DE112004001626T5

DE112004001626T5 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems unter Frostbedingungen

Info

Publication number: DE112004001626T5
Application number: DE112004001626T
Authority: DE
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2006-07-13
Also published as: JP2007504623A; US7049018B2; WO2005027238A2; US20050053807A1; WO2005027238A3

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, bei welchem das System einen PEM-Brennstoffzellenstapel umfasst mit mindestens einem Kühler zum Transport von Frostschutzmittel durch den Stapel zur Ableitung von Wärme von dem Stapel, wobei jede Zelle eine Wassertransportplatte mit Wasserströmungspassagen darin aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a) Ablaufen-Lassen von jeglichem flüssigem Wasser aus den Wasserströmungspassagen der Zellen bei oder nach vorherigem Abschalten des Stapels, bevor ein Gefrieren stattfinden kann, und danach
b) Anfahren des Stapels durch Leiten von Brennstoff- und Oxidationsmittelreaktanten in die Zellen und Verbinden einer Last mit dem Stapel;
c) Verwenden von durch den Stapel produzierter Wärme, um die Betriebstemperatur des Stapels auf mindestens 0°C zu erhöhen, um jegliches Eis in den Zellen zu schmelzen; und
d) bei Erreichen der Stapelbetriebstemperatur von mindestens 0°C, Zirkulieren von Frostschutzmittel durch die Stapelkühler, um die Betriebstemperatur des Stapels gering genug zu halten,...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf den Betrieb von Brennstoffzellen.
HINTERGRUNDINFORMATION
Es ist allgemein bekannt, dass eine Schwierigkeit bei der Verwendung von Brennstoffzellensystemen, welche außen betrieben werden, z.B. zum Antrieb eines Fahrzeugs, im Anfahren/Starten und Betrieb der Brennstoffzelle bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser besteht. Frost verursacht potenziell mechanische Schäden als Folge der Ausdehnung von Eis und verursacht Probleme aufgrund der Untrennbarkeit von Wasser von den Brennstoffzellenprozessen. Beispielsweise werden Brennstoffzellen typischerweise gekühlt durch Hindurchzirkulieren von Wasser, und während des Betriebs wird Wasser benötigt zur Befeuchtung der Reaktantengase. Ein Problem, welches sich insbesondere auf die Verwendung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen bezieht, ist das Erfordernis, das Fahrzeug rasch anzufahren/zu starten, nachdem es Frosttemperaturen ausgesetzt war, welche bewirkt haben, dass das Wasser innerhalb des Brennstoffzellensystems eingefroren ist. Bisher haben sich verschiedene Verfahren zum Starten "eingefrorener" Brennstoffzellen darauf konzentriert, Wärme für bestimmte Zeitspannen an entsprechende Bereiche des Systems zu liefern, entweder durch Reaktion oder durch Verbrennung von Brennstoff oder durch Batterieleistung. Andere Ansätze sind auf Prozesse gerichtet, welche dazu bestimmt sind, die Rate, mit welcher sich ein Brennstoffzellenstapel auf Temperaturen oberhalb des Gefrierpunks erwärmt, zu beschleunigen infolge des eigenen Betriebs. Im US-Patent 5 798 186 wird die Brennstoffzelle einfach aufgewärmt durch Verbinden einer Last über die Brennstoffzelle, während stöchiometrisch Brennstoff und Oxidationsmittel zu dem Stapel geliefert werden. In US-Patent 6 329 089 werden einzelne Brennstoffzellen bei –5°C mit Wasserstoff und Luft mit Raumtemperatur gestartet und erreichen 0,5 A/cm² in 5 min. Dies ist für Fahrzeuge, z.B. Automobile, unzureichend, welche in weniger als 1 min nach dem Beginn des Anfahrens bei Temperaturen bis hinab zu –40°C in Betrieb sein müssen.
Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM), wie die im US-Patent 6 024 848 von Dufner beschriebenen, welche hiermit durch Bezugnahme inkorporiert werden, gibt es das zusätzliche Problem, das Bereiche der PEM oder einer Wassertransportplatte in der Zelle während der Phase des Anfahrens und Aufwärmens austrocknen können, aufgrund des Mangels an Wasser, welches zur Befeuchtung der Reaktanten zur Verfügung steht. Derartiges Austrocknen kann zu der Mischung von Reaktanten oder der Beschädigung von Materialien führen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Starten und Betreiben eines Stapels von Brennstoffzellen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Starten und Betreiben eines Stapels von Brennstoffzellen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ohne das Erfordernis, zu warten, bis Eis innerhalb des Systems vor dem Anfahren geschmolzen ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Starten und Betreiben eines Brennstoffzellenstapels bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts, wenn flüssiges Wasser innerhalb des Systems beim Anfahren zur Befeuchtung der Reaktanten nicht zur Verfügung steht.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist insbesondere geeignet zum Anfahren und Betreiben eines Stapels von PEM-Brennstoffzellen bei Bedingungen un terhalb des Gefrierpunkts, wenn der Stapel die Stromerzeugungsanlage für ein Fahrzeug ist.
Dementsprechend ist bei einem Brennstoffzellensystem, welches einen Stapel PEM-Brennstoffzellen aufweist, wobei der Stapel mindestens einen Kühler zum Transport von Frostschutzmittel durch den Stapel hat und jede Zelle durch sie hindurch gehende Wasserströmungspassagen hat, das Verfahren der vorliegenden Erfindung das Betreiben des Systems bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts durch a) Ablaufen-Lassen jeglichen flüssigen Wassers von den Zellen-Wasserströmungspassagen bei oder nach dem vorherigen Abschalten des Stapels, bevor ein Gefrieren stattfinden kann, und danach b) Anfahren des Stapels. durch Leiten von Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktanten in die Zellen und Verbinden einer Last mit der Zelle; c) Verwenden von durch den Stapel erzeugter Wärme, um die Betriebstemperatur des Stapels zu erhöhen, um Eis in den Stapel zu schmelzen; und d) wenn die Stapelbetriebstemperatur mindestens 0°C erreicht, Zirkulieren von Frostschutz durch die Stapelkühler, um die Temperatur des Stapels gering genug zu halten, um einen ausreichend niedrigen Wasserdampfdruck innerhalb der Zellen zu gewährleisten, um Austrocknen der Zellen zu verhindern, zumindest so lange, wie es unzureichendes flüssiges Wasser zum Zirkulieren durch die Wasserströmungspassagen gibt.
Wie in dieser Anmeldung verwendet, bedeuten die Ausdrücke "Stapeltemperatur", "Temperatur des Stapels", "Stapelbetriebstemperatur", "Zellenbetriebstemperatur" oder ähnliche die durchschnittliche Temperatur des Stapels oder der Zelle, (je nach Fall), da es Temperaturunterschiede über die Zellen hinweg gibt, z.B. von den Reaktanteneinlässen zu den Reaktantenauslässen.
Ferner bedeutet in dieser Anmeldung der Ausdruck "Austrocknen", dass zumindest ein Teil der PEM oder mindestens ein Teil einer Wassertransportplatte unzureichendes Wasser hat, um richtig zu funktionieren. Wie oben erwähnt, kann bei einer PEM unzureichendes Wasser zu einem Durchmischen der Reaktanten oder zu lokalen Schäden führen, welches die Leistung der Zelle im Verlauf der Zeit beeinträchtigt. Bei einer Wassertransportplatte führt Austrocknen dazu, dass Reaktantengase hindurch gelangen, z.B. in die Wasserströmungspassagen.
Durch Ablaufen-Lassen von flüssigem Wasser von den Wasserströmungspassagen innerhalb des Zellenstapels nach einem Abschalten kann der Stapel bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts rasch gestartet werden durch Leiten von Oxidationsmittel und Brennstoff in die Zellen und Verbinden der Zellen mit einer Last. Selbst wenn es jedoch nur zeitweilig unzureichendes Wasser zum Zirkulieren durch die Zellenbefeuchtung der Reaktanten und Befeuchten der Zellenkomponenten gibt, müssen Schritte unternommen werden, um in dieser Zeit ein Austrocknen der Zellen zu verhindern. Daher wird der Stapel bei Teilleistung betrieben, während die Zelltemperaturen immer noch sehr gering sind, und bevor das Kühlmittel (Frostschutz) zirkuliert wird. Keine Schritte werden unternommen, um Wärme abzuleiten (d.h. den Stapel zu kühlen, bis die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wärme die Temperatur der Zellen zumindest über den Gefrierpunkt anhebt.
Sobald die Stapeltemperatur bei einer bestimmten Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts ist, wird mit Frostschutzzirkulation durch den Stapelkühler oder die Stapelkühler begonnen. Durch den Stapel produziertes Wasser wird gesammelt, bis es ausreichend ist, um durch die Zellen durch das normale Wasserzirkulationssystem zu zirkulieren. Bis zu diesem Zeitpunkt wird Frostschutzmittel zirkuliert, um zu gewährleisten, dass die Stapeltemperatur gering genug gehalten wird, um Austrocknen der Zellen zu verhindern, aber vorzugsweise so hoch wie möglich, um die besten Zellenleistungseigenschaften zu erreichen. Sobald Wasser durch die Wasserströmungspassagen der Zellen zirkuliert, sind geringe Stapeltemperaturen nicht mehr erforderlich, und die Temperatur des Stapels kann ansteigen, bis sie ihre normale konstruktionsbedingte Betriebstemperatur erreicht. Für eine bekannte Stapelkonstruktion kann die Stapeltemperatur beispielsweise auch anhand der Oxidationsmittelabgastemperatur bestimmt werden, welche eine bekannte Funktion der Stapeldurchschnittstemperatur ist.
Es versteht sich, dass primäre Kühlung des Stapels zu jeder Zeit die Funktion eines Frostschutzkühlmittel-Zirkulationssystems ist. Bei einem typischen Stapel ist die Wasserzirkulationsrate nur ca. 1 % der Frostschutz-Kühlmittelzirkulationsrate; daher bietet Wasserzirkulation nur sehr wenig Kühlung. Andererseits wird bei Betrieb bei normalen Betriebstemperaturen, z.B. zwischen ca. 65°C und 85°C bei derzeitigen PEM-Zellen, welche bei ungefähr Atmosphärendruck betrieben werden, ca. 25% bis 30% der Abwärme des Stapels in den Reaktantenabgasströmen entfernt, da der Großteil des Produktwassers in die Reaktantenströme verdampft.
Obwohl Frostschutzmittel zirkuliert werden kann, sobald die Stapeltemperatur hoch genug ist, um mit dem Schmelzen von jeglichem Eis innerhalb der Zellen zu beginnen, ist es bevorzugt, sämtliches Eis zu schmelzen und zu ermöglichen, dass der Stapel auf eine höhere Temperatur gelangt, vorzugsweise mindestens ca. 10°C und meist bevorzugt auf ca. 30°C bis 40°C, bevor mit dem Kühlen des Stapels durch Frostschutzmittelzirkulation begonnen wird. Während jegliche Zellenstapeltemperatur oberhalb des Gefrierpunkts und gering genug, um Austrocknen zu verhindern, akzeptabel ist, sind die Zellenleistungseigenschaften bei höheren Temperaturen besser.
Bei normalen Zellenbetriebstemperaturen von beispielsweise 65°C bis 85°C verlässt 90 bis 95% des durch die Zellen erzeugten Wassers die Zellen in den Reaktantengas-Abgasströmen, wobei der Rest in die Wassertransportplatten und Wasserzirkulationskanäle gelangt. Bei Zellentemperaturen von 30°C bis 40°C wird lediglich ca. 16% des Produktwassers als Dampf in dem Reaktantenabgas abgegeben. Daher wird bei der vorliegenden Erfindung durch Verwendung von geringen Temperaturen ohne Wasserzirkulation die Menge an Produktwasser, welche mit den Reaktantengasströmungen abgegeben wird, minimiert, und es wird ermöglicht, dass sich das Wasserzirkulationssystem mit Wasser rascher füllt und betriebsbereit wird. Dies ermöglicht baldigeren Betrieb des Stapels bei den effizienteren Betriebstemperaturen, für welche die Zellen entworfen wurden.
In dieser Erfindung mit sehr wenig gefrorenem Wasser, falls überhaupt welches vorhanden ist, im Stapel zum Zeitpunkt des Anfahrens, kann die Stapelbetriebstemperatur rascher eine Temperatur von über 0°C erreichen. Zu diesem Zeitpunkt kann die Frostschutzzirkulation beginnen, und der Stapel bei höheren Niveaus, sogar bei Vollleistung, betrieben werden, ohne befürchten zu müssen, Temperaturen zu erreichen, welche ein Austrocknen bewirken können, selbst wenn noch kein Wasser durch die Zellen zirkuliert. Wie im Folgenden detaillierter beschrieben wird, wurde in einem Experiment beobachtet, dass ein Zellenstapel bei 10°C und 800 mA/ft² ca. 75% der Leistung erzeugte, welche derselbe Stapel bei gleicher Stromdichte, aber bei einer normalen Betriebstemperatur von 65°C erzeugte. Bei einer Betriebstemperatur von 40°C erhöhte sich dies auf ca. 90%. Diese Daten zeigen, dass bei dieser Erfindung der Stapel, falls gewünscht, kontinuierlich ohne Wasserzirkulation bei Temperaturen von bis hinab zu 10°C betrieben werden kann und immer noch ausreichend gute Leistung zeigt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lässt man Flüssigkeit aus den Wasserströmungspassagen und dem angeschlossenen Wasserzirkulationssystem zu Beginn einer längeren Zeitdauer oder Jahreszeit, in der Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erwartet werden (d.h. im Winter) ablaufen und leer bleiben, bis diese Zeitdauer oder Jahreszeit vorüber geht. Die Zellen des Stapels werden ohne Wasserströmung während dieser längeren Zeitdauer betrieben. Wie in bereits beschriebenen Ausführungsformen umfasst jedes Abschalten während dieser Zeit das Ablaufen-Lassen sämtlichen angesammelten Wassers aus den Zellenwasser-Strömungspassagen; und jedes Anfahren umfasst Betreiben des Stapels zum Schmelzen jeglichen in den Zellen angesammelten Eises und zirkulierenden Frostschutz-Kühlmittels, um eine ausreichend geringe Betriebstemperatur zur Verhinderung von Austrocknen zu erhalten. Dies bedeutet, dass in dieser Ausführungsform der Stapel unterhalb der normalen konstruktionsbedingten Temperaturen während der gesamten gewählten Zeitdauer betrieben wird, während welcher Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts auftreten können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Wasserströmungspassagen und das Wasserzirkulationssystem beim Abschalten beide entleert, aber ein Wasserakkumulator oder Reservoir innerhalb des Wasserzirkulationssystems wird nicht nicht entleert. Beim Anfahren des Stapels wird durch den Stapel erzeugte Wärme oder eine separate Batterie verwendet, um das Eis zu schmelzen. Während das Eis in dem Akkumulator geschmolzen wird, wird Frostschutzmittel im Stapel zirkuliert, um eine geringe Stapeltemperatur zu erhalten, um Austrocknen zu verhindern. Sobald das Eis in dem Akkumulator geschmolzen wird, kann das Wasserzirkulationssystem angeschaltet werden, und die Temperatur des Stapels kann sich auf normales Betriebsniveau erhöhen.
Die genannten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, welches gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
2 ist eine Kurve einer Stapeltemperatur gegen die Zeit, wenn das Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
3 ist eine Kurve, welche den Effekt der Stapeltemperatur auf die Brennstoffzellenleistung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird auf 1 Bezug genommen. Ein Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Stapel 12 von Brennstoffzellen 14, welche im Querschnitt gezeigt sind. Benachbarte Zellen werden entweder durch eine nicht-poröse Separatorplatte 16 oder durch einen nicht-porösen Kühler 18 getrennt. In dieser Ausführungsform wird ein elektrisch leitender Kühler 18 zwischen jeder zweiten Zelle angeordnet, obwohl auch angemerkt wird, dass ein Kühler für jede dritte, vierte oder sogar noch mehr Zellen ausreichend bei manchen Brennstoffzellensystemen sein kann. Jede Zelle 14 umfasst eine Protonenaustauschmembran 19, welche zwischen einer porösen, hydrophilen Anodenwassertransportplatte 20 und einer porösen, hydrophilen Kathodenwassertransportplatte 22 ist. Die Zellen sind in Reihe über eine Last 23 verbunden. Der Stapel wird mit der Last 23 über einen Schalter 25 verbunden und getrennt. Die Last kann ein Fahrzeugantriebssystem sein.
Benachbart zur Anodenseite der PEM ist eine Anodenkatalysatorschicht 24 und benachbart zur Kathodenseite der PEM ist eine Kathodenkatalysatorschicht 26. Brennstoffgaskanäle 28, welche hier in der Anodenwassertransportplatte geformt gezeigt sind, definieren ein Brennstoffströmungsfeld in jeder Zelle zum Transport von Brennstoff, z.B. Wasserstoff, über die Zelle in Kontakt mit dem Anodenkatalysator. Die Brennstoffkanäle 28 haben Einlässe 30 und Auslässe 32. Oxidationsmittelgaskanäle 34, hier in der Kathodenwassertransportplatte geformt gezeigt, definieren ein Oxidationsmittelströmungsfeld in jeder Zelle zum Transport von Oxidationsmittel, z.B. Luft, über die Zelle in Kontakt mit dem Kathodenkatalysator. Die Oxidationsmittelkanäle 34 haben Einlässe 36 und Auslässe 38. Die Anodenwassertransportplatten und Kathodenwassertransportplatten definieren auch, entweder mit der Oberfläche eines benachbarten Kühlers 18 oder der Oberfläche der benachbarten Separatorplatte 16, Wasserströmungspassagen 40 zum Transport von flüssigem Wasser über die Brennstoffzellen über die Oberflächen der Anodenwassertransportplatten und Kathodenwassertransportplatten. Die Strömungspassagen 40 in den Anodenwassertransportplatten und Kathodenwassertransportplatten haben Einlässe 42 und Auslässe 44.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner ein Wasserzirkulationssystem 46; ein Kühlmittelzirkulationssystem 48; eine Brennstoffquelle 50, z.B. Wasserstoffgas; und eine Oxidationsmittelquelle 52, z.B. Luft. Das Wasserzirkulationssystem umfasst einen Akkumulator 54, eine Wasserpumpe 56 und eine optionale Heizung 58 (für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung). Das Kühlmittelzirkulationssystem umfasst einen Kühler 60, eine Steuerung 61 und eine Kühlmittelpumpe 62.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass die Schaltung 25 geschlossen ist und der Stapel Elektrizität erzeugt. Es wird auch angenommen, dass es ausreichend Wasser in dem Akkumulator 54 zum Zirkulieren durch die Zellen gibt und dass der Stapel bei einer durchschnittlichen Temperatur von 75°C betrieben wird, bestimmt durch einen Temperatursensor 67, welcher die Oxidationsmittelabgastemperatur misst, welche eine bekannte Funktion der durchschnittlichen Stapelbetriebstemperatur ist. Wasserstoffbrennstoff von der Quelle 50 wird durch ein Ventil 65 und eine Leitung 66 in die Brennstoffgaskanäle 28 über die Brennstoffeinlässe 30 der Zellen geliefert. Der Brennstoff verlässt die Zellen durch die Brennstoffauslässe 32 und wird durch ein Ventil 68 über eine Leitung 70 abgegeben.
Eine Pumpe 72 in einer Leitung 74 bläst Luft von der Quelle 52 in die Zellenlufteinlässe 36 und durch die Oxidationsmittelkanäle 34. Die verbrauchte Luft verlässt die Oxidationsmittelkanäle der Zellen über die Luftauslässe 38 und wird an die Atmosphäre durch ein Ventil 76 über eine Leitung 78 abgegeben.
Die Pumpe 56 des Wasserzirkulationssystems 46 pumpt Wasser 64 aus dem Akkumulator/Speicher in die Wasserströmungspassagen 40 über die Wassereinlässe 42. Wasser verlässt die Passagen 40 über die Auslässe 44 und wird zu dem Akkumulator 54 über die Leitung 80 zurückgeleitet. Bei einer Stapeltemperatur von 75°C verdampft der Großteil des Produktwassers aus dem Betrieb der Zellen in die Reaktantengaskanäle und verlässt die Zellen durch Mitschleppen in den Abgasströmen; eine kleine Menge kann jedoch in die Wasserströmungskanäle durch die porösen Wassertransportplatten 20, 22 und von dort in den Akkumulator gelangen. Überschüssiges Wasser in dem Wasserzirkulationssystem kann aus dem Akkumulator über eine Leitung 84 und ein Ventil 86 ablaufen. Obwohl hier nicht gezeigt, kann es eine Umgehungsleitung geben, welche die Leitung 80 stromaufwärts von dem Akkumulator direkt mit der Leitung 82 stromabwärts von dem Akkumulator verbindet. Sensoren und andere Steuerungen erfassen, ob Wasser von dem Akkumulator zu dem zirkulierenden Wasser hinzugefügt werden muss und öffnen entsprechend angebrachte Ventile je nach Notwendigkeit.
Gesteuertes Kühlen des Stapels wird erreicht durch Zirkulieren von Frostschutzmittel durch die Kühler 18 und den Radiator 60 in dem Kühlmittelzirkulationssystem 48. Die Steuerung 61 empfängt ein Temperatursignal von dem Sensor 67 und reguliert die in dem Radiator abgegebene Wärme, um eine Stapeltemperatur von 75°C aufrechtzuerhalten.
Unter der Annahme, dass Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sind oder unter diesen sinken werden und die Zeitspanne des Abschaltens lang genug ist, damit Wasser im Stapel gefrieren kann, wird der Stapel wie folgt abgeschaltet: Der Schalter 25 wird geöffnet, um den Stapel von der Last zu trennen, und die Reaktantenströmungen zu dem Stapel werden beendet, wie auch Zirkulation von Frostschutzmittel und Wasser. Das Ventil 86, das Entlüftungsventil 101 wie auch das Ventil 100 in einer Leitung, welche mit der Leitung 82 verbunden und physisch unterhalb der Wasserströmungspassagen 40 angeordnet ist, werden geöffnet, um sämtliches Wasser aus den Passagen 40, dem Akkumulator 54 und allen anderen Leitungen und Komponenten des Wasserzirkulationssystems 46 ablaufen zu lassen. Aufgrund der geringen Porengröße der Wassertransportplatten werden sie nicht ablaufen. Vor dem Wiederbeginn des Betriebs des Stapels werden diese Ventile geschlossen. Zum Anfahren des Brennstoffzellensystems werden die Ventile 86, 100 und 101 geschlossen; es wird mit dem Liefern von Reaktantengasen an die Zellen begonnen; und der Schalter 25, welcher den Stapel elektrisch mit der Last verbindet, wird geschlossen.
Wenn Elektrizität erzeugt wird, beginnt die Temperatur des Stapels anzusteigen, und Wasser wird ebenfalls produziert. Während sich der Stapel erwärmt, schmilzt jegliches Eis innerhalb der Zellen, z.B. in den Poren der Wassertransportplatten; und schließlich wird von dem Zellen erzeugtes Wasser in die Wassertransportplatten gezogen und gelangt in die Passagen 40. Das Wasser strömt, z.B. durch Schwerkraft und/oder aufgrund von Reaktantengas-Überdruck von den Passagen 40 in den Akkumulator 54. Die Steuerung ist programmiert, um mit Zirkulation von Frostschutzmittel zu beginnen, wenn die Stapeltemperatur eine vorgewählte Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts erreicht. Die Steuerung kontrolliert den Betrieb des Radiators 60, um die Temperatur des Stapels bei dieser vorgewählten Temperatur zu halten, bis das Wasserzirkulationssystem in Betrieb ist. Eine Kühlmittelpumpe mit variabler Geschwindigkeit und/oder eine Kühlmittelumgehungsleitung (nicht gezeigt) um den Radiator können auch verwendet werden, um den Stapel bei der entsprechenden Temperatur zu halten. Wenn ausreichend Wasser akkumuliert ist, um das Wasserzirkulationssystem 46 zu betreiben, wird die Pumpe 56 angeschaltet. Die Steuerung 61 ermöglicht dann, dass die Temperatur des Stapels bis zur normalen Betriebstemperatur des Stapels ansteigt.
Eine Anfahrsequenz gemäß dieser ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch den Graph von 2 dargestellt, bei welchem die Stapeltemperatur auf der vertikalen Achse dargestellt ist und die Zeit auf der horizontalen Achse. Im Beispiel von 2 ist die geringe Temperatur, bei welcher der Stapel gehalten wird, bis es ausreichend Wasser für die Zirkulation gibt, auf 30°C vorgewählt. Es wird angenommen, dass zu Beginn des Anfahrens die Umgebungstemperatur und die physikalische Temperatur der Stapelkomponenten –20°C ist. Zum Zeitpunkt 0 wird die Last mit den Zellen verbunden und mit den Reaktantenströmungen begonnen. Elektrischer Strom beginnt zu fließen, und Wärme und Wasser werden erzeugt. Während des Abschnitts A erhöht sich die messbare Wärme des Stapels von –20°C auf 0°C, zu welchem Zeitpunkt das Eis innerhalb des Stapels zu schmelzen beginnt. Schmelzen beginnt am Zeitpunkt "a" und setzt sich fort während des Abschnitts B, bis es am Zeitpunkt "b" vervollständigt ist. Die Zellenbetriebstemperatur beginnt nun über den Gefrierpunkt zu steigen. Während des Abschnitts C, vom Zeitpunkt "b" zum Zeitpunkt "c", erhöht sich die Stapeltemperatur auf 30°C. Zu diesem Zeitpunkt wird mit Frostschutzmittelzirkulation begonnen, und die Temperatur wird bei 30°C während des Abschnitts D, vom Zeitpunkt "c" bis "d" gehalten. Zum Zeitpunkt "d" hat sich ausreichend flüssiges Wasser in dem Akkumulator angesammelt, damit dieser betrieben werden kann, und das Wasserzirkulationssystem 46 wird angeschaltet. Während des Abschnitts E vom Zeitpunkt "d" zu "e" ermöglicht die Steuerung 60, dass sich die Stapeltemperatur auf eine normale Betriebstemperatur erhöht, welche hier 80°C ist. Die Steuerung hält dann die Temperatur innerhalb des normalen Betriebstemperaturbereichs des Stapels.
Es wird weiterhin auf 2 Bezug genommen. Ohne Vorteile der vorliegenden Erfindung würden die durchgezogenen Linien vom Zeitpunkt "c" bis zum Zeitpunkt "e" ersetzt durch die gepunkteten Linien. In diesem Fall könnte sich die Temperatur des Stapels ohne Betrieb des Kühlers erhöhen, bis der Stapel seine normale Betriebstemperatur zum Zeitpunkt "g" erreicht. Generell wird zum Zeitpunkt "g" mit der Kühlung begonnen, aber zu diesem Zeitpunkt hat Austrocknung wahrscheinlich schon stattgefunden, welche Schäden verursacht.
Im vorhergehenden Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schaltet die Steuerung 61 die Pumpe 62 an, um mit Zirkulation von Frostschutzmittel zu beginnen, sobald die Stapeltemperatur eine vorgewählte Temperatur von 30°C erreicht. Wie bereits vorher erwähnt, kann Zirkulation des Frostschutzmittels jedoch schon beim Zeitpunkt "b" beginnen, wenn sämtliches Eis in dem Stapel geschmolzen ist, und sogar bevor es vollständig geschmolzen ist (d.h. während Abschnitt B). Die Temperatur, bei welcher die Frostschutzmittelzirkulation beginnt, und die Temperatur, bei welcher der Stapel während der Zeitspanne gehalten wird, während welcher kein Wasser zirkuliert, hängt von der Konstruktionswahl ab, unter Erwägung des Erfordernisses, Austrocknen zu verhindern, wie auch von den Leistungseigenschaften des Stapels. Bezüglich der letzteren wird auf den aufgetragenen Datensatz in 3 verwiesen. Diese Kurve der Zellenleistung gegenüber der Stromdichte bei verschiedenen Stapelbetriebstemperaturen zeigt, dass eine vernünftige Leistung schon bei 10°C erreicht wird, wobei bei 800 mA/cm² die Zellenleistung immer noch ca. 75% der Leistung bei 65°C ist. Für manche Situationen kann Betrieb bei Temperaturen bis hinab zu 0°C eine kurze Zeitspanne sogar akzeptabel sein, bei einer derartig geringen Temperatur kann der Stapel jedoch nur einen geringen Anteil seiner Nennleistung erzeugen. Da bessere Leistung und mehr Energie bei höheren Temperaturen erzeugt werden kann, ist es bevorzugt, mit der Zirkulation des Frostschutzmittels zu beginnen, nachdem man die Stapeltemperatur auf 30°C bis 40°C ansteigen lässt, da Temperaturen innerhalb dieses Bereichs einen ausreichend geringen Dampfdruck haben, um Austrocknen unter den meisten Reaktantenverwendungen zu verhindern und eine gute Leistung ermöglichen. (Bei 14,7 psia bei einer Temperatur von 30°C ist der Dampfdruck von Wasser etwa die Hälfte des Dampfdrucks bei 45°C und ein Sechstel des Dampfdrucks bei 70°C.) Zusätzlich zu dem Erfordernis eines geringen Dampfdrucks gibt es das Erfordernis, Abwärme von dem Stapel in die Umgebung über den Radiator 60 ableiten zu können. Typischerweise ist eine Temperaturdifferenz von mindestens ca. 20°C zwischen der Umgebungsluft und dem Kühlmittel, welches aus dem Radiator austritt, erwünscht. Die Austrittstemperatur des Kühlmittels von dem Radiator ist ungefähr die gleiche wie die Temperatur des Kühlmittels, welches in den Kühler des Stapels gelangt. Wenn beispielsweise die durchschnittliche Stapeltemperatur bei 40°C gehalten werden soll und das Kühlmittel, welches den Radiator verlässt und in den Kühler eintritt, 30°C sein soll, müsste die Umgebungslufttemperatur 10°C oder weniger sein, um die Abwärme zu entfernen. Wenn die durchschnittliche Stapeltemperatur niedriger als 40°C gehalten werden soll, müsste die Kühlmitteltemperatur am Einlass des Kühlers geringer als 30°C sein, und die Umgebungslufttemperatur müsste sogar noch geringer sein.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, anstatt das gesamte Wasserzirkulationssystem 46 beim Abschalten unter Frostbedingungen oder potenziellen Frostbedingungen, nur die Wasserströmungspassagen und die Wasser tragenden Leitungen, welche zu und von dem Akkumulator wegführen, geleert, z.B., aber nicht notwendigerweise, in den Akkumulator hinein. Das Wasser im Akkumulator kann dort bleiben. Die Prozedur für das Anfahren des Brennstoffzellensystems nach einem Abschalten ist die gleiche wie in der vorangegangenen Ausführungsform beschrieben, mit der Ausnahme, dass das für die Zirkulation erforderliche Wasser bereits in dem Wasserzirkulationssystems 46 ist. Wenn das Wasser nicht gefroren ist oder wenn eine ausreichende Menge davon nicht gefroren ist zum Zeitpunkt des Anfahrens, kann Wasser innerhalb des Systems gleichzeitig beginnend mit Lieferung von Brennstoff und Luft zu dem Stapel zirkuliert werden. Das Frostschutz-Kühlmittel kann auch sofort zirkuliert werden, aber da Austrocknen kein Problem darstellt, wird Zirkulation des Kühlmittels vorzugsweise verzögert, bis der Stapel seine normale Betriebstemperatur erreicht. Wenn auf der anderen Seite sämtliches Wasser im Akkumulator anfänglich gefroren ist oder nicht ausreichend davon flüssig ist, wird eine separate Heizung 58 verwendet, um das geschmolzene Wasser zu frieren, welche durch eine Speicherbatterie oder durch die von dem Stapel erzeugte Elektrizität betrieben wird.
Alternativ kann durch den Stapel erzeugte Wärme verwendet werden. Dieses Schmelzen von gefrorenem Wasser kann gleichzeitig mit dem Ansammeln von Stapel-Produktwasser erfolgen, wie oben, bis ausreichend Wasser für die Zirkulation vorhanden ist. Während gefrorenes Wasser geschmolzen und angesammelt wird, wird das Kühlmittelzirkulationssystem 48 wie in der vorherigen Ausführungsform betrieben, um den Betrieb des Stapels bei Temperaturen zu halten, welche ein Austrocknen verhindern, aber hoch genug sind, um gute Leistung zu bieten. Wenn das Wasser zu zirkulieren beginnt, ermöglicht die Steuerung dann, dass sich die Stapeltemperatur auf normales Betriebsniveau erhöht.
Die zweite Ausführungsform bietet Vorteile, wenn die Temperaturen nach einem Abschalten zufällig nicht unter den Gefrierpunkt fallen, da es genug flüssiges Wasser gibt, welches beim Anfahren für die Zirkulation sofort zur Verfügung steht. Der Nachteil ist, dass zusätzliche Einrichtungen und Steuerungen erforderlich sind, um Schmelzen von Wasser im Akkumulator im Fall eines Gefrierens zu ermöglichen.
In einer dritten Ausführungsform wird es angestrebt, das Wasserzirkulationssystem, bestehend aus Akkumulator und Wasserpumpe, je nach Jahreszeit abzutrennen und ablaufen zu lassen. Zu diesem Zweck sind in den Leitungen 80, 82 Trennventile 102 bzw. 104 vorgesehen. Diese Ventile sind in 1 gestrichelt dargestellt. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems direkt vor einer Zeitspanne, z.B. Winter, wenn Frost erwartet werden kann, wird dieser Bereich des Wasserzirkulationssystems 46 links von den Ventilen 102, 104 entleert. Die Ventile 102, 104 bleiben während dieser "Kälteperiode" geschlossen. Im Folgenden wird bis zur Entscheidung, dass die Periode mit möglichem Frost vorbei ist, das Brennstoffzellensystem ohne Wasserzirkulation vom Anfahren bis zum Abschal ten betrieben. Die Strömung von Frostschutz-Kühlmittel wird unter Verwendung derselben Kriterien, wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform diskutiert, initiiert; in dieser Ausführungsform ohne Wasserzirkulation wird jedoch die Temperatur des Stapels vom Anfahren bis zum Abschalten relativ gering gehalten. Mit Bezug auf 2 in einem Beispiel dieser Ausführungsform würde Betrieb in den Abschnitten A, B und C gleich sein, aber die Kühlmittelzirkulation würde die Stapeltemperatur bei 30°C insgesamt während einer Periode D halten, welche bis zum Abschalten andauert. Kein Wasser wird zur Zirkulation angesammelt.
Während des Stapelbetriebs während der Kälteperiode sammelt sich Wasser in den Wasserkanälen, und überschüssiges Wasser wird über das Ventil 101 nach außen entlüftet, welches geöffnet bleiben kann. Das Ventil 100 kann während dieses Betriebs geschlossen bleiben. Nach jedem Abschalten in der Kälteperiode wird das angesammelte (akkumulierte) Wasser aus den Wasserströmungspassagen entleert, z.B. durch Öffnen des Ventils 100. Wenn die Kälteperiode vorbei ist und die Möglichkeit, dass Wasser friert, nicht mehr vorhanden ist, werden die Trennventile 102, 104 geöffnet, der Akkumulator gefüllt und das Brennstoffzellensystem betrieben, wie es normalerweise betrieben wird, wenn Wasser für die Zirkulation zur Verfügung steht.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Brennstoffzellensystem mit einem Stapel von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wird betrieben bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts durch Ablaufen-Lassen von jeglichem flüssigen Wasser aus den Brennstoffzellenwasser-Strömungspassagen bei oder nach dem vorherigen Abschalten des Stapels, bevor Einfrieren stattfinden kann und danach (a) Anfahren des Stapels durch Leiten von Brennstoff- und Oxidationsmittelreaktanten in die Zelle und Verbinden einer Last mit dem Stapel; (b) Verwenden von durch den Stapel erzeugter Wärme zum Erhöhen der Betriebstemperatur des Stapels, um Eis in dem Stapel zu schmelzen; und (c) bei Erreichen der Stapelbetriebstemperatur von mindestens 0°C Zirkulieren von Frostschutzmittel durch Stapelkühler, um die Temperatur des Stapels gering genug zu halten, um einen ausreichend geringen Wasserdampfdruck in den Zellen zu erhalten, um Austrocknen der Zellen zu verhindern, zumindest solange, wie es nicht ausreichendes Wasser zum Zirkulieren durch die Wasserströmungspassagen gibt.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, bei welchem das System einen PEM-Brennstoffzellenstapel umfasst mit mindestens einem Kühler zum Transport von Frostschutzmittel durch den Stapel zur Ableitung von Wärme von dem Stapel, wobei jede Zelle eine Wassertransportplatte mit Wasserströmungspassagen darin aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Ablaufen-Lassen von jeglichem flüssigem Wasser aus den Wasserströmungspassagen der Zellen bei oder nach vorherigem Abschalten des Stapels, bevor ein Gefrieren stattfinden kann, und danach b) Anfahren des Stapels durch Leiten von Brennstoff- und Oxidationsmittelreaktanten in die Zellen und Verbinden einer Last mit dem Stapel; c) Verwenden von durch den Stapel produzierter Wärme, um die Betriebstemperatur des Stapels auf mindestens 0°C zu erhöhen, um jegliches Eis in den Zellen zu schmelzen; und d) bei Erreichen der Stapelbetriebstemperatur von mindestens 0°C, Zirkulieren von Frostschutzmittel durch die Stapelkühler, um die Betriebstemperatur des Stapels gering genug zu halten, um Austrocknen der Zellen zumindest so lange zu verhindern, wie flüssiges Wasser nicht durch die Wasserströmungspassagen zirkuliert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Brennstoffzellensystem ein Wasserzirkulationssystem zum Zirkulieren von Wasser durch die Wasserströmungspassagen der Zellen aufweist, wobei das Wasserzirkulationssystem einen Wasserakkumulator aufweist; wobei der Schritt des Ablaufen-Lassens von Wasser von den Wasserströmungspassagen das Ablaufen-Lassen im Wesentlichen sämtlichen flüssigen Wassers aus dem Wasserzirkulationssystem aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Frostschutzmittelzirkulation nicht gestartet wird, bis die Betriebstemperatur des Stapels mindestens 10°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Frostschutzmittelzirkulation nicht gestartet wird, bis die Betriebstemperatur des Stapels mindestens 30°C ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem während Stapelbetrieb ohne Wasserzirkulation in den Wasserströmungspassagen der Zellen die Stapelbetriebstemperatur bei nicht mehr als ca. 40°C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, aufweisend während des Betriebs nach Anfahren den Schritt des Sammelns von Produktwasser der Zellen im Akkumulator und, nachdem eine ausreichende Menge an Wasser in dem Akkumulator gesammelt wurde, um Wasserzirkulation durch die Wasserströmungspassagen zu ermöglichen, Zirkulieren des Wassers durch die Wasserströmungspassagen und Zulassen, dass sich die Stapelbetriebstemperatur auf ein normales Niveau erhöht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Brennstoffzellensystem ein Wasserzirkulationssystem aufweist, um Wasser durch die Wasserströmungspassagen der Zellen zu zirkulieren, wobei das Wasserzirkulationssystem einen Wasserakkumulator umfasst, wobei beim Anfahren des Stapels das Wasserzirkulationssystem Wasser in dem Akkumulator hat, wobei der Schritt des Anfahrens des Stapels Schmelzen von jeglichem gefrorenen Wasser in dem Akkumulator umfasst und, wenn ausreichend flüssiges Wasser im Wasserzirkulationssystem zur Verfügung steht, Zirkulieren von flüssigem Wasser durch die Wasserströmungspassagen der Zellen umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wenn Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser sein können, wobei das Brennstoffzellensystem einen Stapel Brennstoffzellen aufweist, wobei jede Zelle eine Protonenaustauschmembran zwischen einer Anodenwassertransportplatte auf der Anodenseite der Membran und einer Kathodenwassertransportplatte auf der Kathodenseite der Protonenaustauschmembran aufweist, eine Anodenkatalysatorschicht benachbart der Anodenseite der Protonenaustauschmembran, eine Kathodenkatalysatorschicht benachbart der Kathodenseite der Protonenaustauschmembran und einen Kühler aufweist, welcher mindestens ein Paar von benachbarten Zellen in dem Stapel voneinander trennt, um Frostschutzmittel durch den Stapel zu transportieren, wobei der Kühler mit einem Frostschutzmittel-Zirkulationssystem verbunden ist, wobei jede Zelle auch Wasserströmungspassagen darin enthält, welche mit einem Wasserzirkulationssystem verbunden sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Starten des Brennstoffzellensystems ohne Wasser in den Wasserströmungspassagen, einschließlich Strömen-Lassen von Luft über die Kathodenseite der Protonenaustauschmembran, Strömen-Lassen von Brennstoffreaktantengas über die Anodenseite der Protonenaustauschmembran und Verbinden der Last mit dem Stapel, b) Betreiben des Stapels ohne Zirkulation von Frostschutzkühlmittel durch die Kühler, zumindest bis die durch den Stapel erzeugte Wärme die Stapeltemperatur über 0°C anhebt, und danach c) Zirkulieren von Frostschutzmittel durch die Kühler, um den Stapel unterhalb normaler Betriebstemperaturen für eine Zeitspanne zu halten, während welcher kein flüssiges Wasser durch das Wasserzirkulationssystem zirkuliert, wobei die Temperaturen unterhalb der normalen Stapeltemperaturen gering genug sind, um Austrocknen der Zellen während der Zeitspanne zu verhindern, und d) beim Abschalten des Systems Ablaufen-Lassen sämtlichen flüssigen Wassers von den Wasserströmungspassagen, bevor es gefriert.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Frostschutzmittelzirkulation nicht gestartet wird, bis gefrorenes Wasser, falls vorhanden, in dem Stapel zu schmelzen begonnen hat.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Frostschutzmittelzirkulation nicht gestartet wird, bis sämtliches gefrorenes Wasser, falls vorhanden, im Stapel geschmolzen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts während einer bestimmten Periode des Jahres erwartet werden, und wobei das Brennstoffzellensystem ein Wasserzirkulationssystem zum Zirkulieren von Wasser durch die Wasserströmungspassagen der Zellen aufweist, wobei das Wasserzirkulationssystem einen Wasserakkumulator aufweist, und wobei vor dem Schritt a): i) sämtliches flüssiges Wasser aus dem Akkumulator abläuft und dieser für die bestimmte Periode des Jahres leer gehalten wird; und ii) verhindert wird, dass Wasser durch die Wasserströmungspassagen und das Wasserzirkulationssystem während der bestimmten Periode des Jahres zirkuliert, wobei die Schritte a) bis d) während der gesamten bestimmten Periode des Jahres durchgeführt werden, ohne dass Wasser durch die Wasserströmungspassagen zirkuliert.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Temperaturen unterhalb der normalen Temperaturen von Schritt c) nicht größer als 40°C sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Frostschutzmittelzirkulation nicht gestartet wird, bis die Betriebstemperatur des Stapels mindestens 10°C ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem während des Betriebs des Stapels ohne durch die Wasserströmungspassagen der Zellen zirkulierendes Wasser die Betriebstemperatur des Stapels bei nicht mehr als ca. 40°C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem Produktwasser vom Betrieb des Stapels im Akkumulator gesammelt wird, bis ausreichend flüssiges Wasser sich im Wasserzirkulationssystem angesammelt hat, um Zirkulation dieses Wassers durch die Wasserströmungspassagen zu ermöglichen; und danach Beginnen und Fortsetzen der Zirkulation des angesammelten Wassers durch die Wasserströmungspassagen und das Zirkulationssystem und Zulassen, dass die Temperatur des Stapels sich auf normale Betriebstemperaturen erhöht.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem Zirkulation des Frostschutzmittels nur begonnen wird, nachdem die Stapeltemperatur sich auf mindestens 10°C erhöht hat.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem zu einem Zeitpunkt vor Abschalten das Wasserzirkulationssystem beginnt, Wasser durch die Wasserströmungspassagen zu zirkulieren, zu welchem Zeitpunkt man die Temperatur des Stapels auf normale Betriebstemperatur ansteigen lässt.
Verfahren zum Abschalten und Wiederstarten eines Brennstoffzellensystems, aufweisend einen Stapel an Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, wobei der Stapel bei oder nach einem Abschalten des Systems und vor dem nächsten Anfahren des Systems Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt ist, und wobei jede der Zellen ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld und an einer Anodenseite der Zelle, ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld an einer Kathodenseite der Zelle, und einen Kühler aufweist, welcher mindestens ein Paar benachbarter Zellen im Stapel trennt, um Wärme vom Stapel weg zu leiten, wobei der Stapel auch Wasserströmungspassagen darin aufweist, welche mit einem Wasserzirkulationssystem verbunden sind, um Wasser durch die Wasserströmungspassagen zu zirkulieren, aufweisend die folgenden Schritte: a) Abschalten des Brennstoffzellensystems, während es elektrische Leistung erzeugt durch Trennen des Stapels von dessen Last, Beenden der Strömung von Reaktanten, Beenden der Zirkulation von Wasser durch die Wasserpassagen und Ablaufen-Lassen des flüssigen Wassers von den Wasserpassagen; und danach b) Beginnen des Anfahrens des Systems durch (i) Strömen-Lassen von Luft zu den Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeldern und von Brennstoffreaktantengas zu den Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeldern, (ii) Verbinden der Last mit dem Stapel und (iii) Betreiben des Stapels bei teilweiser Leistung zumindest bis die Stapeltemperatur über 0°C ist und jegliches gefrorenes Wasser in dem Stapel geschmolzen ist; und danach c) Beginnen und Aufrechterhalten der Zirkulation von Frostschutzmittel durch den Kühler, um die Stapeltemperatur unterhalb der normalen Stapelbetriebstemperaturen zu halten, mindestens bis das Wasserzirkulationssystem in der Lage ist, Wasser durch die Wasserpassagen zu zirkulieren, wobei solche Temperaturen unterhalb der normalen Temperaturen gering genug sind, um Austrocknen der Zellen zu verhindern; und danach d) Beginnen und Fortsetzen von Wasserzirkulation durch die Wasserpassagen und das Zirkulationssystem und Zulassen, dass die Temperatur des Stapels auf normale Betriebstemperaturen ansteigt, bis das System abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem der Schritt des Beginnens der Zirkulation von Frostschutzmittel durchgeführt wird, nachdem sich die Stapeltemperatur auf mindestens 10°C erhöht hat, und die Temperaturen unterhalb der normalen Temperaturen von Schritt c) nicht größer als ca. 40°C sind.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem der Schritt a) des Abschaltens des Stapels Ablaufen-Lassen des flüssigen Wassers von dem gesamten Wasserzirkulationssystem umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Wasserzirkulationssystem einen Wasserakkumulator zum Speichern von für Wasserzirkulation durch die Strömungspassagen der Zellen verwendeten Wasser aufweist, und wobei bei und während Abschalten des Stapels der Wasserakkumulator nicht entleert wird, und Schritt b) Schmelzen des gefrorenen Wasser in dem Akkumulator, falls vorhanden, nach dem Beginnen des Anfahrens umfasst, durch Verwendung von durch den Stapel erzeugter Energie.