DE19962681A1 - Fuel-cell arrangement e.g for road vehicle - Google Patents

Fuel-cell arrangement e.g for road vehicle

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DE19962681A1
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cell system
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subsystem
fuel
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Manfred Baldauf
Manfred Poppinger
Joachim Grose
Manfred Waidhas
Peter Buchner
Rittmar V Helmolt
Konrad Mund
Igor Mehltretter
Arno Mattejat
Meike Reizig
Rolf Brueck
Joerg-Roman Konieczny
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Siemens AG
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Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Siemens AG
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Abstract

A fuel-cell installation has at least two separately driveable part-systems, in which the part-systems are dissimilar, and specifically have separate voltage regulation and/or power electronics. The part-systems are connected electrically in parallel, and at least one part-system of the installation is comprised of at least one high-temperature-polymer-electrolyte-membrane (HTM) fuel-cell unit and/or a polymer-electrolyte-membrane (PEM) fuel- cell unit. The fuel-cell installation more specifically comprises at least one starter system and/or one low-voltage (LV) system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage mit ei­ ner dynamischen Leistungsregelung durch Zuschaltung von zu­ mindest einem betriebsbereit gehaltenem Teilsystem, mit einem Niedervolt-, Startersystem und/oder einer Bordstromversor­ gung.The invention relates to a fuel cell system and a Method for operating a fuel cell system with egg ner dynamic power control by switching on at least one subsystem kept operational, with one Low voltage, starter system and / or an on-board power supply supply.

Bekannt ist eine Brennstoffzellenanlage, die mehrere Brenn­ stoffzellenstacks umfaßt, z. B. aus der EP 0 677 411 B1. Dabei wird eine Aufteilung des Brennstoffzellenmoduls in mehrere Stacks aus konstruktiven Gründen vorgeschlagen, weil entweder die Menge der benötigten Einzelzellen einen Stack einer sta­ tionären Brennstoffzellenanlage überfordert hätte oder die Gewichtsverteilung der Antriebseinheit im Fahrzeug eine Auf­ teilung in zwei Stacks erforderte.A fuel cell system is known which has several combustion includes cell stacks, e.g. B. from EP 0 677 411 B1. there becomes a division of the fuel cell module into several Stacks proposed for design reasons because either the amount of single cells required a stack of a sta tional fuel cell system would have overwhelmed or the Weight distribution of the drive unit in the vehicle division into two stacks required.

Die bekannten Konstruktionen für Brennstoffzellenanlagen ha­ ben keine Möglichkeit für eine dynamische Leistungsanpassung, beispielsweise bei Überholvorgängen, weil sie nur eine konti­ nuierliche Leistungssteigerung über höheren Betriebsdruck, höhere Reaktionsgaskonzentration etc. vorsehen. Außerdem ist nachteilig an den bekannten Systemen mit Brennstoffzellenan­ lagen, daß keine Niedervoltaggregate, z. B. zum Sommerbetrieb, zur Nachtversorgung der stationären Brennstoffzellenanlage, beim Start und/oder für die Bordstromversorgung im Stand und/oder im Betrieb in der Antriebseinheit vorhanden sind.The known constructions for fuel cell systems ha no possibility for dynamic performance adjustment, for example when overtaking because they only have one continuous Nuclear performance increase over higher operating pressure, provide higher reaction gas concentration etc. Besides, is disadvantageous to the known systems with fuel cells were that no low-voltage units, e.g. B. for summer operation, for night supply of the stationary fuel cell system, at the start and / or for the on-board power supply while standing and / or are present in the drive unit during operation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Brennstoffzellenanlage zu schaffen, die über eine dynamische Leistungsanpassung und/oder ein Niedervoltaggregat verfügt. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrei­ ben einer solchen Anlage zur Verfügung zu stellen. The object of the present invention is therefore a To create a fuel cell system that is dynamic Power adjustment and / or a low-voltage unit has. In addition, it is an object of the invention to provide a method for operating to provide such a facility.  

Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzellenanlage, die zumindest zwei separat betreibbare Teilsysteme umfaßt.The invention relates to a fuel cell system, the comprises at least two separately operable subsystems.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Be­ trieb einer Brennstoffzellenanlage, bei dem zumindest zwei Teilsysteme separat betrieben werden.The invention also relates to a method for loading drove a fuel cell system in which at least two Subsystems are operated separately.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage haben die Teilsysteme getrennte Spannungsregelung und/oder Leistungs­ elektronik.According to an advantageous embodiment of the system Subsystems separate voltage regulation and / or power electronics.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage sind die Teilsysteme elektrisch parallel geschaltet.According to an advantageous embodiment of the system Subsystems electrically connected in parallel.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt zumindest ein Teilsystem der Anlage zumindest eine Hochtempe­ ratur-Polymer-Elektrolyt-Membran(HTM)-Brennstoffzelle und/oder eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)- Brennstoffzelle.According to an advantageous embodiment of the invention at least one subsystem of the plant at least one high temperature rature polymer electrolyte membrane (HTM) fuel cell and / or a polymer electrolyte membrane (PEM) - Fuel cell.

Als "Teilsystem" wird ein Stapel oder Stack mit zumindest ei­ ner Brennstoffzelleneinheit bezeichnet. Mehrere Teilsysteme können sowohl in einem Gehäuse als auch in separaten Gehäusen untergebracht sein. Ein Beispiel für zwei Teilsysteme ist ein Stack von 70 Brennstoffzelleneinheiten, von denen einmal 30 Einheiten und einmal 40 Einheiten separat, also unabhängig aktiviert, betrieben, also angesteuert und geregelt werden können. Ein anderes Beispiel für zwei Teilsysteme sind zwei separate Stacks die unabhängig aktiviert und betrieben werden können. Dabei umfaßt die Unabhängigkeit der Teilsysteme so­ wohl die zeitliche als auch die betriebliche Komponente, das heißt, die Teilsysteme können zum einen nacheinander und zum zweiten nebeneinander mit unterschiedlicher Betriebsweise ge­ fahren werden. Eine Kombination der beiden Varianten, wobei ein Teilsystem später gestartet und unter anderen Betriebsbe­ dingungen gefahren wird, ist mitumfaßt. A "subsystem" is a stack or stack with at least one egg ner fuel cell unit called. Multiple subsystems can be in one housing as well as in separate housings be housed. An example of two subsystems is one Stack of 70 fuel cell units, one of which is 30 Units and once 40 units separately, i.e. independently activated, operated, i.e. controlled and regulated can. Another example of two subsystems are two separate stacks that are activated and operated independently can. The independence of the subsystems includes probably the temporal as well as the operational component, the This means that the subsystems can, one after the other, second ge side by side with different modes of operation will drive. A combination of the two variants, whereby a subsystem started later and under other operating conditions conditions is included.  

Die Teilsysteme können gemäß der Erfindung gleich oder un­ gleich sein. Sie können insbesondere gleich oder ungleich sein in bezug auf Leistung, Größe, Material, Output und/oder Art an Brennstoffzelle, wie z. B. herkömmliche Brennstoffzel­ le(einheitliches Potential auf der Grundplatte) und/oder Streifenzelle(unterschiedliche Potentiale auf der Grundplat­ te); PEM, HTM-Brennstoffzelle, PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell)-Brennstoffzelle, MCFC (Molten-Carbonate-Fuel-Cell), DMFC (Direkt-Methanol-Fuel Cell) und/oder SOFC(Solide Oxide Fuel Cell)-Brennstoffzelle.The subsystems can be the same or un according to the invention be equal. In particular, they can be the same or different be in terms of performance, size, material, output and / or Kind of fuel cell, such as. B. conventional fuel cell le (uniform potential on the base plate) and / or Strip cell (different potentials on the base plate te); PEM, HTM fuel cell, PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) fuel cell, MCFC (Molten-Carbonate-Fuel-Cell), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) and / or SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).

Wenn eine Parallelschaltung der Teilsysteme gewünscht wird und eine erhebliche Größendifferenz der Teilsysteme besteht, ist die Verwendung von Streifenzellen, bei denen die elektri­ sche Zellfläche verkleinert wird und unterschiedliche Poten­ tiale in der Zellebene einer Brennstoffzelleneinheit beste­ hen, bevorzugt.If a parallel connection of the subsystems is required and there is a significant difference in size of the subsystems, is the use of streak cells in which the electri cell area is reduced and different pots best in the cell level of a fuel cell unit hen, preferred.

Mit separat betreibbar ist gemeint, daß die Teilsysteme unab­ hängig, also separat aktiviert und am Laufen gehalten werden können. Die Teilsysteme werden beispielsweise durch Kühlung, Prozeßgaszufuhr und/oder elektrisch aktiviert.Operable separately means that the subsystems are independent pending, i.e. activated separately and kept running can. The subsystems are, for example, by cooling, Process gas supply and / or electrically activated.

HTM-Brennstoffzellen sind aus der gleichnamigen Parallelan­ meldung derselben Anmelder bekannt, auf die hiermit vollin­ haltlich bezug genommen wird.HTM fuel cells are from the parallel of the same name known by the same applicant, to which hereby fully reference is made.

Eine HTM-(Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran)- Brennstoffzelle, auch HTM-Brennstoffzelleneinheit genannt, umfaßt folgende Bestandteile
A HTM (high temperature polymer electrolyte membrane) fuel cell, also called HTM fuel cell unit, comprises the following components

  • - eine Membran und/oder Matrix,
    • - die einen eigendissoziierenden und/oder autoprotolyti­ schen Elektrolyten chemisch und/oder physikalisch gebun­ den enthält
    a membrane and / or matrix,
    • - Which contains a self-dissociating and / or autoprotolytic electrolyte chemically and / or physically bound
  • - zwei Elektroden, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Membran und/oder Matrix befinden - two electrodes, located on opposite sides the membrane and / or matrix  
  • - angrenzend an mindestens eine Elektrode eine Reaktionskam­ mer, die durch jeweils eine Polplatte und/oder eine ent­ sprechende Randkonstruktion gegen die Umgebung abgeschlos­ sen ist, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, durch die Prozeßgas in die Reaktionskammer ein- und ausgebracht wer­ den kann,- A reaction came adjacent to at least one electrode mer, each by a pole plate and / or an ent speaking edge construction completed against the environment sen, wherein devices are provided by which Process gas brought in and out of the reaction chamber who can
  • - wobei die Konstruktionsteile der HTM-Brennstoffzelle so beschaffen sind, daß sie erniedrigten Druck bis zu ca. 0,3 bar und Temperaturen bis zu 300°C langfristig aushalten.- The construction parts of the HTM fuel cell so are designed to have a reduced pressure of up to approx. 0.3 bar and withstand temperatures up to 300 ° C in the long term.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Brennstoffzellenanlage kombiniert im kontinuierlichen und diskontinuierlichen Betrieb gefahren, d. h. innerhalb einer Betriebsphase ist für Leistungsspitzen zumindest ein weiteres Teilsystem rasch zuschaltbar, so daß eine gute Leistungsdyna­ mik für die Anwendung der Anlage in mobilen und stationären Systemen entsteht.According to an advantageous embodiment of the method the fuel cell system combines in continuous and discontinuous operation, d. H. within one Operating phase is at least one more for peak power Subsystem can be switched on quickly, so that a good performance dynamic mik for the application of the system in mobile and stationary Systems arises.

Zur Erleichterung des Kaltstarts ist nach einer Ausführungs­ form vorgesehen, daß zumindest ein kleines Teilsystem, z. B. ein Niedervoltsystem, im Dauerbetrieb gefahren wird, das ent­ weder die Betriebstemperatur oder eine Temperatur über dem Kristallisationspunkt des Elektrolyten (z. B. über 40°C) hält und über das dann die restlichen Teilsysteme beim Start auf­ geheizt werden. Bei der Ausgestaltung des Verfahrens, bei der ein Teilsystem im Dauerbetrieb gefahren wird, wird dieses Teilsystem zumindest während der Ruhephase, wo es zur Erhal­ tung der Mindesttemperatur (z. B. für einen autothermen Start­ vorgang) dient, vorzugsweise mit maximaler thermischer Lei­ stung betrieben.To facilitate the cold start is after an execution Form provided that at least a small subsystem, for. B. a low voltage system that is operated in continuous operation neither the operating temperature nor a temperature above that Crystallization point of the electrolyte (e.g. above 40 ° C) holds and then the rest of the subsystems at startup be heated. In the design of the process in which if a subsystem is operated in continuous operation, it will Subsystem at least during the resting phase, where it is received the minimum temperature (e.g. for an autothermal start process) is used, preferably with maximum thermal lei operated.

Je nach Bedarf kann die Effizienz des Teilsystems in Richtung höhere Stromerzeugung oder höhere thermische Leistung über die Einstellung der Zellspannung geregelt werden. Die Rege­ lung kann dabei auch über ein Steuergerät nach einem vorgege­ benen Algorithmus unter Berücksichtigung einiger Meßdaten und/oder der gewünschten Strom-, Heizleistung und/oder des Fahrerwunsches etc. erfolgen.Depending on your needs, the efficiency of the subsystem can go in the direction higher electricity generation or higher thermal output the setting of the cell voltage can be regulated. The brisk tion can also be done via a control unit according to a given algorithm taking into account some measurement data  and / or the desired current, heating power and / or the Driver request etc.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das "Startersystem" zwar nicht im Dauerbetrieb gefahren aber entweder wird beim Kaltstart zunächst nur dieses begrenzt kleine Teilsystem aufgeheizt, oder es wird über Isolation, Latentwärmespeicher und/oder Heizung eine Temperatur im Teilsystem erreicht, die über dem Kristallisationspunkt des Elektrolyten liegt, so daß ein autothermes Aufheizen des Startersystems erfolgen kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine Systemkombination PEM/HTM vorliegt, bei der das PEM-System das Startersystem ist, weil das PEM-System bereits bei Temperaturen oberhalb von 0°C au­ totherm gestartet werden kann, wohingegen ein HTM-System mit einer Broenstedtsäure wie beispielsweise der Phosphorsäure als Elektrolyten erst oberhalb von 40°C autotherm gestartet werden kann. Es kann auch ein zusätzlicher Energiespeicher, wie eine Batterie, für den Standbetrieb vorgesehen sein.In one embodiment of the method, the "starter system" not in continuous operation but either during a cold start, initially only this limited, small subsystem heated, or it is via insulation, latent heat storage and / or heating reaches a temperature in the subsystem that lies above the crystallization point of the electrolyte, so that the starter system can be autothermally heated. It is advantageous if a system combination PEM / HTM in which the PEM system is the starter system because the PEM system even at temperatures above 0 ° C totherm can be started, whereas an HTM system with a Broensted acid such as phosphoric acid as an electrolyte only started autothermally above 40 ° C can be. It can also be an additional energy storage, like a battery, be provided for standing operation.

Als "Startersystem" wird das Teilsystem bezeichnet, das einen Teillastbetrieb ermöglicht, der beim Übergang zum nächst hö­ heren Lastbetrieb (Zuschaltung weiterer Teilsysteme) und/oder beim Übergang zum Vollastbetrieb sowohl über die Abwärme als auch über elektrische Leistungsabgabe weitere Teilsysteme aufheizt, die dann nachfolgend zugeschaltet werden können. Unabhängig vom Startersystem ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ein zusätzlicher Energiespeicher, wie bei­ spielsweise eine Batterie, vorgesehen, der, z. B. bei der mo­ bilen Anwendung, der Antriebseinheit die Energie für den Start und zumindest 3-5 Minuten Fahrzeit zur Verfügung stellt.The "subsystem" is referred to as the "starter system" Partial load operation enables the transition to the next high heren load operation (connection of additional subsystems) and / or at the transition to full load operation both via the waste heat and other subsystems also via electrical power output heats up, which can then be switched on. Regardless of the starter system is an advantageous one Design an additional energy storage, as in for example, a battery provided, the, for. B. at the mo bilen application, the drive unit the energy for the Start and at least 3-5 minutes driving time available poses.

Zur Beheizung des Wohn- oder Fahrgastinnenraumes kann bei­ spielsweise die Abwärme eines kleineren Teilsystems, wie die des Niedervolt- oder Startersystems dienen. To heat the living or passenger interior can be used for example, the waste heat from a smaller subsystem like that the low-voltage or starter system.  

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzellen­ anlage und des Betriebsverfahrens ist eine modulare Medien­ aufbereitung vorgesehen, so daß die Peripherie der Anlage wie z. B. Brennstoffzellenstack, Reformer, Verdichter, Gebläse und Ventilator jeweils im optimalen Wirkungsbereich gefahren wer­ den können. Die Aggregate in der Stackperipherie können dem­ nach in mehreren Modulen mit kleineren Einheiten vorliegen, so daß beispielsweise bei Teillastbetrieb eines Brennstoff­ zellenstacks ein Reformermodul bei Vollast betrieben wird, wobei jeder der Apparate dann im optimalen Wirkungsbereich, d. h. unter optimaler Brennstoffausnutzung läuft.According to an advantageous embodiment of the fuel cells plant and the operating process is a modular media conditioning provided so that the periphery of the system like e.g. B. fuel cell stack, reformer, compressor, blower and Fan in each case in the optimal effective range that can. The aggregates in the stack periphery can do that after being in several modules with smaller units, so that, for example, at partial load operation of a fuel cell stacks a reformer module is operated at full load, each of the devices then in the optimal range of action, d. H. runs with optimal fuel utilization.

Die durchschnittliche Größe eines HTM oder PEM Brennstoffzel­ lenteilsystems in einer Brennstoffzellenanlage, die für die Elektrotraktion eingesetzt wird umfaßt zum Beispiel 300 Brennstoffzelleneinheiten bei der Elektrotraktion.The average size of a HTM or PEM fuel cell subsystem in a fuel cell system, which for the Electric traction is used for example comprises 300 Fuel cell units in electrical traction.

Ein Startersystem oder ein System, das für die Niedervolt- Bordstromversorgung eingesetzt wird, umfaßt zum Beispiel 20-60 Brennstoffzelleneinheiten und hat eine maximale Leistung von ca. 1 bis 10 kW.A starter system or a system that is suitable for the low-voltage On-board power supply is used, for example, 20-60 Fuel cell units and has maximum performance from approx. 1 to 10 kW.

Während des Startens und/oder während der Ruhephase unter Er­ haltung der Betriebstemperatur (Erhaltungslast) und/oder wäh­ rend einer Betriebsphase mit Niedriglast ist eine Reihen­ schaltung der Kühlung sinnvoll, so daß die Kühlung eines Teilsystems als Heizung eines anderen Teilsystems einsetzbar ist. Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn bei Luftbetrieb meh­ rere Stacks in Reihe geschaltet werden, so daß die Abluft des ersten Stacks zur Heizung des nächsten Stacks einsetzbar ist. Die Reihenschaltung der Stacks kann auch beim Ein-Stack- Betrieb des Mehrstacksystems vorteilhaft sein, weil die Wärme aus der Abluft des betriebenen Stacks zur Erhaltung der Be­ triebstemperatur des gerade in Ruhe befindlichen Stacks dient. During start-up and / or during the resting phase under Er maintenance of the operating temperature (maintenance load) and / or wäh During an operating phase with low load there is a row circuit of the cooling sensible, so that the cooling of a Subsystem can be used as a heater for another subsystem is. It is also advantageous if meh during air operation rere stacks are connected in series, so that the exhaust air of the first stack can be used to heat the next stack. The series connection of the stacks can also be Operation of the multi-stack system may be advantageous because of the heat from the exhaust air of the operated stack to maintain loading operating temperature of the stack currently at rest serves.  

Der Einbau eines Luftfilters für Kühl- und/oder Reaktionsluft ist vorteilhaft.The installation of an air filter for cooling and / or reaction air is beneficial.

Nach einer Ausgestaltung der Anlage sind zumindest zwei Teil­ systeme aus HTM-Brennstoffzellen. Bei dieser Ausführungsform wird bevorzugt die Kühlung der beiden Teilsysteme in be­ triebswarmem Zustand parallel geschaltet, weil die beiden Teilsysteme dieselbe Betriebstemperatur haben.According to an embodiment of the system, there are at least two parts systems made of HTM fuel cells. In this embodiment cooling of the two subsystems is preferred in be warm running condition connected in parallel because the two Subsystems have the same operating temperature.

Bei Teilsystemen ähnlicher oder gleicher Betriebstemperatur ist eine Parallelschaltung der Kühlung während des normalen Betriebs bevorzugt.For subsystems with similar or the same operating temperature is a parallel connection of cooling during normal Operating preferred.

Bei Temperaturen kleiner 120°C ist in einem HTM-Teilsystem mit Reformer bevorzugt eine Gasreinigung vorgesehen, um das Prozeßgas von CO zu befreien oder den CO-Gehalt des Restgases zu reduzieren.At temperatures below 120 ° C is in an HTM subsystem with reformer preferably gas cleaning is provided to Process gas to get rid of CO or the CO content of the residual gas to reduce.

Nach einer Ausgestaltung der Anlage umfaßt zumindest ein Teilsystem zumindest eine HTM-Brennstoffzelle und ein Teilsy­ stem zumindest eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)- Brennstoffzelle.According to an embodiment of the system, at least one Subsystem at least one HTM fuel cell and one subsystem stem at least one polymer electrolyte membrane (PEM) - Fuel cell.

Bei dieser Ausgestaltung kann im betriebswarmen Zustand die Kühlung der beiden Teilsysteme in Reihe geschaltet werden, weil das erwärmte Kühlmedium aus dem PEM-Brennstoffzellen- Teilsystem immer noch kühl genug ist um das Teilsystem mit HTM-Brennstoffzellen, die bei einer deutlich höheren Tempera­ tur betrieben werden, zu kühlen.In this embodiment, the Cooling of the two subsystems are connected in series, because the heated cooling medium from the PEM fuel cell Subsystem is still cool enough around with the subsystem HTM fuel cells that operate at a significantly higher temperature be operated to cool.

Ebenso kann bei der Kombination von zumindest einem PEM- Brennstoffzellenteilsystem mit einem HTM-Brennstoff­ zellenteilsystem ein zweiteiliges Kühlsystem, das einen Nie­ dertemperatur-Kühlkreislauf und einen Hochtemperatur- Kühlkreislauf umfaßt, vorgesehen sein. Bei einem PEM- Brennstoffzellenteilsystem ist eine CO-Gasreinigung, bei­ spielsweise in Form einer wasserstoffdurchlässigen Sperrmem­ bran, vorgesehen.Likewise, when combining at least one PEM Fuel cell subsystem with an HTM fuel cell subsystem a two-part cooling system that never temperature cooling circuit and a high temperature Includes cooling circuit may be provided. With a PEM Fuel cell subsystem is a CO gas purification, at  for example in the form of a hydrogen-permeable barrier membrane bran, provided.

Diese Kombination eignet sich besonders für eine Anlage mit Bordstromversorgung, wobei das PEM-Teilsystem bevorzugt für die Niedervolt-Bordstromversorgung eingesetzt wird.This combination is particularly suitable for a system with Onboard power supply, with the PEM subsystem preferred for the low-voltage on-board power supply is used.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Brennstoffzellenanlage während der Ruhephase durch Erwär­ men getrocknet, so daß z. B. im Kurzzeitbetrieb, wenn Ruhe- und/oder Belastungsphase kurz sind, die Stacktemperatur grundsätzlich über der Siedetemperatur des Wassers gehalten wird. Dies kann beispielsweise durch Einstellung einer Erhal­ tungslast während der Ruhephase erreicht werden.According to an advantageous embodiment of the method the fuel cell system during the rest phase by heating men dried so that, for. B. in short-term operation when idle and / or loading phase are short, the stack temperature basically kept above the boiling point of the water becomes. This can be done, for example, by setting an alarm load during the rest phase.

Nach einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird - entwe­ der kombiniert mit dem Trocknen durch Erwärmung oder allein -, beim Abschalten der Anlage mit Prozeß- und/oder Inertgas zu­ mindest ein Teilsystem und/oder ein Kühlsystem durch- und/oder trockengeblasen, so daß beim Starten die Anlage mög­ lichst wasserfrei und das Kühlsystem möglichst leer ist.According to another embodiment of the method, - either combined with drying by heating or alone - when switching off the system with process and / or inert gas at least one subsystem and / or one cooling system and / or blown dry so that the system can be started As free of water as possible and the cooling system is as empty as possible.

Eine laufende Überprüfung des Wassergehalts des austretenden Prozeß- und/oder Inertgases zeigt, wann die Zelle /der Stack trocken ist und das Gebläse ausgeschaltet werden kann.An ongoing review of the water content of the leaking Process and / or inert gas shows when the cell / stack is dry and the fan can be switched off.

Das während der Ruhephase extern gelagerte Kühlmedium kann während des Startens und/oder vor dem Starten extern, bei­ spielsweise durch einen dafür vorgesehenen Stack der Anlage, durch Abwärmenutzung und/oder durch einen Latentwärmespeicher aufgeheizt und als Wärmemedium in das Kühlsystem eines zu startenden Teilsystems eingelassen werden.The cooling medium stored externally during the resting phase can external during start-up and / or before start-up, at for example through a stack of the system provided for this purpose, by using waste heat and / or by a latent heat storage heated up and used as a heating medium in the cooling system starting subsystem.

Das dafür erforderliche Gebläse wird beispielsweise mit Lei­ stung aus dem und/oder einem anderen Teilsystem der Brenn­ stoffzellenanlage und/oder über einen externen Energiespei­ cher, insbesondere einen elektrischen, versorgt. The blower required for this is, for example, with Lei stung from and / or another subsystem of the Brenn cell system and / or via an external energy storage cher, especially an electrical, supplied.  

Ein Teilsystem der Brennstoffzellenanlage kann zur Start­ stromversorgung vorgesehen sein, beispielsweise zur Versor­ gung der Aggregate wie Heizung zur Prozeßgasvorwärmung, Ver­ dichter, Reformer, Gebläse etc.A subsystem of the fuel cell system can start Power supply may be provided, for example to the utility supply of units such as heating for process gas preheating, Ver poets, reformers, blowers etc.

Als Brennstoffzellenanlage wird das gesamte Brennstoffzellen­ system bezeichnet, das zumindest zwei Teilsysteme, die entwe­ der zwei separate Stacks bilden oder in einem Gehäuse inte­ griert sind. Die Teilsysteme haben jeweils zumindest einer Brennstoffzelleneinheit, die entsprechenden Prozeßgaszufüh­ rungs- und -ableitungskanäle, die Endplatten, das Kühlsystem mit Kühlmedium und die gesamte Brennstoffzellenstack- Peripherie (Reformer, Verdichter, Gebläse, Heizung zur Pro­ zeßgasvorwärmung, etc.).The entire fuel cell is used as a fuel cell system system that denotes at least two subsystems that exist which form two separate stacks or are integrated in one housing are free. The subsystems each have at least one Fuel cell unit, the corresponding process gas supply ducts and drainage channels, the end plates, the cooling system with cooling medium and the entire fuel cell stack Peripherals (reformers, compressors, blowers, heating for pro gas heating, etc.).

Als Stack wird der Stapel aus zumindest einer Brennstoffzel­ leneinheit mit den dazugehörigen Leitungen und zumindest ei­ nem Teil des Kühlsystems bezeichnet.As a stack, the stack is made up of at least one fuel cell leneinheit with the associated lines and at least one designated part of the cooling system.

Eine Brennstoffzelleneinheit umfaßt zumindest eine Membran und/oder Matrix mit einem chemisch und/oder physikalisch ge­ bundenen Elektrolyten, zwei Elektroden, die sich auf gegen­ überliegenden Seiten der Membran und/oder Matrix befinden, angrenzend an zumindest eine Elektrode eine Reaktionskammer, die durch jeweils eine Polplatte und/oder eine entsprechende Randkonstruktion gegen die Umgebung abgeschlossen ist, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, durch die Prozeßgas in die Re­ aktionskammer ein- und ausgebracht werden kann.A fuel cell unit comprises at least one membrane and / or matrix with a chemically and / or physically bound electrolyte, two electrodes that are on against each other overlying sides of the membrane and / or matrix, a reaction chamber adjacent to at least one electrode, each by a pole plate and / or a corresponding one Edge construction against the environment is completed, whereby Devices are provided through the process gas in the Re action chamber can be brought in and out.

Die Brennstoffzellenanlage nach der Erfindung ermöglicht bei­ spielsweise eine differenzierte und den jeweiligen Bedingun­ gen dynamisch anpaßbare Leistungsabgabe der Anlage. Außerdem kann ein Teilsystem zur Zuschaltung nur bei Beschleunigungen vorgesehen sein, das während seiner Ruhephase über den Kühl­ kreislauf eines anderen Teilsystems, das im Betrieb ist, über einen Latentwärmespeicher oder eine sonstige Vorrichtung (Heizung, Isolation, Erhaltungslast) immer auf Betriebstempe­ ratur gehalten wird. Latentwärmespeicher zur schnelleren Auf­ wärmung des Kühlwassers beim KFZ sind bekannt. Als Speicher­ medien werden sog. "phase-change-materials" wie Bariumhydroxid etc. eingesetzt. Die Wärmeaufnahme oder -abgabe erfolgt dabei durch Schmelzen oder Rekristallisation der Materialien.The fuel cell system according to the invention enables for example a differentiated and the respective condition dynamically adaptable output of the system. Moreover a subsystem can only be activated for accelerations be provided during the resting phase of the cooling circuit of another subsystem that is in operation via a latent heat storage or other device  (Heating, insulation, maintenance load) always at operating temperature is held. Latent heat storage for faster opening Heating of the cooling water in vehicles is known. As a store media become so-called "phase change materials" such as barium hydroxide etc. used. The heat is absorbed or emitted by melting or recrystallization of the materials.

Eine weitere Möglichkeit, die durch das System erstmals er­ öffnet wird, ist, daß ein Teilsystem als "Niedervoltaggregat" oder "Startersystem" zum Sommer- oder Nachtbetrieb, zum Start und/oder für die Bordstromversorgung (Klimaanlage, Heizung, Radio etc.) als APU (Auxiliary Power Unit) ausgelegt ist. Dieser Teilsystem kann dann mit geringer Nennleistung, bei­ spielsweise 3-10 kW (entspricht ca. 5 bis 20% der Nennlei­ stung des Gesamtsystems) betrieben werden.Another way he first saw through the system opens, is that a subsystem as a "low-voltage unit" or "starter system" for summer or night operation, for starting and / or for on-board power supply (air conditioning, heating, Radio etc.) is designed as an APU (Auxiliary Power Unit). This subsystem can then have a low nominal power for example 3-10 kW (corresponds to approx. 5 to 20% of the nominal the entire system).

Claims (16)

1. Brennstoffzellenanlage, die zumindest zwei separat be­ treibbare Teilsysteme umfaßt.1. Fuel cell system that be at least two separately drivable subsystems includes. 2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, wobei die Teil­ systeme ungleich sind.2. Fuel cell system according to claim 1, wherein the part systems are unequal. 3. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Teilsysteme getrennte Spannungsregelung und/oder Leistungselektronik haben.3. Fuel cell system according to one of claims 1 or 2, in which the subsystems separate voltage regulation and / or Have power electronics. 4. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei der die Teilsysteme elektrisch parallel geschaltet sind.4. Fuel cell system according to one of the preceding claims che, in which the subsystems are electrically connected in parallel are. 5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei der zumindest ein Teilsystem der Anlage zumindest eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran(HTM)- Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Polymer-Elektrolyt- Membran(PEM)-Brennstoffzelleneinheit umfaßt.5. Fuel cell system according to one of the preceding claims che, in which at least one subsystem of the plant at least a high temperature polymer electrolyte membrane (HTM) - Fuel cell unit and / or a polymer electrolyte Membrane (PEM) fuel cell unit. 6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, die zumindest ein Startersystem und/oder ein Niedervol­ taggregat umfaßt.6. Fuel cell system according to one of the preceding claims che, which has at least one starter system and / or a low voltage day unit includes. 7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, bei der das Star­ tersystem zumindest eine PEM-Brennstoffzelleneinheit umfaßt.7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the star tersystem includes at least one PEM fuel cell unit. 8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, die zumindest zwei Teilsysteme mit zwei parallel ge­ schalteten Kühlkreisläufen umfaßt.8. Fuel cell system according to one of the preceding claims che, the at least two subsystems with two parallel ge switched cooling circuits. 9. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei der ein zusätzlicher Energiespeicher, wie beispiels­ weise eine Batterie, vorgesehen ist. 9. Fuel cell system according to one of the preceding claims che, where an additional energy storage, such as as a battery is provided.   10. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, bei dem zumindest zwei Teilsysteme separat aktiviert und/oder be­ trieben werden.10. Method for operating a fuel cell system, at which activated and / or be at least two subsystems separately be driven. 11. Verfahren nach Anspruch 10, das kombiniert im kontinuier­ lichen und diskontinuierlichen Betrieb gefahren wird.11. The method of claim 10, the combined in the continuous Liche and discontinuous operation is run. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem zu Beginn des Kaltstarts der Brennstoffzellenanlage zumindest ein Startersystem gestartet wird.12. The method according to any one of claims 10 or 11, in which At least the start of the cold start of the fuel cell system a starter system is started. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, mit einer modularen Medienaufbereitung, die eine optimale Brenngasaus­ nutzung gewährleistet.13. The method according to any one of claims 10 to 12, with a Modular media processing that optimal fuel gas usage guaranteed. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem während der Ruhephase zumindest ein Niedrigvolt-Teilsystem unter Erhaltungslast betrieben wird.14. The method according to any one of claims 10 to 13, in which at least one low-voltage subsystem during the idle phase is operated under maintenance load. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem während des Startens und/oder während der Ruhephase unter Er­ haltungslast und/oder während einer Betriebsphase mit Nied­ riglast die Kühlung der Stacks in Reihe geschaltet werden.15. The method according to any one of claims 10 to 14, in which during starting and / or during the resting phase under Er maintenance load and / or during an operating phase with low riglast the cooling of the stacks can be connected in series. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem die Brennstoffzellenanlage während der Ruhephase durch Erwärmen und/oder durch Trockenblasen getrocknet wird.16. The method according to any one of claims 10 to 15, wherein the Fuel cell system during the rest phase by heating and / or is dried by blowing dry.
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