DE60319869T2 - Steuerungssystem der thermischen energie von elektrochemischen brennstoffzellen - Google Patents

Steuerungssystem der thermischen energie von elektrochemischen brennstoffzellen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen des Typs, bei dem Brennstoff und Oxidationsmittel an einer Membran-Elektroden-Anordnung kombiniert werden, um elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt, nämlich Wasserdampf, zu erzeugen.
  • Ein typischer Aufbau einer konventionellen Brennstoffzelle 10 ist in 1 gezeigt, die die verschiedenen Schichten zur Klarheit in einer Explosionszeichnung zeigt. Eine Festpolymerionenaustauschmembran 11 ist flach zwischen einer Anode 12 und einer Kathode 13 angeordnet. Typischerweise sind die Anode 12 und die Kathode 13 beide aus einem elektrisch leitfähigen porösen Material ausgebildet, wie beispielsweise porösem Kohlenstoff, an das kleine Partikel aus Platin- und/oder anderem Edelmetallkatalysator angebunden sind. Die Anode 12 und die Kathode 13 sind oft direkt an die jeweiligen benachbarten Oberflächen der Membran 11 angebunden. Diese Kombination wird gemeinhin als Membran-Elektroden-Anordnung oder MEA bezeichnet.
  • Die Polymermembran und die porösen Elektrodenschichten sind flach zwischen einer Anodenfluidströmungsfeldplatte 14 und einer Kathodenfluidströmungsfeldplatte 15 angeordnet, die der MEA Brennstoff bzw. Oxidationsmittel zuführen. Die Fluidströmungsfeldplatten 14, 15 sind aus einem elektrisch leitfähigen nichtporösen Material ausgebildet, mit dem elektrischer Kontakt zu der jeweiligen Anodenelektrode 12 bzw. Kathodenelektrode 13 ausgebildet werden kann. Gleichzeitig müssen die Fluidströmungsfeldplatten die Versorgung und/oder die Abfuhr von fluidem Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Reaktionsprodukt zu oder von den porösen Elektroden erleichtern.
  • Dies wird in konventioneller Weise durch Ausbilden von Fluidströmungspassagen in einer Oberfläche der Fluidströmungsfeldplatten bewirkt, so wie Nuten oder Kanäle 16 in der Oberfläche, die den porösen Elektroden 12, 13 zugewandt ist. Wasserstoff und/oder andere fluide Brennstoffe oder Brennstoffmischungen werden den Anodenkanälen zugeführt. Oxidationsmittel, typischerweise Sauerstoff oder Umgebungsluft, wird den Kathodenkanälen zugeführt, und Wasser- und/oder Wasserdampfreaktionsprodukt wird von den Kathodenkanälen abgezogen.
  • Bezug nehmend auf 2 ist üblicherweise eine große Anzahl von Brennstoffzellen 10 in einem Stapel 20 angeordnet, so dass die Anode 14 einer Zelle der Kathode 15 der nächsten Zelle benachbart und elektrisch an diese angeschlossen ist (vorzugsweise wie gezeigt unter Verwendung einer kombinierten Fluidströmungsfeldplatte 21), wobei sich die Spannungen der einzelnen Zellen zueinander addieren, um eine erforderliche Versorgungsspannung zu erzeugen.
  • Es gibt erhebliches Interesse an Brennstoffzellen als effizientes Mittel zum Bereitstellen lokalisierter elektrischer Stromversorgungen für Haushalts- und leichte Industrieanwendungen, insbesondere in abgelegenen Gebieten, wo der Aufbau von großen Leistungsversorgungsnetzwerken kostspielig ist.
  • Ein Aspekt der elektrochemischen Brennzelle ist, dass während des Elektrizitätserzeugungsprozesses eine bestimmte Menge an Wärme innerhalb der Brennstoffzelle erzeugt wird. In konventioneller Weise ist diese Wärme als Abfallnebenprodukt angesehen worden, dass zusammen mit dem Wasserdampf abgezogen wird und einfach verlorengeht.
  • Eine bestimmte Menge an Wärme in der MEA und den Fluidströmungsfeldplatten ist tatsächlich wünschenswert, um optimale Betriebsbedingungen zu erhalten, aber diese muss streng kontrolliert werden, insbesondere wenn die elektrische Anforderung an die Brennstoffzelle hoch ist. Kontrolle der Wärme in bestehenden Brennstoffzellen verwendet allgemein einen oder beide von zwei unterschiedlichen Kühlmechanismen.
  • In einem ersten Mechanismus wird Flüssigphasenkühlung verwendet, wobei separaten Kühlplatten, die zwischen ausgewählten Fluidströmungsplatten innerhalb des Stapels 20 angeordnet sind, Wasser zugeführt und von diesen abgezogen wird. Üblicherweise ist eine Kühlplatte zwischen allen vier oder fünf Anoden-/Kathodenfeldplattenpaaren angeordnet. Von den Kühlplatten abgezogenes Wasser wird durch einen Wärmetauscher hindurchgeführt und in die Kühlplatten zurückgeführt.
  • In einem zweiten Mechanismus wird Dampfphasenkühlung verwendet, um Wärme von den aktiven Fluidströmungsplatten abzuziehen, indem kontrollierte Mengen an Wasser zu der MEA 11, z. B. direkt an die Elektrodenoberflächen oder in die Kanäle 16 der Fluidströmungsfeldplatten 14, 15, zugeführt werden, wobei dieses Wasser verdampft und über den Kathodenablass abgezogen wird. Diese Technik hat den Vorteil, dass nicht nur das Wasser zugeführt wird, um einen geeigneten Membranwassergehalt aufrechtzuerhalten, sondern wirkt auch, indem die Brennstoffzelle durch Verdampfung und Abziehen von latenter Verdampfungswärme gekühlt wird.
  • Weil jedoch das Wasser in die arbeitende MEA der Brennstoffzelle zugeführt wird, ist es wichtig, Wasser von angemessener Reinheit zu verwenden, so dass die Qualität und die Leistungsfähigkeit der Membran 11 nicht beeinträchtigt werden. In einigen abgelegenen Umgebungen ist eine konsistente Versorgung mit solcher Wasserqualität schwierig zu garantieren und mag nicht dem Einfluss des Brennstoffzellenbetreibers unterliegen.
  • Im Allgemeinen sind die Kühlsysteme für Kühlplatten und Dampfphasenabzug von dem Kathodenauslass nicht kompatibel, indem die Einlass- und Auslasstemperaturen unterschiedlich sind und konventionell getrennte Wärmetauscherkreisläufe erforderlich sind. Dies resultiert in erhöhte Komplexität, Kosten und Größe des gesamten Brennstoffzellenenergiesystems.
  • Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein effizientes und/oder einfaches Wärmemanagementsystem für Brennstoffzellen bereitzustellen, so dass Verschwendung von Wärmenebenprodukt der Stromerzeugung reduziert ist.
  • Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, so dass die Reinheit von der MEA zugeführtem Kühlwasser leicht aufrechterhalten werden kann.
  • Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein thermisches Kühl- und Energiemanagementsystem bereitzustellen, das leicht die Wärmedissipationsanforderungen einer Hochleistungsbrennstoffzelle mit nur einem einzigen Wärmetauscherkreislauf unter variierenden Bedingungen und elektrischen Anforderungen erfüllen kann.
  • Einige oder alle der Gegenstände der Erfindung werden durch verschiedene Ausführungsformen, wie sie hier beschrieben sind, erreicht.
  • Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung bereit mit:
    einem Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem Einlassanschluss zum Empfangen von Kühlwasser, wobei der Einlassanschluss an eine Fluidströmungsplatte angeschlossen ist, um das Kühlwasser an eine ihr benachbarte Membran-Elektroden-Anordnung heranzuführen, und mindestens einem Auslassanschluss zum Abführen von Wasser und/oder Wasserdampf von der Membran-Elektroden-Anordnung; und
    einem Wärmespeichertank mit einer durchgehenden Wärmetauscherleitung, wobei die Wärmetauscherleitung einen Einlass und einen Auslass aufweist, die an dem mindestens einen Auslassanschluss bzw. dem mindestens einen Einlassanschluss des Brennstoffzellenstapels angeschlossen sind, um einen Kühlkreislauf für den Brennstoffzellenstapel auszubilden, wobei der Kühlkreislauf abgeführtes Wasser und/oder Wasserdampf zu dem Membran-Elektroden-Anordnung zurückführt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit den Schritten bereit:
    Zuführen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu einem Brennstoffzellenstapel, um elektrischen Strom und Wasser-/Wasserdampfnebenprodukt zu erzeugen;
    Zuführen des Wassers/Wasserdampfs in eine Wärmetauscherleitung eines Wärmespeichertanks und Entziehen der Wärmeenergie daraus;
    Erlangen von Wasser und Wasserdampfkondensat aus der Wärmetauscherleitung und Zurückführen desselben zu einer Membran-Elektroden-Anordnung in dem Brennstoffzellenstapel; und
    Speichern der Wärmeenergie in dem Wärmespeichertank,
    wobei der Brennstoffzellenstapel und die Wärmetauscherleitung einen Wasserkühlkreislauf ausbilden, wobei der Kühlkreislauf Wasser und/oder Wasserdampf zu der Membran-Elektroden-Anordnung zurückführt.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden jetzt beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Teil einer konventionellen Brennstoffzelle ist;
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Teil eines konventionellen Brennstoffzellenstapels zeigt;
  • 3 ein schematisches Diagramm eines Wärmeenergiemanagementsystems zum Bereitstellen von Wärme kombiniert mit elektrischer Energie durch eine elektrochemische Brennstoffzelle ist;
  • 4 ein schematisches Diagramm eines alternativen Wärmespeichertanks mit Heizstab zur Verwendung in dem System von 3 ist;
  • 5 ein schematisches Diagramm eines Wärmespeichertanks zusammen mit zusätzlichem Wärmetauscher zur Verwendung in dem System von 3 ist; und
  • 6 ein schematisches Diagramm eines Wärmespeichertanks zusammen mit einem Überschussabwärmedissipationsmechanismus zur Verwendung in dem System von 3 ist.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird jetzt ein Wärmeenergiemanagementsystem und kombiniertes Wärme- und elektrische Energiesteuersystem zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle beschrieben. Ein Brennstoffzellenstapel 30 weist eine Anzahl von Brennstoffzellen auf, die geeignet ist, die Gesamtleistungsanforderungen an das Systems zu erfüllen. Eine Brennstoffversorgung, typischerweise aus Wasserstoff, der aus einem Wasserstofftank 40 oder einer Reformereinheit zugeführt wird, ist an einen Anodeneinlass 31 angeschlossen, der den Anodenplatten in dem Brennstoffzellenstapel fluiden Brennstoff zuführt. Ein Anodenspülauslass 32 ist bereitgestellt, um das Spülen der Anodenfluidströmungsplatten zu erleichtern, um beispielsweise Wasser zu beseitigen, das sich auf der Anodenseite der MEAs aufgebaut hat, oder um Rückführung zu dem Verbrennungsbereich eines Reformer-basierten Brennstoffprozessors zu ermöglichen.
  • Die Brennstoffversorgung kann einen geeigneten Vorwärmmechanismus umfassen, vorzugsweise unter Verwendung von Wärme, die durch den Brennstoffzellenstapel selbst erzeugt wurde, oder unter Verwendung einer elektrischen Heizung während des Hochfahrens.
  • Das Anodenfluidströmungssteuersystem kann auch ein Spülventil 46 umfassen, das an den Anodenauslass 32 angeschlossen ist, um ein intermittierendes Spülen der Anode zu ermöglichen.
  • Eine Oxidationsmittelversorgung, typischerweise aus Luft, wird an den Kathodeneinlass 33 bereitgestellt, der den Kathodenplatten in dem Brennstoffzellenstapel 30 Oxidationsmittel zuführt. Ein Kathodenauslass 34 (oder "Kathodenauspuff") ist vorgesehen, um das Spülen von unverbrauchtem Oxidationsmittel zusammen mit Verdünnungsmittel oder inerten Gasen falls vorhanden und Reaktionsnebenprodukten (einschließlich Wasser) zu erleichtern.
  • In einer bevorzugten Konfiguration wird die Oxidationsmittelversorgung wie gezeigt mittels eines Luftkompressors 53 durch einen Filter 55 aus der Umgebungsluft entnommen, was sicherstellt, dass der Brennstoffzelle unter den vorherrschenden Lastbedingungen ein geeignetes Volumen an Oxidationsmittel zugeführt wird.
  • Der Kathodenauslass 34 ist an ein Wärmetauscherrohr 60 in einem Wärmespeichertank 61 angeschlossen. Vorzugsweise ist das Wärmetauscherrohr 60 eine Schlange, die durch einen Wassermantel 62 des Wärmespeichertanks hindurchführt. Jedoch kann das Wärmetauscherrohr allgemein jede geeignete Leitung sein, in die bzw. der Wasser/Wasserdampf aus dem Kathodenauslass 34 eintreten und durch irgendeine geeignete Wärmeübertragungseinrichtung hindurch treten kann. Das Wärmetauscherrohr führt zu einem Wassersammelbehälter 63 für das Auffangen des Wassers und Dampfkondensats.
  • Wasser von dem Kondensatsammenbehälter 63 wird zu den Brennstoffzellenstapelanoden und/oder -kathoden an dem Wasseranschluss 70 zurückgeführt, wo es verwendet wird, um eine oder mehrere Funktionen zu erfüllen, die nützlich für das Aufrechterhalten von optimalen Betriebsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel 30 sind. Zum Beispiel kann warmes Wasser verwendet werden, um Brennstoff und/oder Oxidationsmittel vorzuwärmen.
  • Das Wasser kann verwendet werden, um den Brennstoff- und/oder Oxidationsmitteleinlassstrom anzufeuchten, was zusätzlich beim Aufrechterhalten eines geeigneten Niveaus an Reaktionsrate an der MEA und beim Verlängern der Lebensdauer der Membran hilft. Das Wasser kann alternativ direkt in die Fluidströmungsfeldplattenkanäle auf der Anodenseite und/oder auf der Kathodenseite injiziert werden, wo es bei einem oder mehreren der Folgenden unterstützen kann: Temperatursteuerung der MEA durch neuerliche Verdampfung; Anfeuchten der Membran und Vorerwärmen des Brennstoffs und/oder Oxidationsmittels.
  • Allgemein wird das Wasser und/oder der Wasserdampf, der aus dem Kathodenauslass 34 austritt, einen Kühlkreislauf entlang geführt, der das Wärmetauscherrohr 60, den Kondensatsammelbehälter 63 und den Wassereinlass 70 aufweist.
  • In bevorzugten Ausführungsformen weist der Kühlkreislauf auch eine Wasserpumpe 71 zum Aufrechterhalten einer geeigneten Strömungsrate an dem Einlass 70 auf.
  • Vorzugsweise umfasst der Kondensatsammelbehälter 63 auch einen Ablassanschluss 66 und ein zugehöriges Drucksteuerventil 65 zum Ablassen von Abgasen und Abwasser aus dem Kühlkreislauf, falls erforderlich. Das Druckregelventil erleichtert einen erhöhten Leistungsaustrag der Brennstoffzelle durch Betreiben der Brennstoffzelle bei höherem Einlassluftdruck, falls erwünscht. Das Druckregelventil erlaubt den kontrollierten Austritt von Kathodengasabgas und jeglichen Träger- oder inerten Gasen auf einem vorbestimmten Druckniveau. Das Druckregelventil stellt damit einen Steuermechanismus zum gesteuerten Ablassen von Abgasen aus dem Kühlkreislauf bereit.
  • Es wird bemerkt werden, dass der Kühlkreislauf Wasser verwendet, das durch den Brennstoffzellenstapel 30 während der Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff an der MEA erzeugt wurde, und diese Wasserversorgung aufrecht erhält. Deshalb bleibt die Wasserreinheit hoch und kann zur direkten Wasserinjektion in die Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelversorgungen verwendet werden. Das Wassernebenprodukt des Brennstoffzellenstapels stellt kein signifikantes Risiko von Vergiftung oder anderweitiger Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der MEA in dem Brennstoffzellenstapel dar.
  • Das Wasser in der Wärmetauscherleitung 60 ist vorzugsweise vollständig isoliert von dem Wasser in dem Wassermantel 62, das unter Verwendung einer Kaltwasserzuführung 80 aus lokalen Wasserversorgungen von unsicherer Integrität aufgefüllt werden kann. Warmes Wasser zur Verwendung in privaten oder kommerziellen Gebäuden kann von einem Warmwasserauslass 81 abgezogen werden. Raumheizung in den privaten oder kommerziellen Gebäuden kann ebenfalls unter Verwendung eines sekundären Wasserkreislaufs 82 durch Versorgen eines (nicht gezeigten) Radiatorsystems mit heißem Wasser bereitgestellt werden.
  • Es wird verstanden werden, dass die Wasser- und Raumheizungsversorgungen, die durch den Speichertank 61 bereitgestellt werden, ausschließlich durch den Brennstoffzellenstapel 30 oder nur unterstützt durch den Brennstoffzellenstapel 30 bereitgestellt werden können.
  • Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Anordnung neben der Aufrechterhaltung eines Kühlkreislaufes von hoher Wasserreinheit ist, dass der Brennstoffzelle unter allen externen elektrischen Lastbedingungen eine angemessene thermische Kühlkapazität garantiert werden kann. Ein Gleichspannungswandler 90 und ein Wechselrichter 91 stellen eine Versorgung 92 für externe elektrische Lasten bereit.
  • Wenn die externen elektrischen Lastbedingungen hoch sind, wird ein erhebliches Maß an thermischer Energie erzeugt, und dieses kann zur späteren Verwendung in dem Wärmespeichertank 61 gespeichert werden. Gleichermaßen kann die Brennstoffzelle, wenn das angeforderte externe elektrischen Lastanforderung niedrig ist, aber der Bedarf an heißem Haushaltswasser hoch ist, der Brennstoffzellenstapel 30 einfach unter voller Last betrieben werden, wobei die erzeugte Elektrizität intern in dem System verwendet wird, um beim direkten Erhitzen des Wassermantels 62 unter Verwendung eines Heizstabs oder dergleichen zu unterstützen. Solch eine Anordnung ist in 4 gezeigt, wo der Wärmespeichertank 61 mit einem integrierten Heizstab 95 ausgestattet ist, der an die elektrische Ausgangsversorgung 92 angeschlossen ist. Dies stellt nicht nur eine direkte Heizung des Wasser bereit, sondern erhöht mittels der elektrischen Anforderung, die dadurch an den Brennstoffzellenstapel 30 gerichtet wird, auch die thermische Ausgabe der Brennstoffzelle, die über den Kühlkreislauf dem Wärmespeichertank 61 zugeführt wird.
  • So ist der Betrieb der Brennstoffzelle nicht darauf beschränkt, dass die thermische Anforderung zu der elektrischen Anforderung passt und umgekehrt. Der Wärmespeichertank 61 stellt eine effektive Entkopplung von elektrischer und thermischer Anforderung an ein kombiniertes System für Wärme und elektrische Energie bereit.
  • Obwohl der Wärmespeichertank 61 so beschrieben wurde, dass er einen Wassermantel 62 in direktem thermischem Kontakt mit Wasser in der Wärmetauscherschlange des Kühlkreislaufs 60 verwendet, wird verstanden werden, dass eine andere Form von Wärmespeichertank verwendet werden könnte, zum Beispiel irgendeine geeignete Masse an Material mit hoher Wärmekapazität. Der Wärmespeichertank kann dann verwendet werden, um eine Wasserversorgung zu erhitzen, falls erforderlich.
  • In einer typischen beispielhaften Brennstoffzelle enthält das Kathodenabgas 34 eine Wasser-/Wasserdampfmischung bei ungefähr 80°C, was sich als ideal zum Aufrechterhalten einer Versorgung mit Haushaltsheißwasser über den sekundären Wasserkreislauf 82 erweist. Nach dem Wärmetauschen sind bevorzugte Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, unter ausgewählten Betriebsbedingungen in der Lage, Kühlwasser mit Temperaturen zwischen 30 und 60°C an den Kühlwassereinlass 70 zurückzuführen. Deshalb erlaubt es der Kühlkreislauf der vorliegenden Erfindung selbst für Hochleistungsbrennstoffzellen allgemein, spezielle Kühlplatten bei dem Brennstoffzellenstapel wegzulassen, und die gesamte Kühlung kann durch einen Verdampfungs- und Kondensationsmechanismus bewirkt werden.
  • Verschiedene Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen sind möglich. In dem Fall, dass die Menge an thermischer Energie, die von dem Kathodenabgas 34 mittels des Wärmespeichertanks 61 abgezogen wird, unzureichend ist, kann ein weiterer Wärmeabzugsmechanismus bereitgestellt werden.
  • Zum Beispiel kann in 5 eine luftgekühlte Kondensatoreinheit 100 anstelle des oder zusätzlich zu dem Wassersammelbehälter 63 verwendet werden.
  • In noch einer weiteren Anordnung, die in 6 gezeigt ist, kann überschüssige Wärmeenergie aus dem System mittels eines Abwasserauslasses 104, der an den Heißwasserauslass 81 angeschlossen ist, unter Steuerung eines Temperatursensors 101 in dem Auslass des Wärmespeichertanks 61, der den Wassereinlass 70 versorgt, abgezogen werden. Der Temperatursensor 101 steuert über die Rückkopplungsleitung 103 ein Ventil 102, um Wasser abzulassen, das durch kaltes Wasser aus der Kaltwasserversorgung 80 ersetzt wird, wenn der Wassereinlass 70 eine vorgegebene Temperatur überschreitet.
  • Es wird verstanden werden, dass der Wassereinlass 70 verwendet werden kann, um nicht nur die Brennstoffzellenstapelanoden und/oder -kathoden zum Zwecke der Kühlung und Befeuchtung zu versorgen, sondern auch verwendet werden kann, um separate Kühlplatten zu versorgen, die zwischen ausgewählten Fluidströmungsfeldplatten angeordnet sind, falls erwünscht.
  • Es ist beabsichtigt, dass andere Ausführungsformen innerhalb des Bereichs der angehängten Ansprüche liegen.

Claims (19)

  1. Brennstoffzellenanordnung mit: einem Brennstoffzellenstapel (30) mit mindestens einem Einlassanschluss (70) zum Empfangen von Kühlwasser, wobei der Einlassanschluss an eine Fluidströmungsplatte (21) angeschlossen ist, um das Kühlwasser an eine ihr benachbarte Membran-Elektroden-Anordnung (11, 12, 13) heran zu führen, und mindestens einem Auslassanschluss (37) zum Abführen von Wasser und/oder Wasserdampf von der Membran-Elektroden-Anordnung; und einem Wärmespeichertank (61) mit mindestens einer durchgehenden Wärmetauscherleitung (60), wobei die Wärmetauscherleitung einen Einlass und einen Auslass aufweist, die an den mindestens einen Auslassanschluss (34) bzw. den mindestens einen Einlassanschluss (70) des Brennstoffzellenstapels (30) angeschlossen sind, um einen Kühlkreislauf für den Brennstoffzellenstapel auszubilden, wobei der Kühlkreislauf abgeführtes Wasser und/oder Wasserdampf zu der Membran-Elektroden-Anordnung (11, 12, 13) zurückführt.
  2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Kondensatsammeleinheit (63) in dem Kühlkreislauf zwischen dem Wärmetauscherauslass und dem Einlassanschluss (70) des Brennstoffzellenstapels (30) umfasst.
  3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Wasserpumpe (71) in dem Kühlkreislauf zwischen dem Wärmetauscherauslass und dem Einlassanschluss (70) des Brennstoffzellenstapels (30) aufweist.
  4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeichertank (61) einen Wassermantel (62) umfasst, der die Wärmetauscherleitung (60) umgibt.
  5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, wobei der Wassermantel (62) weiterhin eine Kaltwasserzuführung (80) und einen Heißwasserabziehpunkt (81) aufweist.
  6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, die weiterhin ein elektrisches Heizelement (95) zum Heizen des Wassermantels (62) aufweist, wobei das elektrische Heizelement an einen elektrischen Ausgang des Brennstoffzellenstapels (30) angeschlossen ist.
  7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin Druckregelmittel (65) zum kontrollierten Abblasen von Überschussgasen aus dem Kühlkreislauf aufweist.
  8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeichertank (61) einen sekundären Wasserkreislauf (82) umfasst, der zur Bereitstellung eines Raumheizungsradiatorsystems durch diesen hindurch tritt.
  9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Einlassanschluss (70) des Brennstoffzellenstapels (30), der Wasser von dem Kühlkreislauf empfängt, an ein Wasserdirektinjektionssystem der Anoden und/oder Kathoden in dem Brennstoffzellenstapel angeschlossen ist.
  10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Einlassanschluss (70) des Brennstoffzellenstapels (30), der Wasser von dem Kühlkreislauf empfängt, so angeschlossen ist, dass er Vorwärmung für die Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelversorgung der jeweiligen Anoden/Kathoden bereitstellt.
  11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 5, die weiterhin ein Ventil (102) umfasst, das zwischen dem Heißwasserabziehpunkt und dem Überschussauslass angeschlossen ist, und einen Temperatursensor (101) in dem Kühlkreislauf zum Betätigen des Ventils umfasst, wenn das Wasser in dem Kühlkreislauf eine vorgegebene Temperatur übersteigt.
  12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Auslassanschluss einen Kathodenausblasanschluss (34) aufweist.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit den Schritten: Zuführen von Brennstoff und Oxidationsmittel in einen Brennstoffzellenstapel (30) um elektrische Energie und Wasser-/Wasserdampfnebenprodukt zu erzeugen; Zuführen des Wassers/Wasserdampfs in eine Wärmetauscherleitung (60) eines Wärmespeichertanks (61) und Entziehen der Wärmeenergie daraus; Erlangen von Wasser und Wasserdampfkondensat aus der Wärmetauscherleitung (60) und Zurückführen desselben zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (11, 12, 13) in dem Brennstoffzellenstapel (30); und Speichern der Wärmeenergie in dem Wärmespeichertank (61), wobei der Brennstoffzellenstapel (30) und die Wärmetauscherleitung (60) einen Wasserkühlkreislauf ausbilden, wobei der Kühlkreislauf abgeführtes Wasser und/oder Wasserdampf zu der Membran-Elektroden-Anordnung (11, 12, 13) zurückführt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin das Sammeln des erlangten Wassers und Dampfkondensats in einer Kondensatsammeleinheit (63) in dem Kühlkreislauf zwischen der Wärmetauscherleitung (60) und einem Einlassanschluss (70) des Brennstoffzellenstapels umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin den Schritt des Speicherns der erlangten Energie in einem Wassermantel (62) eines Wärmespeichertanks (61) umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin den Schritt des Abziehens von heißem Wasser von dem Wassermantel (61) und des Wiederauffüllens mit kaltem Wasser umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin den Schritt des Aufheizens von Wasser in einem zweiten Wasserkreislauf (82) von dem Wärmespeichertank (61) aus umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin den Schritt des Bereitstellens des erlangten Wassers und Dampfkondensats als Vorlage für ein Wasserdirektinjektionssystem der Anoden und/oder Kathoden in dem Brennstoffzellenstapel (30) umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin den Schritt des Bereitstellens des erlangten Wassers und Wasserdampfkondensats an den Brennstoffzellenstapel (30) zum Vorwärmen einer Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelversorgung für die jeweiligen Anoden/Kathoden umfasst.
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