专利名称：燃料电池装置及对其进行操作的方法
技术领域：
本发明涉及到燃料电池装置的操作。
背景技术：
燃料电池可用于对现有技术中公知的其它各种应用尤其是电子器件进行供电和/ 或充电。针对用作这样的电源的燃料电池的典型功率水平为0.1至50瓦。此类型燃料电池中通常使用的燃料为氢气。PEM(聚合物电解质膜或质子交换膜)燃料电池是一种通常类型的燃料电池。然而， 这样的燃料电池对高的电池电压是敏感的，因为电池寿命由此受到消极影响。高的电池电压导致碳腐蚀、催化剂溶解和离聚物降解。因此希望的是尽可能避免高的电池电压。此外， 阳极隔室中的化(氧气)和吐(氢气)的混合物已图示成用以进一步减少MEA (膜电极组件) 的寿命。参看参考文献 1)F. A. deBruijn、V. Α. Τ. Dam 以及 G. J. Μ. Janssen 在 Fuel Cells 08，2008，1，3-22上的文献Review: Durability and Degradation Issues of PEM Fuel Cell Components,以及参考文献 2)Wolfgang Schmittinger> Ardalan Vahidi 在 Journal of Power Sources, 2008 , 180 ,1-14 上的文献 A review of the main parameters influencing long-term performance and durability of PEM fuel cells。因此希望的是，缩短氢气和氧气二者都存在于氢气隔室中的时间。此外，据信的是，若电池电压通过例如对电池进行短路而得以降低，则在阳极隔室中氢气和氧气气体的混合物是对MEA而言有害程度较轻的。因而，电池保留处于开路电势的时间、以及电池暴露于化和H2的混合物的时间应当被最小化。
发明内容
考虑到以上在背景技术中呈示的问题，本发明的目的在于，通过燃料电池组件的新颖设计以及通过新颖的启动程序来改进燃料电池的寿命。在第一方面由如权利要求1所限定的燃料电池装置，本发明实现了上述目的。因而，提供了一种燃料电池装置，其包括具有至少一个聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池组件，以及用于提供燃料流的燃料输送器件。新颖的和创造性的特征在于，该装置具有用于预燃的器件。此预燃器件适于燃烧在启动期间(即，在装置开始输送功率之前)进入燃料电池组件的燃料，并且适于继续燃烧直至燃料流增加到预定水平和/或氧气浓度减低到预定水平。这样，排除了氢气和氧气混合物的有害的水平。在第二方面，本发明提供了权利要求8中限定的操作燃料电池装置的方法。此方法包括通过使得燃料输送器件来输送燃料流而开启所述启动。随后，使得用于预燃的器件来燃尽进入燃料电池组件的燃料。燃料流和/或氧气浓度受到监测。当燃料流增加到预定水平和/或氧气浓度降低到预定水平时，从在其期间没有输送功率的启动切换到功率产生。
在从属权利要求中提出了优选实施例。
下列附图示出了根据本发明由燃料电池供电的电源。图1是由燃料电池供电的电源中部件的示意图，
图2是由燃料电池供电的电源中电源管理电子器件的示意图， 图3a是由燃料电池供电的电源的截面图，其里面的部件具有圆柱形燃料杯/反应器， 图北是4电池平板燃料电池组件的示意图，其具有的每个电池连接至可变电阻器， 图4示出了针对根据本发明的由燃料电池供电的电源的氢气流量随时间变动的曲线，
禾口
图5是用于预燃的器件的示意性分解图。
具体实施例方式当参考本申请中的表述“燃烧”时，其意思是，由电化学燃烧或非电化学燃烧反应实现的氢气的消耗。在图1中示意性示出的根据本发明由燃料电池供电的电源的一个实施例包括下列部件。燃料源，优选为氢气产生器容器1 ；用于锁定和关闭所述氢气产生器容器的机构2 ； 过滤器或膜3，其为燃料气体可渗透的、并且可以是疏水性的；用于预燃的器件4;燃料电池组件5 ；传感器单元6 ；以及压力释放阀7。在图中也示出了蓄电池8以及电子控制电路9， 所述电子控制电路用于控制从燃料电池组件5抽取的功率、以及来自装置10的功率输出。图2示意性示出了在燃料电池装置10中的电子电路9的功率电子器件。为了调节来自装置10的电压输出，燃料电池组件5连接至第一直流-直流转换器91并且随后连接至第二直流-直流转换器92，如图2中所示。来自第二直流-直流转换器92以及来自整个燃料电池装置10的功率输出被馈送至USB连接器11。蓄电池8连接至直流-直流转换器91和92。因而，当需要时，蓄电池8将会被第一直流-直流转换器91充电，并且蓄电池 8也能够供应功率给第二直流-直流转换器92。现在，将会概括地描述本发明背后的基本原理。在燃料电池装置10的启动期间，正如上面参考图1和2所述的，将会存在着来自氢气产生容器1的吐与空气的混合物，因为在氢气产生反应开始之前在氢气产生容器1里面存在着一些空气。此外，在燃料电池组件5的阳极GDL (气体扩散层)以及气体通道内存在着空气。此空气体积也必须在启动期间进行反应或被冲洗掉。为了减少燃料电池暴露于H2与空气的混合物的时间，根据本发明在燃料电池组件中的电池被激活以产生功率之前执行混合物的预燃。为了产生这样的预燃，存在着根据本发明的一定数目的选项。一般而言，我们指的是用于此功能的用于预燃的器件。用于预燃的此器件可从下列之一中选择
1)非电化学装置，其适宜地为催化装置。2)电化学装置，适宜地为布置在功率产生燃料电池组件之前的小型专用燃料电池。3) 1)和 2)的组合。
4)功率产生燃料电池组件中的一个(优选地为第一个)或所有电池可以被设置成用以通过短路而执行预燃操作。在以上非详尽清单中没有提及的其它选项当然同样是可能的，并且属于创造性的想法
ο在第一实施例中，提供了专用装置作为用于预燃的器件4。正如所指示的，其可以是电化学或非电化学装置。后者优选地是催化装置。如果用于预燃的装置是非电化学的，则来自反应室的氧气和氢气混合物将会反应并且在到达功率产生燃料电池组件5之前形成水。用于预燃的非电化学器件4适宜地为催化装置(即，其上有催化剂的表面)，其定位在气体流动通道中在燃料电池组件5的电化学部分之前。此催化装置可以例如包括定位于气体通道中的多孔材料(例如多孔石墨)从而使得气体流被迫穿过其。在多孔材料的表面上，存在着淀积的催化剂(例如，钼颗粒)。用于预燃的器件4应当优选地与燃料电池装置的其它部件(例如，围绕燃料电池装置10的壳体)成良好热接触，从而使得其不过热。用于预燃的此器件4将会在其操作将由入流的气体的成分加以确定的这种意义上是被动的，即，当入流气体中的所有氧气已被冲洗出时，在用于预燃的器件中将不再有反应，因为缺少反应剂之一(02)。在其最简化的用法中，预燃器仅包括非电化学器件。启动事件随后可根据下列次序而进展
1)利用燃料匣和水对氢气产生容器1进行填充，并且将其锁定到装置10，由此开启氢
气产生。2)缓慢产生氢气，导致氢气和空气(其中具有氧气)的混合物传送至非电化学预燃器如并且自动地与水发生反应，
3)在一段时间之后，氢气产生器容器里面的所有空气已被冲洗掉，并且燃料电池组件中的所有电池达到了超过0. 75V/电池，随后燃料电池组件连接至负载。如果用于预燃的器件是电化学的，则氢气与空气混合物中的氢气被消耗。氢气的消耗导致没有氢气馈送至功率产生燃料电池，直至其已达到较高的流量水平。较高的流量水平被限定为该系统已达到阈值电流的水平，阈值电流通过对用于预燃的器件的短路电阻器上的电压进行测量而得以确定。用于预燃的电化学器件4优选地是燃料电池，其具有朝向气体通道的氢气电极、 以及与环境空气相接触的阴极。此电化学燃料电池可以例如是与燃料电池组件5的功率产生电池相同的方式来构建的。但是差异在于它提供有用于在电阻器上短路的器件并且它单独地定位在气体流动通道中在燃料电池组件5的功率产生电池之前。在再一种实施例中，非电化学和电化学部分的组合将要用作用于预燃的器件4、并且随后定位在气体流动通道中。根据本发明的由燃料电池供电的电源的功能性特征将会在下面参考图3加以描述。在图3中，示出了来自图1的大部分部件以及燃料电池装置10、USB连接器11和用于额外燃料袋的容器12。装置10包括燃料电池组件5和预燃器器件4。在图3a中，预燃器4示为两个部分的组合，该两个部分分别为非电化学部分如和电化学部分4b。这仅仅代表着一种实施例，因为所述装置也可单独包括这些部分，即预燃器可以要么是电化学的要么是非电化学的(催化剂)。这将会参考图5而更详细地描述。燃料电池组件5的输出单独地由来自氢气产生器容器1的氢气流量而确定。因此重要的是，氢气流量不高于燃料电池组件5能够消耗的流量。在启动期间，即在功率产生开始之前，将会有冲洗阶段来使得燃料电池组件5立起并且运行(run)，在这阶段期间存在于氢气产生器容器中以及燃料电池组件中的空气将会被冲洗掉。在功率产生期间，燃料电池装置10将会工作于“混合式操作”。混合式操作意味着，如果功率要求高于燃料电池组件5能够输送的功率，则蓄电池8就将功率供应给第二直流-直流转换器92(见图2)。另一方面，如果功率要求小于燃料电池组件5所输送的功率， 燃料电池组件5将会对蓄电池8充电。当蓄电池8运行完时，燃料电池装置10进入内部充电操作。燃料电池装置10使用燃料芯块(pellet)、或像可渗透袋的包含燃料材料的“茶包”，其安置于氢气产生容器中。可选地，应当可能的是打开氢气产生容器并且在操作时更改燃料芯块，因而当燃料电池装置10不操作时仅使用蓄电池8。针对燃料电池装置10中的一个芯块/袋的设计寿命可变动，但典型地是大约1小时。在燃料芯块的此寿命结束时，氢气流量的关停/减小应当尽可能快以便使正浪费的氢气气体量最小化。氢气产生器可工作于环境压力条件和略微加压条件(高达lbar)。优选地，除了从氢气发送器进入燃料电池的水蒸汽，没有其它污染物。此外，存在着一种过滤器3(例如疏水性的)，其阻碍液态水进入燃料电池组件，即便当反应室倾斜且液态水与过滤器3直接接触时也如此。使用了安全阀，诸如压力释放阀，以便阻碍氢气产生器容器1里面的压力上升。 这可能发生于气体出口通道被堵塞的情况，其可能在燃料电池装置1被上下颠倒时发生。适合于此燃料电池装置10的氢气产生器典型地基于水的水解工艺。这样的化学工艺典型地可以是水溶液与金属(例如，铝、锌、铁)或金属合金(例如LixAly)或化学氢化物、或者其它通过与水反应而形成氢气的化学组分进行反应。为了增强或控制产生器中的反应，则水溶液的PH可被调节。针对此类型的氢气产生器，典型地设置于可渗透袋中的燃料芯块或燃料片或燃料被安置于填充着水的容器1中以便开始水的水解工艺。包含着氢气产生材料的芯块/袋将会开始经由水解反应而产生氢气。可替代地，设置了其中具有复合物的匣，当使其与水接触时其能够逐步形成氢气。因而，当希望从单元抽取功率时，向匣添加水。在上述实施例中，预燃器4是布置在燃料流动路径中在动力电池之前的专用装置。然而，也存在着其它可能的方案。图北是4电池平板燃料电池组件的示意图，其中每个电池FC1、FC2、FC3、FC4分别连接至可变电阻器R1、R2、R3和R4。因而，每个电阻器可适当地设置为高电阻或低电阻。 箭头代表着集流器CC和从正极到负极的电流流动。虚线代表着氢气气体流动通道，其设置于电池下方。从通道开始，存在着去往每个阳极隔室的狭长开口 E0。在出口端处，存在着氢气传感器HS，即对应于图1中所示的传感器单元6。在此情况下，其为在电阻器R5上短路的小型燃料电池。氢气流量随着时间的变动将会典型地遵循图4中所示的曲线。这意味着，氢气产生以低速率开始，并且增加到最大水平且随后再次降低。针对图4中的曲线的典型时间跨度(即b-f)是从几分钟到若干小时。典型的流率在从0到500ml/min的最大值的范围上延伸。典型地针对标称上为2. 5W的燃料电池而言，流率最大值应当为25至40ml/min，合适地为大约30ml/min。图5是用于预燃的器件4的这种组合实施例的示意性分解图，器件4置于气体流动通道41的部段中在燃料电池组件5之前，具有非电化学部分如与电化学部分4b的组合。 多孔催化剂床42置于气体通道41中并且完全地填充其截面。通道41的顶部上是密封着气体通道41的盖43。在盖43的顶部上，安置了充当用于预燃的器件的电化学部分4b。电化学部分4b通过凹处44与气体通道接触。燃料电池由以下组成集流器箔45 (例如锡涂覆的铜箔)，其在两侧上的选定区域上涂覆着粘合剂；阳极GDL 46 ；MEA 47;由多孔可压缩材料制成的框架48;阴极GDL 49;和顶部上的集流器50以及夹持板。顶部集流器在可变电阻器和/或开关51上被短路。在本发明的又一实施例中，用于预燃的器件4实施成燃料电池组件5中的功率产生电池之一，优选地为最靠近气体入口的电池。在此实施例中，电池设有电阻器用于对所述电池进行短路。在启动期间并且为了执行预燃功能，燃料电池在燃料电池组件5中的恒定或可变电阻器上短路。这是通过电子控制电路9来加以控制的，并且被称为待命模式。在另一实施例中，组件5中的多于一个或全部电池被个别地短路，因而起到用于预燃的器件4的作用。氢气产生器应当优选地具有相对短的启动时间，例如1至2分钟是优选的。此外， 来自氢气产生器的氢气流动优选地达到稳定水平并且停留于该处，且此稳定水平应当是与反应的温度无关的。氢气产生器容器1的出口必须被密封，从而使得所有产生的氢气传送至燃料电池组件5。因此，氢气产生器容器1具有锁定和关闭机构2。此外，可以有锁定机构，其确保了氢气产生器容器1以安全且牢固的方式附接至燃料电池装置10。为了避免来自氢气产生器容器1的液态水进入燃料电池组件5，存在着过滤器或膜3，其为燃料气体可渗透的且可以是疏水性的。其定位在氢气产生器容器1与燃料电池组件5之间，如图3所示。在反应室里面也可以是疏水性的预过滤器33。正如在背景技术中提及的，PEM燃料电池对氢气隔室中氧气与氢气混合物的存在敏感，并且特别是在启动期间在系统已达到稳定状态之前，这样的氧气与氢气的有害混合物发生于氢气隔室中。因此，提供了用于防止有害的氧气/氢气混合物发生的器件，其称为用于预燃的器件4。也在本发明的背景技术中提及的是，希望缩短氢气和氧气二者都存在于氢气隔室中的时间。反应速率将会在初始时低，并且增加到最大值，且随后再次降低到低值。在图4中图示了流量随着时间变动的图表。典型地，本文中所描述的来自燃料电池装置10的功率输出为0. 1至50W，优选地为 1至10W。燃料电池组件5可以提供装置的全部最大功率，但是因为该装置可在混合模式工作，燃料电池组件5可以设计成用来提供大大少于燃料电池装置10的最大功率的功率。燃料电池组件5典型地是被动的平板类型，其中电池安置成在阵列中彼此接近。 燃料电池组件5里面的气体流动可以是串联连接的、或并联连接的、或它们的组合。串联连接意味着，燃料气体从一个电池通向另一电池并且随着氢气由阵列中的电池所消耗则氢气的流量接连地减少。并联连接意味着，燃料气体由阵列中的电池共享，从而使得燃料并行地馈送至电池。
传感器单元6的原理披露在申请人拥有的同时待决国际申请PCT/SE2008/050032 中，传感器单元6可与燃料电池组件5的燃料电池一起使用以便调节从燃料电池组件5抽取的功率，从而使得所抽取的功率对应于燃料气体流量。可选地，可以存在着压力释放阀7，其定位于燃料电池装置10的出口处。此压力释放阀7可以例如是伞类型的。压力释放阀控制在燃料气体系统里面维持着一定的过压(通常为1至5Psi)。需要蓄电池8以使燃料电池装置10处于待命状态。如果燃料电池装置10处于混合操作，则蓄电池8应当具有充足的大小，从而使得其可以有效地支持燃料电池。作为电池的替代，可以使用所谓的超级电容。将会在下面描述在燃料电池装置10的启动期间操作的方法，其中用于预燃的器件4为非电化学部分如，其安置于气体通道中在电化学部分4b之前。所述操作是基于具有燃料气体供应源，其由设置于可渗透的袋或任何其它通过水解反应产生氢气的匣中的燃料或燃料片或燃料芯块的水解反应来确定。在启动期间，来自反应室的气体是含氧气的空气和氢气的混合物。在非电化学部分如中，氧气和氢气混合物将会反应并且形成水。当反应室中的所有氧气已被冲洗出时，将不再有反应。当氢气存在于气流中、但是对于正常操作而言总气流仍过于低时，将会使用用于预燃的器件4的电化学部分4b。电化学部分的电压将会增加，直至其达到阈值，例如100mV。当这发生时，气体被认为是实质上无氧气的。随后释放了电化学部分，即其不再被短路。然而，应当注意到，作为电化学部分4b的电极是三维的催化表面，其中&和H2也可按非电化学的方式发生反应。如上所述用于非电化学和电化学部分的组合的、针对非电化学部分的启动期间的操作方法也适用于单独的非电化学预燃器。启动阶段
现在将会描述操作的方法。在启动阶段之前，电子电路9总是处于待命状态。在待命状态中，电化学部分4b被短路。非电化学部分如因为其固有设计而总是处于待命状态。当用于预燃的器件4的电压已达到一定水平(例如，10至50mV或甚至更高)时，燃料电池装置 10被开启，由此触发了电子电路9。这发生于图4中介于a与b之间的某处。在此操作方法中，在启动阶段之前，开启了指示器灯。当用于预燃的器件4的电压已达到50至200mV的区域(图4中介于b与c之间的某处)并且入口气体被认为是基本上无氧气的，则关断所述电化学部分4b。传感器单元6 现在将会指示出“高”，并且现在燃料电池装置10设置为开以用于内部电池的充电。指示器灯仍开启。在启动阶段中另一操作方法是基于使得燃料电池组件5中的所有电池个别地被短路，即当装置10处于待命状态时充当用于预燃的器件(针对消费者，燃料电池装置经受的是关断)。短路的意思是，针对大约4cm2的燃料电池，在典型地为0. 5至50hm的电阻器上使得每个个别的电池短路。在启动阶段，当第一电池(最靠近燃料产生器容器1的电池)的电压高于阈值(例如，50mV)时，将会开启装置10。指示器灯将会开启。当第一电池的电压已增加至第二阈值 (例如，75mV)时，第一电池的短路被释放并且第一电池将会转至开路电势。现在，第二电池将要达到第二阈值，并且随后将会释放其的短路。这将会继续，直至所有电池的短路被释放并且处于开路电势。传感器电池6现在将会指示出“高”，并且现在燃料电池装置10设置为开以用于内部电池的充电。启动灯仍开启。功率产生阶段
当燃料电池组件5的电流正如电流指示器(例如分流电阻器)所指示的那样高于100至 300mA的阈值时。燃料电池组件5承受激活程序(激活程序是对组件中电池进行的接连的短路，由此在短的时段内增加了每个电池的电流密度)并且此后所述燃料电池装置10的功率输出被接通。运行灯开启。燃料电池装置10被充电并且在混合操作中操作，其中蓄电池8 要么作为功率泵而工作要么作为额外功率而工作，这取决于燃料供应源和功率要求。如果电池电压运行得低，则燃料电池装置10进入内部充电，即功率输出下降并且燃料电池装置 10对蓄电池8进行充电。如果燃料供应源例如通过打开氢气产生器的氢气产生容器1而被中断，则燃料电池组件5被关停，但是功率输出保持接通一定时间(例如2至20分钟)或直至蓄电池8已变为放电，因而允许用户插入新的燃料片并且重启动燃料电池组件5。典型地氢气供应可被中断，因为燃料芯块被用完并且氢气气体流量已降低。当燃料电池组件5的电流如电流指示器指示的那样低于10至100mA、优选30至 70mA的阈值时(在图4中的曲线上在e与f之间)，燃料电池组件5的功率产生被关断。用于预燃的器件4的电化学部分4b现在被激活以便再次待命用于操作。本发明不限于上述优选实施例。可使用各种替代方案、修改和等同物。因此，以上实施例不应当理解为限制本发明的范畴，所述范畴由所附权利要求来限定。
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权利要求
1.燃料电池装置(10)，包括具有至少一个聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池组件 (5)，以及用于提供氢气流的氢气输送器件，其特征在于，所述装置设有用于预燃的器件 (4)，其适于燃烧进入燃料电池组件的燃料，直至燃料流量增加到预定水平和/或氧气浓度降低至预定水平。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括用于当已达到所述(多个)预定水平时切换到功率产生的器件。
3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括电子控制电路(9)用于控制装置(10 )的操作。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中所述用于预燃的器件(4)是从催化装置和专用燃料电池中选择的。
5.根据权利要求4所述的装置，其中用于预燃的器件(4)是催化装置并且包括多孔材料，多孔材料的表面上设有催化物质。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述用于预燃的器件(4)是燃料并且包括对电池进行短路的电阻器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中用于预燃的器件(4)包括燃料电池组件(5)中的至少一个燃料电池，并且其中电子电路(9)适于当已达到所述(多个)预定水平时将所述(多个)燃料电池的操作从预燃切换至电耗。
8.一种操作燃料电池装置(10)的方法，燃料电池装置包括具有至少一个聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池组件(5 )，用于提供燃料流的燃料输送器件，所述装置以两个阶段即第一启动阶段和第二功率产生阶段来操作，所述方法包括以下步骤通过使得燃料输送器件输送燃料流来开启所述启动阶段，由此用于预燃的器件(4)燃尽进入燃料电池组件的燃料；和当燃料流量增加到预定水平和/或氧气浓度降低到预定水平时，从启动阶段切换到功率产生阶段。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括监测燃料流量和/或氧气浓度。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中用于预燃的器件(4)是设置于燃料电池组件之前的专用燃料电池，并且对所述水平的监测是通过测量所述专用燃料电池的电压而执行的。
11.根据权利要求8所述的方法，其中用于预燃的器件(4)是燃料电池组件中的一个或多个燃料电池，并且对所述水平的监测是通过测量所述燃料电池组件中的电池的电压而执行的。
全文摘要
燃料电池装置(10)包括具有至少一个聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池组件(5)，以及用于提供燃料流的燃料输送器件。所述装置设有用于预燃的器件(4)，其适于燃烧在启动阶段期间进入燃料电池组件的燃料，直至燃料流量增加到预定水平和/或氧气浓度降低到预定水平。操作燃料电池装置(10)的方法，燃料电池装置包括具有至少一个聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池组件(5)，用于提供燃料流的燃料输送器件。所述方法包括以下步骤通过使得燃料输送器件输送燃料流来开启所述启动阶段，由此用于预燃的器件(4)燃尽进入燃料电池组件的燃料；监测燃料流量和/或氧气浓度；并且当燃料流量增加到预定水平和/或氧气浓度降低到预定水平时，从启动阶段切换到功率产生阶段。
文档编号H01M8/10GK102484266SQ201080025726
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月9日 优先权日2009年6月9日
发明者伦德布拉德 A. 申请人:myFC 股份公司