(57)【要約】車両（１５０）が備える燃料電池積層体（１５１）は、該積層体が凍結温度以下である場合に、燃料（１７９）および酸化物質（１７３）の供給開始から数秒内あるいは開放電圧（１５５，１５６）が検出された時に車両推進システム（１５９）に接続することによって、始動される。燃料は理論混合比の要求量を越えるものとし、酸化物質は少なくとも理論混合比の要求量の２倍を越えるものとし、これらは、略大気圧、又は、４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）ないし水分通路内のいかなる水分の圧力よりも高い圧力とでき、凍結温度以下であってもよい。水分輸送板（８４，８６，８８，８９）は、水分通路を有し、この水分通路は、積層体に接続（１６０）された補助ヒータ（１６１）を備えた槽（１６４）を含む水分循環系（１７０）に接続される。積層体材料の加熱および水分輸送板中の氷の加熱、氷が解ける溶融熱、解けた水の加熱、水分輸送板中の解けた水の蒸発冷却、によって、液状冷媒が循環可能となるまで、燃料電池を低温に維持する。
2006513528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部は氷点下の温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）を含む発電装置（１５０）によって給電される電気負荷（１５９）の起動運転方法であって、前記積層体は、複数の電池（１２）と、（ｉ）生成水分の除去、（ｉｉ）凝縮液の除去、（ｉｉｉ）反応物質の給湿、そして（ｉｖ）冷却、の少なくとも一を提供するために水分循環システム（１６４、１６６、１６８、１７０）に接続された水分通路（９５、９８）とを有しており、前記電池のそれぞれは、陽極支持板（１７）と陰極支持板（１９）との間に配置された膜電極組立体（１６）と、前記電池の陽極側の燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側の酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んでおり、前記方法は、
（ａ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；そして、
（ｂ）前記負荷から切り離された前記積層体に対し、少なくとも理論混合比の要求量の燃料反応ガス（１７９）を燃料の流れの場へ供給し、かつ、周囲環境（１７３）からの空気を理論混合比の要求量で前記酸化物質の流れの場へ供給し；
（ｃ）（ｖ）前記ステップ（ｂ）から２０秒以内、及び、（ｖｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記積層体を前記負荷に給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）に続いて略５分の経過した時に、前記水分通路内での水分の流れの循環（１７０）を開始する
ことを特徴とする起動運転方法。
【請求項２】
少なくとも一部は氷点下の温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）を含む発電装置（１５０）によって給電される電気負荷（１５９）の起動運転方法であって、前記積層体は、複数の電池（１２）と、（ｉ）生成水分の除去、（ｉｉ）凝縮液の除去、（ｉｉｉ）反応物質の給湿、そして（ｉｖ）冷却、の少なくとも一を提供するために水分循環システム（１６４、１６６、１６８、１７０）と共に、槽（１６４）に接続された水分通路（９５、９８）とを有しており、前記電池の各々は、陽極支持板（１７）と陰極支持板（１９）との間に配置された膜電極組立体（１６）と、前記電池の陽極側の燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側の酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んでおり、前記方法は、
（ａ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；そして、
（ｂ）前記負荷から切り離された前記積層体に対し、少なくとも理論混合比の要求量の燃料反応ガス（１７９）を燃料の流れの場へ供給し、かつ、周囲環境（１７３）からの空気を、少なくとも理論混合比の要求量で、前記酸化物質の流れの場へ供給し；
（ｃ）（ｖ）前記ステップ（ｂ）から２０秒以内、及び、（ｖｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記積層体を前記負荷に給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｄ）（ｖｉｉ）ステップ（ｃ）に続いて略５分の経過した時、又は、（ｖｉｉｉ）前記水循環システム内の液体の水の量が前記槽を除いた前記水循環（１７０）システムの全てを満たすに十分である時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記水分通路内に流れる水の循環を開始する
ことを特徴とする起動運転方法。
【請求項３】
前記請求項１又は２の方法であって、前記負荷は、車両の推進システム（１５９）であって、そして、前記ステップ（ｃ）は、前記積層体を前記推進システムに給電するために接続することを特徴とする起動運転方法。
【請求項４】
氷点下の温度の周囲環境における電気車両の始動運転方法であって、前記車両は、少なくともその一部が水の凍結温度よりも低い温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）を含む発電装置（１５０）によって給電される推進システム（１５９）を有しており、前記積層体は、その各々が、多孔質でかつ一部が親水性である陽極支持板（１７）と陰極支持板（１９）との間に配置された膜電極組立体（１６）と、前記電池の陽極側に配置された燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側に配置された酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んだ、複数の電池（１２）を有しており、かつ、各々の電池は、少なくとも、（ｉ）前記陽極支持板に隣接して配置された多孔質の水分輸送板（８４）と（ｉｉ）前記陰極支持板に隣接して配置された多孔質の水分輸送板（８６）との一方を含み、各水分輸送板は、水循環システム（１６６、１６８、１７０）に接続された水分通路（９６、９８）を含んでおり、槽（１６４）と共に、（ｉｉｉ）生成水分の除去、（ｉｖ）凝縮液の除去、（ｖ）反応物質の給湿、そして（ｖｉ）冷却、の少なくとも一を提供しており、前記方法は：
（ａ）事前に、前記支持板の細孔を、実質的に、水分のない状態にし；
（ｂ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；そして、
（ｃ）前記推進システムから切り離された前記積層体に対し、非加熱で給湿されていない燃料反応ガス（１７９）を、理論混合比の要求量を超えて、前記燃料の流れの場へ供給し、かつ、前記周囲環境（１７３）からの非加熱で給湿されていない酸化物質の反応ガス（１７３）を、理論混合比の要求量の略２倍を超えて、前記酸化物質の流れの場へ供給し；
（ｄ）（ｖｉｉ）前記ステップ（ｂ）から略２０秒以内、及び、（ｖｉｉｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記積層体を前記負荷に給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｅ）（ｉｘ）ステップ（ｄ）に続いて略５分の経過した時、そして、（ｘ）前記水循環システム内の液体の水の量が前記槽を除いた前記水循環システムの全てを満たすに十分である時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記水分通路内に流れる水の循環（１７０）を開始し、そして、燃料反応ガスを、少なくとも理論混合比の要求量だけ、前記燃料の流れの場へ供給し、理論混合比の要求量の略２倍以下の前記周囲環境からの酸化物質反応ガスを、前記酸化物質の流れの場へ供給し、ステップ（ｄ）とステップ（ｅ）の間で、前記水分輸送板内の氷を加熱すること、氷が解ける溶融熱、前記積層体の塊を加熱すること、そして、少なくとも前記水分輸送板から前記酸化物質の反応ガスへの水の蒸発によって、前記積層体を冷却する
ことを特徴とする起動運転方法。
【請求項５】
少なくともその一部が水の凍結温度よりも低い温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）を含む発電装置（１５０）によって給電される推進システム（１５９）を有する電気車両の始動運転方法であって、前記積層体は、複数の電池（１２）と、そして、槽（１６４）と共に、（ｉ）生成水分の除去、（ｉｉ）凝縮液の除去、（ｉｉｉ）反応物質の給湿、そして（ｉｖ）冷却、の少なくとも一を提供する水循環システム（１６６、１６８、１７０）に接続された水分通路（９６、９８）とを有しており、前記電池の各々は、その細孔に実質的に水がない多孔質の陽極支持板（１７）と多孔質の陰極支持板（１９）との間に配置された膜電極組立体（１６）と、前記電池の陽極側に配置された燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側に配置された酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んでおり、前記方法は：
（ａ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；そして、
（ｂ）前記推進システムから切り離された前記積層体に対し、燃料反応ガス（１７９）を、理論混合比の要求量を超えて、前記燃料の流れの場へ供給し、かつ、酸化物質の反応ガス（１７３）を、理論混合比の要求量の略２倍を超えて、前記酸化物質の流れの場へ供給し；
（ｃ）（ｖ）前記ステップ（ｂ）から２０秒以内、及び、（ｖｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記積層体を前記推進システムに給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｄ）（ｖｉｉ）ステップ（ｃ）に続いて５分の経過した時、又は、（ｖｉｉｉ）前記水循環システム内の液体の水の量が前記槽を除いた前記水循環システムを満たすに十分である時、から選択された一の条件が発生した時に、前記水分通路内に流れる水の循環（１７０）を開始し、少なくとも理論混合比の要求量の燃料反応ガスを前記燃料の流れの場へ、そして、理論混合比の要求量の略２倍以下の酸化物質反応ガスを前記酸化物質の流れの場へ供給する
ことを特徴とする起動運転方法。
【請求項６】
氷点下の温度の周囲環境における電気車両の始動運転方法であって、前記車両は、少なくともその一部が水の凍結温度のよりも低い温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）を含む発電装置（１５０）によって給電される推進システム（１５９）を有しており、前記積層体は、複数の電池（１２）と、槽（１６４）と共に、（ｉ）生成水分の除去、（ｉｉ）凝縮液の除去、（ｉｉｉ）反応物質の給湿、そして（ｉｖ）冷却、の少なくとも一を提供する水循環システム（１６６、１６８、１７０）に接続された水分通路（９６、９８）を有しており、各電池は、陽極支持板（１７）と陰極支持板（１９）との間に配置された膜電極組立体（１６）と、前記電池の陽極側に配置された燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側に配置された酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んでおり、前記方法は：
（ａ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；そして、
（ｂ）前記推進システムから切り離された前記積層体に対し、少なくとも理論混合比の要求量の非加熱で給湿されていない燃料反応ガス（１７９）を、前記燃料の流れの場へ供給し、かつ、前記周囲環境（１７３）からの少なくとも理論混合比の要求量の非加熱で給湿されていない空気を、前記酸化物質の流れの場へ供給し；
（ｃ）（ｖ）前記ステップ（ｂ）から略２０秒以内、及び、（ｖｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された一の条件が発生した際に、前記積層体を前記推進システムに給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｄ）（ｖｉｉ）ステップ（ｃ）に続いて略５分の経過した時、又は、（ｖｉｉｉ）前記水循環システム内の液体の水の量が前記槽を除いた前記水循環システムの全てを満たすに十分である時、から選択された一の条件が発生した時に、前記水分通路内に流れる水の循環を開始（１７０）し、そして、燃料反応ガスを、少なくとも理論混合比の要求量だけ前記燃料の流れの場へ供給し、そして、前記周囲環境からの理論混合比の要求量の略２倍以下の空気を前記酸化物質の流れの場へ供給する
ことを特徴とする起動運転方法。
【請求項７】
少なくともその一部が水の凍結温度よりも低い温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）を含む発電装置（１５０）によって給電される推進システムを備えた電気車両（１５９）の始動運転方法であって、前記積層体は、複数の電池（１２）と、槽（１６４）と共に、（ｉ）生成水分の除去、（ｉｉ）凝縮液の除去、（ｉｉｉ）反応物質の給湿、そして（ｉｖ）冷却、の少なくとも一を提供する水循環システム（１６６、１６８、１７０）に接続された水分通路（９６、９８）を有しており、前記電池の各々は、陽極支持板（１７）と陰極支持板（１９）との間に配置された膜電極組立体（１６）と、前記電池の陽極側に配置された燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側に配置された酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んでおり、前記支持板は多孔質でかつ一部が親水性であり、前記方法は：
（ａ）事前に、前記支持板の細孔を、実質的に、水分のない状態にし；
（ｂ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；
（ｃ）前記推進システムから切り離された前記積層体に対し、燃料及び酸化物質の反応ガスを、それぞれ、前記燃料の流れの場、及び、前記酸化物質の流れの場へ供給し；
（ｄ）（ｖ）前記ステップ（ｂ）から略２０秒以内、及び、（ｖｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記積層体を前記推進システムに給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｅ）（ｖｉｉ）ステップ（ｄ）に続いて略５分の経過した時、又は、（ｖｉｉｉ）前記水循環システム内の液体の水の量が前記槽を除いた前記水循環システムの全てを満たすに十分である時、から選択された一の条件の発生が発生した時に、前記水分通路内に流れる水の循環を開始（１７０）し、そして、燃料反応ガスを、少なくとも理論混合比の要求量だけ前記燃料の流れの場へ供給し、そして、理論混合比の要求量の略２倍以下の反応ガスを前記酸化物質の流れの場へ供給する
ことを特徴とする起動運転方法。
【請求項８】
少なくともその一部が水の凍結温度のよりも低い温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）を含む発電装置（１５０）によって給電される推進システム（１５９）を備えた電気車両の始動運転方法であって、前記積層体は、その各々が、その細孔に実質的に水がない多孔質の陽極支持板（１７）と多孔質の陰極支持板（１９）との間に配置された膜電極組立体（１６）と、前記電池の陽極側に配置された燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側に配置された酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んだ複数の電池（１２）を有しており、各々の電池は、少なくとも、（ｉ）前記陽極支持板に隣接して配置された多孔の水分輸送板（８４）と（ｉｉ）前記陰極支持板に隣接して配置された多孔の水分輸送板（８６）との一方を含み、各水分輸送板は、水循環システム（１６６、１６８、１７０）に接続された水分通路（９６、９８）を含んでおり、槽（１６４）と共に、（ｉｉｉ）生成水分の除去、（ｉｖ）凝縮液の除去、（ｖ）反応物質の給湿、そして（ｖｉ）冷却、の少なくとも一を提供しており、前記方法は：
（ａ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；
（ｂ）前記推進システムから切り離された前記積層体に対し、燃料（１７９）及び酸化物質（１７３）の反応ガスを、それぞれ、前記燃料の流れの場、及び、前記酸化物質の流れの場へ供給し；
（ｃ）（ｖｉｉ）前記ステップ（ｂ）から略２０秒以内、及び、（ｖｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記積層体を前記推進システムを給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｄ）（ｉｘ）ステップ（ｃ）に続いて略５分の経過した時、又は、（ｘ）前記水循環システム内の液体の水の量が前記槽を除いた前記水循環システムを満たすに十分である時、から選択された一の条件が発生した時に、前記水分通路内に流れる水の循環を開始（１７０）し、そして、燃料反応ガスを、少なくとも理論混合比の要求量だけ前記燃料の流れの場へ供給し、そして、理論混合比の要求量の略２倍以下の酸化物質反応ガスを前記酸化物質の流れの場へ供給し、ステップ（ｃ）とステップ（ｄ）の間で、前記水分輸送板内の氷を加熱すること、氷が解ける溶融熱、前記積層体の塊を加熱すること、そして、少なくとも前記水分輸送板から前記酸化物質の反応ガスへの水の蒸発によって、前記積層体を冷却する
ことを特徴とする起動運転方法。
【請求項９】
前記請求項１、２及び４〜８のいずれかに記載した起動運転方法において、前記発電装置は、補助負荷（１６１）と；そして、
前記接続ステップは、更に、前記補助負荷を前記積層体へ接続する（１６０）を備えていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１０】
前記請求項９に記載した起動運転方法において、前記補助負荷（１６１）は、前記燃料電池積層体の定格電力の約２０％と約４０％との間に引かれるように選択されていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１１】
前記請求項１、２及び５〜７のいずれかに記載した起動運転方法において、
前記水分通路は、少なくとも１枚の多孔質の水分輸送板（８４、８６）の内部に、又は、近接した通路（９６，９８）を備えており、各電池は、前記陽極支持板に隣接した水分輸送板及び前記陰極板に隣接した水分輸送板の少なくとも一つを備えていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１２】
前記請求項１、２、５、６及び８のいずれかに記載した起動運転方法において、
前記支持板は、少なくとも部分的に親水性であることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１３】
前記請求項１、２、４〜８のいずれかに記載した起動運転方法において、
前記支持板は、少なくとも部分的に疎水性であることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１４】
前記請求項１、２、５、７及び８のいずれかに記載した起動運転方法において、
前記反応ガスを供給するステップは、少なくともその一方が、前記燃料電池積層体の外部の周囲環境の温度である反応ガス（１７９、１７３）を供給していることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１５】
前記請求項１、２、５、６及び８のいずれかに記載した起動運転方法において、少なくとも２倍の理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを供給するステップがステップ（ｂ）に設けられていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１６】
前記請求項４及び７のいずれかに記載した起動運転方法において、少なくとも２倍の理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを供給するステップがステップ（ｃ）に設けられていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１７】
前記請求項１、２、５、６及び８のいずれかに記載した起動運転方法において、少なくとも３倍の理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを供給するステップがステップ（ｂ）に設けられていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１８】
前記請求項４及び７のいずれかに記載した起動運転方法において、少なくとも３倍の理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを供給するステップがステップ（ｃ）に設けられていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項１９】
前記請求項１、２、５、６及び８のいずれかに記載した起動運転方法において、少なくとも４倍の理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを供給するステップがステップ（ｂ）に設けられていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項２０】
前記請求項４及び７のいずれかに記載した起動運転方法において、少なくとも４倍の理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを供給するステップがステップ（ｃ）に設けられていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項２１】
前記請求項１、２、５、６及び８のいずれかに記載した起動運転方法において、少なくとも５倍の理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを供給するステップがステップ（ｂ）に設けられていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項２２】
前記請求項４及び７のいずれかに記載した起動運転方法において、少なくとも５倍の理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを供給するステップがステップ（ｃ）に設けられていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項２３】
前記請求項１、２、５、６及び８のいずれかに記載した起動運転方法において、前記ステップ（ｂ）では、少なくとも一方の反応ガスが、（ｉ）前記水分通路内のいかなる水分の圧力、又は（ｉｉ）大気圧のいずれかより高い、少なくとも、４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）の圧力で供給されていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項２４】
前記請求項４及び７のいずれかに記載した起動運転方法において、前記ステップ（ｃ）では、少なくとも一方の反応ガスが、（ｉ）前記水分通路内のいかなる水分の圧力、又は（ｉｉ）大気圧のいずれかより高い、少なくとも、４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）の圧力で供給されていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項２５】
前記請求項１、２、５、６及び８のいずれかに記載した起動運転方法において、前記ステップ（ｂ）では、少なくとも一方の反応ガスは、略大気圧の圧力で供給されていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項２６】
前記請求項４及び７のいずれかに記載した起動運転方法において、前記ステップ（ｃ）では、少なくとも一方の反応ガスは、略大気圧の圧力で供給されていることを特徴とする起動運転方法。
【請求項２７】
少なくともその一部が水の凍結温度のよりも低い温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）によって給電される電気負荷（１５９）の始動運転方法であって、前記積層体は、複数の電池と、（ｉ）生成水分の除去、（ｉｉ）凝縮液の除去、（ｉｉｉ）反応物質の給湿、そして（ｉｖ）冷却、の少なくとも一を提供するために水分循環システムに接続された水分通路（９６、９８）を有しており、前記電池の各々は、陽極支持板（１７）と陰極支持板（１９）との間に配置されたＭＥＡ（１６）と、前記電池の陽極側に設けられた燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側に設けられた酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んでおり、前記方法は：
（ａ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；
（ｂ）前記電気負荷から切り離された前記積層体に対し、少なくとも理論混合比の要求量の燃料反応ガス（１７９）を前記燃料の流れの場に供給し、そして、少なくとも理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを前記酸化物質の流れの場に供給しており、前記反応ガスの少なくとも一方は、（ｖ）大気圧、又は、（ｖｉ）前記水分通路内のいかなる水分の圧力、のいずれかよりも高い、少なくとも４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）の圧力であり；
（ｃ）（ｖｉｉ）前記ステップ（ｂ）の後、前記積層体を前記負荷に接続し（１５８）；そして、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）の後に、前記水分通路内に流れる水の循環（１７０）を開始する
ことを特徴とする起動運転方法。
【請求項２８】
少なくともその一部が水の凍結温度のよりも低い温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）によって給電される電気負荷（１５９）の始動運転方法であって、前記積層体は、複数の電池（１２）と、（ｉ）生成水分の除去、（ｉｉ）凝縮液の除去、（ｉｉｉ）反応物質の給湿、そして（ｉｖ）冷却、の少なくとも一を提供するために水分循環システム（１６４、１６６、１６８、１７０）に接続された水分通路（９６、９８）を有しており、前記電池の各々は、陽極支持板（１７）と陰極支持板（１９）との間に配置されたＭＥＡ（１６）と、前記電池の陽極側に設けられた燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側に設けられた酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んでおり、前記方法は：
（ａ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；そして、
（ｂ）前記電気負荷から切り離された前記積層体に対し、少なくとも理論混合比の要求量の燃料反応ガス（１７９）を前記燃料の流れの場に供給し、そして、少なくとも理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを前記酸化物質の流れの場に供給しており、前記反応ガスの少なくとも一方は、（ｖ）大気圧、又は、（ｖｉ）前記水分通路内のいかなる水分の圧力、のいずれかよりも高い、少なくとも４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）の圧力であり；
（ｃ）（ｖｉ）前記ステップ（ｂ）から２０秒以内、及び、（ｖｉｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記積層体を前記負荷に給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）に続いて略５分の経過した時に、前記水分通路内での水分の流れの循環（１７０）を開始することを特徴とする起動運転方法。
【請求項２９】
少なくともその一部が水の凍結温度のよりも低い温度にあるプロトン交換膜式燃料電池積層体（１５１）によって給電される電気負荷（１５９）の始動運転方法であって、前記積層体は、複数の電池（１２）と、槽（１６４）と共に、（ｉ）生成水分の除去、（ｉｉ）凝縮液の除去、（ｉｉｉ）反応物質の給湿、そして（ｉｖ）冷却、の少なくとも一を提供するために水分循環システム（１６６、１６８、１７０）に接続された水分通路（９６、９８）を有しており、前記電池の各々は、陽極支持板（１７）と陰極支持板（１９）との間に配置されたＭＥＡ（１６）と、前記電池の陽極側に設けられた燃料反応ガスの流れの場（９４）と、そして、前記電池の陰極側に設けられた酸化物質反応ガスの流れの場（９２）とを含んでおり、前記方法は：
（ａ）前記積層体により供給される電流、及び、その間（１５５、１５６）の電圧を監視し（１８６）；そして、
（ｂ）前記負荷から切り離された前記積層体に対し、少なくとも理論混合比の要求量の燃料反応ガス（１７９）を前記燃料の流れの場に供給し、そして、少なくとも理論混合比の要求量の酸化物質の反応ガスを前記酸化物質の流れの場に供給しており、前記反応ガスの少なくとも一方は、（ｖ）大気圧、又は、（ｖｉ）前記水分通路内のいかなる水分の圧力、のいずれかよりも高い、少なくとも４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）の圧力であり；
（ｃ）（ｖｉ）前記ステップ（ｂ）から２０秒以内、及び、（ｖｉｉ）前記積層体の間に開放電圧が検出された時、の内から選択された条件が発生した時に、前記積層体を前記負荷に給電するために接続し（１５８）、そして、
（ｄ）（ｖｉｉ）ステップ（ｃ）に続いて略５分の経過した時、又は、（ｖｉｉｉ）前記水循環システム内の液体の水の量が前記槽を除いた前記水循環システムの全てを満たすに十分である時、の内から選択された一の条件が発生した時に、前記水分通路内に流れる水の循環（１７０）を開始する
ことを特徴とする起動運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過剰な反応ガス又は冷えた反応ガスを、車両推進システムなど、負荷に電力を供給するプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池積層体に供給すること、事前に親水性の支持板を空にし、反応ガスを流してから２０秒以内、又は、開放電圧が検出された時に、負荷を電池積層体へ接続すること、数分後、又は、十分な水が溶けてから、冷媒を接続すること、のいずれか一又はそれ以上の手段によって、燃料電池駆動の電気車両を、氷点下の温度で、早急に起動するための運転に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を電気車両の推進システムに利用することの難しさの一つとして、かかる自動車は、水が凍結する温度以下でも動作されることであることは、一般的に知られている。凍結により氷が拡張し、その結果として、潜在的に機械的な損傷を与え、そして、水と燃料電池作用との不可分な関係によっても問題を生じる。これまで、燃料電池の動作を起動する種々の方法としては、電気車両を作動する準備のため、主に、燃料の反応あるいは燃焼、又は、電池の電力による熱を、水やその他冷媒の種々の配管や槽（タンク）に与えることを中心に行われていた。その他の試作としては、燃料電池積層体（スタック）がそれ自身の動作の結果、冷凍温度以上に加熱するため、その反応速度を促進するようにその方法を設計することが行われている。米国特許第５，７９８，１８６号では、その積層体には理論混合比（正規組成）の燃料と酸化物質が供給されており、燃料電池は、単に負荷を電池に接続するだけで暖機される。事前に燃料電池積層体の運転を停止する際にその全てから水が抜かれてしまった燃料の、酸化物質の、そして、冷媒である水の通路による実験では、室温の水素と空気とを供給することにより、１０個のセルを有する積層体の中心における温度を、約１分で、−１１℃から０℃へ上昇させている。反応物質の通路（冷媒の通路でない）だけが事前の運転停止の際に水が抜かれた４個セルの積層体では、水素と酸化物質の循環が開始し、そして、５０アンペアの負荷が接続されてから、−１９℃から０℃へ上昇するのに５分を要した。冷媒は、開始後の約２３分までは循環されなかった。事前の停止の際に何れの流路も水が抜かれなかった４個セルの積層体では、４分後までは温暖な水素は発生せず、−２３℃での開始から、４個セルの電池積層体の中心で０℃に達するまでには１２分かかっている。米国特許第６，３２９，０８９号では、室温の水素と空気によって起動した−５℃の個別の燃料電池は、５分で０．５アンペア／ｃｍ2に達している。短絡負荷では、中心部の温度が−１５℃の７個セルの積層体は、電池積層体出力を延長して短絡した後、９分で０．５アンペア／ｃｍ2に達している。その他の試験についての性能も、これよりも満足すべきものではなかった。
【特許文献１】米国特許第５，７９８，１８６号
【特許文献２】米国特許第６，３２９，０８９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
自動車のような車両で使用するためには、電気推進システムは、開始動作を始めてから１分以内で、好ましくは、３０秒以内で動作しなければならない。上記の何れも、氷点下の温度、特に、−４０℃（−４０°Ｆ）の低温で燃料電池を動作させることは不可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の特徴点としては：燃料電池によって駆動される電気車両を、氷点下において、始動での数秒以内に動作させること；燃料電池駆動の電気車両の氷点下での改良された始動；装置や流体の温度を上昇するための無駄な電力を最小限にして、燃料電池駆動電気車両の氷点下での運転を開始すること；反応物質や冷媒を氷点温度以上に加熱するための熱交換器やその他の装置の必要性を排除すること；そして、車両を駆動する燃料電池を始動するための蓄電池電力の使用を避けることを含んでいる。
【０００５】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池によって駆動される電気車両の推進システムでは、燃料電池積層体が凍っていても燃料電池から給電することができることの発見に基づいてなされたものである。本発明は、さらに、従来技術において信じられていたとは反対に、反応物質の枯渇よりも、むしろ、過剰な反応物質によって、水を積層体内に流す能力を維持しながら、燃料電池積層体の拡張した動作を可能にすることができるとの発見に基づいてなされたものである。更に、本発明は、高速で反応物質の流れの場（フローフィールド）を通る冷たい反応ガスは生成された水を凍結するのには不十分であり、膜電極の組立体内で発生した熱は生成された水が凍結し又は溶けた水が再凍結するのを防止するのに十分であり、そして、反応物質の流れの場（フローフィールド）にも十分に近接しているとの発見に基づいてなされたものである。
【０００６】
本発明は、また、冷凍状態での始動期間中は、少なくとも複数の反応ガスの一つを、積層体内でのいかなる水分の圧力、即ち、水循環システムが作動する以前で一般的な大気圧よりも過剰な所定の圧力で供給することによって、その性能を失うことなく、又は、電池へ損傷を与えることなく、燃料電池の運転を拡張することが可能であるとの発見に基づいてなされたものである。
【０００７】
本発明によれば、氷点下のＰＥＭ方式の燃料電池積層体は、数秒以内に、又は、積層体が開放電圧を供給して直ちに、車両推進システム又は他の電気負荷に接続される。本発明によれば、燃料電池積層体は、理論混合比（正規組成）以上の燃料の流れと、そして、少なくとも理論混合比の、しかし好適には２〜５倍の理論混合比の、氷点下の温度の或いはそうでないかもしれない酸化物質の流れとによって始動され、局所的な加熱を伴わずにその動作を延長し、もって、装置及び流体が適切な温度に、即ち、動作温度に加熱されるまでの期間、車両（他の負荷）を使用できるようにするものである。本発明は、燃料電池積層体自体と同じ氷点下の周囲温度での反応物質による動作を可能にするだけでなく、従来技術におけるの使用方法とは反対に、上記のことが局所化された過熱の開始を延長することから、むしろこれを好ましいとする。
【０００８】
更に、本発明によれば、水分管理のために多孔質の水分輸送板を使用するシステム内において、水と共に積層体の塊りを加熱することによって水分輸送板の細孔内に氷として貯えられている水分を加熱すること、氷が溶けるときの溶解熱、そして、その水の幾分かの蒸発による冷却とによって、許容不能な燃料電池内部での局所的な加熱が生じる前に、冷媒を循環することなく、燃料電池積層体からの電力によって車両を運転することができる時間の期間を、更に、延長するものである。
【０００９】
更に、本発明によれば、少なくとも一つの反応ガスは、一般的にはほぼ大気圧である水分通路内のいかなる水分の圧力よりも高い、少なくとも約４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）の圧力で燃料電池積層体へ供給される。これにより、液状の水が反応ガス通路内に蓄積し、そして、電極基板が水浸しになることを防止しており、このことは、生成水が溜まる酸化物質ガスの反応物質の通路内では、特に、重要である。
【００１０】
本発明の基本的な特徴点としては、例えば、車両や他の負荷のような電気的負荷であって、その燃料電池積層体が氷点下の温度である燃料電池に対し、燃料電池積層体が通常の動作温度に達するまで待機する以前に、少なくとも２倍の理論混合比の量の酸化物質を供給することにより、そして、実質的に空の親水性の支持板を生成水の一時的な貯留に利用し、もって、全ての水分のシステムが作動可能となる時間まで、冷媒を循環することなく、燃料電池が動作することを可能にすることによって、電気的負荷を始動するということを含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
本発明は、種々の形状の燃料電池を備えた燃料電池積層体の様々な変形にも適用することが出来る。
【００１３】
図１には、膜電極組立体（ＭＥＡ）１６、陽極（アノード）支持板１７、そして、陰極（カソード）支持板１９とを備えた典型的な燃料電池１２の断面図が示されている。このＭＥＡ１６は、ポリマー（重合体）からなる電解膜（「ＰＭＥ」）７０、陽極（アノード）触媒７２、そして、陰極（カソード）触媒７４とを備えている。陽極触媒７２及び陰極触媒７４は、ＰＭＥの対向する側面に固定されている。
【００１４】
陽極（アノード）支持板１７と陰極（カソード）支持板１９は、疎水性の拡散層７６、７８及び親水性の基板層８０、８２を含んでもよい。陽極（アノード）拡散層７６は陽極触媒７２の側に隣接しており、陽極（アノード）基板層８０は、陽極触媒７２に対向する陽極拡散層７６に隣接している。陽極（アノード）拡散層７６と親水性の陽極基板層８０は、水分輸送板８４内の通路９４を通過した燃料反応ガス及び通路９６を通過した水分が、陽極触媒７２に達することを可能にしている。一般的には、水分の通路は、反応ガスの通路を提供する板に隣接している。燃料電池１２は、また、疎水性の陰極（カソード）拡散層７８と親水性の陰極（カソード）基板層８２を含んでおり、それらは水分輸送板８６内の通路９２を通過した酸化物質の反応ガスが陰極触媒７４に達することを可能にしている。陰極拡散層７８は陰極触媒７４の側に隣接しており、そして、陰極基板層８２は陰極触媒７４に対向する陰極拡散層７８に隣接している。疎水性の陰極拡散層７８と親水性の陰極基板層８２も、また、陰極触媒７４内で生成された水分が水分輸送板８６へ向かって移動することを可能にしている。
【００１５】
拡散層７６、７８は、陽極支持板１７及び陰極支持板１９内において、当該技術では良く知られている方法によって、陽極及び陰極の基板層８０、８２の双方に適用されている。その一つの方法が、米国特許第４，２３３，１８１号に記載されている。拡散層７６、７８は、典型的には、疎水性のポリマー（重合物）によって、その全体又は一部が疎水性にされた多孔質の導電性の層により構成されている。
【００１６】
図１に示すように、陽極の水分輸送板８４は、陽極支持板１７に隣接しており、そして陰極の水分輸送板８６は、陰極支持板１９に隣接している。これら陽極及び陰極の水分輸送板８４、８６は、隣接する水分輸送板８８、８９と協同し、もって、通路９６及び９８が、同時に、ある一の電池の陽極と次の電池の陰極の双方に対して冷媒流路となるように、構成され及び／又は配置されてもよい。
【００１７】
水分輸送板８４、８６、８８、８９は、一般的には、略２〜３ミクロンの平均孔寸法で、略３５％〜４０％の有孔率（多孔率）を有する多孔質のグラファイトからなる。これらの水分輸送板８４、８６、８８、８９は、本発明の譲受人によって保有され、そして、ここではその記載内容が参照によって併合されている米国特許第５，８４０，４１４号に記載されるように、酸化錫（ＳｎＯ２）で処理することによって親水性にすることが好ましい。
【００１８】
冷媒流と酸化物質の反応ガス流との間における負の圧力差に関連し、陰極の水分輸送板８６の親水性で多孔質である性質によって、陰極において生成された水分は適切に取り除かれることが保証される。特に、水分は、陰極支持板１９から、水分輸送板８８を通り、そして、冷媒の通路９８へ流れる。また、陽極の水分輸送板８４は、陽極支持板１７に水分を連続的に供給しており、最終的には、水分がＰＥＭに到達しており、ＰＥＭが乾燥するのを防止している。
【００１９】
図２には、他の実施例になる燃料電池１２”が示されている。この図２に示す燃料電池１２”では、図２の陽極支持板１７”は親水性の基板層１０８を含んでいるが、しかしながら拡散層を含んでいないことにおいて、図１の燃料電池とは異なっている。陽極支持板上に拡散層を用いないことにより、陽極の水分輸送板８４から陽極触媒７２へ液体の水分が輸送されることを阻害することとなる全ての疎水性の、又は、一部が疎水性の障害物を取り除き、もって、燃料電池の性能を更に向上している。
【００２０】
図３には、本発明で利用される他の代替的な実施例１２ｂである燃料電池が示されており、そして、水分輸送板１３８、１４０の内部よりは、むしろ、基板層１００’、１０２’の内部において、交互に突起した反応物通路１１０、１１２を備えており、もって、反応ガス流が、最初に水分輸送板内の通路に導入することに代えて、直接、基板層内を通して通過することを可能にしている。特に、基板層１００’、１０２’は、それぞれ、その通路１１０、１１２が平坦な多孔質の水分輸送板１３８に隣接するように配置されている。この交互に突起した通路１１０、１１２は、水分輸送板１３８、１４０の内部ではなく、むしろ、基板層１００’、１０２’の内部に在ることから、水分輸送板１３８、１４０は、陽極及び陰極支持板１７’、１９’に隣接する側においては、平坦になっている。水分輸送板１３８、１４０の対向する側は、しかしながら、冷媒通路１３４を有している。加えて、それらの水分輸送板１３８、１４０は、やはり、多孔質であり、水分が透過するのを可能にしている。図示しないが、基板層１００’、１０２’の配置を逆にして、通路１１０、１１２が拡散層１０４、１０６に隣接するようにすることも可能である。反応ガスの通路が、従来の形状、即ち、曲がりくねった流れ形状を有するか、又は、交互に突起した形状を有するかにより、水分輸送板は、それらの対向する側に追加の溝を含むこととなる。この対向する側が他の水分輸送板、又は、他のいずれかの板と当接する場合には、これらの溝は、冷媒流が通過するための通路として役立つ。加えて、陽極及び陰極の水分輸送板が互いに当接してこれらの溝が整列した場合には、これらの溝は、共に、ある一の電池の陽極とそれに隣接する電池の陰極の双方に対して、水分輸送板として役立つ単一の冷媒流通路を形成することとなる。
【００２１】
燃料電池積層体は、燃料電池の間に固体の分離板を備えてもよく、この分離板は、陽極水分輸送板８４、８９と陰極水分輸送板８６、８８との間に設けられることとなる。あるいは、各電池は、２００１年１２月２８日付で出願された米国特許出願番号１０／０３６，１８１にも示すように、その内部に冷媒通路を備えた固体の分離板によって、隣接する電池から分離してもよい。これらの冷媒通路は、例えば４番目の電池毎などのように、隣接する電池の、例えば板８４、８９の一方である陽極水分輸送板と、例えば板８６、８８の一方である陰極水分輸送板との間に、同じ様にして配置される。隣接する電池の間に在り、あるいは、たまたま積層体内に分散されている冷媒板である場合には、これらの内部の冷媒は、不凍液としてもよく、又は、水であってもよい。通常の場合には、分離された冷媒通路が利用されていれば、水の凍結温度以下の天候での冷媒の取り扱いを簡単にするため、一般的には、不凍液が使用される。
【００２２】
その他、追加的な形状が、本発明が使用されている、２０００年１２月８日付で出願された米国特許出願番号０９／７３３，１３３に示されている。
【００２３】
本発明は、上述した米国特許出願番号１０／０３６，１８１にも開示されているように、対応する反応ガスの導入管に隣接する水分通路の一端が行き止まりとなっており、そして、水分通路の他端が過剰な水分を対応する反応ガスの排出管へ排水する、所謂、受動水分管理方式の燃料電池にも使用することができる。
【００２４】
加えて、如何なる種類の水分輸送板をも採用せず、燃料電池積層体の流れの場に流入する以前の反応ガスの給湿を外部に依存し、そして、積層体からの生成水の搬送を酸化物質の反応ガスの流に依存している他の型式の燃料電池も、また、本発明の特徴点による利益を享受することができる。この型式の燃料電池の例としては、Wilsonの特許である米国特許第６，１１７，５７７号と共に、Wilkinson et al.の特許である米国特許第５，３６６，８１８号、及び５，７７３，１６０号がある。
【００２５】
図４を参照し、車両１５０は、連続した複数の燃料電池を備えた燃料電池積層体１５１を含んでおり、この図４では、１つの燃料電池１２だけが示されている。燃料電池積層体１５１の正と負の端子における電気的出力は、一対のライン（配線）１５５，１５６により、スイッチ１５８を介して、車両推進システム１５９に接続されている。その出力は、また、スイッチ１６０を介して、水循環システムの槽１６４内の補助ヒータ１６１に接続されており、その槽は脱気孔１６５を有している。この水循環システムは、トリムバルブ１６６、水分輸送板８４、８６、８８、８９内の通路等のような水分通路、システム内における冷却水の循環に対して選択的に応動するラジエータとファン１６８、１６９、そして、水ポンプ１７０を備えてもよい。入り口１７３における周囲の空気が、例えば送風機１７４のようなポンプにより、陰極１９の酸化物質反応ガスの流れの場に供給され、そこから圧力制御弁１７５を介して、排出口１７６へと供給されている。水素は、その供給源１７９から流量制御弁１８０を介して、陽極１７の燃料反応ガスの流の場へと供給され、そこから圧力制御弁１８１を介して、排出口１８２へ供給されている。燃料サイクルのループは、ポンプ１８３を含んでいる。
【００２６】
制御装置１８５は、電流検出器１８６によって決定される負荷電流と共に、ライン１５５、１５６間の電圧にも応答しており、また、ライン１８７上には、積層体の温度が供給されてもよい。制御装置は、また、図４にも示すように、ライン１９０上で弁１８０を制御すると共に、他のバルブ、スイッチ１５８、１６０を、そして、ポンプ１７４、１７０をも制御することも出来る。
【００２７】
制御装置１８５は、燃料電池が動作を行うべき時を指示するライン１９３、１９３上になる車両推進システム１５９からの開始信号と速度信号に応答し、そして、車両推進システムにより要求された電力量に応答する。
【００２８】
この車両推進システムは、少なくとも燃料電池積層体１５１の一部が水の凍結温度以下である条件下において始動されることが想定されている。そのような場合、車両全体は、水の凍結温度以下の周囲環境に在るであろう。更に、以下に行う説明のために、燃料電池積層体は、実質的に全ての水分が、多孔質の支持板とガスの流れの場内部から取り除かれていることが想定されており、このことは、２００１年４月５日付で提出された米国特許出願番号０９／８２６，７３９号に開示された方法によって実現することができる。即ち、ＰＥＭの内部、陽極と陰極の触媒層の内部、同時に、水分輸送板の細孔の内部にも、氷が存在する可能性がある。ＰＥＭの場合には、水分輸送板はそれ自体で、水分輸送板に損傷を与えることなく、その細孔の内部に氷を保持することが出来ることが留意される。更に、基板８０、８２（図１）はＰＥＭ自体に十分に近接しており（図１を参照）、基板内を搬送される水の温度は、反応ガス自体の温度より、むしろ、ＰＥＭの温度にほぼ追従している。即ち、水分輸送板は、その細孔内に氷を有してはいるものの、生成水は電池の過渡的な熱伝達特性によって基板内では凍結せず；このことは、本発明の重要な特徴点である。
【００２９】
本発明によれば、ライン１９３上を車両推進システム１５９から起動信号が制御装置１８５に送出された時には、常に、制御装置からの信号は、陽極１７の流れの場へ燃料反応ガスを供給するように、弁（バルブ）１８０、１８１及びポンプ１８３を、適宜、操作し、そして、弁（バルブ）１７５とポンプ１７４は、陰極１９の流れの場へ周囲の空気を供給するように、適宜、作動される。最初は、始動の期間における電流密度に基づく理論混合比以上の水素が、陽極１７へ供給される。同様に、理論混合比の少なくとも２倍以上の、好ましくは、理論混合比要求量の約５倍までの量の空気が最初に供給される。より多くの空気が供給される程、積層体１５１の様々な電池の間の電流分布もより均一になる。
【００３０】
十分な量の燃料と空気とが電池に均一に供給されると、制御装置１８５によって開放電圧がライン１５５、１６６上で検出される。図５において点１９７で示される時点で、制御装置はスイッチ１５８を閉じ、燃料電池積層体１５１を車両推進システム１５９へ接続する。又は、選択的に、制御装置１８５は、スイッチ１６０を同時に閉じ、燃料電池積層体を、槽１６４内でその内部の氷を溶かすヒータ１６１を含む補助負荷に接続する。負荷に電力を供給する燃料電池積層体により、燃料電池積層体の内部では反応によって熱が発生し、そして、図５に１９８で示す時点で、燃料電池積層体材料および氷が温まり始める。
【００３１】
積層体の温度が、図５において符号１９９として示される時間領域において、約０℃（３２°Ｆ）に達すると、積層体により発生した熱は、その大部分が水分輸送板の内部に存在する積層体内部の氷の溶解熱として吸収される。事実、水分輸送板は、ＰＥＭに比べて１０倍、或いは、２０倍程度の氷を有しており、電力レベルにも依るが、積層体の温度を、その始動から略３分を越えて、０℃に維持する。約２分半後、図５に符号２０２で示す時点で、積層体の動作によって発生した熱は、積層体の材料及び積層体内の水によって、顕熱として吸収される。そして、符号２０３で示す時点で、蒸発による冷却が開始し始める。
【００３２】
積層体内に取り込まれる空気と水素は非常に冷たく、ガスが流れの場を通過する際には、水の凍結温度以下ですらあるが、それらは急激に暖められ、そして、約３分半後（時点２０３）には、生成水や水分輸送板内の水を蒸発してガス流とし、もって、電池積層体を冷却する。図５における約７分半、即ち、２０４で示す時点までの、電池積層体が動作している全始動期間中は、積層体は空気による冷却に依存しており、そして、主に、蒸発冷却は、積層体内におけるあらゆる場所での過剰な加熱を防止している。時点２０４、積層体の動作の開始から約７分半後の時点では、水槽１６４内には、一般的に、タンクから、弁１６６、水分輸送板、放熱器１６８、ポンプ１７０を通り、槽１６４に戻る水循環システムを満たすのに十分な液体の水分が存在している。この時点では、槽１６４内の氷の全てを置き換えるに十分な水は存在しないかもしれないが、しかしながら、そのことは必要ではない。それ故、電池積層体内の水分通路を含め、水循環システム内を流れる水の循環は、時点２０４で開始することができる。その後は、通常の電池積層体の動作と同様、電池積層体の液体冷却が取って代わることとなる。
【００３３】
本発明によれば、積層体内への反応ガスの流れが始まる約１５秒以内において、車両が動作状態におかれていたことを認識することが重要であり；即ち、積層体は、水分輸送板内で溶ける氷の溶解熱、積層体と水の塊の加熱、そして、水分輸送板からの反応ガス、特に、酸化物質の反応ガス（空気）への水の蒸発によって、十分に冷えた状態に保持される。
【００３４】
ある既知の型式のＰＥＭ燃料電池では、冷媒水が多孔質の水分輸送板によって制御され、そして、その水を制限して再循環することにより、水は、通常、大気圧にある反応物質の圧力以下の７〜２１ｋＰａ（１〜３ｐｓｉ）になっている。このことが、水が反応ガス流路内に溜まらないこと、水は水分流路の内部に押し入れられること、そして、親水性の基板は、水浸しにならずに、反応物質が拡散するのに十分な開放された多孔性の間隙を有していることを保証する。しかしながら、凍結温度の下では、水循環システムにおける反応物質の流路、冷媒流路、水ポンプ、そして、他の配管内の水は、燃料電池システムが停止される際に排出され；即ち、始動の際には、循環する水はなく、水分通路内に負圧が残る余地はない。それ故、冷媒を反応ガス流路内で増大することができる。本発明の他の特徴点によれば、水循環システムが動作する前の反応物質の流れの場内での水分の増大は、始動の初期の段階で、反応物質の流れの場を加圧することによって阻止される。
【００３５】
図４では、酸化物質の加圧が、通常運転中よりも少ない流れに制限するように弁１７５を閉じる制御装置によって実現されており、そして、燃料反応ガスの加圧は、燃料反応ガスの圧力を、水分通路内での圧力よりも、少なくとも４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）だけ、好ましくは４〜２１４ｋＰａ（０．６〜３ｐｓｉ）だけ高くなるように、弁１８０、１８１の設定をバランスさせている制御装置によって実現される。これらの圧力差は、積層体の反応物質の排出管と水分導入管との間で測定される。
【００３６】
図６及び図７は、−２０℃（−４°Ｆ）で電流密度が３００ｍＡ／ｃｍ2での始動に伴う電圧を、時間を関数として示している。図６において、両反応ガスは大気圧である。そして、反応物質通路内の反応ガスと水分通路内の水分との間には圧力差はない。図６を参照して、約１２０秒（２分）後には各電池毎の電圧は比較的に一定であり、４８０秒（８分）では僅かに上昇し、そして、５４０秒（９分）では、低下し始め、時間に対して負の傾斜を有することとなる。５４０秒（９分）での電圧の低下は、水浸しにより空気が陰極触媒に到達することが出来ず、そのため性能が低下した時間を示すものである。このことは、反応物質と水分との間に圧力差がなくても、燃料電池積層体の特定の電池は、略９分間、非常に良好に動作していたことを示している。
【００３７】
図７において、略２分以後、電圧は、反応ガスが水分通路内の水分の圧力よりも高い４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）の圧力で作動する結果、約８００秒（１３分２０秒）までは、実質的に一定となる。即ち、本発明によれば、燃料電池を、水分が支持板に隣接する多孔質板を通過するのを援助するのに十分な圧力の反応ガスで作動することによって、積極的な水の管理も冷却水の循環も行わずに、性能の低下もなしに、燃料電池を作動することが出来る時間が、９分から１３分２０秒まで延長されており、これは、４分２０秒の進歩であり、約３２％の改善である。本発明は、水分輸送板が支持板の一つにだけ隣接している場合にも利用することができ；本発明は、４ｋＰａ（０．６ｐｓｉ）よりも高く、そして、それよりも僅かに低い反応物質と水分との圧力差によっても利用することができ；そして、本発明は、異なる種々の形状を有する燃料電池によって駆動される電気車両又は他の負荷にも利用することができる。
【００３８】
始動動作の数分の後、制御装置１８５が燃料電池の出力ライン１５５、１５６間の電圧の低下を検知すると、ポンプ１７０を起動し、冷却水が反応物より低い４〜２１ｋＰａ（０．６〜３ｐｓｉ）の圧力で働くのに十分な制限を行うよう、弁１６６を調整する。
【００３９】
本発明の種々の特徴点は、適切であれば、単独で、又は、本発明の特徴の幾つかと組み合わせて有利に利用し、そして、電気車両の推進システム又は他の電気負荷から選択される電力負荷にも利用することができる。
【００４０】
電圧が約９分で負の傾斜を開始する図６における電圧特性と、約７分過ぎに負の傾斜を開始する図５における電圧との間には、差異がある。これは、図５のデータが得られた時の電池の負荷が、図６のデータが得られた時よりも高かったことによるものである。
【００４１】
一般的な状況では、補助負荷１６１は、積層体の定格出力の約２０％から約４０％までの間で負荷線が引かれるように選択され、なお、この「定格電力」は、装置の最大平均電力出力である。必要であれば、補助負荷は、槽１６４内ではなく、例えば、配管上又はその内部で、積層体それ自体の内部において、或いは、別な方法によっても利用することが出来る。しかしながら、発生された電力の全ては、反応ガスを流して数秒以内に、車両（又は、他の究極の負荷）を始動する能力を増大させるように利用し、そして、冷媒が循環し始める時間までは、過剰な加熱によって燃料電池が危険にさらされないように運転することが有益である。
【００４２】
ここでの例では、陽極及び陰極の双方に隣接した水分輸送板を備えた燃料電池によって図示されたが、しかしながら、本発明は、電極の一方にのみ隣接する水分輸送板によっても実施することができる。ここでの例では、双方の支持板は、少なくとも部分的に親水性であり、そして、場合によっては全体的に親水性である。他方、本発明は、また、それによってガス流を増大させるために、支持板が部分的又は全体的に疎水性である場合においても、実施することが出来る。本発明の一の特徴点は、水の凍結温度以下の温度であろう反応ガスを使用することが出来、反応ガスを導入するとほぼ同時に車両を始動することが出来るということである。しかしながら、本発明は、また、積層体の少なくともある部分は水の凍結温度以下であるが、水の凍結温度より以上の温度の反応ガスを利用することによっても、実施することが出来る。
【００４３】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池積層体（スタック）の組立体によって駆動される電気車両を提供することにおいて、基本的な価値を有しており、しかしならが、本発明は、明らかに、車両推進システム以外の他の負荷にも使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明が実施された、電池積層体を構成する１個の燃料電池の、僅かにそれ以外も含む、単純化された側面断面図である。
【図２】図１に示した電池積層体の代替案の、単純化された側面断面図である。
【図３】図１に示した電池積層体の他の代替案の、単純化された側面断面図である。
【図４】本発明が実施された、それによって電力を供給する燃料電池を含む、車両エンジン推進システムを示す回路図である。
【図５】車両を−２０℃から始動する期間において、時間を関数として、燃料電池積層体の電圧と温度とを描いた図である。
【図６】水の通路内における水の圧力と等しい反応ガス圧によって車両を−２０℃から始動する期間において、時間を関数として、燃料電池積層体の電圧と温度とを描いた図である。
【図７】水の通路内における水の圧力に比例して加圧した反応ガス圧によって、車両を−２０℃から始動する期間において、時間を関数として、燃料電池積層体の電圧と温度とを描いた図である。
【符号の説明】
【００４５】
１２…燃料電池
１６…膜電極組立体（ＭＥＡ）
１７…陽極（アノード）支持板
１９…陰極（カソード）支持板
７０…電解膜（ＰＭＥ）
７２…陽極（アノード）触媒
７４…陰極（カソード）触媒
８４、８６…水分輸送板
７６、７８…陰極（カソード）拡散層
８０、８２…陰極（カソード）基板層
【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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【国際調査報告】
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