JP5606331B2 - 燃料電池スタック遮断用冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、残留電圧発生の影響によって生じる、燃料電池の膜電極接合体の腐食を低減する、停止時に作動可能な、燃料電池スタック用の冷却システムに関する。

燃料電池では、自動車の駆動システム等の動力装置に通じる電気回路が燃料電池の停止時に開にされ、燃料電池に電気負荷がない場合、カソードに空気が存在すると、これがアノードに残存している水素燃料と結合することで、許容できないアノード電位及びカソード電位を生じさせ、その結果、触媒及び触媒アセンブリ支持体の腐食、それに伴う燃料電池アセンブリ及び燃料電池性能の劣化が生じる。従来、燃料電池セルの遮断直後にアノード流れ場及びカソード流れ場の双方をパージしてアノード及びカソードの電位をなくすのに不活性ガスが使用されている。自動車においては、停止時のパージの際に窒素等の不活性ガスの車載用供給源を使用することから重量及びコストがかさみ、この車載用供給源は車両の停止手順及び起動手順の妨げになりかねない。

燃料電池システム停止手順の別の態様では、電力消費回路の接続解除時の遮断後に、アノード側に水素、カソード側に空気、及び発生した水が残存している。開回路電圧がアノード及びカソード間に発生し（各燃料電池セルにつき約１ボルト）、残存している燃料、水素及び空気が消費されるまでそのままである。遮断後の持続電圧により膜電極接合体（ＭＥＡ）が損傷を受ける。この電圧により燃料電池のカソード側の白金触媒がイオン化する。

白金が膜に移動してラジカル分子要素又は荷電分子要素を発生し、これらの要素が膜の分子構造に損傷を与える。

一解決案としては、アノード側に残存している水素を消費して電気を発生させ、この電気を電圧コンバータを介してコンデンサに蓄電する。カソード側に残存している水はポンプによって空気で吹き飛ばす。車両の水ポンプが止まると、冷媒が燃料電池スタック及び冷却システム内に残ったままとなるが、一部の水素も依然としてアノード側に残っているままとなり、数時間経過後に持続電圧をもたらす。作動していない燃料電池セルに持続電圧があると膜の損傷が生じる。特許文献１（「空気パージを用いる燃料電池装置の運転遮断方法」）は、主要負荷装置の接続を解除し、アノードへの水素含有燃料の流れを停止し、アノード燃料流れ区域を通して空気を送風することによりアノード燃料流れ区域内に残留する燃料を空気に置き換えることによって、作動中の燃料電池装置を運転停止することを提案している。特許文献１では、水素の流れを停止し、運転停止時にアノード燃料流れ区域を通して空気を送風することにより、残留する水素を迅速に置き換える。この方法を用いる場合、水素と空気とが混合する前線における水素と空気との反応により、燃料電池内で熱が発生して局部的に何らかの損傷を引き起こす可能性がある。

特許文献２（「冷媒を用いた燃料電池セルのパージ装置およびその方法」）には、起動及び停止の過渡運転時に、冷媒、典型的には水で燃料電池スタックをパージする、燃料電池の起動−停止方法及び装置が記載されている（第６欄、２７行目から４３行目；第２欄、４３行目から４６行目）。特許文献３（「直接接触型熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置」）には、耐凍結性燃料電池に関し、遮断中に冷媒を燃料電池を通して通流させる冷媒入口と冷媒出口とを含む燃料電池を有する発電装置（第２欄、２８行目から３１行目；第６欄、３２行目〜４８行目）が開示されている。ユらによる特許文献４（２００６年２月２３日出願）及びツツイの特許文献５（２００７年１月１８日出願）は、遮断プロセス時に燃料電池スタックの温度を下げる装置を記載している。Cho他の特許文献６（２００７年２月８日出願）及びBach他の特許文献７（２００７年６月７日出願）はそれぞれ、腐食を低減すると共に燃料電池自体ではなく水素ガス流を冷却する燃料電池冷却システム、及び水素枯渇を低減するために冷却を行うシステムに関している。

米国特許第６，８５８，３３６号明細書 米国特許第６，３９１，４８５号明細書 米国特許第７，０９０，９４０号明細書 米国特許出願公開第２００６／００４０１４０号明細書 米国特許出願公開第２００７／００１５０１８号明細書 米国特許出願公開第２００７／００３１７１３号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１２８４７４号明細書

本発明の目的は、車両用燃料電池の遮断用の冷却システムを提供することである。本発明の更なる目的は、停止時の燃料電池に存在する水素、空気、水及び高温状態が組み合わされることに起因する触媒移動の現象を引き起こす、燃料電池における電圧持続を最小限にすることである。高温状態が触媒を活性にし、アノード及びカソード間に電位を生じさせ、この電位が強制的に燃料電池膜への触媒移動を引き起こす。

本発明の冷却システムは、スタック温度を雰囲気レベルまで迅速に冷却し、それにより、電池を腐食させると共に電池の有効寿命を減らす持続電圧をもたらす温度差をなくすことによって、電圧持続をなくす。要するに、本発明は、或る量の冷却液を雰囲気温度で収容する二次冷媒流体リザーバを提供する。本発明は停止時に燃料電池を冷却し、その際、停止時にポンプが冷媒流体リザーバ内の冷却流体（雰囲気温度で貯蔵されている）を燃料電池スタックに移動させるように作動する。次に、冷媒はスタックアセンブリを冷却し、温度差によって生じる触媒活性の有害な作用を軽減する。

本発明は、図面を参照して検討される好適な実施形態の以下の記載においてより十分に説明する。

車両用主ラジエータを組み合わせた場合の従来の燃料電池発電設備及び冷却システムの概略図である。 本発明の冷却システム及び該システムを構成する関連部材を示す図である。 本発明の冷却システム、及び本発明の該システムと車両運転中の車両用発電設備システムとの関係を示す概略図である。 車両用燃料電池発電設備の遮断プロセス時に燃料電池とつながっているときにおける本発明の冷却システムの概略図である。

本発明は、車両用燃料電池スタック用の冷却システムであって、遮断直後の燃料電池における高温状態をなくすと共に、燃料電池アセンブリ部材の劣化を引き起こす触媒活性作用を軽減する、冷却システムを提供する。本発明では、燃料電池冷却システムには、放熱性の高い放熱壁を有する冷媒流体リザーバを有する二次冷却回路が設けられている。燃料電池車両が走行中で燃料電池電力を消費しているときに二次冷媒流体リザーバ内の冷媒流体が雰囲気温度まで冷却される。燃料電池スタックによる発電の遮断後、水ポンプが冷媒流体を補助リザーバから燃料電池スタックに移動させて一般的に高温の従来の燃料電池冷媒を迅速に入れ替える。したがって、燃料電池用触媒成分の温度が雰囲気温度まで急速に下がることで、熱、又はスタック温度と雰囲気温度の温度差がなくなり、残留電圧の生成が止まる。瞬時冷却により、触媒活性、高電圧発生及び膜劣化が軽減する。

停止時用の補助リザーバ内の冷媒（好ましくは水）は、次の燃料電池の遮断手順に必要とされるまで車両駐車中及び車両走行中に冷却される。本発明のシステムは、車両及び燃料電池の停止後に燃料電池アセンブリ（特に触媒）の急速な温度冷却を行うように燃料電池スタック部材及び車両制御システムに相互接続される、リザーバと、水ポンプと、水ポンプ制御装置とを備える。二次冷媒流体リザーバは、停止時に燃料電池を冷却する雰囲気温度の冷却液を収容する。ポンプは停止時に作動してリザーバ内の雰囲気温度の冷却流体を燃料電池スタックに流す。次にスタックが冷却され、温度差によって生じる触媒活性の有害な作用が軽減される。

図１には、車両用主ラジエータを組合せた場合の従来の燃料電池発電設備１及び冷却システムが示されている。一般に、燃料電池発電装置１は温度制御プロセッサ６に相互接続され、温度制御プロセッサ６は例えばサーモスタット２によって感知される燃料電池熱を監視し、一連のポンプ４、弁Ｖ１及びＶ２、並びにラジエータシステム３（ファン５付き）を介して車両用一次冷媒の流れを調整して発電装置及び燃料電池アセンブリを最適温度に維持する。

本発明の冷却システム及び該システムのアセンブリを構成する関連部材が図２に示されている。遮断時用の冷却システム２０が、或る量の冷媒を雰囲気温度で収容する冷媒流体リザーバ２２と、水ポンプ２６と、該ポンプ及び冷媒流体リザーバを燃料電池冷却システム２８に相互接続する流体管路２７と、流体回路内の少なくとも１つの制御可能な弁（好適な実施形態では三方バルブＶ５及びＶ６が示されている）と、燃料電池制御システム（図示せず）及び少なくとも１つの三方バルブＶ５、Ｖ６及びポンプ２６に連関させた遮断時用の制御システム２１とを備える。発電装置の運転状態時、少なくとも１つの弁が、停止時用のシステムを分離するように、且つ補助冷媒が発電装置冷却システムに流れ込まないように閉位置に維持される。

車両の動作時、流体回路内のポンプはオフ状態にあり、リザーバ内の流体の温度は雰囲気温度に維持される。冷媒の温度は、停止時用の制御システム２１に相互接続されるサーモスタットＴ_１によって維持され、このサーモスタットＴ_１は、ラジエータ／熱交換器２３と、リザーバ２２への冷媒の流れの供給の際に相互接続される開閉弁Ｖ３及びＶ４並びに流量ポンプ２５とを介して冷媒温度を調整し得る。ラジエータ２３、ポンプ２５並びに弁システムＶ３及びＶ４は、燃料電池への雰囲気温度の流体の冷媒の流れに対する補足的な一実施形態の態様である。遮断時用の制御システムは、燃料電池が遮断するという信号を燃料電池制御システム又は車両運転制御装置から受け取ると、ポンプ２６及び少なくとも１つの弁（図示の例ではＶ５及びＶ６）を開位置にして発電設備冷却回路２８への流れを可能にし、リザーバ内の雰囲気温度の冷却流体を燃料電池スタックに送り、次にスタックを冷却して、システム停止時の温度差によって生じる触媒活性の有害な作用を軽減する。停止時にリザーバからの流れが作動すると、発電装置冷却システムにおける燃料電池への冷媒の流れは弁Ｖ５及びＶ６によって停止し、弁Ｖ５及びＶ６は、管２８を通る冷却システムの流れに対して閉位置にある。

図３は、本発明の冷却システム、並びに該システムと車両の動作中の車両用発電設備及び車両用主ラジエータシステムとの関係を示す概略図である。図示のように、三方バルブＶ５及びＶ６は、車両及び燃料電池の冷却を主要な車両用冷却システム１０、ラジエータ３及び冷却管路２８を介して行うことを可能にして車両運転を続けるように開いている。停止時用の冷却システム２０は、補助冷却システム２０を主要な冷却システム１０から分離するように三方バルブＶ５及びＶ６がポンプ２６及びリザーバ２２の方向に閉じているため、主要な冷却システムから分離している。

遮断時に、遮断時用の制御システム２１は主要な冷却システム１０を作動不能にし、補助冷却システム２０を作動させる。図４は、車両用燃料電池発電装置の停止プロセス時に本発明の冷却システムが弁Ｖ５及びＶ６をリザーバ２２からの流れに対して開位置に切り換えることによって作動させ、それにより、貯蔵された雰囲気温度の流体がリザーバ２２からポンプ２６によって燃料電池冷却管回路２８に該管２８を通って送られる。弁Ｖ５及びＶ６は主要な冷却システム１０に対して閉位置に切り換えられる。そのため、雰囲気温度の冷媒はループ形態でリザーバ２２からポンプ２６を通って弁Ｖ５を介して管２８に流れて燃料電池発電装置１に入り、弁Ｖ６を介してリザーバ２２に戻る。主要な冷却システム内の冷媒管２８に対する弁Ｖ５及びＶ６の開閉位置もまた、車両に関して生成された起動又は遮断の信号と同時に車両制御システム３１によって調整され得ることは明らかである。このように、システム１０内には遮断時にラジエータ２８及びポンプ４に接続されている管２８を通る流れはなく、システム２０内には遮断時に管２８を通る冷媒流が生じる。

現行の車両技術は高圧のＣＮＧ又は水素ガスを燃料とする車両の使用を支持している。燃料電池では、自動車の駆動システム等の動力装置に通じる電気回路が燃料電池の停止時に開にされ、燃料電池に電気負荷がない場合、カソードに空気が存在すると、これがアノードに残存している水素燃料と結合することで、許容できないアノード電位及びカソード電位を生じさせ、その結果、触媒及び触媒アセンブリ支持体の腐食、それに伴う燃料電池アセンブリ及び燃料電池性能の劣化が生じる。従来、燃料電池の停止直後にアノード流れ場及びカソード流れ場の双方をパージしてアノード及びカソードの電位をなくすのに不活性ガスが使用されている。自動車においては、停止時のパージの際に窒素等の不活性ガスの車載用供給源を使用することから重量及びコストがかさみ、この車載用供給源は車両の停止手順及び起動手順の妨げになりかねない。本発明は、燃料システムのアセンブリ、すなわちタンクアセンブリに付随するガス流システムの保全性及び耐久性を効果的且つ効率的に高め、燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）を損傷させる遮断後の持続電圧を低減する。

Claims (3)

1. 燃料電池を搭載した車両において、前記燃料電池と前記車両の負荷回路との間の接続が前記車両の車両制御システムからの指令で遮断された際の前記燃料電池の冷却システムであって、その冷却システムは、
   雰囲気温度で冷媒流体を収容する冷媒流体リザーバと、
   前記冷媒流体が前記冷媒流体リザーバから流れ出てラジエータを経由して前記冷媒流体リザーバへと戻るように形成される第１の流れ回路と、前記冷媒流体が前記冷媒流体リザーバから流れ出て前記燃料電池を経由して前記冷媒流体リザーバへと戻るように形成される第２の流れ回路とを具備する流体回路と、
   前記流体回路に配置されるポンプであって、そのポンプは前記冷媒流体を循環させるオン状態と前記冷媒流体を循環させないオフ状態との間での切り替えが可能なポンプと、
   前記流体回路に配置され、前記冷媒流体を循環させる開位置と前記冷媒流体を循環させない閉位置との間での切り替えが可能な少なくとも１つの弁と、
   前記ポンプの前記オン状態と前記オフ状態との間の前記切り替えと前記弁の前記閉位置と前記開位置との間の切り替えと制御する遮断制御システムとを備え、
   前記遮断制御システムは、前記燃料電池の運転状態時には、前記少なくとも１つの弁が閉位置で維持するように、前記流体回路内の前記ポンプをオフ状態で維持するように、前記少なくとも１つの弁と前記ポンプとを制御して、前記冷媒流体リザーバ内の前記冷媒流体の温度が雰囲気温度に維持し、
   前記遮断制御システムは、前記遮断制御システムが前記燃料電池を前記負荷回路から遮断するという信号を前記車両制御システムから受け取ると、前記ポンプをオン状態で維持するように、前記少なくとも１つの弁を開位置で維持するように、前記少なくとも１つの弁と前記ポンプとを制御して、前記冷媒流体リザーバ内にある雰囲気温度の流体を前記第２の流れ回路に送り、
   それにより、前記雰囲気温度の前記冷媒流体が前記冷媒流体リザーバと前記燃料電池との間で循環して前記燃料電池を冷却する冷却システム。
2. 請求項１に記載の冷却システムであって、
   前記第２の流れ回路には、前記車両が有する冷却装置から前記燃料電池を通って前記冷却装置へと戻る冷媒流体の流れを可能にする一方で前記冷媒流体リザーバと前記燃料電池との間の冷媒流体の流れを防げる第１の状態と、前記冷媒流体リザーバから前記燃料電池への冷媒流体の流れを可能にする一方で前記車両の冷却装置から前記燃料電池を通って前記車両の冷却装置へと戻る冷媒流体の流れを妨げる第２の状態と、の間で、切り替え可能な一対の三方バルブを有する冷却システム。
3. 請求項２に記載の冷却システムであって、
   前記一対の三方バルブは、前記冷媒流体が前記燃料電池から前記冷媒流体リザーバへ流れる管路と、前記冷媒流体が前記冷媒流体リザーバから前記燃料電池へ流れる管路との、それぞれに配置される冷却システム。

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