JP2012529743A - 燃料電池装置、およびそれを動作させる方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池装置の動作に関する。
燃料電池は、先行技術で周知の数ある用途の中でも特に、電子装置の電力供給および/または充電に使用可能である。そのような電源として使用される燃料電池用の典型的な電力レベルは、0.1〜50Wである。この種の燃料電池でよく使用される燃料は、水素である。
背景で上述した問題に鑑み、この発明の目的は、燃料電池アセンブリの新規の設計により、および新規の始動手順により、燃料電池の寿命を改良することである。
第2の局面では、この発明は、請求項8に定義される燃料電池装置を動作させる方法を提供する。
添付図面の簡単な説明
以下の図面は、この発明に従った、燃料電池により電力供給される電源を示す。
本願において「燃焼」という表現に言及する場合、それは、電気化学的燃焼または非電気化学的燃焼反応による水素の消費を意味する。
燃料電池装置10の始動中、図1および図2を参照して上述したように、水素生成容器1からH2と空気との混合物が到来する。なぜなら、水素生成反応が始まる前に、水素生成容器1の内部には空気が少し入っているためである。また、燃料電池アセンブリ5のガス通路および陽極GDL(gas diffusion layers:ガス拡散層)内に、空気が存在する。この空気体積も、始動中に洗浄する、または反応させる必要がある。
1) 好適には触媒装置である、非電気化学的装置;
2) 好適には発電する燃料電池アセンブリの前に配置される専用の小型燃料電池である、電気化学的装置;
3) 1)と2)との組合せ;
4) 発電する燃料電池アセンブリにおける電池のうちの1つ(好ましくは第1の電池)またはすべての電池が、短絡によって事前燃焼動作を行なうよう設定可能である。
1) 水素生成容器1に燃料カートリッジと水とを装填し、それを装置10にロックし、それにより水素生成を開始する;
2) 水素と空気(酸素を含有)との混合物をもたらす水素のゆっくりとした生成を、非電気化学的事前燃焼器4aに移送し、自動的に水と反応させる;
3) しばらくすると、水素生成器容器内部の空気がすべて洗浄され、燃料電池アセンブリにおけるすべての電池が、各電池につき0.75V以上に達し、次に燃料電池アセンブリは負荷に接続される。
事前燃焼用手段4が、ガス通路において電気化学的部分4bの前に配置された非電気化学的部分4aである、燃料電池装置10の始動中の動作の方法を、以下に説明する。この動作は、加水分解反応によって水素を生成する燃料ペレット、燃料タブレット、または透過性の袋か任意の他のカートリッジに入れられた燃料の加水分解反応によって定められる燃料ガス供給を有することに基づいている。始動中、反応チャンバから到来するガスは、酸素を含有する空気と水素との混合物である。非電気化学的部分4aでは、酸素と水素との混合物が反応して水を形成するであろう。反応チャンバ内の酸素がすべて流し出されると、反応はもう起こらないであろう。事前燃焼用手段4の電気化学的部分4bは、ガス流に水素が存在するものの、ガス流全体が通常の動作にとってはまだ少なすぎる場合に、使用されるであろう。電気化学的部分の電圧は、それがしきい値、たとえば100mVに達するまで増加するであろう。これが起こると、ガスには本質的に酸素がないと考えられる。電気化学的部分は次に解除される。すなわち、それはもはや短絡されていない。しかしながら、電気化学的部分4bとしての電極は、O2およびH2が非電気化学的な方法でも反応可能な3次元の触媒表面である、ということに留意すべきである。
動作の方法をここで説明する。開始段階の前は、電子回路9は常に待機状態にある。待機状態では、電気化学的部分4bは短絡されている。非電気化学的部分4aは、その固有の設計のため、常に待機状態にある。事前燃焼用手段4の電圧が、あるレベル、たとえば10〜50mVかさらにそれ以上に達すると、燃料電池装置10は開始され、それにより電子回路9がトリガされる。これは、図4のaとbとの間のどこかで起こる。この動作の方法では、始動段階の前に、表示灯が点灯される。
電流表示器(たとえば分流抵抗器)によって示されるような燃料電池アセンブリ5の電流が100〜300mAというしきい値よりも高い場合、燃料電池アセンブリ5は活性化手順(活性化手順とは、アセンブリにおける電池の連続的な短絡である)を受け、それにより各電池の電流密度を短期間増加させる。その後、燃料電池装置10の電力出力はオンに切換えられる。走行灯が点灯される。燃料供給および電力需要に依存して、バッテリ8がパワーランプとしてまたは追加の電力として機能するハイブリッド動作において、燃料電池装置10は充電し、動作している。バッテリ電圧が少なくなると、燃料電池装置10は内部充電状態に入る。すなわち、電力出力が低下して、燃料電池装置10はバッテリ8を充電する。
Claims (11)
- 少なくとも1つのポリマ電解質膜燃料電池を有する燃料電池アセンブリ(5)と、水素流を提供するための水素供給手段とを含む、燃料電池装置(10)であって、
前記装置には、燃料流が予め定められたレベルに増加するまで、および/または酸素濃度が予め定められたレベルに減少するまで、燃料電池アセンブリに入る燃料を燃焼するよう適合された事前燃焼用手段(4)が設けられていることを特徴とする、装置。 - 前記装置は、前記予め定められたレベルに達すると発電に切換えるための手段を含む、請求項1に記載の装置。
- 装置(10)の動作を制御するための電子制御回路(9)をさらに含む、請求項1または2に記載の装置。
- 事前燃焼用手段(4)は、触媒装置および専用の燃料電池から選択される、請求項1、2、または3に記載の装置。
- 事前燃焼用手段(4)は触媒装置であり、表面に触媒材料が設けられた多孔質材料を含む、請求項4に記載の装置。
- 事前燃焼用手段(4)は燃料であり、電池を短絡させる抵抗器を含む、請求項4に記載の装置。
- 事前燃焼用手段(4)は、燃料電池アセンブリ(5)における燃料電池のうちの少なくとも1つを含み、電子回路(9)は、前記予め定められたレベルに達すると前記燃料電池の動作を事前燃焼から電力燃焼に切換えるよう適合されている、請求項1に記載の装置。
- 燃料電池装置(10)を動作させる方法であって、燃料電池装置は、少なくとも1つのポリマ電解質膜燃料電池を有する燃料電池アセンブリ(5)と、燃料流を提供するための燃料供給手段とを含み、装置は第1の始動段階と第2の発電段階という2つの段階で動作可能であり、前記方法は、
燃料供給手段に燃料流を供給させることによって始動段階を開始するステップを含み、それにより、事前燃焼用手段(4)が燃料電池アセンブリに入る燃料を燃焼し、前記方法はさらに、
燃料流が予め定められたレベルに増加すると、および/または酸素濃度が予め定められたレベルに減少すると、始動段階から発電段階に切換えるステップを含む、方法。 - 燃料流および/または酸素濃度を監視するステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 事前燃焼用手段(4)は、燃料電池アセンブリの前に設けられた専用の燃料電池であり、レベルを監視するステップは、前記専用の燃料電池の電圧を測定することによって行なわれる、請求項8または9に記載の方法。
- 事前燃焼用手段(4)は、燃料電池アセンブリにおける燃料電池のうちの1つ以上であり、レベルを監視するステップは、前記燃料電池アセンブリにおけるある電池の電圧を測定することによって行なわれる、請求項8に記載の方法。
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