专利名称：液冷式燃料电池组和液冷式燃料电池组的运行方法
技术领域：
本发明涉及一种液冷式燃料电池组和这种电池组的运行方法，与已知系统相比，它们尤其是改进了电池的起动特性。
未在先公开的德国专利申请DE 199 142 49 A1建议了一种具有加热装置的燃料电池组，其中加热装置包含组合的加热元件，该加热元件在起动时发出热量，以加热例如膜片和/或燃料电池单元。在此燃料电池组的热容量保持不变。
燃料电池组的加热速度是燃料电池组热容量的函数，即热容量较少的电池能够比热容量较大的电池更快地被加热。对于电池的移动应用，期望电池的加热过程尽可能地短。
本发明的目的在于，提供一种具有较少热容量、尤其是在起动时刻较少热容量的电池。本发明的目的还在于，提供一种这种燃料电池组的运行方法，该方法能够以尽可能少的能耗快速起动电池组。
本发明的这个目的通过权利要求1和6所述的特征或措施来实现。进一步的改进设计是那些从属权利要求的内容。
本发明的对象是一种液冷式燃料电池组，该燃料电池组具有至少一个燃料电池单元和这样一个冷却系统，该冷却系统包括至少一个出口和至少一个入口，它们用于在电池起动前排出冷却液，而在电池起动以后再导入冷却液。
此外本发明的对象还涉及一种液冷式燃料电池组的运行方法，该方法在电池起动前将冷却液排出燃料电池组，以使燃料电池组的电池在起动时比在其运行时含有较少的冷却液。具有优点的方法是在燃料电池组断开时将冷却液排出冷却系统。
本发明的冷却系统的入口和出口可以重合，这样，用同一个开孔在断开时作为出口，而在向冷却系统注入冷却液时作为入口。出口最好位于冷却系统的最底部，使冷却液在打开出口时由冷却系统流出，而不必使用泵或类似的装置。
按照本发明具有优点的结构，出口与一个收集容器连接，使冷却液在电池处于静止状态时存储在那里。在此，收集容器最好具有泵或类似装置，以便在电池实现起动以后能够迅速地再将冷却液注入冷却系统。
按照本发明另一具有优点的结构，冷却系统具有多个出口，例如每个燃料电池单元具有一个出口。在此最好对每个出口配备一个容器。
根据本发明的实施形式，容器可以设置在燃料电池组外部或内部。
下面通过对实施列的描述以及结合各权利要求对本发明的其它细节和优点进行详细说明。在此以公知的具有高温膜片(HTM)的燃料电池作为出发点构成所谓的高温-聚合物电解质薄膜—燃料电池(HT-PEM-Brennstoffzelle)，该燃料电池构成满足实践运行需求的燃料电池组。与前述内容相结合可以省去这种燃料电池组的图例性示图。
整个燃料电池系统称为燃料电池组，燃料电池组至少包括一个带有至少一个燃料电池单元的所谓堆组、相应的过程气体输入和导出通道、端板以及带有冷却液的冷却系统。在此堆组表示由至少一个带有附属管道和至少一部分冷却系统的燃料电池单元组成的堆组。
燃料电池组的冷却系统包括一根气体管道，通过该管道可以将气体导入冷却系统。在这里具有优点的是，如果气体管道具有至少一个阀门，便可以使气体在压力升高或降低的情况下被导入。
按照这里所建议的方法，在冷却液从冷却系统排出时，给冷却系统充气，即，在冷却系统中冷却液由大气压下的气体、例如空气代替。按照本方法的另一实施例，冷却液通过气体管道从冷却系统中排出，即通过高压气体置换冷却系统中的冷却液。
在冷却系统中代替冷却液的气体具有比冷却液更小的热容量，因此当冷却液至少部分地被排出电池的时候，将使燃料电池组的总热容量降低。这里气体可以是空气、空气混合物和/或惰性气体。
用于在燃料电池组静止期间存储冷却液的容器最好是隔热的，以使所存储的冷却液至少不会冷却到其冰点以下。
所述容器上可以附带连接一个潜热存储器，该储热器例如可以这样选择，即选择温度高于冷却液熔点，特别是在+5℃至80℃温度范围内的相变储热器。
容器是可加热的。因此在进入运行之前，冷却液可以直接通过外部热源进行加热。外部热源例如是具有起动电池的加热装置、经过催化燃烧器的加热装置、其它设备的余热，例如转换器或潜热存储器的余热。可加热的容器也可以是隔热的，以作为用于存储冷却液中热量的热存储器。
另一方面，容器，特别是在整个堆组只有一个收集容器时，并因此在排出冷却液时有相当大的热量流入容器的情况下，也可以与一个例如可拆卸的设备连接，在该设备中热量或者被存储或者被利用。该设备可以或者是一个热交换器、热存储器和/或是一台设备。
按照一种特别先进的方法，在燃料电池组起动时，燃料电池堆组在静止状态被加热，此时堆组具有较少的热容量，因为至少已经有部分冷却液由气体所置换。一般情况下，当堆组具有可以运行的温度时，冷却液将再次被送入和/或泵入冷却系统。
当容器中的冷却液具有比燃料电池堆组更高的温度时，则对于起动燃料电池组比较有利。此时可将冷却液输入冷却系统，冷却系统本身作为热交换器，在短时间内被反过来用作为堆组的加热装置。
本发明利用这种状况，液体冷却的具有较少热容量的燃料电池组可以更迅速地轻快起动，因为它与常规的燃料电池组不同，可以迅速地加热。尤其是在移动应用情况下，本发明因此而更有意义，在此，对所排出的冷却液中热量的利用也可以通过可拆卸的连接管稳定地实现。按照本发明的燃料电池组在电池起动前将冷却液排出堆组，以使没有冷却液的堆组，即热容量明显较小的堆组被加热。在成功起动后冷却液被再送回冷却系统。
权利要求
1.一种液冷式燃料电池组，它具有至少一个燃料电池单元，以及一个这样的冷却系统，该冷却系统包括至少一个出口和至少一个入口，它们用于在电池起动前排出冷却液，在实现起动以后或者在电池起动期间再流入冷却液。
2.如权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，所述出口与入口是重合的。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池组，其特征在于，所述出口设置在冷却系统最底部。
4.如上述任一项权利要求所述的燃料电池组，其特征在于，所述冷却系统包括多个出口和/或多个入口。
5.如上述任一项权利要求所述的燃料电池组，其特征在于，所述冷却系统具有一根进气管。
6.一种用于液冷式燃料电池组的运行方法，该燃料电池组具有至少由一个燃料电池单元组成的燃料电池堆组，它包括以下步骤-在电池起动前将冷却液排出冷却系统，以使燃料电池堆组的电池在起动时比在其运行时含有较少的冷却液。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在燃料电池组断开时将冷却液排出冷却系统，并在电池起动前将冷却液导入冷却系统。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在燃料电池组断开时，冷却液由气体置换。
9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在电池处于静止状态时，冷却液储存在至少一个容器里。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该容器是隔热的，和/或使用一个可加热的容器。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，转换器和/或其它设备的余热被用来加热容器。
12.如权利要求6至11中任一项所述的方法，其特征在于，冷却液在进入冷却系统时具有高于燃料电池堆组的温度，并被用来加热燃料电池堆组。
全文摘要
本发明涉及一种液冷式燃料电池组和这种液冷式燃料电池组的运行方法,它们与已知系统相比,尤其是改进了电池的起动特性,通过在断开时将至少一部分冷却液排出冷却系统的方法,使燃料电池组在起动时刻的热容量降低。
文档编号H01M8/24GK1361926SQ00810133
公开日2002年7月31日 申请日期2000年5月11日 优先权日1999年5月19日
发明者里特马·冯赫尔莫尔特, 冈特·勒夫特, 康拉德·芒德 申请人:西门子公司