JP4870065B2 - 燃料電池スタックを動作させる方法 - Google Patents

Description

本開示全体が関連する分野は、燃料電池スタックおよび該スタックを動作させる方法を包含する。

車両用途では、燃料電池スタックは３０，０００を超える始動／停止サイクルに耐えることが要求され得る。燃料電池スタックの通常動作中、空気は連続的にスタックのカソード側部へ流入し、水素は連続的にスタックのアノード側部へ流入している。

停止の間、電気回路が開いていて、かつ電池に負荷がもう掛かっていない場合、許容できないアノード電位およびカソード電位が生み出され、結果として、触媒および触媒支持体が酸化し腐食し、また電池電位の低下につながることがある。

本発明の様々な実施形態は、燃料電池スタックおよびそれを動作させる方法を含む。
本発明の他の代表的な実施形態は、以下に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、本発明の代表的な実施形態を示すものであるが、単に例示のためのものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではないことを理解されたい。

本発明の代表的な実施形態は、詳細な説明および添付図面からさらに十分に理解されるであろう。

実施形態の以下の記載は、事実上代表例に過ぎず、本発明、その応用、または用途をいかなる形でも限定しようとするものではない。
図１は、多数のステップを含む本発明の一実施形態を示すフローチャートである。第１のステップ２００では、燃料電池スタックは、アノード反応ガス流れ場へ水素を流入させるとともに、カソード反応ガス流れ場へ空気を流入させ、スタックによって電気を生成して、外部回路内の主要な電気装置を動作させることによって、動作させることができる。第２のステップ２０２では、燃料電池スタックの停止中、主要な電気装置の燃料電池スタックへの接続が切断される。第３のステップ２０４では、カソード反応ガス流れ場へ空気を流入させることにより、カソード反応ガス流れ場内のガスがパージされる。第４のステップ２０６では、その後、カソード反応ガス流れ場へ水素を流入させることにより、次にカソード反応ガス流れ場内のガスがパージされる。第５のステップ２０８では、アノード反応ガス流れ場へ空気を流入させることにより、アノード反応ガス流れ場のガスがパージされる。第６のステップ２１０では、その後、アノード反応ガス流れ場が水素で満たされる。第７のステップ２１２では、燃料電池スタックの始動は、スタックが短絡された状態でアノード反応ガス流れ場へ水素を流入させ、次に短絡されたスタックの接続を切断し、カソード反応ガス流れ場へ空気を流入させる（始動中の燃料の枯渇を回避するため）ことによって達成することができる。

次に図２を参照すると、本発明の一実施形態は、複数の燃料電池を含む燃料電池スタック１０を含む燃料電池システム１００を含む。燃料電池はそれぞれ、電解質膜１２、カソード反応ガス流れ場を有するカソード側部１４、およびアノード反応ガス流れ場を有するアノード側部１６を含む。空気入口導管１８が提供され、圧縮機２０に接続される。圧縮機出口導管２２は、圧縮機２０から燃料電池スタックのカソード側部１４に接続される。圧縮機出口導管２２内には、導管２２を通るガスの流れを制御するため、第１のバルブ２４が提供される。

貯蔵タンク内の圧縮水素または貯蔵タンク内の液体水素などの水素源２６が提供される。第１の水素タンク出口導管２８は、水素源２６から燃料電池スタック１０のアノード側部１６まで延びる。第１の水素タンク出口導管２８内には、その一部分を通るガスの流れを制御するため、第２および第３のバルブ３０および３２が提供される。第１のバイパス導管３４が提供され、圧縮機２０と第１のバルブ２４の間の位置にある空気圧縮機出口導管２２と、第２のバルブ３０と第３のバルブ３２の間の位置にある第１の水素タンク出口導管２８との間を延びている。第２の水素ガス出口導管３８は、水素源２６と、燃料電池スタック１０のカソード側部１４とに接続される。第２の水素タンク出口導管３８内には、そこを通るガスの流れを制御するため、第５のバルブ４０が提供される。水素分配器装置４２が燃料電池スタック１０のカソード側部１４に提供される。カソード排気導管４４は、燃料電池スタックのカソード側部１４に接続され、カソード排気導管４４を通るガスの流れを制御するため、第６のバルブ４６を中に含む。アノード排気導管４８は、燃料電池スタック１０のアノード側部１６に接続され、そこを通るガスの流れを制御するため、第７のバルブ５０がアノード排気導管４８内に提供される。

燃料電池スタック１０は、冷却流体出口導管５２を含む冷却システム５１を使用して冷却されてもよく、そのような冷却流体出口導管５２は、例えばその一端で燃料電池スタック１０のアノード側部１６に、またその第２の端部で冷却水ポンプ５４に接続されている。冷却流体入口導管５６は、その一端で冷却水ポンプ５４に、また他端で燃料電池スタック１０のカソード側部１４に接続される。冷却水ループ内に、例えばポンプ５４と燃料電池スタック１０のカソード側部１４との間に、熱交換器５８が提供されてもよい。

燃料電池スタック１０によって生成された電気は、電気モーターまたは電気機械などの主要負荷６２を含む、かつ主要負荷６２と燃料電池スタック１０を接続・切断する第１の電気スイッチ６４を含む、第１の電気経路６０に使用される。第２の電気経路６６が提供され、燃料電池スタック１０に接続され、またそれは、抵抗器などの比較的低負荷の装置６８を含み、かつ低負荷の装置６８と燃料電池スタック１０を接続・切断する第２の電気スイッチ７０を含む。低負荷の装置６８は、後述するように燃料電池スタックを短絡するために使用される。電池４００が提供され、空気圧縮機２０および冷却水ポンプ５４それぞれに電力を供給するため、それらに接続されてもよい。

再び図２を参照すると、燃料電池スタック１０の通常動作中、バルブ２４、３２、３０、５０、および４６は開かれ、バルブ３６および４０は閉じられる。この構成により、通常動作の間、水素および空気のガスがそれぞれ、アノード側部１６およびカソード側部１４に流入することが可能になる。燃料電池スタック１０を停止するため、アノード排気導管４８内の第７のバルブ５０が閉じられる。液体の水および蒸気を除去するため、比較的短い期間の間、燃料電池スタック１０のカソード側部１４を通して乾燥空気がポンプ給送される。一実施形態では、乾燥空気は２０秒未満の間カソード側部１４を通してポンプ給送される。アノード側部１６の正圧を維持するため、比較的少量の水素が燃料電池スタックのアノード側部１６に流入することができるようになる。

その後、空気圧縮機２０はオフにされ、第１の電気経路６０内の第１の電気スイッチ６４が開いて、主要負荷６２の燃料電池スタック１０への接続を切断する。空気圧縮機出口導管２２内の第１のバルブ２４が閉じ、第２の水素タンク出口導管３８内の第５のバルブ４０が開いて、カソード反応ガス流れ場へ水素を流入させることにより、カソード反応ガス流れ場内のガスをパージする。カソード反応ガス流れ場へ水素を流入させることで、開路電圧がゼロまで引き下げられ、水素の酸化によってカソード側部１６の酸素が消費される。同時に、電池４００は、スタック１０に冷却水を循環させてスタック１０の温度を低下させるため、冷却水ポンプ５４を駆動するのに利用されてもよい。本発明の一実施形態では、スタックの温度は、７０℃超過〜５０℃超過の範囲の温度まで低下される。水素がカソード排気導管４４内の第６のバルブ４６に達すると、第６のバルブ４６は閉じられる。第２の水素タンク出口導管３８内の第５のバルブ４０は、燃料電池スタック１０のカソード側部１４で、周囲圧力を約１〜２ｋＰａ上回る正の水素圧力が維持されるように調節される。

その後、第１の水素タンク出口導管２８内の第２のバルブ３０が閉じられ、第１のバイパス導管４２内の第４のバルブ３６が開かれる。アノード排気導管４８内の第７のバルブ５０が開かれ、第１の水素タンク出口導管２８内の第３のバルブ３２が開いたままの状態で電池４００からの補助電力を使用して空気圧縮機２０が駆動され、その結果、燃料電池スタック１０のアノード側部１６が、比較的短い期間の間空気でパージされる。一実施形態では、アノード側部は２０秒未満の間空気でパージされる。カソード側部１４が水素で満たされるので、燃料電池スタック１０のアノード側部１６における空気／水素前端の滞留時間は問題にならない。したがって、アノード側部１６の空気パージの速度は広範囲にわたってもよい。アノード側部１６が空気で完全にパージされたとき、燃料電池スタック１０のアノード側部１６およびカソード側部１４は両方とも比較的乾燥しており、したがって耐凍結性である。

その後、空気圧縮機２０はオフにされ、第１のバイパス導管３４内の第４のバルブ３６が閉じられる。第１の水素タンク出口導管２８内の第２のバルブ３０が開かれて、水素が燃料電池スタック１０のアノード側部１６を満たすことが可能になる。水素がアノード排気導管４８内の第７のバルブ５０に達すると、第７のバルブ５０は閉じられる。この時点では、燃料電池スタックのアノード側部１６およびカソード側部１４は両方とも乾燥水素で満たされており、アノードとカソードの間の開路電圧はゼロに近い。その後、燃料電池スタック１０のアノード側部１６およびカソード側部１４の中へ不均一に拡散する周囲からの空気によって、スタック１０がゼロよりも大きい電池電圧を発生させるのを防ぐため、第２の電気経路６６内の第２の電気スイッチ７０が閉じられて、スタックが短絡される。アノード排気導管４８内の第７のバルブ５０およびカソード排気導管４４内の第６のバルブ４６が両方ともしっかりと閉じていたとしても、空気の侵入が生じる場合がある。本発明の一実施形態では、スタック内の圧力は周囲圧力と平衡されるので、しっかり閉じられたバルブを通る水素／空気の二元的拡散は比較的遅い。この燃料電池スタック１０が停止された後、スタック温度は徐々に冷め始める。開放電池電圧はゼロであり、かつスタック温度は比較的低いので、これによって、スタックが損傷することが防止される。

燃料電池スタック１０を始動するため、空気圧縮機出口導管２２内の第１のバルブ２４が開かれ、第１の水素タンク出口導管２８内の第３のバルブ３２が開かれ、第１の水素タンク出口導管２８内の第２のバルブ３０も開かれ、アノード排気導管４８内の第７のバルブ５０が開かれ、また、カソード排気導管４４内の第６のバルブ４６が開かれる。第２の水素タンク出口導管３８内の第５のバルブ４０は、第１のバイパス導管３４内の第４のバルブ３６と同様に閉じられる。抵抗器６８を燃料電池スタックに接続するため、第２の電気経路３６内の第２の電気スイッチ７０は閉じられる。水素が燃料電池スタック１０のアノード側部１６へ流入することが可能になり、次に抵抗器６８が燃料電池スタックから開放され、空気圧縮機２０が駆動されてカソード側部１４へ空気が流入する。その後、主要負荷６２を燃料電池スタック１０に接続するため、第１の電気経路６０内の第１の電気スイッチ６４が閉じられる。

次に図３を参照すると、本発明の一実施形態は、バイポーラ板３０２および消耗品部３１２を含む燃料電池スタック１０を利用してもよい。バイポーラ板３０２および消耗品部３１２は繰り返されて、バイポーラ板が直列に接続された燃料電池スタックを形成する。バイポーラ板３０２は単一片であってもよく、または、例えば溶接によって互いに固定されている第１の片３０１および第２の片３０２を含んでもよい。バイポーラ板３０２は、機械加工されている金属基板、互いに固定された打抜き金属箔、または導電性複合材料など、様々な構造を呈していてもよい。バイポーラ板３０２は、その中に規定された複数のランド３０６およびチャネル３０８を有する第１の面３０４を含む。バイポーラ板３０２は、同様にその中に規定された複数のランド３０６および複数のチャネル３０８を含む第２の面３１０を含んでもよい。バイポーラ板３０２の一方の側３０４上のチャネル３０８は、アノード反応ガス流れ場を構成してもよく、バイポーラ板３０２の他方の側３１０上のチャネル３０８は、カソード反応ガス流れ場を構成してもよい。冷却チャネル３１０がバイポーラ板３０２に提供されてもよい。

消耗品部３１２は、第１の面３１６および反対側の第２の面３１８を有する固体電解質膜３１４を含んでもよい。多孔質カソード３２０が電解質膜３１４の第１の面３１６上に提供されてもよい。カソード３２０は、触媒と、炭素粒子およびアイオノマーなどの導電性支持体とを含む。微孔質層３２２がカソード３２０の上に提供されてもよい。微孔質層３２２は比較的小さな孔を有し、また、結合剤中に炭素粒子およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの粒子を含んでもよい。多孔質ガス拡散媒体層３２４が微孔質層３２２の上に提供されてもよい。多孔質ガス拡散媒体層３２４は、カーボン紙またはフェルトなどの任意の多孔質導電性材料であってもよい。バイポーラ板３０２は、ガス拡散媒体層３２４の上に提供されてもよい。多孔質アノード３２６は、固形電解質膜３１４の第２の面３１８の下に提供されてもよい。アノード３１６は、炭素粒子およびアイオノマーなどの導電性支持体上に触媒を含む。第２の微孔質層３２８がアノード３２６の下に提供されてもよい。第２のガス拡散媒体層３３０が第２の微孔質層３２８の下に提供されてもよい。別のバイポーラ板３０２が、第２のガス拡散媒体層３３０の下に示される。

用語「空気」が反応ガスまたはパージガスを説明するのに使用されるとき、それは、酸素が密な空気または純酸素などの、酸素が密なガスと同等であると見なされるものとする。

本発明の実施形態の上記の記載は事実上代表例に過ぎず、それらの変形例は本発明の趣旨および範囲から逸脱しないものと見なされる。

本発明の一実施形態による方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池システムおよびそれを動作させる方法の概略フロー図である。 本発明の一実施形態による燃料電池スタックの一部を示す図である。

Claims (20)

1. 燃料電池スタックのアノード反応ガス流れ場へ水素を流入させるとともに、カソード反応ガス流れ場へ酸素および窒素を含む空気を流入させ、前記燃料電池スタックによって電気を生成して、前記燃料電池スタックに接続された外部回路内の主要な電気装置を動作させることを含む、前記燃料電池スタックを動作させる工程と、
   前記燃料電池スタックを停止させる工程とを含む方法であって、
   前記停止させる工程が、
   前記主要な電気装置の前記燃料電池スタックへの接続を切断する工程と、
   前記カソード反応ガス流れ場へ酸素および窒素を含む空気を流入させることにより、前記カソード反応ガス流れ場内のガスをパージする工程と、
   その後、前記カソード反応ガス流れ場へ水素を流入させることにより、前記カソード反応ガス流れ場からガスをパージする工程と、
   その後、前記アノード反応ガス流れ場へ酸素および窒素を含む空気を流入させることにより、前記アノード反応ガス流れ場からガスをパージする工程と、
   その後、前記アノード反応ガス流れ場を水素で満たす工程とを含む、方法。
2. 前記カソード反応ガス流れ場へ空気を流入させることにより、前記カソード反応ガス流れ場からガスをパージする前記工程は、前記カソード反応ガス流れ場へ乾燥空気を流入させて、その中の水および蒸気を除去する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記カソード反応ガス流れ場へ水素を流入させることにより、前記カソード反応ガス流れ場をパージする前記工程の間、前記アノード反応ガス流れ場内の正の水素圧力を維持する工程をさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. スタックの温度を低下させるため、前記燃料電池スタックに冷却水を循環させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記冷却水を循環させる工程が、補助電力を使用して冷却水ポンプを動作させる工程を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記カソード反応ガス流れ場へ水素を流入させることによって該カソード反応ガス流れ場からガスをパージする前記工程の後、前記燃料電池スタックのカソード側部で正の水素圧力を維持する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記カソード側部の前記正の水素圧力が約１から３０ｋＰａの範囲である、請求項６に記載の方法。
8. 前記アノード反応ガス流れ場へ酸素および窒素を含む空気を流入させることにより、前記アノード反応ガス流れ場からガスをパージする前記工程が、２０秒未満の間、実行される、請求項１に記載の方法。
9. 前記カソード反応ガス流れ場からガスをパージする前記工程、並びに、前記アノード反応ガス流れ場からガスをパージする前記工程が、前記燃料電池スタックを損傷することなく、凍結温度以下の温度に耐えるのに十分に前記燃料電池スタックを乾燥させる、請求項１に記載の方法。
10. 前記アノード反応ガス流れ場を水素で満たした後、前記スタックを短絡する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記スタックを短絡する工程が、抵抗器を含む外部回路に前記燃料電池スタックを接続する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記カソード反応ガス流れ場へ水素を流入させることによって前記カソード反応ガス流れ場からガスをパージする前記工程、並びに、前記アノード反応ガス流れ場を水素で満たす前記工程は、前記スタックが周囲圧力と平衡されるか、または前記スタックの水素圧力が周囲圧力よりも約１から３０ｋＰａ高くなるようにして行われる、請求項１に記載の方法。
13. 前記カソード反応ガス流れ場へ水素を流入させることによって前記カソード反応ガス流れ場からガスをパージする前記工程が、前記カソード反応ガス流れ場内の酸素が水素によってパージされるか、または水素との反応によって消費されるようにして行われる、請求項１に記載の方法。
14. アノード側部へ水素を流入させるとともに、カソード側部へ酸素および窒素を含む空気を流入させ、燃料電池スタックを用いて電気を生成し、該電気によって外部回路内の主要な電気装置を動作させることを含む、前記カソード側部および前記アノード側部を有する燃料電池スタックを動作させる工程と、
    前記カソード側部から液体の水および蒸気を除去するため、該カソード側部を乾燥空気でパージする工程と、
    前記カソード側部へ水素を流入させることによって、前記カソード側部から前記乾燥空気をパージする工程と、
    その後、前記アノード側部へ酸素および窒素を含む空気を流入させることによって、前記アノード側部をパージし、その結果、該アノード側部をパージする該工程および前記カソード側部をパージする前記工程が、前記アノード側部および前記カソード側部を水がほぼ含まれていない状態にする工程と、
    前記アノード側部を水素で満たし、その結果、前記カソード側部および前記アノード側部が両方とも水素で満たされる工程と、
    を含む、方法。
15. 前記スタックを短絡する工程をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記カソード側部を乾燥空気でパージする前に、前記スタックの前記主要な電気装置への接続を切断する工程をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記カソード側部の水素に酸素を消費させる工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記スタックの温度を低下させるため、電池電力を使用して前記スタックを通して冷却流体を循環させる工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記アノード側部を水素で満たす前記工程の後、所定期間の間、前記冷却流体を循環させる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記燃料電池スタックを抵抗器によって短絡された前記スタックを用いて始動させ、前記アノード側部へ水素を流入させ、その後、前記スタックの短絡を解消し、次に前記カソード側部へ酸素および窒素を含む空気を流入させ、その結果、前記スタックによって電気を発生させる工程をさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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