專利名稱：燃料電池裝置及對(duì)其進(jìn)行操作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到燃料電池裝置的操作。
背景技術(shù)：
燃料電池可用于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中公知的其它各種應(yīng)用尤其是電子器件進(jìn)行供電和/ 或充電。針對(duì)用作這樣的電源的燃料電池的典型功率水平為0.1至50瓦。此類型燃料電池中通常使用的燃料為氫氣。PEM(聚合物電解質(zhì)膜或質(zhì)子交換膜)燃料電池是一種通常類型的燃料電池。然而， 這樣的燃料電池對(duì)高的電池電壓是敏感的，因?yàn)殡姵貕勖纱耸艿较麡O影響。高的電池電壓導(dǎo)致碳腐蝕、催化劑溶解和離聚物降解。因此希望的是盡可能避免高的電池電壓。此外， 陽(yáng)極隔室中的化(氧氣)和吐(氫氣)的混合物已圖示成用以進(jìn)一步減少M(fèi)EA (膜電極組件) 的壽命。參看參考文獻(xiàn) 1)F. A. deBruijn、V. Α. Τ. Dam 以及 G. J. Μ. Janssen 在 Fuel Cells 08，2008，1，3-22上的文獻(xiàn)Review: Durability and Degradation Issues of PEM Fuel Cell Components,以及參考文獻(xiàn) 2)Wolfgang Schmittinger> Ardalan Vahidi 在 Journal of Power Sources, 2008 , 180 ,1-14 上的文獻(xiàn) A review of the main parameters influencing long-term performance and durability of PEM fuel cells。因此希望的是，縮短氫氣和氧氣二者都存在于氫氣隔室中的時(shí)間。此外，據(jù)信的是，若電池電壓通過例如對(duì)電池進(jìn)行短路而得以降低，則在陽(yáng)極隔室中氫氣和氧氣氣體的混合物是對(duì)MEA而言有害程度較輕的。因而，電池保留處于開路電勢(shì)的時(shí)間、以及電池暴露于化和H2的混合物的時(shí)間應(yīng)當(dāng)被最小化。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到以上在背景技術(shù)中呈示的問題，本發(fā)明的目的在于，通過燃料電池組件的新穎設(shè)計(jì)以及通過新穎的啟動(dòng)程序來改進(jìn)燃料電池的壽命。在第一方面由如權(quán)利要求1所限定的燃料電池裝置，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了上述目的。因而，提供了一種燃料電池裝置，其包括具有至少一個(gè)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池組件，以及用于提供燃料流的燃料輸送器件。新穎的和創(chuàng)造性的特征在于，該裝置具有用于預(yù)燃的器件。此預(yù)燃器件適于燃燒在啟動(dòng)期間(即，在裝置開始輸送功率之前)進(jìn)入燃料電池組件的燃料，并且適于繼續(xù)燃燒直至燃料流增加到預(yù)定水平和/或氧氣濃度減低到預(yù)定水平。這樣，排除了氫氣和氧氣混合物的有害的水平。在第二方面，本發(fā)明提供了權(quán)利要求8中限定的操作燃料電池裝置的方法。此方法包括通過使得燃料輸送器件來輸送燃料流而開啟所述啟動(dòng)。隨后，使得用于預(yù)燃的器件來燃盡進(jìn)入燃料電池組件的燃料。燃料流和/或氧氣濃度受到監(jiān)測(cè)。當(dāng)燃料流增加到預(yù)定水平和/或氧氣濃度降低到預(yù)定水平時(shí)，從在其期間沒有輸送功率的啟動(dòng)切換到功率產(chǎn)生。
在從屬權(quán)利要求中提出了優(yōu)選實(shí)施例。


下列附圖示出了根據(jù)本發(fā)明由燃料電池供電的電源。圖1是由燃料電池供電的電源中部件的示意圖，
圖2是由燃料電池供電的電源中電源管理電子器件的示意圖， 圖3a是由燃料電池供電的電源的截面圖，其里面的部件具有圓柱形燃料杯/反應(yīng)器， 圖北是4電池平板燃料電池組件的示意圖，其具有的每個(gè)電池連接至可變電阻器， 圖4示出了針對(duì)根據(jù)本發(fā)明的由燃料電池供電的電源的氫氣流量隨時(shí)間變動(dòng)的曲線，
禾口
圖5是用于預(yù)燃的器件的示意性分解圖。
具體實(shí)施例方式當(dāng)參考本申請(qǐng)中的表述“燃燒”時(shí)，其意思是，由電化學(xué)燃燒或非電化學(xué)燃燒反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的氫氣的消耗。在圖1中示意性示出的根據(jù)本發(fā)明由燃料電池供電的電源的一個(gè)實(shí)施例包括下列部件。燃料源，優(yōu)選為氫氣產(chǎn)生器容器1 ；用于鎖定和關(guān)閉所述氫氣產(chǎn)生器容器的機(jī)構(gòu)2 ； 過濾器或膜3，其為燃料氣體可滲透的、并且可以是疏水性的；用于預(yù)燃的器件4;燃料電池組件5 ；傳感器單元6 ；以及壓力釋放閥7。在圖中也示出了蓄電池8以及電子控制電路9， 所述電子控制電路用于控制從燃料電池組件5抽取的功率、以及來自裝置10的功率輸出。圖2示意性示出了在燃料電池裝置10中的電子電路9的功率電子器件。為了調(diào)節(jié)來自裝置10的電壓輸出，燃料電池組件5連接至第一直流-直流轉(zhuǎn)換器91并且隨后連接至第二直流-直流轉(zhuǎn)換器92，如圖2中所示。來自第二直流-直流轉(zhuǎn)換器92以及來自整個(gè)燃料電池裝置10的功率輸出被饋送至USB連接器11。蓄電池8連接至直流-直流轉(zhuǎn)換器91和92。因而，當(dāng)需要時(shí)，蓄電池8將會(huì)被第一直流-直流轉(zhuǎn)換器91充電，并且蓄電池 8也能夠供應(yīng)功率給第二直流-直流轉(zhuǎn)換器92?，F(xiàn)在，將會(huì)概括地描述本發(fā)明背后的基本原理。在燃料電池裝置10的啟動(dòng)期間，正如上面參考圖1和2所述的，將會(huì)存在著來自氫氣產(chǎn)生容器1的吐與空氣的混合物，因?yàn)樵跉錃猱a(chǎn)生反應(yīng)開始之前在氫氣產(chǎn)生容器1里面存在著一些空氣。此外，在燃料電池組件5的陽(yáng)極GDL (氣體擴(kuò)散層)以及氣體通道內(nèi)存在著空氣。此空氣體積也必須在啟動(dòng)期間進(jìn)行反應(yīng)或被沖洗掉。為了減少燃料電池暴露于H2與空氣的混合物的時(shí)間，根據(jù)本發(fā)明在燃料電池組件中的電池被激活以產(chǎn)生功率之前執(zhí)行混合物的預(yù)燃。為了產(chǎn)生這樣的預(yù)燃，存在著根據(jù)本發(fā)明的一定數(shù)目的選項(xiàng)。一般而言，我們指的是用于此功能的用于預(yù)燃的器件。用于預(yù)燃的此器件可從下列之一中選擇
1)非電化學(xué)裝置，其適宜地為催化裝置。2)電化學(xué)裝置，適宜地為布置在功率產(chǎn)生燃料電池組件之前的小型專用燃料電池。3) 1)和 2)的組合。
4)功率產(chǎn)生燃料電池組件中的一個(gè)(優(yōu)選地為第一個(gè))或所有電池可以被設(shè)置成用以通過短路而執(zhí)行預(yù)燃操作。在以上非詳盡清單中沒有提及的其它選項(xiàng)當(dāng)然同樣是可能的，并且屬于創(chuàng)造性的想法
ο在第一實(shí)施例中，提供了專用裝置作為用于預(yù)燃的器件4。正如所指示的，其可以是電化學(xué)或非電化學(xué)裝置。后者優(yōu)選地是催化裝置。如果用于預(yù)燃的裝置是非電化學(xué)的，則來自反應(yīng)室的氧氣和氫氣混合物將會(huì)反應(yīng)并且在到達(dá)功率產(chǎn)生燃料電池組件5之前形成水。用于預(yù)燃的非電化學(xué)器件4適宜地為催化裝置(即，其上有催化劑的表面)，其定位在氣體流動(dòng)通道中在燃料電池組件5的電化學(xué)部分之前。此催化裝置可以例如包括定位于氣體通道中的多孔材料(例如多孔石墨)從而使得氣體流被迫穿過其。在多孔材料的表面上，存在著淀積的催化劑(例如，鉬顆粒)。用于預(yù)燃的器件4應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地與燃料電池裝置的其它部件(例如，圍繞燃料電池裝置10的殼體)成良好熱接觸，從而使得其不過熱。用于預(yù)燃的此器件4將會(huì)在其操作將由入流的氣體的成分加以確定的這種意義上是被動(dòng)的，即，當(dāng)入流氣體中的所有氧氣已被沖洗出時(shí)，在用于預(yù)燃的器件中將不再有反應(yīng)，因?yàn)槿鄙俜磻?yīng)劑之一(02)。在其最簡(jiǎn)化的用法中，預(yù)燃器僅包括非電化學(xué)器件。啟動(dòng)事件隨后可根據(jù)下列次序而進(jìn)展
1)利用燃料匣和水對(duì)氫氣產(chǎn)生容器1進(jìn)行填充，并且將其鎖定到裝置10，由此開啟氫
氣產(chǎn)生。2)緩慢產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致氫氣和空氣(其中具有氧氣)的混合物傳送至非電化學(xué)預(yù)燃器如并且自動(dòng)地與水發(fā)生反應(yīng)，
3)在一段時(shí)間之后，氫氣產(chǎn)生器容器里面的所有空氣已被沖洗掉，并且燃料電池組件中的所有電池達(dá)到了超過0. 75V/電池，隨后燃料電池組件連接至負(fù)載。如果用于預(yù)燃的器件是電化學(xué)的，則氫氣與空氣混合物中的氫氣被消耗。氫氣的消耗導(dǎo)致沒有氫氣饋送至功率產(chǎn)生燃料電池，直至其已達(dá)到較高的流量水平。較高的流量水平被限定為該系統(tǒng)已達(dá)到閾值電流的水平，閾值電流通過對(duì)用于預(yù)燃的器件的短路電阻器上的電壓進(jìn)行測(cè)量而得以確定。用于預(yù)燃的電化學(xué)器件4優(yōu)選地是燃料電池，其具有朝向氣體通道的氫氣電極、 以及與環(huán)境空氣相接觸的陰極。此電化學(xué)燃料電池可以例如是與燃料電池組件5的功率產(chǎn)生電池相同的方式來構(gòu)建的。但是差異在于它提供有用于在電阻器上短路的器件并且它單獨(dú)地定位在氣體流動(dòng)通道中在燃料電池組件5的功率產(chǎn)生電池之前。在再一種實(shí)施例中，非電化學(xué)和電化學(xué)部分的組合將要用作用于預(yù)燃的器件4、并且隨后定位在氣體流動(dòng)通道中。根據(jù)本發(fā)明的由燃料電池供電的電源的功能性特征將會(huì)在下面參考圖3加以描述。在圖3中，示出了來自圖1的大部分部件以及燃料電池裝置10、USB連接器11和用于額外燃料袋的容器12。裝置10包括燃料電池組件5和預(yù)燃器器件4。在圖3a中，預(yù)燃器4示為兩個(gè)部分的組合，該兩個(gè)部分分別為非電化學(xué)部分如和電化學(xué)部分4b。這僅僅代表著一種實(shí)施例，因?yàn)樗鲅b置也可單獨(dú)包括這些部分，即預(yù)燃器可以要么是電化學(xué)的要么是非電化學(xué)的(催化劑)。這將會(huì)參考圖5而更詳細(xì)地描述。燃料電池組件5的輸出單獨(dú)地由來自氫氣產(chǎn)生器容器1的氫氣流量而確定。因此重要的是，氫氣流量不高于燃料電池組件5能夠消耗的流量。在啟動(dòng)期間，即在功率產(chǎn)生開始之前，將會(huì)有沖洗階段來使得燃料電池組件5立起并且運(yùn)行(run)，在這階段期間存在于氫氣產(chǎn)生器容器中以及燃料電池組件中的空氣將會(huì)被沖洗掉。在功率產(chǎn)生期間，燃料電池裝置10將會(huì)工作于“混合式操作”。混合式操作意味著，如果功率要求高于燃料電池組件5能夠輸送的功率，則蓄電池8就將功率供應(yīng)給第二直流-直流轉(zhuǎn)換器92(見圖2)。另一方面，如果功率要求小于燃料電池組件5所輸送的功率， 燃料電池組件5將會(huì)對(duì)蓄電池8充電。當(dāng)蓄電池8運(yùn)行完時(shí)，燃料電池裝置10進(jìn)入內(nèi)部充電操作。燃料電池裝置10使用燃料芯塊(pellet)、或像可滲透袋的包含燃料材料的“茶包”，其安置于氫氣產(chǎn)生容器中?？蛇x地，應(yīng)當(dāng)可能的是打開氫氣產(chǎn)生容器并且在操作時(shí)更改燃料芯塊，因而當(dāng)燃料電池裝置10不操作時(shí)僅使用蓄電池8。針對(duì)燃料電池裝置10中的一個(gè)芯塊/袋的設(shè)計(jì)壽命可變動(dòng)，但典型地是大約1小時(shí)。在燃料芯塊的此壽命結(jié)束時(shí)，氫氣流量的關(guān)停/減小應(yīng)當(dāng)盡可能快以便使正浪費(fèi)的氫氣氣體量最小化。氫氣產(chǎn)生器可工作于環(huán)境壓力條件和略微加壓條件(高達(dá)lbar)。優(yōu)選地，除了從氫氣發(fā)送器進(jìn)入燃料電池的水蒸汽，沒有其它污染物。此外，存在著一種過濾器3(例如疏水性的)，其阻礙液態(tài)水進(jìn)入燃料電池組件，即便當(dāng)反應(yīng)室傾斜且液態(tài)水與過濾器3直接接觸時(shí)也如此。使用了安全閥，諸如壓力釋放閥，以便阻礙氫氣產(chǎn)生器容器1里面的壓力上升。 這可能發(fā)生于氣體出口通道被堵塞的情況，其可能在燃料電池裝置1被上下顛倒時(shí)發(fā)生。適合于此燃料電池裝置10的氫氣產(chǎn)生器典型地基于水的水解工藝。這樣的化學(xué)工藝典型地可以是水溶液與金屬(例如，鋁、鋅、鐵)或金屬合金(例如LixAly)或化學(xué)氫化物、或者其它通過與水反應(yīng)而形成氫氣的化學(xué)組分進(jìn)行反應(yīng)。為了增強(qiáng)或控制產(chǎn)生器中的反應(yīng)，則水溶液的PH可被調(diào)節(jié)。針對(duì)此類型的氫氣產(chǎn)生器，典型地設(shè)置于可滲透袋中的燃料芯塊或燃料片或燃料被安置于填充著水的容器1中以便開始水的水解工藝。包含著氫氣產(chǎn)生材料的芯塊/袋將會(huì)開始經(jīng)由水解反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣?？商娲兀O(shè)置了其中具有復(fù)合物的匣，當(dāng)使其與水接觸時(shí)其能夠逐步形成氫氣。因而，當(dāng)希望從單元抽取功率時(shí)，向匣添加水。在上述實(shí)施例中，預(yù)燃器4是布置在燃料流動(dòng)路徑中在動(dòng)力電池之前的專用裝置。然而，也存在著其它可能的方案。圖北是4電池平板燃料電池組件的示意圖，其中每個(gè)電池FC1、FC2、FC3、FC4分別連接至可變電阻器R1、R2、R3和R4。因而，每個(gè)電阻器可適當(dāng)?shù)卦O(shè)置為高電阻或低電阻。 箭頭代表著集流器CC和從正極到負(fù)極的電流流動(dòng)。虛線代表著氫氣氣體流動(dòng)通道，其設(shè)置于電池下方。從通道開始，存在著去往每個(gè)陽(yáng)極隔室的狹長(zhǎng)開口 E0。在出口端處，存在著氫氣傳感器HS，即對(duì)應(yīng)于圖1中所示的傳感器單元6。在此情況下，其為在電阻器R5上短路的小型燃料電池。氫氣流量隨著時(shí)間的變動(dòng)將會(huì)典型地遵循圖4中所示的曲線。這意味著，氫氣產(chǎn)生以低速率開始，并且增加到最大水平且隨后再次降低。針對(duì)圖4中的曲線的典型時(shí)間跨度(即b-f)是從幾分鐘到若干小時(shí)。典型的流率在從0到500ml/min的最大值的范圍上延伸。典型地針對(duì)標(biāo)稱上為2. 5W的燃料電池而言，流率最大值應(yīng)當(dāng)為25至40ml/min，合適地為大約30ml/min。圖5是用于預(yù)燃的器件4的這種組合實(shí)施例的示意性分解圖，器件4置于氣體流動(dòng)通道41的部段中在燃料電池組件5之前，具有非電化學(xué)部分如與電化學(xué)部分4b的組合。 多孔催化劑床42置于氣體通道41中并且完全地填充其截面。通道41的頂部上是密封著氣體通道41的蓋43。在蓋43的頂部上，安置了充當(dāng)用于預(yù)燃的器件的電化學(xué)部分4b。電化學(xué)部分4b通過凹處44與氣體通道接觸。燃料電池由以下組成集流器箔45 (例如錫涂覆的銅箔)，其在兩側(cè)上的選定區(qū)域上涂覆著粘合劑；陽(yáng)極GDL 46 ；MEA 47;由多孔可壓縮材料制成的框架48;陰極GDL 49;和頂部上的集流器50以及夾持板。頂部集流器在可變電阻器和/或開關(guān)51上被短路。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，用于預(yù)燃的器件4實(shí)施成燃料電池組件5中的功率產(chǎn)生電池之一，優(yōu)選地為最靠近氣體入口的電池。在此實(shí)施例中，電池設(shè)有電阻器用于對(duì)所述電池進(jìn)行短路。在啟動(dòng)期間并且為了執(zhí)行預(yù)燃功能，燃料電池在燃料電池組件5中的恒定或可變電阻器上短路。這是通過電子控制電路9來加以控制的，并且被稱為待命模式。在另一實(shí)施例中，組件5中的多于一個(gè)或全部電池被個(gè)別地短路，因而起到用于預(yù)燃的器件4的作用。氫氣產(chǎn)生器應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地具有相對(duì)短的啟動(dòng)時(shí)間，例如1至2分鐘是優(yōu)選的。此外， 來自氫氣產(chǎn)生器的氫氣流動(dòng)優(yōu)選地達(dá)到穩(wěn)定水平并且停留于該處，且此穩(wěn)定水平應(yīng)當(dāng)是與反應(yīng)的溫度無關(guān)的。氫氣產(chǎn)生器容器1的出口必須被密封，從而使得所有產(chǎn)生的氫氣傳送至燃料電池組件5。因此，氫氣產(chǎn)生器容器1具有鎖定和關(guān)閉機(jī)構(gòu)2。此外，可以有鎖定機(jī)構(gòu)，其確保了氫氣產(chǎn)生器容器1以安全且牢固的方式附接至燃料電池裝置10。為了避免來自氫氣產(chǎn)生器容器1的液態(tài)水進(jìn)入燃料電池組件5，存在著過濾器或膜3，其為燃料氣體可滲透的且可以是疏水性的。其定位在氫氣產(chǎn)生器容器1與燃料電池組件5之間，如圖3所示。在反應(yīng)室里面也可以是疏水性的預(yù)過濾器33。正如在背景技術(shù)中提及的，PEM燃料電池對(duì)氫氣隔室中氧氣與氫氣混合物的存在敏感，并且特別是在啟動(dòng)期間在系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，這樣的氧氣與氫氣的有害混合物發(fā)生于氫氣隔室中。因此，提供了用于防止有害的氧氣/氫氣混合物發(fā)生的器件，其稱為用于預(yù)燃的器件4。也在本發(fā)明的背景技術(shù)中提及的是，希望縮短氫氣和氧氣二者都存在于氫氣隔室中的時(shí)間。反應(yīng)速率將會(huì)在初始時(shí)低，并且增加到最大值，且隨后再次降低到低值。在圖4中圖示了流量隨著時(shí)間變動(dòng)的圖表。典型地，本文中所描述的來自燃料電池裝置10的功率輸出為0. 1至50W，優(yōu)選地為 1至10W。燃料電池組件5可以提供裝置的全部最大功率，但是因?yàn)樵撗b置可在混合模式工作，燃料電池組件5可以設(shè)計(jì)成用來提供大大少于燃料電池裝置10的最大功率的功率。燃料電池組件5典型地是被動(dòng)的平板類型，其中電池安置成在陣列中彼此接近。 燃料電池組件5里面的氣體流動(dòng)可以是串聯(lián)連接的、或并聯(lián)連接的、或它們的組合。串聯(lián)連接意味著，燃料氣體從一個(gè)電池通向另一電池并且隨著氫氣由陣列中的電池所消耗則氫氣的流量接連地減少。并聯(lián)連接意味著，燃料氣體由陣列中的電池共享，從而使得燃料并行地饋送至電池。
傳感器單元6的原理披露在申請(qǐng)人擁有的同時(shí)待決國(guó)際申請(qǐng)PCT/SE2008/050032 中，傳感器單元6可與燃料電池組件5的燃料電池一起使用以便調(diào)節(jié)從燃料電池組件5抽取的功率，從而使得所抽取的功率對(duì)應(yīng)于燃料氣體流量?？蛇x地，可以存在著壓力釋放閥7，其定位于燃料電池裝置10的出口處。此壓力釋放閥7可以例如是傘類型的。壓力釋放閥控制在燃料氣體系統(tǒng)里面維持著一定的過壓(通常為1至5Psi)。需要蓄電池8以使燃料電池裝置10處于待命狀態(tài)。如果燃料電池裝置10處于混合操作，則蓄電池8應(yīng)當(dāng)具有充足的大小，從而使得其可以有效地支持燃料電池。作為電池的替代，可以使用所謂的超級(jí)電容。將會(huì)在下面描述在燃料電池裝置10的啟動(dòng)期間操作的方法，其中用于預(yù)燃的器件4為非電化學(xué)部分如，其安置于氣體通道中在電化學(xué)部分4b之前。所述操作是基于具有燃料氣體供應(yīng)源，其由設(shè)置于可滲透的袋或任何其它通過水解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的匣中的燃料或燃料片或燃料芯塊的水解反應(yīng)來確定。在啟動(dòng)期間，來自反應(yīng)室的氣體是含氧氣的空氣和氫氣的混合物。在非電化學(xué)部分如中，氧氣和氫氣混合物將會(huì)反應(yīng)并且形成水。當(dāng)反應(yīng)室中的所有氧氣已被沖洗出時(shí)，將不再有反應(yīng)。當(dāng)氫氣存在于氣流中、但是對(duì)于正常操作而言總氣流仍過于低時(shí)，將會(huì)使用用于預(yù)燃的器件4的電化學(xué)部分4b。電化學(xué)部分的電壓將會(huì)增加，直至其達(dá)到閾值，例如100mV。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，氣體被認(rèn)為是實(shí)質(zhì)上無氧氣的。隨后釋放了電化學(xué)部分，即其不再被短路。然而，應(yīng)當(dāng)注意到，作為電化學(xué)部分4b的電極是三維的催化表面，其中&和H2也可按非電化學(xué)的方式發(fā)生反應(yīng)。如上所述用于非電化學(xué)和電化學(xué)部分的組合的、針對(duì)非電化學(xué)部分的啟動(dòng)期間的操作方法也適用于單獨(dú)的非電化學(xué)預(yù)燃器。啟動(dòng)階段
現(xiàn)在將會(huì)描述操作的方法。在啟動(dòng)階段之前，電子電路9總是處于待命狀態(tài)。在待命狀態(tài)中，電化學(xué)部分4b被短路。非電化學(xué)部分如因?yàn)槠涔逃性O(shè)計(jì)而總是處于待命狀態(tài)。當(dāng)用于預(yù)燃的器件4的電壓已達(dá)到一定水平(例如，10至50mV或甚至更高)時(shí)，燃料電池裝置 10被開啟，由此觸發(fā)了電子電路9。這發(fā)生于圖4中介于a與b之間的某處。在此操作方法中，在啟動(dòng)階段之前，開啟了指示器燈。當(dāng)用于預(yù)燃的器件4的電壓已達(dá)到50至200mV的區(qū)域(圖4中介于b與c之間的某處)并且入口氣體被認(rèn)為是基本上無氧氣的，則關(guān)斷所述電化學(xué)部分4b。傳感器單元6 現(xiàn)在將會(huì)指示出“高”，并且現(xiàn)在燃料電池裝置10設(shè)置為開以用于內(nèi)部電池的充電。指示器燈仍開啟。在啟動(dòng)階段中另一操作方法是基于使得燃料電池組件5中的所有電池個(gè)別地被短路，即當(dāng)裝置10處于待命狀態(tài)時(shí)充當(dāng)用于預(yù)燃的器件(針對(duì)消費(fèi)者，燃料電池裝置經(jīng)受的是關(guān)斷)。短路的意思是，針對(duì)大約4cm2的燃料電池，在典型地為0. 5至50hm的電阻器上使得每個(gè)個(gè)別的電池短路。在啟動(dòng)階段，當(dāng)?shù)谝浑姵?最靠近燃料產(chǎn)生器容器1的電池)的電壓高于閾值(例如，50mV)時(shí)，將會(huì)開啟裝置10。指示器燈將會(huì)開啟。當(dāng)?shù)谝浑姵氐碾妷阂言黾又恋诙撝?(例如，75mV)時(shí)，第一電池的短路被釋放并且第一電池將會(huì)轉(zhuǎn)至開路電勢(shì)?，F(xiàn)在，第二電池將要達(dá)到第二閾值，并且隨后將會(huì)釋放其的短路。這將會(huì)繼續(xù)，直至所有電池的短路被釋放并且處于開路電勢(shì)。傳感器電池6現(xiàn)在將會(huì)指示出“高”，并且現(xiàn)在燃料電池裝置10設(shè)置為開以用于內(nèi)部電池的充電。啟動(dòng)燈仍開啟。功率產(chǎn)生階段
當(dāng)燃料電池組件5的電流正如電流指示器(例如分流電阻器)所指示的那樣高于100至 300mA的閾值時(shí)。燃料電池組件5承受激活程序(激活程序是對(duì)組件中電池進(jìn)行的接連的短路，由此在短的時(shí)段內(nèi)增加了每個(gè)電池的電流密度)并且此后所述燃料電池裝置10的功率輸出被接通。運(yùn)行燈開啟。燃料電池裝置10被充電并且在混合操作中操作，其中蓄電池8 要么作為功率泵而工作要么作為額外功率而工作，這取決于燃料供應(yīng)源和功率要求。如果電池電壓運(yùn)行得低，則燃料電池裝置10進(jìn)入內(nèi)部充電，即功率輸出下降并且燃料電池裝置 10對(duì)蓄電池8進(jìn)行充電。如果燃料供應(yīng)源例如通過打開氫氣產(chǎn)生器的氫氣產(chǎn)生容器1而被中斷，則燃料電池組件5被關(guān)停，但是功率輸出保持接通一定時(shí)間(例如2至20分鐘)或直至蓄電池8已變?yōu)榉烹?，因而允許用戶插入新的燃料片并且重啟動(dòng)燃料電池組件5。典型地氫氣供應(yīng)可被中斷，因?yàn)槿剂闲緣K被用完并且氫氣氣體流量已降低。當(dāng)燃料電池組件5的電流如電流指示器指示的那樣低于10至100mA、優(yōu)選30至 70mA的閾值時(shí)(在圖4中的曲線上在e與f之間)，燃料電池組件5的功率產(chǎn)生被關(guān)斷。用于預(yù)燃的器件4的電化學(xué)部分4b現(xiàn)在被激活以便再次待命用于操作。本發(fā)明不限于上述優(yōu)選實(shí)施例?？墒褂酶鞣N替代方案、修改和等同物。因此，以上實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)理解為限制本發(fā)明的范疇，所述范疇由所附權(quán)利要求來限定。
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權(quán)利要求
1.燃料電池裝置(10)，包括具有至少一個(gè)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池組件 (5)，以及用于提供氫氣流的氫氣輸送器件，其特征在于，所述裝置設(shè)有用于預(yù)燃的器件 (4)，其適于燃燒進(jìn)入燃料電池組件的燃料，直至燃料流量增加到預(yù)定水平和/或氧氣濃度降低至預(yù)定水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括用于當(dāng)已達(dá)到所述(多個(gè))預(yù)定水平時(shí)切換到功率產(chǎn)生的器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，還包括電子控制電路(9)用于控制裝置(10 )的操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的裝置，其中所述用于預(yù)燃的器件(4)是從催化裝置和專用燃料電池中選擇的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中用于預(yù)燃的器件(4)是催化裝置并且包括多孔材料，多孔材料的表面上設(shè)有催化物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述用于預(yù)燃的器件(4)是燃料并且包括對(duì)電池進(jìn)行短路的電阻器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中用于預(yù)燃的器件(4)包括燃料電池組件(5)中的至少一個(gè)燃料電池，并且其中電子電路(9)適于當(dāng)已達(dá)到所述(多個(gè))預(yù)定水平時(shí)將所述(多個(gè))燃料電池的操作從預(yù)燃切換至電耗。
8.一種操作燃料電池裝置(10)的方法，燃料電池裝置包括具有至少一個(gè)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池組件(5 )，用于提供燃料流的燃料輸送器件，所述裝置以兩個(gè)階段即第一啟動(dòng)階段和第二功率產(chǎn)生階段來操作，所述方法包括以下步驟通過使得燃料輸送器件輸送燃料流來開啟所述啟動(dòng)階段，由此用于預(yù)燃的器件(4)燃盡進(jìn)入燃料電池組件的燃料；和當(dāng)燃料流量增加到預(yù)定水平和/或氧氣濃度降低到預(yù)定水平時(shí)，從啟動(dòng)階段切換到功率產(chǎn)生階段。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括監(jiān)測(cè)燃料流量和/或氧氣濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中用于預(yù)燃的器件(4)是設(shè)置于燃料電池組件之前的專用燃料電池，并且對(duì)所述水平的監(jiān)測(cè)是通過測(cè)量所述專用燃料電池的電壓而執(zhí)行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中用于預(yù)燃的器件(4)是燃料電池組件中的一個(gè)或多個(gè)燃料電池，并且對(duì)所述水平的監(jiān)測(cè)是通過測(cè)量所述燃料電池組件中的電池的電壓而執(zhí)行的。
全文摘要
燃料電池裝置(10)包括具有至少一個(gè)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池組件(5)，以及用于提供燃料流的燃料輸送器件。所述裝置設(shè)有用于預(yù)燃的器件(4)，其適于燃燒在啟動(dòng)階段期間進(jìn)入燃料電池組件的燃料，直至燃料流量增加到預(yù)定水平和/或氧氣濃度降低到預(yù)定水平。操作燃料電池裝置(10)的方法，燃料電池裝置包括具有至少一個(gè)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池組件(5)，用于提供燃料流的燃料輸送器件。所述方法包括以下步驟通過使得燃料輸送器件輸送燃料流來開啟所述啟動(dòng)階段，由此用于預(yù)燃的器件(4)燃盡進(jìn)入燃料電池組件的燃料；監(jiān)測(cè)燃料流量和/或氧氣濃度；并且當(dāng)燃料流量增加到預(yù)定水平和/或氧氣濃度降低到預(yù)定水平時(shí)，從啟動(dòng)階段切換到功率產(chǎn)生階段。
文檔編號(hào)H01M8/10GK102484266SQ201080025726
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
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