(57)【要約】ＰＥＭ型燃料電池システムは、二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、端面と圧力板との間にありかつ端面を圧力板から熱的に絶縁するためのスペーサ部材と、を備える。
2005536851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、
端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、
端面と圧力板との間にありかつ端面を圧力板から熱的に絶縁するためのスペーサ部材と、
を備えることを特徴とする、ＰＥＭ型燃料電池システム。
【請求項２】
複数のＰＥＭ型燃料電池は、複数の実質的に平面状のＰＥＭ型燃料電池要素を備えており、各要素は、側面縁部と、互いに逆向きで平坦な面とを有するとともに、各要素は、互いに実質的に隣接する平坦な面で積み重ねられており、それによって、縁部が、スタックの側面を画成し、互いに逆向きの端部要素が、端面を画成することを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
圧力板は、熱伝導率を有し、スペーサ部材は、圧力板の熱伝導率より低いスペーサ熱伝導率を有し、それによって、端面が、圧力板から断熱されることを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項４】
圧力板は、熱伝導率を有し、スペーサ部材は、圧力板の熱伝導率より低いスペーサ熱伝導率を有し、それによって、端面が、圧力板から断熱されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
スペーサ部材は、濡れ可能であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項６】
スペーサ部材は、多孔質であり、少なくとも約３０％の多孔度を有することを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
スペーサ部材は、約３０％と約８０％の間の多孔度を有することを特徴とする請求項６記載のシステム。
【請求項８】
スペーサ部材は、約５０％と約７５％の間の多孔度を有することを特徴とする請求項６記載のシステム。
【請求項９】
スペーサ部材は、水が透過でき、それによって、スペーサ部材へと移動する水が、スペーサ部材内に留まることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
スペーサ部材は、多孔質黒鉛板であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、を備えるＰＥＭ型燃料電池システムを停止する方法であって、
端面を圧力板から熱的に絶縁するように端面と圧力板との間にスペーサ部材を配置し、
ＰＥＭ型燃料電池システムを冷却する、
ことを含み、それによって、スペーサ部材は、端面を圧力板から熱的に絶縁し、それによって、端面への水の移動を低減することを特徴とする方法。
【請求項１２】
スペーサ部材は、濡れ可能であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
スペーサ部材は、多孔質であり、少なくとも約３０％の多孔度を有することを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
スペーサ部材は、約３０％と約８０％の間の多孔度を有することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
スペーサ部材は、約５０％と約７５％の間の多孔度を有することを特徴とする請求項１３記載のシステム。
【請求項１６】
スペーサ部材は、水が透過でき、それによって、スペーサ部材へと移動する水が、スペーサ部材内に留まることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
スペーサ部材は、多孔質黒鉛板であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、氷点下の条件に曝された後の始動を改善する、停止中の燃料電池の挙動を改善するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池などの電気化学燃料電池アッセンブリは、アノードに提供される燃料と、カソードに提供される酸化剤との反応を通して電気と、それに伴う反応生成物とを生成し、それによってこれらの電極間に電位を生成するその能力によって知られている。このような燃料電池アッセンブリは、特に内燃燃料システムおよび同様のものに比較して、その高効率に起因して非常に有用でありかつ需要の多いものである。燃料電池アッセンブリは、水などといった生成される環境にやさしい化学反応副生成物に起因してさらに有利である。燃料電池アッセンブリ内の温度を制御するために、冷却剤が燃料電池アッセンブリに提供されるが、この冷却剤も一般に水とすることができる。従って、燃料電池アッセンブリの作動中に燃料電池アッセンブリを通って水が循環する。
【０００３】
燃料電池アッセンブリの特に魅力的な使用の一つは、車両用途にある。しかしがなら、このような使用に関連する深刻な問題は、氷点下の温度に対する燃料電池アッセンブリの敏感さにあり、燃料電池アッセンブリを通って循環する水は特に、燃料電池内で凍結して、次の始動に対して深刻な問題を生じやすい。
【０００４】
この問題に対する多数の解決策が試みられてきたが、その大部分は、このような水が凝固温度に到達する前に燃料電池アッセンブリから水を除去する方法を含む。これらの努力にも拘わらず、燃料電池の大きさ、費用、および始動時間を実質的に増加させずに氷点下条件後に迅速な始動を可能とする燃料電池システムの必要性が残されている。
【０００５】
従って、本発明の主な目的は、このような燃料電池システムを提供することである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
本発明によれば、二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、端面と圧力板との間にありかつ端面を圧力板から熱的に絶縁するためのスペーサ部材と、を備えるＰＥＭ型燃料電池システムが提供される。
【０００８】
スペーサ部材は有利なことには、濡れ可能であり、好ましくは、多孔質であることおよび水が透過できることの一方または両方であり、さらに好ましくは、圧力板より低い熱伝導率を有しており、それによって、（１）燃料電池スタックの端面が、圧力板から熱的に絶縁されるとともに、（２）端面へと移動する水が、スペーサ部材によって捕獲される。
【０００９】
本発明にさらに従うと、二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、を備えるＰＥＭ型燃料電池システムを停止する方法が提供され、この方法は、端面を圧力板から熱的に絶縁するように端面と圧力板との間にスペーサ部材を配置し、ＰＥＭ型燃料電池システムを冷却する、ことを含み、それによって、スペーサ部材は、端面を圧力板から熱的に絶縁し、それによって、端面への水の移動を低減する。
【００１０】
本発明の好ましい実施態様の詳細な説明は、添付の図面に関連して、以下の通りである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池に関し、より詳細には、停止と、氷点下の条件に曝された後の改善された始動とを提供する改良された構造を有するＰＥＭ型燃料電池システムに関する。
【００１２】
上述したように、そして当業者にはよく知られているように、ＰＥＭ型燃料電池システムの作動によって、水が燃料電池システム全体を通って循環することになる。燃料電池システムが停止され、システムが氷点下の条件に曝される際に、水が凝固し、これは、次の始動中に重大な問題を引き起こす。
【００１３】
本発明に従うと、燃料電池システム内の水の凝固の問題は、燃料電池システムが均一に冷却せず、実際、スタックの端面における一般に大きくかつ熱伝導性の圧力板に曝される端部電池または端面においてより迅速に冷却するという事実によって、悪化されることが発見された。このような端部電池におけるこのようなより迅速な冷却によって、スタック内における不均一な水の凝縮が生じ、中心に位置する電池から端部電池への水の移動が生じ、従って、そのような端部電池におけるより大きな濃度の水が生じる。この水が凝固すると、端部電池は完全に閉塞され、これらの電池が流体循環に対して再び開放されるまでは始動は実行できない。
【００１４】
本発明に従い、また図１および図２に例示するように、互いに逆向きで外向きの面１６を有するスタック１４内に配列された複数の燃料電池１２を備える燃料電池システム１０が提供される。当業者にはよく知られるように、圧力板１８が通常、スタック１４を一緒に固定するようにさまざまな種類の結合構造（図示せず）を用いて、外向きの端面１６に対して配置される。作動中はスタック１４内の圧力が極めて高くなり得るので、圧力板１８は一般に、大きく構造的に強い部材とする必要がある。
【００１５】
スタック１４の端面１６近くの電池１２の迅速な冷却を引き起こすのは、この構造である。
【００１６】
本発明に従い、また有利なことには、スペーサ部材２０が、圧力板１８と端面１６との間に配置され、これらのスペーサ部材は、面１６を画成する端部電池を圧力板１８から熱的に疎隔または絶縁するのに役立ち、それによって、圧力板１８の熱伝導性により引き起こされるこれら端部電池のより迅速な冷却を少なくとも低減する。これは有利なことには、停止後の燃料電池システム１０のより均一な冷却に繋がり、それによって、所望のように面１６への水の移動が低減または防止される。従って、システム温度が水の凝固点に到達するとき、水はなおスタックを通っておおよそ均等に分配され、迅速な始動を妨げることなく凝固する。
【００１７】
本発明に従うと、スペーサ部材２０は有利なことには、実質的に平坦で濡れ可能で好ましくは多孔質の部材であり、また好ましくは、多孔質黒鉛板とすることができる。板２０の濡れ性、多孔度、および好ましくは水に対する透過性は、このような濡れ性、多孔度、および水に対する透過性によってスペーサ部材２０が、端面１６へと実際に移動するどのような水も捕獲し、それによって、このような水がスタック１４内の作動する電池内で凝固するのが防止されるので、有利である。
【００１８】
また、このような板２０は、これらが本発明に従う燃料電池システム１０の通常作動をどのような仕方でも妨げないので、有利である。
【００１９】
さらに図１および図２を参照すると、一般的なＰＥＭ型燃料電池１２は、縁部２２と、実質的に平坦な面２４とを有する実質的に平面状の部材であり、スタック１４は、平坦な面２４がスタック１４内のすぐ隣の平坦な面２４に実質的に隣接して、配列された複数のこのような燃料電池１２を備える。このように、また図１および図２に例示するように、スタック１４の端部電池２６は、所望のようにかつ本発明に従って、スペーサ部材２０によって圧力板１８から熱的に疎隔される面である端面１６を画成する。
【００２０】
上述したように、スペーサ部材２０は有利なことには、好ましくは圧力板１８の熱伝導率より低い熱伝導率を有する実質的に平面状の部材として提供できる。さらに、そしてまた上述したように、スペーサ部材２０は有利なことには、多孔質平面状の部材として提供でき、この多孔度はいくつかの理由で有利である。第一に、そして上述したように、この多孔度は、端面へと実際に移動する水の収納を可能とする透過性に繋がることができる。第二に、多孔度はさらに、スペーサ部材２０の熱伝導率を低減でき、それによってさらに、所望のように圧力板を１８を端部電池２６から熱的に疎隔する。
【００２１】
多孔質黒鉛板が燃料電池システム１０の通常の作動を妨げずに所望の機能を実行するので、本発明に従うスペーサ部材２０のための特に好ましい実施態様は、多孔質黒鉛板である。勿論、他の材料が端面１６からの電力の取り出しを妨げない限り、あるいはその他の場合に本発明に従う燃料電池システム１０の通常の作動を妨げない限り、あるいはこれら両方を妨げない限り、他の材料が提供され得る。
【００２２】
本発明に従うと、スペーサ部材は、少なくとも約３０％、好ましくは約３０％と約８０％の間、より好ましくは約５０％と約７５％の間の多孔度を有するのが好ましい。
【００２３】
本発明に従う圧力板１８からの端部電池２６の熱的な疎隔は、スタック１４内の燃料電池１２の縁部２２によって画成されるスタック１４の側面に比較して、端面１６のより均一な冷却を提供するのに役立つ。これは有利なことには、停止後に燃料電池システム１０のより均一な冷却を提供するのに役立ち、燃料電池システム全体を通るより均一な水蒸気圧に繋がり、それによって、端部電池２６のより迅速な冷却により生じる水蒸気圧の差によって駆動される移動を低減することに繋がる。
【００２４】
本発明によるシステムが、高価かまたは嵩張った、あるいは高価でかつ嵩張った付加的な部材を必要とせずに氷点下の条件の後に都合のよい始動を提供することは理解される必要がある。
【００２５】
本発明は、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精神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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に従う、スペーサ部材を含むＰＥＭ型燃料電池システムの概略側面図。
【図２】本発明に従う、スペーサ部材を含むＰＥＭ型燃料電池システムの概略斜視図。
【図１】
2005536851.tif 000003
【図２】
2005536851.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月3日(2004.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、
端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、
端面と圧力板との間にありかつ端面を圧力板から熱的に絶縁するためのスペーサ部材と、
を備えるＰＥＭ型燃料電池システムであって、
スペーサ部材は、濡れ可能である、
ことを特徴とする、ＰＥＭ型燃料電池システム。
【請求項２】
複数のＰＥＭ型燃料電池は、複数の実質的に平面状のＰＥＭ型燃料電池要素を備えており、各要素は、側面縁部と、互いに逆向きで平坦な面とを有するとともに、各要素は、互いに実質的に隣接する平坦な面で積み重ねられており、それによって、縁部が、スタックの側面を画成し、互いに逆向きの端部要素が、端面を画成することを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
圧力板は、熱伝導率を有し、スペーサ部材は、圧力板の熱伝導率より低いスペーサ熱伝導率を有し、それによって、端面が、圧力板から断熱されることを特徴とする請求項２記載のシステム。
【請求項４】
圧力板は、熱伝導率を有し、スペーサ部材は、圧力板の熱伝導率より低いスペーサ熱伝導率を有し、それによって、端面が、圧力板から断熱されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
スペーサ部材は、多孔質であり、少なくとも約３０％の多孔度を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項６】
スペーサ部材は、約３０％と約８０％の間の多孔度を有することを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
スペーサ部材は、約５０％と約７５％の間の多孔度を有することを特徴とする請求項６記載のシステム。
【請求項８】
二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、
端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、
端面と圧力板との間にありかつ端面を圧力板から熱的に絶縁するためのスペーサ部材と、
を備えるＰＥＭ型燃料電池システムであって、
スペーサ部材は、水が透過でき、それによって、スペーサ部材へと移動する水が、スペーサ部材内に留まる、
ことを特徴とする、ＰＥＭ型燃料電池システム。
【請求項９】
二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、
端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、
端面と圧力板との間にありかつ端面を圧力板から熱的に絶縁するためのスペーサ部材と、
を備えるＰＥＭ型燃料電池システムであって、
スペーサ部材は、多孔質黒鉛板である、
ことを特徴とする、ＰＥＭ型燃料電池システム。
【請求項１０】
二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、を備えるＰＥＭ型燃料電池システムを停止する方法であって、
端面を圧力板から熱的に絶縁するように端面と圧力板との間にスペーサ部材を配置し、
ＰＥＭ型燃料電池システムを冷却する、
ことを含み、それによって、スペーサ部材は、端面を圧力板から熱的に絶縁し、それによって、端面への水の移動を低減し、
スペーサ部材は、濡れ可能であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
スペーサ部材は、多孔質であり、少なくとも約３０％の多孔度を有することを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
スペーサ部材は、約３０％と約８０％の間の多孔度を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
スペーサ部材は、約５０％と約７５％の間の多孔度を有することを特徴とする請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、を備えるＰＥＭ型燃料電池システムを停止する方法であって、
端面を圧力板から熱的に絶縁するように端面と圧力板との間にスペーサ部材を配置し、
ＰＥＭ型燃料電池システムを冷却する、
ことを含み、それによって、スペーサ部材は、端面を圧力板から熱的に絶縁し、それによって、端面への水の移動を低減し、
スペーサ部材は、水が透過でき、それによって、スペーサ部材へと移動する水が、スペーサ部材内に留まることを特徴とする方法。
【請求項１５】
二つの互いに逆向きで外向きの端面を有するスタック内に配列された複数のＰＥＭ型燃料電池と、端面に対して配置されかつスタック内にＰＥＭ型燃料電池を固定するための圧力板と、を備えるＰＥＭ型燃料電池システムを停止する方法であって、
端面を圧力板から熱的に絶縁するように端面と圧力板との間にスペーサ部材を配置し、
ＰＥＭ型燃料電池システムを冷却する、
ことを含み、それによって、スペーサ部材は、端面を圧力板から熱的に絶縁し、それによって、端面への水の移動を低減し、
スペーサ部材は、多孔質黒鉛板であることを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2005536851.tif 000005
2005536851.tif 000006