专利名称：高温－薄膜－燃料电池,一种高温－薄膜－燃料电池组的运行方法以及高温－薄膜－燃 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高温-薄膜(HTM)-燃料电池，一种HTM燃料电池的运行方法以及一种HTM燃料电池组。
现有技术中已公知有聚合物-电解质-薄膜(PEM)燃料电池，它以一种挂有[-SO3H]基团的基础聚合物作为电解质。其中，通过水合的质子实现电解质导电。这样的薄膜相应地需要液态水，亦即在正常压力下并且工作温度处于100℃下的水，以保证质子传导能力。
取消对工作温度的限制这一出发点是，采用另一种薄膜来替代含有[-SO3H]基团的薄膜。这另一种薄膜可以是离子交换薄膜，和/或采用一种具有游离态磷酸和/或物理结合态磷酸和/或化学结合态磷酸的基体作为燃料电池的电解质。这种燃料电池称为高温-薄膜-燃料电池，下面简称为HTM燃料电池。
但是在实现具有游离态磷酸的HTM燃料电池时却至少存在一个问题，即，电解质在温度低于100℃时，亦即在燃料电池装置起动和/或关闭时会被冲洗掉。这是因为在阴极上生成的水在燃料电池单元中凝结，之后作为液态水流入薄膜中，将那里的物理结合态电解质(例如磷酸)稀释并最终冲洗掉。这一问题主要出现在当燃料电池开始运行和/或停止运行时，亦即当燃料电池用在机动车辆上时。因冲洗所造成的电解质损失可能导致产生功率损失，甚至电池工作失效。在薄膜两侧冲洗掉的电解质例如以细小液滴形式随同过程气体流(Prozessgasstrom)离开燃料电池。为保证电池的正常工作性能，必须向电池中补充电解质。
上述问题已知在磷酸-燃料电池PAFC(Phosphor Acid Fuel Cell)中也同样存在，但并不是十分要紧的问题。因为磷酸燃料电池主要用于在较长时间内持续运行，并且如同上面所述那样，大部分电解质损失在电池起动时产生。但将本发明应用在固定系统中却很容易想到，因为这同样可带来经济性优点。
因此，本发明的目的在于创造一种燃料电池并且提供一种附属的电池运行原理。由此构成一种无需补充电解质也能正常工作的燃料电池组。
本发明的目的通过权利要求1，8和10的特征或措施来实现。其它改进设计由各从属权利要求给出。
本发明的对象是一种高温-薄膜-燃料电池，它具有一个薄膜和分别带有附属反应腔室的两个电极(阳极和阴极)，其中，这两个电极中的一个或两个和/或这两个反应腔室中的一个或两个至少被局部加热。
另外，本发明的对象还包括一种用于运行HTM燃料电池组的方法，其中，在燃料电池堆(Brennstoffzellenstack)的温度低于100℃时，至少对一个电极和/或一个反应腔室进行局部加热，以使生成的产物水不凝结，而是呈气态地离开燃料电池单元。
最后，本发明的对象还包括一种HTM燃料电池组，它至少包括一个燃料电池单元，它的阴极、阳极和/或其中一个反应腔室可被加热。
在本发明中，优选对阴极和/或阴极室加热。但也可以在燃料电池的阳极侧采取相应的措施。
本发明的其它细节和优点由下面对实施例的描述以及结合各给出。由于在下面的实施例中是将一个公知的高温-薄膜(HTM)燃料电池设计成所谓的高温PEM燃料电池，因此可不必采用附图
示出。
一单个燃料电池单元包括一个设置在中央、两侧带有电极涂层的薄膜。该电极层包含一气体扩散层以及一直接与薄膜相邻的电催化剂层，该气体扩散层例如有一个由碳织物或类似物制成的集流器。燃料电池单元的上面和下面分别被一块极板夹住，所述极板也称为电池板(Zellblech)或双极板(Bipolarplatte)。
一个在专业界称为燃料电池堆、由各单个燃料电池单元组成的堆叠包括至少一个带有相应端板和供电导线的燃料电池，以及一个冷却系统，其中，该冷却系统可以具有设置在堆叠之外的组成部件。
一个燃料电池组包括至少一个燃料电池堆和从属于它的装置，该装置例如是一个重整器，仍设置在电池组中。
在上述这样一个燃料电池中，可由此避开起动HTM燃料电池设备时带来的电解质冲洗问题。即，对燃料电池堆中的局部进行有限加热，使其温度高于100℃，这样一来，可能导致薄膜中的电解质被不期望地冲洗掉的液态水在进入薄膜之前就被蒸发掉了。由此早在低于HTM燃料电池的运行温度时，就在局部模拟出与已达到运行温度的条件相同的条件。因此，即便在起动燃料电池时，也能获得与达到运行温度时相关的相同条件。
进行这种条件模拟的局部有限区域，优选是那些所生成的产物水不经过加温就会凝结的区域。
通过局部加热，产物水变成蒸汽。该汽态水例如与气流，尤其是燃料电池的过程气流一起被排出。
为了通过局部加热使在100℃以下的起动温度下产生的产物水汽化，必须设置加热元件。该加热元件按照第一种实施例可以为至少一根金属丝，该金属丝例如埋置在电极的催化剂层中，气体扩散层中和/或埋置在燃料电池单元的极板或电池板或双极板中。该金属丝作为电阻丝例如可蛇形卷绕或以其它类似的形式卷绕，其中，通过电阻丝内流过的电流产生热量。
按照第二种实施形式，催化剂层结合电极直接作为加热元件，例如作为催化燃烧器(katalytbrenners)，此时，燃料和氧化剂(亦即氧气和/或空气)交替地传输到催化剂层上。利用这样一种催化燃烧器实现所谓的静燃烧(stilleVerbrennung)，并由此加热反应气体腔室。
按照第三种实施形式，通过例如接通电流，催化剂层结合电极、气体扩散层和/或极板本身直接作为加热元件。
按照最后一种实施形式的变型，加热元件仅仅在电极、极板和/或气体扩散层的部分区域中存在，因此，既具有可被加热的区域，又具有可不被加热的区域。
在上述通过接通电流使加热元件实现加热的实施形式中，由燃料电池组本身或一个外部的电池来提供电流，其中，必要时为燃料电池单元设置一个附加的蓄电池，而在其它情形下则直接将燃料中的化学能转化成热能。为此，充分利用燃烧气体与氧化剂的化合来实现一个放热过程。
权利要求
1.一种高温-薄膜(HTM)-燃料电池，它具有一个薄膜和分别带有附属反应腔室的两个电极，亦即阳极和阴极，其中，这两个电极中的一个或两个和/或这两个反应腔室中的一个或两个至少被局部加热。
2.如权利要求1所述的HTM燃料电池，其特征在于，所述电极是阴极，和/或所述反应气体腔室是阴极气体腔室。
3.如权利要求1所述的HTM燃料电池，其特征在于具有一个加热元件。
4.如权利要求3所述的HTM燃料电池，其特征在于，所述加热元件是金属丝，例如是一个蛇形弯曲的金属丝或卷绕的金属丝。
5.如权利要求3所述的HTM燃料电池，其特征在于，所述加热元件是催化燃烧器。
6.如权利要求3所述的HTM燃料电池，其特征在于，通过例如接通电流，所述催化剂层结合电极、气体扩散层和/或极板本身直接用作加热元件。
7.如权利要求6所述的HTM燃料电池，其特征在于，所述加热元件仅仅在电极、极板和/或气体扩散层的局部区域存在，因此既具有可被直接加热的区域，也具有可不被加热的区域。
8.一种用于运行高温-薄膜(HTM)燃料电池组的方法，该燃料电池组包括一个由各单个燃料电池单元组成的堆叠，其中，在燃料电池堆(Brennstoffzellenstack)的温度低于100℃时，至少对一个电极和/或一个反应腔室进行局部加热，使得生成的产物水处于气相，并且呈气态地离开燃料电池单元。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加热温度大于100℃。
10.一种高温-薄膜(HTM)燃料电池组，它至少包括一个具有电极和附属反应气体腔室的燃料电池单元，其特征在于，具有至少用于局部加热各电极和/或各燃料电池单元的其中一个反应腔室的器件。
11.如权利要求10所述的HTM燃料电池组，其特征在于，采用一个燃料电池单元和/或一个单独的蓄电池来使加热器件发热。
12.如权利要求10所述的HTM燃料电池组，其特征在于，通过使可燃气体和氧化剂化合反应来实现所述加热。
全文摘要
本发明涉及一种高温－薄膜(HTM)－燃料电池,一种HTM燃料电池的运行方法以及一种HTM燃料电池组。通过对燃料电池单元进行局部有限加热,使燃料电池单元内的产物水蒸发汽化而非凝结,由此防止电解质在电池起动时被冲洗掉。
文档编号H01M8/04GK1350708SQ00807287
公开日2002年5月22日 申请日期2000年5月12日 优先权日1999年5月19日
发明者曼弗雷德·巴尔多夫, 乌尔里克·格布哈特 申请人:西门子公司