DE102004013256A1 - Operating process for a fuel cell leads heat from a latent heat store to the fuel cell before or during start up - Google Patents

Operating process for a fuel cell leads heat from a latent heat store to the fuel cell before or during start up Download PDF

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Abstract

Operating a fuel cell comprises leading heat from a latent heat store (7) to the fuel cell before or during start-up. Preferably the initial temperature of the fuel cell is less than 273 K and the heat is automatically released. An independent claim is also included for an operating device for the above.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle. Brennstoffzellen dienen zur Versorgung elektrischer Verbraucher oder zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz. Kritisch ist dabei die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle bei tiefen Temperaturen.The The present invention relates to an apparatus and a method for operating a fuel cell. Fuel cells serve to supply electrical Consumer or for feeding electrical energy into a power grid. Critical is the commissioning of the fuel cell at low Temperatures.

Eine Brennstoffzelle erzeugt in einem elektrochemischen Prozess aus einen Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) und einem Oxidationsmittel (beispielsweise Sauerstoff) einen elektrischen Gleichstrom. In einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMBZ) läuft diese Reaktion an einer Protonen-Austausch-Membran 9 ab, vergl. 1. Dazu ist diese Protonen-Austausch-Membran 9 beidseitig mit einem Katalysatormaterial 10 beschichtet. Die beiden Bauteile bilden somit eine Membran-Elektrodeneinheit 4.A fuel cell generates an electrical direct current in an electrochemical process from a fuel (for example hydrogen) and an oxidant (for example oxygen). In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMBZ), this reaction occurs on a proton exchange membrane 9 off, see 1 , This is the proton exchange membrane 9 on both sides with a catalyst material 10 coated. The two components thus form a membrane electrode unit 4 ,

Nach dem Stand der Technik besteht die Katalysatorschicht aus einem Trägermaterial wie beispielsweise Aktivkohle. Auf diesem ist der Katalysator aus Pt oder Pt/Ru in Form von Partikeln aufgebracht. Die Partikel sind in einer wässrigen oder alkoholischen Lösung dispergiert und werden durch Siebdruck oder Sprühtechnik auf die Membran aufgebracht.To In the prior art, the catalyst layer consists of a carrier material such as activated carbon. On this is the catalyst off Pt or Pt / Ru applied in the form of particles. The particles are in an aqueous or alcoholic solution dispersed and are applied by screen printing or spraying on the membrane.

An der Kathodenseite der Membran wird molekularer Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Protonen diffundieren nachfolgend durch die Membran auf die Anodenseite. Dort werden Protonen mit Sauerstoff und Elektronen zu Wasser oxidiert. Die auf der Kathodenseite entstehenden Elektronen fließen in einem äußeren Leiterkreis auf die Anodenseite und verrichten dabei elektrische Arbeit. Neben der elektrischen Nutzenergie entsteht bei dem beschriebenen Prozess auch Wärme, welche aus der Brennstoffzelle abgeführt werden muss.At the cathode side of the membrane becomes molecular hydrogen in protons and electrons split. The protons subsequently diffuse the membrane on the anode side. There are protons with oxygen and electrons oxidized to water. The electrons generated on the cathode side flow in an outer circuit on the anode side while doing electrical work. Next The electrical useful energy arises in the described process also heat, which must be removed from the fuel cell.

Um die mechanische Stabilität der Zelle zu gewährleisten ist die Membran-Elektroden-Einheit 4 zwischen Bipolarplatten 1 eingesetzt. Diese enthalten Gaszuführungskanäle 3. Zur elektrischen Isolation sind Gasdiffusionsschichten 11 eingesetzt.To ensure the mechanical stability of the cell is the membrane-electrode unit 4 between bipolar plates 1 used. These contain gas supply channels 3 , For electrical insulation are gas diffusion layers 11 used.

Nachdem die Reaktion im Inneren der PEMBZ in wasserhaltiger Umgebung abläuft, führt ein Absinken der Temperatur innerhalb der Brennstoffzelle während einer Betriebspause zu einer Leistungsminderung und bei weiterem Absinken zum Einfrieren der Brennstoffzelle. Durch die Vereisung der Elektrode und/oder der Membran wird die Kinetik der Brennstoffzelle stark vermindert und die Reaktion kann zum Erliegen kommen, so dass die Brennstoffzelle vor einer erneuten Leistungsabgabe auf getaut werden muss.After this the reaction takes place inside the PEMBZ in hydrous environment introduces Falling of the temperature within the fuel cell during a Break for a performance reduction and further decrease for freezing the fuel cell. Due to the icing of the electrode and / or the membrane, the kinetics of the fuel cell is strong diminished and the reaction can come to a standstill, so that the Fuel cell to be thawed before a new power output got to.

Nach dem Stand der Technik sind Mittel vorgesehen, um das Absinken der Betriebstemperatur unterhalb des Toleranzbereiches zu verhindern. Insbesondere zur Beschleunigung des Kaltstarts bei niedrigen Umgebungstemperaturen sind verschiedene Verfahren zur Wärmezufuhr bekannt.To In the prior art, means are provided for the drop in the Operating temperature below the tolerance range to prevent. In particular, to accelerate the cold start at low ambient temperatures Various methods for supplying heat are known.

So wird in der DE 19931061 A1 vorgeschlagen, eine Wärmequelle in den Kühlkreislauf zu integrieren und so die Wärme über das Kühlsystem in die Brennstoffzelle einzutragen. Als Wärmequelle eignet sich insbesondere ein katalytischer Brenner oder eine elektrische Heizeinrichtung.So will in the DE 19931061 A1 proposed to integrate a heat source in the cooling circuit and so enter the heat through the cooling system in the fuel cell. As a heat source, in particular, a catalytic burner or an electric heater is suitable.

Die US 6,127,056 offenbart eine passive katalytische Heizung durch eine geänderte Mischung von Brennstoff und Oxydationsmittel. Dabei wird für einen bestimmten Zeitraum vermehrt Abwärme gebildet, welche zu einem raschen Aufheizen der Brennstoffzelle führt.The US 6,127,056 discloses passive catalytic heating through an altered mixture of fuel and oxidant. This waste heat is increasingly formed for a certain period of time, which leads to a rapid heating of the fuel cell.

Nachteilig ist an allen Verfahren, bei welchem Kühlmittelkreisläufe involviert sind, dass der Betrieb der Brennstoffzelle durch zusätzliche Bauteile wie Pumpen und Wärmetauscher aufwändig und störanfällig wird. Im Falle einer Heizeinrichtung im Kühlkreislauf ist die Wärmeabgabe dieses Gerätes zusätzlich zu überwachen.adversely is involved in all processes involving coolant circuits are that the operation of the fuel cell by additional Components such as pumps and heat exchangers costly and becomes prone to failure. In the case of a heater in the cooling circuit is the heat output this device in addition to monitor.

Die katalytische Verbrennung eines Brennstoffüberschusses in der Brennstoffzelle selbst ist sicherheitstechnisch bedenklich. Hierbei kann es bei Ausfall der Regelung nicht nur zur Zerstörung der Brennstoffzelle, sondern auch zu weitergehenden Sach- und Personenschäden kommen.The catalytic combustion of a fuel surplus in the fuel cell itself is of safety concern. This can happen in case of failure the scheme not only for destruction the fuel cell, but also to further property and personal injury.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturerhöhung einer Brennstoffzelle anzugeben, welches in oder nach Betriebsphasen mit niedriger Wärmeproduktion in einfacher Weise die Zufuhr von Wärmeenergie in die Brennstoffzelle ermöglicht.The It is therefore an object of the present invention to provide a device and to provide a method for increasing the temperature of a fuel cell, which in or after operating phases with low heat production simply allows the supply of heat energy in the fuel cell.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Betrieb einer Brennstoffzelle, welche eine Brennstoffzelle, einen Latentwärmespeicher und Mittel zum Auslösen der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers enthält. Weiterhin besteht die Lösung in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, bei welchem vor oder während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle Wärmeenergie aus einem Latentwärmespeicher entnommen und der Brennstoffzelle zugeführt wird.The The object is achieved by an apparatus for operating a fuel cell, which is a Fuel cell, a latent heat storage and means for triggering the heat output the latent heat storage contains. Furthermore, there is the solution in a method of operating a fuel cell, in which before or during commissioning the fuel cell heat energy from a latent heat storage removed and the fuel cell is supplied.

Bei dem genannten Latentwärmespeicher handelt es sich um ein Material, welches durch Zufuhr von Wärmeenergie einen Phasenübergang, beispielsweise fest-flüssig, durchläuft. Beim Abkühlen der Schmelze wird jedoch die Kristallisationsenthalpie nicht frei, so dass das Material auch bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes flüssig bleibt. Dieser Zustand wird auch als Unterkühlung bezeichnet. Durch Auslösen der Kristallisation wird dann Wärmeenergie zu einem vorbestimmten Zeitpunkt freigegeben.at the said latent heat storage is it is a material which is produced by supplying heat energy a phase transition, for example, solid-liquid, passes. When cooling the Melt, however, the enthalpy of crystallization is not released, so that the material also at temperatures below the melting point liquid remains. This condition is also known as hypothermia. By triggering the Crystallization then becomes heat energy released at a predetermined time.

Ein solches Verhalten zeigen beispielsweise Salze, Salzhydrate oder Salzlösungen. Bekannte Vertreter sind beispielsweise Na2S2O3·5H2O, Na2SO4·10H2O, Ba(OH)2·8H2O und weitere.Such behavior, for example, salts, salt hydrates or salt solutions. Known representatives are, for example, Na 2 S 2 O 3 .5H 2 O, Na 2 SO 4 .10H 2 O, Ba (OH) 2 .8H 2 O and others.

Die Notwendigkeit zur Zufuhr von Wärme in die Brennstoffzelle ergibt sich insbesondere vor oder während der Inbetriebnahme bei Temperaturen von weniger als etwa 0° C. Die notwendige Wärmeenergie, um den Latentwärmespeicher zu Regenerieren, wird dann während des Betriebes der Brennstoffzelle von dieser geliefert.The Need to supply heat into the fuel cell results in particular before or during the Commissioning at temperatures of less than about 0 ° C. The necessary Thermal energy, around the latent heat storage to regenerate, then becomes during of the operation of the fuel cell supplied by this.

Als Inbetriebnahme wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Zeitraum bezeichnet, welcher mit der erstmaligen Zufuhr von Brennstoff nach einer Betriebspause beginnt und mit dem Erreichen der Betriebstemperatur endet. Eine Betriebspause ist demnach ein Zeitraum, in welchem der Brennstoffzelle kein Brennstoff zugeführt und keine Leistung entnommen wird.When Commissioning is a period of time within the meaning of the present invention referred to, which with the initial supply of fuel after a break in operation begins and with the achievement of the operating temperature ends. A break is therefore a period in which the Fuel cell supplied no fuel and no power removed becomes.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle eingesetzt. Dies liegt zum einen an deren Betriebstemperatur, welche unterhalb von etwa 200°C liegt. Darüber hinaus reagiert die bei diesem Typ von Brennstoffzellen verwendete Protonen-Austausch-Membran auf tiefe Temperaturen besonders empfindlich: Bei Stillstand der Zelle und nachfolgendem Auskühlen auf Temperaturen unterhalb etwa 0°C gefriert das im Betrieb entstandene Produktwasser an der Membran. Die Zelle ist damit blockiert und muss vor der erneuten Inbetriebnahme erwärmt werden. Eine dauerhafte Schädigung erfährt die Protonen-Austausch-Membran jedoch nicht.Advantageous becomes the method according to the invention especially in a polymer electrolyte membrane fuel cell used. This is partly due to their operating temperature, which below about 200 ° C lies. About that In addition, the proton exchange membrane used in this type of fuel cell reacts particularly sensitive to low temperatures: at standstill Cell and subsequent cooling to temperatures below about 0 ° C The product water produced during operation freezes on the membrane. The cell is thus blocked and must be heated before restarting. Permanent damage learns the However, proton exchange membrane is not.

Um den Latentwärmespeicher zur gezielten Beheizung der Brennstoffzelle einzusetzen, ist eine Auslösevorrichtung für die Kristallisation des Phasenwechselmaterials vorgesehen.Around the latent heat storage to use for targeted heating of the fuel cell is a triggering device for the Crystallization of the phase change material provided.

Die Auslösevorrichtung kann durch den Benutzer oder automatisiert durch eine elektronische Schaltung betätigt werden. Die Auslösung der eigentlichen Kristallisation erfolgt dann in an sich bekannter Weise durch Einkopplung einer Druck- oder Schallwelle, mechanische Stöße oder piezoelektrisch. Eine Druckwelle kann insbesondere durch kurzzeitiges Öffnen eines ohnehin vorhandenen Gaszufuhrventils erzeugt werden.The triggering device Can be done by the user or automated by an electronic circuit actuated become. The trigger The actual crystallization is then carried out in a conventional manner by coupling a pressure or sound wave, mechanical shock or piezoelectric. A pressure wave can in particular by briefly opening a Any existing gas supply valve can be generated.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die thermische Ankoppelung des Latentwärmespeichers an die Brennstoffzelle dadurch erreicht, dass der Latentwärmespeicher in ein Bauteil der Brennstoffzelle einbringbar und/oder mit ihm verbindbar und/oder in ihm enthalten ist.In a preferred embodiment is the thermal coupling of the latent heat storage to the fuel cell achieved in that the latent heat storage in a component the fuel cell can be introduced and / or connected to it and / or contained in it.

Das Einbringen des Latentwärmespeichers kann dabei in einer Ausführungsform derart geschehen, dass das Bauteil einen Hohlraum aufweist, in den der Latentwärmespeicher eingebracht wird. Denkbar wäre aber auch, den Latentwärmespeicher in einem separaten Gehäuse auszuführen und dieses thermisch mit einem Brennstoffzellenbauteil zu verbinden. Auf diese Weise kann die Wärmeabgabe des Latentwärmespeischers in besonders einfacher Weise ausgelöst werden.The Introducing the latent heat storage can in one embodiment done so that the component has a cavity in the the latent heat storage is introduced. It would be possible but also, the latent heat storage in a separate housing perform and to thermally connect it to a fuel cell component. In this way, the heat output of the Latentwärmespeischers be triggered in a particularly simple manner.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird der Werkstoff, aus welchem das Brennstoffzellenbauteil gefertigt wird, mit einem Latentwärmespeicher in mikroverkapselter Form versehen. Dabei wird das Material des Latentwärmespeichers mit einem Polymermaterial, beispielsweise Polytetrafluorethylen oder Polymethylmethacrylat umschlossen. Das so gebildete Pulver weist typischerweise Korngrößen von 1–3 μm auf.In In another preferred embodiment, the material is made of which the fuel cell component is manufactured, with a latent heat storage provided in microencapsulated form. The material of the Latent heat storage with a polymeric material, for example polytetrafluoroethylene or polymethyl methacrylate enclosed. The powder thus formed typically has grain sizes of 1-3 μm.

Als Material des Brennstoffzellenbauteils seien beispielhaft Kohlenstoffsintermaterialien oder Kunstharze genannt, denen der umkapselte Latentwärmespeicher bei Fertigung des Bauteils zugefügt wird. Dadurch wird eine homogene Verteilung innerhalb des Bauteils erreicht. Alternativ kann der umkapselte Latentwärmespeicher auch in Form von Lacken oder Siebdruckpasten als Beschichtung aufgebracht werden. Die Erwärmung der Brennstoffzelle kann damit auf die besonders sensiblen Bereiche der Brennstoffzelle lokalisiert werden.When Material of the fuel cell component are exemplary carbon sintering materials or synthetic resins, which the encapsulated latent heat storage is added during manufacture of the component. This achieves a homogeneous distribution within the component. Alternatively, the encapsulated latent heat storage in the form of Lacquers or screen printing pastes are applied as a coating. The warming The fuel cell can thus be used on the most sensitive areas the fuel cell are located.

Als Brennstoffzellenbauteil zur Aufnahme des Latentwärmespeichers eignen sich insbesondere Bipolarplatten 1, Endplatten 5 oder Gehäuse bzw. Gehäuseteile 6 der Brennstoffzelle.As a fuel cell component for receiving the latent heat storage are particularly suitable bipolar plates 1 , End plates 5 or housing or housing parts 6 the fuel cell.

Mikroverkapseltes Material kann besonders vorteilhaft auch in der Katalysatorschicht 10 und/oder der Gasdiffusionsschicht 11 der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Dazu wird der umkapselte Latentwärmespeicher dem dispergierten Katalysatormaterial zugesetzt und zusammen mit diesem durch Sprühtechniken oder Siebdruck in nur einem Arbeitsgang aufgebracht. In diesem Fall wirkt die vom Latentwärmespeicher abgegebene Wärme unmittelbar auf die Polymer-Elektrolyt-Membran ein.Micro-encapsulated material can also be particularly advantageous in the catalyst layer 10 and / or the gas diffusion layer 11 the fuel cell can be used. For this purpose, the encapsulated latent heat storage is added to the dispersed catalyst material and applied together with this by spraying or screen printing in just one operation. In this case, the heat released by the latent heat storage acts directly on the polymer electrolyte membrane.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Brennstoffzellen, welche in Fahrzeugen eingesetzt werden. Da Fahrzeuge oftmals bei kalter Witterung im Freien abgestellt sind, ist der Kaltstart nach längerer Standzeit, beispielsweise über Nacht, nicht mehr problemlos möglich. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einfacher Weise, d.h. ohne Sicherheitsrisiko und ohne zusätzlichen Energieverbrauch Wärme in die Brennstoffzelle zugeführt werden.Especially advantageous is the use of the device according to the invention in fuel cells, which are used in vehicles. Since vehicles often at cold weather are parked outdoors, the cold start is after longer Service life, for example, over Night, no longer possible without problems. By the device according to the invention can in a simple manner, i. without security risk and without additional Energy consumption heat fed into the fuel cell become.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des Erfindungsgemäßen Verfahrens bietet sich in Netzunabhängigen Stromversorgungseinrichtungen, beispielsweise für Baustellen oder Wochenendhäuser. Auch in diesem Fall treten längere Betriebspausen auf, beispielsweise über Nacht, in welchen die Brennstoffzellen so weit auskühlen können, dass die Inbetriebnahme ohne vorherige Wärmezufuhr unmöglich wird.A further advantageous application the inventive method lends itself to grid independent Power supply facilities, for example for construction sites or weekend cottages. Also in this case, longer ones occur Interruptions on, for example, overnight, in which the fuel cells cool down so far can that Commissioning without prior heat supply is impossible.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail with reference to figures.

1 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik. 1 shows the structure of a fuel cell according to the prior art.

2 zeigt eine Brennstoffzelle mit dem sie umgebenden Gehäuse. 2 shows a fuel cell with the surrounding housing.

3 zeigt zweiteilige Bipolarplatten, in welche ein Latentwärmespeicher eingebracht ist. 3 shows two-part bipolar plates, in which a latent heat storage is introduced.

In 2 ist eine Brennstoffzelle mit dem sie umgebenden Gehäuse 6 dargestellt. Die Brennstoffzelle selbst besteht aus der Membran-Elektroden-Einheit 4, welche mit einer Bipolarplatte 1 verbunden ist. Die Bipolarplatte enthält mehrere Gaszuführungskanäle 3. Zur Stromerzeugung werden mehrere parallel angeordnete Bipolarplatten verwendet. An den beiden Endflächen des Stapels sind Endplatten 5 angebracht, welche sich von den Bipolarplatten 1 insofern unterscheiden, als Gaszuführungskanäle und Membran-Elektroden-Einheiten nur einseitig angeordnet sind.In 2 is a fuel cell with the surrounding housing 6 shown. The fuel cell itself consists of the membrane-electrode unit 4 , which with a bipolar plate 1 connected is. The bipolar plate contains several gas supply channels 3 , To generate electricity several parallel bipolar plates are used. At the two end faces of the stack are end plates 5 attached, which differs from the bipolar plates 1 differ insofar as gas supply ducts and membrane electrode assemblies are arranged only on one side.

Phasenwechselmaterialien in Form von Mikrokapseln können sowohl im Gehäuse als auch in den Bipolar- und/oder Endplatten enthalten sein. Hierzu wird der Latentwärmespeicher bei der Fertigung des Bauteils aus Kohlenstoffsintermaterialien oder Kunstharzen dem Ausgangsmaterial zugefügt. Der Latentwärmespeicher ist somit gleichmäßig innerhalb des entsprechenden Bauteils verteilt. Die Auslösung der Wärmeabgabe erfolgt über die Einkopplung von Körperschall mittels der Auslösevorrichtung 8 in die Brennstoffzellenanordnung.Phase change materials in the form of microcapsules can be contained both in the housing and in the bipolar and / or end plates. For this purpose, the latent heat accumulator is added to the starting material during the production of the component from carbon sintering materials or synthetic resins. The latent heat storage is thus evenly distributed within the corresponding component. The triggering of heat dissipation via the coupling of structure-borne noise by means of the triggering device 8th in the fuel cell assembly.

3 zeigt eine mehrteilig ausgeführte Bipolarplatte. Die Einzelteile 2 mit den Gaszuführungskanälen 3 können dabei beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt werden. Im so entstandenen Hohlraum 7 wird ein Salzhydrat eingebracht. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist der geringe Wärmewiderstand zwischen der Membran-Elektroden-Einheit 4 und dem Latentwärmespeicher 7. Nach dem Abschalten der Brennstoffzellen kühlt das Salzhydrat ohne zu kristallisieren aus. Vor oder während der Inbetriebnahme wird die Kristallisation des Phasenwechselmaterials durch die Auslösevorrichtung 8, beispielsweise ein Piezokristall, ausgelöst. Durch die freiwerdende Kristallisationsenthalpie wird die Bipolarplatte und nachfolgend die Membran-Elektroden-Einheit aufgewärmt. 3 shows a multipart bipolar plate. The items 2 with the gas supply channels 3 can be made for example of a metal or an alloy. In the resulting cavity 7 a salt hydrate is introduced. An advantage of this embodiment is the low thermal resistance between the membrane electrode assembly 4 and the latent heat storage 7 , After switching off the fuel cells, the salt hydrate cools without crystallizing. Before or during startup, the crystallization of the phase change material by the triggering device 8th , For example, a piezoelectric crystal, triggered. Due to the released enthalpy of crystallization, the bipolar plate and subsequently the membrane-electrode unit is warmed up.

1.1.
Bipolarplattebipolar
2.Second
Teil einer mehrteiligen Bipolarplattepart a multipart bipolar plate
3.Third
Gaszuführungskanal für Brennstoff und/oder OxidationsGas supply channel for fuel and / or oxidation
mittelmedium
4.4th
Membran-Elektroden-EinheitMembrane-electrode assembly
5.5th
Endplatteendplate
6.6th
Gehäusecasing
7.7th
LatentwärmespeicherLatent heat storage
8.8th.
Auslöseeinrichtungtriggering device
9.9th
Protonen-Austausch-MembranProton exchange membrane
10.10th
Katalysatorschichtcatalyst layer
11.11th
GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
12.12th
Dichtungpoetry

Claims (16)

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle Wärmeenergie aus einem Latentwärmespeicher entnommen und der Brennstoffzelle zugeführt wird.Method for operating a fuel cell, characterized in that taken before or during startup of the fuel cell heat energy from a latent heat storage and the fuel cell is supplied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher vor der Entnahme von Wärmeenergie eine Unterkühlung zeigt.Method according to claim 1, characterized in that that the latent heat storage before the removal of heat energy a hypothermia shows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Brennstoffzelle bei der Inbetriebnahme unter 273 K liegt.Method according to one of claims 1 or 2, characterized that the temperature of the fuel cell under commissioning 273 K lies. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers automatisiert ausgelöst wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the heat dissipation of the Latent heat storage is automatically triggered. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Brennstoffzelle dieser Wärmeenergie entnommen und dem Latentwärmespeicher zugeführt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that while taken from the operation of the fuel cell of this heat energy and the Latent heat storage supplied becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport der Wärmeenergie über das Kühlmittel erfolgt.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the transport of heat energy over the coolant he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers durch das Einkoppeln einer Druck- oder Schallwelle ausgelöst wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the heat dissipation of the Latent heat storage by the coupling of a pressure or Sound wave triggered becomes. Vorrichtung zum Betrieb einer Brennstoffzelle, welche a) eine Brennstoffzelle b) einen Latentwärmespeicher c) Mittel zum Auslösen der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers enthält.Apparatus for operating a fuel cell, which a) a fuel cell b) a latent heat storage c) Medium to trigger the heat output the latent heat storage contains. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher ein unterkühlbares Material enthält.Device according to claim 8, characterized in that that the latent heat storage a subcoolable Contains material. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das unterkühlbare Material ein Salz und/oder ein Salzhydrat und/oder eine Salzlösung enthält.Device according to claim 9, characterized in that that the subcoolable Material contains a salt and / or a salt hydrate and / or a salt solution. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle umfasst.Device according to one of claims 8 to 10, characterized the fuel cell comprises a polymer electrolyte membrane fuel cell. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher in ein Bauteil der Brennstoffzelle einbringbar und/oder mit ihm verbindbar und/oder in ihm enthalten ist.Device according to one of claims 8 to 11, characterized that the latent heat storage be introduced into a component of the fuel cell and / or with it connectable and / or contained in it. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Bipolarplatte und/oder eine Endplatte und/oder eine Gasdiffusionsschicht und/oder eine Katalysatorschicht umfasst.Device according to claim 12, characterized in that the component comprises a bipolar plate and / or an end plate and / or a gas diffusion layer and / or a catalyst layer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Auslösen der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers eine Einrichtung zum erkennen der Inbetriebnahme umfassen.Device according to one of claims 8 to 13, characterized that means to trigger the heat output the latent heat storage comprise a device for detecting the commissioning. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 in einem Fahrzeug.Use of a device according to one of claims 8 to 14 in a vehicle. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 in einer netz-unabhängigen Stromversorgungseinrichtung.Use of a device according to one of claims 8 to 14 in a grid-independent power supply device.
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DE (1) DE102004013256A1 (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007033428A1 (en) * 2007-07-18 2009-01-22 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material
WO2012130557A1 (en) * 2011-03-29 2012-10-04 Robert Bosch Gmbh Preheater for high viscosity fuels
WO2013017490A1 (en) * 2011-08-02 2013-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Electrochemical accumulator with latent heat accumulator
DE102011109383A1 (en) 2011-08-04 2013-02-07 Daimler Ag Charge air cooler for fuel cell system used in vehicle, has cooler flow region that is formed to supply air flow to fuel cell, and phase change material which is arranged in thermal contact with cooler flow region
WO2013060869A1 (en) * 2011-10-28 2013-05-02 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives High-temperature or fuel-cell electrochemical system having improved thermal management
WO2014131561A1 (en) * 2013-02-27 2014-09-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fuel cell system
WO2021099125A1 (en) 2019-11-20 2021-05-27 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system with a vibration generator, and method for operating a fuel cell system with a vibration generator
WO2021148207A1 (en) * 2020-01-23 2021-07-29 Robert Bosch Gmbh Fuel cell unit
DE102020211588A1 (en) 2020-09-16 2022-03-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Cell unit and method of starting the cell unit
DE102021204593A1 (en) 2021-05-06 2022-11-10 Siemens Mobility GmbH Fuel cell system and method for its operation
DE102021208223A1 (en) 2021-07-29 2023-02-02 Mahle International Gmbh Method of operating a system

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0236382B1 (en) * 1985-09-18 1990-09-12 Gerd Hörmansdörfer Latent heat storage medium and use thereof
DE4123789C2 (en) * 1991-07-18 1994-01-13 Bosch Gmbh Robert Catalytic converter provided with a heating device for exhaust systems, in particular for combustion engines
DE4405804C1 (en) * 1994-02-23 1995-03-30 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt Air-conditioning system (air-conditioning plant, air-conditioning set)
US6127056A (en) * 1998-10-09 2000-10-03 International Fuel Cells, Llc Start up of proton exchange membrane fuel cell
DE19931061A1 (en) * 1999-07-01 2001-01-11 Mannesmann Ag Arrangement for heating / cooling a fuel cell and fuel cell system
DE19942195A1 (en) * 1999-09-03 2001-03-08 Merck Patent Gmbh Latent heat storage for fuel cells
WO2001048848A2 (en) * 1999-12-23 2001-07-05 Siemens Aktiengesellschaft Fuel cell system for use as a drive unit for a vehicle
DE10065304A1 (en) * 2000-12-29 2002-07-11 Siemens Ag Process for heat insulation in a fuel cell system intended for mobile use and associated fuel cell system
DE10219429A1 (en) * 2002-05-02 2003-11-13 Audi Ag Motor vehicle with a drive device and with a resource storage
DE102004016375A1 (en) * 2003-04-03 2004-10-28 General Motors Corp., Detroit Fuel cell system used in powering vehicle, such as bus, has T connection provided between first branch and second branch and main cycle

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0236382B1 (en) * 1985-09-18 1990-09-12 Gerd Hörmansdörfer Latent heat storage medium and use thereof
DE4123789C2 (en) * 1991-07-18 1994-01-13 Bosch Gmbh Robert Catalytic converter provided with a heating device for exhaust systems, in particular for combustion engines
DE4405804C1 (en) * 1994-02-23 1995-03-30 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt Air-conditioning system (air-conditioning plant, air-conditioning set)
US6127056A (en) * 1998-10-09 2000-10-03 International Fuel Cells, Llc Start up of proton exchange membrane fuel cell
DE19931061A1 (en) * 1999-07-01 2001-01-11 Mannesmann Ag Arrangement for heating / cooling a fuel cell and fuel cell system
DE19942195A1 (en) * 1999-09-03 2001-03-08 Merck Patent Gmbh Latent heat storage for fuel cells
WO2001048848A2 (en) * 1999-12-23 2001-07-05 Siemens Aktiengesellschaft Fuel cell system for use as a drive unit for a vehicle
DE10065304A1 (en) * 2000-12-29 2002-07-11 Siemens Ag Process for heat insulation in a fuel cell system intended for mobile use and associated fuel cell system
DE10219429A1 (en) * 2002-05-02 2003-11-13 Audi Ag Motor vehicle with a drive device and with a resource storage
DE102004016375A1 (en) * 2003-04-03 2004-10-28 General Motors Corp., Detroit Fuel cell system used in powering vehicle, such as bus, has T connection provided between first branch and second branch and main cycle

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007033428A1 (en) * 2007-07-18 2009-01-22 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material
WO2012130557A1 (en) * 2011-03-29 2012-10-04 Robert Bosch Gmbh Preheater for high viscosity fuels
WO2013017490A1 (en) * 2011-08-02 2013-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Electrochemical accumulator with latent heat accumulator
DE102011109383A1 (en) 2011-08-04 2013-02-07 Daimler Ag Charge air cooler for fuel cell system used in vehicle, has cooler flow region that is formed to supply air flow to fuel cell, and phase change material which is arranged in thermal contact with cooler flow region
WO2013060869A1 (en) * 2011-10-28 2013-05-02 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives High-temperature or fuel-cell electrochemical system having improved thermal management
FR2982085A1 (en) * 2011-10-28 2013-05-03 Commissariat Energie Atomique ELECTROCHEMICAL SYSTEM TYPE ELECTROLYSER OR HIGH TEMPERATURE FUEL CELL WITH ENHANCED THERMAL MANAGEMENT
US10218011B2 (en) 2011-10-28 2019-02-26 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives High-temperature or fuel-cell electrochemical system having improved thermal management
US20150372326A1 (en) * 2013-02-27 2015-12-24 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fuel Cell System
CN105074985A (en) * 2013-02-27 2015-11-18 宝马股份公司 Fuel cell system
CN105074985B (en) * 2013-02-27 2018-10-12 宝马股份公司 Fuel cell system
WO2014131561A1 (en) * 2013-02-27 2014-09-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fuel cell system
WO2021099125A1 (en) 2019-11-20 2021-05-27 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system with a vibration generator, and method for operating a fuel cell system with a vibration generator
US11777116B2 (en) 2019-11-20 2023-10-03 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system with a vibration generator, and method for operating a fuel cell system with a vibration generator
WO2021148207A1 (en) * 2020-01-23 2021-07-29 Robert Bosch Gmbh Fuel cell unit
DE102020211588A1 (en) 2020-09-16 2022-03-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Cell unit and method of starting the cell unit
DE102021204593A1 (en) 2021-05-06 2022-11-10 Siemens Mobility GmbH Fuel cell system and method for its operation
DE102021208223A1 (en) 2021-07-29 2023-02-02 Mahle International Gmbh Method of operating a system

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