JP4938636B2

JP4938636B2 - 水素／窒素の格納によって始動及び停止に起因した燃料電池の劣化を緩和する方法

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Publication number: JP4938636B2
Application number: JP2007325659A
Authority: JP
Inventors: ポール・タイチャン・ユ; フレデリック・ティー・ワグナー; グレン・ダブリュー・スカラ; バルス・ラクシュマナン; ジョン・ピー・サルヴァドール
Original assignee: ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: DE102007059999B4; US20080145716A1; CN101222064A; DE102007059999A1; US8492046B2; CN101222064B; JP2008177162A

Description

本発明は、概して、燃料電池スタックを始動させ、停止させる工程を含む燃料電池スタックを作動する方法に関する。

車両用途において、燃料電池スタックは、３０，０００を超える始動／停止サイクルを通して動作することを要求され得る。燃料電池スタックの通常の作動は、燃料電池スタックのアノード側部内への水素の連続的な流れと、燃料電池スタックのカソード側部内への空気の連続的な流れとを必要としている。

燃料電池が停止されるとき、電気回路が開放され且つ電池に亘って接続される負荷がもはや存在しない場合、許容できないほどアノード及びカソードの電位が上昇し、触媒又は触媒支持体の酸化及び腐食、並びに、燃料電池の性能劣化を生じさせる。

本発明の一実施態様は、水素をアノード側部へと流し、空気をカソード側部へと流すことによって、アノード側部及びカソード側部を有する燃料電池を作動させる方法に関する。燃料電池は、電気を発生し、該電気は主要な電気装置を作動させるため使用される。スタックを停止させるため、主要な電気装置はスタックから断絶される。カソード側部への空気の流れは、停止され、正の水素圧力がアノード側部で維持される。燃料電池スタックは、停止され、カソード側部内の酸素は、アノード側部からの水素によって消費されることが可能となる。アノード側部及びカソード側部の入口バルブ及び出口バルブが閉じられる。

本発明の別の実施態様は、水素をアノード側部へと流し、空気をカソード側部へと流すことによって、アノード側部及びカソード側部を有する燃料電池を作動させる方法に関する。燃料電池は、電気を発生し、該電気は主要な電気装置を作動させるため使用される。スタックを停止させるため、主要な電気装置はスタックから断絶され、スタックが短絡される。カソード側部への空気の流れは、停止され、カソード側部からの排気物も停止される。アノード側部からの排気物は、正の水素圧力がアノード側部で維持されている間に停止される。水素がカソード側部へと注入され、該水素はカソード側部の酸素を消費し、水素の注入及びアノード側部からの水素の横断の両方により消費された酸素の消費に起因したカソード側部における圧力損失を補償する。

本発明の他の例示としての実施態様は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明及び特定の例は、本発明の例示としての実施例を示しているが、単なる図解の目的のためだけに提供され、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明の例示としての実施例は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになるであろう。

当該実施例の次の説明は、本質上、単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又は使用方法を限定するものではない。
ここで図１を参照すると、本発明の一実施例は、主要な電気装置を作動させるため、アノード側部及びカソード側部を有する燃料電池スタックを、水素をアノード側部に流し、空気をカソード側部に流すことによって動作させ、電気を生成する工程を備えている（ステップ２００）。スタックを停止させる工程は、スタックを主要な電気装置から断絶し、カソード側部への空気の流れを停止させる工程を備えている（ステップ２０２）。アノード側部で正の水素圧力を維持する（ステップ２０４）。燃料電池スタックを短絡させ、カソード側部内の酸素がアノード側部からの水素により消費されることを可能にする（ステップ２０６）。その後、アノード側部内への水素の流れを停止し、アノード側部及びカソード側部の両方の入口バルブ及び出口バルブを閉じる（ステップ２０８）。アノード側部内のこの正の水素圧力は、少なくとも、作動温度から室温へと減少するスタック温度に起因した圧力の損失並びに水蒸気の凝縮に起因した圧力損失を補償するのに十分であるべきである。

ここで図２を参照すると、本発明の一実施例は、水素をアノード側部へと流し空気をカソード側部へと流して主要電気装置を作動させるための電気を発生することによって、アノード側部とカソード側部とを有する燃料電池スタックを作動する方法を備える（ステップ２１０）。燃料電池スタックを停止させる工程は、スタックを主要電気装置から断絶し、補助負荷を係合する工程を備える（ステップ２１２）。カソード側部への空気の流入を停止し、カソード側部の入口バルブ及び出口バルブを閉じる（ステップ２１４）。アノード側部上で正の水素圧力を維持しつつアノード側部上で入口バルブ及び出口バルブを閉じる（ステップ２１６）。カソード側部内で酸素を消費し、酸素の消費に起因した圧力損失を補償するため、スタックを短絡させ、カソード側部へ水素を注入する（ステップ２１８）。

ここで図３を参照すると、本発明の一実施例は、固体高分子電解質膜１２と、アノード反応ガス流れ場を備えるアノード側部１６と、カソード反応ガス流れ場を備えるカソード側部１４とを有する、燃料電池スタック１０を有する燃料電池システム１００を備えている。空気入口導管１８が設けられ、空気コンプレッサ２０に接続されている。空気コンプレッサ出口導管２２は、コンプレッサ２０から燃料電池スタック１０のカソード側部１４へと接続され、第１のバルブ２４は空気コンプレッサ出口導管２２内に設けられている。貯蔵タンク内の圧縮水素又は貯蔵タンク内の液体水素等、水素源２６が、提供されている。第１の水素タンク出口導管２８は、一端部で水素源２６に接続され、第２の端部で燃料電池スタック１０のアノード側部１６に接続された状態で提供されている。第２のバルブ３０は、ガスの流れを制御するため第１の水素タンク出口導管２８内に設けられている。第２の水素タンク出口導管３８が設けられ、一端部で水素源２６に接続され、他方の端部で燃料電池スタック１０のカソード側部１４に接続されている。第３のバルブ４０は、ガスの流れを制御するため第２の水素タンク出口導管３８に設けられている。バッテリ４００が、空気コンプレッサ２０に接続され、該コンプレッサに電力を供給する。他の例では、コンプレッサ２０は、燃料電池スタック１０により発生された電気によりパワー供給される。

カソード排気導管４４は、一端部で燃料電池スタック１０に接続された状態で設けられ、該導管を通るガスの流れを制御するため第４のバルブ４６を備えている。アノード排気導管４８は、一端部で燃料電池スタック１０に接続された状態で設けられ、大気中に排気するため第２の端部で開放されていてもよい。第５のバルブ５０は、アノード排気導管４８内に設けられ、該導管を通るガスの流れを制御する。

第１の電気経路６０は、燃料電池スタック１０に接続され、主要な電気装置即ち負荷６２と、燃料電池スタック１０から負荷６２を接続したり断続したりするための第１の電気スイッチ６４と、を備えている。負荷６２は、車両を推進するための、電気モータ又は電気機械であってもよい。第２の電気経路６６は、燃料電池スタックに接続され、例えば抵抗器６８等の比較的低い負荷装置と、抵抗器６８を燃料電池スタックに接続したり断続したりするための第２の電気スイッチ７０と、を備えている。

燃料電池スタック１０の通常の作動の間、空気が燃料電池スタックのカソード側部１４を通って分配されることができるように、空気コンプレッサ出口導管２２内の第１のバルブ２４が開放され、カソード排気導管４４内の第４のバルブ４６も、開放される。水素が燃料電池スタック１０のアノード側部１６を通って分配されることができるように、第１の水素タンク出口導管２８内の第２のバルブ３０が開放され、アノード排気導管４８内の第５のバルブ５０も、開放される。一実施例では、燃料電池スタック１０を停止させるため、水素の圧力は、カソードが未消費の酸素でなおも充填されている間に空気が周囲から侵入することを防止するため周囲よりも僅かに大きい圧力でアノード側部１６において維持されている。主要負荷６２は、第１の電気経路６０内のスイッチ６４を開放することによって、燃料電池スタック１０から断絶される。例えばバッテリ４００からの補助パワー
は、空気コンプレッサ２０を始めとする、燃料電池スタックの様々な構成部品を作動させるため利用されている。かくして、開回路電圧が回避される。その後、空気コンプレッサ出口導管２２内の第１のバルブ２４が閉じられ、アノード排気導管４８内の第５のバルブ５０も閉じられる。スタック電圧は、降下し始め、第２の電気経路６６内の第２の電気スイッチ７０が、スタック１０を短絡させるため燃料電池スタック１０に抵抗器６８を接続するため閉じられる。一実施例では、第２の電気スイッチ７０は、スタック電圧が一電池当たり約０．２Ｖとなった後に閉じられる。電池電圧が約０．０５Ｖまで低下したとき、カソード側部１４内の酸素は、固体電解質膜１２を通ってアノード側部１６からカソード側部１４まで横断した水素によって完全に消費されたことになる。カソード側部１４は、窒素及び水蒸気で完全に充填される。その後、スタック温度低下及び水蒸気の凝縮に起因した圧力損失を補償するためアノード側部で正の水素圧力を維持しつつ、カソード排気導管４４内の第４のバルブ４６が閉じられ、第１の水素タンク出口導管内の第２のバルブ３０も閉じられる。アノード側部１６又はカソード側部１４内に侵入した空気は、アノード側部及びカソード側部の両方内に水素を保持することによって消費される。カソード側部１４及びアノード側部１６の両方は、実質的に水素と停止時格納用の窒素とからなるガスで充填される。

再び図３を参照すると、本発明の別の実施例は、燃料電池スタックを停止させる方法を備えており、該方法は、周囲圧力より僅かに高い、アノード側部内の水素圧力を維持し、スタック１０を主要負荷６２から断絶し、スタック開放電池電圧を回避するため、補助パワーを使用する、各工程を備える。空気コンプレッサ出口導管２２内の第１のバルブ２４が閉じられ、カソード排気導管４４内の第４のバルブ４６も閉じられる。カソード側部１４内の水素／酸素反応に起因した圧力変化をバランスさせるように燃料電池のカソード側部４６内に水素を注入するため、アノード側部排気導管４８内の第５のバルブ５０が閉じられ、第２の水素タンク出口導管３８内の第３のバルブ４０が開放される。その結果、スタック電圧は降下し始め、燃料電池スタック１０が、第２の電気経路６６内の抵抗器６８をスタック１０に接続することによって短絡される。一実施例では、スタックは、スタック電圧が約０．２Ｖ／電池となったとき短絡される。燃料電池電圧が約０．０５Ｖまで低下したとき、カソード側部１４内の酸素は、水素によって完全に消費されたことになる。カソード側部１４は、水素／窒素及び僅かな量の水で充填される。アノード側部１６も水素で充填される。再び、アノード側部１６又はカソード側部１４内への侵入物は、水素によって消費され、カソード側部１４及びアノード側部１６の両方は、実質的に水素及び停止時格納用の窒素からなるガスで充填される。

燃料電池スタック１０は、スタックが短絡されている間に、水素が燃料電池スタック１０のアノード側部を通って流れることを可能にするため適切なバルブ３０、５０を開放し、次いでスタックを断絶することによって始動される。その後、バルブ２４、４６を開放し、空気がカソード側部１４を通って流れることを可能にする。水素がカソード側部１４内に流れ込むことを防止するため第３のバルブ４０が閉じられる。第２の電気スイッチ７０は、抵抗器６８を燃料電池スタック１０から断絶するため開放され、第１の電気スイッチ６４は、燃料電池スタック１０に主要負荷６２を接続するため、閉じられる。

ここで図４を参照すると、本発明の一実施例は、二極式プレート３０２と、消耗品部３１２と、を備える燃料電池スタック１０を利用することができる。二極式プレート３０２と消耗品部３１２とは、二極式プレート３０２が直列に接続された状態で燃料電池スタックを形成するため繰り返し形成されている。二極式プレート３０２は、単一部品であってもよく、或いは、例えば溶接等によって一緒に固定された、第１の部品３０１及び第２の部品３０３を備えていてもよい。二極式プレート３０２は、機械加工された金属基板、打ち抜かれ、一緒に固定された複数の金属フォイル、又は、成形された導電性複合材料を始めとする様々な形態を取り得る。二極式プレート３０２は、複数のランド３０６と、ランドで画定されたチャンネル３０８と、を有する第１の面３０４を備えていてもよい。二極式プレート３０２は、同様に、複数のランド３０６と、ランドで画定されたチャンネル３０８と、を有する第２の面４００を備えていてもよい。例えば二極式プレート３０２の一方側の面３０４上のチャンネル３０８は、アノード反応ガス流れ場を構成し、例えば二極式プレート３０２の他方側の面４００上のチャンネル３０８は、カソード反応ガス流れ場を構成する。冷却チャンネル３１０は、二極式プレート３０２内に設けられていてもよい。

消耗品部３１２は、第１の面３１６と、反対側の第２の面３１８とを有する固体電解質膜３１４を備えていてもよい。多孔性カソード３２０は、電解質膜３１４の第１の面３１６上に設けられていてもよい。カソード３２０は、例えば、炭素粒子上の白金等の、触媒及び伝導支持体と、イオノマーとを備える。微細孔性層３２２が、カソード３２０を覆って提供されてもよい。微細孔性層３２２は、比較的小さい孔を持ち、例えば炭素粒子及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のように、結合剤中に粒子を含んでいてもよい。多孔性ガス拡散媒体層３２４は、微細孔性層３２２を覆って設けられていてもよい。多孔性ガス拡散媒体層３２４は、例えば、炭素ペーパー又はフェルト等、任意の多孔性伝導性材料であてもよい。二極式プレート３０２は、ガス拡散媒体層３２４に亘って提供されていてもよい。多孔性アノード３２６は、固体電解質膜３１４の第２の面３１８の下層に提供されてもよい。第２のガス拡散媒体層３３０は、第２の微細孔性層３２８の下層に提供されていてもよい。別の二極式プレート３０２が、第２の拡散媒体層３３０の下層に示されている。

「空気」という用語は、反応ガス又はパージガスを記載するために使用されているが、当該用語は、例えば酸素の豊富な空気又は純粋な酸素等、酸素の豊富なガスと等価なものとしてみなされている。

本発明の実施例についての上記記載は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、よって、その変形例は、本発明の精神及び範囲からの逸脱としてみなされるべきではない。

図１は、本発明の一実施例に係る方法を示すフローチャートである。図２は、本発明の別の実施例に係る方法を示すフローチャートである。図３は、燃料電池システム、並びに、本発明の一実施例に係る、該燃料電池システムを作動させる方法の概略図である。図４は、本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの一部分を示す。

Claims

アノード側部及びカソード側部を有する燃料電池スタックを作動させる工程であって、
水素を該アノード側部へと流し、酸素及び窒素を含む空気を前記カソード側部へと流して電気を発生すること、
該電気を使用して前記スタックに接続された電気装置を作動させること
を含む、前記スタックを作動させる工程と、
前記スタックを停止させる工程であって、
前記スタックを前記電気装置から断絶すること、
前記カソード側部への酸素及び窒素を含む空気の流れと、前記アノード側部からのアノード排気の流れを停止すること、
前記燃料電池スタックを短絡させ、前記カソード側部内の酸素を水素により消費させること、
次に、前記アノード側部への水素の流れを停止し、前記カソード側部からの排気の流れを停止し、前記アノード側部での正の水素圧力を維持してスタック温度の低下および水蒸気の凝縮による圧力損失を補償すること
を含む、前記スタックを停止させる工程と、
を備え、
前記アノード側部への水素の流れを停止し、前記カソード側部からの排気の流れを停止することの後に、前記カソード側部及び前記アノード側部の両方が、実質的に水素及び窒素からなるガスを内部に有する、方法。
前記カソード側部内の酸素を水素により消費させることは、酸素を消費するため水素を前記アノード側部から前記カソード側部まで横断させることを含む、請求項１に記載の方法。
前記カソード側部内の酸素を水素により消費させることは、水素を前記カソード側部内に注入することを含む、請求項１または２に記載の方法。
前記電気装置から前記スタックを断絶することの後に、前記燃料電池スタックを短絡させることを更に含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
前記燃料電池スタックを短絡させることは、前記燃料電池スタック及び抵抗器を有する電気回路を閉じることを含む、請求項４に記載の方法。
アノード側部及びカソード側部を有する燃料電池スタックを作動させる工程であって、
前記燃料電池スタックのアノード側部及びカソード側部に接続された水素源から水素を前記アノード側部へと流し、酸素及び窒素を含む空気を前記カソード側部へと流して電気を発生し、
該電気を使用して前記スタックに接続された電気装置を作動させることによって、前記スタックを作動させる前記工程と、
前記燃料電池スタックを停止させる工程であって、
前記燃料電池スタックを前記電気装置から断絶すること、
酸素及び窒素を含む空気の流れを停止し、前記カソード側部からの排気を停止すること、
前記アノード側部で正の水素圧力を維持しつつ前記アノード側部からの排気を停止すること、
前記燃料電池スタックを短絡させること、
前記水素源から前記カソード側部内に水素を注入して前記カソード側部の酸素を消費させ、かつ前記カソード側部での水素／酸素反応による圧力変化をバランスさせること
を含む、前記スタックを停止させる工程と、
を備える方法。
前記燃料電池スタックを短絡させることは、前記燃料電池スタック及び抵抗器を有する電気回路を閉じることを含む、請求項６に記載の方法。
前記アノード側部への水素の流れを停止し、前記カソード側部からの排気の流れを停止することの後に、前記カソード側部及び前記アノード側部の両方が、実質的に水素及び窒素からなるガスを内部に有する、請求項６または７に記載の方法。
（１）燃料電池システムを提供する工程であって、
前記燃料電池システムは、
アノード反応ガス流れ場を有するアノード側部及びカソード反応ガス流れ場を有するカソード側部を有し、かつ固体電解質膜を有する燃料電池スタックと、
空気コンプレッサに接続された空気入口導管と、
前記コンプレッサから前記燃料電池スタックの前記カソード側部へと接続された空気コンプレッサ出口導管と、
該空気コンプレッサ出口導管に配置された第１のバルブと、
水素源と、
該水素源と前記燃料電池スタックの前記アノード側部とに接続された第１の水素タンク出口導管と、
該第１の水素タンク出口導管を通るガスの流れを制御するため該第１の水素タンク出口導管に配置された第２のバルブと、
前記水素源と前記燃料電池スタックの前記カソード側部とに接続された第２の水素タンク出口導管と、
該第２の水素タンク出口導管を通るガスの流れを制御するため該第２の水素タンク出口導管に配置された第３のバルブと、
前記空気コンプレッサに電力を供給するため該空気コンプレッサに接続されたバッテリと、
前記燃料電池スタックに接続されたカソード排気導管と、
該カソード排気導管を通るガスの流れを制御するため該カソード排気導管に配置された第４のバルブと、
前記燃料電池スタックに接続されたアノード排気導管と、
該アノード排気導管を通るガスの流れを制御するため該アノード排気導管に配置された第５のバルブと、
電気装置と該電気装置を前記燃料電池スタックに接続したり該燃料電池スタックから断絶するための第１の電気スイッチとを有し、前記燃料電池スタックに接続されている第１の電気経路と、
抵抗器と該抵抗器を前記燃料電池スタックに接続したり該燃料電池スタックから断絶するための第２の電気スイッチとを有し、前記燃料電池スタックに接続されている第２の電気経路と、を備える、前記工程と、
（２）前記燃料電池スタックの前記カソード側部を通って空気を分配することができるように、前記空気コンプレッサ出口導管の前記第１のバルブ及び前記カソード排気導管の前記第４のバルブを開放すると共に、前記燃料電池スタックの前記アノード側部を通って水素を分配することができるように、前記第１の水素タンク出口導管の前記第２のバルブ及び前記アノード排気導管の前記第５のバルブを開放する、工程（２）と、
（３）前記第１の電気経路の前記スイッチを開放することにより前記燃料電池スタックから前記電気装置を断絶し、前記空気コンプレッサを始めとして前記燃料電池スタックの様々な構成部品を作動させるため前記バッテリを利用することによって、前記燃料電池スタックを停止させる、工程（３）と、
次に、（４）前記空気コンプレッサ出口導管の前記第１のバルブ及び前記アノード排気導管の前記第５のバルブを閉じ、前記第２の電気経路の前記第２の電気スイッチを閉じ、前記燃料電池スタックの電圧が下降し始めたとき、前記抵抗器を前記燃料電池スタックに接続して該スタックを短絡させ、それにより、前記固体電解質膜を通って前記アノード側部から前記カソード側部まで横断した水素によって前記カソード側部内の酸素を完全に消費させ、前記カソード側部を窒素及び水蒸気で完全に充填させる、工程（４）と、
次に、（５）スタック温度の低下及び水蒸気凝縮に起因した圧力損失を補償するため、前記アノード側部で正の水素圧力を維持しつつ、前記カソード排気導管の前記第４のバルブと、前記第１の水素タンク出口導管の前記第２のバルブを閉じ、それにより、前記アノード側部又は前記カソード側部へと侵入した空気を各々該アノード側部又は該カソード側部に残っている水素により消費させると共に、前記カソード側部及び前記アノード側部を、実質的に水素と停止時格納用の窒素とからなるガスで充填させる、工程（５）と、
を備える、方法。
（１）燃料電池システムを提供する工程であって、
前記燃料電池システムは、
アノード反応ガス流れ場を有するアノード側部及びカソード反応ガス流れ場を有するカソード側部を有し、かつ固体電解質膜を有する前記燃料電池スタックと、
空気コンプレッサに接続された空気入口導管と、
前記コンプレッサから前記燃料電池スタックの前記カソード側部へと接続された空気コンプレッサ出口導管と、
該空気コンプレッサ出口導管に配置された第１のバルブと、
水素源と、
該水素源と前記燃料電池スタックの前記アノード側部とに接続された第１の水素タンク出口導管と、
該第１の水素タンク出口導管を通るガスの流れを制御するため該第１の水素タンク出口導管に配置された第２のバルブと、
前記水素源と前記燃料電池スタックの前記カソード側部とに接続された第２の水素タンク出口導管と、
該第２の水素タンク出口導管を通るガスの流れを制御するため該第２の水素タンク出口導管に配置された第３のバルブと、
前記空気コンプレッサに電力を供給するため該空気コンプレッサに接続されたバッテリと、
前記燃料電池スタックに接続されたカソード排気導管と、
該カソード排気導管を通るガスの流れを制御するため該カソード排気導管に配置された第４のバルブと、
前記燃料電池スタックに接続されたアノード排気導管と、
該アノード排気導管を通るガスの流れを制御するため該アノード排気導管に配置された第５のバルブと、
電気装置と該電気装置を前記燃料電池スタックに接続したり該燃料電池スタックから断絶するための第１の電気スイッチとを有し、前記燃料電池スタックに接続されている第１の電気経路と、
抵抗器と該抵抗器を前記燃料電池スタックに接続したり該燃料電池スタックから断絶するための第２の電気スイッチとを有し、前記燃料電池スタックに接続されている第２の電気経路と、を備える、前記工程（１）と、
（２）前記燃料電池スタックを停止させる工程であって、該工程では、
前記アノード側部内の水素の圧力を周囲圧力より僅かに高い圧力に維持し、
前記スタックを前記電気装置から断絶してスタック開放電池電圧を回避するため補助パワーを使用し、
前記空気コンプレッサ出口導管の前記第１のバルブ及び前記カソード排気導管の前記第４のバルブを閉じ、前記アノード排気導管の前記第５のバルブを閉じ、
前記第２の水素タンク出口導管の前記第３のバルブを開放して前記燃料電池の前記カソード側部に水素を注入して酸素を消費させ、かつ、前記カソード側部内の水素／酸素反応による圧力変化をバランスさせ、
前記燃料電池スタックの電圧が下降し始めたとき、前記第２の電気経路の前記抵抗器を前記燃料電池スタックに接続することによって該スタックを短絡させ、それにより、前記水素により前記カソード側部内の酸素を消費させ、前記アノード側部が水素で充填され、前記アノード側部又は前記カソード側部内に侵入した空気が水素により消費され、前記カソード側部及び前記アノード側部の両方は、実質的に水素と停止時格納用の窒素とからなるガスで充填されるようになる、工程（２）と、
を備える、方法。