JP4902883B2 - 燃料電池スタックのシャットダウン方法および設計 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の下に、2005年3月11日に出願された米国仮特許出願第60/661,191号の優先権を主張するものであり、該出願は、本明細書にて、参考として、その全体が援用される。
(発明の分野)
本発明は、シャットダウンの間に、燃料セル直列スタックのセル内で、水の改善分布を得るための方法および設計に関し、より具体的には、固体高分子電解質燃料セルスタックのシャットダウンに関する。
燃料電池システムは、今日、固定電源プラントおよび携帯電源装置などの幅広い様々な用途で、電源として使用するために、開発がなされている。このようなシステムは、環境的なメリットを提供しながら、経済的に電力を供給する見込みを提供する。
燃料セル直列スタックにおいて、シャットダウンの間に、スタックが冷却される際に、適切な温度差がセルにわたって、確実に維持されることによって、望ましい水の分布が、シャットダウン後に、得られ得る。このようにすることで、導電性の目的のために、膜電解質の中には、依然十分な水を維持しながら、固体高分子電解質燃料セルスタック内に残留する水は、選択されたセットのより冷たいフローフィールドの中に集中され得、適切に処理され得る。
以下の説明において、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、ある特定の詳細が示される。しかしながら、当業者は、これらの詳細がなくとも、本発明が実施され得ることを理解する。他の場合において、本発明の実施形態の説明を不必要に曖昧にすることを避けるために、燃料電池および燃料セルスタックと関連する周知の構造、例えば、プレート、マニホルド、および反応剤搬送システムは、詳細には図示または記載されていない。
一般に、y方向のスタックの熱伝導率は、典型的には、x方向に比べて、非常に大きいことに留意すべきである。したがって、断熱された側面の外にではなく、主として、スタックのクールエンドを介して、熱が失われるように、断熱材が、側面に必要とされる。スタックのホットエンドの断熱材および熱質量は、スタックの隣接するエンドセル2が、冷却期間の間に、その近隣に対して、適切に温かいまま留まるようになっている。実際には、非実用的な大きな熱質量あるいは非現実的な断熱材の量を用いることなく、現在の自動車用燃料セルスタックの実施形態で、所望の結果が得られ得ることを、発明者らは見出した。反対側のエンドプレート9は、良好なラジエータであるように選択され、したがって、好ましくは、放射および/または対流を介して、熱遮断に対する良好な特性を有する熱伝導性材料である。特定の実施形態において、エンドプレート9は、必要に応じて、熱交換エレメント、例えば、フィンまたはプレート、あるいはクーラント流体用の通路をさらに備え得る。
本実施例において、シャットダウンの間に、燃料セルスタックが自然冷却される際、燃料セルスタックにおける水分布をモデル化するために、一次元熱・水移動モデルが、開発された。また、高アスペクト比のSPE燃料セルスタックが、実際の水分布を決定するために作成され、モデルが検証された。
以下に、一次元非定常熱伝導モデルが、時間とスタック内の場所の関数として、セルにわたる温度および温度差分を決定するために使用された。次いで、部分的に断熱されたスタックの自然冷却の間、膜電極接合体MEAにわたる水移動が、温度と温度勾配との関数としての水移動速度に対して、以前に決定された実験による相関を用いて、モデル化された。(この相関は、特定の温度勾配がセルに確立されたとき、そのセル内で、一つのフローフィールドプレートからその対向するフローフィールドプレートに移動される水の量を測定することによって、決定された。興味深いことに、移動された水の量は、MEAが元々、ウェットであるか、あるいはドライであるかに関わらず、ほぼ同じであることが見出された。)
単純化のために、「コールド」エンド、すなわちカソードエンドのスタックハードウェアは、モデルにおいて、考慮されず、また、スタックの冷却は、モデルでの熱移動と実験での熱移動とが、良好に合致するようにフィットさせた熱移動係数を用いて、記述された。以下において、Tは温度で、tは時間で、xはスタックに沿って垂直な距離(すなわち、図1に示されるx方向)である。Lは、スタックの長さであり、したがって、x=0は、スタックの「ホット」エンド、すなわちアノードエンド(すなわち、エンドセル2のアノード側)を表わし、x=Lは、スタックの「コールド」エンド、すなわちカソードエンド(すなわち、エンドセル3のカソード側)を表わす。さらに、αはセルの熱拡散係数、hは熱移動係数、kはセルの熱伝導率である。したがって、熱移動モデルは、以下の等式に基づく。
スタックは、直列で、20個のセルを備え、自動車への用途に適したサイズのものであった。セル内のMEAは、NAFION(登録商標)N112のペルフルオロスルホン酸膜電解質を備え、この膜は、一方の面に、カーボン担持Pt/Ru触媒を付与され、他方の面に、カーボン担持Pt触媒を付与され、それぞれアノード電極およびカソード電極として機能する。MEAはまた、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)含浸カーボンファイバ紙基板を備え、触媒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。自身の中に形成された線形フローチャネルを有するGrafoil(登録商標)グラファイト反応剤フローフィールドプレートを、MEAの両面上に位置させて、こうして、燃料セルアセンブリを完成させた。
本実施例において、上記と同様のモデルを、シャットダウンの間に、スタックが冷却されるに際して、スタック内の全てのセルで、適切な水移動を行うのに適した熱質量を選択するために、使用した。熱質量を、スタックのホットエンドで、エンドセルに隣接して、位置させた。選択された熱質量を有する実験におけるスタックは、こうして、作成し、シャットダウン時における結果を、モデルによって予測された結果と比較した。実験におけるスタックは、実施例1で用いられたものと同様であるが、1)熱質量を含むこと、2)より厚い断熱材が使用されたこと、3)スタックのコールドエンドで使用されるアルミニウムプレートが、より良好な断熱特性を有したこと、および4)スタックの極性が逆であること(すなわち、ホットエンドが、カソードエンドであり、コールドエンドが、アノードエンドであったこと)が異なる。
ここで使用されたモデルは、先の実施例で使用されたモデルと同様であるが、スタックのホット(カソード)エンドに含まれる有意な熱質量を考慮に入れる点で異なる。このモデルの熱移動の部分において、次いで、厚さLa熱質量が、x軸に沿って、−Laと0との間に位置された。ここで、次いで、熱移動モデルは、
本実施例の実験におけるスタックにおいて、スタックの極性を、実施例1のスタックの極性と比較すると、逆にした(すなわち、ホットエンドが、カソードエンドであり、コールドエンドが、アノードエンドであった)。厚さ7.5cmのアルミニウムブロックをまた、ここで、追加の熱質量5として使用した。このブロックは、発泡断熱材とスタックのホットカソードエンドとの間に、位置された。さらに、より厚い(約5cm)発泡断熱剤を熱質量5に隣接して、また燃料セルスタックの全ての側面に沿って用いた。最後に、スタックの「コールドエンド」で、アルミニウムプレートを、以前のように、エンドセル3に近接して使用したが、このプレートは、より良好な放射熱遮断のために、黒に彩色した。
Claims (18)
- 第一のエンドプレート、および熱遮断表面を有する第二のエンドプレートと、
該第一のエンドプレートと該第二のエンドプレートとの間に挟まれ、該第一のエンドプレートと関連するエンドセルを含む複数の燃料セルであって、各燃料セルは、アノードフローフィールドとカソードフローフィールドとの間に挟まれたカソード側とアノード側をそれぞれ有する膜電極接合体を有する、複数の燃料セルと、
該第一のエンドプレートと該エンドセルとの間に挟まれ、該エンドセルと熱連絡する熱質量と、
該第一のエンドプレートと該熱質量との間に挟まれた第一の断熱層と、
該複数の燃料セルを取り囲む第二の断熱層と
を備え、
該熱質量のサイズは、該燃料セルスタックのシャットダウンの間に、該複数の燃料セルのそれぞれにおいて、水が該膜電極接合体から、該アノードフローフィールドおよび該カソードフローフィールドのうちの一方に移動されるように選択される、
燃料セルスタック。 - 前記熱質量のサイズは、前記複数の燃料セルのうちの少なくとも5つ分に相当する、請求項1に記載の燃料セルスタック。
- 前記熱質量は、金属の層を備えている、請求項1に記載の燃料セルスタック。
- 前記金属は、アルミニウムを備えている、請求項3に記載の燃料セルスタック。
- 前記複数の燃料セルにプロセス流体を供給するマニホルド、あるいは該複数の燃料セルから該プロセス流体を排出するマニホルドをさらに備え、前記熱質量は、該マニホルドの少なくとも一部分に組み込まれる、請求項1に記載の燃料セルスタック。
- 前記複数の燃料セルは、前記第一のエンドプレートから前記第二のエンドプレートへとスタッキング方向に配列され、前記第二の断熱層の熱伝導率は、該スタッキング方向に向かって増加する、請求項1に記載の燃料セルスタック。
- 前記複数の燃料セルは、前記第一のエンドプレートから前記第二のエンドプレートへとスタッキング方向に配列され、前記第二の断熱層の厚さは、該スタッキング方向に向かって減少する、請求項6に記載の燃料セルスタック。
- 前記熱遮断表面は、熱交換エレメントを備えている、請求項1に記載の燃料セルスタック。
- 筐体をさらに備え、該筐体は、該筐体にクーラントガスを供給するための、前記第二のエンドプレートに近接したガス入口と、該筐体から該クーラントガスを排出するための、前記第一のエンドプレートに近接したガス出口とを有する、請求項1に記載の燃料セルスタック。
- 複数の燃料セルを備えている燃料セルスタックをシャットダウンする方法であって、各燃料セルは、カソード側およびアノード側を有し、該方法は、
該スタックからの発電を停止するステップと、
該スタックの一つのエンドで、該燃料セルを熱質量と接触させるステップと、
該スタックが冷却期間にわたって、冷却されることを可能にするステップと、
該冷却期間の間、該複数の燃料セルのそれぞれにおいて、水が、膜電極接合体からアノードフローフィールドおよびカソードフローフィールドのうちの一方に移動されるように、各燃料セルにわたる温度差を維持するステップと
を包含する、方法。 - 前記冷却期間の間に、各燃料セル内で、前記アノード側は、前記カソード側より高温である、請求項10に記載の方法。
- 前記スタックは、ホットエンドおよびコールドエンドをさらに備え、該スタックの該ホットエンドは、断熱される、請求項10に記載の方法。
- 前記スタックは、前記複数の燃料セルを取り囲む断熱層をさらに備えている、請求項10に記載の方法。
- 各燃料セルは、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、前記冷却期間の間に、各燃料セルのより冷たい方の反応剤フローフィールドが、パージされる、請求項10に記載の方法。
- 前記熱質量は、前記スタックの一つのエンドで、前記燃料セルと熱連絡する、ある量のクーラントを備えている、請求項10に記載の方法。
- 前記燃料セルスタックの動作の間に、前記膜電極接合体の中にある前記水の少なくとも約半分は、前記冷却期間の間に、前記アノードフローフィールドおよび前記カソードフローフィールドのうちの一方に移動される、請求項10に記載の方法。
- 前記冷却期間後に、前記膜電極接合体の中に残っている水の量は、約3mg/cm2以下である、請求項10に記載の方法。
- 筺体の中に配置された複数の燃料セルを備えている燃料セルスタックをシャットダウンする方法であって、該筺体は、該燃料セルスタックの一方のエンドに近接したガス入口と、該燃料セルスタックの他方のエンドに近接したガス出口とを有し、各燃料セルは、アノードフローフィールドとカソードフローフィールドとの間に挟まれた膜電極接合体を有し、該膜電極接合体は、それぞれがカソード側およびアノード側をそれぞれ有し、該方法は、
該スタックからの発電を停止するステップと、
該スタックが冷却期間にわたって、冷却されることを可能にするステップと、
該筺体の該ガス入口に、燃料セルスタックの温度よりも低い第一の温度で、ガスを供給し、該ガス出口から、該第一の温度よりも高い第二の温度で、該ガスを排出するステップと、
該冷却期間の間に、各燃料セルの該カソード側と該アノード側との温度差を維持するステップと
を包含し、
各燃料セルにおける該温度差の方向は、同じである、方法。
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