JP2016207656A - 向上した診断能力を有する燃料電池スタック端電池 - Google Patents

向上した診断能力を有する燃料電池スタック端電池 Download PDF

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Abstract

【課題】診断能力および検出能力を向上させるのを促進するスタック端電池を有する燃料電池スタック組立体を提供するシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】特定の実施形態では、本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池のアノード側が、ＦＣスタック内の他の電池よりも少ないアノードガス流量を有するように構成され得る。本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池のカソード側が、ＦＣスタック内の他の電池よりも多いガス流量を有するようにさらに構成され得る。開示されるＦＣスタック端電池の実施形態が、とりわけ、不利な状態および／または事象によりＦＣスタック内の他の電池が悪影響を受ける前にＦＣスタック組立体内のそのような不利な状態および／または事象を検出するのを可能にすることができる。【選択図】図１

Description

[0001]本開示は燃料電池システムに関する。より詳細には、限定しないが、本開示は、診断能力および検出能力を向上させるのを促進するスタック端電池を有する燃料電池スタック組立体に関する。
[0002]乗用車が、乗物の電気系統およびドライブトレインシステムの特定の特徴部分に動力供給するための燃料電池（ＦＣ：ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）システムを有する場合がある。例えば、ＦＣシステムは、乗物の電気ドライブトレイン部品（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）に直接（例えば、電気駆動モータ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｒｉｖｅ ｍｏｔｏｒ）など）および／または中間バッテリシステムを介して動力供給するのに乗物内で利用され得る。ＦＣシステムは単一電池を有することも、あるいはスタック構成として配置される多数の電池を有することもできる。
[0003]数十から数百の個別の電池を含むＦＣスタックを有するＦＣシステムでは、通常の動作条件下では、ＦＣスタックのいくつもの電池が同様の電池電圧を有することができる。しかし、個別の電池は電池ごとの違いにより特定の動作条件下（例えば、長時間の低電力状態、高い相対湿度かつ低い温度の状態、高い温度・低い相対湿度の状態、起動の状態、および／または、停止状態など）では異なる形で振る舞う場合がある。このように振る舞うことで電池電圧が通常の電圧レベルから逸脱する可能性があり、とりわけ、電池構成要素が損傷する可能性があり、ならびに／あるいは、ＦＣスタックの耐久性および／または耐用年数が低下する可能性がある。
[0004]本明細書で開示されるシステムおよび方法の実施形態が、向上した診断能力および検出能力を有する１つまたは複数のスタック端電池ならびに／あるいはスタック端電池の組を有するＦＣスタック組立体を提供する。特定の実施形態では、本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池のアノード側が、ＦＣスタック内の他の電池よりも少ないアノードガス流量（例えば、５％少ない、など）を有するように構成され得る。本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池のカソード側が、ＦＣスタック内の他の電池よりも多いカソードガス流量（例えば、５％多い、など）を有するようにさらに構成され得る。開示されるＦＣスタック端電池の実施形態が、とりわけ、不利な状態および／または事象によりＦＣスタック内の他の電池が悪影響を受ける前にＦＣスタック組立体内のそのような不利な状態および／または事象を検出するのを可能にすることができる。特定の実施形態では、本明細書で開示される実施形態に一致するスタック端電池がスタック内の他の電池に対してそれらのロバスト性を向上させるような特徴部分によって強化され得、それにより端電池がスタックの寿命を通してそれらの診断能力を確実に維持することができるようになる。
[0005]いくつかの実施形態では、ＦＣシステムがスタック組立体内に構成される複数の燃料電池を有することができる。第１の端電池（または、１組の第１の端電池）が燃料電池スタック組立体の第１の端部に配置され得、第２の端電池（または、１組の第２の端電池）が燃料電池スタック組立体の第２の端部に配置され得る。第１の端電池および第２の端電池の各々が、燃料電池スタック組立体内の他の燃料電池に対してより少ないアノードガスの流れを有するアノード側と、燃料電池スタック組立体内の他の燃料電池に対してより多いカソードガスの流れを有するカソード側とを備えることができる。
[0006]特定の実施形態では、端電池のアノード側が、スタック組立体内の他の電池のアノード側流れチャンネル（ａｎｏｄｅ ｓｉｄｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）に対してより浅いアノード側流れチャンネルを備えることができる。別の実施形態では、端電池のアノード側が、他の電池に関連付けられた拡散媒体層（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｅｄｉａ ｌａｙｅｒ）よりもアノード側流れチャンネル内に多く侵入するように構成される拡散媒体層を備えることができる。アノード側が部分的に制限されるアノード流れ場をさらに備えることができる（例えば、部分的に遮断されるアノード流れトンネルおよび／または同様のものを組み込む）。いくつかの実施形態では、アノード側が、複数の燃料電池に含まれるアノードと比較して、より多量の酸素発生反応触媒（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｃａｔａｌｙｓｔ）を有し、より多量の水素酸化触媒を有し、触媒担体を有さず、および／または、より高い耐食性の触媒担体を有する、アノード材料（例えば、ＩｒＯｘまたは同様のもの）を含むことができる。
[0007]別の実施形態では、端電池のカソード側が、スタック組立体内の他の電池のカソード側流れチャンネルに対してより深いカソード側流れチャンネルを備えることができる。特定の実施形態では、端電池のカソード側が、他の電池に関連付けられた拡散媒体層よりもカソード側流れチャンネル内に侵入しないように構成される拡散媒体層を備えることができる。他の実施形態では、電池のロバスト性を向上させるために、端電池のカソード側が、相対的に低いイオノマー対炭素比率および／またはより高い白金担持量を有するような、ならびに／あるいは、黒鉛化炭素および／または白金黒を含むような、カソード材料を含むことができる。
[0008]他の実施形態では、燃料電池スタックの構成要素を組み立てる方法が、複数の燃料電池をスタック構成となるように配置することと、第１の端電池または１組の端電池をスタック構成の第１の端部に配置することと、第２の端電池または１組の端電池をスタック構成の第２の端部に配置することとを含むことができる。本明細書で開示される実施形態に一致して、第１の端電池および第２の端電池の各々が、燃料電池スタック組立体内の他の燃料電池に対してより少ないアノードガスの流れを有するアノード側と、燃料電池スタック組立体内の他の燃料電池に対してより多いカソードガスの流れを有するカソード側とを備えることができる。
[0009]図を参照して、本開示の種々の実施形態を含めた本開示の非限定で非包括的な実施形態を説明する。
[0010]本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池の一部分を示す斜視図である。 [0011]本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池を有するＦＣスタック組立体を示す図である。 [0012]本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタックを組み立てる例示の方法を示すフローチャートである。
[0013]以下で、本開示の実施形態に一致するシステムおよび方法を詳細に説明する。いくつかの実施形態を説明するが、本開示がいずれか１つの実施形態に限定されず、代わりに、多くの代替形態、修正形態および均等物を包含することを理解されたい。また、以下の説明では本明細書で開示される実施形態を完全に理解できるようにするために多くの具体的な細部が記載されるが、いくつかの実施形態はこれらの細部の一部またはすべてを用いずに実施され得る。さらに、明瞭にすることを目的として、本開示を不必要に曖昧にするのを回避するために、関連技術で既知であるいくつかの技工物（ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ）は詳細には説明されない。
[0014]本開示の実施形態は図面を参照することにより最もよく理解され、これらの図面では同様の部品は同様の参照符号で示され得る。本明細書で概略的に説明されて図に示される、開示される実施形態の構成要素は、多様な異なる構成となるように配置および設計され得る。したがって、本開示のシステムおよび方法の実施形態の以下の詳細な説明は特許請求される本開示の範囲を限定することを意図されず、単に本開示の考えられる実施形態を例示することを意図される。また、方法のステップは必ずしも任意特定の順序で実行される必要はなくまたさらには必ずしも連続して実行される必要はなく、あるいは、これらのステップは特に明記しない限り１回のみで実行される必要もない。
[0015]本明細書で開示されるシステムおよび方法の実施形態は、診断能力および検出能力を向上させるのを可能にするスタック端電池を備えるＦＣスタック組立体を提供する。いくつかの実施形態がＰＥＭＦＣシステムと共に利用され得るが、他の種類のＦＣシステムが利用されてもよい。ＰＥＭＦＣシステムでは、水素がＦＣのアノードに供給され得、空気（または酸素）が酸化剤としてＦＣのカソードに供給され得る。ＰＥＭＦＣは、その面の一方側にあるアノード触媒含有層と、反対側の面にあるカソード触媒含有層とを有する、電子伝導性ではなくプロトン伝導性の固体高分子電解質膜を含む膜・電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有することができる。この膜が、隣接する触媒層と共に、アノードのガス拡散層（ＧＤＬ：ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）とカソードのガス拡散層との間に挟まれ得、それによりＭＥＡが形成される。ＭＥＡは、両極性プレートの一部を形成してアノードおよびカソードのための集電体として機能する一対の導電素子の間に配置され得る。両極性プレートが、それぞれのアノード触媒層およびカソード触媒層の表面の上にガス状反応物を分散させるための１つまたは複数の流れチャンネルを画定することができる。
[0016]ＦＣシステムは単一電池を有することも、あるいはスタック構成として配置される多数の電池を有することもできる。例えば、特定の実施形態では、多数の電池は直列に配置されてＦＣスタック組立体を形成することができる。ＦＣスタック組立体内では、複数の電池が電気的に直列となるように一体に積層され得、ガス不透過性で電気伝導性の両極性プレートによって分離され得る。両極性プレートは様々な機能を実行することができ、多様な形で構成され得る。特定の実施形態では、両極性プレートは１つまたは複数の熱交換面を有する１つまたは複数の内部冷却通路および／またはチャンネルを画定することができ、その動作中に発生する熱をＦＣスタックから除去するために、この１つまたは複数の内部冷却通路および／またはチャンネルを通って冷却剤が流れることができる。
[0017]図１が、本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック組立体のＦＣスタック端電池１００の一部分を示す。ＦＣスタック組立体は、とりわけ、乗物に含まれるＦＣシステムのＦＣスタック組立体であってよい。乗物は、自動車、海上船舶、飛行機、および／または、任意の他の種類の乗物であってよく、本明細書で開示されるシステムおよび方法を組み込むために任意適切な種類のドライブトレインおよび／または据え置きの電源装置を有してよい。ＦＣシステムは、乗物の特定の構成要素、および／または、本明細書ではまとめて燃料電池の電力供給を受ける設備（ＦＣＰＥ：ＦＣ ｐｏｗｅｒｅｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）として説明される他の電動デバイスに電力を提供するように構成され得る。例えば、ＦＣシステムは、乗物の電気ドライブトレイン部品に電力を提供するように構成され得る。ＦＣスタック組立体はスタック構成として配置される多数の電池を有することができ、また、上で説明した特定のＦＣシステム要素および／または特徴部分を有することができる。
[0018]ＦＣスタック端電池１００が、プロトン交換膜（ＰＥＭ：ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）１０６によって分離されるカソード１０４およびアノード１０２を備えることができる。カソードが、ＰＥＭ１０６の第１の側に面して配置されるカソード側触媒層と、カソード側触媒層に面して配置されるカソード側多孔層とを備えることができる。カソード側多孔層を含むカソード側ガス拡散層１０８がカソード１０４に面して配置され得る。ＦＣのアノード１０２が、ＰＥＭ１０６の第２の側に面して配置されるアノード側触媒層と、アノード側触媒層に面して配置されるアノード側多孔層とを備えることができる。アノード側多孔層を含むアノード側ガス拡散層１１０がアノード１０２に面して配置され得る。ＦＣスタックのＦＣは電気的に直列となるように一体に積層され得、ガス不透過性で電気伝導性のプレートによって分離され得る。プレートが複数の導電性シートを備えることができる。例えば、第１のプレートがシート１１２を備えることができ、第２のプレートがシート１１４を備えることができる。例えばＦＣスタック端電池１００などの特定の構成では、ＦＣスタック端電池１００の少なくとも１つのプレートが単一のシートを備えることができる。
[0019]特定の実施形態では、電気伝導性プレートのシートは、機械加工、成形および／または打ち抜き加工などを含めた多様な手法で製造され得る。シートは溶接および／または任意の他の接着プロセスを介して（例えば、特定の接合位置で）一体に付着されて電気伝導性プレートを形成することができる。導電性プレートおよび／または構成シート１１２、１１４は、例えば、鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、炭素および／またはグラファイトなどを含めた、任意適切な材料を含むことができる。別の実施形態では、導電性プレートおよび／または構成シート１１２、１１４は、関連するＦＣシステムの動作中に接触抵抗を低減して両極性プレートおよび／または構成シート１１２、１１４の劣化を軽減するようにとりわけ構成される導電性の保護コーティングを含む材料を含むことができる。
[0020]特定の実施形態では、第１の電気伝導性プレートのカソード側がシート１１４によって画定され得る。同様に、第２の電気伝導性プレートのアノード側がシート１１２によって画定され得る。シート１１２が複数のアノード側流れチャンネル１１６を画定することができる。シート１１４が複数のカソード側流れチャンネル１１８を画定することができる。カソード反応物質（ｃａｔｈｏｄｅ ｒｅａｃｔａｎｔ）（例えば、酸素および／または空気）がカソード流れチャンネル１１８を通って流れることができ、アノード反応物質（ａｎｏｄｅ ｒｅａｃｔａｎｔ）（例えば、水素）がアノード流れチャンネル１１６を通って流れることができる。カソード反応物質（例えば、酸素および／または空気）がカソード側ガス拡散層１０８を介して拡散してカソード触媒層１０４内で反応することができる。アノード反応物質（例えば、水素）がアノード側ガス拡散層１１０を介して拡散してアノード触媒層１０２内で反応することができる。水素イオンがＰＥＭ１０６を通って伝播することができ、それにより電流を発生させる。示されないが、シート１１２、１１４は、ＦＣスタックの動作中に冷却剤の流れを促進するための複数の冷却流体流れチャンネルをさらに画定することができる。
[0021]本明細書で開示される実施形態に一致して、ＦＣスタック端電池１００が診断能力および検出能力を向上させるように構成され得る。特定の実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のアノード側（すなわち、シート１１２、アノード側ガス拡散層１１０、および／または、アノード１０２を備える）が、ＦＣスタック内の他の電池（すなわち、非端電池）よりも少ないアノードガス流量を有するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、アノードガス流量は少なくとも５％少なくてよいが、他の相対的圧力降下も企図される。ＦＣスタック端電池１００（すなわち、シート１１４、カソード側拡散媒体層１０８、および／または、カソード１０４を備える）のカソード側が、ＦＣスタック内の他の電池（すなわち、非端電池）よりも多いカソードガスの流れを有するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、カソードガス流量は少なくとも約５％多くてよいが、他の相対的カソード流量も企図される。開示されるＦＣスタック端電池１００の実施形態は、とりわけ、不利な状態および／または事象によりＦＣスタック内の他の電池が悪影響を受ける前にＦＣスタック組立体内のそのような不利な状態および／または事象を検出するのを可能にすることができる。
[0022]特定の実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のアノード側が、ＦＣスタック内の他の電池よりアノードガスの流れを少なくするのを達成することを目的として多様な形で構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、アノード側に含まれる電気伝導性プレートのシート１１２が、ＦＣスタック内の他の電池に関連付けられたアノード側流れチャンネルに対して浅いアノード側流れチャンネル１１６を画定することができる。別の実施形態では、アノード側拡散媒体層１１０がより柔らかくてよく、および／または、別の方法で、ＦＣスタック内の他の電池に関連付けられた拡散媒体層に対してアノード側流れチャンネル１１６内により容易に侵入するように設計されてよい。いくつかの実施形態では、関連する流れ場を制限することによりアノードのガス流量を少なくするのを達成することができる。例えば、アノード側は、アノードトンネル（ａｎｏｄｅ ｔｕｎｎｅｌ）の中に、および／または、入口の水素マニホールドと出口の水素マニホールドとの間の活性領域の流れ場上に、１つまたは複数の部分的に遮断されるアノード通路（ａｎｏｄｅ ｐａｓｓａｇｅｗａｙ）を有するように構成され得る。
[0023]端電池のロバスト性を向上させるために、本明細書の実施形態に一致するＦＣスタック端電池１００のアノード側のアノードガス流量が少ないことが、さらに、アノード触媒層１０２がＦＣスタック内の他の電池のアノードに対してより多量の酸素発生反応触媒を含むことと組み合わされ得る。例えば、特定の実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のアノード１０２がＦＣスタック内の他の電池のアノードより４倍から８倍多い酸素発生反応触媒を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＩｒＯｘの担持量が高いアノードがＦＣスタック端電池１００と共に利用され得る。別の実施形態では、白金黒がアノード触媒として利用され得る（例えば、炭素上で担持される白金ナノ粒子の代わりに）。いくつかの実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のアノード１０２が、黒鉛化炭素、炭素ナノ繊維／ナノチューブ、ＴｉＯｘやＳｎＯｘなどの金属酸化物担体、および／または、Ｗ、Ｉｎ、Ｓｂでさらにドープされた上記の酸化物、ならびに／あるいは、同様のもの、などのより高い耐食性の触媒担体を含むことができる。
[0024]いくつかの実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のカソード側が、ＦＣスタック内の他の電池より流れを相対的に多くするのを達成することを目的として多様な形で構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、カソード側に含まれる電気伝導性プレートのシート１１４が、ＦＣスタック内の他の電池に関連付けられたカソード側流れチャンネルに対してより深いカソード流れチャンネル１１８を備えることができる。別の実施形態では、カソード側ガス拡散層１０８がより薄くてよく、および／または、別の方法で、ＦＣスタック内の他の電池に関連付けられたガス拡散層に対してカソード側流れチャンネル１１８内により多く侵入しないように設計されてよい（例えば、カソード側ガス拡散層１０８が相対的により堅くてよい）。別の実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のカソード１０４がＦＣスタック内の他の電池より低いイオノマー対炭素比率を有してもよい。
[0025]ＦＣスタック端電池１００の診断能力および検出能力を向上させるための種々の例示の特徴部分、さらには、ＦＣスタック端電池のロバスト性を向上させるための特徴部分が、上で考察した特徴部分の多くを含めて、以下の表１に列挙される。
Figure 2016207656
[0026]特定の実施形態では、本明細書で開示される実施形態に一致するカソード端電池がスタック内の他の電池に対してそれらのロバスト性を向上させるような特徴部分によって強化され得、それにより端電池がスタックの寿命を通してそれらの診断能力を確実に維持することができるようになる。例えば、端電池のロバスト性を向上させるために、カソード端電池内の流れが多いことが、カソード触媒層１０４が、高い白金担持量を示し、黒鉛化炭素を含み、および／または、白金黒などの腐食性の低い触媒を含むことと組み合わされ得る。別の実施形態では、ＰＥＭ１０６が従来の膜より高い化学的ロバスト性および機械的ロバスト性を有することができる。
[0027]本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池１００が、端電池の電圧および／または抵抗を監視するのを可能にすることができ、ならびに／あるいは、他のスタック電池の電圧および／または抵抗の監視要求を低減または排除するのを可能にすることができる。端電池１００が、診断能力および／または検出能力を向上させるために、例えば電気化学式の水素センサ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒ）などの、診断のセンサ、デバイスおよび／またはツール、ならびに／あるいは、端電池のインピーダンス測定などをさらに組み込むことができる。特定の実施形態では、ＦＣスタックが、ＦＣスタック端部のどちらか一方または両方に、本明細書で開示される実施形態に一致する単一の端電池１００および／または複数の端電池１００のいずれかを備えることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＦＣスタックは１０個の端電池を備えることができ、本明細書で開示される診断特徴部分の実施形態を組み込むスタックの各端部に５つの端電池を備える。
[0028]特定の実施形態では、開示される実施形態に一致する特徴部分を組み込むＦＣスタック端電池１００がＦＣスタック組立体の一方および／または両方の端部上に位置することができる。別の実施形態では、開示される実施形態に一致する特徴部分を組み込むＦＣスタック端電池１００が、ＦＣスタック組立体の端部ではない場所を含めたＦＣスタック組立体内の任意の他の場所に位置してもよい。下に提示される表２が、ＦＣスタック組立体内の、開示される実施形態に一致する１つまたは複数のスタック端電池１００を含むための例示の場所と、これらの例示の場所にＦＣスタック端電池１００を組み込むことにより達成され得る関連の改善される診断能力および／または検出能力とを示す。
Figure 2016207656
[0029]開示されるＦＣスタック端電池１００の実施形態は、とりわけ、関連する有害な影響がＦＣスタック組立体内の他の電池内で発生する前に不利な事象および／または状態を検出するのを可能にすることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のアノード側の流量が相対的に少ないことで、ＦＣスタック組立体内の他の電池より先に、端電池がスタックの電流に対する流れの化学量論比の低下および／またはフラッディング状態を経験し得る。したがって、ＦＣスタック組立体に関連付けられた制御システムおよび／またはセンサによりＦＣスタック端電池１００内でこのような状態が検出されると、ＦＣスタック組立体内の他の電池の損傷を軽減するために１つまたは複数の保護処置が実施され得る。いくつかの実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のアノード１０２は、酸素発生反応触媒の担持量が高いことを理由としてＦＣスタック組立体の全体的な水素の不足（ｇｌｏｂａｌ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｔａｒｖａｔｉｏｎ）が検出されるときに電池反転に対してより高い許容性を有することができ、したがって、端電池１００は通常の動作時に発電能力を維持することができる。
[0030]同様に、特定の実施形態では、ＦＣスタック端電池１００のカソード側の流量が多いことで、特にはＦＣスタックが高い温度かつ低い相対湿度で動作する場合に、通常、ＦＣスタック組立体内の他の電池より先に、端電池が流れの化学量論比の著しい増加およびひいてはドライアウト状態の増大を経験し得る。ＦＣスタック内の電池の著しいドライアウトは、検出されない場合、局所的な発熱を増大する可能性があり、最終的に、短絡が発生し、膜内に穴が形成される可能性がある。ＦＣスタック組立体内の他の電池でその有害な影響が発生する前に端電池がドライアウト状態に反応することが可能であることにより、ＦＣスタック組立体に関連付けられた制御システムおよび／またはセンサによりＦＣスタック端電池１００内のそのような状態を検出することができ、ＦＣスタック組立体内の電池の損傷を軽減するために１つまたは複数の保護処置が実施され得る。
[0031]端電池１００は空気側でより多くの流れを有することができることから、スタックの残りの電池よりも早くドライアウトすることができる。端電池内の膜がドライアウトすると、そのプロトン抵抗（ｐｒｏｔｏｎｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）（Ｒ）がスタックの残り電池よりも早く増大することができる。抵抗損により電池電圧が低下することから（この場合の電圧低下はＩ×Ｒに等しい）、端電池の電池電圧がスタックの残りの電池より早く低下することができる。制御システムがドライアウトのこのような初期の指標（ｌｅａｄｉｎｇ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）を監視することができ、必要な改善処置および／または保護処置をとることができる。
[0032]数ある状態の中でも特に、本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池１００は、長時間の低電力時または起動時に少ない流れ／低い化学量論比および／またはフラッディング状態を検出すること、低い相対湿度および／または高温状態を検出すること、空気−空気スタート（ａｉｒ−ａｉｒ ｓｔａｒｔ）時に水素不足状態を検出すること、ならびに／あるいは、長時間の停止後に空気侵入を検出することに関連して利用され得る。このような状態を検出すると、ＦＣスタック組立体の損傷を軽減するために、アノードの化学量論比／流れを増大すること、スタックの温度を低下させること、および／または、カソード入口のＲＨを増大すること、あるいは、ＦＣシステムを停止すること、などの適切な保護処置がとられ得る。
[0033]低電力では、端電池１００がフラッディングを検出することができ、考えられる改善処置および／または保護処置には、比較的短い継続時間で水素流量を増大させてパワーを増大させることおよび／またはアノードの水素抽気事象（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｌｅｅｄ ｅｖｅｎｔ）を引き起こすことが含まれてよい。パワーを増大させることは、システムがパワーを上乗せ分だけ低下させるくらいの（例えば、バッテリーを充電するくらいの）容量を有する場合に、可能となり得る。高電力では、端電池１００が過度なドライアウトを検出することができ、関連の保護処置には、パワーを低下させること、または、可能である場合に温度を低下させること（例えば、ラジエータフローを増大させることおよび／またはラジエータファンを有効にすることによる）が含まれてよい。
[0034]上で考察したように、開示される実施形態に一致する診断特徴部分および／またはロバスト性の特徴部分を組み込む複数の端電池がＦＣスタック組立体内に含まれ得る。特定の実施形態では、複数の端電池の各端電池が特定のスタック状態の診断を改善するための１つまたは複数の異なる特徴部分を組み込むことができる。例えば、第１の端電池が制限されるアノード流れ場を備えることができ、第２の端電池がより制限されないカソード流れ場を備えることができる。この実施例では、第１の端電池の電圧が低いと評価される場合、アノードへの水素の流れが増大され得る。同様に、第２の端電池の電圧が低いと評価される場合、スタックのドライアウトを低減するために１つまたは複数の処置が行われ得る。他の実施形態では、端電池が開示される実施形態に一致する同様の特徴部分を組み込むこともでき（例えば、アノードおよび／またはカソードの両方の特徴部分）、端電池の測定および／またはＦＣスタック組立体全体に関連する端子の測定（ｔｅｒｍｉｎａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）に基づいて多様なスタック状態が特定され得る。
[0035]図１に関連して提示した、開示されるＦＣスタック端電池１００の実施形態に対して本発明著作物（ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ ｂｏｄｙ ｏｆ ｗｏｒｋ）の範囲内で多くの変形形態が作られ得ることを理解されたい。例えば、本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池１００は様々な他の幾何形状および／または構成を有するＦＣスタック組立体にも統合され得る。したがって、図１が例示および説明を目的として提示されており、限定することを目的としていないことを理解されたい。
[0036]図２が、本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池１００ａ、１００ｂを有するＦＣスタック組立体２００の図を示す。ＦＣスタック組立体２００がウェットエンド２０４をさらに備えることができ、このウェットエンド２０４を介してアノードガスおよびカソードガスがスタックおよびドライエンド２０６に入ることができる。ＦＣスタック組立体２００では、アノードガスおよびカソードガスの入口および出口ならびに冷却剤の入口および出口が示されていないことに留意されたい。特定の実施形態では、ＦＣスタック端電池１００ａ、１００ｂが図１を参照して上で説明したＦＣスタック端電池の特定の特徴部分を有するように構成され得、また、ＦＣスタック組立体２００に含まれる他の電池２０２とは異なる形で構成され得る。いくつかの実施形態では、ＦＣスタック端電池１００ａ（すなわち、ドライエンド２０６に関連付けられたＦＣスタック端電池１００ａ）が、アノードのフラッディング、電池のドライアウト、および／または、空気−空気スタート状態での水素の不足を検出することに関連して使用され得る。別の実施形態では、ＦＣスタック端電池１００ｂ（すなわち、ウェットエンド２０４に関連付けられたＦＣスタック端電池１００ｂ）が、アノードのフラッディング、電池のドライアウト、および／または、空気侵入状態を検出することに関連して使用され得る。開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池１００ａ、１００ｂは、上で考察したように、ＦＣスタック組立体２００の端部に位置するように示されるが、他の実施形態ではＦＣスタック組立体２００内の任意の場所に位置してよい。
[0037]図３が、本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタックを組み立てる例示の方法３００のフローチャートを示す。具体的には、方法３００は、本明細書で開示される実施形態に一致するＦＣスタック端電池を組み込むＦＣスタック組立体を組み立てるのに使用され得る。３０２で、方法３００が開始され得る。３０４で、複数の燃料電池がスタック構成となるように組み立てられ得る。例えば、複数の電池が電気的に直列となるように一体に積層され得、ガス不透過性で電気伝導性の両極性プレートによって分離され得る。
[0038]３０６で、第１の端電池または１組の端電池がスタック構成の第１の端部に配置され得る。第１の端電池または１組の端電池は、とりわけ、スタック構成内の他の燃料電池に対してより少ないアノードガスの流れを有するアノード側と、スタック構成内の他の燃料電池に対してより多いカソードガスの流れを有するカソード側を含むカソード側とを備えることができる。３０８で、第２の端電池または１組の端電池がスタック構成の第２の端部に配置され得る。第１の端電池と同様に、第２の端電池または１組の端電池は、とりわけ、スタック構成内の他の燃料電池に対してより少ないアノードガス流量を有するアノード側と、スタック構成内の他の燃料電池に対してより多いカソードガス流量を有するカソード側を含むカソード側とを備えることができる。上述の構成を有する第１および第２の電池を利用することにより、例えば、不利な状態および／または事象によりＦＣスタック内の他の電池が悪影響を受ける前にＦＣスタック組立体内のそのような不利な状態および／または事象を検出するのを可能にすることができる。３１０で、方法３００が終了され得る。
[0039]上記では分かりやすいようにある程度詳細に説明してきたが、本発明の原理から逸脱することなくいくつかの変更形態および修正形態が作られ得ることが明らかであろう。例えば、特定の実施形態では、本明細書で開示されるシステムおよび方法が乗物に含まれないＦＣシステムと共に利用されてもよい。本明細書で説明されるプロセスおよびシステムの両方を実施するのに多くの代替的手法が存在することに留意されたい。したがって、本発明の実施形態は例示的であるとみなされ、限定的であるとはみなされず、また、本発明は本明細書で与えられる細部のみに限定されず、添付の特許請求の範囲および均等物の範囲内で修正され得る。
[0040]上記の明細書では、種々の実施形態を参照して説明を行ってきた。しかし、本開示の範囲から逸脱することなく様々な修正形態および変更形態が作られ得ることを当業者であれば理解するであろう。例えば、特定の用途に応じて、または、システムの動作に関連付けられた任意の数のコスト関数を考慮することにより、種々の動作ステップ、さらには、動作ステップを実行するための構成要素が、代替的手法で実施され得る。したがって、これらのステップのうちの任意の１つまたは複数のステップが削除されることも、修正されることも、他のステップと組み合わされることもある。また、本開示は限定的な意味ではなく例示的な意味で見られるべきであり、このようなすべての修正形態が本発明の範囲に含まれることを意図される。同様に、種々の実施形態に関連させて、利益、他の利点、および、問題に対する解決策を上で説明してきた。しかし、任意の利益、利点または解決策を生み出すことができるかまたはそれらをより明確にすることができるような利益、利点、問題に対する解決策、および、任意の要素であっても、重要な特徴部分または要素、必須の特徴部分または要素、あるいは、不可欠な特徴部分または要素として解釈されない。
[0041]本明細書で使用される「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える、含む）」および「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」という用語ならびにそれらの任意の他の語尾変化は非排他的な含有を含むことを意図され、したがって、要素のリストを含むプロセス、方法、物品または装置は、それらの要素のみを含むわけではなく、明確に列記されるわけではない他の要素、または、これらのプロセス、方法、システム、物品または装置に固有であるような他の要素も含むことができる。また、本明細書で使用される「ｃｏｕｐｌｅｄ（結合される）」、「ｃｏｕｐｌｉｎｇ（結合する）」という用語、およびそれらの任意の他の語尾変化は、物理的な接続、電気的な接続、磁気的な接続、光学的な接続、通信的な接続、機能的な接続、および／または、任意の他の接続も包含することを意図される。本発明の基本原理から逸脱することなく、上で説明した実施形態の細部に対して多くの変更形態が作られ得ることを当業者であれば理解するであろう。したがって、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲のみによって決定されるべきである。
（項目１）
乗物に含まれる燃料電池システムであって、
燃料電池スタック組立体内に構成される複数の燃料電池を備え、前記複数の燃料電池が、
前記燃料電池スタックの第１の端部上に配置される少なくとも１つの端電池を備え、前記少なくとも１つの電池が、前記燃料電池スタック組立体内の前記複数の燃料電池の他の燃料電池に対してより少ないアノードガス流量を示すように構成されるアノード側を備え、
前記アノード側のアノード材料が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるアノードに対してより多量の酸素発生反応触媒を有するアノード材料を含む、
燃料電池システム。
（項目２）
前記より少ないアノードガス流量が少なくとも５％少ない流量を含む、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目３）
前記少なくとも１つの端電池の前記アノード側が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるアノード側流れチャンネルに対してより浅い複数のアノード側流れチャンネルを備える、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目４）
前記少なくとも１つの端電池の前記アノード側が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に関連付けられた拡散媒体層よりも前記アノード側のアノード側流れチャンネルに多く侵入するように構成されるガス拡散層を備える、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目５）
前記少なくとも１つの端電池の前記アノード側が、少なくとも１つの制限構造を備えるアノード流れ場を備える、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目６）
前記酸素発生反応触媒が酸化イリジウムを含む、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目７）
前記アノード材料が耐食性材料を含む、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目８）
前記耐食性材料が、黒鉛化炭素、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維および金属酸化物材料のうちの少なくとも１つを含む、項目７に記載の燃料電池システム。
（項目９）
前記アノード材料が白金黒を含む、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目１０）
前記少なくとも１つの端電池が前記燃料電池スタック組立体に含まれる複数の端電池の端電池を含み、前記複数の端電池の各端電池が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に対して異なる反応ガス流量を示すように構成される側を有する、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目１１）
乗物に含まれる燃料電池システムであって、
燃料電池スタック組立体内に構成される複数の燃料電池を備え、前記複数の燃料電池が、
前記燃料電池スタックの第１の端部上に配置される少なくとも１つの端電池を備え、前記少なくとも１つの電池が、前記燃料電池スタック組立体内の前記複数の燃料電池の他の燃料電池に対してより多いカソードガス流量を示すように構成されるカソード側を備え、
前記カソード側のカソード材料が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるカソードに対してより低いイオンメーター対炭素比率を有するカソード材料を含む、
燃料電池システム。
（項目１２）
前記より多いカソードガス流量が少なくとも５％多い流量を含む、項目１１に記載の燃料電池システム。
（項目１３）
前記少なくとも１つの端電池の前記カソード側が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるカソード側流れチャンネルに対してより深い複数のカソード側流れチャンネルを備える、項目１１に記載の燃料電池システム。
（項目１４）
前記少なくとも１つの端電池の前記カソード側が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に関連付けられた拡散媒体層よりも前記カソード側のカソード側流れチャンネル内に侵入しないように構成されるガス拡散層を備える、項目１１に記載の燃料電池システム。
（項目１５）
前記少なくとも１つの端電池の前記カソード側の前記カソード材料が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるカソードに対してより高い白金担持量を有する材料を含む、項目１１に記載の燃料電池システム。
（項目１６）
前記カソード材料が耐食性材料を含む、項目１１に記載の燃料電池システム。
（項目１７）
前記耐食性材料が、黒鉛化炭素、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維および金属酸化物材料のうちの少なくとも１つを含む、項目１６に記載の燃料電池システム。
（項目１８）
前記カソード材料が白金黒を含む、項目１１に記載の燃料電池システム。
（項目１９）
前記少なくとも１つの端電池が前記燃料電池スタック組立体に含まれる複数の端電池の端電池を含み、前記複数の端電池の各端電池が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に対して異なる反応ガス流量を示すように構成される側を有する、項目１１に記載の燃料電池システム。
（項目２０）
燃料電池システムを組み立てるための方法であって、
前記燃料電池システムの燃料電池スタックの構成要素を組み立てるステップを含み、前記組み立てるステップが、
複数の燃料電池をスタック構成となるように配置するステップと、
前記スタック構成の第１の端部に第１の端電池を配置するステップと、
前記スタック構成の第２の端部に第２の端電池を配置するステップと
を含み、
前記第１の端電池および前記第２の端電池の各々が、前記燃料電池スタック組立体の前記複数の燃料電池に対してより少ないアノードガス流量を有するアノード側を備え、
前記第１の端電池および前記第２の端電池の各々が、前記燃料電池スタック組立体の前記複数の燃料電池に対してより多いカソードガス流量を有するカソード側を備える、方法。
１００ ＦＣスタック端電池
１００ａ ＦＣスタック端電池
１００ｂ ＦＣスタック端電池
１０２ アノード
１０４ カソード
１０６ プロトン交換膜
１０８ カソード側ガス拡散層
１１０ アノード側ガス拡散層
１１２ シート
１１４ シート
１１６ アノード側流れチャンネル
１１８ カソード側流れチャンネル
２００ ＦＣスタック組立体
２０２ 他の電池
２０４ ウェットエンド
２０６ ドライエンド
３００ 方法
３０２ 開始ステップ
３０４ 組み立てステップ
３０６ 配置ステップ
３０８ 配置ステップ
３１０ 終了ステップ

Claims (20)

  1. 乗物に含まれる燃料電池システムであって、
    燃料電池スタック組立体内に構成される複数の燃料電池を備え、前記複数の燃料電池が、
    前記燃料電池スタックの第１の端部上に配置される少なくとも１つの端電池を備え、前記少なくとも１つの電池が、前記燃料電池スタック組立体内の前記複数の燃料電池の他の燃料電池に対してより少ないアノードガス流量を示すように構成されるアノード側を備え、
    前記アノード側のアノード材料が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるアノードに対してより多量の酸素発生反応触媒を有するアノード材料を含む、
    燃料電池システム。
  2. 前記より少ないアノードガス流量が少なくとも５％少ない流量を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記少なくとも１つの端電池の前記アノード側が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるアノード側流れチャンネルに対してより浅い複数のアノード側流れチャンネルを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記少なくとも１つの端電池の前記アノード側が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に関連付けられた拡散媒体層よりも前記アノード側のアノード側流れチャンネルに多く侵入するように構成されるガス拡散層を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記少なくとも１つの端電池の前記アノード側が、少なくとも１つの制限構造を備えるアノード流れ場を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記酸素発生反応触媒が酸化イリジウムを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記アノード材料が耐食性材料を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. 前記耐食性材料が、黒鉛化炭素、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維および金属酸化物材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記アノード材料が白金黒を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 前記少なくとも１つの端電池が前記燃料電池スタック組立体に含まれる複数の端電池の端電池を含み、前記複数の端電池の各端電池が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に対して異なる反応ガス流量を示すように構成される側を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  11. 乗物に含まれる燃料電池システムであって、
    燃料電池スタック組立体内に構成される複数の燃料電池を備え、前記複数の燃料電池が、
    前記燃料電池スタックの第１の端部上に配置される少なくとも１つの端電池を備え、前記少なくとも１つの電池が、前記燃料電池スタック組立体内の前記複数の燃料電池の他の燃料電池に対してより多いカソードガス流量を示すように構成されるカソード側を備え、
    前記カソード側のカソード材料が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるカソードに対してより低いイオンメーター対炭素比率を有するカソード材料を含む、
    燃料電池システム。
  12. 前記より多いカソードガス流量が少なくとも５％多い流量を含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記少なくとも１つの端電池の前記カソード側が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるカソード側流れチャンネルに対してより深い複数のカソード側流れチャンネルを備える、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  14. 前記少なくとも１つの端電池の前記カソード側が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に関連付けられた拡散媒体層よりも前記カソード側のカソード側流れチャンネル内に侵入しないように構成されるガス拡散層を備える、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  15. 前記少なくとも１つの端電池の前記カソード側の前記カソード材料が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に含まれるカソードに対してより高い白金担持量を有する材料を含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  16. 前記カソード材料が耐食性材料を含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  17. 前記耐食性材料が、黒鉛化炭素、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維および金属酸化物材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記カソード材料が白金黒を含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  19. 前記少なくとも１つの端電池が前記燃料電池スタック組立体に含まれる複数の端電池の端電池を含み、前記複数の端電池の各端電池が、前記複数の燃料電池の前記他の燃料電池に対して異なる反応ガス流量を示すように構成される側を有する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  20. 燃料電池システムを組み立てるための方法であって、
    前記燃料電池システムの燃料電池スタックの構成要素を組み立てるステップを含み、前記組み立てるステップが、
    複数の燃料電池をスタック構成となるように配置するステップと、
    前記スタック構成の第１の端部に第１の端電池を配置するステップと、
    前記スタック構成の第２の端部に第２の端電池を配置するステップと
    を含み、
    前記第１の端電池および前記第２の端電池の各々が、前記燃料電池スタック組立体の前記複数の燃料電池に対してより少ないアノードガス流量を有するアノード側を備え、
    前記第１の端電池および前記第２の端電池の各々が、前記燃料電池スタック組立体の前記複数の燃料電池に対してより多いカソードガス流量を有するカソード側を備える、方法。
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