DE10153179A1 - Fuel cell system comprises a fuel cell and a gas producing system for producing a hydrogen-containing gas for the fuel cell - Google Patents

Fuel cell system comprises a fuel cell and a gas producing system for producing a hydrogen-containing gas for the fuel cell

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Abstract

Fuel cell system comprises a fuel cell (3) and a gas producing system (2) for producing a hydrogen-containing gas for the fuel cell. The gas producing system has a device (19) for introducing a gaseous fuel. The gaseous fuel is introduced into the gas producing system in a region before the reformer stage (8). An Independent claim is also included for a process for starting up a fuel cell system comprising initially introducing a gaseous fuel into the gas producing system and controlling the combustion in a catalytic burner (15, 16). Preferred Features: The gaseous fuel is produced from a liquid starting material methanol (CH3OH) or a mixture of water and CH3OH. The device for introducing the gaseous fuel is formed as a pyrolysis stage or a partial oxidation stage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 beschriebenen Art sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems. The invention relates to a fuel cell system according to the type described in the preamble of claim 1 and a method of operating such Fuel cell system.

Ein solches Brennstoffzellensystem, insbesondere mit einem nachgeschalteten katalytischen Brenner zum Aufheizen des Systems sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Brennstoffzellensystems sind aus der Patentschrift DE 197 55 116 bekannt. Dabei wird zunächst die Brennstoffzelle mit einem brennstoffhaltigen und einem sauerstoffhaltigen Medium beschickt. Als brennstoffhaltiges Medium wird in der Regel eine flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung, wie beispielsweise Methanol, verwendet. Als sauerstoffhaltiges Medium kann beispielsweise Luft eingesetzt werden. Nach dem Durchlaufen der Brennstoffzelle werden die Medien von der Brennstoffzelle abgeführt und gelangen zur Verbrennung in einen katalytischen Brenner. Die durch Verbrennung in dem katalytischen Brenner gewonnene Wärme kann dann wieder dem Brennstoffzellensystem zugeführt werden. Such a fuel cell system, in particular with a downstream catalytic burner for Heating the system and a method of operation of such a fuel cell system are known from Patent DE 197 55 116 known. It will First, the fuel cell with a fuel-containing and an oxygen-containing medium fed. As a fuel-containing medium is in the Usually a liquid or gaseous Hydrocarbon compound, such as Methanol, used. As an oxygen-containing medium For example, air can be used. After this Passing through the fuel cell, the media of the fuel cell dissipated and get to Combustion in a catalytic burner. By Combustion recovered in the catalytic burner Heat can then return to the fuel cell system be supplied.

In besonders nachteiliger Weise ergibt sich in der Startphase eines jeden Betriebszykluses des Brennstoffzellensystems das Problem, daß der Katalysator des katalytischen Brenners noch kalt ist. Daraus resultiert dementsprechend eine geringe Aktivität des Katalysators, weshalb die Verbrennung gar nicht oder nur unvollständig anläuft. Dies macht sich dann sehr nachteilig in einem erhöhten Schadstoffausstoß und in einem verspäteten Ansprechen des Brenners, mit einer verspäteten Wärmeabgabe und damit auch einem verzögerten Start des Brennstoffzellensystems in seinem bestimmungsgemäßen Betriebszustand bemerkbar. In a particularly disadvantageous manner results in the Starting phase of each operating cycle of the Fuel cell system has the problem that the Catalyst of the catalytic burner is still cold. This results in a corresponding low Activity of the catalyst, which is why the combustion not at all or only incompletely. This makes then very disadvantageous in an increased Pollutant emissions and in a delayed response of the burner, with a delayed heat dissipation and thus also a delayed start of the Fuel cell system in its intended Operating state noticeable.

Abhilfe soll hier ein Brennstoffzellensystem schaffen, welches durch die nicht vorveröffentlichte DE 100 15 652 beschrieben wird. Bei diesem Brennstoffzellensystem läßt sich dem katalytischen Brenner, insbesondere für dessen Kaltstartfall, ein zusätzliches wasserstoffhaltiges Medium zuführen. Remedy to create here a fuel cell system, which by the unpublished DE 100 15 652 is described. In this Fuel cell system can be the catalytic Burner, especially for the cold start case, a Add additional hydrogenous medium.

Auch ist es aus der Patentschrift US 5,686,196 bekannt, daß ein Wasserstoffspeicher zur Speicherung von Wasserstoff eingesetzt wird, der während eines Betriebszykluses des Brennstoffzellensystems erzeugt worden ist. Der Wasserstoff wird dann dem brennstoffhaltigen Medium zur Entschwefelung, insbesondere in der Start- und Stopphase, zugeführt. It is also known from US Pat. No. 5,686,196 known that a hydrogen storage for storage is used by hydrogen during a Operating cycle of the fuel cell system generates has been. The hydrogen is then the fuel-containing medium for desulphurisation, especially in the start and stop phase supplied.

Diese Systeme weisen dabei den Nachteil auf, daß sie auf Speichereinrichtungen für ein wasserstoffhaltiges Medium angewiesen sind. Der Speicher kann entweder in einem Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems gefüllt werden oder aus externen Quellen mit dem nötigen wasserstoffhaltigen Brennstoff versorgt werden. Bei beiden Möglichkeiten entsteht der Nachteil, daß hier die Speicherung des wasserstoffhaltigen Mediums, gegebenenfalls über einen längeren Zeitraum bis zu einem erfolgendem Wiederstart notwendig ist. Die Speicherung von wasserstoffhaltigem Medium ist jedoch in bekannter Weise sehr platzaufwendig. Sollte es im Bereich der Speicherung zu Leckagen kommen, so entsteht aufgrund der sich gegebenenfalls bildenden Knallgasgemische aus dem austretenden Wasserstoff und dem Sauerstoff der Umgebungsluft ein erhebliches Sicherheitsrisiko. These systems have the disadvantage that they on storage facilities for a hydrogenated Medium are dependent. The memory can either be in an operating cycle of the fuel cell system be filled or from external sources with the supplied fuel containing hydrogen become. With both possibilities arises the Disadvantage, that the storage of the hydrogen-containing medium, optionally via a longer period until a successful restart necessary is. The storage of hydrogen-containing Medium, however, is very well known space-consuming. Should it be in the field of storage to leaks, so arises due to the optionally forming oxyhydrogen gas mixtures from the leaking hydrogen and the oxygen of the Ambient air a significant security risk.

Der übliche Startverlauf gemäß dem allgemeinen Stand der Technik sieht dabei vor, daß nur eine Stufe aus katalytischem Brenner/Reformer bzw. eine POX, ein Verdampfer und ein weiterer katalytischer Brenner beheizt wird. D. h. eine Stufe, welche Reformer und selektive Oxidationseinrichtungen umfassen kann sowie eine Feinreinigung wird in der Aufheizphase nicht erwärmt. Dadurch ist die Aufheizung der selektiven Oxidationsstufen in der Betriebsphase sehr schwierig und dauert sehr lange. Des weiteren ist dadurch die Reinigung des Reformats behindert. Der Start der Brennstoffzelle kann jedoch nur bei gereinigtem Reformat erfolgen, er wird also verzögert. The usual take-off course according to the general state The technology provides that only one step out catalytic burner / reformer or a POX, a Evaporator and another catalytic burner is heated. Ie. a stage which reformer and may include selective oxidation devices as well a fine cleaning is not in the heating phase heated. This is the heating of the selective Oxidation stages in the operating phase very difficult and takes a long time. Furthermore, this is the Purification of the reformate hindered. The start of the However, fuel cell can only be cleaned Reformat done, so he is delayed.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem aus wenigstens einer Brennstoffzelle und einem Gaserzeugungssystem zu schaffen, welches einen sehr schnellen und einfachen Kaltstart ermöglicht. It is therefore an object of the invention, the above To avoid disadvantages and a fuel cell system from at least one fuel cell and a To create gas generating system, which is a very fast and easy cold start possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. According to the invention this object is achieved by the in characterizing part of claim 1 features solved.

Durch die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in einem Bereich vor der wenigstens einen Reformerstufe des Gaserzeugungssystems wird erreicht, daß das Gaserzeugungssystem ganz durchströmt wird, so daß sämtliche Komponenten mit dem gasförmigen Brennstoff in Berührung kommen. By the supply of gaseous fuel in one Area before the at least one reformer stage of Gas generating system is achieved that the Gas generating system is completely flowed through, so that all components with the gaseous fuel come in contact.

Je nach Auswahl des gasförmigen Brennstoffs, insbesondere wäre hier ein Brennstoff, welcher Wasserstoff und gegebenenfalls Kohlenmonoxid aufweist, besonders günstig, kann es zu einer Umsetzung dieses gasförmigen Brennstoffs in den einzelnen Komponenten des Gaserzeugungssystems, also dem Reformer, den selektiven Oxidationsstufen und dem im allgemeinen in Strömungsrichtung der Gase nach der Brennstoffzelle angeordneten katalytischen Brenner kommen. Der Umsatz des gasförmigen Brennstoffs kann dabei in den Komponenten selbst in der auch beim bestimmungsgemäßen Betrieb üblichen Art und Weise erfolgen. Aufgrund der Tatsache, daß es sich um einen gasförmigen Brennstoff, insbesondere einen Wasserstoff aufweisenden Brennstoff handelt, kann der Umsatz auch bei gegebenenfalls noch kalten und in ihrer Aktivität gehemmten Katalysatoren sehr schnell erfolgen, so daß das System sich insgesamt sehr schnell aufheizt. Depending on the choice of gaseous fuel, In particular, here would be a fuel, which Having hydrogen and optionally carbon monoxide, particularly favorable, it may be an implementation of this gaseous fuel in the individual components of the gas generating system, ie the reformer, the selective oxidation states and generally in Flow direction of the gases after the fuel cell arranged catalytic burner come. sales of the gaseous fuel can in the Components themselves in the also when intended Operation usual way. Due to the The fact that it is a gaseous fuel, in particular a fuel having hydrogen If necessary, sales may also still be cold and activity inhibited catalysts done very quickly, so that the system itself in total heats up very quickly.

Da sämtliche Komponenten des Gaserzeugungssystems auf diese Art vorgewärmt werden, kommt es selbstverständlich auch zu einer Vorwärmung der selektiven Oxidationsstufen, so daß diese im Übergang in der Phase der Stromerzeugung unmittelbar starten können und eine Kohlenmonoxidvergiftung der Brennstoffzelle trotz eines sehr frühen Starts derselben ausgeschlossen werden kann. Since all components of the gas generating system on that kind of preheated, it comes Of course, to a preheating of selective oxidation states so that they are in transition start immediately in the phase of power generation can and a carbon monoxide poisoning Fuel cell despite a very early start the same can be excluded.

Der Aufbau erlaubt es außerdem, daß gegebenenfalls anfallendes Reaktionswasser durch die wenigstens eine Reformerstufe zu einem großen Teil abgeschieden wird, so daß das danach zu der wenigstens einen selektiven Oxidationsstufe weiterströmende Medium vergleichsweise trocken ist, und so die Inbetriebnahme der selektiven Oxidationsstufe entsprechend begünstigt wird. The structure also allows, if necessary resulting reaction water through the at least one Reformer stage is largely separated, so that then to the at least one selective Oxidation stage further flowing medium comparatively is dry, and so the commissioning of the selective Oxidation stage is favored accordingly.

In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird im Bereich des Gaserzeugungssystems also in einer dafür vorgesehenen Komponente ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff erzeugt, der anschließend in den nachfolgenden Stufen des Gaserzeugungssystems abgereichert wird. In jeder einzelnen Stufe erfolgt die Abreicherung dabei durch die unter- oder überstöchiometrische Umsetzung unter Zugabe von Sauerstoff. Die Zugabe des Sauerstoffs, beispielsweise in Form von Luft, erlaubt es dabei, die entstehende thermische Energie in der jeweiligen Komponente zu steuern oder gegebenenfalls auch zu regeln. Besonders sinnvoll ist der Aufbau dann, wenn die letzte Stufe überstöchiometrisch ausgebildet ist, so daß ein Komplettumsatz auf jeden Fall garantiert ist und keine Restemissionen entstehen können. Die erste Stufe sollte nach Möglichkeit unterstöchiometrisch ausgebildet sein, so daß auch in der letzten Stufe noch Brennstoff, beispielsweise der oben erwähnte Wasserstoff, zum Umsatz zur Verfügung steht. Dies kann jedoch über den zeitlichen Ablauf zum Betrieb des Verfahrens variiert werden, so daß beispielsweise in der ersten Phase des Betriebs auch in einer der ersten Komponenten überstöchiometrisch gefahren werden kann, wenn dort die Aufheizung schneller vonnöten ist als in den nachgeschalteten Komponenten. In the fuel cell system according to the invention in the area of the gas generation system thus in one for this purpose provided a gaseous component Fuel, for example, generates hydrogen, the subsequently in the subsequent stages of Gas generating system is depleted. In each The depletion is carried out by means of a single stage the sub- or superstoichiometric reaction under Addition of oxygen. The addition of oxygen, For example, in the form of air, it allows the resulting thermal energy in the respective Component to control or possibly too regulate. The construction is particularly useful if the last stage is overstoichiometric, so that a complete sales guaranteed in any case is and no residual emissions can arise. The first level should be possible be formed substoichiometric, so that in the last stage still fuel, such as the above-mentioned hydrogen, available for sale stands. However, this can be about the timing of Operation of the method can be varied so that for example, in the first phase of operation as well in one of the first components superstoichiometric can be driven, if there is the heating faster than in the downstream Components.

Ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems wird durch die Merkmale des Anspruchs 13 beschrieben. A method of operating such Fuel cell system is characterized by the characteristics of Claim 13 described.

Gemäß dem dort beschriebenen Verfahren kann die Verbrennung bzw. Umsetzung des gasförmigen Brennstoffs durch die Dosierung eines sauerstoffhaltigen Mediums, beispielsweise durch die Dosierung von Luft an Stellen des Brennstoffzellensystems gesteuert bzw. geregelt werden, an denen eine Dosierung von Luft einen bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems ohnehin erforderlich ist. According to the method described there, the Combustion or conversion of the gaseous fuel by the dosage of an oxygen-containing medium, for example, by the dosage of air in places controlled or regulated the fuel cell system be, at which a dosage of air one Proper operation of the fuel cell system anyway required.

Ein Vorteil liegt dabei sicherlich darin, daß die bestehende, und gemäß dem Stand der Technik ohnehin vorhandene, Luftdosierung in dem System verwendet werden kann, wobei es zu einer optimalen Ausnutzung des Luftsauerstoffs kommt und wobei durch die Dosierung desselben die Aufheizung des Systems beeinflußbar wird. An advantage lies in the fact that the existing, and according to the prior art anyway existing air dosing used in the system being able to optimally utilize it of atmospheric oxygen comes and where by the Dosing of the same the heating of the system can be influenced.

Grundsätzlich kann in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem jeder beliebige Brennstoff eingesetzt werden, welcher für derartige Systeme geeignet ist. Sinnvolle Beispiele wären Alkohole, wie z. B. Methanol, Ether, wie z. B. Dimethyläther, sowie Kohlenwasserstoffe und langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen, wie beispielsweise Benzin, Diesel oder dergleichen oder auch gasförmige Medien wie etwa Erdgas. Grundlegend sind neben diesen genannten Stoffen auch alle weiteren reformierbaren Verbindungen geeignet, wobei sich hier sämtliche bereits genannten und nachfolgend noch beispielhaft genannten Brennstoffe bzw. flüssigen oder gasförmigen Ausgangsstoffe lediglich als Ausgestaltungsmöglichkeiten verstehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung auf eben diese Brennstoffe einzuschränken. Basically, in the inventive Fuel cell system any fuel which are used for such systems suitable is. Useful examples would be alcohols, such as z. For example, methanol, ethers, such as. B. dimethyl ether, as well as Hydrocarbons and long-chain Hydrocarbon compounds, such as Gasoline, diesel or the like or even gaseous Media such as natural gas. Basic are next to these all other reformable substances Compounds suitable, all here already mentioned and below by way of example mentioned fuels or liquid or gaseous Starting materials merely as Understand design options without the Core idea of the invention to just these fuels limit.

Diese Brennstoffe können dabei jeweils in reiner oder in gemischter Form vorliegen. Diese Mischung kann beispielsweise eine Mischung der Brennstoffe untereinander sein oder es ist auch denkbar, daß den Brennstoffen ein anderer Stoff beigemischt ist, so daß wiederum ein entsprechender reformierbarer Ausgangsstoff erreicht wird. These fuels can each be pure or in mixed form. This mixture can for example, a mixture of fuels be with each other or it is also conceivable that the Fuels another substance is mixed, so that again a corresponding reformable Starting material is achieved.

In einer besonders günstigen Weiterbildung dieses Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, daß das Gaserzeugungssystem mit einem Gemisch aus Wasser und einem flüssigem Ausgangsstoff, dem sogenannten Premix betrieben wird, wobei auch der gasförmige Brennstoff aus diesem Premix erzeugt wird. In a particularly favorable development of this It can be provided in this case that the Gas generating system with a mixture of water and a liquid starting material, the so-called premix is operated, including the gaseous fuel generated from this premix.

Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, daß lediglich eine Brennstoffbevorratung vonnöten ist, und daß keine zusätzlichen Tanks, Dosiereinrichtungen oder dergleichen benötigt werden, da sämtliche energieliefernden und wasserstoffhaltiges Gas für die Brennstoffzelle erzeugenden Vorgänge mit dem einen Brennstoff, nämlich dem Premix, erfolgen können. This results in the particular advantage that only a fuel supply is needed, and that no additional tanks, metering devices or The like are needed because all energy-supplying and hydrogen-containing gas for the Fuel cell generating operations with the one Fuel, namely the premix, can take place.

Der Betrieb, insbesondere auch in der Startphase mit dem Gemisch aus Wasser und kohlenwasserstoffhaltigem Medium, also dem Premix, ist dabei von besonderem Vorteil, wenn das Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Dadurch, daß kein zusätzlicher Tank für einen gasförmigen Startbrennstoff oder den reinen kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Brennstoff benötigt wird, läßt sich mit einem einzigen Premixtank auskommen. Auch kann auf zuätzliche Dosiereinrichtungen und dergleichen verzichtet werden, welche bei der Verwendung von mehreren Tanks auch jeweils mehrfach vorhanden sein müßten, so daß hier nur noch ein Tank mit einer Dosiereinrichtung notwendig ist. The operation, especially in the starting phase with the mixture of water and hydrocarbon Medium, so the premix, is of particular Advantage, if the fuel cell system in one Motor vehicle is used. Because no additional tank for a gaseous Starting fuel or pure carbon and hydrogen-containing fuel is needed leaves get along with a single premix tank. Also can on additional dosing and are omitted, which in the Use of several tanks also several times should be present, so that here only one tank is necessary with a metering device.

Der Umsatz der Ausgangsstoffe während der Startphase erfolgt praktisch vor dem eigentlichen Gaserzeugungssystem, wobei die in dem Ausgangsstoff gegebenenfalls enthaltenen Kohlenwasserstoffe bereits umgesetzt werden, bevor diese das Gaserzeugungssystem und insbesondere den in dem Gaserzeugungssystem befindlichen katalytischen Brenner oder katalytische Oxidationsstufen erreichen. Des weiteren kommt es zu einer Adsorption der gegebenenfalls entstehenden Restkohlenwasserstoffe in dem Bereich des bzw. der Reformer. The conversion of starting materials during the start-up phase takes place practically before the actual Gas generating system, wherein in the starting material optionally contained hydrocarbons already be implemented before this the gas generating system and in particular those in the gas generating system located catalytic burner or catalytic Achieve oxidation states. Furthermore, it comes to an adsorption of any resulting Residual hydrocarbons in the region of or Reformer.

Aufgrund der Tatsache, daß keine Kohlenwasserstoffe in dem oder den katalytischen Brennern umgesetzt werden, wie dies nach dem Stand der Technik der Fall ist, können außerdem in vorteilhafter Weise sehr niedrige Emissionswerte in der Startphase des Brennstoffzellensystems erreicht werden. Due to the fact that no hydrocarbons in the catalytic converter (s) are reacted, as is the case in the prior art, can also very advantageously very low Emission values in the starting phase of the Fuel cell system can be achieved.

Um das Verfahren in der Art durchzuführen, können als Einrichtungen zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoff, beispielsweise katalytisch partielle Oxidationsstufen, Pyrolyse-Stufen oder dergleichen verwendet werden, welche in der Lage sind, aus dem Premix einen gasförmigen Brennstoff zu gewinnen, welcher zumindest Wasserstoff, gegebenenfalls auch Kohlenmonoxid enthält, und welcher die oben genannten Anforderungen hinsichtlich seines schnellen und leichten Umsatzes in dem Gaserzeugungssystem erfüllen kann. To perform the procedure in kind, can as Means for supplying the gaseous fuel, for example catalytically partial oxidation states, Pyrolysis stages or the like can be used which are able to get out of the premix one gaseous fuel to win, which at least Hydrogen, optionally carbon monoxide contains, and which the above requirements in terms of its fast and easy turnover in can meet the gas generating system.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Ansprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel. Further advantageous embodiments of the invention arise from the remaining claims and the with reference to the drawing below Embodiment.

Die einzige beigefügte Figur zeigt in einer schematischen Darstellung einen möglichen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung. The only attached figure shows in one schematic representation of a possible construction of a Fuel cell system according to the invention.

Die Erfindung eignet sich besonders für Brennstoffzellensysteme in mobilen Einheiten, wie etwa Brennstoffzellenfahrzeuge, ist aber auch für stationäre Systeme geeignet. Sie ist anhand eines mit Methanol betriebenen Brennstoffzellensystems beschrieben, soll aber nicht auf diese Ausführung beschränkt sein. The invention is particularly suitable for Fuel cell systems in mobile units, such as Fuel cell vehicles, but is also for stationary systems suitable. She is using a with Methanol fuel cell system described, but should not on this execution be limited.

Die einzige beigefügten Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem 1. Das Brennstoffzellensystem 1 umfaßt ein Gaserzeugungssystem 2 sowie eine Brennstoffzelle 3 mit einem Kathodenraum 4 und einem über eine protonenleitende Membran 5 von diesem Kathodenraum 4 getrennten Anodenraum 6. In der Brennstoffzelle 3 wird in an sich bekannter Weise im bestimmungsgemäßen Betrieb ein von dem Gaserzeugungssystem 2 erzeugtes wasserstoffhaltiges Gas sowie ein sauerstoffhaltiges Medium (O2), hier insbesondere Luft, zu elektrischer Energie umgesetzt. Die Erfindung ist anhand eines flüssigen Ausgangsstoffes beschrieben, es kann jedoch auch ein gasförmiger Ausgangsstoff eingesetzt werden. The sole attached figure shows a fuel cell system 1 . The fuel cell system 1 comprises a gas generating system 2 and a fuel cell 3 with a cathode chamber 4 and a separate via a proton conductive membrane 5 of this cathode chamber 4 anode compartment. 6 In the fuel cell 3 , a hydrogen-containing gas generated by the gas generating system 2 and an oxygen-containing medium (O 2 ), in particular air, converted into electrical energy in a conventional manner in normal operation. The invention is described with reference to a liquid starting material, but it is also possible to use a gaseous starting material.

Der an sich bekannte Grundaufbau des Gaserzeugungssystems 2 umfaßt einen Verdampfer 7, in welchen der sogenannte Premix, ein Gemisch aus Wasser und einem kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Medium, beispielsweise Methanol, eindosiert wird. Von dem Verdampfer - grundsätzlich wäre natürlich auch eine getrennte Verdampfung der beiden Stoffe denkbar - gelangt das dort verdampfte Gemisch in eine erste Reformerstufe 8, in welcher eine Dampfreformierung des Gemischs stattfindet, deren Ergebnis ein Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweisendes Gas ist. Von der ersten Reformerstufe 8 gelangt dieses sogenannte Reformat dann in eine zweite Reformerstufe 9. In der zweiten Reformerstufe 9 werden die in der ersten Reformerstufe 8 noch nicht umgesetzten Reststoffe entsprechend umgesetzt, so daß das Reformat nach der Reformerstufe 9 zu seinem überwiegend größten Teil aus einem wasserstoffhaltigen Gas mit einem zu diesem Zeitpunkt noch vergleichsweise hohen Anteil an Kohlenmonoxid besteht. The known per se basic structure of the gas generating system 2 comprises an evaporator 7 , in which the so-called premix, a mixture of water and a carbon- and hydrogen-containing medium, for example methanol, is metered. Of the evaporator - in principle, a separate evaporation of the two substances would of course conceivable - the mixture evaporated there enters a first reformer stage 8 , in which a steam reforming of the mixture takes place, the result of a hydrogen and carbon monoxide gas having. From the first reformer stage 8 , this so-called reformate then enters a second reformer stage 9 . In the second reformer stage 9 , the unreacted in the first reformer stage 8 residues are implemented accordingly, so that the reformate after the reformer stage 9 to its overwhelming majority consists of a hydrogen-containing gas with a still relatively high proportion of carbon monoxide at this time.

Dieser Gasstrom wird dann unter Zugabe von Luft bzw. Sauerstoff (O2) im Bereich einer Dosierstelle 10 einer ersten selektiven Oxidationsstufe 11 zugeführt. Diese erste selektive Oxidationsstufe 11 steht in einem direkten wärmeleitenden Kontakt mit der ersten Reformerstufe 8, so daß die bei der selektiven Oxidation in der ersten selektiven Oxidationsstufe 11 entehende thermische Energie der endotherm ablaufenden Reformierung in der ersten Reformerstufe 8 zur Verfügung gestellt werden kann. In der selektiven Oxidationsstufe 11 wird dabei das in dem Gasstrom enthaltene Kohlenmonoxid zumindest teilweise zu Kohlendioxid oxidiert, da ein zu hoher Kohlenmonoxidanteil in dem wasserstoffhaltigen Gasstrom Katalysatoren in der Brennstoffzelle 3 schädigen könnte. This gas stream is then fed with the addition of air or oxygen (O 2 ) in the region of a metering point 10 of a first selective oxidation stage 11 . This first selective oxidation stage 11 is in direct heat-conducting contact with the first reformer stage 8 , so that the thermal energy of the endothermic reforming occurring in the selective oxidation in the first selective oxidation stage 11 can be made available in the first reformer stage 8 . In the selective oxidation stage 11 , the carbon monoxide contained in the gas stream is at least partially oxidized to carbon dioxide, since a too high carbon monoxide content in the hydrogen-containing gas stream could damage catalysts in the fuel cell 3 .

Nach der ersten selektiven Oxidationsstufe 11 gelangt der Gasstrom, welchem über eine weitere Dosierstelle 12 ein sauerstoffhaltiges Medium O2 bzw. Luft zudosiert wird, in eine zweite selektive Oxidationsstufe 13. After the first selective oxidation stage 11 , the gas stream, which is metered via an additional metering point 12 into an oxygen-containing medium O 2 or air, passes into a second selective oxidation stage 13 .

Um die idealen Arbeitsbedingungen in dieser zweiten selektiven Oxidationsstufe 13 sicherzustellen, so daß nach der zweiten selektiven Oxidationsstufe 13 nur noch ein verschwindend geringer Anteil an Kohlenmonoxid im wasserstoffhaltigen Gasstrom verbleibt, wird die Temperatur in der zweiten selektiven Oxidationsstufe 13 über eine Kühlung 14 eingestellt. Die Kühlung kann dabei in an sich bekannter Weise über gasförmige oder flüssige Kühlmedien erfolgen, wobei die im Kühlmedium entstehende Wärme zu anderen Zwecken, beispielsweise zu Vorwärmzwecken von in das Gaserzeugungssystem 2 eingebrachten Medien, zur Beheizung eines Innenraums eines mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgerüsteten Fahrzeugs oder dergleichen, genutzt werden kann. In order to ensure the ideal working conditions in this second selective oxidation stage 13 , so that only a negligible amount of carbon monoxide remains in the hydrogen-containing gas stream after the second selective oxidation stage 13 , the temperature in the second selective oxidation stage 13 is set via a cooling system 14 . The cooling can be done in a conventional manner via gaseous or liquid cooling media, wherein the resulting heat in the cooling medium for other purposes, for example, for preheating purposes of introduced into the gas generating system 2 media for heating an interior of a vehicle equipped with the fuel cell system 1 or the like , can be used.

Nach der zweiten selektiven Oxidationsstufe 13 gelangt das nunmehr von Kohlenmonoxid wenigstens annähernd ganz befreite wasserstoffhaltige Gas in den Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 3 und wird hier entsprechend umgesetzt. After the second selective oxidation stage 13 , the hydrogen-containing gas, now at least approximately completely freed from carbon monoxide, enters the anode compartment 6 of the fuel cell 3 and is correspondingly reacted here.

Nach der Brennstoffzelle 3 werden die Abgase aus dem Kathodenraum 4 und dem Anodenraum 6 zusammengeführt und gelangen in einen ersten katalytischen Brenner 15. Dieser erste katalytische Brenner 15 steht in direktem wärmeleitenden Kontakt mit der zweiten Reformerstufe 9. Die bei der Umsetzung der in den Abgasen der Brennstoffzelle 3 enthaltenen Resten an Sauerstoff, Wasserstoff und gegebenenfalls Resten des Methanols erzeugte thermische Energie, kann so der endotherm ablaufenden Reaktion in der zweiten Reformerstufe 9 zugeführt werden. After the fuel cell 3 , the exhaust gases from the cathode compartment 4 and the anode compartment 6 are brought together and reach a first catalytic burner 15 . This first catalytic burner 15 is in direct heat-conducting contact with the second reformer stage 9 . The thermal energy generated during the conversion of the radicals contained in the exhaust gases of the fuel cell 3 to oxygen, hydrogen and optionally residues of the methanol can thus be supplied to the endothermic reaction in the second reformer stage 9 .

Die Abgase des ersten katalytischen Brenners 15, welche immer noch brennbare sehr wenige Reststoffe aufweisen können, gelangen dann zur Verbrennung in einen zweiten katalytischen Brenner 16 dessen Abgase den Verdampfer 7 beheizen. The exhaust gases of the first catalytic burner 15 , which may still have combustible very few residues, then reach combustion in a second catalytic burner 16 whose exhaust gases heat the evaporator 7 .

Der soweit beschriebene Ablauf entspricht dem Betrieb eines derartigen Brennstoffzellensystems 1 gemäß dem Stand der Technik. The procedure described so far corresponds to the operation of such a fuel cell system 1 according to the prior art.

Außerdem könnte auch eine Aufteilung des Anodenstroms (nicht dargestellt) erfolgen. Durch die Aufteilung des Anodenstroms gelangt noch genügend Wasserstoff zum Katbrenner 16, daß der Verdampfer 7 ausreichend beheizt werden kann, während gleichzeitig alle anderen Reststoffe vollständig umgesetzt werden können. In addition, a division of the anode current (not shown) could take place. By dividing the anode current enough hydrogen still reaches the cat burner 16 , that the evaporator 7 can be sufficiently heated, while at the same time all other residues can be fully implemented.

Als Varianten, welche hier nicht dargestellt sind, wäre es denkbar, daß der zweite katalytische Brenner 16 in unmittelbarem wärmeleitendem Kontakt mit dem Verdampfer 7 steht, oder daß dem zweiten katalytischen Brenner 16 ein weiterer zusätzlicher Brennstoff zugeführt wird, falls die Reste an Wasserstoff und Methanol in den Abgasströmen nicht mehr ausreichen, die für die Verdampfung benötigte thermische Energie bereitzustellen. As variants, which are not shown here, it would be conceivable that the second catalytic burner 16 is in direct heat-conducting contact with the evaporator 7 , or that the second catalytic burner 16, a further additional fuel is supplied, if the remains of hydrogen and methanol in the exhaust streams are no longer sufficient to provide the thermal energy required for the evaporation.

Des weiteren wäre es denkbar, daß die Einheit aus zweiter Reformerstufe 9 und erstem katalytischen Brenner 15 durch eine partiellen Oxidationsstufe, welche auf die Zufuhr von thermischer Energie verzichten kann, ersetzt wird. Dementsprechend würde dann die Zuführung der Abgase zu der Komponente entfallen, so daß die Abgase nach der Brennstoffzelle unmittelbar in den zweiten katalytischen Brenner 16 strömen könnten. Furthermore, it would be conceivable that the unit of the second reformer stage 9 and the first catalytic burner 15 is replaced by a partial oxidation stage, which can dispense with the supply of thermal energy. Accordingly, then the supply of exhaust gases to the component would be omitted, so that the exhaust gases could flow directly into the second catalytic burner 16 after the fuel cell.

Ein derartiges System, egal in welcher der genannten Alternativen es aufgebaut ist, weist nun jedoch den eingangs erwähnten Nachteil auf, daß ein Kaltstart desselben vergleichsweise aufwendig und schwierig ist und eine sehr lange Zeit benötigt. Insbesondere wird im Kaltstartfall die Reinigung des Reformats von dem in ihm enthaltenen Kohlenmonoxid nicht unmittelbar voll funktionsfähig sein, so daß das Gas über eine Bypassleitung 17 und entsprechende Ventileinrichtungen 18 um den Anodenraum der Brennstoffzelle herumgeführt werden muß, um eine Vergiftung der dort enthaltenen Katalysatoren durch das Kohlenmonoxid zu vermeiden. However, such a system, no matter in which of these alternatives it is constructed, now has the aforementioned disadvantage that a cold start of the same is relatively expensive and difficult and requires a very long time. In particular, in the cold start case, the purification of the reformate from the carbon monoxide contained in it will not be immediately fully functional, so that the gas must be guided around a bypass line 17 and corresponding valve means 18 to the anode compartment of the fuel cell to poisoning of the catalysts contained therein by the To avoid carbon monoxide.

Des weiteren kann durch die Tatsache, daß hier flüssige Ausgangsstoffe verwendet werden sehr viel Feuchtigkeit in dem das Gaserzeugungssystem 2 durchströmenden Gasstrom vorhanden sein, welcher im Bereich der Katalysatoren, insbesondere der selektiven Oxidationsstufen 11, 13 und der katalytischen Brenner 15, 16 auskondensieren kann. Die mit Flüssigkeit belegten Katalysatoren sind dann in ihrer Aktivität stark gehemmt, so daß sich der Start des Brennstoffzellensystems 1 weiter zeitlich verzögert. Furthermore, by the fact that liquid starting materials are used here, a great deal of moisture can be present in the gas stream flowing through the gas generation system 2 , which can condense out in the region of the catalysts, in particular the selective oxidation stages 11 , 13 and the catalytic burners 15 , 16 . The occupied with liquid catalysts are then greatly inhibited in their activity, so that the start of the fuel cell system 1 further delayed in time.

Bei dem hier dargestellten Aufbau ist nun eine Einrichtung 19 zur Zufuhr eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere für den Kaltstartfall oder während des bestimmungsgemäßen Betriebs zur Verbesserung des Dynamikverhaltens, vorgesehen. Die Einrichtung 19 zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs kann dabei in verschiedener Art und Weise ausgebildet sein. Für die ideale Funktionsweise ist es lediglich wichtig, daß ein Brennstoff gasförmig zu dem Gaserzeugungssystem 2 zudosiert wird, welcher das gesamte Gaserzeugungssystem durchläuft und in diesem sehr leicht und sehr schnell umgesetzt werden kann. Dies wirkt sich dann einerseits auf den bevorzugten Einsatzzweck, nämlich die Beschleunigung des Kaltstartverhaltens des Gaserzeugungssystems 2 bzw. des gesamten Brennstoffzellensystems 1, aus und andererseits kann durch die leichte Umsetzbarkeit des eindosierten gasförmigen Brennstoffs die Einrichtung 19 auch eine schlagartige dynamische Leistungsanforderung durch die Brennstoffzelle 3, beispielsweise beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug, durch einen Beschleunigungswunsch des Betreibers, zügig realisiert werden. Die Einrichtung 19 kann damit neben einer Startverbesserung auch als Dynamikbooster, beispielsweise zur Verbesserung der Fahrdynamik eines mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeuges Verwendung finden. In the structure shown here, a device 19 for supplying a gaseous fuel, in particular for the cold start case or during normal operation for improving the dynamic behavior, is now provided. The device 19 for supplying the gaseous fuel may be formed in various ways. For the ideal operation, it is only important that a fuel is metered in gaseous to the gas generating system 2 , which passes through the entire gas generating system and can be implemented very easily and very quickly in this. This then has an effect on the one hand on the preferred application, namely the acceleration of the cold start behavior of the gas generating system 2 or the entire fuel cell system 1 , and on the other hand, by the ease of implementation of the metered gaseous fuel, the device 19 and a sudden dynamic power requirement by the fuel cell 3 , For example, when used in a motor vehicle, be realized quickly by an acceleration request of the operator. The device 19 can thus be used in addition to a start-up improvement as a dynamic booster, for example, to improve the driving dynamics of a vehicle equipped with the fuel cell system 1 use.

Für die Ausführung der Einrichtung 19 sind dabei verschiedene Möglichkeiten denkbar. Besonders günstig ist es jedoch, wenn in der Einrichtung 19 aus dem für das Brennstoffzellensystem 1 ohnehin verwendeten Premix aus Wasser und Methanol gasförmiger Brennstoff erzeugt werden kann, welcher überwiegend Wasserstoff und gegebenenfalls auch Kohlenmonoxid aufweist. Als Einrichtung zur Zufuhr dieses gasförmigen Brennstoffs wäre daher im besonderen eine katalytisch partielle Oxidationsstufe, eine autotherme Reformierungsstufe, eine Pyrolysestufe oder dergleichen denkbar. For the execution of the device 19 , various possibilities are conceivable. However, it is particularly favorable if gaseous fuel which predominantly comprises hydrogen and optionally also carbon monoxide can be produced in the device 19 from the premix of water and methanol which is used in any case for the fuel cell system 1 . As a device for supplying this gaseous fuel, therefore, a catalytically partial oxidation stage, an autothermal reforming stage, a pyrolysis stage or the like would be conceivable in particular.

Der Ablauf zum Starten eines solchen Brennstoffzellensystems 1 erfolgt grob in zwei Stufen. The procedure for starting such a fuel cell system 1 is roughly in two stages.

Als erstes erfolgt die Dosierung des gasförmigen Brennstoffs über die Einrichtung 19 in einem Bereich vor der ersten Reformerstufe 8, also praktisch im Bereich des Eingangs des Gaserzeugungssystems, so daß der gasförmige Brennstoff das gesamte Gaserzeugungssystem durchströmen kann. Für die Einrichtung 19, welche beispielsweise eine der oben bereits genannten Stufen sein kann, ist es dabei sinnvoll, wenn diese auf einen einzigen definierten Lastpunkt ausgelegt wird, da dann eine Optimierung hinsichtlich Aufwand, Größe und dergleichen möglich ist. Falls die Einrichtung 19 auch zur Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffs im Fahrbetrieb bzw. zur Dynamikverbesserung vorgesehen ist, müßte jedoch eine entsprechend größere Lastspreizung vorgesehen werden. First, the metering of the gaseous fuel via the device 19 in an area before the first reformer stage 8 , so practically in the region of the entrance of the gas generating system, so that the gaseous fuel can flow through the entire gas generating system. For the device 19 , which may be, for example, one of the above-mentioned stages, it makes sense if this is designed for a single defined load point, since then an optimization in terms of effort, size and the like is possible. If the device 19 is also provided for generating a gaseous fuel while driving or to improve the dynamics, however, a correspondingly larger load spread would have to be provided.

Durch die Umsetzung des zugeführten gasförmigen Brennstoffs insondere in den selektiven Oxidationsstufen 11, 13 sowie den Katbrennern 15, 16 erfolgt dann eine sehr schnelle Aufheizung der beiden Reformerstufen 8, 9 sowie des Verdampfers 7. Um die Emissionswerte, insbesondere an Kohlenmonoxid, falls dieses von der Einrichtung 19 in größerem Maße erzeugt wird im Startfall des Brennstoffzellensystems 1 zu reduzieren, kann spätetens vor dem Einströmen des Gases in den ersten katalytischen Brenner 15, in idealer Wiese jedoch bereits vor den selektiven Oxidationsstufen 11, 13 und damit auch vor der Brennstoffzelle 3 selbst, ein optionaler Kohlenmonoxid-Adsorber 20 vorgesehen sein. Damit wäre dann ein kohlenmonoxidfreier Start möglich, auch wenn die beiden katalytischen Brenner 15, 16 noch nicht auf einer so hohen Temperatur sind, daß sie das gesamte Kohlenmonoxid emissionsfrei umsetzen. By the implementation of the supplied gaseous fuel in particular in the selective oxidation stages 11 , 13 and the Katbrennern 15 , 16 then takes place a very rapid heating of the two reformer stages 8 , 9 and the evaporator. 7 In order to reduce the emission values, in particular of carbon monoxide, if this is generated to a greater extent by the device 19 in the start-up of the fuel cell system 1 , can be late before the gas flows into the first catalytic burner 15 , but ideally before the selective oxidation stages 11 , 13 and thus also in front of the fuel cell 3 itself, an optional carbon monoxide adsorber 20 may be provided. Thus, a carbon monoxide-free start would be possible, even if the two catalytic burners 15 , 16 are not yet at such a high temperature that they convert the entire carbon monoxide emission-free.

Bei gut arbeitendem Adsorber 20 für das Kohlenmonoxid und bei bereits in der Startphase gut arbeitenden, im allgemeinen also ausreichend erwärmten selektiven Oxidationsstufen 11, 13 könnte somit ein sofortiger Start der Brennstoffzelle 3 selbst erfolgen, da keine Vergiftung mit Kohlenmonoxid im Bereich des Anodenraums 6 befürchtet werden müßte. Der gesamte Startvorgang des Brennstoffzellensystems 1 könnte damit weiter beschleunigt werden. Auf die oben bereits erwähnte Bypassleitung 17 könnte dann auf jeden Fall verzichtet werden. With well-working adsorber 20 for the carbon monoxide and in the start phase well-working, generally so sufficiently heated selective oxidation stages 11 , 13 could thus be an immediate start of the fuel cell 3 itself, since no poisoning with carbon monoxide in the region of the anode chamber 6 are feared would. The entire starting process of the fuel cell system 1 could thus be further accelerated. On the above-mentioned bypass line 17 could then be waived in any case.

Über die beiden Luftdosierungen 10, 12 wird dabei so viel Luft in den Medienstrom aus gasförmigem Brennstoff dosiert, daß es zu einem Selbststart und einer internen Aufheizung der beiden selektiven Oxidationsstufen 11, 13 kommen kann. Zur Verbesserung dieser Aufheizung, oder falls die interne Aufheizung der zweiten selektiven Oxidationsstufe 13 nicht ausreicht, kann es vorgesehen sein, zwischen der Dosierstelle 12 und der zweiten selektiven Oxidationsstufe 13 eine Kaltstartkomponente 21a anzuordnen. As much air is metered into the media stream of gaseous fuel via the two air doses 10 , 12 , so that self-starting and internal heating of the two selective oxidation stages 11 , 13 can occur. To improve this heating, or if the internal heating of the second selective oxidation stage 13 is not sufficient, it may be provided to arrange a cold start component 21 a between the metering point 12 and the second selective oxidation stage 13 .

Diese optionale Kaltstartkomponente 21 kann beispielsweise als Flammbrenner ausgebildet sein, welcher im bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 nur durchströmt und gegebenenfalls als Mischer für die über die Dosierstelle 12 eindosierte Luft verwendet wird. In der Aufheizphase kann diese Kaltstartkomponente 21, beispielsweise über eine Zündkerze, gezündet werden, so daß das sie durchströmende Gemisch verbrennt und die heißen Abgase die zweite selektive Oxidationsstufe 13 aufheizen. This optional cold start component 21 can be designed, for example, as a flame burner, which only flows through during normal operation of the fuel cell system 1 and is optionally used as a mixer for the air metered in via the metering point 12 . In the heating phase, this cold start component 21 , for example via a spark plug, are ignited so that the mixture flowing through them burns and the hot exhaust gases heat the second selective oxidation stage 13 .

Optional wäre es auch denkbar, daß zusätzlich zu der Luftdosierung in die Einrichtung 19, falls diese zum Umsatz Luft benötigt, also beispielsweise als autotherme Reformierungsstufe oder katalytische partielle Oxidationsstufe ausgebildet ist, Luft vor dem Bereich der ersten Reformerstufe 8 dem Gasstrom zuzudosieren, was jedoch nicht dargestellt ist. Damit wäre auch hier eine interne Beheizung der Stufe durch eine Umsetzung des Brennstoffs sowohl im Bereich der Reformerstufe 8 als auch im Bereich der ersten selektiven Oxidationsstufe 11 möglich. Sollte dieses Aufheizen nicht ausreichen könnte auch hier, also unmittelbar vor dem Einströmen in die erste Reformerstufe 8 eine weitere Kaltstartkomponente, in der Art der oben beschriebenen Kaltstartkomponente 21a, vorgesehen werden. Optionally, it would also be conceivable that in addition to the dosing of air into the device 19 , if it is required for air sales, that is, for example, formed as an autothermal reforming stage or catalytic partial oxidation stage, air before the area of the first reformer stage 8 to meter the gas stream, but not is shown. This would also be an internal heating of the stage by an implementation of the fuel both in the area of the reformer stage 8 and in the first selective oxidation stage 11 possible. Should this heating be insufficient, it would also be possible here, ie immediately before flowing into the first reformer stage 8, to provide a further cold start component, in the manner of the cold start component 21 a described above.

Im Falle, daß die Kombination aus erster Reformerstufe 8 und erster selektiver Oxidationsstufe 11 für den Betrieb im Gegenstromverfahren vorgesehen ist, könnte diese Komponente auch durch den Einsatz von zwei derartigen Kaltstartstufen von beiden Seiten gleichzeitig mit den heißen Abgasen dieser Kaltstartstufen aufgeheizt werden. Dies ist vor allem beim Einsatz dieser Stufe im Gegenstrom von Vorteil. In the case that the combination of the first reformer stage 8 and the first selective oxidation stage 11 is provided for operation in countercurrent process, this component could also be heated by the use of two such cold start stages from both sides simultaneously with the hot exhaust gases of these cold start stages. This is especially advantageous when using this stage in countercurrent.

Da die Reformerstufen 8, 9 und die selektiven Oxidationsstufen 11, 13 praktisch unmittelbar nach dem Kaltstart durch die Verbrennung in den katalytischen Brennern 15 und insbesondere 16 mit erzeugtem heißen Dampf durchströmt werden, wird sich das gesamte Gaserzeugungssystem 2 sehr schnell aufheizen, wozu eine erhöhte Menge an Luft in die selektive Oxidationsstufen 11, 13, insbesondere die selektive Oxidationsstufe 11 dosiert wird, so daß auch hier die Aufheizung nochmals beschleunigt werden kann. Since the reformer stages 8 , 9 and the selective oxidation stages 11 , 13 are traversed by the combustion in the catalytic burners 15 and in particular 16 with hot steam generated practically immediately after the cold start, the entire gas generation system 2 will heat up very quickly, for which an increased amount in air in the selective oxidation stages 11 , 13 , in particular the selective oxidation stage 11 is metered, so that here too the heating can be accelerated again.

Zur Verbesserung des Aufheizens könnte auch im Bereich vor den katalytischen Brennern 15, 16 eine weitere Kaltstartkomponente 21b vorgesehen sein. Auch diese Kaltstartkomponente 21b könnte beispielsweise als Flammbrenner ausgebildet sein, wie es oben bei der Kaltstartkomponente 21a beschrieben ist. To improve the heat-up 16, a further cold-start component 21 could also be in the region before the catalytic burner 15, be provided b. These cold start component 21 b could be formed, for example, as a flame burner, as described above in the cold start component 21 a.

Während der gesamten Aufheizphase wird, wie oben bereits beschrieben, das erzeugte Gas aus dem Gaserzeugungssystem über den Bypass 17 der Brennstoffzelle 3, insbesondere an dem Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 3 vorbeigeleitet um eine Vergiftung der Brennstoffzelle 3 mit dem Kohlenmonoxid zu vermeiden. Auf die Verwendung eines derartigen Bypasses 17 kann jedoch gegebenenfalls auch verzichtet werden, insbesondere wenn die Brennstoffzelle 3 so ausgestaltet ist, daß ein Durchströmen des Anodenraums mit den entsprechenden Stoffen kein Problem darstellt. Dann kann sowohl auf die Bypassleitung als auch die zugehörigen Ventileinrichtungen verzichtet werden. During the entire heating phase, as already described above, the gas generated from the gas generating system via the bypass 17 of the fuel cell 3 , in particular past the anode compartment 6 of the fuel cell 3 to avoid poisoning of the fuel cell 3 with the carbon monoxide. However, it may also be possible to dispense with the use of such a bypass 17 , in particular if the fuel cell 3 is designed such that a flow through the anode chamber with the corresponding substances is not a problem. Then it is possible to dispense with both the bypass line and the associated valve devices.

Nach dieser Phase des Aufheizens erfolgt dann der Übergang in den bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere den Betrieb bei dem eine Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 3 stattfindet. After this phase of heating then the transition to the normal operation of the fuel cell system 1 , in particular the operation takes place in which a power generation by the fuel cell 3 takes place.

Der Übergang zu dieser Phase der Stromerzeugung kann bereits erfolgen, wenn sich das Brennstoffzellensystem 1 noch in der Phase befindet, in welcher Wasserstoff über die Einrichtung 19 erzeugt wird. Beide nachgeschalteten Reformerstufen 8, 9 arbeiten dann als Shiftstufen. Bei einer hinsichtlich der Lastspreizung ausreichend dynamisch ausgelegten Einrichtung 19 ist so bereits eine sehr frühe Stromerzeugung, und in dem bevorzugten Anwendungsfall des Brennstoffzellensystems 1 in einem Fahrzeug, ein sehr früher Fahrbetrieb möglich. The transition to this phase of the power generation can already take place when the fuel cell system 1 is still in the phase in which hydrogen is generated via the device 19 . Both downstream reformer stages 8 , 9 then work as shift stages. In the case of a sufficiently dynamically designed device 19 with regard to the load spread, very early power generation is already possible, and in the preferred application of the fuel cell system 1 in a vehicle, a very early driving operation is possible.

Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, die Stromerzeugung erst dann aufzunehmen, wenn die Dampfreformierung in dem Gaserzeugungssystem 2 voll gestartet ist. Dabei wird dann in an sich bekannter Weise der Premix im Verdampfer 7 verdampft und in den beiden nachfolgenden Reformerstufen 8, 9 zu dem wasserstoffhaltigen Gas umgesetzt, welches dann in den beiden selektiven Oxidationsstufen 11, 13 von dem in ihm enthaltenen Kohlenmonoxid gereinigt wird. Alternatively, however, it is also possible to record the power generation only when the steam reforming in the gas generating system 2 is fully started. In this case, the premix is then vaporized in the evaporator 7 in a manner known per se and converted into the hydrogen-containing gas in the two subsequent reformer stages 8 , 9 , which is then purified in the two selective oxidation stages 11 , 13 by the carbon monoxide contained in it.

Claims (20)

1. Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einem Gaserzeugungssystem zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases für die Brennstoffzelle aus Wasser und einem Ausgangsstoff, welcher Kohlenstoff und Wasserstoff aufweist, wobei das Gaserzeugungssystem wenigstens eine Reformerstufe, wenigstens eine selektive Oxidationsstufe und wenigstens einen katalytischen Brenner aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaserzeugungssystem (2) eine Einrichtung (19) zur Zufuhr eines gasförmigen Brennstoffs aufweist, wobei der gasförmige Brennstoff durch die Einrichtung (19) zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs in einem Bereich vor der wenigstens einen Reformerstufe (8) dem Gaserzeugungssystem (2) zuführbar ist. Comprising 1. A fuel cell system having at least one fuel cell and a gas generating system for generating a hydrogen-containing gas for the fuel cell of water and a starting material which contains carbon and hydrogen, wherein the gas generating system at least one reformer stage, at least one selective oxidation stage and at least a catalytic burner, characterized in that the gas generating system ( 2 ) has a device ( 19 ) for supplying a gaseous fuel, wherein the gaseous fuel passes through the device ( 19 ) for supplying the gaseous fuel in an area in front of the at least one reformer stage ( 8 ) to the gas generating system ( 2 ). can be fed. 2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19) zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs so ausgebildet ist, daß der gasförmige Brennstoff aus dem flüssigen Ausgangsstoff (CH3OH) erzeugbar ist. 2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the means ( 19 ) for supplying the gaseous fuel is formed so that the gaseous fuel from the liquid starting material (CH 3 OH) can be generated. 3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19) zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs als Einrichtung (19) zur unterstöchiometrischen Verbrennung des Ausgangsstoffes (CH3OH) ausgebildet ist. 3. Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the means ( 19 ) for supplying the gaseous fuel as means ( 19 ) for substoichiometric combustion of the starting material (CH 3 OH) is formed. 4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19) zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs so ausgebildet ist, daß der gasförmige Brennstoff aus einem flüssigen Medium erzeugbar ist. 4. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the means ( 19 ) for supplying the gaseous fuel is formed so that the gaseous fuel from a liquid medium can be generated. 5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium ein Gemisch aus dem Wasser (H2O) und einem flüssigen Ausgangsstoff (CH3OH) ist. 5. Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the liquid medium is a mixture of the water (H 2 O) and a liquid starting material (CH 3 OH). 6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19) zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs als Pyrolysestufe ausgebildet ist. 6. Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the means ( 19 ) for supplying the gaseous fuel is formed as a pyrolysis stage. 7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19) zur Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs als katalytische partielle Oxidationsstufe ausgebildet ist. 7. Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the means ( 19 ) for supplying the gaseous fuel is formed as a catalytic partial oxidation stage. 8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaserzeugungssystem (2) zwei selektive Oxidationsstufen (11, 13) aufweist, wobei vor der zweiten selektiven Oxidationsstufe (13) eine Kaltstartkomponente (21) vorgesehen ist. 8. Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the gas generating system ( 2 ) comprises two selective oxidation stages ( 11 , 13 ), wherein before the second selective oxidation stage ( 13 ), a cold start component ( 21 ) is provided. 9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem wenigstens einen katalytischen Brenner (15, 16) ein Kohlenmonoxid-Adsorber (20) vorgesehen ist. 9. Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that a carbon monoxide adsorber ( 20 ) is provided in front of the at least one catalytic burner ( 15 , 16 ). 10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenmonoxid-Adsorber (20) nach letzten der wenigstens einen Reformerstufe (8, 9) und vor zumindest einer der selektiven Oxidationsstufen (11, 13) vorgesehen ist. 10. Fuel cell system according to claim 9, characterized in that the carbon monoxide adsorber ( 20 ) after the last of the at least one reformer stage ( 8 , 9 ) and before at least one of the selective oxidation stages ( 11 , 13 ) is provided. 11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste selektive Oxidationsstufe (11) mit der wenigstens einen Reformerstufe (8) in wärmeleitender Verbindung steht. 11. Fuel cell system according to one of claims 1 to 10, characterized in that a first selective oxidation stage ( 11 ) with the at least one reformer stage ( 8 ) is in heat-conducting connection. 12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem wenigsten einen katalytischen Brenner (15, 16) eine Kaltstartkomponente (21) vorgesehen ist. 12. Fuel cell system according to one of claims 1 to 11, characterized in that in front of the at least one catalytic burner ( 15 , 16 ) is provided a cold start component ( 21 ). 13. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einem Gaserzeugungssystem zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases für die Brennstoffzelle aus Wasser und einem Ausgangsstoff, welcher Kohlenstoff und Wasserstoff aufweist, wobei das Gaserzeugungssystem wenigstens eine Reformerstufe, wenigstens eine selektive Oxidationsstufe und wenigstens einen katalytischen Brenner umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein gasförmiger Brennstoff in das Gaserzeugungssystem (2) eindosiert wird, wonach die Verbrennung in dem wenigstens einen katalytischen Brenner (15, 16), in der wenigstens einen Reformerstufe (8, 9) und in der wenigstens einen selektiven Oxidationsstufe (11, 13) über die Zufuhr von Luft (O2) zu den entsprechenden Komponenten gesteuert wird. 13. A method of starting a fuel cell system having at least one fuel cell and a gas generating system for generating a hydrogen-containing gas for the fuel cell from water and a source comprising carbon and hydrogen, the gas generating system comprising at least one reformer stage, at least one selective oxidation stage, and at least one catalytic burner characterized in that first a gaseous fuel is metered into the gas generating system ( 2 ), after which the combustion in the at least one catalytic burner ( 15 , 16 ), in the at least one reformer stage ( 8 , 9 ) and in the at least one selective Oxidation stage ( 11 , 13 ) via the supply of air (O 2 ) is controlled to the corresponding components. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes in den Komponenten (8, 9, 11, 13) in die der gasförmige Brennstoff zuerst einströmt als unterstöchiometrische Umsetzung stattfindet. 14. The method according to claim 13, characterized in that the combustion of the gaseous fuel in the components ( 8 , 9 , 11 , 13 ) in which the gaseous fuel flows first takes place as a substoichiometric reaction. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffes in den in Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffes letzten Komponenten (15, 16) den als zumindest stöchiometrische Umsetzung, insbesondere als überstöchiometrische Umsetzung stattfindet. 15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that the combustion of the gaseous fuel in the flow direction of the gaseous fuel last components ( 15 , 16 ) takes place as at least stoichiometric reaction, in particular as a superstoichiometric reaction. 16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Brennstoff aus einem flüssigen Ausgangsstoff (CH3OH) erzeugt wird. 16. The method according to claim 13, 14 or 15, characterized in that the gaseous fuel from a liquid starting material (CH 3 OH) is generated. 17. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaserzeugungssystem (2) mit einem Gemisch aus dem Wasser (H2O) und einem flüssigen Ausgangsstoff (CH3OH) betrieben wird, wobei auch der gasförmige Brennstoff aus diesem Gemisch erzeugt wird. 17. The method according to claim 13, 14 or 15, characterized in that the gas generating system ( 2 ) with a mixture of the water (H 2 O) and a liquid starting material (CH 3 OH) is operated, wherein the gaseous fuel from this Mixture is generated. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Gaserzeugungssystem (2) erzeugten Gase in einem Bypass (17) um einen Anodenraum (6) der Brennstoffzelle (3) geführt werden, bis die Startphase abgeschlossen ist. 18. The method according to any one of claims 13 to 17, characterized in that in the gas generating system ( 2 ) generated gases in a bypass ( 17 ) to an anode chamber ( 6 ) of the fuel cell ( 3 ) are performed until the start phase is completed. 19. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zusammen mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18 in einem Kraftfahrzeug. 19. Use of a fuel cell system according to one of claims 1 to 12 together with a A method according to any one of claims 13 to 18 in a motor vehicle. 20. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zusammen mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18 zur Verbesserung des dynamischen Ansprechverhaltens des Gaserzeugungssystems (2) in dem Brennstoffzellensystem (1). 20. Use of a fuel cell system according to any one of claims 1 to 12 together with a method according to any one of claims 13 to 18 for improving the dynamic response of the gas generating system ( 2 ) in the fuel cell system ( 1 ).
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