專利名稱：液冷式燃料電池組和液冷式燃料電池組的運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液冷式燃料電池組和這種電池組的運行方法，與已知系統(tǒng)相比，它們尤其是改進了電池的起動特性。
未在先公開的德國專利申請DE 199 142 49 A1建議了一種具有加熱裝置的燃料電池組，其中加熱裝置包含組合的加熱元件，該加熱元件在起動時發(fā)出熱量，以加熱例如膜片和/或燃料電池單元。在此燃料電池組的熱容量保持不變。
燃料電池組的加熱速度是燃料電池組熱容量的函數(shù)，即熱容量較少的電池能夠比熱容量較大的電池更快地被加熱。對于電池的移動應(yīng)用，期望電池的加熱過程盡可能地短。
本發(fā)明的目的在于，提供一種具有較少熱容量、尤其是在起動時刻較少熱容量的電池。本發(fā)明的目的還在于，提供一種這種燃料電池組的運行方法，該方法能夠以盡可能少的能耗快速起動電池組。
本發(fā)明的這個目的通過權(quán)利要求1和6所述的特征或措施來實現(xiàn)。進一步的改進設(shè)計是那些從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。
本發(fā)明的對象是一種液冷式燃料電池組，該燃料電池組具有至少一個燃料電池單元和這樣一個冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)包括至少一個出口和至少一個入口，它們用于在電池起動前排出冷卻液，而在電池起動以后再導(dǎo)入冷卻液。
此外本發(fā)明的對象還涉及一種液冷式燃料電池組的運行方法，該方法在電池起動前將冷卻液排出燃料電池組，以使燃料電池組的電池在起動時比在其運行時含有較少的冷卻液。具有優(yōu)點的方法是在燃料電池組斷開時將冷卻液排出冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的入口和出口可以重合，這樣，用同一個開孔在斷開時作為出口，而在向冷卻系統(tǒng)注入冷卻液時作為入口。出口最好位于冷卻系統(tǒng)的最底部，使冷卻液在打開出口時由冷卻系統(tǒng)流出，而不必使用泵或類似的裝置。
按照本發(fā)明具有優(yōu)點的結(jié)構(gòu)，出口與一個收集容器連接，使冷卻液在電池處于靜止狀態(tài)時存儲在那里。在此，收集容器最好具有泵或類似裝置，以便在電池實現(xiàn)起動以后能夠迅速地再將冷卻液注入冷卻系統(tǒng)。
按照本發(fā)明另一具有優(yōu)點的結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)具有多個出口，例如每個燃料電池單元具有一個出口。在此最好對每個出口配備一個容器。
根據(jù)本發(fā)明的實施形式，容器可以設(shè)置在燃料電池組外部或內(nèi)部。
下面通過對實施列的描述以及結(jié)合各權(quán)利要求對本發(fā)明的其它細節(jié)和優(yōu)點進行詳細說明。在此以公知的具有高溫膜片(HTM)的燃料電池作為出發(fā)點構(gòu)成所謂的高溫-聚合物電解質(zhì)薄膜—燃料電池(HT-PEM-Brennstoffzelle)，該燃料電池構(gòu)成滿足實踐運行需求的燃料電池組。與前述內(nèi)容相結(jié)合可以省去這種燃料電池組的圖例性示圖。
整個燃料電池系統(tǒng)稱為燃料電池組，燃料電池組至少包括一個帶有至少一個燃料電池單元的所謂堆組、相應(yīng)的過程氣體輸入和導(dǎo)出通道、端板以及帶有冷卻液的冷卻系統(tǒng)。在此堆組表示由至少一個帶有附屬管道和至少一部分冷卻系統(tǒng)的燃料電池單元組成的堆組。
燃料電池組的冷卻系統(tǒng)包括一根氣體管道，通過該管道可以將氣體導(dǎo)入冷卻系統(tǒng)。在這里具有優(yōu)點的是，如果氣體管道具有至少一個閥門，便可以使氣體在壓力升高或降低的情況下被導(dǎo)入。
按照這里所建議的方法，在冷卻液從冷卻系統(tǒng)排出時，給冷卻系統(tǒng)充氣，即，在冷卻系統(tǒng)中冷卻液由大氣壓下的氣體、例如空氣代替。按照本方法的另一實施例，冷卻液通過氣體管道從冷卻系統(tǒng)中排出，即通過高壓氣體置換冷卻系統(tǒng)中的冷卻液。
在冷卻系統(tǒng)中代替冷卻液的氣體具有比冷卻液更小的熱容量，因此當冷卻液至少部分地被排出電池的時候，將使燃料電池組的總熱容量降低。這里氣體可以是空氣、空氣混合物和/或惰性氣體。
用于在燃料電池組靜止期間存儲冷卻液的容器最好是隔熱的，以使所存儲的冷卻液至少不會冷卻到其冰點以下。
所述容器上可以附帶連接一個潛熱存儲器，該儲熱器例如可以這樣選擇，即選擇溫度高于冷卻液熔點，特別是在+5℃至80℃溫度范圍內(nèi)的相變儲熱器。
容器是可加熱的。因此在進入運行之前，冷卻液可以直接通過外部熱源進行加熱。外部熱源例如是具有起動電池的加熱裝置、經(jīng)過催化燃燒器的加熱裝置、其它設(shè)備的余熱，例如轉(zhuǎn)換器或潛熱存儲器的余熱。可加熱的容器也可以是隔熱的，以作為用于存儲冷卻液中熱量的熱存儲器。
另一方面，容器，特別是在整個堆組只有一個收集容器時，并因此在排出冷卻液時有相當大的熱量流入容器的情況下，也可以與一個例如可拆卸的設(shè)備連接，在該設(shè)備中熱量或者被存儲或者被利用。該設(shè)備可以或者是一個熱交換器、熱存儲器和/或是一臺設(shè)備。
按照一種特別先進的方法，在燃料電池組起動時，燃料電池堆組在靜止狀態(tài)被加熱，此時堆組具有較少的熱容量，因為至少已經(jīng)有部分冷卻液由氣體所置換。一般情況下，當堆組具有可以運行的溫度時，冷卻液將再次被送入和/或泵入冷卻系統(tǒng)。
當容器中的冷卻液具有比燃料電池堆組更高的溫度時，則對于起動燃料電池組比較有利。此時可將冷卻液輸入冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)本身作為熱交換器，在短時間內(nèi)被反過來用作為堆組的加熱裝置。
本發(fā)明利用這種狀況，液體冷卻的具有較少熱容量的燃料電池組可以更迅速地輕快起動，因為它與常規(guī)的燃料電池組不同，可以迅速地加熱。尤其是在移動應(yīng)用情況下，本發(fā)明因此而更有意義，在此，對所排出的冷卻液中熱量的利用也可以通過可拆卸的連接管穩(wěn)定地實現(xiàn)。按照本發(fā)明的燃料電池組在電池起動前將冷卻液排出堆組，以使沒有冷卻液的堆組，即熱容量明顯較小的堆組被加熱。在成功起動后冷卻液被再送回冷卻系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種液冷式燃料電池組，它具有至少一個燃料電池單元，以及一個這樣的冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)包括至少一個出口和至少一個入口，它們用于在電池起動前排出冷卻液，在實現(xiàn)起動以后或者在電池起動期間再流入冷卻液。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，所述出口與入口是重合的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池組，其特征在于，所述出口設(shè)置在冷卻系統(tǒng)最底部。
4.如上述任一項權(quán)利要求所述的燃料電池組，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)包括多個出口和/或多個入口。
5.如上述任一項權(quán)利要求所述的燃料電池組，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)具有一根進氣管。
6.一種用于液冷式燃料電池組的運行方法，該燃料電池組具有至少由一個燃料電池單元組成的燃料電池堆組，它包括以下步驟-在電池起動前將冷卻液排出冷卻系統(tǒng)，以使燃料電池堆組的電池在起動時比在其運行時含有較少的冷卻液。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在燃料電池組斷開時將冷卻液排出冷卻系統(tǒng)，并在電池起動前將冷卻液導(dǎo)入冷卻系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，在燃料電池組斷開時，冷卻液由氣體置換。
9.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，在電池處于靜止狀態(tài)時，冷卻液儲存在至少一個容器里。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該容器是隔熱的，和/或使用一個可加熱的容器。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，轉(zhuǎn)換器和/或其它設(shè)備的余熱被用來加熱容器。
12.如權(quán)利要求6至11中任一項所述的方法，其特征在于，冷卻液在進入冷卻系統(tǒng)時具有高于燃料電池堆組的溫度，并被用來加熱燃料電池堆組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液冷式燃料電池組和這種液冷式燃料電池組的運行方法,它們與已知系統(tǒng)相比,尤其是改進了電池的起動特性,通過在斷開時將至少一部分冷卻液排出冷卻系統(tǒng)的方法,使燃料電池組在起動時刻的熱容量降低。
文檔編號H01M8/24GK1361926SQ00810133
公開日2002年7月31日 申請日期2000年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月19日
發(fā)明者里特馬·馮赫爾莫爾特, 岡特·勒夫特, 康拉德·芒德 申請人:西門子公司