧を所定の間、所定のレベルで行うことを意味する。減圧源手段は通常の公知の真空ポンプもしくはアノード流れ場３８およびカソード流れ場３２内の減圧が可能な公知の他の装置でもよい。真空ポンプ９０は減圧吸引ライン９２およびポンプ弁９４を通して減圧容器９６と連通して、この比較的小さいポンプ９０により容器９６内に、比較的長時間負圧を生じさせることで真空ポンプ９０の効率を向上させており、その後この容器が流れ場３８，３２を急速に減圧できる。

アノード減圧吸引ライン９８およびアノード減圧弁１００がアノード流れ場３８と真空ポンプ９０との間に連通するように取り付けられてアノード流れ場３８を吸引する負圧力を選択的に加える。またカソード減圧吸引ライン１０２およびカソード減圧弁１０４が真空ポンプ９０に連通するように取り付けられてカソード流れ場３２を吸引する負圧力を選択的に加える。減圧燃料電池システム１０の冷却板４４が多孔質水輸送板４４である場合は、冷媒ループ減圧吸引ライン１０６および冷媒ループ減圧弁１０８も真空ポンプ９０と冷媒アキュムレータ５４との間に連通するように取り付けられる。冷却板４４が中実である場合は、冷媒ループ吸引ライン１０６を具備しない。

減圧燃料電池システム１０の運転中は、燃料電池１２が一次負荷７８に電力を供給するように電気を発生させているため、真空ポンプ９０は作動しておらずアノード減圧弁１００、カソード減圧弁１０４、およびあらゆる冷媒ループ減圧弁１０８が流体を通流させないように閉じられている。一例が米国特許第６，６３５，３７０号に開示されているように燃料電池１２は公知の技術により停止される。ここに記載のように燃料電池１２は基本的に次のように停止される。（図１に示すように）一次負荷スイッチ８０を開放することにより一次負荷を切断する。次に酸化剤入口弁５９および酸化剤排出弁６４を閉じることによりカソード流れ場３２を通る酸化剤の流れを遮断する。補助負荷スイッチ８６を閉じることにより補助負荷８２を接続してカソード流れ場３２内の酸素を消費させる。その後望ましくは減圧燃料電池システム１０の停止中は補助負荷を接続したまま燃料入口弁７０および燃料排出弁７４を閉じることにより燃料の流れを遮断する。

本発明の手順により燃料電池１２の起動時は、前記の酸化剤および燃料の入口弁および排出弁５９，６４，７０，７４は閉じられたままである。本手順の第１の実施例では、アノード流れ場３８内に所定の減圧レベルが達成されるまで真空ポンプ９０を作動させてアノード減圧弁１００を開放することにより、アノード流れ場３８を減圧する。その後、アノード減圧弁１００が閉じられ真空ポンプ９０が停止される。次に、燃料入口弁７０および燃料排出弁７４が開放されて燃料の流れすなわちパージをアノード流れ場３８に急速に通流させる。その後補助負荷８２が切断される。酸化剤ブロワ６０が作動すると同時に、酸化剤入口弁５９および酸化剤排出弁６４が開放されて酸化物をカソード流れ場３２に通流させる。その後一次負荷７８が接続される。一次負荷が接続されたときあるいはその直後に冷媒ポンプ４６が作動する。冷却板４４が多孔質水輸送板４４である場合は、水素燃料のアノード流れ場３８への通流の前に冷媒ポンプ４６が作動する。

冷却板４４がアノード流れ場３８と直接連通する多孔質水輸送板４４である場合は、アノード流れ場３８が減圧される一方で、冷媒ループ減圧弁１０８が開放されて冷媒アキュムレータ５４内に負圧を生じさせる。これにより水輸送板４４内部の冷却液とアノード流れ場３８内部の圧力との圧力差が減少し、水輸送板４４の気泡圧力を超えてアノード流れ場３８内へと冷却液を引き込むことなくアノード流れ場３８により大きな全般的減圧を適用させる。別の実施例では、カソード減圧弁１０４を開放することによりカソード流れ場も減圧されうる。

アノード流れ場３８を減圧することにより、アノード流れ場を通る燃料空気前線の移動率が著しく増加し、カソード触媒層２６およびアノード触媒層２２の炭素支持層の酸化や腐食をもたらす逆方向電流メカニズムを効果的に低下させる。さらに重要なのは、減圧が、アノード流れ場３８内の実質的にすべての空気を水素燃料の通流の前に除去するのに十分なレベルである場合は、アノード流れ場３８を通して移動する燃料空気前線は実質的に見られず、触媒層２２，２６の炭素の酸化もしくは腐食をさらに最小限に抑える。アノード流れ場３８、またカソード流れ場３２の両方を減圧することにより、空気がさらに除去されて予想される逆方向電流メカニズムの発生をさらに最小限に抑える。アノード流れ場やカソード流れ場に適用される減圧レベルは周囲圧力を約２１ｋＰａ〜約９５ｋＰａ下回る範囲に設定されている。周囲圧力を約１０．５ｋＰａ上回る燃料入口圧力は一般的で、流入する燃料とアノード流れ場との間に約３１．５ｋＰａ〜約１０５．５ｋＰａの圧力差を生じさせる。減圧レベルは水の沸点により決定される。真空ポンプ９０は水の２０℃における蒸気圧以上の減圧が可能である必要がある。

アノード流れ場３８に適用された様々な減圧の効果についての本発明者によるデータが次の表１に確立され示されている。表１には燃料入口４０における絶対圧力、圧力差として表現されたアノード流れ場３８にわたる公称の流れ率に対する圧力降下、減圧後、水素燃料パージ開始前のアノード流れ場３８内部の絶対圧力、および水素前線がアノード流れ場を通過する推定時間が示されている。

表より明らかなように、アノード流れ場３８に流入する水素燃料とアノード流れ場３８内の初期圧力との間の約１１１．７ｋＰａの圧力差の達成は、水素がアノード流れ場３８を通過するのに要する時間を著しく減少させる。しかしながら、ここで再び強調したいのは腐食の減少により達成される利益は、アノード流れ場３８におけるより遅い通過時間での腐食率と直接比較してもこれより著しく大きいことである。これはより高い減圧レベルでは、アノード流れ場３８内に実質的に空気が残っていないからであり、これにより実質的に酸化や腐食をもたらす逆方向電流メカニズムが起こり得ないからである。減圧燃料電池システム１０の燃料電池１２および燃料電池スタックは前記の圧力差に耐えうる適切な機械的完全性を備えて設計されなければならない。本減圧燃料電池システム１０の運転は、例えば上記で言及した特許に記載されているような燃料電池技術に周知の制御装置もしくはセンサにより推進される。本発明の便宜上、「約」という言葉は±１０％を表す。

本発明の燃料パージを利用する燃料電池の起動方法を実行可能な減圧燃料電池システムの好ましい実施例の概略図。

Claims (11)

1. 減圧燃料電池システム（１０）が少なくとも一つの燃料電池（１２）を含むとともに、この燃料電池（１２）が、電解質層（１８）の一方に隣接するように取り付けられたカソード（１６）と、前記電解質層（１８）の反対側に隣接するように取り付けられたアノード（１４）と、を含み、かつ前記カソード（１６）が炭素支持層（２６）に支持された炭素触媒を含むとともに、前記カソード（１６）に隣接するように画定されたカソード流れ場（３２）と、前記アノード（１４）に隣接するように画定されたアノード流れ場（３８）と、を備え、かつ前記燃料電池（１２）の停止中、前記カソード流れ場（３２）および前記アノード流れ場（３８）の両方には空気が充満し、一次電力消費装置（７８）がこの電力回路（７６）から切断される減圧燃料電池システム（１０）の起動方法であって、
   （ａ）前記アノード流れ場（３８）を減圧するステップと、
   （ｂ）次に、水素燃料の連続的な流れを前記アノード流れ場（３８）内へと供給するステップと、
   （ｃ）次に、酸化剤の流れを前記カソード流れ場（３２）内へと供給するステップと、
   （ｄ）次に、前記一次負荷を前記燃料電池（１２）電力回路（７６）へと接続するステップと、
   を備えてなる減圧燃料電池システム（１０）の起動方法。
2. 前記アノード流れ場（３８）を減圧するステップが、前記アノード流れ場（３８）内の絶対圧力が約６０ｋＰａ〜約８５ｋＰａの間となるまで減圧されることを特徴とする請求項１に記載の起動方法。
3. 前記減圧のステップが、さらに前記カソード流れ場（３２）への減圧を含むことを特徴とする請求項１に記載の起動方法。
4. 前記カソード流れ場（３２）を減圧するステップが、前記カソード流れ場（３２）内の絶対圧力が約５ｋＰａ〜約１５ｋＰａの間となるまで減圧されることを特徴とする請求項３に記載の起動方法。
5. 前記アノード流れ場（３８）を減圧するステップが、前記アノード流れ場（３８）内の絶対圧力が約５ｋＰａ〜約１５ｋＰａの間となるまで減圧されることを特徴とする請求項１に記載の起動方法。
6. 前記減圧燃料電池システム（１０）が、前記アノード流れ場（３８）と直接連通するように取り付けられた多孔質水輸送板（４４）を含み、かつこの多孔質水輸送板（４４）が冷却液を前記多孔質水輸送板（４４）および冷媒アキュムレータ（５４）に通流するように案内するとともに、前記アノード流れ場（３８）を減圧するステップが、このアノード流れ場（３８）に適用された減圧レベルが前記冷媒アキュムレータ（５４）に適用された減圧レベルとほぼ同じとなるように前記冷媒アキュムレータ（５４）を減圧することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の起動方法。
7. 前記水素燃料の連続的な流れを供給するステップの前に補助負荷（８２）を前記燃料電池（１２）電力回路（７６）に接続するステップと、前記酸化剤の流れを前記カソード流れ場（３２）内へと供給するステップの前に前記補助負荷（８２）を前記燃料電池（１２）電力回路（７６）から切断するステップと、をさらに備えてなることを特徴とする請求項１に記載の起動方法。
8. （ａ）電解質層（１８）の一方に隣接するように取り付けられたカソード（１６）と、前記電解質層（１８）の反対側に隣接するように取り付けられたアノード（１４）と、を有し、かつ前記カソード（１６）が炭素支持層（２６）に支持されたカソード触媒を含むとともに、前記カソード（１６）に隣接するように画定されて酸素含有酸化剤を前記カソード（１６）に隣接して流れるように案内するカソード流れ場（３２）と、前記アノード（１４）に隣接するように画定されて水素含有還元流体を前記アノード（１４）に隣接して流れるように案内するアノード流れ場（３８）と、を含んでなる少なくとも一つの燃料電池（１２）と、
   （ｂ）前記カソード流れ場（３２）に連通するように取り付けられて前記カソード流れ場（３２）を通る前記酸化剤の流れを許可もしくは遮断する酸化剤入口弁（５９）および酸化剤排出弁（６４）と、前記アノード流れ場（３８）に連通するように取り付けられて前記アノード流れ場（３２）を通る前記燃料の流れを許可もしくは遮断する燃料入口弁（７０）および燃料出口弁（７４）と、
   （ｃ）前記アノード流れ場（３８）に連通して、前記燃料入口弁（７０）および前記燃料排出弁（７４）が前記アノード流れ場（３８）を通る前記燃料の流れを遮断するように閉じられる際、前記アノード流れ場（３８）を選択的に減圧する減圧源手段（９０）と、
   を備えてなる燃料電池（１２）を起動する減圧燃料電池システム（１０）。
9. 前記減圧源手段が、また前記カソード流れ場（３２）に連通しており、前記酸化剤入口弁（５９）および前記酸化剤排出弁（６４）が前記カソード流れ場（３２）を通る前記酸化剤の流れを遮断するように閉じられる際、選択的に減圧することを特徴とする請求項８に記載の減圧燃料電池システム（１０）。
10. さらに多孔質水輸送板（４４）を備え、この多孔質水輸送板（４４）が前記アノード流れ場（３８）に直接連通するように取り付けられて冷却液を前記水輸送板（４４）および冷媒アキュムレータ（５４）に通流するように案内するとともに、前記減圧源手段（９０）が、前記冷媒アキュムレータ（５４）に連通して前記アノード流れ場（３８）に適用された減圧が前記冷媒アキュムレータ（５４）に適用された減圧とほぼ同じになるように前記冷媒アキュムレータ（５４）を選択的に減圧することを特徴とする請求項８に記載の減圧燃料電池システム（１０）。
11. 燃料電池（１２）電力回路（７６）に電気的に連通するように取り付けられて燃料電池電圧を選択的に制御することを特徴とする請求項８に記載の減圧燃料電池システム（１０）。
    

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