【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于稳健地冷启动燃料电池系统的系统、设备和方法，尤其涉及一种具有聚合物电解质膜燃料电池(pem燃料电池)和阳极系统的设备，该阳极系统具有液滴捕集器(tropfenfalle)。
技术介绍
1、具有基于氢的燃料电池系统的设备被视为未来方案，因为所述设备仅排放水作为废气，并且例如与传统电动车辆不同，能够实现短的加燃料时间。
2、基于氢的燃料电池系统，例如pem燃料电池——也被称为质子交换膜燃料电池——提供高的功率密度，并且与其他燃料电池相比，提供重量轻且体积小的优点。pem燃料电池可以将固体聚合物用作电解质，并且使用多孔碳电极，所述多孔碳电极包含由铂或者铂合金构成的催化剂。对于所述pem燃料电池的运行，所述pem燃料电池仅需要氢、空气中的氧和水。通常给所述pem燃料电池馈送来自存储罐或者重整器的氢。pem燃料电池经常在大约80℃(176°f)的温度下工作。
3、设备在燃料电池系统中的温度为0℃或者低于0℃时的运行和尤其是投入运行(冷启动)，是一项挑战。如果pem燃料电池的运行温度低于冰点，则所输入的或者在其中产生的水会变成冰。视结冰的位置而定地，会减小或者完全地阻止燃料电池系统中的气体供给。这种类型的燃料贫化尤其是在pem燃料电池的阳极上是危险的，因为所述燃料贫化可以导致在pem燃料电池的催化剂层的载体结构中的碳腐蚀并且因此缩短pem燃料电池的使用寿命。
4、为了避免在冷启动期间结冰，在传统的设备中尤其使阳极系统在冷启动之前干燥。该干燥的目标在于，在阳极系统中存在尽可能少的水。为
5、然而，不能够总是保证，阳极系统中的水无残留地被排出。少量的水可能在干燥之后仍然位于阳极系统中，并且随后在冷却过程期间冻结。在传统的具有燃料电池系统的设备中，在冷启动时，可以给阳极系统的单个的部件加热，以便减小由于冰对所述部件的机械阻塞，所述部件例如是冲扫阀或者再循环鼓风机(阳极再循环鼓风机，anoderecirculation blower，arb)。
6、在冷启动期间，阳极系统的部分和/或部件也可以加温得比燃料电池系统的阳极的入口区域快。在此，现有的冰可以被液化，使得在阳极系统中产生液态的并且因此能运动的水。例如，如果在冷启动开始时开始阳极再循环，则该液态的水通过气体流被输送到燃料电池系统中，该燃料电池系统的温度为0℃或者低于0℃，并且所输入的水在那里可能立即冻结。
7、如果水滴进入到燃料电池系统的阳极的入口区域中，则在那里可能立即发生结冰，伴随着部分地或者完全地阻塞通到燃料电池系统的阳极中的气体路径。因此，可能出现危险的燃料贫化，该燃料贫化损坏一个或者多个燃料电池，使得甚至可能需要更换燃料电池。另一种可能的后果可能是中断冷启动，即具有燃料电池系统的设备不能够被转移到运行就绪的状态中。单个的或者少量的细小的液滴已经足以阻塞通常非常精细的用于分配燃料的路径。
8、在传统的具有燃料电池系统的设备中，在冷启动期间可以通过关断再循环鼓风机使再循环最小化，由此减小有害的液滴输入的概率。然而，再循环鼓风机的关断可能导致对燃料电池的不均匀的供给，所述不均匀的供给包括，例如在一个或者多个燃料电池中的电池面上的供给不足。此外，对电池面的不均匀的供给会导致不均匀的电流产生，并且因此导致燃料电池中的不均匀的电流密度和不均匀的热量产生。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种用于稳健地冷启动燃料电池系统的系统、设备和方法。
2、本专利技术能够实现，提供如下系统、设备和方法：所述系统、设备和方法防止液态的水滴从阳极系统进入到燃料电池的阳极的仍然低于0℃的冷的入口区域中并且在那里冻结在该燃料电池的阳极分配器结构中。因此，可以防止燃料电池的强烈的老化或者冷启动的必需的中断。
3、通过避免氢气贫化，可以实现燃料电池的增加的使用寿命。由于在阳极回路中允许与栅格结构热隔绝或者能够热隔绝的、被加热的部件，因此，可以实现燃料电池的改进的稳健性。同时，所提出的改进能够成本有利地实现并且能够在小的结构空间中实现。
4、根据第一方面，本专利技术涉及一种用于给设备的燃料电池系统的阳极供给燃料的阳极系统，所述阳极系统具有：栅格结构，所述栅格结构与燃料电池系统的阳极的入口区域耦合，并且配置为和/或能够配置为用于在设备投入运行(inbetriebnahme)期间延迟栅格结构的升温，直到设备的燃料电池系统的阳极的入口区域超过水在阳极的入口区域中的冰点。
5、根据一种扩展方案，所述栅格结构具有一个或者多个部件，并且所述一个或者多个部件的比热容大于水的比热容。
6、根据一种扩展方案，所述栅格结构至少部分地与阳极系统热解耦和/或能够热解耦，用于使栅格结构在阳极系统中热隔绝。
7、根据一种扩展方案，所述栅格结构至少部分地与冷却系统热耦合，用于在阳极系统中冷却栅格结构。
8、根据一种扩展方案，所述栅格结构包括多个栅格结构，所述多个栅格结构配置为和/或能够配置为用于使燃料在栅格结构中转向。
9、根据一种扩展方案，所述阳极系统包括绕行阀，所述绕行阀用于：当阳极的入口区域超过水在阳极的入口区域中的冰点时，使燃料直接绕行(umleiten)到燃料电池系统的阳极的入口区域中。
10、根据第二方面，本专利技术涉及一种设备，该设备具有燃料电池系统和如上所述的阳极系统，该燃料电池系统具有阳极。
11、根据一种扩展方案，所述设备此外具有冷却系统，所述冷却系统至少部分地与栅格结构热耦合，用于在阳极系统中冷却栅格结构。
12、根据第三方面，本专利技术涉及一种方法，所述方法包括：借助上述阳极系统，在上述设备投入运行期间延迟栅格结构的升温，直到设备的燃料电池系统的阳极的入口区域超过水在阳极的入口区域中的冰点。
13、根据一种扩展方案，所述方法包括下述步骤中的至少一个或者多个步骤：使栅格结构与阳极系统热隔绝；冷却栅格结构；使多个栅格结构错位(versetzen)，用于使燃料在栅格结构中转向；当阳极的入口区域超过水在阳极的入口区域中的冰点时，使燃料直接绕行到燃料电池系统的阳极的入口区域中。
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1.一种用于给设备(1000)的燃料电池系统(1100；2100)的阳极(1110；2110)供给燃料的阳极系统(1200；2200)，所述阳极系统具有：
2.根据权利要求1所述的阳极系统(1200；2200)，其中，所述栅格结构(1230；2230)具有一个或者多个部件，并且所述一个或者多个部件的比热容大于水的比热容。
3.根据权利要求1或者2所述的阳极系统(1200；2200)，其中，所述栅格结构(1230；2230)至少部分地与所述阳极系统(1200；2200)热解耦和/或能够热解耦，用于使所述栅格结构(1230；2230)在所述阳极系统(1200；2200)中热隔绝。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的阳极系统(1200；2200)，其中，所述栅格结构(1230；2230)至少部分地与冷却系统热耦合，用于在所述阳极系统中冷却所述栅格结构(1230；2230)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的阳极系统(1200；2200)，其中，所述栅格结构(1230；2230)包括多个栅格结构，所述多个栅格结构配置为和/或能够配置为
6.根据权利要求1至5中任一项所述的阳极系统(2200)，其中，所述阳极系统(2200)包括绕行阀(2229)，所述绕行阀用于：当所述阳极(2110)的入口区域超过水在所述阳极(1110)的入口区域中的冰点时，使所述燃料直接绕行到所述燃料电池系统(2100)的阳极(2110)的入口区域中。
7.一种设备(1000)，所述设备具有：
8.根据权利要求7所述的设备(1000)，其中，所述设备(1000)此外具有冷却系统(1300)，所述冷却系统至少部分地与所述栅格结构(1230；2230)热耦合，用于在所述阳极系统(1200；2200)中冷却所述栅格结构(1230；2230)。
9.一种方法(3000)，所述方法包括：借助根据权利要求1至6中任一项所述的阳极系统，在根据权利要求7至8中任一项所述的设备(1000)投入运行期间延迟所述栅格结构(1230；2230)的升温，直到所述设备(1000)的燃料电池系统(1100；2100)的阳极(1110；2110)的入口区域超过水在所述阳极(1110)的入口区域中的冰点。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法包括下述步骤中的至少一个或者多个步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种用于给设备(1000)的燃料电池系统(1100；2100)的阳极(1110；2110)供给燃料的阳极系统(1200；2200)，所述阳极系统具有：
2.根据权利要求1所述的阳极系统(1200；2200)，其中，所述栅格结构(1230；2230)具有一个或者多个部件，并且所述一个或者多个部件的比热容大于水的比热容。
3.根据权利要求1或者2所述的阳极系统(1200；2200)，其中，所述栅格结构(1230；2230)至少部分地与所述阳极系统(1200；2200)热解耦和/或能够热解耦，用于使所述栅格结构(1230；2230)在所述阳极系统(1200；2200)中热隔绝。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的阳极系统(1200；2200)，其中，所述栅格结构(1230；2230)至少部分地与冷却系统热耦合，用于在所述阳极系统中冷却所述栅格结构(1230；2230)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的阳极系统(1200；2200)，其中，所述栅格结构(1230；2230)包括多个栅格结构，所述多个栅格结构配置为和/或能够配置为用于使所述燃料在所述栅格结构(1230；2230)中转向。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：J·布赖廷格，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：
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