[发明专利]启动燃料电池的方法

说明书

本发明涉及一种用于在低于水结冰点的温度下启动燃料电池系统(1)中的燃料电池(3)的方法。本发明方法的特征是，在第一步骤(I)中提高阳极(4)中的氢浓度(％Hsubgt;2/subgt;)；随后在第二步骤(II)中在规定的时间段(Δt)提高阳极压力(p)，并且在空气被供应给阴极(5)时从燃料电池(3)汲取尽可能大的电流；随后在第三步骤(III)中将燃料电池(3)切换成无负荷并且降低阳极压力(p)；且随后一直接连重复第二步骤(II)和第三步骤(III)，直至燃料电池(3)达到足以供其正常运行的性能。

技术领域

本发明涉及一种用于在低于水结冰点的温度下启动燃料电池系统中的燃料电池的方法。

背景技术

燃料电池在这种条件下的启动也被称为冻结启动，英语“Freeze Start”或“Freeze Start Up”。此时存在各种方法来实现这种燃料电池冻结启动。通常简单的是，直接或间接地通过冷却介质来加热燃料电池。为此例如可以设置燃烧装置或电热装置。与此相关，例如可参考US 2004/0247965 A1或DE 10 2008 060 534 A1。在另一个文献即US2004/0013915 A1中提出，相反地将燃料电池用于加热，即用作电解池。这种设计的缺点在于总是需要附加能量或附加构件，这导致系统不仅在其设计方面也在其控制方面都相当复杂。

其它的替代可能方式在于在重新启动之前相应准备好燃料电池，例如使其在关断程序范围内尽量干燥/脱水以由此防止存在会冻结的水。这在应用中也是相应复杂且耗费时间的。另外，干燥/脱水对于例如呈PEM燃料电池形式的燃料电池的隔膜是相当不利的，并且不利地影响到寿命。

一个替代方式在于如此加热燃料电池系统，即，使其投入运行并且依据可能的电池单元负荷来产生电流。为此，由DE 10 2007 050 856 A1例如描述了燃料电池系统按照优化的电流密度-时间曲线的运行。与之类似的还有DE 10 2007 033 429 A1，它描述了例如通过系统压缩机的附加的燃料电池电负荷。

上述后两种方法此时是成问题的，因为在一般以单独电池单元堆叠形式构成的燃料电池中，因结冰而被阻塞的单独电池单元的运行会造成其损伤。虽然可以通过附加措施如特殊催化器或耗费极高成本地监测所有单独电池单元的电池单元电压来防止或在一定程度上制止它，但这又不仅在设计和安装方面、也在控制方面使结构极其成本高昂和复杂。

发明内容

本发明的任务因此在于，指出一种改善的用于在低于水结冰点的温度下启动燃料电池系统的燃料电池的方法。

根据本发明，该任务通过一种具有权利要求1的步骤的方法来完成。有利的设计和改进方案来自其从属权利要求。

在本发明的方法中规定，在第一步骤中，在燃料电池的真正的冻结启动前提高阳极中的氢浓度。在阳极中的氢浓度升高可以一直进行，直至达到在废气中所允许的氢排放。根据该构思的一个有利改进方案，不应该超出所允许的氢排放。该构思的另一个很有利的设计此时规定，在第一步骤中力求使氢浓度超过90％、最好超过95％、尤其最好超过98％。

真正的冻结启动然后在第二步骤和第三步骤中进行，它们被迭代重复，直至燃料电池已达到其全性能/全功率。在第二步骤中，阳极压力在为此规定的时间段内提高，并且在空气被供应给阴极时从燃料电池汲取尽可能大的电流。在经过了所确定的时间段之后接着进行第三步骤。在第三步骤中，燃料电池切换至无负荷且阳极压力被降低，以便能又在随后又启动的第二步骤开始时提高阳极压力。第二和第三步骤在此被重复多次，尤其直至保证燃料电池的全性能，从而使它们能够在正常运行状态中运行或者在准正常运行状态中继续运行，直到整个燃料电池系统的启动过程结束。