冷起动性能得以改进的燃料电池组和用于冷起动一个燃料电池组的方法技术

本发明专利技术涉及一种冷起动性能得以改进的燃料电池组和一种用于冷起动一个燃料电池组的方法，其中，在燃料电池内的氢氧气体反应产生的反应热被用于加热。为此，在起动时，将简单的反应气体定量添加到反应腔室中，燃料电池单元的电极由此可作为催化燃烧器。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种冷起动性能得以改进的燃料电池组和一种用于冷起动一个燃料电池组的方法，其中，燃烧生产气体(Prozessgas)的反应热被用于在冷起动燃料电池组时对其进行加热。由欧洲专利申请EP 0924 163 A2公开了一种用于对碳氢化合物或其衍生物进行水蒸汽改良(Wasserdampfreformierung)的方法以及一种利用该方法来运行的改良设备和一种燃料电池的运行方法，其中，一个外部催化燃烧器装置的热量被用于在冷起动设备时对其进行加热。燃料电池组的每一个燃料电池单元中都具有一种电解质，例如在PEM(Polymer-Elektrolyt-Membran)燃料电池中是一种离子交换膜，其主要成分是一种硫化的化合物。这种化合物将水结合在薄膜中，以便保证充足的质子传导能力。在温度低于0℃时，由于存储水凝结，膜阻成百上千倍地跳跃性地增高。而在其它低温和中温燃料电池、例如PAFC(Phosphoric Acid FuelCell)磷酸燃料电池中也有一种电解质，其中，电阻因低温也会升高许多倍。燃料电池组的冷起动由此会变得很困难。为了解决这一问题，当环境为低温时，燃料电池可仅在最低负荷下运行但并不处于使用状态，以使其温度不低于凝结点。或者也可装入一个温度传感器，当温度下降到使电解质电阻呈跳跃性增长趋势时，起动电池并通过其运行来对其本身进行加热。也存在所谓的短路运行，此时电池在加热阶段持续被短路，以使整个燃料电池功率在运行开始时作为短路热量用于加热电解质。但短路运行存在下述缺点，即，在温度低于凝结点时，必须要克服一个特图高的电解质内阻，直至燃料电池单元投入运行并由此受到加热时为止。因此，目前知道的仅仅是这样一些用于冷起动燃料电池组的方法，即，按照这些方法，电池组在起动时要耗费大量的反应气体或者需要很长的起动时间。本专利技术的目的在于创造一种对冷起动性能予以改进的燃料电池组，在低温时，可以在无需急剧地大量耗费生产气体的情况下对其进行起动。此外，本专利技术的另一目的在于提供一种可以冷起动燃料电池组的方法。本专利技术的对象是一种具有至少一个燃料电池单元的燃料电池组，该燃料电池单元包括一些生产气体通道并在中央设置的电解质-电极-单元的每一侧都有一个反应腔室，其中，至少设有一根附加的管道通入至少一个反应腔室中和/或通往双极性板。通过该管道，在起动时可定量添加反应气体和/或生产气体，和/或在原地生成反应气体和/或生产气体。此外，本专利技术的另一对象是一种冷起动燃料电池组的方法，其中，燃烧初级燃料和/或次级燃料得到的热量被用于加热燃料电池组，反应气体和/或生产气体被定量分配给对应电极(Gegenelektroden)地引入至少一个反应腔室中和/或在那儿原地产生。这样，在冷起动时，涂覆有催化剂并被两种反应气体撞击到的所有表面可作为催化燃烧器来使用。按照一种扩展设计，所述附加的管道在用于氧化剂和阳极的生产气体通道和/或用于燃料和阴极的生产气体通道之间建立起连接。可以为该连接配备一个定量阀。其中，通过一个控制装置可有利地对定量阀进行自动控制，例如阳极和/或阴极室内的温度可作为调节参数输入该控制装置中。按照另一种扩展设计，附加的管道在两个电极和/或相邻的双极性板和一个外部电压源之间建立起电接触，这样通过电解质必要时还通过周期性地转换燃料电池单元的极性，可有针对性地在阳极室中原地产生氧气和/或在阴极室中原地产生氢气。在此，可直接通过所添加的气体流量来调节所产生的反应气体量。在一种实施形式中，燃料电池组由一些带有硫化薄膜的PEM-燃料电池单元组成。比较有利的是，反应气体的定量添加能保证催化剂的温度不超过100℃。按照本专利技术的一扩展设计，在反应室内部和/或外部的电极外面还有一些诸如气体进口和气体出口、双极性板和/或气体分支管和/或总管的附加部件也涂覆有催化剂。这样，在这些地方一旦有反应气体定量添加进去，就会发生氧化反应和/或通过放热发生还原反应。一个燃料电池组至少包括一堆(组)燃料电池单元(它被称为Stack)、相应的生产气体输入-和排放管(轴向的生产气体管道)、一个冷却系统和附属的端板。一个改造器(Reformer)可以组装在燃料电池设备内或者在外面运行。生产气体管道例如直接与一个氧气箱或燃料箱、一个压缩机和/或一个氢气-和/或改造气(中间)存储器相连，但也可优选通过一个改造器与一个初级燃料管(天然气管)连接。为了冷起动将改造气或氢气暂存，在冷起动时再将它们定量地输入阴极腔室中。“至少一根附加的通入一个反应腔室中的管道”(独立 1中的概念)优选直接与一根生产气体管道相连。优选使用一个PEM燃料电池组，但也容易想到将本专利技术应用于其它燃料电池、尤其是PAFC磷酸燃料电池中。一个燃料电池单元包括一个中央的、亦即设置在中部的电解质。该电解质在其两侧分别具有一个电极，在PEM燃料电池组的情况下，它就象一个涂覆有电催化剂的三明治一样。一旦存在两种反应气体、亦即一旦按照通常方式向例如填充有催化剂的反应腔室定量加入燃料时，所述电极就象一个催化燃烧器那样工作，它使反应混合气体有控制地燃烧，并由此加热其本身和其周围环境。一个催化燃烧器的出色之处在于，借助一种催化剂能使一种强烈的放热反应有控制地进行，从而可以将放出的热能作为热量来用。这样，即便是在燃烧时也不会导致公然的火焰(明火)，而是由催化燃烧器仅仅产生热量。纯粹参与反应的气体称为反应气体。相反，气液混合物则称为生产气体，它被输入反应腔室中。生产气体中包括有许多成分，其中除了反应气体之外还有诸如水蒸气、惰性化气体等等，并且还可包含有改造前或改造后的初级燃料。作为初级燃料例如有汽油、甲醇、甲烷等等。在一个改造器中可将初级燃料制成次级燃料，例如制成为含有氢气的气体混合物或氢气。氢气例如通过存储也可作为初级气体使用。反应腔室要么是阴极腔室要么是阳极腔室，且基本上在电极和双极性板之间形成。至少一根生产气体输入管道和一根生产气体排出管道通入该反应腔室中，并通常轴向布置在燃料电池组中且因此也称为轴向生产气体通道。从一个反应室的气体入口到气体出口连接有气体分支管和气体总管。它们常常一体地制造在双极性板上。在反应腔室的所有面上都可以涂覆催化剂，这样，不仅在紧邻电极的电解质处，而且在反应腔室的各处都可以将涂覆有催化剂的反应面作为催化燃烧器。也可以通过让例如来自于改造器的加热气体流过，或者通过简单地借助一个加热循环来输出改造器热量，对燃料电池堆附加地进行加热。这样，不仅在燃烧室内的燃烧和/或氧化本身用于加热燃料电池堆，而且还从外面输入热量。本专利技术显然可在机动车辆和周边地区内予以应用，但也很容易想到应用于固定设备中。本专利技术第一个公开了一种既简单、廉价又有效的用于冷起动燃料电池组的方法。权利要求1.一种具有至少一个燃料电池单元的燃料电池组，该燃料电池单元包括一些轴向的生产气体通道并在中央设置的电解质-电极-单元的每一侧都有一个反应腔室，其中，至少设有一根附加的管道通入至少一个反应腔室中和/或通往双极性板，通过该管道，在起动时可定量向对应电极添加反应气体和/或生产气体，和/或在那儿原地生成反应气体和/或生产气体，这样，涂覆有催化剂的面都可作为催化燃烧器用。2.如权利要求1所述的燃料电池组，其中，所述燃料电池是聚合物电解质薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有至少一个燃料电池单元的燃料电池组，该燃料电池单元包括一些轴向的生产气体通道并在中央设置的电解质－电极－单元的每一侧都有一个反应腔室，其中，至少设有一根附加的管道通入至少一个反应腔室中和／或通往双极性板，通过该管道，在起动时可定量向对应电极添加反应气体和／或生产气体，和／或在那儿原地生成反应气体和／或生产气体，这样，涂覆有催化剂的面都可作为催化燃烧器用。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：乌尔里克格布哈特，里特马冯赫莫尔特，冈特卢夫特，康拉德芒德，曼弗雷德韦达斯，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]