JP2008130565A - 金属プレートを備える燃料電池のための補助冷却剤の加熱 - Google Patents

Abstract

【課題】カソード流れチャネルの非活性入口領域に触媒表面を有する燃料電池スタックを提供すること。
【解決手段】低温でのシステムの起動時に、水素がカソード入口ヘッダ内に取り入れられて空気と混合されて、触媒により化学反応が起こって熱が発生して、非活性入口領域の冷却液を温める。したがって、スタックの活性領域に入る冷却液は、化学反応を急冷するのに十分なほど低温にはならない。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、低温でのスタックの起動時に燃料電池スタックの冷却液入口部分で冷却液を加熱するシステムおよび方法に関し、より詳細には、低温でのスタックの起動時に燃料電池スタックの冷却液入口部分で冷却液を加熱するシステムおよび方法であり、入口領域のカソード流れ場にあり触媒を含む塗膜構造体と、熱を発生する化学反応を起こすために起動時に水素をカソード入口ヘッダ内に導入することとを含むシステムおよび方法に関する。

水素は、クリーンであり、燃料電池において効率的に電気を発生させるのに使用することができるので、非常に魅力的な燃料である。水素燃料電池は、間に電解質を有するアノードおよびカソードを備える電気化学装置である。アノードは水素を受け取り、カソードは酸素または空気を受け取る。水素ガスは、アノードで解離して自由陽子および自由電子を発生させる。陽子は、電解質を通ってカソードに移動する。陽子は、カソードの酸素および電子と反応して水を生成する。アノードからの電子は電解質を通過することができず、したがって、カソードに送られる前に負荷を介して仕事を行うように誘導される。

陽子交換膜燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ（ＰＥＭＦＣ））は、自動車用の一般的な燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、概して、ペルフルオロスルホン酸膜などの固体ポリマー電解質のプロトン伝導性膜を含む。アノードおよびカソードは、典型的には、炭素粒子に担持されてアイオノマーと混合された、通常は白金（Ｐｔ）の微粉砕された触媒粒子を含む。触媒混合物は、膜の対向側に付着する。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物および膜の組み合わせは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を画成する。ＭＥＡは、製造するのに比較的高価であり、効果的に作用させるには特定の条件を要する。

典型的には、複数の燃料電池が燃料電池スタック内で組み合わされて所望の電力を発生させる。前述の自動車用の燃料電池スタックの場合、スタックは２００以上の燃料電池を有してよい。燃料電池スタックは、典型的には圧縮機によりスタックを通って圧入される空気の流れであるカソード反応ガスを受け取る。酸素のすべてがスタックにより消費されるわけではなく、空気の一部は、スタックの副生成物としての水を含んでよいカソード排出ガスとして産出される。燃料電池スタックはまた、スタックのアノード側へと流れるアノード水素反応ガスを受け取る。

燃料電池スタックは、スタック内の複数のＭＥＡの間に位置する一連の流れ場または両極性プレートを有する。両極性プレートは、スタック内で隣接する燃料電池のためのアノード側部およびカソード側部を含む。アノードガスがＭＥＡのアノード側へと流れるのを可能にするアノードガス流れチャネルが、両極性プレートのアノード側部に設けられる。カソードガスがＭＥＡのカソード側へと流れるのを可能にするカソードガス流れチャネルが、両極性プレートのカソード側部に設けられる。両極性プレートはまた、冷却液が流れる流れチャネルを備える。

スタックの過度の温度により、膜、およびスタック内の他の材料が損傷する可能性がある。したがって、燃料電池システムは、熱サブシステムを利用して燃料電池スタックの温度を制御する。具体的には、冷却液が、スタックの両極性プレート内の冷却液流れチャネルを通って注入されて、スタックの廃熱を吸収する。燃料電池スタックの通常作動中、ポンプの速度は、スタックの負荷、周囲温度および他の要因に基づいて制御されて、スタックの作動温度は例えば８０℃といった最適温度に維持される。典型的には、ラジエータがスタックの外側の冷却液ループに設けられて、スタックによって加熱された冷却液の温度を低下させて、冷却された冷却液がスタックを通して戻って循環する。

常温での燃料電池システムの起動の場合、すなわち０℃を超える場合、冷却液ポンプは、典型的には、直ちに始動して、燃料電池の反応により発生する熱のためにスタックの構成部品が損傷しないようにする。しかし、システム起動時に冷却剤ループ内およびスタック内の冷却液が非常に低温のときにポンプが始動した場合、低温の冷却液が燃料電池の反応に急冷効果をもたらし、スタックの出力電圧および電力をかなり低下させる。具体的には、特に大電力での起動の場合、冷却液の氷点下の温度は、スタックの所望の電力を発生させる能力をかなり低下させる。この急冷効果は数秒間持続する可能性があり、ポンプ速度および冷却液の量に応じて数十秒間になる可能性もある。

当技術分野では、低温でのシステムの起動時に、スタックがかなりの廃熱を発生させるまでポンプの始動を遅延させることが知られている。しかし、結局は、低温の冷却液は、ポンプが始動したときにスタックに入り、これにより、暖かい燃料電池に同様の急冷効果がもたらされる。さらに、低温での起動時における非常に低温の冷却液の流れは、スタックによって生成される生成水を凍結させるように作用して、これにより流れチャネルが遮断されて、別の重大な問題を引き起こす可能性がある。

本発明の教示内容に従って、スタックの非活性入口領域のカソード流れ場に触媒構造体を有する燃料電池スタックを開示する。低温でのシステムの起動時、水素はカソード入口ヘッダ内に取り入れられて空気と混合されて、触媒により化学反応が起きて、これにより非活性入口領域の冷却液を温める熱が発生する。したがって、冷却液ポンプの始動時に、スタックの活性領域に入る冷却液は化学反応を急冷するのに十分なほど低温にはならない。代替の実施形態では、非活性入口領域のアノード流れ場の構造体も、低温での起動時に空気がアノード流れ場に取り入れられる場合に、触媒作用を引き起こすことができる。また、燃料電池スタックの非活性出口領域のカソード流れ場および／またはアノード流れ場に触媒構造体を設けることができる。

本発明のさらなる特徴は、添付の図面と共に、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかとなる。

燃料電池スタックの非活性カソード入口領域に触媒が塗布された構造体を含み、低温での起動時に冷却液の加熱を実現する燃料電池スタックを対象とする本発明の実施形態の以下の考察は、本質的に単に例示的なものであり、本発明またはその適用例もしくは使用例を限定することを意図しない。

図１は、活性領域１２を有する燃料電池スタック１０の燃料電池の断面図である。燃料電池スタック１０は、アノード入口ヘッダ１４、アノード出口ヘッダ１６、カソード入口ヘッダ１８、カソード出口ヘッダ２０、冷却液入口ヘッダ２２および冷却液出口ヘッダ２４をさらに備える。燃料電池スタック１０は、入口ヘッダ１４、１８および２２と活性領域１２との間に非活性入口領域２６をさらに有し、その非活性入口領域２６を通ってカソード反応ガス、アノード反応ガスおよび冷却液がそれぞれのチャネル介して活性領域１２へと流れる。燃料電池スタック１０はまた、活性領域１２と出口ヘッダ１６、２０および２４との間に非活性出口領域２８を有し、その非活性出口領域２８を通って、排気ガスおよび加熱された冷却液がそれぞれのチャネルを介して出口ヘッダ１６、２０および２４へと流れる。

本発明によると、非活性入口領域２６のカソードおよび／またはアノードガス流れ場内の好適な構造体には、酸素および水素と化学反応を起こして熱を発生する好適な低温触媒が塗布されている。図２は、スタック１０の非活性入口領域２６内の複数の燃料電池４０の断面図である。この実施形態では、燃料電池スタック１０は、型打ちされた流れ場または両極性プレートを有し、スタック１０の両極性プレートは、好適な金属から型打ちされて、カソード流れチャネル、アノード流れチャネルおよび冷却液流れチャネルを画定する。当技術分野でよく理解されているように、型打ちされたプレートは好適な位置で一体に溶接または接着されて、型打ちされたプレートから完全な両極性プレートが形成される。別の実施形態では、型打ちされたプレートは、重ね合わせることができ、あるいはグラファイトなどの好適な複合材料から作ることができる。

燃料電池スタック１０の活性領域１２では、各燃料電池４０は、それらの間にアノード側拡散媒体層４２、カソード側拡散媒体層４４および膜４６を有する。この実施形態では、膜４６は、種々の流れ場プレートの間の入口領域２６を通って延在する。流れ場プレートは、カソード流れチャネル５０を画定するカソード側流れ場プレート４８と、アノード流れチャネル５４を画定するアノード側流れ場プレート５２とを有し、プレート４８および５２の組み合わせがそれらの間に冷却液流れチャネル５８を画定する。いくつかの燃料電池スタックの設計では、シム６４が、膜４６とカソード側流れ場プレート４８との間に設けられてよく、シム６６が、膜４６とアノード側流れ場プレート５２との間に設けられてよい。

本発明によると、触媒層は、カソードおよび／またはアノード流れ場内の種々の構造体に設けられる。例えば、カソード流れチャネル５０に対向するカソード流れ場プレート４８の側面は、触媒層７０と接触してよく、カソード流れチャネル５０に対向するシム６４の側面には、触媒層７２が塗布されてよい。また、アノード流れチャネル５４に対向するアノード流れ場プレート５２の側面は、触媒層７６と接触してよく、アノード流れチャネル５４に対向するシム６６の側面は、触媒層８０と接触してよい。

カソード流れチャネル５０およびアノード流れチャネル５４の両方を、あるいは、カソード流れ場プレート４８およびシム６４の両方を、あるいは、アノード流れ場プレート５２およびシム６６の両方を触媒する必要はない。スタック１０のどの構造体を触媒するかは、スタック１０の構造および所望される熱の量に応じて決定される。任意適当な低温触媒および任意適当な触媒充填が、本明細書で説明される目的のために用意されてよい。１つの非限定実施例では、触媒は白金担持セリアである。

低温でのシステム起動では、典型的には０℃未満で、水素がカソード入口ヘッダ１８に取り入れられて、空気中の酸素および触媒と化学反応して熱を発生させる。別法として、あるいは同時に、空気をアノード入口ヘッダ１４に取り入れて、水素および触媒と化学反応させて熱を発生させることができる。熱は、プレートの金属構造体により、カソード流れチャネルおよび／またはアノード流れチャネルから隣接する冷却液流れチャネル５８へと伝達されて、冷却液流れチャネル５８の冷却液を加熱する。スタック１０がその作動により熱を発生し始めたとき、適当な時間後、熱サブシステムのポンプが始動されて、その時点で加熱されている冷却液を活性領域１２の冷却液流れチャネル内へと注入して、冷却液から熱を吸収する。その後、冷却液の加熱がもはや必要ではないため、カソード側への水素の流れ、および／またはアノード側への空気の流れは停止される。システムの起動時に、流れ場への水素および／または空気の流れをいつ開始および停止するかは、当業者にはよく理解されるように、多くのパラメータに応じて決定される。

上で考察したように、膜４６は非活性入口領域２６内に延在している。代替の実施形態では、膜４６が非活性入口領域２６に設けられず、サブガスケット、金属担体または他の好適な構造体に取り替えられる。

上で考察した実施形態では、触媒は流れ場プレートまたはシムに塗布される。代替の実施形態では、触媒は、非活性領域２６内の他の任意適当な構造体に塗布されて、化学反応をもたらすことができる。非活性領域２６の膜４６および／または拡散媒体層４２、４４にはまた、同様の目的のために低温触媒を塗布することができる。さらに、非活性出口領域２８のカソードおよび／またはアノード流れ場構造体も触媒することが望ましいこともある。というのは、ポンプが冷却液を循環させるとき、冷却液は入口ヘッダ２２に戻るからである。この設計では、スタック１０の両端部で冷却液を加熱することにより、迅速なシステムの起動という利点が得られる。

典型的な燃料電池スタックの設計では、スタック１０の冷却液の約３分の１が非活性入口領域２６内にあり、スタック１０の冷却液の３分の１が活性領域１２内にあり、スタック１０の冷却液の３分の１が非活性出口領域内２８内にある。代替の設計では、非活性入口領域２６の大きさを増大させることができ、低温でのシステムの起動時により多くの冷却液を加熱するようにする。

本発明は、氷点下でのシステムの起動のための特殊な用途を含む。しかし、０℃を超えるシステムの起動時においても、非活性入口領域２６の冷却液をいくらかの時間加熱して、燃料電池スタック１０の温度をその作動温度までより迅速に上げることは有益である。さらに、活性領域１２での化学反応は副生成物として水を生成して、アノードカソード反応ガス流れチャネルを遮断するように作用するという問題がある。より高温での起動で冷却液を加熱することにより、反応によって生成される水が、流れチャネルを遮断しない水蒸気になりやすくなる。

前述の考察は、本発明の単に例示的な実施形態を開示および説明するものである。これらの考察から、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、特許請求の範囲で定義する本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それらの様々な変更形態、修正形態および変形形態を作成することができることを当業者なら容易に理解するであろう。

本発明の実施形態による非活性領域および活性領域を有する燃料電池スタックの断面図である。 触媒構造体を示す、本発明の実施形態による燃料電池スタックの非活性領域内の数個の燃料電池の断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１２ 活性領域
１４ アノード入口ヘッダ
１６ アノード出口ヘッダ
１８ カソード入口ヘッダ
２０ カソード出口ヘッダ
２２ 冷却液入口ヘッダ
２４ 冷却液出口ヘッダ
２６ 非活性入口領域
２８ 非活性出口領域
４０ 燃料電池
４２ アノード側拡散媒体層
４４ カソード側拡散媒体層
４６ 膜
４８ カソード側流れ場プレート
５０ カソード流れチャネル
５２ アノード側流れ場プレート
５４ アノード流れチャネル
５８ 冷却液流れチャネル
６４ シム
６６ シム
７０ 触媒層
７２ 触媒層
７６ 触媒層
８０ 触媒層

Claims (21)

1. カソード反応ガスが流れるカソード側反応ガス流れチャネルおよび冷却液が流れる冷却液流れチャネルを画定する流れ場プレートと、
   活性領域と、
   前記活性領域の前に前記カソード反応ガスの流れおよび前記冷却液の流れを受ける非活性入口領域であって、前記非活性入口領域のカソード流れチャネル内の構造体が、水素および空気と反応して熱を発生させて前記非活性入口領域の前記冷却液を加熱する触媒を含む、非活性入口領域と
   を有する燃料電池スタック。
2. 前記触媒が、前記カソード流れチャネル自体に塗布されている請求項１に記載のスタック。
3. 前記触媒が、前記カソード流れチャネル内のシムに塗布されている請求項１に記載のスタック。
4. 前記触媒が、前記非活性領域の膜に塗布されている請求項１に記載のスタック。
5. 前記触媒が、前記非活性領域の拡散媒体層に塗布されている請求項１に記載のスタック。
6. 前記触媒が、白金担持セリアである請求項１に記載のスタック。
7. 前記非活性入口領域の前記冷却液流れチャネルの容積が、前記活性領域の前記冷却液流れチャネルの容積より大きい請求項１に記載のスタック。
8. 前記活性領域からのカソード排気ガスおよび加熱された前記冷却液を受ける非活性出口領域をさらに有し、前記非活性出口領域のカソード流れチャネル内の構造体も、前記冷却液を加熱する熱を発生させる触媒を含む請求項１に記載のスタック。
9. 前記冷却液を加熱するために、システムの起動時に、水素が、前記非活性入口領域の前記カソード側反応ガス流れチャネルへと送られる請求項１に記載のスタック。
10. 前記流れ場プレートが、アノード反応ガスが流れるアノード側反応ガス流れチャネルをさらに画定し、前記非活性入口領域の前記アノード流れチャネル内の構造体が、水素および空気と反応して熱を発生させて前記非活性入口領域の前記冷却液を加熱する触媒を含む請求項１に記載のスタック。
11. 前記燃料電池スタックが、自動車の燃料電池システムの一部である請求項１に記載のスタック。
12. 非活性入口領域と、
    活性領域と、
    非活性出口領域と、
    前記非活性入口領域、前記活性領域および前記非活性出口領域を通って延在し、冷却液が流れる冷却液流れチャネルと
    前記非活性入口領域、前記活性領域および前記非活性出口領域を通って延在し、カソード反応ガスが流れるカソード側反応ガス流れチャネルであって、前記非活性入口領域および前記非活性出口領域の前記カソード流れチャネルが、水素および空気と反応して熱を発生させて前記非活性入口領域および前記非活性出口領域の前記冷却液を加熱する触媒塗膜を含む、カソード側反応ガス流れチャネルと
    を有する燃料電池スタック。
13. 前記非活性入口領域、前記活性領域および前記非活性出口領域を通って延在し、アノード反応ガスが流れるアノード側反応ガス流れチャネルであって、前記非活性入口領域および前記非活性出口領域の前記アノード流れチャネルが、水素および空気と反応して熱を発生させて前記非活性入口領域および前記非活性出口領域の前記冷却液を加熱する触媒塗膜を含む、アノード側反応ガス流れチャネルをさらに有する請求項１２に記載のスタック。
14. 前記触媒が、白金担持セリアである請求項１２に記載のスタック。
15. 前記非活性入口領域の前記冷却液流れチャネルの容積が、前記活性領域の前記冷却液流れチャネルの容積より大きい請求項１２に記載のスタック。
16. 前記冷却液を加熱するために、システムの起動時に、水素が、前記非活性入口領域の前記カソード側反応ガス流れチャネルへと送られる請求項１２に記載のスタック。
17. システムの起動時に燃料電池スタックの冷却液流れチャネルを介して流れる冷却液を加熱する方法であって、
    前記スタックの非活性入口領域のカソード流れチャネル内の構造体を触媒するステップと、
    水素および空気が触媒と反応して熱を発生させて前記非活性入口領域の前記冷却液を加熱するために、システムの起動時に、前記水素および空気を前記カソード流れチャネルに送るステップと
    を含む方法。
18. 構造体を触媒するステップが、前記カソード流れチャネル、シム、膜および拡散媒体層からなる群から選択される構造体を触媒するステップを含む請求項１７に記載の方法。
19. システムの起動時に、前記非活性入口領域の前記冷却液の温度が所定の温度に上昇するまで、冷却液ポンプの始動を遅延させるステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。
20. 前記燃料電池スタックの非活性出口領域のカソード流れチャネル内の構造体を触媒するステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。
21. 前記非活性入口領域のアノード流れチャネル内の構造体を触媒するステップと、システムの起動時に前記アノード流れチャネルに空気を取り入れるステップとをさらに含む請求項１７に記載の方法。

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