專(zhuān)利名稱(chēng)：直接－甲醇－燃料電池的運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接-甲醇-燃料電池的運(yùn)行方法，尤其是一種由這種燃料電池組成的燃料電池堆(Stapel)或燃料電池組(Aggregat)的運(yùn)行方法。
燃料電池可以將化學(xué)反應(yīng)的能量、亦即化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能。為了能將這種能量轉(zhuǎn)換器用作更廣泛的用途，必須解決兩個(gè)基本問(wèn)題降低燃料電池組及外圍裝置的生產(chǎn)成本和制備燃料。主要可通過(guò)將燃料電池用在電動(dòng)牽引(Elektrotraktion)方面使燃料電池組得到更廣泛的應(yīng)用，亦即用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛(例如參見(jiàn)“Spektrum der Wissenschaft”1999年2月，第A44至A46頁(yè))。
已證明特別適合采用所謂的PEM燃料電池(PEM＝Proton ExchangeMembrane或Polymer-Elektrolyt-Membran質(zhì)子交換薄膜或聚合物-電解質(zhì)-薄膜)技術(shù)。這類(lèi)燃料電池優(yōu)選在60℃至80℃之間的溫度下工作，并且迄今為止都以氫氣H2作為燃料(例如參見(jiàn)“Energie Spektrum”，第13年度，3/98，第26至29頁(yè))；但是當(dāng)其處于室溫下時(shí)卻只能達(dá)到60℃時(shí)標(biāo)稱(chēng)功率的一半。在氫氣H2的存儲(chǔ)問(wèn)題以及遍布各地的加油站網(wǎng)問(wèn)題得到解決之前，一直都為此使用液態(tài)燃料，如汽油和甲醇，借助一個(gè)重整器可將液態(tài)燃料分裂成富含氫氣的氣體混合物。
在此情形下，所謂的直接-甲醇-燃料電池(DMFC＝Direct MethanolFuel Cell)的工作原理便顯得特別有利。因?yàn)槠渲袩o(wú)需重整器，只需使甲醇燃料直接在一個(gè)PEM燃料電池的陽(yáng)極上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換即可(a.a.O，第28頁(yè))。但是也存在這樣的困難即，為了在低于0.5V的電池電壓下有益地使電流密度大于0.1A/cm2，必須通過(guò)采用陽(yáng)極催化劑使工作溫度大于等于60℃。因此存在一個(gè)要起動(dòng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被加載、其溫度也因此低于室溫或環(huán)境溫度的一個(gè)直接-甲醇-燃料電池的問(wèn)題。因此在試驗(yàn)性研究中采取了這樣的措施，即，從外部對(duì)燃料電池進(jìn)行電加熱。
在用氫氣作燃料并且例如可處于大約-20℃溫度下的PEM燃料電池上也存在類(lèi)似的問(wèn)題。當(dāng)外界溫度低于0℃時(shí)通常是持續(xù)給燃料電池加載，由此使反應(yīng)熱在系統(tǒng)中保留下來(lái)，以保證其內(nèi)部溫度不會(huì)下降到0℃以下。
本發(fā)明的目的在于提供一種直接-甲醇-燃料電池的運(yùn)行方法，使得即便在燃料電池較長(zhǎng)時(shí)間不工作或者在燃料電池溫度已降到工作溫度以下時(shí)，利用該方法仍能起動(dòng)(冷起動(dòng))燃料電池。
本發(fā)明的目的這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)-在斷開(kāi)負(fù)載之后，中斷向陰極輸送氣態(tài)氧化劑，-借助陽(yáng)極殘余氣體去除陰極室內(nèi)的氧化劑，-將電能輸入燃料電池內(nèi)，并對(duì)陰極上產(chǎn)生的氫氣予以存儲(chǔ)，-中斷輸電，-為起動(dòng)燃料電池，向陰極提供氣態(tài)氧化劑并向陽(yáng)極提供存儲(chǔ)的氫氣，此時(shí)，燃料電池進(jìn)行短路運(yùn)行，-在達(dá)到工作溫度之后，轉(zhuǎn)換到以甲醇為燃料的運(yùn)行模式，并且將燃料電池與負(fù)載連接。
解決本發(fā)明根本問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)在于，先要使直接-甲醇-燃料電池或者一個(gè)相應(yīng)的燃料電池組運(yùn)行工作一段時(shí)間，亦即直到達(dá)到工作溫度為止。如果之后不再要求電池輸出功率，就可將電池?cái)嚅_(kāi)，可讓電池或電池組內(nèi)的溫度下降到一個(gè)低于60℃的溫度，亦即下降到一個(gè)使電池或電池組不再能依靠自身起動(dòng)的溫度。
因此本發(fā)明在斷開(kāi)負(fù)載之后設(shè)置了一套程序，通過(guò)它可保證很容易重新起動(dòng)燃料電池或電池組。為此需要多項(xiàng)步驟。
在斷開(kāi)負(fù)載之后，首先中斷向陰極輸送氧化劑(優(yōu)選是空氣但也可以是氧氣)。然后將陽(yáng)極側(cè)生成的氣體混合物(陽(yáng)極殘余氣體)短時(shí)間內(nèi)輸送給陰極室，將室內(nèi)仍留有的空氣中洗出來(lái)。陽(yáng)極殘余氣體是因甲醇在陽(yáng)極被氧化形成，它主要由二氧化碳、水蒸氣以及(多余的)汽態(tài)甲醇組成。
在將空氣或氧氣從陰極室中去除之后，優(yōu)選由一個(gè)蓄電池或一個(gè)電容器向燃料電池或燃料電池組供電。隨后(進(jìn)一步)使甲醇在陽(yáng)極上發(fā)生轉(zhuǎn)換，但此時(shí)在陰極上不再消耗氧氣，而是生成氫氣。通過(guò)給陰極加載以及基于氧氣的缺乏，由甲醇氧化產(chǎn)生的質(zhì)子在穿透薄膜之后轉(zhuǎn)換成氣態(tài)氫，也就是說(shuō)在陰極上離析出氫氣。
所產(chǎn)生的氫氣存儲(chǔ)在一個(gè)容器中，且優(yōu)選例如借助一個(gè)節(jié)流閥受到壓縮，然后再予以加壓存儲(chǔ)。當(dāng)氫氣容器中(氣量計(jì)顯示)已充滿氫氣或者已存有足夠的氫氣時(shí)，即中斷向燃料電池組供電。此時(shí)，燃料電池組可冷卻到室溫或環(huán)境溫度。
如果燃料電池組又要向外輸出電能，就按如下方式實(shí)現(xiàn)起動(dòng)向陰極供應(yīng)氧氣，亦即將空氣或氧氣輸入陰極室內(nèi)。但此時(shí)不向陽(yáng)極輸送甲醇，而是首先將所存儲(chǔ)的氫氣輸往陽(yáng)極。這樣，燃料電池組就能立刻被起動(dòng)并且向外輸出電能。在此充分利用了如下效應(yīng)一個(gè)得到氫氣供應(yīng)的PEM燃料電池即便在0℃的溫度下仍能正常工作，亦即開(kāi)始工作。因此，燃料電池可通過(guò)自身工作熱起來(lái)。因此時(shí)尚未與負(fù)載相連，因而首先可通過(guò)短路運(yùn)行使自身熱起來(lái)，此時(shí)，氫氣的能量或所產(chǎn)生的電能完全轉(zhuǎn)化成熱量并用于加熱燃料電池組本身。
在達(dá)到工作溫度，優(yōu)選達(dá)到≥60℃的溫度之后，轉(zhuǎn)換到甲醇運(yùn)行模式，此時(shí)，作為燃料的甲醇以一種甲醇/水混合物的形式輸往陽(yáng)極。之后可給燃料電池組加負(fù)載，亦即使之與一個(gè)(外部)用戶(hù)連接。
在本發(fā)明的這一方法中，必需對(duì)用于存儲(chǔ)(為起動(dòng)過(guò)程所需)氫氣的存儲(chǔ)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保在短路運(yùn)行中產(chǎn)生的電能足夠用來(lái)將燃料電池或燃料電池組加熱到為DMFC運(yùn)行所需的溫度。但這可以在具體的應(yīng)用情形中通過(guò)相應(yīng)的預(yù)試驗(yàn)來(lái)輕易地實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種直接-甲醇-燃料電池的運(yùn)行方法，其特征在于具有下列方法步驟-在斷開(kāi)負(fù)載之后，中斷向陰極輸送氣態(tài)氧化劑，-借助陽(yáng)極殘余氣體去除陰極室內(nèi)的氧化劑，-將電能輸入燃料電池內(nèi)，并對(duì)陰極上產(chǎn)生的氫氣予以存儲(chǔ)，-中斷輸電，-為起動(dòng)燃料電池，向陰極提供氣態(tài)氧化劑并向陽(yáng)極提供存儲(chǔ)的氫氣，此時(shí)，燃料電池進(jìn)行短路運(yùn)行，-在達(dá)到工作溫度之后，轉(zhuǎn)換到以甲醇為燃料的運(yùn)行模式，并且將燃料電池與負(fù)載連接。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用空氣作為氣態(tài)氧化劑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助一個(gè)蓄電池或一個(gè)電容器提供所述電能。
4.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，加壓存儲(chǔ)所述氫氣。
5.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在溫度≥60℃時(shí)轉(zhuǎn)換到甲醇運(yùn)行模式。
全文摘要
為冷起動(dòng)直接－甲醇－燃料電池,采用下述運(yùn)行方案:在斷開(kāi)(前面運(yùn)行階段中的)負(fù)載之后,通過(guò)陽(yáng)極殘余氣體將空氣從陰極室中去除,之后通過(guò)供電在陰極上生成氫氣并對(duì)其予以存儲(chǔ)。為起動(dòng)燃料電池(在短路運(yùn)行時(shí))向陰極輸送空氣,向陽(yáng)極輸送氫氣,在達(dá)到工作溫度之后轉(zhuǎn)換到甲醇運(yùn)行模式。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1348616SQ0080670
公開(kāi)日2002年5月8日 申請(qǐng)日期2000年4月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月26日
發(fā)明者康拉德·芒德 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司