WO2011060918A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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WO2011060918A1
WO2011060918A1 PCT/EP2010/006972 EP2010006972W WO2011060918A1 WO 2011060918 A1 WO2011060918 A1 WO 2011060918A1 EP 2010006972 W EP2010006972 W EP 2010006972W WO 2011060918 A1 WO2011060918 A1 WO 2011060918A1
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gas
exhaust gas
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Steffen Wieland
Bernd Weeber
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Enymotion Gmbh
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    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell and a gas generating system for providing reformate gas from a hydrocarbonaceous fuel.
  • Fuel cells are electrochemical energy converters that can produce electricity in an environmentally sound manner in terms of noise and energy efficiency.
  • the energy source used is hydrogen in a fuel cell, which is either fed in directly or produced from a hydrocarbon-containing fuel (eg liquefied petroleum gas) by means of a gas generation system.
  • Hydrocarbon-containing fuels are usually reacted in a reformer with air and water vapor in hydrogen and other by-products such as carbon dioxide and carbon monoxide.
  • the water vapor required for this process is usually provided from liquid water that is externally supplied externally or partially recovered from the process in liquid form. For admixture in the reformer, the liquid water is first evaporated and then fed in gaseous state.
  • the gas generation system e.g., an autothermal reformer
  • the gas generation system still does not provide the optimal gas composition for the fuel cell.
  • an evaporator for the water used in the gas generating system or for humidification in the fuel cell must first reach its operating temperature, before the steam generation works optimally.
  • the operating mode is understood in which all the system components have reached their predetermined operating temperature and perform their optimal performance.
  • the fuel cell can then provide consumers with constant electrical power.
  • DE 103 09 794 A1 shows that the water contained in the cathode exhaust air filtered through selectively permeable to water vapor membranes and the fuel cell is supplied in the gaseous state again.
  • the reformate gas is admixed with the cathode exhaust air bypassing the fuel cell in order to recover the water produced in the gas generating system.
  • the remaining exhaust air is always discharged into the environment.
  • DE 199 04 71 1 C2 discloses a process for the recovery of water in nominal operation by recycling the effluent from the cathode, oxygen-depleted and enriched with water vapor in the gas generating system.
  • DE 103 50 039 A1 discloses parts of the exhaust gas of the anode in the burner of the reformer due to improve its heating effect, in particular by the high content of hydrogen in the supplied exhaust gas.
  • the recovered heat energy is fed to the reformer for the endothermic process of steam reforming.
  • this document aims at the flame stability in the burner and not at the use of the water in process.
  • the reformat gas which is still unsuitable for the fuel cell, is branched off before it and ultimately fed to the burner.
  • the anode exhaust gas is thermally converted in a burner and the heat energy thus obtained is used to heat the educts for the gas generation system.
  • the water contained in the anode exhaust gas and the cathode exhaust air is condensed and fed to a reservoir, from which it is then introduced back into the process.
  • the object of the invention is to introduce a fuel cell system with improved water management.
  • a gas generating system for providing reformate gas from a hydrocarbonaceous fuel and an afterburner arranged in an exhaust pipe downstream of the fuel cell, which is at least passed by a portion of the exhaust gas of the fuel cell and thermally reacted in the combustible components of the exhaust gas an exhaust gas recirculation downstream of the afterburner to the input side of the gas generating system is provided, so that at least a portion of the exhaust gas, in particular in a start-up phase of the system, is fed into the educt current of the gas generating system.
  • the fuel cell system is designed so that all the water required during operation of the fuel cell is provided by the operation of the fuel cell system.
  • the system can therefore do without an external water supply, especially in the start-up phase of the system, when the gas generating system is not yet running at full power.
  • the combustion taking place in the afterburner, in particular of the hydrogen in the reformate gas, produces water which is fed into the gas generating system via the exhaust gas recirculation.
  • the water is preferably always completely in the gaseous state (also referred to as the vapor state) returned to the exhaust gas flow to the gas generating system, which is advantageous both in the start phase due to the still low temperatures prevailing in the gas generating system, as well as imr nominal operation, as running in the gas generating system chemical processes, the water is always required in vapor form.
  • the process steps to condense the water first and then evaporate again, can thus be omitted, which in addition to the procedural simplification additionally improves the efficiency of the system.
  • the fuel cell system can be designed so that no liquid water is present in the system, so that all existing water is always in the gaseous state. Thus, the system can also be used and approached below freezing. An external supply for process water can be dispensed with, which simplifies the fuel cell system.
  • the exhaust gas recirculation may include cooling and / or heating of the exhaust gas to adjust the temperature of the exhaust gas fed into the gas generating system according to the conditions desired therein.
  • a switchable bypass line is provided for the fuel cell, which is designed so that, if necessary, in particular in a start-up phase, the reformate gas from the gas generating system is bypassed the fuel cell to the afterburner.
  • the gas generating system is operated with such a high power that after the combustion of the gas generating system derived reformate gas in the afterburner a sufficient amount of water vapor to produce a for the Fuel cell suitable process gas is available.
  • the exhaust gas recirculation may comprise a delivery device for the exhaust gas, so that it is ensured in a simple manner that the respectively required amount of exhaust gas is made available to the gas generation system without negatively influencing the flow conditions.
  • the conveyor may for example comprise a Venturi nozzle. This Venturi nozzle can be arranged in the educt line of the gas generating system or in an air feed line to the gas generating system and bring about a suction of the exhaust gas via the gas flow prevailing there.
  • a return is provided for the cathode exhaust air from the cathode to the input side of the gas generating system, which is active in particular in nominal operation.
  • the water generated in the cathode can be fed directly to the reformer of the gas generating system and used as starting material.
  • Such a return of the cathode exhaust air is, as mentioned, particularly advantageous in nominal operation, when the hydrogen of the reformate gas is largely converted into water in the fuel cell.
  • a heater may be arranged, for example, an evaporator or superheater, which may be heated by waste heat of the afterburner and its task is to overheat the already gaseous contained in the exhaust water and thus to ensure that the water in the gaseous state enters the gas generating system.
  • the invention also relates to a method for operating a fuel cell system. The method is particularly advantageous for one of the fuel cell systems described above.
  • At least in the starting phase at least part of the exhaust gas is returned after the afterburner into the educt current of the gas generating system and the process water required for operating the fuel cell system is recovered in gaseous form and completely from the exhaust gas.
  • the reformate gas is preferably passed from the gas generating system via the bypass line, bypassing the fuel cell to the afterburner.
  • the entire reformate gas supplied by the gas generating system is thermally converted and burned in the afterburner, wherein the water formed there is recycled via the exhaust gas recirculation with the exhaust gas stream in the educt current of the gas generating system.
  • the water Due to the temperatures prevailing in the afterburner, the water is gaseous and is introduced in this state into the gas generating system and in particular into the reformer of the gas generating system.
  • the gas generating system can be operated without consideration of the carbon monoxide in the reformate gas, since the gas generated does not enter the fuel cell, but is passed over the bypass at this.
  • the exhaust gas recirculation is advantageously controlled so that either only a part or the entire volume of the exhaust stream is returned, depending on the process parameters just required and the amount of water vapor just required.
  • the cathode exhaust air is now returned to the input side of the gas generating system to supply the water contained in the exhaust air to the reforming process.
  • the anode exhaust gas of the fuel cell which contains excess hydrogen, is still supplied to the afterburner. From there it is discharged into the environment. In nominal operation, the return of the anode exhaust gas is not active. In this state, all the process water required together with the cathode exhaust gas is provided to the gas generating system as starting material. An external supply of process water is not necessary.
  • the entire water in the fuel cell system is preferably always in gaseous form, liquefaction and subsequent renewed evaporation or else filtering out does not take place.
  • the heat generated by the afterburner is supplied to the recirculated cathode exhaust air, for example to ensure that the water contained in the exhaust air does not condense, but reaches the gas generating system in the gaseous state. It is also possible to utilize the heat generated by the afterburner to heat parts of the gas generating system.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention in accordance with a second embodiment
  • FIG. 3 is a graph showing the dependence of the air stoichiometry and the water content on the cathode air stoichiometry.
  • the fuel cell system 10 shown in FIG. 1 has one or more fuel cells 12. This may also be fuel cell stacks, with only a single fuel cell being shown for reasons of clarity.
  • a gas generating system 14 is upstream of the fuel cell 12 in which a reformate or process gas for the fuel cell 12 is generated from a hydrocarbon-containing fuel 16 (eg, LPG).
  • the gas generating system 14 has, inter alia, a reformer (not shown separately), in which a conversion of the fuel into hydrogen and carbon dioxide or carbon monoxide takes place, here according to the principle of autothermal reforming.
  • the hydrocarbonaceous fuel 16 is supplied to the gas generating system from a storage tank.
  • An afterburner 18 is connected downstream of the fuel cell 12, wherein the fuel cell system 10 is designed so that all of the exhaust gas coming from the anode 12a of the fuel cell 12 passes the afterburner 18.
  • the afterburner 18 is here a catalytic burner in which a preferably complete thermal Implementation of the combustible components of the exhaust gas of the fuel cell 12 takes place. From the afterburner 18, the exhaust gas enters an exhaust pipe 24th
  • the fuel cell system 10 also has an exhaust gas recirculation 20, with an exhaust gas recirculation line 22, which branches off from the exhaust pipe 24 downstream of the afterburner 18. Via the exhaust gas recirculation line 22, the exhaust gas can be guided to the input side 26 of the gas generating system 14 to the input of the reformer, where it is added to the reactant stream of the gas generating system 14.
  • the exhaust gas recirculation 20 also has a delivery device 28, which is arranged here in the exhaust gas recirculation line 22 and which actively transports the exhaust gas to the input side 26 of the gas generation system 14.
  • the delivery device 28 is a pump.
  • Exhaust gas recirculation 20 preferably also includes a control unit (not shown) that can control the amount and possibly the flow rate of exhaust gas delivered to input side 26 of gas generating system 14. The volume fraction of the exhaust gas which is not returned to the gas generating system 14 leaves the fuel cell system 10 through the exhaust pipe 24.
  • a control unit not shown
  • the exhaust gas recirculation 20 to a cooling and / or a heater 30 for the recirculated exhaust gas.
  • the cooling or heating 30 is realized by a heat exchanger integrated in the exhaust gas recirculation line 22.
  • the gas generating system 14 is supplied with air via an air feed line 32, wherein the amount of air supplied is controllable (not shown).
  • the cathode 12b is supplied via an air supply 33, which has a delivery unit, e.g. in the form of a pump, supplied with oxygen-containing air.
  • the fuel cell system 10 also has a bypass line 38, which branches off from the reformate gas line 40 between the gas generating system 14 and the fuel cell 12 and bypassing the fuel cell 12 in the exhaust pipe 42 between the fuel cell 12 and the afterburner 18 opens.
  • a controllable valve of a device 44 allows to switch the gas-carrying lines so that either the entire process gas is passed by the bypass line 38 to the fuel cell 12, the entire process gas flows through the fuel cell 12 or, if appropriate, that only a portion of the process gas through the fuel cell 12 and another part is guided through the bypass line 38.
  • a return 46 for the exhaust air of the cathode 12 b of the fuel cell 12 is provided, which returns the exhaust air from the outlet of the cathode 12 b to the input side 26 of the gas generating system 14, more precisely to the input of the reformer, in the reactant stream.
  • the exhaust return can be assisted by a conveyor such as a pump or venturi.
  • the recirculation 46 may be designed to be heatable or coolable analogous to the feedback 20 of the anode exhaust gas described below.
  • a heater 48 in the form of an evaporator or superheater is arranged in the recirculation 46 for the cathode exhaust air, which overheats the gaseous water contained in the exhaust air and thus prevents condensation.
  • the heater 48 draws its heat energy wholly or partly from the waste heat of the afterburner 18th
  • the fuel cell system 10 can be operated in two different operating states, on the one hand in a starting phase during startup of the system and in rated operation, in which electrical energy is generated.
  • the components in particular those of the gas generating system 14, are initially still cold.
  • the composition of the reformate gas generated therefore does not yet correspond to that necessary for the operation of the fuel cell 12.
  • this relates to the carbon monoxide content, which contributes to the Fuel cell 12 may be harmful concentrations.
  • No water is stored in the system, either in liquid or gaseous form.
  • the gas generating system is supplied with water in the gaseous state with the exhaust gas flow emerging from the afterburner 18.
  • the fuel cell system 10 is operated so that the reformate gas generated in the gas generating system 14 completely bypasses the fuel cell 12 via the bypass line 38 and is burned in the afterburner 18.
  • the device 44 is switched so that the entire process gas flows through the bypass line 38.
  • water is formed which is gaseous at the high temperatures prevailing in the afterburner 18.
  • the exhaust gas is wholly or partially recycled via the exhaust gas recirculation to the input side 26 of the gas generating system 14, so that in the gas generating system 14, the water generated in the afterburner 18 is available for the reforming process.
  • This supply of gaseous water begins almost immediately with system startup. This ensures that in the reformer of the gas generating system 14 no pure partial oxidation takes place, but by the presence of water vapor already an autothermal reforming, which produces more hydrogen, so that the system is quickly brought into nominal operation.
  • the recycling of water vapor and nitrogen in the exhaust gas causes a reduction of the temperature in the reformer and thus reduces soot formation.
  • the reformer of the gas generating system 14 and / or the afterburner 18 can, in particular in the start-up phase, be electrically heated to bring the reformer quickly to its operating temperature.
  • the temperature of the recirculated exhaust gas can be adapted to the temperature required for the process in the exhaust gas recirculation line 22, or, in particular when using a pump as a conveyor 28, the temperature of the exhaust gas to one for the pump acceptable temperature can be reduced.
  • the device 44 may be optionally switched so that the reformate gas exclusively to the anode 12 a of the fuel cell and not more flows through the bypass line 38. Now, the hydrogen of the reformate gas is converted to water, producing electricity.
  • the supplied process air is depleted on the cathode side 12 b by the electrochemical reaction with oxygen and enriched with product water.
  • the cathode exhaust air is now wholly or partly fed directly from the cathode 12b via the heater 48 to the inlet side 26 of the gas generating system 14, so that the gaseous water contained in the exhaust air is fed as educt to the reforming process.
  • the water When returning to the gas generating system 14, the water remains in the gaseous state the whole time, so it is not condensed out and later evaporated again.
  • the fuel cell In nominal operation, the fuel cell is operated with an air stoichiometry ⁇ of 1, 6 to 1, 8 in the cathode air, so that after the reaction in the fuel cell 12, the recirculated exhaust gas still contains so much oxygen that in the gas generating system 14 an autothermal reforming with an air lambda ⁇ of 0.3 is possible.
  • the gaseous water optimizes the process.
  • the combustion air ratio ⁇ describes the ratio between the amount of air supplied and the amount of air required for the stoichiometric conversion.
  • a ⁇ of 1 the fuel is completely stoichiometrically reacted with the amount of air supplied.
  • the water vapor content is at an S / C value of about 2 (Steam to Carbon), which is ideal for the autothermal process and thus a efficient production of hydrogen allows.
  • S / C value of about 2 (Steam to Carbon), which is ideal for the autothermal process and thus a efficient production of hydrogen allows.
  • the difference to the just described fuel cell system 10 is in the manner of the conveyor 28' in the exhaust gas recirculation 20.
  • the conveyor 28 ' is formed by a Venturi nozzle, which in FIG the educt line 50 is arranged on the input side 26 of the gas generating system 14.
  • the prevailing gas flow causes a negative pressure in the exhaust gas recirculation line 22 and pulls the exhaust gas into the educt line 50 into it.
  • the air to flow into the gas generating system 14 is fed into the educt line 50 in front of the venturi to provide a strong gas flow.
  • Venturi nozzle it would also be possible to realize the introduction of air differently and to arrange the venturi in the air supply line.
  • One of the advantages of using a Venturi nozzle is that it is resistant to high temperatures and does not require any electrical power to operate.
  • the Venturi nozzle itself could be heated or cooled to bring the educt gas stream to the desired temperature.
  • the exhaust gas recirculation line 22 may be arranged a controllable valve (not shown), via which the gas flow in the exhaust gas recirculation 20 can be controlled.

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem weist wenigstens eine Brennstoffzelle (12) auf, ein Gaserzeugungssystem (14) zur Bereitstellung von Reformatgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff (16) und einen in einer Abgasleitung (42) stromabwärts der Brennstoffzelle (12) angeordneten Nachbrenner (18), der wenigstens von einem Anteil des Abgases der Brennstoffzelle (12) passiert wird und in dem brennbare Bestandteile des Abgases thermisch umgesetzt werden. Es ist eine Abgasrückführung (20) stromabwärts des Nachbrenners (18) zur Eingangsseite (26) des Gaserzeugungssystems (14) vorgesehen, so dass wenigstens ein Teil des Abgases in den Eduktstrom des Gaserzeugungssystems (14) eingespeist wird. Das Brennstoffzellensystem (10; 10') ist ausgelegt, dass das gesamte im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10; 10') benötigte Wasser durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems (10; 10') gasförmig zur Verfügung gestellt wird.

Description

Brennstoffzellensystem und
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Gaserzeugungssystem zur Bereitstellung von Reformatgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die Strom in umweltverträglicher Weise in Bezug auf Geräuschentwicklung und Energieeffizienz herstellen können. . Als Energieträger wird in einer Brennstoffzelle Wasserstoff verwendet, der entweder direkt eingespeist oder mithilfe eines Gaserzeugungssystems aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff (z.B. Flüssiggas) erzeugt wird. Kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe werden in der Regel in einem Reformer mit Luft und Wasserdampf in Wasserstoff und weitere Nebenprodukte wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid umgesetzt. Der für diesen Prozess erforderliche Wasserdampf wird meist aus flüssigem Wasser bereitgestellt, das extern von außen zugeführt oder teilweise aus dem Prozess in flüssiger Form zurückgewonnen wird. Zur Beimischung im Reformer wird das flüssige Wasser zunächst verdampft und dann in gasförmigem Zustand eingespeist.
Beim Anfahren des Brennstoffzellensystems in der Startphase, nachdem dieses eine Zeitlang abgeschaltet war, sind die Systemkomponenten noch kalt und müssen erst auf ihre jeweilige Betriebstemperatur erwärmt werden. Zu Beginn liefert daher das Gaserzeugungssystem (z.B. ein autothermer Reformer) noch nicht die für die Brennstoffzelle optimale Gaszusammensetzung. In herkömmlichen Systemen muss auch ein Verdampfer für das im Gaserzeugungssystem bzw. zur Befeuchtung in der Brennstoffzelle verwendete Wasser erst seine Betriebstemperatur erreichen, bevor die Wasserdampferzeugung optimal funktioniert.
Bei herkömmlichen Systemen ist daher in der Startphase, wenn der Verdampfer noch nicht seine vollständige Leistung erreicht hat, für den Reformierungsprozess nicht genügend Wasserdampf vorhanden. Da Kohlenmonoxid die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle beeinträchtigt, muss für den Betrieb der Brennstoffzelle der Kohlenmonoxidgehalt im Prozessgas unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes bleiben. Dieser liegt bei ca. 1 % für Hochtemperaturbrennstoffzellen, die oberhalb von 100 °C betrieben werden (wie sie beispielsweise in der DE 101 55 543 A1 beschrieben sind), während für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle ein Schwellenwert von unterhalb 50 ppm eingehalten werden sollte. Der CO-Wert ist in der Startphase oft höher, und der Grenzwert soll durch den Anfahrprozess schnellstmöglich erreicht werden. Daher wird in der Regel viel Wert auf eine schnelle Startphase gelegt, bis das Gaserzeugungssystem seinen Nennbetrieb erreicht hat, in dem definierte Temperaturzustände in den Reaktorstufen des Gaserzeugungssystems herrschen und der Kohlenmonoxidanteil prozessbedingt unterhalb der genannten Grenzwerte liegt.
Unter dem Normal- oder Nennbetrieb wird der Betriebsmodus verstanden, in dem alle Systemkomponenten ihre vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht haben und ihre optimale Leistung erbringen. In diesem Modus kann die Brennstoffzelle dann Verbraucher konstant mit elektrischer Energie versorgen.
Die DE 103 09 794 A1 zeigt, dass das in der Kathodenabluft enthaltene Wasser über selektiv für Wasserdampf durchlässige Membranen ausgefiltert und der Brennstoffzelle im gasförmigen Zustand wieder zugeführt wird. In der Startphase wird das Reformatgas der Kathodenabluft unter Umgehung der Brennstoffzelle beigemischt, um das im Gaserzeugungssystem erzeugte Wasser rückzugewinnen. Die restliche Abluft wird in stets in die Umgebung abgeführt.
Bekannt ist aus DE 199 04 71 1 C2 ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser im Nennbetrieb durch Rückführung des aus der Kathode abströmenden, mit Sauerstoff abgereicherten und mit Wasserdampf angereicherten Prozessgases in das Gaserzeugungssystem.
Weiter ist aus DE 103 50 039 A1 bekannt, Teile des Abgases der Anode in den Brenner des Reformers zurückzuführen, um dessen Heizwirkung, insbesondere durch den hohen Gehalt an Wasserstoff im zugeführten Abgas, zu verbessern. Die gewonnene Wärmeenergie wird dem Reformer für den endothermen Prozess der Dampfreformierung zugeführt. Diese Schrift zielt aber auf die Flammenstabilität im Brenner und nicht auf die Verwendung des Wassers im Prozess. In der Startphase ist vorgesehen, das für die Brennstoffzelle noch ungeeignete Reformatgas vor dieser abzuzweigen und letztlich dem Brenner zuzuführen.
In der DE 100 10 071 A1 wird das Anodenabgas in einem Brenner thermisch umgesetzt und die so gewonnene Wärmeenergie zur Erwärmung der Edukte für das Gaserzeugungssystem genutzt. Außerdem wird das im Anodenabgas bzw. der Kathodenabluft enthaltene Wasser auskondensiert und einem Vorratsbehälter zugeführt, aus dem es dann wieder in den Prozess eingebracht wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten Wassermanagement vorzustellen.
Hierzu ist in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Gaserzeugungssystem zur Bereitstellung von Reformatgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff und einem in einer Abgasleitung stromabwärts der Brennstoffzelle angeordneten Nachbrenner, der wenigstens von einem Anteil des Abgases der Brennstoffzelle passiert wird und in dem brennbare Bestandteile des Abgases thermisch umgesetzt werden, eine Abgasrückführung stromabwärts des Nachbrenners zur Eingangsseite des Gaserzeugungssystems vorgesehen, so dass wenigstens ein Teil des Abgases, insbesondere in einer Startphase des Systems, in den Eduktstrom des Gaserzeugungssystems eingespeist wird. Das Brennstoffzellensystem ist so ausgelegt, dass das gesamte im Betrieb der Brennstoffzelle benötigte Wasser durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt wird. Das System kommt also ohne eine externe Wasserzufuhr aus, insbesondere bereits in der Startphase des Systems, wenn das Gaserzeugungssystem noch nicht auf voller Leistung läuft. Durch die im Nachbrenner stattfindende Verbrennung insbesondere des Wasserstoffs im Reformatgas entsteht Wasser, das über die Abgasrückführung in das Gaserzeugungssystem eingespeist wird.
Dies sorgt auch dafür, dass die Startphase kurz gehalten wird und das Gaserzeugungssystem sehr schnell seine volle Leistungsfähigkeit erreicht. Auf diese Weise kann ein in Bezug auf die zugeführte Luft unterstöchiometrischer Betrieb des Reformers im Gaserzeugungssystem, wie er oft in der Startphase des Brennstoffzellensystems genutzt wird (nach dem Prinzip der partiellen Oxidation, kurz POX), kurz gehalten werden, sodass auch eine Rußentstehung an den noch kalten Bauteilen des Systems gering gehalten werden kann.
Das Wasser wird vorzugsweise stets vollständig im gasförmigen Zustand (auch als dampfförmiger Zustand bezeichnet) mit dem Abgasstrom zum Gaserzeugungssystem zurückgeführt, was sowohl in der Startphase aufgrund der noch geringen im Gaserzeugungssystem herrschenden Temperaturen vorteilhaft ist, als auch imr Nennbetrieb, da in den im Gaserzeugungssystem ablaufenden chemischen Prozessen das Wasser stets dampfförmig benötigt wird. Die Prozessschritte, das Wasser erst auszukondensieren und später wieder zu verdampfen, können somit entfallen, was neben der verfahrenstechnischen Vereinfachung zusätzlich die Effizienz des Systems verbessert.
Das Brennstoffzellensystem kann so ausgelegt sein, dass kein flüssiges Wasser im System vorhanden ist, also alles vorhandene Wasser stets im gasförmigen Zustand vorliegt. Somit kann das System auch unterhalb des Gefrierpunkts verwendet und angefahren werden. Auf eine externe Zuführung für Prozesswasser kann verzichtet werden, was das Brennstoffzellensystem vereinfacht.
Die Abgasrückführung kann eine Kühlung und/oder eine Heizung für das Abgas umfassen, um die Temperatur des in das Gaserzeugungssystem eingespeisten Abgases entsprechend den dort gewünschten Bedingungen anzupassen.
Vorzugsweise ist eine schaltbare Bypassleitung für die Brennstoffzelle vorgesehen, die so ausgelegt ist, dass bedarfsweise, insbesondere in einer Startphase, das Reformatgas vom Gaserzeugungssystem unter Umgehung der Brennstoffzelle zum Nachbrenner geführt wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Brennstoffzelle zu hohen Kohlenmonoxidkonzentrationen ausgesetzt wird, während gleichzeitig das Gaserzeugungssystem mit einer so hohen Leistung betrieben wird, dass nach der Verbrennung des aus dem Gaserzeugungssystem abgeleiteten Reformatgases im Nachbrenner eine ausreichende Menge an Wasserdampf zur Erzeugung eines für die Brennstoffzelle geeigneten Prozessgases zur Verfügung steht. Die Abgasrückführung kann eine Fördereinrichtung für das Abgas umfassen, sodass auf einfache Weise sichergestellt ist, dass die jeweils benötigte Menge an Abgas dem Gaserzeugungssystem zur Verfügung gestellt wird, ohne die Strömungsverhältnisse negativ zu beeinflussen. Die Fördereinrichtung kann beispielsweise eine Venturidüse umfassen. Diese Venturidüse kann in der Eduktleitung des Gaserzeugungssystems oder in einer Luftzuleitung zum Gaserzeugungssystem angeordnet sein und über die dort herrschende Gasströmung eine Ansaugung des Abgases bewirken.
Es ist jedoch auch möglich, als Fördereinrichtung eine Pumpe zu verwenden. In beiden Fällen können natürlich eine Steuerelektronik und eine Regelung der Strömung, beispielsweise über ein regelbares Ventil, vorgesehen sein, um den Abgasstrom mengenmäßig zu steuern und dessen Volumen anzupassen.
Bevorzugt ist eine Rückführung für die Kathodenabluft von der Kathode zur Eingangsseite des Gaserzeugungssystems vorgesehen, die insbesondere im Nennbetrieb aktiv ist. Auf diese Weise kann das in der Kathode erzeugte Wasser direkt dem Reformer des Gaserzeugungssystems wieder zugeführt und so als Edukt genutzt werden. Eine derartige Rückführung der Kathodenabluft ist, wie erwähnt, vor allem im Nennbetrieb vorteilhaft, wenn der Wasserstoff des Reformatgases zum großen Teil in der Brennstoffzelle in Wasser umgesetzt wird. In der Rückführung der Kathodenabluft kann eine Heizung angeordnet sein, beispielweise ein Verdampfer bzw. Überhitzer, der über Abwärme des Nachbrenners beheizt sein kann und dessen Aufgabe es ist, das bereits gasförmig in der Abluft enthaltene Wasser zu überhitzen und so sicherzustellen, dass das Wasser im gasförmigen Zustand in das Gaserzeugungssystem gelangt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft für eines der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme.
Erfindungsgemäß wird zumindest in der Startphase wenigstens ein Teil des Abgases nach dem Nachbrenner in den Eduktstrom des Gaserzeugungssystems zurückgeführt und das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderliche Prozesswasser gasförmig und vollständig aus dem Abgas gewonnen. Während der Startphase wird vorzugsweise das Reformatgas vom Gaserzeugungssystem über die Bypassleitung unter Umgehung der Brennstoffzelle zum Nachbrenner geleitet. In dieser Phase wird das gesamte vom Gaserzeugungssystem gelieferte Reformatgas im Nachbrenner thermisch umgesetzt und verbrannt, wobei das dort entstehende Wasser über die Abgasrückführung mit dem Abgasstrom in den Eduktstrom des Gaserzeugungssystems zurückgeführt wird. Aufgrund der im Nachbrenner herrschenden Temperaturen ist das Wasser gasförmig und wird in diesem Zustand in das Gaserzeugungssystem und insbesondere in den Reformer des Gaserzeugungssystems eingeleitet. Das Gaserzeugungssystem kann dabei ohne Berücksichtigung der Kohlenmonoxidkonzentration im Reformatgas betrieben werden, da das erzeugte Gas nicht in die Brennstoffzelle gelangt, sondern über den Bypass an dieser vorbeigeführt wird.
Die Abgasrückführung ist vorteilhaft so steuerbar, dass wahlweise nur ein Teil oder auch das gesamte Volumen des Abgasstroms zurückgeführt wird, je nach den gerade erforderlichen Prozessparametern und der gerade benötigten Menge an Wasserdampf.
Im Nennbetrieb des Brennstoffzellensystems wird schließlich die Bypassleitung geschlossen und das gesamte Reformatgas vollständig in die Brennstoffzelle geleitet, wo der im Reformatgas enthaltene Wasserstoff zur Stromgewinnung dient.
Bevorzugt wird jetzt wenigstens ein Anteil der Kathodenabluft zur Eingangsseite des Gaserzeugungssystems zurückgeführt, um das in der Abluft enthaltene Wasser dem Reformierungsprozess zuzuführen. Das Anodenabgas der Brennstoffzelle, das überschüssigen Wasserstoff enthält, wird nach wie vor dem Nachbrenner zugeführt. Von dort wird es in die Umgebung abgeführt. Im Nennbetrieb ist die Rückführung des Anodenabgases nicht aktiv. In diesem Zustand wird das gesamte benötigte Prozesswasser zusammen mit dem Kathodenabgas dem Gaserzeugungssystem als Edukt zur Verfügung gestellt. Eine externe Zufuhr von Prozesswasser ist nicht notwendig. Das gesamte Wasser liegt im Brennstoffzellensystem vorzugsweise stets gasförmig vor, ein Verflüssigen und anschließendes erneutes Verdampfen oder auch ein Ausfiltern findet nicht statt. Bevorzugt wird die vom Nachbrenner erzeugte Wärme der rückgeführten Kathodenabluft zugeführt, beispielsweise, um sicherzustellen, dass das in der Abluft enthaltene Wasser nicht auskondensiert, sondern das Gaserzeugungssystem im gasförmigen Zustand erreicht. Es ist auch möglich, die vom Nachbrenner erzeugte Wärme auszunutzen, um Teile des Gaserzeugungssystems zu heizen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: - Figur 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
- Figur 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
- Figur 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Luftstöchiometrie und des Wassergehaltes von der Kathodenluftstöchiometrie zeigt.
Das in Figur 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 10 weist eine oder mehrere Brennstoffzellen 12 auf. Hierbei kann es sich auch um Brennstoffzellenstapel handeln, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur eine einzelne Brennstoffzelle dargestellt ist. Ein Gaserzeugungssystem 14 ist der Brennstoffzelle 12 strömungsmäßig vorgeschaltet, in dem ein Reformat- oder Prozessgas für die Brennstoffzelle 12 aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff 16 (beispielsweise Flüssiggas) erzeugt wird. Das Gaserzeugungssystem 14 weist unter anderem einen Reformer auf (nicht separat dargestellt), in dem eine Umsetzung des Brennstoffs in Wasserstoff und Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid erfolgt, hier nach dem Prinzip der autothermen Reformierung. Der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff 16 wird dem Gaserzeugungssystem aus einem Vorratstank zugeführt. Ein Nachbrenner 18 ist der Brennstoffzelle 12 nachgeschaltet, wobei das Brennstoffzellensystem 10 so ausgelegt ist, dass sämtliches von der Anode 12a der Brennstoffzelle 12 kommendes Abgas den Nachbrenner 18 passiert. Der Nachbrenner 18 ist hier ein katalytischer Brenner, in dem eine vorzugsweise vollständige thermische Umsetzung der brennbaren Komponenten des Abgases der Brennstoffzelle 12 stattfindet. Aus dem Nachbrenner 18 gelangt das Abgas in eine Abgasleitung 24.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist außerdem eine Abgasrückführung 20 auf, mit einer Abgasrückführleitung 22, die stromabwärts des Nachbrenners 18 von der Abgasleitung 24 abzweigt. Über die Abgasrückführleitung 22 kann das Abgas zur Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 zum Eingang des Reformers geführt werden, wo es dem Eduktstrom des Gaserzeugungssystems 14 beigemischt wird.
Die Abgasrückführung 20 weist außerdem eine Fördereinrichtung 28 auf, die hier in der Abgasrückführleitung 22 angeordnet ist und die das Abgas aktiv zur Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 transportiert. Bei dem in Figur 1 dargestellten Fall handelt es sich bei der Fördereinrichtung 28 um eine Pumpe.
Die Abgasrückführung 20 enthält vorzugsweise auch eine (nicht dargestellte) Steuereinheit, die die Menge und eventuell die Strömungsgeschwindigkeit des an die Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 geförderten Abgases regeln kann. Der Volumenanteil des Abgases, der nicht zum Gaserzeugungssystem 14 zurückgeführt wird, verlässt das Brennstoffzellensystem 10 durch die Abgasleitung 24.
Optional weist die Abgasrückführung 20 eine Kühlung und/oder eine Heizung 30 für das rückgeführte Abgas auf. Im Fall der Figur 1 ist die Kühlung bzw. Heizung 30 durch einen in die Abgasrückführleitung 22 integrierten Wärmetauscher realisiert.
Neben dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff und dem rückgeführten Abgas wird dem Gaserzeugungssystem 14 über eine Luftzuleitung 32 Luft zugeführt, wobei die zugeführte Luftmenge regelbar ist (nicht dargestellt).
Die Kathode 12b wird über eine Luftzuführeinrichtung 33, die eine Fördereinheit, z.B. in Form einer Pumpe, enthält, mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist außerdem eine Bypassleitung 38 auf, die von der Reformatgasleitung 40 zwischen dem Gaserzeugungssystem 14 und der Brennstoffzelle 12 abzweigt und unter Umgehung der Brennstoffzelle 12 in die Abgasleitung 42 zwischen der Brennstoffzelle 12 und dem Nachbrenner 18 einmündet. Ein steuerbares Ventil einer Vorrichtung 44 erlaubt, die gasführenden Leitungen so zu schalten, dass entweder das gesamte Prozessgas durch die Bypassleitung 38 an der Brennstoffzelle 12 vorbeigeführt wird, das gesamte Prozessgas durch die Brennstoffzelle 12 strömt oder, gegebenenfalls, dass nur ein Teil des Prozessgases durch die Brennstoffzelle 12 und ein anderer Teil durch die Bypassleitung 38 geführt wird.
Außerdem ist eine Rückführung 46 für die Abluft der Kathode 12b der Brennstoffzelle 12 vorgesehen, die die Abluft vom Ausgang der Kathode 12b zur Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14, genauer zum Eingang des Reformers, in dessen Eduktstrom zurückführt. Die Abluftrückführung kann durch ein Fördermittel wie eine Pumpe oder eine Venturidüse unterstützt werden.
Es ist möglich, die Strömung der Rückführung der Kathodenabluft auszunutzen, um Luft zum Gaserzeugungssystem 14 zuzuführen. Auf diese Weise kann ein Luftfördergerät für die Dosierung der Luft für das Gaserzeugungssystem eingespart werden.
Auch die Rückführung 46 kann, analog zur unten beschriebenen Rückführung 20 des Anodenabgases, beheizbar oder kühlbar ausgelegt sein. In diesem Beispiel ist in der Rückführung 46 für die Kathodenabluft eine Heizung 48 in Form eines Verdampfers bzw. Überhitzers angeordnet, die das in der Abluft enthaltene gasförmige Wasser überhitzt und so ein Auskondensieren verhindert. Die Heizung 48 bezieht ihre Wärmenergie ganz oder teilweise aus der Abwärme des Nachbrenners 18.
Das Brennstoffzellensystem 10 kann in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben werden, zum einen in einer Startphase beim Anfahren des Systems sowie im Nennbetrieb, in dem elektrische Energie erzeugt wird.
In der Startphase, wenn das Brennstoffzellensystem 10 eingeschaltet wird, sind die Komponenten, insbesondere die des Gaserzeugungssystems 14, zunächst noch kalt. Die Zusammensetzung des erzeugten Reformatgases entspricht daher noch nicht der für den Betrieb der Brennstoffzelle 12 notwendigen. Insbesondere betrifft dies den Kohlenmonoxidanteil, der bei für die Brennstoffzelle 12 schädlichen Konzentrationen liegen kann. Im System ist kein Wasser bevorratet, weder in flüssiger noch in gasförmiger Form. Um den Kohlenmonoxidanteil gering zu halten, wird dem Gaserzeugungssystem Wasser im gasförmigen Zustand mit dem aus dem Nachbrenner 18 austretenden Abgasstrom zugeführt.
In der Startphase wird daher das Brennstoffzellensystem 10 so betrieben, dass das im Gaserzeugungssystem 14 erzeugte Reformatgas vollständig über die Bypassleitung 38 an der Brennstoffzelle 12 vorbeigeführt und im Nachbrenner 18 verbrannt wird. Hierbei ist die Vorrichtung 44 so geschaltet, dass das gesamte Prozessgas durch die Bypassleitung 38 strömt. Bei der Verbrennung im Nachbrenner 18 entsteht Wasser, das bei den im Nachbrenner 18 herrschenden hohen Temperaturen gasförmig ist. Stromabwärts des Nachbrenners 18 wird das Abgas ganz oder teilweise über die Abgasrückführung an die Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 zurückgeführt, sodass im Gaserzeugungssystem 14 das im Nachbrenner 18 erzeugte Wasser für den Reformierungsprozess zur Verfügung steht. Diese Bereitstellung von gasförmigem Wasser beginnt praktisch sofort mit dem Starten des Systems. Dies sorgt dafür, dass im Reformer des Gaserzeugungssystems 14 keine reine partielle Oxidation stattfindet, sondern durch das Vorhandensein des Wasserdampfs bereits eine autotherme Reformierung, die mehr Wasserstoff produziert, sodass das System schnell in den Nennbetrieb gebracht wird.
Außerdem wird durch das Rückführen des Wasserdampfs und des Stickstoffs im Abgas eine Reduktion der Temperatur im Reformer bewirkt und damit eine Rußbildung vermindert. Der Reformer des Gaserzeugungssystems 14 und/oder der Nachbrenner 18 können, insbesondere in der Startphase, elektrisch beheizt werden, um den Reformer schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen.
Durch die Heizung bzw. Kühlung 30 über den Wärmetauscher kann in der Abgasrückführleitung 22 die Temperatur des rückgeführten Abgases an die für den Prozess erforderliche Temperatur angepasst werden, oder, insbesondere bei Verwendung einer Pumpe als Fördereinrichtung 28, die Temperatur des Abgases auf eine für die Pumpe verträgliche Temperatur reduziert werden. Im Nennbetrieb, wenn das Brennstoffzellensystem 10 einen Zustand erreicht hat, in dem das vom Gaserzeugungssystem 14 gelieferte Reformatgas den Anforderungen zur Energieerzeugung in der Brennstoffzelle 12 genügt, kann die Vorrichtung 44 optional so geschaltet werden, dass das Reformatgas ausschließlich zur Anode 12a der Brennstoffzelle und nicht mehr durch die Bypassleitung 38 strömt. Jetzt wird der Wasserstoff des Reformatgases zu Wasser umgesetzt, wobei elektrischer Strom produziert wird. In der Brennstoffzelle 12 wird die zugeführte Prozessluft auf der Kathodenseite 12b durch die elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff abgereichert und mit Produktwasser angereichert.
Jetzt wird die Abgasrückführung nach dem Nachbrenner 18 gestoppt. Die Abgase werden vom Nachbrenner 18 vollständig in die Umgebung abgeführt.
Gleichzeitig wird nun die Kathodenabluft ganz oder teilweise direkt von der Kathode 12b über die Heizung 48 zur Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 geführt, so dass das in der Abluft enthaltene gasförmige Wasser als Edukt dem Reformierungsprozess zugeführt wird.
Bei der Rückführung zum Gaserzeugungssystem 14 bleibt das Wasser die ganze Zeit in gasförmigem Zustand, es wird also nicht auskondensiert und später wieder verdampft. Im Nennbetrieb wird die Brennstoffzelle mit einer Luftstöchiometrie λ von 1 ,6 bis 1 ,8 in der Kathodenluft betrieben, sodass nach der Reaktion in der Brennstoffzelle 12 das rückgeführte Abgas noch so viel Sauerstoff enthält, dass im Gaserzeugungssystem 14 eine autotherme Reformierung mit einem Luftlambda λ von 0,3 möglich ist. Das gasförmig zugeführte Wasser optimiert dabei den Prozess.
Das Verbrennungsluftverhältnis λ beschreibt das Verhältnis zwischen der zugeführten Luftmenge und der für die stöchiometrische Umsetzung benötigten Luftmenge. Bei einem λ von 1 wird der Brennstoff mit der zugeführten Luftmenge vollständig stöchiometrisch umgesetzt. Vorzugsweise liegt der Wasserdampfanteil bei einem S/C-Wert von ca. 2 (Steam to Carbon), was für den autothermen Prozess ideal ist und somit eine effiziente Erzeugung von Wasserstoff ermöglicht. Dies ist auch in Figur 3 verdeutlicht. Dort zeigt die mit Rauten markierte Kurve die Luftstöchiometrie an der Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 und die mit Quadraten markierte Kurve den S/C-Wert, jeweils in Anhängigkeit von der Luftstöchiometrie in der Kathode 12b.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 10' besteht der Unterschied zum gerade beschriebenen Brennstoffzellensystem 10 in der Art der Fördereinrichtung 28' in der Abgasrückführung 20. In dem in Figur 2 dargestellten Fall ist die Fördereinrichtung 28' durch eine Venturidüse gebildet, die in der Eduktleitung 50 auf der Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 angeordnet ist. Die dort herrschende Gasströmung bewirkt einen Unterdruck in der Abgasrückführleitung 22 und zieht das Abgas in die Eduktleitung 50 hinein. Bei dem in Figur 2 dargestellten Fall wird die Luft, die in das Gaserzeugungssystem 14 einströmen soll, vor der Venturidüse in die Eduktleitung 50 eingespeist, um eine starke Gasströmung zur Verfügung zu haben. Es wäre auch möglich, die Lufteinleitung anders zu realisieren und die Venturidüse in der Luftzuleitung anzuordnen. Der Vorteil der Verwendung einer Venturidüse liegt unter anderem darin, dass diese gegen hohe Temperaturen beständig ist und keinen elektrischen Strom zum Betrieb braucht. Gegebenenfalls könnte die Venturidüse selbst geheizt oder gekühlt sein, um den Eduktgasstrom auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
In der Abgasrückführleitung 22 kann ein regelbares Ventil angeordnet sein (nicht gezeigt), über das der Gasdurchfluss in der Abgasrückführung 20 gesteuert werden kann.
In allen Fällen, in denen ein Gasstrom nur teilweise über die Abgasrückführung 20, die Kathodenabluftrückführung 46 bzw. die Bypassleitung 38 geführt wird, wird lediglich das Volumen des Gasstroms reduziert, nicht aber dessen Zusammensetzung verändert.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem mit
wenigstens einer Brennstoffzelle (12),
einem Gaserzeugungssystem (14) zur Bereitstellung von Reformatgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff (16), und
einem in einer Abgasleitung (42) stromabwärts der Brennstoffzelle (12) angeordneten Nachbrenner (18), der wenigstens von einem Anteil des Abgases der Brennstoffzelle (12) passiert wird und in dem brennbare Bestandteile des Abgases thermisch umgesetzt werden,
wobei eine Abgasrückführung (20) stromabwärts des Nachbrenners (18) zur Eingangsseite (26) des Gaserzeugungssystems (14) vorgesehen ist, so dass wenigstens ein Teil des Abgases in den Eduktstrom des Gaserzeugungssystems (14) eingespeist wird, und
wobei das Brennstoffzellensystem (10; 10') so ausgelegt ist, dass das gesamte im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10; 10') benötigte Wasser durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems (10; 10') zur Verfügung gestellt wird.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser vollständig im gasförmigen Zustand bereitgestellt wird.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (20) eine Kühlung und/oder Heizung (30) für das Abgas umfasst.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine schaltbare Bypassleitung (38) für die Brennstoffzelle (12) vorgesehen ist, die so ausgelegt ist, dass bedarfsweise, insbesondere in einer Startphase, das Reformatgas vom Gaserzeugungssystem (14) unter Umgehung der Brennstoffzelle (12) zum Nachbrenner (18) geführt wird.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (20) wenigstens, eine Fördereinrichtung (28; 28') für das Abgas umfasst.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (28') eine Venturi-Düse ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung (46) für die Kathodenabluft von der Kathode (12b) zur Eingangsseite (26) des Gaserzeugungssystems (14) vorgesehen ist.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführung (46) für die Kathodenabluft eine Heizung (48) angeordnet ist.
9. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (10; 10'), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
zumindest in einer Startphase wenigstens ein Teil des Abgases nach einem Nachbrenner (18) in einen Eduktstrom eines Gaserzeugungssystems (14) zurückgeführt wird und
das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems (10; 10') erforderliche Prozesswasser gasförmig und vollständig aus dem Abgas gewonnen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Startphase das Reformatgas vom Gaserzeugungssystem (14) über eine
Bypassleitung (38) unter Umgehung der Brennstoffzelle (12) zum Nachbrenner (18) geleitet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystems (10; 10') einen Nennbetrieb umfasst, in dem das Reformatgas vollständig in die Brennstoffzelle (12) geleitet wird und in dem wenigstens ein Anteil der Kathodenabluft zur Eingangsseite des Gaserzeugungssystems (14) zurückgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass vom Nachbrenner (18) erzeugte Wärme der rückgeführten Kathodenabluft zugeführt wird.
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