專利名稱：運行具有被動反應(yīng)物供給的燃料電池系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，并且更具體而言，涉及運行具有封閉的燃料供給系統(tǒng)的被動、吸氣式燃料電池的方法。本方法的實施方案可用來延長運行時間并獲 得高的燃料的利用率。版權(quán)本專利文件的公開內(nèi)容中的一部分包含受到版權(quán)保護(hù)的資料。雖然版權(quán)所有者不反對任何人復(fù)制該專利文件或?qū)＠_內(nèi)容，如其在美國專利商標(biāo)局的專利文件或記錄中所發(fā)表的一祥，否則將保留所有的版權(quán)權(quán)利。以下聲明適用于如下面以及在構(gòu)成本文件的一部分的附圖中所述的軟件和數(shù)據(jù)版權(quán)2005, Angstrom Power Inc.版權(quán)所有。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化成電能。固態(tài)聚合物電化學(xué)燃料電池通常使用放置在兩個電極(一個陽極和一個陰極)之間的離子交換膜或別的某種固態(tài)聚合物電解質(zhì)，每個電極都包括ー層誘導(dǎo)產(chǎn)生預(yù)期電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。ー種常規(guī)的氫燃料電池系統(tǒng)的實施方案在圖I中用10示意地表示出來。它包括陽極12和氫氣入口 14，以及陰極18和空氣入口 20。氫氣在入口 14進(jìn)入燃料電池，在陽極12被氧化而形成質(zhì)子16和電子17。通常來自空氣的氧氣在陰極18被還原而形成水22。燃料電池系統(tǒng)也包括用于質(zhì)子從陽極12通往陰極18的質(zhì)子交換膜24。除了傳導(dǎo)氫離子，膜24還將氫燃料流和氧化劑流隔離。常規(guī)的燃料電池也包括分別用于氧化劑和燃料的出ロ 24和26。在許多常規(guī)的燃料電池中，導(dǎo)電的反應(yīng)物流場板用來引導(dǎo)加壓的反應(yīng)物流以流過在反應(yīng)物流的入口和出口之間的陽極和陰扱，該反應(yīng)物流可以被加壓。通常，此種反應(yīng)物流場板具有至少ー個形成在一面或兩面上的流動通道或溝槽。流體流場板充當(dāng)集電器，為電極提供支持，為燃料和氧化劑提供到達(dá)各自的陽極表面和陰極表面的訪問溝槽或通道，以及為排出在電池運行期間生成的諸如水之類的反應(yīng)產(chǎn)物提供通道。如果整個電極沒有被供給充足的反應(yīng)物，那么燃料電池的性能會嚴(yán)重降低。因此，為確保在電極處有充足供給而向燃料電池提供過量反應(yīng)物，這在常規(guī)的燃料電池中已成為一種常見的做法。對于陽極電極而言，這通常會浪費昂貴的燃料——結(jié)果降低了燃料的利用率，燃料的利用率即供給的燃料量與生產(chǎn)電能所實際消耗的燃料量的比值。理想情況是所有供給到燃料電池的燃料都被用來生產(chǎn)電能(燃料的利用率為I或100%)。
ー些燃料電池被設(shè)計成在反應(yīng)物側(cè)的ー側(cè)或兩側(cè)以封閉模式運行，從而試圖增加反應(yīng)物的利用率。在這些情況下，在封閉側(cè)所使用的反應(yīng)物通常基本上是純的。然而，與此類系統(tǒng)相關(guān)的問題之ー便是非反應(yīng)成分的積聚，該非反應(yīng)成分往往會堆積在陽極上并稀釋局部的燃料濃度。如果不能得到維持功率需求所需的燃料供給(即使在系統(tǒng)中個別燃料電池內(nèi)的局部)，那么燃料電池系統(tǒng)可能會遭受總體或局部的燃料不足。燃料不足可能會給燃料電池造成永久的、不能挽回的、實質(zhì)性的損壞，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)的低性能或者使得系統(tǒng)完全損壞。往往積聚在封閉的燃料系統(tǒng)中的陽極的非反應(yīng)成分有多種來源。一個就是燃料流自身中的雜質(zhì)一即使燃料基本上是純的且其他成分的濃度很低，這些成分也會隨著時間的推移而慢慢堆積在封閉系統(tǒng)中。同樣，在陰極生成的水和空氣中的氮氣(在吸氣式配置中)也會往往穿過電解質(zhì)并積聚在陽極ー個典型的解決方法是在燃料通道的某處包括ー個放氣閥(它在封閉系統(tǒng)的運行中通常是封閉的)，用來定期排出可能在封閉系統(tǒng)的運行中堆積在陽極的非反應(yīng)成分的積 聚物。在常規(guī)的燃料電池的放氣系統(tǒng)中，放氣閥有時被打開，例如，手動地或以規(guī)律的固定時間間隔，或者為響應(yīng)一些監(jiān)測參數(shù)而被打開?？商鎿Q地，一個連續(xù)的反應(yīng)物的小排氣孔可以被用來防止非反應(yīng)成分的積聚?？梢猿尚我粋€貫穿燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)物流動路徑，以使得非反應(yīng)成分往往首先僅積聚在燃料電池組件中的ー個或幾個燃料電池上，而不是積聚在該組件中的每ー個電池的出口區(qū)域中。此種系統(tǒng)并非是完全沒有出ロ(dead-ended)，并且雖然進(jìn)行放氣或者用ー個連續(xù)的排氣孔可以提高具有封閉的燃料供給的系統(tǒng)的燃料電池性能，但它卻浪費了昂貴的燃料——因此降低了燃料的利用率。如果需要放氣設(shè)備的話，那么它同樣増加了系統(tǒng)的附加負(fù)荷和復(fù)雜性。此外，將氫氣釋放到周圍環(huán)境中可能也是不受歡迎的。


圖I是常規(guī)的燃料電池的示意圖。圖2是示出了針對在多種條件下運行的被動、吸氣式10-電池的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池的電壓與運行時間之間的關(guān)系曲線圖。圖3是示出了針對沒有出口并且陽極和陰極之間接近24psig的壓強(qiáng)差的條件下的靠氫氣運行的被動、吸氣式10-電池的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池的電壓與運行時間之間的關(guān)系曲線圖。圖4是示出了針對在陽極和陰極之間接近5psig的壓強(qiáng)差的條件下的被動、吸氣式平面燃料電池陣列的長時間沒有出口的運行，該燃料電池的電壓與運行時間之間的關(guān)系曲線圖。圖5是本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的ー個實施方案的分解立體圖。詳細(xì)說明下面的詳細(xì)說明包括對構(gòu)成了本詳細(xì)說明的一部分的附圖的引用。附圖以圖解的方式示出了可在其中實踐本發(fā)明的具體實施方案。這些實施方案，在本說明書中也稱為“實施例”，被說明得足夠詳細(xì)以使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可以組合這些實施方案，也可以利用其它的實施方案，或者，可以進(jìn)行一些結(jié)構(gòu)的或邏輯的改變。因此，下面的詳細(xì)說明不應(yīng)被認(rèn)為有限制的含義，本發(fā)明的范圍是由所附的權(quán)利要求書和其等效物限定的。在本文件中，除非上下文中另有所指，術(shù)語“一”或“一個”用來包括ー個或多個，術(shù)語“或”用來表明非排他的。另外，應(yīng)理解，在本說明書中所使用且沒有別的定義的措詞或術(shù)語，僅僅是為了說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、專利、專利文件都通過引用的方式全部納入本說明書中，就像它們通過引用單個納入一祥。在本文件和那些通過引用被納入的文件之間存在不一致的用法情況時，在被納入的文獻(xiàn)中的用法應(yīng)該被認(rèn)為是本文件的用法的補(bǔ)充；對于不能協(xié)調(diào)的不一致，本文件中的用法占主導(dǎo)地位。盡管在本說明書中公開了本發(fā)明的詳細(xì)實施方案，但是應(yīng)理解本發(fā)明的所公開的實施方案僅僅是示例性的，本發(fā)明可以以不同的方式以及替代的方式實施。在本說明書中所公開的具體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)看作是限制性的，而僅應(yīng)看作是ー個用于教導(dǎo)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員以不同的方式使用燃料電池的運行實施方案的基本要素。在所有附圖中，相同的元件被賦予相同的數(shù)字。在本說明書中所說明的燃料電池運行方法的實施方案通常應(yīng)用到燃料電池發(fā)電，包括運輸應(yīng)用、便攜式電源、家用及商用發(fā)電、大功率發(fā)電、小功率發(fā)電，以及應(yīng)用到能夠從本系統(tǒng)的使用中受益的任何其它應(yīng)用中。 在本說明書中所說明的本發(fā)明的實施方案，涉及ー種運行具有封閉的燃料供給的被動、吸氣式燃料電池的方法。正如在本說明書中所使用的，“被動”指的是反應(yīng)物的流動沒有利用任何外部機(jī)械能。例如，反應(yīng)物的流動可以是由擴(kuò)散或壓強(qiáng)梯度差引起的。例如，在燃料電池系統(tǒng)中的被動運行下，反應(yīng)物的壓強(qiáng)可能會被調(diào)節(jié)、調(diào)整或者改變。正如在本說明書中所使用的，“沒有出口”指的是以下這樣的ー種燃料電池或燃料電池系統(tǒng)在該燃料電池或燃料電池系統(tǒng)中，燃料沒有被再循環(huán)流經(jīng)燃料電池，或者也沒有被從燃料供給中耗盡/釋放/排出。例如，任何從燃料源流到ー個或多個燃料電池的燃料都被燃料電池反應(yīng)消耗棹。例如，對于沒有出口的運行，燃料電池或燃料電池系統(tǒng)包括封閉的高壓室。對于ー些實施方案，沒有出ロ的燃料電池系統(tǒng)包括封閉的燃料出ロ，而對于其它的實施方案，沒有出ロ的燃料電池系統(tǒng)不包括燃料出ロ。正如在本說明書中所使用的，“壓強(qiáng)”指的是均勻施加在表面的力，可用每ー單位面積上的壓カ來計量。例如，可以隨著在燃料電池系統(tǒng)中的使用來調(diào)節(jié)或者改變反應(yīng)物或者燃料的壓強(qiáng)。在本說明書中所使用的壓強(qiáng)，包括絕對壓強(qiáng)測量值和相對壓強(qiáng)測量值。正如在本說明書中所使用的，“進(jìn)行放氣”或“放氣”指的是排出、釋放或者清除一種物質(zhì)或者多種物質(zhì)。例如，對于ー些實施方案，這類物質(zhì)可能包括非反應(yīng)成分或者雜質(zhì)的積聚物。例如，非反應(yīng)成分可能會堆積在封閉的燃料電池系統(tǒng)的電極處，可以通過諸如打開閥門進(jìn)行放氣而被清除棹。正如在本說明書中所使用的，術(shù)語“燃料供給”指的是存儲燃料的任何裝置或組件。燃料的一個實例是氫。在燃料供給中，可以使用多種機(jī)構(gòu)來存儲燃料。例如，在氫燃料供給中，氫可以被存儲為金屬氫化物、合成金屬氫化物、碳-石墨納米纖維、壓縮氫氣、化學(xué)氫化物或者這些物質(zhì)的組合。對于ー些實施方案，除所述燃料存儲材料外，燃料供給還包括燃料存儲物質(zhì)和元件。對于ー些實施方案，燃料供給是內(nèi)部的，例如燃料貯存器。對于另外的實施方案，燃料供給是外部的或者可移除的，比如燃料筒(fuel cartridge)。對于另外的實施方案，燃料供給是內(nèi)部元件和外部元件的組合，例如填充貯存器的筒，該貯存器可選地通過燃料高壓室向燃料電池系統(tǒng)的陽極提供燃料。正如在本說明書中所使用的，術(shù)語“燃料高壓室”、“燃料盒”以及“燃料腔”指的是容納燃料并且可以與燃料電池的陽極流動接觸的裝置。燃料高壓室、燃料盒以及燃料腔包括能變形的實施方案，整體成形在燃料電池系統(tǒng)中的實施方案，以及可能有多種形狀和尺寸的實施方案。在大多數(shù)的常規(guī)的燃料電池中，通常施加壓カ來迫使燃料流流至陽極，盡管在一些情況下該燃料是從壓縮源供給的。通常燃料電池系統(tǒng)也包括某種主動流動控制，它能調(diào)節(jié)ー種或兩種反應(yīng)物的供給速度以響應(yīng)燃料電池的功率輸出需求或者ー些其它參數(shù)。經(jīng)常使用轉(zhuǎn)子式流量計或者質(zhì)量流量控制器。在被動、吸氣式燃料電池中，僅將陰極暴露于周圍空氣。當(dāng)燃料電池運行時，陰極消耗周圍空氣中的氧來維持燃料電池的反應(yīng)。因此空氣通過擴(kuò)散被提供給陰扱。到陰極的 氧化劑不存在主動流動控制，本身就沒有氧化劑入口或出ロ。對于ー些實施方案，具有被動反應(yīng)物供給的燃料電池組件包括被改變的、受控的、或被調(diào)整的壓強(qiáng)運行。封閉的燃料盒意味著到燃料電池的燃料供給是沒有出口的。燃料流動地接觸燃料電池組件的陽極并通過還原反應(yīng)被消耗棹。當(dāng)燃料被消耗吋，該燃料可以從燃料供給流入燃料高壓室，例如如果燃料是被加壓的，那么該燃料可通過強(qiáng)制對流使其從燃料供給流入燃料高壓室。根據(jù)燃料流動路徑的配置，在進(jìn)行反應(yīng)時，燃料可以從ー個電池流向下ー個電池，但是整個組件在陽極側(cè)具有一個沒有出口以及沒有燃料的排出或者抽出的封閉的燃料盒。然而，公認(rèn)的是，在ー些特定情況下通過穿過電解質(zhì)向陰極的擴(kuò)散可能存在少量燃料的損耗。在一個實施方案中，在圖5中用100以分解立體圖的形式示出了燃料電池系統(tǒng)，除了包括其他元件以外，該燃料電池系統(tǒng)包括至少ー個燃料電池層102，該燃料電池層包括其間放置有導(dǎo)離子的電解質(zhì)109的陽極108和陰極107以及燃料供給104 (例如燃料筒或內(nèi)部燃料貯存器)。在各種實施例中，燃料供給104可選地包括燃料加注ロ 112和/或壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器110。燃料加注ロ 112是允許諸如流體燃料之類的流體流入燃料供給104的壓強(qiáng)啟動閥?？梢酝ㄟ^將燃料電池層102緊鄰燃料貯存器104的至少ー個表面來定位而生成燃料盒或燃料高壓室(未示出)。與燃料電池層102接觸的燃料供給104表面的周邊可被諸如(可壓縮的或有彈性的)墊圈或者粘合劑等的密封構(gòu)件126密封，從而形成密封的燃料盒(未示出)。在示范的實施方案中，壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器110將燃料供給104流體連接到燃料盒或燃料高壓室(未示出)。運行此類燃料電池系統(tǒng)的方法的實施方案，包括將陰極107暴露于周圍空氣，以及通過其壓強(qiáng)高于周圍空氣的壓強(qiáng)的燃料高壓室(未示出)向陽極108供應(yīng)燃料流。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用陽極108與陰極107的正壓強(qiáng)差來在被動、吸氣式燃料電池系統(tǒng)中提高性能和/或延長運行時間，和/或達(dá)到高的燃料的利用率。通過利用正壓強(qiáng)差，使燃料的利用率超過75%或者甚至超過90%是可以實現(xiàn)的。人們認(rèn)為，陽極的較高燃料壓強(qiáng)妨礙了氮氣從在陰極側(cè)的空氣轉(zhuǎn)移。氮氣在封閉的燃料盒中的積聚會最終導(dǎo)致至少局部燃料不足，帶來燃料電池性能降低，以及可能導(dǎo)致對燃料電池自身的完全損壞。然而，如果壓強(qiáng)差太大(燃料壓強(qiáng)太大)，將會發(fā)生大量氫氣從陽極橫越到陰極。這浪費了燃料(降低燃料的利用率)，并會妨礙陰極的氧化反應(yīng)。另外，利用陽極108與陰極107的壓強(qiáng)差，可能會允許改進(jìn)電池中的水管理行為。這會對電池運行產(chǎn)生重要影響，因為水的存在會影響從電解質(zhì)內(nèi)的質(zhì)子傳導(dǎo)到電極內(nèi)反應(yīng)物氣體輸入的一切事情。在本方法的一些實施方案中，燃料基本上是純氫氣。例如，氫氣可以供應(yīng)自壓縮氫源，儲氫材料，例如金屬氫化物、合成金屬氫化物、碳-石墨納米纖維、或化學(xué)氫化物氫源。存在很多種金屬氫化物可被用作儲氫材料，它們通常依據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)(即，AB5, AB2, AB BCC)被分組。氫化物可以是金屬或金屬合金。氫化物的實例包括，但不限干LaNi5、FeTi、稀土金屬混合物的氫化物(金屬或礦石的混合物，例如MmNi5)、釩氫化物、鎂氫化物、金屬間氫化物、固溶體氫化物、多相氫化物、合成氫化物、它們的合金、或者它們的固溶體?；瘜W(xué)氫化物氫源的實例包括，但不限干硼氫化鈉、鉛氫化鈉以及鉛氫化鋰。在一些實施方案中，燃料通過例如在圖5中用110所示的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器被供給到燃 料盒?？梢栽诜€(wěn)定壓強(qiáng)或者變化壓強(qiáng)下供給燃料。例如，供給燃料所用的壓強(qiáng)可以被調(diào)節(jié)以響應(yīng)系統(tǒng)性能的ー個方面，例如燃料電池或者燃料電池層的功率需求。在沒有主動流動控制(例如，不使用質(zhì)量流量計或者轉(zhuǎn)子式流量計)的情況下供給燃料；在本方法的ー些實施方案中，將燃料供給到陽極所用的壓強(qiáng)可以不依賴對燃料電池或例如在圖5中用102所示的燃料電池層要求的功率。在一些實施方案中，供給到燃料盒(未示出)的燃料壓強(qiáng)是不可調(diào)節(jié)的。例如，燃料盒可以流體連接到金屬氫化物的儲氫系統(tǒng)，以使得無論以多大的壓強(qiáng)將氫氣從金屬氫化物中釋放，它都能夠從金屬氫化物中接受氫?？梢栽诙喾N可以被構(gòu)形為被動、吸氣式燃料電池的燃料電池結(jié)構(gòu)中實施在本說明書中所說明的方法實施方案。例如，本方法的實施方案可以用于在共有的美國專利申請中公開的那種燃料電池組件中，如標(biāo)題為 COMPACT CHEMICALREACT0R 的第 10/887，519 號美國專利申請，標(biāo)題為 COMPACT CHEMICALREACTOR WITH REACTOR FRAME 的第 10/818，610 號美國專利申請，標(biāo)題為 FUEL CELLLAYER 的第 10/818,611 號美國專利申請，標(biāo)題為 FUEL CELL LAYER WITH RECTOR FRAME的第 10/818，843 號美國專利申請，以及標(biāo)題為 ELECTROCHEMICAL FUEL CELLS FORMED ONPLEATED SUBSTRATES的第11/047，557號美國專利申請，以上都通過引用的方式納入本說明書中。作為另ー個實施例，本方法的實施方案可以用于在共有的標(biāo)題為ELECTROCHEMICALFUEL CELLS HAVING CURRENT-CARRYING STRUCTURESUNDERLYING REACTION LAYERS 的第11/047，560號美國專利申請(同樣通過引用的方式納入本說明書)中公開的那種包含有平面燃料電池陣列的燃料電池組件。組件中的燃料電池可以以并聯(lián)、串聯(lián)或者以包括二者的組合的分組的形式電連接起來。本方法的實施基本無關(guān)于組件中燃料電池相互電連接的方式可用多種方式構(gòu)形封閉的燃料盒。例如，它可被構(gòu)形為使得燃料被供給到并聯(lián)的多個陽極中的每ー個，或者使得燃料被供給到串聯(lián)的陽極中的一些或者全部，或者它以ー些其他的結(jié)構(gòu)被構(gòu)形。再者，本方法實施方案的實施無關(guān)于組件中電極的相互流體連接的方式，盡管它可能會為特定的設(shè)計而被最優(yōu)化。像常規(guī)的燃料電池一祥，燃料電池組件不需要包含不連續(xù)的流體溝槽來在電極的表面上引導(dǎo)反應(yīng)物。
在一些實施方案中，設(shè)計了將燃料供給104直接連接到燃料電池組件，以使得燃料被整體容納在陽極和燃料供給之間，以致燃料高壓室不再是燃料電池系統(tǒng)的明確元件，而相反可被認(rèn)為是通過該系統(tǒng)的其他元件的集成而被隱含制造出來的。在一些實施方案中，燃料高壓室被直接集成進(jìn)燃料供給中，這樣燃料供給和燃料高壓室在實質(zhì)上成為ー個實體。暴露的陰極可能需要保護(hù)以避免許多危害。這些危害可包括但不限于，如磨損或刺穿之類的物理損害，過分干燥，過分潮濕以及如so2、CO及CO2的空中雜質(zhì)，它們對催化劑和/或燃料電池的性能是有害的。因而，燃料電池系統(tǒng)也包括保護(hù)陰極的機(jī)械裝置。另外，這些機(jī)械裝置也可用于影響、改進(jìn)，和/或者控制該系統(tǒng)的水管理方面。這些裝置的實例包括，但不限干I.沉積在氣體擴(kuò)散層內(nèi)部、被激活用來吸收雜質(zhì)的碳層。2.沉積在燃料電池表面上、使得陰極能防水的疏水層。3.在燃料電池上的多孔罩，包括 i .多孔、疏水的Tef I on 罩布ii .多孔活性碳過徙益4.篩網(wǎng)或者網(wǎng)孔罩。這些用來保護(hù)陰極的機(jī)械裝置可以單獨使用，也可以彼此聯(lián)合使用。必須理解，這些機(jī)械裝置僅僅是用來防護(hù)陰極的方法實例，而不是一個詳盡的列表。在一些實施方案中，燃料電池系統(tǒng)包括燃料盒入口和塞緊的燃料盒出口。對于ー些實施方案，燃料電池系統(tǒng)根本不包括燃料盒出口。燃料電池系統(tǒng)可以包括暴露于或者用流體接觸于周圍空氣的陰極。燃料電池系統(tǒng)也可以包括放置在陽極和陰極之間的電解質(zhì)。對于ー些實施方案，電解質(zhì)包括一種離子交換膜，或者導(dǎo)離子電解質(zhì)。如果燃料盒出ロ存在，那么該燃料盒出ロ將被塞緊以防止氫氣從燃料電池系統(tǒng)泄露，從而有效地使燃料盒沒有出ロ。在本說明書中所說明的方法實施方案也包括在能夠有效減少氮氣穿過電解質(zhì)擴(kuò)散的燃料壓強(qiáng)下運行燃料電池系統(tǒng)。在本說明書中所述的方法實施方案通過確定有效的燃料壓強(qiáng)并將該燃料壓強(qiáng)應(yīng)用到燃料電池的運行，來提高燃料電池的效率和性能。可選擇燃料壓強(qiáng)來改進(jìn)和/或控制經(jīng)過燃料電池的水平衡?？赏ㄟ^評價運行變量來選擇燃料電池的運行點，這些運行變量例如是但不限干溫度、壓強(qiáng)、氣體成分、反應(yīng)物利用率、水平衡、電流密度以及諸如雜質(zhì)和電池壽命等影響理想的電池電勢和電壓損耗數(shù)量的其他因素。在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，通常在施加到系統(tǒng)的負(fù)荷變化和響應(yīng)所施加負(fù)荷的變化的系統(tǒng)之間存在ー個“時間延遲”。在本說明書中所述的本發(fā)明的方法實施方案可消除該時間延遲和由該時間延遲導(dǎo)致的問題，因為本發(fā)明的方法實施方案依靠給燃料盒固定地施加的內(nèi)部燃料反饋壓強(qiáng)。對于ー些實施方案，內(nèi)部燃料反饋壓強(qiáng)是預(yù)先選擇的。不需要其他燃料反饋控制。對于ー些實施方案，控制燃料反饋的唯一裝置是壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器。對于ー些實施方案，燃料反饋壓強(qiáng)不是預(yù)先選擇的，而是通過壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器控制的，可以基于任何數(shù)量的期望參數(shù)，例如環(huán)境條件、功率需求，和/或燃料數(shù)量而被修改。因為燃料是以超過反應(yīng)需求的量提供給燃料電池系統(tǒng)的，所以燃料控制允許在沒有動態(tài)控制下進(jìn)行更多靈活運作。壓強(qiáng)控制而非流量控制允許有改善的、穩(wěn)定的燃料供給控制。另外，使用壓強(qiáng)控制而非流量控制來控制燃料供給能夠簡化向燃料電池或燃料電池堆的燃料供給，因為燃料控制是無關(guān)于負(fù)荷需求的。雖然已描述了用于調(diào)節(jié)到達(dá)燃料電池(組)的燃料壓強(qiáng)的反饋控制，但是應(yīng)理解，其他類型的控制也可適合于特定的應(yīng)用類型。對于ー些實施方案，燃料電池系統(tǒng)也包括防止燃料從燃料電池系統(tǒng)損失的密封材料，諸如圖5中用126示出的。燃料電池系統(tǒng)也可包括正電連接器和負(fù)電連接器。在本說明書中給出了應(yīng)用所述方法實施方案的實施例。給出實施例是為了更好地說明方法實施方案，而不是為了限制它們。實施例I圖2中顯示的測試結(jié)果表明在達(dá)到延長運行時間和穩(wěn)定性能的同時實現(xiàn)高的燃料的利用率的困難。圖2表明燃料電池系統(tǒng)運行在沒有出口的模式和開有出ロ模式時有著不同的燃料的利用率。在所有四個測試中，為了供給氧化劑，燃料電池陰極僅暴露于周圍空氣；將純凈、不潮濕的氫氣從壓縮氣缸引導(dǎo)至陽極。所研究的燃料電池是運行在200 mA/cm2的10-電池組件。曲線A表明當(dāng)燃料電池系統(tǒng)在開有出ロ(即氫氣流經(jīng)陽極并通過出ロ流出)時以小于Ipsig的氫氣壓強(qiáng)運行時的電壓與運行時間的關(guān)系曲線圖。流速應(yīng)達(dá)到使燃料的利用率在90%左右，換句話說，供給到陽極的大部分氫氣都被消耗棹。在這個高的燃料的利用率(以及相應(yīng)的低氫氣流速)下，燃料電池的性能僅在約5分鐘之后就迅速衰減為零。曲線B，即一直貫穿整個圖的平直曲線，表明同種類型的燃料電池系統(tǒng)的開有出ロ的運行，但流速僅達(dá)到使得燃料的利用率為40%左右，換句話說，充分過量的氫氣被供應(yīng)到陽極，并通過燃料出口流出燃料電池系統(tǒng)。在這樣的條件下，燃料電池呈現(xiàn)的穩(wěn)定性能超過一個小時(在該時間時，人為停止了該測試)。曲線C，即有兩個電壓降的曲線，表明沒有出ロ(燃料出口被封閉)的同樣類型的燃料電池系統(tǒng)靠氫氣運行并達(dá)到約90%的氫氣利用率。陽極與陰極的壓強(qiáng)差初始為約0.25psig。隨著電壓開始降低，陽極與陰極的壓強(qiáng)差被増加到約2. 85psig。盡管燃料壓強(qiáng)増加，但是燃料電池電壓僅在約20分鐘后就迅速消減為零。一旦暫時地打開燃料出ロ閥，允許少量氫氣從燃料電池系統(tǒng)排出，那么盡管壓強(qiáng)差約2. 85psig，燃料電池電壓也會快速恢復(fù)，但在出ロ閉合數(shù)分鐘內(nèi)將會再次消減為零。實施例2在這個實施例中，與實施例I中相同的10-電池組件沒有出ロ地靠氫氣運行，并伴隨以更高的陽極-陰極壓強(qiáng)差——這次約為24psig。同樣，僅陰極暴露于周圍空氣以提供氧化劑。圖3表明了在該沒有出口的運行期間的電壓與運行時間的關(guān)系曲線圖。該圖表明燃料電池在約7. O至7. 5伏的電壓值，運行超過25，000秒(將近7小時)，在該時間時人為停止測試。這表明了在燃料側(cè)沒有出口的被動、吸氣式燃料電池系統(tǒng)中使用高壓強(qiáng)差的好處。對于在這些運行條件下的該特定類型和尺寸的燃料電池系統(tǒng)，2. 85psig的壓強(qiáng)差是不夠的(正如實施例I所示)，而24psig的壓強(qiáng)差顯著地延長了運行時間。實施例3在本實施例中，使用一種與實施例I和2中所采用的燃料電池結(jié)構(gòu)不同的燃料電池結(jié)構(gòu)來測試本方法(正如“ELECTROCHEMICAL FUEL CELLSHAVING CURRENT-CARRYINGSTRUCTURES UNDERLYING REACTION LAYERS”中所述)，如圖 4 中所示，在 200mA/cm2下測量電壓與運行時間的關(guān)系曲線。周圍的溫度也被監(jiān)測，并在該圖中示出。同樣為了供給氧化劑，僅燃料電池陰極暴露于周圍空氣。氫氣以約5psig的壓強(qiáng)被供給到?jīng)]有出口的陽極。數(shù)據(jù)表明該堆在4至8伏的電壓范圍內(nèi)運行了約1900小時(超過10周)。氫氣始終保持沒有出ロ——沒有排出或者進(jìn)行放氣。周圍的溫度在約20至35°C的范圍內(nèi)。因此，對于在上述運行條件下的該特定燃料電池結(jié)構(gòu)，5psig的陽極-陰極壓強(qiáng)差就足夠允許在延長的時間段內(nèi)靠氫氣進(jìn)行穩(wěn)定的、沒有出口的運行。對于ー些實施方案，本說明書中的所述方法中所使用的燃料電池組件被集成進(jìn)電動設(shè)備的殼體內(nèi)。燃料電池同電動設(shè)備殼體的集成提供了燃料電池陰極區(qū)域的部分構(gòu)成設(shè)備盒外部部分的機(jī)會。這能夠節(jié)省空間。在一些實施方案中，陰極暴露于周圍環(huán)境，而陽極和燃料高壓室位于燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)表面上。應(yīng)認(rèn)為，在本說明書中所說明的方法和燃料電池實施方案可以被并入電子設(shè)備中。例如，這類電子設(shè)備可以是下列的設(shè)備移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、衛(wèi)星電話、膝上型計算機(jī)、便攜式DVD播放器、便攜式⑶播放器、便攜式個人護(hù)理設(shè)備、便攜式立體聲裝置、便攜式電視、雷達(dá)、無線電廣播發(fā)射機(jī)、雷達(dá)探測器、 筆記本電腦及它們的組合。在本發(fā)明的一些實施方案的說明中，作為本說明書的一部分的附圖被引用，在該附圖中通過舉例的方式示出了可以被實踐的本發(fā)明的具體實施方案。在附圖中，相同的數(shù)字表明了諸多圖示中基本相似的元件。充分詳細(xì)說明這些實施方案以確保本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可以使用其他實施方案，也可進(jìn)行構(gòu)造上、邏輯上以及電學(xué)上的變化。下列詳細(xì)說明不被認(rèn)為存在限定含義，本發(fā)明的范圍僅僅由所附的權(quán)利要求書以及由此權(quán)利要求書所授權(quán)的相等同的整個范圍所限定。
權(quán)利要求
1.一種運行燃料電池的平面陣列的方法，所述燃料電池的平面陣列包括多個陽極和多個陰極，所述方法包括 允許燃料進(jìn)入ー個盒，所述盒可密封地封閉所述平面陣列的陽極部分； 將所述燃料保持在所述盒內(nèi)，同時保持一個預(yù)定的燃料壓強(qiáng)；以及 將所述平面陣列的陰極部分暴露于周圍空氣， 其中所述預(yù)定的燃料壓強(qiáng)高于所述周圍空氣的壓強(qiáng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中將所述平面陣列的陰極部分暴露于周圍空氣包括基本通過擴(kuò)散將所述周圍空氣供給到所述陰扱。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，包括在暴露的陰極部分上布置一個或多個保護(hù)層，所述保護(hù)層包括一個碳層和ー個疏水層中的至少ー個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，包括在緊接所述暴露的陰極部分處安置一個多孔的保護(hù)罩，所述多孔的保護(hù)罩包括ー個疏水罩布、一個活性碳過濾器、以及ー個篩網(wǎng)或者網(wǎng)孔中的至少ー個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，還包括 將所述燃料電池的平面陣列連接到一個電負(fù)荷；以及 將來自所述燃料電池的平面陣列的電能傳遞到電負(fù)荷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其中允許燃料進(jìn)入所述盒包括允許燃料自ー個與所述多個陽極流體接觸的沒有出口的燃料供給進(jìn)入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的方法，其中允許燃料進(jìn)入所述盒包括允許氫氣進(jìn)入所述盒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，包括允許進(jìn)入所述盒的所述燃料供應(yīng)自ー個儲氫材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其中允許燃料進(jìn)入所述盒包括允許氫氣自下述材料進(jìn)入所述盒，所述材料選自金屬氫化物、合成金屬氫化物、碳-石墨納米纖維、壓縮氫氣以及化學(xué)氫化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的方法，其中允許燃料進(jìn)入所述盒包括將所述燃料供給至并聯(lián)的所述多個陽極中的每ー個。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的方法，其中允許燃料進(jìn)入所述盒包括將所述燃料供給至串聯(lián)的所述多個陽極的至少一部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項所述的方法，其中所述燃料電池的平面陣列以超過75%的燃料利用率運行。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項所述的方法，其中所述燃料電池的平面陣列以超過90%的燃料利用率運行。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項所述的方法，包括將所述盒中的燃料壓強(qiáng)維持在ー個無關(guān)于所述燃料電池的平面陣列的功率需求的壓強(qiáng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項所述的方法，其中燃料沒有通過放氣或者排出而從所述盒釋放。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項所述的方法，包括將所述盒中的燃料壓強(qiáng)維持在ー個無關(guān)于所述燃料電池的平面陣列的功率需求的壓強(qiáng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的方法，包括將所述盒中的燃料壓強(qiáng)維持在ー個依賴于燃料電池系統(tǒng)的功率需求的壓強(qiáng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項所述的方法，其中允許所述燃料進(jìn)入包括通過ー個或多個被放置在燃料供給和所述燃料電池的平面陣列之間的壓強(qiáng)控制部件來供給所述燃料。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項所述的方法，其中所述平面陣列中每ー個単獨的燃料電池的面積在O. 00000001cm2至IOOOcm2的范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-19中任一項所述的方法，其中所述多個陽極和所述多個陰極被導(dǎo)離子的電解質(zhì)隔開。
全文摘要
描述了一種運行被動、吸氣式燃料電池系統(tǒng)的方法。在一個實施方案中，該系統(tǒng)包括一個或多個燃料電池，以及連接到燃料供給的封閉的燃料高壓室。在本方法的一些實施方案中，燃料電池的陰極暴露于周圍空氣，以及燃料在高于周圍空氣壓強(qiáng)的壓強(qiáng)下通過所述燃料高壓室被供給到陽極。
文檔編號H01M8/24GK102820479SQ20121019969
公開日2012年12月12日 申請日期2007年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月25日
發(fā)明者J·齊默爾曼, J·羅伯茨, J·施魯特恩 申請人:法商Bic公司