WO2001022512A2 - Brennstoffzellenanlage und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

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Joachim Grosse
Günter Luft
Kurt Pantel
Walter Preidel
Manfred Waidhas
Ulrich Gebhardt
Rolf BRÜCK
Jörg-Roman KONIECZNY
Meike Reizig
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system and an operating method for such a fuel cell system.
  • the invention is advantageously applied to a direct methanol fuel cell.
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • PEM Proton Exchange Membrane or Polymer Electrolyte Membrane
  • a direct methanol fuel cell system which is operated with gaseous fuel.
  • an evaporator is connected upstream of the cell and / or the stack.
  • the system also provides a condenser downstream of the stack, in which the carbon dioxide formed is separated from the anode exhaust gas before it is returned to the evaporator.
  • a disadvantage of the system is that the energy for the evaporator must be supplied externally.
  • the object of the invention is to improve the efficiency of known fuel line systems.
  • the object is achieved by the features of claim 1.
  • An associated operating method is specified in claim 11.
  • Advantageous refinements of the invention result from the dependent claims.
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell stack, process medium supply lines, electrical lines and upstream evaporator, in which at least one line is provided through which the heat from at least part of the stack can be used in at least one other device.
  • the waste heat of at least part of the fuel stack is used in various ways.
  • the invention can be implemented in particular on a direct methanol fuel cell.
  • the fuel is an alcohol, preferably methanol, which is directly in the Brerx.
  • - Substance cell is implemented.
  • the line is not only a pipe, a hose or some other objective connection between two elements of the system, but any other connection, that is to say a thermal contact, can also be so called.
  • the "device” that is heated is primarily an element of the fuel cell system such as the evaporator, the condenser, the preheating for the fuel, the device for preheating the process medium, the gas cleaning system and / or the compressor.
  • the heating of a device or room located outside the system and / or any further use of the first waste heat as well as the use of the second waste heat from the fuel cell stack, namely the waste heat of one of the aforementioned rates, also encompassed by the invention eg the use of waste heat from the evaporator to heat a living space or passenger depending on the application of the fuel cell system in the mobile or stationary area.
  • the above-mentioned elements or devices are all heat exchangers and cool the introduced warm gases and / or liquids.
  • waste heat from a fuel cell stack which in technical terminology is referred to briefly as a stack, is firstly via at least one exhaust gas and / or a heated cooling medium, which e.g. is passed from the stack into the evaporator and secondly via a thermal contact in which, for example, the evaporator is integrated in the stack.
  • the evaporator is arranged with the stack in a housing and / or is integrated in the end plates of the stack.
  • the integration of the evaporator in the stack also means, for example, that the process medium to be heated is carried out between the fuel cell units to cool them.
  • the fuel cell stack is operated at temperatures above 80 ° C. and below 300 ° C., preferably between 100 ° C. and 220 ° C. and in particular at a temperature of approx. 160 ° C.
  • a DMFC system according to the invention can also be referred to as a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HTM fuel cell).
  • the system is preferably operated in such a way that recyclable components of the anode and / or cathode exhaust gas, such as water and / or methanol, are recovered and / or circulated.
  • the system thus comprises a condenser through which the anode exhaust gas is passed.
  • the mixture of methanol and water contained in the anode exhaust gas is condensed out and separated from the carbon dioxide.
  • the gas mixture is passed through the adsorber / catalyst, which e.g. consists of soda lime, zeolites and / or a membrane.
  • the gas cleaning is controlled with the aid of sensors, for example a sensor being attached to each gas outlet, which measures the temperature, composition and / or quantity of the gas released into the environment and passes it on to a control device.
  • sensors for example a sensor being attached to each gas outlet, which measures the temperature, composition and / or quantity of the gas released into the environment and passes it on to a control device.
  • Gas cleaning can e.g. can also be combined with the condenser and / or a device for preheating the process medium to form a catalytically coated heat exchanger into which the exhaust gas containing methanol is introduced.
  • electrical heating is advantageous for the cold start in order to ensure that the working temperature of the catalytic coating is reached quickly.
  • the waste heat from gas cleaning e.g. be made usable via another heat exchanger.
  • the cooling capacity of the evaporator is used to condense the exhaust gas, so that the evaporator and the condenser form an aggregate or a heat exchanger.
  • insulation of at least part of a stack may be preferred over maintaining the operating temperature through part-load operation. This insulation is realized, for example, by means of a double-walled housing, which may be filled with latent heat storage materials.
  • the system is started up with a liquid fuel during a cold start according to one embodiment of the method, the minimum stacking temperature for starting being predetermined by the freezing point of the electrolyte.
  • hydrogen is fed into the stack to start up the DMFC system because starting the stack with hydrogen is possible at much lower temperatures than when using the methanol / water mixture.
  • a corresponding hydrogen store such as a palladium sponge, a pressure vessel and / or a hydride store, is carried along.
  • the hydrogen storage is refilled electrolytically from the water and / or water-methanol tank, for example during operation of the system.
  • the electrolysis is carried out with an extra electrolysis device and / or a stack or part of a stack is used for the electrolysis.
  • the energy required for the electrolysis can be made available directly from a partial stack of the system and / or from an energy store such as a battery or a capacitor.
  • the hydrogen that is still unused after the system has been started can be used to heat a device such as the evaporator or can simply be introduced into the gas cleaning system. ) to t HH in O in o in O in
  • the control unit is generally used to optimize the efficiency and / or to optimally adapt to the power required by the system (for example via the accelerator pedal pressure).
  • a stack voltage-dependent power control driving the system with optimal load utilization
  • water management which e.g. together with a starter cartridge, which eliminates the need to carry a water tank and the optimal use of energy by the control unit.
  • control and construction of the system is carried out in such a way that heating and cooling of the individual components such as evaporators, preheaters, compressors and / or preheating units, on the one hand, which all require heat and stack, condenser, any cooling system and / or water separator, on the other hand, all are cooled , combined with optimal use of energy.
  • Figures 1 and 2 each show the block diagrams of a direct methanol fuel cell system.
  • the reference numbers of both block diagrams are identical for the same elements, lines are named in such a way that the reference number of the upstream element is placed in front of the reference number of the downstream element (e.g. line 1311 is the line in which the fluid flows from element 13 to element 11) ):
  • stack 1 can be seen, which is connected to the evaporator 2 once via the process medium supply line 21 and on the other hand via the process medium discharge line 12.
  • process medium supply line 21 and on the other hand via the process medium discharge line 12.
  • process medium discharge line 12 For reasons of clarity, only one stack 1 of the direct methanol fuel cell system is shown, although one system with several stacks, among other things with low-voltage units for on-board power supply, may be advantageous.
  • a process medium supply line 31 leads from the compressor 3 to the stack 1.
  • the compressor 3, which is regulated in a load-dependent manner via the control unit 6, is preceded by a heat exchanger or condenser 4, which in turn is connected to the stack 1 via the process medium discharge line 14 in such a way that the waste heat from the anode compartment of the stack 1 is used to preheat the oxidant air, because the spent fuel is introduced into the heat exchanger 4 through the line 14 at a temperature of approximately 160 ° C.
  • water and / or unused methanol is separated from the carbon dioxide and other gaseous impurities by condensation.
  • the liquid phase obtained in the heat exchanger 4 is fed into the mixer 5 via the line 45.
  • a sensor in line 48 is advantageous for analyzing the composition.
  • the line 45 has a sensor 46 which supplies information about the amount, pressure, temperature and / or composition of the mixture carried in the line 45 to the control device 6.
  • further sensors are not shown, which are attached in the lines 12 and / or 14 and which provide the control device with information about the quantity, pressure, temperature and / or composition of the mixture carried in the line.
  • the separated gas phase of the anode exhaust gas is introduced via line 411 into the gas cleaning system 11, where it is freed of undesirable emissions before it leaves the system as exhaust gas containing carbon dioxide.
  • the mixer 5 is connected via lines 85 and 95 to the two fuel tanks, the methanol tank 8 and the water tank 9.
  • Lines 85 and 95 each have a metering valve that is controlled by control unit 6. So only a load-dependent passes through the lines 85 and 95 IO ⁇ to to H -> in o in o in O in
  • the fuel lines are shown with a short dash and the oxide lines are shown with a long dash.
  • the cooling circuit in the use of the stack waste heat has been omitted in the two embodiments shown.
  • the cooling circuit if present, is preferably also passed through the evaporator or a device for preheating the process media.
  • a “fuel cell system” is a system that has at least one stack with at least one fuel cell unit, the corresponding process medium supply and discharge channels, electrical lines and end plates, possibly a cooling system with cooling medium and the entire fuel cell stack periphery (reformer, compressor, preheater , Blower, heating for process medium preheating, etc.).
  • a stack is a stack with at least one fuel cell unit with the associated lines and, if available, at least part of the cooling system.
  • An antifreeze that is not electrically conductive can be contained in the cooling system.
  • Other units are either isolated by the insulation methods (So) and / or local heating devices at temperatures above freezing, which may vary depending on the unit concerned (e.g. if a water pipe is affected, the freezing point is different from that of a water / Methanol mixture line) is held.
  • the invention discloses a DMFC system which, at high operating temperatures (HTM fuel cell), optimizes the energy and fuel-related efficiency by utilizing the waste heat from the stack.
  • HTM fuel cell high operating temperatures

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage und ein Betriebsverfahren dazu. Die Anlage wird bei Temperaturen zwischen 80 DEG C und 300 DEG C betrieben und gewährleistet eine Wirkungsgradoptimierung, weil die Abwärme des Brennstoffzellenstapels zumindest anderweitig genutzt wird.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenanlage und zugehöriges Betriebsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage und ein Betriebsverfahren für eine solche Brennstoffzellenanlage. Die Erfindung wird vorteilhafterweise bei einer Direkt- Methanol-Brennstoffzelle angewandt .
Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen werden derzeit sog. DMFC- Brennstoffzellen einerseits und sog. PEM-Brennstoffzellen erprobt. Das Konzept der Direkt-Methanol -Brennstoffzelle (DMFC = Direct Methanol Fuel Cell) unterscheidet sich von der Wasserstoff-Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM = Proton Exchange Membrane bzw. Polymer Electrolyte Membrane) -Brennstoffzelle im Wesentlichen dadurch, dass der Brennstoff Methanol direkt, also ohne zwischengeschalteten Reformer, an der Anode umgesetzt wird. Dazu wird in die Brennstoffzelle als Brennstoff entweder reines Methanol oder ein Methanol-/Wassergemisch eingeleitet, das sich an der Anode gemäß der Gleichung CH30H + H20 --> C02 + 6 H+ + 6 e" umsetzt.
Aus der DE 196 256 21 AI ist eine Direkt-Methanol-Brenn- Stoffzellenanlage bekannt, die mit gasförmigem Brennstoff betrieben wird. Dazu ist der Zelle und/oder dem Stack ein Verdampfer vorgeschaltet. Die Anlage sieht außerdem einen dem Stack nachgeschalteten Kondensator vor, in dem das entstandene 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 geliefert werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad von bekannten BrennstoffZeilenanlagen zu verbessern. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst . Ein zugehöriges Betriebsverfahren ist im Patentanspruch 11 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprü- chen.
Bei der Erfindung ist eine Brennstoffzellenanlage mit zumindest einem Brennstoffzellenstack, Prozessmediumversorgungsleitungen, elektrischen Leitungen und vorgeschaltetem Ver- dampfer, bei der zumindest eine Leitung vorgesehen ist, durch die die Wärme von zumindest einem Teil des Stacks in zumindest einem anderen Gerät nutzbar ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanlage wird die Abwärme zumindest eines Teils des Brennstoffstapeis in ver- schiedener Weise genutzt.
Die Erfindung kann insbesondere an einer Direkt-Methanol- Brennstoffzelle realisiert werden. Dabei ist der Brennstoff ein Alkohol, vorzugsweise Methanol, der direkt in der Brerx. - Stoffzelle umgesetzt wird.
Bei der Erfindung wird als Leitung 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 bezeichnet sein. Als „Gerät", das beheizt wird, wird in erster Linie ein Element der Brennstoffzellenanlage wie der Verdampfer, der Kondensator, 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 Brennstoff- zellenstapels, nämlich der Abwärme einer der vorgenannten Ge- rate, auch von der Erfindung mitumfasst . Die Nutzung der zweiten Abwärme beinhaltet z.B. die Nutzung der Abwärme des Verdampfers zur Beheizung eines Wohnraumes oder Fahrgastin- nenraumes, je nach Anwendung der Brennstoffzellenanlage im mobilen oder stationären Bereich. Die oben genannten Elemente oder Geräte sind alle Wärmetauscher und kühlen die eingeleiteten warmen Gase und/oder Flüssigkeiten ab.
Die Nutzung der Abwärme eines Brennstoffzellenstapels, der in der Fachterminologie kurz als Stack bezeichnet wird, ist zum einen über zumindest 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 beispielsweise 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, bevorzugt zwischen 100°C und 220°C und insbesondere bei einer Temperatur 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 wiederverwertba- re Bestandteile des Anoden- und/oder Kathodenabgases wie Wasser und/oder Methanol rückgewonnen und/oder im Kreis geführt werden.
So umfasst die Anlage nach einer Ausführungsform einen Kon- densator, durch den das Anodenabgas geleitet wird. Dabei wird das im Anodenabgas enthaltene Gemisch aus Methanol und Wasser auskondensiert und vom Kohlendioxid abgetrennt. Die auskon- J ÜJ t t H M
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densator oder für sich zur Abtrennung des Methanols, des Wassers, eines Inertgases wie dem Kohlendioxid und/oder eines unerwünschten Nebenprodukts wie Kohlenmonoxid, Aldehyd, Carbonsäure 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, Zusammensetzung 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 kata- lytisch beschichtetem Wärmetauscher, in den das methanolhal- tige Abgas eingeleitet wird, kombiniert werden. Für den Kaltstart ist bei dieser Variante eine elektrische Beheizung vorteilhaft, um ein schnelles Erreichen der Arbeitstemperatur der katalytischen Beschichtung zu gewährleisten. Zudem kann die Abwärme aus der Gasreinigung z.B. über einen weiteren Wärmetauscher 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 Wärmetauscher bilden.
Beim Kaltstart ist zur Erzielung eines besseren Anfahrverhai - tens ein Schutz vor Einfrieren des Stacks und/oder die Erhaltung der Betriebstemperatur in zumindest einem Teil eines Stacks der Anlage vorteilhaft. Dazu ist eine Isolation zumindest eines Teils eines Stacks unter Umständen bevorzugt gegenüber der Erhaltung der Betriebstemperatur durch Teillast- betrieb. Diese Isolation wird beispielsweise durch ein dop- pelwandiges Gehäuse, das unter Umständen mit Latentwärmespeichermaterialien gefüllt sein kann, realisiert. Bei der Isola- w 10 to t H H in o cn o in O in
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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 mobilen Anwendung der Anlage der größte Energieinhalt pro Vo- lumenteil realisiert.
Ein Anfahren der Anlage beim Kaltstart mit flüssigem Brennstoff 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 WasserstoffSpeicher, wie ein Palladiumschwamm, ein Druckbehälter und/oder ein Hydridspeicher mitgeführt .
Nach einer Ausführungsform wird der WasserstoffSpeicher, beispielsweise während des Betriebs der Anlage, elektrolytisch aus dem Wasser- und/oder Wasser-Methanoltank wieder aufgefüllt. 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 erforderliche 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 Wasserstoff kann zum Beheizen eines Geräts wie dem Verdampfer benutzt oder einfach in die Gasreinigungsanlage eingeleitet werden. ) to t H H in O in o in O in
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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 eine stackspannungsabhängige Leistungsregelung (Fahren der Anlage bei optimaler Lastausnutzung) , ein Wassermanagement, das z.B. zusammen mit einer Starterpatrone, das Mitführen eines Wasserstanks überflüssig macht und die optimale Energienutzung der Anlage werden durch das Steuergerät ermöglicht.
Die Steuerung und Konstruktion der Anlage erfolgt so, dass Heizen und Kühlen der Einzelkomponenten wie Verdampfer, Vorheizung, Verdichter und/oder Vorwärmungsaggregat einerseits, die alle Wärme benötigen und Stack, Kondensator, eventuell vorhandenes Kühlsystem und/oder Wasserabscheider, andererseits, 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.
Figuren 1 und 2 zeigen die Blockschaltbilder jeweils einer Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage . Die Bezugszeichen beider Blockschaltbilder sind für die gleichen Elemente identisch, Leitungen werden so benannt, dass das Bezugszeichen des vorgeschalteten Elements vor das Bezugszeichen des nachgeschalteten Elements gesetzt wird (z.B. ist die Leitung 1311 die Leitung, in der das Fluid vom Element 13 zum Element 11 strömt) :
In Figur 1 ist Stack 1 zu sehen, der mit dem Verdampfer 2 einmal über die Prozessmediumszuführungsleitung 21 und zum anderen 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 geregelten 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 Abwärme aus dem Anodenraum des Stacks 1 zur Vorwärmung des Oxidans Luft genutzt wird, weil der verbrauchte Brennstoff durch die Leitung 14 mit einer Temperatur von ca. 160°C in den Wärmetauscher 4 eingeleitet wird. Im Wärmetauscher 4 wird Wasser und/oder unverbrauchtes Methanol vom Kohlendioxid und anderen gasförmigen Verunreinigungen durch Kondensation abge- trennt. Die im Wärmetauscher 4 erhaltene flüssige Phase wird über die Leitung 45 in den Mischer 5 eingespeist. Möglich ist auch eine 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 Menge, 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 Leitungen 12 und/oder 14 angebracht sind und die dem Steuergerät Informationen über Menge, Druck, Temperatur und/oder Zusammensetzung des in der Leitung geführten Gemisches liefern. Über die Leitung 411 wird die abgetrennte Gasphase des Anodenabgases in die Gasreinigungsanlage 11 einge- leitet, wo sie von unerwünschten Emissionen befreit wird, bevor sie als Kohlendioxid-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 Dosierventil, das über das Steuergerät 6 geregelt wird. So gelangt über die Leitungen 85 und 95 nur eine lastabhängige durch das IO ι to to H -> in o in o in O in
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Übersichtlichkeit sind die Brennstoffleitungen kurz gestrichelt 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 vorhanden, 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 - ableitungskanäle, elektrische Leitungen und Endplatten, gegebenenfalls ein Kühlsystem mit Kühlmedium und die gesamte Brennstoffzellenstack-Peripherie (Reformer, Verdichter, Vorheizung, Gebläse, Heizung zur Prozessmediumvorwärmung, etc.) umfasst .
Als Stack wird ein Stapel mit zumindest einer Brennstoffzel - leneinheit mit den dazugehörigen Leitungen und, falls vorhanden, zumindest einem Teil des Kühlsystems bezeichnet.
Im Kühlsystem kann ein Frostschutzmittel, das nicht elektrisch 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 Gefrierpunkt ein anderer als bei einer Wasser/Methanol-Gemisch- leitung) gehalten wird.
Mit der Erfindung wird eine DMFC-Anlage offenbart, die bei hohen Betriebstemperaturen (HTM-Brennstoffzelle) eine Optimierung des energetischen und treibstoffbezogenen Wirkungs- grades durch Nutzung der Abwärme des Stacks realisiert.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanlage mit zumindest einem Brennstoffzel- lenstapel, Prozessmediumsversorgungsleitungen, elektrischen Leitungen und vorgeschaltetem Verdampfer, bei der zumindest eine Leitung vorgesehen ist, durch die die Wärme von zumindest einem Teil des Brennstoffzellenstapels in zumindest einem anderen Gerät nutzbar ist.
2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, bei der der Verdampfer im Brennstoffzellenstapel integriert ist und/oder mit dem Brennstoffzellenstapel in einem Gehäuse untergebracht ist .
3. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen Wärmetauscher durch den zumindest das Anoden- und/oder das Kathodenabgas geleitet wird, umfasst.
4. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü- ehe, bei der der Verdampfer und ein Kondensator ein Gerät sind.
5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche bei der eine Gasreinigungsanlage vorgesehen ist .
6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Teil eines Moduls, ein Tank und/ oder eine Leitung eine Isolation und/oder ein lokales Heizelement hat .
7. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zumindest eine Zuführöffnung einer Prozessmedium- und/oder Kühlmittelzuführleitung verschließbar ist.
8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der dem Brennstoffzellenstapel ein Filter vorgeschaltet ist.
9. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche bei der ein Steuergerät und zumindest ein Analysengerät in der Anlage vorgesehen ist, in das Informationen über aktuelle Messwerte eingespeist werden und das anhand eines Vergleichs der vorgegebenen und/oder errechneten Sollwerte Regeleinrichtungen der Anlage so steuert, dass die gemessenen Istwerte in Übereinstimmung mit den Sollwerten gebracht werden.
10. Brennstoffzellenanlage bei der zum Starten der Anlage eine Starterpatrone vorgesehen ist, in der das zur Umsetzung an der Anode geeignete Methanol/Wassergemisch fertig vorliegt.
11. Brennstoffzellenanlage, die einen WasserstoffSpeicher hat.
12. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanlage, bei dem Abwärme zumindest eines Teils eines Brennstoffzellensta- pels 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 Brennstoffzellenstapelab- gases rückgewonnen und/oder im Kreis geführt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem aus dem Abgas einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle durch Einleiten in einen Wärmetauscher, wie einen Verdampfer, ein Gerät zur Vorwärmung der Prozessmedia und/oder einen Kondensator Wasser und/oder Methanol rückgewonnen 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 Brennstoffzellenstapel bei einer Betriebstemperatur zwischen 80°C und 300°C betrieben wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem zumindest 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-Brennstoff- zellenanlage, bei dem die Betriebstemperatur des Verdampfers geringer als die Temperatur des Brennstoffzellenstapelabgases ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem während des Kaltstartens als Brennstoff Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstapelabgas 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 Kaltstart 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 Brennstoffzellenstapel 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 zumindest eines Analysengeräts der Anlage aufnimmt, mit einem vorgegebenen oder errechneten Sollwert vergleicht und zumindest eine angeschlossene Regeleinrichtung so steuert, dass eine Übereinstimmung des Istwertes mit dem Sollwert erreicht wird.
26. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein WasserstoffSpeicher durch Elektrolyse von Wasser und/oder einem Wasser- Methanolgemisch wiederaufgefüllt wird.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Abwärme genutzt wird.
28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während des Kaltstartens der Brennstoff dem Brennstoff- zellenstapel flüssig und/oder aus eine Starterpatrone zugeführt wird.
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