DE19945715A1 - Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage und Betriebsverfahren dazu - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage und ein Betriebsverfahren dazu. Die Anlage wird bei Temepraturen zwischen 80 DEG C und 300 DEG C betrieben und bietet erstmals eine Wirkungsgradoptimierung, weil die Abwärme des Stacks zumindest zur Verdampfung und/oder Vorwärmung des Prozeßmediums benutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Direkt-Methanol- Brennstoffzellenanlage und ein Betriebsverfahren dazu. Das Konzept der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC = Di­ rect Methanol Fuel Cell) unterscheidet sich von der Wasser­ stoff-Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle im we­ sentlichen dadurch, daß der Brennstoff Methanol direkt, also ohne zwischengeschalteten Reformer, an der Anode umgesetzt wird. Dazu wird in die Brennstoffzelle als Brennstoff entwe­ der reines Methanol oder ein Methanol-/Wassergemisch einge­ leitet, das sich an der Anode gemäß der Gleichung

CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6 H⁺ + 6 e^-

umsetzt.

Aus der DE 196 25 621 A1 ist eine Direkt-Methanol-Brenn­ stoffzellenanlage bekannt, die mit gasförmigem Brennstoff be­ trieben wird. Dazu ist der Zelle und/oder dem Stack ein Ver­ dampfer vorgeschaltet. Die Anlage sieht außerdem einen dem Stack nachgeschalteten Kondensator vor, in dem das entstande­ ne Kohlendioxid aus dem Anodenabgas abgetrennt wird, bevor dieses wieder in den Verdampfer geleitet wird. Nachteilig an der Anlage ist, daß die Energie für den Verdampfer extern ge­ liefert werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad der bekannten DMFC-Anlage zu verbessern.

Gegenstand der Erfindung ist eine Direkt-Methanol-Brenn­ stoffzellenanlage mit zumindest einem DMFC-Brennstoff­ zellenstack, Prozeßmediumversorgungsleitungen, elektrischen Leitungen und vorgeschaltetem Verdampfer, bei der zumindest eine Leitung vorgesehen ist, durch die die Wärme von zumin­ dest einem Teil des Stacks in zumindest einem anderen Gerät nutzbar ist. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Ver­ fahren zum Betrieb einer Direkt-Methanol-Brennstoff­ zellenanlage unter Nutzung der Abwärme zumindest eines Teils eines Stacks.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Als "Leitung" wird dabei nicht nur ein Rohr, ein Schlauch oder eine sonstige gegenständliche Verbindung zwischen zwei Elementen der Anlage bezeichnet, sondern es kann auch jede sonstige Verbindung, also auch ein thermischer Kontakt so be­ zeichnet sein.

Als "Gerät" das beheizt wird, wird in erster Linie ein Ele­ ment der Brennstoffzellenanlage wie der Verdampfer, der Kon­ densator, die Vorheizung für den Brennstoff, das Gerät zur Vorwärmung des Prozeßmediums, die Gasreinigungsanlage und/oder der Verdichter bezeichnet. Jedoch ist die Heizung eines außerhalb der Anlage liegenden Gerätes oder Raumes und/oder jede weitere Nutzung der ersten Abwärme sowie die Nutzung der zweiten Abwärme des Stacks, nämlich der Abwärme einer der vorgenannten Geräte, auch von der Erfindung mitum­ faßt. Die Nutzung der zweiten Abwärme beinhaltet z. B. die Nutzung der Abwärme des Verdampfers zur Beheizung eines Wohn­ raumes oder Fahrgastinnenraumes, je nach Anwendung der Brenn­ stoffzellenanlage im mobilen oder stationären Bereich. Die oben genannten Elemente oder Geräte sind alle Wärmetauscher und kühlen die eingeleiteten warmen Gase und/oder Flüssigkei­ ten ab.

Die Nutzung der Abwärme des Stacks ist zum einen über zumin­ dest ein Abgas und/oder ein erwärmtes Kühlmedium, das z. B. aus dem Stack in den Verdampfer geleitet wird und zum anderen über einen thermischen Kontakt, in dem beispielsweise der Verdampfer im Stack integriert ist, möglich.

Der Verdampfer ist nach einer Ausführungsform mit dem Stack in einem Gehäuse angeordnet und/oder er ist in die Endplatten des Stacks integriert.

Die Integration des Verdampfers im Stack bedeutet beispiels­ weise auch, daß das zu erwärmende Prozeßmedium zwischen den Brennstoffzelleneinheiten zu deren Kühlung durchgeführt wird.

Nach einer Ausführung des Verfahrens wird der Brennstoffzel­ lenstack bei Temperaturen über 80°C und unter 300°C, bevor­ zugt zwischen 100°C und 220°C und insbesondere bei einer Tem­ peratur von ca. 160°C betrieben. Entsprechend der hohen Be­ triebstemperatur kann eine DMFC-Anlage nach der Erfindung auch als Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle (HTM-Brennstoffzelle) bezeichnet werden.

Bevorzugt wird die Anlage so betrieben, daß wiederverwertbare Bestandteile des Anoden- und/oder Kathodenabgases wie Wasser und/oder Methanol rückgewonnen und/oder im Kreis geführt wer­ den.

So umfaßt die Anlage nach einer Ausführungsform einen Konden­ sator, durch den das Anodenabgas geleitet wird. Dabei wird das im Anodenabgas enthaltene Gemisch aus Methanol und Wasser auskondensiert und vom Kohlendioxid abgetrennt. Die auskon­ densierten Brennstoffe werden entweder direkt in den Verdamp­ fer und/oder Mischer zur Bildung des Wasser-/Methanol­ gemisches eingeleitet oder in einen Tank.

Das Kathodenabgas, in dem Produktwasser enthalten ist, wird nach einer Ausführungsform durch Einleiten in einen Wärmetau­ scher wie einen Verdampfer und/oder Kondensator gekühlt, so daß das Produktwasser auskondensiert und von der Abluft ab­ trennbar ist. Das anfallende Wasser wird entweder dem Brenn­ stoff zugeführt zur Bildung des erforderlichen Metha­ nol/Wassergemisches und/oder dem Wassertank eingespeist.

Nach einer Ausführungsform wird das abgetrennte Wasser und/oder Methanol einem in der Anlage enthaltenen Tank zuge­ führt. Dabei ist vorteilhafterweise ein Analysengerät wie ein Sensor in dem Tank und/oder in einer Zuleitung enthalten, das zum einen die Flüssigkeitsmenge des Tanks und dessen Tempera­ tur und zum anderen die Zusammensetzung und/oder Reinheit der Flüssigkeit und/oder des über der Flüssigkeit stehenden Gas­ gemisches angibt. Ein entsprechendes Analysengerät kann auch in anderen Behältern, Leitungen und/oder Geräten der Anlage vorgesehen sein.

Im Wassertank kann zum Frostschutz auch ein Methanol/- Wassergemisch enthalten sein, das bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser gewährleistet, daß das Metha­ nol/-Wassergemisch im Tank flüssig vorliegt. Dazu wird ein bestimmtes Mischungsverhältnis Wasser/Methanol manuell oder automatisch über ein Steuergerät eingestellt. Hierfür ist ein Sensor zur Bestimmung des Methanolgehaltes im Gemisch, eine entsprechende Dosiervorrichtung und ein Methanoltank vorteil­ haft. Beispielsweise gewährleistet eine Mischung mit 30 Gew.-% Methanol im Wasser einen Gefrierpunkt von ca. -25°C.

Die Gasreinigung erfolgt beispielsweise über einen Adsorber und/oder einen Katalysator, der in Kombination mit dem Kon­ densator oder für sich zur Abtrennung des Methanols, des Was­ sers, eines Inertgases wie dem Kohlendioxid und/oder eines unerwünschten Nebenprodukts wie Kohlenmonoxid, Aldehyd, Car­ bonsäure etc. eingesetzt werden kann. Dabei wird das Gasge­ misch durch den Adsorber/Katalysator geleitet, der z. B. aus Natronkalk, Zeolithe und/oder einer Membran besteht.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Gasreinigung mit Hilfe von Sensoren gesteuert, wobei beispielsweise an je­ dem Gasauslaß ein Sensor angebracht ist, der Temperatur, Zu­ sammensetzung und/oder Menge des in die Umgebung abgelassenen Gases mißt und an ein Steuergerät weitergibt.

Die Gasreinigung kann z. B. auch mit dem Kondensator und/oder einem Gerät zur Vorwärmung des Prozeßmediums zu einem kataly­ tisch beschichtetem Wärmetauscher, in den das methanolhaltige Abgas eingeleitet wird, kombiniert werden. Für den Kaltstart ist bei dieser Variante eine elektrische Beheizung vorteil­ haft, um ein schnelles Erreichen der Arbeitstemperatur der katalytischen Beschichtung zu gewährleisten. Zudem kann die Abwärme aus der Gasreinigung z. B. über einen weiteren Wärme­ tauscher nutzbar gemacht werden.

Nach einer bevorzugten Ausführung wird die Kühlleistung des Verdampfers zur Kondensation des Abgases genutzt, so daß der Verdampfer und der Kondensator ein Aggregat bzw. einen Wärme­ tauscher bilden.

Beim Kaltstart ist zur Erzielung eines besseren Anfahrverhal­ tens ein Schutz vor Einfrieren des Stacks und/oder die Erhal­ tung der Betriebstemperatur in zumindest einem Teil eines Stacks der Anlage vorteilhaft. Dazu ist eine Isolation zumin­ dest eines Teils eines Stacks unter Umständen bevorzugt ge­ genüber der Erhaltung der Betriebstemperatur durch Teillast­ betrieb. Diese Isolation wird beispielsweise durch ein dop­ pelwandiges Gehäuse, das unter Umständen mit Latentwärmespei­ chermaterialien gefüllt sein kann, realisiert. Bei der Isola­ tion eines Teils des Stacks wird der restliche Teil z. B. durch die Abwärme dieses Teils aufgeheizt. Bei der Isolation ist eine Niedertemperaturisolation, vornehmlich gegen Konvek­ tion und/oder Wärmeleitung, vorzugsweise eine Luftspalt- oder Vakuumisolation bevorzugt. Die Nutzung von Latentwärmespei­ chermaterialien ist vorteilhaft. Vorteilhaft ist auch die Verschließbarkeit zumindest einer Zufuhröffnung einer Prozeß­ medium- und/oder Kühlmittelzuführleitung beim Abschalten des Stacks, z. B. über elektrisch betätigbare Klappen und/oder Thermostatventile.

Ebenso wie das Gehäuse des Stacks kann zur Vermeidung eines Einfrierens, z. B. des bei der DMFC benötigten Wassers, eine Isolation weiterer Module, Geräte, Leitungen und/oder Tanks der DMFC-Anlage vorteilhaft sein. Der Begriff Modul umfaßt nicht nur einen Stack, sondern auch einen Mischer, eine Pum­ pe, eine Gasreinigungsanlage etc. Dabei ist auch wieder eine Luftspalt oder Vakuumisolation möglich, bevorzugt in Kombina­ tion mit Latentwärmespeichermaterialien. Möglich ist auch in Verbindung mit Temperatursensoren eine aktive Beheizung wäh­ rend der Ruhephase der Anlage, wobei die Energieversorgung dafür über einen zusätzlichen Energiespeicher (Hochleistungs­ batterie) oder durch Teilbetrieb des Stacks verfügbar gemacht wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann auf den Wasser­ tank ganz verzichtet werden, wenn zum Starten der Anlage eine Starterpatrone zur Verfügung steht, in der das zur Umsetzung an der Anode geeignete Methanol/Wassergemisch fertig vor­ liegt. Die Starterpatrone kann ein permanentes Reservoir dar­ stellen, das während des Betriebs immer neu nachgefüllt wird, oder es kann sich um einen Einwege-Behälter handeln. Das Vo­ lumen der Starterpatrone wird entsprechend der Größe des Brennstoffzellenstacks gewählt. Die Zusammensetzung des Methanol/Wassergemisches in der Patrone liegt bei mindestens 1 : 1, bevorzugt mit einem Wasserüberschuß. Nach erfolgtem Starten der Anlage wird dann das Produktwasser so im Kreis gefahren, daß es die zur Umsetzung an der Anode erforderliche Wassermenge für das Wasser-/Methanolgemisch liefert. Durch Tanken von reinem Methanol wird beispielsweise bei der mobi­ len Anwendung der Anlage der größte Energieinhalt pro Volu­ menteil realisiert.

Ein Anfahren der Anlage beim Kaltstart mit flüssigem Brenn­ stoff ist nach einer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, wobei die minimale Stacktemperatur zum Starten durch den Ge­ frierpunkt des Elektrolyten vorgegeben ist.

Nach einer Ausführungsform wird zum Anfahren der DMFC-Anlage Wasserstoff in den Stack geleitet, weil ein Starten des Stacks mit Wasserstoff bei viel niedrigeren Temperaturen als bei Verwendung des Methanol-/Wassergemisches möglich ist.

Bei dieser Ausführungsform wird ein entsprechender Wasser­ stoffspeicher, wie ein Palladiumschwamm, ein Druckbehälter und/oder ein Hydridspeicher mitgeführt.

Nach einer Ausführungsform wird der Wasserstoffspeicher, bei­ spielsweise während des Betriebs der Anlage, elektrolytisch aus dem Wasser- und/oder Wasser-Methanoltank wieder aufge­ füllt. Die Elektrolyse wird mit einem extra Elektrolysegerät durchgeführt und/oder es wird ein Stack oder ein Teil eines Stacks zur Elektrolyse benutzt.

Bei dieser Ausführungsform kann die für die Elektrolyse er­ forderliche Energie von einem Teilstack der Anlage direkt und/oder von einem Energiespeicher wie einer Batterie oder einem Kondensator zur Verfügung gestellt werden.

Der nach erfolgtem Starten der Anlage noch unverbrauchte Was­ serstoff kann zum Beheizen eines Geräts wie dem Verdampfer benutzt oder einfach in die Gasreinigungsanlage eingeleitet werden.

Man kann zur Erzeugung eines stärkeren Temperaturgradienten das Kühlmedium beim Kaltstart im Gleichstrom führen. Im Gleichstrom heißt dabei, daß das Kühlmedium mit dem oder den Prozeßmedia im Gleichstrom geführt wird. Anschließend an den Kaltstart wird durch ein Umschalten auf Gegenstrom ein mög­ lichst gleichmäßiges Temperaturprofil im Stack erhalten.

Nach einer Ausführungsform ist zur Vermeidung von Verunreini­ gungen der Zelle oder Beschädigungen durch das Eintreten von Fremdkörpern in der Prozeßmedium- und/oder Kühlmittelzufüh­ rungsleitung (z. B. der Luftversorgung) und/oder sonstwie der Zelle vorgeschaltet, ein Filter vorgesehen. Die Art des Fil­ ters ist bevorzugt an die Art der Leitung angepaßt, so daß der Prozeßmediumszuführungsleitung wegen der schmalen Vertei­ lungskanäle in den Reaktionskammern ein Feinfilter und der Kühlmittelzuführungsleitung ein Grobfilter vorgeschaltet ist. Die Filtration des Prozeßmediums kann auch, unter Minimierung des Druckverlustes, durch eine Kombination eines vorgeschal­ teten Grobfilters mit einem nachgeschaltetem elektrostati­ schen Filter durchgeführt werden.

Luft kann sowohl als Oxidans als auch als Kühlmedium einge­ setzt werden.

Nach einer Ausführungsform ist ein Steuergerät in der Anlage enthalten, in das Informationen und aktuelle Meßwerte einge­ speist werden wie z. B. das Ergebnis eines Analysengeräts, die Betriebstemperatur und/oder die Temperaturverteilung im Stack, der Verlauf der momentanen Strom-Spannungskurve, der Betriebsdruck, die Volumenströme und/oder die an verschiede­ nen Stellen herrschende Methanolkonzentration. Das Steuerge­ rät vergleicht dann die eingegangenen Istwerte mit vorge­ gebenen und/oder errechneten Sollwerten und steuert mit Hilfe von Regeleinrichtungen wie einem Dosierventil, einer Pumpe, einem Abscheider, einem Verdichter, einer Heizung, einer Küh­ lung, einem Gebläse, einem Druckregelventil, etc. die Anlage automatisch und/oder manuell so, daß eine Übereinstimmung der Istwerte mit den Sollwerten erreicht wird. Das Steuergerät dient generell zur Optimierung des Wirkungsgrads und/oder zur optimalen Anpassung an die von der Anlage (beispielsweise über den Gaspedaldruck) geforderte Leistung. Insbesondere ei­ ne stackspannungsabhängige Leistungsregelung (Fahren der An­ lage bei optimaler Lastausnutzung), ein Wassermanagement, das z. B. zusammen mit einer Starterpatrone, das Mitführen eines Wasserstanks überflüssig macht und die optimale Energienut­ zung der Anlage werden durch das Steuergerät ermöglicht.

Die Steuerung und Konstruktion der Anlage erfolgt so, daß Heizen und Kühlen der Einzelkomponenten wie Verdampfer, Vor­ heizung, Verdichter und/oder Vorwärmungsaggregat einerseits, die alle Wärme benötigen und Stack, Kondensator, eventuell vorhandenes Kühlsystem und/oder Wasserabscheider, anderer­ seits, die alle gekühlt werden, unter optimaler Ausnutzung der Energie kombiniert sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen, die in Blockschaltbildern dargestellt sind, weiter erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen die Blockschaltbilder jeweils einer Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage. Die Bezugszeichen beider Blockschaltbilder sind für die gleichen Elemente iden­ tisch, Leitungen werden so benannt, daß das Bezugszeichen des vorgeschalteten Elements vor das Bezugszeichen des nachge­ schalteten Elements gesetzt wird (z. B. ist die Leitung 1311 die Leitung, in der das Fluid vom Element 13 zum Element 11 strömt):
In Fig. 1 ist Stack 1 zu sehen, der mit dem Verdampfer 2 einmal über die Prozeßmediumszuführungsleitung 21 und zum an­ deren über die Prozeßmediumsabführungsleitung 12 verbunden ist. Gezeigt ist wegen der Übersichtlichkeit nur ein Stack 1 der Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage, obwohl ein Anlage mit mehreren Stacks unter anderem mit Niedervoltaggregaten zur Bordstromversorgung unter Umständen vorteilhaft ist.

Eine Prozeßmediumszuführungsleitung 31 führt vom Verdichter 3 zum Stack 1. Dem über das Steuergerät 6 lastabhängig geregel­ ten Verdichter 3 ist ein Wärmetauscher oder Kondensator 4 vorgeschaltet, der seinerseits über die Prozeßmediumsabfüh­ rungsleitung 14 mit dem Stack 1 so verbunden ist, daß die Ab­ wärme aus dem Anodenraum des Stacks 1 zur Vorwärmung des Oxi­ dans Luft genutzt wird, weil der verbrauchte Brennstoff durch die Leitung 14 mit einer Temperatur von ca. 160°C in den Wär­ metauscher 4 eingeleitet wird. Im Wärmetauscher 4 wird Wasser und/oder unverbrauchtes Methanol vom Kohlendioxid und anderen gasförmigen Verunreinigungen durch Kondensation abgetrennt. Die im Wärmetauscher 4 erhaltene flüssige Phase wird über die Leitung 45 in den Mischer 5 eingespeist. Möglich ist auch ei­ ne direkte Einspeisung in den Methanoltank 8 (über eine nicht gezeigte Leitung 48), wobei dann ein Sensor in der Leitung 48 zur Analyse der Zusammensetzung vorteilhaft ist. Die Leitung 45 verfügt über einen Sensor 46, der Informationen über Men­ ge, Druck, Temperatur und/oder Zusammensetzung des in der Leitung 45 geführten Gemisches an das Steuergerät 6 liefert. Wegen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind weitere, je nach Ausführungsform vorhandene, Sensoren, die in den Leitun­ gen 12 und/oder 14 angebracht sind und die dem Steuergerät Informationen über Menge, Druck, Temperatur und/oder Zusam­ mensetzung des in der Leitung geführten Gemisches liefern. Über die Leitung 411 wird die abgetrennte Gasphase des An­ odenabgases in die Gasreinigungsanlage 11 eingeleitet, wo sie von unerwünschten Emissionen befreit wird, bevor sie als Koh­ lendioxid-haltiges Abgas die Anlage verläßt.

Der Mischer 5 ist über die Leitungen 85 und 95 mit den beiden Brennstofftanks, dem Methanoltank 8 und dem Wassertank 9 ver­ bunden. Die Leitungen 85 und 95 haben jeweils ein Dosierven­ til, das über das Steuergerät 6 geregelt wird. So gelangt über die Leitungen 85 und 95 nur eine lastabhängige durch das Steuergerät 6 eingestellte Menge an Methanol und/oder Wasser in den Mischer 5. Aus dem Mischer gelangt das Brennstoffge­ misch über die Pumpe 7 in den Verdampfer 2 und von dort in die Anodengasräume des Brennstoffzellenstacks 1.

In den Verdampfer 2 wird das Kathodenabgas über die Leitung 12 eingeleitet, so daß, analog zur Schaltung der Anodenabluft über die Leitung 14, die Abwärme des verbrauchten Oxidans zur Verdampfung des unverbrauchten Brennstoffs genutzt wird. Da­ bei ist nach einer Ausführungsform des Verfahrens die Ver­ dampfungstemperatur geringer als die des Stackabgases. Die Verdampfungstemperatur richtet sich nach der Stöchiometrie des Methanol/Wassergemisches und liegt beispielsweise unter 100°C. Aus dem Kathodenabgas wird im Verdampfer 2 Produktwas­ ser auskondensiert, das im Wasserabscheider 10 von der gas­ förmigen Phase abgetrennt wird. Die so erhaltene Gasphase wird über eine Gasreinigungsanlage 11 von unerwünschten Emis­ sionen befreit, bevor sie über die Leitung 110 als Abluft an die Umgebung abgegeben wird. Die flüssige Phase aus dem Was­ serabscheider 10 wird über die Leitung 109, die über einen Sensor 106 verfügt, in den Wassertank 9 eingespeist. Der Sen­ sor 106 ist mit dem Steuergerät 6 verbunden und liefert dort­ hin Informationen über die Menge, Druck, Temperatur und/oder Zusammensetzung der flüssigen Phase aus dem Wasserabscheider 10.

Der Verdampfer 2 wird außer über die Leitung 72 auch über die Leitung 122 gespeist. Leitung 122 verbindet den Verdampfer 2 mit der Vorheizung 12, in der, während der Kaltstartphase Methanol, das über ein durch das Steuergerät 6 geregeltes Do­ sierventil in die Vorheizung 12 strömt, vorgewärmt und/oder gefiltert wird.

In das Steuergerät 6 fließen beispielsweise folgende Informa­ tionen ein:
Über den Sensor 46 die Menge, der Druck, die Temperatur und/oder die Zusammensetzung der aus dem Anodenabgas rückge­ wonnenen flüssigen Phase.
Über den Sensor 106 die Menge, der Druck, die Temperatur und/oder die Zusammensetzung der aus dem Kathodenabgas gewon­ nenen flüssigen Phase.
Über ein im Tank angebrachten Sensor oder ein sonstiges dort installiertes Analysengerät die Menge, der Druck, die Tempe­ ratur und/oder die Zusammensetzung des Wassers im Wassertank und/oder des Methanols im Methanoltank.
Die momentan vom Stack abverlangte Last.
Die Zellspannung, die Temperaturverteilung, der Druck etc des oder der Stacks.

Mit Hilfe eines zur Verfügung stehenden Algorithmus oder durch eine manuelle Vorgabe bestimmt das Steuergerät dann Sollwerte und steuert die angeschlossenen Regeleinrichtungen wie die Pumpe 7, den Verdichter 3, die Dosierventile in den Leitungen 85, 95 und 812 (Leitung vom Methanoltank 8 zur Vor­ heizung 12), den Verdampfer 2, den Stack 1, die Vorheizung 12 und die Gasreinigungsanlagen 11.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer weiteren DMFC-Anlage zu sehen. Ein wesentlicher Unterschied zu der in Fig. 1 ge­ zeigten Anlage besteht darin, daß sowohl Kathoden- als auch Anodenabgas des Stacks 1 in den Verdampfer 2 eingeleitet wer­ den (Leitungen 12a und 12b), in dem das Oxidans, vorzugsweise die Luft vor dem Einlaß in den Verdichter 3 erwärmt und das Brennstoffgemisch vor dem Einlaß in den Stack 1 verdampft wird. Die Anodenabgas, das im Verdampfer 2 abgekühlt wurde, wird über die Leitung 213 in den Wasserabscheider 13 einge­ leitet, wo noch enthaltenes Wasser und/oder Methanol abge­ schieden werden, bevor die flüssige Phase über die Leitung 135 in den Mischer 5 und die gasförmige Phase über die Lei­ tung 1311 in eine Gasreinigungsanlage 11, in der sie von un­ erwünschten Emissionen befreit wird, eingeleitet wird. Zur Übersichtlichkeit sind die Brennstoffleitungen kurz gestri­ chelt und die Oxidansleitungen lang gestrichelt gezeichnet.

Bei beiden gezeigten Ausführungsformen wurde der Übersicht halber die Einbindung des Kühlkreislaufs in die Nutzung der Stackabwärme weggelassen. Der Kühlkreislauf wird, falls vor­ handen, bevorzugt auch durch den Verdampfer oder ein Gerät zur Vorwärmung der Prozeßmedia geleitet.

Als "Brennstoffzellenanlage" wird ein System bezeichnet, das zumindest einen Stack mit zumindest einer Brennstoffzellen­ einheit, die entsprechenden Prozeßmediumszuführungs- und -ab­ leitungskanäle, elektrische Leitungen und Endplatten, gegebe­ nenfalls ein Kühlsystem mit Kühlmedium und die gesamte Brenn­ stoffzellenstack-Peripherie (Reformer, Verdichter, Vorhei­ zung, Gebläse, Heizung zur Prozeßmediumvorwärmung, etc.) um­ faßt.

Als Stack wird ein Stapel mit zumindest einer Brennstoffzel­ leneinheit mit den dazugehörigen Leitungen und, falls vorhan­ den, zumindest einem Teil des Kühlsystems bezeichnet.

Im Kühlsystem kann ein Frostschutzmittel, das nicht elek­ trisch leitfähig ist, enthalten sein. Andere Aggregate werden entweder durch die Isolationsmethoden (S. o.) und/oder lokale Heizgeräte auf der Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes, die je nach betroffenem Aggregat verschieden sein kann, (wenn z. B. eine Wasserleitung betroffen ist, so ist der Gefrier­ punkt ein anderer als bei einer Wasser/Methanol- Gemischleitung) gehalten wird.

Mit der Erfindung wird eine DMFC-Anlage offenbart, die bei hohen Betriebstemperaturen (HTM-Brennstoffzelle) eine Opti­ mierung des energetischen und treibstoffbezogenen Wirkungs­ grades durch Nutzung der Abwärme des Stacks realisiert.

Claims (28)

1. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage mit zumindest einem DMFC-Brennstoffzellenstack, Prozeßmediumsversorgungsleitun­ gen, elektrischen Leitungen und vorgeschaltetem Verdampfer, bei der zumindest eine Leitung vorgesehen ist, durch die die Wärme von zumindest einem Teil des Stacks in zumindest einem anderen Gerät nutzbar ist.

2. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, bei der der Verdampfer im Stack integriert ist und/oder mit dem Stack in einem Gehäuse untergebracht ist.

3. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, die einen Wärmetauscher durch den zumin­ dest das Anoden- und/oder das Kathodenabgas geleitet wird, umfaßt.

4. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, bei der der Verdampfer und ein Kondensa­ tor ein Gerät sind.

5. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage nach einem der vor­ stehenden Ansprüche bei der eine Gasreinigungsanlage vorgese­ hen ist.

6. Direkt Methanol-Brennstoffzellenanlage nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Teil eines Moduls, ein Tank und/oder eine Leitung eine Isolation und/oder ein lokales Heizelement hat.

7. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, bei der zumindest eine Zuführöffnung ei­ ner Prozeßmedium- und/oder Kühlmittelzuführleitung verschließ­ bar ist.

8. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, bei der dem Stack ein Filter vorgeschal­ tet ist.

9. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage nach einem der vor­ stehenden Ansprüche bei der ein Steuergerät und zumindest ein Analysengerät in der Anlage vorgesehen ist, in das Informa­ tionen über aktuelle Meßwerte eingespeist werden und das an­ hand eines Vergleichs der vorgegebenen und/oder errechneten Sollwerte Regeleinrichtungen der Anlage so steuert, daß die gemessenen Istwerte in Übereinstimmung mit den Sollwerten ge­ bracht werden.

10. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage bei der zum Star­ ten der Anlage eine Starterpatrone vorgesehen ist, in der das zur Umsetzung an der Anode geeignete Methanol/Wassergemisch fertig vorliegt.

11. Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage, die einen Wasser­ stoffspeicher hat.

12. Verfahren zum Betrieb einer Direkt-Methanol- Brennstoffzellenanlage, bei dem Abwärme zumindest eines Teils eines Stacks genutzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Abwärme in einem zu beheizenden Gerät der Brennstoffzellenanlage genutzt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem wiederverwertbaren Bestandteile des Stackabgases rückgewonnen und/oder im Kreis geführt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem aus dem Stackabgas durch Einleiten in einen Wärmetauscher wie ei­ nen Verdampfer, ein Gerät zur Vorwärmung der Prozeßmedia und/oder einen Kondensator Wasser und/oder Methanol rückge­ wonnen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem das Abgas der Anlage durch eine Gasreinigungsanlage geführt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der DMFC-Brennstoffzellenstack bei einer Betriebstemperatur zwi­ schen 80°C und 300°C betrieben wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem zu­ mindest ein Teil eines Moduls, ein Tank und/oder eine Leitung der Anlage isoliert und/oder während der Ruhephase der Anlage beheizt wird.

19. Verfahren zum Betrieb einer Direkt-Methanol- Brennstoffzellenanlage, bei dem die Betriebstemperatur des Verdampfers geringer als die Temperatur des Stackabgases ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem während des Kaltstartens als Brennstoff Wasserstoff in den Stack eingeleitet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem Wasserstoff aus dem Stackabgas während des Kaltstartens weiterverwertet und/oder in die Gasreinigungsanlage eingeleitet wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei dem das Kühlmedium während des Kaltstartens der Anlage im Gleichstrom geführt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem nach erfolgtem Kalt­ start durch ein Umschalten des Kühlmediums auf Gegenstrom ein möglichst gleichmäßiges Temperaturprofil erhalten wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 23, bei dem das Prozeßmedium und/oder das Kühlmedium vor der Einleitung in den Stack gefiltert wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, bei dem ein Steuergerät eingesetzt wird, das zur Optimierung des Wir­ kungsgrades der Anlage zumindest einen gemessenen Istwert zu­ mindest eines Analysengeräts der Anlage aufnimmt, mit einem vorgegebenen oder errechneten Sollwert vergleicht und zumin­ dest eine angeschlossene Regeleinrichtung so steuert, daß ei­ ne Übereinstimmung des Istwertes mit dem Sollwert erreicht wird.

26. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem ein Wasserstoffspei­ cher durch Elektrolyse von Wasser und/oder einem Wasser- Methanolgemisch wiederaufgefüllt wird.

27. Verfahren zum Betrieb einer Direkt-Methanol- Brennstoffzellenanlage, bei dem die zweite Abwärme genutzt wird.

28. Verfahren zum Betrieb einer Direkt-Methanol- Brennstoffzellenanlage, bei dem während des Kaltstartens der Brennstoff dem Stack flüssig und/oder aus eine Starterpatrone zugeführt wird.