JP4825671B2 - 燃料電池スタックをシャットダウンする方法及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、シャットダウン中における燃料電池直列スタックの電池内の水分布を改善する方法および設計に関する。特に、固体高分子電解質燃料電池スタックのシャットダウンに関する。
燃料電池スタックを、シャットダウンしながら、冷やしていくときに、スタック中の電池に渡って(across)、適切な温度差の維持を確保すれば、シャットダウン後に、望ましい水分布が得られるということが、分かってきた。例えば、このような方法によって、固体高分子電解質燃料電池スタックに残っている水は、より冷たいフローフィールドから選ばれたセットの中に集中され、適切に処理され、その一方で、膜電解質に十分残っている水は、導電性の目的に使われる。
本発明のシャットダウン方法は、SPE燃料電池スタックの望ましい水分布を得るために、特に有用である。典型的なSPE燃料電池スタックを図1に、模式的に示す。スタック1は、スタック1の正極端と負極端に、それぞれ電池2と電池3とを含むスタック化された複数の電池を備える。両極端との間に、複数の電池4(単純化するために、図1では、両端間には、2つの電池しか描かれていない)を備える。各電池は、固体高分子電解質膜5を含む。適切な触媒層(図示せず)が、各電池のアノードとカソードとして機能し、各膜5の対向する面に適用される。各電池は、アノードガス拡散層6と、カソードガス拡散層7をさらに備える。さらに、各電池のガス拡散層6と7に、それぞれアノードフローフィールドプレート8とカソードフローフィールドプレート9とが隣接している。各プレートはアノードフローフィールドチャネル10とカソードフローフィールドチャネル11とをそれぞれ備える。図示されているように、各アノードフローフィールドプレート8(端にある電池2を除く)は、クーラントフローフィールドチャネル12を含む。典型的には、負と正のバスプレート(図示せず)および一対の圧縮プレート(図示せず)が、スタックの両端に備えられる。流体は、様々なポート(port)やマニフォールド(manifold)(図示せず)を介し、反応剤とクーラントのフローフィールドに/から提供される。
さらに、「冷たい」端を冷やすことも、また、(例えば、ペルティエデバイス経由またはクーラント流れによって)制御されうる。
アスペクト比の高い2つのSPE燃料電池が作成され、ここで、MEAは、NAFION(登録商標)N112のパーフルオロスルホン酸膜電解質を備える。MEAの電解質膜は、一面はPt/Ru触媒で担持されたカーボンをともない、アノード電極の役割を、もう一面はPt触媒で担持されたでカーボンをともない、カソード電極の役割をそれぞれが担う。MEAは、また、触媒でコーティングされた膜電解質の各側で、ガス拡散層として機能するようなポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を植え付けた炭素繊維紙基板を備える。直線性フローチャネルが形成されるGrafoil(登録商標)グラファイト反応剤のフローフィールドプレートが、MEAの両側に置かれ、こうして燃料電池組み立てが完成する。
図1に示すのと同様な燃料電池の構成で、カソードフローフィールドプレートには約6gの水が加えられたが、アノード側は乾燥した状態のものが準備された。膜電解質は、約5重量%の水(室内の温度および湿度状態と同じレベル)を吸収した。その後、電池構成の濡れたカソード側を、70℃のホットプレートに載せ、アノードフローフィールドプレートがカソードのフローフィールドプレートより約2℃低くなるように、アノード側を断熱した。この配置において、カソード側からアノード側への水の移動速度は、アノードプレートの重量増を測定して決定された。(電池を取り出し、約30秒冷却後、アノードプレートの各重量測定を行った。)このテストは、アノード側の断熱を使うことなく、アノードフローフィールドプレートが、カソードフローフィールドプレートより約4℃低くなるようにして、繰り返し行われた。
図2bに、時間経過にともなうMEAを介した水の移動速度をg/℃で示す。カソードプレートの温度がX軸にプロットされている。図2bには、また、温度を関数とした水の飽和圧も示している。双方とも、同じ形状を示す。温度の上昇にともない、膜を介した水の濃度勾配も拡散速度も大きくなる。
実施例1の燃料電池の構成と同様な燃料電池の構成で、MEAから2つの円形の部分が切り抜かれたものが、準備された。MEAは、濡らされ、これら切抜き部のガス拡散層と触媒でコーティングされた膜の重量が測定された。濡れたアノードフローフィールドプレートと乾燥したカソードフローフィールドプレートの重量も測定された。そして、燃料電池の構成は、両プレートの間にMEA(切抜き部も含む)を置いて、準備された。実施例1と同じ加熱機器を用い、60℃で約20分間、燃料電池の構成(アノードを熱くして)に渡って、約2〜3℃の温度差が生じるようにした。その後、燃料電池の構成は、解体され、各種構成要素の重量が再び測定された。温度勾配をかける前後の各構成要素中の水分重量を、既知の各構成要素の重量から減じることで計算された。その結果を表2に示す。
温度差を与えることは、アノードフローフィールドプレートにある水が、カソードフローフィールドプレートに移動する原因となる。アノードフローフィールドプレート、および、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層は完全に乾燥している。乾燥ガスでパージして、これらの構成要素を乾燥させる必要はない。しかしながら、触媒でコーティングされた膜は、相変わらず、燃料電池の起動に十分な膜伝導性を提供すると期待される水量を維持している。(当業者なら、膜の水和性が高い方が好ましく、燃料電池スタックの所望の起動能力に応じ、シャットダウン時に、膜の水和性が高いように設計されうることは、理解される。)
本実施例は、わずかな温度差でアプリケーションしたとき、電池内の水は望ましい場所に著しく移動できることを証明している。
直列スタックが、実施例1と同様の燃料電池30個を用いて、準備された。各電池において、アノードフローフィールドプレートは、組み立て前に約3〜4gの水で濡らされた。断熱(発泡体(foam))が、スタックの全周囲を包まれ、個別に制御可能な加熱バスプレートが、スタックの各端に設置された。スタックは、次いで、独創的な冷却方法後の水分布と、従来型の冷却手順後の水分布の結果を比較するために、用いられた。
直列スタックが、実施例1と同様の燃料電池10個を用いて、準備された。スタックのカソード端に隣接して、電気ヒーターが取り付けられた。その後、スタックは、従来型の「湿式」条件(つまり、電流密度が1A/cm2、動作温度が60℃、水素と空気反応剤が29psiで、64℃の露点で供給され、かつ、化学量論組成がそれぞれ1.7と1.5)で、1時間、定常状態で動作させた。その後、負荷は外され、反応剤の供給は、中止された。次いで、ヒーターは、4.5時間、100℃にされた。スタック中にできた温度勾配は、約15℃であった。これは電池2と電池9との間で結びついているバイポーラープレートの間で測られたものである。ヒーターは切られ、スタックは強制的に20℃に冷却された。次いで、何ら追加の処理(例えば、凍結前のパージ)を受けることなく、スタックは−15℃の冷凍機に移された。
Claims (22)
- 少なくとも2個の直列にスタック化された燃料電池を有する燃料電池スタックをシャットダウンする方法であって、各燃料電池はカソード側とアノード側を有し、該方法は、
該スタックからの発電を停止することと、
冷却期間にわたって、該スタックを冷却可能とすることと、
該冷却期間中、各燃料電池の該カソード側と該アノード側との間において温度差を維持することであって、各燃料電池の該温度差の方向は同じである、ことと
を包含する、方法 - 前記冷却期間中、各燃料電池において、前記カソード側が前記アノード側より熱い、請求項1に記載の方法。
- 前記冷却期間中、各燃料電池において、前記アノード側が前記カソード側より熱い、請求項1に記載の方法。
- 前記スタックが固体高分子電解質燃料電池スタックである、請求項1に記載の方法。
- 前記スタックが直列にスタック化された複数の燃料電池を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記冷却期間中、前記スタックの両端間の温度プロファイルが鋸の歯状であり、該鋸の歯状の各歯が、1個の燃料電池に渡る温度プロファイルに対応する、請求項1に記載の方法。
- 前記スタックにおいて、各燃料電池は隣接する燃料電池と断熱されている、請求項6に記載の方法。
- 前記スタックは、クーラントチャネルをさらに備え、該チャネルは、前記スタックの隣接する燃料電池間の該チャネルの片側上に断熱ライナーを有する、請求項7に記載の方法。
- 前記冷却期間中、前記スタックの両端間の前記温度プロファイルが鋸の歯状であり、該鋸の歯状の各歯が、1つの燃料電池グループに渡る温度プロファイルに対応する、請求項1に記載の方法。
- 前記スタックが、各燃料電池グループ間にペルティエデバイスをさらに備える、請求項9に記載の方法。
- 前記スタックは、熱い端と冷たい端をさらに備え、前記冷却期間中に、該熱い端と該冷たい端との間で、前記燃料電池の温度が単調に減少する、請求項1に記載の方法。
- 前記スタックの前記熱い端が断熱されている、請求項11に記載の方法。
- 前記スタックの前記熱い端を加熱することをさらに包含する、請求項11に記載の方法。
- 前記スタックの前記冷たい端を冷却することをさらに包含する、請求項11に記載の方法。
- 前記冷却期間の開始時における各燃料電池の前記カソード側と前記アノード側との間の前記温度差が、燃料電池当たり1℃を超える、請求項1に記載の方法。
- 前記冷却期間前の前記スタックの温度が、70℃を超える、請求項1に記載の方法。
- 前記冷却期間後の前記スタックの温度が、40℃未満である、請求項16に記載の方法。
- 各燃料電池がカソード反応剤フローフィールドおよびアノード反応剤フローフィールドを備え、前記冷却期間中に、該反応剤フローフィールドがパージされない、請求項1に記載の方法。
- 各燃料電池がカソード反応剤フローフィールドおよびアノード反応剤フローフィールドを備え、前記冷却期間中に、各燃料電池の該反応剤フローフィールドの冷たい方はパージされる、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも2個の直列にスタック化された燃料電池を有する燃料電池スタックであって、各燃料電池はカソード側とアノード側を有する、燃料電池スタックと、
請求項1に記載の方法に従って該スタックをシャットダウンする手段と
を備える、燃料電池システム。 - 前記スタックは、クーラントチャネルをさらに備え、該クーラントチャネルは、前記スタックの隣接する燃料電池間の該チャネルの片側上に断熱ライナーを有する、請求項20に記載の燃料電池システム。
- 前記スタックは、前記スタック中の一対の電池間に、少なくとも1個のペルティエデバイスをさらに備える、請求項20に記載の燃料電池システム。
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