DE102007062034B4

DE102007062034B4 - Method for temperature control in a fuel cell system and fuel cell system

Info

Publication number: DE102007062034B4
Application number: DE102007062034.0A
Authority: DE
Inventors: Jochen ROSER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2027-12-22
Also published as: DE102007062034A1

Abstract

Verfahren zur Temperaturregelung in einem Brennstoffzellensystem (10), mit einer Brennstoffzelle (20), einem Reformer (30) und einem Brenner (35), wobei in dem Reformer (30) aus einem Treibstoff wenigstens ein Brennstoff erzeugt wird, der Brenner (35) den Reformer (30) für die Erzeugung des Brennstoffes heizt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- in einer Aufheizphase der zumindest teilweise flüssige Treibstoff in einen Abgasstrom des Brenners (35) eingespritzt wird,- der Treibstoff in dem Abgasstrom in ein Treibstoffgas verdampft,- der Abgasstrom auf die Brennstoffzelle (20) geleitet wird,- das Treibstoffgas mit einer katalytischen Beschichtung eines Wärmeelementes (40) reagiert,- bei der Reaktion das Treibstoffgas katalytisch verbrannt und eine Wärme erzeugt wird, die die Brennstoffzelle (20) erhitzt, wobei in einer Kühlphase eine Kühlluft dem Abgasstrom beigemischt wird, wobei die Kühlluft eine geringe Temperatur als der Abgasstrom aufweist.Method for temperature control in a fuel cell system (10), with a fuel cell (20), a reformer (30) and a burner (35), wherein in the reformer (30) at least one fuel is produced from a fuel, the burner (35) heats the reformer (30) to generate the fuel, the method comprising the following steps: - the at least partially liquid fuel is injected into an exhaust gas stream of the burner (35) in a heating-up phase, - the fuel in the exhaust gas stream evaporates into a fuel gas - the flow of exhaust gas is directed to the fuel cell (20), - the fuel gas reacts with a catalytic coating of a heating element (40), - the reaction catalytically combusts the fuel gas and generates heat which heats the fuel cell (20), wherein in a cooling phase, cooling air is mixed with the exhaust gas flow, the cooling air having a lower temperature than the exhaust gas flow.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung in einem Brennstoffzellensystem. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 7.The present invention relates to a method for controlling the temperature in a fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system according to the preamble of independent claim 7.

Stand der TechnikState of the art

In der amerikanischen Offenlegungsschrift US 2006 /127 719 A1 ist ein Brennstoffzellensystem gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Brennstoffzelle, die zur Umsetzung zweier Brennstoffe in elektrische Energie dient. Zur Erzeugung wenigstens eines der beiden Brennstoffe weist das Brennstoffzellensystem einen Reformer auf. Dieser Reformer kann beispielsweise durch Dampfreformierung aus Methanol Wasserstoff gewinnen, welcher der Brennstoffzelle als einer der Brennstoffe zugeführt wird. Um die Dampfreformierung innerhalb des Reformers zu ermöglichen, weist letzterer einen Brenner auf, der die notwendige Reaktionswärme in den Reformer einbringt. Zusätzlich wird die Abwärme des Brenners über ein Abgasführungssystem auf die Brennstoffzelle geleitet, um diese zu erhitzen. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen Verdampfer auf, in welchem Methanol in die Gasphase überführt werden kann. Dieses Methanolgas kann anschließend dem Abgas des Brenners zugeführt werden und an einer Außenwand der Brennstoffzelle katalytisch reagieren. Dadurch wird eine weitere Temperatursteigerung der Brennstoffzelle erreicht. Als nachteilig hat es sich herausgestellt, dass der Verdampfer einen sehr hohen Energieverbrauch aufweist und anfällig für Fehlfunktionen ist.In the American publication U.S. 2006/127719 A1 a fuel cell system is shown. This fuel cell system includes a fuel cell that is used to convert two fuels into electrical energy. The fuel cell system has a reformer for generating at least one of the two fuels. This reformer can, for example, produce hydrogen from methanol by steam reforming, which hydrogen is supplied to the fuel cell as one of the fuels. In order to enable steam reforming within the reformer, the latter has a burner that introduces the necessary heat of reaction into the reformer. In addition, the waste heat from the burner is routed to the fuel cell via an exhaust system in order to heat it up. In addition, the fuel cell system has an evaporator in which methanol can be converted into the gas phase. This methanol gas can then be fed to the exhaust gas from the burner and react catalytically on an outer wall of the fuel cell. This results in a further increase in the temperature of the fuel cell. It has turned out to be disadvantageous that the evaporator has a very high energy consumption and is susceptible to malfunctions.

Die DE 10 2005 010 935 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer, der einen Brenner und einen Katalysator umfasst und zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat vor gesehen ist, und mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die auf der Grundlage von durch den Reformer erzeugtem Reformat elektrische Energie erzeugt und dabei Anodenabgas freisetzt, wobei Mittel vorgesehen sind, die dazu geeignet sind, das gesamte Anodenabgas dem Brenner zuzuführen.the DE 10 2005 010 935 A1 discloses a fuel cell system with a reformer, which includes a burner and a catalyst and is provided for converting fuel and oxidant to reformate, and with a fuel cell, in particular a high-temperature fuel cell, which generates electrical energy on the basis of reformate generated by the reformer generated and thereby releases anode waste gas, means being provided which are suitable for supplying the entire anode waste gas to the burner.

Die EP 1 040 079 B1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Wasserdampfreformierung einer Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Ausgangssubstanz mit einem Reformierungsreaktor, bei dem bei warmgelaufener Anlage im Reformierungsreaktor die zu reformierende Ausgangssubstanz eine Wasserdampfreformierung erfährt und beim Kaltstart der Anlage wenigstens ein Teil des Reformierungsreaktors als Mehrfunktions-Reaktoreinheit in einer ersten Betriebsphase als katalytische Brennereinheit unter Zufuhr eines Brennstoffs und eines sauerstoffhaltigen Gases und in einer anschließenden zweiten Betriebsphase als POX-Einheit zur partiellen Oxidation der Ausgangssubstanz betrieben wird, kurz vor dem Übergang von der ersten auf die zweite Betriebsphase dem zugeführten Gemisch aus Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas Wasser zudosiert wird und/oder der Brennstoffmengenstrom während der ersten Betriebsphase mit steigender Temperatur der Mehrfunktions-Reaktoreinheit erhöht wird und/oder der Mengenstrom an sauerstoffhaltigem Gas schon während der ersten Betriebsphase unterstöchiometrisch eingestellt wirdthe EP 1 040 079 B1 discloses a method for operating a plant for the steam reforming of a hydrocarbon or hydrocarbon derivative starting substance with a reforming reactor, in which, when the plant has warmed up, the starting substance to be reformed undergoes steam reforming in the reforming reactor and, when the plant is started cold, at least part of the reforming reactor as a multifunctional reactor unit in one first operating phase as a catalytic burner unit with the supply of a fuel and an oxygen-containing gas and in a subsequent second operating phase as a POX unit for the partial oxidation of the starting substance, shortly before the transition from the first to the second operating phase to the supplied mixture of fuel and oxygen-containing gas Water is metered in and/or the fuel flow rate is increased during the first operating phase with increasing temperature of the multifunction reactor unit and/or the flow rate oxygen-containing gas is set substoichiometrically during the first operating phase

Die DE 102 52 076 A1 offenbart ein brennstoffverarbeitendes System mit einem zweistufigen System für magere Verbrennung für einen Schnellstart des brennstoffverarbeitenden Systems und eine thermische Integration für die Reaktortemperatursteuerung.the DE 102 52 076 A1 discloses a fuel processing system with a two stage lean burn system for quick start of the fuel processing system and thermal integration for reactor temperature control.

Aufgabe und Vorteile der ErfindungObject and advantages of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches einfach aufgebaut ist, wenig Bauraum benötigt und einen schnellen Kaltstart, insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes, ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 in vorteilhafter Weise gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruches 7 in vorteilhafter Weise gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und des Verfahrens ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.The object of the present invention is to provide a fuel cell system that is simple in design, requires little installation space and enables a quick cold start, in particular at temperatures below freezing point. This problem is solved by the method with the features of claim 1 in an advantageous manner. In addition, the task is solved by the fuel cell system with the features of claim 7 in an advantageous manner. Further advantageous embodiments of the present invention and of the method result from the respective dependent claims. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Temperaturregelung in einem Brennstoffzellensystem offenbart, mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einem Brenner, wobei in dem Reformer aus einem Treibstoff wenigstens ein Brennstoff erzeugt wird, der Brenner den Reformer für die Erzeugung des Brennstoffes heizt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- in einer Aufheizphase der zumindest teilweise flüssige Treibstoff in einen Abgasstrom des Brenners eingespritzt wird,
- der Treibstoff in dem Abgasstrom in ein Treibstoffgas verdampft,
- der Abgasstrom auf die Brennstoffzelle geleitet wird,
- das Treibstoffgas mit einer katalytischen Beschichtung eines Wärmeelementes reagiert,
- bei der Reaktion das Treibstoffgas katalytisch verbrannt und eine Wärme erzeugt wird, die die Brennstoffzelle erhitzt,

wobei in einer Kühlphase eine Kühlluft dem Abgasstrom beigemischt wird, wobei die Kühlluft eine geringe Temperatur als der Abgasstrom aufweist.According to the invention, a method for temperature control in a fuel cell system is disclosed, with a fuel cell, a reformer and a burner, wherein at least one fuel is produced from a fuel in the reformer, the burner heats the reformer to produce the fuel, the method comprising the following Steps includes:

- In a heating-up phase, the at least partially liquid fuel is injected into an exhaust gas stream of the burner,
- the fuel in the exhaust stream evaporates into a fuel gas,
- the exhaust gas flow is directed to the fuel cell,
- the propellant gas reacts with a catalytic coating of a heating element,
- during the reaction, the fuel gas is burned catalytically and heat is generated that heats the fuel cell,

wherein in a cooling phase a cooling air is mixed with the exhaust gas flow, wherein the cooling air has a lower temperature than the exhaust gas flow.

Der vorrangige Gedanke des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Nutzung der Abwärme des Reformers zum Verdampfen des Treibstoffes, so dass es keines separaten Verdampfers mehr bedarf. Ein nach diesem Verfahren betriebenes Brennstoffzellensystem weist folglich eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit und Effizienz auf. Als Treibstoff im Sinne der Erfindung sind dabei all jene Stoffe gemeint, welche in dem Reformer umgesetzt werden, um wenigstens einen der Brennstoffe für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Gleichfalls oder alternativ kann es sich bei dem Treibstoff auch um einen oder beide der Brennstoffe handeln, welche in der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgesetzt werden. Entscheidend ist, dass der Treibstoff in einer flüssigen Phase in den Abgasstrom des Brenners eingeführt wird und dort verdampft. Folglich wird die zur Verdampfung benötigte Energie den heißen Abgasen des Brenners entzogen. Es bedarf keiner Bestromung eines Verdampfers, um den Treibstoff in die gasförmige Phase zu überführen.The primary idea of the method according to the invention described is to use the waste heat from the reformer to vaporize the fuel, so that a separate vaporizer is no longer required. A fuel cell system operated according to this method consequently has a significantly higher reliability and efficiency. In the context of the invention, fuel means all those substances which are converted in the reformer in order to produce at least one of the fuels for the fuel cell. Likewise or alternatively, the fuel can also be one or both of the fuels that are converted into electrical energy in the fuel cell. It is crucial that the fuel is introduced into the exhaust gas flow of the burner in a liquid phase and evaporates there. As a result, the energy required for evaporation is extracted from the hot exhaust gases from the burner. An evaporator does not need to be energized in order to convert the fuel into the gaseous phase.

Ausgangspunkt für die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Nutzung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem, zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelle stellt eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von elektrischem Strom dar. Dabei finden üblicherweise zwei räumlich getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei denen Elektronen freigesetzt bzw. gebunden werden. Bekannte Reaktanden sind Wasserstoff und Sauerstoff, die in Form verschiedener Fluide bereitgestellt werden können. Insbesondere Sauerstoff kann in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt werden. Allerdings können insbesondere beim Betrieb von HT-PEM Brennstoffzellen (High Temperature - Proton Exchange Membrane) bei Temperaturen unter dem Taupunkt Schäden an der Brennstoffzelle entstehen. Durch die Verwendung der Abgase des Reformers findet eine Aufheizung der Brennstoffzelle auf die benötigte Betriebstemperatur statt. Um diesen Vorgang abzukürzen, weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ein Wärmeelement auf, welches die Brennstoffzelle erhitzt. Um dieses zu ermöglichen, ist das Wärmeelement mit einer katalytischen Beschichtung zu versehen, an der eine Umsetzung des in dem Abgasstrom vorhandenen Treibstoffes stattfindet.The starting point for using the method according to the invention is the use of a fuel cell in a fuel cell system to generate electrical energy. The conversion of chemical into electrical energy using a fuel cell is an efficient and environmentally friendly method of generating electricity. Two spatially separate electrode reactions usually take place in which electrons are released or bound. Known reactants are hydrogen and oxygen, which can be provided in the form of various fluids. In particular, oxygen can be supplied to the fuel cell in the form of ambient air. However, damage to the fuel cell can occur, especially when operating HT-PEM fuel cells (High Temperature - Proton Exchange Membrane) at temperatures below the dew point. By using the exhaust gases from the reformer, the fuel cell is heated to the required operating temperature. In order to shorten this process, the fuel cell according to the invention has a heating element which heats the fuel cell. In order to make this possible, the heating element is to be provided with a catalytic coating on which the fuel present in the exhaust gas flow is converted.

Als katalytische Verbrennung wird im Rahmen der Erfindung eine Oxidation bezeichnet, die nicht mittels einer heißen Flamme abläuft, sondern kontrolliert mittels eines Katalysators bei niedrigeren Temperaturen. Durch niedrigere Verbrennungstemperaturen wird die Bildung von Stickoxiden (NO_x) so gut wie vollständig vermieden. Als Katalysatoren für die katalytische Verbrennung sind insbesondere Metalle der 8. Nebengruppe (Platin; Palladium; Rhodium) verwendbar. An die Form der Katalysatoren (Platten; Waben; Schüttgut) werden keine speziellen Anforderungen gestellt.In the context of the invention, catalytic combustion is an oxidation which does not take place by means of a hot flame, but is controlled by means of a catalyst at lower temperatures. The formation of nitrogen oxides (NO _x ) is almost completely avoided thanks to the lower combustion temperatures. Metals of transition group 8 (platinum; palladium; rhodium) can be used in particular as catalysts for the catalytic combustion. There are no special requirements for the shape of the catalysts (plates, honeycomb, bulk material).

Eine erste vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Treibstoff zumindest teilweise in einer der folgenden Phasen eingespritzt wird: Flüssig, fest, aerosolartig. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Treibstoff in den heißen Abgasen des Reformers in die gasförmige Phase überführt wird. Aus Gründen der Zuführung hat es sich vorteilhaft herausgestellt, wenn der Treibstoff in einer flüssigen Phase vorliegt. Nichtsdestoweniger können auch Bestandteile des eingespritzten Treibstoffes fest sein. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn der Treibstoff sehr stark abgekühlt wird und so kurzfristig in die feste Phase übergeht. Um eine optimale Verdampfung zu erreichen, sollte der Treibstoff in dem Abgasstrom zerstäubt werden. Die so erzielte große Oberfläche der Treibstoffpartikel erlaubt eine gleichmäßige und schnelle Verdampfung innerhalb des Abgasstromes. Als bevorzugt hat es sich heraus gestellt, wenn der Treibstoff mittels einer Pumpe aus einem Vorratsbehälter gepumpt wird. Dieser Vorratsbehälter kann identisch sein mit dem Behälter, aus dem jener Treibstoff entnommen wird, welcher in dem Reformer in den Brennstoff umgewandelt wird. Gleichfalls können Teile des im Reformer erzeugten Brennstoffes in einen Vorratsbehälter abgeführt werden und von dort aus, bei Bedarf in den Abgasstrom eingesprüht werden.A first advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the fuel is at least partially injected in one of the following phases: liquid, solid, aerosol-like. According to the invention, the fuel in the hot exhaust gases from the reformer is converted into the gaseous phase. For reasons of supply, it has turned out to be advantageous if the fuel is in a liquid phase. Nevertheless, components of the injected fuel can also be solid. This is the case in particular when the fuel is cooled down very strongly and thus changes to the solid phase for a short period of time. In order to achieve optimal vaporization, the fuel in the exhaust stream should be atomized. The large surface area of the fuel particles achieved in this way allows uniform and rapid evaporation within the exhaust gas flow. It has been found to be preferable if the fuel is pumped out of a reservoir by means of a pump. This reservoir can be identical to the container from which the fuel that is converted into fuel in the reformer is taken. Likewise, parts of the fuel generated in the reformer can be discharged into a storage container and from there, if necessary, sprayed into the exhaust gas flow.

Eine vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in der Aufheizphase mit zunehmender Abgastemperatur eine Menge an eingespritztem Treibstoff erhöht wird. Dadurch ist sichergestellt, dass der eingespritzte Treibstoff auch vollständig in dem Abgasstrom des Brenners verdampft. So bilden sich keine Flüssigkeitsreste in einer Abgasführung, welche den Abgasstrom auf die Brennstoffzelle leitet. Darüber hinaus muss die Brennstoffzelle bzw. das Wärmeelement eine Katalysetemperatur überschritten haben, bevor eine katalytische Umsetzung des Treibstoffes in Wärme geschehen kann. Ist diese Katalysetemperatur noch nicht erreicht, kann es passieren, dass der Treibstoff an dem Katalysator adsorbiert wird und so zu einer Kühlung der Brennstoffzelle bzw. des Wärmeelementes führt. Erschwerend kommt hinzu, dass bei einer Überschreitung der Katalysetemperatur es zu einer schlagartigen Zündung der katalytischen Verbrennung kommen kann, bei der die Temperatur auf dem Wärmeelement zumindest lokal 900°C weit überschreiten kann. Somit ist eine lokale Schädigung des Wärmeelementes bzw. des darin integrierten Katalysators möglich.An advantageous embodiment variant of the method according to the invention is characterized in that in the heating-up phase the quantity of fuel injected is increased as the exhaust gas temperature increases. This ensures that the injected fuel is also completely vaporized in the exhaust gas flow of the burner. In this way, no liquid residues form in an exhaust gas duct, which directs the exhaust gas flow to the fuel cell. In addition, the fuel cell or the heating element must have exceeded a catalytic temperature before a catalytic conversion of the Fuel can happen in heat. If this catalytic temperature has not yet been reached, it can happen that the fuel is adsorbed on the catalytic converter and thus leads to cooling of the fuel cell or the heating element. To make matters worse, if the catalytic temperature is exceeded, the catalytic combustion can suddenly ignite, in which case the temperature on the heating element can at least locally far exceed 900°C. Local damage to the heating element or the catalyst integrated in it is therefore possible.

Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Verfahren ist das Bestreben die Brennstoffzelle in einer kurzen Zeitspanne auf die benötigte Betriebstemperatur zu erwärmen. Der dazu auf die Brennstoffzelle geleitete Abgasstrom führt zusätzlich noch den verdampften Treibstoff mit, damit dieser katalytisch an der katalytischen Beschichtung des Wärmeelementes reagiert. Nach Erreichen der Betriebstemperatur führt die exotherme elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle dazu, dass deren Temperatur selbstständig weiter ansteigt. In diesem Fall kann es geboten sein, dass die Brennstoffzelle nicht mehr weiter erhitzt, sondern gekühlt wird. Es ist vorgesehen, dass in einer Kühlphase eine Kühlluft, insbesondere eine Umgebungsluft, dem Abgasstrom beigemischt wird, wobei die Kühlluft eine geringere Temperatur als der Abgasstrom aufweist. Diese Kühlluft kann insbesondere durch einen extern angeordneten Kühlventilator in den Abgasstrom eingebracht werden. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass der Kühlventilator nur der geringen Temperatur der Kühlluft ausgesetzt ist und nicht mit dem heißen Abgasstrom direkt in Verbindung tritt. Der Kühlventilator kann auch dazu genutzt werden, die Strömung innerhalb der Abgasführung aufrecht zu erhalten. Im Rahmen des Aufheizens generiert zwar der Brenner einen heißen Abgasstrom. Dieser muss jedoch auch auf die Brennstoffzelle geleitet werden. Durch eine entsprechende Anordnung des Kühlventilators kann dieser zuerst kalte Umgebungsluft auf die Brennstoffzelle leiten. An einem Verbindungsbereich der Abgasführung mit der Kühlluftzuführung entsteht dadurch ein Überdruck, der den Abgasstrom in Richtung der Brennstoffzelle drückt. Durch den entstehenden Kamineffekt kann die Leistung des Kühlventilators reduziert werden, da die warmen Abgase selbstständig für das Aufrechterhalten des Abgasstromes sorgen. Erst wenn die Aufheizphase abgeschlossen ist und das Brennstoffzellensystem in die Kühlphase übergeht, kann der Kühlventilator wieder aktiviert werden, um Kühlluft dem heißen Abgasstrom beizumischen.The starting point for the method according to the invention is the attempt to heat the fuel cell to the required operating temperature in a short period of time. The flow of exhaust gas directed to the fuel cell also carries the evaporated fuel with it, so that it reacts catalytically on the catalytic coating of the heating element. After the operating temperature has been reached, the exothermic electrochemical reaction of the fuel cell causes its temperature to continue to rise independently. In this case, it may be necessary that the fuel cell is no longer heated but cooled. Provision is made for cooling air, in particular ambient air, to be admixed with the exhaust gas flow in a cooling phase, with the cooling air having a lower temperature than the exhaust gas flow. This cooling air can be introduced into the exhaust gas flow in particular by an externally arranged cooling fan. This variant has the advantage that the cooling fan is only exposed to the low temperature of the cooling air and does not come into direct contact with the hot exhaust gas flow. The cooling fan can also be used to maintain the flow within the exhaust duct. During the heating process, the burner generates a hot exhaust gas stream. However, this must also be directed to the fuel cell. With a corresponding arrangement of the cooling fan, it can first direct cold ambient air to the fuel cell. This creates an overpressure at a connection area between the exhaust gas duct and the cooling air supply, which pushes the exhaust gas flow in the direction of the fuel cell. The resulting chimney effect can reduce the performance of the cooling fan, since the warm exhaust gases independently ensure that the exhaust gas flow is maintained. The cooling fan can only be activated again to mix cooling air with the hot exhaust gas flow when the heating-up phase is complete and the fuel cell system has switched to the cooling phase.

Da nach Abschluss der Aufheizphase die Brennstoffzelle selbstständig Wärme erzeugt, wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Übergang aus der Aufheizphase in die Kühlphase die Menge an eingespritztem Treibstoff reduziert. Die dem Verfahren zugrunde liegende Grundidee der schnellen Erwärmung der Brennstoffzelle ist abgeschlossen, sodass keine weitere externe Wärme mehr der Brennstoffzelle zugeführt werden muss. Aus Gründen der Abgasnachverbrennung kann es angebracht sein, noch kleine Mengen Treibstoff in den Abgasstrom einzuspritzen. Denn unter Verwendung des katalytisch beschichteten Wärmeelementes kann eine Nachverbrennung der Abgase mit hoher Luftzahl stattfinden. Dadurch findet eine nochmalige Reduktion der CO-, H₂- und Methanol- Emission in die Umgebungsluft statt. Durch die zugeführte kalte Kühlluft ist genügend Sauerstoff vorhanden, um eine nahezu vollständige Nachverbrennung der genannten Stoffe durchzuführen.Since the fuel cell automatically generates heat after the end of the heating-up phase, in a further advantageous embodiment of the method according to the invention the quantity of injected fuel is reduced during a transition from the heating-up phase to the cooling phase. The basic idea of rapid heating of the fuel cell on which the method is based is completed, so that no further external heat has to be supplied to the fuel cell. For reasons of exhaust gas afterburning, it may be appropriate to inject small amounts of fuel into the exhaust gas flow. Because when using the catalytically coated heating element, post-combustion of the exhaust gases can take place with a high air ratio. This results in a further reduction in CO, H ₂ and methanol emissions into the ambient air. Due to the supplied cold cooling air, there is enough oxygen to carry out an almost complete post-combustion of the substances mentioned.

Um eine optimale Einspritzung des Treibstoffes in den Abgasstrom vornehmen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens ein Temperatursensor mindestens eine Temperatur eines der folgenden Elemente misst: der Brennstoffzelle, des Wärmeelementes, des Abgasstromes oder der Kühlluft. Durch die ermittelten Temperaturen kann in einer zentralen Recheneinheit bestimmt werden, welche Menge an Treibstoff in den heißen Abgasstrom eingespritzt werden soll. Dadurch ist eine schnelle Überbrückung der Zeitspanne bis zum Erreichen der Betriebstemperatur durch die Brennstoffzelle möglich.In order to be able to optimally inject the fuel into the exhaust gas flow, it has proven to be advantageous if at least one temperature sensor measures at least one temperature of one of the following elements: the fuel cell, the heating element, the exhaust gas flow or the cooling air. The determined temperatures can be used to determine in a central processing unit what quantity of fuel is to be injected into the hot exhaust gas flow. As a result, it is possible to quickly bridge the period of time until the operating temperature is reached by the fuel cell.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer, einen Brenner und einer Abgasführung, wobei der Reformer aus einem Treibstoff wenigstens einen Brennstoff erzeugt, der Brennstoff in der Brennstoffzelle nutzbar ist, der Brenner den Reformer für die Erzeugung des Brennstoffes heizt, die Abgasführung einen Abgasstrom des Brenners auf die Brennstoffzelle leitet. Ferner wird ein Fördermittel den Treibstoff in flüssiger Form derart in den Abgasstrom einspritzt, dass der Treibstoff in dem Abgasstrom verdampft, wobei das Brennstoffzellensystem ferner einen extern angeordneten Kühlventilator zum Einbringen einer Kühlluft in den Abgasstrom aufweist, wobei das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem nach einem der oben beschriebenen Verfahren betreibbar ist. Dabei sollen Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gelten. Bei dem Fördermittel kann es sich insbesondere um eine Pumpe handeln, die den flüssigen Treibstoff aus einem Vorratsbehälter in die Abgasführung pumpt.The present invention also relates to a fuel cell system with a fuel cell, a reformer, a burner and an exhaust gas duct, the reformer generating at least one fuel from a fuel, the fuel being usable in the fuel cell, the burner heating the reformer to generate the fuel , the exhaust duct directs an exhaust gas stream of the burner to the fuel cell. Furthermore, a conveyor injects the fuel in liquid form into the exhaust gas flow in such a way that the fuel in the exhaust gas flow evaporates, the fuel cell system also having an externally arranged cooling fan for introducing cooling air into the exhaust gas flow, the fuel cell system according to one of the methods described above is operable. Features and details that were described in connection with the method according to the invention should also apply in connection with the fuel cell system according to the invention. The conveying means can in particular be a pump that pumps the liquid fuel from a reservoir into the exhaust gas duct.

Die dem Brennstoffzellensystem zugrunde liegende Brennstoffzelle kann, muss aber nicht aus einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten geformt sein. Jede der Einheiten weist eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode sowie ein Elektrolyt auf. Durch eine Beaufschlagung der Elektroden mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen wird durch eine elektrochemische Reaktion ein elektrischer Strom erzeugt. Da die Brennstoffzelle chemische Energie auf direktem Weg in elektrische Energie umwandelt, ist sie im Gegensatz zu einem Verbrennungsprozess nicht dem maximal theoretischen Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses unterworfen. Die beiden Brennstoffe werden häufig in Form verschiedener Fluide bereitgestellt. Ein Beispiel für die zwei korrespondierenden Elektrodenreaktionen sind die folgenden: H₂ => 2H⁺ + 2e^- (Anodenreaktion) 2H⁺ + 2e^- + ½ O₂ => H₂O (Kathodenreaktion). The fuel cell on which the fuel cell system is based can, but does not have to, go out a plurality of fuel cell units. Each of the units has a first electrode and a second electrode and an electrolyte. By applying two different fuels to the electrodes, an electric current is generated by an electrochemical reaction. Since the fuel cell converts chemical energy directly into electrical energy, in contrast to a combustion process, it is not subject to the maximum theoretical efficiency of a Carnot cycle. The two fuels are often provided in the form of different fluids. An example of the two corresponding electrode reactions are the following: H ₂ => 2H ⁺ + 2e ^- (anode reaction) 2H ⁺ + 2e ^- + ½ O ₂ => H ₂ O (cathode reaction).

Der gewonnene elektrische Strom kann in einer Last verbraucht werden.The electrical power obtained can be consumed in a load.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Elektrode als eine Anodenplatte ausgeformt sein. Bei einer Brennstoffzelle, welche mit den Reaktanden Sauerstoff und Wasserstoff betrieben wird, nimmt die Anode das Wasserstoffgas auf und die Kathode Sauerstoff, der insbesondere aus der Umgebungsluft zugeführt wird. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode, reagieren dort mit dem Sauerstoff und den Elektronen, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen, da dieser isolierend ist. Folglich ist es möglich, diese Elektronen durch eine Last zu führen, in der die Elektronen eine gewünschte Arbeit verrichten. Da häufig die von einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte Leistung nicht ausreicht, kann eine Kombination einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten in eine Brennstoffzelle stattfinden. Dabei sind Bipolarplatten zwischen den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten der Brennstoffzelle angeordnet. Für einzelne Brennstoffzelleneinheiten, die im Brennstoffzellenbetrieb genutzt werden und der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff dienen, liegt die gelieferte Spannung theoretisch bei ca. 1,23 Volt bei einer Temperatur von 25 °C. Häufig wird dieser theoretische Wert in der Praxis aber nicht erreicht, da die Spannung vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig ist. Um eine höhere Spannung zu erhalten, kann eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten in der Brennstoffzelle angeordnet sein. Insbesondere eine Reihenschaltung der Brennstoffzelleneinheiten ergibt eine leistungsfähige Brennstoffzelle.In an advantageous embodiment, the first electrode can be formed as an anode plate. In a fuel cell, which is operated with the reactants oxygen and hydrogen, the anode absorbs the hydrogen gas and the cathode absorbs oxygen, which is supplied in particular from the ambient air. The hydrogen gas is split in the anode to produce free protons and electrons. The protons pass through the electrolyte to the cathode, where they react with the oxygen and electrons to produce water. The electrons from the anode cannot pass through the electrolyte because it is insulating. Consequently, it is possible to pass these electrons through a load in which the electrons do a desired work. Since the power provided by a fuel cell is often insufficient, a plurality of fuel cell units can be combined into one fuel cell. In this case, bipolar plates are arranged between the individual fuel cell units of the fuel cell. For individual fuel cell units that are used in fuel cell operation and are used to convert hydrogen and oxygen, the voltage supplied is theoretically around 1.23 volts at a temperature of 25 °C. However, this theoretical value is often not reached in practice, since the voltage depends on the fuel, the quality of the cell and the temperature. In order to obtain a higher voltage, a plurality of fuel cell units may be arranged in the fuel cell. In particular, a series connection of the fuel cell units results in an efficient fuel cell.

Um eine Umsetzung des eingespritzten flüssigen Treibstoffes in dem Abgasstrom zu erreichen, zeichnet sich eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems dadurch aus, dass dieses ein Wärmeelement aufweist, wobei das Wärmeelement eine katalytische Beschichtung aufweist und der verdampfte Treibstoff an dem Wärmeelement katalytisch verbrennbar ist. Durch die katalytische Umsetzung des Treibstoffes entsteht Wärme, welche das Wärmeelement aufheizt. Die so gewonnene Wärme wird dann gemäß dem beschriebenen Verfahren genutzt, um die Brennstoffzelle aufzuheizen, damit diese die Betriebstemperatur erreicht.In order to achieve conversion of the injected liquid fuel in the exhaust gas flow, a further advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention is characterized in that it has a heating element, the heating element having a catalytic coating and the vaporized fuel being catalytically combustible on the heating element. The catalytic conversion of the fuel generates heat, which heats up the heating element. The heat obtained in this way is then used in accordance with the method described to heat up the fuel cell so that it reaches the operating temperature.

In einer Ausführungsvariante ist das Wärmelement Teil eines Gehäuses der Brennstoffzelle. Folglich umschließt das Wärmeelement die Brennstoffzelle zumindest bereichsweise. Der an dem Gehäuse vorbeistreichende Abgasstrom enthält den verdampften Treibstoff. Dieser reagiert katalytisch mit dem Wärmeelement und heizt so das Gehäuse der Brennstoffzelle auf. Durch eine entsprechende Auslegung der inneren Struktur der Brennstoffzelle ist ein Wärmetransport mit nur geringen Verlusten erreichbar. Folglich strömt die Wärme von dem äußeren Gehäuse in das Innere der Brennstoffzelle ein und sorgt so dafür, dass die erste und zweite Elektrode schnell eine Temperatur erreichen, welche einen Start der elektrochemischen Reaktion ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsvariante ist das Wärmelement ein katalytischer Brenner, der in dem Abgasstrom angeordnet ist. Der Treibstoff wird wiederum an der katalytischen Beschichtung des Wärmeelementes umgesetzt und erzeugt so eine direkte Erwärmung des Wärmeelementes. Die generierte Wärme wird aber nicht durch Wärmetransport in das Innere der Brennstoffzelle eingeführt. Vielmehr leitet der Abgasstrom die im Wärmeelement entstehende Wärme ab. Der Abgasstrom wird dadurch weiter erhitzt. Der nunmehr in seiner Temperatur erhöhte Abgasstrom trifft anschließend auf das Gehäuse der Brennstoffzelle auf. Die Kombination des warmen Abgasstromes mit der zusätzlichen durch das Wärmeelement eingebrachten Wärmemenge führt zu einer schnellen Aufheizung der Brennstoffzelle auf die benötigte Betriebstemperatur. Um eine schnelle katalytische Umsetzung des verdampften Treibstoffs an dem Wärmeelement zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die katalytische Beschichtung des Wärmeelementes einen Oxidationskatalysator aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die katalytische Beschichtung wenigstens einen der folgenden Stoffe aufweist: Platin, Palladium beschichtete Aluminium-Körper, Cereisen, Raney-Nickel, Rhodium, Palladium, Vanadiumpentoxid oder Samariumoxid.In one embodiment variant, the heating element is part of a housing of the fuel cell. Consequently, the heating element encloses the fuel cell at least in regions. The exhaust stream sweeping past the housing contains the vaporized fuel. This reacts catalytically with the heating element and thus heats up the housing of the fuel cell. By appropriately designing the internal structure of the fuel cell, heat can be transported with only minor losses. As a result, the heat flows from the outer case into the interior of the fuel cell, causing the first and second electrodes to quickly reach a temperature that enables the electrochemical reaction to start. In an alternative embodiment variant, the heating element is a catalytic burner which is arranged in the exhaust gas flow. The fuel is in turn converted at the catalytic coating of the heating element and thus generates direct heating of the heating element. However, the heat generated is not introduced into the interior of the fuel cell by heat transport. Rather, the exhaust gas flow dissipates the heat generated in the heating element. This further heats the exhaust gas flow. The exhaust gas flow, which has now increased in temperature, then hits the housing of the fuel cell. The combination of the warm exhaust gas flow with the additional amount of heat brought in by the heating element leads to the fuel cell heating up quickly to the required operating temperature. In order to achieve rapid catalytic conversion of the vaporized fuel on the heating element, it is advantageous if the catalytic coating of the heating element has an oxidation catalyst. In particular, it is advantageous if the catalytic coating has at least one of the following substances: platinum, palladium-coated aluminum bodies, cerium iron, Raney nickel, rhodium, palladium, vanadium pentoxide or samarium oxide.

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

Weitere Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
2 ein Diagramm einer Brennstoffzellentemperatur als Funktion der Zeit und
3 ein weiteres Diagramm der Brennstoffzellentemperatur als Funktion der Zeit.

Further advantages, features or details of the invention are in the following description Exercise, in which exemplary embodiments of the invention are explained in detail with reference to the drawings, is described. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. Show it:

1 a fuel cell system according to the invention,
2 a plot of fuel cell temperature as a function of time and
3 another plot of fuel cell temperature as a function of time.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Brennstoffzelle 20, die zur elektrochemischen Umsetzung von zwei Brennstoffen zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispieles, weist die Brennstoffzelle 20 eine Anode 21 und eine Kathode 22 auf. Dieses soll nicht als Beschränkung dahingehend verstanden werden, dass die Brennstoffzelle 20 ausschließlich mit einer Anode 21 und einer Kathode 22 betrieben werden kann. Vielmehr kann die Brennstoffzelle 20 auch eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten aufweisen, bei der jede der Einheiten über eine Anode 21 und Kathode 22 verfügt. Die in der Zeichnung gewählte Brennstoffzelle 20 soll vielmehr eine einfache Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemes 10 ermöglichen.In 1 a fuel cell system 10 according to the invention is shown. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 20, which is used for the electrochemical conversion of two fuels to generate electrical energy. In the context of the exemplary embodiment shown, the fuel cell 20 has an anode 21 and a cathode 22 . This should not be understood as a restriction to the effect that the fuel cell 20 can be operated exclusively with an anode 21 and a cathode 22 . Rather, the fuel cell 20 can also have a multiplicity of fuel cell units, in which each of the units has an anode 21 and a cathode 22 . Rather, the fuel cell 20 selected in the drawing is intended to enable a simple explanation of the fuel cell system 10 according to the invention.

In der dargestellten Brennstoffzelle 20 werden Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch verbrannt, um daraus elektrischen Strom zu generieren. Der Sauerstoff wird der Brennstoffzelle 20 durch eine Umgebungsluft 24 zugeführt. Die Umgebungsluft 24 tritt dabei durch einen Wärmetauscher 25 hindurch, der für eine Erwärmung sorgt. Anschließend wird die Umgebungsluft 24 der Brennstoffzelle 20 an der Seite der Kathode 22 zugeführt. Der Wasserstoff kann einerseits in einem speziell dafür vorgesehenen Behälter gelagert sein und der Brennstoffzelle 20 zugeführt werden. Allerdings ist Wasserstoff chemisch sehr reaktiv und stellt somit ein gewisses Gefährdungspotential dar. Folglich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen chemisch stabileren Stoff mitzuführen, welcher in einem Reformer 30 in Wasserstoff umgesetzt wird. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 10, weist einen Tank 60 auf, in welchem Träger von Wasserstoff, wie etwa Biomasse, fossile Energieträger, wie zum Beispiel Erdgas oder Methanol, gelagert werden können. Diese Wasserstoffträger werden über eine Förderpumpe 61 in einen Verdampfer 36 gefördert. Nachdem der Energieträger in die gasförmige Phase übergegangen ist, wird dieser in einem Reformer 30 katalytisch umgesetzt. Dieses kann beispielsweise im Rahmen einer Dampfreformierung geschehen. Vorraussetzung dafür ist die Zufuhr von Wärme durch einen Brenner 35. Dieser Brenner 35 kann ebenfalls durch den Energieträger aus dem Tank 60 betrieben werden. Eine Treibstoffpumpe sorgt für einen entsprechenden Transport des Energieträgers in den Brenner, wo dieser verbrannt wird, um die benötigte Energie für die Dampfreformierung zu erzeugen. Bei der Dampfreformierung findet eine katalytische Umsetzung von leichten Kohlenwasserstoffen statt, aus welchen unter Zuführung der Wärme des Brenners 35 ein Synthesegas hervorgeht. Dieses weist insbesondere Kohlenmonoxyd, Methan und Wasserstoff auf. Der so erzielte Wasserstoff wird über eine Versorgungsleitung 27 der Anode 21 zugeführt.In the fuel cell 20 shown, hydrogen and oxygen are combusted electrochemically in order to generate electricity therefrom. The oxygen is supplied to the fuel cell 20 by ambient air 24 . The ambient air 24 passes through a heat exchanger 25, which ensures heating. Then, the ambient air 24 is supplied to the fuel cell 20 on the cathode 22 side. On the one hand, the hydrogen can be stored in a container specially provided for this purpose and fed to the fuel cell 20 . However, hydrogen is chemically very reactive and thus poses a certain risk potential. Consequently, it has proven to be advantageous to carry along a chemically more stable substance, which is converted into hydrogen in a reformer 30 . The fuel cell system 10 shown has a tank 60 in which carriers of hydrogen, such as biomass, fossil fuels, such as natural gas or methanol, can be stored. These hydrogen carriers are fed into an evaporator 36 via a feed pump 61 . After the energy source has transitioned into the gaseous phase, it is catalytically converted in a reformer 30 . This can happen, for example, as part of a steam reforming. The prerequisite for this is the supply of heat by a burner 35. This burner 35 can also be operated by the energy source from the tank 60. A fuel pump ensures that the energy carrier is transported to the burner, where it is burned to generate the energy required for steam reforming. In the steam reforming, a catalytic conversion of light hydrocarbons takes place, from which a synthesis gas results when the heat of the burner 35 is supplied. This includes in particular carbon monoxide, methane and hydrogen. The hydrogen obtained in this way is supplied to the anode 21 via a supply line 27 .

Brennstoffzellen 20, insbesondere bei HT-PEM (High Temperature- Proton Exchange Membran) Brennstoffzellen können erst bei Temperaturen von 130°C bis 180°C betrieben werden. Folglich muss vor Betriebsbeginn in einer Aufheizphase die Temperatur der Brennstoffzelle auf mindestens 130°C gebracht werden. Um diese Vorgabe zu erfüllen, werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Mehrzahl verschiedener Schritte durchgeführt. Die noch kalte Brennstoffzelle 20 soll in der Aufheizphase auf die gewünschte Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Dazu wird innerhalb der Aufheizphase der zumindest teilweise flüssige Treibstoff aus dem Tank 60 in einen Abgasstrom des Brenners 35 eingespritzt. Dadurch, dass der Abgasstrom des Brenners 35 eine Temperatur aufweist, die oberhalb des Verdampfungspunktes des Treibstoffes liegt, wird der Treibstoff in dem Abgasstrom in ein Treibstoffgas umgewandelt. Mittels einer Abgasführung 50 wird der Abgasstrom auf die Brennstoffzelle 20 geleitet. Durch den warmen Abgasstrom findet eine Aufheizung der Brennstoffzelle 20 statt. Eine zusätzliche Aufheizung der Brennstoffzelle 20 und eine damit verbundene Verkürzung der Aufheizphase finden dadurch statt, dass das im Abgasstrom enthaltene Treibstoffgas mit einer katalytischen Beschichtung eines Wärmeelementes 40 reagiert. Bei dieser Reaktion wird das Treibstoffgas katalytisch verbrannt und eine Wärme erzeugt, die die Brennstoffzelle 20 erhitzt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der flüssige Treibstoff aus dem Tank 60 nicht zuerst in einem Verdampfer in ein Treibstoffgas umgewandelt und dann dem Abgasstrom beigefügt wird. Vielmehr erfolgt die Verdampfung des Treibstoffes unter Zuhilfenahme der hohen Temperatur des Abgasstromes.Fuel cells 20, in particular in the case of HT-PEM (High Temperature Proton Exchange Membrane) fuel cells, can only be operated at temperatures of 130.degree. C. to 180.degree. Consequently, before starting operation, the temperature of the fuel cell must be brought to at least 130°C in a heating-up phase. In order to meet this requirement, a number of different steps are carried out as part of the method according to the invention. The still cold fuel cell 20 is to be heated up to the desired operating temperature in the heating-up phase. For this purpose, the at least partially liquid fuel is injected from the tank 60 into an exhaust gas stream of the burner 35 within the heating-up phase. Because the exhaust stream of the combustor 35 is at a temperature above the vaporization point of the fuel, the fuel in the exhaust stream is converted into a fuel gas. The exhaust gas flow is conducted to the fuel cell 20 by means of an exhaust gas duct 50 . The fuel cell 20 is heated by the warm exhaust gas stream. An additional heating of the fuel cell 20 and an associated shortening of the heating phase take place because the fuel gas contained in the exhaust gas flow reacts with a catalytic coating of a heating element 40 . In this reaction, the fuel gas is catalytically burned and heat is generated, which heats the fuel cell 20 . The advantage of the method according to the invention is that the liquid fuel from the tank 60 is not first converted into a fuel gas in an evaporator and then added to the exhaust gas stream. Rather, the fuel is vaporized with the aid of the high temperature of the exhaust gas flow.

Um dem Abgasstrom eine definierte Strömungsrichtung hin zu einem Abgasaustritt 26 zu verschaffen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein Gebläse 55 zu nutzen. Dieses Gebläse 55 fördert eine Kühlluft, insbesondere eine Umgebungsluft derart, dass diese dem Abgasstrom beigemischt wird und für eine entsprechend definierte Strömungsrichtung sorgt. Die dargestellte Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass das Gebläse 55 nur mit der Umgebungsluft in Berührung kommt. Folglich muss das Gebläse 55 nicht für die hohen Temperaturen des Abgasstromes in der Abgasführung 50 ausgelegt sein. Im Rahmen der Aufheizphase wird ein geringer Anteil von Umgebungsluft durch das Gebläse 55 dem Abgasstrom beigemischt. Die zugeführte Menge muss nur ausreichen, um eine definierte Strömungsrichtung zu erzeugen. Die Steuerung der beigemischten Umgebungsluftmenge kann durch eine Variation einer Drehzahl des Gebläses 55 und/oder eine Stellung einer Abdeckung 56 geschehen. Dabei regelt die Abdeckung 56 einen dem Gebläse zugeführten Volumenstrom. Um die Menge des eingespritzten Treibstoffes zu optimieren, hat es sich als vorteilhaft erwiesen eine Mehrzahl von Temperatursensoren 81, 81', 81" in das Brennstoffzellensystem 10 zu integrieren. Somit ist es möglich, mit steigender Abgastemperatur des Brenners 36 die Menge des eingespritzten flüssigen Treibstoffes zu erhöhen. Die Brennstoffzufuhr kann dabei von einem Steuergerät 80 geregelt werden.In order to give the exhaust gas flow a defined direction of flow towards an exhaust gas outlet 26, it has proven to be advantageous to use a blower 55. This blower 55 conveys cooling air, in particular ambient air, in such a way that it is mixed with the exhaust gas flow and ensures a correspondingly defined flow direction. The embodiment shown has the advantage that the fan 55 only comes into contact with the ambient air. Consequently, the fan 55 does not have to be designed for the high temperatures of the exhaust gas flow in the exhaust gas duct 50 . As part of the heating-up phase, a small proportion of ambient air is admixed to the flow of exhaust gas by the blower 55 . The amount supplied only has to be sufficient to generate a defined direction of flow. The ambient air quantity mixed in can be controlled by varying the speed of the fan 55 and/or by setting a cover 56 . In this case, the cover 56 regulates a volumetric flow supplied to the blower. In order to optimize the quantity of injected fuel, it has proven to be advantageous to integrate a plurality of temperature sensors 81, 81', 81" into the fuel cell system 10. It is thus possible, with increasing exhaust gas temperature of burner 36, to measure the quantity of liquid fuel injected The fuel supply can be regulated by a control unit 80 in this case.

In den 2 und 3 sind Diagramme dargestellt, welche den Zeitablauf der Regelgrößen Reformertemperatur 100 und Brennstoffzellentemperatur 110 sowie den Stellgrößen Kuhlluftvolumenstrom 130 und beigemischter Menge Treibstoff 140 in einer Aufheizphase darstellt. Ebenfalls eingezeichnet ist ein Regelwert für die erzeugte Stromproduktion 140 durch die Brennstoffzelle 20. Zu Beginn der Aufheizphase wird der Reformer 30 durch den Brenner 35 aufgewärmt. Nach ca. 50 Sekunden hat die Temperatur des Abgases einen Wert erreicht, bei dem mit der Verdampfung des zumindest teilweise flüssigen Treibstoffes begonnen werden kann. Mit zunehmender Steigung der Reformer- und Abgastemperatur wird die Menge des eingespritzten Treibstoffes erhöht und gleichzeitig auch die Menge der von dem Gebläse 80 geförderten Umgebungsluft angehoben, um eine genügende Verbrennungsluft für die Aufheizung der Brennstoffzelle 20 bereitzustellen. Nach ca. 80 Sekunden ist die Temperatur des Abgases hoch genug, um die maximale Menge an Treibstoff beizumischen. Schon nach einer kurzen Zeit von 130 Sekunden hat die Brennstoffzelle 20 eine Temperatur von ca. 125°C erreicht, welcher die beiden Brennstoffe zur Stromproduktion in die Brennstoffzelle geleitet werden können. Die Beimischung des Treibstoffes in den Abgasstrom wie auch die Leistung des Gebläses 55 können reduziert werden, um die Brennstoffzelle 20 im weiteren Aufheizvorgang nicht unnötig zu kühlen. Eine weitere Erwärmung bis zur optimalen Betriebstemperatur erfolgt auf Grund der Stromproduktion der Brennstoffzelle 20. Beim Erreichen der Betriebstemperatur nach ca. 220 Sekunden, kann die Leistung des Gebläses 55 wieder angehoben werden und der Wärmeproduktion der Brennstoffzelle 20 angepasst werden. Alternativ zu dem in 2 beschriebenen Verfahren, ist es auch möglich, die Aufheizzeit noch weiter zu verringern, in dem der Treibstoff bis zum Erreichen der endgültigen Betriebstemperatur zugegeben wird. Dieses verdeutlicht das Diagramm aus 3.In the 2 and 3 Graphs are shown which show the timing of the control variables reformer temperature 100 and fuel cell temperature 110 as well as the control variables cooling air volume flow 130 and admixed amount of fuel 140 in a heating-up phase. A control value for the electricity production 140 generated by the fuel cell 20 is also shown. At the beginning of the heating-up phase, the reformer 30 is heated up by the burner 35 . After about 50 seconds, the temperature of the exhaust gas has reached a value at which the vaporization of the at least partially liquid fuel can begin. As the reformer and exhaust gas temperature increases, the amount of fuel injected increases and at the same time the amount of ambient air conveyed by the blower 80 is also increased in order to provide sufficient combustion air for heating the fuel cell 20 . After about 80 seconds, the temperature of the exhaust gas is high enough to add the maximum amount of fuel. After a short time of 130 seconds, the fuel cell 20 has reached a temperature of approximately 125° C., at which the two fuels can be fed into the fuel cell to produce electricity. The addition of the fuel to the exhaust gas flow as well as the power of the blower 55 can be reduced in order not to cool the fuel cell 20 unnecessarily during the further heating process. Further heating up to the optimal operating temperature takes place due to the power production of the fuel cell 20. When the operating temperature is reached after approx. As an alternative to the in 2 described method, it is also possible to further reduce the heating-up time by adding the fuel until the final operating temperature is reached. This clarifies the diagram 3 .

Claims

Method for temperature control in a fuel cell system (10), with a fuel cell (20), a reformer (30) and a burner (35), wherein in the reformer (30) at least one fuel is produced from a fuel, the burner (35) heating the reformer (30) to generate the fuel, the method comprising the following steps: - In a heating-up phase, the at least partially liquid fuel is injected into an exhaust gas stream of the burner (35), - the fuel in the exhaust stream evaporates into a fuel gas, - the exhaust gas flow is directed to the fuel cell (20), - the propellant gas reacts with a catalytic coating of a heating element (40), - During the reaction, the fuel gas is burned catalytically and heat is generated, which heats the fuel cell (20), cooling air being mixed with the exhaust gas flow in a cooling phase, the cooling air having a lower temperature than the exhaust gas flow.

procedure after claim 1 , characterized in that the fuel is at least partially injected in one of the following phases: liquid, solid or aerosol-like, in particular that the fuel is atomized in the exhaust gas flow, particularly preferably that the fuel is pumped from a storage tank by means of a pump.

Procedure according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that an amount of injected fuel is increased in the heating-up phase with increasing exhaust gas temperature.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the cooling phase ambient air is mixed with the exhaust gas flow as the cooling air, in particular that the cooling air is conveyed into the fuel cell system (10) with a cooling fan.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the quantity of injected fuel is reduced during a transition from the heating phase to the cooling phase.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one temperature sensor measures at least one temperature of one of the following elements: the fuel cell (20), the heating element, the exhaust gas flow or the cooling air.

Fuel cell system (10), with a fuel cell (20), a reformer (30), a burner (35) and an exhaust gas duct (50), wherein the reformer (30) produces at least one fuel from a fuel, the fuel in the fuel cell ( 20) can be used, the burner (35) heats the reformer (30) for the generation of the fuel, the exhaust gas duct (50) directs an exhaust gas stream from the burner to the fuel cell (20), with a conveying means transporting the fuel in liquid form to the Exhaust gas flow injects that the fuel in the exhaust gas flow evaporates, wherein the fuel cell system (10) further comprises an externally arranged cooling fan for introducing a cooling air into the exhaust gas flow, wherein the fuel cell system (10) according to one of the preceding Claims 1 until 6 is operable.

Fuel cell system (10) after claim 7 , characterized in that the fuel cell system (10) has a heating element (40), wherein the heating element (40) has a catalytic coating and the vaporized fuel on the heating element (40) is catalytically combustible.

Fuel cell system (10) after claim 8 , characterized in that the heating element is part of a housing of the fuel cell (20).

Fuel cell system (10) according to one of Claims 8 until 9 , characterized in that the heating element (40) is a catalytic burner, which is arranged in the exhaust gas flow.

Fuel cell system (10) according to one of Claims 8 until 10 , characterized in that the catalytic coating of the heating element comprises at least one of the following substances: platinum, palladium-coated aluminum bodies, cerium, Raney nickel, rhodium, palladium, vanadium pentoxide or samarium oxide.