JP2009170409A - 温度を低下させることによる回復ステップを備える燃料電池の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に使用することができ、且つ、電池の寿命の間中、高い能力を維持することができる、燃料電池の特性回復方法を提供する。
【解決手段】燃料電池の使用の間に、通常の動作温度よりも燃料電池の温度を一時的に低下させることによって、電池の能力を回復するステップを少なくとも１つ備える。プリセット時間の間に実施される回復ステップは、周期的に、もしくは、電池の端子の電圧、又は、電池の温度が、しきい値よりも低下した時に、駆動される。これによって、電池の能力は、特に電圧においては、長い使用期間においても、実質的に一定に維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池の能力（performance）の回復ステップ（regeneration step） を少なくとも１つ備える、燃料電池の使用方法に関する。

燃料電池は、化学エネルギーを電気に変換することができる電気化学システムである。水素イオン交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）においては、化学エネルギーは、水素ガスの形状である。次いで、燃料電池は、水素イオン交換膜によって分断される２つの部分（compartment）（一方は、水素を供給し、他方は酸素を供給する。）に分解される。アノードにおいては、水素の酸化反応に由来する水素イオンが前記膜を通過し、一方、電子は、外部電気回路の中を、還元反応(oxygen reduction reaction)が起きているカソードに到達するために、通過する。

従って、水素と酸素とが供給される電池を提供することは、消費されるガスの量に正比例する電流を得ることを可能にする。

しかしながら、動作中においては、燃料電池の能力は、数百時間の間、ゆっくりと、一定に、低下していく。この低下は、例えば１５００時間という期間の間、定電流に対して、約３０から１５０μＶ／ｈとなる。図１の曲線Ａに示されるように、燃料電池の端子における電圧は減少し、このことは、能力の損失を示している。

この能力の低下は、特に、水素イオン交換膜燃料電池の中の水の制御に関して、貧弱な制御であることと関連する。

実際、膜が乾燥してしまうと、その抵抗が上昇し、電池の能力は低下することとなる。膜に多くの電流が流れた場合には、膜の増加した抵抗は、ジュール効果による熱をもたらすこととなり、これによって、膜の高分子、もしくは、電池の他の部品に、ダメージを与えることとなる。

一方、電池の中に水が過剰に蓄積された場合には、ガスは、電気化学反応の源である活性サイトに到達することはもはやできない。それに応じて、電池の能力は低下することとなる。

Ｈｅらによる”An Electrochemical Method to Improve the Performance of Air Cathodes and Methanol Anodes”, Electrochemical and Solid -State Letters，5(8)A181-183(2002)の記載に示されるように、燃料電池 のカソード側の部分を一度窒素により洗浄し（purge）、電池の電極の間に定電流を流すことは、電池の能力を回復させることを可能にする。この方法により、膜に最大限に水を含ませ、過剰な水を射出させることによって、水の制御を適切に行う。

しかしながら、電池に電流を供給する、もしくは、電池を止めることは、電池の高い能力を維持することができるにもかかわらず、工業的応用においては、このような選択をすることができない。

本発明の目的は、簡単に使用することができ、且つ、電池の寿命の間中、高い能力を維持することができる、燃料電池の使用方法を提供することである。

本発明による方法は、回復ステップが、所定の期間の間、通常の動作温度よりも燃料電池温度を低下させることと、温度を低下させている間、負荷（load）は、前記電池に接続されたままにすることと、を備えることを特徴とする。

他の利点及び特徴は、本発明の特有な実施形態についての下記の説明により、さらに明らかにされる。本発明の特有な実施形態は、単なる例示であって、本発明を限定するものではない。本発明の特有な実施形態は、添付の図面により示される。

燃料電池の適切な能力を維持するためには、燃料電池１の使用の間、少なくとも１つの回復ステップを予定する。この回復ステップは、一時的に、通常の動作温度よりも燃料電池１の温度を低下させることで構成される。この回復ステップは、電池の他の動作パラメーター（通常の動作温度、電流密度、流速、圧力、反応ガスの加湿状態...）を変更することなく、行われる。さらに、燃料電池の使用を中断することなく、且つ、回復ステップの間、電池による電気負荷（electric load）２（図２中）への電力の供給は、維持される。一度、回復ステップを完了した場合、燃料電池の温度は通常の値に戻ることとなる。例えば、図２に示されるように、制御回路４は電池の冷却システム３に接続している。

例として、図３に、４時間の期間における、電池の一時的な冷却による回復ステップの電池電圧に対する影響を示す。時間ｔ_０から電池を使用した場合、燃料電池の能力は低下し、それによって、例として示すように、定電流の下では、電池１の端子における電圧が、通常電圧（６８０ｍＶ）よりも低下することとなる。図に示すように、この低下（degradation）は、急激な電圧降下（rapid voltage drop）として起き、その後に、動作時間に従った規則正しい低下が続く。時間ｔ_０からｔ_１の間、電池の通常の動作温度は、例えば、７０℃である。時間ｔ_１においては、制御回路４は、冷却システム３を用いて、電池の冷却ステップを、４時間のうち△の期間の間、駆動させる（trigger）。電池１の温度は通常の動作温度よりも低下し、例えば、時間ｔ_１においては３０℃である。この一時的な温度の低下の後、通常の温度への回復は、電池の能力の増加に対応する、電池１の端子における電圧の急激な増加を引き起こす。

例として示すと、時間ｔ_１からｔ_２の間において、燃料電池１の能力は再度減少し、時間ｔ_０からｔ_１の間の時よりも大きく減少する。ｔ_１からｔ_２間の期間は、ｔ_０からｔ_１の間の期間よりも長く、時間ｔ_２における電圧は、時間ｔ_１におけるものよりも実際には低い。時間ｔ_２においては、電池の温度を、例えば、５０℃まで、一時的に低下させる。このようにすることで、再度、通常の動作電圧よりも高い、燃料電池の端子における電圧の増加をもたらす。

この回復ステップを繰り返し用いることによって、長い使用期間の間（１０００時間動作）、燃料電池の端子における電圧は実質的に一定に保つことが可能となる。これは、図１の曲線Ｂによって示される。

回復ステップは、有利には、限定された期間に実施され、この期間は、好ましくは、例えば、２０時間から５００時間の間のような、数時間から数百時間の間である。しかしながら、電池から要求される電力が低下した際に、温度を低下させることを実施することができるが、これは、一時的、期間限定的なものである。従って、この時間に、付加的な電池温度の低下を実施するために、電池によって生じた熱出力（thermal power）の自然減少を巧妙に活用している。このことは、集中的な使用期間のほかにおいて、燃料電池を回復させることを可能にする。動作温度が一定のしきい値よりも降下した場合は、電池温度を低下させることを駆動することができる。

燃料電池１の能力が一定のプリセットしきい値よりも低下したことを測定した場合、電池温度の低下を行うことができる。例えば、顕著に能力が衰えた（drop-off）ような、電池の端子の電圧が、しきい値よりも低くなった場合である。回復ステップ（電圧や温度は周期的に固定される）を駆動させるために選択された基準は、燃料電池１の特徴ある動作の様々なパラメーター値（Ｖ、Ｉ、温度．．．）を集める制御回路４によって使われる。次いで、制御回路４は、例えば、燃料電池の温度、及び／又は、燃料電池の端子の電圧、に従って、動作を制御する、特に、冷却システム３のパワーを制御する。回復ステップを駆動させるために、もしくは、規則正しい間隔における、このようなステップを駆動させるために、制御回路４は、電池１の他のパラメーターも使用する。このような場合、制御回路４は、時計を備える。

燃料電池の通常の動作温度は、通常、周囲の温度と約１２０℃との間になる。燃料電池の温度の低下は、有利には、セルシウス温度で表現した場合、通常の動作温度の１０％から６０％の間である。例えば、約７０℃の通常動作温度を有する燃料電池においては、回復温度は、３０℃から６０℃の間となる。２０℃にまで温度を下げることができるにもかかわらず、実際には、５０℃にまで下げれば、十分である。

回復ステップの持続期間は、電池の温度を一定、且つ、均一にするために、十分に長くしなければならない。従って、電池のサイズに対応して、その持続期間は変化する。回復期間は、約１０分から数時間の間であることが好ましく、例えば、１０分から１２時間の間である。

先行技術による燃料電池（曲線Ａ）と、本願発明による燃料電池（曲線Ｂ）と、の端子の電圧の変化を示す。 燃料電池のアセンブリーダイアグラム。 本願発明による使用方法による電池の端子の電圧の変化の概略図を示す。

Claims (7)

1. 燃料電池（１）の能力を回復するステップを少なくとも１つ備える前記燃料電池（１）の使用方法であって、前記回復ステップは、所定の期間において、通常の動作温度よりも前記燃料電池（１）の温度を低下させることと、温度を低下させている間、電気負荷は前記電池に接続されたままにすることと、を備えることを特徴とする方法。
2. 温度の低下は、セルシウス温度で表現した場合、通常の動作温度に対して１０％から６０％の間にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 請求項１もしくは請求項２に記載の方法であって、前記回復ステップは、周期的に繰り返されることを特徴とする方法。
4. 前記回復ステップは、数時間から数百時間の間の期間に繰り返されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 請求項１から４の１つに記載の方法であって、前記回復ステップは、バッテリー端子の電圧が、プリセットしきい値よりも低くなったときに、動作することを特徴とする方法。
6. 請求項１から５の１つに記載の方法であって、前記回復ステップは、前記燃料電池（１）の温度が、プリセットしきい値よりも低くなったときに、動作することを特徴とする方法。
7. 請求項１から６の１つに記載の方法であって、前記回復ステップの持続期間は、１０分から１２時間の間であることを特徴とする方法。

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