专利名称：直接－甲醇－燃料电池的运行方法
技术领域：
本发明涉及一种直接-甲醇-燃料电池的运行方法，尤其是一种由这种燃料电池组成的燃料电池堆(Stapel)或燃料电池组(Aggregat)的运行方法。
燃料电池可以将化学反应的能量、亦即化学能直接转换成电能。为了能将这种能量转换器用作更广泛的用途，必须解决两个基本问题降低燃料电池组及外围装置的生产成本和制备燃料。主要可通过将燃料电池用在电动牵引(Elektrotraktion)方面使燃料电池组得到更广泛的应用，亦即用于机动车辆(例如参见“Spektrum der Wissenschaft”1999年2月，第A44至A46页)。
已证明特别适合采用所谓的PEM燃料电池(PEM＝Proton ExchangeMembrane或Polymer-Elektrolyt-Membran质子交换薄膜或聚合物-电解质-薄膜)技术。这类燃料电池优选在60℃至80℃之间的温度下工作，并且迄今为止都以氢气H2作为燃料(例如参见“Energie Spektrum”，第13年度，3/98，第26至29页)；但是当其处于室温下时却只能达到60℃时标称功率的一半。在氢气H2的存储问题以及遍布各地的加油站网问题得到解决之前，一直都为此使用液态燃料，如汽油和甲醇，借助一个重整器可将液态燃料分裂成富含氢气的气体混合物。
在此情形下，所谓的直接-甲醇-燃料电池(DMFC＝Direct MethanolFuel Cell)的工作原理便显得特别有利。因为其中无需重整器，只需使甲醇燃料直接在一个PEM燃料电池的阳极上实现转换即可(a.a.O，第28页)。但是也存在这样的困难即，为了在低于0.5V的电池电压下有益地使电流密度大于0.1A/cm2，必须通过采用阳极催化剂使工作温度大于等于60℃。因此存在一个要起动在较长时间内没有被加载、其温度也因此低于室温或环境温度的一个直接-甲醇-燃料电池的问题。因此在试验性研究中采取了这样的措施，即，从外部对燃料电池进行电加热。
在用氢气作燃料并且例如可处于大约-20℃温度下的PEM燃料电池上也存在类似的问题。当外界温度低于0℃时通常是持续给燃料电池加载，由此使反应热在系统中保留下来，以保证其内部温度不会下降到0℃以下。
本发明的目的在于提供一种直接-甲醇-燃料电池的运行方法，使得即便在燃料电池较长时间不工作或者在燃料电池温度已降到工作温度以下时，利用该方法仍能起动(冷起动)燃料电池。
本发明的目的这样来实现-在断开负载之后，中断向阴极输送气态氧化剂，-借助阳极残余气体去除阴极室内的氧化剂，-将电能输入燃料电池内，并对阴极上产生的氢气予以存储，-中断输电，-为起动燃料电池，向阴极提供气态氧化剂并向阳极提供存储的氢气，此时，燃料电池进行短路运行，-在达到工作温度之后，转换到以甲醇为燃料的运行模式，并且将燃料电池与负载连接。
解决本发明根本问题的出发点在于，先要使直接-甲醇-燃料电池或者一个相应的燃料电池组运行工作一段时间，亦即直到达到工作温度为止。如果之后不再要求电池输出功率，就可将电池断开，可让电池或电池组内的温度下降到一个低于60℃的温度，亦即下降到一个使电池或电池组不再能依靠自身起动的温度。
因此本发明在断开负载之后设置了一套程序，通过它可保证很容易重新起动燃料电池或电池组。为此需要多项步骤。
在断开负载之后，首先中断向阴极输送氧化剂(优选是空气但也可以是氧气)。然后将阳极侧生成的气体混合物(阳极残余气体)短时间内输送给阴极室，将室内仍留有的空气中洗出来。阳极残余气体是因甲醇在阳极被氧化形成，它主要由二氧化碳、水蒸气以及(多余的)汽态甲醇组成。
在将空气或氧气从阴极室中去除之后，优选由一个蓄电池或一个电容器向燃料电池或燃料电池组供电。随后(进一步)使甲醇在阳极上发生转换，但此时在阴极上不再消耗氧气，而是生成氢气。通过给阴极加载以及基于氧气的缺乏，由甲醇氧化产生的质子在穿透薄膜之后转换成气态氢，也就是说在阴极上离析出氢气。
所产生的氢气存储在一个容器中，且优选例如借助一个节流阀受到压缩，然后再予以加压存储。当氢气容器中(气量计显示)已充满氢气或者已存有足够的氢气时，即中断向燃料电池组供电。此时，燃料电池组可冷却到室温或环境温度。
如果燃料电池组又要向外输出电能，就按如下方式实现起动向阴极供应氧气，亦即将空气或氧气输入阴极室内。但此时不向阳极输送甲醇，而是首先将所存储的氢气输往阳极。这样，燃料电池组就能立刻被起动并且向外输出电能。在此充分利用了如下效应一个得到氢气供应的PEM燃料电池即便在0℃的温度下仍能正常工作，亦即开始工作。因此，燃料电池可通过自身工作热起来。因此时尚未与负载相连，因而首先可通过短路运行使自身热起来，此时，氢气的能量或所产生的电能完全转化成热量并用于加热燃料电池组本身。
在达到工作温度，优选达到≥60℃的温度之后，转换到甲醇运行模式，此时，作为燃料的甲醇以一种甲醇/水混合物的形式输往阳极。之后可给燃料电池组加负载，亦即使之与一个(外部)用户连接。
在本发明的这一方法中，必需对用于存储(为起动过程所需)氢气的存储器进行设计，以确保在短路运行中产生的电能足够用来将燃料电池或燃料电池组加热到为DMFC运行所需的温度。但这可以在具体的应用情形中通过相应的预试验来轻易地实现。
权利要求
1.一种直接-甲醇-燃料电池的运行方法，其特征在于具有下列方法步骤-在断开负载之后，中断向阴极输送气态氧化剂，-借助阳极残余气体去除阴极室内的氧化剂，-将电能输入燃料电池内，并对阴极上产生的氢气予以存储，-中断输电，-为起动燃料电池，向阴极提供气态氧化剂并向阳极提供存储的氢气，此时，燃料电池进行短路运行，-在达到工作温度之后，转换到以甲醇为燃料的运行模式，并且将燃料电池与负载连接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用空气作为气态氧化剂。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助一个蓄电池或一个电容器提供所述电能。
4.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，加压存储所述氢气。
5.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在温度≥60℃时转换到甲醇运行模式。
全文摘要
为冷起动直接－甲醇－燃料电池,采用下述运行方案:在断开(前面运行阶段中的)负载之后,通过阳极残余气体将空气从阴极室中去除,之后通过供电在阴极上生成氢气并对其予以存储。为起动燃料电池(在短路运行时)向阴极输送空气,向阳极输送氢气,在达到工作温度之后转换到甲醇运行模式。
文档编号H01M8/04GK1348616SQ0080670
公开日2002年5月8日 申请日期2000年4月13日 优先权日1999年4月26日
发明者康拉德·芒德 申请人:西门子公司