JP2006521675A - 氷点より低い温度で燃料電池スタックアッセンブリを始動するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

互いに反対にある端部燃料電池を規定するスタック内に配列された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックアッセンブリを作動させる方法であって、複数の燃料電池は、互いに反対にある端部燃料電池の間に中間の燃料電池を含んでおり、この方法は、燃料および酸化剤を中間の燃料電池に供給することを含み、それによって、一方または両方の端部燃料電池が、水素をその電池に亘って輸送しかつ熱を生成する、燃料電池スタックアッセンブリを作動させる方法。

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、氷点より低い温度での始動を助ける燃料電池スタックアッセンブリを始動するためのシステムおよび方法に関する。

燃料電池は、水素含有燃料と酸化剤とをエネルギーに変換するための代替物として有用である。このような燃料電池は、多くの望ましい用途を有しており、そのうちのいくつかは、燃料電池を氷点より低い条件に曝すことを含む。

通常の燃料電池、特に通常のＰＥＭ型燃料電池は、端部燃料電池を規定するスタックに配列された一連の燃料電池アッセンブリを含む。各端部の燃料電池に対向して、相対的に大きな質量の構造である端部板／集電体が一般に配置されている。

燃料電池の作動中に水が生成し、燃料電池の作動が停止したときに、この水は、氷点より低い温度に曝されると、凍結し得る。この水の凍結は、それが凍結するときにどこにあるかによって大きな問題となり得る。

方法の一つは、水移動板の細孔中、膜電極アッセンブリ中に残留する水、および電池基体中の小量の水抜きできない水以外、全ての水を水抜きした後にのみ、電池を凍結させることであった。このような電池は、困難なく始動することになるが、その理由は、触媒への酸化剤の接触を妨げずに生成水を貯蔵する基体の能力を水の生成が超える前に、最初の作動中に放出される熱が、水移動板中の水を溶解するのに十分だからである。一旦水移動板の水が溶解すると、酸化剤区画と冷却区画との間の圧力差が、水を触媒から、基体を通し、さらに水移動板中の細孔を通して、空の冷却剤流路により提供される実質的に無制限の貯蔵器内へと押しやる手段を提供する。これによって、電池スタックアッセンブリは通常の作動温度に自己加熱できる。

しかしながら、持続する問題の一つは、端部電池に関するものである。スタックの端部にある圧力板または集電体の熱質量は、生成水を吸収する基体の能力を超える前における、水移動板の細孔中の凍結した水の溶解を妨げる。その結果として、これらの端部電池内の触媒層への酸化剤の接近は、排除される。このプロセスにおいて、一旦スタック内の全ての電池が通常の作動温度に到達すると、水は、容易に引き出されるのを妨げるのに十分な力で触媒層および二重層の細孔内へ押し込まれる。

明らかに、この問題の解決が必要とされている。

従って、本発明の主な目的は、氷点より低い状態からの始動を容易にするためのシステムおよび方法を提供することである。

本発明の他の目的および利点はここで以下に明らかとなるであろう。

本発明に従うと、上述した目的および利点が容易に達成された。

本発明に従うと、互いに反対にある端部燃料電池を規定するスタック内に配列された複数の燃料電池を備える燃料電池スタックアッセンブリを作動させる方法が提供され、複数の燃料電池は、互いに反対にある端部燃料電池の間に中間の燃料電池を含んでおり、この方法は、燃料および酸化剤を中間の燃料電池に供給することを含み、それによって、一方または両方の端部燃料電池が、水素をその電池に亘って輸送しかつ熱を生成する。

一方または両方の端部燃料電池のこのような作動は有利には、ブートストラップ（ｂｏｏｔ−ｓｔｒａｐ）始動を助ける熱を生成し、スタックの端部にある大きな圧力板または集電体板の温度の影響から中間の電池を分離し、かつ、スタックの問題となる部分を、酸化剤流れの遮断と不均一な加熱に起因する不十分な作動との一方または両方が問題にならない仕方で、作動させるように、機能する。

本発明にさらに従うと、互いに反対にある端部燃料電池と、これらの間に配置された中間の燃料電池とを規定するスタック内に配列された複数の燃料電池と、燃料をこれら複数の燃料電池に供給するための燃料供給システムと、酸化剤をこれら複数の燃料電池に供給するための酸化剤供給システムと、を備える燃料電池スタックアッセンブリであって、互いに反対にある端部燃料電池のうちの一方または両方の端部燃料電池が、燃料がその一方または両方の端部燃料電池に供給されて熱を生成しかつその電池に亘って水素をポンプ送りする水素ポンプ送りモードで作動可能である燃料電池スタックアッセンブリが提供される。

本発明の好ましい実施態様の詳細な説明は、添付の図面を参照して以下の通りである。

本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池スタックアッセンブリと、それを作動させる方法とに関し、端部燃料電池は、水素ポンプとして作動し、すなわち、端部燃料電池は、熱を生成しかつその電池に亘って水素を輸送し、それによって、アッセンブリ内の中間の燃料電池は、端部／圧力板の温度の影響から分離され、生成された熱が、凍結した水を溶解するのを助け、アッセンブリのブートストラップ始動を助け、それによって、遮断された酸化剤流れに起因する始動後の通常作動中の性能の問題を有していたことがあった端部燃料電池は、遮断された酸化剤流れが重要な問題とならない仕方で作動される。

図１は、本発明に従う一般的な燃料電池スタックアッセンブリ１０を概略例示する。燃料電池スタックアッセンブリ１０は一般に、複数の中間の電池１４と、二つの互いに反対にある端部電池１６、１８とを規定するようにスタック内に配列された複数の実質的に平面状の燃料電池１２を含む。端部電池１６、１８に隣接して、２０および２２で概略例示される一般にいくぶん大きな集電体板または圧力板が配置される。これらの部材は以下、圧力板２０、２２と呼ぶことにする。

上述したように、圧力板２０、２２は、端部板１６、１８の加熱を遅らせるように機能し、それによって、氷点より低い温度からの始動中にこれらの部材の加熱を妨げる。本発明に従うと、端部燃料電池１６、１８は、熱を生成しかつ水素を輸送するように水素ポンプとして作動し、それによって、中間の燃料電池１４を圧力板２０、２２の温度の影響から分離し、また、それによって、氷点より低い状態からの燃料電池スタックアッセンブリ１０の始動を向上させる。端部燃料電池１６、１８を水素ポンプとして作動させる場合、電池に亘って輸送される水素は、酸化剤流れ流路内へ排気されることができ、そこで水素は、酸化剤出口流れと混合され得る。

燃料電池スタックアッセンブリ１０などの燃料電池スタックの通常の作動中、燃料供給システム２４および酸化剤供給システム２６が、各電池に、燃料および酸化剤の流れを供給するように作動される。電池内で、これらの流れは、所望の電流を生成するようによく知られた仕方でいずれかの側で各電極を通過する。

本発明に従うと、端部燃料電池１６、１８の一方または両方が、酸化剤の流れなしに、かつ、燃料の流れのみで作動され、それによって、そのような電池内で生じる反応は、水素を電池に亘って輸送しかつ熱を生成する反応となる。この種の燃料電池作動はここでは、水素生成モードと呼び、このような仕方で作動する電池はここでは、水素ポンプと呼ぶ。

端部燃料電池１６、１８のこのような作動は有利には、端部電池１６、１８内で凍結した水の溶解を向上させる熱であって、スタックの残りの部分、すなわち中間の電池１４を、圧力板２０、２２の、そうでなければこれらに隣接する電池の加熱を遅くする傾向があるであろう、温度の影響から分離するように作用する熱を生成するよう機能する。端部電池１６、１８は、単一の端部電池より多くを含むことができることに留意されたい。いずれかの端部の電池の数は、任意の特定の電池スタック設計を考慮した始動プロセスに必要とされる熱負荷に依存する。

本発明に従うと、端部燃料電池１６、１８は、恒久的に水素ポンプとして作動されることができ、または、より好ましくは、水素ポンプまたは通常の燃料電池として選択的に作動されることもできる。水素輸送モードの間は、端部燃料電池１６、１８への酸化剤の供給は、中間の燃料電池１４が通常の燃料電池作動のために酸化剤および燃料の両方を供給され続けながら、所望のようにこれらの端部燃料電池における水素輸送および熱を可能とするように選択的に停止される。水素ポンプ送りモードでの端部燃料電池１６、１８の作動の要求の後に、例えば、氷点より低い状態からの始動後の十分長い作動時間の後に、端部燃料電池１６、１８は、これらに酸化剤流れを再導入することにより通常作動に戻すことができる。このような仕方で、氷点より低い状態からの始動は、大幅に容易となり、一方、燃料電池の長期間の作動は、少しも影響を受けることがない。

端部燃料電池１６、１８への酸化剤流れは、さまざまな機構を用いて選択的に制御できる。本発明の好ましい実施態様の一つは、回転可能なシャッターまたはその他の流量制御機構を、端部燃料電池１６、１８の酸化剤入口または酸化剤出口の一方または両方に設けて、これらの部材を通る酸化剤流れを選択的に制御可能とすることである。

図２は、電池への酸化剤の流れを選択的に許可・遮断する適切な流量制御機構を有する端部燃料電池１６、１８を示す。図２は、電池内への流れを可能とするための流れポート３０を有する酸化剤取入れ口マニホールド２８を有する端部燃料電池１６、１８を示す。回転可能シャッター３２が、ポート３０に対して配置されており、ポートが実施的に閉塞される閉位置と、ポート３０が実質的に開となる開位置との間で位置調整可能である。シャッター３２は有利には、所望のように手動でまたは制御システムにより作動可能であり、また有利には、所望のように端部燃料電池１６、１８が水素ポンプとしてまたは燃料電池として選択的に作動可能となるように機能する。勿論、図２は、適切な流量制御機構の実施態様の一つを示しており、他の流量制御機構も同様に使用可能である。

氷点より低い状態からの始動中の水素ポンプとしての端部燃料電池１６、１８の作動は、電池の効率にわずかに影響を及ぼすとはいえ、この影響は、問題となるほど大きなものではない。このような作動の効率に対する影響は、スタック内の電池の数に反比例する。従って、２５０セルのスタックでは、水素ポンプモードにおける両方の端部電池の作動の場合、燃料効率は、１パーセント未満だけ低減される。

本発明のシステムおよび方法は有利には、さまざまな種類の加熱器および同様のものなどといった、そうでなければさまざまな燃料電池アッセンブリの氷点より低い状態からの始動での使用のために提案されてきたものの必要性を回避するように機能する。従って、費用が掛かりかつ制御集約的な部材の必要性は、本発明のシステムおよび方法によって解消される。

本発明のシステムおよび方法が有利には、以前に生じていた実質的な問題を克服しかつ潜在的に高価で複雑な追加の装置の必要性なしに組み込むことができる、氷点より低い状態からの燃料電池スタックアッセンブリの始動を提供することは、容易に理解されるはずである。

本発明を実施するための最良の形態の単なる例示と見なされるとともに部品の形状、大きさ、構成、および作動の詳細の変更が可能であるここに説明しかつ示した例示に本発明が、限定されるものでないことは、理解する必要がある。本発明は、むしろ、請求項によって規定される本発明の趣旨および範囲内にあるそのような全ての変更を含むものである。

本発明に従う燃料電池スタックアッセンブリの概略図。 本発明に従う水素ポンプとして端部燃料電池を選択的に作動させるための適切な流量制御機構の概略図。

Claims (10)

1. 互いに反対にある端部燃料電池を規定するスタック内に配列された複数の燃料電池を備える燃料電池スタックアッセンブリを作動させる方法であって、複数の燃料電池は、互いに反対にある端部燃料電池の間に中間の燃料電池を含んでおり、この方法は、燃料および酸化剤を中間の燃料電池に供給することを含み、それによって、一方または両方の端部燃料電池が、水素をその電池に亘って輸送しかつ熱を生成することを特徴とする燃料電池スタックアッセンブリを作動させる方法。
2. 前記水素を輸送しかつ前記熱を生成し、それによって、この熱が氷点より低い状態からの燃料電池スタックアッセンブリの始動を助けるように、前記一方または両方の端部燃料電池に選択的に酸化剤は供給せずに前記燃料を供給することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記一方または両方の端部燃料電池に選択的に供給するステップは、前記一方または両方の端部燃料電池を通る酸化剤流れを選択的に遮断・流通させることを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記燃料電池スタックアッセンブリは、前記一方または両方の端部燃料電池への酸化剤の流れを選択的に許可・遮断する流量制御部材をさらに備えており、供給ステップは、この流量制御部材を選択的に作動させることを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記の供給ステップは、前記互いに反対にある端部燃料電池の両方に前記燃料を供給することを含み、それによって、前記互いに反対にある端部燃料電池の両方が、前記水素を移動させかつ前記熱を生成することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 互いに反対にある端部燃料電池と、これらの間に配置された中間の燃料電池とを規定するスタック内に配列された複数の燃料電池と、
   燃料をこれら複数の燃料電池に供給するための燃料供給システムと、
   酸化剤をこれら複数の燃料電池に供給するための酸化剤供給システムと、
   を備える燃料電池スタックアッセンブリであって、前記互いに反対にある端部燃料電池のうちの一方または両方の端部燃料電池が、燃料がその一方または両方の端部燃料電池に供給されて水素を移動させかつ熱を生成する水素ポンプ送りモードで作動可能であり、酸化剤は、水素ポンプ送りモードの間に前記水素ポンプ電池には供給されないことを特徴とする燃料電池スタックアッセンブリ。
7. 前記一方または両方の端部燃料電池は、水素ポンプ送りモードと、燃料と酸化剤とが前記一方または両方の端部燃料電池に供給されて電流を生成する通常作動モードとにおいて選択的に作動可能であることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記酸化剤供給システムから前記一方または両方の端部燃料電池への流れを選択的に制御するように適合された流量制御部材をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記流量制御部材は、前記一方または両方の端部燃料電池の酸化剤入口と酸化剤出口との一方または両方に配置された回転可能なシャッターを備えることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 前記互いに反対にある端部燃料電池の両方が、前記水素生成モードで作動可能であることを特徴とする請求項９記載の装置。

Images