DE102005000791A1 - Co-Prozessor für eine Brennstoffzelle und Verfahren mit einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Co-Prozessor mit einer Kammer, einem Rekuperator, einer katalytischen Heizung, einem Reformer, einer elektrischen Heizung und einem Peltierelement. Mit dem Co-Prozessor werden eine Brennstoffzelle, eine als Elektrolyseur betriebene Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk betrieben. Mit dem Co-Prozessor wird die Brennstoffzelle durch thermische Energie erwärmt und durch den Entzug von thermischer Energie gekühlt, indem im Co-Prozessor ein endothermer, ein exothermer und ein thermoelektrischer Co-Prozess abläuft, welcher seinerseits thermische Energie, Brenngas und thermoelektrischen Strom liefert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Co-Prozessor für eine Brennstoffzelle und eine als Elektrolyseur betriebene Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nebst einem Verfahren zum Betreiben einer als Elektrolyseur betriebenen Brennstoffzelle mit einem Co-Prozessor sowie des eines Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerks.
  • Eine planar ausgebildete Brennstoffzelle und eine als Elektrolyseur betriebenen Brennstoffzelle ist bis dato mit vier Zu- und Ableitungen verbunden und besteht aus einem runden, quadratischen oder rechteckigen Schichtkörper, welcher aus einer Anoden-Kammer, einer PEM (PEM für Polymer Elektrolyt Membrane) oder einem Schmelz-Elektrolyten oder einem Feststoff-Elektrolyten, einer Kathoden-Kammer und zweier Stromkollektoren besteht, über welche der Strom von der Anoden- und der Kathoden-Elektrode abgeführt wird. Durch die Stapelung mehrerer derartiger Zellen entsteht ein Brennstoffzellen-Stapel, dessen Leistung mit zunehmender Zahl an gestapelten Brennstoffzellen steigt, wobei die Brennstoffzellen durch jeweils eine Bipolarplatte miteinander verbunden sind. Hierbei verbindet die aus Vollmaterial bestehende Bipolarplatte die Kathoden-Elektrode der ersten Brennstoffzelle mit der Anoden-Elektrode der zweiten Brennstoffzelle usw., wodurch eine elektrische Reihenschaltung der Brennstoffzellen entsteht. Gleichzeitig trennt die Bipolarplatte die Gase führende Kathoden-Kammer von der Gase führenden Anoden-Kammer, so dass sich die beiden unterschiedlichen Gase in der Anoden-Kammer und der Kathoden-Kammer nicht miteinander vermischen können.
  • Durch die durch den Transport von Protonen durch eine PEM oder den von Karbonat-Ionen durch einen Schmelzelektrolyten oder den von Sauerstoff-Ionen durch einen Feststoffelektrolyten aufzubringende Arbeit entsteht in der Brennstoffzelle und in der als Elektrolyseur betriebenen Brennstoffzelle Wärme, welche durch ein Wärmeträgermedium abgeführt werden muss.
  • Bei einer bei ca. 80 bis 100°C betriebenen Niedertemperatur-Brennstoffzelle, wie beispielsweise die einer PEMFC (PEMFC für PEM Fuel Cell) und die einer DMFC (DMFC für Direkt Methanol Fuel Cell), ist das für die Kühlung verwandte Wärmeträgermedium Wasser. Dieses durchströmt die Brennstoffzelle in einer eigens dafür vorgesehenen Rohrleitung und fließt innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes von der Brennstoffzelle zu einem Wasserkühler und von diesem zurück zur Brennstoffzelle. Damit eine größtmögliche PEM-Oberfläche in der Brennstoffzelle entsteht, ist dieses Rohr auf mehrere Rohre verteilt und als Rohrkühler rund um die Brennstoffzelle am Rand angeordnet und durchgreift diese in axialer Richtung. Die hierbei durch das Wasser in dem Rohrkühler aufgenommene Wärme wird außerhalb der Brennstoffzelle in dem dafür vorgesehenen Wasserkühler abgereichert. Für den Transport des umlaufenden Wassers dient eine Kühlwasserpumpe, welche durch ihren Energieverbrauch den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle schmälert. Weiterer Energiebedarf besteht in den Fällen, in welchen kein Fahrwind die Wärme von dem äußeren Wasserkühler abführt und ein Gebläse den Fahrwind ersetzen muss.
  • Innerhalb einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle ist demnach die kühlste Stelle in unmittelbarer Nähe zu dem Rohrkühler und die wärmste Stelle im Zentrum der PEM, von welcher Stelle das Zentrum der PEM zu dem Rohrkühler den größten Abstand hat. Die gegenüber der Anoden- und Kathoden-Elektrode vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit der PEM verursacht ein Temperaturgefälle in der PEM selbst, da die Anoden- und die Kathoden-Elektroden aufgrund ihres geringen Leitungsquerschnitts den Wärmestrom nur bedingt abführen können, wodurch sich eine PEM in ihren Abmessungen nicht beliebig vergrößern lässt.
  • Bei einer bei ca. 650 bis 1.100°C betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzelle, wie beispielsweise die einer MCFC (MCFC für Molten Carbonate Fuel Cell) oder die einer SOFC (SOFC für Solid Oxid Fuel Cell), ist das für die Kühlung verwandte Wärmeträgermedium der Wasserdampf, das Kohlendioxid, der nicht verstromte Wasserstoff und das nicht verstromte Kohlenmonoxid sowie der Luftsauerstoff. Hierbei wird die in der Brennstoffzelle entstehende Wärme zu einem wesentlichen Teil über den in der Anoden-Kammer durch die kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff gebildeten Wasserdampf abgeführt, indem der Wasserdampf die thermische Energie als Enthalpie in sich speichert. Weitere thermische Energie wird in dem Brenngas üblicherweise beiwohnendem Kohlendioxid als Enthalpie gespeichert, während der Luftsauerstoff dasselbe auf der Kathodenseite tut.
  • Eine Sonderstellung nimmt hierbei die MCFC ein, da sie aufgrund ihres Wirkprinzips in der Kathoden-Kammer sowohl direkt mit Luftsauerstoff als auch indirekt mit dem Wasserdampf und Kohlendioxid aus der Anoden-Kammer gekühlt wird und in ihrem Wirkprinzip nicht umkehrbar ist und von daher im Gegensatz zur PEMFC und SOFC nicht als Elektrolyseur betrieben werden kann. Hierbei wird der im Abgas der Anoden-Kammer vorhandene Brenngasschlupf in einem katalytischen Brenner zu Wasserdampf und Kohlendioxid umgewandelt und in einem Rekuperator thermisch abgereichert. Das Abgas aus dem katalytischen Brenner wird daraufhin zusammen mit dem Luftsauerstoff der Kathoden-Kammer zugeführt, in welchem das Gasgemisch sowohl für den Ionisierungs-Prozess als auch als Wärmeträgermedium zur Kühlung der Brennstoffzelle dient.
  • Wärmekapazitäten der an der Kühlung beteiligten Wärmeträgermedien, welche durch die jeweilige spezifische Wärmekapazität bestimmt werden, reichen alleine jedoch nicht aus, um die in der Brennstoffzelle anfallende Wärme in einem einzigen Zyklus vollständig abzuführen. Aus diesem Grunde wird die Kathoden-Kammer über das Maß hinaus, welches für die elektrochemische Umsetzung in der Brennstoffzelle erforderlich ist, mit zusätzlichem Luftsauerstoff, dem sog. Luftüberschuss, zwecks zusätzlicher Kühlung betrieben. Hierfür ist zusätzliche Antriebs-Energie notwendig, durch welche der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle geschmälert wird.
  • Bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, wie beispielsweise der einer MCFC und SOFC, befinden sich im Gegensatz zu einer PEMFC und einer DMFC die kühlsten Stellen am Einlass der Anoden- und der Kathoden-Kammer und die heißesten Stellen an deren Auslässen, wobei der Temperaturunterschied je nach Länge des Gasstroms in der Anoden- und der Kathoden-Kammer zwischen dem einzelnen Ein- und dem Auslass sehr stark voneinander variieren und Temperaturunterschiede zwischen 70 und 100°C erreichen kann.
  • Die Kühlung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach den beschriebenen Wirkprinzipien wirkt sich demnach dahingehend nachteilig aus, dass es innerhalb der Brennstoffzelle trotz einer Kühlung zu einem unerwünschten Temperaturgefälle kommt, welches nach heutigem SdT eine beliebige Vergrößerung der Brennstoffzellen-Kraftwerke verhindert. Andererseits besteht ein sehr großer Bedarf an leistungsstarken Brennstoffzellen, wie beispielsweise für mittelgroße dezentrale Kraftwerke. Derartige Kraftwerke können bis dato nur dadurch realisiert werden, indem man mehrere Brennstoffzellen-Kraftwerke zu einem exogenen Verbund zusammenfasst. Von Nachteil ist eine derartige Lösung derart, dass die Verbindungen komplexer und wartungsintensiver werden sowie eine Degradation der Herstellkosten nicht stattfindet.
  • Ein besonders großes Interesse an großen und leistungsfähigen Brennstoffzellen-Kraftwerke in der Größe von 100 kW bis 10 MW besteht beispielsweise darin, sie als stationäre Anlagen, wie beispielsweise der von Blockheiz-Kraftwerken, zu betreiben. Insbesondere betrifft es hierbei die Hochtemperatur-Brennstoffzellen MCFC und SOFC, da sie anders als die Niedertemperatur-Brennstoffzellen PEMFC und DMFC, neben der elektrischen Energie auch eine thermische Energie mit hohem Temperaturgefälle in Form einer Kraft-Wärme-Kopplung liefern. Durch die Verbrauchsnahe Erzeugung ist man auf das Stromnetz der Stromnetzbetreiber nicht angewiesen, wodurch Stromdurchleitungskosten entfallen.
  • MCFC-Brennstoffzellen-Kraftwerke sind derzeit auf dem Weltmarkt in einer Leistungsbandbreite von 100kW bis zu 2MW und die von SOFC-Brennstoffzellen-Kraftwerken von 100kW bis 10MW erhältlich, wobei die derzeitige Obergrenze nur durch das Zusammenschalten mehrerer Brennstoffzellen-Kraftwerke darstellbar ist.
  • Die Kathoden-Elektrode der MCFC besteht hierbei aus Nickeloxid, welche aus feinen Nickelkörnern mit einem Durchmesser von 5 bis 10 μm zu einem Schwamm zusammengesintert ist und durch welchen neben dem Luftsauerstoff und dem Kohlendioxid für den elektrochemischen Prozess der Brennstoffzelle sämtliches Kühlmedium für die Brennstoffzelle strömt. Der feinporige Metallschwamm setzt dem so zusammengesetzten Stoffstrom einen Strömungswiderstand entgegen, welcher mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit progressiv ansteigt. Von daher ist man bestrebt, den Massenstrom mit möglichst geringer Strömungsgeschwindigkeit durch die Kathoden-Kammer zu transportieren, um so den Eigenverbrauch der Brennstoffzelle durch das Gebläse so klein als möglich zu halten. Dies erfordert einen entsprechend großen Strömungsquerschnitt, welcher sich nur durch größere Metallschwämme realisieren lässt und wodurch die Brennstoffzelle durch den erhöhten Materialeinsatz teurer wird.
  • Neben der Kühlung der Brennstoffzellen ist auch die Herstellung derselben von besonderer Bedeutung. Sollen Brennstoffzellen mit deutlich größeren Abmessungen gebaut werden, mit welchen die derzeitigen Leistungsgrenzen überschritten werden kann, so ergeben sich zunächst einmal konstruktive Probleme bei der Umsetzung eines mechanisch stabileren Elektrolyten, welcher beispielsweise Verwindungssteifer sein muss und zugleich in seiner Dicke nicht zunehmen darf, da eine größere Dicke des Elektrolyten die Impedanz desselben erhöhen würde, was wiederum zu Lasten des Wirkungsgrades ginge.
  • Brennstoffzellen mit Abmessungen, welche über die heute bekannten Maße hinausgehen, sind daher nicht nur alleine aus Gründen der Kühlung sondern auch der Stabilität sowie des erreichbaren Wirkungsgrades mit den bis dato bekannten Methoden nicht darstellbar.
  • Beschreibung
    •
  • Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher Brennstoffzellen-Kraftwerke und Elektrolyseure mit größerer Leistung herstellbar sind und der in der Brennstoffzelle ablaufende Prozess ertüchtigt wird, ohne dass die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften der Brennstoffzelle beeinträchtigt werden.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Co-Prozessor derart, dass ein solcher Co-Prozessor mit der Brennstoffzelle über eine Verbindung einen Koppelprozess bildet, in welchem der Co-Prozessor die Brennstoffzelle kühlt, heizt und ihr Brenngas zur Verstromung und Wasserdampf zur Elektrolyse bereitstellt, während die Brennstoffzelle in umgekehrter Richtung den Co-Prozessor mit thermischer und elektrischer Energie speist, durch welche chemische, thermodynamische und thermoelektrische Energie im Co-Prozessor erzeugt wird.
  • Der Co-Prozessor ist im Innern erfindungsgemäß als Rekuperator, als Dampferzeuger, als katalytische Heizung, als elektrische Heizung, als thermoelektrische Klima-Anlage, als thermoelektrischer Stromerzeuger sowie als Reaktor-Gefäß ausgeführt.
  • Des Weiteren gelingt die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine neue Bauform für Brennstoffzellen derart, dass die Grundflächen bekannter zylindrischer Formen von Brennstoffzellen, wie Kreis, Rechteck und Quadrat durch ein Pentagon und ein Hexagon erweitert werden.
  • Das Pentagon und das Hexagon haben gegenüber dem Rechteck und dem Quadrat den Vorteil, dass sich durch deren geometrische Formen jeweils ein dritter Strömungsweg, nämlich der für den Co-Prozessor, realisieren lässt. Der dritte Strömungsweg wird beispielsweise derart genutzt, dass damit eine Entkoppelung der elektrochemischen Umsetzung in der Kathoden-Kammer von der in der Kathoden-Kammer durchzuführenden Kühlung erfolgt, so dass der die Kathoden-Kammer durchströmende Massenstrom alleine auf' die Menge reduziert wird, welcher für die elektrochemische Umsetzung in der Brennstoffzelle notwendig ist. Damit wird bereits hier ein wesentlicher Teil der gestellten Aufgabe erreicht, nämlich der der Ertüchtigung der Brennstoffzelle derart, dass der Eigenverbrauch für den Betrieb der Brennstoffzelle durch die Reduzierung der Gebläse-Energie für den Luftsauerstoff in der Kathoden-Kammer und auch sonstiger Kühlung sinkt.
  • Beide, Co-Prozessor und Brennstoffzelle werden vorzugsweise zu einem Sandwich verbunden, wobei die Gase führenden Zu- und Ableitungen für den Co-Prozessor und die Brennstoffzelle aus mindestens fünf Verbindungen, die Strom führenden Verbindungen aus mindestens vier Zu- und Ableitungen und die Verbindungen zwischen dem Co-Prozessor und der Brennstoffzelle aus mindestens zwei elektrischen und mindestens einer thermischen Verbindung bestehen, welche insgesamt auf den Co-Prozessor und die Brennstoffzelle zu- und abgehen. Um den Co-Prozessor und die Brennstoffzelle herum sind Räume angebaut, über welche der Kammer-Einlass und der Kammer-Auslass des Co-Prozessors und die Ein- und die Auslässe der Brennstoffzellen-Kammern mit den äußeren Zu- und Ableitungen verbunden werden.
  • Schließlich wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch derart gelöst, dass mit einem als Hexagon ausgebildeten Co-Prozessor und einer als Hexagon ausgebildeten Brennstoffzelle, Brennstoffzellen und Co-Prozessoren in beliebiger Ausdehnung herstellbar sind, indem die Co-Prozessoren und die Brennstoffzellen zu Waben zusammengefügt und daraus ein Brennstoffzellen-Waben-Stapel gebildet wird, in welchem übereinander und in abwechselnder Reihenfolge die Co-Prozessoren und die Brennstoffzellen geschichtet werden, wodurch Brennstoffzellen-Kraftwerke mit größter Leistung entstehen.
  • Über eine Verbindung zwischen dem Co-Prozessor und der Brennstoffzelle wird die Abwärme der Brennstoffzelle als Wärmestrom auf den Co-Prozessor übertragen, in welchem die im Wärmestrom enthaltene Energie beispielsweise in chemische Energie umgewandelt und im Massenstrom als Enthalpie gespeichert wird.
  • Über einen Einlass wird die Kammer des Co-Prozessors beispielsweise mit einem Wärmeträgermedium gespeist, welches beispielsweise der der Kammer am nächsten stehenden Brennstoffzelle thermische Energie entzieht oder dieselbe mit der im Wärmeträgermedium gespeicherten Enthalpie thermisch anreichert. Als Wärmeträgermedium wird ein Gas wie beispielsweise Luftsauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasserdampf vorgeschlagen, mit welchem die Brennstoffzelle thermisch an- und abgereichert wird, während das thermisch ab- bzw. angereicherte Wärmeträgermedium die Kammer des Co-Prozessors über einen Auslass verlässt.
  • Die Umwandlung und Speicherung der thermischen Energie in chemische Energie erfolgt in einem weiteren Beispiel dadurch, dass in der Kammer des Co-Prozessors ein endotherm ablaufender Prozess mit dem Wärmestrom aus der am nächsten angeordneten Brennstoffzelle unterhalten wird. Hierbei kann es sich um einen beliebigen endotherm ablaufenden Prozess handeln. Vorzugsweise handelt es sich um einen Reformierungs-Prozess, in welchem ein an Methan reiches Gas mit Hilfe von Wasserdampf und Kohlendioxid zu einem aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid reichen Synthesegas reformiert wird.
  • Eine derartige Reformierung hat den Vorteil, dass der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle direkt verstromt werden kann. Gleichzeitig wird der Brennstoffzelle die thermische Energie durch den Co-Prozessor entzogen, wodurch die Brennstoffzelle gekühlt wird.
  • Ein weiterer Vorteil einer derartigen Reformierung besteht darin, dass die aus der Verbrennung von Wasserstoff zu Wasserdampf und die aus der Verbrennung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid resultierenden Verbrennungs-Produkte aus dem Abgas der Anoden-Kammer für die Reformierung direkt wieder verwendet werden können. Gleichzeitig erhält der im Abgas vorhandene Brenngasschlupf die Chance, in einem zweiten Zyklus ebenfalls in der Brennstoffzelle verstromt zu werden, indem er mit den Verbrennungs-Produkten dem Co-Prozessor zugeführt wird, welchen er zusammen mit dem frisch reformierten Brenngas über den Auslass des Co-Prozessors verlässt und dem Einlass der Anoden-Kammer erneut zugeführt wird. Eine Erhitzung des Wasserdampfes und des Kohlendioxids für die Reformierung entfällt. Gleichzeitig wird für die Reformierung des Methans ein Teil des Wasserdampfes durch das Kohlendioxid substituiert, wodurch sich die Geschwindigkeit des Reformierungsprozesses verlangsamt und eine Unterversorgung von thermischer Energie für den Reformierungsprozesses im Reformer des Co-Prozessors vermieden wird.
  • Die Rückführung eines Teils des Abgases aus der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle erfolgt erfindungsgemäß derart, dass der Einlass des Co-Prozessors über eine Verbindung mit dem Auslass der Anoden-Kammer verbunden ist, über welche ein Teil des Abgases dem Co-Prozessor zugeführt wird. Gleichzeitig ist der Einlass des Co-Prozessors über eine Verbindung mit einer an Methan reichen Quelle verbunden, aus welcher der Reformierungs-Prozess im Co-Prozessor mit Methan als Edukt unterhalten wird.
  • Der Auslass des Co-Prozessors ist über eine Verbindung mit dem Einlass der Anoden-Kammer verbunden, über welche die Anoden-Kammer mit Brenngas aus dem Co-Prozessor und mit Brenngasschlupf aus dem Auslass der Anoden-Kammer gespeist wird.
  • Eine Reformierung des Erdgases mit Wasserdampf und die einer Reform ierung mit Kohlendioxid in einer Brennstoffzelle ist aus Druckschriften bekannt.
  • Aus der DE 195 19 847 C1 ist bekannt, Erdgas intern, d.h. unmittelbar an einer Anode einer Brennstoffzelle in Anwesenheit von Wasserdampf gemäß CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 zu reformieren.
  • Bei der Einspeisung von Erdgas in die Anoden-Kammer läuft direkt an einer nickelhaltigen Anode eine Methan-Dampf-Reformierungsreaktion ab. Diese Reaktion verläuft stark endotherm. Die Reaktionsrate dieser Reaktion ist sehr groß im Vergleich zu den nachfolgenden elektrochemischen Reaktionen. Dies hat zur Folge, dass bereits innerhalb einer Strecke von wenigen Millimetern nach dem Gaseintritt in die Anoden-Kammer die Reformierungsreaktion komplett abgelaufen ist. Die innerhalb dieser kurzen Strecke benötigte Wärme kann durch die viel langsameren elektrochemischen Reaktionen nicht ausreichend nachgeliefert werden, so dass ein Temperatureinbruch entsteht. Aus diesem Grunde erfolgt bei der Dampf-Reformierung zunächst eine Vor-Reformierung, in welcher eine Methan-Dampf-Reformierungsreaktion teilweise ablaufen und nachteilhafte Temperaturgradienten vermieden werden können.
  • In der DE 198 26 375 A1 wird als Weiterentwicklung vorgeschlagen, das Erdgas intern, d.h. im Brennstoffzellenstapel in Anwesenheit von Wasserdampf und Kohlendioxid gemäß CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 und CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 zu reformieren, wobei in der Druckschrift nicht offenbart wird, wie man das an Methan reiche Gas mit dem Kohlendioxid in den Brennstoffzellenstapel einführt, es in diesem reformiert und anschließend das aus der Reformierung resultierende Brenngas aus dem Brennstoffzellenstapel heraus zum Einlass der Anoden-Kammer führt.
  • Die thermische Belastung der als Katalysator wirkenden Nickelanode ist durch die Reformierungsreaktion mit dem Kohlendioxid niedriger, da die im Kohlendioxid gespeicherte Enthalpie gegenüber der im Wasserdampf vorhandenen Enthalpie deutlich geringer ist. Die Reformierungsreaktion läuft daher langsamer und über einer größeren Wegstrecke ab. Eine langsamere Reaktion und eine längere Wegstrecke bewirken, dass sich die Degradation der Nickelanode verlangsamt.
  • Die Degradation der Anode wird erfindungsgemäß weiter verlangsamt, indem die Reformierung des Erdgases mit Wasserdampf und Kohlendioxid in die an die Brennstoffzelle angrenzende Kammer des Co-Prozessors verlagert wird. Die Kammer des als Vor-Reformer betrieben Co-Prozessors besteht vorzugsweise aus Metall, welches über eine gute Wärmeleitfähigkeit verfügt, wodurch der Reformierungs-Prozess von außen mit einem gleichmäßigen Wärmestrom aus der Brennstoffzelle unterhalten wird und die Anoden-Kammer mit einem Brenngas gespeist wird, welches im Co-Prozessor zuvor soweit reformiert wurde, dass der Nickelkatalysator in der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle weniger stark belastet wird.
  • Gleichzeitig wirkt die durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Co-Prozes-sor-Gehäuses vergleichmäßigte Oberflächentemperatur nach außen als vergleichmäß-igte kühlende Quelle auf die Brennstoffzelle, wodurch sich die Temperatur zwischen dem Ein- und dem Auslass der Anoden- und der Kathoden-Kammer stärker angleicht und die durch den geringeren Temperaturgradienten bedingten Materialspannungen im Elektrolyten abnehmen.
  • Nach Innen wirkt sich die gute und vergleichmäßigte Abführung der Wärme von der Brennstoffzelle auf das Gehäuse des Co-Prozessors dadurch aus, dass der Reformierungs-Prozess auf der gesamten Reformierungsstrecke mit ausreichender Menge an thermischer Energie von dem Gehäuse des Co-Prozessors versorgt wird.
  • Es verbleibt an der Anode lediglich eine Shift-Reaktion, welche eine Degradation der Anode bewirkt. Diese läuft nach der Reaktion CO + H2O ↔ H2 + CO2 ab, an welcher die CO-Moleküle daran teilnehmen, welche im Wettbewerb mit dem Wasserstoff Molekül aufgrund ihrer geringeren Reaktionsgeschwindigkeit an der Anode nicht verstromt werden können.
  • Eine durch Shift-Reaktion herbeigeführte Degradation wird erfindungsgemäß komplett vermieden, wenn die Anoden-Kammer in Abwesenheit von Wasserstoff und Wasserdampf nur mit Kohlenmonoxid oder nur mit reinem Wasserstoff als Brenngas gespeist wird. An der Anoden-Elektrode läuft demnach nur noch ein elektrochemischer Prozess ab, welcher auf die Anoden-Elektrode nicht degradierend wirkt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das in der Kammer des Co-Prozessors erzeugte Brenngas vor dem Eintritt in die Anoden-Kammer zuvor in einer Gastrenn-Anlage in Wasserstoff und Kohlenmonoxid getrennt wird. Die Anoden-Kammer wird danach entweder nur noch mit Wasserstoff oder nur noch mit Kohlenmonoxid unterhalten. Dies hat den Vorteil, dass ein endotherm ablaufender Shift-Prozess, in welchem Kohlenmonoxid zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert wird, in der Anoden-Kammer und insbesondere an dem Nickelkatalysator unterbleibt.
  • Des Weiteren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, mit dem komplementären Brenngas aus der Gastrenn-Anlage eine zweite Brennstoffzelle zu betreiben. Dies hat den Vorteil, dass auch bei der zweiten Brennstoffzelle keine Degradation an der Anoden-Elektrode erfolgt. Außer einer elektrochemischen Reaktion läuft ansonsten keine weitere Reaktion, wie beispielsweise die eines Shift-Prozesses, ab, da entweder das Kohlenmonoxid oder der Wasserstoff für einen derartigen Prozess als Reaktionspartner fehlen.
  • Als Gastrenn-Anlage wird vorzugsweise eine PSA-Anlage verwandt, in welcher das Kohlenmonoxid mit Hilfe von Kohlenstoff-Molekularsieben und zeolithischen Molekularsieben aus dem Wasserstoff adsorbiert wird. Des Weiteren wird als Gastrenn-Anlage eine Kryogen-Anlage und eine Membran-Anlage vorgeschlagen.
  • Neben der Hochtemperatur-Brennstoffzelle findet der Co-Prozessor eine breite Anwendung bei den Niedertemeperatur-Brennstoffzellen PEMFC und DMFC. Bei einer PEMFC und einer DMFC hat der Co-Prozessor nämlich den Vorteil, dass er eine derartige Brennstoffzelle für Brennstoffzellenfahrzeuge alltagstauglich macht.
  • Ein wesentlicher Vorteil besteht beispielsweise darin, dass die PEMFC und die DMFC anstelle nur mit Wasser zusätzlich auch mit Fahrtwind gekühlt werden können, indem der Fahrtwind durch den als Rekuperator betriebenen Co-Prozessor geleitet wird. Bei entsprechend niedriger Außentemperatur und hoher Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeuges kann die Wasserkühlung gedrosselt und sogar vollständig abgeschaltet und die elektrische Energie für die Kühlwasserpumpe eingespart werden. Gleichzeitig kann der bei einem Brennstoffzellenfahrzeug teuer erzeugte Wasserstoff durch eine vorübergehende Rückführung des Brenngasschlupfes aus dem Auslass der Anoden-Kammer zum Einlass der Anoden-Kammer in einem zweiten Zyklus der Wasserstoff in einem elektrochemischen Prozess ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt werden. Soll mit dem Co-Prozessor die Brennstoffzelle gekühlt und gleichzeitig der Brenngasschlupf aus der Anoden-Kammer recycelt werden, so wird vorgeschlagen, die Kammer des Co-Prozessors in zwei Kammern aufzuteilen, wovon die eine Kammer mit Recyclegas aus dem Auslass der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle und die andere Kammer als Kühler für die Brennstoffzelle arbeitet und mit Luft gekühlt wird.
  • Des Weiteren ist es möglich, den Co-Prozessor als Heizung für die Brennstoffzelle zu betreiben. Beispielsweise wird die Heizung als Heizstrahler ausgeführt und die in dem Co-Prozessor erzeugte Hitze über eine Verbindung auf die Brennstoffzelle derart übertragen, dass der Elektrolyt in der Brennstoffzelle für Protonen und Ionen leitend wird und wodurch ein elektrochemischer Prozess in der Brennstoffzelle ablaufen kann, in welchem das Brenngas verstromt wird. Dazu wird beispielsweise der Heizstrahler aus einer Stromquelle mit elektrischer Energie gespeist.
  • Für die Brennstoffzelle der Gattung MCFC und SOFC wird des Weiteren erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Co-Prozessor zwecks Heizung der Brennstoffzelle mit Dampf als Wärmeträgermedium zu speisen, wobei die durch den Dampf auf den Co-Prozessor übertragene Hitze über eine Verbindung und durch Abstrahlwärme auf den Schmelz- und Feststoff-Elektrolyten der Brennstoffzelle übertragen und die Brennstoffzelle soweit erhitzt wird, dass der Elektrolyt für Karbonat-Ionen und Sauerstoff-Ionen leitend wird und durch die hergestellte Leitfähigkeit ein elektrochemischer Prozess in der Brennstoffzelle ablaufen kann.
  • Das betreiben der Brennstoffzelle mit Dampf hat den Vorteil, das dieser Prozess umkehrbar ist und somit mit der erzeugten Wärme der Brennstoffzelle im Co- Prozessor auch Prozess-Dampf erzeugt werden kann, mit welchem sich beispielsweise ein Reformierungs-Prozess, ein Fernwärmeprozess und ein thermodynamischer Prozess antreiben lässt, indem der Co-Prozessor über eine Verbindung mit thermischer Energie aus der Brennstoffzelle unterhalten wird und jener die thermische Energie aus der Brennstoffzelle als Enthalpie im Dampf speichert. Hierzu wird der Co-Prozessor über seinen Einlass mit gering vorgespanntem Dampf gespeist, welcher im Co-Prozessor durch einen vorhandenen Temperaturgradienten, welcher zwischen dem zugeführten Dampf einerseits und der Brennstoffzelle andererseits herrscht, mit Energie aus der Brennstoffzelle aufgeladen wird. Der im Co-Prozessor aufgeladene Dampf verlässt daraufhin denselben über dessen Auslass.
  • Des Weiteren kann in dem Co-Prozessor ein leicht vorgespannter Dampf mit der Abwärme aus einer als Elektrolyseur betriebenen SOFC-Brennstoffzelle weiter erhitzt und die Brennstoffzelle durch die Abfuhr der von ihr erzeugten Abwärme hin zum Co-Prozessor, gekühlt werden.
  • Alternativ zum Dampf als Wärmeträgermedium kann der Co-Prozessor auch mit Gasmischungen und Einzelgasen, wie beispielsweise Luftsauerstoff, Kohlendioxid und Wasserstoff als Wärmeträgermedium unerhalten werden, wobei das Kohlendioxid und der Wasserstoff gegenüber dem Luftsauerstoff den Vorteil haben derart, dass sie eine höhere spezifische Wärmekapazität (cp) besitzen, wodurch in ihnen mehr thermische Energie als Enthalpie gespeichert werden kann. Hierdurch ergibt sich für den durch den Co-Prozessor zu transportierenden Stoffstrom eine deutliche Verringerung des Massenstroms und somit eine Reduzierung der Gebläseantriebsleistung.
  • Da der Wasserstoff jedoch erst oberhalb von 900°C gegenüber Sauerstoff inert wirkt, beschränkt sich die Wärmeübertragung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff auf die einer SOFC, welche oberhalb dieser Temperatur betrieben wird.
  • Des Weiteren besteht mit dem Co-Prozessor die Möglichkeit, in ihm einen exotherm ablaufenden Prozess, wie beispeilsweise den einer katalytischen Verbrennung ablaufen zu lassen. Die bei der katalytischen Verbrennung entstehende Wärme wird über eine Verbindung auf die Brennstoffzelle übertragen und der Elektrolyt in derselben soweit erhitzt, dass er für Protonen und Ionen leitend wird. Hierzu befinden sich in der Kammer des Co-Prozessors Edelmetallkatalysatoren, wie beispielsweise Platin oder Palladium oder eine Kombination daraus, an welchen der katalytische Prozess abläuft und welcher über den Einlass des Co-Prozessors mit Sauerstoff und Luftsauerstoff als Oxidant sowie mit Wasserstoff und Methan als Edukt unterhalten wird und über dessen Auslass die Verbrennungsprodukte den Co-Prozessor verlassen.
  • Die Beheizung der Brennstoffzelle mit dem Co-Prozessor und zwar sowohl mit thermischer als auch mit elektrischer Energie eröffnet für die Brennstoffzellen und insbesondere für die PEMFC und die DMFC neue Anwendungen.
  • Somit ist es beispielsweise möglich, eine tiefgekühlte PEMFC und DMFC durch eine Erhitzung schnell betriebsfähig zu machen, indem der Co-Prozessor als katalytische und als elektrische Heizung ausgeführt wird. Hierbei wird die in ihm erzeugte thermische Energie sowohl als Wärmestrom durch eine Verbindung als auch durch Abstrahlung auf den Elektrolyten der Brennstoffzelle übertragen.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Teil der elektrischen Heizung des Co-Prozessors außerhalb desselben zu betreiben. Dazu wird vorgeschlagen, den aus dem Co-Prozessor ausgelagerten Teil der elektrischen Heizung in den Elektrolyten der Brennstoffzelle einzubauen.
  • Eine Aufteilung der elektrischen Heizung hat den Vorteil, dass insbesondere Elektrolyten, wie beispielsweise die einer PEMFC, effektiver erwärmt werden können. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Elektrolyten, welche aus dem verwendeten Kunststoff resultiert, ist eine rasche Erwärmung bedingt nur von außen durchführbar.
  • Wird nun der Elektrolyt auch von innen über einen über die Fläche des Elektrolyten gleichmäßig verteilten und als Wärmequelle wirkender Heizdraht erhitzt, so muss die von ihm abgegebene Wärme nur noch sehr kurze Wege innerhalb des Elektrolyten zurücklegen, um ihn mit Wärme vollständig zu durchdringen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß derart gelöst, dass in den Elektrolyten eine Heizung eingebaut wird, welche von der PEM der Brennstoffzelle vollständig ummantelt ist. Als Heizung wird beispielsweise ein Heizdraht in Form eines Gitters oder der Form einer Spirale des Archimedes, oder eine perforierten und für Protonen und Ionen durchlässige Heizfolie oder ein elektrisch leitender und für Protonen und Ionen durchlässigen Kunststoff verwandt. Diese wird mit elektrischer Energie aus einer Stromquelle unterhalten, wobei der Strom aus der Stromquelle in der Heizung verstromt wird. Mit der aus der Verstromung gewonnenen thermischen Energie wird die PEM von innen beheizt, indem die thermische Energie über eine Verbindung von der Heizung auf die PEM übertragen wird.
  • Die elektrische Heizung im Elektrolyten wird beispielsweise mit einem Kaltleiter, wie beispielsweise einem PTC-Widerstand, selbständig geregelt. Ein sol cher Widerstand wird in den Elektrolyten eingebaut und mit dem Heizdraht in Reihe geschaltet. Dieser PTC-Widerstand ist so ausgelegt, dass er, sobald der Elektrolyt für Protonen und Ionen leitend ist, hochohmig wird und dadurch der Stromfluss durch ihn und den Heizdraht zum Erliegen kommt.
  • Mit dem durch den PTC-Widerstand geschalteten Stromfluss wird des Weiteren die elektrische Heizung im Co-Prozessor geschaltet. Dies erfolgt erfindungsgemäß derart, dass in Reihe mit dem Heizdraht und dem PTC-Widerstand außerhalb des Elektrolyten ein Stromwiderstand in die Zuleitung geschaltet ist, über welchem proportional zum fließenden Strom in der Heizung des Elektrolyten eine Spannung abfällt. Diese wird von beiden Seiten des Stromwiderstandes über jeweils eine Verbindung abgegriffen und einem Komparator als Ist-Spannung zugeführt, welche im Komparator mit einer Soll-Spannung verglichen wird. Der Komparator ist so beschaltet und eingestellt, dass er seinen Schaltzustand an seinem Ausgang von logisch 1 auf logisch 0 beim Unterschreiten eines Spannungswertes und von logisch 0 auf logisch 1 beim Überschreiten eines Spannungswertes ändert. Des Weiteren ist der Wert des Schaltpunktes so eingestellt, dass er bei einem Stromfluss schaltet, bei dem der Strom in der Heizung des Elektrolyten nahezu zum Erliegen gekommenen ist. Mit dem Ausgang des Komparators wird ein potentialfreier Schließer betätigt, welcher den Heizwiderstand im Co-Prozessor bei logisch 1 ein- und bei logisch 0 ausschaltet.
  • Für die Kühlung einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle wird des Weiteren erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese mit Unterstützung eines mit einem Peltierelement bestückten Co-Prozessors durchzuführen. Hierzu wird das Peltierelement im Co-Prozessor über eine Stromquelle mit Strom gespeist. Der Peltiereffekt bewirkt, dass die eine Seite des Peltierelementes sich erwärmt, während sich seine ihm gegenüber liegende Seite abkühlt. Das Peltierelement wird zwecks Kühlung der Brennstoffzelle mit einer Stromquelle derart verbunden, dass die der Brennstoffzelle zugewandte Seite sich abkühlt, während sich seine ihm gegenüber liegende Seite erwärmt. Diese Abwärme wird permanent durch ein Kühlmedium abtransportiert, so dass die Kühlwirkung des Peltierelementes nicht unterbrochen wird. Als Kühlmedium eignet sich beispielsweise Luft, Wasser, Methanol, usw., welches an der warmen Seite des Peltierelementes vorbeiströmt und dabei die Wärme von der Oberfläche des Peltierelementes als Enthalpie in sich aufnimmt und abführt. Gleichzeitig ist es möglich, durch Umkehrung des Stromflusses durch das Peltierelement den Wärmestrom von dem Peltierelement umzukehren, so dass durch das Peltierelement die Brennstoffzelle auch beheizt werden kann.
  • Eine Kühlung der Brennstoffzelle durch einen Co-Prozessor kann erfindungsgemäß auch mit einem Peltierelement als Kühler derart geschehen, dass mit dem Peltierelement nicht nur der Peltier-Effekt sondern auch der Seebeck-Effekt genutzt wird.
  • Die kalte Brennstoffzelle wird zunächst durch das Peltierelement des Co-Prozessors soweit erwärmt, dass beispielsweise die PEM einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle für Protonen leitend wird. Dazu wird das Peltierelement durch eine Stromquelle mit elektrischer Energie gespeist, wobei die Anschlüsse des Peltierelementes mit der Stromquelle derart verbunden werden, dass sich die der Brennstoffzelle zugewandte Seite erwärmt und die der Brennstoffzelle abgewandte Seite abkühlt.
  • Sobald die PEM der Brennstoffzelle für Protonen leitend ist und durch die PEM Protonen von der Anoden-Elektrode zur Kathoden-Elektrode fließen, erwärmt sich die PEM. Die hierbei entstehende Wärme muss abgeführt werden. Dies geschieht über die gleiche Verbindung wie zuvor, wobei diesmal der Wärmestrom in umgekehrter Richtung von der PEM der Brennstoffzelle zum Peltierelement fließt. Gleichzeitig ist die elektrische Verbindung zwischen der Stromversorgung und dem Peltierelement unterbrochen, wodurch der Wärmestrom der Brennstoffzelle das Peltierelement auf der der Brennstoffzelle zugewandte Seite erwärmt wird und sich der Temperaturgradient über dem Peltierelement erhöht.
  • Zwischen den beiden durch einen Halbleiter voneinander getrennten elektrischen Leitern des Peltierelementes findet durch den herrschenden Temperaturgradienten an den Übergängen der Leiter eine Ladungsverschiebung statt, welche gegenüber dem Peltier-Effekt in umgekehrter Richtung verläuft und als Seebeck-Effekt bekannt ist. Die durch die Ladungsverschiebung generierten Elektronen können abgegriffen und in einem elektrischen Verbraucher verstromt und in einem Akkumulator gespeichert werden.
  • Die Spannung über dem Peltierelement ist jedoch vergleichsweise gering, so dass die Spannung des Peltierelementes durch einen DC-DC-Wandler erhöht werden muss, damit die elektrische Energie des Peltierelementes in einem handelsüblichen Akkumulator gespeichert werden kann. Vorzugsweise wird das einzelne Peltierelement des Co-Prozessors in einem Brennstoffzellen-Stapel mit weiteren Peltierelementen anderer Co-Prozessoren in Reihe geschaltet, so dass sich die Spannung entsprechend der Anzahl der in Reihe geschalteter Peltierelemente erhöht.
  • Der durch den Seebeck-Effekt generierte Strom aus dem Peltierelement fließt gegenüber dem Strom aus der Stromquelle in umgekehrter Richtung. Der Seebeck-Effekt wird gehalten und verstärkt, wenn der Temperaturgradient konstant bleibt und ansteigt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass die kalte Seite des Peltierelementes konstant bleibt und die mit der Brennstoffzelle verbundene Seite sich weiter erwärmt oder die mit der Brennstoffzelle verbundene Seite des Peltierelementes konstant bleibt und seine ihm gegenüber liegende Seite gekühlt wird. Die Kühlung der kalten Seite kann beispielsweise durch die kalte Seite eines zweiten Peltierelements erfolgen, wobei das zweite Peltierelement durch die Zuführung von elektrischer Energie gekühlt wird, während das erste Peltierelement durch die Abführung von elektrischer Energie abkühlt. Der durch die Abführung von elektrischer Energie fließende Strom bewirkt im elektrischen Leiter des Peltierelementes Joul'sche Wärme. Die den Wirkungsgrad beeinträchtigende Joul'sche Wärme wird beispielsweise durch ein das Peltierelement beströmendes Wärmeträgermedium, wie beispielsweise Wasser, Methanol und Luft, welches die Wärme als Enthalpie in sich speichert, abgeführt.
  • Der Co-Prozessor wird mit der Brennstoffzelle zu einer Einheit gestapelt. Mehrere solcher Einheiten aufeinander gestapelt ergeben einen Brennstoffzellen-Stapel, wobei der Brennstoffzellen-Stapel vornehmlich mit einem Stromkollektor beginnt und endet.
  • Für große Leistungen, wie beispielsweise für ein dezentrales Hochtemperatur-Brennstoffzellenkraftwerk oder ein noch größeres IGCC-Kraftwerk (IGCC für Integrated Gasification Combined Cycle) wird als Bauform ein Hexagon für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle und den Co-Prozessor vorgeschlagen, wohingegen für dezentrale Brennstoffzellen-Kraftwerke mit einer Leistung von bis zu ca. 500kW die Pentagon-Bauform gegenüber der Hexagon-Bauform von größerem Vorteile ist.
  • Das Pentagon hat hierbei den Vorteil, dass ein Vor-Reformer im Co-Prozessor mit seinem Ausgang direkt mit dem Einlass der Anoden-Kammer verbunden werden kann, wodurch sich der Aufwand für Verbindungsleitungen zwischen der Brennstoffzelle und dem Co-Prozessor und insbesondere mit einem Vor-Reformer, welcher sich im Co-Prozessor befindet, verringert. Dadurch lässt sich der Prozess im Co-Prozessor mit dem der Brennstoffzelle auf kleinstem Raum optimieren, indem er über eine Verbindung mit der Brennstoffzelle durch dieselbe direkt angetrieben wird. Durch den Wegfall von Rekuperatoren außerhalb der Brennstoffzelle gewinnt die Pentagon-Brennstoffzelle mit einem Co-Prozessor einen deutlichen Kostenvorteil gegenüber anderen Systemen.
  • Für einen Leistungssprung bei den Brennstoffzellen-Kraftwerken, um mit diesen in Leistungsbereiche zu kommen, welche für Großkraftwerke geeignet sind, reichen sowohl das Pentagon als auch das Hexagon alleine nicht aus. Um einen derartigen Leistungssprung durchführen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Brennstoffzellen und die Co-Prozessoren als Hexagone auszuführen und zu einer Wabe zusammen zu setzten, wobei insbesondere der Co-Prozessor auch die Form eines Kreises annehmen kann. Das Hexagon hat gegenüber allen bis dato bekannten geometrischen Formen den Vorteil, dass es sich mit weiteren Hexagonen zu einer als Hexagon ausgebildeten Wabe mit höchster Packungsdichte, insbesondere die der Brennstoffzellen, verbinden lässt. Eine solche Wabe lässt sich des Weiteren durch die Verbindung mit einer Wabe aus Co-Prozessoren mit einer weiteren Brennstoffzellen-Wabe zu einem aus mindestens zwei Brennstoffzellen-Waben bestehenden Brennstoffzellen-Waben-Stapel verbinden, wobei sich auf diesen weitere Brennstoffzellen-Waben und Co-Prozessor-Waben stapeln lassen. Ein solch neuer, aus gestapelten Brennstoffzellen- und Co-Prozessoren-Waben zusammengesetzter Brennstoffzellen-Waben-Stapel hat den Vorteil, dass sich dessen Leistung durch zwei Faktoren vergrößert, nämlich die der endogenen Verbindung der Brennstoffzellen zu Waben und der Schichtung von mehr Brennstoffzellen.
  • Durch das Verbinden von als Hexagone ausgebildeter Co-Prozessoren und Brennstoffzellen zu jeweils einer Wabe wird von der Brennstoffzellen-Wabe eine Leistung bereitgestellt, welche gegenüber einer herkömmlichen Brennstoffzelle um mindestens den Faktor sieben größer ist. Durch eine weitere Ausweitung der Ausmaße der Wabe, bei der eine weitere Reihe an Co-Prozessoren und Brennstoffzellen um eine bestehende Wabe herum angereiht wird, vergrößert sich deren Fläche zunächst um 12 Brennstoffzellen auf insgesamt 19 Stück und durch eine weitere Reihe auf insgesamt 37 Stück, danach 61 Stück, usw. Hierbei nimmt der Zugewinn in der Fläche stärker zu als die Höhe. Dies ist darin begründet, dass sich die Höhe der einzelnen Wabe aufgrund des größeren Massenstrom in der Anoden- und der Kathoden-Kammer der Brennstoffzellen und der Kammer der Co-Prozessoren zwar erhöht, aber gleichzeitig sich auch die Breite der gemeinsamen Ein- und Auslässe der Anoden- und der Kathoden-Kammer von der Brennstoffzellen-Wabe und der Kammern von der Co-Prozessoren-Wabe vergrößert, wodurch ein wesentlicher Teil der erforderlichen Querschnittsvergrößerung durch den Zugewinn an Breite ausgeglichen wird. Das gedrungene Wachstum an Höhe hat den Vorteil, dass gegenüber einem herkömmlichen Brennstoffzellen-Stapel prozentual mehr Waben übereinander stapelbar sind.
  • Beide Parameter, Anzahl der Hexagone je Wabe und die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen-Waben übereinander erlauben somit eine deutlich Anhebung der Leistung derart, dass es sich als Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk innerhalb eines IGCC-Kraftwerkes mit einer installierten Leistung von 100MW und mehr betreiben lässt.
  • Die einzelne Wabe, welche abwechselnd mit Brennstoffzellen und mit Co-Prozessoren bestückt ist, wird jeweils von einem Rahmen umgriffen, in welchem sich ein Einlass und ein Auslass für die Anoden-Kammer, Kathoden-Kammer und den Co-Prozessor befinden. Der Einlass und Auslass der Anoden-Kammer ist dabei gegenüber dem Ein- und dem Auslass der Kathoden-Kammer um ca. 120° versetzt, während der Ein- und der Auslass des Co-Prozessors gegenüber der Anoden- und der Kathoden-Kammer ebenfalls um ca. 120° versetzt angeordnet sind.
  • Zwischen den Ein- und den Auslässen des Brennstoffzellen-und des CoProzessor-Waben-Stapels werden Raumteiler angebracht, welche durch jeweils einen Boden, einem Deckel und einem äußeren Mantel Räume bilden. Diese Räume bilden für die parallel geschalteten Ein- und Auslässe der Anoden- und der Kathoden-Kammern der Brennstoffzellen sowie den Ein- und den Auslässen der Co-Prozessoren jeweils eine gemeinsame Zuleitung und Ableitung. Vorzugsweise in den Deckel und den Boden der angebauten Räume sind Ein- und Auslässe angebracht, über welche die Räume über äußere Zuleitungen mit Brenngas, Luftsauerstoff und beispielsweise Dampf als Kühlmedium unterhalten werden, während über die äußeren Ableitungen die Brenngasreste und das Abgas aus den Anoden-Kammern, die Abluft aus den Kathoden-Kammern und der thermisch angereicherte Dampf aus den Co-Prozessoren abfließen.
  • Die um den Waben-Stapel herum angebrachten Raumteiler gehen strahlenförmig von denselben ab, wobei mit einem Mantel, welcher die angebauten Räume umgreift, mit der von ihm kürzest gewählte Verbindung, nämlich die von einem freien Ende eines Raumteilers zum nächsten Raumteiler, wiederum ein Hexagon entsteht.
  • Ein besonderer Vorteil der Hexagone in einer Wabenkonstruktion besteht dabei u.a. auch darin, dass die einzelne Wabe mit weiteren Waben gestapelt und gleichzeitig das einzelne Hexagon unabhängig von den Nachbar-Hexagonen auf der einzelnen Wabe, mit den darüber gestapelten Hexagonen in einer elektrischen Reihen schaltung betrieben werden kann. Dies macht es beispielsweise möglich, das einzelne Hexagon mit den darüber gestapelten Hexagonen zu einer eigenständigen Säule an Brennstoffzellen zu vereinen. Eine solche Säule ist gegenüber den benachbarten Brennstoffzellen elektrisch isoliert, so dass sie unabhängig von den benachbarten Brennstoffzellen betrieben werden kann. Damit ist es beispielsweise möglich, das Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk in einem besonders breiten Leistungsbereich durchgehend zu betreiben. Es macht es möglich, das Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk nicht nur als Grundlast-Kraftwerk sondern auch als Spitzenlast-Kraftwerk zu betreiben, indem nur so viele Brennstoffzellen-Säulen Strom erzeugen, wie es die Nachfrage erfordert.
  • Da durch den einstellbaren Teillastbereich stets ein Teil der Brennstoffzellen in Betrieb sind, können diese das Brennstoffzellen-Kraftwerk mit ihrer Abwärme auf Betriebstemperatur halten. Dies hat den Vorteil, dass das Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk durchgehend betrieben und innerhalb kürzester Zeit jeden beliebigen Lastfall mit Energie versorgen kann.
  • Die als Hexagone ausgebildeten Brennstoffzellen werden dazu zu einer Wabe in einer Montageplatte verfügt derart, dass keine vagabundierende Gase von der Anoden- in die Kathoden-Kammer sowie von dem Co-Prozessor in die Anoden- und Kathoden-Kammer und umgekehrt strömen können. Des Weiteren besteht die Lösung aus einer in sich selbst tragenden Waben-Tragekonstruktion für die Brennstoffzellen und die Co-Prozessoren.
  • Die Montageplatten für die zu Waben zusammen gesetzten Stromkollektoren, Brennstoffzellen und die in Split-Bauweise mit Stromdurchleitungsplatten betriebenen Co-Prozessoren bestehen vorzugsweise aus Metallplatten, in wel chen sich Ausschnitte, vorzugsweise in der Form von Hexagonen für die Aufnahme der Stromkollektoren, Brennstoffzellen und der Co-Prozessoren befinden, wobei die Ausschnitte für die Stromdurchleitungsplatten und die Stromkollektoren auch andere Formen, wie beispielsweise Kreis, Quadrat oder Rechteck annehmen können.
  • Die einzelne Brennstoffzellen- und Co-Prozessor-Wabe wird von einem Rahmen umfasst, welcher mit der Montageplatte fest verbunden ist und in welchem sich der Einlass und der Auslass für die Anoden-Kammern und die Kathoden-Kammern der Brennstoffzellen sowie die der Co-Prozessoren befinden.
  • Die Stapelung der Waben übereinander erfolgt in einer frei tragenden Konstruktion. Die frei tragende Konstruktion besteht im Wesentlichen aus den mit Rahmen versehenen Montageplatten, welche übereinander gestapelt und durch Abstandssäulen voneinander abgestützt werden. Die Abstandssäulen sind vorzugsweise an den Ecken des einzelnen Hexagons platziert und nehmen die auf ihnen ruhenden Tragkräfte auf. Am äußeren Rand der Montageplatten befinden sich umlaufende Auflagenflächen, welche in den die Montageplatten umgreifenden Rahmen eingebaut sind.
  • Die frei tragende Konstruktion ist vorzugsweise auf einem Fundament gegründet. Die Verbindung zwischen dem Brennstoffzellen-Waben-Stapel und dem Fundament erfolgt vorzugsweise mit einem Isolator, welcher sowohl thermisch als auch elektrisch den Brennstoffzellen-Waben-Stapel vom Erdreich isoliert, so dass der aus dem Brennstoffzellen-Waben-Stapel zum Erdreich abfließende Wärmestrom auf ein Minimum reduziert wird. Gleichzeitig wird der als Stromquelle wirkende Brennstoffzellen-Waben-Stapel vom Erdreich galvanisch getrennt.
  • Über den in frei tragender Konstruktion aufgebaute Brennstoffzellen- Waben-Stapel wird ein Gehäuse gestülpt, welches den Brennstoffzellen-Waben-Stapel nach außen hin thermisch und elektrisch abschirmt. Das isolierend wirkende Gehäuse ist über eine Verbindung mit dem Erdreich verbunden. Der im Erdreich angebrachte Massepunkt ist vorzugsweise als Sternpunkt ausgeführt, auf welchen alle technisch erforderlichen Erdungen zulaufen, so dass eine im Störungsfall auftretende und als Schritt-Spannungen bekannte Spannung im Erdreich vermieden werden.
  • Auf dem Fundament wird der thermische Isolator angebracht. Dies geschieht bei großen Brennstoffzellen-Waben-Stapeln vorzugsweise derart, dass der Isolator als Gießmasse in eine Gießform gegossen wird, in welcher er bei Raumtemperatur aushärtet. Dies hat den Vorteil, dass mögliche Unebenheiten im Fundament ausgeglichen werden, wodurch die darauf aufbauende Konstruktion sich nicht verwinden kann und an Stabilität gewinnt. Vorzugsweise werden Pfähle in die Gießmasse mit eingebracht, in welchen die von der darüber befindlichen frei tragenden Konstruktion ausgehenden Tragkräften zu einem wesentlichen Teil absorbiert werden.
  • Bei den Pfählen kann es sich beispielsweise um gebranntes Aluminiumoxid handeln, während es sieh bei der Gießmasse vorzugsweise um Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid und Zirkonoxid handelt. Die Gießmasse füllt den Raum um die Pfähle aus und verleiht denselben eine höhere Stabilität, indem sie einen Teil der eintreffenden Kräfte aus der über ihr ruhenden Grundplatte absorbiert. Die Form für die Gießmasse ist so gewählt, dass die Anschlüsse der Stromkollektoren frei hindurch führen. Des Weiteren ist die Gießform mit Überläufen versehen, über welche überschüssige Gießmasse ablaufen kann. Auf die frisch eingefüllte Gießmasse kommt augenblicklich die Grundplatte des Brennstoffzellen-Stapels. Diese wird auf die zuvor gefluchteten und nivellierten Pfähle aufgesetzt. Dabei verdrängt die Grundplatte den überschüssigen Teil der Gießmasse, welcher über die Überläufe in der Gießform abläuft.
  • In die Ausschnitte der Grundplatte werden daraufhin die Stromkollektoren eingesetzt, welche vorzugsweise gegenüber der Grundplatte isoliert montiert werden. Als Isolator und Abdichtung wird vorzugsweise ein poröser und mit Schmelzelektrolyt gefüllter Dichtungsring aus Aluminiumoxid verwendet, welcher plan auf der Grundplatte aufliegt und auf welchen der Stromkollektor aufgesetzt wird. Der Elektrolyt besteht vorzugsweise aus Kaliumkarbonat. Dieser hat den Vorteil, dass er bei einer Betriebstemperatur oberhalb von 700°C schmilzt und als Schmelze aus den Poren des Dichtungsringes dringt und die plane Fläche der Grundplatte mit dem Dichtungsring als auch die plane Fläche des Stromkollektors mit dem Dichtungsring abgedichtet wird. Gleichzeitig wirkt das Kaliumkarbonat gegenüber dem elektrischen Strom als Isolator. Im Feuchten Medium hingegen, wie es beispielsweise in den Anoden-Kammern der Brennstoffzellen und in den mit Dampf unterhaltenen Co-Prozessoren herrscht, läuft die Reaktion K2CO3 + H2O ↔ 2 KOH + CO2 ab, in welcher das Kaliumkarbonat zersetzt wird. Alternativ zu einer solchen Dichtung wird beispielsweise eine Hochtemperatur-Dichtung der Firma Klinger verwandt. wie beispielsweise die Ausführung „KLINGERmilan".
  • Vorzugsweise befinden sich in der Grundplatte bereits zylindrische Zugstangen mit einem Außengewinde, welche auf der Grundplatte stehend fixiert sind und über welche der Dichtungsring und der Stromkollektor gestülpt werden. Der einzelne Stromkollektor wird daraufhin mit Muttern auf den Dichtungsring und der Dichtungsring seinerseits auf die Grundplatte gepresst. Innerhalb der Durchgangslöcher der Stromkollektoren befindet sich Isolierhülsen, welche eine elektrische Verbindung zwischen der einzelnen Zugstange und der Innenwand des Durchgangslochs verhindert. Gleichzeitig befindet sich zwischen der einzelnen Mutter und dem darunter befindlichen Stromkollektor eine als Isolator wirkende Unterlegscheibe. Die Isolierhülsen in den Durchgangslöchern und die Unterlegscheiben bestehen vorzugsweise aus Alumiumoxid.
  • In Gleicher Weise wie die Stromkollektoren werden die Brennstoffzellen in der als Wabe ausgeführten Montageplatte elektrisch isoliert befestigt.
  • Die Co-Prozessoren werden im Brennstoffzellen-Waben-Stapel vorzugsweise als Dampferzeuger betrieben. Eine vorteilhafte Ausführung eines in Split-Bauweise montierten Co-Prozessors besteht beispielsweise aus zweien mit Ausbrüchen versehenen und zu Sandwiches zusammengefügten Montageplatten, in welche von beiden Seiten Stromdurchleitungsplatten eingebaut werden. Diese dichten die Montageplatten gegenüber einem Dampfaustritt ab. Gleichzeitig sind sie gegenüber der Montageplatte elektrisch isoliert befestigt. Die beiden Sandwich-Hälften sind durch Abstandssäulen voneinander beabstandet verbunden, so dass zwischen den beiden Montageplatten ein Dampfstrom strömen kann und gleichzeitig der sich aufbauende Druck des Dampfes zwischen den beiden Sandwich-Hälften dieselben nicht aufblähen kann. Die beiden sich gegenüber stehenden Stromdurchleitungsplatten sind vorzugsweise über ein als Interkonnektor wirkendes Verbindungselement miteinander elektrisch verbunden. Innerhalb des Co-Prozessors befinden sich beispielsweise metallische Pall'sche Ringe als Schüttung, durch welche die Wärme übertragende Oberfläche im Innern der Co-Prozessoren vergrößert wird, ohne dass sich der Strömungswiderstand innerhalb desselben für den Dampf wesentlich erhöht.
  • Die Ausbrüche in den beiden Montageplatten des als Dampferzeuger ausgeführten Co-Prozessors sind mit Stromdurchleitungsplatten verschlossen. Die sich gegenüber stehenden Stromdurchleitungsplatten sind über eine den Co-Prozessor durchgreifende und als Verbindung dienenden Interkonnektor miteinander verbunden, wobei die Stromdurchleitungsplatten in der oberen Montageplatte über Verbindungen mit den Anoden-Elektroden der darüber angeordneten Brennstoffzellen und die Stromdurchleitungsplatten in der unteren Montageplatte über Verbindungen mit den Kathoden-Elektroden der darunter befindlichen Brennstoffzellen verbunden sind.
  • Die Isolierung der auf den Montageplatten montierten Stromkollektoren erfolgt beispielsweise mit einer metallfreien Hochtemperaturdichtung, wie beispielsweise die der unter dem Namen „Klingermilan" von der Firma Klinger vertriebenen Dichtung. In den Stromkollektoren befinden sich für die Befestigung auf der Montageplatte wiederum Durchgangslöcher, welche mit einer Keramik ausgekleidet sind. Hierzu werden die Stromkollektoren über die in der darunter angeordneten Montageplatte verankerten und mit Außengewinden versehenen Zugstangen gestülpt und mit Muttern auf die Montageplatte mit der dazwischen liegenden Dichtung gepresst und der Stromkollektor den Ausbruch in der Montageplatte abdichtet. Zwischen der einzelnen Mutter und dem Stromkollektor befindet sich beispielsweise eine Unterlegscheibe oder einen Isolierring aus Aluminiumoxid, welche gegenüber dem Stromkollektor isolierend wirken.
  • Die gegenüber den Montageplatten isoliert montierten Stromkollektoren, Stromdurchleitungsplatten und Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass einzelne Brennstoffzellen innerhalb einer Wabe zu einer als Brennstoffzellen-Stapel ausgeführten Brennstoffzellen-Säule innerhalb eines Brennstoffzellen-Waben-Stapels zu betreiben sind, ohne dass die benachbarten Brennstoffzellen in den Prozess der Brennstoffzellen-Säule eingreifen können.
  • Dies hat den Vorteil, dass einzelne Brennstoffzellen-Säulen innerhalb des Brennstoffzellen-Waben-Stapels jederzeit abgeschaltet oder mit anderen Brennstoffzellen-Säulen parallel oder in Reihe betrieben werden können. Dadurch ist es beispielsweise möglich, mehrere Brennstoffzellen-Säulen so in Reihe zu schalten, dass eine deutlich höhere Brennstoffzellen-Spannung realisiert werden kann. Mit einer solch hohen Spannung lässt sich beispielsweise ein Hochspannungs-Motor als Antrieb für einen Hochspannungs-Generator betreiben, welcher über einen Antriebsstrang mit dem Hochspannungs-Motor verbunden ist.
  • Der Aufbau der Hexagone zu einer Wabe und die anschließende Stapelung der Waben zu einem Brennstoffzellen-Kraftwerk hat schließlich den Vorteil, dass das Brennstoffzellen-Kraftwerk in beliebiger Größe gebaut werden kann. Hierbei ist von besonderem Vorteil, dass der Zusammenbau durch den modularen Aufbau vor Ort erfolgen kann, so dass auch solche Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerke sich realisieren lassen, die bezüglich eines Transports auf der Straße, der Schiene und zu Wasser so nicht darstellbar wären.
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  • Anwendungsbeispiele
  • Die l zeigt einen als Pentagon ausgeführten Co-Prozessor, welcher mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle verbunden ist und der Co-Prozessor sowohl zur Kühlung als auch als Stromkollektor dient.
  • In einer weiteren Ausführung zeigt die 2 einen als Hexagon ausgeführten Co-Prozessor und eine als Hexagon ausgeführte Brennstoffzelle, welche zusammen einen Teil eines Brennstoffzellen-Stapels bilden. Die Brennstoffzelle schließt auf der einen Seite mit einem Stromkollektor und auf der anderen Seite mit dem Co-Prozessor ab, an welchen sich eine weitere Brennstoffzelle anreihen lässt.
  • Eine Stapelung von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stapel ist in der 3 dargestellt, in welcher es sich sowohl um eine Pentagon- als auch um eine Hexagon-Ausführung handeln kann und die Brennstoffzellen durch einen Co-Prozessor als Interkonnektor wirkend zu einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
  • Die 4 zeigt im Schnitt einen Brennstoffzellen-Modul in hexagoner Form, welcher in der Draufsicht in die Kammer des Co-Prozessors zeigt, unter welcher sich eine Brennstoffzelle und ein Stromkollektor befinden, welche in den eingezeichneten Richtungen mit einem gasförmigen Massenstrom durchströmt werden.
  • Die 5 zeigt im Schnitt einen Brennstoffzellen-Modul in hexagoner Wabenform, welcher in der Draufsicht eine Wabe mit sieben Co-Prozessoren zeigt, unter welchen sich jeweils eine Brennstoffzelle und ein Stromkollektor befinden und welche in den eingezeichneten Richtungen mit einem gasförmigen Massenstrom durchströmt werden
  • Die 6 zeigt im Schnitt eine aus drei Strömungs-Ebenen bestehende Schichtung von Waben, welche jeweils mit Co-Prozessoren, Brennstoffzellen und Stromkollektoren bestückt sind und der Blick auf die als Stromdurchleitungsplatten ausgebildeten Co-Prozessoren zeigt.
  • Die 7 zeigt eine als Montagezeichnung dienende Explosionszeichnung, in welcher zwei mit Brennstoffzellen bestückte Waben und eine Wabe mit Co- Prozessoren übereinander in einer frei tragenden Konstruktion gestapelt werden und beidseitig mit Stromkollektoren abschließen.
  • Die 8 zeigt eine Stromdurchleitungsplatte eines Co-Prozessors stellvertretend für die Brennstoffzellen und die Stromkollektoren, welche mit Hilfe eines Abdichtrings auf einer Montageplatte befestigt wird, während gleichzeitig mit Isolierhülsen in den Durchgangslöchern der Stromdurchleitungsplatte einerseits und Isolierscheiben zwischen den festziehenden Muttern sowie der Stromdurchleitungsplatte andererseits ein elektrischer Kontakt verhindert wird.
  • In der 9 ist ein als Vor-Reformer betriebener Co-Prozessor dargestellt, in welchem Brenngas aus Methan reformiert wird, wobei der Co-Prozessor mit thermischer Energie aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle unterhalten und durch den Abfluss von thermischer Energie aus der Brennstoffzelle dieselbe gekühlt wird.
  • Die 10 zeigt einen als Dampferzeuger betriebenen Co-Prozessor, welcher mit thermischer Energie aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle unterhalten und durch den Abfluss von thermischer Energie aus der Brennstoffzelle dieselbe gekühlt wird, wobei mit dem Dampf aus dem Co-Prozessor eine Dampfturbine mit angeschlossenem Generator angetrieben wird.
  • In der 11 ist ein als Rekuperator ausgeführter Co-Prozessor dargestellt, welcher mit thermischer Energie aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle unterhalten und durch den Abfluss von thermischer Energie aus der Brennstoffzelle dieselbe gekühlt wird, wobei die abzuführende Wärme der Brennstoffzelle ein Kreislaufgas im Co-Prozessor anreichert, welches außerhalb der Brennstoffzelle in einem in Reihe betriebenen Rekuperator wieder abgereichert wird.
  • In der 12 ist ein als Reformer ausgeführter Co-Prozessor dargestellt, welcher mit Methan, Wasserdampf und Kohlendioxid unterhalten wird und ein an Wasserstoff und Kohlenmonoxid reiches Brenngas liefert. Der Reformierungs-Prozess wird über eine Verbindung mit thermischer Energie aus der Brennstoffzelle unterhalten, welche durch den Abfluss von thermischer Energie an den Co-Prozessor gekühlt wird. Eine PSA-Anlage trennt anschließend die Brenngasmischung aus dem Co-Prozessor, wobei ein Ausgang der PSA-Anlage Wasserstoff und ein anderer Ausgang Kohlenmonoxid liefert. Mit dem daraus gewonnenen monotonen Brenngas werden eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff und eine andere Brennstoffzelle mit Kohlenmonoxid gespeist, in welcher durch die Verstromung des monotonen Brenngases keine Shift-Reaktion und somit keine durch Nachreformierung bedingte Degradation der Anoden-Elektrode stattfinden kann.
  • Die 13 zeigt einen als Rekuperator ausgeführten Co-Prozessor, welcher mit einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle verbunden ist. Der Co-Prozessor wird mit Gebläseluft und Fahrtwind gekühlt, wobei die von der Brennstoffzelle abzuführende Wärme auf den Co-Prozessor übertragen und von dort von der Gebläseluft und dem Fahrtwind aufgenommen und als Enthalpie gespeichert sowie durch die thermisch angereicherte Luft abgeführt wird, wodurch die Temperatur der Brennstoffzelle durch die Abführung von thermischer Energie an den Co-Prozessor abgesenkt wird.
  • In der 14 ist ein als katalytische Heizung ausgeführter Co-Prozessor dargestellt, welcher über eine Verbindung eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit einem Wärmestrom derart erhitzt, dass die PEM der Brennstoffzelle für Protonen leitend wird.
  • Die 15 zeigt einen als elektrischen Heizstrahler ausgeführten Co-Prozessor, dessen Heizwiderstand über eine Verbindung mit der PEM einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle verbunden ist und welcher mit elektrischer Energie aus einer Stromquelle unterhalten wird. Mit dem Co-Prozessor wird die PEM der Brennstoffzelle solange erhitzt, bis dass die PEM für Protonen leitend wird.
  • In der 16 ist ein Co-Prozessor zusammen mit einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle als Explosionszeichnung dargestellt, in welcher der Co-Prozessor als Teil einer Heizung die PEM der Brennstoffzelle über eine Verbindung von außen erhitzt, während eine sich selbst regelnde elektrische Heizung in der PEM dieselbe von innen erwärmt.
  • Die 17 zeigt den Heizwiderstand eines Co-Prozessors als Teil eines sich selbst regelnden PEM-Heizsystems, in welchem ein Komparator den Heizwiderstand des Co-Prozessors steuert und der Komparator durch die sich selbst regelnde Heizung in der PEM der Niedertemperatur-Brennstoffzelle geschaltet wird.
  • Die 18 zeigt einen als Kühler und Erhitzer ausgeführten Co-Prozessor, durch welchen der Peltier-Effekt für die Kühlung und Erhitzung der PEM einer DMFC-Brennstoffzelle genutzt wird, indem ein elektrisch betriebenes Peltierelement mit der PEM auf der einen Seite und mit einem Kühlmedium auf der anderen Seite verbunden ist. Durch eine Umpolung des elektrischen Stromes ist der Wärmestrom derart umkehrbar, dass sich die erhitzte Seite abkühlt und die kühle Seite sich erhitzt. In der Heizphase wird die PEM der Brennstoffzelle über eine Verbindung mit Wärme gespeist und für Protonen leitend gemacht und danach durch abwechselndes Kühlen und Heizen auf Temperatur gehalten. Bei dem Kühlmedium handelt es sich auf der anderen Seite des Peltierelementes um eine Mischung aus Methanol und Wasser, welche regelmäßig durch nachfließende Flüssigkeit aus dem Tank aufgefüllt wird und die als Rekuperator ausgeführte Kammer des Co-Prozessors durchströmt. Hierbei wird der erhitzten Seite des Peltierelementes thermische Energie entzogen und in der Flüssigkeit als Enthalpie gespeichert. Ein Teil der erwärmten Flüssigkeit aus dem Co-Prozessor wird der Anoden-Kammer zur Verstromung zugeführt, während der übrige Teil in einem äußeren Rekuperator thermisch abgereichert und im Kreis geführt wird.
  • Die 19 zeigt einen als Kühler und Erhitzer ausgeführten Co-Prozessor, durch welchen der Seebeck-Effekt für die Kühlung der PEM einer DMFC-Brennstoffzelle genutzt wird, indem ein elektrisch betriebenes Peltierelement mit der PEM auf der einen Seite und mit einem elektrischen Verbraucher als Kühlmedium verbunden ist. Durch eine Umpolung des elektrischen Stromes ist der Wärmestrom derart umkehrbar, dass sich die erhitzte Seite abkühlt und die kühle Seite sich erhitzt. In der Heizphase der PEM wird die PEM der Brennstoffzelle über eine Verbindung mit Wärme gespeist und für Protonen leitend gemacht und danach durch abwechselndes kühlen und heizen auf Temperatur gehalten. Bei dem Kühlmedium auf der der Brennstoffzelle abgewandten Seite handelt es sich um Elektronen, welche durch eine durch Temperaturunterschied resultierende Ladungsverschiebung innerhalb des Peltierelementes freigesetzt und über eine Verbindung einem elektrischen Verbraucher zur Verstromung zugeführt werden. Zusätzlich wird die durch den Stromfluss erzeugte Wärme, welche den Thomson-Effekt überlagert, durch eine Kühlflüssigkeit abgeführt.
  • Die 20 zeigt einen mit Co-Prozessoren bestückten Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Waben-Stapel, welcher aus einzelnen Brennstoffzellen-Säulen besteht und welche über Schließer zu einer Parallel- und Reihenschaltung zusammengeschaltet werden, wobei die Parallelschaltung auf der Schaltebene (J) und die Reihenschaltung auf der Schaltebene (K) stattfindet.
  • Die 21 zeigt einen als Dampferzeuger ausgeführten Co-Prozessor, welcher aus einer als Elektrolyseur betriebenen SOFC-Brennstoffzelle mit thermischer Energie unterhalten wird und dieser mit der thermischen Energie aus der Brennstoffzelle den Dampf für den Elektrolyse-Prozess erhitzt, wobei er durch die Entnahme von Wärme aus der Brennstoffzelle dieselbe kühlt.
  • Die 1 zeigt im Einzelnen einen Co-Prozessor (1), eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (26) der Gattung MCFC und einen Stromkollektor (27). Die Seitenansicht ist im Schnitt (A-A) und die Draufsicht im Schnitt (B-B) dargestellt.
  • Die Kammer (2) des Co-Prozessors (1) ist im Innern mit Katalysatormaterial gefüllt. Die Kammer (2) ist von einem Gehäuse umschlossen, welches aus einer als Stromdurchleitungsplatte (1a) dienenden Bodenplatte und einer als Stromdurchleitungsplatte (1b) dienenden Deckplatte sowie aus einem als Interkonnektor (1c) verbindenden Rahmen besteht.
  • An den Co-Prozessor (1) grenzt die Kathoden-Kammer (14) an, welche über die Stromdurchleitungsplatte (1a) und einer Verbindung (1d) mit einem Metall-Schwamm in Kontakt geht, welcher die Kathoden-Kammer (14) ausfüllt und von einem Rahmen (13) umgriffen ist.
  • Der Metall-Schwamm der Kathoden-Kammer (14) geht auf der gegenüber liegenden Seite mit dem Schichtkörper (12) in Kontakt. Dieser besteht aus der Kathoden-Elektrode (11), dem Elektrolyten (10) und der Anoden-Elektrode (9).
  • Die Anoden-Elektrode (9) geht zur gleichen Zeit mit dem Metall-Schwamm in der Anoden-Kammer (6) in Kontakt, welche von dem Rahmen (5) umgriffen ist, während der Metall-Schwamm auf der gegenüber liegenden Seite mit dem Stromkollektor (27) in Kontakt geht.
  • Die Anoden-Kammer (5), der Schichtkörper (12) und die Kathoden-Kammer (14) der Brennstoffzelle (26) sowie der Co-Prozessor (1) sind als Pentagon ausgeführt. Die die Brennstoffzelle (26) umgreifenden Rahmen (5 und 13) sowie die die Stromdurchleitungsplatten (1a und 1b) miteinander verbindende und als Rahmen ausgebildete Interkonnektor-Verbindung, besitzen an ihrem Umfang die fünf Seitenflächen (17, 18, 19, 20 und 21), in welchen sich die Ein- und die Auslässe (3, 4, 7, 8, 15 und 16) der Anoden-Kammer und der Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle sowie die des Co-Prozessors befinden.
  • Hierbei ist der Auslass (4) des Co-Prozessors (1) mit dem Einlass (8) der Anoden-Kammer (6) über den Kurzschluss (23) verbunden.
  • Gespeist wird der Co-Prozessor (1) über den Einlass (3) mit einem Gasstrom (22) aus Methan, Wasserdampf und Kohlendioxid bestehend, welcher in den Co-Prozessor (1) einströmt und im Innern desselben mit Hilfe des vorhandenen Katalysator-Materials zu Brenngas reformiert wird. Hierzu wird der endotherm ablaufende Reformierungsprozess im Co-Prozessor (1) über die Wärmestrom-Verbindung (1d) mit thermischer Energie aus der Kathoden-Kammer (14) der Brennstoffzelle (26) angetrieben.
  • Der Gasstrom (22), welcher im Co-Prozessor (1) zu Brenngas reformiert wurde, verlässt den Co-Prozessor (1) über dessen Auslass (4). Der Auslass (4) des Co-Prozessors (1) und der Eingang der Anoden-Kammer (6) der Brennstoffzelle (26) sind über den Kurzschluss (23) miteinander verbunden, über welchen die Anoden-Kammer (6) durch den Gasstrom (24) mit Brenngas unterhalten wird.
  • Der Gasstrom (24), welcher in der Anoden-Kammer (6) verstromt wurde, verlässt die Anoden-Kammer (6) über deren Auslass (7), wobei in der Anoden-Kammer der im Brenngas enthaltene Wasserstoff zu Wasserdampf und das im Brenngas enthaltene Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert wird. Diesem Abgas ist des Weiteren das Brenngas beigemischt, welches in der Anoden-Kammer nicht verstromt werden konnte und die Anoden-Kammer als Brenngasschlupf verlässt sowie das Kohlendioxid, welches aus der elektrischen Entladung der Karbonat-Ionen resultiert sowie dem Kohlendioxid, welches bei der Reformierung des Methans zu Brenngas zuvor freigesetzt wurde.
  • Der für die Verstromung in der Brennstoffzelle erforderliche Sauerstoff wird in der Kathoden-Kammer (14) aus dem aus Luftsauerstoff und Kohlendioxid bestehenden Gasstrom (25) gewonnen, welcher über den Einlass (15) in die Kathoden-Kammer (14) gelangt. Gleichzeitig wird in der Kathoden-Kammer (14) das Kohlendioxid dem Gasstrom (25) entnommen. Beide, Sauerstoff und Kohlendioxid bilden in der Kathoden-Kammer Karbonat-Ionen, welche von der Kathode zur Anode fließen und dort elektrisch entladen werden. Der in der Kathoden-Kammer von Sauerstoff und Kohlendioxid abgereicherte Gasstrom (25) verlässt daraufhin die Kathoden-Kammer (14) über deren Auslass (16). Hierbei entsteht Wärme, welche über die Verbindung (1d) von der Brennstoffzelle (26) auf die Stromdurchleitungsplatte (1a) übertragen und von dort von einem die Kammer (2) des Co-Prozessors (1) durchströmenden Wärmeträgermediums abgeführt wird.
  • Der Gasstrom (22 und 25) wird während des Betriebes in seinem Volumenstrom so eingestellt, dass der Vor-Reformierungs-Prozess im Co-Prozessor (1) bei einer Temperatur von vorzugsweise 400 bis 480°C abläuft, während der Elektrolyt (10) in der Brennstoffzelle (26) eine Temperatur zwischen 550 und 650°C erreicht.
  • Die 2 zeigt im Einzelnen einen Co-Prozessor (28), eine SOFC-Brennstoffzelle (53) und einen Stromkollektor (54). Die Seitenansicht ist im Schnitt (C-C) und die Draufsicht im Schnitt (D-D) dargestellt.
  • Die Kammer (29) des Co-Prozessors (28) ist von einem Gehäuse umschlossen, welches aus einer als Stromdurchleitungsplatte (28a) dienenden Bodenplatte und einer als Stromdurchleitungsplatte (28b) dienenden Deckplatte sowie aus einem als Interkonnektor-Verbindung (28c) dienenden Rahmen besteht.
  • Der Co-Prozessor (28) grenzt an eine von einem Rahmen umgriffenen Kathoden-Kammer (41) an, welche über den die Kathoden-Kammer (41) ausfüllenden Metall-Schwamm mit der Bodenplatte (28a) des Co-Prozessors in Kontakt geht.
  • Der Metallschwamm der Kathoden-Kammer (41) geht auf der gegenüber liegenden Seite mit dem Schichtkörper (39) in Kontakt. Dieser besteht aus der Kathoden-Elektrode (38), dem Elektrolyten (37) und der Anoden-Elektrode (36).
  • Die Anoden-Elektrode (36) geht mit dem Metallschwamm in der Anoden-Kammer (33) in Kontakt, welche von dem Rahmen (32) umgriffen wird, während der Metallschwamm auf seiner ihm gegenüber liegenden Seite mit dem Stromkollektor (54) in Kontakt geht.
  • Der Co-Prozessor (28) und die aus Anoden-Kammer (33), Schichtkörper (39) und Kathoden-Kammer (41) bestehende Brennstoffzelle (53) sind als Hexagon ausgeführt. Die den Co-Prozessor (28) und die die Brennstoffzelle (53) umgreifenden Rahmen (32 und 40) sowie die die Stromdurchleitungsplatten (28a und 28b) verbindende und als Rahmen ausgebildete Verbindung (28c), besitzen an ihrem Umfang die Seitenflächen (44, 45, 46, 47, 48 und 49), in welchen sich die Ein- und die Auslässe (30, 31, 34, 35, 42 und 43) des Co-Prozessors (28) und die der Anoden- und die der Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle befinden.
  • Gespeist wird der Co-Prozessor (28) über den Einlass (31) mit einem als Kühlmedium wirkenden Gasstrom (50), welcher aus Wasserdampf, Luftsauerstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid und endotherm wirkendem Reformat-Einsatzgas besteht. Im Co-Prozessor (28) wird der Gasstrom (50) durch die angrenzende Kathoden-Kammer (41) über die Verbindung (28d) thermisch angereichert, wonach er die Kammer (29) des Co-Prozessors (28) über dessen Auslass (30) verlässt.
  • Gleichzeitig wird die Kathoden-Kammer (41) über den Einlass (42) mit einem an Sauerstoff reichen Gasstrom (51) unterhalten, welcher aus Luftsauerstoff besteht und an der Kathoden-Elektrode in ionischen Sauerstoff umgewandelt wird, welcher durch den Elektrolyten zur Anoden-Elektrode fließt. Hierbei entsteht Wärme. Zur gleichen Zeit verlässt der von Sauerstoff abgereicherte Massenstrom die Kathoden-Kammer (41) über deren Auslass (43).
  • Der als Kühlmedium für die Kathoden-Kammer (41) wirkende Gasstrom (50) wird in seinem Massenstrom im Co-Prozessor (28) so eingestellt, dass der über die Verbindung (28d) fließende Wärmestrom von dem Elektrolyten (37) in der Brennstoffzelle (53) auf den Co-Prozessor (28) übertragen und im Gasstrom (50) als Enthalpie gespeichert und abgeführt wird.
  • Der Gasstrom (52) aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehend wird in der Anoden-Kammer (33) verstromt. Die aus der Verstromung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid resultierenden Verbrennungsprodukte Wasserdampf und Kohlendioxid verlassen daraufhin die Anoden-Kammer (33) über deren Auslass (35).
  • Die 3 zeigt im Einzelnen einen aus zwei Brennstoffzellen (53a und 53b), einen die beiden Brennstoffzellen miteinander verbindenden Co-Prozessor (28) und zwei Stromkollektoren (54a und 54b) bestehenden Brennstoffzellen-Stapel, welcher von einem Gehäuse (55) umgeben ist.
  • Der Stromkollektor (54a) ist mit der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (53a) verbunden. Auf der gegenüber liegenden Seite ist die Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle (53a) mit dem Co-Prozessor (28) verbunden. Dessen gegenüber liegende Seite ist mit der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (53b) verbunden. Schließlich ist die Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle (53b) mit dem Stromkollektor (54b) verbunden.
  • Die aus dem Brennstoffzellen-Stapel Stromführende Verbindung (58) gelangt durch den Durchlass (56) aus dem Brennstoffzellen-Gehäuse (55) heraus und speist einen elektrischen Verbraucher (59) mit elektrischer Energie. Die vom elektrischen Verbraucher (59) abgehende Verbindung (60) ist mit dem Stromkollektor (54b) verbunden, welche durch den Durchlass (57) hindurch in das Brennstoffzellen-Gehäuse (55) zurück führt und den Stromkollektor (54b) mit Elektronen speist.
  • Die 4 zeigt im Schnitt einen in der Draufsicht dargestellten eingehausten Hexagon-Brennstoffzellen-Stapel mit Blick auf einen geöffneten Co-Prozessor und den für den Betrieb der Brennstoffzelle und des Co-Prozessors er-forderlichen Zu- und Ableitungen.
  • Die 4 zeigt im Einzelnen die im Zentrum geöffnete Kammer (29) des Co-Prozessors (28), unter welcher sich die Brennstoffzelle (53a) und der Stromkollektor (54a) befinden. Von dem Co-Prozessor (28), der Brennstoffzelle (53a) und dem Stromkollektor (54a) gehen von deren Körperkanten die Raumteiler (70, 71, 72, 73, 74 und 75) ab und bilden zusammen mit dem Gehäuse (63) die Räume (64, 65, 66, 67, 68 und 69).
  • Die an die Brennstoffzelle (53a) und an den Co-Prozessor (28) angrenzenden Räume (65, 67 und 69) bilden für die Einlässe (31, 34 und 42) die Zuleitungen, während die übrigen rund um die Brennstoffzelle (53a) und den Co-Prozessor (28) angrenzenden Räume (64, 66 und 68) die Ableitungen für die Auslässe (30, 34 und 35) bilden.
  • Der als Kühlmedium dienende Gasstrom (50) durchströmt die Kammer (29) des Co-Prozessors (28) und nimmt die Wärme aus der Brennstoffzelle (53a) auf, indem er ihn über den Einlass (31) betritt und über dessen Auslass (30) thermisch angereichert wieder verlässt.
  • Der als Brenngas dienende Gasstrom (52) für die Brennstoffzelle (53a) betritt die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (53a) über deren Einlass (34). Die aus der Verstromung resultierenden Verbrennungsprodukte verlassen daraufhin die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle über deren Auslass (35).
  • Der aus Luftsauerstoff bestehende Gasstrom (51) für die Brennstoffzelle (53a) betritt die Kathoden-Kammer derselben über deren Einlass (42) und verlässt ihn von Sauerstoff abgereichert über deren Auslass (43).
  • In der Kammer (62), welches das Gehäuse (63) umgreift, befindet sich Luft oder ein anderes thermisch isolierendes Gas, während ein weiteres Gehäuse (61) die Kammer (62) umgreift und einen unzulässig hohen Wärmestrom an die Umgebung unterbindet.
  • Die 5 zeigt im Schnitt einen in der Draufsicht dargestellten eingehausten Waben-Brennstoffzellen-Stapel, bei welchem das einzelne Hexagon der Wabe einen Co-Prozessor mit einer darunter befindlichen Brennstoffzelle und unter dieser einem Stromkollektor aufweist, wobei der Schnitt so gewählt ist, dass oberhalb der dargestellten Wabe, welche aus Co-Prozessoren besteht, auf diesem weitere Waben mit weiteren Brennstoffzellen und Co-Prozessoren angeordnet sein können sowie am Ende des Brennstoffzellen-Waben-Stapels Stromkollektoren den Brennstoffzellen-Waben-Stapel abschließen nebst den für den Betrieb der Brennstoffzellen und der Co-Prozessoren erforderlichen Zu- und Ableitungen.
  • Die 5 zeigt im Einzelnen die Co-Prozessoren (28-1, 28-2, 28-3, 28-4, 28-5, 28-6 und 28-7), unter welchen sich die Brennstoffzellen (53a-1, 53a-2, 53a-3, 53a-4, 53a-5, 53a-6 und 53a-7) und die Stromkollektoren (54a-1, 54a-2, 54a-3, 54a-4, 54a-5, 54a-6 und 54a-7) befinden. Die Co-Prozessoren (28-1 bis 28-7) tauchen in die mit einem Rahmen umgriffene Montageplatte (76.4) ein und werden in ihr fixiert.
  • Unter der Montageplatte (76.4) befindet sich die als Wabe ausgeführte Montageplatte (76.5) für die Brennstoffzellen und unter dieser Montageplatte befindet sich die als Wabe ausgeführte Montageplatte (76.6) für die Stromkollektoren, wobei die jeweils über der darunter gestapelten Montageplatte die darunter befindliche Montageplatte zu einer Kammer verschließt.
  • Von den Körperkanten der Montageplatten (76.4 bis 76.6) gehen die Raumteiler (83, 84, 85, 86, 87 und 88) ab, welche zusammen mit dem Gehäuse (95) die Räume (89, 90, 91, 92, 93 und 94) bilden.
  • In den die Montageplatten (76.4 bis 76.6) umfassenden Rahmen sind Ein- und Auslasse (77, 78, 79, 80, 81 und 82) angebracht. Diese sind mit den Räumen (89, 90, 91, 92, 93 und 94) verbunden. Die Räume (89 bis 94) bilden die Zu- und die Ableitungen für die Co-Prozessoren und die Brennstoffzellen.
  • Der als Kühlmedium für die Brennstoffzelle (53a-1 bis 53a-7) dienende Gasstrom (50) durchströmt die Co-Prozessoren (28-1 bis 28-7), indem der Gasstrom (50) aus dem als Zuleitung dienenden Raum (90) über den Einlass (78) in die Co-Prozessoren (28-1 bis 28-7) einströmt, in welchen der Gasstrom thermisch angereichert wird und dieser die Co-Prozessoren über deren Auslass (81) verlässt und in den hierfür als Ableitung dienenden Raum (93) gelangt.
  • Der als Brenngas für die Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-7) dienende Gasstrom (52) durchströmt die Anoden-Kammern der Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-7), indem der Gasstrom (52) aus dem als Zuleitung dienenden Raum (94) über den Einlass (82) in die Anoden-Kammern der Brennstoffzellen einströmt, in welchen der Gasstrom als Brenngas verstromt wird und dieser die Anoden-Kammern über deren Auslass (79) verlässt und in den hierfür als Ableitung dienenden Raum (91) gelangt.
  • Der als Sauerstofflieferant für die Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-7) dienende Gasstrom (51) durchströmt die Kathoden-Kammern der Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-7), indem der Gasstrom (51) aus dem als Zuleitung dienenden Raum (92) über den Einlass (80) in die Kathoden-Kammern der Brennstoffzellen einströmt, in welchen der Gasstrom von Sauerstoff abgereichert wird und dieser die Anoden-Kammern über deren Auslass (77) verlässt und in den hierfür als Ableitung dienenden Raum (89) gelangt.
  • Die 6 zeigt im Schnitt einen in der Draufsicht dargestellten Brennstoffzellen-Waben-Stapel, bei welchem das einzelne Hexagon der Wabe einen Co-Prozessor mit einer darunter befindlichen Brennstoffzelle und einem Stromkollektor aufweist, wobei der Schnitt so gewählt ist, dass oberhalb der Wabe weitere Waben mit weiteren Brennstoffzellen und Co-Prozessoren angeordnet sein können sowie am Ende des Brennstoffzellen-Waben-Stapels nicht dargestellte Stromkollektoren den Brennstoffzellen-Waben-Stapel abschließen.
  • Die 6 zeigt im Einzelnen eine stark vereinfacht dargestellte Wabe, welche sich im Wesentlichen auf die Darstellung des Flächen-Vergrößerungs-Effekt beschränkt, welcher entsteht, wenn die aus 5 aus sieben Hexagonen bestehende Wabe an ihrem äußeren Rand um eine weitere Reihe von Hexagonen vergrößert wird. Durch die Hinzufügung von Weiteren Reihen steigt die Gesamtzahl der Hexagone einer Wabe von ursprungs 7 auf 19, dann auf 37, weiter auf 61 Stück, usw. an.
  • Die drei Gasströme (50, 51 und 52) durchströmen um jeweils 120° versetzt die Co-Prozessoren (28-1 bis 28-19), die Anoden-Kammer und Kathoden-Kammer der Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-19).
  • Die 7 zeigt in einer Explosionszeichnung eine im Schnitt (E-E) geschnittene zwölfeckige universelle Montageplatte, welche jeweils von einem um laufenden Rahmen, welcher im Schnitt (F-F) dargestellt ist, umgriffen wird. In der Montageplatte befinden sich Ausschnitte für den Einbau von Stromdurchleitungsplatten der Co-Prozessoren, der Brennstoffzellen und der Stromkollektoren, welche im eingebauten Zustand Co-Prozessor-Waben, Brennstoffzellen-Waben und Stromkollektor-Waben bilden und übereinander durch Abstandssäulen mit Gewindezugstange beabstandet gestapelt, einen Brennstoffzellen-Waben-Stapel mit einem integrierten Co-Prozessor ergeben. Der Waben-Stapel aus Co-Prozessoren, Brennstoffzellen und Stromkollektoren ist durch den Schnitt (G-G) unterhalb des Co-Prozessor-Waben-Stapels durchschnitten, wobei der obere Teil des Stapels nach oben geklappt ist und die Unterseite der Montageplatte (76.2) mit den Ausschnitten für die Aufnahme von Stromdurchleitungsplatten des Co-Prozessors zeigt.
  • Im Einzelnen zeigt die 7 sechs übereinender gestapelte Montageplatten (76.1 bis 76.6), in welche in die dafür vorgesehenen Ausschnitte je sieben Stromkollektoren (54a-1 bis 54a-7 und 54b-1 bis 54b-7) in die Montageplatten (76.1 und 76.6), je sieben Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-7 und 53b-1 bis 53b-7) in den Montageplatten (76.2 und 76.5) und je sieben Stromdurchleitungsplatten (28f-1 bis 28f-7 und 28i-1 bis 28i-7) in den Montageplatten (76.3 und 76.4) eingebaut sind.
  • In der Schnittzeichnung (E-E) der als Zwölfeck ausgebildeten Montageplatte (76.2) sind ebenso wie in den übrigen Montageplatten sieben deckungsgleiche Ausschnitte vorgesehen. In der Montageplatte (76.1) sind dies die Ausschnitte (54b-1a bis 54b-7a), in der Montageplatte (76.2) sind es die Ausschnitte (53b-1a bis 53b-7a), in der Montageplatte (76.3) sind es die Ausschnitte (28k-1 bis 28k-7), in der Montageplatte (76.4) sind es die Ausschnitte (28h-1 bis 28h-7), in der Montageplatte (76.5) sind es die Ausschnitte (53a-1a bis 53a-7a) und in der Montageplatte (76.6) sind es die Ausschnitte (54a-1a bis 54a-7a).
  • In der Schnittzeichnung (E-E) der Montageplatte (76.2) sind wie in den übrigen Montageplatten des Weiteren jeweils sechs deckungsgleiche Durchgangslöcher dargestellt. In der Montageplatte (76.1) sind dies die Durchgangslöcher (102.1 bis 107.1), in der Montageplatt (76.2) sind es die Durchgangslöcher (102.2 bis 107.2), in der Montageplatte (76.3) sind es die Durchgangslöcher (102.3 bis 107.3), in der Montageplatte (76.4) sind es die Durchgangslöcher (102.4 bis 107.4), in der Montageplatte (76.5) sind es die Durchgangslöcher (102.5 bis 107.5) und in der Montageplatte (76.6) sind es die Durchgangslöcher (102.6 bis 107.6).
  • In der Schnittzeichnung (E-E) der Montageplatte (76.2) sind wie in den übrigen Montageplatten schließlich jeweils sechs deckungsgleiche Aussparungen an der Unterseite der Montageplatte dargestellt. Diese sind als Dreieck ausgeführt und dienen als passendes Gegenstück zu den Auflageflächen (119.2 bis 124.2) innerhalb des Rahmens (126.2). In der Montageplatte (76.1) sind dies die Aussparungen (96.1 bis 101.1), in der Montageplatte (76.2) sind es die Aussparungen (96.2 bis 101.2), in der Montageplatte (76.3) sind es die Aussparungen (96.3 bis 101.3), in der Montageplatte (76.4) sind es die Ausschnitte (96.4 bis 101.4), in der Montageplatte (76.5) sind es die Ausschnitte (96.5 bis 101.5) und in der Montageplatte (76.6) sind es die Ausschnitte (96.6 bis 101.6).
  • Die im Schnitt (E-E) dargestellte Montageplatte wird bei der Endmontage in einen als Zwölfeck ausgebildeten umlaufenden Rahmen (126.2), wie er in der Schnittzeichnung (F-F) dargestellt ist, eingesetzt. Dieser verfügt über einen Einlass und einen Auslass und ist im Innern mit insgesamt sechs als Dreieck ausgebildeten Auflagen versehen.
  • Der Rahmen (126.1) für die Montageplatte (76.1) setzt sich aus den Rahmen-Seitenwänden (108.1 bis 119.1), der Rahmen (126.2) für die Montageplatte (76.2) setzt sich aus den Rahmen-Seitenwänden (108.2 bis 119.2), der Rahmen (126.3) für die Montageplatte (76.3) setzt sich aus den Rahmen-Seitenwänden (108.3 bis 119.3), der Rahmen (126.4) für die Montageplatte (76.4) setzt sich aus den Rahmen-Seitenwänden (108.4 bis 119.4), der Rahmen (126.5) für die Montageplatte (76.5) setzt sich aus den Rahmen-Seitenwänden (108.5 bis 119.5) und der Rahmen (126.6) für die Montageplatte (76.6) setzt sich aus den Rahmen-Seitenwänden (108.6 bis 119.6) zusammen.
  • Im Rahmen (126.1) befindet sich der Einlass in der Rahmen-Seitenwand (117.1) und der Auslass in der Rahmen-Seitenwand (121.1), im Rahmen (126.2) befindet sich der Einlass in der Rahmen-Seitenwand (121.2) und der Auslass in der Rahmen-Seitenwand (117.2), im Rahmen (126.3) befindet sich der Einlass in der Rahmen-Seitenwand (121.3) und der Auslass in der Rahmen-Seitenwand (117.3), im Rahmen (126.4) befindet sich der Einlass in der Rahmen-Seitenwand (117.4) und der Auslass in der Rahmen-Seitenwand (121.4), im Rahmen (126.5) befindet sich der Einlass in der Rahmen-Seitenwand (121.5) und der Auslass in der Rahmen-Seitenwand (117.5) und im Rahmen (126.6) ist der Einlass in der Rahmen-Seitenwand (121.5) und der Auslass in der Rahmen-Seitenwand (117.5) verschlossen.
  • Die Auflagen innerhalb des umlaufenden Rahmens sind mit demselben fest verbunden. Innerhalb des umlaufenden Rahmens (126.1) befinden sich die Auflagen (120.1 bis 125.1), im umlaufenden Rahmen (126.2) sind dies die Auflagen (120.2 bis 125.2), im umlaufenden Rahmen (126.3) sind dies die Auflagen (120.3 bis 125.3), im umlaufenden Rahmen (126.4) sind dies die Auflagen (120.4 bis 125.4), im umlaufenden Rahmen (126.5) sind dies die Auflagen (120.5 bis 125.5) und im umlaufenden Rahmen (126.6) sind dies die Auflagen (120.6 bis 125.6), auf welchen später die Montageplatten (76.1 bis 76.6) mit ihren deckungsgleichen Aussparungen (96.1 bis 101.1), (96.2 bis 101.2), (96.3 bis 101.3), (96.4 bis 101.4), (96.5 bis 101.5) und (96.6 bis 101.6) mit ihrem Rand aufsitzen.
  • Die Montageplatte (76.1) wird in den umlaufenden Rahmen (126.1) eingesetzt und der umlaufende Spalt zwischen der Montageplatte (76.1) und dem umlaufenden Rahmen (126.1) durch eine durchgängige Schweißnaht verschlossen. Gleiches geschieht mit der Montageplatte (76.2) mit dem umlaufenden Rahmen (126.2), der Montageplatte (76.3) mit dem umlaufenden Rahmen (126.3), der Montageplatte (76.4) mit dem umlaufenden Rahmen (126.4), der Montageplatte (76.5) mit dem umlaufenden Rahmen (126.5) und der Montageplatte (76.6) mit dem umlaufenden Rahmen (126.6).
  • Die in die Montageplatten (76.1 und 76.6) eingefügten Stromkollektoren (54a-1 bis 54a-7 und 54b-1 bis 54b-7) sind mit jeweils einem Kragen (54a-1b bis 54a-7b und 54b-1b bis 54b-7b) versehen, welche die Stromkollektoren umgreifen und auf der Montageplatte (76.1 und 76.6) von einer isolierend wirkenden Dichtung beabstandet aufliegen, während der einzelne in die Montageplatte eintauchende Stromkollektor von der Montageplatte isoliert ist.
  • In gleicher Weise werden die Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-7 und 53b-1 bis 53b-7) mit einem umlaufenden Kragen (53a-1b bis 53a-7b und 53b-1b bis 53b-7b) versehen, welcher durch eine isolierend wirkende Dichtung von der Montageplatte (76.2 und 76.5) beabstandet auf denselben montiert werden, während die einzelne in die Montageplatte eintauchende Brennstoffzelle von der Montageplatte isoliert ist.
  • Die Stromdurchleitungsplatten (28f-1 bis 28f-7 und 28i-1 bis 28i-7) des Co-Prozessors sind mit einem umlaufenden Kragen (28g-1 bis 28g-7 und 28j-1 bis 28j-7) versehen, welcher durch eine isolierend wirkende Dichtung von der Montageplatte (76.3 und 76.4) beabstandet auf denselben montiert werden, während die einzelne in die Montageplatte eintauchende Stromdurchleitungsplatte von der Montageplatte isoliert ist.
  • Die Stromkollektoren sind mit den Brennstoffzellen und den Stromdurchleitungsplatten des Co-Prozessors durch Federelemente als elektrische Verbindung miteinander verbunden. Das einzeln dargestellte Federelement (127-7, 128-7, 28e-7, 129-7 und 130-7) wird durch eine Lupe (185, 186, 187, 188 und 189) vergrößert dargestellt.
  • Die Federelemente (127-1 bis 127-7) verbinden die Stromkollektoren (54b-1 bis 54b-7) mit den Kathoden-Elektroden der Brennstoffzellen (53b-1 bis 53b-7), die Federelemente (128-1 bis 128-7) verbinden die Anoden-Elektroden der Brennstoffzellen (53b-1 bis 53b-7) mit den Stromdurchleitungsplatten (28i-1 bis 28i-7) des Co-Prozessors, die Federelemente ( 28e-1 bis 28e-7) verbinden die Stromdurchleitungsplatten (28f-1 bis 28f-7) mit den Stromdurchleitungsplatten (28i-1 bis 28i-7) des Co-Prozessors, die Federelemente (129-1 bis 129-7) verbinden die Stromdurchleitungsplatten (28i-1 bis 28i-7) mit den Kathoden-Elektroden der Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-7) und die Federelemente (130-1 bis 130-7) verbinden die Anoden-Elektroden der Brennstoffzellen (53a-1 bis 53a-7) mit den Stromkollektoren (54a-1 bis 54a-7).
  • (173] Die fertig montierten Montageplatten (76.1 bis 76.6), welche sich in den umlaufenden Rahmen (126.1 bis 126.6) befinden, werden gegenüber einem durchbiegen der einzelnen Montageplatte durch Abstandssäulen abgestützt. Diese haben auf der einen Seite ein Gewindesackloch (s), während die Gegenseite davon verjüngt und mit einem Außengewinde (g) versehen ist. Der verjüngte und mit einem Außengewinde versehene Teil der Abstandssäulen (137 bis 175) ist in seiner Länge so bemessen, dass er durch die darüber befindliche Montageplatte (76.1 bis 76.5) soweit hindurchreicht, damit eine weitere Abstandssäule mit ihrem Gewindesackloch darauf gestapelt und zum Schluss mit einer der Muttern (131 bis 136) festgeschraubt werden kann. Die unteren Abstandsäulen (170 bis 175) werden durch Schrauben (179 bis 184) festgezogen. Hierzu werden die verjüngt und mit Außengewinde versehenen Teile der Abstandssäulen (137 bis 175) sowie die Schrauben (179 bis 184) durch die Durchgangslöcher (102.1 bis 107.1, 102.2 bis 107.2, 102.3 bis 107.3, 102.4 bis 107.4, 102.5 bis 107.5 und 102.6 bis 107.6) hindurch gesteckt und jeweils mit den Gewindesacklöchern der darüber befindlichen Abstandssäulen und der Muttern festgezogen.
  • Die Rahmen (126.1 und 126.4) sind mit ihren Ein- und Auslässen um 60° gegen den Uhrzeigersinn und die Ein- und der Auslässe der Rahmen (126.3) um 60° im Uhrzeigersinn verdreht. Hierdurch strömen die Massenströme (51 und 52) zueinander um 120° verdreht in die Anoden-Kammern (33a und 33b) und die Kathoden-Kammern (41a und 41b) ein. Der Massenstrom (50) durchströmt zur gleichen Zeit die Kammer (29a) des Co-Prozessors, welcher gegenüber den Massenströmen (51 und 52) um 120° verdreht ist.
  • Über die Einlässe (82a und 82b) gelangt der Massenstrom (52) in die Anoden-Kammern (33a und 33b), welcher dieselben über deren Auslässe (79a und 79b) wieder verlässt.
  • Über die Einlässe (80a und 80b) gelangt der Massenstrom (51) in die Kathoden-Kammern (41a und 41b), welcher dieselben über deren Auslässe (77a und 77b) wieder verlässt.
  • Über den Einlass (78a) gelangt der Massenstrom (50) in die Kammer (29a) des Co-Prozessors, welcher denselben über dessen Auslass (81) wieder verlässt.
  • Die 8 zeigt in der Draufsicht einen als Waben-Element dargestellten Formkörper, welcher auf die Stromdurchleitungsplatte eines Co-Prozessors, auf den Elektrolyten einer Brennstoffzelle und auf die Platte eines Stromkollektors als vereinheitlichte Bauform übertragen wird. Der in der Draufsicht dargestellte Formkörper ist an der Schnittstelle (H-H) durchschnitten und zeigt in der geklappten Darstellung die für Montage des Formkörpers erforderlichen Bauteile, welche erforderlich sind, um den Formkörper auf der Montageplatte gasdicht und galvanisch getrennt von derselben montieren zu können.
  • Im Einzelnen zeigt die 8 ein Waben-Element (190) mit einem umlaufenden Kragen (191), einen Abdichtring (289), einen Isolierring (256), einen Teil der erforderlichen Unterlegscheiben (240, 248), einen Teil der erforderlichen Schrauben (208, 232), einen Teil der erforderlichen Isolierhülsen (273, 281), einen Teil der erforderlichen Muttern (323, 331) sowie eine Montageplatte (306), auf welcher der Formkörper (190) montiert wird.
  • Der Formkörper (190) ist mit einem umlaufenden Kragen (191) versehen, in welchem sich Durchgangslöcher (193 bis 207) befinden. Die Durchgangslöcher sind in ihrem Durchmesser so bemessen, dass sie ringsum insgesamt 16 Isolierhülsen aus Aluminiumoxid (273, 281) in sich aufnehmen können.
  • Der Abdichtring (289) ist deckungsgleich mit dem umlaufenden Kragen (191) des Formkörpers (190), in welchem sich an deckungsgleicher Stelle Durchgangslöcher (290, 298) mit einem Durchmesser befinden, durch welche die Schrauben (208, 232) passen.
  • Ein Isolierring (25.a) aus Aluminiumoxid liegt auf dem Kragen (191) des Formkörpers (190) auf, in welchem sich an deckungsgleicher Stelle zum Kragen (191) die Durchgangslöcher (257, 265) ebenfalls mit einem Durchmesser befinden, durch welche die Schrauben (208, 232) passen.
  • In der aus Stahl bestehenden Montageplatte (306) befindet sich eine hexagone Aussparung (306a), welche gegenüber dem als Hexagon ausgebildeten Formkörpers eine positive Toleranz besitzt und so bemessen ist, dass sich der Formkörper (190) im eingebauten Zustand nicht mit der Montageplatte (306) berührt. Um die Aussparung herum befinden sich eine gleiche Anzahl an Durchgangslöchern (307, 315) wie in den darüber angeordneten Dichtungsring (289), dem Kragen (191) des Formkörpers (190) und des Isolierrings (256), welche in ihrem Durchmesser denen des darauf liegenden Abdichtrings (289) gleich sind und sich zu denen in der Montageplatte (306) und zu denen in dem Kragen (191) und des Isolierrings (256) an deckungsgleicher Stelle befinden.
  • Der Formkörper (190) sitzt in der Aussparung (306a) der Montageplatte (306), wobei sich die Seitenwände (190a) des Formkörpers und die Seitenwände (306b) der Aussparung (306) der Montageplatte (306) von einem Luftspalt beabstandet gegenüber stehen.
  • Der Formkörper (190) sitzt mit seinem umlaufenden Rahmen (191) mit seiner Kragenunterseite (191a) auf der Oberfläche (306c) der Montageplatte (306) auf, wobei beide Flächen (191a) und (306c) durch den dazwischen liegenden Abdichtring (289) voneinander beabstandet sind.
  • Auf dem umlaufenden Rahmen (191) des Formkörpers (190) sitzt schließlich der Isolierring (256) auf, durch welchen die Schrauben (208, 232) und die Unterlegscheiben (240, 248) gegenüber dem Formkörper (190) elektrisch isoliert sind.
  • Durch die übereinander gestapelten Teile aus Formkörper (190), Abdichtring (289), Unterlegscheiben (240, 248) und Isolierring (256) bestehend, werden Schrauben (208, 232) gesteckt, welche innerhalb des Kragens (191) des Formkörpers (190) durch Isolierhülsen (273, 281) von dem Kragen (191) beabstandet sind. Die durch die gestapelten Teile hindurch gesteckten Schrauben werden durch die Durchgangslöcher (307, 315) gesteckt, auf welche die Muttern (323, 331) aufgeschraubt und derart festgezogen werden, dass der Abdichtring (289) das Waben-Element (190) gegenüber der Montageplatte (306) gasdicht abdichtet.
  • Die 9 zeigt ein Verfahrensschema, in welchem einem Co-Prozessor ein an Methan reiches Gas zugeführt und im Beisein von Abgas aus einer Brennstoffzelle zu einem Brenngas reformiert wird. Dieses wird anschließend in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle verstromt, wobei die exotherme Energie der Brennstoffzelle über eine Verbindung auf den Co-Prozessor übertragen und durch dieselbe der Reformierungs-Prozess im Co-Prozessor angetrieben sowie der Brennstoffzellen-Prozess durch den Abfluss von thermischer Energie aus der Brennstoffzelle auf den Co-Prozessor die Brennstoffzelle gekühlt wird.
  • Im Einzelnen zeigt die 9 eine SOFC-Brennstoffzelle (339), welche über die Verbindung (345a) mit einem Co-Prozessor (346) verbunden ist.
  • Die Brennstoffzelle (339) besitzt eine Anoden-Kammer (340), welche mit einem Einlass (341) und einem Auslass (342) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (344), welche mit einem Einlass (343) und einem Auslass (345) verbunden ist. Des Weiteren besitzt sie einen Feststoffelektrolyten (339a) mit einer Anoden- und einer Kathoden-Elektrode, welche die Anoden-Kammer von der Kathoden-Kammer trennt.
  • Der Co-Prozessor (346) besitzt eine Kammer (348), welche mit einem Einlass (350) und einem Auslass (347) verbunden ist und in welcher sich ein Katalysator (349) für den Reformierungs-Prozess befindet.
  • Über die Verbindung (351) wird der Einspeisepunkt (352) mit Erdgas und über die Verbindung (355 und 358) und den Einspeisepunkt (356) mit Teilen von Abgas aus der Anoden-Kammer (340) der Brennstoffzelle (339) gespeist, welches sich aus Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zusammensetzt.
  • Der Einspeisepunkt (352) speist daraufhin den Co-Prozessor (346) über dessen Einlass (350) über die Verbindung (353) mit einer Mischung aus Gas und Dampf, welche in der Kammer (348) an dem darin befindlichen Katalysator (349) zu einem an Wasserstoff und Kohlenmonoxid reichen Synthesegas reformiert wird.
  • Das im Co-Prozessor (346) erzeugte Synthesegas, welches aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und aus dem Kohlendioxid der Methan-Reformierung resultierend, besteht, verlässt denselben über dessen Auslass (347). Über die Verbindung (354) wird das Synthesegas der Anoden-Kammer (340) der Brennstoffzelle (339) über deren Einlass (341) zugeführt.
  • Innerhalb der Anoden-Kammer (340) der Brennstoffzelle (339) wird das Synthesegas verstromt, wobei der Wasserstoff zu Wasserdampf und das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert werden.
  • Die aus der Verstromung resultierenden Verbrennungsprodukte Wasserdampf und Kohlendioxid verlassen zusammen mit dem Kohlendioxid aus der Methan-Reformierung sowie dem in der Anoden-Kammer (340) nicht verstromten Synthesegas die Anoden-Kammer (340) der Brennstoffzelle (339) über deren Auslass (342).
  • Der Auslass (342) ist über die Verbindung (355) mit dem Einspeisepunkt (356) verbunden, in welchen die Mischung aus Gas und Dampf aus der AnodenKammer (340) der Brennstoffzelle (399) eingespeist wird.
  • Dieser Einspeisepunkt (356) teilt das Abgas auf die Verbindungen (357) und (358) auf. Hierdurch erhält der Co-Prozessor (346) den für die Reformierung des Methans erforderlichen Wasserdampf und das erforderliche Kohlendioxid, wobei Teile von nicht verstromten Synthesegas aus der Anoden-Kammer (340) über den Co-Prozessor (346) der Anoden-Kammer (340) erneut zugeführt und in einem zweiten Zyklus ebenfalls verstromt wird, während das übrige Abgas mit Teilen von nicht verstromten Synthesegas über die Verbindung (357) einem Synthesegas unterhaltenden Prozess zugeführt wird.
  • Zur gleichen Zeit wird die Kathoden-Kammer (344) mit Luftsauerstoff unterhalten. Hierzu wird die Kathoden-Kammer (344) über deren Einlass (343), welcher über die Verbindung (359) mit Luftsauerstoff unterhalten wird, gespeist, während der in der Kathoden-Kammer (344) von Sauerstoff abgereicherte Luftsauerstoff die Kathoden-Kammer (344) über deren Auslass (345) verlässt und über die Verbindung (360) abgeführt wird.
  • Die aus dem Brennstoffzellen-Prozess resultierende Wärme wird über die Verbindung (345a) von dem Feststoffelektrolyten (339a) ab und dem Co-Prozessor (346) zugeführt, durch welche der Reformierungs-Prozess im Co-Prozessor (346) angetrieben und die Brennstoffzelle (339) durch den permanenten Abfluss an Wärme gekühlt wird.
  • Die 10 zeigt ein Verfahrensschema, in welchem ein als Dampferhitzer betriebener Co-Prozessor eine Dampfturbine antreibt, welcher seinerseits mit thermischer Energie aus einer Brennstoffzelle unterhalten wird und den ihm zugeführten Dampf durch die Brennstoffzelle weiter erhitzt derart, dass damit eine Dampfturbine angetrieben werden kann, welche ihrerseits einen Generator antreibt, durch welchen schließlich die thermodynamische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Die 10 zeigt im Einzelnen eine MCFC-Brennstoffzelle (361), einen über die Verbindung (366a) verbundenen Co-Prozessor (368), eine Dampfturbine (373), einen Generator (375), einen Kondensator (377), eine Kesselspeisewasserpumpe (380) und einen Verdampfer (383).
  • Die Brennstoffzelle (361) besitzt eine Anoden-Kammer (363), welche mit einem Einlass (362) und einem Auslass (364) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (366), welche mit einem Einlass (365) und einem Auslass (367) verbunden ist. Des Weiteren besitzt sie einen Schmelzelektrolyten (361a) mit einer Anoden- und einer Kathoden-Elektrode, welche die Anoden-Kammer von der Kathoden-Kammer trennt.
  • Der Co-Prozessor (368) besitzt eine Kammer (370), welche mit einem Einlass (369) und einem Auslass (371) verbunden ist und in welcher sich ein Rekuperator (370a) für die Erhitzung des Dampfes und der Erhöhung des Dampfdruckes befindet.
  • Die Dampfturbine (373) ist über einen Antriebsstrang (374) mit einem Generator (375) verbunden, über welchen der Generator durch die Dampfturbine zur Stromerzeugung angetrieben wird.
  • Die Dampfturbine (373) wird über die Verbindung (372) mit Dampf aus dem Rekuperator (370a) angetrieben. Über ihren Auslass verlässt der energetisch entwertete Abdampf die Dampfturbine (373) und gelangt über die Verbindung (376) in den Kondensator (377).
  • Ausgang des Kondensators (377) ist über die Verbindung (378) mit einer Wärmesenke verbunden, über welche die im Dampf noch gespeicherte Enthalpie abgeführt und der im Kondensator (377) vorhandene Dampf, welcher über die Verbindung (376) dem Kondensator (377) zuströmt, zu Kondensat niedergeschlagen wird.
  • Das Kondensat aus dem Kondensator (377) verlässt denselben über eine weitere Verbindung (379) und gelangt von dort zum Einlass einer Kesselspeisewasserpumpe (380). Diese transportiert das Kondensat über die Verbindung (381) in den Verdampfer (383), in welchem das Kondensat verdampft wird. Hierzu wird dem Verdampfer über die Verbindung (382) thermische Energie zugeführt.
  • Der Dampf aus dem Verdampfer (383) verlässt denselben über dessen Auslass. Über die Verbindung (384) gelangt dieser in den Einlass (369) des Co-Prozessors (368) und von dort in den Rekuperator (370a), in welchem der Dampf weitere thermische Energie aufnimmt, welche ihm über die Verbindung (366a) von der Brennstoffzelle (361) zugeführt wird und wodurch dieselbe gekühlt wird.
  • Zur gleichen Zeit wird die Anoden-Kammer (363) über ihren Einlass (362) mit Brenngas über die Verbindung (385) unterhalten. Das aus der Verstromung resultierende Abgas verlässt die Anoden-Kammer (363) über deren Auslass (364), welcher mit der als Ableitung dienenden Verbindung (386) verbunden ist.
  • Schließlich wird die Kathoden-Kammer (366) über ihren Einlass (365) mit Luftsauerstoff und mit Kohlendioxid über die Verbindung (387) unterhalten. Die durch den Ionisierungs-Prozess in der Kathoden-Kammer von Sauerstoff und Kohlendioxid abgereicherte Gasmischung verlässt daraufhin die Kathoden-Kammer (366) über deren Auslass (367), welcher mit der als Ableitung dienenden Verbindung (388) verbunden ist, während der ionisierte Sauerstoff als Ionenstrom von der Kathoden-Elektrode durch den Elektrolyten zur Anoden-Elektrode fließt und dabei den Elektrolyten erwärmt. Diese wird vom Schmelzelektrolyten (361a) über die Verbindung (366a) dem Co-Prozessor (368) zugeführt. Mit dem Wärmestrom aus der Verbindung (368) wird der Dampf im Co-Prozessor (368) erhitzt und die thermische Energie aus der Brennstoffzelle (361) im Dampf als Enthalpie gespeichert, während die Brennstoffzelle (361) durch den Abfluss von thermischer Energie gekühlt wird.
  • Die 11 zeigt schematisch ein Verfahrensschema, in welchem ein als Zwischenerhitzer betriebener Co-Prozessor einen endotherm wirkenden Prozess mit einem heißen Kreislaufgas speist, indem der Co-Prozessor mit thermischer Energie aus einer Brennstoffzelle unterhalten wird und dieser das ihm zugeführte Kreislaufgas durch die thermische Energie der Brennstoffzelle weiter erhitzt derart, dass damit über den Rekuperator ein Sekundär-Prozess angetrieben werden kann.
  • Im Einzelnen zeigt die 11 einen als Erhitzer betriebenen Co-Prozessor (396), eine MCFC-Brennstoffzelle (389), einen Rekuperator (401) und ein Gebläse (404).
  • Die Brennstoffzelle (389) besitzt eine Anoden-Kammer (391), welche mit einem Einlass (390) und einem Auslass (392) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (394), welche mit einem Einlass (393) und einem Auslass (395) verbunden ist. Des Weiteren besitzt sie einen Schmelzelektrolyten (389a) mit einer Anoden- und einer Kathoden-Elektrode, welche die Anoden-Kammer von der Kathoden-Kammer trennt.
  • Der Co-Prozessor (396) besitzt eine Kammer (398), welche mit einem Einlass (397) und einem Auslass (399) verbunden ist und in welcher sich ein Rekuperator (398a) für die Zwischenerhitzung des Kreislaufgases befindet.
  • Mit dem Gebläse (404) wird das Kreislaufgas über die Verbindung (405) dem Einlass (397) des Co-Prozessors (396) zugeführt. Der im Innern befindliche Erhitzer (398a) ist mit dem Einlass (397) und dem Auslass (399) verbunden. Über die Verbindung (394a) wird der Erhitzer (398a) mit thermischer Energie aus der Brennstoffzelle (389) unterhalten.
  • Das im Co-Prozessor (396) thermisch angereicherte Kreislaufgas verlässt denselben über dessen Auslass (399). Über die Verbindung (400) wird der Rekuperator (401) mit thermisch angereichertem Kreislaufgas gespeist, welches in demselben abgereichert wird. Die im Rekuperator (401) dem Kreislaufgas entzogene Energie wird über die Verbindung (402) ab und einem mit Wärme unterhaltenden Prozess zugeführt. Das thermisch abgereicherte Kreislaufgas verlässt den Rekuperator (401) über dessen Auslass und wird über die Verbindung (403) dem Einlass des Gebläses (404) zugeführt.
  • Zur gleichen Zeit wird die Anoden-Kammer (391) über ihren Einlass (390) mit Brenngas über die Verbindung (406) unterhalten. Das aus der Verstromung resultierende Abgas verlässt die Anoden-Kammer (391) über deren Auslass (392), welcher mit der als Ableitung dienenden Verbindung (407) verbunden ist.
  • Schließlich wird die Kathoden-Kammer (394) über ihren Einlass (393) mit Luftsauerstoff und mit Kohlendioxid über die Verbindung (408) unterhalten. Die durch den Ionisierungs-Prozess in der Kathoden-Kammer von Sauerstoff und Kohlendioxid abgereicherte Gasmischung verlässt daraufhin die Kathoden-Kammer (394) über deren Auslass (395), welcher mit der als Ableitung dienenden Verbindung (409) verbunden ist, während innerhalb der Brennstoffzelle (389) der Strom an Karbonat-Ionen von der Kathoden-Elektrode durch den Elektrolyten zur Anoden-Elektrode fließt und dort elektrisch entladen wird. Während des Ionenflusses wird im Elektrolyten Wärme erzeugt, welche von dem Schmelzelektrolyten (389a) über die Verbindung (394a) auf den Co-Prozessor (396) übertragen wird und mit dieser Wärme ein Kreislaufgas im Rekuperator (398a) unterhalten wird, in welchem die Wärme als Enthalpie gespeichert wird. Gleichzeitig wird die Brennstoffzelle (389) durch den permanenten Abfluss von thermischer Energie über die Verbindung (394a) gekühlt.
  • Die 12 zeigt schematisch ein Verfahrensschema, durch welches in der Anoden-Kammer einer MCFC-Brennstoffzelle keine Shift-Reaktion und somit keine durch Shift-Reaktion hervorgerufene thermisch bedingte Degradation stattfinden kann, indem die Anoden-Kammer entweder nur mit Wasserstoff oder nur mit Kohlenmonoxid aus einer Gastrenn-Arlage gespeist wird.
  • Die 12 zeigt zwei Brennstoffzellen (430) und (443), einen als Reformer wirkenden Co-Prozessor (437), eine PSA-Anlage (458) und einen Rekuperator (456).
  • Die Brennstoffzelle (430) besitzt eine Anoden-Kammer (432), welche mit einem Einlass (433) und einem Auslass (431) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (435), welche mit einem Einlass (434) und einem Auslass (436) verbunden ist.
  • Die Brennstoffzelle (443) besitzt eine Anoden-Kammer (448), welche mit einem Einlass (447) und einem Auslass (449) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (445), welche mit einem Einlass (444) und einem Auslass (446) verbunden ist.
  • Der Co-Prozessor (437) besitzt eine Kammer (439), welche mit einem Einlass (438) und einem Auslass (441) verbunden ist und in welcher sich ein Reformer (440) für die Reformierung von Methan in Synthesegas befindet und welcher über die Verbindung (442) mit thermischer Energie aus der Brennstoffzelle (430) unterhalten wird, während durch den Abfluss von thermischer Energie aus der Brennstoffzelle (430) eine Kühlung derselben stattfindet.
  • Über die Verbindungen (464) und (468) wird der Einspeisepunkt (469) mit Dampf und mit Kohlendioxid gespeist. Hierzu wird ein Teil des Abgases aus den von den Brennstoffzellen (430) und (443) gespeisten Einspeisepunkten (462) und (466) entnommen.
  • Die Mischung aus Kohlendioxid und Dampf verlässt daraufhin den Einspeisepunkt (449) und strömt über die Verbindung (470) in den Einspeisepunkt (453).
  • Zur gleichen Zeit wird dem Rekuperator (456) Methan über die Verbindung (450) zugeführt, in welchem es vorgewärmt wird und es als vorgewärmtes Gas über die Verbindung (451) den Einspeisepunkt (453) speist.
  • Die Mischung aus Kohlendioxid und Dampf aus der Verbindung (470) verlässt den Einspeisepunkt (453) zusammen mit dem Methan aus der Verbindung (451) und strömt über die Verbindung (454) zum Co-Prozessor (437). Über den Einlass (438) gelangt die Mischung aus Gas und Dampf in die Co-Prozessor-Kammer (439), in welcher die Mischung aus Gas und Dampf an dem Katalysator (440) zu einem an Wasserstoff und Kohlenmonoxid reichen Synthesegas reformiert wird.
  • Über den Auslass (441) verlässt das Synthesegas den Co-Prozessor (437) und gelangt über die Verbindung (455) zum Einlass des Rekuperators (456), in welchem es thermisch durch das Methan aus der Verbindung (450) abgereichert wird.
  • Über den Auslass des Rekuperators (456) verlässt das thermisch abgereicherte Synthesegas denselben und gelangt über die Verbindung (457) in die PSA-Anlage (458), in welcher das Synthesegas in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerlegt wird. Über einen der Auslässe gelangt das Kohlenmonoxid über die Verbindung (459) zum Einlass (433) der Anoden-Kammer (432) von Brennstoffzelle (430), während der Wasserstoff die PSA-Anlage (458) über einen zweiten Auslass verlässt und über die Verbindung (460) die Brennstoffzelle (443) mit Wasserstoff unterhält. Hierzu ist die Verbindung (460) mit dem Einlass (447) der Anoden-Kammer (448) verbunden.
  • Die aus der Verstromung resultierenden Verbrennungsprodukte Wasserdampf und Kohlendioxid verlassen die Anoden-Kammern (432) und (448) der Brennstoffzellen (430) und (443) über deren Auslässe (431) und (449) zusammen mit dem Kohlendioxid aus der Reformierung des Methans im Co-Prozessor (437).
  • Der Auslass (431) der Brennstoffzelle (430) ist über die Verbindung (461) mit dem Einspeisepunkt (462) verbunden. Von diesem gehen die Verbindungen (463) und (464) ab, wovon die Verbindung (463) mit der Atmosphäre und die Verbindung (464) mit dem Einspeisepunkt (469) verbunden sind.
  • Der Auslass (449) der Brennstoffzelle (443) ist über die Verbindung (465) mit dem Einspeisepunkt (466) verbunden. Von diesem gehen die Verbindungen (467) und (468) ab, wovon die Verbindung (467) mit der Atmosphäre und die Verbindung (468) mit dem Einspeisepunkt (469) verbunden sind.
  • Des Weiteren wird die Kathoden-Kammer (435) der Brennstoffzelle (430) über ihren Einlass (434) mit Luftsauerstoff und mit Kohlendioxid über die Verbindung (471) unterhalten. Die durch den Ionisierungs-Prozess in der Kathoden-Kammer von Sauerstoff und Kohlendioxid abgereicherte Gasmischung verlässt daraufhin die Kathoden-Kammer (435) über deren Auslass (436), welcher mit der als Ableitung dienenden Verbindung (472) verbunden ist, während der von der Kathoden-Elektrode durch den Elektrolyten zur Anoden-Elektrode fließende Karbonat- Ionenstrom im Elektrolyten Wärme erzeugt. Über die Verbindung (442) wird die thermische Energie als Wärmestrom auf den Co-Prozessor (437) übertragen, durch welchen ein Reformierungs-Prozess angetrieben wird, wobei durch den permanenten Abfluss von thermischer Energie aus der Brennstoffzelle (430) dieselbe gekühlt wird.
  • Schließlich wird die Kathoden-Kammer (445) der Brennstoffzelle (443) über ihren Einlass (444) mit Luftsauerstoff und mit Kohlendioxid über die Verbindung (473) unterhalten. Die durch den Ionisierungs-Prozess in der Kathoden-Kammer von Sauerstoff und Kohlendioxid abgereicherte Gasmischung verlässt daraufhin die Kathoden-Kammer (445) über deren Auslass (446), welcher mit der als Ableitung dienenden Verbindung (474) verbunden ist.
  • Die 13 zeigt schematisch ein Verfahrensschema, durch welches eine PEM-Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Gebläse und mit Fahrtwind gekühlt wird.
  • Im Einzelnen zeigt die 13 eine Brennstoffzelle (474), einem als Rekuperator wirkenden Co-Prozessor (481) und ein Gebläse (486).
  • Die Brennstoffzelle (474) besitzt eine Anoden-Kammer (476), welche mit einem Einlass (475) und einem Auslass (477) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (479), welche mit einem Einlass (478) und einem Auslass (480) verbunden ist und beide durch einen mit Anoden- und Kathoden-Elektrode verbundenen Elektrolyten (474a) getrennt sind.
  • Der Co-Prozessor (481) besitzt eine als Rekuperator ausgebildete Kammer (483), welche mit einem Einlass (482) und einem Auslass (484) verbunden ist und welche über die Verbindung (494) thermische Energie von der Brennstoffzelle (474) aufnimmt.
  • Über die Verbindung (485), (487) und den Bypass (493) wird die Kammer (483) des Co-Prozessors (481) mit einem Luftstrom gekühlt, welcher die thermische Energie der Brennstoffzelle (474) als Enthalpie in sich speichert und über die Verbindung (488) abführt.
  • Als Antrieb für den Luftstrom in der Verbindung (487) ist das Gebläse (486) vorgesehen, welches die Luft über die Verbindung (485) ansaugt und über die Verbindung (487) dem Einlass (482) der Kammer (483) des Co-Prozessors (481) zuführt.
  • Des Weiteren erhält die Kammer (483) des Co-Prozessors (481) über deren Einlass (482) Fahrtwind zur Kühlung zugeführt, welcher über die gleiche Verbindung zugeführt wird, wobei das Gebläse (486) durch den Bypass (493) überbrückt wird.
  • Der Luftstrom aus dem Gebläse (486) und der Fahrtwind nehmen in der Kammer (483) die von der Brennstoffzelle (474) über die Verbindung (494) von dem Elektrolyten (474a) zugeführte Wärme als Enthalpie auf. Die in der Kammer (483) erwärmte Luft verlässt daraufhin die Kammer (483) über deren Auslass (484) und gelangt über die Verbindung (488) zurück zur Atmosphäre.
  • Die Anoden-Kammer (476) der Brennstoffzelle (474) wird über ihren Einlass (475) mit Wasserstoff aus der Verbindung (489) gespeist. Der Wasserstoff wird an der Anoden-Elektrode verstromt, indem die Wasserstoffmoleküle an der Anoden-Elektrode ihre Elektronen an dieselbe abführen und zu Protonen degenerieren. Diese durchströmen daraufhin die PEM in Richtung Kathoden-Elektrode. Hierbei entsteht in der PEM Wärme, welche als Wärmestrom über die Verbindung (494) auf den Co-Prozessor (481) übertragen wird und dieser die Wärme aufnimmt und an die durch die Kammer (483) des Co-Prozessors strömende Luft übertragen und in welcher sie als Enthalpie gespeichert wird. Durch den permanenten Abfluss von thermischer Energie wird die PEM (474a) der Brennstoffzelle (474) gekühlt.
  • Über den Auslass (477) der Anoden-Kammer (476) der Brennstoffzelle (474) strömt der Brenngasschlupf, welcher in der Anoden-Kammer (476) nicht verstromt wurde.
  • Die Kathoden-Kammer (479) der Brennstoffzelle (474) wird über ihren Einlass (478) mit Luftsauerstoff aus der Verbindung (491) gespeist. Der Sauerstoff der Luft wird durch die Aufnahme von Elektronen von der Kathoden-Elektrode ionisiert. Der ionisierte Sauerstoff oxidiert die aus der PEM (474a) kommende Wasserstoff-Protonen, indem die Sauerstoffionen Elektronen an die Wasserstoff-Protonen abgeben, während der von Sauerstoff abgereicherte Luftsauerstoff die Kathoden-Kammer (479) über ihren Auslass (480) wieder verlässt und über die Verbindung (492) in die Atmosphäre gelangt.
  • Die 14 zeigt schematisch ein Verfahrensschema, durch welches eine PEM einer PEM-Brennstoffzelle durch eine katalytische Heizung erwärmt wird.
  • Im Einzelnen zeigt die 14 eine Brennstoffzelle (495) und einen mit einem Katalysator (506) bestückten Co-Prozessor (502).
  • Die Brennstoffzelle (495) besitzt eine Anoden-Kammer (497), welche mit einem Einlass (496) und einem Auslass (498) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (500), welche mit einem Einlass (499) und einem Auslass (501) verbunden ist.
  • Der Co-Prozessor (502) besitzt eine mit einem Katalysator (506) bestückte Kammer (504), welche mit einem Einlass (503) und einem Auslass (505) verbunden ist und welche über die Verbindung (515) die am Katalysator (506) katalytisch erzeugte Wärme auf die Brennstoffzelle (474) überträgt.
  • Hierzu wird ein Einspeisepunkt (509) über die Verbindung (507) mit vergastem Methanol und über die Verbindung (508) mit Luftsauerstoff gespeist. Der Abgang des Einspeisepunktes (509) ist mit der Verbindung (510) verbunden, über welche der Kammer (504) des Co-Prozessors (502) über dessen Einlass (503) eine brennbare Gasmischung zugeführt wird. Die brennbare Gasmischung wird im Co-Prozessor (502) an dem Katalysator (506) in der Kammer (504) katalytisch verbrannt. Die hierbei freiwerdende Wärme wird zu einem Teil im Abgas als Enthalpie gespeichert, während der übrige Teil über die Verbindung (515) auf die Kathoden-Kammer (500) der Brennstoffzelle (495) übertragen wird.
  • Das Abgas verlässt die Kammer (504) über dessen Auslass (505). Hierzu ist der Auslass (505) über die Verbindung (511) mit dem Einlass (496) der Anoden-Kammer (497) der Brennstoffzelle (495) und über die Verbindung (513) mit dem Einlass (499) der Kathoden-Kammer (500) der Brennstoffzelle (495) verbunden.
  • Mit der im Abgas gespeicherten Enthalpie werden die Anoden-Kammer (497) und die Kathoden-Kammer (500) erwärmt, indem das Abgas in den beiden Kammern an den Kammerwänden und an dem, die beiden Kammern miteinander verbindenden Elektrolyten thermisch abgereichert wird.
  • Das in den beiden Kammern (497) und (500) thermisch abgereicherte Abgas verlässt über den Auslass (498) die Anoden-Kammer (497) und über den Auslass (501) die Kathoden-Kammer (500). Der Auslass (498) ist über die Verbindung (512) und der Auslass (514) ist über die Verbindung (514) mit der Atmosphäre verbunden, in welche das Abgas entweicht.
  • Die 15 zeigt schematisch ein Verfahrensschema, nach welchem ein als Heizstrahler ausgebildeter Co-Prozessor die PEM einer PEM-Brennstoffzelle mit seiner Abstrahlwärme erwärmt.
  • Im Einzelnen zeigt die 15 einen Co-Prozessor (523), eine PEM-Brennstoffzelle (516) und eine Stromquelle (529).
  • Die Brennstoffzelle (516) besitzt eine Anoden-Kammer (518), welche mit einem Einlass (517) und einem Auslass (519) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (521), welche mit einem Einlass (520) und einem Auslass (522) verbunden ist sowie die Anoden-Kammer von der Kathoden-Kammer durch einen mit Anoden- und Kathoden-Elektrode verbundenen Elektrolyten (516a) voneinander getrennt sind und dieser über eine Verbindung (536) mit dem Heizwiderstand (526) im Co-Prozessor (523) verbunden ist.
  • Der Co-Prozessor (523) besitzt eine mit einem Heizdraht (526) bestückte Kammer (525), welche mit einem Durchlass (524) und (527) für die Durchführung der Anschlussleitungen (528) und (530) verbunden ist.
  • Der Heizdraht (526) des Co-Prozessors (523) ist über die Verbindungen (528) und (530) mit der Stromquelle (529) verbunden, über welche der Heizdraht (526) mit elektrischer Energie gespeist wird.
  • Über die Verbindung (535) wird die vom Heizdraht (526) abgestrahlte Wärme auf die PEM (536) der Brennstoffzelle (516) übertragen, wodurch diese erwärmt und für den Transport von Protonen leitend wird.
  • Sobald die PEM (536) der Brennstoffzelle (516) für Protonen leitend ist, wird die Anoden-Kammer (518) über deren Einlass (517) mit Wasserstoff und die Kathoden-Kammer (521) über deren Einlass (520) mit Luftsauerstoff gespeist. Hierzu werden der Einlass (517) über die Verbindung (531) mit Wasserstoff und der Einlass (520) mit Luftsauerstoff unterhalten.
  • Der aus der Verstromung des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle (516) resultierende Wasserdampf verlässt die Anoden-Kammer (518) über dessen Auslass (519), welcher über die Verbindung (532) mit der Atmosphäre verbunden ist, während der in der Kathoden-Kammer (521) von Sauerstoff abgereicherte Luftsauerstoff die Kathoden-Kammer (521) über deren Auslass (527) verlässt, welcher über die Verbindung (534) ebenfalls mit der Atmosphäre verbunden ist.
  • Die 16 zeigt eine in Explosionszeichnung dargestellte PEM-Brennstoffzelle mit Anoden-Kammer, Kathoden-Kammer und Schichtkörper aus PEM, Anoden- und Kathoden-Elektrode bestehend, in deren PEM eine elektrische und sich selbst regelnde Heizung eingebaut ist, welche zusammen mit einer Heizung in einem Co-Prozessor die PEM erwärmt.
  • Im Einzelnen zeigt die 16 eine Anoden-Kammer (538), einen aus PEM, Anoden- und Kathoden-Elektrode bestehenden Schichtkörper (539), eine Kathoden-Kammer (540) und einen Co-Prozessor (551).
  • Der Schichtkörper (539) besteht aus der Anoden-Elektrode (541), der PEM (542) und der Kathoden-Elektrode (543).
  • Die PEM (542) besitzt in ihrem Innern zwei in Reihe mit einem PTC-Widerstand (547) geschaltete Heizwiderstände (545) und (549), welche über die Verbindungen (546) und (548) miteinander verbunden sind und deren freie Enden mit den Verbindungen (544) und (550), welche aus der PEM (542) herausführen, verbunden sind, während die PEM (542) gleichzeitig die Heizwiderstände (545) und (549) sowie den PTC-Widerstand gegenüber der Anoden-Elektrode (541) und der Kathoden-Elektrode (543) mit ihrem isolierend wirkenden Material ummantelt.
  • Mit dem Anlegen einer Stromquelle an die beiden freien Enden der Verbindungen (544) und (550) fließt durch die beiden Heizwiderstände (545) und (549) sowie durch den PTC-Widerstand (547) ein Strom, durch welchen die Heizwiderstände erhitzt werden und die mit den Heizwiderständen verbundene PEM (542) durch dieselben erwärmt wird. Die Erwärmung der PEM (542) bewirkt, dass der mit der PEM (542) verbundene PTC-Widerstand (547) durch die PEM erwärmt wird und sobald die PEM soweit erwärmt ist, dass sie für den Transport von Protonen leitend ist, der PTC-Widerstand derart hochohmig wird, dass der Strom durch die Heizwiderstände (545) und (549) sowie den PTC-Widerstand (547) zum Erliegen kommt.
  • Die äußere Erwärmung der PEM (542) erfolgt durch den als Heizstrahler wirkenden Heizwiderstand (554), welcher sich innerhalb der Kammer (553) des Co-Prozessors (551) befindet. Der Heizwiderstand (554) ist über die Verbindungen (556) und (557), welche durch die Durchlässe (552) und (555) geführt sind, mit einer äußeren Stromquelle verbunden. Der durch den Stromfluss aus der äußeren Stromquelle erhitzte Heizwiderstand (554) überträgt seine Wärme über die Verbindung (558) auf das Gehäuse des Co-Prozessors (551), von wo die Wärme über die als Luft wirkende Verbindung (559) auf die Kathoden-Elektrode (543) durch Abstrahlung übertragen wird. Die dadurch erwärmte Kathoden-Elektrode (543) überträgt ihrerseits die Wärme auf die darunter liegende PEM (542).
  • Die 17 zeigt schematisch ein Verfahrensschema, nach welchem der Heizwiderstand eines Co-Prozessors einer PEM von außen Wärme zuführt und dieser durch die PEM und der in ihr eingebauten und sich selbst regelnden Heizung ein- und ausgeschaltet wird, wodurch die PEM von innen und außen schnell und trotzdem schonend erwärmt wird.
  • Im Einzelnen zeigt die 17 den Heizwiderstand (554) des Co-Prozessors (551) aus der 16 ebenso wie die PEM (542) in einer Schnittzeichnung, durch deren Schnitt ein Einblick in die PEM (542) ermöglicht wird. Der Schnitt zeigt zwei als Gitter ausgeführte Heizwiderstände (545) und (549) sowie einen PTC-Widerstand (547). Des Weiteren zeigt die 17 eine Stromquelle (563), einen Shunt-Widerstand (569), einen Komparator (575) und einen Schließer (578).
  • Die im Schnitt dargestellte PEM (542) zeigt die offen gelegten Heizwiderstände (545) und (549), welche als Gitter ausgeführt sind sowie den PTC-Widerstand (547), welcher mit beiden Heizwiderständen verbunden ist, während die freien Enden der Heizwiderstände (545) und (549) mit den Verbindungen (544) und (550) verbunden sind, welche als Anschlussstelle aus der PEM (542) herausführen und für den Anschluss mit äußeren Verbindungen mit Ösen (544a) und (550a) versehen sind.
  • Die beiden Anschlussstellen (544) und (550) sind über die Verbindungen (560), (556), (557), (566), (568), (570), (572) und (577) miteinander verbunden.
  • Die Verbindung (560) ist über die Verbindungsstelle (561) mit der Verbindung (556) verbunden. Gleichzeitig geht von der Verbindungsstelle (561) die Verbindung (562) ab, welche mit dem Minus-Pol der Stromquelle (563) verbunden ist.
  • Der Heizwiderstand (554) ist mit der Verbindung (556) und (557) verbunden, wobei die Verbindung (557) gegenüber der Verbindung (577) durch einen Schließer (578) unterbrochen wird. Dessen Schließwurzel ist mit der Verbindung (577) verbunden, welche ihrerseits mit der Verbindungsstelle (565) verbunden ist.
  • Von der Verbindungsstelle (565) geht eine Verbindung (564) ab, welche mit dem Plus-Pol der Stromquelle (563) verbunden ist. Gleichzeitig geht von der Verbindungsstelle (565) die Verbindung (566) ab, welche mit der Verbindungsstelle (567) verbunden ist.
  • Von der Verbindungsstelle (567) gehen die Verbindungen (568) und (573) ab. Über die Verbindung (568) ist der Shunt-Widerstand (569) und über die Verbindung (573) ist der Eingang des Komparators (575) mit dem Verbindungspunkt (567) verbunden.
  • Der Shunt-Widerstand (569) ist auf der anderen Seite über die Verbind ung (570) mit dem Verbindungspunkt (571) verbunden. Von diesem gehen die Verbindungen (572) und (574) ab, welche mit der Anschlussstelle (550) und dem Eingang des Komparators (575) verbunden sind.
  • Die beiden mit den Verbindungen (573) und (574) verbundenen Eingänge des Komparators (575) sind eingangsseitig mit Operationsverstärkern in Elektrometerschaltung hochohmig ausgeführt, wobei die Ausgänge der beiden Elektrometerschaltungen einer internen Differenzstufe zugeführt werden, in welcher der Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand (569) nachgebildet und verstärkt wird derart, dass aus den beiden abgegriffenen Spannungen eine Differenzspannung gebildet wird und der der Differenzstufe folgende Komparator mit einer normierten Ist-Spannung gespeist sowie mit der eines Sollwertgebers verglichen werden kann. Der Komparator ist eingangsseitig so beschaltet, dass er bei einer am Eingang des Komparators anstehenden Ist-Spannung schaltet, bei der die Ist-Spannung gleich und niedriger ist als die durch den Sollwertgeber eingestellte Spannung und der Ausgang des Komparators (575) den Zustand von logisch „1" zu logisch „0" wechselt. Der Ausgang des Komparators (575) ist hierzu über die Verbindung (576) mit dem Schließer (578) verbunden, welcher bei Schaltzustand von logisch „1" geschlossen und bei Schaltzustand logisch „0" geöffnet ist.
  • Im betriebskalten Zustand der PEM (542) ist der in der PEM eingebaute PTC-Widerstand niederohmig. In diesem Zustand speist die Stromquelle (563) die Heizwiderstände (545) und (549) mit voller Leistung. Hierbei fällt über dem Widerstand (569) eine dem Stromfluss proportionale Spannung ab, welche dem Komparator (575) als Ist-Spannung zugeführt wird. Die am Shunt-Widerstand (569) durch die Verbindungen (573) und (574) abgegriffene Spannung, welche höher ist als die der Soll-Spannung des Komparators, bewirkt, dass der Ausgang des Komparators den Schaltzustand von logisch „1" einnimmt und über die Verbindung (576) den Schließer (578) schließt.
  • Hierdurch speist die Stromquelle (563) über die Verbindungen (564), (577), (557), (556) und (562) den Heizwiderstand (554) im Co-Prozessor (551). Die im Heizwiderstand verstromte elektrische Energie erhitzt den Heizwiderstand (554), welcher seine Wärme über die Verbindung (558) und (559) auf die PEM (542) überträgt und somit die PEM (542) von außen zusätzlich erwärmt.
  • Mit der von innen und von außen zugeführten Wärme wird die PEM (542) und somit auch der PTC-Widerstand (547) erwärmt derart, dass er hochohmig wird und der Strom in der Verbindung (566), (570), (572) und (560) zum Erliegen kommt. Der Rückgang des Stroms in den Heizwiderständen (545) und (549) bewirkt, dass die durch die Verbindungen (573) und (574) über dem Shunt-Widerstand (569) abfallende Spannung sinkt und zwar soweit, dass sie die Soll-Spannung des Komparators (575) unterschreitet und der Komparator seinen Schaltzustand von logisch „1" nach logisch „0" wechselt, wodurch die Verbindung (576) den Schließer (578) betätigt und diesen öffnet, wodurch der Stromfluss durch den Heizwiderstand (554) unterbrochen wird.
  • Die 18 zeigt schematisch einen Co-Prozessor, welcher mit einer DMFC-Brennstoffzelle verbunden ist und welcher die PEM der DMFC-Brennstoffzelle durch ein Peltierelelement auf konstanter Temperatur hält.
  • Im Einzelnen zeigt die 18 einen Co-Prozessor (586), eine Brennstoffzelle (579), einen Wasserkühler (603), eine Wasserpumpe (606), einen aus zwei Schaltebenen bestehenden Wechsler (609), (617), eine Stromquelle (613), ein Ventil (623), eine Membrane (625) und einen Tank (630).
  • Die Brennstoffzelle (579) besitzt eine Anoden-Kammer (581), welche mit einem Einlass (580) und einem Auslass (582) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (584), welche mit einem Einlass (583) und einem Auslass (585) verbunden ist. Des Weiteren besitzt sie eine PEM (592) mit einer Anoden- und einer Kathoden-Elektrode, welche die Anoden-Kammer von der Kathoden-Kammer trennt.
  • Der Co-Prozessor (586) besitzt im innern die Kammern (588) und (593). Die Kammer (588) ist mit einem Einlass (587) und einem Auslass (590) verbunden, während die Kammer (593) mit den Durchlässen (591) und (594) verbunden ist, durch welche die Verbindungen (608) und (618) führen, welche mit dem Peltierelement (592) verbunden sind. Das Peltierelement (592) ist über die Verbindung (595) mit der Kammerwand (589) und jene mit der Kammer (588) und dem darin befindlichem Wärmeträgermedium thermisch verbunden.
  • Die mit dem Peltierelement (592) verbundene Außenwand des Co-Prozessors (586) ist über die Verbindung (596) mit der Kathoden-Elektrode der PEM (597) verbunden, über welche ein Wärmestrom in beide Richtungen übertragen und durch welchen die PEM (597) durch das Peltierelement (592) gekühlt und geheizt wird.
  • Der Auslass (590) des Co-Prozessors (586) ist über die Verbindung (598), (600) und (602) mit dem Wasserkühler (603) verbunden, über welchen das Wärmeträgermedium, welches sich aus Wasser und Methanol zusammensetzt, mit der darin gespeicherten Enthalpie aus dem Co-Prozessor (586) dem Wasserkühler (603) zugeführt und thermisch abgereichert wird, indem die Wärme von dem Wasserkühler (603) aus der Kühlflüssigkeit abgereichert und diese über die Verbindung (604) an die Atmosphäre abgeführt wird, während die im Wasserkühler (603) thermisch abgereicherte Kühlflüssigkeit denselben über die Verbindung (605) verlässt und damit den Einlass der Wasserpumpe (606) speist.
  • Hierzu speist die Verbindung (598) den Einspeisepunkt (599), von welchem die Verbindungen (622) und (600) abgehen sowie die Verbindung (600) den Einspeisepunkt (601) speist. Zusätzlich wird der Einspeisepunkt (601) über die Verbindung (631) mit weiterer Kühlflüssigkeit aus dem Tank (630) gespeist. Von diesem Einspeisepunkt (601) geht die Verbindung (602) ab, über welche der Rekuperator (603) mit Wärme unterhalten wird.
  • Über den Auslass der Wasserpumpe (606) wird über die Verbindung (607) die Kammer (588) des Co-Prozessors (586) über dessen Einlass (587) mit gekühlter Kühlflüssigkeit gespeist.
  • Die Verbindung (608) ist in der Schalterstellung I über den Wechsler (609) und der Verbindung (610), (612) mit dem Plus-Pol der Stromquelle (613) verbunden, während die Verbindung (618) mit dem Minus-Pol der Stromquelle (613) über den Wechsler (617) und die Verbindungen (614), (616) verbunden ist.
  • In der Schalterstellung II ist die Verbindung (602) über den Wechsler (603) und die Verbindungen (608), (613) mit dem Minus-Pol der Stromverbindung (607) verbunden, während die Verbindung (612) mit dem Plus-Pol der Stromquelle (607) über den Wechsler (611) und den Verbindungen (606), (614) verbunden ist.
  • Hierzu sind die Verbindungen (610), (612), (620) über die Verbindungsstelle (611) und die Verbindungen (614), (616), (619) über die Verbindungsstelle (615) miteinander verbunden.
  • Beide Wechsler (609) und (617) sind über die Verbindung (621) miteinander verbunden, wodurch beide Wechsler synchron von Schaltstellung I nach Schaltstellung II und umgekehrt schaltbar sind.
  • Das Peltierelement (592) ist mit den Verbindungen (608) und (618) derart verbunden, dass es in der Schaltstellung I der Wechsler (609) und (617) über die Verbindung (595) und der Kammerwand (589) die Kammer (588) kühlt und über die Verbindung (596) die Kathoden-Elektrode der mit ihr verbundenen PEM (597) heizt und in der Schalterstellung II der Wechslers (609) und (617) die der Kammer (588) zugewandte Seite des Peltierelementes heizt und die ihm gegenüber liegende Seite kühlt.
  • Über die Verbindung (628) wird die Kathoden-Kammer (584) der Brennstoffzelle (579) über deren Einlass (583) mit Luftsauerstoff gespeist, sobald das Peltierelement (592) des Co-Prozessors (586) die PEM (597) der Brennstoffzelle (579) soweit erwärmt hat, dass die PEM (597) für Protonen leitend wird und Strom erzeugt.
  • Ab diesem Zeitpunkt wird die Brennstoffzelle (579) über die Verbindung (626) mit einer Mischung aus Methanol und Wasser unterhalten.
  • Die Mischung aus Methanol und Wasser gelangt über den Einlass (580) in die Anoden-Kammer (581), in welcher das Methanol an der Anoden-Elektrode der PEM (597) die Wasserstoff-Moleküle abgibt, welche daraufhin als Protonen die PEM (597) durchdringen und auf der Kathodenseite an der Kathoden-Elektrode mit dem Sauerstoff aus dem Luftsauerstoff in Verbindung gehen, indem die Wasserstoffprotonen und der Sauerstoff in der Kathoden-Kammer (588) miteinander reagieren und sich Wasserdampf bildet, während in der Anoden-Kammer (581) aus der Verstromung des Methanols Kohlendioxid als Abfallprodukt anfällt.
  • Hierzu wird die Membrane (625) über das geöffnete Ventil (623) mit einer vorgewärmten Mischung aus Methanol und Wasser aus dem Einspeisepunkt (599) gespeist. Die Flüssigkeit durchdringt die Membrane (625) und verlässt die Membrane als Permeat. Von dort wird der Einlass (580) der Anoden-Kammer (581) über die Verbindung (626) mit demselben gespeist. An der Anoden-Elektrode der PEM (597) wird das Permeat verstromt, wobei die Wasserstoffmoleküle durch die Entfernung der Elektronen an der Anoden-Elektrode der PEM (597) zu Protonen degradiert werden, welche anschließend durch die PEM (597) hin zur Kathoden-Elektrode der PEM (597) fließen und an jener mit dem Sauerstoff zu Wasserdampf oxidieren, indem der Sauerstoff Elektronen aus der Kathoden-Elektrode der PEM (597) aufnimmt. Hierbei entsteht in der PEM (597) durch den Transport der Protonen Wärme, welche als Wärmestrom über die Verbindung (596) an das Peltierelement (592) abgeführt wird. Durch den permanenten Abfluss von thermischer Energie von der Brennstoffzelle (579) über die Verbindung (596) wird die Brennstoffzelle gekühlt und in umgekehrter Richtung erwärmt.
  • Das aus der Verstromung des Methanols in der Brennstoffzelle (579) resultierende Kohlendioxid verlässt die Anoden-Kammer (581) über dessen Auslass (582), welcher über die Verbindung (627) mit der Atmosphäre verbunden ist, während der in der Kathoden-Kammer (584) von Sauerstoff abgereicherte Luftsauerstoff die Kathoden-Kammer (584) zusammen mit dem Wasserdampf aus der Brennstoffzellenreaktion über deren Auslass (585) verlässt, welcher über die Verbindung (629) ebenfalls mit der Atmosphäre verbunden ist.
  • Die 19 zeigt schematisch einen Co-Prozessor, welcher über eine Verbindung mit einer DMFC-Brennstoffzelle verbunden ist, wobei der Co-Prozessor die PEM einer DMFC-Brennstoffzelle dadurch auf Temperatur hält, dass ein Peltierelement in einem thermoelektrischen Prozess die thermische Energie aus der PEM in elektrische Energie umwandelt, welche in einem Verbraucher verstromt wird und wodurch ein Wärmestrom zwischen der PEM und dem Peltierelement aufrechterhalten bleibt, durch welchen die PEM permanent gekühlt wird.
  • Im Einzelnen zeigt die 19 einen Co-Prozessor (639), eine Brennstoffzelle (632), einen aus zwei Schaltebenen bestehenden Wechsler (652), (656), eine Stromquelle (654), einen elektrischen Verbraucher (659), einen Tank (662), ein Ventil (667) und eine Membrane (667).
  • Die Brennstoffzelle (632) besitzt eine Anoden-Kammer (634), welche mit einem Einlass (633) und einem Auslass (635) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (637), welche mit einem Einlass (636) und einem Auslass (638) verbunden ist. Des Weiteren besitzt sie eine PEM (650) mit einer Anoden- und einer Kathoden-Elektrode, welche die Anoden-Kammer von der Kathoden-Kammer trennt.
  • Der Co-Prozessor (639) besitzt im innern die Kammern (641) und (644). Die Kammer (541) ist mit einem Einlass (640) und einem Auslass (642) verbunden, während die Kammer (644) mit den Durchlässen (643) und (644) verbunden ist, durch welche die Verbindungen (651) und (657) führen, welche mit dem Peltierelement (647) verbunden sind, wobei das Peltierelement (647) über die Verbindung (648) mit der Kammerwand (646) und jene mit der Kammer (641) und einer darin befindlichem und durchströmenden Flüssigkeit verbunden ist.
  • Das mit der Außenwand des Co-Prozessors (639) verbundene Peltier element (647) ist über die Verbindung (649) mit der Kathoden-Elektrode und der damit verbundenen PEM (650) verbunden, über welche ein Wärmestrom in beide Richtungen übertragen und durch welchen die PEM (650) durch das Peltierelement (647) gekühlt und geheizt wird.
  • Der Einlass (640) des Co-Prozessors (639) ist über die Verbindung (663b) und (663) mit dem Tank (662) verbunden, in welchem sich eine Mischung aus Methanol und Wasser befindet und aus welchem die Kammer (641) des Co-Prozessors (639) gespeist wird. In der Kammer (641) des Co-Prozessors (639) wird die beim thermoelektrischen Prozess entstehende Joul'sche Wärme des Peltierelements (647) abgeführt, indem das Peltierelement (647) über die Verbindung (648) die Joul'sche Wärme auf die Wand (646) überträgt, von wo die Flüssigkeit in der Kammer (641) die Wärme aufnimmt und als Enthalpie in sich speichert. Gleichzeitig dient die Kammer (641) für die Membrane (667) und für die Brennstoffzelle (632) als Vorwärmer derart, dass die Flüssigkeit im erwärmten Zustand die Membrane (667) als Permeat schneller durchdringt.
  • Hierzu ist der Auslass (642) des Co-Prozessors (639) über die Verbindung (664) mit dem Einlass des Ventils (665) und dessen Auslass über die Verbindung (666) mit dem Einlass der Membrane (667) verbunden.
  • Des Weiteren wird der Kühlkreislauf über den Bypass (663c) an der Kammer (641) des Co-Prozessors (639) vorbeigeführt, solange die PEM (650) der Brennstoffzelle (632) noch nicht ihre endgültige Betriebstemperatur erreicht hat. Der Bypass (663c) ist hierzu durch die Verbindungsstellen (663a) und (663d) mit den Verbindungen (663), (663b) und (664) verbunden.
  • Dem Einlass der Membrane (667) wird sodann im betriebswarmen Zustand der Brennstoffzelle (632) bei geöffnetem Ventil (665) die thermisch angereicherten Mischung aus Methanol und Wasser aus der Kammer (641) des Co-Prozessors (639) sowie die nicht angewärmter Mischung aus Methanol und Wasser aus dem Bypass (663c) zugeführt, welche zusammen die Membrane (667) durchdringen und die Mischung aus Methanol und Wasser den Auslass der Membrane (667) als Permeat verlassen. Über die Verbindung (668) wird die Anoden-Kammer (634) der Brennstoffzelle (632) sodann über deren Einlass (633) mit Permeat als Brenngas gespeist.
  • In der Schalterstellung I ist die Verbindung (651) über den Wechsler (652) und der Verbindung (653) mit dem Plus-Pol der Stromquelle (654) verbunden, während die Verbindung (657) mit dem Minus-Pol der Stromquelle (654) über den Wechsler (656) und der Verbindung (655) verbunden ist.
  • In der Schalterstellung II ist die Verbindung (651) über den Wechsler (652) und die Verbindung (658) mit dem Verbraucher (659) verbunden, während die Verbindung (657) mit dem Verbraucher (659) über den Wechsler (656) und der Verbindung (660) verbunden ist.
  • Beide Wechsler (652) und (656) sind über die Verbindung (661) miteinander verbunden, wodurch beide Wechsler synchron von Schaltstellung I nach Schaltstellung II und umgekehrt schaltbar sind.
  • Das Peltierelement (647) ist mit den Verbindungen (651) und (657) derart verbunden, dass es in der Schaltstellung I bei der Stromaufnahme aus der Stromquelle (654) auf der der Kammer (641) zugewandten Seite kälter ist als auf seiner gegenüber liegenden Seite, wodurch die PEM (650) über die Verbindung (649) mit einem Wärmestrom thermisch angereichert wird.
  • Umgekehrt wird die PEM (650) über die Verbindung (650) thermisch abgereichert, indem der Wärmestrom in der Verbindung (649) umgekehrt und mit der Wärme der PEM (650) das Peltierelement (647) thermisch angereichert wird. Hierzu werden die Wechsler (652) und (656) in die Schalterstellung II gebracht und das Peltierelement (647) als thermoelektrischer Generator betrieben. Das Peltierelement (647) generiert bei gleichzeitig kälterer Gegenseite einen elektrische Strom, welcher über die Verbindung (651), (658), (660) und (657) durch den Verbraucher (659) fließt, wodurch die der Kammer (641) zugewandte Seite thermisch abgereichert wird und das Peltierelement (647) weitere thermische Energie aus der Verbindung (649) aufnehmen kann.
  • Über die Verbindung (670) wird die Kathoden-Kammer (637) der Brennstoffzelle (632) über deren Einlass (636) mit Luftsauerstoff gespeist, sobald das Peltierelement (647) des Co-Prozessors (639) die PEM (650) der Brennstoffzelle (632) soweit erwärmt hat, dass die PEM (650) für Protonen leitend wird und Strom erzeugt.
  • Ab diesem Zeitpunkt wird die Brennstoffzelle (632) über die Verbindung (668) mit Permeat aus der Membrane (667) unterhalten. Das Permeat gelangt über den Einlass (633) in die Anoden-Kammer (634), in welcher das Permeat an der Anoden-Elektrode der PEM (650) die Wasserstoff Moleküle abgibt, welche daraufhin an der Anoden-Elektrode der PEM (650) ihre Elektronen an die Anoden-Elektrode abführen. Hierdurch wird der Wasserstoff zu Protonen degradiert, welche daraufhin die PEM (650) durchdringen und an der Kathoden-Elektrode der PEM (650) mit dem Sauerstoff aus dem Luftsauerstoff in Verbindung gehen, indem die Protonen und der Sauerstoff durch die gleichzeitige Aufnahme von Elektronen von der Kathoden-Elektrode der PEM (650) oxidieren und in der Kathoden-Kammer (637) Wasserdampf bilden, während in der Anoden-Kammer (634) aus der Verstromung des Permeats sich Kohlendioxid als Abfallprodukt bildet.
  • Hierzu wird die Anoden-Kammer (634) zu einem Teil aus dem Co-Prozessor (639) und zu einem anderen Teil direkt aus dem Tank (662) mit einer Mischung aus Methanol und Wasser gespeist, welche als Permeat in die Anoden-Kammer (634) gelangt. Der Einlass (633) der Brennstoffzelle (632) ist dazu über die Verbindungen (668), (666) und (664) mit dem Verbindungspunkt (663d) verbunden, welcher über die Verbindungen (663b) und (663c) mit dem Verbindungspunkt (663a) verbunden ist und welcher über die Verbindung (663) aus dem Tank (662) mit einer Mischung aus Methanol und Wasser unterhalten wird. Über das geöffnete Ventil (665) wird die über die Verbindung (664) kommende Mischung aus Methanol und Wasser der Membrane (667) als Flüssigkeit zugeführt. Die Flüssigkeit durchdringt die Membrane (667) und gelangt über die Verbindung (668) als Permeat über den Einlass (633) in die Anoden-Kammer (634), in welcher es der Anoden-Elektrode der PEM (650) in Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt und der Wasserstoff durch die Abführung der Elektronen an der Anoden-Elektrode der PEM (650) zu Protonen degradiert werden, welche anschließend durch die PEM (650) hin zur Kathoden-Elektrode der PEM (650) fließen und an jener mit dem Sauerstoff zu Wasserdampf oxidieren, indem der Sauerstoff Elektronen aus der Kathoden-Elektrode der PEM (650) aufnimmt.
  • Das aus der Verstromung des Methanols in der Brennstoffzelle (632) resultierende Kohlendioxid verlässt die Anoden-Kammer (634) über deren Auslass (635), welcher über die Verbindung (669) mit der Atmosphäre verbunden ist, während der in der Kathoden-Kammer (641) von Sauerstoff abgereicherte Luftsauerstoff die Kathoden-Kammer (641) zusammen mit dem Wasserdampf aus der Brennstoffzellenreaktion über deren Auslass (638) verlässt, welcher über die Verbindung (671) ebenfalls mit der Atmosphäre verbunden ist.
  • Die 20 zeigt schematisch ein Brennstoffzellen-Kraftwerk, in welchem sich ein Brennstoffzellen-Waben-Stapel befindet, dessen einzelne Waben aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen bestehen. Die einzelne Brennstoffzellen-Wabe wechselt sich mit einer Wabe aus Co-Prozessoren bestehend ab, durch welche die Brennstoffzellen der einzelnen Wabe gekühlt werden. Die einzelne Brennstoffzelle innerhalb einer Wabe bildet mit jenen, welche sich direkt darüber befinden eine Brennstoffzellen-Säule. Eine solche Brennstoffzellen-Säule bildet an einem ihrer Enden einen Plus-Pol und dieser gegenüber einen Minus-Pol. Diese Brennstoffzellen-Säulen sind auf zwei Schaltebenen (J) und (K) mit Schaltern zu einer Reihen- und einer Parallelschaltung verschaltet, womit die Spannung und der Strom des Brennstoffzellen-Kraftwerks einstellbar sind.
  • Im Einzelnen zeigt die 20 die Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678), welche über die Schließer (692, 695, 698, 701, 704, 707, 710, 713, 716, 719, 722, 725, 728 und 731) parallel und über die Schließer (746, 751, 756, 761, 766, 771, 776, 749, 754, 759, 764, 769, 774,779, 785, 791, 797, 803, 809, 815 und 821) in reihe geschaltet werden.
  • Die Wurzeln der Schließer (692, 695, 698, 701, 704, 707, 710, 746, 751, 756, 761, 766, 771 und 776) sind über die Verbindungen (693, 696, 699, 702, 705, 708, 711, 747, 752, 757, 762, 767, 772 und 777) mit dem Plus-Pol der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) verbunden.
  • Die Wurzeln der Schließer (713, 716, 719, 722, 725, 728, 731, 748, 754, 759, 764, 769, 774 und 779) sind über die Verbindungen (712, 715, 718, 721, 724, 727, 730, 748, 753, 758, 763, 768, 773 und 778) mit dem Minus-Pol der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) verbunden.
  • Die der Wurzel gegenüber liegenden Seite der Schließer (692, 695, 698, 701, 704, 707 und 710) sind über die Verbindungen (679, 694, 697, 700, 703, 706, 709, 681, 683, 685, 687, 689 und 691) durch die Verbindungsstellen (680, 682, 684, 688 und 690) miteinander verbunden.
  • Die der Wurzel gegenüber liegende Seite der Schließer (713, 716, 719, 722, 725, 728 und 731) sind über die Verbindungen (714, 717, 720, 723, 726, 729, 732, 734, 736, 738, 740, 742 und 744) durch die Verbindungsstellen (733, 735, 737, 739, 741 und 743) miteinander verbunden.
  • Die Verbindung (745) ist mit dem Schließer (746) verbunden, der Schließer (749) ist über die Verbindung (750) mit dem Schließer (751), der Schließer (754) ist über die Verbindung (755) mit dem Schließer (756), der Schließer (759) ist über die Verbindung (760) mit dem Schließer (761), der Schließer (764) ist über die Verbindung (765) mit dem Schließer (766), der Schließer (769) ist über die Verbindung (770) mit dem Schließer (771), der Schließer (774) ist über die Verbindung (775) mit dem Schließer (776) und der Schließer (779) mit der Verbindung (780) verbunden.
  • Des Weiteren besteht zwischen der Verbindung (745) und (780) durch die Verbindungen (784, 786, 790, 792, 796, 798, 802, 804, 808, 810, 814, 816, 820 und 822) ein Kurzschluss, welcher durch die Schließer (785, 791, 797, 803, 809, 815 und 821) unterbrochen wird. Hierzu ist die Verbindung (784) über die Verbindungs stelle (783) mit der Verbindung (745) und der Verbindung (782), während die Verbindungs-stelle (823) die Verbindungen (780) und (822) miteinander verbindet.
  • Die beiden Schaltebenen (J) und (K) sind an den Plus- und den Minus-Polen der Brennstoffzellen-Säulen (672, 673, 674, 675, 676, 677 und 678) zusammengefasst. Hierzu sind die freien Enden der Verbindung (693) und die der Verbindung (777) mit dem Plus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (672), die freien Enden der Verbindung (696) und die der Verbindung (772) mit dem Plus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (673), die freien Enden der Verbindung (699) und die der Verbindung (767) mit dem Plus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (674), die freien Enden der Verbindung (702) und die der Verbindung (762) mit dem Plus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (675), die freien Enden der Verbindung (705) und die der Verbindung (757) mit dem Plus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (676), die freien Enden der Verbindung (708) und die der Verbindung (752) mit dem Plus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (677), die freien Enden der Verbindung (711) und die der Verbindung (747) mit dem Plus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (678), die freien Enden der Verbindung (712) und die der Verbindung (778) mit dem Minus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (672), die freien Enden der Verbindung (715) und die der Verbindung (773) mit dem Minus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (673), die freien Enden der Verbindung (718) und die der Verbindung (768) mit dem Minus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (674), die freien Enden der Verbindung (721) und die der Verbindung (763) mit dem Minus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (675), die freien Enden der Verbindung (724) und die der Verbindung (758) mit dem Minus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (676), die freien Enden der Verbindung (727) und die der Verbindung (753) mit dem Minus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (677) und die freien Enden der Verbindung (730) und die der Verbindung (748) mit dem Minus-Pol der Brennstoffzellen-Säule (678) verbunden sind.
  • Schließlich bestehen durch die Verbindungsstellen (787, 789, 793, 795, 799, 801, 805, 807, 811, 813, 817, 819) und über die Verbindungen (788, 794, 800, 806, 812 und 818) Verbindungen zu den Verbindungen (750, 755, 760, 765, 770 und 775).
  • Mit dem Schließen der Schließer (692, 695, 698, 701, 704, 707 und 710 auf der Plus-Seite der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) sowie dem Schließen der Schließer (713, 716, 719, 722, 725, 728 und 731) auf der Minus-Seite der Brennstoffzellen-Säulen werden die Brennstoffzellen-Säulen parallel geschaltet.
  • Mit dem Schließen der Schließer (746, 751, 756, 761, 766, 771 und 776) auf der Plus-Seite der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) sowie dem Schließen der Schließer (749, 754, 759, 764, 769, 774 und 779) auf der Minus-Seite der Brennstoffzellen-Säulen werden die Brennstoffzelle-Säulen in Reihe geschaltet.
  • Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) wird durch die Brennstoffzellen-Säule (672) verkürzt, indem die Brennstoffzellen-Säule (672) durch den Schließer (821) überbrückt und die Verbindungen (777 und 778) durch das Öffnen der Schließer (776 und 779) frei geschaltet werden.
  • Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) wird durch die Brennstoffzellen-Säule (673) verkürzt, indem die Brennstoffzellen-Säule (673) durch den Schließer (815) überbrückt und die Verbindungen (772 und 773) durch das Öffnen der Schließer (771 und 774) frei geschaltet werden.
  • Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) wird durch die Brennstoffzellen-Säule (674) verkürzt, indem die Brennstoffzellen-Säule (674) durch den Schließer (809) überbrückt und die Verbindungen (767 und 768) durch das Öffnen der Schließer (766 und 769) frei geschaltet werden.
  • Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) wird durch die Brennstoffzellen-Säule (675) verkürzt, indem die Brennstoffzellen-Säule (675) durch den Schließer (803) überbrückt und die Verbindungen (762 und 763) durch das Öffnen der Schließer (761 und 764) frei geschaltet werden.
  • Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) wird durch die Brennstoffzellen-Säule (676) verkürzt, indem die Brennstoffzellen-Säule (676) durch den Schließer (797) überbrückt und die Verbindungen (757 und 758) durch das Öffnen der Schließer (756 und 759) frei geschaltet werden.
  • Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) wird durch die Brennstoffzellen-Säule (677) verkürzt, indem die Brennstoffzellen-Säule (677) durch den Schließer (791) überbrückt und die Verbindungen (752 und 753) durch das Öffnen der Schließer (751 und 754) frei geschaltet werden.
  • Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen-Säulen (672 bis 678) wird durch die Brennstoffzellen-Säule (678) verkürzt, indem die Brennstoffzellen-Säule (678) durch den Schließer (785) überbrückt und die Verbindungen (747 und 748) durch das Öffnen der Schließer (746 und 749) frei geschaltet werden.
  • Die 21 zeigt einen Co-Prozessor als Dampferzeuger, welcher mit einer als Elektrolyseur betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzelle verbunden ist.
  • Im Einzelnen zeigt die 21 einen Co-Prozessor (830), eine Kessel speisewasserpumpe (836), einen Verdampfer (839), einen Enderhitzer (843), eine SOFC-Brennstoffzelle (824), eine Vakuumpumpe (847) und eine Stromquelle (851).
  • Die Brennstoffzelle (824) besitzt eine Anoden-Kammer (826), welche mit einem Einlass (825) und einem Auslass (827) verbunden ist und sie besitzt eine Kathoden-Kammer (829), welche mit einem Auslass (828) verbunden ist. Des Weiteren besitzt sie einen Feststoffelektrolyten (849) mit einer Anoden- und einer Kathoden-Elektrode, welche die Anoden-Kammer von der Kathoden-Kammer trennt.
  • Der Co-Prozessor (830) besitzt im innern eine Kammer (832), in welcher sich ein Rekuperator (833) befindet. Die Kammer (832) ist mit einem Einlass (831) und einem Auslass (834) verbunden, durch welche der Rekuperator (833) mit den äußeren Verbindungen (840) und (841) verbunden ist.
  • Über eine Verbindung (835) wird die Kesselspeisewasserpumpe (836) mit Wasser unterhalten. Diese speist das Wasser über die Verbindung (837) in einen Vorerhitzer (839), in welchem das Wasser verdampf wird. Hierzu wird der Verdampfer (839) über die Verbindung (838) mit thermischer Energie unterhalten.
  • Der Vorerhitzer (839) unterhält sodann über die Verbindung (840) den Rekuperator (833) im Co-Prozessor (830) mit Dampf. Dieser wird über die Verbindung (829) mit weiterer thermischer Energie von dem Feststoffelektrolyten (849) der Brennstoffzelle (824) thermisch angereichert.
  • Über die Verbindung (841) wird der im Rekuperator (833) thermisch angereicherte Dampf dem Enderhitzer (843) zugeführt, in welchem der Dampf durch die Verbindung (842) auf seine endgültige Prozesstemperatur erhitzt wird.
  • Mit dem Dampf aus dem Enderhitzer (843) wird der Elektrolyse-Prozess in der Anoden-Kammer (826) der Brennstoffzelle (824) unterhalten, indem der Dampf über die Verbindung (844) der Anoden-Kammer (826) über deren Einlass (825) zugeführt wird.
  • Gleichzeitig wird die mit dem Feststoffelektrolyten (849) verbundene Anoden-Elektrode über die Verbindung (852) mit Elektronen aus der Stromquelle (851) unterhalten, durch welche das einzelne Wasserdampfmolekül in ein Wasserstoffmolekül (H2) und in ein halbe Sauerstoffmolekül (O2) zerfällt und das Sauerstoffmolekül von der Anoden-Elektrode vier Elektronen aufnimmt und daraus zwei Sauerstoff-Ionen bildet.
  • Während das einzelne Wasserstoffmolekül die Anoden-Kammer (826) über deren Auslass (827) verlässt und über die Verbindung einem Wasserstoff unterhaltenden Prozess zugeführt wird, fließen die beiden Sauerstoff-Ionen in den Feststoffelektrolyten hinein und durch einen zwischen der Anoden-Kammer (826) und Kathoden-Kammer (829) herrschenden Partialdruckunterschied des Sauerstoffs angetrieben, durch den Feststoffelektrolyten (849) hindurch. An dessen Auslass werden die Sauerstoff-Ionen an der mit dem Feststoffelektrolyten (849) verbundenen Kathoden-Elektrode elektrisch entladen und zu einem Sauerstoffmolekül degradiert.
  • Die an der Kathoden-Elektrode des Feststoffelektrolyten (849) abgegriffenen Elektronen werden über die Verbindung (853) der Elektronensenke in der Stromquelle (851) zugeführt, während die einzelnen zu einem Sauerstoffmolekül degradierten Sauerstoff-Ionen über die Verbindung (846) abgeführt werden.
  • Hierzu ist die Kathoden-Kammer (829) über deren Auslass (828) mit der Verbindung (846) verbunden, deren freies Ende mit dem Einlass der Vakuumpumpe (847) verbunden ist und welche die Sauerstoffmoleküle aus der Kathoden-Kammer (829) absaugt und über die Verbindung (848) einem Sauerstoff unterhaltenden Prozess zuführt, während durch die Abführung der Sauerstoffmoleküle aus der Kathoden-Kammer (829) ein Unterdruck in derselben entsteht. Dieser Unterdruck bewirkt zwischen der Anoden-Kammer (826) und der Kathoden-Kammer (829) einen Partialdruckunterschied, durch welchen die Sauerstoff-Ionen im Feststoffelektrolyten (849) von der Anoden-Kammer (826) in Richtung Kathoden-Kammer (829) fließen können.
  • Die Sauerstoff-Ionen verrichten während ihres Transportes durch den Feststoffelektrolyten (849) arbeit, wodurch Wärme in demselben entsteht. Diese Wärme wird von dem Feststoffelektrolyten (849) über die Verbindung (850) auf den Rekuperator (833) im Co-Prozessor (830) übertragen, wodurch der Feststoffelektrolyt (849) durch die Abfuhr thermischer Energie gekühlt wird.
  • Bezugszeichenliste Fig. 1
    Figure 00960001
  • Bezugszeichenliste Fig.2
    Figure 00970001
  • Bezugszeichenliste Fig.3
    Figure 00980001
  • Bezugszeichenliste Fig.4
    Figure 00980002
  • Bezugszeichenliste Fig.5
    Figure 00990001
  • Bezugszeichenliste Fig.6
    Figure 01000001
  • Bezugszeichenliste Fig.7
    Figure 01010001
  • Fortsetzung 1 Bezugszeichenfliste Fig.7
    Figure 01020001
  • Fortsetzung 2 Bezugszeichenliste Fig.7
    Figure 01030001
  • Bezugszeichenliste Fig.8
    Figure 01040001
  • Bezugszeichenliste Fig.9
    Figure 01050001
  • Bezugszeichenliste Fig.10
    Figure 01060001
  • Bezugszeichenliste Fig.11
    Figure 01070001
  • Bezugszeichenliste Fig.12
    Figure 01080001
  • Bezugszeichenliste Fig.13
    Figure 01090001
  • Bezugszeichenliste Fig.14
    Figure 01100001
  • Bezugszeichenliste Fig.15
    Figure 01110001
  • Bezugszeichenliste Fig.16
    Figure 01120001
  • Bezugszeichenliste Fig.17
    Figure 01130001
  • Bezugszeichenliste Fig.18
    Figure 01140001
  • Bezugszeichenliste Fig.19
    Figure 01150001
  • Bezugszeichenliste Fig.20
    Figure 01160001
  • Fortsetzung Bezugszeichenliste Fig.20
    Figure 01170001
  • Fortsetzung 2 Bezugszeichenliste Fig.20
    Figure 01180001
  • Fortsetzung 3 Bezugszeichenliste Fig.20
    Figure 01190001
  • Bezugszeichenliste Fig.21
    Figure 01190002

Claims (27)

  1. Co-Prozessor mit mindestens einem Einlass und einem Auslass für die Durchleitung von Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen sowie mit mindestens zwei Durchlässen für die Zu- und Ableitung von elektrischer Energie nebst einer elektrischen und thermischen Verbindung durch denselben, dadurch gekennzeichnet, dass der Co-Prozessor über seine ihn durchdringende elektrische und thermische Verbindung auf der einen Seite mit der Anoden-Kammer einer ersten Brennstoffzelle und mit seiner ihm gegenüber liegenden Seite mit der Kathoden-Kammer einer zweiten Brennstoffzelle verbunden ist und die thermische und elektrische Verbindung des Co-Prozessors aus zwei Durchleitungsplatten und einen die beiden Durchleitungsplatten als Interkonnektor verbindenden Rahmen besteht, welche zusammen mindestens eine geschlossene Kammer bilden und in welcher sich ein Rekuperator, ein Reformer, ein katalytischer Heizer und in einer weiteren Kammer sich ein Heizwiderstand und ein Peltierelement befinden.
  2. Co-Prozessor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchleitungsplatten des Co-Prozessors einen Kreis, ein Rechteck, ein Quadrat, ein Pentagon und ein Hexagon bilden.
  3. Co-Prozessor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als Pentagon ausgeführte und als Reformer betriebene Co-Prozessor (1) mit seinem Auslass (4) über einen Kurzschluss (23) mit einer Brennstoffzelle (26) verbunden ist, deren Einlass (8) aus dem Auslass (4) mit Brenngas unterhalten wird.
  4. Co-Prozessor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Co-Prozessor (28) mit seinen Durchleitungsplatten (28a) und (28b) und seinem die beiden Durchleitungsplatten verbindenden Interkonnektor (28c) zwei aufeinander folgende Brennstoffzellen (53a) und (53b) elektrisch in Reihe miteinander zu einem Brennstoffzellenstapel verbindet, während die Seiten der Brennstoffzellen (53a) und (53b), welche mit keinem Co-Prozessor verbunden sind, mit den Stromkollektoren (54a) und (54b) abschließen, wodurch durch die Stapelung von Co-Prozessoren und Brennstoffzellen ein Brennstoffzellen-Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer und chemischer Energie entsteht, an deren beiden Enden die elektrische Energie bei der Stromerzeugung über die Stromkollektoren von dem Brennstoffzellen-Kraftwerk abgeführt wird und die elektrische Energie dem Brennstoffzellen-Kraftwerk über die Stromkollektor zugeführt wird, wenn es chemische Energie erzeugt.
  5. Co-Prozessor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass rund um den mit Co-Prozessoren bestückten Brennstoffzellenstapel für alle im Brennstoffzellenstapel vorhandenen Co-Prozessoren und Brennstoffzellen gemeinsame Räume (64 bis 69) angebaut sind, über welche die Ein- und die Auslässe der Co-Prozessoren und die der Brennstoffzellen über von außen zugeführte Verbindungen mit Betriebsmitteln versorgt und entsorgt werden.
  6. Co-Prozessor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne als Hexagon ausgeführte Co-Prozessor mit weiteren als Hexagon ausgeführten Co-Prozessoren auf einer Mon tageplatte (76) zu einer Wabe zusammengefasst und die Bauform einer solchen Wabe auf die darunter und darüber befindlichen Brennstoffzellen, und Stromkollektoren deckungsgleich übertragen wird.
  7. Co-Prozessor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stapelung von Waben mit Co-Prozessoren, Brennstoffzellen und Stromkollektoren ein aus Brennstoffzellen-Waben und Co-Prozessor-Waben gestapeltes Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer und chemischer Energie entsteht, an deren beiden Enden die elektrische Energie bei der Stromerzeugung über die Stromkollektoren abgeführt wird und die elektrische Energie dem Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk über die Stromkollektoren zugeführt wird, wenn es chemische Energie erzeugt.
  8. Co-Prozessor nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne in Splitt-Bauweise hergestellte Co-Prozessor einer Wabe aus zwei durch ein elektrisch leitendes Federelement (28e) miteinander verbundenen Stromdurchleitungsplatten (28f) und (28i) besteht, welche mit jeweils einem umlaufenden Kragen (28g) und (28j) versehen sind, wobei die Stromdurchleitungsplatten (28f) und 28i) in den Montageplatten (76.3) und (76.4) gasdicht und in der Weise montiert sind, dass sich die beiden Montageplatten (76.3) und (76.4) durch Abstandssäulen (152) bis (157) voneinander beabstanden, wodurch zwischen beiden Montageplatten (76.3) und (76.4) eine Kammer (29a) entsteht, welche von einem die Wabe umgreifenden Rahmen (126.3) umgeben ist, in welchem sich für die Co-Prozessor- Wabe ein Einlass (78) für die Zuführung eines thermisch armen Wärmeträgermediums und ein Auslass (81) für die Abführung eines thermisch reichen Wärmeträger-mediums befindet.
  9. Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb und unterhalb der Montageplatten (76.3) und (76.4) weitere Montageplatten (76.2) und (76.5) über Abstandssäulen beabstandet montiert sind, auf welchen Brennstoffzellen deckungsgleich zu den Co-Prozessoren und Stromkollektoren zu den Brennstoffzellen deckungsgleich montiert sind, wobei die durch die Beabstandung durch die Abstandssäulen (137 bis 142), (143 bis 148), (161 bis 166) und (170 bis (175) entstehenden Räume Anoden-Kammern (33a) und (33b) sowie Kathoden-Kammern (41a) und (41b) bilden, welche von den Rahmen (126.1), (126.2) (126.4), (126.5) und (126.6) umgriffen werden und sich in den Rahmen (126.2) und (126.5) je ein Einlass (80) und ein Auslass (77) für den Luftsauerstoff und die Abluft sowie in den Rahmen (126.1) und (126.4) je ein Einlass (82) für das Brenngas und ein Auslass (79) für das Abgas befindet sowie die Anoden- und die Kathoden-Elektroden der Brennstoffzellen (53a) und (53b) mit den Stromdurchleitungsplatten (28f) und (28i) sowie den Stromkollektoren (54a) und (54b) über die elektrisch leitenden und als Verbindungen wirkenden Federelemente (127), (128), (129) und (130) verbunden sind.
  10. Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hexagon der Stromdurchleitungsplatte (28f) und (28i) des Co-Prozessors als vereinheitlichter Formkörper (190) auf die Brennstoffzelle (53a) und (53b) sowie den Stromkollektor (54a) und (54b) übertragen wird.
  11. Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Formkörpers (190) mit einer positiven Toleranz auf eine zur Aufnahme der Stromdurchleitungsplatten, der Brennstoffzellen und der Stromkollektoren vereinheitlichten Montageplatte (306) übertragen werden und entsprechend diesen Abmessungen Ausbrüche (306a) in der Montageplatte (306) vorgesehen werden, in welche die als Formkörper (190) ausgebildeten Stromdurchleitungsplatten, Brennstoffzellen und Stromkollektoren eingesetzt werden und sich zwischen der Außenwand (190a) des Formkörpers (190) und der Innenwand (306b) in der Montageplatte (306) ein Luftspalt befindet.
  12. Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (190) von einem Kragen (191) umgriffen ist, welcher mit seiner Unterseite (191a) auf der Oberseite (306a) der Montageplatte (306) aufsitzt und sich zwischen der Kragen-Unterseite (191a) und der Oberseite (306a) der Montageplatte (306) ein abdichtender Isolierring (289) befindet, durch welchen der Formkörper (190) gegenüber der Montageplatte (306) elektrisch isoliert und gasdicht abgedichtet wird.
  13. Brennstoffzellen-Waben-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (190) mit weiteren Formkörpern (190) übereinander zu einer Brennstoffzellen-Säule gestapelt und mit weiteren Brennstoffzellen-Säulen mit elektrischen Schaltern parallel und in Reihe geschaltet werden.
  14. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Prozesses, in welchem chemische Energie in elektrische und thermische Energie sowie elektrische Energie in chemische und thermische Energie umgewandelt wird und dieses Verfahren durch einen Co-Prozessor unterhalten wird, welcher die Brennstoffzelle kühlt, heizt und mit Brennmittel speist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellen-Prozess mit einem im Co-Prozessor ablaufenden Prozess mit thermisch an- und abgereicherter Energie aus einem Rekuperator, mit thermisch abgereicherter Energie aus einem Reformer, mit chemischer Energie aus einer katalytischen Heizung, mit Joul'scher Energie aus einer elektrischen Heizung und mit thermoelektrischer Energie aus einem Peltierelement gekühlt und geheizt wird und mit der thermischen Energie aus dem Brennstoffzellen-Prozess ein im Co-Prozessor ablaufender Prozess angetrieben wird, durch welchen chemische Energie in einen Reformer und thermoelektrische Energie in einem Peltierelement erzeugt wird.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Rekuperator-Prozess um einen thermischen Kühl- und einen thermischen Heiz-Prozess handelt, in welchem die Brennstoffzelle über eine Verbindung mit dem Co-Prozessor durch denselben thermisch an- und abgereichert wird, indem dem Rekuperator im Co-Prozessor über eine zweite Verbindung thermische Energie mit einem Wärmeträgermedium zu- und abgeführt wird.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem katalytischen Heizprozess um einen Oxidations-Prozess an einem Katalysator handelt, welcher im Co-Prozessor abläuft und in welchem chemische Energie aus einer Quelle mit Sauerstoff oxidiert und in thermische Energie umgewandelt wird, welche über eine Verbindung auf den Elektrolyten der Brennstoffzelle übertragen und der Elektrolyt derselben derart thermisch angereichert wird, dass dieser für Protonen und Ionen leitend wird.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem katalytischen Reformierungs-Prozess um eine Wasserdampf,-Kohlendioxid und Kohlenwasserstoff-Reformierung handelt, welche im Co-Prozessor abläuft und mit Kohlenwasserstoffen aus einer Kohlenwasserstoff-Quelle sowie mit Wasserdampf und Kohlendioxid aus dem Verstromungs-Prozess der Brennstoffzelle unterhalten sowie mit thermischer Energie aus dem Brennstoffzellen-Prozess nebst mit der im Abgas der Brennstoffzelle gespeicherten Enthalpie angetrieben wird, welches aus Wasserdampf, Kohlendioxid und Brenngasschlupf besteht und die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle über deren Auslass verlässt und die chemische Energie aus dem Reformierungs-Prozess den Brennstoffzellen-Prozess antreibt, indem diese aus dem Auslass des Co-Reformers der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle über deren Einlass zugeführt wird.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformierungs-Prozess im Co-Prozessor mit einem in Reihe geschalteten Gastrenn-Prozess durchgeführt wird, in wel chem das im Reformierungs-Prozess erzeugte und an Wasserstoff sowie an Kohlenmonoxid reiche Brenngas in Wasserstoff und Kohlenmonoxid zerlegt wird und mit dem Wasserstoff und dem Kohlenmonoxid die Anoden-Kammern zweier Brennstoffzellen unterhalten werden.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der aus dem Verstromungs-Prozess gewonnenen Energie im Co-Prozessor und in dem Elektrolyten der Brennstoffzelle um Joul'sche Wärme aus einem Heizdraht handelt, welche über eine Verbindung auf die Brennstoffzelle und den Elektrolyten desselben übertragen wird und der Elektrolyt damit von innen und von außen mit Joul'scher Wärme unterhalten wird.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Prozess im Co-Prozessor durch ein mit elektrischer Energie unterhaltenes Peltierelement durchgeführt wird, welches als reversible Wärmepumpe betrieben wird und die am Peltierelement erzeugte Wärme und Kälte über eine Verbindung auf die Brennstoffzelle übertragen wird, wodurch diese thermisch an- und abgereichert und der reversible Prozess der Wärmepumpe durch die Umkehr des Stromflusses aus einer Stromquelle hergestellt wird.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Prozess im Co-Prozessor durch ein Peltierelement durchgeführt wird, welches als reversible Wärmepumpe betrieben und die am Peltierelement erzeugte Wärme und Kälte über eine Verbind ung auf die Brennstoffzelle übertragen wird, wodurch diese thermisch an- und abgereichert und der reversible Prozess der Wärmepumpe durch die Umkehr des Stromflusses hergestellt wird, indem das Peltierelement durch die Zuführung von elektrischer Energie aus einer Stromquelle als thermoelektrischer Motor und durch die Abführung von elektrischer Energie als thermoelektrischer Generator betrieben wird.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit der thermischen Energie aus dem Brennstoffzellen-Prozess das Brennmittel für den Brennstoffzellen-Prozess thermisch angereichert wird, indem über eine Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Co-Prozessor der Rekuperator in demselben mit der thermischen Energie aus der Brennstoffzelle unterhalten wird und das Brennmittel für die Brennstoffzelle den Rekuperator über eine zweite Verbindung vor dem Eintrifft in die Anoden-Kammer thermisch abreichert, indem es die thermische Energie aus dem Brennstoffzellen-Prozess in sich als Enthalpie speichert.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle zugeführte Brennmittel die Brennstoffzelle mit thermisch angereichertem Brennmittel auf Temperatur einstellt, indem die die Brennmittel führende und mit dem Rekuperator im Co-Prozessor verbundene Verbindung mit einem Bypass verbunden ist, welcher ein- und ausschaltbar ist und welcher das Brennmittel im eingeschalteten Zustand am Rekuperator vorbeiführt.
  24. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellen-Prozess durch den Co-Prozessor mit Fahrtwind thermisch abgereichert wird, indem der Fahrtwind die als Wärmeträgermedium dienende Luft durch den Co-Prozessor treibt und die dem Co-Prozessor zugeführte thermische Energie demselben entzieht, indem sie die thermische Energie aus dem Co-Prozessor in sich als Enthalpie speichert und diese über den Auslass des Co-Prozessors abführt.
  25. Verfahren nach Anspruch 14 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrtwind durch ein Gebläse nachgebildet wird und das Gebläse mit einem ein- und ausschaltbaren Bypass versehen ist, welcher im eingeschalteten Zustand das Gebläse überbrückt.
  26. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Co-Prozessor ein mit einer Brennstoffzelle durchgeführter Elektrolyse-Prozess gekühlt wird, indem die thermische Energie aus dem Brennstoffzellen-Prozess über eine Verbindung auf den Co-Prozessor übertragen und die auf den Co-Prozessor übertragene thermische Energie über eine zweite Verbindung durch ein Wärmeträgermedium abgeführt wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 14 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärmeträgermedium um Dampf handelt, welcher nach dem Auslass aus dem Co-Prozessor in einem Nacherhitzer erhitzt und als überhitzter Dampf der Anoden-Kammer der als Elektrolyseur betriebenen Brennstoffzelle über deren Einlass zugeführt wird.
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