JP4578238B2 - 燃料電池の始動方法、燃料電池システム及び燃料電池システム搭載車両 - Google Patents
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Description
燃料電池システムは、車両に搭載されたガソリンまたはメタノールのような燃料から水素を生成することを可能にする改質装置と、改質装置によって供給される水素と空気中の酸素とから電力を生成することを可能にする電池と、特にエアコンプレッサ及び冷却回路を含む補助装置とからなる。
燃料電池は、車両の駆動系統の動作電圧に達するように直列に接続された複数のセルで構成することができる。これらのセルの寸法は、到達するべき駆動系統の公称出力に応じて決められる。
燃料電池のセルは、二極板と電極−膜組立体とからなる。セルは、水素を消費して、陽子と、アノードに電子を形成する。陽子は膜を通り抜けて電解質へ移送され、電子は二極板から燃料電池の出口の電気回路へ移送される。カソードにおいては、空気中の酸素が陽子及び電子と結合して水を形成する。
二極板は、電極上の反応体の均一な分布を確保し、電子を伝導し、電気−化学反応の際に作られた水を外部へ排出し、発熱反応の際に作られた熱を排出し、ガスの気密性を確保する必要がある。二極板は、グラファイト、導電性ポリマー、金属等で作ることができる。二極板は、「多管」型または「多孔質」型にすることができる。カソードとアノードは、電解質の役割をする膜の一方の側と他方の側に固定することができる。陽子を交換する膜は、アノードからカソードへの陽子の循環を確実にし、ガスの気密性を保証する。この膜は、NAFION(訳注:デュポン社の登録商標)、ACIPLEX(訳注:旭化成の登録商標)等のタイプのスルホン過フッ化材で作ることができる。
アノードとカソードの両電極は、反応個所への反応体の供給を確実にし、電気−化学反応を実行し、反応による生成物を二極板へ向けて排出する。両電極は、例えばプラチナである反応用の触媒と、水を排出するためのPTFE(訳注:フッ素樹脂、ポリテトラフルオーロエチレン)のような疎水性薬剤とを含有するカーボンの織物で作ることができる。電極と膜は、中央部から他方への反応体の移動を確実にするために、例えば電極を膜の上へ熱圧着して、あるいは電極を膜の上へ直接堆積して、密着して連結される。
さらに、燃料電池の温度を急速に温度上昇させるために、セルは、セルの温度上昇に必要な大きな熱の量を発生し、セルを構成する材料の温度が上昇する。このため、材料の許容応力が低下するので、セルは低い応力で機能する必要があり、換言すれば材料の寸法を増して、セルの構造を頑丈にする必要がある。
発進段階の際に、改質装置は高温にする必要があり、この段階の間に改質装置は、この段階の際に悪い作用をする、大量の一酸化炭素を発生する。
このため、燃料電池は一般に規模を増大化され、燃料電池の規模の増大化は、例えば電極における触媒の追加の量を伴い、コストを著しく増大させる。
Systems)には、改質装置を備えた燃料電池システムが記載されている。始動段階の際に、改質装置に供給するために用いられる燃料は、燃料電池のセルの少なくとも一部へ向けて送られる。セルのこの部分は、少なくとも改質装置が動作状態になるまで、燃料の直接の酸化による出力を出口から供給する。このようなセルの作成は費用が高く、改質装置から燃料を直接供給されるセルの急速な品質低下の危険がある。
上記改質装置が、当該改質装置の最適動作温度に達していないときには、上記改質燃料を上記燃料電池の上記セルの少なくとも1つの第1の部分集合に供給し、
次いで、上記改質装置が上記最適動作温度に達したときには、上記改質燃料を上記燃料電池の上記セルの第1の部分集合及び上記セルの少なくとも1つの第2の部分集合に供給し、
上記第2の部分集合の上記セルは、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合する量の触媒、及び、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合するイオン伝導率が得られる材料からなり、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合する膜厚を有する電解質膜を有し、
上記第1の部分集合の上記セルは、上記最適動作温度に達していないときに動作するのに適合し、上記第2の部分集合の上記セルよりも多い量の触媒、及び、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合するイオン伝導率が得られる材料からなり、上記最適動作温度に達していないときに動作するのに適合し、上記第2の部分集合の上記セルよりも厚い膜厚を有する電解質膜を有することを特徴とする。
上記最適動作温度に達していないときに動作するのに適合し、上記第2の部分集合の上記セルよりも多い量の触媒、及び、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合するイオン伝導率が得られる材料からなり、上記最適動作温度に達していないときに動作するのに適合し、上記第2の部分集合の上記セルよりも厚い膜厚を有する電解質膜を有する上記セルの第1の部分集合と、
上記改質装置の温度に応じて上記セルの上記第2の部分集合へ改質燃料を供給する手段とを含んでなる。
添付図面において:
図1は、燃料電池のセルを図式的に示す図であり、
図2は、本発明の1つの特徴に従うシステムを図式的に示す図である。
Claims (7)
- 改質装置(10)から改質燃料を供給される複数のセルを含んでなる燃料電池の始動方法において、
上記改質装置が、当該改質装置の最適動作温度に達していないときには、上記改質燃料を上記燃料電池の上記セルの少なくとも1つの第1の部分集合(12)に供給し、
次いで、上記改質装置が上記最適動作温度に達したときには、上記改質燃料を上記燃料電池の上記セルの第1の部分集合及び上記セルの少なくとも1つの第2の部分集合に供給し、
上記第2の部分集合(13)の上記セルは、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合する量の触媒、及び、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合するイオン伝導率が得られる材料からなり、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合する膜厚を有する電解質膜を有し、
上記第1の部分集合の上記セルは、上記最適動作温度に達していないときに動作するのに適合し、上記第2の部分集合(13)の上記セルよりも多い量の触媒、及び、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合するイオン伝導率が得られる材料からなり、上記最適動作温度に達していないときに動作するのに適合し、上記第2の部分集合(13)の上記セルよりも厚い膜厚を有する電解質膜を有することを特徴とする、燃料電池の始動方法。 - 上記燃料電池の上記セルの上記第1の部分集合と上記セルの上記第2の部分集合とに共通の冷却回路(21)を、上記セルの上記第1の部分集合の温度が閾値に達したときに作動させることを特徴とする、請求項1記載の燃料電池の始動方法。
- 複数のセルを有する燃料電池(8)と、炭化水素燃料から水素を供給するのに適した改質装置(10)とを含んでなる燃料電池システムにおいて、
最適動作温度に達しているときに動作するのに適合する量の触媒、及び、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合するイオン伝導率が得られる材料からなり、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合する膜厚を有する電解質膜を有する上記セルの第2の部分集合(13)と、
上記最適動作温度に達していないときに動作するのに適合し、上記第2の部分集合(13)の上記セルよりも多い量の触媒、及び、上記最適動作温度に達しているときに動作するのに適合するイオン伝導率が得られる材料からなり、上記最適動作温度に達していないときに動作するのに適合し、上記第2の部分集合(13)の上記セルよりも厚い膜厚を有する電解質膜を有する上記セルの第1の部分集合(12)と、
上記改質装置の温度に応じて上記セルの上記第2の部分集合へ改質燃料を供給する手段と
を含んでなることを特徴とする、燃料電池システム。 - 上記燃料電池の上記セルの上記第1の部分集合と上記セルの上記第2の部分集合とに共通の冷却回路(21)を有し、上記セルの上記第2の部分集合(13)の動作が停止されているときに、上記セルの上記第1の部分集合(12)から除去された熱が、上記セルの上記第2の部分集合(13)を熱することを特徴とする、請求項3記載の燃料電池システム。
- 上記セルの上記第2の部分集合へ上記改質燃料を供給する導管に設けられた操作バルブ(17)と、上記セルの上記第2の部分集合へ空気を供給する導管に設けられた操作バルブ(19)と、上記セルの上記第2の部分集合の出力の導線に設けられた電子開閉器(20)とを含んでなることを特徴とする、請求項3または4記載の燃料電池システム。
- ソフトウエアを実行する手段と、メモリと、上記メモリの中にローディングされた少なくとも1つのソフトウエアとを含む中央装置(22)を含んでなり、上記ソフトウエアは、上記セルの上記第1の部分集合の温度が閾値に達したときに、冷却回路(21)を作動させるモジュールを有することを特徴とする、請求項3〜5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 電気モータによる駆動系統と、請求項3〜6のいずれか1つに記載の燃料電池システムとを含んでなる燃料電池システム搭載車両。
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