DE10158512A1

DE10158512A1 - Rückgewinnung von Wärme aus einem Brennstoffzellenabgas

Info

Publication number: DE10158512A1
Application number: DE10158512A
Authority: DE
Inventors: Robert E Dean; Norm Peschke; Anton Scholten; Jun Kenneth M Rush; Mihail Penev; Thomas D Prevish
Original assignee: Plug Power Inc
Current assignee: Plug Power Inc
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2002-08-29
Also published as: JP2002184445A; US6370878B1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel, der während des Betriebs elektrische Energie durch Reaktion eines ersten Stromes eines Reaktionsgases mit einem zweiten Strom eines Reaktionsgases erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel erzeugt ebenso einen Brennstoffzellenabgasstrom. Eine Oxidationseinheit ist so positioniert, dass sie den Brennstoffzellenabgasstrom aufnimmt und zumindest einen Teil des Brennstoffzellenabgasstromes während des Betriebs oxidiert, um einen Oxidationsabgasstrom zu erzeugen. Ein Wärmerückgewinnungssystem ist so positioniert, dass es den Oxidationsabgasstrom aufnimmt. Das Wärmerückgewinnungssystem überträgt zumindest einen Teil der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an einen Einlassstrom, um einen erwärmten Wasserstrom zu erzeugen. Bei einigen Ausführungen ist ein Temperatursensor positioniert, um die Temperatur des erwärmten Einlassstromes zu messen. Ein Steuersystem hält den erwärmten Wasserstrom auf einer Soll-Temperatur in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur durch Steuern der Wärmemenge, die von dem Oxidationsabgasstrom an den Einlassstrom übertragen wird.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft die Rückgewinnung von Wärme aus einem Brennstoffzellenabgas.

Hintergrund

Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie durch Reagieren von zwei Brennstoffgasströmen miteinander. Eines der Gase wird als Anodengas bezeichnet, während das andere als Kathodengas bezeichnet wird. Beispielsweise verwenden bestimmte Brennstoffzellen einen Gasstrom, der reich an Wasserstoff ist, als das Anodengas, und einen Luftstrom als das Kathodengas. Wenn sich die Brennstoffzelle in Betrieb befindet, reagiert der Wasserstoff in dem Anodengas mit dem Sauerstoff in dem Kathodengas, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Reaktion erzeugt Abgase, die nicht miteinander reagierte Brennstoffgase, in den Brennstoffgasströmen enthaltene Verunreinigungen und chemische Produkte der Reaktionen in der Brennstoffzelle enthalten können. Die Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt ebenso Wärme, wodurch die Temperatur des Abgases erhöht wird.

Brennstoffzellen sind normalerweise Bestandteil eines Systems, das als Brennstoffzellensystem bekannt ist, da es typischerweise einen Brennstoffprozessor (auch als "reformer" bezeichnet) zur Erzeugung von einem der Brennstoffgase umfasst. Beispielsweise beinhaltet das Brennstoffzellensystem des vorhergehenden Beispiels einen Reformer, der einen Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Methan, mit Wasser reagiert, um einen wasserstoffreichen Strom zu erzeugen. Bestimmte Brennstoffzellensysteme beinhalten ebenso eine anodische Endgasoxidationseinheit (ATO), in der die Abgase von der Brennstoffzelle beispielsweise mit Sauerstoff reagiert werden, um die umweltschädlichen Chemikalien von dem Abgas zu eliminieren. Die Anodenendgas-Oxidationseinheit erzeugt mehr Wärme, was die Temperatur des Gases weiter erhöht.

Zusammenfassung

Im Allgemeinen betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel beinhaltet, der während des Betriebs elektrische Energie durch Reagieren von zwei Strömen von Reaktionsgasen erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel produziert ebenso einen Brennstoffzellenabgasstrom. Eine Oxidationseinheit ist so angeordnet, dass sie den Brennstoffzellenabgasstrom aufnimmt und zumindest einen Teil des Brennstoffzellenabgasstromes während des Betriebs oxidiert, um einen Oxidationsabgasstrom zu erzeugen. Ein Wärmerückgewinnungssystem empfängt den Oxidationsabgasstrom und überträgt zumindest etwas Wärme von dem Oxidationsabgasstrom zu einem Strom von Wasser, um einen erwärmten Wasserstrom zu erzeugen. Das Wasser wird verwendet, um den Brennstoff-Einlassstrom für einen Brennstoffprozessor anzufeuchten. In einigen Ausführungen ist ein Temperatursensor so positioniert, dass er die Temperatur des erwärmten Wasserstromes misst, und ein Steuersystem hält den erwärmten Wasserstrom auf einer Solltemperatur in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur durch Regelung der Menge der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom, der zu dem Wasserstrom übertragen wird.

Ausführungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. In einem Typ der Ausführung des Brennstoffzellensystems wird ein Kühlsystem verwendet, um den erwärmten Wasserstrom auf der Solltemperatur zu halten. Während des Betriebs überträgt das Wärmerückgewinnungssystem einen Teil Wärme aus dem Oxidationsabgasstrom an das Kühlsystem, um dadurch die Menge der Wärme zu reduzieren, die an den Wasserstrom übertragen wird. Das Steuersystem steuert die Wärmemenge, die an das Kühlsystem übertragen wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Wasserstroms, um die Temperatur des erwärmten Wasserstroms auf der Solltemperatur zu halten. Das Kühlsystem beinhaltet ein Kühlmittel, das während des Betriebs durch das Wärmerückgewinnungssystem geleitet wird, um Wärme von dem Wärmerückgewinnungssystem zu gewinnen. Das Kühlmittel strömt ebenso durch einen Kühler, und der Kühler entzieht dem Kühlmittel die Wärme. Eine Pumpe treibt das Kühlmittel durch das Wärmerückgewinnungssystem und den Kühler, wodurch bewirkt wird, daß das Kühlmittel dem Oxidationsabgasstrom in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Wasserstromes die Wärme entzieht. Das Steuersystem umfaßt weiter eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Wasserstromes ein Steuersignal erzeugt. Die Pumpe treibt das Kühlmittel in Abhängigkeit von dem Steuersignal an, um den erwärmten Einlaß auf der Solltemperatur zu halten.

In einigen Ausgestaltungen beinhaltet das Wärmerückgewinnungssystem eine erste Wärmegewinnungsvorrichtung, die Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an den Wasserstrom überträgt, um einen heißen Wasserstrom bei einer Temperatur oberhalb der Solltemperatur zu erzeugen, und eine zweite Wärmerückgewinnungsvorrichtung, die Wärme von dem heißen Wasserstrom an das Kühlmittel überträgt, um den erwärmten Wasserstrom auf der Solltemperatur zu halten.

In weiteren Ausgestaltungen beinhaltet das Wärmerückgewinnungssystem einen Hohlraum, der so positioniert ist, dass er den Oxidationsabgasstrom aufnimmt, ein Wärmeaustauschrohr, das so in dem Hohlraum positioniert ist, dass es dem Oxidationsabgasstrom Wärme entzieht, ein inneres leitfähiges Rohr, das innerhalb des Wärmeaustauschrohrs so positioniert ist, dass es ein erstes Fluid aufnimmt, und zumindest einen Flügel, der das innere leitfähige Rohr mit dem Wärmeaustauschrohr verbindet, um das innere leitfähige Rohr innerhalb des Wärmeaustauschrohrs konzentrisch zu positionieren. Der Flügel leitet Wärme von dem Austauschrohr zu dem inneren leitfähigen Rohr und dem ersten Fluid. Das innere leitfähige Rohr und das Austauschrohr definieren einen ringförmigen Kanal zur Aufnahme eines zweiten Fluids, und das Wärmeaustauschrohr leitet Wärme von dem Oxidationsabgasstrom zu dem zweiten Fluid. Eines der Fluide ist ein Wasserstrom, während das andere ein Kühlmittel ist.

In einem weiteren Typ an Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems wird die Temperatur des erwärmten Wasserstroms auf der Solltemperatur gehalten, indem die Menge des erwärmten Abgases, das zu dem Wärmerückgewinnungssystem geleitet wird, gesteuert wird. Eine Leitung nimmt den Oxidationsabgasstrom von der Oxidationseinheit auf. Die Leitung weist einen Zweig auf, der mit dem Wärmerückgewinnungssystem verbunden ist, und das Steuersystem beinhaltet ein Ventil, das so innerhalb der Leitung positioniert ist, dass es eine Menge des Oxidationsabgasstromes, der zu dem Wärmerückgewinnungssystem durch den Zweig in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlasses geleitet wird, steuert. Folglich steuert das Brennstoffzellensystem die an den Wasserstrom übertragene Wärmemenge.

In bestimmten Ausgestaltungen kann der Temperatursensor ein Thermoelement sein, das ein Sensorsignal entsprechend der Temperatur des erwärmten Einlasses erzeugt. Das Steuersystem beinhaltet einen Mikroprozessor, der so programmiert ist, dass er ein Steuersignal in Abhängigkeit von dem Sensorsignal erzeugt, und einen Motor, der das Ventil in Abhängigkeit von dem Steuersignal auslenkt und dadurch das Ventil so steuert, dass die Menge des erwärmten Abgases, die zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, bestimmt wird.

In anderen Ausgestaltungen variiert die Größe oder Gestalt des Temperatursensors mit der Temperatur des erwärmten Einlasses, und das Steuersystem beinhaltet eine Verbindung, die den Temperatursensor mit dem Ventil verbindet. Der Temperatursensor beinhaltet ein Element, wie beispielsweise einen Bimetallstreifen oder einen Wachsstopfen, dessen Größe oder Gestalt variiert, wenn die Temperatur des erwärmten Einlasses sich verändert. Die Verbindung bewirkt, daß das Ventil ausgelenkt wird, wenn die Größe oder Gestalt des Temperatursensors variiert, um dadurch zu bewirken, daß das Ventil die Menge des erwärmten Abgases regelt, das zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird. Die Verbindung und der Temperatursensor sind derart ausgestaltet, daß die Menge des erwärmten Abgases, das zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, geregelt wird, um den erwärmten Einlaß auf der Solltemperatur zu halten.

In einem zweiten allgemeinen Aspekt der Erfindung umfaßt das Verfahren ein Erzeugen elektrischer Energie durch Reagieren eines ersten Stromes eines Reaktionsgases (beispielsweise Wasserstoff oder ein Reformingerzeugnis) mit einem zweiten Strom eines Reaktionsgases (z. B. Sauerstoff oder Luft) in einer Brennstoffzelle, um einen Brennstoffzellenabgasstrom zu erzeugen (welcher z. B. ein brennbares Gas wie beispielsweise Anodenabgas enthält), ein Oxidieren zumindest eines Teils des Brennstoffzellenabgasstromes, um einen Oxidationsabgasstrom zu erzeugen, ein Übertragen zumindest eines Teils der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an einen Wasserstrom, um einen erwärmten Wasserstrom zu erzeugen, ein Messen der Temperatur des erwärmten Wasserstroms und ein Halten des erwärmten Wasserstroms auf einer Solltemperatur durch Steuern der Menge der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom, der an den Wasserstrom übertragen wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Wasserstroms.

Ausgestaltungen der Erfindung können ebenso eins oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Ein Teil der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom wird an ein Kühlsystem übertragen, wodurch die Wärmemenge reduziert wird, die an den Wasserstrom übertragen wird. Durch Steuern der Wärmemenge, die von dem Oxidationsabgasstrom in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Wasserstroms an das Kühlsystem übertragen wird, wird die Temperatur des erwärmten Wasserstroms auf der Solltemperatur gehalten. Der Schritt des Übertragens von einem Teil der Wärme des Oxidationsabgases an ein Kühlsystem umfaßt das Entziehen der Wärme aus der Wärmerückgewinnungsvorrichtung unter Verwendung eines Kühlmittels, und Austreiben des Kühlmittels aus dem Wärmerückgewinnungssystem, um dadurch zu bewirken, daß das Kühlmittel dem Oxidationsabgasstrom Wärme entzieht. Ein Steuersignal wird in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Wasserstroms erzeugt, und das Kühlmittel wird aus dem Wärmerückgewinnungssystem bei einer Rate ausgetrieben, die von dem erzeugten Steuersignal abhängt, um dadurch zu bewirken, daß das Kühlmittel Wärme von dem Oxidationsabgasstrom in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Wasserstroms Wärme entzieht.

In einigen Ausgestaltungen wird Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an den Wasserstrom übertragen, um einen heißen Wasserstrom bei einer Temperatur oberhalb der Solltemperatur zu erzeugen, und dann wird ein Teil der Wärme von dem heißen Wasserstrom an das Kühlmittel übertragen, um den erwärmten Wasserstrom bei der Solltemperatur zu erzeugen.

In anderen Ausgestaltungen wird eine Menge des Oxidationsabgasstromes bestimmt, die benötigt wird, um den Wasserstrom auf die Solltemperatur zu erwärmen. Der Wasserstrom wird nur mit der bestimmten Menge des Oxidationsabgases erwärmt, wodurch die Menge der an den Wasserstrom transferierten Wärme gesteuert wird, um die Temperatur des Auslaßstromes auf der Solltemperatur zu halten. Ein Sensorsignal, das der gemessenen Temperatur des erwärmten Einlasses entspricht, wird erzeugt, und ein Steuersignal wird auf Basis des erzeugten Sensorsignals berechnet. Das Steuersignal wird verwendet, um eine Vorrichtung zu regeln, die nur die bestimmte Menge des Oxidationsabgases zu einem Wärmerückgewinnungssystem leitet, um den Wasserstrom zu erwärmen und um dadurch den erwärmten Einlaß auf der Solltemperatur zu halten.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, der während des Betriebs elektrische Energie durch Reagieren eines ersten Stromes eines Reaktionsgases mit einem zweiten Strom eines Reaktionsgases erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel erzeugt ebenso einen Brennstoffzellenabgasstrom. Das System umfaßt eine Oxidationseinheit, die den Brennstoffzellenabgasstrom aufnimmt und zumindest einen Teil des Brennstoffzellenabgasstromes während des Betriebs oxidiert. Ein Wärmerückgewinnungssystem nimmt zumindest einen Teil eines Abgasstromes von der Oxidationseinheit auf und ermöglicht, daß Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an einen Wasserstrom übertragen wird. Der Wasserstrom wird dann zu einem Brennstoffprozessor-Befeuchtungssystem geschickt und mit einem Kohlenwasserstoffgasstrom vermischt, um einen angefeuchteten Brennstoffprozessor- Brennstoffeinlaßstrom zu erzeugen. Da der Dampfdruck von Wasser mit der Temperatur variiert, kann die Temperatur dieses Gemisches geregelt werden, um ein gewünschtes Dampf-/Kohlenstoff-Verhältnis in dem angefeuchteten Brennstoffprozessor-Brennstoffeinlaßstrom zu erhalten. In einigen Ausgestaltungen kann die Oxidationseinheit ein Gehäuse aufweisen, das einen strukturellen Abschnitt eines Befeuchtungssystems bildet derart, daß eine Wärmeübertragung zwischen der Oxidationseinheit und dem Befeuchtungssystem vorgesehen ist. Als ein Beispiel kann das Befeuchtungssystem zumindest einen Abschnitt der Oxidationseinheit einschließen, kann so angepasst sein, dass es einen erwärmten Wasserstrom authimmt und das erwärmte Wasser über eine Verdampfungsoberfläche tropfen lässt, und kann des weiteren so angepasst sein, dass ein Kohlenwasserstoffgas so über die Verdampfungsoberfläche strömt, dass ein angefeuchteter Brennstoffprozessor- Brennstoffeinlaßstrom gebildet wird. Die Verdampflxngsoberfläche kann beispielsweise Keramik, Metall oder Kunststoff-"Zylinder" oder andere Gestaltungen aufweisen, die es ermöglichen, dass Wasser über die Oberfläche strömt. In einigen Ausgestaltungen kann das Befeuchtungssystem auch eine Kühlmittelleitung umfassen, die ein Kühlmittel so zirkulieren lässt, dass Wärme zwischen dem Kühlmittel und dem Befeuchtungssystem übertragen wird, so dass eine größere Kapazität und Flexibilität für die thermische Steuerung des Systems bereitgestellt wird.

In einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, in dem ein Brennstoffprozessor-Gasbrennstoffstrom über einen erwärmten Wasserstrom geleitet wird, und bei dem die Temperatur des erwärmten Wasserstromes so geregelt wird, dass eine Wasserdampfmenge, welche in den Brennstoffprozessor-Gasbrennstoffstrom eingeleitet wird, reguliert wird. In einigen derartiger Ausgestaltungen wird der erwärmte Wasserstrom auf eine Verdampfungsoberfläche getröpfelt, und der Brennstoffprozessor-Gasbrennstoffstrom strömt über die Verdampfungsoberfläche. Andere Ausgestaltungen können das Regulieren einer Menge an Luft, mit der die Oxidationseinheit gespeist wird, um eine gewünschte Temperatur eines Katalysators innerhalb der Oxidationseinheit aufrecht zu erhalten, das Übertragen von Wärme aus einem Abgas der Oxidationseinheit an einen Wasserstrom, um den erwärmten Wasserstrom zu bilden, und das Übertragen von Wärme aus dem erwärmten Wasserstrom an einen Kühlmittelstrom, um eine gewünschte Temperatur oder den erwärmten Wasserstrom aufrecht zu erhalten, beinhalten. Andere Ausgestaltungen sind möglich.

Die Details einer oder mehrerer Ausführungen der Erfindung werden in den beiliegenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung fortgesetzt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden von der Beschreibung und den Zeichnungen und von den Ansprüchen, deutlich werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines alternativen Brennstoffzellensystems, das ein Wärmerückgewinnungssystem umfaßt;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer ersten Variation des Wärmerückgewinnungssystems aus Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Variation des Wärmerückgewinnungssystems aus Fig. 2;

Fig. 5A ist eine detailliertere Querschnittsansicht eines Wärmeübertragungsrohrs des Wärmerückgewinnungssystems aus Fig. 4;

Fig. 5B ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung des Wärmeübergangsrohrs aus Fig. 5A;

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer alternativen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems aus Fig. 1.

Detaillierte Beschreibung

Gemäß Fig. 1 weist eine erste Ausführung eines Brennstoffzellensystems 10a zur Versorgung von Strom an einen Verbraucher 12 einen positiven elektrischen Anschluß 14 und einen negativen elektrischen Anschluß 16 zum Verbinden mit entsprechenden Anschlüssen des Verbrauchers auf. Der Verbraucher 12 umfaßt typischerweise ein Leistungsaufbereitungssystem und einen Schaltkreis, mit welchem elektrische Geräte und/oder Vorrichtungen verbunden sind. Wenn sich das Brennstoffzellensystem 10a in Betrieb befindet, liefert es elektrische Energie zu dem Verbraucher 12 durch Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen 14, 16. Das Brennstoffzellensystem 10a umfaßt einen Brennstoffzellenstapel 22, der elektrische Energie erzeugt, indem ein von einem Reformer 20 erzeugter wasserstoffreicher Gasstrom 34 verwendet wird. Der Brennstoffzellenstapel 22 produziert ebenso ein Anodenabgas 15. Eine Anodengas-Oxidationseinheit 24 oxidiert das Anodenabgas 15 und erzeugt dabei ein erwärmtes Oxidationsabgas 30. Ein Ventil 28 leitet das erwärmte Oxidationsabgas 30 zu einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26 gewinnt Wärme von dem Oxidationsabgas 30 zurück und überträgt die Wärme an Wasser 54, um erwärmtes Wasser 32 zu erzeugen, das durch einen Reformer 20 verwendet wird, um den wasserstoffreichen Strom 34 zu erzeugen (beispielsweise durch Reaktion des Kohlenwasserstoffs 36 mit Sauerstoff und/oder Dampf, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist).

Der Reformer 20 kann ein Befeuchtungsgefäß (nicht gezeigt) enthalten, in dem der Kohlenwasserstoffstrom 36 mit einer gewünschten Dampfmenge (z. B. von dem erwärmten Wasserstrom 32) vermischt wird, um ein gewünschtes Dampfkohlenstoff- Verhältnis zu erhalten, bevor die Mischung reagiert. In dem Kontext dieser Erfindung kann der Begriff "Einlassstrom" verwendet werden, um auf Wasserstrom 54 Bezug zu nehmen, und der Begriff "erwärmter Einlassstrom" kann verwendet werden, um auf den erwärmten Wasserstrom 32 Bezug zu nehmen, oder auf den Brennstoffstrom 36, der durch den erwärmten Wasserstrom 32 befeuchtet wurde und dann in dem Reformer 20 reagiert wurde. Beispielsweise kann ein mit dem Temperatursensor 56 verbundener Einstellpunkt auf der Basis der Temperatur eines der jeweiligen Ströme festgelegt werden. In der gemäß Fig. 1 gezeichneten Ausführung misst ein Sensor 56 die Temperatur des erwärmten Wassers 28, und ein Ventil 28 reagiert auf die gemessene Temperatur, indem die Menge des Oxidationsabgases 30 gesteuert wird, die zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, wodurch die Temperatur gesteuert wird, auf welches das Wasser 32 erwärmt wird. Da der Dampfdruck des Wassers von dem erwärmten Wasserstrom 32 mit der Temperatur variiert, ist es möglich, das Verhältnis von Dampf zu Kohlenstoff, mit dem der Reformer 20 gespeist wird, zu steuern, indem die Temperatur des von dem Befeuchter gespeisten Reformers gesteuert wird, in diesem Fall durch Regeln der Temperatur des Wassers 32, das verwendet wird, um die Kohlenwasserstoff-Zufuhr 36 zu befeuchten. Beispielsweise ist ein Temperaturbereich von 70° bis 85°Celsius wünschenswert, um das "Dampf zu Kohlenstoffverhältnis" von ca. 2 zu 1 bis 6 zu 1 zu halten.

Der Brennstoffzellenstapel 22 ist beispielsweise ein Stapel aus Protonen-Austausch- Membran-Brennstoffzellen, von denen jede mit einem Teil des wasserstoffreichen Stroms 32 (Anodengas) mit einem Luftstrom 35 (Kathodengas) reagiert, um die elektrische Energie zu erzeugen. Die Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugt ebenso ein Anodenabgas 15, das typischerweise Restmengen von unreagiertem Wasserstoffgas des wasserstoffreichen Stromes 32 beinhaltet. Beispielsweise kann das Anodenabgas 15 etwa 10% unreagiertes Wasserstoffgas enthalten. Das Anodenabgas 15 kann ebenso Restmengen von unreagierten Kohlenwasserstoffen 36 enthalten.

Die Anodenendgas-Oxidationseinheit 24 setzt das Anodenabgas 15 der Brennstoffzelle der Luft 42 bei Vorhandensein eines Katalysators 44, wie beispielsweise Platin oder Palladium, aus, der die Oxidation fördert. Der Katalysator 44 bewirkt, dass das Anodenabgas 15, mit den Rest-Kohlenwasserstoffen und dem Rest-Wasserstoff, bei relativ geringen Temperaturen oxidiert. Beispielsweise fördert der Katalysator 44 typischerweise die Oxidation bei einer Temperatur zwischen 500° und 800°Celsius. Der Oxidationsprozess erzeugt auch Wärme, wodurch die Temperatur des Oxidationsabgases 30 erhöht wird.

Das Oxidationsabgas 30 strömt in eine Leitung 46, die sich in zwei Zweige 50 und 51 bei einem Abzweig 48 aufteilt. Ein erster Zweig 50 liefert einen Teil des Abgases 30 an die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26, und ein zweiter Zweig 52 liefert den Rest des Abgases 30 an die Atmosphäre 53, als ein Beispiel. Ein Ventil 28, das an dem Abzweigpunkt 48 positioniert ist, steuert wieviel von dem ATO-Abgas 30 in den ersten Zweig 50 geleitet wird. Wenn beispielsweise das Ventil 28 von dem ersten Zweig 50 abgelenkt wird, leitet es mehr ATO-Abgas 30 in den ersten Zweig 50 zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26. Wenn jedoch das Ventil 28 zu dem ersten Zweig 50 abgelenkt wird, leitet es mehr ATO-Abgas 30 zu dem zweiten Zweig 52 und in die Atmosphäre, wodurch die Menge des ATO-Abgases 30, das zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26 strömt, verringert wird. Folglich steuert das Ventil 28 die Menge des Oxidationsabgases 30, die zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26 geleitet wird.

Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26 kann beispielsweise ein Lamellenrohr- Wärmetauscher mit Mehrfachdurchgang sein, der Wärme von dem Abgas 30 an einen Wasserstrom 54 überträgt, um einen Strom erwärmtes Wasser 32 für den Reformer zu erzeugen. Folglich erhöht die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26 den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 10a durch Verwenden des Oxidationsabgases 30, um Wasser zu erwärmen, das in dem Reformer 20 verwendet wird. Durch Steuern der Menge des Oxidationsabgases 30, das zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26 geleitet wird, steuert das Ventil 28 die Wärmemenge, die an das Wasser 54 übertragen wird, und steuert dadurch die Temperatur des erwärmtem Wasserstroms 32.

Ein Sensor 56 ist so in dem Strom des erwärmten Wassers 32 positioniert, dass er die Temperatur des erwärmten Wassers 32 misst. Der Sensor 56 ist ein Thermoelement, das die Temperatur des erwärmten Wassers 32 misst und ein entsprechendes Temperatursignal 58 erzeugt. Eine Steuerung 60, die einen Prozessor 62 beinhaltet, überwacht das Temperatursignal 58. Der Prozessor 62 ist programmiert mit einem Programm 64, das bewirkt, dass der Prozessor ein Steuersignal 66 erzeugt, das einen Motor 68 betreibt, der mechanisch mit dem Ventil 28 gekoppelt ist. Der Motor 68 reagiert auf das Steuersignal 66 durch Auslenken des Ventils 28 in der entsprechenden Art und Weise und bewirkt dadurch, dass das Ventil die Menge des Oxidationsabgases 30 steuert, die zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird. Das Programm 64 bewirkt, dass der Prozessor ein Steuersignal erzeugt, das dazu führt, dass das Ventil 28 abgelenkt wird, um die Temperatur des erwärmten Wassers 32 auf der Soll-Temperatur zu halten.

Die von der Brennstoffzelle benötigte Leistung variiert typischerweise während des Betriebs. Wenn die benötigte Leistung variiert, variieren ebenso der Wärmeauslass des Brennstoffzellenstapels 22, ebenso wie die Anforderungen an erwärmten Wasser für den Reformer. Folglich wird ebenso der Anteil des Oxidationsabgases 30, der benötigt wird, um das Wasser 54 auf die Soll-Temperatur zu erwärmen, mit der benötigten Leistung variieren. Der Prozessor 64 steuert die Position des Ventils 28, um die Wärme bereit zu stellen, die notwendig ist, um das Wasser 32 auf die Soll- Temperatur zu erwärmen, wenn die Menge des Wassers, die dem Reformer 20 bereitgestellt wird, variiert. Wenn beispielsweise die benötigte Leistung ansteigt, wird mehr erwärmtes Wasser 32 benötigt, um genügend wasserstoffreichen Dampf bereit zu stellen, um den angestiegenen Verbrauch zu stützen. Als ein Ergebnis wird mehr Oxidationsabgas 30 benötigt, um das Wasser 54 auf die Soll-Temperatur zu erwärmen. Der Prozessor 64 erzeugt ein Steuersignal 68, das bewirkt, dass das Ventil 28 mehr Oxidationsabgas 30 zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 26 leitet. Auf diese Weise verwendet das Brennstoffzellensystem 10a das Oxidationsabgas 30, um auf die Soll-Temperatur erwärmtes Wasser 32 bereit zu stellen.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet eine andere Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10b unterschiedliche Komponenten, um Wärme von dem Oxidationsabgas rückzugewinnen. Oxidationsabgas 30 von der Anodengas- Oxidationseinheit 24 strömt zu einem Wärmerückgewinnungssystem 100, das einen Teil der Wärme von dem Oxidationsabgas 30 an das Wasser 54 überträgt, um erwärmtes Wasser 32 für den Reformer 20 zu erzeugen. Das Wärmerückgewinnungssystem 100 überträgt ebenso einen Teil der Wärme an ein Kühlmittel 102, um ein erwärmtes Kühlmittel 104 zu erzeugen. Das Wärmerückgewinnungssystem 100 ist ein Doppelfluid-Wämeaustauschsystem. Beispiele davon sind nachfolgend mit Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5B beschrieben. Wie unten beschrieben wird, wird das erwärmte Wasser 32 auf der Soll- Temperatur gehalten, indem überschüssige Wärme von dem Oxidationsabgas an das Kühlmittel übertragen wird. In einigen Ausführungen kann das Wärmerückgewinnungssystem 100 eine Wärmeaustauschfläche mit dem ATO 24 teilen. Beispielsweise kann ein Befeuchter zum Befeuchten der Reformerspeisung mit Wasser 32 das ATO 24 und das Wärmerückgewinnungssystem 100 umfassen, so dass der Wärmerückgewinnungsprozess (zum Beispiel die Strömung von Wasser 54 - oder Kühlmittel 102) verwendet werden kann, um die Temperatur des Katalysators innerhalb des ATO zu regulieren.

Eine Pumpe 106 pumpt erwärmtes Kühlmittel 104 zu einem Kühler 108, der dem erwärmten Kühlmittel 104 Wärme entzieht, um ein Kühlmittel 102 zu erzeugen, das wiederum dem Wärmerückgewinnungssystem 100 zugeführt wird. Der Kühler 108 ist typischerweise ein Wärmetauscher, der die entzogene Wärme einer oder mehreren anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10b zur Verfügung stellt. Der Kühler 108 kann ebenso ein Heizkörper sein, um Wärme von dem Brennstoffzellensystem 10b abzugeben. Die Rate, mit der die Pumpe 106 das Kühlmittel 104 pumpt, steuert die Wärmemenge, die dem Wärmerückgewinnungssystem 100 durch das Kühlmittel entzogen wird. Wenn beispielsweise die Pumprate erhöht wird, strömt mehr Kühlmittel durch das Wärmerückgewinnungssystem 100, und dadurch wird mehr Wärme dem System 100 entzogen. Folglich kann man durch Steuern der Durchflussrate in dem Kühlmittelkreislauf die Temperatur des erwärmten Wassers 32 von dem Wärmerückgewinnungssystem 100 steuern.

Eine Steuerung 110 erzeugt ein Steuersignal 112 zum Steuern der Pumprate der Pumpe 106 in Abhängigkeit von dem Temperatursignal 58 von dem Temperatursensor 56. Die Steuerung 110 hält die Temperatur des erwärmten Wassers 32 auf der Soll- Temperatur, indem es bewirkt, dass die Pumpe und der Kühlmittelkreislauf überschüssige Wärme von dem Wärmerückgewinnungssystem 100 abziehen.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung 100a des Wärmerückgewinnungssystems 100. Es beinhaltet einen Abgas-Wärmetauscher 120, der Wärme von dem Oxidationsabgas 30 an das Wasser 54 überträgt, um heißes Wasser 122 zu erzeugen. Der Wärmetauscher 120 erhöht die Temperatur des Wassers 122 über die von dem Reformer benötigte Soll-Temperatur. Das Wärmerückgewinnungssystem 110a beinhaltet ebenso einen zweiten Wärmetauscher 124, der Wärme von dem heißen Wasser 122 an das Kühlmittel 102 überträgt, um erwärmtes Wasser 32 bei der Soll-Temperatur zu erzeugen. Wie vorhergehend beschrieben, bewirkt die Steuerung 110, dass die Pumpe 106 das Kühlmittel durch den Wärmetauscher 124 mit einer Pumprate pumpt, die erwärmtes Wasser bei der Soll-Temperatur erzeugt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform 100b des Wärmerückgewinnungssystems 100. Das Wärmerückgewinnungssystem 100b weist eine Matrix mit vielen Austauschrohren 130 auf, welche durch es hindurchlaufen, und zwar an Stelle der Wärmeübertrager 120 und 124, welche in Fig. 3 gezeigt sind. Jedes der Austauschrohre 130 führt sowohl Wasser 54 als auch Kühlmittel 102. Das Wärmerückgewinnungssystem 100b ist an einem stromabwärtigen Ende der Anodenendgas-Oxidationseinheit 24 angeordnet, damit das Oxidationsabgas 24 von der Oxidationseinheit 24 durch das Wärmerückgewinnungssystem 100b und aus einem Auslass 123 strömen kann. Wenn das Oxidationsabgas 30 durch das Wärmerückgewinnungssystem 100b strömt, berührt es die Austauschrohre 130, welche Wärme vom Abgas 30 an das Wasser 54 und das Kühlmittel 102 in den Rohren 130 leiten. Dies kühlt das Abgas 30, während sowohl das Wasser 54 als auch das Kühlmittel 102 erwärmt werden.

Wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt, kann jedes Wärmeaustauschrohr 130 ein äußeres Rohr und ein konzentrisch angeordnetes inneres Rohr 134 umfassen, das in dem Zentrum des Austauschrohres 130 mittels thermisch leitfähigen Flügeln 136, wie beispielsweise Metallflügeln gehalten ist. Wasser 54 strömt durch einen ringförmigen Bereich 138, der zwischen dem äußeren Rohr 130 und dem inneren Rohr 134 definiert wird, während das Kühlmittel 102 durch das Zentrum 140 des inneren Rohres 134 strömt. Das Austauschrohr 130 leitet Wärme von dem Oxidationsabgas 30 an das Wasser 54, und die leitfähigen Flügel 136 leiten Wärme von dem Abgas 30 an das Kühlmittel 102.

Das Brennstoffzellensystem 10 ist typischerweise im Freien aufgestellt, wo es manchmal niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird, die unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser liegen. Wenn sich das Brennstoffzellensystem 10 nicht in Betrieb befindet, wird das Wasser abgelassen, um Schaden an dem Brennstoffzellensystem durch gefrierendes Wasser zu vermeiden. Das Kühlmittelsystem 10 wird nicht mit dem Kühlmittel geleert, welches ein Fluid ist, wie beispielsweise Propylenglykol, das nicht bei niedrigen Temperaturen gefriert.

Wieder bezugnehmend auf Fig. 4, beim Anfahren an kalten Tagen, wird an dem Wärmerückgewinnungssystem 100b kein Wasser 54 bereitgestellt, bis die Temperatur des Brennstoffzellensystems 10 oberhalb der Gefriertemperatur von Wasser ansteigt. Da das Wärmerückgewinnungssystem 100b dem Reformer 20 kein Wasser bereitstellt, erzeugt der Reformer 20 keinen wasserstoffreichen Strom 34. Statt dessen strömen unreagierte Kohlenwasserstoffe 36 durch den Reformer 20 und den Brennstoffzellenstapel 22 zu der Anodengas-Oxidationseinheit 24.

Der Katalysator 44 kann nicht die Oxidationsreaktion bei Temperaturen unterhalb einer minimalen Reaktionstemperatur fördern. Eine elektrische Heizung 150 wie beispielsweise eine Nicrom-Drahtheizung, ist in der Anodengas-Oxidationseinheit 24 vorgesehen, um den Katalysator 44 auf eine Temperatur oberhalb der minimalen Reaktionstemperatur zu erwärmen. Wenn der heiße Katalysator 44 das Abgas 15 mit Luft 42 reagiert, wird mehr Wärme erzeugt, die ihrerseits an das Kühlmittel 102 in den Rohren 130 des Wärmerückgewinnungssystems 100b übertragen wird. Ein Kühler 108 überträgt die Wärme von dem Kühlmittel und verwendet diese, um andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 10b zu erwärmen. Wenn die Temperatur der Komponenten des Brennstoffzellensystems 10b einmal oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, kann das Wasser 54 durch das Wärmerückgewinnungssystem 100b strömen.

In bestimmten Ausführungen ist die Reihenfolge von dem Wasser und dem Kühlmittel umgedreht, so dass das Wasser durch das Zentrum 140 des inneren Rohrs 134 strömt, während das Kühlmittel 102 durch den ringförmigen Kanal 138 strömt.

Eine Vielzahl an Ausführungen der Erfindung wurden beschrieben. Dennoch ist es verständlich, dass unterschiedliche Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen.

Beispielsweise zeigt Fig. 6 eine insbesondere einfache Art und Weise zur Verwirklichung des Steuersystems, dass in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Wie in Fig. 6 gezeigt, kann eine mechanische Vorrichtung, ähnlich wie ein in einem Fahrzeug verwendeter Thermostat, herangezogen werden, um die Temperatur des erwärmten Wassers 32 zu steuern. In solch einer mechanischen Vorrichtung hat der Temperatursensor 150 die Form eines Materials wie beispielsweise eines Wachstopfen oder eines Bimetallstreifens, dessen Größe und/oder Gestalt mit der Temperatur variiert. Der Sensor 150 ist in dem Weg des erwärmten Wassers 32 positioniert, so dass die Größe des Sensors 150 mit der Temperatur des erwärmten Wassers 32 variiert. Ein Verbindungssystem 152, das ein Hebelsystem 154 umfasst, koppelt den Temperatursensor 56 mit dem Ventil 28, so dass das Ventil auslenkt, wenn die Größe und/oder Gestalt des Temperatursensors 150 variiert. Das Verbindungssystem 152 und der Sensor 152 sind so gestaltet, dass die Auslenkungen des Ventils 28 die Temperatur des erwärmten Wassers 32 auf der Soll-Temperatur halten. Obwohl ein Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellensystem beschrieben wurde, haben die hierin beschriebenen Konzepte auch eine Anwendbarkeit auf andere Brennstoffzellensysteme. In anderen Brennstoffzellensystemen kann die rückgewonnene Wärme benutzt werden, um neben Wasser andere Einlässe für Brennstoffzellensysteme zu erwärmen.

Andere Ausgestaltungen liegen innerhalb des Rahmens der nachfolgenden Ansprüche.

Claims

1. Brennstoffzellensystem umfassend:
einen Brennstoffzellenstapel, welcher während des Betriebs elektrische Energie durch Reagieren eines ersten Stromes eines Reaktionsgases und eines zweiten Stromes eines Reaktionsgases erzeugt, wobei der Brennstoffzellenstapel ebenso einen Brennstoffzellenabgasstrom produziert;
eine Oxidationseinheit, die so positioniert ist, dass sie den Brennstoffzellenabgasstrom aufnimmt, wobei die Oxidationseinheit zumindest einen Teil des Brennstoffzellenabgasstromes während des Betriebs oxidiert, um einen Oxidationsabgasstrom zu erzeugen;
ein Wärmerückgewinnungssystem, das so positioniert ist, dass es während des Betriebs den Oxidationsabgasstrom aufnimmt, wobei das Wärmerückgewinnungssystem zumindest einen Teil der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an einen Einlassstrom überträgt, um einen erwärmten Einlassstrom zu erzeugen;
ein Steuersystem, um den erwärmten Einlassstrom auf einer Solltemperatur zu halten, indem eine erste Wärmemenge von dem Oxidationsabgasstrom, der an den Einlassstrom übertragen wird, gesteuert wird.

2. Brennstoffzellensystem nach Einspruch 1, weiter umfassend:
einen Temperatursensor, der so positioniert ist, dass er die Temperatur des erwärmten Einsatzstromes misst, wobei das Steuersystem den erwärmten Einlass auf der Solltemperatur auf der Basis der Temperatur des erwärmten Einlassstromes hält.

3. Brennstoffzellensystem nach Einspruch 1, weiter umfassend:
ein Kühlsystem;
wobei während des Betriebs:
das Wärmerückgewinnungssystem eine zweite Wärmemenge von dem Oxidationsabgasstrom an das Kühlsystem überträgt, wodurch die erste Wärmemenge von dem Oxidationsabgasstrom, welche an den Einlassstrom übertragen wird, reduziert wird; und
das Steuersystem die zweite Wärmemenge von dem Oxidationsabgasstrom, welche an das Kühlsystem übertragen wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlassstromes steuert, um die Temperatur des erwärmten Einlassstromes auf der Soll-Temperatur zu halten.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das Kühlsystem weiter umfasst:
ein Kühlmittel, welches während des Betriebs durch das Wärmerückgewinnungssystem strömt, um dem Wärmerückgewinnungssystem Wärme zu entziehen;
einen Kühler, in welchem während des Betriebs das Kühlmittel durch den Kühler strömt und der Kühler dem Kühlmittel die Wärme entzieht;
eine Pumpe, welche während des Betriebs das Kühlmittel durch das Wärmerückgewinnungssystem und den Kühler treibt, wodurch bewirkt wird, dass das Kühlmittel dem Oxidationsabgasstrom in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlassstromes die zweite Wärmemenge entzieht.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Steuersystem weiter aufweist:
eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie ein Steuersignal in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlassstromes erzeugt, wobei die Pumpe das Kühlmittel in Abhängigkeit von dem Steuersignals pumpt, um den erwärmten Einlass auf der Solltemperatur zu halten.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Wärmerückgewinnungssystem aufweist:
eine erste Wärmerückgewinnungsvorrichtung zur Übertragung von Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an den Einlassstrom, um einen heißen Einlassstrom bei einer Temperatur oberhalb der Soll-Temperatur zu erzeugen; und
eine zweite Wärmerückgewinnungsvorrichtung zur Übertragung von Wärme von dem heißen Einlassstrom zu dem Kühlmittel, um den erwärmten Einlassstrom auf Soll-Temperatur zu erzeugen.

7. Brennstoffzellensystem nach Einspruch 4, wobei das Wärmerückgewinnungssystem aufweist:
einen Hohlraum, der so positioniert ist, dass er den Oxidationsabgasstrom aufnimmt;
ein Wärmeaustauschrohr, das so in dem Hohlraum positioniert ist, dass er dem Oxidationsabgasstrom Wärme entzieht;
ein inneres leitfähiges Rohr, das so in dem Wärmeaustauschrohr positioniert ist, dass es ein Fluid aufnimmt;
und zumindest einen Flügel, der das innere leitfähige Rohr mit dem Wärmeaustauschrohr verbindet derart, dass das innere leitfähige Rohr in dem Wärmeaustauschrohr konzentrisch positioniert ist, wobei der Flügel die Wärme von dem Austauschrohr zu dem inneren leitfähigen Rohr und dem ersten Fluid leitet;
wobei das innere leitfähige Rohr und das Wärmeaustauschrohr einen ringförmigen Kanal definieren, um ein zweites Fluid aufzunehmen, und wobei das Wärmeaustauschrohr Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an das zweite Fluid leitet;
wobei zumindest eines der Fluide der Einlassstrom ist.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei zumindest eines der Fluide des das Kühlmittel ist.

9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend:
eine Leitung zur Aufnahme des Oxidationsabgasstromes von der Oxidationseinheit, wobei die Leitung einen Zweig aufweist, der mit dem Wärmerückgewinnungssystem verbunden ist;
wobei das Steuersystem beinhaltet:
ein innerhalb der Leitung positioniertes Ventil, um die Menge des Oxidationsabgasstromes, der durch den Zweig in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlasses in Richtung zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, steuert, wodurch die an den Einlassstrom übertragene Wärmemenge gesteuert wird.

10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei der Temperatursensor ein Thermoelement ist, das ein Sensorsignal entsprechend der Temperatur des erwärmten Einlasses erzeugt, wobei das Steuersystem weiter beinhaltet:
einen Mikroprozessor der so programmiert ist, dass er ein Steuersignal auf der Basis des Sensorsignals erzeugt; und
einen Motor, um das Ventil in Anhängigkeit von dem Steuersignal auszulenken, um dadurch zu bewirken, dass das Ventil die Menge des erwärmten Abgases, das zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, steuert.

11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei die Größe oder Gestalt des Temperatursensors mit der Temperatur des erwärmten Einlasses variiert, wobei das Steuersystem weiter aufweist:
eine Verbindung, die den Temperatursensor mit dem Ventil verbindet und bewirkt, dass das Ventil ausgelenkt wird, wenn die Größe oder Gestalt des Temperatursensors variiert, um dadurch zu bewirken, dass das Ventil die Menge des erwärmten Abgases, das zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, steuert.

12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Verbindung und der Temperatursensor so ausgestaltet sind, dass sie die Menge des erwärmten Abgases, die zu der Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, steuern, um den erwärmten Einlass auf der Soll-Temperatur zu halten.

13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei der Temperatursensor ein Element beinhaltet, dessen Größe oder Gestalt variiert, wenn die Temperatur des erwärmten Einlasses sich verändert.

14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei das Element zumindest einen Bimetallstreifen oder einen Wachsstopfen aufweist.

15. Verfahren, aufweisend:
Erzeugen von elektrischer Energie durch Reagieren eines ersten Stromes eines Reaktionsgases und eines zweiten Stromes eines Reaktionsgases in einer Brennstoffzelle, um einen Brennstoffzellenabgasstrom zu erzeugen;
Oxidieren zumindest eines Teils des Brennstoffzellenabgasstromes, um einen Oxidationsabgasstrom zu erzeugen;
Übertragen zumindest eines Teils der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an einen Einlassstrom, um einen erwärmten Einlassstrom zu erzeugen;
Messen der Temperatur des erwärmten Einlassstromes;
Halten des erwärmten Einlassstromes auf einer Soll-Temperatur durch Steuern einer ersten Wärmemenge von dem Oxidationsabgasstrom, die an den Einlassstrom übertragen wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlassstromes.

16. Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend:
Übertragen einer zweiten Wärmemenge von dem Oxidationsabgasstrom an ein Kühlsystem, um dadurch die erste Wärmemenge von dem Oxidationsabgasstrom, die an den Einlassstrom übertragen wird, zu reduzieren; und
Steuern der zweiten Wärmemenge von dem Oxidationsabgasstrom, die an das Kühlmittelsystem übertragen wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlassstromes, um die Temperatur des erwärmten Einlassstromes auf der Soll-Temperatur zu halten.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Übertragens der zweiten Wärmemenge von dem Oxidationsabgas weiter aufweist:
Entziehen von Wärme von der Wärmerückgewinnungsvorrichtung unter Verwendung eines Kühlmittels; und
Austreiben des Kühlmittels aus dem Wärmerückgewinnungssystem, um dadurch zu bewirken, dass das Kühlmittel die zweite Wärmemenge dem Oxidationsabgasstrom in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlassstrom entzieht.

18. Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend:
Erzeugen eines Steuersignals in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlassstromes; und
Austreiben des Kühlmittels aus dem Wärmerückgewinnungssystem in Abhängigkeit von dem erzeugten Steuersignal, um dadurch zu bewirken, dass das Kühlmittel die zweite Wärmemenge dem Oxidationsabgasstrom in Abhängigkeit von der Temperatur des erwärmten Einlassstromes entzieht.

19. Verfahren nach Anspruch 18, weiter umfassend:
Übertragen der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an den Einlassstrom, um einen heißen Einlassstrom bei einer Temperatur oberhalb der Solltemperatur zu erzeugen; und
Übertragen von Wärme von dem heißen Einlassstrom an das Kühlmittel, um den erwärmten Einlassstrom bei der Soll-Temperatur zu erzeugen.

20. Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend:
Bestimmen einer Menge des Oxidationsabgasstromes, die benötigt wird, um den Einlassstrom auf die Soll-Temperatur zu erwärmen;
Verwenden nur der bestimmten Menge des Oxidationsabgases, um den Einlassstrom zu erwärmen, und dadurch die Wärmemenge, die an den Einlassstrom übertragen wird, zu steuern, um die Temperatur des Auslassstromes auf der Soll-Temperatur zu halten.

21. Verfahren nach Anspruch 20, weiter umfassend:
Erzeugen eines Sensorsignals, das der gemessenen Temperatur des erwärmten Einlasses entspricht;
Berechnen eines Steuersignals in Abhängigkeit von dem erzeugten Sensorsignal; und
Verwenden des Steuersignals zum Steuern einer Vorrichtung, die nur die bestimmte Menge des Oxidationsabgases zu einem Wärmerückgewinnungssystem leitet, um den Einlassstrom zu erwärmen, um dadurch den erwärmten Einlass auf der Soll-Temperatur zu halten.

22. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Einlassstrom Wasser ist.

23. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erwärmte Einlassstrom ein angefeuchteter Brennstoffeinlassstrom eines Brennstoffprozessors ist.

24. Brennstoffzellensystem aufweisend:
einen Brennstoffzellenstapel, der während des Betriebs elektrische Energie durch Reaktion eines ersten Stromes eines Reaktionsgases mit einem zweiten Strom eines Reaktionsgases erzeugt, wobei der Brennstoffzellenstapel ebenfalls einen Brennstoffzellenabgasstrom erzeugt;
eine Oxidationseinheit, die so positioniert ist, dass sie den Brennstoffzellenabgasstrom aufnimmt, wobei die Oxidationseinheit zumindest einen Teil des Brennstoffzellenabgasstromes während des Betriebs oxidiert, um einen Oxidationsabgasstrom zu erzeugen;
ein Wärmerückgewinnungssystem, das so positioniert ist, dass es den Oxidationsabgasstrom während des Betriebs aufnimmt, wobei das Wärmerückgewinnungssystem zumindest einen Teil der Wärme von dem Oxidationsabgasstrom an einen Wasserstrom überträgt;
ein Brennstoffprozessor-Befeuchtersystem, das so angepasst ist, dass es einen Kohlenwasserstoffgasstrom mit dem Wasserstrom vermischt, um einen befeuchteten Brennstoffeinlassstrom eines Brennstoffprozessors zu bilden; und
ein Brennstoffprozessorsystem, das so angepasst ist, dass es den befeuchteten Brennstoffeinlassstrom des Brennstoffprozessors aufnimmt.

25. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, weiter aufweisend:
einen Temperatursensor, der so angepasst ist, dass er eine Temperatur des Brennstoffprozessor-Befeuchtersystems misst; und
ein Steuersystem, das so angepasst ist, dass es das Wärmerückgewinnungssystem in Abhängigkeit von der Temperatur des Brennstoffprozessor-Befeuchtersystems steuert.

26. Brennstoffzellensystem, nach Anspruch 24, wobei die Oxidationseinheit von einem Gehäuse umschlossen ist, und wobei dieses Gehäuse einen strukturellen Abschnitt des Befeuchtersystems bildet, derart, dass die Wärmeübertragung zwischen der Oxidationseinheit und dem Befeuchtersystem bewirkt wird.

27. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, wobei das Befeuchtersystem einen Abschnitt der Oxidationseinheit umschließt.

28. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 27, wobei das Befeuchtersystem so angepasst ist, dass es einen erwärmten Wasserstrom aufnimmt, derart, dass der erwärmte Wasserstrom in Kontakt mit einer Verdampfungsoberfläche kommt.

29. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 28, wobei das Befeuchtersystem so angepasst ist, dass es ein Kohlenwasserstoffgas über die Verdampfungsoberfläche fließen lässt, um einen befeuchteten Brennstoffeinlassstrom des Brennstoffprozessors auszubilden.

30. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, wobei das Befeuchtersystem weiter eine Kühlmittelleitung aufweist, die so angepasst ist, dass sie ein Kühlmittel zirkulieren lässt, um Wärme zwischen dem Kühlmittel und dem Befeuchtersystem zu übertragen.

31. Verfahren umfassend:
Strömenlassen eines gasförmigen Brennstoffstromes eines Brennstoffprozessors über einen erwärmten Wasserstrom; und
Steuern einer Temperatur des erwärmten Wasserstromes, um eine Wasserdampfmenge zu regulieren, die in den gasförmigen Brennstoffstrom des Brennstoffprozessors eingeleitet wird.

32. Verfahren nach Einspruch 31, weiter aufweisend:
Strömenlassen des erwärmten Wasserstromes auf eine Verdampfungsoberfläche und Strömenlassen des gasförmigen Brennstoffstromes des Brennstoffsprozessors über die Verdampfungsoberfläche.

33. Verfahren nach Einspruch 31, weiter aufweisend:
Regulieren einer Luftmenge, mit der die Oxidationseinheit gespeist wird, um eine gewünschte Temperatur eines Katalysators innerhalb der Oxidationseinheit aufrecht zu erhalten;
Übertragen von Wärme von einem Abgas der Oxidationseinheit an einen Wasserstrom, um den erwärmten Wasserstrom zu bilden; und
Übertragen von Wärme von dem erwärmten Wasserstrom an einen Kühlmittelstrom, um eine gewünschte Temperatur des erwärmten Wasserstroms aufrecht zu erhalten.