JP4871243B2 - 燃料電池スタック用の自己調節始動抵抗器としてのｐｔｃ要素 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池の動作に関する。より具体的には、本発明は、液体水素燃料電池スタックの始動及び停止を調整する改善された方法を対象とする。

燃料電池は車両推進の目的には望ましいものとされ、フルパワーに素早く到達することが燃料電池にとっては重要なことであった。これには、周囲温度から通常の動作温度までの急速な温度上昇が必要である。

電気化学的燃料電池は、燃料と酸化剤を電気、反応生成物（水素を燃料とし酸素を酸化剤とする燃料電池の場合の水など）及び熱に転換する。燃料電池は、典型的には、燃料を酸化剤から隔てる膜電極一体構造（「ＭＥＡ」）を有する。ＭＥＡは反応が生じる場であり、反応を加速するために必要な触媒を含む。

ＭＥＡは、陽極に空気と水素が同時に存在することでダメージを受ける可能性がある。ダメージの量はセル電圧により決まり、電圧が高ければ高いほど、ダメージは大きい。このダメージが最も生じ得る時間は燃料電池始動期間である。

燃料電池が発生する電圧は典型的には低いため、多くの場合、複数の電池セルを直列接続で積層する。これによってセルが組み合わされ、より高い電圧を発生させることができる。

適切な電力レベルに到達させるのを加速する方法の１つは、燃料電池スタックにその燃料電池セルを短絡させることである。こうすることで電圧を低下させ、燃料電池に、短絡要素により生じる抵抗加熱によって補われる余分な熱を発生させるようにする。両方の熱源からの余分な熱は、電池セルを加速して、より高い効率が得られる通常動作温度に到達させる。

本発明は、燃料電池セルを如何に安価に調整して低電圧レベルに保持するかという問題を解決する。この解決方法は、正温度係数（ＰＴＣ）の要素を短絡抵抗として使用する。ＰＴＣ要素は、低い動作温度、例えば４０℃未満では抵抗が低く、８０℃などの通常動作温度では抵抗が高い。抵抗が４ミリオームから４オームまでの範囲で変化する場合、ＰＴＣは熱的に制御されるスイッチとして機能しうる。

ＰＴＣを使用することで、始動期間に電圧を低く抑え、始動時に陽極に空気と水素が存在することにより引き起こされるＭＥＡ内の触媒層へのダメージを制限することができる。これは、燃料電池セルの寿命を延ばすのに役立ち得る。

一つの実施の形態では、燃料電池アセンブリは、少なくとも一対の相隔てられたプレートと、プ−レート間に配置された膜と、プレート間に電気的に接続された正温度係数要素とを備え、燃料電池の始動期間に、前記要素は、燃料電池が通常動作温度に到達するまで燃料電池が発生する電圧を制限する。

他の実施の形態では、燃料電池アセンブリは、正端子と負端子との間に積層配置された複数のバイポーラ・プレートと、関連する一対の隣接するプレートの間にそれぞれが配置される複数の膜と、燃料電池スタックに電気的に接続された正温度係数電圧制限手段とを備え、燃料電池の始動期間に、制限手段は、燃料電池が通常動作温度に到達するまで燃料電池が発生する電圧を制限する。

他の実施の形態では、燃料電池アセンブリは、正端子と負端子との間に積層された複数のバイポーラ・プレートと、関連する一対の隣接するプレートの間にそれぞれ配置される複数の膜と、複数の膜のうちの１つの膜に形成された開口部にそれぞれ配置され、関連する一対のプレートの間にそれぞれ電気的に接続された複数の正温度係数要素とを備え、燃料電池の始動期間に、制限手段は、燃料電池が通常動作温度に到達するまで燃料電池が発生する電圧を制限する。

本発明の上記の利点並びに他の利点は、付属の図面に照らして考察したときに、好ましい一つの実施の形態の以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。

以下の詳細な説明及び付属の図面では、本発明のさまざまな例示的な実施の形態を説明し、例示している。これらの説明及び図面は、当業者が本発明を製作し使用するうえで役立つものであり、本発明の範囲をいかなる形でも制限することを意図していない。開示されている方法に関しては、提示されるステップは本質的に例示的なものであり、したがってステップの順序は必須でも重要でもない。

本発明では、正温度係数（ＰＴＣ）要素を燃料電池スタックのための短絡抵抗として使用する。典型的なＰＴＣ要素の抵抗特性の一例が図１に示されており、限定的特性は、最低温度以降に抵抗が温度とともに急上昇することであることがわかる。ＰＴＣ要素の使用は、始動時に燃料電池スタック電圧を制御して、より多くの熱を発生させ、それにより、より効率的な動作温度に素早く到達させる安価な手段である。ＰＴＣ要素は、燃料電池の電圧を低く抑えて燃料電池に熱を一層効率的に発生させ、電気を非効率的に発生させることによって動作する。それに加えて、ＰＴＣ要素によって提供される抵抗熱は、燃料電池スタックを通常動作温度へ向けて加速するのを助ける
燃料電池の始動時に、ＰＴＣ要素は、おそらくは４０℃よりも低い温度Ｔ_Ｎにある。この温度ではＰＴＣ要素は、電圧を下げて膜の劣化を防ぐ低い抵抗値Ｒ_Ｎを有する。ＰＴＣ要素は時間とともに熱くなり、その抵抗値を変化させる。Ｔ_Ｒｅｆよりも高い温度になると、抵抗は指数関数的に増大し、自己制限が生じる。４０℃から８０℃までの範囲では、材料の抵抗性は３桁ほど増大し、熱的に制御される「スイッチ」を生じる。

典型的なＰＴＣ要素は、厚さが約１３００ミクロンである。これにより、抵抗（Ｒ_Ｒｅｆ）は、面積が１３０ｍｍ^２である要素に対し５オーム程度となる。本発明は、数ミリオームのオーダーの「オン」抵抗を必要とする。これは、要素の厚さを減らし及び／又は要素の接触面積を増やすことにより実現できる。燃料電池の用途では、接触面積を約１００平方ミリメートル又はそれ以下のオーダーに抑えることが好ましい。このためには、ＰＴＣ材料の厚さを２０から４０ミクロンのオーダーにする必要がある。

本発明は、ＰＴＣ要素を、キーオフ後にスタックのエネルギーを消費させるための燃料電池スタックの短絡抵抗として、及び、スタックを温める抵抗加熱を行う始動抵抗器として使用する。ＰＴＣ要素は常に電気的に接続されている（燃料電池スタック全体の両端間に、又はスタックの各セル間に）。ＰＴＣ要素が４ミリオームの抵抗値（閉状態）を持つか、４オームの抵抗値（開状態）を持つかは、スタック冷却剤の温度、好ましくは冷却剤入口温度により制御されることができる。停止時に、スタックへの反応剤の流れは停止されるが、残留反応剤がスタック内にあり、電圧レベルを高く保持する。冷えた冷却剤（４０℃未満）が短時間のうちにスタック内に連続して流れ込むと、ＰＴＣ要素が冷却されて「短絡」状態になり、反応剤を消耗し、スタックを放電させる。図２は、典型的な始動のためのスタック電圧、ＰＴＣ電流及びＰＴＣ温度の波形を示している。

本発明の第１の実施の形態では、ヒートシンクを持つ又はスタック（例えば、冷却剤出口）に結合された唯一のＰＴＣ要素がスタックに接続される。図３では、燃料電池スタックは冷却剤入口１２と冷却剤出口１４を有する。電力は、正端子１６と負端子１８との間に接続された負荷（図示せず）に対して生成される。ＰＴＣ要素２０は冷却剤出口１４に配置され、端子１６と１８との間に接続される。この要素２０は、高電圧（最大４５０ＶＤＣまで）に対して設計される必要があり、高電圧での短絡を回避する厚いＰＴＣ要素と、妥当な時間でスタック１０を放電させるレベルまで「オン」抵抗を下げる広い接触面積とを必要とする。ＰＴＣ要素２０は、スタック全体の両端間に電気的に接続され、冷却剤出口１４に熱的に結合される。ＰＴＣ要素が低抵抗モードを維持する時間の長さは、電力消費と冷却剤への熱伝達との組み合わせにより決定される。この実施の形態には、単純な電気的接続と唯１つのＰＴＣ要素という利点がある。しかし、充放電サイクル期間に、いずれかの１つのセルに反応剤が不足した場合、この実施の形態では腐食を生じる可能性がある。

本発明の第２の実施の形態においては、薄いＰＴＣ要素を、すべてのバイポーラ・プレート又は膜において一体化することができる。図４に示されているように、プレート２２及び２４は、膜２６の反対側に配置される。ＰＴＣ要素２８は、膜２６に形成された空洞３０に配置される。スクリーン印刷されたＰＴＣインクは、図１に示したのと同じ温度／抵抗特性を示す限り、オプションとすることが可能である。型打ち設計では、セル１つにつき１つのＰＴＣ要素に対する好ましい位置は、冷却剤入口ヘッダ付近である。この領域には反応剤又は冷却剤との接触はないが、冷却剤と熱的に結合される。近隣のセルからのシール負荷により、許容誤差に対し比較的鈍感な接触力が提供される。

図４では、ＰＴＣ要素２８は上側プレート２２に３２において接着される。電気接触を高めるよう、板バネ３４がＰＴＣ要素２８と下側プレート２４との間に配置される。
図５は、埋め込まれたＰＴＣ要素の実施の形態をさらに詳細に示している。セル反復距離を有効に使用できるように、ＰＴＣ要素２８は隣接セル上に交互に配置される。それぞれのセルの膜２６（又はサブガスケットもしくはキャリア）における開口部３０は、ＰＴＣ要素２８を介してプレートを短絡させるのに必要である。このようにして構成されたスタック３６は、本質的に、図６の電気的等価回路に示されているように、すべてのセル間にＰＴＣ要素を有する。この構成は単純な電気的接続を保持したまま、それぞれのセルについて固有の電流路を提供し、反応剤の分散と腐食の問題を解消する。

停止後の始動期間に、燃料電池スタックの陽極側と陰極側とは空気で満たされる。最初に陽極側に水素が供給され、これにより、陰極側の空気で陽極側にＨ_２−空気の前線が形成される。この初期段階におけるセル電圧は電極のダメージ率を決定する。電圧が高いほど、電気的触媒層の劣化率が高まる。抵抗素子を使用して、始動期間での電圧を引き下げることが好ましく、抵抗器は小さいほど電圧が低くなり、したがって劣化率が下がる。しかし、接触器の信頼性に対するパッケージング上の制約に起因して、小さな抵抗器はスタックに実装しにくい。シリコン制御整流器（ＳＣＲ）は、燃料電池スタックでの抵抗素子として使用することができる。

図７は、始動シーケンスにおけるセル電圧と空気及び水素ガスの流量とのグラフを示している。ケース１（４０）とケース２（４２）におけるセル電圧は、２つの異なる抵抗値、Ｒ_{ｃａｓｅ１}＜＜Ｒ_{ｃａｓｅ２}に対して例示として示されており、抵抗を小さくする必要があることを強調している。設計によるＳＣＲ素子は、始動時に非常に小さい抵抗を有しており、したがって、始動−停止抵抗器として使用することができる。空気の流量は線４４により示され、水素の流量は線４６により示されている。

本発明による装置は、高価な始動／停止リレー及び外部装置を不要にし、リレーに比べてパッケージングがしやすい。セルが短絡されていることに起因して、低温始動期間の短い時間内に、それぞれのセルは非常に小さな電圧（と多量の熱）を発生する。追加の熱は、スタックを動作温度まで暖めるのに大いに役立つ。

前記の説明から、当業者は、本発明の本質的特性を容易に確認することができ、また本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明に対し様々な変更及び修正を加え、様々な用法及び条件に適合させることができる。

ＰＴＣ要素の典型的な抵抗／温度特性のグラフである。 典型的な始動に対する燃料電池スタック電圧、ＰＴＣ要素電流及びＰＴＣ要素温度の時間に関するグラフである。 単一のＰＴＣ要素を含む燃料電池スタックの略図である。 ＰＴＣ要素が膜に埋め込まれた燃料電池の略図である。 セルを短絡させるためにＰＴＣ要素が埋め込まれている２つの燃料電池の断片的斜視図である。 図５に示されている構造を組み込んだ燃料電池スタックの略図である。 低抵抗のケースと高抵抗のケースとを比較した、始動期間でのセル電圧、スタック空気流量及びスタック水素流量のグラフである。

Claims (15)

1. 燃料電池であって、
   少なくとも一対の相隔てられたプレートと、
   前記プレート間に配置された膜と、
   前記プレート間に電気的に接続され、前記膜に形成された開口部に配置されて前記プレートの一方と直接に接触する正温度係数要素であって、前記燃料電池が通常動作温度に到達するまで前記燃料電池が発生する電圧を制限するように前記プレート間に短絡回路を作る正温度係数要素と、
   前記正温度係数要素と前記プレートの他方との間の前記開口部に配置された導電性のバネであって、前記正温度係数要素と前記プレートの他方との間に電気回路を作るバネと、
   を備える燃料電池。
2. 前記正温度係数要素が前記プレートのうちの一方に接着される、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記正温度係数要素が、前記プレートとの１００平方ミリメートル未満の接触面積を有する、請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記正温度係数要素がスクリーン印刷インクで形成される、請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記正温度係数要素が、前記膜のうちの隣接する膜上に交互に配置される、請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記燃料電池が、スタック状に配置された複数の前記膜と、複数の前記正温度係数要素と複数の前記プレートとを含み、前記膜のうちの１つは前記プレートのそれぞれの隣接する対の間に配置され、前記正温度係数要素の１つがそれぞれの隣接する対の前記プレート間に接続される、請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記正温度係数要素の厚さが２０から４０ミクロンの範囲にある、請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記正温度係数要素がシリコン制御整流器である、請求項１に記載の燃料電池。
9. 燃料電池であって、
   正端子と負端子との間にスタック状に配置された複数のバイポーラ・プレートと、
   前記プレートの関連する一対の隣接するプレートの間にそれぞれが配置される複数の膜と、
   前記膜の１つに形成された開口部にそれぞれ配置され、前記バイポーラ・プレートの一方と直接に接触し、前記バイポーラ・プレートの関連する対の間に電気的に接続された複数の正温度係数要素を備えてなり、前記スタックに電気的に接続される正温度係数電圧制限手段であって、前記バイポーラ・プレート間に短絡回路を作り、前記燃料電池が通常動作温度に到達するまで前記燃料電池が発生する電圧を制限する、約４ミリオームの最小抵抗を有する正温度係数電圧制限手段と、
   前記正温度係数要素の１つと前記バイポーラ・プレートの他方との間の前記開口部に配置された導電性のバネであって、前記正温度係数要素の１つと前記バイポーラ・プレートの他方との間に電気回路を作るバネと、
   を備える燃料電池。
10. それぞれの前記正温度係数要素が、前記関連するバイポーラ・プレートのうちの１つに接着される、請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記正温度係数要素が、前記膜のうちの隣接する膜上に交互に配置される、請求項９に記載の燃料電池。
12. 燃料電池であって、
    正端子と負端子との間にスタック状に配置された複数のバイポーラ・プレートと、
    前記プレートのうちの関連する一対の隣接するプレートの間にそれぞれが配置される複数の膜と、
    前記膜のうちの１つの膜に形成された開口部にそれぞれ配置され、前記バイポーラ・プレートの一方と直接に接触し、前記関連する一対のプレートの間に電気的に接続される複数の正温度係数要素であって、前記燃料電池が通常動作温度に到達するまで前記燃料電池が発生する電圧を制限するよう前記バイポーラ・プレート間に短絡回路を作る複数の正温度係数要素と、
    前記正温度係数要素の１つと前記バイポーラ・プレートの他方との間の前記開口部に配置された導電性のバネであって、前記正温度係数要素の１つと前記バイポーラ・プレートの他方との間に電気回路を作るバネと、
    を備える燃料電池。
13. それぞれの前記正温度係数要素が、前記関連するバイポーラ・プレートのうちの１つに接着される、請求項１２に記 載の燃料電池。
14. 前記正温度係数要素が、前記膜のうちの隣接する膜上に交互に配置される、請求項１２に記載の燃料電池。
15. 前記正温度係数要素の厚さが２０から４０ミクロンの範囲にある、請求項１２に記載の燃料電池。

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