JP2007534111A - Ｐｅｍ燃料電池完全凍結サイクルの低減 - Google Patents

Abstract

ＰＥＭ燃料電池の反応物ガスマニホルド（１２〜１５）は、真空、低熱伝導率ガス、ＶＩＰ（５９）又はＧＦＰ（６３）が充填されたチャンバ（３６）を設けるために、周囲の壁（３５）で密閉された内壁と外壁（３０，３１）を有する絶縁されたマニホルド（１４ａ）を設けるように改良される。単一壁のマニホルド（１４ｄ，１４ｅ）は、その内部又は外部にＶＩＰ又はＧＦＰを有してもよい。絶縁パネル（４０）は同様に真空、低熱伝導率ガス、ＶＩＰ又はＧＦＰを収容したチャンバ（４６）を形成するように周囲の壁（４５）で封入された内壁と外壁（４２，４３）を有する。タイロッド（９ａ）は絶縁パネル（４０）に対してフラッシュ面を与えるよう、燃料電池スタックの圧板（１１ａ）の中に埋め込み（５０）されてもよい。

Description

本発明は、マニホルドの内部又は外部、及びエンドプレートと一体的な絶縁体による、ＰＥＭ燃料電池における完全凍結（ｈａｒｄ ｆｒｅｅｚｅ）サイクルの低減に関する。

電気自動車に動力を供給するために利用される型のＰＥＭ燃料電池の典型的な構造を図１及び図２に図示する。通常、加圧板１１（「エンドプレート」と呼ばれる場合もある）を一緒に引っ張るタイロッド９により、良好な導電性を提供しかつ流体漏れを起こさないよう、複数の隣接した燃料電池７が緊密に加圧されてスタック８が形成される。燃料電池スタック８の４つ全ての側面には、種々の反応物ガスのためのマニホルド１２〜１５が取り付けられ、これらは以下で図３に関してより完全に説明するように、ゴムシール、ガスケット及びそれらの組合せ１８によりスタックに対して封止される。一例として、マニホルド１２は空気入口・出口マニホルドからなっていてもよく、マニホルド１３は空気方向転換マニホルドからなっていてもよく、マニホルド１４は燃料入口・出口マニホルドからなっていてもよく、マニホルド１５は燃料方向転換マニホルドからなっていてもよい。さらに、内部冷却液マニホルド（図示せず）に供給するための冷却液入口２０及び内部冷却液マニホルドから出る冷却液用の冷却液出口２１があってもよい。冷却液マニホルドはまた外部マニホルド構造体の一部でもよい。

概して、車両は水の凍結点以下に下がる周囲温度中で運転、駐車及び再運転できなければならない。約−２０℃の温度から燃料電池スタックのブートストラップを始動（予熱なし）することにより、燃料電池性能の劣化が生じ、また、凍結温度からブートストラップを何度も始動させることにより、燃料電池は車両の動作に要求される性能が実行不能になることが知られている。そのような場合、燃料電池を再生し、その性能を回復するための処理を行わなければならない。

燃料電池を凍結環境から隔離するために、絶縁体（断熱材）を使用することを検討することは自明である。通常、燃料電池スタックが−２０℃の周囲温度中で停止するとき、６０時間内で０℃に至るのを防止するためには、９ｃｍのガラス繊維による断熱又は５ｃｍの独立気泡フォームによる断熱が通常要求される。

ガラス繊維などの普通の断熱材を使用することによって、燃料電池発電設備が車両に占める容積が３倍以上になる場合がある。車両に電力を供給するために燃料電池を利用する際、燃料電池発電設備の占める空間は重要である。適切な量の独立気泡フォームによって、燃料電池が車両に占める容積はおよそ２倍になる。上記の断熱材の容積は車両内の燃料電池発電設備としては許容できないと評価されている。

本発明の目的は、−２０℃の周囲環境において、約６０時間非運転状態の時に０℃に達しない燃料電池発電設備と、燃料電池発電設備の完全凍結サイクルを低減することと、−２０℃の周囲環境で約１８０時間、又は−１０℃の周囲環境において約２９０時間燃料電池発電設備が非運転であっても、内部の水が完全凍結に至らない燃料電池発電設備と、車両燃料電池発電設備における燃料電池スタックの改良された絶縁体と、凍結温度以下での車両燃料電池発電設備の改良された始動運転を含む。

本発明によれば、ＰＥＭ燃料電池上の反応物ガスマニホルドは、単一壁又は二重壁で囲まれており、かつ、真空、低熱伝導率ガス、ガス充填パネル（ＧＦＰ）、又は真空絶縁パネル（ＶＩＰ）を用いて絶縁される。本発明によれば、ＰＥＭ燃料電池の加圧板間に圧縮力を提供するタイボルトが加圧中に埋め込まれ、加圧板は、排気された、あるいは低熱伝導率のガスが充填されたチャンバ等の二重壁で囲まれた絶縁パネルである、ＶＩＰ又はＧＦＰによって周囲雰囲気から絶縁される。

一例として、反応物ガス用の標準的な金属外部マニホルドを有する、３００個の電池からなる７５ｋＷのＰＥＭ燃料電池は７２リットルを占める。本発明による１ｃｍのＶＩＰ絶縁体を追加することにより、容積は１５リットル増加して８７リットルになる。対照的に、同等の絶縁性を得るためには９ｃｍのガラス繊維絶縁体が必要となり、これは燃料電池スタックの容積を許容できない２４１リットルにまで増加させることとなる。

本明細書において、（ａ）０℃以下のいずれか特定的な温度だった日の数（日数）と（ｂ）その特定的な温度の積は「氷点下日（ｍｉｎｕｓ−ｄｅｇｒｅｅ−ｄａｙｓ）」と定義される。スタック中の水のかなりの部分が凍結することは許容されるが、全ての水が凍結しないことが好ましい。ブートストラップ始動中にスタックの温度が０℃以上である場合、生成水をスタックから容易に除去することができる。この環境的な蓄積条件は、１５０マイナス度日に等しい。

図３を参照すると、排気されるか、あるいは、アルゴン、クリプトン又はキセノン等の高分子量、低熱伝導率ガスを収容し得るチャンバ３６を形成するために、薄壁３５でその周縁３３，３４を完全に囲んで接合された、内壁３０と外壁３１を有する反応物ガスマニホルド１４ａを提供するように従来の燃料入口・出口マニホルド１４が変更されている。マニホルド１４ａは、通常、樹脂／ガラス繊維複合体で形成されるが、金属を含む他の材料で作製することもできる。

また、本発明によれば、絶縁板４０は内壁４２と外壁４３を同様に有し、これらは真空であるか、又は高分子量、低熱伝導率ガスを収容したチャンバ４６を提供するよう、薄壁４５によりそれらの周縁全てにおいて接合される。絶縁板４０を設けるために、絶縁板４０に接触するフラッシュ面が存在するよう、タイロッド９ａを円錐台状の凹み５０の中に埋め込む。

２００１年６月１５日に出願された米国特許出願第０９／８８２，７５０号に開示されるように、マニホルド１４ａは、フォームガスケット５２、ゴムガスケット５４、低粘性シリコーンゴム５６及び高粘性シリコーンゴム５７を用いて燃料電池スタックに対して密閉することができる。

真空又は低熱伝導率ガスに代わり、図３のチャンバ３６は図４に示すような真空絶縁パネル（ＶＩＰ）５９を収容することができる。ＶＩＰは、バリアフィルム６１の内部に封入され「コア」と呼ばれる充填材料６０からなり、このバリアフィルムは、単純にはプラスチック、スパッターによって金属薄膜で被覆されたプラスチックフィルム、あるいは、両面をプラスチックフィルムの積層によって強化されたアルミニウム又は他の金属でもよい。バリアフィルムは、０．００１Ｔｏｒｒ（０．００１３ｍｂａｒ（０．００１３ｈＰａ））〜１．０Ｔｏｒｒ（１．３ｍｂａｒ（１．３ｈＰａ））の圧力まで排気（減圧）され、その後に密閉される。ＶＩＰの細部は本発明に無関係であり、それらは特定の実施態様に適応するように選択してよい。コアはバリアフィルム内に封入される前に、マニホルドの形状に熱成形することができる。マニホルドは、マニホルドの形状に成形されたＶＩＰ５９だけを含み、構造的完全性を増強するために耐穿孔フィルムをその片面又は両面に取り付けてもよい。

コア材料は３つの主要な目的に貢献する。第１に、コアはパネル壁を支持する。大気圧が、排気されたパネルに対して１４．７ｐｓｉ（１０１３５７Ｐａ）の作用を及ぼすため、一平方フィート（０．０９２９ｍ²）のパネルは２，１２０ポンド（９６１．６３２ｋｇ）の力を受ける。第２に、コア材料は又、残留ガス分子の移動を抑制する。コアの孔径が小さければ小さいほど、ガス分子はＶＩＰの壁に到達するよりも、むしろコア材料の分枝網により衝突しやすくなる。この網は、本質的に分子を捕捉し、固体のコア材料に伝達された熱は、蛇行した分枝網を通過しなければならないため、ＶＩＰの壁に到達する前にほとんどのガス分子は散逸する。従って、最小の孔径を有する微細な多孔質材料を基にしたコアは、固体材料の最良の絶縁性能を提供する。第３に、コア材料は放熱による伝熱に対抗する障壁を提供し、又、赤外線を散乱又は吸収する特殊な不透明化材料を含む場合が多々ある。現在、０．００２Ｗ／ｍＥＫ〜０．００８Ｗ／ｍＥＫの熱伝導率を有するＶＩＰを提供することができる。

図５を参照すると、反応物ガスマニホルド１４ｃの絶縁体は、顕著な断熱を与えるよう、密閉型のポリマーフィルム袋６４内に高分子量、低熱伝導率ガスを用いるガス充填パネル（ＧＦＰ）６３を備えてもよい。フィルム６４で与えられる本質的な密閉型バリア内で、バッフルと称される気泡構造体６５にはガスが充填される。アルゴンガスは、０．０２０Ｗ／ｍＥＫの実効的な熱伝導率を提供し、クリプトンガスは０．０１２Ｗ／ｍＥＫの熱伝導率を提供し、キセノンガスは０．００７Ｗ／ｍＥＫの熱伝導率を提供する。

図６を参照すると、反応物ガスマニホルド１４ｄは（図４に関して述べたような）マニホルド１４ｄの内部に配置されたＶＩＰ５９を有する、樹脂／ガラス繊維（又は、必要に応じて金属）複合体の単一シェルとして形成することができる。この場合、必要に応じて、マニホルド１４ｄ内の特定の反応物ガスと親和性を有し、かつ、そのガスに対して不透過である面を提供するよう、別のフィルムをＶＩＰ５９の内部に適用してもよい。図４について述べた型のＶＩＰ５９の代わりに、図５について述べた型のＧＦＰ６３をマニホルド１４ｄの内部に設けることもできる。

図７に示すように、マニホルド１４ｅの外部に絶縁体を設けることができる。絶縁体は、図４に関して述べたＶＩＰ５９でもよく、あるいは図５に関して述べた型のＧＦＰ６３でもよい。

図３において、エンドプレート１１ａ用の絶縁パネル４０は中空であり、その中のチャンバ４６は、排気されるか、又は、高分子量、低熱伝導率ガスが充填される。図８において、エンドプレート１１ａと共に使用し得る絶縁パネル４０ａは、図４に関して述べた型のＶＩＰ５９を含む。パネル４０ａは、ＶＩＰ５９の周囲を取り囲む樹脂／ガラス繊維複合体などの適当な耐穿孔フィルム６９を有するＶＩＰ５９からなるものでもよい。

同様に、図９に示される断熱パネル４０ｂは図５に関して述べた型のＧＦＰ６３を含んでなるものであってよく、構造的完全性を提供するようフィルム７１で周囲を囲まれてもよい。このフィルムは、樹脂／ガラス繊維複合体、又は他の適当な耐久性を有するプラスチックからなるものであってよい。

次に、図１０を参照すると、それぞれが０．００４Ｗ／ｍＥＫの熱伝導率を有する、異なる厚さの本発明による真空絶縁パネルを用いて絶縁された、平均質量×熱容量（ｍＣｐ）が約１６Ｗ・ｈ／℃の、９３００ｃｍ²台の外面積を有するＰＥＭ燃料電池スタックについて、−２０℃の周囲温度に対する冷却速度を示している。図示する燃料電池スタックは、反応物流域として多孔質グラファイト水輸送板を利用しており、約８．０Ｋｇの保水量を有する。

図１０において、１．０ｃｍ厚を有する絶縁体では、電池スタックアッセンブリの温度は約６０時間後に０℃に達するが、図１０の三角形の印で示すように完全凍結に至るのには１８０時間かかる。燃料電池内に保持される水の１００％が凍結したときに完全凍結が生じる。周囲温度が−１０℃しかない場合、電池スタックアッセンブリの温度は約７８時間後に０℃に達し、約２９０時間後に完全凍結に至るであろう。

５．０ｃｍ厚の絶縁体により、燃料電池スタックに必要な容積が２倍以上になるのに対して、本発明による２分の１ｃｍ厚の絶縁体では、容積が約１２％増加することを念頭に置いて、（絶縁体の厚さに起因する）容積と、燃料電池スタックが０℃に達するまで、あるいは完全凍結に至るまでの時間の長さの関係から選択可能である。

１ｃｍのＶＩＰ５９に関して、完全凍結に至る時間は１５０氷点下日、即ち−２０℃の周囲温度での約１８０時間に相当する。

従って、本発明は、数分の１ｃｍ〜５ｃｍ以上の厚さを有し、かつ、約０．００２Ｗ／ｍＥＫ〜約０．０２０Ｗ／ｍＥＫの熱伝導率を有する絶縁パネルを利用することにより、燃料電池スタックが１５０氷点下日と同等の期間、完全凍結するのを防止することができる。

本発明は又、同時に出願された、発明の名称「改善された集電体及び絶縁体を有する燃料電池スタック」である米国特許出願（出願人整理番号Ｃ−３１４４（同一出願人、共に係属中））に開示されるような絶縁パネルに伴う超薄型集電体シートを備える電池スタックと共に利用することも可能である。

燃料マニホルドに関して述べてきたが、本発明は酸化剤ガス並びに他の反応物ガス用マニホルドをも実現するものである。

従来既知であり、かつ、本発明によって変更可能な外部反応物ガスマニホルドを有するＰＥＭ燃料電池スタックをフォルム化した簡略的な側面図である。 従来既知であり、かつ、本発明によって変更可能な外部反応物ガスマニホルドを有するＰＥＭ燃料電池スタックのフォルム化した簡略的な側面図である。 真空絶縁パネル又は低熱伝導率ガス充填パネルなどの二重壁絶縁体と、燃料電池加圧板用の同様に構成された断熱パネルの部分的な断面を有する部分側面図である。 一体的なＶＩＰを有する反応物ガスマニホルドの、部分的な断面を有する部分側面図である。 一体的なＧＦＰを有する反応物ガスマニホルドの、部分的な断面を有する部分側面図である。 内部にＶＩＰを配置した反応物ガスマニホルドの、部分的な断面を有する部分側面図である。 外部にＶＩＰを配置した反応物ガスマニホルドの、部分的な断面を有する部分側面図である。 燃料電池スタックのエンドプレート用のＶＩＰの、部分的に端部を切断した部分側面図である。 燃料電池スタックのエンドプレート用のＧＦＰの、部分的な断面を有する部分側面図である。 厚さ１／２ｃｍ〜５ｃｍの範囲にある真空絶縁パネルに対する、冷却速度を示すチャートである。

Claims (8)

1. 集電エンドプレート（１１）間に設けられた複数の燃料電池（７）と、
   少なくとも１つの反応物ガスマニホルド（１２〜１５）、
   を有する燃料電池スタック（８）であって、
   少なくとも１つの反応物ガスマニホルドのそれぞれが（ａ）ＶＩＰ（５９）又はＧＦＰ（６３）がその内部又は外部に設けられた単一壁（１４ｄ，１４ｅ）、あるいは（ｂ）真空、低熱伝導率ガス、ＶＩＰ又はＧＤＦを収容するチャンバを形成する二重壁（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）のいずれか一方を含んでなることと、
   前記エンドプレートのそれぞれの外部表面上に配置される、それぞれが（ａ）真空又は低熱伝導率ガスを収容した中空チャンバ、（ｂ）ＶＩＰ、又は（ｃ）ＧＦＰの何れかを含んでなる絶縁パネル（４０）、
   を含む改良を特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記燃料電池スタックが、複数の前記反応物ガスマニホルドと、反応ガス流域として機能する多孔質水輸送板を有し、
   前記燃料電池スタックが５０氷点下日よりも長い間、周囲環境中で非動作状態にあるとき、前記スタック内の水が完全に凍結しないよう、前記マニホルドと前記絶縁パネルが、前記燃料電池スタックの質量と熱容量の積、外側表面積及び保水量に相関して選択されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記燃料電池スタックが、複数の前記反応物ガスマニホルドと、反応ガス流域として機能する多孔質水輸送板とを有し、
   前記燃料電池スタックが約１００氷点下日の間、周囲環境中で非動作状態にあるときに、前記スタック内の水が完全に凍結しないよう、前記マニホルドと前記絶縁パネルが、前記燃料電池スタックの質量と熱容量の積、外部表面積及び保水量に相関して選択されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記燃料電池スタックが複数の前記反応物ガスマニホルドと、反応ガス流域として機能する多孔質水輸送板とを有し、
   前記燃料電池スタックが約１５０氷点下日の間、周囲環境中で非動作状態にあるときに、前記スタック内の水が完全に凍結しないよう、前記マニホルドと前記絶縁パネルが、前記燃料電池スタックの質量と熱容量の積、外部表面積及び保水量に相関して選択されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 集電エンドプレート間に設けられた複数の燃料電池（７）と、
   それぞれが（ａ）真空又は低熱伝導率ガスを収容する中空チャンバ、（ｂ）ＶＩＰ（５９）又は（ｃ）ＧＦＰ（６３）のいずれかを含んでなる、前記エンドプレートのそれぞれの外部表面上に設けられた絶縁パネル（４０）、
   を含んでなることを特徴とする、燃料電池スタック（８）。
6. 前記絶縁パネルが、構造的完全性を増強するために、（ｃ）プラスチック、又は（ｄ）樹脂／ガラス繊維複合体の外側フィルム（６１）を備える（ａ）ＶＩＰ又は（ｂ）ＧＦＰを含んでなることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. （ａ）ＶＩＰ（５９）又はＧＦＰ（６３）がその内部又は外部に設けられた単一壁（１４ｄ，１４ｅ）又は（ｂ）真空、低熱伝導率ガス、ＶＩＰ（５９）又はＧＤＦ（６３）を収容するチャンバを形成する二重壁（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）のいずれかを備える燃料電池スタック（８）のための、絶縁された反応物ガスマニホルド（１２〜１５）。
8. チャンバを形成する前記二重壁が、構造的完全性を増強するために（ｅ）ＶＩＰ（５９）又は（ｆ）ＧＦＰ（６３）の表面上に、（ｃ）プラスチック、あるいは（ｄ）樹脂／ガラス繊維複合体の層（６１）を含むことを特徴とする、請求項７に記載のマニホルド。

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