JP5122440B2 - 氷点下での起動時に冷却および加湿をするための燃料電池セルスタック内での水の保持 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＥＭ型燃料電池発電装置などの燃料電池発電装置に関する。燃料電池発電装置で、水は、反応物流域または反応物マニホールドに「垂れる」ことなく、多孔質で少なくとも部分的に親水性の水輸送プレートに隣接した水チャネルまたは他の導管と、それに接続された水マニホールドとに保持され、それによって、氷点下での起動時に、電極への反応ガスの流れを妨害することなく冷却および加湿の両方を行う。

電気車両の推進システムに電気を供給する燃料電池発電装置は、氷点下の温度でも作動できなければならない。氷点に達する恐れのある環境で燃料電池を停止させる従来法には、燃料電池から何らかの貯蔵器にすべての水を排水することが含まれる。次回の動作を確立しようとするのに先立ち、水を燃料電池に戻すことができるには、その前に１０分〜３０分程度かかるといわれている氷の融解をする必要がある。この大幅な遅延は、乗り物においては許容できるものではないと一般的には考えられ、乗り物では、キーを回すなどの始動命令から数秒以内に少なくとも部分的には始動されることが必要であると考えられる。

２００４年１月２２日に出願された米国特許出願第１０／７６３，７９３号では、氷点下の温度になる恐れがある環境で燃料電池を停止させる場合に、燃料電池の電極支持プレート基材を部分的に水で満たし、それによって、膜の近傍に水を用意して、ブートストラップ起動（ｂｏｏｔｓｔｒａｐ ｓｔａｒｔｕｐ）の早い段階で膜を加湿する。燃料電池に反応物を添加したときに、プロセスからの熱がほぼ瞬間的に氷を溶かす。全体的ではなく、部分的にのみ基材を満たすことで、反応ガスは基材を通過することができる。基材内にある水の溶解熱、潜熱および顕熱は、起動後に冷却システムが十分に暖機されて機能できるようになるまでの時間に、燃料電池を冷却するのに役立つ。基材を部分的に、例えば、最大時の約７０％の水で満たすのは、停止時の水と反応ガスとの圧力差を５ｋＰａ〜６ｋＰａ（０．７２ｐｓｉ〜０．８７ｐｓｉ）程度となるように制御するか、または基材全体にわたって実質的に一様な態様で、基材を部分的に親水性にし、部分的に疎水性にすることによって達成される。

米国特許第６，６７３，４８１号では、燃料電池に反応物を添加してから２０秒以内に、またはスタック両端の開回路電圧が検出された場合に、車両推進システムなどの負荷に燃料電池の電気出力を印加する。燃料電池セルスタックが氷結温度より低温に達し得る環境にある場合には、水循環系統の反応物チャネル、冷却剤チャネル、水ポンプ、および他の導管内の水は、燃料電池システムの停止時に排水される。起動時に、反応物流域に水が溜まることは、起動の初期段階で反応物流域を加圧することで回避され、その後、反応物流域を大気圧とするか、ほぼ大気圧とすることができる。

本発明の目的は、燃料電池が氷点下の温度になった後の起動時に、特別な基材や特別な停止手順を必要とすることなしに、燃料電池内に水を供給することと、凍結した燃料電池の起動時の初期加湿および初期冷却を改良することと、反応ガス流れチャネルを氷で塞ぐことなく、凍結した燃料電池の起動を助けるために水を供給することと、氷点下の温度での起動を容易にするために、燃料電池の動作を改良することと、を含む。

本明細書で使用される「水チャネル」という用語には、水輸送プレート内の溝で形成された開口チャネル、ウィック（ｗｉｃｋｉｎｇ）、多孔質層、または他の液水案内媒体を含み、水マニホールドを含むこともある。

本発明によれば、多孔質で少なくとも部分的に親水性の反応ガス流域プレート（本明細書では「水輸送プレート」と呼ぶ）を含む各燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックの停止時に、実質的にすべての水が水輸送プレートから反応ガスチャネルに「垂れる」ことのないように、水チャネルおよびそれに連結された水マニホールド内に水を保持する。本発明の効果は、起動時に、氷が反応物チャネルを塞ぐことなく、加湿および冷却用の水を提供することにあり、それにより、反応ガスが電極触媒へのアクセスを得る。

本発明によれば、毛細管圧によって水チャネルおよび水マニホールド内に水を保持することができ、毛細管圧は、チャネルの断面積、チャネルの代わりに多孔質媒体が使用される場合は微細孔の大きさ、あるいはウィックまたは織物が使用される場合はそれらの有効流れ断面積を選択することで調整される。本発明によれば、円形の水管または微細孔内の毛管上昇は、管または微細孔の半径に応じて、式、グラフ、または表から算定し、その後、確定することができる。さらに本発明によれば、多孔質芯材もしくは織物芯材または何らかの水案内媒体内にある水の毛管上昇度は、実験から容易に確定される。

本発明によれば、停止時に、例えば、住宅用の小型水槽で使用される型式のマイクロ真空ポンプを用いて、燃料電池セルスタックの水チャネルに水を保持する。あるいは弁によってスタック内に水を保持し、その後、マイクロ真空ポンプを止めることができる。あるいは、層状ダイアフラムの上面に不凍性で疎水性の流体を備えた疎水性ダイアフラムで構成された受動逆止弁などの逆止弁を用いて、スタック内に水を保持することができる。

本発明の他の目的、特徴、および利点が、添付図面に示した典型的な実施例に関する以下の詳細な説明からさらに明らかになる。

図１は、燃料電池セルスタック２０を含む燃料電池発電装置１９の一部を示している。空気入口マニホールド２２に供給された空気が、酸化剤流れチャネルを通り、空気出口マニホールド２３から凝縮器２４に入っていく。凝縮器２４からの排出流は、水アキュムレータ２８の水位線２７よりも高い位置を流れる。低温の乾燥空気は、空気出口３１から放出される。この空気出口は、過剰水出口３２も含むか、過剰水出口３２に隣接している。凝縮器２４で使用される冷却剤は、矢印３４で示される環境空気とすることができる。凝縮器２４がマニホールドとして機能する場合には、空気入口マニホールド２３を省略することができる。

燃料空気入口マニホールド３６に供給された燃料は左に向かって流れてから、燃料方向転換マニホールド３７を通り、その後、右に向かって流れてから、燃料出口マニホールド３８を介して排出される。

アキュムレータ２８からの水は、水管４１を通って低位の水マニホールド４２に流れる。（図２および図３に関連させて以下に記述するように）水は水チャネルに入って燃料電池セルスタックの最も高い位置まで進み、高位の水マニホールド４３に入る場合もある。

図１の実施例は、高位の水マニホールド４３から水が流出しない蒸発冷却を採用するものである。以下に図２および図３に関連させて記述するように、低位の水マニホールド４２を介して流入する水のみが、空気チャネルに蒸発する水と入れ換わることになる。導管４５は、マイクロ真空ポンプ４６との流体連通を提供する。この真空ポンプは、マニホールド４３からはいくらも液体を導かずに、水がスタック内のすべての水チャネルを通ってスタックの上部まで確実に上昇するように、十分な減圧だけを行う。マイクロ真空ポンプ４６は、数アメリカドルのコストですむような小型の家庭用水槽に使用される簡易式のポンプでよい。

図２に示される本発明の一実施例において、スタック２０は複数の燃料電池セル７０を有し、各燃料電池セルは、従来技術のユニット化された電極アセンブリ（ＵＥＡ）７２からなり、両側に燃料極触媒層および酸素極触媒層を有する電解質と、これらの触媒に隣接したガス拡散層と、を含む。

図２の実施例において、燃料反応ガスは、溝７６を含む親水性の多孔質基材７５内のチャネル７４を流れ、この溝７６は、隣接する燃料電池の溝７７とともに、微小な水チャネル７８を形成する。酸素極側で、酸化剤反応ガス流域プレート８１が、空気流チャネル８２と、隣接する燃料電池の溝８４とともに微小な水チャネル８５を形成する溝８３と、を含む。

水の流出を防ぐために、反応ガスの圧力は、流路内の水圧よりも少なくとも（ｐｓｉの数分の１の）数ｋＰだけ高いことが望ましい。これは、燃料電池発電装置の作動時に、従来技術の空気ポンプ（図示せず）が、一般的に空気を大気圧よりもかなり高くする結果として必然的に起こり、燃料の圧力は、公知であるように、容易に調整される。図２の実施例では、チャネル７８、８５内の水は、ほぼ大気圧におかれている。しかし、前述の通り、反応ガスの方が少し高圧であるという条件において、従来技術のさまざまな手段を使って、水を大気圧以外の圧力にすることができる。

他の実施例において、図示されているような合わせ溝による以外の形に水チャネルを形成してもよい。水チャネルは、隣接するプレートの平坦面によって閉じられた反応ガス流域プレートの一方だけにある溝７６，８３によって設けられてもよい。本発明は、セパレータプレートまたは必要であれば冷却プレートを有する燃料電池セルスタックで使用され得る。その場合に、プレートを流れる冷却剤流は、図１および図２に示されている本発明の実施例の蒸発冷却とは完全に異なる。

反応ガス流域プレート７４、８１は、米国特許第５，７００，５９５号で開示され、以下に図１１および図１２に関連して記述されるような、外部水処理部を用いて水輸送プレートを通る相当な量の水流を利用する燃料電池発電装置内にある微細孔プレートとも呼ばれる水輸送プレートと同じに見える。しかし、蒸発冷却を利用する場合には、上記の特許‘５９５号の顕熱による水流冷却に対して、水の体積当たりの冷却効果が約１００対１であるので、先行技術の水チャネルは、この実施例の水チャネル７８、８５の断面積より最大で１０倍も大きい断面積をもっている。これに加え、（図２の実施例において燃料電池の各接合部に示される）水チャネル７８、８５の左右の部分の間隔および他の実施例における同様の流路の左右の部分の間隔は、上記の特許および図１２に示されるような顕熱による水流冷却システムの水流れチャネルの左右の部分の間隔より数倍も広く離間され得る。チャネル７８、８５の小さな断面積と、連続する左右の部分の間の広い距離とにより、反応ガス流域プレートの厚さを約１／３まで縮小させることができる。

図３は、本発明の他の実施例の燃料電池７０ａを示している。この燃料電池７０ａでは、チャネルを形成する溝の代わりに、導電性および親水性で、さらに水に対する面内浸透性が高い材料７８ａ、８５ａが存在する。そのような材料は、水の移動方向に繊維が並んだ炭素繊維紙でも、必要に応じて従来の方法で親水性に処理された他の従来技術の燃料電池拡散媒体の材料でもよい。反応ガスの圧力は、水の流出を避けるために水圧よりも高くあるべきで、一方、（水頭の）水圧は、確実に補給するのに必要な程度であればよい。

本発明の燃料電池セルスタック２０は、溝式の水チャネルまたは溝式でない水チャネルを有する燃料電池セルのどちらでも採用することができる。

図１〜図３の実施例において、燃料電池発電装置が作動しているときに、反応ガスチャネル７４、８２内には、反応ガスが流れ、水は少しも流れていない。水輸送プレート７５、８１内には水があり、酸素極の酸化剤反応ガス流域８２に向かって流れる。燃料電池発電装置が停止するとき、反応ガスの流れが途絶えることに伴い、マイクロ真空ポンプ４６によってもたらされる小さな真空が、水チャネル内に水を保持する。ほぼすべての水が、水チャネル、水マニホールド、および水輸送プレートの内部に保持される。反応物流域チャネル内に相当な量の水はないので、温度が氷点下に低下した場合、反応物チャネルにはわずかな量の氷が残る。ここで「わずかな量の」という語は、燃料電池発電装置の出力または性能に影響を与えるほどに反応ガス流を妨げることのない氷の量を意味する。また、「相当な量の」という語は、温度が氷点下に低下した場合に、反応物チャネルに残る氷が、わずかな量よりも多くなるような水の量を意味する。

図１〜図３の実施例において、マイクロ真空ポンプ４６は、燃料電池発電装置が運転していない間も作動し続ける。小さな真空が、水チャネル内の水と水輸送プレート内のすべての水を、反応物流域に垂らすことなく保持する。したがって、温度が氷点下に低下しても反応物チャネルに氷が存在せず、反応物チャネルは開かれたままであるから、反応ガスは、起動と同時に電極触媒に達することができる。

図４では、本発明の実施例は、燃料電池セルスタックが使用されていない期間に、マイクロ真空ポンプを停止できるようにする。図４では、アキュムレータ２８内の水面より低い位置から低位の水マニホールド４２へ導く導管４１に弁８９があり、高位のマニホールド４３からマイクロ真空ポンプ４６へ導く導管４５に弁９０がある。停止時に、コントローラ９２が弁８９を閉じ、その後に弁９０を閉じるまで、真空ポンプは電源が入ったままである。それからマイクロ真空ポンプ４６が停止される。複数の弁が水の移動を阻止し、それによって、水チャネル７８、８５、７８ａ、８５ａ内の水、および水輸送プレート７５、８１内にあり得るすべての水が反応物流れチャネル７４、８２内に垂れることを防ぐ。

図５に示すように、所望であれば弁８９を省略してもよい。弁９０が閉じられれば、アキュムレータ２８内の空気の圧力が水の垂れを防ぎ、それによって、水を所定の位置に保持し、反応物流れチャネルを障害のない状態に保つ。同様に、所望であれば、弁８９を維持し、弁９０を省略してもよい。弁８９、９０のどちらもない場合は、燃料電池セルスタックが停止している間、マイクロ真空ポンプ４６を作動させ続ける。代替的な実施例において、弁９０を省略し、弁９０を単独で使用することができる。

図６は、図５の動的に制御された弁９０の代わりに逆止弁９５が使用され得ることを示している。したがって、マイクロ真空ポンプ４６が作動しているときには、逆止弁９５が必要に応じて開いて、水チャネル（および／または高位の水マニホールド４３）からガスを脱気するが、燃料電池発電装置が停止するときには、マイクロ真空ポンプ４６を停止させることができて、逆止弁９５が、（わずかな量の水を除く）すべての水が水輸送プレートを通って反応ガス流域に垂れないようにする。逆止弁９５は、従来技術の機械的な逆止弁でもよいし、図７および図８に関連させて説明される形態でもよい。

明確にするために、初めに、流体逆止弁９９が疎水性液体のない状態で図７に示され、次に、疎水性液体を含む状態で図８に示されている。図７では、疎水性流体逆止弁９９は、従来技術のねじ山１０１、１０２を有するケーシング１００内に形成されるように示されている。多孔質のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＡ）ダイアフラム１０５などの疎水性ダイアフラムが、ケーシング１００内の溝１０６に配置されている。疎水性であるために、ダイアフラム１０５は、ダイアフラムより下のチャンバ１０９にある水がダイアフラムを通って、ダイアフラムより上のチャンバ１１０に進むのを防止する。したがって、図６の実施例と同様に逆止弁９５として使用する場合に、ダイアフラムを通ってマイクロ真空ポンプ４６に進む水はない。しかし、ガスは、ダイアフラム１０５を通って上方に流れ、水チャネルから排気される。

ガスはケーシングを上方に進むことができるが、下方に進むことができないように逆止弁を形成するために、図８に示すように、疎水性の流体（好ましくは、ＰＥＧ−４００などの約−６０℃（−２７°Ｆ）以上では凍結しない疎水性流体）が、ケーシング１００内でダイアフラム１０５の上に配置されている。スタック内部のチャネル内の水に上向きの圧力がかかるような場合にガスまたは蒸気がチャンバ１０９内で圧力を受けるときは常に、あるいはマイクロ真空ポンプ４６がチャンバ１１０内を少しだけ真空にした結果として、空気または他の蒸気またはガスは、ダイアフラム１０５を通って上方に進み、媒体１１２を通過して浮上する。他方で、媒体１１２の上のチャンバ１１０内にあるガスまたは蒸気は、チャンバ１０９内の圧力よりも圧力が高く、圧力が十分に大きい場合に、媒体１１２を押してダイアフラム１０５を通過させる。しかし、図６の実施例における圧力差は十分に小さく、約２０ｋＰａ（３ｐｓｉ）未満であるので、疎水性媒体１１２がダイアフラム１０５を通過して押し出されることはない。

本発明の他の実施例が図９に示されている。この実施例では、導管４５の上端部を大気に向けて開くことができるようにすることで、高位の冷却剤マニホールド４３は、大気に向けて排気される。図９の実施例では、燃料電池発電装置１９が作動しているときに、蒸気水をスタックの上部まで確実に補給するのに必要な圧力は、大気圧よりも高いアキュムレータ内の空気圧力によってもたらされる。発電装置が停止するとき、アキュムレータ内の圧力が大気圧を超えていない場合にも水チャネル内に水を維持することは、水頭がスタック高さの少なくとも１／３、好ましくはスタックの最も高い位置（または、（スポンジなどの）多孔質体を含んだマニホールド４３などの高位のマニホールドに少し入るくらい）にあるときに、水頭を平衡させるのに十分な毛管圧力となるように、水チャネルの微細孔寸法（または等価の流動パラメータ）を選択することにより達成される。

微細孔半径に対する毛管上昇のグラフが図１０に示されている。水チャネルは、水輸送プレート内の溝でなくても、前述のプレート７８ａ、８５ａなどの別の形態の水案内媒体でもよい。水がスタックの上部に到達するのに十分な毛細管圧を保証するために、炭素繊維紙の隙間を規定する繊維の密度および寸法、または水チャネルとして使用され得る他の媒体の特性を、様々な特性を有する材料を少し試験するだけで、実験的に容易に確定することができる。いずれの場合にも、毛細管圧に基づく水の上昇は、水が確実にスタックの上部に到達するのに十分なものとすべきである。

本発明の他の実施例が図１１および図１２に示されている。図１１では、燃料電池発電装置１９ａは、以下に図１２に関連させて説明するように、狭い間隔で配置された広い水チャネルを有する燃料電池セルスタック２０ａと、外部水部品と、を含み、総合水管理システムを形成する。図１１では、水がポンプ１１７によって弁１１８を介して引かれる。この弁は、コントローラ１１９によって調整される。水は、低位の（つまり入口の）水マニホールド４２ａから、スタック２０ａ内の燃料電池のすべての水チャネルを経由して、高位の（つまり出口の）水チャネル４３ａを通るように引かれる。弁１２０は、コントローラ１１９によって調整可能であり、燃料電池発電装置が作動しているときに、燃料電池セルスタック内の水圧が、（通常は大気圧に近い）反応ガスの圧力よりも低くなるように制限する。

ポンプ１１７からの水流は、循環してスタックに戻る水の温度を適切に設定する必要性に応じて、熱交換器１２２を通って冷却されるか、コントローラで作動する弁１２３を通るようにバイパスされる。

本発明によれば、停止時に、ポンプ１１７が切られる直前の短い時間に、弁１２０が閉じられ、続いて弁１１８が閉じられる。これにより、前述したように、水が反応ガス流域に垂れることなく、水チャネル内に保持される。

図１２は、図１１の実施例で使用され得る燃料電池７０ｃを示している。これらの燃料電池セルと図２に関連させて説明したものとの違いは、水チャネル７８ｃ、８５ｃを形成する溝７６ｃ、７７ｃ、８３ｃ、８４ｃがはるかに大きく、互いに接近していることであり、それによって、燃料電池を通る水の流れが、相当の量になる。この実施例では、上記の‘５９５特許と同様に、スタックを冷却する必要がある場合に、水自体の潜熱および顕熱が、スタック２０ａから熱交換器１２２まで熱を伝達する。

この動作は、図１および図２に関連させて説明したのと同様である。燃料電池発電装置１９ａが使用できるときに、ポンプ１１７によって水がスタック２０ａを通って循環する。発電装置１９ａが停止されると、弁１１８、１２０が水チャネル７８ｃ、８５ｃ内に水を保持し、反応物流域７４、８２に水が垂れることを防ぐ。

図１１および図１２に関連させて説明した型式の２０個のセルからなるスタックが、本発明による冷却剤チャネル７８ｃ、８５ｃに水を保持したまま停止され、少しの漏れなく、かつ何ら損傷もないまま−２０℃に冷却された。

「停止時に作動している」という用語は、（電源が入ったままの）マイクロ真空ポンプや（常に存在する）毛細管圧の場合など、燃料電池発電装置が停止されないときの作動も除外しない。

「バルク水」という用語は、チャネル内の水分量が、燃料電池の作動を維持するのに十分なガスの流れを妨害しないような状態を指す。

マイクロ真空ポンプを使用した本発明を組み込んだ燃料電池発電装置の簡略化し、定型化した部分斜視図。 図１の実施例で使用できる燃料電池の部分側面図。 図１の実施例で使用できる代替の燃料電池の部分側面図。 ２つの制御弁を使用した本発明を組み込んだ燃料電池発電装置の簡略化し、定型化した部分斜視図。 単一の制御弁を使用した本発明を組み込んだ燃料電池発電装置の簡略化し、定型化した部分斜視図。 逆止弁を使用した本発明を組み込んだ燃料電池発電装置の簡略化し、定型化した部分斜視図。 図６の実施例で使用できる流体逆止弁の部分断面斜視図。 図７の逆止弁の部分断面斜視図。 毛管現象による水チャネルの充填を容易にするために排出口を使用した本発明を組み込んだ燃料電池発電装置の簡略化し、定型化した部分斜視図。 微細孔半径に対する毛管上昇を示すグラフ。 総合水管理部を有し、本発明を使用した燃料電池発電装置の簡略化し、定型化した部分側面図。 図１０の実施例で使用できる燃料電池の部分側面図。

Claims (6)

1. スタック（２０）内に配置された複数の燃料電池セル（７０、７０ａ、７０ｃ）と、
   複数の水チャネルと、
   前記水チャネルに水を供給する手段と、
   を備える燃料電池発電装置（１９）であって、
   各燃料電池セルは、
   ガス拡散層をそれぞれ有する燃料極および酸素極の各触媒の間に配置された陽子交換高分子電解質膜を有する一体化された電極アセンブリ（７２）と、
   前記燃料極ガス拡散層に隣接した反応ガス流れチャネル（７４）を有し多孔質で少なくとも部分的に親水性の燃料極水輸送プレート（７５）と、
   前記酸素極ガス拡散層に隣接した酸化剤反応ガス流れチャネル（８２）を有し多孔質で少なくとも部分的に親水性の酸素極水輸送プレート（８１）と、
   を含み、
   前記複数の水チャネルは、前記燃料極水輸送プレートと前記酸素極水輸送プレートとの間に配置され、
   前記水を供給する手段は、該燃料電池発電装置が作動しているときに、水が前記水チャネルと前記水輸送プレートとの間を移動するように、前記水チャネルに水を供給し、
   燃料電池発電装置は、さらに、
   スタックの頂部に設けられた導管と、
   前記導管に連結されたマイクロ真空ポンプと、
   前記導管に配された１つまたは複数の弁と、
   を備え、
   前記マイクロ真空ポンプは、該ポンプを通して水を流さずに、前記スタックの頂部まで水を上昇させるように真空をもたらし、
   マイクロ真空ポンプを停止する前に前記１つまたは複数の弁を閉じることによって、前記燃料電池発電装置が作動していないときに、前記水チャネルおよび前記水輸送プレート内に水を保持することを特徴とすることを特徴とする燃料電池発電装置（１９）。
2. 前記燃料電池発電装置の作動中および前記燃料電池発電装置の停止中の双方の場合に前記マイクロ真空ポンプが作動し、これによって、停止中に前記水チャネルに水を保持する請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記水チャネルの上部もしくは底部のいずれか、または前記水チャネルの前記上部および前記底部の両方に弁がある請求項１に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記水チャネルの吸気口が逆止弁であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記逆止弁が疎水性ダイアフラムを有し、前記ダイアフラムの上に疎水性流体が配置されている請求項４に記載の燃料電池発電装置。
6. 前記疎水性流体が、約−５０℃より高い温度では凍結しないことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電装置。

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