运行具有被动反应物供给的燃料电池系统的方法

专利名称：运行具有被动反应物供给的燃料电池系统的方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，并且更具体而言，涉及运行具有封闭的燃料 供给系统的被动、吸气式燃料电池的方法。本方法的实施方案可用来延 长运行时间并获得高的燃料的利用率。
版权
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背景技术：
电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化成电能。固态聚合物电化学燃 料电池通常使用放置在两个电极(一个阳极和一个阴极)之间的离子交 换膜或别的某种固态聚合物电解质，每个电极都包括一层诱导产生预期 电化学反应的催化剂。 一种常规的氢燃料电池系统的实施方案在图1中 用10示意地表示出来。它包括阳极12和氬气入口 14，以及阴极18和 空气入口 20。氢气在入口 14进入燃料电池，在阳极12被氧化而形成 质子16和电子17。通常来自空气的氧气在阴极18被还原而形成水22。 燃料电池系统也包括用于质子从阳极12通往阴极18的质子交换膜24。 除了传导氢离子，膜24还将氢燃料流和氧化剂流隔离。常规的燃料电 池也包括分别用于氧化剂和燃料的出口 24和26。在许多常规的燃料电池中，导电的反应物流场板用来引导加压的反
应物流以流过在反应物流的入口和出口之间的阳极和阴极，该反应物流
可以;陂加压。通常，此种反应物流场板具有至少一个形成在一面或两面
上的流动通道或沟槽。流体流场板充当集电器，为电极提供支持，为燃
料和氧化剂提供到达各自的阳极表面和阴极表面的访问沟槽或通道，以 A"k山A * 、、jfe.，'"S: ttH lVH At 恭的忌力A脉蓝银i晶；曾
如果整个电极没有被供给充足的反应物，那么燃料电池的性能会严 重降低。因此，为确保在电极处有充足供给而向燃料电池提供过量反应 物，这在常规的燃料电池中已成为一种常见的做法。对于阳极电极而言， 这通常会浪费昂贵的燃料一一结果降低了燃料的利用率，燃料的利用率 即供给的燃料量与生产电能所实际消耗的燃料量的比值。理想情况是所 有供给到燃料电池的燃料都被用来生产电能(燃料的利用率为l或
100%)。
一些燃料电池被设计成在反应物侧的 一侧或两側以封闭模式运行， 从而试图增加反应物的利用率。在这些情况下，在封闭侧所使用的反应 物通常基本上是纯的。然而，与此类系统相关的问题之一便是非反应成 分的积聚，该非反应成分往往会堆积在阳极上并稀释局部的燃料浓度。 如果不能得到维持功率需求所需的燃料供给(即使在系统中个别燃料电 池内的局部)，那么燃料电池系统可能会遭受总体或局部的燃料不足。 燃料不足可能会给燃料电池造成永久的、不能挽回的、实质性的损坏， 结果导致系统的低性能或者使得系统完全损坏。
往往积聚在封闭的燃料系统中的阳极的非反应成分有多种来源。一 个就是燃料流自身中的杂质一一 即使燃料基本上是纯的且其他成分的 浓度很低，这些成分也会随着时间的推移而慢慢堆积在封闭系统中。同 样，在阴极生成的水和空气中的氮气(在吸气式配置中)也会往往穿过 电解质并积聚在阳极
一个典型的解决方法是在燃料通道的某处包括一个放气阀(它在封 闭系统的运行中通常是封闭的)，用来定期排出可能在封闭系统的运行 中堆积在阳极的非反应成分的积聚物。在常规的燃料电池的放气系统 中，放气阀有时被打开，例如，手动地或以规律的固定时间间隔，或者 为响应一些监测参数而被打开。可替换地， 一个连续的反应物的小排气孔可以被用来防止非反应成分的积聚。可以成形一个贯穿燃料电池系统 的反应物流动路径，以使得非反应成分往往首先仅积聚在燃料电池组件 中的一个或几个燃料电池上，而不是积聚在该组件中的每一个电池的出 口区域中。
此种系统并非是完全没有出口 (dead-ended)，并且虽然进行放气 或者用一个连续的排气孔可以提高具有封闭的燃料供给的系统的燃料 电池性能，但它却浪费了昂贵的燃料一一因此降低了燃料的利用率。如 果需要放气设备的话，那么它同样增加了系统的附加负荷和复杂性。此 外，将氢气释放到周围环境中可能也是不受欢迎的。


图l是常规的燃料电池的示意图。
图2是示出了针对在多种条件下运行的被动、吸气式10-电池的燃 料电池系统，该燃料电池的电压与运行时间之间的关系曲线图。
图3是示出了针对没有出口并且阳极和阴极之间接近24psig的压 强差的条件下的靠氢气运行的被动、吸气式io-电池的燃料电池系统， 该燃料电池的电压与运行时间之间的关系曲线图。
图4是示出了针对在阳极和阴极之间接近5psig的压强差的条件下 的被动、吸气式平面燃料电池阵列的长时间没有出口的运行，该燃料电 池的电压与运行时间之间的关系曲线图。
图5是本发明的燃料电池系统的一个实施方案的分解立体图。
详细说明
下面的详细说明包括对构成了本详细说明的一部分的附图的引用。 附图以图解的方式示出了可在其中实践本发明的具体实施方案。这些实 施方案，在本说明书中也称为"实施例，，，被说明得足够详细以使得本 领域的普通技术人员能够实践本发明。在不偏离本发明的范围的情况 下，可以组合这些实施方案，也可以利用其它的实施方案，或者，可以 进行一些结构的或逻辑的改变。因此，下面的详细说明不应祐j人为有限 制的含义，本发明的范围是由所附的权利要求书和其等效物限定的。
在本文件中，除非上下文中另有所指，术语"一"或"一个'，用来包括一个或多个，术语"或"用来表明非排他的。另外，应理解，在本 说明书中所使用且没有别的定义的措词或术语，仅仅是为了说明的目的 而非限制性的。而且，本文件中所引用的所有出版物、专利、专利文件 都通过引用的方式全部纳入本说明书中，就像它们通过引用单个纳入一 样。在本文件和那些通过引用被纳入的文件之间存在不一致的用法情况
时，在被纳入的文献中的用法应该被认为是本文件的用法的补充；对于 不能协调的不一致，本文件中的用法占主导地位。
尽管在本说明书中公开了本发明的详细实施方案，但是应理解本发 明的所公开的实施方案仅仅是示例性的，本发明可以以不同的方式以及 替代的方式实施。在本说明书中所公开的具体的结构细节和功能细节不 应看作是限制性的，而仅应看作是一个用于教导本领域的普通技术人员 以不同的方式使用燃料电池的运行实施方案的基本要素。在所有附图 中，相同的元件被赋予相同的数字。在本说明书中所说明的燃料电池运 行方法的实施方案通常应用到燃料电池发电，包括运输应用、便携式电 源、家用及商用发电、大功率发电、小功率发电，以及应用到能够从本 系统的使用中受益的任何其它应用中。
在本说明书中所说明的本发明的实施方案，涉及一种运行具有封闭 的燃料供给的被动、吸气式燃料电池的方法。
正如在本说明书中所使用的，"被动，，指的是反应物的流动没有利 用任何外部机械能。例如，反应物的流动可以是由扩散或压强梯度差引 起的。例如，在燃料电池系统中的被动运行下，反应物的压强可能会被 调节、调整或者改变。
正如在本说明书中所使用的，"没有出口"指的是以下这样的一种 燃料电池或燃料电池系统在该燃料电池或燃料电池系统中，燃料没有 被再循环流经燃料电池，或者也没有被从燃料供给中耗尽/释放/排出。 例如，任何从燃料源流到 一个或多个燃料电池的燃料都被燃料电池反应 消耗掉。例如，对于没有出口的运行，燃料电池或燃料电池系统包括封 闭的高压室。对于一些实施方案，没有出口的燃料电池系统包括封闭的 燃料出口，而对于其它的实施方案，没有出口的燃料电池系统不包括燃 料出口。
正如在本说明书中所使用的，"压强"指的是均匀施加在表面的力，可用每一单位面积上的压力来计量。例如，可以随着在燃料电池系统中 的使用来调节或者改变反应物或者燃料的压强。在本说明书中所使用的 压强，包括绝对压强测量值和相对压强测量值。
正如在本说明书中所使用的，"进行放气"或"放气"指的是排出、 释放或者清除一种物质或者多种物质。例如，对于一些实施方案，这类 物质可能包括非反应成分或者杂质的积聚物。例如，非反应成分可能会 堆积在封闭的燃料电池系统的电极处，可以通过诸如打开阀门进行放气 而被清除掉。
正如在本说明书中所使用的，术语"燃料供给"指的是存储燃料的 任何装置或组件。燃料的一个实例是氢。在燃料供给中，可以使用多种 机构来存储燃料。例如，在氢燃料供给中，氢可以被存储为金属氩化物、 合成金属氢化物、碳-石墨纳米纤维、压缩氢气、化学氢化物或者这些 物质的组合。对于一些实施方案，除所述燃料存储材料外，燃料供给还 包括燃料存储物质和元件。对于一些实施方案，燃料供给是内部的，例 如燃料贮存器。对于另外的实施方案，燃料供给是外部的或者可移除的，
比如燃料筒(fuel cartridge)。对于另外的实施方案，燃料供给是内 部元件和外部元件的组合，例如填充贮存器的筒，该贮存器可选地通过 燃料高压室向燃料电池系统的阳极提供燃料。
正如在本说明书中所使用的，术语"燃料高压室，，、"燃料盒" 以及"燃料腔，，指的是容纳燃料并且可以与燃料电池的阳极流动接触的 装置。燃料高压室、燃料盒以及燃料腔包括能变形的实施方案，整体成 形在燃料电池系统中的实施方案，以及可能有多种形状和尺寸的实施方 案。
在大多数的常规的燃料电池中，通常施加压力来迫使燃料流流至阳 极，尽管在一些情况下该燃料是从压缩源供给的。通常燃料电池系统也 包括某种主动流动控制，它能调节一种或两种反应物的供给速度以响应 燃料电池的功率输出需求或者一些其它参数。经常使用转子式流量计或 者质量流量控制器。
在被动、吸气式燃料电池中，仅将阴极暴露于周围空气。当燃料电 池运行时，阴极消耗周围空气中的氧来维持燃料电池的反应。因此空气 通过扩散被提供给阴极。到阴极的氧化剂不存在主动流动控制，本身就没有氧化剂入口或出口。对于一些实施方案，具有被动反应物供给的燃 料电池组件包括被改变的、受控的、或被调整的压强运行。
封闭的燃料盒意味着到燃料电池的燃料供给是没有出口的。燃料流 动地接触燃料电池组件的阳极并通过还原反应被消耗掉。当燃料被消耗 时，该燃料可以从燃料供给流入燃料高压室，例如如果燃料是被加压的， 那么该燃料可通过强制对流使其从燃料供给流入燃料高压室。根据燃料 流动路径的配置，在进行反应时，燃料可以从一个电池流向下一个电池， 但是整个组件在阳极侧具有一个没有出口以及没有燃料的排出或者抽 出的封闭的燃料盒。然而，公认的是，在一些特定情况下通过穿过电解 质向阴极的扩散可能存在少量燃料的损耗。
在一个实施方案中，在图5中用IOO以分解立体图的形式示出了燃 料电池系统，除了包括其他元件以外，该燃料电池系统包括至少一个燃 料电池层102,该燃料电池层包括其间放置有导离子的电解质109的阳 极108和阴极107以及燃料供给104 (例如燃料筒或内部燃料贮存器)。 在各种实施例中，燃料供给104可选地包括燃料加注口 112和/或压强 调节器IIO。燃料加注口 112是允许诸如流体燃料之类的流体流入燃料 供给104的压强启动阀。
可以通过将燃料电池层102紧邻燃料贮存器104的至少一个表面来 定位而生成燃料盒或燃料高压室(未示出)。与燃料电池层102接触的 燃料供给104表面的周边可被诸如(可压缩的或有弹性的)垫圏或者粘 合剂等的密封构件126密封，从而形成密封的燃料盒(未示出)。在示 范的实施方案中，压强调节器IIO将燃料供给104流体连接到燃料盒或 燃料高压室(未示出)。
运行此类燃料电池系统的方法的实施方案，包括将阴极107暴露于 周围空气，以及通过其压强高于周围空气的压强的燃料高压室(未示出) 向阳极108供应燃料流。
已经发现，利用阳极108与阴极107的正压强差来在被动、吸气式 燃料电池系统中提高性能和/或延长运行时间，和/或达到高的燃料的利 用率。通过利用正压强差，使燃料的利用率超过7W或者甚至超过90% 是可以实现的。
人们认为，阳极的较高燃料压强妨碍了氮气从在阴极侧的空气转移。氮气在封闭的燃料盒中的积聚会最终导致至少局部燃料不足，带来 燃料电池性能降低，以及可能导致对燃料电池自身的完全损坏。然而， 如果压强差太大(燃料压强太大)，将会发生大量氩气从阳极横越到阴 极。这浪费了燃料(降低燃料的利用率)，并会妨碍阴极的氧化反应。
另外，利用阳极108与阴极107的压强差，可能会允许改进电池中 的水管理行为。这会对电池运行产生重要影响，因为水的存在会影响从 电解质内的质子传导到电极内反应物气体输入的一切事情。
在本方法的一些实施方案中，燃料基本上是纯氢气。例如，氢气可 以供应自压缩氢源，储氢材料，例如金属氢化物、合成金属氢化物、碳 -石墨纳米纤维、或化学氢化物氬源。存在很多种金属氢化物可被用作 储氢材料，它们通常依据其晶体结构(即，ABs， AB2， AB BCC)被分组。 氢化物可以是金属或金属合金。氢化物的实例包括，但不限于LaNi5、 FeTi、稀土金属混合物的氩化物(金属或矿石的混合物，例如MmNi5)、 钒氢化物、镁氢化物、金属间氢化物、固溶体氢化物、多相氢化物、合 成氢化物、它们的合金、或者它们的固溶体。化学氢化物氩源的实例包 括，但不限于硼氬化钠、铅氬化钠以及铅氬化锂。
在一些实施方案中，燃料通过例如在图5中用IIO所示的压强调节 器被供给到燃料盒。可以在稳定压强或者变化压强下供给燃料。例如， 供给燃料所用的压强可以被调节以响应系统性能的一个方面，例如燃料 电池或者燃料电池层的功率需求。在没有主动流动控制(例如，不使用 质量流量计或者转子式流量计)的情况下供给燃料；在本方法的一些实 施方案中，将燃料供给到阳极所用的压强可以不依赖对燃料电池或例如 在图5中用102所示的燃料电池层要求的功率。在一些实施方案中，供 给到燃料盒(未示出)的燃料压强是不可调节的。例如，燃料盒可以流 体连接到金属氢化物的储氢系统，以使得无论以多大的压强将氢气从金 属氲化物中释放，它都能够从金属氢化物中接受氢。可以在多种可以被 构形为被动、吸气式燃料电池的燃料电池结构中实施在本说明书中所说 明的方法实施方案。例如，本方法的实施方案可以用于在共有的美国专 利申请中公开的那种燃料电池组件中，如标题为COMPACT CHEMICAL
REACTOR的第10/887, 519号美国专利申请，标题为COMPACT CHEMICAL REACTOR WITH REACTOR FRAME的第10/818， 610号美国专利申请，标题为FUEL CELL LAYER的第10/818, 611号美国专利申请，标题为FUEL CELL LAYER WITH RECTOR FRAME的第10/818, 843号美国专利申请，以及标 题为ELECTROCHEMICAL FUEL CELLS FORMED ON PLEATED SUBSTRATES 的第11/047, 557号美国专利申请，以上都通过引用的方式纳入本说明 书中。作为另一个实施例，本方法的实施方案可以用于在共有的标题为 ELECTROCHEMICAL FUEL CELLS HAVING CURRENT-CARRYING STRUCTURES UNDERLYING REACTION LAYERS的第11/047， 560号美国专利申请(同样
的燃料电池组i。 、 、 — '
组件中的燃料电池可以以并联、串联或者以包括二者的组合的分组 的形式电连接起来。本方法的实施基本无关于组件中燃料电池相互电连 接的方式
可用多种方式构形封闭的燃料盒。例如，它可被构形为使得燃料被 供给到并联的多个阳极中的每一个，或者使得燃料被供给到串联的阳极 中的一些或者全部，或者它以一些其他的结构被构形。再者，本方法实 施方案的实施无关于组件中电极的相互流体连接的方式，尽管它可能会 为特定的设计而被最优化。
像常规的燃料电池一样，燃料电池组件不需要包含不连续的流体沟 槽来在电极的表面上引导反应物。
在一些实施方案中，设计了将燃料供给104直接连接到燃料电池组 件，以使得燃料被整体容纳在阳极和燃料供给之间，以致燃料高压室不 再是燃料电池系统的明确元件，而相反可被认为是通过该系统的其他元 件的集成而被隐含制造出来的。在一些实施方案中，燃料高压室被直接 集成进燃料供给中，这样燃料供给和燃料高压室在实质上成为一个实 体。
暴露的阴极可能需要保护以避免许多危害。这些危害可包括但不限
于，如磨损或刺穿之类的物理损害，过分干燥，过分潮湿以及如so2、
CO及C02的空中杂质，它们对催化剂和/或燃料电池的性能是有害的。
因而，燃料电池系统也包括保护阴极的机械装置。另外，这些机械装置 也可用于影响、改进，和/或者控制该系统的水管理方面。这些装置的
实例包括，但不限于1. 沉积在气体扩散层内部、被激活用来吸收杂质的碳层。
2. 沉积在燃料电池表面上、使得阴极能防水的疏水层。
3. 在燃料电池上的多孔罩，包括
i. 多孔、疏水的Teflon⑧罩布
ii. 多孔活性碳过滤器
4. 篩网或者网孔罩。
这些用来保护阴极的机械装置可以单独使用，也可以彼此联合使 用。必须理解，这些机械装置仅仅是用来防护阴极的方法实例，而不是 一个详尽的列表。
在一些实施方案中，燃料电池系统包括燃料盒入口和塞紧的燃料盒 出口。对于一些实施方案，燃料电池系统根本不包括燃料盒出口。燃料 电池系统可以包括暴露于或者用流体接触于周围空气的阴极。燃料电池 系统也可以包括放置在阳极和阴极之间的电解质。对于一些实施方案， 电解质包括一种离子交换膜，或者导离子电解质。
如果燃料盒出口存在，那么该燃料盒出口将被塞紧以防止氢气从燃 料电池系统泄露，从而有效地使燃料盒没有出口。在本说明书中所说明 的方法实施方案也包括在能够有效减少氮气穿过电解质扩散的燃料压 强下运行燃料电池系统。
在本说明书中所述的方法实施方案通过确定有效的燃料压强并将 该燃料压强应用到燃料电池的运行，来提高燃料电池的效率和性能。可 选择燃料压强来改进和/或控制经过燃料电池的水平衡。可通过评价运 行变量来选择燃料电池的运行点，这些运行变量例如是但不限于温度、 压强、气体成分、反应物利用率、水平衡、电流密度以及诸如杂质和电 池寿命等影响理想的电池电势和电压损耗数量的其他因素。在现有技术 的系统中，通常在施加到系统的负荷变化和响应所施加负荷的变化的系 统之间存在一个"时间延迟"。在本说明书中所述的本发明的方法实施 方案可消除该时间延迟和由该时间延迟导致的问题，因为本发明的方法 实施方案依靠给燃料盒固定地施加的内部燃料反馈压强。对于一些实施 方案，内部燃料反馈压强是预先选择的。不需要其他燃料反馈控制。对 于一些实施方案，控制燃料反馈的唯一装置是压强调节器。对于一些实 施方案，燃料反馈压强不是预先选择的，而是通过压强调节器控制的，可以基于任何数量的期望参数，例如环境条件、功率需求，和/或燃料 数量而被修改。
因为燃料是以超过反应需求的量提供给燃料电池系统的，所以燃料 控制允许在没有动态控制下进行更多灵活运作。压强控制而非流量控制 允许有改善的、稳定的燃料供给控制。另外，使用压强控制而非流量控 制来控制燃料供给能够简化向燃料电池或燃料电池堆的燃料供给，因为 燃料控制是无关于负荷需求的。虽然已描述了用于调节到达燃料电池
(组)的燃料压强的反馈控制，但是应理解，其他类型的控制也可适合 于特定的应用类型。对于一些实施方案，燃料电池系统也包括防止燃料
从燃料电池系统损失的密封材料，诸如图5中用126示出的。燃料电池 系统也可包括正电连接器和负电连接器。
在本说明书中给出了应用所述方法实施方案的实施例。给出实施例 是为了更好地说明方法实施方案，而不是为了限制它们。
实施例1
图2中显示的测试结果表明在达到延长运行时间和稳定性能的同 时实现高的燃料的利用率的困难。图2表明燃料电池系统运行在没有出 口的模式和开有出口模式时有着不同的燃料的利用率。在所有四个测试 中，为了供给氧化剂，燃料电池阴极仅暴露于周围空气；将纯净、不潮 湿的氢气从压缩气缸引导至阳极。所研究的燃料电池是运行在 200mA/cm2的10-电池组件。
曲线A表明当燃料电池系统在开有出口(即氢气流经阳极并通过出 口流出)时以小于lpsig的氢气压强运行时的电压与运行时间的关系曲 线图。流速应达到使燃料的利用率在90%左右，换句话说，供给到阳极 的大部分氢气都被消耗掉。在这个高的燃料的利用率(以及相应的低氢 气流速)下，燃料电池的性能仅在约5分钟之后就迅速衰减为零。
曲线B，即一直贯穿整个图的平直曲线，表明同种类型的燃料电池 系统的开有出口的运行，但流速仅达到使得燃料的利用率为40%左右， 换句话说，充分过量的氢气被供应到阳极，并通过燃料出口流出燃料电 池系统。在这样的条件下，燃料电池呈现的稳定性能超过一个小时(在 该时间时，人为停止了该测试)。曲线c，即有两个电压降的曲线，表明没有出口 (燃料出口被封闭) 的同样类型的燃料电池系统靠氢气运行并达到约90%的氢气利用率。阳 极与阴极的压强差初始为约0.25psig。随着电压开始降低，阳极与阴 极的压强差被增加到约2. 85psig。尽管燃料压强增加，但是燃料电池 电压仅在约20分钟后就迅速消减为零。 一旦暂时地打开燃料出口阀， 允许少量氢气从燃料电池系统排出，那么尽管压强差约2. 85psig,燃 料电池电压也会快速恢复，但在出口闭合数分钟内将会再次消减为零。
实施例2
在这个实施例中，与实施例1中相同的IO-电池组件没有出口地靠 氢气运行，并伴随以更高的阳极-阴极压强差一一这次约为24psig。同 样，仅阴极暴露于周围空气以提供氧化剂。图3表明了在该没有出口的 运行期间的电压与运行时间的关系曲线图。该图表明燃料电池在约7. 0 至7.5伏的电压值，运行超过25， 000秒(将近7小时)，在该时间时 人为停止测试。这表明了在燃料侧没有出口的被动、吸气式燃料电池系 统中使用高压强差的好处。对于在这些运行条件下的该特定类型和尺寸 的燃料电池系统，2. 85psig的压强差是不够的(正如实施例l所示)， 而24psig的压强差显著地延长了运行时间。
实施例3
在本实施例中，使用一种与实施例1和2中所采用的燃料电池结构 不同的燃料电池结构来测试本方法(正如"ELECTROCHEMICAL FUEL CELLS HAVING CURRENT-CARRYING STRUCTURES UNDERLYING REACTION LAYERS" 中所述)，如图4中所示，在200mA/cm'下测量电压与运行时间的关系 曲线。周围的温度也被监测，并在该图中示出。同样为了供给氧化剂， 仅燃料电池阴极暴露于周围空气。氢气以约5psig的压强被供给到没有 出口的阳极。数据表明该堆在4至8伏的电压范围内运行了约1900小 时(超过10周)。氢气始终保持没有出口一一没有排出或者进行放气。 周围的温度在约20至35r的范围内。
因此，对于在上述运行条件下的该特定燃料电池结构，5psig的阳 极-阴极压强差就足够允许在延长的时间段内靠氢气进行稳定的、没有出口的运行。
对于一些实施方案，本说明书中的所述方法中所使用的燃料电池组 件被集成进电动设备的壳体内。燃料电池同电动设备壳体的集成提供了 燃料电池阴极区域的部分构成设备盒外部部分的机会。这能够节省空 间。在一些实施方案中，阴极暴露于周围环境，而阳极和燃料高压室位 于燃料电池系统的内表面上。应认为，在本说明书中所说明的方法和燃 料电池实施方案可以被并入电子设备中。例如，这类电子设备可以是下
列的设备移动电话、个人数字助理(PDA)、卫星电话、膝上型计算 机、便携式DVD播放器、便携式CD播放器、便携式个人护理设备、便 携式立体声装置、便携式电视、雷达、无线电广播发射机、雷达探测器、 笔记本电脑及它们的组合。
在本发明的一些实施方案的说明中，作为本说明书的一部分的附图 被引用，在该附图中通过举例的方式示出了可以被实践的本发明的具体 实施方案。在附图中，相同的数字表明了诸多图示中基本相似的元件。 充分详细说明这些实施方案以确保本领域的普通技术人员能够实践本 发明。在不偏离本发明范围的情况下，可以使用其他实施方案，也可进 行构造上、逻辑上以及电学上的变化。下列详细说明不被认为存在限定 含义，本发明的范围仅仅由所附的权利要求书以及由此权利要求书所授 权的相等同的整个范围所限定。
权利要求
1.一种运行具有被动反应物供给的燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括多个阳极和多个阴极，所述阳极和阴极被导离子的电解质隔开；以及封闭的燃料供给，其与所述多个阳极流动接触，该方法包括a.将所述阴极暴露于周围空气，b.以高于周围空气压强的压强向所述阳极供给燃料。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是氢气。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料的利用率超过75%。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料的利用率超过90%。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过至少一个压强调节器 来控制燃料供给压强。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料供给包括储氩材 料，该储氢材料从包含下列材料的组中被选出金属氢化物、合成金属 氢化物、碳-石墨纳米纤维、压缩氢气、化学氢化物。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料在大致不变的压 强下被供给到所述多个阳极。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料被供给到所述多 个阳极的压强无关于所述燃料电池系统的功率需求。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中，在所述封闭的燃料供给和 所述多个阳极之间没有压强调节部件。。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料被供给到所述多 个阳极的压强取决于所述燃料电池系统的功率需求
11. 根据权利要求1所述的方法，其中， 一个或多个压强控制部件 被放置在所述封闭的燃料供给和所述多个阳极之间。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料供给包括金属氢 化物。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料没有受潮。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统包括燃 料电池的平面阵列。
15. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述平面阵列中每一个单独的燃料电池的面积在0. 00000001cm'至1000cm'的范围内
16. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应物燃料被供给到 并联的所述多个阳极中的每一个。
17. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应物燃料被供给到 串联的所述多个阳极中的至少一部分。
18. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述导离子的电解质是质 子交换膜。
19. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述导离子的电解质包括 聚合全氟磺酸。
20. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述导离子的电解质的导 离子性取决于其水合作用水平。
21. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述导离子的电解质的厚 度在l微米到IOO微米的范围内。
22. —种运行具有被动反应物供给的燃料电池系统的方法，所述燃 料电池系统包括至少一个阳极，至少一个阴极，同时在每个阳极和每个 阴极之间放置有导离子的电解质，以及燃料供给，所述燃料供给连接到 所述燃料电池系统，所述方法包括:a. 将所述燃料供给压缩到一个比周围压强更高的压强，b. 将所述阴极暴露于周围空气。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中，所述燃料供给包括一种 金属氢化物。
24. —种运行具有被动反应物供给的燃料电池的方法，所述燃料电 池包括至少一个阳极，至少一个阴极，同时在所述阳极和所述阴极之间 放置有导离子的电解质，以及包括所述阳极的封闭的燃料高压室，其中 所述燃料高压室连接到燃料供给，所述方法包括a. 将所述阴极暴露于周围空气，b. 通过所述燃料高压室以高于所述周围空气压强的压强向所述阳 极供给燃料。
25. —种运行具有被动反应物供给的燃料电池系统的方法，所述燃 料电池系统包括至少一个阳极和至少一个阴极，同时在每个阳极和每个 阴极之间放置有导离子的电解质，以及封闭的燃料供给，该封闭的燃料供给流动接触所述至少一个阳极，所述方法包括a. 将所述阴极暴露于周围空气，b. 以高于所述周围空气压强的压强向所述至少一个阳极供给燃料， 其中所述压强被选择以使得在稳态运行中所述燃料电池达到水平衡，以 致所述燃料电池系统产生的水量基本上等于从所述燃料电池系统释放 的水量。
26. —种运行具有被动反应物供给的燃料电池系统的方法，所述燃 料电池系统包括至少一个阳极和至少一个阴极，同时在每个阳极和每个 阴极之间放置有导离子的电解质，以及封闭的燃料供给，该封闭的燃料 供给流动接触所述至少一个阳极，所述方法包括a. 将所述阴极暴露于周围空气，b. 以高于所述周围空气压强的压强向所述至少一个阳极供给燃料， 其中所述压强能够有效降低从所述阴极到所述阳极的氮气扩散，并维持 所述电解质的充分水合作用。
27. 根据权利要求l、 22、 24、 25、 26所述的方法，其中，所述燃 料电池系统被集成进下列设备的一个或多个的壳体中便携式电源、移 动电话、PDA、卫星电话、膝上型计算机、便携式DVD播放器、便携式 CD播放器、便携式个人护理设备、便携式立体声装置、便携式电视、 无线电广播发射机、雷达发射机、雷达探测器、笔记本电脑，任何便携 式电子设备，任何便携式通信设备及其组合。
28. 根据权利要求l、 22、 24、 25、 26所述的方法，其中，燃料的 压强被调整。
29. 根据权利要求l、 22、 24、 25、 26所述的方法，其中，燃料没 有通过从所述阳极放气或者排出而从所述燃料电池系统中释放。
全文摘要
描述了一种运行被动、吸气式燃料电池系统的方法。在一个实施方案中，该系统包括一个或多个燃料电池，以及连接到燃料供给的封闭的燃料高压室。在本方法的一些实施方案中，燃料电池的阴极暴露于周围空气，以及燃料在高于周围空气压强的压强下通过所述燃料高压室被供给到阳极。
文档编号H01M8/04GK101411023SQ200780010642
公开日2009年4月15日 申请日期2007年1月25日 优先权日2006年1月25日
发明者J·施鲁特恩, J·罗伯茨, J·齐默尔曼 申请人:昂斯特罗姆动力公司