(57)【要約】      （修正有）【課題】水除去、及び停止／始動サイクルに起因した電圧劣化を改善する新規な低速パージプロセスを提供する。【解決手段】燃料電池スタックの低速パージのためのシステムに関する。スタック、連係するラジエータ及びそれらの間の冷却剤配管が同じ温度に維持されるように冷却剤の循環を維持するためポンプを使用することができる。スタック、液体冷却剤及びラジエータからの熱は、スタック中の液体の蒸発熱を提供するため使用することができ、液体水は水蒸気としてスタックから除去することができる。空気流量が比較的低いので、水が蒸発し、空気がスタックと同じ温度で流入するため十分な時間が存在しており、このことは熱輸送のための高い表面積により促進される。パージ空気をパージ空気ブロワーを介してラジエータを通してスタックへと引き込むことができ、低温空気がスタックと接触することを回避させるため空気を予め加熱する。【選択図】図２
2008171803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するためのパージシステムであって、
前記燃料電池スタックと流体連通しているパージ空気出口であって、該パージ空気出口は、パージ空気が前記燃料電池スタックから出ることを可能にするように作動可能である、前記パージ空気出口と、
前記燃料電池スタックと流体連通するラジエータシステムと、
前記ラジエータシステムと流体連通するパージ空気入口であって、該パージ空気入口は外部環境からパージ空気を受け取るように作動可能である、前記パージ空気入口と、
前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通する空気ブロワーシステムであって、該空気ブロワーシステムは、前記ラジエータシステムから前記燃料電池スタックへと前記パージ空気を輸送して、該燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するように選択的に作動可能である、前記空気ブロワーシステムと、
を備える、パージシステム。
【請求項２】
前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通するポンプシステムを更に備え、該ポンプシステムは、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムを通して冷却剤を選択的に送り出すように作動可能である、請求項１に記載のパージシステム。
【請求項３】
前記ポンプシステムは、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通した導管システムを備え、前記ポンプシステムは、該導管システムを通して冷却剤を選択的に送り出すように作動可能であり、該冷却剤は、前記導管システム、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステム内で実質的に同じ温度で維持されている、請求項２に記載のパージシステム。
【請求項４】
前記ラジエータシステムは、該ラジエータシステムを通した空気流れを制御するように選択的に作動可能であるルーバーシステムを備える、請求項１に記載のパージシステム。
【請求項５】
前記ラジエータシステムは、流入するパージ空気を加熱するように作動可能である、請求項１に記載のパージシステム。
【請求項６】
前記パージシステムは、約３０分から約１２０分の時間に亘って作動する、請求項１に記載のパージシステム。
【請求項７】
前記パージシステムは、約３０分から約６０分の時間に亘って作動する、請求項１に記載のパージシステム。
【請求項８】
前記パージシステムを作動させるため必要とされるパワーは、次式に従って計算され、
【数１】
2008171803.tif 000004
上式において、Ｐは前記パワーであり、ａは、Ｃｐを定圧比熱、Ｃｖを定積比熱としたときの比率Ｃｐ／Ｃｖであり、Ｐinは入口圧力であり、Ｆinは入口体積流量であり、Ｐoutは出口圧力である、請求項１に記載のパージシステム。
【請求項９】
燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するためのパージシステムであって、
前記燃料電池スタックと流体連通しているパージ空気出口であって、該パージ空気出口は、パージ空気が前記燃料電池スタックから出ることを可能にするように作動可能である、前記パージ空気出口と、
前記燃料電池スタックと流体連通するラジエータシステムと、
前記ラジエータシステムと流体連通するパージ空気入口であって、該パージ空気入口は前記パージ空気出口から出るパージ空気を受け取るように作動可能である、前記パージ空気入口と、
前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通する空気ブロワーシステムであって、該空気ブロワーシステムは、前記ラジエータシステムから前記燃料電池スタックへと前記パージ空気を輸送して、該燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するように選択的に作動可能である、前記空気ブロワーシステムと、
前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通するポンプシステムであって、該ポンプシステムは前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムを通して冷却剤を選択的に送り出すように作動可能である、前記ポンプシステムと、
を備える、パージシステム。
【請求項１０】
前記ポンプシステムは、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通した導管システムを備え、前記ポンプシステムは、該導管システムを通して冷却剤を選択的に送り出すように作動可能であり、該冷却剤は、前記導管システム、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステム内で実質的に同じ温度に維持されている、請求項９に記載のパージシステム。
【請求項１１】
前記ラジエータシステムは、該ラジエータシステムを通した空気流れを制御するように選択的に作動可能であるルーバーシステムを備える、請求項９に記載のパージシステム。
【請求項１２】
前記ラジエータシステムは、流入するパージ空気を加熱するように作動可能である、請求項９に記載のパージシステム。
【請求項１３】
前記パージシステムは、約３０分から約１２０分の時間に亘って作動する、請求項９に記載のパージシステム。
【請求項１４】
前記パージシステムは、約３０分から約６０分の時間に亘って作動する、請求項９に記載のパージシステム。
【請求項１５】
前記パージシステムを作動させるため必要とされるパワーは、次式に従って計算され、
【数２】
2008171803.tif 000005
上式において、Ｐは前記パワーであり、ａは、Ｃｐを定圧比熱、Ｃｖを定積比熱としたときの比率Ｃｐ／Ｃｖであり、Ｐinは入口圧力であり、Ｆinは入口体積流量であり、Ｐoutは出口圧力である、請求項９に記載のパージシステム。
【請求項１６】
燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するためのパージシステムであって、
前記燃料電池スタックと流体連通しているパージ空気出口であって、該パージ空気出口は、パージ空気が前記燃料電池スタックから出ることを可能にするように作動可能である、前記パージ空気出口と、
前記燃料電池スタックと流体連通するラジエータシステムであって、該ラジエータシステムは、該ラジエータシステムを通した空気流れを制御するように選択的に作動可能であるルーバーシステムを備える、前記ラジエータシステムと、
前記ラジエータシステムと流体連通するパージ空気入口であって、該パージ空気入口は前記パージ空気出口から出るパージ空気を受け取るように作動可能であり、前記ラジエータシステムは流入した空気を加熱するように作動可能である、前記パージ空気入口と、
前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通する空気ブロワーシステムであって、該空気ブロワーシステムは、前記ラジエータシステムから前記燃料電池スタックへと前記パージ空気を輸送して、該燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するように選択的に作動可能である、前記空気ブロワーシステムと、
前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通するポンプシステムであって、該ポンプシステムは、導管システム、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムを通して冷却剤を選択的に送り出すように作動可能であり、該冷却剤は、前記導管システム、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステム内で実質的に同じ温度に維持されている、前記ポンプシステムと、
を備える、パージシステム。
【請求項１７】
前記パージシステムは、約３０分から約１２０分の時間に亘って作動する、請求項１６に記載のパージシステム。
【請求項１８】
前記パージシステムは、約３０分から約６０分の時間に亘って作動する、請求項１６に記載のパージシステム。
【請求項１９】
前記パージシステムを作動させるため必要とされるパワーは、次式に従って計算され、
【数３】
2008171803.tif 000006
上式において、Ｐは前記パワーであり、ａは、Ｃｐを定圧比熱、Ｃｖを定積比熱としたときの比率Ｃｐ／Ｃｖであり、Ｐinは入口圧力であり、Ｆinは入口体積流量であり、Ｐoutは出口圧力である、請求項１８に記載のパージシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池システムに係り、より詳しくは、電気化学的安定性及び水管理特徴を向上させた二極式プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多数の用途のための電源として使用されてきた。例えば燃料電池は、内燃エンジンに取って代わるため電気自動車のパワープラントで使用することが提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子透過性の非導電性の固体ポリマー電解質膜を有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、該固体ポリマー電解質膜は、該電解質膜の面のうち一方の面にはアノード触媒を、反対側の面にはカソード触媒を有している。一対の導電性要素の間に挟まれ、ガス拡散媒体構成要素と称されることがある膜電極アッセンブリは、（１）アノード及びカソードのための電流コレクターとして機能し、（２）各々のアノード触媒及びカソード触媒の表面に亘って燃料電池のガス状反応物を分配するための適切な開口を含み、（３）電極から流れ場チャンネルへと生成水蒸気又は液体水を除去し、（４）熱除去のために熱伝導性であり、（５）機械的強度を有する。燃料電池という用語は、典型的には、文脈に応じて単一の電池又は複数の電池（例えば、スタック）のいずれかを指すために使用されている。複数の個々の電池は、一般に、燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられ、直接に配列されている。スタック内の各電池は、前述された膜電極アッセンブリを備え、そのような膜電極アッセンブリの各々は、その電圧増分を提供する。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ２）がアノード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋な形態（Ｏ２）であっても或いは空気（Ｏ２とＮ２の混合物）であってもよい。個体ポリマー電解質は、典型的には、例えば、ペルフルオロスルホン酸等のイオン交換樹脂から作られている。アノード／カソードは、典型的には、きめ細かく分割された触媒粒子を含み、該粒子は、炭素粒子上に担持され、陽子透過性樹脂と混合される。触媒粒子は、典型的には、コスト高の貴金属粒子である。これらの膜電極アッセンブリは、製造するのに比較的高価であり、有効な作動のため、適切な水管理及び加湿、例えば一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒汚染物質の制御を始めとする幾つかの条件を必要としている。
【０００４】
ＰＥＭ及び他の関連する型式の燃料電池システムに関する技術の例は、共有譲渡された、ウィザースプーンらに付与された米国特許番号３，９８５，５７８号、スワシリヤンらに付与された米国特許番号５，２７２，０１７号、リーらに付与された米国特許番号５，６２４，７６９号、ノィツァーらに付与された米国特許番号５，７７６，６２４号、ディピアーノ・ボスコらに付与された米国特許番号６，１０３，４０９号、スワシリヤンらに付与された米国特許番号６，２７７，５１３号、ウッズIII世らに付与された米国特許番号６，３５０，５３９号、フランクらに付与された米国特許番号６，３７２，３７６号、マチスらに付与された米国特許番号６，３７６，１１１号、ヴィヤスらに付与された米国特許番号６，５２１，３８１号、サムパリらに付与された米国特許番号６，５２４，７３６号、ゼェナーらに付与された米国特許番号６，５２８，１９１号、フライらに付与された米国特許番号６，５６６，００４号、フォルテらに付与された米国特許番号６，６３０，２６０号、フライらに付与された米国特許番号６，６６３，９９４号、ゼェナーらに付与された米国特許番号６，７４０，４３３号、ネルソンらに付与された米国特許番号６，７７７，１２０号、ブラディらに付与された米国特許番号６，７９３，５４４号、ラパポートらに付与された米国特許番号６，７９４，０６８号、ブランクらに付与された米国特許番号６，８１１，９１８号、マチスらに付与された米国特許番号６，８２４，９０９号、ゼェナーらによる米国特許出願公開番号２００４／０２２９０８７号、オハラらによる２００５／００２６５２３号、オハラらによる２００５／００２６０１８号、オハラらによる２００５／００２６５２３号に見出すことができ、それらの内容の全ては、参照により本願に組み込まれる。
【０００５】
従来のＰＥＭ燃料電池スタックでは、水が電池反応で生成され、スタックから除去されなければならない。従来の技術は、急速機械式パージプロセスを用いている。これは、高いエネルギー消費量や、主要には、「機械式」手段によって、即ち液体水をスタックから対流で流出させることによって水を除去することなどを始めとして、幾つかの欠点を有する。また、この技術は、ランドの下でのＤＭ及びＭＥＡへの損傷を始めとした凍結耐久性の問題の原因ともなり得る。加えて、この技術は、不完全な液体水の除去による上昇した相対湿度（ＲＨ）に起因して、所望のカーボンの腐食よりも多くの腐食を与える。
【０００６】
一つの代替技術は、約１００〜１２０秒の間に高いパワーパージを用いている。しかし、この技術は、比較的高いエネルギー消費量を必要とし、特にランドの下で、液体水を除去する上では、あまり効率的ではない。例えば、現存する１２０秒のパージでは、エネルギー消費量は、１００ｋＷの総パワーのスタックに関して５Ｗ×１２０秒＝６００ｋＪとなる。長時間のパージは、推定１５０ｋＪを必要としている。この長時間の枠組みは、別のエネルギー変換工程（即ち、バッテリを充電する工程）を必要としている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、水除去、凍結耐久性、パージエネルギー効率及び停止／始動サイクルに起因した電圧劣化を改善するように、燃料電池システムのための新規な改善された低速パージプロセスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の実施態様によれば、燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するためのパージシステムは、（１）前記燃料電池スタックと流体連通しているパージ空気出口であって、該パージ空気出口は、パージ空気が前記燃料電池スタックから出ることを可能にするように作動可能である、前記パージ空気出口と、（２）前記燃料電池スタックと流体連通するラジエータシステムと、（３）前記ラジエータシステムと流体連通するパージ空気入口であって、該パージ空気入口は外部環境からパージ空気を受け取るように作動可能である、前記パージ空気入口と、（４）前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通する空気ブロワーシステムであって、該空気ブロワーシステムは、前記ラジエータシステムから前記燃料電池スタックへと前記パージ空気を輸送して、該燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するように選択的に作動可能である、前記空気ブロワーシステムと、を備える。
【０００９】
本発明の第１の代替実施態様によれば、燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するためのパージシステムは、（１）前記燃料電池スタックと流体連通しているパージ空気出口であって、該パージ空気出口は、パージ空気が前記燃料電池スタックから出ることを可能にするように作動可能である、前記パージ空気出口と、（２）前記燃料電池スタックと流体連通するラジエータシステムと、（３）前記ラジエータシステムと流体連通するパージ空気入口であって、該パージ空気入口は前記パージ空気出口から出るパージ空気を受け取るように作動可能である、前記パージ空気入口と、（４）前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通する空気ブロワーシステムであって、該空気ブロワーシステムは、前記ラジエータシステムから前記燃料電池スタックへと前記パージ空気を輸送して、該燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するように選択的に作動可能である、前記空気ブロワーシステムと、（５）前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通するポンプシステムであって、該ポンプシステムは前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムを通して冷却剤を選択的に送り出すように作動可能である、前記ポンプシステムと、を備える。
【００１０】
本発明の第２の代替実施態様によれば、燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するためのパージシステムは、（１）前記燃料電池スタックと流体連通しているパージ空気出口であって、該パージ空気出口は、パージ空気が前記燃料電池スタックから出ることを可能にするように作動可能である、前記パージ空気出口と、（２）前記燃料電池スタックと流体連通するラジエータシステムであって、該ラジエータシステムは、該ラジエータシステムを通した空気流れを制御するように選択的に作動可能であるルーバーシステムを備える、前記ラジエータシステムと、（３）前記ラジエータシステムと流体連通するパージ空気入口であって、該パージ空気入口は前記パージ空気出口から出るパージ空気を受け取るように作動可能であり、前記ラジエータシステムは流入した空気を加熱するように作動可能である、前記パージ空気入口と、（４）前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通する空気ブロワーシステムであって、該空気ブロワーシステムは、前記ラジエータシステムから前記燃料電池スタックへと前記パージ空気を輸送して、該燃料電池スタックから液体又は蒸気の形態の水を除去するように選択的に作動可能である、前記空気ブロワーシステムと、（５）前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムと流体連通するポンプシステムであって、該ポンプシステムは、導管システム、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステムを通して冷却剤を選択的に送り出すように作動可能であり、該冷却剤は、前記導管システム、前記燃料電池スタック及び前記ラジエータシステム内で実質的に同じ温度に維持されている、前記ポンプシステムと、を備える。
【００１１】
本発明の用途の更なる領域は、以下に提供された詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示しているが、説明の目的のみを意図しており、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１２】
本発明は、次の詳細な説明及び添付図面から、より完全に理解されるようになる。
【実施例】
【００１３】
図１及び図２を参照すると、本発明の一般的な教えに係る、燃料電池システム１２、例えば燃料電池スタック１４と関連して使用するためのパージシステム１０が示されている。例えば、補助低出力液体冷却剤ポンプ１６は、スタック１４と、ラジエータ１８と、冷却剤配管２０（例えば、ラジエータ１８から冷却剤ポンプ１６までの導管２０ａ、並びに、冷却剤ポンプ１５からスタック１４までの導管２０ｂ）とが同じ温度となるように、冷却剤循環機構を維持するために、この期間に亘って、使用することができる。冷却剤は、ポンプ１６を通って、導管２０ａへと流れ、ラジエータ１８へと至る。ラジエータ１８から冷却剤は、導管２０Ｃへと流れ、燃料電池スタック１４に導入される。次に、冷却剤は、燃料電池スタック１４から出て、導管２０ｂに入り、ポンプ１６へと再導入される。スタック１４、液体冷却剤及びラジエータ１８からの熱は、スタック１４内の液体の蒸発熱を提供するために使用することができ、ラジエータ１８は、スタック１４内の液体の蒸発熱を提供するために使用することができ、液体水は、例えば導管１４ａを通って、水蒸気としてスタック１４から除去することができる。空気の流量が比較的低いので、水を蒸発させ、空気をスタック１４と同じ温度にさせるのに十分な時間が存在している。このことも、熱輸送のための高い表面積により容易にされている。
【００１４】
図１は、通常モードで作動するときのパージシステムを表している。パージシステム１０が通常モードで作動しているとき、ラジエータ１８は、周囲環境から、パージ空気を吸引する。当該空気は、ラジエータファン２６へと導入され、ルーバー２４を介して、外部環境へと吹き戻される。
【００１５】
ここで図２を参照すると、パージモードで作動するパージシステム１０が示されている。パージ空気は、ラジエータ１８を通して（例えば、導管１８ａ、１８ｂを介して）、例えばパージ空気ブロワー２２を介してスタック１４へと吸引することができる。該パージ空気ブロワーは、低温空気が空気入口でスタック１４と接触することを回避させるため空気を予め加熱する。ルーバー２４は、例えば選択的に閉鎖及び／又は開放することによって、空気がラジエータ１８を通過することを確実にするため閉じられる。パージシステム１０がパージモードで作動するとき、ラジエータ１８は、パージ空気を周囲環境から吸引する。当該空気は、導管１８ａ及び１８ｂを介してスタック１４へと導入される。空気がスタックを通って流れた後、該空気は、外部環境へと出て行く。ラジエータファン２６とラジエータ１８との間の空の空間は本質的ではないが、ラジエータ１８を通して均一な空気の流れを可能とするため使用することができる。
【００１６】
本発明の一態様によれば、スタックは、例えば１／２時間から１時間等の比較的長い期間に亘って、パージされる。しかし、パージ時間を本発明の一般的な教えに従って修正することができること、例えば、パージ時間を前記したパージ時間インターバルよりも少なくしたり、多くしたりすることができることが理解されるべきである。本発明の一態様によれば、チャンネル内に蓄積された液体水を「機械的に除去する」ため比較的短期間の高強度パージを長いパージプロセスに先行させることができる。
【００１７】
本発明の作用の特定の理論に拘束されること無く、急速対流水除去方法の代わりに低速蒸気液体平衡水除去方法を使用することによって、この種の低速スタックパージは、液体水をランドの下部から除去し、最小の劣化又は劣化無しで多数の凍結／解凍サイクルを生き残るためのより良い機会を膜に与える。
【００１８】
とりわけ、スタックを冷却させるための時間、スタックの温度降下、並びに、与えられた量の水、圧力降下及び空気流れパワーに対するスタック及び冷却剤の温度降下を決定するため幾つかのサンプル計算が実行された。
【００１９】
スタックを冷却させるための時間に関して、スタックを冷却させるための時間がパージ時間を規定していると考えられる。例えば、パージ時間は、スタックを冷却させるため必要とされる時間と比較して十分に短くなければならない。スタック及び冷却剤システムからの熱を、熱損失ではなく、水を蒸発させることに向かわせることが望ましいからである。１０Ｗ／ｍ２Ｋの自然対流ＨＴＣ（熱輸送係数）は、０℃の周囲温度と、（例えば、ＧＭマインツ−キャステルシステムチームからの）スタック及び冷却剤システムに対する１３４０００Ｊ／ＫのｍＣｐ（比熱により乗算された質量）とが与えられたとき、スタックを冷却させるための時間は６時間であると推定される。その結果、パージは、１時間未満で発生しなければならず、それにより、冷却に起因した熱損失は無視可能となる。なお、実際のシステムのための熱損失は、より高い自然対流ＨＴＣ又は冷却剤配管からかなりの熱損失に起因して推定されるものよりも幾分高くなり得る。この場合では、スタック及び冷却剤の回りで最小の追加の断熱性が必要となり得るか、又は、１／２時間から１時間の推定値よりも僅かに迅速なパージが必要となり得る。
【００２０】
与えられた量の水に対して、スタック及び冷却剤の温度降下に関して、本発明の一つの前提は、スタック及び冷却剤システムを冷却する際に利用可能となる顕熱が、スタック内に蓄積された液体水を蒸発させるのに十分であるということである。例えば、６０℃におけるスタック及び冷却剤システムを想定せよ。スタック及び冷却剤システムの１３４０００Ｊ／Ｋの見積もりｍＣｐが与えられたとすると、６０℃から２０℃まで低下する際に利用可能となる顕熱は５．３６ＭＪである。２４００Ｊ／ｇの蒸発熱が与えられたとき、顕熱は、２２３０ｇ以内の水を蒸発させるのに十分となる。これは、上限である。顕熱の一部分は、入ってくる低温パージ空気を加熱する必要もあるからである。
【００２１】
他方では、スタックから液体水の全てをパージすることは必ずしも必要ではないし、望ましいわけでもない。いずれの場合でも、利用可能なデータは、パージ無しの停止前に９１％ＲＨで動作する完全Ｓ４．３スタック（電池当たり３６０ｃｍ２の活性領域を有する４００個の電池）に関して１０５０グラムのオーダーの液体水保持、並びに、パージ無しの停止前に１２６％の出口ＲＨで動作する完全Ｓ４．３スタックに関して１６００グラムのオーダーの液体水保持を示している。それにより、顕熱は、６０℃の初期温度の仮定された条件に対して、スタック内の液体水の必ずしも全てではないにしても、ほとんどを除去するオーダーの大きさを有する。
【００２２】
例えば比較的低温の日の短い持続時間の駆動などスタックが６０℃に到達しない場合に関しては、他のオプションを利用することができる。例えば、（１）多くの場合には、短期間の駆動の間に蓄積し得る少量の水の故に、６０℃より低い温度で十分となり得、（２）スタック内の液体水の量、及び、長期間のパージが機能するために必要となる初期温度を推定するため所定のアルゴリズムを使用することができ、並びに、当該温度が停止前に達成されるまで、冷却剤加熱を駆動しつつ、スタックをオンのままとすることができ、及び／又は、（３）短期間の高流量の機械的パージを、長時間のパージに亘る準備工程として使用することができる。これは、スタックを加熱し、水を機械的に除去するという二重の利点を奏する。もう一度、所定のアルゴリズムを、短時間高流量パージの要求された持続時間を決定するため使用することができる。この場合でさえも、長時間のパージは、高流量パージの持続時間を最小にし、これによりパワーを節約すると共にスタックのより徹底した乾燥のための可能性を提供するという利点を奏する。
【００２３】
例えばＳ４．３スタックのための圧力降下及び空気流量パワーに関しては、典型的には、１０ｋＰａの対応するＰ降下で３０ｇ／秒の空気を分配するために１ｋＷのコンプレッサが要求される。本発明は、層流様式を用いているので、圧力降下は流量に比例している。長時間パージの枠組みに関しては、３ｇ／秒のオーダーの空気流が必要となる。これは、圧力降下が１ｋＰａのオーダーを持つことを意味している。次の関係式は、長時間パージの間に必要となるパワーＰを推定するため使用される。
【００２４】
【数１】
2008171803.tif 000003
【００２５】
ここで、ａは、Ｃｐを定圧比熱、Ｃｖを定積比熱としたときの比率Ｃｐ／Ｃｖ（例えば、空気に関しては１．４に等しい）であり、Ｐinは入口圧力であり、Ｆinは入口体積流量であり、Ｐoutは出口圧力である。１ｋＷにおいて３０ｇ／秒の場合を６ｇ／秒の場合と比較するためこの関係を使用すると、６ｇ／秒の要求されたパワーは３２Ｗであると推定されている。たとえラジエータ及び入口配管を通る流れが、追加の圧力降下を提供し、小型ポンプがパージの間に冷却剤をゆっくりと循環させることを可能にしたとしても、パワー消費量は小さく、例えば４０Ｗ以下となる。当該パージが１時間継続した場合、パージに対して要求される総エネルギーは、ほんの１４４ｋＪにしか過ぎず、比較的小型で、安価な再充電可能なバッテリにより、容易に供給することができる。
【００２６】
スプレッドシートモデルからの結果は、本発明の実行可能性を決定させるため記述された単一の通常の微分方程式の分析的解答を提供する。当該計算は、低温空気がスタック温度まで加熱されたスタック内へと持ち込まれ、スタックを完全に飽和された状態にしておく際のエネルギーバランスを解法する工程を含んでいる。当該スタックは、低温流入空気の加熱のため、並びに、液体水の蒸発の故に、エネルギーを損失する。当該モデルは、スタック及びこれにより出口空気の温度が低下したとき、当該空気が飽和状態でより少ない水を保持することも考慮している。幾つかのサンプル計算の結果が以下に示されている。
【００２７】
初期スタックＴ＝６０℃、パージ空気流量＝６ｇ／秒、流入空気温度Ｔ＝−２０℃の場合、１／２時間、１時間及び３／２時間後に除去された水の量は、スタック温度Ｔ＝４２℃、３５℃及び２９℃のとき、各々、９００、１４００及び１７００グラムである。
【００２８】
初期スタックＴ＝５０℃、パージ空気流量＝６ｇ／秒、流入空気温度Ｔ＝−２０℃の場合、１／２時間、１時間及び３／２時間後に除去された水の量は、スタック温度Ｔ＝３６℃、２９℃及び２３℃のとき、各々、５８０、９００及び１１６００グラムである。
【００２９】
本発明の一態様によれば、一つのより大きなラジエータファンの代わりに、小型ファンの行列（例えば、４×４＝１６）を、通常の作動の間にラジエータを通して空気を押し出したり又は吸引したりするため使用することができる。現在のところ、延長された停止期間の間に、所定時間において一つだけのファンが、空気をラジエータを通して吸引し、該空気をスタックへと送り出すため使用されている。
【００３０】
本発明の一態様によれば、熱交換器は、新鮮なパージ空気及び流出するパージ空気の間で熱を交換し、与えられた空気流量に対して、より多くの水をスタックから取り出すために使用することができる。これは、熱交換器のための追加の圧力降下の故により大きいパージブロワーを必要としている。
【００３１】
本発明の一態様によれば、ラジエータにおいて、より嵩張り、より安価な材料を使用することは、実際に、長い持続時間のパージの間に、水除去を容易にする。
本発明の一態様によれば、流量が比較的低いので、自然対流が、空気パージ及び冷却剤の再循環を援助し、再充電可能なバッテリコストを減少させる。例えば、設計の詳細は、自然対流を促進することができる。
【００３２】
この種のパージが、カソード入口の近傍の領域で膜を乾燥する上で非常に有効である場合には、パージのシフトは、パージガスが、特定の時間（例えば１５秒）に亘ってカソード入口へと導入され、同じ時間に亘ってカソード出口へと導入される場合に、パージシフトを使用することができる。このようにして、膜は、液体水がスタックから除去されている間に、水和状態に維持するのに十分な時間に亘って完全に加湿されたガスと接触する。
【００３３】
以下に記載されるように、本発明の幾つかの利点が存在している。
蒸気−液体の平衡状態を使用することによるスタックのより徹底した乾燥は、より長い凍結耐久性へと導く可能性を有する。特に、現存する機械的パージシステムは、水をチャンネルから除去するが、ランドの下方に有意な量の水を残存させる。これは、事実上、ランドの下方でＤＭ及びＭＥＡの劣化へと導きかねない。本発明で提案された低速パージは、水をランドの下方から除去し、究極的には、多数の凍結サイクルに対する耐久性のためのキーとなり得ることが判明している。
【００３４】
空気流量は比較的低い（例えば、スタックは１／２時間から２時間に亘ってパージされる）ので、スタックを通した空気の圧力降下は非常に低く、例えば、１ｋＰａより小さい。その結果、この量の空気を送り出すのに要求されるエネルギーも非常に低い。
【００３５】
本発明のパージの枠組みによれば、より多くの液体水をスタックから除去することが可能となり、より高いＲＨ出口条件で作動する可能性をもたらし、スタックの耐久性並びに受け入れ可能な作動の範囲を更に改善することができる。
【００３６】
本発明は、停止／始動サイクルの間にカーボン腐食を緩和するとう利点を有する。低速パージの枠組みによれば、膜の水含有量は低下し、アノード側部を空気でパージする前にスタックが冷却される。これらの２つの因子は、システム停止及び始動のサイクルの間の電圧降下を強力に改善する。前者の因子は、イオノマー中の水含有量を減少させ、水が反応物質の一つであるが故にカソードにおけるカーボン腐食反応をゆっくりとさせるように機能する。イオノマー中の水含有量が少なくなればなるほど、カーボン腐食反応速度はより低速となる。後者の因子は、燃料電池システムの停止及び始動の間に、空気／Ｈ２の前線がアノードを通過するときの電圧降下を改善する。空気／Ｈ２の前線の通過の温度が低くなればなるほど、停止／始動サイクルの間の電圧降下率はより低下するからである。
【００３７】
本発明の上記説明は、本質上、単なる例示にしか過ぎず、かくして、本発明の要旨から逸脱しない変形は、本発明の範囲内であることが意図されている。そのような変形は、本発明の精神及び範囲からの逸脱としてはみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の一般的な教えに係る、通常モードで作動する燃料電池システムのためのパージシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一般的な教えに係る、パージモードで作動する燃料電池システムのためのパージシステムの概略図である。
【図１】
2008171803.tif 000007
【図２】
2008171803.tif 000008
【外国語明細書】
2008171803000001.pdf