JP2008177162A - 水素/窒素の格納によって始動及び停止に起因した燃料電池の劣化を緩和する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水素をアノード側部へと流し、空気をカソード側部へと流すことでアノード側部及びカソード側部を有する燃料電池を作動させる方法が提供される。燃料電池は、電気を発生し、該電気は主要な電気装置を作動させるため使用される。スタックを停止させるため、一実施例では、主要な電気装置がスタックから断絶される。カソード側部への空気の流れは停止され、正の水素圧力がアノード側部で維持される。燃料電池スタックが短絡され、カソード側部の酸素を水素により消費することが可能となる。アノード側部及びカソード側部の入口バルブ及び出口バルブが閉じられる。次に、アノード側部への水素の流れが停止され、カソード側部からの排気物の流れが停止される。
【選択図】図1
Description
ここで図1を参照すると、本発明の一実施例は、主要な電気装置を作動させるため、アノード側部及びカソード側部を有する燃料電池スタックを、水素をアノード側部に流し、空気をカソード側部に流すことによって動作させ、電気を生成する工程を備えている(ステップ200)。スタックを停止させる工程は、スタックを主要な電気装置から断絶し、カソード側部への空気の流れを停止させる工程を備えている(ステップ202)。アノード側部で正の水素圧力を維持する(ステップ204)。燃料電池スタックを短絡させ、カソード側部内の酸素がアノード側部からの水素により消費されることを可能にする(ステップ206)。その後、アノード側部内への水素の流れを停止し、アノード側部及びカソード側部の両方の入口バルブ及び出口バルブを閉じる(ステップ208)。アノード側部内のこの正の水素圧力は、少なくとも、作動温度から室温へと減少するスタック温度に起因した圧力の損失並びに水蒸気の凝縮に起因した圧力損失を補償するのに十分であるべきである。
は、空気コンプレッサ20を始めとする、燃料電池スタックの様々な構成部品を作動させるため利用されている。かくして、開回路電圧が回避される。その後、空気コンプレッサ出口導管22内の第1のバルブ24が閉じられ、アノード排気導管48内の第5のバルブ50も閉じられる。スタック電圧は、降下し始め、第2の電気経路66内の第2の電気スイッチ70が、スタック10を短絡させるため燃料電池スタック10に抵抗器68を接続するため閉じられる。一実施例では、第2の電気スイッチ70は、スタック電圧が一電池当たり約0.2Vとなった後に閉じられる。電池電圧が約0.05Vまで低下したとき、カソード側部14内の酸素は、固体電解質膜12を通ってアノード側部16からカソード側部14まで横断した水素によって完全に消費されたことになる。カソード側部14は、窒素及び水蒸気で完全に充填される。その後、スタック温度低下及び水蒸気の凝縮に起因した圧力損失を補償するためアノード側部で正の水素圧力を維持しつつ、カソード排気導管44内の第4のバルブ46が閉じられ、第1の水素タンク出口導管内の第2のバルブ30も閉じられる。アノード側部16又はカソード側部14内に侵入した空気は、アノード側部及びカソード側部の両方内に水素を保持することによって消費される。カソード側部14及びアノード側部16の両方は、実質的に水素と停止時格納用の窒素とからなるガスで充填される。
Claims (12)
- アノード側部及びカソード側部を有する燃料電池を作動させる工程であって、水素を該アノード側部へと流し、酸素及び窒素を含む空気を前記カソード側部へと流して電気を発生し、該電気を使用して前記スタックに接続された主要な電気装置を作動させる、前記工程と、
前記スタックを前記主要な電気装置から断絶して、前記スタックを停止させる工程と、
前記アノード側部で正の水素圧力を維持しつつ前記カソード側部への酸素及び窒素を含む空気の流れを停止する工程と、
前記燃料電池スタックを短絡させ、前記カソード側部内の酸素が水素により消費されることを可能にする工程と、
次に、前記アノード側部への水素の流れ及び該アノード側部からの水素の流れを停止し、前記カソード側部からの排気物の流れを停止する工程と、
を備える、方法。 - 前記カソード側部内の酸素が水素により消費されることを可能にする前記工程は、酸素を消費するため水素が前記アノード側部から前記カソード側部まで横断することを可能にする工程を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記カソード側部内の酸素が水素により消費されることを可能にする前記工程は、水素を前記カソード側部内に注入する工程を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記アノード側部への水素の流れ及び該アノード側部からの水素の流れを停止し、前記カソード側部からの排気物の流れを停止する前記工程の後、前記カソード側部及び前記アノード側部の両方が、実質的に水素及び窒素からなるガスを内部に有する、請求項1に記載の方法。
- 主要な負荷としての前記主要な電気装置から前記スタックを断絶する前記工程の後、前記燃料電池スタックを短絡させる工程を更に備える、請求項1に記載の方法。
- 前記燃料電池スタックを短絡させる前記工程は、前記燃料電池スタック及び抵抗器を有する電気回路を閉じる工程を備える、請求項5に記載の方法。
- アノード側部及びカソード側部を有する燃料電池を作動させる工程であって、該工程は、水素を前記アノード側部へと流し、酸素及び窒素を含む空気を前記カソード側部へと流して電気を発生し、該電気を使用して前記スタックに接続された主要な電気装置を作動させることによって、前記燃料電池を作動させる工程と、
前記燃料電池スタックを前記主要な電気装置から断絶して、前記燃料電池スタックを停止させる工程と、
酸素及び窒素を含む空気の流れを停止し、前記カソード側部からの排気を停止する工程と、
前記アノード側部で正の水素圧力を維持しつつ前記アノード側部からの排気を停止する工程と、
前記燃料電池スタックを短絡させる工程と、
前記カソード側部の酸素を消費するため前記カソード側部内に水素を注入する工程と、
を備える方法。 - 前記燃料電池スタックを短絡させる前記工程は、前記燃料電池スタック及び抵抗器を有する電気回路を閉じる工程を備える、請求項7に記載の方法。
- 前記カソード側部の酸素が水素により消費されることを可能にする前記工程は、酸素を消費するため水素が前記アノード側部から前記カソード側部まで横断することを可能にする工程を備える、請求項7に記載の方法。
- 前記アノード側部への水素の流れを停止し、前記カソード側部からの排気物の流れを停止する前記工程の後、前記カソード側部及び前記アノード側部の両方が、実質的に水素及び窒素からなるガスを内部に有する、請求項7に記載の方法。
- プロセスであって、
燃料電池システムを提供する工程であって、該工程では、前記燃料電池システムは、固体電解質膜を有する燃料電池スタックであって、該スタックはアノード反応ガス流れ場を有するアノード側部及びカソード反応ガス流れ場を有するカソード側部を有する、前記燃料電池スタックと、空気コンプレッサに接続された空気入口導管と、前記コンプレッサから前記燃料電池スタックの前記カソード側部へと接続された空気コンプレッサ出口導管と、該空気コンプレッサ出口導管に配置された第1のバルブと、水素源と、該水素源と前記燃料電池スタックの前記アノード側部とに接続された第1の水素タンク出口導管と、該第1の水素タンク出口導管を通るガスの流れを制御するため該第1の水素タンク出口導管に配置された第2のバルブと、前記水素源と前記燃料電池スタックの前記カソード側部とに接続された第2の水素タンク出口導管と、該第2の水素タンク出口導管を通るガスの流れを制御するため該第2の水素タンク出口導管に配置された第3のバルブと、前記空気コンプレッサに電力を供給するため該空気コンプレッサに接続されたバッテリと、前記燃料電池スタックに接続されたカソード排気導管と、該カソード排気導管を通るガスの流れを制御するため該カソード排気導管に配置された第4のバルブと、前記燃料電池スタックに接続されたアノード排気導管と、該アノード排気導管を通るガスの流れを制御するため該アノード排気導管に配置された第5のバルブと、前記燃料電池スタックに接続された第1の電気経路であって、該第1の電気経路は主要な電気装置と該主要な電気装置を前記燃料電池スタックに接続したり該燃料電池スタックから断絶したりするための第1の電気スイッチとを有する前記第1の電気経路と、前記燃料電池スタックに接続された第2の電気経路であって、該第2の電気経路は抵抗器と該抵抗器を前記燃料電池スタックに接続したり該燃料電池スタックから断絶したりするための第2の電気スイッチとを有する前記第2の電気経路と、を備える、前記工程と、
前記燃料電池スタックの前記カソード側部を通って空気を分配することができるように、前記空気コンプレッサ出口導管の前記第1のバルブ及び前記カソード排気導管の前記第4のバルブを開放すると共に、前記燃料電池スタックの前記アノード側部を通って水素を分配することができるように、前記第1の水素タンク出口導管の前記第2のバルブ及び前記アノード排気導管の前記第5のバルブを開放する、工程と、
前記カソードが未消費の酸素でなおも充填されている間に、空気が周囲から侵入することを防止するため周囲圧力よりも僅かに大きい圧力で前記アノード側部の水素の圧力を支持し、前記第1の電気経路の前記スイッチを開放することにより前記燃料電池スタックから前記主要な電気装置を断絶し、前記空気コンプレッサを始めとして前記燃料電池スタックの様々な構成部品を作動させるため前記バッテリを利用することによって、前記燃料電池スタックを停止させる、工程と、
次に、前記空気コンプレッサ出口導管の前記第1のバルブ及び前記アノード排気導管の前記第5のバルブを閉じ、前記第2の電気経路の前記第2の電気スイッチを閉じ、前記燃料電池スタックの電圧が下降し始めたとき、前記抵抗器を前記燃料電池スタックに接続して該スタックを短絡させ、それにより、前記個体電解質膜を通って前記アノード側部から前記カソード側部まで横断した水素によって前記カソード側部内の酸素が完全に消費され、前記カソード側部が窒素及び水蒸気で完全に充填されるようになる、工程と、
次に、スタック温度の低下及び水蒸気凝縮に起因した圧力損失を補償するため、前記アノード側部で正の水素圧力を維持しつつ、前記カソード排気導管の前記第4のバルブと、前記第1の水素タンク出口導管の前記第2のバルブを閉じ、それにより、前記アノード側部又は前記カソード側部へと侵入した空気が各々該アノード側部又は該カソード側部に残っている水素により消費されると共に、前記カソード側部及び前記アノード側部は、実質的に水素と停止時格納用の窒素とからなるガスで充填されるようになる、工程と、
を備える、プロセス。 - プロセスであって、
燃料電池システムを提供する工程であって、該工程では、前記燃料電池システムは、固体電解質膜を有する燃料電池スタックであって、該スタックはアノード反応ガス流れ場を有するアノード側部及びカソード反応ガス流れ場を有するカソード側部を有する、前記燃料電池スタックと、空気コンプレッサに接続された空気入口導管と、前記コンプレッサから前記燃料電池スタックの前記カソード側部へと接続された空気コンプレッサ出口導管と、該空気コンプレッサ出口導管に配置された第1のバルブと、水素源と、該水素源と前記燃料電池スタックの前記アノード側部とに接続された第1の水素タンク出口導管と、該第1の水素タンク出口導管を通るガスの流れを制御するため該第1の水素タンク出口導管に配置された第2のバルブと、前記水素源と前記燃料電池スタックの前記カソード側部とに接続された第2の水素タンク出口導管と、該第2の水素タンク出口導管を通るガスの流れを制御するため該第2の水素タンク出口導管に配置された第3のバルブと、前記空気コンプレッサに電力を供給するため該空気コンプレッサに接続されたバッテリと、前記燃料電池スタックに接続されたカソード排気導管と、該カソード排気導管を通るガスの流れを制御するため該カソード排気導管に配置された第4のバルブと、前記燃料電池スタックに接続されたアノード排気導管と、該アノード排気導管を通るガスの流れを制御するため該アノード排気導管に配置された第5のバルブと、前記燃料電池スタックに接続された第1の電気経路であって、該第1の電気経路は主要な電気装置と該主要な電気装置を前記燃料電池スタックに接続したり該燃料電池スタックから断絶したりするための第1の電気スイッチとを有する前記第1の電気経路と、前記燃料電池スタックに接続された第2の電気経路であって、該第2の電気経路は抵抗器と該抵抗器を前記燃料電池スタックに接続したり該燃料電池スタックから断絶したりするための第2の電気スイッチとを有する前記第2の電気経路と、を備える、前記工程と、
前記燃料電池スタックを停止させる工程であって、該工程では、前記アノード側部内の水素の圧力を周囲圧力より僅かに高い圧力に維持し、前記スタックを前記主要な電気装置から断絶してスタック開放電池電圧を回避するため補助パワーを使用し、前記空気コンプレッサ出口導管の前記第1のバルブ及び前記カソード排気導管の前記第4のバルブを閉じ、前記アノード排気導管の前記第5のバルブを閉じ、前記カソード側部内の水素/酸素反応に起因した圧力変化をバランスさせるため前記燃料電池の前記カソード側部に水素を注入するため前記第2の水素タンク出口導管の前記第3のバルブを開放し、前記燃料電池スタックの電圧が下降し始めたとき、前記第2の電気経路の前記抵抗器を前記燃料電池スタックに接続することによって該スタックを短絡させ、それにより、前記水素により前記カソード側部内の酸素が完全に消費され、前記カソード側部が水素/窒素と僅かな量の水蒸気とで充填されると共に、前記アノード側部が水素で充填され、前記アノード側部又は前記カソード側部内に侵入した空気が水素により消費され、前記カソード側部及び前記アノード側部の両方は、実質的に水素と停止時格納用の窒素とからなるガスで充填されるようになる、工程と、
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