(57)【要約】電気化学的燃料電池システムのための氷点温度および氷点下の温度における起動時間の改善は、２つのギアポンプヘッドを使用する受動的なクーラント超小型ループを有することによって認められ得る。低温での起動の間には、スタックバルブは最初は完全に閉鎖され、モジュールに到達する全てのシステムクーラントを駆動ギアポンプヘッドを通過させる。その結果として、従動ギアポンプヘッドがモジュールの中のクーラントを再循環させる。一実施形態において、スタックバルブはクーラントが温まり始めると開放し始める温度自動調節バルブである。このことがモジュールへのシステムクーラントのわずかな流出を可能にし、超小型ループの再循環の割合を減少させる。動作温度が到達されるときには、温度自動調節バルブは完全に開放され、駆動ギアポンプヘッドの上のシステムクーラント吸入圧力は従動ギアポンプヘッドの上の圧力に対抗して働き、再循環を停止させる。
2008524812.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と流体的に接続される起動クーラントループであって、共通の軸の上に設置される駆動ギアポンプヘッドおよび従動ギアポンプヘッドを備える、起動クーラントループと、
標準ポンプおよびスタックバルブを備える標準クーラントループであって、該スタックバルブが開放されるときには、該標準クーラントループは該電気化学的燃料電池スタックと流体的に接続され、かつ該スタックバルブが閉鎖されるときには、該標準クーラントループは該電気化学的燃料電池スタックから流体的に分離される、標準クーラントループと、
該標準クーラントループの中の駆動ループであって、該標準クーラントループの中のクーラントが該起動クーラントループの該駆動ギアポンプヘッドを通過して流れる、駆動ループと
を備える、冷却サブシステム。
【請求項２】
前記起動クーラントループの中の前記クーラントの量は、前記標準クーラントループの中の前記クーラントの量よりも少ない、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項３】
前記スタックバルブが完全に開放されるときには、前記起動クーラントループは前記標準クーラントループから流体的に遮断される、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項４】
前記スタックバルブが完全に開放されるときには、前記起動クーラントループは前記電気化学的燃料電池スタックから流体的に遮断される、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項５】
前記標準クーラントループは前記標準ポンプと流体的に接続されるコンプレッサをさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項６】
前記起動クーラントループはヒータをさらに備える、請求項２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は温度自動調節バルブである、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項８】
前記スタックバルブは比例バルブである、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項９】
前記電気化学的燃料電池スタックはスタックマニフォールドを備え、前記起動クーラントループは該スタックマニフォールドに統合される、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１０】
前記標準クーラントループはカソードフィード熱交換器をさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１１】
前記標準クーラントループはクーラントリザーバをさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１２】
前記標準クーラントループは放熱器をさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１３】
放熱器バルブをさらに備える請求項１２に記載の冷却サブシステムであって、該放熱器バルブが開放されるときには、前記放熱器が前記標準クーラントループと流体的に接続され、該放熱器バルブが閉鎖されるときには、該放熱器は該標準クーラントループから流体的に分離される、冷却サブシステム。
【請求項１４】
前記標準クーラントループは推進システムをさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１５】
推進バルブをさらに備える請求項１４に記載の冷却サブシステムであって、該推進バルブが開放されるときには、前記推進システムは前記標準クーラントループと流体的に接続され、該推進バルブが閉鎖されるときには、該推進システムは該標準クーラントループから流体的に分離される、冷却サブシステム。
【請求項１６】
前記標準クーラントループは自動車用暖房システムをさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１７】
自動車用暖房バルブをさらに備える請求項１６に記載の冷却サブシステムであって、該自動車用暖房バルブが開放されるときには、該自動車用クーラントシステムは該標準クーラントループと流体的に接続され、該自動車用暖房バルブが閉鎖されるときには、該自動車用暖房システムは該標準クーラントループから流体的に分離される、冷却サブシステム。
【請求項１８】
請求項２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１９】
起動の間に、電気化学的燃料電池システムのためのクーラントサブシステムを動作させる方法であって、
ａ）標準クーラントループにおいて、駆動ギアポンプヘッドを通過するようにクーラントを導くことと、該ポンプが起動クーラントループを駆動することと、
ｂ）該起動ループにおいて、燃料電池スタックを通過するように該クーラントを導くことと、
ｃ）該電気化学的燃料電池スタックまたは該起動ループの中の該クーラントのうちのいずれかの温度が、第１の所定の温度に到達するときには、該燃料電池スタックを通過するように該クーラントを導くことと
を包含する、方法。
【請求項２０】
前記駆動ギアポンプヘッドは、従動ギアポンプヘッドを駆動し、該従動ギアポンプは前記クーラントを、前記燃料電池スタックを通過するように導く、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
起動前の前記燃料電池スタックの温度は０℃を下回る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
起動前の前記燃料電池スタックの温度は−２５℃を下回る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の所定の温度は３０℃と６０℃との間である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の所定の温度は５０℃を下回る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の所定の温度は６０℃と８０℃との間である、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学的燃料電池に関し、さらに詳細には起動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】
【０００２】
電気化学的燃料電池は、反応物質、すなわち燃料および酸化剤流体ストリームを変換して、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、すなわちカソードおよびアノードの間に配置される電解質を使用する。各電極は所望の電気化学反応を誘起するために、電解質と電極との間の界面に配置される電気触媒を含む。電気触媒の位置は一般に電気化学的活性領域を定義する。
【０００３】
ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池は概して、カーボンファーバー紙またはカーボン布のような、流体拡散浸透層としての、多孔質の導電性のシート材料を備える２つの電極層の間に配置されるイオン交換膜からなる、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を使用する。代表的なＭＥＡにおいて、電極層は、一般的には薄くフレキシブルなイオン交換膜に対する、構造的なサポートを提供する。膜はイオン伝導性（一般的には陽子伝導性）であり、また反応物質ストリームを相互に分離するためのバリアとしても作用する。膜の別の機能は２つの電極層間の電気分離体として作用することである。電極は短絡するのを防止するために、相互に電気分離されるべきである。代表的な市販のＰＥＭは、登録商標ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）としてＥ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙによって販売されるスルホン酸ペルフルオロカーボン膜である。
【０００４】
ＭＥＡは所望の電気化学反応を誘導するために、各膜／電極層の界面において、層状に配置される細かく粉砕されたプラチナ粒子を一般的に備える、電気触媒を含む。電極は電極間に電子を伝導するための経路を提供するために、外部負荷を経由して電気的に結合される。
【０００５】
燃料電池スタックにおいて、ＭＥＡは一般的には、反応物質流体ストリームに対して実質的に不浸透性である２つのセパレータプレート間に挿入される。プレートは電流コレクタとして作用し、電極に対するサポートを提供する。反応物質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に面するプレートの表面は、プレートの表面に形成されるオープンフェイスの溝を有し得る。そのような溝は、概して隣接した電気化学的活性領域に対応するフローフィールド領域を定義する。セパレータプレートに形成される反応物質溝を有するそのようなセパレータプレートは、フローフィールドプレートとして周知である。燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池がアセンブリの全体的な出力を増加させるために一般的には直列に接続される。そのような配置において、あるプレートの一方の側は１つの電池のためのアノードプレートとして作用し得、プレートの他方の側は隣接する電池のためのカソードプレートとして作用し得る。この配置において、プレートは双極プレートとして呼ばれ得る。
【０００６】
アノードに提供される燃料流体ストリームは一般的には水素を含む。例えば、燃料流体ストリームは実質的に純粋な水素または水素を含む改質物ストリームのようなガスであり得る。代替案として、液体メタノールのような液体燃料ストリームが使用され得る。カソードに提供される酸化剤流体ストリームは一般的には、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な酸素を含む。燃料電池スタックにおいて、反応物質ストリームは一般的には、それぞれの供給マニフォールドおよび排出マニフォールドによって供給および排出される。マニフォールドポートはマニフォールドをフローフィールド領域および電極に流体的に接続するために提供される。マニフォールドおよび対応するポートがまた、発熱性の燃料電池反応によって生成される熱を吸収するために、クーラント流体をスタックの中の内部通路を経由して循環させるために提供され得る。ＰＥＭ燃料電池のための好ましい動作温度範囲は一般的には５０℃〜１２０℃であり、最も一般的には７５℃と８５℃との間である。
【０００７】
一般的な状況下において、電気化学的燃料電池スタックの起動は高い周辺温度において行なわれ、燃料電池スタックは適度な時間を費やして起動され得、速やかに好ましい動作温度に至らされ得る。一部の燃料電池アプリケーションにおいては、スタックのコアの温度が水の氷点温度を下回り、さらには−２５℃を下回る氷点下の温度であるときに、電気化学的燃料電池スタックの動作を開始することが必要であり、または所望され得る。しかしながら、そのような低い温度においては、燃料電池スタックは適切に動作せず、燃料電池スタックの急速な起動はさらに困難となる。その結果として、電気化学的燃料電池スタックを水の氷点温度を下回る低い起動温度から効率のよい動作に導くためにかなりの時間および／またはかなりのエネルギーを必要とし得る。
【０００８】
特許文献１において、ＰＥＭ燃料電池の低い温度での起動を加速するための、低い温度のＭＥＡの加熱方法が開示される。特許文献１においては、燃料が酸化剤ストリームに導入されるか、酸化剤が燃料ストリームに導入されるかのいずれかである。電極の上のプラチナ触媒の存在が、酸素と水素との間の発熱性の化学反応を促進し、それがイオン交換膜を氷点下から適切な動作温度になるように局所的に加熱する。しかしながら、この手順が慎重に制御されない場合には、この手順はＭＥＡを損傷し得、この分野において低温度および氷点下の温度において燃料電池スタックを起動するさらに効率のよい方法の必要性が残されている。
【０００９】
米国特許出願第１０／７７４，７４８号において、標準クーラントループ、および電気化学的燃料電池と流体的に接続される起動ポンプを有する起動クーラントループを備える、冷却サブシステムが開示される。起動の間には、スタックバルブが閉鎖され、電気化学的燃料電池スタックは標準クーラントループから流体的に分離される。起動ループの中のクーラントは燃料電池スタックを通過して循環し、スタックの温度を所望の温度に速やかに至らせることを助ける。しかしながら、別個の起動ループは起動ポンプ、締切バルブ、および制御回路のようなコストのかかる追加のコンポーネントを必要とし得る。
【特許文献１】米国特許第６，３５８，６３８号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記のような低温度および氷点下の温度において、燃料電池スタックを効率よく起動するためのより効率のよい方法に対するニーズを満たす。本発明はまた、別個の超小型ループと比べてコンパクトなサイズと、低いコストを有し、複雑さの低減されたサブシステムを可能とし、さらなる関連する有益性を提供する。
【００１１】
氷点温度または氷点下の温度からの起動時間における顕著な改善が、受動的な超小型クーラントループ冷却サブシステムを使用することによって達成され得る。例えば電気化学的燃料電池システムにおいて、冷却サブシステムは、共通の軸の上に設置される駆動（ｄｒｉｖｉｎｇ）ギアポンプヘッドおよび従動（ｄｒｉｖｅｎ）ギアポンプヘッドのセットを備える、電気化学的燃料電池スタックと流体的に接続される起動クーラントループ、標準ポンプおよびスタックバルブを備える標準クーラントループ、および標準クーラントループの中のクーラントが起動クーラントループの駆動ギアポンプヘッドを通過して流れるような、標準クーラントループの中の駆動ループを備え得る。
【００１２】
起動の間には、スタックバルブは閉鎖され、電気化学的燃料電池スタックは標準クーラントループから流体的に分離される。標準クーラントループの中のクーラントは起動クーラントループの駆動ギアポンプヘッドを通過して駆動ループを経由して循環する。駆動ギアポンプヘッドは次に、従動ギアポンプヘッドを駆動する。駆動ギアポンプヘッドを動かすために必要とされる追加のモーターがないので、起動クーラントループはまた受動的なクーラントループとして記述され得る。従動ギアポンプヘッドは燃料電池スタックの中のクーラントを再循環させ、スタックの温度を所望の温度に速やかに至らせることを助ける。クーラントがスタックを通過して流れない場合には、スタックの中の局所的な加熱がスタックに有害な影響を与え得る。起動ループにおけるクーラントの量を最小化することによって、および特に、標準クーラントループよりも少ない量のクーラントを有することによって、さらに効率のよい加熱が生じ得る。この方法で、起動クーラントループはまた受動的な超小型クーラントループとして記述され得る  
起動の間に、電気化学的燃料電池システムのためのクーラントサブシステムを動作するための方法は、（ａ）標準クーラントループにおいて、駆動ギアポンプヘッドを通過するようにクーラントを導くこと、ポンプが起動クーラントループを駆動すること、（ｂ）起動ループにおいて、燃料電池スタックを通過するようにクーラントを導くこと、および（ｃ）電気化学的燃料電池スタックまたは起動ループにおけるクーラントのうちのいずれかの温度が第１の所定の温度に到達するときには、燃料電池スタックを通過するようにクーラントを導くこと、を含む。標準クーラントループにおけるクーラントは、最初のステップ（ａ）の間には、起動クーラントループにおけるクーラントから流体的に分離される。燃料電池スタックまたは起動ループにおけるクーラントのうちのいずれかの温度が所定の閾値に到達するときには、スタックバルブは開放され得、電気化学的燃料電池スタックが標準クーラントループと流体的に接続され、それによって燃料電池スタックのさらなる冷却を可能とする。
【００１３】
一実施形態において、スタックバルブが開放されるときには、標準クーラントループからのクーラントは起動ループにおけるクーラントと混合される。スタックバルブの開放は駆動ギアポンプヘッドを駆動させるために利用可能な標準クーラントループからのクーラントの量を低減させ、その結果として、クーラントループにおけるクーラントの再循環の割合を低減させる。いったん燃料電池スタックの動作温度が到達されると、スタックバルブは完全に開放され、最低限の圧力低下を提供する。バルブが完全に開放されると、駆動ギアポンプヘッドの上の標準クーラントループにおけるクーラントの圧力は、本質的に従動ギアポンプヘッドの上に作用する圧力と等しくなり、かつその圧力に対抗して働き、その結果として、駆動ギアポンプヘッドおよび従動ギアポンプヘッドは回転を停止し、起動クーラントループにおける再循環は終了する。
【００１４】
一実施形態において、第１の所定の温度は燃料電池スタックの所望の動作温度、例えば６０℃〜８０℃である。別の実施形態において、所定の温度は所望の動作温度よりも低くなり、例えば６０℃よりも低く、より特定的には５０℃よりも低くなる。一般的にはそのような所定の温度は３０℃よりも高く、または４０℃よりも高くなる。
【００１５】
起動ループはさらに、クーラントの温度を所望の温度まで速やかに至らせることを助けるためにヒータを備え得る。起動クーラントループにおいてクーラントの量をさらに最小化するために、駆動ギアポンプヘッドおよび従動ギアポンプヘッドを備えるループはスタックマニフォールドの中に統合され得る。クーラントサブシステムにおける他のコンポーネントは、コンプレッサ、カソードフィード熱交換器、または放熱器を含み得る。燃料電池システムが自動車において使用される場合には、クーラントサブシステムはさらに推進システムおよび／または自動車用暖房システムを備える。
【００１６】
本発明のこれらの局面および他の局面は添付の図面および以下の詳細な記述を参照することにより明確になり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
提供される図面は、本発明のある最適化されていない局面を示すが、それはいかなる場合においても限定として解釈されるべきではない。
【００１８】
図１は、従来技術の電気化学的燃料電池システムのクーラントサブシステム１０の概略図である。電気化学的燃料電池システムのクーラントサブシステム１０は燃料電池スタック２０と流体的に接続されるポンプ５０、コンプレッサ３０、カソードフィード熱交換器４０、およびクーラントリザーバ６０を備え得る。クーラントリザーバ６０からのクーラントは、燃料電池スタック２０、コンプレッサ３０、およびカソードフィード熱交換器４０を通過して、これらのコンポーネントの温度調整を助けるために循環させられ得る。特に、コンプレッサ３０に関しては、コンプレッサモータおよびコンプレッサインバータ（図示されない）の温度調節が、個別にまたは一緒にのいずれかで所望され得る。温度センサ（図示されない）は燃料電池スタック２０の温度および／または電気化学的燃料電池システムのクーラントサブシステム１０を経由して循環するクーラントの温度を測定し得る。電気化学的燃料電池システムのクーラントサブシステム１０はまた、放熱器７０、および放熱器バルブ７５を備え得る。いったん燃料電池スタック２０の温度またはクーラントの温度がある所定の閾値を超えると、放熱器バルブ７５は、燃料電池システムのさらなる冷却を達成するために、循環するクーラントを放熱器７０を通過するように導き得る。
【００１９】
他のコンポーネントがまた、特に自動車アプリケーションで使用されるときに必要に応じて、電気化学的燃料電池システムのクーラントサブシステム１０に結合され得る。例えば、推進システム８０は推進バルブ８５によって、電気化学的燃料電池システムのサブシステム１０と可逆的に流体的に接続され得る。同様に、自動車用暖房システム９０は自動車用暖房バルブ９５によって、電気化学的燃料電池システムのサブシステム１０と可逆的に流体的に接続され得る。かくして、燃料電池スタック２０の温度を調節するために使用されるものと同じ電気化学的燃料電池システムのクーラントサブシステム１０が、必要に応じて多数の他のコンポーネントの温度を調節するために使用され得る。
【００２０】
図２は、電気化学的燃料電池システムのクーラントサブシステム１００の実施形態の概略図である。ポンプ５０はクーラントを、クーラントリザーバ６０から、コンプレッサ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コンポーネントを通過するように循環させ得、かつ図１に示されるクーラントサブシステムのように、放熱器７０、推進システム８０、自動車用暖房システム９０を可逆的に通過するように循環させ得る。これが標準クーラントループＢとしてとして図２に示される。さらに、ポンプ５０はまたクーラントを駆動ギアポンプヘッド５３を通過するように循環させ得る。これが駆動ループＣとして図２に示される。
【００２１】
電気化学的燃料電池システムのクーラントサブシステム１００は、標準クーラントループＢおよび駆動ループＣからスタックバルブ６５によって可逆的に流体的に分離され得る起動クーラントループＡを追加的に備える。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、起動クーラントループＡは燃料電池スタック２０、駆動ループＣの駆動ギアポンプヘッド５３によって駆動される共通の軸５４に設置される従動ギアポンプヘッド５５、およびオプションのヒータ２５を備え得る。例えば、ギアポンプヘッドは逆駆動され得る任意の能動的な容量型ポンプであり得る。駆動ギアポンプヘッドの駆動ギアのうちの１つだけが従動ギアポンプヘッドのポンプギアのうちの１つとねじれを伝えるように接続され得、他の駆動ギアおよびポンプギアのセットは自由に回転し得る。
【００２２】
燃料電池システムの起動の間、特に、システムが氷点温度または氷点下の温度にさらされるときには、スタックバルブ６５は閉鎖され得、その結果、クーラントループＢの中のクーラントが駆動ループＣの駆動ギアポンプヘッド５３を駆動する。駆動ギアポンプヘッドは従動ギアポンプヘッド５５を、共通の軸５４の機械的な接続を介して駆動する。従動ギアポンプヘッドはクーラントをクーラントループＡを経由して循環させる。クーラントループＢは、スタックバルブ６５が閉鎖される間は、クーラントループＡおよび燃料電池スタック２０から流体的に分離される。起動手順の間は、ループＢの中のクーラントは、スタックバルブ６５が閉鎖されたままである間はスタックによって加熱されないが、クーラントループＡとクーラントループＢとの両方の中のクーラントは温度を増加させる。
【００２３】
クーラントループＡの中の比較的に量の少ないクーラントが、特にクーラントループＢの中のクーラントと比較して、速やかな効率のよい加熱を可能にする。このことが燃料電池スタック２０を適切な温度に至らせるために必要とされる時間を低減させ得る。実際、クーラントループＡの体積が小さいことにより、一部の実施形態において熱は必要ではなくなり、燃料電池スタック２０は氷点温度において自力で起動する。一般的には、燃料電池スタック２０から電力が引き出され得る適切な温度は約５℃であり得る。他の実施形態において、ヒータ２５はまたクーラントループＡの中のクーラントを加熱して、燃料電池スタック２０をこの温度にもたらすことを助へるために使用され得る。
【００２４】
非常に低い温度において、クーラントループＡおよびクーラントループＢの中のクーラントの粘度は暖かい温度における粘度よりも非常に高くなり得る。この増加する粘度がクーラントの流速に影響を与え得、クーラントループＡにおける充分なクーラントの流速を維持するための充分なパワーを、クーラントループＢが駆動ギアポンプヘッド５３に提供するように、注意されるべきである。そうでなければ、局所的な加熱が燃料電池スタック２０に生じ得、局所的な過度の温度上昇が原因で個々の電池に損傷を与えることとなる。しかしながら、氷点温度および氷点下の温度において、スタック２０の中の個々の燃料電池が、たとえ粘度が増加しても生成される熱のかなりの量を吸収し得るときには、クーラントの流速は通常の動作状況において必要とされる流速よりも顕著に低くなり得る。必要とされる流速は、スタックの設計および材料ならびに燃料電池スタック２０において生成される熱の量に強く依存し、当業者によって容易に決定され得る。しかしながら、一般的な自動車用燃料電池システムにおける低温起動の局面の間のクーラントループＡの中のクーラントの流速は５ｓｌｐｍ〜２５ｓｌｐｍ（毎分ごとの標準リットル）という低い値であり、より具体的には、総出力８５ｋＷの燃料電池スタックに対しては１５ｓｌｐｍ〜２５ｓｌｐｍであり得、それでも局所的な熱い箇所を生じないセル冷却の必要条件を満たす。
【００２５】
クーラントループＡの中のクーラントが温まるにつれて、クーラントは膨張し、クーラントループＡの膨張リザーバ（図示せず）は増加した量のクーラントを収容するために使用され得る。図２に示される実施形態おいて、唯一のバルブ、すなわちスタックバルブ６５がクーラントループＡをクーラントループＢから分離し、任意の超過量が直接的にクーラントループＢの中に漏れるので、そのような膨張リザーバは必要とされ得ない。いずれにしろ、クーラントの量の増加によるクーラントループＡにおける圧力の増加は最低限になることが見込まれ得る。
【００２６】
ヒータ２５はまた、クーラントループＡの中のクーラントを加熱し、燃料電池スタック２０を適切な温度にもたらすことを助けるために使用され得る。ヒータはまた従来のクーラントの設計またはクーラントループＢ（図示せず）においても使用され得る。ヒータ２５は一部の燃料電池システムにおいて有益であり得るが、一部のヒータは、ヒータ自体に順応するために必要とされるクーラントの増加した熱容量を補完するために必要な熱流束（ｔｈｅｒｍａｌ  ｆｌｕｘ）を有し得ない。
【００２７】
クーラントループＡの中のクーラントの熱容量は、クーラントループＡの燃料電池スタックマニフォールド（図示せず）への統合によってさらに最小化され得る。
【００２８】
クーラントループＡの中のクーラントまたは燃料電池スタック２０のうちのいずれかの温度が閾値温度に到達したときには、スタックバルブ６５がクーラントをクーラントループＢから燃料電池スタック２０に流し始めるために開放され得る。スタックバルブ６５の開放は、駆動ギアポンプヘッド５３を駆動させるために利用可能なクーラントＢの量を低減し、その結果として、クーラントループＡの中のクーラントの再循環の割合が低減される。クーラントループＡの中で再循環するクーラントとクーラントループＢからスタックに到達するクーラントとの割合は、スタックバルブ６５における圧力低下の関数である。スタックバルブ６５が開放され始める閾値の温度は、例えば３０℃および８０℃、または３０℃と８０℃との間の値であり得る。一実施形態において、閾値の温度は６０℃および８０℃、または６０℃と８０℃との間の値、すなわち燃料電池スタック２０の通常の動作温度である。この実施形態において、燃料電池スタック２０は最低限の期間で所望の動作温度に到達し、より早い時間でより大きな出力密度を燃料電池スタック２０から引き出すことを可能にする。
【００２９】
低い温度において、燃料電池スタック２０は一般的には、有害な影響を受けることなく、より高い温度勾配に作用され得る（例えば最大３０℃の温度勾配）。しかしながら、６０℃〜８０℃において、一般的な燃料電池スタック２０は、例えば１０℃を下回るより低い温度勾配に安全にのみさらされ得る。従って、クーラントをクーラントループＢから燃料電池スタック２０に流すための、より低い閾値温度（すなわち６０℃〜８０℃ではなく３０℃〜６０℃）を有することによって、燃料電池スタック２０を熱衝撃により損傷するリスクを低減する。閾値温度に関係なく、熱衝撃のリスクを低減するために注意をするべきである。このことは、例えばクーラントループＢからのクーラントがクーラントループＡに導入される速度を制御することによって行われ得る。
【００３０】
燃料電池スタック２０の通常の動作温度が到達されるときには、スタックバルブ６５は完全に開放されるべきであり、最低限の圧力低下を提供する。バルブが完全に開放されると、駆動ギアポンプヘッド５３におけるクーラントループＢの中のクーラントの圧力は、従動ギアポンプヘッド５５に作用する圧力と本質的に等しく、かつその圧力に対抗して働き、その結果として、駆動ギアポンプヘッドおよび従動ギアポンプヘッドは回転を停止し、クーラントループＡの中の再循環は終了する。この構成において、ギアポンプヘッドの回転しないギアを通過して漏れ得るクーラントのみが燃料電池スタックの周辺で漏洩（ｓｈｏｒｔ）し得る。コンポーネントの公差を充分に小さくすることによって、この漏れが最小化され得、その結果として、寄生的な負荷がさらに低減され得る。
【００３１】
上記から、本発明の特定の実施形態が本明細書において説明の目的で示されるが、様々な修正が本発明の精神および範囲を逸脱することなく行われ得ることが理解され得る。従って、本発明は特許請求の範囲による場合を除いては限定されない。
【００３２】
本明細書で参照される、および／または出願データシートにリストされる、上記米国特許、米国特許出願公報、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、および非特許出版物のうちの全てが、本明細書においてその全体が参考として援用される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、電気化学的燃料電池システムのための従来技術のクーラントサブシステムの概略図である。
【図２】図２は、電気化学的燃料電池のためのクーラントサブシステムの実施形態の概略図である。
【図１】
2008524812.tif 000003
【図２】
2008524812.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月22日(2007.6.22)
【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】
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、
標準ポンプおよびスタックバルブを備える標準クーラントループであって、該スタックバルブが開放されるときには、該標準クーラントループは該電気化学的燃料電池スタックと流体的に接続され、該スタックバルブが閉鎖されるときには、該標準クーラントループは該電気化学的燃料電池スタックから流体的に分離される、標準クーラントループと、
駆動ギアポンプヘッドを備える駆動ループと、
該電気化学的燃料電池スタックと流体的に接続される起動クーラントループであって、該駆動ギアポンプヘッドと共通の軸の上に設置される従動ギアポンプヘッドを備える起動クーラントループと
を備え、
該標準クーラントループの中のクーラントが該駆動ループの該駆動ギアポンプヘッドへと流れ、該駆動ループの該駆動ギアポンプヘッドは、該スタックバルブが閉鎖されるときには該起動ループの該従動ギアポンプヘッドを駆動する、冷却サブシステム。
【請求項２】
前記起動クーラントループの中の前記クーラントの量は、前記標準クーラントループの中の前記クーラントの量よりも少ない、請求項１に記載の冷却サブシステム。
【請求項３】
前記スタックバルブが完全に開放されるときには、前記起動クーラントループは前記標準クーラントループから流体的に遮断される、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項４】
前記スタックバルブが完全に開放されるときには、前記起動クーラントループは前記電気化学的燃料電池スタックから流体的に遮断される、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項５】
前記標準クーラントループは前記標準ポンプと流体的に接続されるコンプレッサをさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項６】
前記起動クーラントループはヒータをさらに備える、請求項２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は温度自動調節バルブである、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項８】
前記スタックバルブは比例バルブである、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項９】
前記電気化学的燃料電池スタックはスタックマニフォールドを備え、前記起動クーラントループは該スタックマニフォールドに統合される、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１０】
前記標準クーラントループはカソードフィード熱交換器をさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１１】
前記標準クーラントループはクーラントリザーバをさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１２】
前記標準クーラントループは放熱器をさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１３】
放熱器バルブをさらに備える請求項１２に記載の冷却サブシステムであって、該放熱器バルブが開放されるときには、前記放熱器が前記標準クーラントループと流体的に接続され、該放熱器バルブが閉鎖されるときには、該放熱器は該標準クーラントループから流体的に分離される、冷却サブシステム。
【請求項１４】
前記標準クーラントループは推進システムをさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１５】
推進バルブをさらに備える請求項１４に記載の冷却サブシステムであって、該推進バルブが開放されるときには、前記推進システムは前記標準クーラントループと流体的に接続され、該推進バルブが閉鎖されるときには、該推進システムは該標準クーラントループから流体的に分離される、冷却サブシステム。
【請求項１６】
前記標準クーラントループは自動車用暖房システムをさらに備える、請求項２に記載の冷却サブシステム。
【請求項１７】
自動車用暖房バルブをさらに備える請求項１６に記載の冷却サブシステムであって、該自動車用暖房バルブが開放されるときには、該自動車用クーラントシステムは前記標準クーラントループと流体的に接続され、該自動車用暖房バルブが閉鎖されるときには、該自動車用暖房システムは該標準クーラントループから流体的に分離される、冷却サブシステム。
【請求項１８】
請求項２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１９】
起動の間に、電気化学的燃料電池システムのためのクーラントサブシステムを動作させる方法であって、
ａ）駆動ループ内の駆動ギアポンプヘッドを通過するように標準クーラントループからのクーラントを導くことであって、該駆動ギアポンプヘッドは、起動クーラントループ内の従動ギアポンプヘッドを駆動し、該起動クーラントループ内の該従動ギアポンプヘッドは、燃料電池スタックを通過するように該起動クーラントループ内のクーラントを導く、ことと、
ｂ）電気化学的燃料電池スタックまたは該起動ループの中の該クーラントのうちのいずれかの温度が、第１の所定の温度に到達するときには、該燃料電池スタックを通過するように標準クーラントループからのクーラントを導くことと
を包含する、方法。
【請求項２０】
前記駆動ギアポンプヘッドは、前記起動ループ内の従動ギアポンプヘッドを駆動し、該従動ギアポンプは前記クーラントを、前記燃料電池スタックを通過するように導く、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
起動前の前記燃料電池スタックの温度は０℃を下回る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
起動前の前記燃料電池スタックの温度は−２５℃を下回る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の所定の温度は３０℃と６０℃との間である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の所定の温度は５０℃を下回る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の所定の温度は６０℃と８０℃との間である、請求項１９に記載の方法。
【国際調査報告】
2008524812.tif 000005
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