JP2015097218A - 燃料電池スタックの動作停止方法 - Google Patents
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Abstract
Description
・燃料ガス貯蔵タンクに連結可能な遮断弁及び燃料ガス用の圧力調整弁、
・アノードに通じる供給チャネル、
・燃料ガス用の圧力調整弁の下流側で供給チャネルで終端する燃料ガス再利用ループ、 ・カソードにオキシダントガスを供給する供給チャネル、
・オキシダントガス再利用ループ、
・加圧大気を充填する装置、及び
・大気から隔離可能であり、カソードに通じる供給チャネル及び再利用ループを大気から隔離することができる手段を有する、燃料電池スタックにおいて、オキシダントガス供給システムは、燃料ガスを蓄積する追加燃料ガス蓄積チャンバを有し、追加燃料ガス蓄積チャンバは、遮断弁の下流側で且つ圧力調整弁の上流側で燃料ガス供給チャネル網に連結されていることを特徴とする燃料電池スタックを提案する。
・(i)燃料ガス及びオキシダントガスの供給を遮断するステップと、
・(ii)適切な指標により表示器がオキシダント供給システム内のオキシダントガスが十分に消費されなかったことが指示される限り、電流を流し続けるステップと、
・(iii)窒素富化ガスをオキシダントガス供給システム中に注入するステップとを有することを特徴とする動作停止方法に関する。
‐第1段階:残留酸素消費段階、この段階は、燃料ガス供給及びオキシダントガス供給の遮断時に、そして、燃料電池スタックの端子のところの電流ISを流すことによって起こる。この電流の流れISは、適切な指標により表示器がオキシダント供給システム内のオキシダントガスが十分に消費されなかったことが指示される限り、維持される。適当な指標は、例えば、燃料電池スタックの端子にかかる電圧である。
‐第2段階:カソード回路の窒素を充填したときに生じる中和段階。本明細書において説明する実施形態では、窒素は、大気中の窒素である。この場合、大気の強制注入が起こり、それによりこの場合も又、少量の酸素が導入され、この酸素の消費は、電流の流れによって制御されなければならない。
‐第3段階:この段階は、オプションであり、この段階の間、電気化学プロセスが完全に停止された後、過剰の燃料ガスが強制的に除去される(この場合、過剰水素の強制吸引)。強調されるべきこととして、本発明により、この吸引は、燃料電池スタックを重大な結果になることが知られている水素の不十分な供給を回避するための予防措置が取られている状態に至らせた後にのみ起こる。
‐曲線1、この曲線のy軸は、「スタック電流[A]」で表示され、アンペアで表された燃料電池スタックから流れる電流を示している。
‐曲線2、この曲線のy軸は、「スタック電圧[V]」で表示され、ボルトで表された燃料電池スタックの端子にかかる全電圧を示している。
‐曲線3、この曲線のy軸は、「圧力アウト[バール]」で表示され、バール絶対圧(bara)で表されたアノードコンパートメント(水素:実線)及びカソードコンパートメント(酸素:点線)内の圧力を示している。
‐曲線4、この曲線のy軸は、「H2濃度[%]」で表示され、体積%で表されたアノードコンパートメント(水素:実線)及びカソードコンパートメント(酸素:点線)内の水素濃度を示している。
〔数1〕
mh2≧2×mo2+resh2
上式において、mh2は、燃料ガス供給回路(管、チャネル、双極板、遮断弁110の下流側の供給ライン)の内部容積内で消弧の開始時に利用できるモルで表された水素の量であり、resh2は、これ又モルで表された残留酸素の所望の量である。最終的に必要な水素の量mh2は、追加の燃料ガス蓄積チャンバ116の容積を調節することにより得られるであろう。
‐アノードのところの純粋水素及びカソードのところの純粋窒素に関する理論的ポテンシャル差がせいぜい数10mVであり、これは、精度の高い電圧測定装置が必要であることを示している。
‐透過性の算定では流量測定が必要であり、これは、実際には、ガス混合物について精度を高くした状態で実施するのが困難である。
‐カソードのところの最も微量の残留水素であっても、これが予測電圧レベルよりも極めて大きい電圧差を生じさせ、したがって測定値を歪める場合があるが、実際には、とりわけ膜電極組立体(MEA)内に収容された吸着剤支持体、例えばGDL(ガス拡散層)の存在している場合、ガスを完全になくすようにすることは極めて困難であることが周知である。
‐最後に、この方法では、供給システムを状態調節する特定の手法が実施され、窒素又は別の不活性ガス源が利用できるようにすることが必要である。したがって、この方法は、とりわけ搭載用途の場合に自動化するのが困難である。
Claims (18)
- 各々が高分子イオン交換膜の各側にアノード及びカソードを有する電気化学セルのスタック、前記電気化学セルのアノード側に設けられた燃料ガス供給システム及び前記電気化学セルのカソード側に設けられたオキシダントガス供給システムで形成された燃料電池スタック(1)であって、前記燃料ガス供給システムは、
・燃料ガス貯蔵タンク(11T)に連結可能な遮断弁(110)及び前記燃料ガス用の圧力調整弁(117)、
・前記アノードに通じる供給チャネル(11A)、
・前記燃料ガス用の圧力調整弁(117)の下流側で前記供給チャネル(11A)で終端する燃料ガス再利用ループ(11R)、
・前記カソードにオキシダントガスを供給する供給チャネル(12A)、
・オキシダントガス再利用ループ(12R)、
・加圧大気を充填する装置、及び
・前記大気から隔離可能であり、前記カソードに通じる前記供給チャネル及び前記再利用ループを前記大気から隔離することができる手段を有する、燃料電池スタックにおいて、
前記オキシダントガス供給システムは、前記燃料ガスを蓄積する追加燃料ガス蓄積チャンバ(116)を有し、前記追加燃料ガス蓄積チャンバ(116)は、前記遮断弁(110)の下流側で且つ前記圧力調整弁(117)の上流側で前記燃料ガス供給チャネル網に連結されている、燃料電池スタック。 - 前記大気からの隔離手段は、少なくとも1つの隔離弁(128)から成る、請求項1記載の燃料電池スタック。
- 前記大気からの隔離手段は、逆止弁から成る、請求項1記載の燃料電池スタック。
- 前記大気からの隔離手段は、前記加圧大気充填装置を前記大気から隔離する出力弁(122)から成る、請求項1記載の燃料電池スタック。
- 前記オキシダントガス供給システムは、酸素貯蔵タンク(12T)への前記カソード供給チャネルの連結部及び前記連結部に設けられた遮断弁(120)を更に有する、請求項1〜4のうちいずれか一に記載の燃料電池スタック。
- 前記加圧大気充填装置は、空気取り入れオリフィス(126)、遮断弁(128)及びブースタポンプ(129)を有し、前記空気取り入れオリフィス、前記遮断弁及び前記ブースタポンプは、前記燃料電池スタック(1)で終端している前記オキシダントガス供給回路で終端したライン上に設けられている、請求項1〜5のうちいずれか一に記載の燃料電池スタック。
- 前記燃料ガス供給システムは、吸引ポンプ(119)及び遮断弁(118)を有し、前記吸引ポンプ及び前記遮断弁は、大気に通じるライン上に設けられると共に前記燃料ガス再利用ループ(11R)に連結されている、請求項1〜6のうちいずれか一に記載の燃料電池スタック。
- 前記吸引ポンプ(119)は、気水分離器(114)の下に連結されている、請求項7記載の燃料電池スタック。
- 前記アノード側で燃料ガス供給システム内に設けられた水素濃度センサ(C11)を有する、請求項1〜7のうちいずれか一に記載の燃料電池スタック。
- 燃料電池スタック(1)を動作停止させる方法であって、前記燃料電池スタック(1)は、各々が高分子イオン交換膜の各側にアノード及びカソードを有する電気化学セルのスタックで形成され、前記燃料電池スタック(1)は、前記電気化学セルのアノード側に設けられた燃料ガス供給システム及び前記電気化学セルのカソード側に設けられたオキシダントガス供給システムを有し、前記燃料電池スタックは、電圧を電力ライン(10)に送り出し、前記動作停止方法は、次のステップ、即ち、
・(i)燃料ガス及びオキシダントガスの供給を遮断するステップと、
・(ii)適切な指標により表示器が前記オキシダント供給システム内の前記オキシダントガスが十分に消費されなかったことが指示される限り、電流を流し続けるステップと、
・(iii)窒素富化ガスを前記オキシダントガス供給システム中に注入するステップとを有する、動作停止方法。 - 前記ステップ(i)、(ii)及び(iii)は、互いに付随して実施される、請求項10記載の動作停止方法。
- 前記ステップ(ii)と前記ステップ(iii)は、連続したステップであり、前記2つのステップ(i)及び(ii)は、互いに付随して実施される、請求項10記載の動作停止方法。
- 前記ステップ(iii)の実施後に、燃料ガス吸引ステップを更に有する、請求項10記載の動作停止方法。
- 燃料電池スタックにオキシダントとして純粋酸素を供給するために、前記窒素富化ガスは、大気である、請求項10〜13のうちいずれか一に記載の動作停止方法。
- 前記燃料ガス供給を遮断する前記ステップは、前記オキシダントガス供給を遮断する前記ステップに対して遅延される、請求項10〜14のうちいずれか一に記載の動作停止方法。
- 純粋酸素の供給と前記燃料ガス供給は、同時に遮断される、請求項10〜15のうちいずれか一に記載の動作停止方法。
- まず最初に、前記電流の流れを第1のレベルに設定し、次に、前記燃料電池スタックの或る特定のセルが電圧降下を開始し始めるのと同時に減少させ、最後に、前記電流の流れは、前記燃料電池スタックの電圧が0Vに近づくとゼロになる、請求項10〜16のうちいずれか一に記載の動作停止方法。
- イオン交換膜の各々の個々の透過性の測定前に、前記燃料電池スタックの前記セルの各々の個々の電圧を測定し、前記個々の電圧の各々の変化率を記録し、前記変化率があらかじめ特定された特徴的な指標を有する場合、前記燃料電池スタックが点検を必要とすることを指示する警告信号を出す、請求項10〜17のうちいずれか一に記載の動作停止方法。
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