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

Description

本発明は、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に関する。

従来から知られているように、改質（リフォーミング）装置付きの燃料電池システムは、例えば車両駆動用の電気モータに供給するための電力を生成することを可能にする。
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。

ガスの中に含まれ、電気に変換されなかった化学エネルギは、熱の形で再現する。現在では、膜の材料として知られている材料は、８０℃以下の温度に維持する必要がある。このため、冷却回路を設ける必要がある。冷却セルは、電池の３セル毎に１つづつ挿入することができる。冷却セルは、二極板の形に似た形状を呈するが、水、または凍結防止剤が添加された水のような、冷却液を循環させる役割を果たす。

自動車への適用において、セルにとって最も厳しい動作条件は、セルが可能な限り急速に電気を生成する必要がある発進段階の際に生じる。従って、周囲温度が動作温度へ数分間移行するために、材料は温度のレベルにおける厳しい拘束を受ける。
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。

さらに、改質装置による水素の供給の場合には、電池の中で用いられるプラチナ合金ベースのアノードの触媒は、改質反応の副産物である一酸化炭素に極めて過敏である。
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。

他方、燃料電池の冷却を改善するために、動作温度を増加することが望ましい。高温の燃料電池のために検討される材料は、限られた動作範囲を有する。例えば、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）は、１２０℃からのみ、良好なイオン伝導率を有し、このことは電池の始動時間の増加をもたらす。実際、電気の供給を開始することができるためには、この温度の燃料電池の集合を持つ必要がある。

また、自動車への適用において課される極めて急速なダイナミクスは、燃料電池が出力の突発的な変化に急速に応答できるように、燃料電池の規模の増大化を必要とする。

文献WO 00/30200（Ballard Power
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。
WO 00/30200

本発明は、上記の問題を解消しようとするものである。

本発明は、急速で、経済的で、電池にとって有害性の少ない、燃料装置の始動方法を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池の始動方法は、改質装置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。

また、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。

このようにして、高い効率と、安価なコストに関して最適化された第２の部分集合のセルを作成することができ、これらのセルは、水素濃度の濃い改質燃料を必要とする。また、第１の部分集合のセルの特性を、水素濃度が薄く、顕著な比率の一酸化炭素、または、水素の他に酸素と炭素の少なくとも一方を含むその他の組成物を含む可能性がある改質燃料とともに動作するように最適化する。

このような方法は、燃料電池を急速に使用可能にし、燃料電池が装備された車両の商品化に対する重大な障害を除去することを可能にする。この障害は、始動ボタンの操作と、車両が実際に使用できるようになる瞬間、すなわち適当な状態で車両が走行するのに充分な電気出力が準備される瞬間との間に、運転者が待つ必要がある時間によって構成される。

本発明においては、上記第２の部分集合の上記セルは、上記セルが動作に適した温度にあるときに上記改質燃料を供給される。この温度に達しないときには、第２の部分集合のセルは、改質燃料を供給されない。このようにして、動作温度の範囲に関しては要求が高いが、高性能、特に高効率を呈する材料で、第２の部分集合のセルを作成することができる。

有利には、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が、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活性化される。

冷えている際の発進の第１段階においては、第１の部分集合のセルの温度が急速に上昇するように、冷却回路は非活性化される。

次いで、第２段階においては、冷却液が、セルの第１の部分集合及びセルの第２の部分集合を循環するように冷却回路が活性化される。その結果、第１の部分集合のセルから除去された熱が、第２の部分集合のセルの温度を変えることに貢献する。

最後に、第２の部分集合のセルの温度が、温度の閾値に達した第３段階においては、冷却回路の冷却液は、第１の部分集合のセルと、第２の部分集合のセルと、ラジエータとの中を循環する。ラジエータは、生じた熱を外部へ排出する。

また、本発明は、複数のセルを有する燃料電池と、炭化水素燃料から水素を供給することに適した改質装置とを含んでなる燃料電池システムを提供する。

上記燃料電池システムは、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する上記セルの第２の部分集合と、
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。

本発明は、さらに、複数のセルを有する燃料電池と、炭化水素燃料から水素を供給することに適した改質装置とを含んでなる燃料電池システムを提供する。

上記燃料電池システムは、上記最適動作温度に達していないときの動作に最適化された上記セルの第１の部分集合と、上記最適動作温度に達しているときの動作に最適化された上記セルの第２の部分集合と、上記第２の部分集合の温度に応じて、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を含んでなる。このようにして、セルの第２の部分集合に対して、動作温度が高い材料を使用することができ、このことは高効率の冷却を可能にする。

上記最適動作温度に達していないときの動作は、第２の部分集合の周囲の温度が最低温度であって、上記最適動作温度に達していない改質装置から発生されるアノードのガスでの電池の動作を意味し、上記最適動作温度に達しているときの動作は、理想的な温度範囲における、上記最適動作温度に達している改質装置から発生されるアノードのガスでの電池の動作を意味する。

有利には、上記燃料電池システムは、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を有し、上記セルの上記第２の部分集合の動作が停止されているときに、上記セルの上記第１の部分集合から除去された熱が、上記セルの上記第２の部分集合を熱する。

本発明の１実施の形態においては、上記燃料電池システムは、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とを含んでなる。

このようにして、セルの第２の部分集合の動作条件が満たされないときには、セルの第２の部分集合への改質燃料の供給を中断することができる。また、セルの第２の部分集合を電気的に隔離することができる。

本発明の１実施の形態においては、上記燃料電池システムは、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有する中央装置を含んでなる。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、上記冷却回路を活性化させるモジュールを有する。

異なる材料を有する２つの部分集合からなる燃料電池の構成は、始動時の制約は１つの部分集合にのみ適用されるので、電池のコストを低減することを可能にすることが分かる。この部分集合のみが、この部分集合及び改質装置の上記最適動作温度に達していないときの動作に対して、より抵抗力のある材料から成る必要がある。

本発明のもう１つの利点は、燃料電池のエネルギ効率の改良にある。何故なら、第２の部分集合のセルは、第２の部分集合のセルが最適の温度範囲に達し、従って高い効率を有するときにのみ電気エネルギを発生するからである。

駆動用の電気モータと、該電気モータに電力を供給するのに適した燃料電池とが装備された車両は、汚染物質の排出が大いに低減され、急速に発進することが可能な、向上された連続動作能力を有する。

本発明は、非限定な例として示され、添付図面によって例示された、実施の形態の詳細な説明を検討することによって、より良く理解されるであろう。
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。

図１に見られるように、燃料電池のセルは、電解質の役割を果たす膜１と、膜１の一方の側に配置されたアノード２と、膜１の他方の側に配置されたカソード３と、膜１に対向するアノード２の側に配置された極板４と、膜１に対向するカソード３の側に配置された極板５とを有する。極板４には、アノード２の側に開口する溝を形成する導管６が設けられている。同様に、極板５には、カソード３の側に開口する導管６と、他のセルのアノードと接触させることが可能な反対側に開口する導管７とが設けられている。

図２に、本発明の１つの特徴に合致するシステムが示されている。このシステムは、燃料電池８と、エアコンプレッサ９と、レザーバ１１から燃料を供給される改質装置１０とを有する。燃料電池８は、部分集合１２と１３を有する。各部分集合１２と１３は、１または複数の上記のようなセルを有する。部分集合１２に改質燃料を供給するために、改質装置１０の出口と部分集合１２との間に導管１４が設けられている。ここに、「改質燃料」は、改質装置によって生成された化学混合物であり、水素と、一酸化炭素と、場合によってはその他の混合物を含んでいる。水素の比率はできるだけ高いことが望ましい。一酸化炭素の比率はできるだけ低いことが望ましいが、改質装置が理想的な動作温度に達しないとき、及び遷移段階の際に一般に増加する。その他の混合物は、水素、酸素、炭素の少なくとも１つを含む。

エアコンプレッサ９の出口と部分集合１２との間に導管１５が設けられている。導管１６が導管１４から分岐して設けられ、部分集合１３に通じている。導管１６に、操作バルブ１７が設けられている。同様に、操作バルブ１９が設けられた導管１８が、導管１５から分岐して設けられ、部分集合１３に通じている。部分集合１２と１３の電気出力は並列に接続されている。しかしながら、部分集合１３の電気出力の１つに、部分集合１３を電気的に切り離すための電子開閉器２０が設けられている。

部分集合１２と１３の冷却を確保するための導管と、操作バルブ２６とを有する、冷却回路２１が設けられている。冷却液は、先ず部分集合１２を通過し、次いで部分集合１３を通る。このシステムは、他の部分、特にエアコンプレッサ９と操作バルブ１７、１９および２６とを制御するのに適した、中央装置２２を更に有する。中央装置２２は、改質装置１０の温度センサ２３と、部分集合１２の温度センサ２４と、部分集合１３の温度センサ２５に接続されている。

部分集合１２は、一方では、低温における機能をサポートするように最適化されている。また、他方では、水素濃度が低い、換言すれば改質装置１０の温度が低くて、改質装置１０から来る一酸化炭素濃度の濃い、改質燃料の供給に適合するようになされている。

従って、部分集合１２のセルは、部分集合１３のセルよりも多量の、例えばプラチナまたはプラチナ合金からなる触媒であって、一酸化炭素による触媒活性の低下に適応化された触媒と、始動の時から直ちに充分な電気出力を供給するために、低温においてもイオン伝導率が充分な膜と、最後に、充分厚い膜とを備えている。

部分集合１３は、動作温度に達した時と、改質装置が一酸化炭素の比率が充分に低い改質燃料を発生する時に動作する。

従って、部分集合１３のセルは、より微量の触媒であって、連続して動作中の改質装置から供給される改質燃料の一酸化炭素の比率に適した触媒と、連続して動作中の温度における良好なイオン伝導率を有する膜と、最後に、厚さが薄い膜とを備えている。

このようなシステムが装備された車両を発車させる際には、例えば、改質装置に含まれた燃料の燃焼器によって、改質装置の温度を変化させる手順が活性化される。通常は、改質装置は、典型的には８００℃であるその動作温度に一旦達してからしか、水素を生成し始めない。

しかしながら、水素の製造は、６００〜７００℃のオーダのより低温から明らかに開始することができる。しかし、この場合の改質燃料は、より高い比率の一酸化炭素を含有し、これは部分集合１３のセルには適合しないが、部分集合１２のセルには適合する。このように製造された、一酸化炭素濃度の濃い改質燃料は、部分集合１２のセルへ送られ、操作バルブ１７は閉じられる。また、操作バルブ１９も閉じられ、電子開閉器２０は開かれる。このように部分集合１２のみが水素と空気を供給され、電気エネルギを発生する。電気の生成に起因する熱損失は、動作に最適の範囲の周囲温度を、部分集合１２にもたらす。

温度センサ２４によって測定される部分集合１２の温度が、例えば８０℃である第１の閾値に達しない限りは、ポンプ２６は停止され、冷却回路２１は非作動にされる。温度センサ２４が、第１の閾値よりも高い温度を検知すると直ちに、中央装置２２は、冷却液を部分集合１２と部分集合１３の中で循環させるポンプ２６の作動を指令する。部分集合１２から部分集合１３へ向けて熱が移動され、部分集合１３は徐々に温まる。

部分集合１３の温度センサ２５が、部分集合１２用に用いられる第１の閾値よりも高い、例えば１２０℃である第２の閾値以上の温度を検出したときと、改質装置１０の温度センサ２３が、例えば８００℃である第３の閾値以上の温度を検出したときには、中央装置２２は操作バルブ１７および１９の開口を指令する。改質装置１０に関する温度条件は、部分集合１３に適合した一酸化炭素濃度の改質燃料を保証し、部分集合１３に関する温度条件は、部分集合１３の良好なエネルギ効率を保証する。電子開閉器２０は閉じられる。部分集合１３は、燃料と助燃物を供給され、出力の電気回路網へ接続される。

もし、図示しない駆動系統のエネルギ消費が、温度に適した段階中に部分集合１３から発生される電気エネルギを超えると、図示しないバッテリーから補足のエネルギを供給することができる。

特性が異なり、異なる材料を有する２つの部分集合からなる燃料電池の構成は、始動時に必要な要求は２つの部分集合の１つにのみ適用され、他の１つの部分集合は、頑丈でない構造にし、触媒の量を少なくすることができるので、電池の全体のコストを低減することを可能にする。

勿論、燃料電池は、改質装置から発生される改質燃料の組成に応じて、幾つかのものをその他のものの後で作動させる、例えば３または４の、より多数の部分集合に分割することも可能である。

本発明は、燃料電池のセルの柔軟な配置を可能にし、このような燃料電池が装備された車両の迅速な始動をとりわけ可能にし、このことはかかる車両を使用することの魅力を大いに増加させ、その商品化を助長することを可能にする。

最後に、第２の部分集合は、第２の部分集合が高い効率を呈する最適の温度範囲に達したときにのみ電気エネルギを発生するので、本発明は、電池のエネルギ効率の改良を可能にする。

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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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