具有反馈传感器的燃料电池组件转让专利
申请号 : CN200880103681.7
文献号 : CN101790812A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : A·伦德布拉德 , H·埃克斯特伦 , E·琼森
申请人 : myFC股份公司
摘要 :
本发明涉及一种能够在燃料电池的组件(1000)中使用的、用于控制目的的传感器电池(1010)，该燃料电池组件具有如此类型，即，具有置入阳极气体扩散层和阴极气体扩散层之间的膜电极组件(MEA)，和分别地被耦接到所述阳极和阴极气体扩散层(GDL)的第一和第二集电器。优选地耦接传感器电池(1010)从而它与面内燃料电池组件(1000)中的最后的燃料电池共享负集电器(1050)，并且被电阻器(1070)短路以提供，示意所述组件在操作中的状态的电压信号。
权利要求 :
1.一种燃料电池组件，包括：
至少一个发电燃料电池和传感器燃料电池；其中
所述传感器电池具有与所述组件中的其它电池(一个或者多个)相同的基本构造，即包括阳极GDL、阴极GDL、MEA，所述MEA被置入所述GDL之间，并且位于来自其它电池(一个或者多个)的氢气出口处从而从在来自其它电池的气体出口中的剩余燃料接收它的燃料，其中所述传感器电池的所述阳极和所述阴极经由电阻器(R)而被相互连接。
2.根据权利要求1的燃料电池组件，其中耦接所述传感器电池从而它与在面内燃料电池组件中的最后的燃料电池共享负集电器。
3.根据权利要求1的燃料电池组件，其中以面内构形布置所述组件中的所述电池。
4.根据权利要求1或者2的燃料电池组件，其中所述传感器电池小于所述组件中的操作的电池(一个或者多个)。
5.根据前面权利要求中任何一项的燃料电池组件，包括加压气体源，和在所述燃料电池装置的气体出口处的闭端阀门，其中所述传感器电池沿着气体流动方向被置于所述燃料电池之后但是在所述闭端阀门之前。
6.根据权利要求5的燃料电池组件，其中所述闭端阀门具有小的泄漏，从而避免非燃料气体积聚。
7.根据权利要求6的燃料电池组件，其中所述传感器电池能够示意功率汲取何时大于氢气源的最大流量极限所能够支持的功率汲取。
8.根据权利要求5、6或者7的燃料电池组件，其中带有小的泄漏的所述闭端阀门具有依赖于压力的功能，从而它在阈值下、优选地在1-7psi(6.9kPa-48.3kPa)下打开。
9.一种传感器燃料电池，具有与在操作/操作的功率燃料电池相同的构造，并且包括：跨过阳极/阴极耦接的电阻器(R)，
能够被连接到来自操作的燃料电池的出口的燃料进口，和能够被连接到控制单元以向所述控制单元提供电压信号的端子，所述电压能够被用于控制所述传感器电池能够被连接到的燃料电池组件的操作。
10.根据权利要求9的传感器燃料电池，适于消耗馈送到所述燃料电池组件的气体的1-5％。
11.根据权利要求9或者10的传感器燃料电池，其中对于具有工作电压Uwork的传感器电池，如下地确定所述电阻器的尺寸：R＝Uwork/Ireg
其中
Ireg＝Egas×Inom×N
Egas是被供应到传感器电池的过量气体，Ireg是对于具有额定电流Inom的N个电池的组件的通过传感器电池的电流。
12.根据权利要求9-11中任何一项的传感器燃料电池，其中所述电阻器具有0.5-20hm、优选地0.75-1.25Ohm的电阻。
13.根据权利要求9-12中任何一项的传感器燃料电池，所述传感器燃料电池小于所述操作的电池(一个或者多个)。
14.一种电气装置，包括根据权利要求1的燃料电池组件。
15.根据权利要求14的电气装置，进一步包括控制单元，所述控制单元适于响应于所述传感器电池的电压而调节到所述组件的氢气供应或者来自所述组件的功率汲取。
16.根据权利要求14或者15的电气装置，所述电气装置是用于电子设备的电源。
17.一种包括利用电力操作的单元和可充电蓄电池的设备，包括用于连接根据权利要求15的装置的装置。
18.根据权利要求17的设备，包括多个燃料电池单元，适当地每一个单元包括相对于气体流动和电流并联连接的3-8个电池，每一个单元具有一个传感器电池，并且可选地进一步包括被连接到每一个燃料电池单元的DC/DC转换器和功率控制电子设备。
19.根据权利要求18的设备，其中每一个功率控制单元使用来自每一个传感器电池的信号来控制输出功率从而全部氢气均被消耗，而与在不同燃料电池单元中的流量是否不同无关。
20.一种操作根据权利要求1的燃料电池组件的方法，所述方法包括以下步骤：向燃料电池(一个或者多个)供应氢气；
监视所述传感器电池的电压；
在操作期间，连续地监视所述传感器电池的电压；
当所述传感器电池的电压偏离预定数值时，执行控制功能以调节所述组件的性能。
21.根据权利要求20的方法，进一步包括以下步骤：在起动时，将所述组件中的电池连续地并且各自地短路一段预定时间；
在每一次短路之间，测试所述传感器电池；
当全部电池已被短路时，提供连续的燃料供应。
22.根据权利要求20的方法，其中所述控制功能包括调节所述燃料馈送。
23.根据权利要求20的方法，其中所述控制功能包括调节来自所述燃料电池组件的功率汲取。
24.根据权利要求20的方法，进一步包括：
如果在操作期间所述传感器电压降低，则执行以下步骤a)降低来自所述电池组件的功率汲取；并且如果电压没有足够地增加，则b)即刻地停止功率汲取。
说明书 :
技术领域
本发明主要涉及电化学电池，并且具体地涉及燃料电池，其中利用传感器电池控制燃料馈送(feed)或者功率汲取(power draw)。
背景技术
在国际专利申请PCT SE2007/050222中和在PCT SE2005/001514中公开了本发明所考虑的燃料电池的类型。
具有这种类型的燃料电池通常包括以下设计特征/功能：
1)形成阳极气体腔室的密封功能。这是通过使用粘结剂而实现的，该粘结剂由此将膜电极组件(MEA)密封到阳极集电器(currentcollector)箔(foil)。
2)用于将氢气分布到燃料电池装置中的不同电池的气体分布功能。这是通过形成带有用于氢气的气体通道的支撑板而实现的。利用粘结剂和/或夹持器将燃料电池联结到支撑板。从该支撑板，存在导向每一个电池的阳极气体腔室的孔。
3)从一个电池收集电流并且优选地以最小电阻并且以使得在电池的活性区域(active area)之上获得均匀电流密度的这种方式将其分布到相邻电池的电互连功能。
4)夹持特征。通过使得燃料电池经受夹持力，在电池内的内电阻即在不同材料之间的接触电阻和材料内侧的比电阻降低(例如通过压缩气体扩散层(GDL)，它的纤维间连接得以改进)。类似于电接触，还通过夹持改进了导热性并且由此能够从反应层(即电极)耗散更多热量。夹持特征紧密地与电互连功能相关联。
一起应用的所有这些设计特征/功能形成了燃料电池装置。
燃料电池组件(燃料电池装置)的一个通常的问题在于，燃料馈送并不总是最佳的(即，恒定的并且相应于被燃料电池电源供电的装置的功率要求)并且因此必须控制或者到燃料电池装置的燃料馈送(氢气流)或者来自燃料电池装置的功率汲取。
时常地，通过探测在燃料电池堆中的个体电池或者电池组的电压而监视堆性能。典型堆通常包括30到200个个体电池。个体电池或者电池组的电压探测是昂贵的并且要求复杂的数据采集系统和控制算法来探测并且识别在预设电压范围以外的电压状态并且采取校正动作或者关闭堆直至正常操作状态(即在所期或者优选范围内的状态)能够得以恢复。在美国专利No.5,170,124中描述了使用电压探测监视燃料电池性能的典型方法。该专利描述了一种用于测量和比较在燃料电池堆中的电池组的电压与基准电压的设备和方法。
如果测得电压和基准电压的差异大于预定数量，则能够启动报警信号或者过程控制程序来实施关闭序列或者开始纠正动作。虽然这种电压探测方案识别出界(out-of bound)状态的存在，但是该方案就触发出界状态的问题的来源和/或性质而言是不精确的。
在WO 00/02282(巴拉德动力系统公司：Ballard Power Systems)中，公开了一种包括多个燃料电池的电化学燃料电池堆。燃料电池中的至少一个是传感器电池。传感器电池相对于该多个燃料电池中的其余燃料电池具有至少一种结构相异点。该结构相异点可以包括，例如，降低的传感器电池电化学活性区域、降低的电催化剂装载、修改的阳极或者阴极流场、不同的电催化剂组分，或者修改的冷却剂流场配置。传感器电池在与堆中的其余电池基本相同的条件下操作。然而，响应于特定堆操作条件的变化，在传感器电池中诱发未在其余燃料电池中被同时诱发的电或者热响应，优选地电压变化。因此，传感器电池能够探测不理想的条件并且它的响应能够被用于启动校正动作。可以在堆中采用针对于不同类型的条件的多于一个传感器电池。在不存在不理想的条件时，传感器电池能够用作电力产生燃料电池。
根据′282，在堆中结合的传感器电池还能够用作有用的电力产生电池。因此，在堆操作以产生电力期间，(一个或者多个)传感器电池和其余电池被连接以提供电力。可以在包括(一个或者多个)传感器电池的燃料电池堆两端施加可变的电负载。根据′282的传感器电池在堆中被串联连接。
具有这种类型的燃料电池通常包括以下设计特征/功能：
1)形成阳极气体腔室的密封功能。这是通过使用粘结剂而实现的，该粘结剂由此将膜电极组件(MEA)密封到阳极集电器(currentcollector)箔(foil)。
2)用于将氢气分布到燃料电池装置中的不同电池的气体分布功能。这是通过形成带有用于氢气的气体通道的支撑板而实现的。利用粘结剂和/或夹持器将燃料电池联结到支撑板。从该支撑板，存在导向每一个电池的阳极气体腔室的孔。
3)从一个电池收集电流并且优选地以最小电阻并且以使得在电池的活性区域(active area)之上获得均匀电流密度的这种方式将其分布到相邻电池的电互连功能。
4)夹持特征。通过使得燃料电池经受夹持力，在电池内的内电阻即在不同材料之间的接触电阻和材料内侧的比电阻降低(例如通过压缩气体扩散层(GDL)，它的纤维间连接得以改进)。类似于电接触，还通过夹持改进了导热性并且由此能够从反应层(即电极)耗散更多热量。夹持特征紧密地与电互连功能相关联。
一起应用的所有这些设计特征/功能形成了燃料电池装置。
燃料电池组件(燃料电池装置)的一个通常的问题在于，燃料馈送并不总是最佳的(即，恒定的并且相应于被燃料电池电源供电的装置的功率要求)并且因此必须控制或者到燃料电池装置的燃料馈送(氢气流)或者来自燃料电池装置的功率汲取。
时常地，通过探测在燃料电池堆中的个体电池或者电池组的电压而监视堆性能。典型堆通常包括30到200个个体电池。个体电池或者电池组的电压探测是昂贵的并且要求复杂的数据采集系统和控制算法来探测并且识别在预设电压范围以外的电压状态并且采取校正动作或者关闭堆直至正常操作状态(即在所期或者优选范围内的状态)能够得以恢复。在美国专利No.5,170,124中描述了使用电压探测监视燃料电池性能的典型方法。该专利描述了一种用于测量和比较在燃料电池堆中的电池组的电压与基准电压的设备和方法。
如果测得电压和基准电压的差异大于预定数量，则能够启动报警信号或者过程控制程序来实施关闭序列或者开始纠正动作。虽然这种电压探测方案识别出界(out-of bound)状态的存在，但是该方案就触发出界状态的问题的来源和/或性质而言是不精确的。
在WO 00/02282(巴拉德动力系统公司：Ballard Power Systems)中，公开了一种包括多个燃料电池的电化学燃料电池堆。燃料电池中的至少一个是传感器电池。传感器电池相对于该多个燃料电池中的其余燃料电池具有至少一种结构相异点。该结构相异点可以包括，例如，降低的传感器电池电化学活性区域、降低的电催化剂装载、修改的阳极或者阴极流场、不同的电催化剂组分，或者修改的冷却剂流场配置。传感器电池在与堆中的其余电池基本相同的条件下操作。然而，响应于特定堆操作条件的变化，在传感器电池中诱发未在其余燃料电池中被同时诱发的电或者热响应，优选地电压变化。因此，传感器电池能够探测不理想的条件并且它的响应能够被用于启动校正动作。可以在堆中采用针对于不同类型的条件的多于一个传感器电池。在不存在不理想的条件时，传感器电池能够用作电力产生燃料电池。
根据′282，在堆中结合的传感器电池还能够用作有用的电力产生电池。因此，在堆操作以产生电力期间，(一个或者多个)传感器电池和其余电池被连接以提供电力。可以在包括(一个或者多个)传感器电池的燃料电池堆两端施加可变的电负载。根据′282的传感器电池在堆中被串联连接。
发明内容
本发明的目的在于提供对于一个或者几个面内燃料电池组件的改进的控制，这在于，燃料馈送匹配功率汲取，或者反之亦然。
利用如在权利要求1中限定的发明实现了这个目的。
因此，通过在面内燃料电池组件的出口处提供分离的、更小的燃料电池，利用已经通过该组件而未被消耗的燃料驱动所述更小电池，由此产生电信号，能够提供对于燃料供应的反馈，由此控制燃料电池组件的燃料馈送或者可替代地功率汲取，并且因此能够实现燃料消耗的优化。因此，该另外的电池用作传感器电池。
优选地，该传感器电池被电耦合从而它与在面内燃料电池组件中的最后的燃料电池共享负集电器(negative current collector)。通过使用传感器电池，将变得能够识别组件的故障状态(即，氢气不足)。
提供专用、更小传感器电池而不是使用组件中的最后电池来用于控制目的的一个优点在于，该更小的传感器电池将具有比组件的更大的、最后的电池更加均匀的气体浓度(这产生了更加均匀的电化学势)。这将提供更长的设计寿命。另外，空气将不会容易地进入最后电池中，在此处它能够引起腐蚀状况。而且，该传感器电池能够提供关于被供应到该组件的气体是太多还是太少的信息。如果在该组件中的最后的普通电池被用作传感器，则它仅仅能够提供关于气体供应太少的信息。最终，如果该传感器电池足够得大，则该传感器电池能够确定全部气体得以消耗。
除了以上优点，本发明的传感器电池的生产是非常廉价的。
现在将参考附图描述本发明。附图仅仅是概略示意而且并未按照比例绘制。在说明书中对于“上”或者“下”的引用应该被解释为在图中的定向，同时记住燃料电池在使用中能够具有任何定向。
附图简要说明
图1示意现有技术燃料电池装置；
图2a示意可与本发明配合使用的另一现有技术燃料电池；
图2b示意可与本发明配合使用的另一现有技术燃料电池；
图3概略地示意进一步的实施例；
图4a概略地示出相对于燃料馈送串联连接的并且具有用于控制目的的、根据本发明的传感器电池的多电池装置的布局；
图4b概略地示出相对于燃料馈送并联连接的并且具有用于控制目的的、根据本发明的传感器电池的多电池装置的布局；
图5是结合根据本发明的传感器电池的四电池组件的概略截面。
图6示出一种包括4个燃料电池组件的“大系统”，每一个燃料电池组件设有根据本发明的传感器电池；并且
图7是包括根据本发明的燃料电池组件和传感器电池的、用于例如移动电话的燃料电池电源的截面。
利用如在权利要求1中限定的发明实现了这个目的。
因此，通过在面内燃料电池组件的出口处提供分离的、更小的燃料电池，利用已经通过该组件而未被消耗的燃料驱动所述更小电池，由此产生电信号，能够提供对于燃料供应的反馈，由此控制燃料电池组件的燃料馈送或者可替代地功率汲取，并且因此能够实现燃料消耗的优化。因此，该另外的电池用作传感器电池。
优选地，该传感器电池被电耦合从而它与在面内燃料电池组件中的最后的燃料电池共享负集电器(negative current collector)。通过使用传感器电池，将变得能够识别组件的故障状态(即，氢气不足)。
提供专用、更小传感器电池而不是使用组件中的最后电池来用于控制目的的一个优点在于，该更小的传感器电池将具有比组件的更大的、最后的电池更加均匀的气体浓度(这产生了更加均匀的电化学势)。这将提供更长的设计寿命。另外，空气将不会容易地进入最后电池中，在此处它能够引起腐蚀状况。而且，该传感器电池能够提供关于被供应到该组件的气体是太多还是太少的信息。如果在该组件中的最后的普通电池被用作传感器，则它仅仅能够提供关于气体供应太少的信息。最终，如果该传感器电池足够得大，则该传感器电池能够确定全部气体得以消耗。
除了以上优点，本发明的传感器电池的生产是非常廉价的。
现在将参考附图描述本发明。附图仅仅是概略示意而且并未按照比例绘制。在说明书中对于“上”或者“下”的引用应该被解释为在图中的定向，同时记住燃料电池在使用中能够具有任何定向。
附图简要说明
图1示意现有技术燃料电池装置；
图2a示意可与本发明配合使用的另一现有技术燃料电池；
图2b示意可与本发明配合使用的另一现有技术燃料电池；
图3概略地示意进一步的实施例；
图4a概略地示出相对于燃料馈送串联连接的并且具有用于控制目的的、根据本发明的传感器电池的多电池装置的布局；
图4b概略地示出相对于燃料馈送并联连接的并且具有用于控制目的的、根据本发明的传感器电池的多电池装置的布局；
图5是结合根据本发明的传感器电池的四电池组件的概略截面。
图6示出一种包括4个燃料电池组件的“大系统”，每一个燃料电池组件设有根据本发明的传感器电池；并且
图7是包括根据本发明的燃料电池组件和传感器电池的、用于例如移动电话的燃料电池电源的截面。
具体实施方式
图1示出现有技术燃料电池装置的实例。它包括串联地互连的多个燃料电池(示出三个电池)。该堆被设于支撑板111上，在支撑板111上安装所有的电池。每一个电池包括阳极GDL 108和阴极GDL 110，在它们之间置入MEA 109。利用集电器箔106′获得了在电池之间的电互连，集电器箔106′被连接到一个电池的阳极GDL 108和相邻电池的阴极GDL110，并且因此在一端处起到阳极集电器的作用，并且在另一端处起到阴极集电器的作用。因此，在支撑板111上，箔被设于一个电池组件的底部处(在图中中间处)，它从那个电池组件延伸出来并且进一步延伸以部分地止靠在相邻电池的MEA上(在图中向左)，并且在与相邻电池的阴极GDL 110接触时终止。
在每一个电池的顶部上设置惰性、可透空气的夹持构件104，夹持构件104能够是镀金金属网或者穿孔钢板。最终，在整个电池阵列之上设置顶板118以将部件紧密地保持到一起并且降低内部电阻。
如能够在图1中清楚地看到地，集电器箔105、106′、106″将至少部分地与MEA 109接触。在电池操作期间，这种接触能够引起在MEA和箔之间发生电化学反应。这些反应事实上将引起箔腐蚀，由此离子将被释放，并且离子将随后毒化MEA，由此使得电池组件的有效寿命缩短。对于在此处形成水的、具有高电化学势的阴极侧而言尤其是这种情形。对于阳极侧，导电粘结剂作为阻止腐蚀的保护层工作。
为了消除有害的腐蚀/毒化，能够提供一种设计改进，即进行如此设置，用于防止来自一个电池的集电器箔与该电池被连接到的相邻电池的阴极GDL和MEA的阴极侧形成接触。
表达“夹持器”包括压缩燃料电池并且将电流均匀地分配到燃料电池的一个或者几个部件。夹持器能够具有是惰性的并且呈现高导电性的可透空气的部件，例如镀金不锈钢网或者具有用于气体渗透的孔隙的镀金板/箔。
利用集电器箔的这种布置，电流被转移到相邻电池的阴极。这种设计的优点在于，导电箔部件(包括导电粘结剂)仅仅需要在阳极条件下是电化学惰性的。这是因为仅仅夹持器与相邻电池的阴极GDL和MEA的阴极侧接触。
大体上，能够提供一种用于互连电化学电池的布置，该电化学电池具有如此类型，即，具有置入阳极气体扩散层和阴极气体扩散层之间的膜电极组件(MEA)，和分别地被耦接到所述阳极和阴极气体扩散层(GDL)的第一和第二电流收集器，其中该第一集电器能够是从一个电池的阳极侧延伸到相邻电池的阴极侧的导电箔、石墨结构等，并且其中电池部件被夹持到一起。
适当地，绝缘元件被置入第一电池的阳极集电器和第二、相邻电池的阴极侧之间，其中由所述惰性导电构件提供电连接。
现在将参考图2a描述体现以上特征的一种燃料电池组件。
示出分别地串联连接的两个电池200a和200b。每一个分别地包括阳极GDL 208a和208b、阴极GDL 210a和210b、MEA 209a和209b，以及惰性导电夹持元件204a和204b。
导电箔206被设于第一电池200a的阳极部分之下(向左)并且向右延伸出去以连接到第二，相邻电池200b。箔能够由金属、石墨或者能够根据需要而被成形的任何其它适当的材料制成。术语“导电箔”应该被理解成涵盖带有导电粘结剂的铜带，或者无论是否带有导电粘结剂的、涂覆锡(Sn)的铜箔。它还可以是薄的碳基材料，例如但是不限于由热膨胀石墨制成的石墨箔、碳纤维布、复写纸材料、以上所列材料的组合。它还能够是任何其它导电箔材料，只要它的结构性能满足由电池中的环境所设定的要求。
在该实施例中，绝缘间隔器构件201被置入阳极导电箔206(从一个电池200a的阳极侧下面、在图中向左延伸)和相邻电池的MEA 209b之间，从而当顶板218在压力下被放置到位时，到相邻电池200b的夹持器部件204b(例如镀金网)的电连接得以确保，而在同时确保了箔206被从相邻电池200b的MEA 209b电化学绝缘。因此，当被所述惰性导电构件204b朝着间隔器构件201夹持时，第一集电器206具有与所述间隔器构件201的上表面接触的延伸部分。
应该优选地如此选择这个电连接的定位，使得冷凝水不能在集电器箔和MEA之间形成电化学电池。这种电化学电池能够用作用于在腐蚀过程中释放的离子的通道。
然而，如果采取其它措施从而能够避免在相邻电池的阴极和阳极箔206之间形成电化学电池，则电连接的定位将不是那么关键性的。例如通过使得间隔器构件材料的表面具有疏水性或者关于液体膜形成引入某种其它屏障，则水将不会那么容易地扩散到电池环境中不期望的位置。
在图2b示意的另一实施例中，电池之一(在图中向右的那一个)的夹持器部件204b(例如镀金网或者石墨构件)被以一定角度向下弯曲从而它延伸离开电池组件而不与同一电池的MEA形成接触以接触相邻电池(在图中向左的那一个)的集电器箔206。绝缘间隔器构件201被置于夹持器部件(即网)上并且被顶板218向下挤压，由此将网204b电连接到集电器箔206。
因此，在该实施例中，间隔器构件的底表面与所述第一电池200a的膜电极组件(MEA)的一部分接触，并且惰性导电构件204b被夹持在所述间隔器构件201的底表面和集电器206之间。
这里，惰性导电构件204b从间隔器构件201的底部向上延伸并且与相邻电池200b的阴极GDL 210b形成接触。
夹持器部件204(例如镀金网)还能够具有机械完整性，从而当根据图2b而被成形时，夹持器部件的弹簧作用力确保了电接触。
所述间隔器构件201优选地是可压缩垫，并且应该优选地由在燃料电池环境中为惰性的多孔塑性材料制成。优选地，材料或者材料表面还应该是疏水性的从而能够避免冷凝水形成液体膜。用于间隔器构件的适当材料的实例有多孔聚四氟乙烯(PTFE)或者类似的疏水性材料、多孔硅橡胶或者另一种可压缩的并且惰性的塑性材料。如果材料在其本身不是疏水性的，则应该优选地利用疏水性材料例如PTFE涂覆它。
间隔器构件201还能够是不可压缩的，但是这对于正确地确定垫的尺寸提出更高的要求和/或为部件208和210选择更加可压缩的GDL材料提出了更高的要求。在这种情形中，它能够由无孔PTFE或者硅制成。
在图3中概略地示意进一步的实施例。一种燃料电池组件包括多个(示出两个)燃料电池，每一个燃料电池均包括被MEA 509分离的阳极GDL508和阴极GDL510，所有的元件均设于支撑板上。集电器506跨过电池的阳极侧并且向其一侧地延伸，并且进一步被向上折叠并且被置于相邻电池的间隔器框架520的顶部上，并且与夹持构件504接触。以例如的框架520的形式设置间隔器构件，所述框架被设置用于夹持MEA和箔506。
现在将更加详细地描述本发明。
因此，根据本发明，通过引入传感器电池而为电池性能提供控制功能。在图4a和4b中概略地示意出并且现在将详细地描述这个概念。
因此，在图4a所示的多电池900a-d布置中，在该设计中包括更小的传感器电池901。相对于氢气供应，电池900a-d、901可以被串联连接(如在图4a中所示)或者并联连接(如在图4b中所示)。串联连接是优选的，因为在并联模式中，可能探测不到在组件中的一个电池的故障，然而在串联连接中这将是可能的。然而，在多传感器布置中，相对于氢气燃料供应(燃料馈送)，能够以串联和并联这两种模式放置传感器电池。
这个传感器电池的构造和制造原则上能够遵循其它电池的设计。然而，传感器电池被电连接从而它与在面内燃料电池组件中的最后的燃料电池共享负集电器。这是如此实现的，即，使得从最后的可操作或者电力电池延伸的阳极集电器，进一步在支撑板上延伸，并且将传感器电池置于集电器上，使得它的阳极GDL与集电器相接触。
串联气体连接具有以下优点，即，能够容易地从燃料电池组件清除冷凝水滴并且所述水滴使得气体流动停止的风险是小的。串联连接燃料馈送的缺点在于，在燃料电池装置之上的压力梯度可以导致第一和最后的电池具有不同的性能。
并联连接燃料馈送的缺点在于，小的压力梯度可能难以推动冷凝水滴通过气体通道。另外，如果电池的流动通道被堵塞，则传感器电池探测不到在这个电池中氢气不足，因为氢气能够通过其它通道流动。
传感器电池的阳极和阴极经由电阻器R而被相互连接。这个所述电阻器的电阻被设为特殊数值从而适当的电流(例如100mA)能够流过该电池。这个电池被安置在来自其它电池的氢气出口902处。传感器电池901的目的在于示意所有的电池900a-d被提供有足够的氢气。当通过设置而存在充分的氢气时，传感器电池将提供高于特定数值的电压。当在系统中存在很少的或者无氢气时，电压将降至低于所述数值并且当然如果无任何氢气可用则降至零V。如果电压超过设定极限，则这将示意氢气供应速率太高。
为了避免传感器电池的腐蚀问题，工作电势(工作电压)不应该太高。当使得传感器电池通过电阻器短路时，工作电压应该在0.1和0.4V之间。因此电阻器应该得到匹配从而在无限氢气供应下的电池电压在0.1和0.5V之间，优选地0.1到0.3V。
能够根据以下准则选择传感器电池的尺寸：1)在调整时的稳定性。当负载/气流变化时，传感器电池越小，则它变得越敏感(更大的电压跳变)。2)燃料经济性。传感器电池越大，则在传感器电池中燃烧越多的氢气。用于确定传感器电池尺寸和电阻器大小的程序的实例。1)选择所期化学计量(例如5％的过量气体)。计算相应的电流(例如对于具有1A的额定电流的4电池单元而言，这变为0.05*4*1＝200mA＝Ireg)。2)选择在稳态下能够在0.3V输出近似2*Ireg＝400mA的传感器电池活性区域(active area)尺寸。对于具有Gore MEA(PRIMEA 5710)的本发明的设计，传感器电池尺寸应该为大约0.8cm2。3)选择电阻器R从而R＝0.15V/Ireg＝0.15/0.2＝0.750hm。
通常对于具有工作电压Uwork的传感器电池如下确定电阻器的大小：
R＝Uwork/Ireg
其中
Ireg＝Egas×Inom×N
Egas是被供应到传感器电池的过量气体，Ireg是对于具有额定电流Inom的N个电池的组件的通过传感器电池的电流。
对于更大的燃料电池组件，传感器电池消耗的过量气体能够是更少的。优选地过量气体分率应该为1-5％。
图5概略地但是更加详细地示意具有被设于在组件出口处的、根据本发明的传感器电池1010的、被大体上标为1000的燃料电池组件。在所示组件中的电池相对于燃料馈送方向被串联连接，这是优选的实施例。
传感器电池1010原则上具有与组件中的操作效能电池相同的构造，即如参考图5b描述地，并且这里将不再进一步描述。
因此，传感器电池包括阳极GDL 1020、阴极GDL 1030、分离GDL的MEA 1040，所有的元件均被设于与组件中的其它发电电池相同的支撑板1045上，被布置成将MEA 1040夹持到支撑板并且封锁GDL/MEA/GDL电池堆的间隔器框架1055及设于支撑板上的集电器1050例如传导薄片或者由石墨制成的元件，和顶部上的夹持板1060。当间隔器构件在加压系统(即为了有助于电池的密封)中使用时，间隔器构件对于传感器电池而言是特别重要的。集电器1050延伸越过传感器电池的阳极侧并且延伸从而被连接到相邻发电电池的负极，即在组件中的最后的电池。
传感器电池被电阻器1070短路。这个电阻器两端的电压被连续地测量并且提供示意在组件中燃料消耗的电压信号。
因此，如果电阻器两端的电压下降为零，则这示意燃料电池组件未被提供有足够的燃料，并且因此能够增加燃料供应速率。相反，如果电压增加并且达到设定阈值，则这示意燃料供应太高并且能够被调节为较低的速率。这提供了有效率的燃料控制，由此优化电池组件的性能。
能够在开端系统中应用传感器电池，在开端系统中存在从传感器电池到周边空气的开放出口。然而，优选地，该出口应该是薄毛细管从而空气进入传感器电池中的反扩散并不太快。
当在使用中时，能够以两种不同的方式利用来自传感器电池的电压信号：
电压信号被提供给氢气源系统(氢气发生器系统)从而根据燃料电池工作所需的氢气数量将或多或少的氢气馈送到多燃料电池阵列中。另一替代是将信号提供给燃料电池单元的功率电子设备。这个电压信号能够被用于设定燃料电池单元的输出功率。如果电压信号下降，则必须降低功率。这个上述功率电子设备因此需要具有用于控制来自燃料电池单元的输出功率的功能。
定义
-燃料电池组件＝燃料电池装置＝多燃料电池阵列：包括一个或者几个串联连接的燃料电池和传感器电池。
-燃料电池电源：可以包括燃料盒/氢气发生器、燃料电池、阀门、功率和控制电子设备、蓄电池(battery)和/或超电容器。
-燃料电池粘附物(sticker)：燃料电池组件中的可更换部件，包括MEA、GDL、集电器箔和塑性材料。
-面内燃料电池组件：一种燃料电池装置，其中在表面(平坦的或者弯曲的或者甚至带扭折的)上靠近彼此地放置各个电池。
-开端燃料电池装置：在装置的气体出口处不带任何特定阀门或者气体限流器的燃料电池装置。
-闭端燃料电池装置：带有在燃料电池之后放置的开/关阀门的燃料电池装置。
-带有排气口的闭端燃料电池装置：带有在燃料电池之后放置的气体限流器的燃料电池装置。
开端燃料电池装置
能够利用能够上下地改变气体流动的、电子控制的节流阀门(strangler valve)(或者并联设置的几个开/关阀门)控制燃料馈送。可替代地，在通过例如水解的现场生产氢气的情形中，反应速率能够得到控制。如果随后的燃料电池是开端的，则传感器电池能够给予阀门或者给予反应器反馈从而燃料馈送对于电流汲取(即相应于所需功率汲取)是精确的。
另一选项是以开端方式运行燃料电池装置而不对于燃料馈送(即氢气流量)进行任何特定控制。例如当具有经由减压阀和限流器而被连接到燃料电池装置的金属氢化物罐时或者当具有带有对反应速率的被动控制(passive control)的水解反应器时便是这种情形。对于这个选项，必须根据燃料馈送调节燃料电池的功率汲取。如果所述功率汲取大于在外部(例如由燃料电池电源供电的/充电的移动电话)所需功率汲取，则生成的额外功率能够对于燃料电池电源的内部蓄电池充电。反之如果外部功率需求高于燃料电池能够供应的数量(例如由于低的氢气流量)，则蓄电池能够提高功率。
闭端燃料电池装置
如果燃料电池装置被供应有加压气体(即燃料馈送被设计成当不超过它的最大流量极限时达到特定压力)。在这个系统中，在燃料电池装置的气体出口处存在开/关阀门(闭端阀门)。由于积聚非燃料气体(例如水蒸汽和N2)，在燃料电池装置起动期间还有当运行时应该打开所述阀门以清除空气。通过沿着气体流动方向在燃料电池之后但是在闭端阀门之前安置传感器电池，能够在起动期间使用传感器电池以确定氢气浓度何时已经达到可接受的水平并且因此闭端阀门能够被关闭。当运行燃料电池时，传感器电池能够确定氢气浓度何时已经降为低并且需要清除。
带有排气口的闭端燃料电池装置
另一选项是具有带有小的泄漏即排气口(这能够是一种简单的气流约束)的闭端阀门(在实践中任何类型的阀门)。利用排气口，能够避免积聚非燃料气体。“排气口”设计的另一优点在于，传感器电池能够示意功率汲取何时大于最大流量极限所能够支持的功率汲取(即如果燃料消耗大于燃料来源能够供应的数量)，因为这样将在最后的发电燃料电池中产生真空并且空气将通过气体流动约束而被吸入传感器电池中。
一种有利的设计是，带有排气口的闭端阀门具有依赖于压力的功能，从而它在阈值(通常1-7psi；6.9kPa-48.3kPa)下打开。如果利用提供适当的气体流动限制(例如在额定功率下，在燃料电池组件之上的压力降是进口压力即氢气源压力P0的压力降的30-60％，)的气流通道系统将这种阀门(例如阈值3P0/4)连接到燃料电池装置，则能够遵循以下起动和运行算法：
1)起动：当氢气被连接到燃料电池时，则压力将增加至高于3P0/4并且阀门将打开，从而引起从燃料电池组件清除空气。一旦传感器电池电压变高，燃料电池功率汲取便被启动，从而引起压力在闭端阀门处降至低于3P0/4，该阀门因此再次关闭。
2)运行：当运行燃料电池装置时，传感器电池电压可以由于氢气不足而变低。第一项措施是降低从燃料电池装置的功率汲取(如果功率汲取高于相应的氢气源最大流量极限)。如果传感器电池电压没有足够地增加，则第二项措施是即刻(momentarily)停止从燃料电池装置的功率汲取。在闭端阀门处的压力然后将增加至高于3P0/4并且燃料电池装置将被净化。
更大系统
还能够在多单元系统中使用传感器电池。通常这些系统包括相对于气体流动和电流并联连接的几个燃料电池单元(每一个具有3-8个电池)，每一个单元具有一个传感器电池。DC/DC转换器还有功率控制电子设备也被连接到每一个燃料电池。在图6中概略地示意这种类型的系统。
在这个系统中，DC/DC转换器将电压从燃料电池单元的工作电压增加为输出电压(Vout)。使用来自传感器电池的信号，每一个功率控制单元控制输出功率从而全部氢气均被消耗，而与进入不同燃料电池单元中的流量是否不同无关。
如果氢气从其它传感器电池泄露，则最后的传感器电池(SC E)能够被用作报警器并且还能够被用作后燃烧器。
能够在多个不同装置中为控制目的实现传感器电池。一个实例是其概略示意在图7中示出的、用于例如移动电话的充电器。
因此，图7所示的移动电话充电器包括塑料外壳700、金属氢化物氢气罐(MH罐)705、气体连接器装置710、气体限流器(未示出)、包括四个面内燃料电池720a-d的燃料电池粘附物750、传感器电池725、电子设备(未具体地示出)、蓄电池735和USB A内孔连接器(未示出)。气体限流器(未示出)将气体流量限制为可以或者可以不独立于进口压力的特定水平。燃料电池还包括带有用于氢气分布的、在面向燃料电池粘附物750的表面中开槽出的通道747的支撑板745，具有四个电池的燃料电池粘附物，和由镀金穿孔钢板制成的夹持器755。对于传感器电池725，支撑板745和燃料电池粘附物750延伸从而最后电池(气体流动方向)的负集电器箔被用作传感器电池的负电极。电子设备由用于达到用于对蓄电池充电的适当电压的第一DC/DC转换器和用于达到USB连接器所需的5V的第二DC/DC转换器构成。该电子设备还监视传感器电池725的和各个电池的电压；它还监视燃料电池的和蓄电池的温度水平。该电子设备通过调节来自第一DC/DC转换器的输出电压而控制来自燃料电池的功率。蓄电池是Li离子蓄电池。
传感器电池的尺寸和活性面积是2.1×0.4cm＝0.84cm2。传感器电池通过1欧姆的电阻器而被短路。
现在将通过以下非限制实例进一步示意本发明。
实例1(传感器电池)
这个实例描述当通过使用另外的燃料电池(传感器电池)控制气体流量或者电流水平时获得的结果，将氢气从如在实例2中描述的四电池燃料电池单元的端部处的氢气排气装置(exhaust)馈送到该另外的燃料电池。
使用相同的MEA和GDL以与面内电池组件中的其它四个电池相同的方式制成传感器电池。然而，这个电池具有比其它四个电池更小的尺寸，带有1cm2的总体活性区域。它包括相同夹持技术，使用如也在实例2中描述的金网。
这个电池不被电连接到其它四个电池，而是通过具有1欧姆的已知电阻的电阻器短路，因此在电阻器之上的电压与流动通过传感器电池的电流成正比。通过改变通过燃料电池单元的电流或者氢气流量而通过使用PID控制器连续地控制在电阻器之上的电压，这个第五电池现在使得我们能够确保足够的氢气总是被馈送通过燃料电池单元以支持由于电流汲取(current drawn)而引起的氢气消耗。
这里示出当以5s步进将电流从0.2A增至1A时关于具有如上所述的另外的传感器电池的、如在实例2中描述的四电池单元的结果。PID控制器被编程以通过改变气体流量而将第五电池之上的电压水平保持为0.2V。如能够看到地，这种控制策略能够顺利地遵循电流倾斜(ramp)。
时间/s 电流/A H2流量/ml min-1
5 0.200 6.074
10 0.213 6.813
15 0.227 6.561
20 0.240 6.963
25 0.253 7.454
30 0.267 7.962
35 0.280 8.463
40 0.293 8.389
45 0.307 9.515
50 0.320 9.538
55 0.333 9.996
60 0.347 10.486
65 0.360 10.417
70 0.373 10.926
75 0.387 11.330
80 0.400 11.350
85 0.413 11.679
90 0.427 12.156
95 0.440 12.648
100 0.453 12.810
105 0.467 13.139
110 0.480 13.605
115 0.493 13.741
120 0.507 14.862
125 0.520 14.899
130 0.533 15.050
135 0.547 15.925
140 0.560 15.903
145 0.573 16.896
150 0.587 16.621
155 0.600 16.347
160 0.613 17.037
165 0.627 17.852
170 0.640 17.516
175 0.653 18.548
180 0.667 18.966
185 0.680 18.963
190 0.693 19.473
195 0.707 20.206
200 0.720 19.462
205 0.733 20.485
210 0.747 20.925
215 0.760 20.827
220 0.773 21.367
225 0.787 22.716
230 0.800 23.174
235 0.800 22.558
240 0.800 22.732
245 0.800 22.667
250 0.800 22.072
255 0.800 23.040
260 0.800 22.584
265 0.800 22.827
270 0.800 22.453
275 0.800 22.381
280 0.800 22.445
285 0.800 23.045
290 0.800 22.600
295 0.800 22.772
300 0.800 22.975
通过替代地编程PID控制器以在通过燃料电池单元的最大容许电流水平为1A时通过改变电流水平而使在第五电池之上的电压水平保持在0.2V下，当相同燃料电池单元被暴露于变化的气体流量(这里以人工方式利用阀门控制)时获得了以下结果：
时间/电流/气体流量设置
s
5 0.000零气体流量
10 0.000
15 0.000
20 0.309气体流量增至非常高的数值＞10ml/min每电池
25 0.496
30 0.690
35 0.929
40 0.997
45 0.987
50 0.957
55 1.000
60 0.913
65 0.017稍微地降低气体流量，大约5ml/min每电池
70 0.435
75 0.579
80 0.794
85 0.690
90 0.674
95 0.670
100 0.686
105 0.713
110 0.661
115 0.668
120 0.709
125 0.713
130 0.210进一步降低气体流量，大约2ml/min每电池
135 0.237
140 0.234
145 0.236
150 0.221
155 0.249
160 0.189
165 0.222
170 0.228
175 0.229
180 0.172
185 0.000气体流量被再次设为零
190 0.000
195 0.000
实例2(包括传感器电池的充电器)
这是一个描述使用如更早地在该专利申请中描述的燃料电池和传感器电池的移动电话充电器或者通用电力提供装置的实例。
该充电器由塑料外壳、金属氢化物氢气罐(MH罐)、气体连接器装置、气体限流器、燃料电池、传感器电池、电子设备、蓄电池和USB A连接器(内孔式)构成。气体限流器将气体流量限制为可以或者可以不独立于进口压力的特定水平。燃料电池包括带有用于氢气分布的、在面向燃料电池粘附物的表面中开槽出的通道的支撑板，具有四个电池的燃料电池粘附物，和由镀金穿孔钢板制成的夹持器。对于传感器电池，支撑板和燃料电池粘附物延伸从而最后电池(气体流动方向)的负集电器箔被用作传感器电池的负电极。电子设备由用于达到用于对蓄电池充电的适当电压的第一DC/DC转换器和用于达到USB连接器所需的5V的第二DC/DC转换器构成。该电子设备还监视传感器电池的和各个电池的电压；它还监视燃料电池的和蓄电池的温度水平。该电子设备通过调节来自第一DC/DC转换器的输出电压而控制来自燃料电池的功率。蓄电池是Li离子蓄电池。
充电器的功率输出是1-3W。取决于氢气流量和燃料电池的性能，燃料电池的功率是0.5-2.5W。这因此是一种混合系统，其中当燃料电池不能满足正被供电/充电的装置的功率需求时，蓄电池增加功率。可替代地当燃料电池的功率超过正被供电/充电的装置的功率时，则蓄电池能够存储该额外的能量。
取决于金属氢化物氢气(MH)罐的压力、气体连接器装置的减压阀和气体限流器的气体流量在15和35ml/min之间。因此，氢气进入燃料电池中的流量并不改变而是由压力水平和限流器设定。传感器电池的尺寸和活性面积是2.1×0.4cm＝0.84cm2。传感器电池通过1欧姆的电阻器而被短路。
操作燃料电池(稳态操作)
传感器电池的电压应该(当运行燃料电池时)总是为0.2V。如果电压低于0.2V，则这示意氢气不足并且因此控制电子设备将降低来自第一DC/DC-控制器的电压并且更小的电流将被充入Li离子蓄电池和/或第二DC/DC转换器中。如果电压高于0.2V，则将采取相反的机制。电子控制使用PVM调节。
起动
当起动该系统时，燃料电池的电池被相继地并且各自地短路达每电池1秒的时间段。在每一次短路之间，测试传感器电池的电压。这个程序旨在用于在开始稳态操作之前启动电池。
关闭
在错误指示的情形中，利用机电机构将MH罐从气体连接器装置断开并且发光二极管示意充电器进入停用程序。这种错误指示能够是1)一个特定电池的低电压(即低于0.3V)，2)传感器电池的电压太低(即低于0.1V)，3)来自燃料电池的电流太高(即超过1.5A)，4)在燃料电池处的温度太高(即高于50摄氏度，5)在蓄电池处的温度太高或者太低(即低于5或者高于45摄氏度)，6)在蓄电池处的电压太高或者太低(即低于3.6或者高于3.9V)。当故意地取出MH罐时也将发生这个错误指示。在停用期间，燃料电池中的第一电池被短路0.2秒并且然后等待0.2秒。重复这个程序直至第一电池的电压小于0.8V。
在每一个电池的顶部上设置惰性、可透空气的夹持构件104，夹持构件104能够是镀金金属网或者穿孔钢板。最终，在整个电池阵列之上设置顶板118以将部件紧密地保持到一起并且降低内部电阻。
如能够在图1中清楚地看到地，集电器箔105、106′、106″将至少部分地与MEA 109接触。在电池操作期间，这种接触能够引起在MEA和箔之间发生电化学反应。这些反应事实上将引起箔腐蚀，由此离子将被释放，并且离子将随后毒化MEA，由此使得电池组件的有效寿命缩短。对于在此处形成水的、具有高电化学势的阴极侧而言尤其是这种情形。对于阳极侧，导电粘结剂作为阻止腐蚀的保护层工作。
为了消除有害的腐蚀/毒化，能够提供一种设计改进，即进行如此设置，用于防止来自一个电池的集电器箔与该电池被连接到的相邻电池的阴极GDL和MEA的阴极侧形成接触。
表达“夹持器”包括压缩燃料电池并且将电流均匀地分配到燃料电池的一个或者几个部件。夹持器能够具有是惰性的并且呈现高导电性的可透空气的部件，例如镀金不锈钢网或者具有用于气体渗透的孔隙的镀金板/箔。
利用集电器箔的这种布置，电流被转移到相邻电池的阴极。这种设计的优点在于，导电箔部件(包括导电粘结剂)仅仅需要在阳极条件下是电化学惰性的。这是因为仅仅夹持器与相邻电池的阴极GDL和MEA的阴极侧接触。
大体上，能够提供一种用于互连电化学电池的布置，该电化学电池具有如此类型，即，具有置入阳极气体扩散层和阴极气体扩散层之间的膜电极组件(MEA)，和分别地被耦接到所述阳极和阴极气体扩散层(GDL)的第一和第二电流收集器，其中该第一集电器能够是从一个电池的阳极侧延伸到相邻电池的阴极侧的导电箔、石墨结构等，并且其中电池部件被夹持到一起。
适当地，绝缘元件被置入第一电池的阳极集电器和第二、相邻电池的阴极侧之间，其中由所述惰性导电构件提供电连接。
现在将参考图2a描述体现以上特征的一种燃料电池组件。
示出分别地串联连接的两个电池200a和200b。每一个分别地包括阳极GDL 208a和208b、阴极GDL 210a和210b、MEA 209a和209b，以及惰性导电夹持元件204a和204b。
导电箔206被设于第一电池200a的阳极部分之下(向左)并且向右延伸出去以连接到第二，相邻电池200b。箔能够由金属、石墨或者能够根据需要而被成形的任何其它适当的材料制成。术语“导电箔”应该被理解成涵盖带有导电粘结剂的铜带，或者无论是否带有导电粘结剂的、涂覆锡(Sn)的铜箔。它还可以是薄的碳基材料，例如但是不限于由热膨胀石墨制成的石墨箔、碳纤维布、复写纸材料、以上所列材料的组合。它还能够是任何其它导电箔材料，只要它的结构性能满足由电池中的环境所设定的要求。
在该实施例中，绝缘间隔器构件201被置入阳极导电箔206(从一个电池200a的阳极侧下面、在图中向左延伸)和相邻电池的MEA 209b之间，从而当顶板218在压力下被放置到位时，到相邻电池200b的夹持器部件204b(例如镀金网)的电连接得以确保，而在同时确保了箔206被从相邻电池200b的MEA 209b电化学绝缘。因此，当被所述惰性导电构件204b朝着间隔器构件201夹持时，第一集电器206具有与所述间隔器构件201的上表面接触的延伸部分。
应该优选地如此选择这个电连接的定位，使得冷凝水不能在集电器箔和MEA之间形成电化学电池。这种电化学电池能够用作用于在腐蚀过程中释放的离子的通道。
然而，如果采取其它措施从而能够避免在相邻电池的阴极和阳极箔206之间形成电化学电池，则电连接的定位将不是那么关键性的。例如通过使得间隔器构件材料的表面具有疏水性或者关于液体膜形成引入某种其它屏障，则水将不会那么容易地扩散到电池环境中不期望的位置。
在图2b示意的另一实施例中，电池之一(在图中向右的那一个)的夹持器部件204b(例如镀金网或者石墨构件)被以一定角度向下弯曲从而它延伸离开电池组件而不与同一电池的MEA形成接触以接触相邻电池(在图中向左的那一个)的集电器箔206。绝缘间隔器构件201被置于夹持器部件(即网)上并且被顶板218向下挤压，由此将网204b电连接到集电器箔206。
因此，在该实施例中，间隔器构件的底表面与所述第一电池200a的膜电极组件(MEA)的一部分接触，并且惰性导电构件204b被夹持在所述间隔器构件201的底表面和集电器206之间。
这里，惰性导电构件204b从间隔器构件201的底部向上延伸并且与相邻电池200b的阴极GDL 210b形成接触。
夹持器部件204(例如镀金网)还能够具有机械完整性，从而当根据图2b而被成形时，夹持器部件的弹簧作用力确保了电接触。
所述间隔器构件201优选地是可压缩垫，并且应该优选地由在燃料电池环境中为惰性的多孔塑性材料制成。优选地，材料或者材料表面还应该是疏水性的从而能够避免冷凝水形成液体膜。用于间隔器构件的适当材料的实例有多孔聚四氟乙烯(PTFE)或者类似的疏水性材料、多孔硅橡胶或者另一种可压缩的并且惰性的塑性材料。如果材料在其本身不是疏水性的，则应该优选地利用疏水性材料例如PTFE涂覆它。
间隔器构件201还能够是不可压缩的，但是这对于正确地确定垫的尺寸提出更高的要求和/或为部件208和210选择更加可压缩的GDL材料提出了更高的要求。在这种情形中，它能够由无孔PTFE或者硅制成。
在图3中概略地示意进一步的实施例。一种燃料电池组件包括多个(示出两个)燃料电池，每一个燃料电池均包括被MEA 509分离的阳极GDL508和阴极GDL510，所有的元件均设于支撑板上。集电器506跨过电池的阳极侧并且向其一侧地延伸，并且进一步被向上折叠并且被置于相邻电池的间隔器框架520的顶部上，并且与夹持构件504接触。以例如的框架520的形式设置间隔器构件，所述框架被设置用于夹持MEA和箔506。
现在将更加详细地描述本发明。
因此，根据本发明，通过引入传感器电池而为电池性能提供控制功能。在图4a和4b中概略地示意出并且现在将详细地描述这个概念。
因此，在图4a所示的多电池900a-d布置中，在该设计中包括更小的传感器电池901。相对于氢气供应，电池900a-d、901可以被串联连接(如在图4a中所示)或者并联连接(如在图4b中所示)。串联连接是优选的，因为在并联模式中，可能探测不到在组件中的一个电池的故障，然而在串联连接中这将是可能的。然而，在多传感器布置中，相对于氢气燃料供应(燃料馈送)，能够以串联和并联这两种模式放置传感器电池。
这个传感器电池的构造和制造原则上能够遵循其它电池的设计。然而，传感器电池被电连接从而它与在面内燃料电池组件中的最后的燃料电池共享负集电器。这是如此实现的，即，使得从最后的可操作或者电力电池延伸的阳极集电器，进一步在支撑板上延伸，并且将传感器电池置于集电器上，使得它的阳极GDL与集电器相接触。
串联气体连接具有以下优点，即，能够容易地从燃料电池组件清除冷凝水滴并且所述水滴使得气体流动停止的风险是小的。串联连接燃料馈送的缺点在于，在燃料电池装置之上的压力梯度可以导致第一和最后的电池具有不同的性能。
并联连接燃料馈送的缺点在于，小的压力梯度可能难以推动冷凝水滴通过气体通道。另外，如果电池的流动通道被堵塞，则传感器电池探测不到在这个电池中氢气不足，因为氢气能够通过其它通道流动。
传感器电池的阳极和阴极经由电阻器R而被相互连接。这个所述电阻器的电阻被设为特殊数值从而适当的电流(例如100mA)能够流过该电池。这个电池被安置在来自其它电池的氢气出口902处。传感器电池901的目的在于示意所有的电池900a-d被提供有足够的氢气。当通过设置而存在充分的氢气时，传感器电池将提供高于特定数值的电压。当在系统中存在很少的或者无氢气时，电压将降至低于所述数值并且当然如果无任何氢气可用则降至零V。如果电压超过设定极限，则这将示意氢气供应速率太高。
为了避免传感器电池的腐蚀问题，工作电势(工作电压)不应该太高。当使得传感器电池通过电阻器短路时，工作电压应该在0.1和0.4V之间。因此电阻器应该得到匹配从而在无限氢气供应下的电池电压在0.1和0.5V之间，优选地0.1到0.3V。
能够根据以下准则选择传感器电池的尺寸：1)在调整时的稳定性。当负载/气流变化时，传感器电池越小，则它变得越敏感(更大的电压跳变)。2)燃料经济性。传感器电池越大，则在传感器电池中燃烧越多的氢气。用于确定传感器电池尺寸和电阻器大小的程序的实例。1)选择所期化学计量(例如5％的过量气体)。计算相应的电流(例如对于具有1A的额定电流的4电池单元而言，这变为0.05*4*1＝200mA＝Ireg)。2)选择在稳态下能够在0.3V输出近似2*Ireg＝400mA的传感器电池活性区域(active area)尺寸。对于具有Gore MEA(PRIMEA 5710)的本发明的设计，传感器电池尺寸应该为大约0.8cm2。3)选择电阻器R从而R＝0.15V/Ireg＝0.15/0.2＝0.750hm。
通常对于具有工作电压Uwork的传感器电池如下确定电阻器的大小：
R＝Uwork/Ireg
其中
Ireg＝Egas×Inom×N
Egas是被供应到传感器电池的过量气体，Ireg是对于具有额定电流Inom的N个电池的组件的通过传感器电池的电流。
对于更大的燃料电池组件，传感器电池消耗的过量气体能够是更少的。优选地过量气体分率应该为1-5％。
图5概略地但是更加详细地示意具有被设于在组件出口处的、根据本发明的传感器电池1010的、被大体上标为1000的燃料电池组件。在所示组件中的电池相对于燃料馈送方向被串联连接，这是优选的实施例。
传感器电池1010原则上具有与组件中的操作效能电池相同的构造，即如参考图5b描述地，并且这里将不再进一步描述。
因此，传感器电池包括阳极GDL 1020、阴极GDL 1030、分离GDL的MEA 1040，所有的元件均被设于与组件中的其它发电电池相同的支撑板1045上，被布置成将MEA 1040夹持到支撑板并且封锁GDL/MEA/GDL电池堆的间隔器框架1055及设于支撑板上的集电器1050例如传导薄片或者由石墨制成的元件，和顶部上的夹持板1060。当间隔器构件在加压系统(即为了有助于电池的密封)中使用时，间隔器构件对于传感器电池而言是特别重要的。集电器1050延伸越过传感器电池的阳极侧并且延伸从而被连接到相邻发电电池的负极，即在组件中的最后的电池。
传感器电池被电阻器1070短路。这个电阻器两端的电压被连续地测量并且提供示意在组件中燃料消耗的电压信号。
因此，如果电阻器两端的电压下降为零，则这示意燃料电池组件未被提供有足够的燃料，并且因此能够增加燃料供应速率。相反，如果电压增加并且达到设定阈值，则这示意燃料供应太高并且能够被调节为较低的速率。这提供了有效率的燃料控制，由此优化电池组件的性能。
能够在开端系统中应用传感器电池，在开端系统中存在从传感器电池到周边空气的开放出口。然而，优选地，该出口应该是薄毛细管从而空气进入传感器电池中的反扩散并不太快。
当在使用中时，能够以两种不同的方式利用来自传感器电池的电压信号：
电压信号被提供给氢气源系统(氢气发生器系统)从而根据燃料电池工作所需的氢气数量将或多或少的氢气馈送到多燃料电池阵列中。另一替代是将信号提供给燃料电池单元的功率电子设备。这个电压信号能够被用于设定燃料电池单元的输出功率。如果电压信号下降，则必须降低功率。这个上述功率电子设备因此需要具有用于控制来自燃料电池单元的输出功率的功能。
定义
-燃料电池组件＝燃料电池装置＝多燃料电池阵列：包括一个或者几个串联连接的燃料电池和传感器电池。
-燃料电池电源：可以包括燃料盒/氢气发生器、燃料电池、阀门、功率和控制电子设备、蓄电池(battery)和/或超电容器。
-燃料电池粘附物(sticker)：燃料电池组件中的可更换部件，包括MEA、GDL、集电器箔和塑性材料。
-面内燃料电池组件：一种燃料电池装置，其中在表面(平坦的或者弯曲的或者甚至带扭折的)上靠近彼此地放置各个电池。
-开端燃料电池装置：在装置的气体出口处不带任何特定阀门或者气体限流器的燃料电池装置。
-闭端燃料电池装置：带有在燃料电池之后放置的开/关阀门的燃料电池装置。
-带有排气口的闭端燃料电池装置：带有在燃料电池之后放置的气体限流器的燃料电池装置。
开端燃料电池装置
能够利用能够上下地改变气体流动的、电子控制的节流阀门(strangler valve)(或者并联设置的几个开/关阀门)控制燃料馈送。可替代地，在通过例如水解的现场生产氢气的情形中，反应速率能够得到控制。如果随后的燃料电池是开端的，则传感器电池能够给予阀门或者给予反应器反馈从而燃料馈送对于电流汲取(即相应于所需功率汲取)是精确的。
另一选项是以开端方式运行燃料电池装置而不对于燃料馈送(即氢气流量)进行任何特定控制。例如当具有经由减压阀和限流器而被连接到燃料电池装置的金属氢化物罐时或者当具有带有对反应速率的被动控制(passive control)的水解反应器时便是这种情形。对于这个选项，必须根据燃料馈送调节燃料电池的功率汲取。如果所述功率汲取大于在外部(例如由燃料电池电源供电的/充电的移动电话)所需功率汲取，则生成的额外功率能够对于燃料电池电源的内部蓄电池充电。反之如果外部功率需求高于燃料电池能够供应的数量(例如由于低的氢气流量)，则蓄电池能够提高功率。
闭端燃料电池装置
如果燃料电池装置被供应有加压气体(即燃料馈送被设计成当不超过它的最大流量极限时达到特定压力)。在这个系统中，在燃料电池装置的气体出口处存在开/关阀门(闭端阀门)。由于积聚非燃料气体(例如水蒸汽和N2)，在燃料电池装置起动期间还有当运行时应该打开所述阀门以清除空气。通过沿着气体流动方向在燃料电池之后但是在闭端阀门之前安置传感器电池，能够在起动期间使用传感器电池以确定氢气浓度何时已经达到可接受的水平并且因此闭端阀门能够被关闭。当运行燃料电池时，传感器电池能够确定氢气浓度何时已经降为低并且需要清除。
带有排气口的闭端燃料电池装置
另一选项是具有带有小的泄漏即排气口(这能够是一种简单的气流约束)的闭端阀门(在实践中任何类型的阀门)。利用排气口，能够避免积聚非燃料气体。“排气口”设计的另一优点在于，传感器电池能够示意功率汲取何时大于最大流量极限所能够支持的功率汲取(即如果燃料消耗大于燃料来源能够供应的数量)，因为这样将在最后的发电燃料电池中产生真空并且空气将通过气体流动约束而被吸入传感器电池中。
一种有利的设计是，带有排气口的闭端阀门具有依赖于压力的功能，从而它在阈值(通常1-7psi；6.9kPa-48.3kPa)下打开。如果利用提供适当的气体流动限制(例如在额定功率下，在燃料电池组件之上的压力降是进口压力即氢气源压力P0的压力降的30-60％，)的气流通道系统将这种阀门(例如阈值3P0/4)连接到燃料电池装置，则能够遵循以下起动和运行算法：
1)起动：当氢气被连接到燃料电池时，则压力将增加至高于3P0/4并且阀门将打开，从而引起从燃料电池组件清除空气。一旦传感器电池电压变高，燃料电池功率汲取便被启动，从而引起压力在闭端阀门处降至低于3P0/4，该阀门因此再次关闭。
2)运行：当运行燃料电池装置时，传感器电池电压可以由于氢气不足而变低。第一项措施是降低从燃料电池装置的功率汲取(如果功率汲取高于相应的氢气源最大流量极限)。如果传感器电池电压没有足够地增加，则第二项措施是即刻(momentarily)停止从燃料电池装置的功率汲取。在闭端阀门处的压力然后将增加至高于3P0/4并且燃料电池装置将被净化。
更大系统
还能够在多单元系统中使用传感器电池。通常这些系统包括相对于气体流动和电流并联连接的几个燃料电池单元(每一个具有3-8个电池)，每一个单元具有一个传感器电池。DC/DC转换器还有功率控制电子设备也被连接到每一个燃料电池。在图6中概略地示意这种类型的系统。
在这个系统中，DC/DC转换器将电压从燃料电池单元的工作电压增加为输出电压(Vout)。使用来自传感器电池的信号，每一个功率控制单元控制输出功率从而全部氢气均被消耗，而与进入不同燃料电池单元中的流量是否不同无关。
如果氢气从其它传感器电池泄露，则最后的传感器电池(SC E)能够被用作报警器并且还能够被用作后燃烧器。
能够在多个不同装置中为控制目的实现传感器电池。一个实例是其概略示意在图7中示出的、用于例如移动电话的充电器。
因此，图7所示的移动电话充电器包括塑料外壳700、金属氢化物氢气罐(MH罐)705、气体连接器装置710、气体限流器(未示出)、包括四个面内燃料电池720a-d的燃料电池粘附物750、传感器电池725、电子设备(未具体地示出)、蓄电池735和USB A内孔连接器(未示出)。气体限流器(未示出)将气体流量限制为可以或者可以不独立于进口压力的特定水平。燃料电池还包括带有用于氢气分布的、在面向燃料电池粘附物750的表面中开槽出的通道747的支撑板745，具有四个电池的燃料电池粘附物，和由镀金穿孔钢板制成的夹持器755。对于传感器电池725，支撑板745和燃料电池粘附物750延伸从而最后电池(气体流动方向)的负集电器箔被用作传感器电池的负电极。电子设备由用于达到用于对蓄电池充电的适当电压的第一DC/DC转换器和用于达到USB连接器所需的5V的第二DC/DC转换器构成。该电子设备还监视传感器电池725的和各个电池的电压；它还监视燃料电池的和蓄电池的温度水平。该电子设备通过调节来自第一DC/DC转换器的输出电压而控制来自燃料电池的功率。蓄电池是Li离子蓄电池。
传感器电池的尺寸和活性面积是2.1×0.4cm＝0.84cm2。传感器电池通过1欧姆的电阻器而被短路。
现在将通过以下非限制实例进一步示意本发明。
实例1(传感器电池)
这个实例描述当通过使用另外的燃料电池(传感器电池)控制气体流量或者电流水平时获得的结果，将氢气从如在实例2中描述的四电池燃料电池单元的端部处的氢气排气装置(exhaust)馈送到该另外的燃料电池。
使用相同的MEA和GDL以与面内电池组件中的其它四个电池相同的方式制成传感器电池。然而，这个电池具有比其它四个电池更小的尺寸，带有1cm2的总体活性区域。它包括相同夹持技术，使用如也在实例2中描述的金网。
这个电池不被电连接到其它四个电池，而是通过具有1欧姆的已知电阻的电阻器短路，因此在电阻器之上的电压与流动通过传感器电池的电流成正比。通过改变通过燃料电池单元的电流或者氢气流量而通过使用PID控制器连续地控制在电阻器之上的电压，这个第五电池现在使得我们能够确保足够的氢气总是被馈送通过燃料电池单元以支持由于电流汲取(current drawn)而引起的氢气消耗。
这里示出当以5s步进将电流从0.2A增至1A时关于具有如上所述的另外的传感器电池的、如在实例2中描述的四电池单元的结果。PID控制器被编程以通过改变气体流量而将第五电池之上的电压水平保持为0.2V。如能够看到地，这种控制策略能够顺利地遵循电流倾斜(ramp)。
时间/s 电流/A H2流量/ml min-1
5 0.200 6.074
10 0.213 6.813
15 0.227 6.561
20 0.240 6.963
25 0.253 7.454
30 0.267 7.962
35 0.280 8.463
40 0.293 8.389
45 0.307 9.515
50 0.320 9.538
55 0.333 9.996
60 0.347 10.486
65 0.360 10.417
70 0.373 10.926
75 0.387 11.330
80 0.400 11.350
85 0.413 11.679
90 0.427 12.156
95 0.440 12.648
100 0.453 12.810
105 0.467 13.139
110 0.480 13.605
115 0.493 13.741
120 0.507 14.862
125 0.520 14.899
130 0.533 15.050
135 0.547 15.925
140 0.560 15.903
145 0.573 16.896
150 0.587 16.621
155 0.600 16.347
160 0.613 17.037
165 0.627 17.852
170 0.640 17.516
175 0.653 18.548
180 0.667 18.966
185 0.680 18.963
190 0.693 19.473
195 0.707 20.206
200 0.720 19.462
205 0.733 20.485
210 0.747 20.925
215 0.760 20.827
220 0.773 21.367
225 0.787 22.716
230 0.800 23.174
235 0.800 22.558
240 0.800 22.732
245 0.800 22.667
250 0.800 22.072
255 0.800 23.040
260 0.800 22.584
265 0.800 22.827
270 0.800 22.453
275 0.800 22.381
280 0.800 22.445
285 0.800 23.045
290 0.800 22.600
295 0.800 22.772
300 0.800 22.975
通过替代地编程PID控制器以在通过燃料电池单元的最大容许电流水平为1A时通过改变电流水平而使在第五电池之上的电压水平保持在0.2V下，当相同燃料电池单元被暴露于变化的气体流量(这里以人工方式利用阀门控制)时获得了以下结果：
时间/电流/气体流量设置
s
5 0.000零气体流量
10 0.000
15 0.000
20 0.309气体流量增至非常高的数值＞10ml/min每电池
25 0.496
30 0.690
35 0.929
40 0.997
45 0.987
50 0.957
55 1.000
60 0.913
65 0.017稍微地降低气体流量，大约5ml/min每电池
70 0.435
75 0.579
80 0.794
85 0.690
90 0.674
95 0.670
100 0.686
105 0.713
110 0.661
115 0.668
120 0.709
125 0.713
130 0.210进一步降低气体流量，大约2ml/min每电池
135 0.237
140 0.234
145 0.236
150 0.221
155 0.249
160 0.189
165 0.222
170 0.228
175 0.229
180 0.172
185 0.000气体流量被再次设为零
190 0.000
195 0.000
实例2(包括传感器电池的充电器)
这是一个描述使用如更早地在该专利申请中描述的燃料电池和传感器电池的移动电话充电器或者通用电力提供装置的实例。
该充电器由塑料外壳、金属氢化物氢气罐(MH罐)、气体连接器装置、气体限流器、燃料电池、传感器电池、电子设备、蓄电池和USB A连接器(内孔式)构成。气体限流器将气体流量限制为可以或者可以不独立于进口压力的特定水平。燃料电池包括带有用于氢气分布的、在面向燃料电池粘附物的表面中开槽出的通道的支撑板，具有四个电池的燃料电池粘附物，和由镀金穿孔钢板制成的夹持器。对于传感器电池，支撑板和燃料电池粘附物延伸从而最后电池(气体流动方向)的负集电器箔被用作传感器电池的负电极。电子设备由用于达到用于对蓄电池充电的适当电压的第一DC/DC转换器和用于达到USB连接器所需的5V的第二DC/DC转换器构成。该电子设备还监视传感器电池的和各个电池的电压；它还监视燃料电池的和蓄电池的温度水平。该电子设备通过调节来自第一DC/DC转换器的输出电压而控制来自燃料电池的功率。蓄电池是Li离子蓄电池。
充电器的功率输出是1-3W。取决于氢气流量和燃料电池的性能，燃料电池的功率是0.5-2.5W。这因此是一种混合系统，其中当燃料电池不能满足正被供电/充电的装置的功率需求时，蓄电池增加功率。可替代地当燃料电池的功率超过正被供电/充电的装置的功率时，则蓄电池能够存储该额外的能量。
取决于金属氢化物氢气(MH)罐的压力、气体连接器装置的减压阀和气体限流器的气体流量在15和35ml/min之间。因此，氢气进入燃料电池中的流量并不改变而是由压力水平和限流器设定。传感器电池的尺寸和活性面积是2.1×0.4cm＝0.84cm2。传感器电池通过1欧姆的电阻器而被短路。
操作燃料电池(稳态操作)
传感器电池的电压应该(当运行燃料电池时)总是为0.2V。如果电压低于0.2V，则这示意氢气不足并且因此控制电子设备将降低来自第一DC/DC-控制器的电压并且更小的电流将被充入Li离子蓄电池和/或第二DC/DC转换器中。如果电压高于0.2V，则将采取相反的机制。电子控制使用PVM调节。
起动
当起动该系统时，燃料电池的电池被相继地并且各自地短路达每电池1秒的时间段。在每一次短路之间，测试传感器电池的电压。这个程序旨在用于在开始稳态操作之前启动电池。
关闭
在错误指示的情形中，利用机电机构将MH罐从气体连接器装置断开并且发光二极管示意充电器进入停用程序。这种错误指示能够是1)一个特定电池的低电压(即低于0.3V)，2)传感器电池的电压太低(即低于0.1V)，3)来自燃料电池的电流太高(即超过1.5A)，4)在燃料电池处的温度太高(即高于50摄氏度，5)在蓄电池处的温度太高或者太低(即低于5或者高于45摄氏度)，6)在蓄电池处的电压太高或者太低(即低于3.6或者高于3.9V)。当故意地取出MH罐时也将发生这个错误指示。在停用期间，燃料电池中的第一电池被短路0.2秒并且然后等待0.2秒。重复这个程序直至第一电池的电压小于0.8V。