具有加热元件和改善的冷起动性能的燃料电池组以及冷起动燃料电池组的方法技术

本发明专利技术涉及一种ＰＥＭ或ＰＡＦＣ燃料电池组，这种电池组具有加热元件以及改善的冷起动性能。本发明专利技术还涉及一种冷起动这种电池组的方法，其中，加热元件首先加热一个燃料电池单元的一个最小区域，从那儿开始可自供热地快速加热整个电池组。（*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燃料电池组，尤其是一种聚合物(Polymer)-电解质(Elektrolyt)-薄膜(Membran)-燃料电池组(PEM)或一种磷酸(PAFC)-燃料电池组，这种电池组具有加热元件以及改善的冷起动性能。本专利技术还涉及一种冷起动这种电池组的方法，其中，加热元件首先加热一个燃料电池单元的最小区域，从那儿开始再自供热地快速加热整个电池组。在一种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PEM燃料电池具有一种离子交换薄膜，其所含的主要成分是一种硫化物。这种化合物可将水结合在薄膜中，以保证有足够的质子传导能力。当温度低于0℃时，膜阻因存储的水凝结呈102-3倍数地急剧增大。因此，没有其它措施就不能自供热地加热燃料电池单元。在其它燃料电池、例如磷酸燃料电池中，因电解质中的电阻急剧增大，冷起动燃料电池组变得特别困难。为了解决这个问题，当环境温度较低时，电池要么在最低负载下运行(电池此时也不能使用)，以防止温度低于凝结点；要么可以装入一个温度传感器，当温度降低到有促使电解质电阻呈急剧增长态势时，就起动电池，并通过其运行使温度保持高于电解质凝结点。也存在所谓的短路运行，此时，电池在受热阶段被持续短路，以使整个燃料电池功率在运行之初被用作加热电解质的短路热量。但短路运行有下述缺点当温度低于凝结点时，必须先克服电解质特别高的电阻，直至电池单元投入正式工作并由此可被加热起来为止。而在目前已知的冷起动热量电池组的方法中，燃料电池组在起动和/或备用运行时要急剧消耗大量的反应气体或者需要很长的起动时间。因此本专利技术的目的在于，创造一种冷起动性能得以改进的燃料电池组，它在低温时可以无需急剧消耗生产气体地实现起动。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一个组件(Stack)的燃料电池组，该组件包括至少一个PEM和/或PAFC燃料电池单元和至少一个结合在内的加热元件。本专利技术的另一对象是一种冷起动燃料电池组的方法，按照该方法，首先从外面对燃料电池单元内的加热元件予以加热，直至电解质的电阻变得很小并由此可以进一步自供热地快速加热电池为止。加热元件的结构优选尽可能地紧凑，亦即薄而且窄，这样例如在将其结合在电解质中时不会导致电解质体积的增大。加热元件还优选与一个能量源相连，当其起动时可以从该能量源得到能量。按照一种扩展设计，加热元件可以是由各种可传热和/或导电的材料制成的线材或窄带。加热元件优选直接仅仅加热电解质的一个窄区，从那儿开始再象多米诺骨牌效应那样加热整个电解质和/或整个薄膜。按照本专利技术的另一扩展设计，加热元件例如通过层压结合在薄膜中。在此比较有利的是，该加热元件还赋予薄膜一定的机械强度。加热元件，例如加热丝原则上可以设置在燃料电池中的(一个或多个)不同地方。人们容易想到的是将其设置在薄膜和电极之间、在电极和气体扩散层之间、以及气体扩散层和极板之间。将其设在气体扩散层中或设置在气体扩散层的一部分中并且位于极板后面都是符合本专利技术的精神的。具体的结构设计视具体情况而定，并根据电池结构的实用性及经济性来定。加热元件距离电解质越近，其工作效能越好。加热元件优选与一个能量源相连。比较有利的是通过一根电导线与一个外部电源相连。每个位于有待被加热的燃料电池组之外的电源都可以称为外部电源。燃料电池单元优选是聚合物-电解质-薄膜-电池，它例如可以应用于移动领域。在一个燃料电池单元中至少有一个加热元件。视单个加热元件的外形尺寸，也可以比较有利地将多个加热元件安设在一个燃料电池单元内。加热元件的数量、尺寸、材料和形状都取决于各具体燃料电池组的结构设计。这不应当构成对本专利技术保护范围的限制。作为优选的材料有金属和/或能传热和/或导电的塑料、碳纸、织物或其它类似物，也可以想象是用塑料包起来的线材。也可以将其它扩散层(例如碳纸)或用其制成的窄条(优选与剩下的扩散层电绝缘)作为加热元件来用。加热元件的优选形状应遵循对将其结合在内的燃料电池单元的构件尽可能少地造成干扰，以及在正常运行时尽可能少地造成损伤的准则来设计。这样加热元件可作为光亮的金属丝既可以很好地结合在气体扩散层中也可以结合在极板中。例如可以包覆一层导热塑料的金属丝也可以有利地安设或层压在电解质、例如聚合物-薄膜中。可以独立于燃料电池组的运行来起动加热元件。外部电源按照本专利技术的设计可以是一个蓄电池和/或一个例如在运行时通过燃料电池设备可重复充电的电池。外部电源也可以是一个与供电网、例如固定供电网相连接的接头。按照本专利技术的一个实施形式，加热元件结合在一个燃料电池单元的一个或两个气体扩散层中。一个燃料电池组至少包括一个具有至少一个燃料电池单元的电池单元堆(Stapel)。该电池单元堆借助本专利技术可以被加热，它也称为组件(Stack)。此外燃料电池组还包括相应的生产气体供应-和排出通道(生产气体通道)，一个冷却系统和配属的端板。一个燃料电池单元包括至少一个电解质，其两端分别与电极相连，该电极又与一气体扩散层毗邻相连。反应腔室内的反应气体通过该气体扩散层扩散到电极处产生转换反应。电极例如由一种电催化剂层制成，而气体扩散层则例如通过一种碳纸构成。在本专利技术的方法中，首先起动加热元件。热起来的加热元件之后也对紧邻的四周环境进行加热。因此，当制成线材的加热元件例如结合在电解质的中央时，在这一区域内的电解质的温度会迅速达到高于其凝结点温度。这种在极为有限的局部进行加热带来的优点是只需很少的能量就能使与加热元件毗邻的薄膜热起来。当一个或多个加热元件直接结合在薄膜中或层压在薄膜中时，能量的消耗最少。当电解质在至少一处的温度已达到高于其凝结点温度时，就可以提前终止加热元件的工作。因为从这时起可以进行传统的自供热加热。自供热的加热效应表现在于，通过电解质中一处(也是很窄小的一处)热起来，就可以触发下述多米诺骨牌效应电解质内与加热元件相邻处的电阻下降，由此可产生转换反应并生成电流，这样沿狭窄区域反应产生的废热就会对其相邻区域进行加热，在这些相邻区域内的电解质电阻随后也同样会降低，由此导致进一步“打开”转化表面、亦即使之能够被接触到，进一步的转化反应又进一步加热毗邻的区域。下面借助附图对本专利技术的一个实施例予以详细说明附图说明图1示出一个燃料电池单元1。从该图中可以看到的是电池单元的反应表面2，它的纵向尺寸是x。另外可以看到四个轴向生产气体通道3的开口、燃料电池单元的边缘区域4，最后在反应表面2的中央设有加热元件5。该加热元件5是一个制成波形的线材，它要么直接层压在薄膜中要么放置在薄膜上。同样比较好的是也可以将该加热元件5安设在薄膜、一个电极、一个气体扩散层、和/或一个端板之中和/或之后。一根导线6通向所述线材，它使加热元件与一个外部的电源、例如一个蓄电池相连。所述导线在此可直接通往电源或通过其它例如相互串联的加热元件通往电源。由加热元件还另外引出第二根电导线7，它要么回接到电源要么通往其它例如相互串联的加热元件。图2示出六幅坐标图2a至3c。其中2a至2c表示电阻的变化曲线，3a至3c则表示燃料电池组相应的功率特性曲线。这些坐标图的纵坐标轴是x，它表示电池单元反应表面的长度，这在图1中可看到。横坐标轴在2a至2c中表示电阻R，在3a至3c中则表示功率密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有一个组件的燃料电池组，该组件包括至少一个ＰＥＭ燃料电池单元和／或一个ＰＡＦＣ燃料电池单元与至少一个结合在内的加热元件。

【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，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]