專利名稱：直接－甲醇－燃料電池的運行方法
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，必須解決兩個基本問題降低燃料電池組及外圍裝置的生產(chǎn)成本和制備燃料。主要可通過將燃料電池用在電動牽引(Elektrotraktion)方面使燃料電池組得到更廣泛的應(yīng)用，亦即用于機動車輛(例如參見“Spektrum der Wissenschaft”1999年2月，第A44至A46頁)。
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“Energie Spektrum”，第13年度，3/98，第26至29頁)；但是當其處于室溫下時卻只能達到60℃時標稱功率的一半。在氫氣H2的存儲問題以及遍布各地的加油站網(wǎng)問題得到解決之前，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。因為其中無需重整器，只需使甲醇燃料直接在一個PEM燃料電池的陽極上實現(xiàn)轉(zhuǎn)換即可(a.a.O，第28頁)。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，必須通過采用陽極催化劑使工作溫度大于等于60℃。因此存在一個要起動在較長時間內(nèi)沒有被加載、其溫度也因此低于室溫或環(huán)境溫度的一個直接-甲醇-燃料電池的問題。因此在試驗性研究中采取了這樣的措施，即，從外部對燃料電池進行電加熱。
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似的問題。當外界溫度低于0℃時通常是持續(xù)給燃料電池加載，由此使反應(yīng)熱在系統(tǒng)中保留下來，以保證其內(nèi)部溫度不會下降到0℃以下。
本發(fā)明的目的在于提供一種直接-甲醇-燃料電池的運行方法，使得即便在燃料電池較長時間不工作或者在燃料電池溫度已降到工作溫度以下時，利用該方法仍能起動(冷起動)燃料電池。
本發(fā)明的目的這樣來實現(xiàn)-在斷開負載之后，中斷向陰極輸送氣態(tài)氧化劑，-借助陽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)，并對陰極上產(chǎn)生的氫氣予以存儲，-中斷輸電，-為起動燃料電池，向陰極提供氣態(tài)氧化劑并向陽極提供存儲的氫氣，此時，燃料電池進行短路運行，-在達到工作溫度之后，轉(zhuǎn)換到以甲醇為燃料的運行模式，并且將燃料電池與負載連接。
解決本發(fā)明根本問題的出發(fā)點在于，先要使直接-甲醇-燃料電池或者一個相應(yīng)的燃料電池組運行工作一段時間，亦即直到達到工作溫度為止。如果之后不再要求電池輸出功率，就可將電池斷開，可讓電池或電池組內(nèi)的溫度下降到一個低于60℃的溫度，亦即下降到一個使電池或電池組不再能依靠自身起動的溫度。
因此本發(fā)明在斷開負載之后設(shè)置了一套程序，通過它可保證很容易重新起動燃料電池或電池組。為此需要多項步驟。
在斷開負載之后，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)。然后將陽極側(cè)生成的氣體混合物(陽極殘余氣體)短時間內(nèi)輸送給陰極室，將室內(nèi)仍留有的空氣中洗出來。陽極殘余氣體是因甲醇在陽極被氧化形成，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)選由一個蓄電池或一個電容器向燃料電池或燃料電池組供電。隨后(進一步)使甲醇在陽極上發(fā)生轉(zhuǎn)換，但此時在陰極上不再消耗氧氣，而是生成氫氣。通過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，也就是說在陰極上離析出氫氣。
所產(chǎn)生的氫氣存儲在一個容器中，且優(yōu)選例如借助一個節(jié)流閥受到壓縮，然后再予以加壓存儲。當氫氣容器中(氣量計顯示)已充滿氫氣或者已存有足夠的氫氣時，即中斷向燃料電池組供電。此時，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，就按如下方式實現(xiàn)起動向陰極供應(yīng)氧氣，亦即將空氣或氧氣輸入陰極室內(nèi)。但此時不向陽極輸送甲醇，而是首先將所存儲的氫氣輸往陽極。這樣，燃料電池組就能立刻被起動并且向外輸出電能。在此充分利用了如下效應(yīng)一個得到氫氣供應(yīng)的PEM燃料電池即便在0℃的溫度下仍能正常工作，亦即開始工作。因此，燃料電池可通過自身工作熱起來。因此時尚未與負載相連，因而首先可通過短路運行使自身熱起來，此時，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。
在達到工作溫度，優(yōu)選達到≥60℃的溫度之后，轉(zhuǎn)換到甲醇運行模式，此時，作為燃料的甲醇以一種甲醇/水混合物的形式輸往陽極。之后可給燃料電池組加負載，亦即使之與一個(外部)用戶連接。
在本發(fā)明的這一方法中，必需對用于存儲(為起動過程所需)氫氣的存儲器進行設(shè)計，以確保在短路運行中產(chǎn)生的電能足夠用來將燃料電池或燃料電池組加熱到為DMFC運行所需的溫度。但這可以在具體的應(yīng)用情形中通過相應(yīng)的預(yù)試驗來輕易地實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種直接-甲醇-燃料電池的運行方法，其特征在于具有下列方法步驟-在斷開負載之后，中斷向陰極輸送氣態(tài)氧化劑，-借助陽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)，并對陰極上產(chǎn)生的氫氣予以存儲，-中斷輸電，-為起動燃料電池，向陰極提供氣態(tài)氧化劑并向陽極提供存儲的氫氣，此時，燃料電池進行短路運行，-在達到工作溫度之后，轉(zhuǎn)換到以甲醇為燃料的運行模式，并且將燃料電池與負載連接。
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，借助一個蓄電池或一個電容器提供所述電能。
4.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，加壓存儲所述氫氣。
5.如上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在溫度≥60℃時轉(zhuǎn)換到甲醇運行模式。
全文摘要
為冷起動直接－甲醇－燃料電池,采用下述運行方案:在斷開(前面運行階段中的)負載之后,通過陽極殘余氣體將空氣從陰極室中去除,之后通過供電在陰極上生成氫氣并對其予以存儲。為起動燃料電池(在短路運行時)向陰極輸送空氣,向陽極輸送氫氣,在達到工作溫度之后轉(zhuǎn)換到甲醇運行模式。
文檔編號H01M8/04GK1348616SQ0080670
公開日2002年5月8日 申請日期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 申請人:西門子公司