EP1194966A2

EP1194966A2 - Hochtemperatur-polymer-elektrolyt- membran (htm)-brennstoffzelle, htm-brennstoffzellenanlage, verfahren zum betreiben einer htm-brennstoffzelle und /oder einer htm-brennstoffzellenanlage

Info

Publication number: EP1194966A2
Application number: EP00952893A
Authority: EP
Inventors: Manfred Baldauf; Rittmar Von Helmolt; Manfred Poppinger; Meike Reizig; Rolf BRÜCK; Joachim Grosse; Armin Datz; Jörg-Roman KONIECZNY
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH; Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH; Siemens Corp
Priority date: 1999-07-05
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2002-04-10
Also published as: WO2001003212A3; JP2003504805A; WO2001003212A2; CN1367940A; US20020119357A1; CA2378234A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-(HTM)-Brennstoffzelle, eine Anlage mit HTM-Brennstoffzellen und ein Verfahren zum Betreiben einer HTM-Brennstoffzelle und/oder HTM-Brennstoffzellenanlage. Die Erfindung geht vom Prinzip der bekannten PEM-Brennstoffzelle aus und überwindet deren wesentlichen Nachteil, die Abhängigkeit vom Wassergehalt durch die Wahl eines neuen Elektrolyten und die Veränderung der Betriebsbedingungen insbesondere der Temperatur und des Drucks.

Description

Beschreibung

Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran (HTM) -Brennstoffzelle, HTM-Brennstoffzellenanlage, Verfahren zum Betreiben einer HTM-Brennstoffzelle und/oder einer HTM-Brennstoff- zellenanlage

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran- (HTM) Brennstoffzelle, eine Anlage mit HTM- Brennstoffzellen und ein Verfahren zum Betreiben einer HTM- Brennstoffzelle und/oder HTM-Brennstoffzellenanlage.

Bekannt ist aus dem Buch von K. Ledjeff „Brennstoffzellen* (C.F. Müller Verlag 1995) die Polymer-Elektrolyt-Membran- (PEM) Brennstoffzelle, die als Membranelektrolyten ein Basispolymer hat, an dem [-SO3H] -Gruppen hängen. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt. Diese Membran braucht entsprechend flüssiges Wasser, d.h. unter Normaldruck Betriebstemperaturen unter 100°C, um die Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten.

Nachteilig an der PEM-Brennstoffzelle ist unter anderem deren Empfindlichkeit gegenüber CO-enthaltendem Prozeßgas, sowie ihre Abhängigkeit von der in der Zelle vorhandenen Wasser- menge, was unter anderem dazu führt, daß die Prozeßgase extern befeuchtet werden müssen, damit die Membran nicht austrocknet.

Aus der WO 96/13872 AI ist eine Membran bekannt, deren Pro- tonenleitfähigkeit nicht auf Temperaturen unterhalb des

Siedepunkts von Wasser beschränkt ist. Aus der EP 0787 368 Bl ist eine Membran bekannt, auf deren Oberfläche feinverteilte, katalytisch wirksame Metallteilchen aufgebracht sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle und/oder eine Brennstoffzellenanlage zur Verfügung zu stellen, die konzeptionell der PEM-Brennstoffzelle gleicht, die aber ihre wesentlichen Nachteile wie ihre Abhängigkeit vom Wassergehalt in der Zelle überwindet. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzelle und/oder einer solchen Brenn- stoffzellenanlage zur Verfügung zu stellen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran (HTM) -Brennstoffzelle, die im wesentlichen unabhängig vom Wassergehalt in der Zelle arbei- tet.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine HTM-Brennstoff- zelle die eine maximale Temperaturdifferenz und/oder einen maximalen Druckabfall innerhalb der Brennstoffzelleneinheit und/oder innerhalb des BrenstoffZeilenstacks von kleiner/ gleich 30 K bzw. kleiner 150mbar hat. Das bedeutet, daß innerhalb des Stacks keine Druck- und/oder Temperaturunterschiede auftreten, die größer als 30 K/150mbar sind.Eine HTM- Brennstoffzelle, die bis zu 10 OOOppm Kohlenmonoxid im Prozeßgas toleriert, ist auch Gegenstand der Erfindung.

Zudem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer HTM Brennstoffzelle und/oder einer HTM-Brennstoff- zellenanlage, das bei einem Betriebsdruck des HTM-Brennstoff- Zeilenstacks im Bereich von 0,3 bis 5 bar absolut und/oder einer Betriebstemperatur im Bereich von 80°C bis 300°C geführt wird. Ein Verfahren zum Betrieb einer HTM-Brennstoff- zelle und/oder einer HTM-Brennstoffzellenanlage, bei dem im Prozeßgas bis zu 10 000 ppm Kohlenmonoxid enthalten sind, ist auch Gegenstand der Erfindung, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer HTM-Brennstoffzelle und/oder einer HTM-Brennstoffzellenanlage, bei dem die maximale Temperaturdifferenz und/oder Druckdifferenz im Stack kleiner/gleich 30 K bzw. 150 mbar ist.

Schließlich ist Gegenstand der Erfindung eine HTM-Brennstoffzellenanlage mit zumindest einer HTM-Brennstoffzellen- einheit, die bei einem Betriebsdruck von 0,3 bis 5 bar absolut und/oder bei einer Betriebstemperatur von 80°C bis 300°C betreibbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Betriebsdruck im HTM-BrennstoffZeilenstack beträgt 0,3 bis 5 bar, bevorzugt 0,5 bis 3,5 bar absolut, besonders bevorzugt 0,8 bar bis 2 bar absolut.

Eine HTM- (Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran) -Brennstoffzelle, auch HTM-BrennstoffZelleneinheit genannt, umfaßt fogende Bestandteile - eine Membran und/oder Matrix, die einen eigendissoziierenden und/oder autoprotolyti- schen Elektrolyten chemisch und/oder physikalisch gebunden enthält zwei Elektroden, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Membran und/oder Matrix befinden angrenzend an mindestens 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 Reaktionskammer ein- und ausgebracht werden kann, - 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 aus- halten.

Bei der luftbetriebenen Brennstoffzelle ist nach einer Aus- führungsform der Eingangsdruck p_LUft kleiner/gleich 1,5 bar_a, abhängig von der Kennlinie f_(p) .

Abhängig von der Verwendung des Stacks wird das System bei einer Spannung von 150V bis 500 V betrieben. Die Betriebstemperatur im HTM-Brennstoffzellenstack liegt unter dem im Stack herrschenden Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel dem herrschenden Betriebsdruck, oberhalb des Siede- punkts von Wasser und unterhalb der Zersetzungs- und/oder

Schmelztemperatur der Konstruktionsteile der Brennstoffzelle und beträgt beispielsweise zwischen 80°C und 300 °C, vorzugsweise zwischen 100°C und 230°C.

Mit „im wesentlichen unabhängig vom Wassergehalt* ist hier gemeint, daß die Zelle während des normalen Betriebszustandes weder befeuchtet noch getrocknet werden muß. Es heißt jedoch auch, daß während des Starts oder während des Betriebs Situationen entstehen können, in denen Wasser (z.B. in flüssigem Zustand wegen der Gefahr der Verstopfung der Gasdiffusionsporen der Elektrode und/oder eines Axialkanals und des Aus- spülens des Elektrolyten) zu Leistungseinbußen führen kann. Es heißt vielmehr, daß die HTM-Brennstoffzelle im wesentlichen unabhängig vom Wassergehalt arbeitet, weil sie einen eigendissoziierenden Elektrolyten und/oder eine konstruktive Vorrichtung hat, in der Wasser gesammelt, entfernt und/oder ausgespülter Elektrolyt zwischengespeichert wird.

Es gibt eine Reihe von Situationen, für die ein Abfall der Temperatur in der Zelle und damit eine Ansammlung von flüssigem Produktwasser in der Zelle denkbar ist, z.B. eine Drosselung der Leistung mit einem Nachlauf der Kühlung oder das Kaltstarten der Anlage an sich.

Dabei ist eine Vorrichtung oder ein Verfahren zur Ausbringung des flüssigen Wassers aus der Gasleitschicht und/oder aus den Prozeßgaskanälen vorteilhaft, weil die Wassertröpfchen ansonsten den Gasstrom und/oder die Gasdiffusion in der Zelle und/oder im Stack behindern würden. Als Vorrichtung dient beispielsweise ein in der Zelle integrierter Wasserspeicher oder ein Trocknungsmittel (Schwamm, Silicagel, Calciumchlorid etc.), in dem das Wasser gehalten wird, bis die Betriebs- temperatur erreicht ist und das Wasser dampfförmig mit den Abgasen aus der Zelle ausgebracht wird. Ein mit Wasser alkalisch reagierendes Trocknungsmittel (wie Calciu chlorid) wird bevorzugt, weil es hemmenden Einfluß auf Korrosion durch im System vorhandene Säuren hat, die es neutralisiert. Ebenso kann als Vorrichtung eine Erhöhung des Querschnitts der axialen Entsorgungskanäle vorgesehen sein, so daß das Wasser auch in flüssigem Zustand durch den Entsorgungskanal ausgebracht werden kann. Beim Verfahren wird beipielsweise der Strömungsdurchsatz eines Prozeßgases so erhöht, daß das kondensierte Produktwasser aus der Zelle heraus geblasen wird. Wenn der Stack in einem Druckgehäuse untergebracht ist und/oder beim offenen Design des Stacks können die Zellen so ausgerichtet werden, daß das Wasser einfach nach unten weg- tropft.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in die HTM-Brenn- stoffzelle ein Trocknungsmittel wie zum Beispiel Kieselgel, Blaugel, Calciumchlorid, eine andere hygroskopische Substanz integriert, und/oder eine Trocknungsvorrichtung integriert, in der Luftfeuchtigkeit während und nach erfolgtem Abstellen der HTM-Brennstoffzellenanlage reversibel absorbierbar ist. Dabei kann auch eine Trocknungsvorrichtung und/oder ein Trocknungsmittel für einen Stack oder einen Teil eines Stacks vorgesehen sein.

Eine Elektrode umfaßt eine aktive Katalysatorschicht, die einen metallischen Katalysator wie Platin oder eine Legierung aus Metallen der Platinguppe enthält. Nach einer Ausführungs- form kann sie zudem zur Verbesserung der Porosität und/oder der Gaspermeabilität bestimmte feste Träger wie z.B. Kohlegewebe und/oder Füllstoff wie Rußpartikel haben. Nach einer Ausführungsform ist der feste Träger zur Verbesserung der Porosität der Elektrode aus Siliciumcarbid.

Nach einer weiteren Ausführungsform hat die Elektrode keinen festen Träger sondern die aktive Katalysatorschicht schließt direkt an die Membran an und/oder ist in die äußere Schicht der Membran eingearbeitet. Die Elektrode wird dazu direkt auf die Membran durch Aufwalzen, Besprühen, mit Tinte Bedrucken etc aufgebracht, ohne daß ein Träger wie ein Kohlepapier ver- wendet wird. Je nach Katalysatorpaste kann es dabei vorteilhaft sein, wenn die Paste rußhaltig ist, so daß in den Elek- trokatalysator durch die Struktur der Bipolatplatte Gasleitungsstrukturen eingeprägt werden. Eine weitere Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist durch die Verwendung einer Mem- bran, auf deren Oberfläche feinverteilte katalytisch wirksame Metallteilchen (Metallvlies) aufgebracht sind, möglich.

Nach einer Ausgestaltung ist die Membran mehrschichtig aufgebaut, wodurch der Elektrolyt, wie zum Beispiel Phosphor- säure, besser in der Membran, zwischen den Schichten gehalten werden kann. Beispielsweise ist eine Sperrschicht im Randbereich der Membran eingearbeitet.

Nach einer vorteilhaften Ausführung der HTM-Brennstoffzelle ist der Elektrolyt eine Broenstedtsäure, beispielsweise Phosphorsäure und/oder eine andere eigendissoziierende Verbindung.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der HTM-Brennstoff- zelle liegen die Prozeßgase in der HTM-Brennstoffzellen- einheit und das Produktwasser gasförmig vor.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der HTM-Brennstoff- zelle sind die Vorrichtungen, durch die Prozeßgas in die Reaktionskammer ein- und ausgebracht werden kann so angeordnet, daß das Prozeßgas angrenzender Reaktionskammern, im Gegen- oder Kreuzstrom fließen kann und/oder alternierend mal von der einen und mal von der anderen Seite in die Reaktionskammer eingebracht werden kann. Auf diese Weise kann der Temperaturgradient innerhalb der Brennstoffzelle möglichst gering gehalten werden und eventuelle, durch Kohlenmonoxid verursachte, Katalysatorvergiftungen am Gaseinlaß einer Zelle α σ •n lQ CΛ N er tQ N N CΛ ffi V d l-i <! P" φ _-• ≥! DJ •x) Z φ « Öd 3 cn d ?

Φ P- Φ Φ o P- s: Φ d d φ O TJ H Φ 3 DJ O DJ P- Φ DJ l-i o P- d= ι-i DJ rt 3 Φ O:

3 Φ P- H tr φ P- 3 H P P- s Hi rt ι-( tπ 3 3 O CΛ H- er 3 tr φ O ι-( α 3 3 cn 3 P- P CΛ o ιQ ≤ Φ 1 O d iQ DJ tr 3 Φ Φ " 3 tr O ^^ • P

< Φ Hi 3 P- Tl n ι-i Φ <J Φ : P" w P P¹ P Φ P- T) 3 M DJ: P- 3 cn 3 3 o Φ

O P- ιQ rt H tr N 3 Φ — ' P CΛ i 3 P¹ s: 3 ϊ φ P- l-i ^< CΛ φ α W ti

P, I rt o Φ d P 3 ≤ φ Φ o N DJ: O DJ P- 3 ? P- <V cn rt P- Hl Φ er rr O rt vQ N 3 iQ α 3 d d Φ l-J P o z, N >Ω 3 1 d: 3 l-i rt O 3 P¹ l-i Φ O-

Φ 3 φ Φ α Φ rt d φ 3 3 P- 3 CΛ n P- 3 Φ φ Φ φ tr P- Φ Hi φ P- P d

P- o" P 3^J φ 03 X) n P- α ιQ CΛ CΛ cn rt 3 öo ι-( PJ * cn 3 3 Hi ι-i Φ N cn ι-(

P- DJ ω H" H < o ^ φ rt d O • vQ P- ? Φ DJ: N 5o d o o

3 d O O 3^J d o O 3 O tr DJ CΛ < CΛ l-i ? H Ϊ Φ <i rt tr α PJ N rt < Hi N P 3 α α DJ Hi α Φ σ rt cn rt o Φ d 1 DJ o • er P-

Φ et • Φ φ rt Φ ιQ Φ P- 3 Hi "^ iQ 3 DJ DJ l-i J P- 3 3 p Φ CΛ

CΛ P- ö 3 ι-i P 0⁾ P φ N o φ CΛ O Φ rt d Λ Q. d 3 Φ rt P- rt Φ o • et P- -> Φ CΛ φ Φ s: 00 t*r DJ P- Φ o DJ: 3 2 Φ 3

3 ≤ Φ cn 0 3 o rt P- I-¹ Φ PJ: o a P¹ 3 P- tr DJ l-i cn cn P- Φ Φ ro Φ P- P- rt Hi M 3 Φ DJ 13 p. P, o P < CΛ Φ d Φ O rt ¹ s cn -3 ι-f 3^J P- p. rt M P- 3 3 φ φ 3 n o O O tr PJ Hi 3 Φ ≤ DJ tr φ

P- PJ 3 α d φ P- 3 Ό & 3 Φ rt N l-i < DJ P¹ cn P- O O DJ d < O

3 rt Φ • 3 P- . — . 3 rt φ Φ α P3 CΛ P- . d Φ iQ O O Hi CΛ t 3 tr ? Hi P O tr tQ 3 vQ 3 O rt ι-i PJ Φ rt 3 3 &> Φ X l-i rt iQ d: φ rt o i-i cn

Φ P- öd CΛ X Φ d PJ 1 P- P> Φ INI α ^Q s: P- ι-( Φ

P- rt s Φ tr 3 Φ Φ N rt Φ

H 3 Φ Φ ? P- 3 rt _^ — . O d DJ DJ: P- 3 φ ? P¹ φ P- 3 φ Φ

Φ < DJ φ p_ rt Φ ι-i d Hi ι-i ; ω 3 P¹ CΛ l-i DJ o tr d: CΛ P- 3 So P-

3 Φ o 2 P- DJ rt 3 Φ H d: d: CΛ O -0 3 3 tr > l-i tr ι-( Φ 3 > iQ α

Φ ? l-i DJ 3 3 P- ιQ P n 3 < o ≤ rt cn rt d N φ cn ^ d DJ tr Φ

O P> et N Hi CΛ P- P Φ ? CΛ O o P- d CΛ Φ rt P- d rt d: cn cn DJ ω

P ιQ H d ω P- - — ' 3 O P- H α Hi P- rt i n 1-5 ≤ d 3 ^Q cn 3 d tr υq CΛ Hi c o 3 ιQ Φ P- d: P- P- S. P- 3 ιQ φ ≤ Hi Φ rt rt CD -J n Φ ω rt Hi rt d α d ιQ !-r φ ^Q D>: P C- cn Φ P- DJ (U: P- cn cn ι-i • DJ

_ P- rt C- Φ 3 P- ^ 3 Φ P 3 Φ P. <! er α ^^ rt 3 P d p vQ *< rt O: cn

< n PJ s: H p. c_ φ P ιQ σ d Φ 3 O Φ o O PJ ^ α Hi Ϊ cn DJ 3 Z φ

Φ 3' rt P- Φ Φ rt P- 3 3 S Φ l-i P- P- H = • d: DJ rt Φ Φ P- ι-f P- H er _*: INI 3 3 P ^Q • 3 N CΛ öd φ ιQ rt tr α tr Φ rt 3 3 3 -° 3 ω P- φ d: Φ α. Φ Φ s, d V Φ p Φ d ö DJ ω 3 d 3 d P- n φ < tr - α H f Q. O DJ: ^Q P- cn 3 d DJ cn ?r 3 P- DJ ω rr 3' Φ o P-¹ O: Φ Hi rt Φ Φ l-i DJ CΛ φ o öd Φ ιQ 3 CΛ P DJ Φ IQ 3 α CΛ rt Φ P- <v P> Φ P ι-i o 1 H α 3 3 s: P- P l-i 3- ^Q φ Φ d 3 DJ cn

Φ PJ 3 3 ι-i N d T £ PJ Φ 3 cn N Φ Φ α P- o rt P- O cn φ

CΛ 3 o d Hi tQ Φ t i LQ φ « o P- S. d 3 3 Φ J d: Z cn tr tr ω φ cn

• α ^ o N rt Φ P, φ Φ rt PJ t P- CΛ Φ tQ 3 P d tr DJ. -> DJ rt tQ _ φ P- H φ rt Hi 3 P¹ 3 3^" rt rt s: P- Φ P- rt cn Hl P D⁾ N Φ = DJ p o £p d P- ¹ DJ 3^J P- φ CΛ rt 3 u iQ cn 3 d Z rt P- 3 tr d φ rt er υ3 3 ≤ φ f 3 O P- φ N Φ Z O P- Φ ^ rt Hi φ Φ t« 1 cn

3 Φ Hi (D s: rt rt P- DJ O α cn e ≤ P- Hi rt s er CΛ Φ P- 3 3 iQ ι-i P- CΛ Φ Φ Φ ι-i o 3 Φ rt N P- DJ l-i Hi 1 PJ rt DJ cn • φ d φ Φ . f-¹ Φ P- H a 3 1 3 • s: cn d ex. öd d φ t d rt P- 3 α >£_

Φ rt _-^■ CΛ rt Φ • öd DJ D, öd D : O Hl Φ P rt 3 d= Hi d ö 3 P-

P- Φ er n • α ι-i ι-i er PJ • H tr 0- < P φ tr iQ Hi P- φ d P-

3 o ι-i Φ tr P- Φ er 3 Φ Φ DJ O 3 CΛ ! Φ P- φ 3 o 3 O

Hl 3 < Φ P- ö Φ öd 3 d φ φ t* P- CΛ P N 3 Φ DJ 3 er vQ CΛ α tr

P- & 3 o H Φ Φ Φ 3 Hi P- P- 3 d CΛ P- 3 Φ DJ Φ W Φ N Φ

P- P- P er tr¹ CΛ CΛ rt φ φ _-^■ Φ o α 3 rt 3 3 α d CΛ •-_ P, d 3 rt 3 et N IO Φ Φ d n rt er P- o X Φ P- O • P- rt DJ S

Φ P- d d 3 P- Hi tr O N Φ α J o H P- 3 3 Hi cn d d 1 ^ Φ Z ι-i φ Φ tQ Φ • rt 0): Hi d P- Φ φ φ α α Hi O 3 cn cn l-i P- φ

3 H P- rt α Hi P 1 CΛ CΛ O 3 m φ N Z Φ Φ 3 rt 3 1 P- P- 1 Ό 3 P- CΛ Φ o P- d φ 1 Φ d: p 1 Φ 3 rt P¹ tr Φ 3 N 3 3 P C- 1 1 cn 1

⁾ J ) r P¹ cn o (_π o cn o Cn

φ cn er ≥; CΛ Z pö P- iQ d Φ Φ 3 rt N S Cn -J S N CΛ P- 3 N ^•z rt ^ φ ^

P- φ Φ Φ DJ rt d Φ cn Φ 3 P- DJ φ P- DJ Φ Φ DJ o o P- d rt tl DJ d Φ DJ Φ d: P. :

3 tr ι-( 3 O DJ l-i ιQ rt ιQ P 3 er 3 0 p, O α p> 3 n P P- O p, tr cn l-i tr Φ Φ J tr O C- Φ Φ Φ 3 tr tr tr d N Φ O Φ tr ιQ P¹ tr 3 rt

Φ 3 P- 3 W Φ Φ 3 cn DJ Φ α Φ 3 Φ CΛ 3 p. φ Φ Φ α

P- rt Φ 3 CΛ n s Φ CΛ P- er Φ 3 Φ C- cn rt 1 tr Φ <J 3 Φ ι-( ι-i DJ et d PJ P- < φ α tr X Φ rt Φ P J P- rt t DJ P- O J P- cn

CΛ 3 ιQ 3 o 3 o er 3 _-" rt 3 _-— P- 3 3 Φ PJ O d 3 l-i 3 P er Ir¹

0- O uq Φ φ l-i DJ tr Φ ιQ P- DJ Φ Φ 3 ιQ ι-i Z 3 s φ o 3 3 3 3 er φ ⁽Q H- Φ Φ P- w

Φ ι-( n DJ CΛ Φ Φ DJ p. 1 H Φ DJ p. cn 3 : ι-i α P- tr* tr 3 O er E Φ 3 φ • — tα P- ^ CSI P- s cn 3 n P- tr

DJ P- CΛ < d P- 3 d ι-( Φ DJ Φ < φ cn PJ d O Φ < φ Φ tr Φ s s> 3 et o Hl p. ω α 3 P- O α d l-i ^Q o rt 3 3 α cn o tr o DJ: 3 cn ι-< et Φ 3 Φ ιQ n D- d Φ 3 d Φ P- ι-( - vQ Φ ι-( Φ P- p, P- P- P- α er N et Hi 3 d p, cn tr Φ H 3 α 3 CΛ rt φ l_J. φ ^_^ ι-i öd rt 3 CΛ rt P- DJ rt

DJ DJ Φ d Φ Φ CΛ CΛ Hi P o ^_^ rt cn rt Φ 3 Φ P" O Φ . rt Φ ιQ N rt

U3 ω cn 3 P- d Pl φ d: tr ; o Φ O P- Z Φ CΛ φ P- P- φ d Φ

Φ O P- n ι-( o er d er Φ O: li Φ <! Φ vQ Φ J 3 Φ 3

3 3 tr tr o Q, Φ o Φ P- Φ 3 Φ Hl < H- tr o P- rt p DJ 3 tr P- tr P-

Φ & α DJ et n Φ <! tr l-i 3 P- 3 l-i DJ Φ 3 DJ ι-( 3 cn J P DJ d P- ≤

P- O φ Φ Hi P- ;v l-i o rt Φ 3 Φ tr ι-( Hi υ3 cn Z Λ 3 rt Hl Φ Hi 3 φ P-

3 l-i CΛ rt Q Φ l-i P- Φ 3 Φ 3 P Z CD rt Φ Φ xs d O rt rt P- 3 l-i iQ Φ φ rt Φ ? 3 N tQ P- 3 • DJ φ φ Φ Φ cn Φ P P⁾ 3 Hi φ CΛ Φ ^_^ rt α

Φ 3 3 Φ er P- d ^ 3 > cn 3 P er 3 Φ P- P. 3 υq Hi 3 rt 3 o τ_ N Φ P- φ »Q Φ Φ ? vQ σ α t-¹ tr 3 Φ 3 cn N DJ P- Φ φ PJ d P- > rt DJ rt P- ? Φ P- t Φ D : > φ 3 d DJ Φ > n > φ πd P-

P- CΛ ι-i 3 d cn w rt CΛ d cn Φ 0 Φ rt CΛ d 3 CΛ • 3 er (-^■ d d ι-i PJ ti rt Φ CΛ DJ Φ o O tr l-i Φ Λ • XJ "-! ^Q cn cn CΛ l-(

Φ öd vQ er 3 J er d tr 3 tr¹ -¹ ιQ DJ öd cn l-i Φ S iQ φ rt Q rt l-i < Φ N XS Φ 3 z d Φ ω s P. < Φ 3 Φ DJ P- 3 φ DJ φ P- P- i-i 00

DJ φ o ω d N XS P- α d 3 Φ P- •<; PJ O cn 3 P- er Hi cn cn 3 cn 3 f o

Z CΛ 3 l-i rt CΛ d Φ 3 α P CΛ cn £3 P, rt d cn ιQ Hi rt rt 3 rt Φ Φ er

P- 3 l-i DJ o 1 iQ "^ rt rt rt DJ tr DJ 3 XJ ι-( PJ PJ d DJ 3 - Hl

H P- cn P- t-" tr P_ P- Φ 3 o Φ d Φ ι£| < DJ P¹ u=) P- P- 3 n 3 P- . 3 rt n rt o Φ d φ d DJ α 3 3 3 Φ o 3 rt cn φ P O: ? rt ιQ rt _ :

O tr d rt H ι-( cn o cn Φ ^Q ι-i d DJ Hi ιQ cn d cn d DJ P- rt

Hi rt 3 rt CΛ n φ tr cn l-i M ω P- P- φ 3 er cn H-¹ 3 DJ 3 3 P- φ ιQ P- Hi d Q Φ o tr P rt Φ 3 <! d P- 3 ^Q ιQ ≤ Ϊ P- PJ ιQ er t DJ Φ l-i

Φ φ DJ 3 3 tr P- Φ φ ι-i φ Φ l-i φ DJ O 3 tr P¹ l-i d ιQ • > ιQ Φ d ι-i P n 3 o α P- P- 3 tr DJ: α φ

Φ t Hi Φ P- P- d ^ ι-( ι-( vQ CΛ tr tα P- Φ Hi CΛ 3 • 3 φ 3 Φ <J P- P-

P- 3 er N p> Φ Φ cn Φ Hl n P- o 1 Pl CΛ φ ι-f Hi Φ φ P ιQ l-i Φ φ ti

3 K Φ d fcP ιQ P- o tr Φ l-i s rt P α tr P- Pi ⁽Q

P- 1 P p. K φ rt Φ rt P- cn iQ d 1 J ffi 3 P- DJ & ι-( M «Ω w cn tS3 φ iQ öd Φ H 3 p ω vQ α TJ d 3 öd l-i ≤ DJ 3 er Φ P. Φ rt Φ cn rt l-i P- X) S O rt DJ φ Φ Φ 3 ι-( rt P- s n Φ UJ. Hi s O Φ

Φ rt P 1 d n PJ d 3 3 P- ^Q \ Φ Φ ι-i 1 tr φ P- φ Φ P- tr¹ 1 X! rt

P- 3 d O öd 3 ;v (-^■ cn • n o 3 P α Cö P- P- 3 3 φ öd Hi Φ tsi cn 3 3 N l-i Φ rt Λ tr α α 3 ι-< P¹ 3 Φ Φ α P- l-i φ rt rt CΛ tQ Φ Φ 3 d t i rt Φ Φ Φ cn d α φ M φ P- CΛ d CΛ φ

• 3 d rt tP J 3 Φ d DJ l-i CΛ P, rt P Φ 3 "> 3 3 rt 3 rt 3 P

O < uq 3 DJ iQ ^Q 3 3 o ^•» O P- l-i 3 o Φ ιQ d 3 P_ σ Hi O DJ CΛ 3 Φ ? S rt Hl ^. cn ⁾ CΛ cn l-i 3 cn DJ ^•^ Φ

P- Hi l-i CΛ rt P- er CΛ CΛ Z o ι-i Hi o <_ rt J-> rt Φ l-i P- *Q rt d o l-i

Φ N uq PJ O rt α • n cn P- O N α. Φ O PJ Ό P- φ CΛ CΛ o cn P- cn Φ φ d Hi PJ Φ cn tr Φ φ d n φ Φ P Hi n DJ n 3 rt l-i Hi N Φ P-

Φ 1 Hl Hi P. CΛ 3 rt d P- ? l-i α Hi tt-. ϊ p. tr φ Hl d l-i P

1 N Φ Φ Φ rt er N CΛ Φ P- 1 ) DJ et

N cn • α iQ 1 Hi

Φ Φ 3 3 3 3 φ n -

3 t öd 1 3 rt d φ Φ P r 3 tr P- Φ 3 ι-( 1 ¹ Φ

1 1 1 1 rt ι-i U3 1 3

) 00 N) IV) * P>

Cn o C o Cn o C

Hi Ö ü α d P- tr t£> X) öd ≥! < P- öd ? rt Pl Pl d o z CSI φ P. o N ≥! d cn CΛ <! d= DJ DJ d O 3 3 o ( l DJ φ d o cn φ P- DJ Φ tr Φ & 3 P- φ P- Φ P- φ DJ 3 rt XS o l-i er X⁾ cn w ι-i P- tr o P. CΛ rt P O p- Φ 3 Φ P- P^J ι-i 3 ω φ P- n rt O φ l-i

Φ X5 o et vQ Φ n DJ o N N cn 3 ι-( * PJ \ P- P¹ φ P tr Φ Hl ι-f p, hd P- Φ tr¹ tr Φ P- Φ Hi 3 d d DJ α Φ er 3 cn υq o — rt φ Hi ι-f P- l-i DJ P- cn er S. d Hi 3 *Q rt φ cn P- Φ o φ P- Φ Pt & N 3 Φ tr N 3 n o P- s: rt tJ rt d J: ts P- φ iQ CΛ P- l-i Φ z er φ φ P- cn Hl d PJ P- DJ φ φ tr

N cn PJ Φ tr 3 P 3 P. z O m l-i p- J d <! P. P- P¹ O PJ ts 3 -> 3 rt φ rt 3 3 DJ P- d α 3 cn Φ φ 3 Pl Φ H l-i P O ts tr φ er o¹ d P α rt cn cn 3 Φ Φ P- Φ P- P- cn P- t-i l-i o ι-i φ φ P- PJ p M DJ l-i φ l-i 3

1 φ P- Z Φ rt Φ ts - 3 P- er 3 cn <! O φ rt P- tr ^yQ P- cn CΛ rt <! l-i iQ P¹ 3 J υ

CΛ ιQ (D: 3 3 Φ DJ 3 Φ Φ Φ O cn cn Φ Φ 3 rt P- Φ tr Φ < > DJ 3 d Φ P d XS P S öd ιQ < CΛ π PJ rt Z l-i Φ CΛ Φ m O DJ o o 3 J

3 < 3 3 3 α Hl DJ φ Φ o Φ 3 rt DJ ¹ Φ Φ P- φ ι-i Φ α 3 tr P- ι-i o CΛ DJ α O Φ Z PJ P- ^ N l-i cn p. tr" P- Φ p- d P- l-i 3 tr P- Φ PJ rt cn rt O DJ Φ 3

\ P O cn J &> 3 O P- Φ Φ N DJ 3 tr O Hl n α Φ Φ f P^J l-i d rt Φ -• iQ P- 3 o rt Φ S 3 l-i rt P- rt d rt φ 3 3 Q tr Φ Φ 3 Φ cn Φ rt 3 P- φ 3 α Φ tr Φ P. Φ 3 DJ: o N uQ Φ P¹ Φ Φ 3 P- S . P- Pl cn φ u N < er

Φ P- : P- cn P- rt tr rt rt 3 tr¹ P- tr tr • 3 Φ rt α φ 3 d tr o 3 φ

P P¹ d O d n P- rt d o PJ Φ Λ Φ σ d φ P- PJ cn P. 3 DJ 3 P- 3 P- tr cn tr 3 er tr 3 tr α ≤ Z Hi tr 3 P- rt öd & PJ 3 cn - t Φ Hl rt P- CΛ w DJ Φ Φ iQ Φ DJ Φ P- DJ: et P- N DJ Φ ^ p. er -q rt φ p. CΛ rt n rt XS d: Hi ι-< P- ιQ S rt H J P l-i cn ιQ φ rt O p- J Φ Λ P- P- n Φ o ?o P- tr rt Φ 3 Φ PJ • CΛ 3 XS Φ - ' PJ 3 P- . — . rt Φ < 3 öd tr 3 φ P- Φ

P- DJ O T) ιQ rt tr¹ Φ DJ ^yQ rt Z P- XS Z DJ cn Φ Φ φ d ^Q Hl Φ P¹

3 3 rt J φ ι-( W DJ φ PJ CΛ φ Φ er Φ XJ P- n 0 rt rt φ o p. cn

Φ z φ Φ g l-i 3 P- cn rt P- * S rt 3 Φ l-i Φ l-i φ Φ PJ φ ^ CΛ p. N d tl P Z φ cn H rt PJ X Φ ts cn Φ 1 cn P- P- 3 ω rt IS! cn P- cn φ

P- • 3 P. φ

P- ts Hi S! 3 3 φ P- « Φ 3 d 3 3 N D> Φ O Φ < uq P- φ DJ P- d 0 Λ DJ Hi PJ DJ DJ: rt tr¹ n o O cn 3 cn P φ • d n er o φ ts ι-( CΛ cn ID

3 et P- CΛ et 03 Z Tf D⁾ tr 3 P- • CΛ O P. P- Cd 3 Ϊ 1— ' P> cn P cn P- φ

N DJ 3 cn Φ rt DJ. tr rt Φ Φ <J O rt ^ ! P- • α cn rt rt rt rt ^y d n Φ P ι-( PJ Φ P Φ tr DJ DJ o o φ Φ P- Φ M DJ et P- s φ

Φ 3 PJ N P P- cn 3 CΛ 3 3 ? l-i rt P. ts φ o P- O 3 P- 3 O P- l-i P- cn 3 d DJ P- φ Φ rt DJ < rt d rt p- φ 0 P-¹ 3 XS 3 rt s: rt DJ P- 3 O z CΛ P ts

CΛ H φ s P- <! t⁽ 3 d n cn 3 ti Φ O cn Φ Hl d P- er φ φ o P- d Ϊ 3 P- tr X5 d PJ: Φ ? O N 3 ? rt Φ l-i 3 α ι-i p. 3 ι-i Φ 3 tr φ 3 er Φ α Φ φ 3 P ι-( d 3 Φ • 3 rt ι-i ι-i Φ PJ P- ⁽Q Λ ιQ Z

CΛ rt Φ P- 3 N P- Z 3 P- d P- öd Φ Φ P- Φ Φ α Φ cn rt Φ • o DJ DJ o et Φ P- 2 CΛ d o J φ DJ 3 d 3 . p- tr O 3 « P- Φ cn d l-i α 3 CΛ cn cn ι-i ω φ PJ: O tr 3 cn l-¹ P- 3 φ 0 ι-i 3 3 d 3 3 P φ φ cn cn Φ uq XJ l-i d Φ Φ α X5 CΛ cn a φ Φ CΛ d X⁾ Φ Λ O 3 l-i Φ Φ Φ φ p- Φ P- l-i Φ 3 ι-( Φ O ≥! d cn l-i CΛ s Hi cn CΛ rt 3 N l-i P- ι-i

3 0 er φ S Φ l-i 3 d P- P- s P- l-i Φ X3 vQ Φ rt PJ XS d α tα Φ P cn

Φ t-s P¹ DJ • l-i Φ 3 O CΛ DJ D : φ o Pl Φ l-i CΛ Ω l-i Φ Pl Φ rt

Z DJ cn rt cn Φ P- tQ tr rt rt ι-f tr Φ CΛ l-i O O φ cn s er l-i O φ I n Z Φ M Φ P- Φ P- 3 Φ p- o l-i Φ Φ s 3 cn rt Φ Hl l-i d tr φ ι-i P- z DJ φ ISI Hi er o Φ l-i φ cn P- CΛ rt Φ CΛ öd P- t Hi α Hi et P- P- 3 Φ rt 3 ≤ 3 φ 3 rt P- cn n rt rt DJ . — . Φ l-i rt l-i ι-3 α

Φ = cn PJ er P- P- PJ 0 • Φ Φ φ t P- d P- er P- 3 er DJ φ m rt o P- s d

3 t Z φ s: Φ <J φ cn 3 Φ Φ cn 3 ^Q υq Φ Φ n 3 Φ 1 P

P Φ DJ Φ P- n Φ l-i rt XS ι-i N d d Φ s φ P P- O ua Φ Φ l-i CΛ cn f 3 3 Cd n

O: P P- d P- Φ φ 3 tr cn 3 - — 3 3 rt cn cn cn XS ι-( tr

DJ Hi P. 3 cn rt P- P- φ φ P- d n P l-i Z M φ P- o DJ DJ Φ rt Φ Φ

3 Hi φ P- Φ 3 3 3 DJ ιQ tr υq DJ DJ: CΛ φ CL £ g ;v n ι-i d O l-i 3 DJ:

3 ts 3 Φ Φ ι-i er Hi cn et rt t-f rt Φ ι-i Φ o 3 rt π d 3 Hi J 3 CΛ d • P- tr Φ P- DJ Φ t£> • α d 3 PJ 3 rt l-i α Φ P- cn ts α Hl rt 1 cn

3 3 3 H 3 O tr O P- p. Φ n Φ Φ d 3 <! ιQ 1 d P-

IQ Φ d P- tr l-i Φ 1 3 3 P¹ Φ l-i 3 3 φ 1 CΛ 1 CΛ φ Φ

3 3

) ω t tv> P¹ P¹

CJi o Cn σ Cn o Cn

(D: d

Hi rt

.

Bei der Anlage mit Reformer kann ein Wasserstoff-Zwischenspeicher, wie ein Palladiumschwamm, ein Druckbehälter und/ oder ein Hydridspeicher vorgesehen sein.

Nach einer Ausgestaltung der Anlage ist eine Gasreinigungsanlage vorgesehen, in der die Abgase vor dem Verlassen der Anlage gereinigt werden.

Nach einer Ausgestaltung der Anlage ist der Stack in einem druckführenden Außengehäuse angeordnet. Dabei wird zumindest ein Prozeßgas durch den im Gehäuse herrschenden Innendruck zu der Umsetzung an den aktiven Zellflächen transportiert.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Prozeßgas, bevor es in den HTM-Brennstoffzellenstack eingeleitet wird, vorgewärmt. Zur Vorwärmung kann beispielsweise die Abwärme des Stacks oder eines sonstigen Aggregats der HTM-Brennstoffzellenanlage dienen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird beim Starten er- wärmtes Kühlmedium zumindest in den Primärkühlkreislauf eingeleitet, so daß während des Startens der Kühlkreislauf als Heizung dient. Beispielsweise wird das Kühlmedium des Primärkühlkreislaufs mit einer Temperatur zwischen 80°C und 130°C, vorzugsweise zwischen 100 und 110°C zugeführt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Prozeßgase und/oder das Kühlmedium im Gegen- und/oder Kreuzstrom geführt, so daß die Ausbildung eines Temperaturgradienten innerhalb des HTM-BrennstoffZellenstacks unter- drückt wird. Die maximale Temperaturdifferenz innerhalb der BrennstoffZeileneinheit ist kleiner/gleich 30K.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird beim Abschalten der Zelle mit Prozeß- und/oder Inertgas die Zelle und/oder das Kühlsystem durch- und/oder trockengeblasen, so daß beim Starten die Zelle möglichst wasserfrei und das Kühlsystem möglichst leer ist. Dies führt insbeson- d l-¹ P¹

Cπ o cn o cn o cn

CΛ Φ cn Pi Pi cn l-i d σ CΛ Φ X Φ ≥! !^ rt o ≤ N rt σ i φ s: Φ Λ ≤ 3 P. d CΛ P

P- P¹ P- d: d: "< d t! PJ φ P O DJ: P- P- DJ d: P- α Φ Φ Φ P- d: P- P>: r-¹ rt PJ. Φ Φ 3 rt Φ

Φ φ Φ tr tr CΛ 3 P- CΛ P- Z Ω P 3 φ O tr o Φ P 3 Φ tr 3 P Φ PJ tr P 3 α P⁾ P α w _-^■ rt uq \ d PJ: tr Φ Φ tr 3 P P- l-¹ XS uq 3 fV P P p- Φ P Φ

Φ rt Φ cn 3 Φ φ o Pi > P rt 3 3 W d cn φ φ Φ 3 φ Φ rt rt Φ d 3 < rt S P 3 ^ Φ 3 3 α 0 3 Φ Pl Φ 3 l-¹ d= ts P H φ P^J 3 P Φ 3 3 o d P- α cn Φ tr p^j: rt 3 ≥; XI S P- uq d er • P DJ £ DJ Φ P- ts t?. P α Φ

3 n Φ rt P- p- Z ι-( l-i Φ XS P- P 1 ts Pi Φ PJ rt 1 P- CΛ a CΛ ω Z (-^■ tr P- cn - n 3 Φ d 3 P- 3 _* φ φ P- Cd Φ rt P öd ts d Cd d CΛ P- n P φ Φ DJ φ tr et tr 3 3 φ ts φ d: Pi P 3 P P φ φ 3 M P 3 φ d tr d Φ cn ΪV 3 DJ

I Cd J P- tr d: PJ Φ DJ: Φ P- N Φ p- φ ts 3 d P Φ rt α INI tr ts d: cn n φ N rt P- P¹ tr rt P P 3 3 d P- 3 <J 3 rt d ts P Φ φ er

DJ p- tr Φ tr et • 0 d ! r d rt Φ 3 o ιQ P 3 P- P- o 3 Φ z o 3 \ Pi rt o 3 rt O P- 3 Φ M Cd P 3 P 3 P Φ 3 cn P Φ Φ Φ rt 3 CΛ 3 φ o d Φ N

• tr 3 Ϊ 3 P- . φ Φ 1 3 rt rt cn PJ 3 P rt S P Φ \ P tr P- • cn Φ d et Φ rt P- Φ P- P- α w XI ffi O Φ Φ φ t-¹ 1 O Φ P- P o φ Φ Ω rt ü cn er α n Φ CΛ P- d= Φ O Hl P- rt uq < <! d co Mi P φ α P X) tr Φ Hi IS1 Φ

P- P- n cn PJ tr CΛ P¹ d tr M n Hi P^J N d Φ m Hi o Hi DJ s DJ Φ tr 3 l-¹ d P- φ Φ φ Φ tr rt P Φ J 3 P¹ DJ tr N tr rt P P rt 0 N et • P" P < DJ cn d= d J

P- 3 3 Φ cn XI d ? rt rt Φ DJ P- C- ≤ n Φ d CΛ o cn Ω DJ cn DJ: Φ

< rt P- 3 α P Mi α P d φ ¹ Hi ≤ Φ P- Φ PJ P" P öd P P φ tr d cn Ω P φ Φ er O 3 XI Φ O P- Φ Φ M 3 P^J rt Φ P n ti _-^■ er (-• uq φ tr¹ d ts CΛ P- 3-

P ts Φ DJ Φ Φ P -> 3 Lp CΛ P- S φ φ P d tr α cn P- Φ Φ < DJ P P φ Φ cn uq CΛ -3 er P <! 3 ι-1 P PJ: Φ cn d: φ 3 3 α 3 et d cn ι-ι O rt n φ X (-^■ XI φ rt P-

P- Φ o XS et DJ Ö P- 1-1 I X⁾ t-¹ tr P DJ Φ uq φ ts O s: Φ P Φ tr 3 rt P¹ d: cn P

3 cn P Hi et PJ 3 ! 0 P DJ P-¹ DJ 3 > 3 P uq X + P- uq N 3 Φ Φ 3 ?r α N P- P- d 3 : tr P- d ? rt !-^■ d • P- j-> P Φ d rt s ω P P rt S O d d £ d P CΛ P XS S. tr P¹ 3 Ml P d D> cn φ < Cπ P P- uq Z rt 3 DJ Ω 3

3 Φ uq d rt er Hi φ (-^■ et PJ: Φ P uq uq P ? o DJ 0 rt rt DJ: Z PJ Φ d cn tr uq rt o - P- P- > P α P- Ps φ φ DJ ts 3 O er P ^

Φ D>: P uq P 3 cn

P- • t ι-i P rt l-f Z P Φ cn d= cn Λ 3 cn Φ P- Z 3 P rt φ z α φ Pi

N £ K d Φ Φ d Φ Φ p- = P h-¹ tr d: rt rt 3 t-¹ er 3 P- Φ 3 φ DJ: P Φ P s; 3 > d 3 P- n CΛ P- P tr PJ P¹ er DJ DJ d DJ Φ o 1-1 CΛ Φ 3 DJ P α n ; rt cn CΛ d ? M DJ

P- 3 rt Φ Ω α Hi d rt P α S 3 uq PJ φ XI P cn cn P cn tr Φ P- " rt Mi P P rt P- rt n P N Φ φ d φ φ o CΛ P- Φ <J

O φ S d 3 J P DJ φ d rt Φ tr P- d 3 P- rt X P PJ 3 P Φ tr P O: Z P uq 3 d Φ O P- N 3 Φ DJ Φ uq SD n N rt rt P φ DJ P

Φ Z P- P- Φ rt CΛ Pi P- Z CΛ s uq 3 <_ cn er rt CΛ CΛ tr d Φ Φ d: 3 rt er

3 φ P n P Φ P- cn ω O φ S φ cn φ Φ rt Φ 3 P P- tr d Φ

3 ≤ P- tr P- M 3 uq er DJ P- P- Φ P 3 er PJ Φ P uq 3 Pi cn XS P cn

X) P. P- et 3 3 P- J Φ Φ d Φ P ≤ O er • Φ n X 0 rt cn tr φ cn

M Φ M • uq α cn d P- Hi Pi P DJ Φ X cn P- P? rt P- tr • • ^ ts Φ

P- rt P Φ Φ rt Pi d: d: rt 3 p- rt ö Φ 3 DJ er (-^■ cn cn ι-f

3 Λ w P- 3 α cn tr 3 d tr M d P- DJ P- Φ φ P d Φ 3 rt P- d d

D : er tr P- cn PJ Φ P- 3 P P d PJ rt φ P- P- ts α Mi P- Φ d Φ s ts 3

P P. Φ PJ 3 rt ö CΛ P- cn rt rt ? Hi - 3 ts 3 3 3 DJ uq Λ &5 3 DJ rt uq

1 PJ < l-i 3 φ P P- uq ω Φ tu φ uq uq cn φ X! P- Φ P" φ cn o er tr d d α P- ≤ Φ Φ 3 DJ 3 Pl P Φ φ tr P- P o P- P d P O 3 n Φ CΛ 3 P- Φ P- P- a P¹ <_ . — . £ Pi Φ φ p P tr cn Z

3 Φ N er tr P. P- 3 * φ M 3 3 cn d ω o cn 1 DJ DJ 0 P- P¹ Φ ts Ω P¹ Φ

P p- d Φ Φ 3 M φ 3 o 3 Φ er Cd 3 Λ uq tr N CΛ ξ 3 Φ tr o P- ts uq P- P P- rt cn XI 3 DJ: uq Φ P uq CΛ Φ r-¹ rt ≤ DJ= o r-¹

CΛ φ et PJ 3 & tr φ d l-f d DJ Pd er rt Φ φ φ cn Φ tr Pi uq 0 φ 3 3 σ P Hi Φ P- 3 P- cn Hl < d φ cn P 3 er 3 rt • d P- P PJ 0 φ o er

Σ φ P- M ^ O rt rt 3 Φ Φ φ n DJ rt P- 3 d • Φ cn 3 CΛ Φ 3 tr er Φ d tr P- Φ d α : l-i P- cn J: ϊ P tr Ϊ J φ cn 3 rt Φ 3 3 d tr P-

3 o 3 P o J t 0- CΛ P. P d Mi 1 rt er rt uq Φ P 1 3 DJ 3

P tr P f cn p- φ n P- PJ Φ 3 : N 3 Φ O CΛ 3 DJ (X 1 rt

PJ: Φ P- 1 1 tr 3 cn 3 1 uq d Φ 3 Pi 1 P PJ

P 3 uq P- Φ rt P 3 Mi cn Φ CΛ 1 3 P 1 cn

kühlkreislauf erfolgt beispielsweise über einen Wärmetauscher. Das Kühlmedium des sekundären Kühlkreislaufs kann beispielsweise Wasser und/oder ein Alkohol sein.

Die Kühlmittelmenge bei der Hochtemperatur-Polymer-Brennstoffzelle läßt sich beispielsweise wie folgt berechnen:

Für gasförmiges Kühlmedium, beispielsweise Kühlluft: V_Kü_hiiuft [m³/h] = (Leistung [kW] x 3600)/ (cp_Luft x delta T x Dichte_Luft)

Für flüssiges Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser _Kühiwasser [1/ ] = (Leistung [kW] x 3600 x 1000)/

(cp_Luft x delta T x Dichte_WaSΞer) abzüglich der Verdampfungsenthalpie des Wassers und abzüglich der Reaktionsluft

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die HTM-Brennstoffzellenanlage und/oder zumindest der oder die in der Anlage enthaltenen HTM-Brennstoffzellenstacks während der Ruhephase des Systems bei einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes des Elektrolyten gehalten, so daß das Starten im wesentlichen, d.h. nach erfolgter Prozeßgaseinleitung und Anlegen einer Spannung, autotherm erfolgen kann.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die HTM-Brennstoffzelle während der Ruhephase durch Erwärmen getrocknet, so daß z.B. im Kurzzeitbetrieb, wenn Ruhe- und/ oder Belastungsphase kurz sind, die Stacktemperatur im Stand- by-Betrieb im wesentlichen oberhalb des Gefrierpunktes des Elektrolyten gehalten wird. Dies kann beispielsweise durch Einstellung einer Erhaltungslast während der Ruhephase erreicht werden.

Als Brennstoffzellenanlage wird das gesamte Brennstoffzellen- syste bezeichnet, das zumindest einen Stack mit zumindest einer BrennstoffZeileneinheit, die entsprechenden Prozeßgas- zuführungs- und -ableitungskanäle, die Endplatten, das Kühlsystem mit Kühlflüssigkeit und die gesamte Brennstoffzellen- stack-Peripherie (Reformer, Verdichter, Gebläse, Heizung zur Prozeßgasvorwärmung, etc.) umfaßt.

Eine BrennstoffZelleneinheit umfaßt zumindest eine Membran und/oder Matrix mit einem chemisch und/oder physikalisch gebundenen Elektrolyten, zwei Elektroden, die sich auf gegenüberliegenden 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 Reaktionskammer ein- und ausgebracht werden kann.

Als Stack wird der Stapel aus zumindest einer Brennstoffzelleneinheit mit den dazugehörigen Leitungen und zumindest einem Teil des Kühlsystems bezeichnet.

Mit „langfristig aushalten ist gemeint, daß die Konstruktionsteile für die genannten Betriebsbedingungen (Druck und Temperatur) geschaffen sind.

Als Prozeßgas wird das Gas-Flüssigkeitsgemisch bezeichnet, das durch die Brennstoffzelleneinheiten geführt wird und in dem zumindest Reaktionsgas (Brennstoff/Oxidans) , Inertgas und Produktwasser vorliegen.

Als Kurzzeitbetrieb wird beispielsweise bei der Anwendung der Anlage als Antriebseinheit eines Fahrzeugs, eine Einkaufsfahrt bezeichnet, bei der regelmäßig für wenige Minuten das Fahrzeug abgeschaltet und dann neu gestartet werden muß.

Die Erfindung geht vom Prinzip der bekannten PEM-Brennstoff- zelle aus und überwindet deren wesentliche Nachteile durch die Wahl eines neuen Elektrolyten und die Veränderung der Betriebsbedingungen insbesondere der Temperatur und des Drucks. Wie die herkömmliche PEM-Brennstoffzelle ist die HTM- Brennstoffzelle sowohl für stationäre als auch für mobile Brennstoffzellenanlagen geeignet .

Claims

Patentansprüche

1. Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran (HTM) -Brennstoffzelle, die im wesentlichen unabhängig von dem Wassergehalt in der Zelle arbeitet.

2. HTM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die ein Trocknungsmittel enthält.

3. HTM-Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Elektrode mit einem festen Träger aus Siliciumcarbid umfaßt .

4. HTM-Brennstoffzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, deren Elektrode aus einer direkt auf die Membran aufgebrachten aktiven Katalysatorschicht besteht.

5. HTM-Brennstoffzellenanlage mit zumindest einer HTM-BrennstoffZeileneinheit, die bei einem Betriebsdruck von bis zu 0,3 bar Unterdruck und/oder einer Temperatur oberhalb des Siedepunkts von Wasser und unterhalb der Zersetzungs- und/ oder Schmelztemperatur der Konstruktionsteile betreibbar ist.

6. HTM-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, die bei einem Betriebsdruck von 0,3 bis 5 bar absolut und/oder bei einer

Betriebstemperatur von 80°C bis 300°C betreibbar ist.

7. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

6, bei der eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit der zumindest ein Prozeßgas und/oder Kühlmittel vor dem Einlaß in die

Anlage vorgewärmt wird.

8. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

7, bei der zumindest eine Vorrichtung zur Temperaturmessung und/oder -regelung vorgesehen ist.

9. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, die einen Latentwärmespeicher, eine thermische Isolation, eine lokale Heizung und/oder eine sonstige Vorrichtung zur Erhaltung einer vorgebbaren Temperatur in zumindest einem Teil des Stacks während der Ruhephase des Systems umfaßt.

10. HTM-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 9, bei der das Latentwärmespeichermaterial Paraffin ist.

11. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

10, bei der eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit der zumindest ein Prozessgas und/oder Kühlmittel vor dem Einlass in die Anlage gefiltert wird.

12. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

11, die ein Gebläse und/oder einen Verdichter umfaßt.

13. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

12, bei der zumindest eine Vorrichtung zur Prozeßgasaufberei- tung vorgesehen ist.

14. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei der der isolierte Teil des Stacks durch eine Membran, eine Konvektionssperre, eine Thermobarriere, eine Klappe, und/oder mehrere solcher Elemente abgetrennt ist.

15. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

14, wobei der Stack in einem druckführendem Außengehäuse untergebracht ist.

16. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

15, bei der eine modulare Medienaufbereitung vorgesehen ist.

17. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 16, bei der ein Reformer enthalten ist, der mit einem WasserstoffZwischenspeicher verbunden ist.

18. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 17, bei der eine Gasreinigungsanlage vorgesehen ist.

19. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 18 bei der zumindest eine Zuführöffnung einer Prozeßgas- und/ oder Kühlmittelzuführleitung verschließbar ist.

20. M-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

19, bei der die Kühlung als Ein- oder Mehrzellenkühlung konzipiert ist.

21. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

20, die je nach Anwendung bei einer Spannung von 150V bis 500V betrieben wird.

22. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

21, bei der eine Vorrichtung zur Ausbringung von flüssigem Wasser vorgesehen ist.

23. HTM-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis

22, bei der zumindest zwei Vorrichtungen zum Stromabgriff am Brennstoffzellenstack vorgesehen sind.

24. Verfahren zum Betrieb einer HTM-Brennstoffzelle und/oder einer HTM-Brennstoffzellenanlage, das bei einem Betriebsdruck eines HTM-Brennstoffzellenstacks der Brennstoffzellenanlage im Bereich von 0,3 bis 5 bar absolut und/oder einer Betriebstemperatur im HTM-Brennstoffzellenstack im Bereich von 80°C bis 300°C geführt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Prozeßgas, bevor es in den HTM-Brennstoffzellenstack eingeleitet wird, vorgewärmt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, bei dem das Kühlmedium während der Ruhephase aus dem Kühlsystem ausgelassen und vor und/oder während des Startens des Brenn- stoffzellenstacks, ggf vorgewärmt und/oder temperaturgeregelt, wieder eingelassen wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem die Prozeßgase und/oder das Kühlmedium im Gegen- und/oder im

Kreuzstrom geführt werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem beim Abschalten der Anlage zumindest eine Brennstoffzellen- einheit und/oder das Kühlsystem trocken- und/oder durchgeblasen und/oder danach abgeschottet wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, bei dem die Kühlung des Stacks über zwei Kühlsysteme, einen Primär- und einen Sekundärkühlkreislauf läuft.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei dem die HTM-Brennstoffzellenanlage und/oder zumindest der oder die in der Anlage enthaltenen HTM-Brennstoffzellenstacks während der Ruhephase des Systems bei einer Temperatur oberhalb des

Gefrierpunktes des Elektrolyten gehalten werden, so daß das Starten autotherm erfolgen kann.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, bei dem flüssiges Wasser in der Zelle gebunden und/oder aus der Zelle ausgebracht wird, so daß die Wassertröpfchen die Gasströmung und/oder die Gasdiffusion nicht behindern.

32. HTM-Brennstoffzellenanlage, die eine maximale Temperatur- differenz und/oder einen maximalen Druckabfall innerhalb der

Brennstoffzelleneinheit und/oder innerhalb des Stacks von kleiner/gleich 30 K bzw. 150 mbar hat.

33. HTM-Brennstoffzellenanlage, die bis zu 10 000 ppm Kohlen- monoxid im Prozeßgas toleriert.

34. HTM-Brennstoffzellenanlage die mit Luft als Oxidans betrieben wird, wobei die Reaktionsluft auch zur Regulierung der Stacktemperatur dient.

35. Verfahren zum Betrieb einer HTM-Brennstoffzellenanlage, bei dem im Prozeßgas bis zu 10 000 ppm Kohlenmonoxid enthalten sind.