(57)【要約】電気化学的燃料電池システムのための凍結温度から氷点下温度までのスタートアップ時間における改良は、冷却剤サブシステム中の冷却剤容量を最小にすることによって観察され得る。特に、これは、２つのポンプ（５０、５５）−二重ループ（Ａ、Ｂ）冷却サブシステムを有することにより達成され得る。スタートアップの間、１つのポンプ（５５）は、スタートアップ冷却剤ループ（Ａ）を通って冷却剤を方向付け、そして燃料電池スタック（２０）または冷却剤いずれかの温度が、所定の閾値に到達した後、主要または標準冷却剤ループ（Ｂ）からの冷却剤が次いで、燃料電池スタック（２０）に方向付けられる。１つの実施形態では、標準ループ（Ｂ）からの冷却剤は、所定の閾値温度に到達した後、スタートアップループ（Ａ）中の冷却剤と混合される。
2007522623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的燃料電池スタックを有する電気化学的燃料電池システムのための冷却サブシステムであって：
該電気化学的燃料電池スタックに流体により連結されたスタートアップ冷却剤ループであって、スタートアップポンプを備えるスタートアップ冷却剤ループ；および
標準冷却剤ループであって、標準ポンプおよびスタックバルブを、該スタックバルブが開放されるとき、該標準冷却剤ループが該電気化学的燃料電池スタックに流体により連結されるように、そして該スタックバルブが閉鎖されるとき、該標準冷却剤ループが該電気化学的燃料電池スタックから流体的に隔離されるように備える標準冷却剤ループ、備える、冷却サブシステム。
【請求項２】
前記スタートアップ冷却剤ループが、前記スタックバルブが開放されるとき、前記標準冷却剤ループに流体により連結される、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項３】
前記スタートアップ冷却剤ループが、前記スタックバルブが開放されるとき、前記電気化学的燃料電池スタックに流体により連結される、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項４】
前記標準冷却剤ループが、標準ポンプに流体により連結されるコンプレッサーをさらに備える、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項５】
前記スタートアップ冷却剤ループが、ヒーターをさらに備える、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項６】
前記スタックバルブが、温度自動調節バルブである、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項７】
前記スタックバルブが、比例バルブである、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項８】
前記電気化学的燃料電池スタックが、スタック多岐管を備え、そして前記スタートアップ冷却剤ループが該スタック多岐管に組み込まれる、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項９】
前記標準冷却剤ループが、カソードフィード熱交換器をさらに備える、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項１０】
前記標準冷却剤ループが、冷却剤リザーバーをさらに備える、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項１１】
前記標準冷却剤ループが、ラジエーターをさらに備える、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項１２】
ラジエーターバルブをさらに備え、該ラジエーターバルブが開放されるとき、前記ラジエーターが前記標準冷却剤ループに流体により連結され、そして該ラジエーターバルブが閉鎖されるとき、該ラジエーターが該標準冷却剤ループから流体的に隔離される、請求項１１に記載の冷却サブシステム。
【請求項１３】
前記標準冷却剤ループが、推進システムをさらに備える、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項１４】
推進バルブをさらに備え、該推進バルブが開放されるとき、前記推進システムが前記標準冷却剤ループに流体により連結され、そして該推進システムが閉鎖されるとき、該推進システムが該標準冷却剤ループから流体的に隔離される、請求項１３に記載の冷却サブシステム。
【請求項１５】
前記標準冷却剤ループが、車加熱システムをさらに備える、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項１６】
車加熱バルブをさらに備え、該車加熱バルブが開放されるとき、前記車加熱システムが前記標準冷却剤ループに流体により連結され、そして該車加熱バルブが閉鎖されるとき、該記車加熱システムが該標準冷却剤ループから流体的に隔離される、請求項１５に記載の冷却サブシステム。
【請求項１７】
請求項１に記載の冷却サブシステムを備える、電気化学的燃料電池システム。
【請求項１８】
電気化学的燃料電池スタックを有する電気化学的燃料電池システムのための冷却サブシステムであって：
該電気化学的燃料電池スタックに流体により連結されたスタートアップ冷却剤ループであって、スタートアップポンプを備えるスタートアップ冷却剤ループ；および
標準ポンプおよびスタックバルブを備える標準冷却剤ループであって、該スタックバルブが開放されるとき、該スタートアップ冷却剤ループおよび該標準冷却剤ループの両方が該電気化学的燃料電池スタックに流体により連結され、そして該スタックバルブが閉鎖されるとき、該スタートアップ冷却剤ループのみが該電気化学的燃料電池スタックに流体により連結される標準冷却剤ループ、を備える、冷却サブシステム。
【請求項１９】
前記スタートアップ冷却剤ループが、前記スタックバルブが開放されるとき、前記標準冷却剤ループに流体により連結される、請求項１８に記載のサブシステム。
【請求項２０】
前記スタートアップ冷却剤ループ中の冷却剤の容量が、前記標準冷却剤ループ中の冷却剤容量より少ない、請求項１８に記載の冷却サブシステム。
【請求項２１】
スタートアップの間に電気化学的燃料電池システムのための冷却剤サブシステムを作動するための方法であって：
燃料電池スタックを通って第１の冷却剤を方向付ける工程；および
該燃料電池スタックまたは該第１の冷却剤いずれかの温度が、第１の所定の温度に到達するとき、該燃料電池スタックを通って第２の冷却剤を方向付ける工程；を包含し、
ここで、該第１の冷却剤が該燃料電池スタックを通って方向付けられる間、該第２の冷却剤が該燃料電池スタックから流体的に隔離される、方法。
【請求項２２】
前記第１の冷却剤の冷却剤容量が、前記第２の冷却剤の冷却剤容量より少ない、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の冷却剤および前記第２の冷却剤が、工程（ｂ）で混合する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
スタートアップ前の前記燃料電池の温度が、０℃未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
スタートアップ前の前記燃料電池の温度が、−２５℃未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の所定の温度が、３０〜６０℃の間である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の所定の温度が、５０℃未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の所定の温度が、６０〜８０℃の間である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の冷却剤が、第２の所定の温度に到達したとき、ラジエーターを通じて第２の冷却剤を方向付ける工程をさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２の所定の温度が、前記燃料電池スタックの所望の作動温度である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第２の所定の温度が、６０〜８０℃の間である、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２００４年２月９日に出願された米国仮特許出願番号第６０／５６０，７３１号、および２００４年９月８日に出願された米国非仮特許出願番号第１０／９３６，４６１号からの優先権の利益に関し、かつそれらを主張している。これらの’７３１および’４６１出願は、それらの全体が参考として本明細書中に援用される。
【０００２】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、電気化学的燃料電池に関し、そしてより詳細には、スタートアップの間に燃料電池システムの温度を制御するためのサブシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
（関連技術の記載）
電気化学的燃料電池は、反応物、すなわち、燃料および酸化剤流体ストリームを変換し、電力および反応生成物を生成する。電気化学的燃料電池は、２つの電極、すなわち、カソードとアノードとの間に配置された電解質を採用する。これら電極は各々、電解質とこれら電極との間の界面に配置された電気触媒を備え、所望の電気化学的反応を誘導する。この電気触媒の位置は、一般に、電気化学的に活性な領域を規定する。
【０００４】
ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池は、一般に、炭素繊維紙またはカーボン布のような、流体拡散層として多孔性の電気的に伝導性のシート材料を含む２つの電極層間に配置されたイオン交換膜からなる膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を採用する。代表的なＭＥＡでは、これら電極層は、代表的には、薄く可撓性である、上記イオン交換膜への構造的支持を提供する。膜は、イオン伝導性（代表的には、プロトン伝導性）であり、そしてまた、反応物ストリームを互いから隔離するための障壁として作用する。上記膜の別の機能は、２つの電極層間の電気絶縁体として作用することである。これらの電極は、短絡を防ぐために互いから電気的に絶縁されるべきである。代表的な市販のＰＥＭは、Ｅ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙによって、商標名ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）の下で販売されるスルホン化パーフルオロカーボン膜である。
【０００５】
このＭＥＡは、代表的には、各膜／電極層界面で、層内に配置された微細粉砕白金粒子を含む電気触媒を含み、所望の電気化学的反応を誘導する。これら電極は電気的に連結され、外部負荷を通ってこれら電極間に電子を伝導するための経路を提供する。
【０００６】
燃料電池スタックでは、このＭＥＡは、代表的には、反応物流体ストリームに対して実質的に不透過性である２つのセパレータープレート間に挿入される。これらプレートは、電流コレクターとして作用し、そしてこれら電極のための支持を提供する。反応物流体ストリームの電気化学的活性領域への分配を制御するために、ＭＥＡに面する上記プレートの表面は、その中に形成された開放して面するチャネルを有し得る。このようなチャネルは、隣接する電気化学的に活性な領域にほぼ対応する流れ場領域を規定する。その中に形成された反応物チャネルを有するこのようなセパレータープレートは、流れ場プレートとして一般に公知である。燃料電池スタックでは、複数の燃料電池が、代表的には、連続して一緒に連結され、アセンブリの全体の出力を増加する。このような配列では、所定のプレートの一方の側面は、１つのセルのためのアノードプレートとして供され得、そしてこのプレートの他方の側面は、隣接するセルのためのカソードプレートとして供され得る。この配列では、これらプレートは、双極プレートと称され得る。
【０００７】
上記アノードに供給される燃料流体ストリームは、代表的には水素を含む。例えば、この燃料流体ストリームは、実質的に純粋な水素のようなガス、または水素を含む改質油ストリームであり得る。あるいは、水性メタノールのような液体燃料ストリームが用いられ得る。カソードに提供される酸化剤流体ストリームは、代表的には、実質的に純粋な酸素、または空気のような希釈酸素ストリームのように酸素を含む。燃料電池スタックでは、反応物ストリームは、代表的には、個々の供給および排気多岐管によって供給および排気される。多岐管ポートが提供されて、これら多岐管を上記流れ場領域および電極に流体連結する。多岐管および対応するポートはまた、スタック内の内部通路を通って冷却剤流体を循環するために提供され得、発熱燃料電池反応によって生成される熱を吸収する。ＰＥＭ燃料電池のための好ましい作動温度範囲は、代表的には５０℃〜１２０℃、最も好ましくは７５℃と８５℃の間である。
【０００８】
代表的な条件下では、この電気化学的燃料電池スタックのスタートアップは、高い周囲温度下であり、そしてこの燃料電池スタックは、合理的な長さの時間でスタートされ得、そして迅速に好ましい作動温度にもたらされ得る。いくつかの燃料電池適用では、スタックコア温度が、水の凍結温度未満、そして−２５℃未満の氷点下温度でさえあるときに、電気化学的燃料電池スタックの作動を開始することが必要または所望され得る。しかし、このような低温では、燃料電池スタックは良好に作動せず、そして燃料電池スタックの迅速なスタートアップはより困難である。従って、水の凍結温度未満の開始温度から効率的な作動に電気化学的燃料電池スタックをもたらすまで、かなりの長さの時間および／またはエネルギーを要し得る。
【０００９】
特許文献１には、ＰＥＭ燃料電池の冷スタートアップを加速するために冷ＭＥＡを加熱する方法が開示されている。この特許文献１では、燃料が酸化剤ストリーム中に導入されるか、または酸化剤が燃料ストリーム中に導入されるかいずれかである。電極上の白金触媒の存在が、凍結温度未満から適切な作動温度までイオン交換膜を局所的に加熱する水素と酸素との間の発熱化学反応を促進する。
【特許文献１】米国特許第６，３５８，６３８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、当該技術分野には、低温および氷点下温度で燃料電池スタックを効率的にスタートするより有効な方法に対する必要性が残っている。本発明は、この必要性を満たし、そしてさらなる関連の利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の要旨）
凍結温度または氷点下温度からのスタートアップ時間における有意な改良は、２つのポンプ−二重ループ（Ａ、Ｂ）冷却サブシステムを有することにより達成され得る。例えば、電気化学的燃料電池システムでは、この冷却サブシステムは、電気化学的燃料電池スタックに流体によって連結されたスタートアップポンプを備えるスタートアップ冷却剤ループ；および標準ポンプおよびスタックバルブを備える標準冷却剤ループの両方を備え得る。このスタートアップ冷却剤ループの冷却剤容量は、上記標準冷却剤ループ中の冷却剤容量より小さい。スタートアップの間、上記スタックバルブは、上記電気化学的燃料電池スタックが、上記標準冷却剤ループから流体的に隔離されるように閉鎖される。上記スタートアップループ中の冷却剤は、上記燃料電池スタックを通じて循環し、そしてこのスタックの温度を所望の温度に迅速にもたらすことを支援する。冷却剤が、上記スタックを通って流れなかった場合、このスタック内の局在化加熱がこのスタックに有害に影響し得る。上記スタートアップループ中の冷却剤容量を最小にすることより、そして特に、上記標準冷却剤ループにおけるより少ない冷却剤容量を有することにより、より効率的な加熱が生じ得る。
【００１２】
代替の実施形態では、電気化学的燃料電池システムのための冷却サブスシテムは、上記電気化学的燃料電池に流体連結されたスタートアップ冷却剤ループを備え得る。このスタートアップ冷却剤ループは、スタートアップポンプを備える。この冷却サブシステムはまた、標準ポンプおよびスタックバルブを備える標準冷却剤ループを備える。このスタックバルブが閉鎖されるとき、上記スタートアップ冷却剤ループのみが、上記電気化学的燃料電池スタックに流体により連結される。しかし、上記スタックバルブが開放されるとき、上記スタートアップ冷却剤ループおよび上記標準冷却剤ループの両方が、上記燃料電池スタックに流体により連結される。従って、効率的な加熱が必要であるとき、スタートアップの間に上記燃料電池スタックにより少ない冷却剤容量が利用可能であり、そして通常の作動の間に両方の冷却剤ループからより多い冷却剤容量が利用可能である。好ましい実施形態では、上記スタートアップ冷却剤ループはまた、上記スタックバルブが開放されるとき、上記標準冷却剤ループに流体により連結される。これは、製造するのがより単純で、かつ、上記冷却剤を混合することを可能にし、それによって、より冷たい冷却剤が、上記標準冷却剤ループから上記燃料電池スタックまで流れるとき、熱ショックを低減する。それにもかかわらず、両方の冷却剤ループは、全体が流体的に隔離されたままであり得る。
【００１３】
スタートアップの間に電気化学的燃料電池システムのための冷却剤サブシステムを作動するための方法は：（ａ）燃料電池スタックを通って第１の冷却剤を方向付ける工程；および（ｂ）燃料電池スタックまたは第１の冷却剤いずれかの温度が、第１の所定の温度に到達するとき、上記燃料電池スタックを通って第２の冷却剤を方向付ける工程を包含する。この第１の冷却剤は、上記初期工程（ａ）の間には上記第２の冷却剤から流体的に隔離される。上記燃料電池スタックまたは上記スタートアップループ中の冷却剤のいずれかの温度が所定の閾値に到達したとき、上記スタックバルブは、上記電気化学的燃料電池スタックが上記標準冷却剤ループに流体によって連結されるようになり、そしてそれによって、上記燃料電池スタックのさらなる冷却を可能にするように開放され得る。１つの実施形態では、上記標準冷却剤ループからの冷却剤は、上記スタックバルブが開放されるとき、上記スタートアップループ中の冷却剤と混合される。
【００１４】
１つの実施形態では、上記第１の所定の温度は、上記燃料電池システムの所望の作動温度、例えば、６０〜８０℃である。別の実施形態では、上記所定の温度は、所望の作動温度より低く、例えば６０℃より低く、より特定すれば５０℃より低い。代表的には、このような所定の温度は、３０℃より高いか、または４０℃より高くあり得る。
【００１５】
上記スタートアップループは、上記冷却剤の温度を迅速に所望の温度にもたらすことを支援するヒーターをさらに備え得る。上記スタートアップ冷却剤ループ中の冷却剤の容量をさらに最小にするために、このループは、スタック多岐管中に一体化され得る。上記冷却剤サブシステム中のその他の構成要素は、コンプレッサー、カソードフィード熱交換器、またはラジエーターを含み得る。上記燃料電池システムが、自動車中で用いられるとき、上記冷却剤サブシステムは、推進用システムおよび／または車加熱システムをさらに備え得る。
【００１６】
本発明のこれらの局面およびその他の局面は、添付の図面および以下の詳細な説明を参照する際に明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
添付の図面では、同様の参照番号は、異なる図面において同様の要素をいうために用いられる。
【００１８】
（発明の詳細な説明）
燃料電池システムの温度調節は、代表的には、冷却剤サブシステム全体を循環する冷却剤を用いて実施される。一般的な冷却剤は、例えば、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、不活性フッ化物、アルコールまたはそれらの組み合わせを含む。冷却剤の選択は、燃料電池が受けることが予期される物理的条件によって一部決定される。例えば、燃料電池スタックが、凍結温度または氷点下温度で作動される場合、冷却剤は、それがこのような条件下で凍結しないように選択されるであろう。冷却剤の主要な目的は、温度を調節し、そして燃料電池スタック、ならびに、例えば、コンプレッサー、カソードフィード、推進システム、車加熱、モーター、電子製品などのような燃料電池システム中のその他の構成要素の過熱を防ぐことである。スタートアップの間、そして特に、燃料電池スタックが凍結温度または氷点下温度を受けるとき、冷却剤はまた、この燃料電池スタックをその最適作動温度にもたらすことを支援し得る。
【００１９】
図１は、電気化学的燃料電池システムのための従来の冷却剤サブシステム１０の概略である。冷却剤サブシステム１０は、燃料電池スタック２０に流体により連結されるポンプ５０、コンプレッサー３０、カソードフィード熱交換器４０および冷却剤リザーバー６０を備え得る。冷却剤リザーバー６０からの冷却剤は、次いで、燃料電池スタック２０、コンプレッサー３０およびカソードフィード熱交換器４０を通って循環し得、これら構成要素の温度調節を支援する。特に、コンプレッサー３０に関し、コンプレッサーモーターおよびコンプレッサーインバーター（図示せず）の温度調節が、個々、または一緒にいずれかで所望され得る。温度センサー（図示せず）は、燃料電池スタック２０の温度および／または冷却剤サブシステム１０を通じて循環する冷却剤の温度を測定し得る。冷却剤サブシステム１０はまた、ラジエーター７０およびラジエーターバルブ７５を備え得る。一旦、燃料電池スタック２０または冷却剤の温度が、特定の所定の閾値を超えると、ラジエーターバルブ７５が、循環する冷却剤を、ラジエーター７０を通って循環するように方向付け、この燃料電池システムのさらなる冷却を達成する。
【００２０】
その他の構成要素がまた、必要に応じて、特に自動車適用で用いられるとき、冷却剤サブシステム１０に連結され得る。例えば、推進システム８０が、推進バルブ８５によって、冷却剤サブシステム１０に可逆的に流体により連結され得る。同様に、車加熱システム９５が、車加熱バルブ９５によって冷却剤サブシステム１０に可逆的に流体により連結され得る。従って、燃料電池スタック２０の温度を調節するために用いられるのと同じ冷却剤サブシステム１０が、必要に応じて多くのその他の構成要素の温度を調節するために用いられ得る。
【００２１】
図２は、冷却剤サブシステム１００の実施形態の概略である。ポンプ５０は、冷却剤リザーバー６０から、コンプレッサー３０、カソードフィード熱交換器４０のような燃料電池システムの構成要素を通り、そして図１に示される冷却剤サブシステムにおけるようなラジエーター７０、推進システム８０および車加熱システム９０のようなその他の構成要素を可逆的に通って冷却剤を循環し得る。これは、図２において標準冷却剤ループＢとして示される。冷却剤サブシステム１００は、スタックバルブ６５によって標準冷却剤ループＢから可逆的に流体的に隔離され得る、第２のスタートアップ冷却剤ループＡをさらに備える。スタックバルブ６５は、例えば、温度自動調節バルブまたは比例バルブであり得る。特に、スタートアップ冷却剤ループＡは、燃料電池スタック２０、ポンプ５５および必要に応じてヒーター２５を備え得る。燃料電池システムのスタートアップの間、特に、このシステムが凍結または氷点下温度に曝されるとき、スタックバルブ６５は、冷却剤ループＡと冷却剤ループＢが流体的に隔離されるように閉鎖され得る。スタートアップ手順の間に、冷却剤ループＡおよび冷却剤ループＢ両者中の冷却剤は、温度が上昇し得る。冷却剤ループＡ中の相対的に小容量の冷却剤は、特に、冷却剤ループＢ中の冷却剤に比較して迅速かつ効率的な加熱を可能にする。これは、燃料電池スタック２０を、燃料電池スタック２０がスタートし得る適切な温度にもたらすために必要な時間長さを低減し得る。事実、冷却剤ループＡ中の減少した容量では、いくつかの実施形態では予備加熱は不要であり得、そして燃料電池スタック２０は、凍結温度で自己スタートし得る。代表的には、電力が、燃料電池スタック２０から引かれ得る適切な温度は、約５℃であり得る。その他の実施形態では、ヒーター２５がまた、冷却剤ループＡ中の冷却剤を加熱するため、そして燃料電池スタック２０をこの温度にもたらすことを支援するために用いられ得る。
【００２２】
非常に低い温度では、冷却剤ループＡ中の冷却剤の粘度は、より暖かい温度におけるよりもかなり高いかも知れない。この増加した粘度は、冷却剤流速に影響し得、そしてポンプ５５が冷却剤ループＡ中で十分な冷却剤流速を維持することに注意すべきである。そうでなければ、局所的加熱が燃料電池スタック２０中で起こり得、局所的過剰温度から個々の電池に対する損傷に至る。しかし、凍結温度および氷点下温度にあるとき、より少ない熱が燃料電池スタック２０によって生成され、そしてスタック２０中の個々の燃料電池は、増加した粘度で、冷却剤流速が通常の作動状態で必要な流速より有意に少なくあり得るようであっても、生成される熱の有意な量を吸収し得る。この流速は、スタック設計および材料、ならびに燃料電池スタック２０中の熱生成量に強く依存し、そして当業者によって容易に決定され得る。それにもかかわらず、代表的な自動車燃料電池システムのための冷スタート相の間の冷却剤ループＡ中の冷却剤速度は、５〜２５ｓｌｐｍ（１分あたりの標準リットル）と低く、より特定すれば８５ｋＷ総量の燃料電池スタックでは１５〜２５ｓｌｐｍであり、そしてなお、局所的熱スポットなしで電池冷却要求に合致する。
【００２３】
燃料電池スタック２０が加熱され、そして冷却剤ループＡ中の冷却剤が同様に加熱されるとき、粘度は低下し、そしてポンプ設計（例えば、容積式または混合流れ）に依存して、流速は自然に増加する。冷却剤流速におけるこの自然の増加は、いくつかの燃料電池システムでは、スタートアップの間の燃料電池スタック２０の増加した冷却要求に合致するに十分であり得る。従って、低コストの固定速度ポンプが、ポンプ５５のための冷却剤ループＡにおいて必要なすべてであり得る。対照的に、冷却剤ループＢ中のポンプ５０は、通常作動の間の冷却剤の流速を調節するために速度制御をなお有し得る。さらに、通常作動の間に、ポンプ５５を用いて燃料電池スタック２０を通る冷却剤流れを増強し得、従来の冷却サブシステムで代表的には必要とされるより小さなポンプ５０を生じ得る。
【００２４】
冷却剤ループＡ中の冷却剤が加熱するとき、それは膨張し得、そして冷却剤ループＡ中の膨張リザーバー（図示せず）を用いて、この増加した冷却剤容量を収容し得る。図２に示される実施形態では、このような膨張リザーバーは必要ではないかも知れない。なぜなら、唯一のバルブ、すなわち、スタックバルブ６５が、冷却剤ループＡを冷却剤ループＢから分離するとき、任意の過剰の容量が、冷却剤ループＢ中に直接漏れ得るからである。いずれにしても、増加した冷却剤容量に起因する冷却剤ループＡにおける圧力増加は、最小であることが予期され得る。
【００２５】
ヒーター２５がまた、冷却剤ループＡ中の冷却剤を加熱するため、および燃料電池スタック２０を作動温度にもたらすことを支援するために使用され得る。ヒーターはまた、従来の冷却剤設計で、または冷却剤ループＢ（図示せず）で用いられ得る。ヒーター２５は、いくつかの燃料電池システムで有用であり得るが、いくつかのヒーターは、ヒーター自体を収容するために必要な冷却剤の増加した熱塊を補償するために必要な熱フラックスを有さないかも知れない。
【００２６】
冷却剤ループＡ中の冷却剤の熱塊は、冷却剤ループＡの燃料スタック多岐管（図示せず）中への組込みによってさらに最小にされ得る。
【００２７】
冷却剤ループＡ中の冷却剤または燃料電池スタック２０いずれかの温度が閾値温度に到達したとき、スタックバルブ６５が開放し得、冷却剤ループＢから燃料電池スタック２０中に冷却剤を入れ始める。この閾値温度は、例えば、３０〜８０℃の間であり得る。１つの実施形態では、この閾値温度は、６０〜８０℃の間、すなわち、燃料電池スタック２０の通常作動温度である。この実施形態では、燃料電池スタック２０は、より速い時間で燃料電池スタック２０からより大きな電力密度が引かれることを可能にして最小長さの時間でその所望の作動温度に到達する。別の実施形態では、この閾値温度は、６０℃未満、より特定すれば５０℃未満の温度である。冷却剤ループＢからのより冷たい冷却剤が冷却剤ループＡ中のより暖かい冷却剤中に導入されるとき、温度勾配が生じる。より低い温度では、燃料電池スタック２０は、代表的には、任意の悪影響なくしてより高い温度勾配を受け得る（例えば、３０℃までの温度勾配）。しかし、６０〜８０℃では、代表的な燃料電池スタック２０は、より小さな温度勾配、例えば、１０℃未満を安全に受け得るのみである。従って、冷却剤ループＢから燃料電池スタック２０中に冷却剤を入れるためにより低い閾値温度（すなわち、６０〜８０℃の代わりに３０〜６０℃）を有することによって、熱ショックから燃料電池スタック２０を損傷するリスクは減少する。この閾値温度にかかわらず、熱ショックのリスクを減少するために注意が払われるべきである。これは、例えば、冷却剤ループＢからの冷却剤が、冷却剤ループＡ中に導入される速度を制御することによってなされ得る。
【００２８】
図３に示されるさらなる実施形態では、燃料電池スタック２０が熱ショックを受けるリスクは、スタックバルブ６５のような温度自動調節バルブの代わりに熱交換器４５の使用により低減され得るか、またはなお無くされ得る。冷却剤ループＡおよびＢは、図２におけるような形態であり、そしてそれ故、これらループの多くの構成要素は、図３中で明瞭に示されてはいない。図３に示される実施形態では、冷却剤ループＢからの冷却剤は、バルブ１５によって冷却剤ループＣに方向付けられる。冷却剤ループＣは、冷却剤ループＡと熱接触する熱交換器４５を含む。特に、初期スタートアップ状態の間に、バルブ１５は閉鎖され得、そしてそれ故、冷却剤は、冷却剤ループＡおよびＢ中を循環するのみであり、冷却剤ループＣには循環しない。冷却剤温度は、冷却剤ループＡおよびＢ両方を通って増加し得るが、代表的には、この温度は、冷却剤ループＢ中より冷却剤ループＡにおいてより速く増加し得る。燃料電池スタック２０または冷却剤ループＡ中の冷却剤のいずれかが、第１の所定の閾値に到達するとき、バルブ１５は、次いで開放し得、冷却剤ループＢからの冷却剤を冷却剤ループＣ中および戻して循環し得、それによって、冷却剤ループＢ中の冷却剤の温度をさらに増加する。一旦、冷却剤ループＢ中の冷却剤が第２の所定の閾値に到達すると、スタックバルブ６５が次いで開放し得る。この作動を考慮する別の方法は、一旦冷却剤ループＡと冷却剤ループＢとにおける冷却剤間の温度の差異が、特定の所定の熱ショックバルブ未満であると、スタックバルブ６５が開放し得、冷却剤Ｂが冷却剤Ａと混合することを可能にする。従って、冷却剤ループＡの中の冷却剤と冷却剤ループＢ中の冷却剤との間の温度には、比較的小さい差異が存在するので、燃料電池スタック２０が熱ショックを受けるリスクは、低減されるか、または無くされる。
【００２９】
図３に示されるのでさらなる注意は、図２に示される実施形態における熱ショックを避けるためには必要でないかも知れない。冷却剤ループＡが所望の作動温度に到達するとき、スタックバルブ６５は、燃料電池スタック２０の作動温度を維持するに十分開放するのみで良い。冷却剤ループＢからの冷却剤が、冷却剤ループＡからの冷却剤とゆっくりと混合されるとき、燃料電池スタック２０は、混合温度に維持され、そして冷却剤ループＢ中の冷却剤は、温度が増加し続ける。一旦、両方の冷却剤ループＡおよびＢ中の冷却剤の温度が同じ温度になると、スタックバルブ６５が完全に開放され得る。ラジエーターバルブ７５はまた、開放され得、冷却サブシステムを所望の作動温度に維持する。従って、さらなる冷却剤ループへの返還なくして熱ショックを避けることが可能であり得る。
【実施例】
【００３０】
試験チャンバーが図４に示されるように構築され、凍結および氷点下温度から通常作動温度に燃料電池システムをもたらす効率および時間に対する低減した冷却剤容量の影響を示す。３つの冷却剤経路が構築され、すなわち、冷却剤経路Ｄ、冷却剤経路Ｅおよび冷却剤経路Ｆである。ポンプ５０は、冷却剤を、流量計３５および燃料電池スタック２０を通り、冷却剤経路ＤおよびＥを通ってポンプ輸送する。冷却剤経路Ｅは、冷却剤リザーバー６０、ヒーター２５、および熱交換器４５をさらに備える。ステーションからの冷却された冷却剤は、黒の矢印によって示されるように熱交換器４５を通って方向付けられた。冷却剤経路Ｅは、従来の燃料電池システムの例であり、そして冷却剤経路Ｄは、なお１つのポンプシステムを用いるけれども、燃料電池スタック中の非必須構成要素をバイパスすることにより得られる減少した冷却剤容量を表す。スタックポンプ５５を有する別個の冷却剤パスＦは、２つのポンプシステムの影響およびスタートアップの間のなおより小さな冷却剤容量を比較するために用いられた。
【００３１】
３つの異なる容量の冷却剤を試験した：冷却剤経路Ｅについて標準冷却剤容量（５０００ｍＬ）、冷却剤経路Ｄについて小冷却剤容量（１０００ｍＬ）および冷却剤経路Ｆについて微小冷却剤容量（１００ｍＬ）である。
【００３２】
図５は、図４の冷却剤サブシステム試験チャンバーを用いる３つの異なる冷却剤容量について時間の関数としての冷却剤温度のグラフである。温度センサー（図４には示されていない）は、燃料電池スタック２０の冷却剤入口および冷却剤出口に配置された。これら試行のための開始温度は、上記標準冷却剤容量について−５℃および微小冷却剤容量について−１５℃であった。図５から観察されるように、上記冷却剤容量は、この燃料電池システムをその作動温度にもたらすために必要な時間の長さに対して有意な影響を有する。１６分後でさえ、標準冷却剤容量は、２０℃と４０℃との間に温度を増加したのみであった。対照的に、小冷却剤容量は、わずか６分で６０℃と７０℃との間に温度を増加し、そして微小冷却剤容量については３分で７５℃と８０℃との間まで温度を増加した。温度におけるこの増加は、図６に示されるように、燃料電池スタック２０によって生成され得る電力の量に対し有意な影響を有する。
【００３３】
図６は、時間の関数として燃料電池システムが達成した電力のグラフを示す。詳細には、図６は、時間の関数として燃料電池スタック２０によって生成された全電力の％を示す。１６分後、標準冷却剤容量で作動する燃料電池スタック２０は、その全電力の約３５％を生成し得るのみであった。対照的に、小冷却剤容量が用いられたとき、燃料電池スタック２０がその全電力の６０％を超えて生成するのにわずか６．５分であり、そして微小冷却剤容量が用いられたとき、燃料電池スタック２０がその全電力の８０％を超えて生成するのにわずか２分であった。この効果の大きさは、それがほぼより速い時間の大きさであるので顕著である。
【００３４】
上記の実施形態は、自動車燃料電池適用に関して説明されているが、上記の実施形態は、任意の燃料電池適用、そして特に、上記ユニットが屋外またはそうでなければ凍結または氷点下温度に曝される任意の発電用途について適合され得ることが理解される。
【００３５】
前述から、本発明の特定の実施形態が、例示の目的に本明細書中に記載されているが、本発明の思想および範囲から逸脱することなく種々の改変がなされ得ることが認識される。従って、本発明は、添付の請求項によることを除き制限されない。
【００３６】
本明細書で言及され、そして／または出願データシート中に列挙される上記の米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願および非特許刊行物のすべては、それらの全体が参考として本明細書によって援用される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、電気化学的燃料電池システムのための先行技術冷却剤サブシステムの概略である。
【図２】図２は、電気化学的燃料電池システムのための冷却剤サブシステムの実施形態の概略である。
【図３】図３は、電気化学的燃料電池システムのための冷却剤サブシステムの実施形態の概略である。
【図４】図４は、本発明の実施形態の冷却剤サブシステム試験チャンバーの概略である。
【図５】図５は、図４の冷却剤サブシステム試験チャンバーを用いる３つの異なる燃料電池システムの時間の関数としての冷却剤温度のグラフである。
【図６】図６は、図４の冷却剤サブシステム試験チャンバーを用いる３つの異なる燃料電池システムの時間の関数としての燃料電池システムについて達成される電力のグラフである。
【図１】
2007522623.tif 000003
【図２】
2007522623.tif 000004
【図３】
2007522623.tif 000005
【図４】
2007522623.tif 000006
【図５】
2007522623.tif 000007
【図６】
2007522623.tif 000008
【国際調査報告】
2007522623.tif 000009
2007522623.tif 000010
2007522623.tif 000011