(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池と、前記少なくとも１つの燃料電池に電気接続された少なくとも１つの抵抗体スイッチユニットとを備えた自己発熱燃料電池システムであって、前記少なくとも１つの抵抗体スイッチユニットが、抵抗体およびスイッチを備え、前記スイッチは、前記抵抗体と並列に電気接続されており、前記抵抗体は、前記少なくとも１つの燃料電池と直接接触している、自己発熱燃料電池システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの燃料電池の温度が温度（Ｔ１）よりも高いときの当該システムの第１の内部抵抗（Ｒ１）、および前記少なくとも１つの燃料電池の温度がＴ１を下回るときの当該システムの第２の内部抵抗（Ｒ２）を含み、Ｔ１を約２℃下回るときのＲ２の値が、Ｔ１におけるＲ１の値の少なくとも２倍である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
Ｔ１が、９５℃未満である、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
Ｔ１を下回る複数の閾値温度における当該システムの前記抵抗の多ステップ変化がある、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記燃料電池が、アノードにおける燃料流のための流れ場を含むバイポーラ板、膜電極接合体における拡散媒体、カソードにおける酸化体流のため流れ場を含むバイポーラ板を備え、前記抵抗体が、前記バイポーラ板のうちの一方に直接接触して配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記抵抗体が、前記少なくとも１つの燃料電池の内側、または前記少なくとも１つの燃料電池の外側にある、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
燃料電池のスタックを備え、前記少なくとも１つの燃料電池が、燃料電池の前記スタックの中にあり、前記抵抗体スイッチユニットが、燃料電池の前記スタックの中の２つの燃料電池間に介在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックの中のいくつかの場所にわたって燃料電池間に挿入された複数の抵抗体スイッチユニットを備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記拡散媒体と前記少なくとも１つの燃料電池の前記バイポーラ板のうちの一方との間に挿入された前記少なくとも１つの抵抗体スイッチユニットを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記抵抗体が、前記抵抗体の１つの端部において２つのタブを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記抵抗体が、グラファイト、ステンレス鋼、ニッケル、クロム、ニクロム、銅、アルミニウム、チタン、またはそれらの合金から作製される導電性シートを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記抵抗体が、前記シートの一方または両方の主表面に、１つまたは複数の電気絶縁薄膜を有する薄い金属シートである、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記抵抗体が、１マイクロメートルから１００マイクロメートルの間の全厚を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電気絶縁薄膜が、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩素化ポリプロピレン、ポリエステル、ポリイミド、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ナイロン、またはそれらのコポリマーを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの燃料電池の表面温度を測定することができる温度感知素子からの入力に基づいて、前記スイッチを開状態、または閉状態に動作させるように構成された制御装置をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記スイッチが、電気機械式継電器と温度制御装置、または温度センサを備えた固体継電器、温度センサを備えたパワーＭＯＳＦＥＴ、または温度センサを備えた大電流接触器から成る、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記複数のスイッチが、制御アルゴリズムに従って、順次、活性化され得る、請求項８に記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの燃料電池が、水素または水素含有ガスで動作することができるプロトン交換膜燃料電池である、請求項１から１７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの燃料電池が、アルカリ膜燃料電池、１００℃から３００℃の間で動作する中間温度燃料電池、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ：polybenzimidazole）燃料電池、リン酸燃料電池、または固体酸化物燃料電池である、請求項１から１７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの燃料電池が、１マイクロメートル以下の厚さを有するアノード触媒層および／またはカソード触媒層を含む、請求項１８または１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記燃料電池に電気接続されたＤＣ／ＤＣ変換器と、前記ＤＣ／ＤＣ変換器に電気接続されたインバータと、前記インバータに電気接続された電気モータと、前記スイッチに電気接続され、かつ前記抵抗体において熱を生成して、前記燃料電池を加熱するために前記スイッチを開くように構成された制御装置とをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
自己発熱燃料電池システムを動作させる方法であって、前記システムの中の少なくとも１つの燃料電池の温度が温度（Ｔ１）よりも高いときの第１の内部抵抗（Ｒ１）で前記システムを、および前記少なくとも１つの燃料電池の温度がＴ１を下回るときの前記システムの第２の内部抵抗（Ｒ２）で前記システムを、Ｔ１に応じてＲ１またはＲ２のいずれかを活性化するスイッチを活性化させることによって、動作させるステップを含み、
前記自己発熱燃料電池システムは、前記少なくとも１つの燃料電池に電気的に接続された、少なくとも１つの抵抗スイッチユニットを含み、前記少なくとも１つの抵抗体スイッチユニットが、抵抗体およびスイッチを備え、前記スイッチは、前記抵抗体と並列に電気接続されており、前記抵抗体は、前記少なくとも１つの燃料電池と直接接触している、方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの燃料電池が、膜電極接合体と、アノード触媒電極と、カソード触媒電極と、抵抗体およびスイッチを備える抵抗体スイッチユニットであって、前記スイッチが、前記燃料電池上の温度感知素子と、前記温度感知素子から入力を受け取り、前記スイッチを動作させるように構成された制御装置とを備える、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記制御装置が、前記温度感知素子からの入力に基づいて、前記抵抗体スイッチユニット上の前記スイッチを開く、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
Ｔ１が、９５℃未満である、請求項２２から２４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、２０１５年１月２１日に出願の米国特許仮出願第６２／１０５，８７５号明細書の利益を主張するものであり、その全開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、一般に、複数の内部電気抵抗レベルを有するように設計された１つまたは複数の燃料電池、たとえば、プロトン交換膜燃料電池を含む燃料電池システムに関する。内部電気抵抗レベルは、実質的には、温度とともに変化するように設計されている。電気抵抗レベルのそのような変化により、燃料電池システムを低い温度から水管理および燃料電池動作に最適な上昇した温度まで急速に加熱することが可能になる。そのような燃料電池システムは、車両および固定用途向けの水素燃料電池を含む。
【背景技術】
【０００３】
現在、プロトン交換膜（ＰＥＭ：proton exchange membrane）燃料電池などの燃料電池は、低温環境で、具体的には、零下以下の温度で始動する場合、著しい困難を抱えている。零下の温度でのＰＥＭ燃料電池動作中に酸素還元反応（ＯＲＲ：oxygen reduction reaction）から生成される水がカソード触媒層（ＣＬ：cathode catalyst layer）に氷を形成し、それは反応部位への酸素輸送を妨げ、それにより、ＰＥＭ燃料電池が最終的には停止することになる可能性があることは広く考えられている。いくつかの技術では、低温環境の中で燃料電池を動作させることに取り組もうとする試みが行われている。
【０００４】
たとえば、米国特許第６，３５８，６３８号明細書は、低温始動中に熱を生成し、したがって、燃料電池スタックを凝固点に向かって暖機する現場化学発熱法を開示している。この方法においては、少量のＯ２が、アノードの中に注入されて、アノード触媒層にＯ２−Ｈ２燃焼を誘起し、それによって熱が発生するか、または少量のＨ２が、カソードの中に注入されて、カソード触媒層にＨ２−Ｏ２燃焼を誘起して、熱が発生する。両方の場合において、この方法は、氷に変わり、触媒層を満たす水も生成し、それにより、燃料電池が動作不能になるので、効果的ではない。この方法によって生成される熱量は、触媒層の貯水能力によって制限され、薄い触媒層の中の空所が小さいことに起因して、どちらかと言えば少ない。加えて、この方法は、アノード触媒層の中のＨ２−Ｏ２触媒反応が、カソード触媒層における炭素腐食を促進させることになるので、触媒層の劣化を招き、カソード触媒層の中のＨ２−Ｏ２触媒反応は、結果的に、膜を介してホットスポットの形成をもたらす可能性がある。
【０００５】
米国特許第８，２６３，２７８号明細書は、燃料電池スタックを暖機するために生成されたより多くの内部熱が存在するように、低電池電圧、したがって、低効率動作を維持する酸素欠乏技法を開示している。この酸素欠乏法は、アノードからカソードの区画への水素ポンピングにつながり、それによって、周囲に放出する前に、水素濃度を可燃限界より下に保つために、カソード排気の希釈が必要である。酸素欠乏法にはまた、精巧な制御ステップが必要であり、燃料電池材料の劣化をもたらす可能性がある
【０００６】
そのため、零下の温度から燃料電池を急速に起動するための、単純で、劣化させない方法を開発することが望ましい。
【０００７】
さらには、低周囲温度、たとえば室温から動作してから、最適範囲、たとえば６０℃〜８０℃に到達するまでの燃料電池における水管理は、極めて困難を抱えている。水を適切に管理し、電極、ガス拡散層、および流れチャネルが、液体水によって浸水しないようにするために、高度な制御部と一緒に嵩張る加湿システムが採用される。低温度におけるこの水管理問題に対する単純な手法は、電池が、室温から、上昇した温度の設計点まで素早く加熱されるという熱的方法になり得る。より高い電池温度は、気相拡散を介して水の蒸発および除去を劇的に促進させ、それによって、燃料電池の構成要素および材料の浸水が緩和される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本開示の利点は、燃料電池システムの設計および動作を含む。本開示の燃料電池システムは、有利には、システムの中の１つまたは複数の燃料電池の温度に基づいて、相異なる内部電気抵抗レベルにおいて動作するように設計されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらおよび他の利点は、少なくとも一部は、自己発熱燃料電池システムによって満たされる。このシステムは、少なくとも１つの燃料電池と、抵抗体（resistor）およびスイッチを含む少なくとも１つの抵抗体スイッチユニットとを備え、ここで、スイッチは、抵抗体と並列に電気接続されている。スイッチは、抵抗体を通る（高抵抗状態）ように電流を方向付けることができ、または抵抗体を迂回する（低抵抗状態）ように電流を方向付けることができる。好ましくは、抵抗体は、抵抗体から発生する熱が、燃料電池を加熱することができるように、燃料電池に直接接触して配置される。
【００１０】
本開示の諸実施形態は、以下の特徴の任意の１つまたは複数の組合せを含む。たとえば、システムは、燃料電池のスタック（積重体）を含むことができ、ここで、少なくとも１つの燃料電池は、燃料電池のスタックの中にある。加えて、１つまたは複数の燃料電池は、個々に、アノード触媒電極と、カソード触媒電極と、それらの間にプロトン交換膜とを含むことができる。いくつかの実施形態においては、１つまたは複数の燃料電池は、極薄の厚さ、たとえば、１マイクロメートル以下の厚さを有するアノード触媒層および／またはカソード触媒層を含むことができる。様々な実施形態においては、１つまたは複数の燃料電池は、アノード上の燃料流のための流れ場を含むバイポーラ（双極性）板、膜電極接合体（membrane-electrode assembly）上の拡散媒体、カソード上の酸化体流のための流れ場を含むバイポーラ板をさらに備えることができ、ここで、抵抗体は、バイポーラ板のうちの一方に直接接触して配置される。いくつかの実施形態においては、抵抗体は、燃料電池の内部、もしくは燃料電池の外部にあり、またはシステムが燃料電池のスタックを含む場合、抵抗体スイッチユニットは、スタックの中の２つの電池間に介在し得る。他の実施形態においては、抵抗体は、シートの一方または両方の主表面に１つまたは複数の電気絶縁薄膜を有する薄い金属シートとすることができ、かつ／あるいはシートは、抵抗体の両方の端部においてタブを有することができる。さらなる実施形態においては、システムは、スイッチを動作させるための制御装置を含むことができる。様々な実施形態においては、制御装置は、燃料電池上の温度感知素子から入力を受け取るようにさらに構成され得る。いくつかの実施形態においては、制御装置は、少なくとも１つの燃料電池の表面温度を測定することができる温度感知素子からの入力に基づいて、スイッチを開状態または閉状態に動作させるように構成されている。
【００１１】
本開示の別の態様は、少なくとも１つの燃料電池の温度が温度（Ｔ１）よりも高いときのシステムの第１の内部抵抗（Ｒ１）と、少なくとも１つの燃料電池の温度がＴ１を下回るときのシステムの第２の内部抵抗（Ｒ２）とを有する自己発熱燃料電池システムを含み、ここで、Ｔ１を約２℃下回るときのＲ２の値は、Ｔ１におけるＲ１の値の少なくとも２倍である。そのような自己発熱燃料電池システムは、上述の、本明細書において参照した、任意の１つまたは複数の特徴を含むことができる。
【００１２】
さらなる実施形態は、以下の特徴の任意の１つまたは複数の組合せを含む。たとえば、Ｔ１は、０℃以下、たとえば、−５℃から０℃の間である。他の実施形態においては、Ｔ１は、９５℃未満、たとえば、４５℃から９５℃の間であり、好ましくは、６０℃から８０℃の間である。
【００１３】
本開示の別の態様は、自己発熱燃料電池システムを動作させる方法を含む。この方法は、システムの中の少なくとも１つの燃料電池の温度が温度（Ｔ１）よりも高いときの第１の内部抵抗（Ｒ１）でシステムを、および少なくとも１つの燃料電池の温度がＴ１を下回るときのシステムの第２の内部抵抗（Ｒ２）でシステムを、Ｔ１に応じてＲ１またはＲ２のいずれかを活性化するスイッチを活性化することによって、動作させるステップを含む。自己発熱燃料電池システムは、上述の、または本明細書における特徴のうちの任意の１つまたは複数を含むことができる。
【００１４】
本開示の追加の利点は、本開示の好ましい実施形態のみが、本開示を実施することについて企図された最良のモードを簡単に例示することによって、示され、説明される以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかになろう。認識されるように、本開示は、他の、相異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、本開示から逸脱することなくすべて、様々な明らかな点で修正が可能である。したがって、図面および説明は、性質上、例示と見なすべきであり、限定とは見なすべきでない。
【００１５】
添付の図面を参照し、ここで、同じ参照数字指示を有する要素は、全体を通じて同様の要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１Ａ〜図１Ｃは、システム中の燃料電池の抵抗が温度により変化する理想的な自己発熱燃料電池システムの特性を概略的に示しており、図１Ａは、閾値温度Ｔ１におけるステップジャンプを示すグラフであり、図１Ｂは、閾値温度Ｔ１前後で急激ではあるが、滑らかなジャンプを示すグラフであり、図１Ｃは、複数の閾値温度における多ステップ変化を示すグラフである。本開示の自己発熱燃料電池システムの特性曲線（実線で描かれている）は、従来の燃料電池の特性曲線（破線で描かれている）と対比されている。
【図２】図２Ａ〜図２Ｄは、本開示の一実施形態による自己発熱燃料電池システムが、いかにして、零下の温度から燃料電池の内部加熱を促進させることができるかについてのステップごとの仕組みの概略図である。図に示すように、高内部抵抗は、電池温度の急速な上昇を促進させる低出力電圧および高内部熱発生につながる。
【図３】本開示の一実施形態による、抵抗体スイッチユニット（ＲＳＵ：resistor- switch unit）をそのバイポーラ板に取り付けた単一の燃料電池の概略図である。
【図４】本開示の一実施形態による、燃料電池スタックの中の２つの電池間に抵抗体スイッチユニットが介在する別の自己発熱燃料電池システムの構造体を示す図である。
【図５】本開示の一実施形態による、燃料電池スタックの中の様々な燃料電池間に複数のＲＳＵが挿入された別の自己発熱燃料電池システムの構造体を示す図である。
【図６】本開示の一実施形態による、拡散媒体とバイポーラ板との間にＲＳＵが挿入された自己発熱燃料電池システムを示す図である。ＲＳＵは、バイポーラ板と同じリブパターンに切り込まれている。
【図７】Ｋａｐｔｏｎなどの絶縁薄膜で両方の主表面にカバーされた薄い金属シートから作製され、複数層のコンパクトな構造体に折り畳まれた薄膜抵抗体の一実施形態を示す図である。
【図８】電気絶縁薄膜によって両方の主表面にカバーされるシートの形態のパターニングされた抵抗体の１つの実施形態を示す図である。抵抗体は、本開示の一実施形態による下側燃料電池および上側燃料電池のバイポーラ板間に挟まれている。抵抗体の２つの端部は、スイッチと一緒にそれぞれ、下側バイポーラ板および上側バイポーラ板に電気接続されている。
【図９】車両に電気接続された、本開示の一実施形態による燃料電池システムを示す略図である。
【図１０】本開示の一実施形態による、室温からの燃料電池システムの始動中の電流密度および温度応答を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示は、自己発熱燃料電池システムに関する。そのようなシステムは、少なくとも１つの燃料電池と、少なくとも１つの抵抗体スイッチユニット（ＲＳＵ）とを含むことができる。抵抗体スイッチユニットは、抵抗体およびスイッチを含み、ここで、スイッチは、抵抗体と並列に電気接続されている。スイッチは、抵抗体を通る（高抵抗状態）ように電流を方向付けることができ、または抵抗体を迂回する（低抵抗状態）ように電流を方向付けることができる。抵抗体を通る電流は、熱を発生させる。好ましくは、抵抗体は、抵抗体から発生する熱が、燃料電池を加熱することができるように、燃料電池に直接接触して配置される。
【００１８】
有利には、内部抵抗における変化は、特定の燃料電池システムに従って設定され得る閾値温度Ｔ１において生じるが、それは、典型的には、９５℃未満である。しかしながら、Ｔ１はまた、０℃以下、たとえば、−５℃から０℃の間に設定され得、それにより、燃料電池は、零下温度から急速に自己発熱することができる。この仕組みによって、室温以下から始動する燃料電池動作は、非常に高い内部抵抗レベルを呈することになり、これにより、膨大な熱が発生し、最適動作範囲、たとえば約６０℃から８０℃前後に急速に燃料電池が加熱される。そのような構造体はまた、たとえば、ＰＥＭ燃料電池における水管理を容易にすることができる。
【００１９】
本開示の一態様においては、燃料電池システムは、燃料電池システムの中の少なくとも１つの燃料電池の温度が温度（Ｔ１）よりも高いときのシステムの第１の内部抵抗（Ｒ１）と、少なくとも１つの燃料電池の温度がＴ１を下回るときのシステムの第２の内部抵抗（Ｒ２）とを含むように構成されている。好ましくは、Ｒ２の値は、たとえばステップ関数で、急に変化する、またはたとえばＴ１前後で、抵抗の、連続的ではあるが急速な変化で急激に変化する。たとえば、Ｔ１を約２℃下回るときのＲ２の値は、Ｔ１におけるＲ１の値の少なくとも２倍である。有利には、Ｔ１を約２℃下回るときのＲ２の値は、Ｔ１におけるＲ１の値の少なくとも２倍から５０倍である。燃料電池システムの内部抵抗における変化は、有利には、可逆的であり、すなわち、内部抵抗は、Ｔ１前後で、Ｒ２とＲ１との間で切り替わることができる。
【００２０】
有利には、燃料電池の低温始動と水管理の必要性はともに、本開示による自己発熱燃料電池システムによって対処され得る。たとえば、電池温度が、閾値を下回る、たとえば約０℃を下回るように降下すると、電池の内部オーム抵抗は、実質的に増大し得、それにより、電池電圧およびエネルギー効率は低くなり、そのことは、ひいては、実質的に、内部熱発生を増大させる。さらには、熱対水生成の比率は、有意に改善し得、そのことは、氷点下の温度からの燃料電池システムの急速な加熱を促進させるとともに、触媒層において氷に変わる可能性がある生成水によって燃料電池が停止される可能性を有意に最小限に抑える。本明細書において使用されるとき、氷点下および零下は、０℃未満の温度を意味する。
【００２１】
本開示の燃料電池システムは、多様な燃料電池構成において実装され得る。たとえば、本開示の燃料電池システムは、水素、メタノール、ヒドラジンなどの燃料が、燃料電池において直接的に反応することができる直接システム、および天然ガスまたは他の化石燃料などの燃料が、まず、水素に富むガスに変質させることによって変えられて、次いで、燃料電池に供給される間接システムにおいて実装され得る。そのようなシステムは、たとえば、車両または固定設備に電力供給するのに使用され得る。
【００２２】
いくつかの実施形態においては、燃料電池システムは、水素または水素含有ガスで動作することができるプロトン交換膜燃料電池を含む。他の実施形態においては、燃料電池システムは、アルカリ膜燃料電池、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ：polybenzimidazole）燃料電池など、１００℃から３００℃の間で動作する中間温度燃料電池、または固体酸化物燃料電池である。これらの様々な燃料電池システム構成はすべて、本開示において使用され得る。
【００２３】
本開示の１つの態様においては、燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池と、少なくとも１つの抵抗体スイッチユニットとを含む。抵抗体スイッチユニットは、少なくとも１つの燃料電池に電気接続されている。システムの動作中に燃料電池によって生成される電流は、抵抗体スイッチユニットを通って、別の燃料電池もしくは外部負荷に直接的または間接的に流れる。
【００２４】
燃料電池の主構成要素は、たとえば、アノード、カソード、およびそれらの間の電解質を含むことができる。特定の構成においては、アノード電極は、アノード触媒層、およびガス拡散層を含み、カソード電極は、カソード触媒層、およびガス拡散層を含む。アノードおよびカソードは、燃料をアノードに供給するチャネル、および酸化体をカソードに供給するチャネルを有するバイポーラ板によって挟まれ得る。特定の燃料電池は、プロトン交換膜燃料電池など、膜電極接合体（ＭＥＡ）を、バイポーラ板、相互接続部、および時としてアノードとカソードとの間のガス漏れを封止し／防止するためのガスケットとともに含む。単一の燃料電池の放電中に生成される電圧は、低い傾向があるので、より高い電圧を得るために、複数の燃料電池は、好ましくは、一緒に電気接続されている。そのようなシステムは、一般に、燃料電池スタックと呼ばれる。
【００２５】
本開示の自己発熱燃料電池システムの抵抗体スイッチユニットは、抵抗体およびスイッチを含み、ここで、スイッチは、抵抗体と並列に電気接続されている。自己発熱燃料電池システムが燃料電池スタックを含む場合、複数の抵抗体スイッチユニットが、燃料電池スタックの中のいくつかの場所にわたって燃料電池間に挿入され得る。複数の抵抗体スイッチユニットは、スタックの中の燃料電池に電気接続されている。そのようなシステムにおいては、複数のスイッチが、制御アルゴリズムに従って、順次、活性化され得る。
【００２６】
本開示に有用な抵抗体は、たとえば、グラファイト、高度に秩序化された熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ：highly ordered pyrolytic graphite）、ステンレス鋼、ニッケル、クロム、ニクロム、銅、アルミニウム、チタン、またはそれらの組合せから作製され得る。特定の実施形態においては、本開示の抵抗体は、好ましくは、大きな表面積を含む平坦であり、それにより、それは、１つまたは複数の燃料電池に良好に熱的接触することができる。他の実施形態においては、抵抗体は、シートの一方または両方の主表面に１つまたは複数の電気絶縁薄膜を有する薄い金属シートとすることができる。そのようなシートは、抵抗体のいずれの端部においてもタブを有することができ、このタブは、抵抗体を１つまたは複数の燃料電池に、およびスイッチに電気接続するのに使用され得る。抵抗体は、１マイクロメートルから１００マイクロメートルの間の全厚を有することができる。
【００２７】
加えて、本開示の抵抗体の抵抗は、シートの形態で抵抗体内にパターンを形成することなど、抵抗体内にパターンを形成すること、すなわち、抵抗体シートから材料を取り除くことによって調整され得る。パターニングにより、抵抗体は、機械的強度および溶接性に十分な厚さではあるが、大きい抵抗を有することを可能にする。そのようなパターンは、たとえば、蛇行パターンを含む。
【００２８】
本開示の抵抗体とともに使用され得る電気絶縁薄膜には、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩素化ポリプロピレン、ポリエステル、ポリイミド、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ナイロン、またはそれらのコポリマーが含まれる。電気絶縁薄膜は、０．１マイクロメートルから５０マイクロメートルの間の厚さを有することができる。
【００２９】
本開示のスイッチは、Ｔ１において相転移および認識できるほどの体積変化を受ける相変化材料、もしくはバイメタルスイッチ、またはたとえば、温度Ｔ１においてその体積が認識できるほどに膨張する固体材料など、熱的感応素子によって活性化されるスイッチを含むことができる。加えて、本開示のスイッチは、電気機械式継電器と温度制御装置、または温度センサを備えた固体継電器、温度センサを備えたパワーＭＯＳＦＥＴ、または温度センサを備えた大電流スイッチから成ることができる。
【００３０】
特定の実施形態においては、自己発熱燃料電池システムは、スイッチを動作させるように構成された制御装置を含むことができる。制御装置は、燃料電池の表面温度を測定することができる温度感知素子、たとえば、熱電対またはサーミスタから入力を受け取るようにさらに構成され得る。いくつかの実施形態においては、制御装置は、温度感知素子からの入力に基づいて、スイッチを開状態または閉状態に動作させるように構成され得る。
【００３１】
本開示の利点は、その内部抵抗が電池温度に従って変化し得る、ＰＥＭ燃料電池などの燃料電池システムである。電池温度が、閾値、たとえば凝固点より下にあるとき、電池のオーム抵抗は、急激に増大し、それにより、電池の電圧および効率は低くなり、そのことは、実質的に内部熱発生を増大させる。具体的には、燃料電池の熱発生率は、以下のように燃料電池の水生成率に関係付けることができる：
【００３２】
【数１】
0006776246.tif 000002
ただし、Ｆは、フェラデー係数であり、ＭＨ２Ｏは、分子量であり、Ｅｈは、熱力学的電池電位（＝Δｈ／２Ｆ≒１．４８Ｖ、ただしＨ２−Ｏ２反応の場合）、およびＶｃｅｌｌは、電池出力電圧である。また、TajiriおよびWang, Modeling and Diagnostics of Polymer Electrolyte Fuel Cells, Vol 49, Chapter 3, Cold Start of Polymer Electrolyte Fuel Cells, Springer Science, 2010も参照されたい。熱発生対水生成の比率は、より低い出力電圧を伴って、有意により高く、それによって、氷点下の温度からの燃料電池の急速な暖機が促進されるとともに、システムの中の水／氷の形成に起因する燃料電池の目詰まりおよび停止の可能性が最小限に抑えられることが明白に分かる。
【００３３】
本開示の自己発熱燃料電池システムの一態様は、システムの内部抵抗は、システムの中の燃料電池が閾値温度Ｔ１に達すると、急に変化し得ることである。自己発熱燃料電池システムの内部抵抗のそのような変化は、図１Ａ〜図１Ｃにおける理想的な抵抗対温度の関係に示されており、ここで、本開示の燃料電池システム（実線）は、従来の燃料電池システム（破線）のものと対比されている。たとえば、図１Ａに示されているように、閾値Ｔ１における、たとえば−５℃から０℃の間の本開示の燃料電池システムの内部抵抗は、温度に従って、ステップ関数として変化し得る。図１Ｂは、閾値温度前後で、たとえば−５℃から０℃の間の電池内部抵抗の滑らかではあるが、急激な変化を示している。図１Ｃは、Ｔ１を下回る複数の閾値温度におけるシステムのオーム抵抗の多ステップ変化を示し、たとえば、Ｔ１を下回る（Ｔ１ａおよびＴ１ｂ）システムの内部電気抵抗は、複数のサブレベル（Ｒ２ａおよびＲ２ｂ）を有する。
【００３４】
自己発熱燃料電池システムが氷点下の温度からのシステムの起動をそれによって改善し、加速することができる仕組みは、図２Ａ〜図２Ｄに示されている。たとえば、閾値Ｔ１を下回る周囲温度を始動すると、燃料電池システムは、高抵抗状態（図２Ａ）において動作可能であり、結果的に、低出力電圧（図２Ｂ）、および高内部熱発生（図２Ｃ）をもたらす。図２Ｃは、燃料電池温度の急速な上昇（図２Ｄ）につながる。一旦、燃料電池温度がＴ１を超えると、システムは、システムの内部抵抗を従来の燃料電池システムのように低く抑え、電気出力電圧およびエネルギー変換効率を従来の燃料電池システムのように高くする、低抵抗状態で動作可能である。
【００３５】
図３は、本開示の自己発熱燃料電池システムの一実施形態を示している。図に示されているように、燃料電池システム３００は、燃料電池３４０を含む。この実施形態においては、燃料電池３４０は、拡散媒体を備えた膜電極接合体（ＭＥＡ）（３１５）である。拡散媒体を備えたＭＥＡは、拡散媒体３１２上のアノード触媒層３１０、プロトン交換膜３２０、および拡散媒体３３２上のカソード触媒層３３０を含む。プロトン交換膜の典型的な例は、ペルフルオロスルホン酸テトラフルオロエチレンコポリマー（perfluorosulfonic acid-tetrafluorethylene copolymer）から成るものである。ＭＥＡは、燃料をアノードに、および酸化体をカソードに供給するチャネル（それぞれ３１６および３３６）を有する２つのバイポーラ板（３１４、３３４）間に挟まれる。この実施形態においては、ガス燃料が流入し得るバイポーラ板３１４（アノード側と呼ばれる）、アノード拡散媒体３１２、膜電極接合体、およびカソード拡散媒体は、酸化体、たとえば空気が流入し得る別のバイポーラ板３３４（カソード側と呼ばれる）に接続される。抵抗体スイッチユニット（ＲＳＵ）は、いずれのバイポーラ板にも取り付けられ得る。この実施形態においては、ＲＳＵ３５０は、バイポーラ板３３４を介して、バイポーラ板３３４に直接接触して、燃料電池３４０に電気接続されている。
【００３６】
図に示されているように、ＲＳＵ３５０は、バイポーラ板３３４に電気接続され、かつ直接接触している導電性金属の上側シート３５２、導電性金属の下側シート３５４、上側シート３５２と下側シート３５４との間に介在する薄膜抵抗体３５６、および上側シート３５２を下側シート３５４に電気接続することができる熱スイッチ３５８を含む。
【００３７】
ＲＳＵを介して流れる電流は、図の拡大部分に示されている。たとえば、スイッチ３５８が閉じられているとき（低抵抗状態）、たとえば燃料電池温度が閾値（Ｔ１）を上回るときはいつでも、電流は、主に、完全にというわけではないにしても、薄膜抵抗体３５６を効果的に迂回し、それによって、電池に余計な内部電気抵抗を付加せずに、燃料電池から導電性金属のシート（３５２および３５４）内を流れる（破線（３７０）として示されている）。しかしながら、電池温度が閾値Ｔ１を下回るように降下するとき、スイッチは開かれて（高抵抗状態）、燃料電池から生成される電流を、薄膜抵抗体を介して強制的に流し（実線（３８０）によって示されている）、それによって、システムの全電池抵抗をΔＲだけ増大させ、出力電圧をより低いレベルまで下げ、たとえば、システム出力電圧は、電池ごとに約０．１Ｖまで下げられ得る。抵抗体において生成されるジュール熱は、ひいては、Ｔ１を上回るまで燃料電池の暖機を加速させる。一旦、電池温度がＴ１を上回るように上昇すると、スイッチは、閉状態（低抵抗状態）で動作可能であり、内部抵抗は、ＲＳＵを備えていない従来の燃料電池の低い値特性に戻り、端子電圧は、一定の電流の下、正常な動作レベルまでジャンプする。
【００３８】
図３は、１つの燃料電池および１つのＲＳＵを示しているが、本開示の燃料電池システムは、燃料電池スタックなどの複数の燃料電池、および燃料電池スタックの中のいくつかの場所にわたって燃料電池間に挿入された複数のＲＳＵを有することができる。
【００３９】
本開示の別の実施形態は、少なくとも１つの燃料電池およびＲＳＵを有する燃料電池システムを製造することを含む。そのようなシステムは、層ごとの堆積によって作製され得る。たとえば、バイポーラ板が、まず、ポリ（キシリレン）ポリマー（たとえば、パリレン）などの電気絶縁層を堆積させ、続いて、導電層（たとえば、金属）を堆積させて、蛇行パターンの抵抗体層を形成する基板として使用され得る。導電性層は、ポリ（キシリレン）ポリマー（たとえば、パリレン）コーティングなど、別の電気絶縁層によってカバーされ得る。そのような抵抗体層は、２つの隣接するバイポーラ板に電気接続され得る。そのような構造体は、家庭用電化製品の中に使用されるマイクロ燃料電池システムに有用であり得る。
【００４０】
本開示の自己発熱燃料電池システムの追加の実施形態が、図４、図５、および図６に示されている。これらの実施形態は、抵抗体スイッチユニット（ＲＳＵ）がスタックの中の２つの電池間に挿入され（図４）、複数のＲＳＵがスタックの中の電池間に介在し（図５）、またはＲＳＵがバイポーラ板と拡散媒体との間に挿入されている（図６）のを示している。後者の場合（図６）、ＲＳＵは、バイポーラ板上のリブパターンに一致する形状に切り込まれている。
【００４１】
たとえば、図４は、２つの燃料電池（４４０ａ、４４０ｂ）間のＲＳＵ４５０を示している。燃料電池は、燃料をアノードに供給するチャネル（４１６ａ、４１６ｂ）、および酸化体をカソードに供給するチャネル（４３６ａ、４３６ｂ）を有する２つのバイポーラ板（４１４ａ、４３４ａと４１４ｂ、４３４ｂ）間に挟まれている拡散媒体（それぞれ４１５ａおよび４１５ｂ）を備えた膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。
【００４２】
この実施形態においては、ＲＳＵ４５０は、燃料電池４４０ａの下部バイポーラ板４３４ａ、および燃料電池４４０ｂの上部バイポーラ板４１４ｂを介して、システムの中の燃料電池に電気接続されている。ＲＳＵは、バイポーラ板４３４ａと４１４ｂとの両方に直接接触している。ＲＳＵ４５０は、バイポーラ板４３４ａに電気接続され、かつ直接接触している導電性金属の上側シート４５２、バイポーラ板４１４ｂに電気接続され、かつ直接接触している導電性金属の下側シート４５４、および上側シート４５２と下側シート４５４との間に介在する薄膜抵抗体４５６、ならびに上側シート４５２を下側シート４５４に電気接続することができる熱スイッチ４５８を含む。
【００４３】
ＲＳＵ４５０は、図３を参照して説明したのと同じ形で動作可能である。たとえば、スイッチ４５８が閉じられているとき（低抵抗状態）、たとえば燃料電池温度が閾値（Ｔ１）を上回るときはいつでも、電流は、主に、完全にというわけではないにしても、薄膜抵抗体４５６を効果的に迂回し、それによって、電池に余計な内部電気抵抗を付加せずに、燃料電池から導電性金属のシート（４５２および４５４）内を流れる。しかしながら、電池温度が閾値Ｔ１を下回るように降下するとき、スイッチは開かれて（高抵抗状態）、燃料電池から生成される電流を、薄膜抵抗体を介して強制的に流し、それによって、システムの全電池抵抗をΔＲだけ増大させ、出力電圧をより低いレベルまで下げる。抵抗体において生成されるジュール熱は、ひいては、Ｔ１を上回るまで燃料電池の暖機を加速させる。一旦、電池温度がＴ１を上回るように上昇すると、スイッチは、閉状態（低抵抗状態）で動作可能であり、内部抵抗は、ＲＳＵを備えていない従来の燃料電池の低い値特性に戻り、端子電圧は、一定の電流の下、正常な動作レベルまでジャンプする。
【００４４】
図５は、本開示の燃料電池システムの別の実施形態を示している。示されているように、２つのＲＳＵ（５５０ａ、５５０ｂ）は、燃料電池（５４０ａ、５４０ｂと５４０ｂ、５４０ｃ）間に配置される。燃料電池は、バイポーラ板（それぞれ５３４ａ、５１４ｂと５３４ｂ、５１４ｃ）間に挟まれている拡散媒体（それぞれ５１５ａ、５１５ｂ、および５１５ｃ）を備えた膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。バイポーラ板は、燃料をアノードに供給するチャネル（５１６ａ、５１６ｂ、５１６ｃ）、および酸化体をカソードに供給するチャネル（５３６ａ、５３６ｂ、５３６ｃ）を有する。
【００４５】
この実施形態においては、ＲＳＵ５５０ａは、燃料電池５４０ａの下部バイポーラ板５３４ａ、および燃料電池５４０ｂの上部バイポーラ板５１４ｂを介して、システムの中の燃料電池に電気接続されている。ＲＳＵ５５０ｂは、燃料電池５４０ｂの下部バイポーラ板５３４ｂ、および燃料電池５４０ｃの上部バイポーラ板５１４ｃを介して、システムの中の燃料電池に電気接続されている。ＲＳＵは、隣接する燃料電池のバイポーラ板に直接接触している。ＲＳＵはそれぞれ、バイポーラ板に電気接続され、かつ直接接触している導電性金属の上側シート、バイポーラ板に電気接続され、かつ直接接触している導電性金属の下側シート、および上側シートと下側シートとの間に介在する薄膜抵抗体、ならびに上側シートを下側シートに電気接続することができるスイッチを含む。
【００４６】
この実施形態のＲＳＵは、図４を参照して説明したのと同じ形で動作可能である。たとえば、スイッチが閉じられているとき（低抵抗状態）、たとえば燃料電池温度が閾値（Ｔ１）を上回るときはいつでも、電流は、主に、完全にというわけではないにしても、薄膜抵抗体を効果的に迂回しながら、燃料電池から導電性金属のシート内を流れる。しかしながら、電池温度が閾値Ｔ１を下回るように降下するとき、スイッチは開かれて（高抵抗状態）、燃料電池から生成される電流を、薄膜抵抗体を介して強制的に流し、それによって、システムの全電池抵抗をΔＲだけ増大させ、出力電圧をより低いレベルまで下げる。抵抗体において生成されるジュール熱は、ひいては、Ｔ１を上回るまで燃料電池の暖機を加速させる。一旦、電池温度がＴ１を上回るように上昇すると、スイッチは、閉状態（低抵抗状態）で動作可能であり、内部抵抗は、ＲＳＵを備えていない従来の燃料電池の低い値特性に戻り、端子電圧は、一定の電流の下、正常な動作レベルまでジャンプする。
【００４７】
図６は、本開示の一実施形態を示し、ここで、ＲＳＵは、バイポーラ板と拡散媒体との間に挿入される。図に示されているように、燃料電池６４０は、拡散媒体を備えた膜電極接合体（ＭＥＡ）（６１５）を含む。拡散媒体を備えたＭＥＡは、拡散媒体上のアノード触媒層、プロトン交換膜、および拡散媒体上のカソード触媒層を含み、それらは、説明の便宜上、図示されていない。ＭＥＡは、燃料をアノードに、および酸化体をカソードに供給するチャネル（それぞれ６１６および６３６）を有する２つのバイポーラ板（６１４、６３４）間に挟まれている。
【００４８】
この実施形態においては、ＲＳＵ６５０は、バイポーラ板６３４と燃料電池６４０の拡散媒体との間に挿入される。拡散媒体は、カソードまたはアノードに関連付けられ得る。ＲＳＵ６５０は、拡散媒体に電気接続され、かつ直接接触している導電性金属の上側シート６５２、導電性金属の下側シート６５４、上側シート６５２と下側シート６５４との間に介在する薄膜抵抗体６５６、および上側シート６５２を下側シート６５４に電気接続することができる熱スイッチ６５８を含む。Ａ〜Ａで見て示されているように、下側シート６５４は、バイポーラ板６３４の蛇行パターンに一致すべき蛇行パターンを有する。
【００４９】
この実施形態のＲＳＵの動作は、図３について示した通りである。たとえば、スイッチ６５８が閉じられているとき（低抵抗状態）、たとえば燃料電池温度が閾値（Ｔ１）を上回るときはいつでも、電流は、主に、完全にというわけではないにしても、薄膜抵抗体６５６を効果的に迂回しながら、燃料電池から導電性金属のシート（６５２および６５４）内を流れる。しかしながら、電池温度が閾値Ｔ１を下回るように降下するとき、スイッチは開かれて（高抵抗状態）、燃料電池から生成される電流を、薄膜抵抗体を介して強制的に流し、それによって、システムの全電池抵抗をΔＲだけ増大させ、出力電圧をより低いレベルまで下げる。抵抗体において生成されるジュール熱は、ひいては、Ｔ１を上回るまで燃料電池の暖機を加速させる。一旦、電池温度がＴ１を上回るように上昇すると、スイッチは、閉状態（低抵抗状態）で動作可能であり、内部抵抗は、ＲＳＵを備えていない従来の燃料電池の低い値特性に戻り、端子電圧は、一定の電流の下、正常な動作レベルまでジャンプする。
【００５０】
本開示の別の態様においては、ＲＳＵの中の抵抗体は、２５μｍステンレス鋼シートなどの薄い金属シートから作製され、両方の主表面に絶縁薄膜、たとえば、７．５μｍのＫａｐｔｏｎ薄膜によってカバーされ得る。そのような抵抗体は、コンパクトな多層構造体に折り畳まれ、ＲＳＵにおいて使用され得る。図７は、そのようなＲＳＵを示している。図に示されているように、薄い金属シート７１０は、その両方の主表面７１２ａおよび７１２ｂを絶縁層７１２でコーティングされる。薄い金属シート７１０は、電気接点（７１０ａおよび７１０ｂ）を形成するための露出された領域（たとえば、絶縁薄膜なしの領域）を有する。薄い金属シート７１０は、コンパクトな多層構造体７１４に折り畳むことができる。多層構造体は、露出された領域７１０ａが、１つの電池の下部バイポーラ板に電気接続し、露出された領域７１０ｂが、隣接する電池の上部バイポーラ板に電気接触しているように、隣接する燃料電池（７４０ａ、７４０ｂ）間に挿入され得る。スイッチ７５８は、多層構造体７１４に電気接触するようにバイポーラ板を電気接続して、多層構造体を迂回すること（閉状態）、または多層構造体を介して電流を強制的に送ること（開状態）ができる。
【００５１】
折り畳まれた構造体の上部および下部におけるコーティングされていない金属表面は、図３に示した導電性シートと同様に作用する２つのバイポーラ板に電気接続されている。図７に示されている２つのバイポーラ板、折り畳まれた抵抗体、およびスイッチの構成は、図３に示したＲＳＵとして動作する。
【００５２】
抵抗体の存在が、燃料電池の出力電圧を正常の０．６Ｖ／電池前後から０．１Ｖ／電池前後に低下させるように設計されている場合、抵抗体の抵抗は、およそ０．５Ｖ／Ｉであると推定され得、ただし、Ｉは、燃料電池から生成される電流である。たとえば、燃料電池が２００アンペアを生成する場合、抵抗体の抵抗は、２．５ｍΩ／電池として設計すべきである。
【００５３】
本開示の別の態様は、Ｔ１を下回る複数の閾値温度における自己発熱燃料電池システムの内部電気抵抗の多ステップ変化である。そのようなプロファイルは、システムが正常動作温度を下回るとき、適切な電力調整を提供することができる。たとえば、図５に示されているように、スイッチ＃２（５５０ｂ）は、他のスイッチをなおも開いたまま（高抵抗状態）、閾値温度（Ｔ１ａ）、たとえば−１５℃で閉じるように（低抵抗状態）、設定され得る。これは、−１５℃以上から何らかの電力ブーストを提供することになる。実質的には、スイッチ＃１（５５０ａ）は、Ｔ１、たとえば−５℃で閉じるように（低抵抗状態）、設定され得、別の電力ブーストが与えられる。電力出力が、適切に調節可能になるように、燃料電池温度に従って、様々なスイッチをオンにする制御アルゴリズムを設計し、実行することが可能である。
【００５４】
図８は、本開示の別の実施形態を示している。ここでは、上側燃料電池と下側燃料電池との間のバイポーラ板は、間にＲＳＵがあることにより２つの部分に分離されている。たとえば、図は、蛇行流れ場８２０と、抵抗体シート８５６とを備えたバイポーラ板８３４を示し、この抵抗体シート８５６は、その両方の主表面上の絶縁薄膜をプレート８３４に埋め込んでいる。バイポーラ板８３４は、２つの燃料電池間にあることになり、たとえば、バイポーラ板の上側部分８３４ａが、上側燃料電池に接触し、バイポーラ板の下側部分８３４ｂが、下側燃料電池に接触することになり、それらは、説明の便宜上、図示されていない。
【００５５】
この実施形態においては、ＲＳＵの中の抵抗体８５６は、２つの端部における２つのタブ（８５６ａ、８５６ｂ）を備えたパターニングされた導電性の薄いシートである。タブは、抵抗体シートをバイポーラ板の上側部分および下側部分に電気接続する。タブ８５６ａは、上側燃料電池に電気接続されているバイポーラ板の上側部分（８３４ａ）に、抵抗体シート８５６を電気接続し、タブ８５６ｂは、下側燃料電池に電気接続されているバイポーラ板の下側部分（８３４ｂ）に、抵抗体シート８５６を電気接続する。シートの両方の主表面は、電気絶縁薄膜によってカバーされている、またはコーティングされている。絶縁材料の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩素化プリプロピレン、ポリエステル、ポリイミド、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ナイロン、またはそれらのコポリマーが含まれる。シートの２つのタブは、それぞれ、バイポーラ板の下側部分および上側部分に電気接続されている。加えて、温度制御装置によって制御され得るスイッチ８５８は、抵抗体シート８５６の２つのタブ（８５６ａ、８５６ｂ）に電気接続されている。電池温度が閾値点Ｔ１を下回るとき、スイッチは、開かれ（ＯＰＥＮ）、したがって、抵抗体シートから燃料電池に余分な抵抗が付加される。一旦、電池温度がＴ１を超えるように上昇すると、スイッチは、閉じられ（ＣＬＯＳＥＤ）、電流に抵抗体シートを迂回させ、したがって、燃料電池内部抵抗を低レベルまで回復させる。
【００５６】
図９は、自動車車両を動作させるように構成された、本開示の自己発熱燃料電池システムを示している。図に示されているように、この実施形態の燃料電池システムは、抵抗体２０が電気接続され、かつそれに直接接触している燃料電池１０、およびスイッチ３０を含む。スイッチ３０が、図に示されているように開いているとき、電流は、抵抗体２０中を流れ、燃料電池１０を加熱する熱を生成する。システムは、燃料電池１０に電気接続されたＤＣ／ＤＣ変換器１３０およびインバータ１００、インバータ１００に電気接続された電気モータ１１０、ならびにスイッチに電気接続され、かつ抵抗体において熱を生成して、燃料電池を加熱するためにスイッチを開くように構成された制御装置８０をさらに含む。電気モータ１１０は、ドライブトレインに機械的に接続されて、車両の車輪１２０Ｌおよび１２０Ｒを駆動することができる。
【００５７】
システムはまた、電圧センサ１５０、電流センサ１４０、および温度センサ５０を含むことができ、これらはすべて、燃料電池１０に電気接続され、制御装置８０に電気接続され、かつこれらはすべて、制御装置８０に入力を提供することができる。
【００５８】
動作に際して、システムの始動コマンドを受け取ると同時に、制御装置８０は、温度センサ５０または等価の素子を使用して、燃料電池１０の表面温度を検出する。制御装置８０は、燃料電池１０の表面温度が、予め設定された閾値温度を下回る場合に、暖機動作が必要であることを決定し、スイッチ３０をオフに移す。抵抗体２０は、回路の中で動作し、燃料電池システムは、高抵抗モードで動作し、端子電圧を低下させる。同時に、制御装置はＤＣ／ＤＣ変換器１３０に、低端子電圧１５０および特定の電流１４０をインバータ１００に十分な高電圧電力に変換するように要求する。次いで、インバータは、車輪１２０に接続されている電気モータ１１０を駆動する。燃料電池１０の温度が閾値温度に達すると、制御装置は、スイッチ３０をオンにして、抵抗体２０を迂回するように命令する。
【００５９】
本開示は、低い温度での水管理が非常に困難であることが知られている、１マイクロメートル以下などの極薄の触媒層を備えた燃料電池に特に効果的である。本開示はまた、迅速な起動に向けた、アルカリ膜燃料電池、リン酸燃料電池などの中間温度燃料電池、および固体酸化物燃料電池などの他のタイプの燃料電池ならびにそれらのシステムにも適用される。
【実施例】
【００６０】
以下の実施例は、本開示の特定の好ましい実施形態をさらに示すように意図され、性質上、限定するものではない。当業者は、単なる日常的な実験を用いて、本明細書に記載の具体的な物質および手順に対する数多くの等価形態を認識する、または確認することができるであろう。
【００６１】
２５ｃｍ２のＰＥＭ燃料電池が、アノード側とカソード側との両方にスタンピング加工された金属（stamped-metal）のバイポーラ板を使用して接合された。リブ幅０．６ｍｍである、幅が０．６ｍｍおよび高さが０．３５ｍｍの寸法の蛇行流れ場が使用された。この電池において使用されるＭＥＡは、各側に、１８μｍのフッ素化複合膜および０．３２ｍｇ／ｃｍ２の白金担持を施した触媒層を含んでいた。３０μｍ微孔質層（ＭＰＬ：microporous layer）でコーティングされた、テフロン（登録商標）コーティングのＴｏｒａｙ−０３０カーボン紙が、ガス拡散媒体として使用された。シートの形態の抵抗体は、カソード板に貼り付けられ、０．２または０．５オーム／ｃｍ２の抵抗を有するようにサイズ決めされた。電池全体の熱質量は、０．１Ｊ／（ｃｍ２Ｋ）であると推定された。電池は、断熱条件を提供するために、２つのＬｅｘａｎ板間に挟まれた。
【００６２】
第１の試験セットは、室温、すなわち２０℃から、および燃料と空気との両方の側において２気圧（絶対）の圧力で、燃料電池を自己始動させるために行われた。水素および空気の流れは、周囲温度に対応する０および６０％の相対湿度であり、流れ化学量論が、１Ａ／ｃｍ２においてそれぞれ１．５および２であった。結果的に得られる電流および温度対時間は、２つの場合について図１０に示されており、一方は、電池電圧が０．１Ｖにおいて一定に保たれ、他方は、０．２Ｖにおいて一定に保たれている。電池が、０．１Ｖの場合にはほんの２．７秒、および０．２Ｖにおいては３．４秒でそれぞれ室温から６０℃の最適な動作温度まで暖機することが分かる。一方、電流密度は、０．１Ｖの場合には、ｔ＝０における約０．９Ａ／ｃｍ２から、電池温度が６０℃に達したときの１．２Ａ／ｃｍ２まで、および０．２Ｖの場合には、０．７５Ａ／ｃｍ２から１．０２Ａ／ｃｍ２まで増加する。これらの試験は、本開示による、燃料電池および抵抗体を含む燃料電池システムが、それ自体で急速に暖機することができ、燃料電池動作がいずれの周囲条件下でも数秒間だけ続く準最適範囲に置かれることを明瞭に実証している。そのため、本開示の自己発熱燃料電池システムは、従来の燃料電池システムと比較して、低い温度における燃料電池の水管理を大きく改善させることができる。上述の実験に示されているように、ＰＥＭ燃料電池システムのためのいずれの加湿システムをも完全に排除することさえ可能である。
【００６３】
本開示の好ましい実施形態およびその多用途性の例のみが、本開示に示され、説明されている。本開示が、様々な他の組合せおよび環境において使用できること、ならびに本明細書に示された本発明の概念の範囲内での変更または修正ができることを理解されたい。したがって、たとえば、当業者は、単なる日常的な実験を用いて、本明細書に記載の具体的な物質、手順、および装置に対する数多くの等価形態を認識する、または確認することができるであろう。そのような等価形態は、本開示の範囲内にあるものと見なされ、添付の特許請求の範囲によってカバーされる。
【符号の説明】
【００６４】
１０  燃料電池
２０  抵抗体
３０  スイッチ
５０  温度センサ
８０  制御装置
１００  インバータ
１２０、１２０Ｌ、１２０Ｒ  車輪
１３０  ＤＣ／ＤＣ変換器
１４０  電流センサ、電流
１５０  電圧センサ、低端子電圧
３００  燃料電池システム
３１０  アノード、アノード触媒層
３１２、３３２  拡散媒体
３１４、３３４  バイポーラ板
３１５  膜電極接合体（ＭＥＡ）
３１６、３３６  チャネル
３２０  プロトン交換膜、膜
３３０  カソード、カソード触媒層
３４０  燃料電池
３５０  抵抗体スイッチユニット（ＲＳＵ）
３５２  導電性金属の上側シート
３５４  導電性金属の下側シート
３５６  薄膜抵抗体
３５８  スイッチ
４１４ａ、４３４ａ、４１４ｂ、４３４ｂ  バイポーラ板
４１５ａ、４１５ｂ  拡散媒体
４１６ａ、４１６ｂ  チャネル
４３６ａ、４３６ｂ  カソード
４４０ａ、４４０ｂ  燃料電池
４５０  ＲＳＵ
４５２  導電性金属の上側シート
４５４  導電性金属の下側シート
４５６  薄膜抵抗体
４５８  熱スイッチ
５１５ａ、５１５ｂ、５１５ｃ  拡散媒体
５１６ａ、５１６ｂ、５１６ｃ  チャネル
５３６ａ、５３６ｂ、５３６ｃ  チャネル
５５０ａ、５５０ｂ  ＲＳＵ
５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｂ、５４０ｃ  燃料電池
５３４ａ、５１４ｂ、５３４ｂ、５１４ｃ  バイポーラ板
６１４、６３４  バイポーラ板
６１５  膜電極接合体（ＭＥＡ）
６１６、６３６  チャネル
６４０  燃料電池
６５０  ＲＳＵ
６５２  導電性金属の上側シート
６５４  導電性金属の下側シート
６５８  熱スイッチ
７１０  金属シート
７１０ａ、７１０ｂ  電気接点
７１２  絶縁層
７１２ａ、７１２ｂ  主表面
７１４  多層構造体
７４０ａ、７４０ｂ  燃料電池
７５８  スイッチ
８２０  蛇行流れ場
８３４  バイポーラ板
８３４ａ  バイポーラ板の上側部分
８３４ｂ  バイポーラ板の下側部分
８５６  抵抗体シート
８５６ａ、８５６ｂ  タブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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