用于操作燃料电池系统的方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及用于操作燃料电池系统的方法，并且更具体地说，涉及用于在启 动时将燃料电池系统放气或排气并用于在不从系统汲取电流时自动地关闭燃料电池系统 的方法。
【背景技术】
[0002] 燃料电池是直接将反应物（也就是，燃料和氧化剂）的化学能转化成直流（DC)电 的装置。对于越来越多的应用而言，燃料电池比常规发电（如化石燃料的燃烧）以及便携 式电力存储（如锂离子蓄电池）更为有效。详细而言，燃料电池的一个用途是作为便携式 或移动消费电子装置的移动电源，所述消费电子装置诸如手机、智能电话、个人数字助理、 个人游戏装置、全球定位装置、充电式蓄电池等。
[0003] 已知的燃料电池包括碱性燃料电池、聚合物电解质燃料电池、磷酸燃料电池、恪融 碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和酶燃料电池。燃料电池一般通过氢气（?)燃料 运转，并且它们也可消耗非纯氢气燃料。非纯氢气燃料电池包括直接氧化燃料电池，如使 用甲醇的直接甲醇燃料电池 （DMFC)，或在高温下使用碳氢化合物的固体氧化物燃料电池 (S0FC)。氢气燃料可以用压缩的形式存储或者存储在化合物（如酒精或碳氢化合物）内或 其他含氢材料内，所述含氢材料可重新形成或转化成氢气燃料和副产物。氢气也可存储在 化学氢化物中，如硼氢化钠（NaBH4)，其与水或酒精反应而产生氢气和副产物。氢气也可在 第一压力和温度下被吸附或吸收在金属氢化物（如五镍化镧（LaNi5))中并且在第二压力 和温度下被释放到燃料电池。氢气也可经由金属氢化物（如氢化镁（MgH2))的热分解反应 进行释放。
[0004] 大多数低温氢气燃料电池具有质子交换膜或聚合物电解质膜（PEM)，所述质子交 换膜或聚合物电解质膜允许所述氢原子的质子穿过但迫使电子穿过外部电路，所述外部电 路可有利地为智能电话、个人数字助理（PDA)、计算机、电动工具或使用电子流或电流的任 何装置。燃料电池反应可表示如下：
[0005] 在燃料电池阳极处的半反应：
[0007] 在燃料电池阴极处的半反应：
[0009] -般来说，PEM由充当电解质的质子交换聚合物或其他合适的膜制成，其中所述质 子交换聚合物诸如可从杜邦公司（DuPont)购得的Nafion%其为全氟磺酸聚合物。所述阳 极通常由特氟龙（TefIonized)碳纸支撑物制成，所述碳纸支撑物上沉积有催化剂（如铂 钌）薄层。所述阴极通常为气体扩散电极，其中铂颗粒结合到所述膜的一侧。
[0010] 专利和科学文献公开了很少量的包括氢气燃料产生、流体控制、设备平衡和电力 产生的、完整且可商业化的燃料电池系统。所述文献没有论述用于燃料电池系统，特别是移 动燃料电池系统的流体接口系统。因此，仍然存在对此类燃料电池系统的需求。
【发明内容】
toon] 本发明针对一种用于燃料电池系统的整合流体接口系统或模块，所述整合流体接 口系统或模块与燃料源（如氢气）匹配、将引入的燃料压力调节成可供燃料电池使用的较 低压力而且在用户开启或关闭所述燃料电池系统时将所述燃料电池中的燃料充气室放气。 不需要用户做其他动作。在一个实施方案中，所述整合流体接口模块具有单个开关或开启 /关闭按钮以便启用所述模块上的所有流体部件。
[0012] 本发明还针对一种用于燃料电池系统的被动整合接口系统或模块，所述被动整合 接口系统或模块无需由控制器或微处理器主动控制即可执行先前段落中所论述的功能，除 了通过用户、引入燃料（如氢气）的压力以及燃料电池产生的电力进行开启/关闭启用之 外无需由电源供电。此类电源包括但并不限于内部或外部蓄电池或来自所述燃料电池系统 供电的设备的电力。
[0013] 本发明也涉及操作燃料电池系统的方法，其中所述燃料电池系统在系统启动时放 气或排气。当阳极充气室被完全放气并且其内含物由燃料替换时，放气便自动停止。本发 明也涉及一种发明性放气阀，所述放气阀是手动开启但是在燃料电池产生的电力达到预定 水平（例如，稳定状态或接近稳定状态）时便自动关闭。所述放气阀可在系统启动时打开， 或者可在系统停机时打开，从而使得所述放气阀做好准备并且在下次启动时将燃料电池系 统放气。在一个实施方案中，所述发明性放气阀被机械地致动或准备打开并且被电气地致 动来关闭。
[0014] 本发明包括一种用于操作包括至少一个燃料电池的燃料电池系统的方法，所述方 法包括启用开关和停用所述开关的步骤。所述启用步骤允许燃料从燃料源向燃料电池的流 动，并且利用所述燃料引发在所述燃料电池中的阳极隔室的排气步骤。所述排气步骤持续 直到所述阳极隔室实质上排空，并且所述排气步骤在所述阳极隔室实质上由所述燃料填满 时自动地停止。所述停用步骤停止所述燃料的所述流动。
[0015] 所述启用步骤还打开放气阀，或所述停用步骤将所述放气阀打开并且做好准备。 来自所述至少一个燃料电池的电力停止所述排气步骤，并且优选地，这种电力是在燃料电 池的调节期期间产生。这种电力实质上不含来自其他来源的电力。所述启用步骤也将所述 燃料电池连接到所述放气阀中的导电元件，所述导电元件包括形状记忆合金线。所述启用 步骤也在所述排气步骤之后将所述燃料电池连接到外部负载。
[0016] 本发明还包括一种操作包括至少一个燃料电池的燃料电池系统的方法，所述方法 包括以下步骤：
[0017] (a)使燃料流动到所述燃料电池系统；
[0018] (b)将所述至少一个燃料电池连接到放气阀中的导电元件；
[0019] (c)通过所述放气阀使所述至少一个燃料电池的阳极排气；
[0020] (d)将所述至少一个燃料电池与所述放气阀断开；以及
[0021] (e)将所述至少一个燃料电池连接到外部负载。
[0022] 所述导电元件包括形状记忆合金，并且所述燃料电池加热所述导电元件，所述导 电元件缩回并且将所述放气阀移动到关闭位置。这种方法还包括以下步骤：在所述燃料电 池系统的启动时或在所述燃料电池系统的停机时，将所述放气阀移动到打开位置。所述断 开步骤（d)在不由处理器或不由人控制的情况下发生。所述断开步骤（d)被电气地致动， 并且所述连接步骤（b)被手动地致动。
[0023] 本发明还涉及一种操作包括至少一个燃料电池和自动截止阀的燃料电池系统的 方法，所述方法包括以下步骤：
[0024] (a)打开所述自动截止阀；
[0025] (b)使燃料流动到所述燃料电池系统以便产生电流；
[0026] (c)监控由所述燃料电池产生并传输到消费装置的电流；以及
[0027] (d)当所述电流减小到预定阈值时，将所述至少一个燃料电池连接到所述自动截 止阀中的导电元件以便关闭所述截止阀。
[0028] 所述导电元件包括形状记忆合金，并且优选地，所述燃料电池加热所述导电元件， 所述导电元件缩回并且将所述截止阀移动到关闭位置。
【附图说明】
[0029] 在形成说明书的一部分并且结合说明书阅览的附图中，相同的参考数字符号用来 指示各种视图和各种实施方案中的相同部分，其中：
[0030] 图1A是本发明的整合流体接口模块10的参考表面22的透视图，而且图1B是发 明性整合流体接口模块中与参考表面22相反的参考表面24的透视图；图1C是图1B的横 截面图；
[0031] 图2A是示例性燃料盒的顶部透视图；图2B至图2C是示例性盒体截止阀的横截面 图；图2D是示例性燃料电池系统的底部透视图；
[0032] 图3A是图1B的局部分解图；图3B至图3C是图1B的横截面图，其展示模块接口 端口 18的致动；
[0033] 图4A至图4D是发明性整合流体接口模块10从参考表面24角度的透视图，其展 示通过开关12来致动模块接口端口 18的顺序；
[0034] 图5是图1B的局部分解图，其展示压力调节器60的单独部分；
[0035] 图6A是本发明的整合流体接口模块从参考表面22角度的透视图，其展示燃料歧 管，而且图6B是本发明的整合流体接口模块从参考表面24角度的透视图，其展示压力反馈 流动路径；
[0036] 图7是示例性燃料电池的横截面图；
[0037] 图8A是本发明的整合流体接口模块从参考表面22角度的局部分解图，其展示发 明性放气阀；图8B是图8A的另外局部分解图；图8C与图1C相同但是从参考表面22的角 度观察的，而且图8D是图8C的放气梭的放大图；图8E是本发明的整合流体接口模块从参 考表面24角度的透视图，其展示放气流动歧管；
[0038] 图9A至图9C是本发明放气梭的三个透视图；
[0039] 图10A至图10B类似于图8C，它们分别展示本发明放气阀的打开和关闭配置；图 10C是展示具有印刷电路（PC)板的本发明整合流体接口模块的分解图；图10D是具有反置 放气阀的本发明整合流体接口模块的横截面图。
[0040] 图11是替代放气梭的透视图；
[0041] 图12是替代模块接口端口的透视图；
[0042] 图13是另一个替代放气梭的透视图；
[0043] 图14和图15是示出本发明的操作燃料电池系统的方法的流程图；
[0044] 图16是另一个整合流体接口模块的横截面图；
[0045] 图17A和图17B是整合流体接口模块的透视图，其展示所述整合流体接口模块的 致动；
[0046] 图18A至图18C是处于关闭、开启和释放配置中的另一个放气阀的透视图，而且相 应地，图18D至图18F是分别沿着图18A至图18C中所示的放气阀的纵向轴线的横截面图
[0047] 图19A至图19B是处于关闭和开启配置中的又一个放气阀的透视图，而且图19C 至图19D是分别沿着图19A至图19B中所示的放气阀的纵向轴线的横截面图。
[0048] 在本说明书的结尾处提供零件清单，其使附图中使用的参照数字与本说明书中使 用的零件名称相互关联。
【具体实施方式】
[0049] 本发明的整合流体接口模块是流体模块，其将燃料盒（如甲醇或丁烷燃料盒）、氢 气存储装置或氢气发生器连接到燃料电池，如PEM燃料电池、DMFC、S0FC或其他燃料电池。 本发明的整合流体接口模块向所述燃料盒提供对接端口或连接，以便允许燃料从所述盒体 流动到所述整合流体接口模块。所述整合流体接口模块也将引入燃料的压力调节到燃料电 池偏好的更低压力。本发明的整合流体接口模块也将所述燃料电池放气以便半自动地或手 动地去除所述燃料电池的阳极中不需要的气体。
[0050] 参照图1A至图1C，整合流体接口模块10(以下简称模块10)分别从顶侧和底侧加 以展示。模块10具有开关12,所述开关12带有"开启（0N)"段14和"关闭（OFF)"段16。 模块10也具有模块接口端口 18,所述模块接口端口 18具有合适大小和尺寸以便连接到图 2A中所示的燃料盒20。模块10的顶侧22和底侧24包括下文详细描述的多个微流体通道。 应注意，术语"顶部"和"底部"为相对术语并且是为了易于描述本发明而使用。表面22和 24为旨在帮助描述本发明的参考表面。在实际操作期间，这些术语不必整体上指示模块10 或燃料电池系统的方位。燃料盒20、模块10和并入有模块10的燃料电池系统可在任何方 位上操作。
[0051] 图2A至图2C展示可与模块10 -起使用的示例性燃料盒20和示例性盒体截止阀 26。燃料盒20在已公布的专利申请US2011/0212374、US 2011/0099904和US 2011/0104021 以及US D673,497中进行了描述，而且阀26在已公布的专利申请US2011/0121220、US 2011/0189574、US 2011/0212374和US2011/0099904中进行了描述。这些参考文献以全文 引用的方式并入本文。模块接口端口 18包括外防护件28和内管30。如图2B至图2C中所 示，管30具有合适大小和尺寸以便打开盒体截止阀26。截止阀26可具有中心立柱32,所 述中心立柱32与阀