WO2019068123A1 - Verfahren zum schnellen aufheizen eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for heating a fuel cell system, a fuel cell system, in particular an SOFC system, and a motor vehicle with a fuel cell system.
  • Fuel cell systems usually need to be brought to operating temperature before they can be used to generate electricity. During a start of a fuel cell system, care must be taken here that an anode section does not come into contact with oxygen, or only as little as possible with it, since this can lead to damage of the anode section and to a corresponding impairment of the function of the fuel cell system.
  • the anode section is flushed with water during the start of the fuel cell system.
  • a dedicated water tank or a sophisticated water recovery system is installed in the fuel cell system that reclaims water from exhaust from a fuel cell stack. Both solutions have proven to be unsatisfactory in practice.
  • the object of the present invention is to at least partially take into account the problem described above.
  • the fuel cell system includes a fuel cell stack having an anode portion and a cathode portion, at least one evaporator for evaporating a fuel-water mixture, a reformer for reforming the vaporized fuel-water mixture for use in the anode portion of the fuel cell stack, and at least one burner for Burning a fuel-containing fluid, on.
  • the reformer is preferably disposed downstream of the at least one evaporator and the at least one burner is preferably arranged upstream of the at least one evaporator.
  • the at least one burner is in fluid communication with the at least one evaporator for supplying fuel-containing fluid burnt in the at least one burner from the at least one burner to the at least one evaporator.
  • Upstream of the at least one evaporator is a fuel-water mixture source for providing a fuel-water mixture for the at least one evaporator.
  • the method comprises the following steps: heating the at least one evaporator and / or a fluid within the at least one evaporator to a desired temperature or above,
  • a heating of the fuel cell system in particular a heating of the at least one evaporator and the reformer and the anode section can be achieved while the anode section with the reformed fuel-water mixture applied and thereby reliable against oxygen or at least against excessive oxygen can be protected.
  • the fuel cell stack in particular the anode section, is heated.
  • the fuel cell system can be heated quickly.
  • the target temperature is particularly dependent on the amount of liquid fuel or liquid water-fuel mixture is evaporated or vaporizable.
  • a carbonaceous fuel such as methane is preferably used in the fuel-water mixture.
  • the fuel may also be formed from a premixed ethanol-water mixture.
  • two containers for water and ethanol may be provided, the two
  • Fuel components are mixed together at a later date.
  • the fuel-water mixture in this case can be reformed into methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. After the reformation process, more preferably only more hydrogen and methane exist. These substances are usually unproblematic on or in the anode section and can be burned, for example, in an exhaust gas burner or afterburner or by coated components.
  • hydrogen and methane can be used downstream of the anode section, which, as described above, temporarily to generate no electricity, also be used for further heating of the fuel cell system or selected system components of the fuel cell system.
  • the method is especially configured to heat up an SOFC system.
  • the fuel-water mixture source may include or may be configured as one or more fuel-water mixture reservoirs.
  • the evaporator may be heated by a heater.
  • the heating device may comprise an electrical heating means and / or an oxidative heating means.
  • the reformer and / or the evaporator are mechanically connected to the burner, so that the reformer and / or the evaporator are heated by heat from the burner or can be heated. As a result, an efficiency of the heating process of the components of the fuel cell system is further improved.
  • the burner can therefore also be formed with the reformer and / or with the evaporator as a (multi-stage) integral component. It can be dispensed with a catalytic coating for an exothermic reaction of the reformer or the evaporator.
  • the fuel-water mixture when the fuel-water mixture is supplied from the fuel-water mixture source to the at least one evaporator, the fuel-water mixture may be introduced into the at least one evaporator or to the at least one evaporator, for example thermally interacting with the at least one evaporator an evaporator around the at least one evaporator around, are performed.
  • suitable conveying devices are configured in the fuel cell system.
  • the individual components of the fuel cell system are in contact with each other in such a way that thermal energy can be transferred to one another.
  • the fluids are thereby vaporized and exothermic reactions take place, so that the components can either be heated and / or kept at a desired temperature.
  • supplying the fuel-water mixture from the fuel-water mixture source to the at least one evaporator is meant that the fuel-water mixture from the fuel-water mixture source to the at least one evaporator is at least partially supplied.
  • supplying the fuel-water mixture vaporized by the at least one evaporator from the at least one evaporator to the reformer it is to be understood that the fuel-water mixture vaporized by the at least one evaporator is at least partially from the at least one evaporator to the reformer to be led.
  • reforming the vaporized fuel-water mixture it is to be understood that the vaporized fuel-water mixture is at least partially reformed.
  • the fuel cell system and thus also the anode section are switched to an activated operating state in which electricity is generated using reformed hydrogen.
  • an inventive component is arranged downstream or upstream of another component according to the invention, it is to be understood that the one component directly or indirectly, so possibly separated by further functional components from each other, upstream or downstream of the other component. In such an arrangement also preferably a fluid connection between the respective components is configured. Additionally or alternatively, it is advantageous if the individual components are mechanically connected to one another in order to allow heat transfer between them.
  • the primary fuel source is needed for an activated or current-generating operating state of the fuel cell system and leads to the evaporator or fuel to be reformed by the reformer.
  • a system component is used for the heating process of the fuel cell system according to the invention with the primary fuel source, which is basically required anyway in the fuel cell system. Additional system components can therefore be dispensed with, apart from a fluid connection between the fuel source and the burner for supplying the fuel to the burner.
  • the fuel cell system can be made particularly compact. In addition, this can provide a cost-effective solution for heating the fuel cell system.
  • anode exhaust gas is burned out of the anode section while supplying cathode exhaust gas, which is essentially air, from the cathode section.
  • cathode exhaust gas exclusively comprises air
  • the anode exhaust gas does not comprise completely burnt fuel.
  • the exhaust gas burner is in particular an afterburner.
  • the burner can also be designed such that it performs the function of a starting burner.
  • the fuel-water mixture is supplied after the application and / or heating of the fuel cell stack, in particular the anode section, advantageously to the burner. Subsequently, this fuel-water mixture is burned in the burner. This can be both in its
  • the now at least partially burned mixture is fed to the at least one evaporator or reformer.
  • the fuel-water mixture can also be passed directly (without an intermediate step via the burner) to an evaporator or to the reformer, the evaporator and / or the reformer having a catalytic coating for this purpose. This results in an endothermic reaction and heating of the evaporator and / or reformer is further accelerated.
  • the fuel is burned by means of an electrically activatable catalyst, in particular by means of an electrically heatable metal catalyst, the burner and the catalyst is deactivated as soon as the desired temperature is reached or exceeded.
  • an electrically activatable catalyst in particular by means of an electrically heatable metal catalyst
  • the burner and the catalyst is deactivated as soon as the desired temperature is reached or exceeded.
  • the reformed fuel-water mixture is led from the anode section to the at least one burner in which at least one burner is at least partially burned and the at least partially combusted fuel-water mixture from which at least one burner is supplied to the anode section via the at least one evaporator and the reformer.
  • the flushing fluid used at the anode section ie the evaporated and reformed fuel-water mixture, in particular the reformed, combustible constituents thereof, can be used in the burner in order to further heat the evaporator.
  • the heating of the evaporator and of the reformer can be carried out not only safely, but also particularly efficiently.
  • the fuel-water mixture is injected from the fuel-water mixture source through an injector into the at least one evaporator.
  • the injector Through the injector, the fuel-water mixture can be metered in a simple manner in the at least one evaporator. This makes it easy to adjust the amount of fluid with which the anode section is to be purged during starting of the fuel cell system.
  • spontaneous and simple adjustments of the temperature at the at least one evaporator or at the reformer can thus be made by adjusting an injection quantity of the reformed fuel-water mixture burned by the burner through a desired injection process of the injector.
  • air or other oxygen-containing fluid is supplied to the reformer prior to reforming or during reforming of the vaporized fuel-water mixture.
  • air or an oxygen-containing fluid By supplying air or an oxygen-containing fluid, an exothermic reaction can be promoted in the reformer, in which even more heat can be generated in the reformer and in the anode section.
  • the air may be supplied from an air source, such as a compressed air tank, or preferably from a blower.
  • the blower is preferably the blower, the air to the cathode leads the section. In this case, the air from a fluid line, which is designed between the fan and the cathode section, can be branched off into the reformer.
  • the reformer is preheated prior to feeding the vaporized fuel-water mixture to the reformer.
  • the desired reforming reaction can take place particularly reliably. Unwanted reforming techniks cons that could arise in a non-preheated reformer can be prevented.
  • the method can be operated particularly stable and reliable.
  • the reformer for this purpose may be mechanically connected to the burner and heated by heat conduction from the burner to the reformer by the heat of the burner.
  • the target temperature is at least 250 ° C, in particular at least 300 ° C. That is, the at least one evaporator and / or the fluid within the at least one evaporator are heated to at least 250 ° C, in particular at least 300 ° C, before the fuel-water mixture from the fuel-water mixture source to the at least one Evaporator is guided or injected into this.
  • This temperature range has proven to be high enough to vaporize the fuel-water mixture as desired.
  • the fuel-water mixture vaporized by the at least one evaporator is at least partially supplied from the at least one evaporator which has reached the desired temperature or whose temperature is higher than the fuel-containing fluid the at least one burner is performed.
  • the vaporized fuel-water mixture fuel can be saved from the fuel source or, depending on the application, can be provided in a simple and fast way a lot of fuel at the burner. As a result, the burner and thus also the evaporator and the reformer can be quickly and easily brought to the desired temperature.
  • the fuel-water mixture is to be considered as the fuel-containing fluid, that the fuel-water mixture is used at least as a part of the fuel-containing fluid supplied to the burner.
  • the fuel-water mixture evaporated by the at least one evaporator for heating the fuel-water mixture is guided on or in a heat exchange section of the at least one burner to the at least one burner.
  • the vaporized fuel-water mixture is guided in particular in a fluid channel, which is at least partially along the burner along, preferably directly adjoining this, is arranged to an inlet portion for admitting the fuel-water mixture in the burner.
  • a fuel source for providing a fuel for the at least one evaporator is arranged, wherein fuel vaporized by the at least one evaporator to heat the fuel on or in a heat exchange portion of the at least one burner is guided as the fuel-containing fluid to the at least one burner.
  • a separate fuel source is arranged, in which case too, heat generated in the burner, in a simple, effective and efficient manner
  • Fuel can be transferred.
  • the fuel can already be preheated and / or further vaporized introduced into the burner.
  • the burner can be heated very quickly, whereby the fuel which is passed through the heat exchange section in the at least one burner, can be heated even more.
  • the fuel-water mixture source is arranged, by means of which fuel vaporized via a separate evaporator for evaporating the fuel-water mixture, which is arranged in series with the evaporator for the fuel source Water mixture to the reformer is supplied.
  • the two evaporators are designed in this case as two-way systems, which are relatively inexpensive to provide.
  • a sacredados in particular an electric insects downstream of the fuel-water mixture source or the Fuel source and disposed upstream of the at least one burner
  • the fuel cell system using the intermediate heating device according to the invention can be provided according to simple and compact.
  • the intermediate heating device may be arranged upstream of the evaporator and / or downstream of the evaporator.
  • the intermediate heating device is deactivated as soon as the at least one burner, a fluid in the at least one burner, the at least one evaporator and / or a fluid in the at least one evaporator have reached a predefined temperature or the temperature is above it. Once the respective predefined temperature is reached, the intermediate heater is no longer needed. Due to the automatic shutdown, the fuel cell system can be operated energy-saving. In particular, it is favorable if the components described above are in particular directly mechanically connected to one another in such a way that heat is conducted from the burner to the evaporator and transmitted. According to another aspect of the present invention, a fuel cell system for a motor vehicle is provided.
  • the fuel cell system has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section, at least one evaporator for evaporating a fuel-water A mixture, a reformer for reforming the vaporized fuel-water mixture for use in the anode portion of the fuel cell stack, and at least one burner for burning a fuel-containing fluid on.
  • the reformer is disposed downstream of the at least one evaporator, and the at least one burner is disposed upstream of the at least one evaporator.
  • the at least one burner is in fluid communication with the at least one evaporator for supplying fuel-containing fluid burnt in the at least one burner from the at least one burner to the at least one evaporator. Upstream of the at least one evaporator is disposed a fuel-water mixture source for providing a fuel-water mixture for the at least one evaporator.
  • the fuel cell system brings the same advantages as have been described in detail with reference to the method according to the invention.
  • the fuel cell system is preferably designed as an SOFC system.
  • the fuel cell system is preferably designed as an SOFC system.
  • Fuel cell system a control unit that is configured and configured to carry out a method as described in detail above.
  • the control unit is a control and / or regulating unit for executing or controlling the individual method steps.
  • the fuel and water in the fuel-water mixture source are at least temporarily provided in liquid form.
  • the fuel-water mixture source has a fuel-water mixture reservoir in which a premixed fuel-water mixture is stored in the liquid state.
  • the fuel-water mixture is thus stored in a particularly simple and compact manner in the fuel cell system.
  • the at least one evaporator is preferably arranged in a further embodiment variant of the present invention directly downstream of the fuel-water mixture source. Thereby, a quick and easy dosage adjustment with respect to the fuel-water mixture for the at least one evaporator can be performed.
  • the at least one evaporator in a fuel cell system according to the invention, it is possible for the at least one evaporator to be located directly downstream of the at least one Burner is arranged. As a result, a particularly effective heat transfer from the burner to the at least one evaporator can be ensured, as a result of which the fuel and / or the fuel-water mixture in or on the at least one evaporator can be evaporated correspondingly effectively. It is particularly advantageous if, in the fuel cell system according to the invention, the at least one evaporator and / or the reformer are connected directly to the at least one burner.
  • the evaporator and / or the reformer are mechanically connected to the burner, whereby heat from the burner to the evaporator or reformer via heat conduction is thermally transferable.
  • no catalytic coatings of the evaporator and / or the reformer is necessary. It can be dispensed with exothermic reactions for heat supply.
  • the evaporator can be arranged directly adjacent to the burner or surrounding it. It is always advantageous if the components are arranged in such a way that as much heat as possible is thermally conducted from the burner to the reformer and / or evaporator.
  • the at least one evaporator and / or the reformer are directly connected to the at least one burner is to be understood within the scope of the invention that these components directly adjoin one another and are not arranged at a distance from one another; they are physically connected.
  • the at least one burner has in particular an exhaust gas burner and / or a starting burner.
  • the starting burner is designed in particular upstream of the exhaust gas burner, preferably directly upstream of the exhaust gas burner, and particularly preferably integrally connected to the exhaust gas burner.
  • At least the exhaust gas burner, but usually also the starting burner are in any case required in an inventive SOFC system, which is why no new or separate functional unit is required for the burner.
  • the fuel cell system can therefore be made correspondingly compact and simply built.
  • an air supply device for supplying air to the reformer before reforming or during the reforming of the vaporized fuel-water mixture
  • the air supply device is preferably already for supplying air or an oxygen-containing fluid to the cathode section needed. That is, it can be used a functional component of the fuel cell system, which is needed anyway in the fuel cell system. Thereby, the fuel cell system can be made compact and inexpensive available.
  • a further air supply device which supplies air downstream of the reformer. This triggers an endothermic, partial oxidation reaction in the anode, which also speeds up a heating process.
  • An anode temperature for the oxidation reaction should be higher than 250 ° C, especially higher than 300 ° C. It is always important that all oxygen in the anode is burned to avoid reoxidation at the anode. This is achieved when a so-called rich combustion takes place, so if the lambda value is less than 1 (more fuel than air, lack of air).
  • the at least one burner is configured to burn anode exhaust gas from the anode section, cathode exhaust gas from the cathode section, and / or fuel from a fuel source disposed upstream of the at least one burner wherein the fuel source is configured to supply the fuel to the at least one burner, and the at least one burner to supply the burnt fuel from the at least one burner to the at least one evaporator, to heat the at least one evaporator and / or the fluid within the at least one evaporator to the target temperature or above, is configured.
  • the at least one burner can have an electrically activatable catalyst, in particular an electrically heatable metal catalyst, for burning the fuel, wherein the catalytic converter is configured to be deactivated as soon as the desired temperature is reached or exceeded.
  • Downstream of the fuel-water mixture source and upstream of the at least one evaporator may be at least one injector for injecting the fuel-water mixture from the fuel-water mixture source into the at least one evaporator.
  • a heat exchange section can be configured, on or in which the fuel-water mixture vaporized by the at least one evaporator can be supplied to the at least one burner.
  • a fuel source for providing a fuel for the at least one evaporator may be arranged, wherein by the at least one evaporator vaporized fuel for heating the fuel or in a heat exchange section of the at least one burner as the fuel-containing fluid to the at least one burner is feasible.
  • an intermediate heating device in particular an electric reheater, for heating the fuel-water mixture or the fuel may be arranged, wherein the intermediate heating device configured is to heat the fuel-water mixture or the fuel until the fuel-water mixture or the fuel has reached a predefined temperature or the temperature is higher.
  • the intermediate heating device may be configured to be deactivated as soon as the at least one burner, a fluid in the at least one burner, the at least one evaporator and / or a fluid in the at least one evaporator has reached a predefined temperature or the temperature is higher.
  • a motor vehicle having a fuel cell system as described above.
  • the motor vehicle is preferably a car or a LWK.
  • FIG. 1 shows a block diagram for illustrating a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a partially sectioned side view of a portion of the fuel cell system shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 is a block diagram showing a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a fuel cell system according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a fuel cell system according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a fuel cell system according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a fuel cell system according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a motor vehicle with a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 12 is a flow chart for explaining a method according to a first embodiment
  • Figure 13 is a flowchart for explaining a method according to a second
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell system 100a for a motor vehicle 1000 in the form of an SOFC system according to a first embodiment.
  • the Fuel cell system 100 a shows an anode section 2, an evaporator 4 for evaporating a fuel-water mixture, a reformer 5 for reforming the evaporated fuel-water mixture for use in the anode section 2, and a burner 6 for burning one of a primary fuel source 14 on.
  • the primary fuel source 14 is an optional pre-heater such as a starting burner.
  • the reformer 5 is disposed downstream of the evaporator 4 and the burner 6 is disposed upstream of the evaporator 4.
  • the burner 6 is in fluid communication with or mechanically connected to the evaporator 4 for supplying fuel burned in the burner 6 from the burner 6 to the evaporator 4.
  • a fuel-water mixture source 7 in the form of a fuel-water mixture storage for providing a ready mixed fuel-water mixture for the evaporator 4 is arranged.
  • the fuel and water are provided in the fuel-water mixture source 7 in liquid form.
  • the evaporator 4 is located directly downstream of the fuel-water mixture source 7.
  • the evaporator 4 is further arranged directly downstream of the burner 6.
  • an injector 12 for injecting the fuel-water mixture from the fuel-water mixture source 7 into the evaporator 4 is arranged downstream of the fuel-water mixture source 7 and thus upstream of the evaporator 4.
  • a heat exchanger 8 is further arranged, via which burnt exhaust gas can be discharged from the burner 6 in the environment 9 of the fuel line system.
  • the burner 6 is configured to supply the burned fuel from the burner 6 to the evaporator 4, to heat the evaporator 4 and the fluid within the evaporator 4 to a target temperature or higher.
  • the burner 6 is also physically connected to the evaporator 4; for example, the evaporator 4 may be arranged immediately surrounding the burner 6 or surrounding the burner 6.
  • FIG. 2 a section of the fuel cell system 100a according to the first embodiment will be explained in detail.
  • the burner 6 illustrated in FIG. 2 has an electrically heatable metal catalytic converter for burning the fuel, wherein the catalytic converter is configured to be deactivated as soon as the desired temperature is reached or exceeded. As shown in Fig.
  • the fuel-water mixture can be passed through the evaporator 4 to the reformer 5 and from there to the anode section 2 are performed.
  • the reformer 5 is arranged annularly around the burner 6 in the form of an exhaust gas burner around. Upstream of the burner 6, a preheating device 10 in the form of an electric heater for preheating fuel to be burned in the burner 6 is arranged directly on the burner 6.
  • FIGS. 1 to 10 further embodiments of the fuel cell system will be described below, with only the respective distinguishing features between the embodiments being explained in each case. This is intended to avoid a redundant description as possible.
  • FIG. 3 shows a fuel cell system 100b according to a second embodiment.
  • a heat exchange section 18 is designed on an outer wall section of the burner 6, to which the fuel-water mixture vaporized by the evaporator 4 can be fed to the burner 6.
  • the fuel-water mixture is conducted from the fuel-water mixture source 7 to both the burner 6 and the reformer 5.
  • FIG. 4 shows a fuel cell system 100c according to a third embodiment.
  • a fuel source 7a for supplying a fuel to the first evaporator 4a, fuel evaporated by the first evaporator 4a to heat the fuel at or in the heat exchange portion 18 of the burner 6 as the first evaporator 4a fuel-containing fluid to the burner 6 is feasible.
  • a fuel / fuel mixture source 7b for providing a fuel / water mixture for the second evaporator 4b, wherein fuel / water mixture vaporized by the second evaporator 4b can be conducted to the reformer 5 is.
  • the second evaporator 4b is correspondingly upstream of the reformer 5 orderly.
  • the first evaporator 4a and the second evaporator 4b are arranged in series with each other and upstream of the heat exchanger 8.
  • FIG. 5 shows a fuel cell system 100d according to a fourth embodiment, which is similar to the fuel cell system 100c according to the third embodiment.
  • the first evaporator 4a and the second evaporator 4b are arranged in parallel with each other. This can be implemented for a particularly compact design of the fuel cell system 100d.
  • FIG. 6 shows a fuel cell system 100e according to a fifth embodiment.
  • an intermediate electric heater 1 1 for heating the fuel-water mixture and the fuel is arranged, wherein the intermediate heater 1 1 configured is to heat the fuel-water mixture until the fuel-water mixture has reached a predefined temperature or
  • the intermediate heater 1 1 is configured to be deactivated as soon as the burner 6 and / or a fluid in the burner has reached a predefined temperature or the temperature is higher.
  • the predefined temperature may be, for example, about 650 ° C.
  • the valve 20 prevents in a closed position that fuel or the water-fuel mixture can flow into the reformer 5, without this being evaporated or can be evaporated. Thus, a possible condensation of the water-fuel mixture in the reformer 5 and a flooding of the reformer 5 by liquid fuel is avoided.
  • the valve 20 may also be provided in all other embodiments of the invention.
  • FIG. 7 shows a fuel cell system 10Of according to a sixth embodiment.
  • the intermediate heater 1 1 is disposed downstream of the fuel-water mixture source and upstream of the evaporator 4.
  • the injector 12 is in each case arranged relatively far away from the burner 6 and is therefore well protected against the heat of the burner. protects. Among other things, therefore, a standard injector can be used as the injector 12, ie, an injector which does not have to meet any special requirements in terms of its shape or its temperature resistance.
  • FIG. 8 shows a fuel cell system 100 g according to a seventh embodiment.
  • a fuel cell stack having the anode section 2 and a cathode section 3 is shown.
  • a water source 15 and an air supply device 16 are also shown in the form of a blower.
  • the blower is configured to supply air to the reformer 5 prior to reforming or during reforming of the vaporized fuel-water mixture.
  • FIG. 9 shows a fuel cell system 100h according to an eighth embodiment.
  • the burner has an exhaust gas burner 6 and a starting burner 17, wherein the starting burner 17 is arranged upstream of the exhaust gas burner 6 directly on the same.
  • FIG. 10 shows a fuel cell system 10Oi according to a ninth embodiment.
  • the illustrated fuel cell system 10Oi has been dispensed with a fluid line for supplying fuel from the primary fuel source 14 to the burner 6, since the upstream of the evaporator 4, the intermediate heater 1 1 is arranged.
  • a single fuel-water mixture tank with already premixed fuel-water mixture can be provided instead of the primary fuel source 14 and the water source 15.
  • This fuel-water mixture tank can basically be designed like the fuel-water mixture source 7 and is arranged upstream of the evaporator 4.
  • a motor vehicle 1000 is shown with a fuel cell system 100a according to the first embodiment.
  • the motor vehicle 1000 further includes an electric motor 200, which can be powered by electrical energy from the fuel cell system 100a.
  • the motor vehicle 1000 shown in FIG. 11 or the fuel cell system 100a has a control unit 19 which is configured and configured to perform a method as described in detail below.
  • a method according to a first embodiment will be explained below.
  • the evaporator 4 is heated by the burner 6 to a desired temperature of about 300 ° C.
  • Fuel in the burner 6 is burned by an electrically heatable metal catalyst, wherein the catalyst is deactivated as soon as the target temperature is reached or exceeded or was.
  • a fuel-water mixture is injected through the injector 12 from the fuel-water mixture source 7 into the evaporator 4 ,
  • the reformer 5 is supplied with a fuel-water mixture vaporized by the evaporator 4 from the evaporator 4, which has reached the desired temperature or whose temperature is above it, so that the reformer delivers the vaporized fuel-water mixture. Can reform mixture. Before reforming or during the reforming of the vaporized fuel-water mixture, the reformer 5 is supplied with air. In addition, the reformer 5 is preheated prior to supplying the vaporized fuel-water mixture to the reformer 5.
  • the anode section 2 which is in a deactivated operating state, in which no current is generated by the fuel cell stack, in a fourth step S4, the reformed fuel-water mixture is supplied, whereby the anode section during the starting and heating of the fuel cell system rinsed and protected accordingly.
  • a method according to a second embodiment will be explained below.
  • the burner 6 is heated by means of the electrically heatable metal catalyst to a desired temperature of about 300 ° C. As soon as the setpoint temperature has been reached, the metal catalytic converter is switched off.
  • a second step S2 the burner 6 is supplied through the injector 12 via the evaporator 4, a fuel-water mixture, wherein the electrical embterrorismvoriques 1 1 is activated and the fuel-water mixture is guided along the burner 6.
  • the intermediate heating device 11 is deactivated in a third step S3.
  • the heating circuit now present it is possible to dispense with the energization of the metal catalyst as well as with the energization of the intermediate heating device.
  • a fuel source 7a for supplying a fuel to the first evaporator 4a is disposed upstream of the first evaporator 4a, and fuel evaporated through the first evaporator 4a heats the fuel is conducted to the burner 6 at the heat exchange portion 18 of the burner 6 as the fuel-containing fluid. That is, instead of the fuel-water mixture, the burner 6 in a method according to FIG. 13, another fuel mixture or another fuel can be supplied.
  • the fuel-water mixture vaporized by the evaporator 4 it is possible for the fuel-water mixture vaporized by the evaporator 4 to be at least partly from the evaporator 4 which has reached the target temperature or the temperature thereof is above, as the fuel-containing fluid is fed to the burner 6. That is, the fuel-water mixture is guided by the evaporator 4 partially to the burner 6 and partially to the reformer 5.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems (100a) für ein Kraftfahrzeug (1000), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (1) mit einem Anodenabschnitt (2) und einem Kathodenabschnitt (3), wenigstens einen Verdampfer (4) zum Verdampfen eines Brennstoff-Wasser-Gemisches, einen Reformer (5) zum Reformieren des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches für die Verwendung im Anodenabschnitt (2) des Brennstoffzellenstapels (1), und wenigstens einen Brenner (6) zum Verbrennen eines brennstoffhaltigen Fluids, wobei der Reformer (5) insbesondere stromabwärts des wenigstens einen Verdampfers (4) und der wenigstens eine Brenner (6) insbesondere stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4) angeordnet sind und der wenigstens eine Brenner (6) mit dem wenigstens einen Verdampfer (4), zum Zuführen von in dem wenigstens einen Brenner (6) verbranntem brennstoffhaltigen Fluid von demwenigstens einen Brenner (6) zu dem wenigstens einen Verdampfer (4), in Fluidverbindung steht und stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4) eine Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle (7) zum Bereitstellen eines Brennstoff-Wasser-Gemisches für den wenigstens einen Verdampfer (4), angeordnet ist.Ferner betrifft die Erfindung ein solches Brennstoffzellensystem (100a) sowie ein Kraftfahrzeug (1000) mit dem Brennstoffzellensystem (100a).

Description

Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellensysteme müssen in der Regel auf Betriebstemperatur gebracht werden, bevor sie zur Stromerzeugung verwendet werden können. Während eines Starts eines Brennstoffzellensystems ist hierbei darauf zu achten, dass ein Anodenabschnitt nicht oder nur so wenig wie möglich mit Sauerstoff in Berührung kommt, da dies zur Beschädigung des Anodenabschnitts und zu einer entsprechenden Funktionsbeeinträchtigung des Brennstoffzellensystems führen kann. Um während des Startens des Brennstoffzellensystems Sauerstoff am Anodenabschnitt zu verhindern wird, wie beispielsweise aus der US 2010/0203405 A1 bekannt, der Anodenabschnitt während des Starts des Brennstoffzellensystems mit Wasser gespült. Um dies zu er- reichen, wird entweder ein speziell dafür vorgesehener Wassertank oder ein aufwändiges Wasser-Rückgewinnungssystem im Brennstoffzellensystem, das Wasser aus Abgas von einem Brennstoffzellenstapel rückgewinnt, installiert. Beide Lösungen haben sich in der Praxis als unbefriedigend herausgestellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Prob- lematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welchen bzw. in welchem ein schnelles Aufheizen des Brennstoffzellensystems bzw. ausgewählter Funktionskomponenten des Brennstoffzellensystems auf zuverlässige und insbesondere den Anodenabschnitt schützende Weise realisierbar ist.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 14 sowie das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 29 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü- chen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenba- rung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensys- tem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, wenigstens einen Verdampfer zum Verdampfen eines Brennstoff- Wasser-Gemisches, einen Reformer zum Reformieren des verdampften Brennstoff- Wasser-Gemisches für die Verwendung im Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, und wenigstens einen Brenner zum Verbrennen eines brennstoffhaltigen Fluids, auf. Der Reformer ist bevorzugt stromabwärts des wenigstens einen Verdampfers angeordnet und der wenigstens eine Brenner ist bevorzugt stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers angeordnet. Der wenigstens eine Brenner steht mit dem wenigstens einen Verdampfer, zum Zuführen von in dem wenigstens einen Brenner verbranntem brennstoffhaltigen Fluid von dem wenigstens einen Brenner zu dem wenigstens einen Verdampfer, in Fluidverbindung. Stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers ist eine Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle zum Bereitstellen eines Brennstoff-Wasser-Gemisches für den wenigstens einen Verdampfer, angeordnet.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: - Aufheizen des wenigstens einen Verdampfers und/oder eines Fluids innerhalb des wenigstens einen Verdampfers auf eine Soll-Temperatur oder darüber,
Zuführen des Brennstoff-Wasser-Gemisches von der Brennstoff-Wasser- Gemisch-Quelle zu dem wenigstens einen Verdampfer, sobald der wenigstens eine Verdampfer die Soll-Temperatur erreicht hat oder die Temperatur darüber liegt,
Zuführen eines durch den wenigstens einen Verdampfer verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches von dem wenigstens einen Verdampfer, der die Soll- Temperatur erreicht hat oder dessen Temperatur darüber liegt, zu dem Reformer zum Reformieren des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches, und Zuführen des reformierten Brennstoff-Wasser-Gemisches zum Anodenabschnitt, der sich in einem deaktivierten Betriebszustand befindet, in welchem durch den Brennstoffzellenstapel kein Strom erzeugt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Aufheizen des Brennstoffzellen- Systems, insbesondere ein Aufheizen des wenigstens einen Verdampfers sowie des Reformers und des Anodenabschnitts erzielt werden, während der Anodenabschnitt mit dem reformierten Brennstoff-Wasser-Gemisch beaufschlagt und dadurch zuverlässig vor Sauerstoff oder zumindest vor übermäßiger Sauerstoffbeaufschlagung geschützt werden kann. Gleichzeitig wird der Brennstoffzellenstapel, insbesondere der Anodenabschnitt erhitzt. Durch das erfindungsgemäße Fördern des aufgeheizten und verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches von der Brennstoff-Wasser- Gemisch-Quelle zum Anodenabschnitt kann das Brennstoffzellensystem außerdem schnell erhitzt werden.
Die Soll-Temperatur ist insbesondere davon abhängig, welche Menge an flüssigem Brennstoff oder flüssigem Wasser-Brennstoff-Gemisch verdampft wird oder verdampfbar ist.
Als Brennstoff wird in dem Brennstoff-Wasser-Gemisch vorzugsweise ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff, beispielsweise Methan, verwendet. Der Brennstoff kann auch aus einem vorgemischten Ethanol-Wasser-Gemisch gebildet sein. Alternativ können auch zwei Behälter für Wasser und Ethanol vorgesehen sein, wobei die beiden
Brennstoffkomponenten zu einem späteren Zeitpunkt miteinander vermischt werden. In oder an dem Reformer kann das Brennstoff-Wasser-Gemisch in diesem Fall in Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid reformiert werden. Nach dem Reformationsprozess existieren besonders bevorzugt nur mehr Wasserstoff und Methan. Diese Stoffe sind am oder im Anodenabschnitt in der Regel unproblematisch und können beispielsweise in einem Abgasbrenner bzw. Nachbrenner oder durch beschichtete Komponenten verbrannt werden. Insbesondere Wasserstoff und Methan können stromabwärts des Anodenabschnitts, welcher, wie vorstehend beschrieben, konfiguriert ist, temporär keinen Strom zu erzeugen, zudem zur weiteren Aufheizung des Brennstoffzellensystem bzw. ausgewählter Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Das Verfahren ist insbesondere zum Aufheizen eines SOFC-Systems konfiguriert. Die Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle kann einen oder mehrere Brennstoff- Wasser-Gemisch-Speicher aufweisen oder als solche(r) ausgestaltet sein.
Der Verdampfer kann durch eine Heizvorrichtung erhitzt bzw. erwärmt werden. Die Heizvorrichtung kann ein elektrisches Heizmittel und/oder ein oxidatives Heizmittel aufweisen.
Es kann auch günstig sein, wenn der Reformer und/oder der Verdampfer mechanisch mit dem Brenner verbunden sind, sodass der Reformer und/oder der Verdampfer über Wärmeleitung vom Brenner erwärmt werden oder erwärmbar sind. Dadurch ist eine Effizienz des Aufheizprozesses der Komponenten des Brennstoffzellensystems weiter verbessert. Der Brenner kann also auch mit dem Reformer und/oder mit dem Verdampfer als ein (mehrstufiges) integrales Bauteil ausgebildet sein. Dabei kann auf eine katalytische Beschichtung für eine exotherme Reaktion des Reformers oder des Verdampfers verzichtet werden. Unter dem Zuführen von Fluiden von einer System komponente des Brennstoffzellensystems zu einer anderen Systemkomponente des Brennstoffzellensystems ist das Fördern des jeweiligen Fluids von der einen System komponente in oder an die andere Systemkomponente zu verstehen. Wenn das Brennstoff-Wasser-Gemisch beispielsweise von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle zu dem wenigstens einen Verdampfer geführt wird, kann das Brennstoff-Wasser-Gemisch in den wenigstens einen Verdampfer oder an den wenigstens einen Verdampfer, beispielsweise thermisch wechselwirkend mit dem wenigstens einen Verdampfer um den wenigstens einen Verdampfer herum, geführt werden. Zum Führen bzw. Fördern der jeweiligen Fluide sind geeignete Fördervorrichtungen im Brennstoffzellensystem ausgestaltet. Ferner stehen die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems derart miteinander in Kontakt, dass thermische Energie untereinander übertragbar ist. Insbesondere werden die Fluide dabei verdampft und es erfolgen exotherme Reaktionen, sodass die Komponenten entweder erhitzt und/oder auf einer Soll-Temperatur gehalten werden können. Unter dem Zuführen des Brennstoff-Wasser-Gemisches von der Brennstoff-Wasser- Gemisch-Quelle zu dem wenigstens einen Verdampfer ist zu verstehen, dass das Brennstoff-Wasser-Gemisch von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle zu dem wenigstens einen Verdampfer zumindest teilweise zugeführt wird. Unter dem Zuführen des durch den wenigstens einen Verdampfer verdampften Brennstoff-Wasser- Gemisches von dem wenigstens einen Verdampfer zu dem Reformer ist zu verstehen, dass das durch den wenigstens einen Verdampfer verdampfte Brennstoff- Wasser-Gemisch zumindest teilweise von dem wenigstens einen Verdampfer zu dem Reformer geführt wird. Unter dem Reformieren des verdampften Brennstoff- Wasser-Gemisches ist zu verstehen, dass das verdampfte Brennstoff-Wasser- Gemisch zumindest teilweise reformiert wird.
Sobald das Brennstoffzellensystem bzw. ausgewählte Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems eine gewünschte Betriebstemperatur erreicht haben, werden das Brennstoffzellensystem und somit auch der Anodenabschnitt in einen aktivierten Betriebszustand geschaltet, in welchem unter Verwendung von reformiertem Wasserstoff Strom erzeugt wird.
Darunter, dass ein erfindungsgemäßes Bauteil stromabwärts oder stromaufwärts eines anderen erfindungsgemäßen Bauteils angeordnet ist, ist zu verstehen, dass das eine Bauteil direkt oder indirekt, also ggf. durch weitere Funktionsbauteile voneinander getrennt, stromaufwärts oder stromabwärts des anderen Bauteils angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung ist außerdem vorzugsweise eine Fluidverbindung zwischen den jeweiligen Bauteilen ausgestaltet. Zusätzlich oder alternativ ist es günstig, wenn die einzelnen Bauteile mechanisch miteinander verbunden sind, um einen Wärmeübertrag zwischen denselben zu ermöglichen.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren der wenigstens eine Brenner zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt, von Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt und/oder von Brennstoff von einer Primärbrennstoffquelle, die stromaufwärts des wenigstens einen Brenners angeordnet ist, ausgestaltet ist, wobei dem wenigstens einen Brenner Brennstoff von der Primärbrennstoffquelle zugeführt wird und der Brennstoff in dem wenigstens einen Brenner verbrannt wird, und wobei der verbrannte Brennstoff von dem wenigstens einen Brenner zu dem wenigstens einen Verdampfer, zum Aufheizen des wenigstens einen Verdampfers und/oder des Fluids innerhalb des wenigstens einen Verdampfers auf die Soll-Temperatur oder darüber, zugeführt wird. Die Primärbrennstoffquelle wird für einen aktivierten bzw. Strom erzeugenden Betriebszustand des Brennstoffzellensystems benötigt und führt dem Verdampfer bzw. dem Reformer zu reformierenden Brennstoff zu. Dadurch wird für den erfindungsgemäßen Aufheizvorgang des Brennstoffzellensystems mit der Primärbrennstoffquelle eine Systemkomponente verwendet, die grundsätzlich ohnehin im Brennstoffzellensystem benötigt wird. Auf zusätzliche Systemkomponenten kann, abgesehen von ei- ner Fluidverbindung zwischen der Brennstoffquelle und dem Brenner zum Zuführen des Brennstoffs zum Brenner, demnach verzichtet werden. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem besonders kompakt bereitgestellt werden. Außerdem kann dadurch eine kostengünstige Lösung zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems geschaffen werden. Im Brenner, welcher als Abgasbrenner ausgebildet ist oder einen Abgasrenner umfasst, wird insbesondere Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt unter Zuführung von Kathodenabgas, das ist im Wesentlichen Luft, aus dem Kathodenabschnitt verbrannt. Das Kathodenabgas umfasst insbesondere ausschließlich Luft, wohingegen das Anodenabgas nicht vollständig verbrannten Brennstoff umfasst. Der Abgasbrenner ist insbesondere ein Nachbrenner. Der Brenner kann weiter derart ausgebildet sein, dass dieser die Funktionsweise eines Startbrenners übernimmt.
In einem weiteren Schritt wird das Brennstoff-Wasser-Gemisch nach dem Beaufschlagen und/oder Aufheizen des Brennstoffzellenstapels, insbesondere des Anodenabschnittes, mit Vorteil dem Brenner zugeführt. In weiterer Folge wird dieses Brennstoff-Wasser-Gemisch im Brenner verbrannt. Dies kann sowohl in dessen
Funktionsweise als Abgasbrenner als auch in dessen Funktionsweise als Startbrenner erfolgen. In weiterer Folge wird das nun zumindest teilweise verbrannte Gemisch dem zumindest einen Verdampfer oder Reformer zugeführt. Alternativ kann das Brennstoff-Wasser-Gemisch nach dem Aufheizen des Anodenabschnittes auch di- rekt (ohne Zwischenschritt über den Brenner) zu einem Verdampfer oder zum Reformer geleitet werden, wobei der Verdampfer und/oder der Reformer hierfür eine ka- talytische Beschichtung aufweisen. Dadurch erfolgt eine endotherme Reaktion und ein Aufheizen des Verdampfers und/oder Reformers wird weiter beschleunigt.
Zudem ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Brennstoff mittels eines elektrisch aktivierbaren Katalysators, insbesondere mittels eines elektrisch beheizbaren Metallkatalysators, des Brenners verbrannt wird und der Katalysator deaktiviert wird, sobald die Soll-Temperatur erreicht ist oder überschritten wird. Durch Verwendung des aktivierbaren und deaktivierbaren Katalysators und der Ausschaltautomatik kann der Brenner besonders effizient betrieben werden. Der Katalysator kann außerdem besonders platzsparend bereitgestellt werden.
Weiterhin ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das reformierte Brennstoff-Wasser-Gemisch von dem Anodenabschnitt zu dem wenigstens einen Brenner geführt wird, in dem wenigstens einen Brenner zumindest teilweise verbrannt wird und das zumindest teilweise verbrannte Brennstoff-Wasser- Gemisch von dem wenigstens einen Brenner über den wenigstens einen Verdampfer sowie den Reformer dem Anodenabschnitt zugeführt wird. Dadurch kann das am Anodenabschnitt genutzte Spülfluid, also das verdampfte und reformierte Brennstoff- Wasser-Gemisch, insbesondere die reformierten, verbrennbaren Bestandteile desselben, im Brenner genutzt werden, um den Verdampfer weiter aufzuheizen.
Dadurch kann das Aufheizen des Verdampfers sowie des Reformers nicht nur sicher, sondern auch besonders effizient durchgeführt werden.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Brennstoff-Wasser-Gemisch von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle durch einen Injektor in den wenigstens einen Verdampfer eingespritzt wird. Durch den Injektor kann das Brennstoff-Wasser-Gemisch auf einfache Weise dosiert in den wenigstens einen Verdampfer eingespritzt werden. Dadurch lässt sich die Menge an Fluid, mit welcher der Anodenabschnitt während des Startens des Brennstoffzellensystems gespült werden soll, einfach einstellen. Außerdem können dadurch entsprechend spontan und einfach etwaige Temperaturanpassungen am wenigstens einen Verdampfer oder am Reformer vorgenommen werden, indem eine Einspritzmenge des reformierten Brennstoff-Wasser-Gemisches, dass durch den Brenner verbrannt wird, durch einen gewünschten Einspritzvorgang des Injektors angepasst wird.
Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es zudem möglich, dass dem Reformer vor dem Reformieren oder während des Reformierens des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Fluid zugeführt wird. Durch das Zuführen von Luft bzw. eines sauerstoffhaltigen Fluids kann eine exotherme Reaktion im Reformer begünstigt werden, bei welcher im Reformer sowie im Anodenabschnitt noch mehr Hitze erzeugt werden kann. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem besonders schnell erhitzt werden. Die Luft kann von einer Luftquelle, beispielsweise einem Drucklufttank, oder bevorzugt von einem Gebläse zugeführt werden. Das Gebläse ist vorzugsweise das Gebläse, das Luft zum Katho- denabschnitt führt. In diesem Fall kann die Luft aus einer Fluidleitung, die zwischen dem Gebläse und dem Kathodenabschnitt ausgestaltet ist, in den Reformer abgezweigt werden.
Darüber hinaus kann es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren von Vorteil sein, wenn der Reformer vor dem Zuführen des verdampften Brennstoff-Wasser- Gemisches zu dem Reformer vorgeheizt wird. In einem vorgeheizten Reformer kann die gewünschte Reform ierungsreaktion besonders zuverlässig stattfinden. Ungewünschte Reform ierungsprodukte, die bei einem nicht vorgeheizten Reformer entstehen könnten, können verhindert werden. Dadurch kann das Verfahren besonders stabil und zuverlässig betrieben werden. Beispielsweise kann der Reformer hierfür mechanisch mit dem Brenner verbunden sein und durch Wärmeleitung vom Brenner zum Reformer durch die Wärme des Brenners aufgeheizt werden.
Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass es von Vorteil ist, wenn die Soll-Temperatur wenigstens 250°C, insbesondere wenigstens 300°C beträgt. D.h., der wenigstens eine Verdampfer und/oder das Fluid innerhalb des wenigstens einen Verdampfers werden auf mindestens 250°C, insbesondere mindestens 300°C erhitzt, bevor das Brennstoff-Wasser-Gemisch von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle zu dem wenigstens einen Verdampfer geführt bzw. in diesen eingespritzt wird. Dieser Temperaturbereich hat sich als ausreichend hoch erwiesen, um das Brennstoff-Wasser-Gemisch wie gewünscht zu verdampfen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das durch den wenigstens einen Verdampfer verdampfte Brennstoff- Wasser-Gemisch wenigstens teilweise von dem wenigstens einen Verdampfer, der die Soll-Temperatur erreicht hat oder dessen Temperatur darüber liegt, als das brennstoffhaltige Fluid zu dem wenigstens einen Brenner geführt wird. Durch die Verwendung des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches kann Brennstoff von der Brennstoffquelle eingespart werden oder es kann, je nach Anwendungsfall, auf einfache und schnelle Weise besonders viel Brennstoff am Brenner bereitgestellt werden. Dadurch können der Brenner und somit auch der Verdampfer sowie der Reformer schnell und einfach auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Darunter, dass das Brennstoff-Wasser-Gemisch als das brennstoffhaltige Fluid zu betrachten ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das Brennstoff-Wasser-Gemisch zumindest als ein Teil des zum Brenner zugeführten brennstoffhaltigen Fluids genutzt wird. Außerdem ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das durch den wenigstens einen Verdampfer verdampfte Brennstoff-Wasser-Gemisch zum Aufheizen des Brennstoff-Wasser-Gemisches an oder in einem Wärmetauschabschnitt des wenigstens einen Brenners zu dem wenigstens einen Brenner geführt wird. Hierbei wird das verdampfte Brennstoff-Wasser-Gemisch insbesondere in einem Fluidkanal geführt, der zumindest abschnittsweise am Brenner entlang, vorzugsweise direkt an diesem anliegend, zu einem Einlassabschnitt zum Einlassen des Brennstoff-Wasser-Gemisches in den Brenner angeordnet ist. Dadurch kann auf einfache, effektive und effiziente Weise Wärme, die im Brenner erzeugt wird, auf das Brennstoff-Wasser-Gemisch übertragen werden, wodurch dieses bereits vorgeheizt und/oder weiter verdampft in den Brenner eingeführt werden kann. Dadurch kann der Brenner noch schneller erhitzt werden, wodurch wiederum auch das Brennstoff- Wasser-Gemisch, das über den Wärmetauschabschnitt in den wenigstens einen Brenner geführt wird, noch stärker erhitzt werden kann. Durch die in Rede stehende Lehre kann mithin ein besonders effizienter sowie effektiver Heizkreislauf geschaffen werden.
Darüber hinaus ist es bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers eine Brennstoffquelle zum Bereitstellen eines Brennstoffs für den wenigstens einen Verdampfer angeord- net ist, wobei durch den wenigstens einen Verdampfer verdampfter Brennstoff zum Aufheizen des Brennstoffs an oder in einem Wärmetauschabschnitt des wenigstens einen Brenners als das brennstoffhaltige Fluid zu dem wenigstens einen Brenner geführt wird. D.h., zusätzlich oder alternativ zu der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle ist eine separate Brennstoffquelle angeordnet, wobei auch in diesem Fall auf einfa- che, effektive und effiziente Weise Wärme, die im Brenner erzeugt wird, auf den
Brennstoff übertragen werden kann. Dadurch kann der Brennstoff bereits vorgeheizt und/oder weiter verdampft in den Brenner eingeführt werden. Hierdurch kann wiederum der Brenner besonders schnell erhitzt werden, wodurch auch der Brennstoff, der über den Wärmetauschabschnitt in den wenigstens einen Brenner geführt wird, noch stärker erhitzt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist neben der vorstehend erwähnten Brennstoffquelle noch die Brennstoff -Wasser-Gemisch-Quelle angeordnet, mittels welcher über einen separaten Verdampfer zum Verdampfen des Brennstoff-Wasser-Gemisches, der in Reihe zu dem Verdampfer für die Brennstoffquelle angeordnet ist, verdampftes Brennstoff-Wasser-Gemisch zu dem Reformer zugeführt wird. Die beiden Verdampfer sind in diesem Fall jeweils als Zweiwege- Systeme ausgestaltet, welche relativ kostengünstig bereitstellbar sind.
Darüber hinaus ist es bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Brennstoff-Wasser-Gemisch und/oder der Brennstoff jeweils durch ei- ne Zwischenheizvorrichtung, insbesondere eine elektrische Zwischenheizvorrichtung, die stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle bzw. der Brennstoffquelle und stromaufwärts des wenigstens einen Brenners angeordnet ist, erhitzt wird, bis das Brennstoff-Wasser-Gemisch bzw. der Brennstoff eine vordefinierte Temperatur erreicht hat oder die Temperatur darüber liegt. Unter Verwendung der Zwischenheiz- Vorrichtung kann auf das Aufheizen bzw. Vorheizen des Brenners durch den eingangs erwähnten Brennstoff aus der Primärbrennstoffquelle verzichtet werden.
Dadurch kann auch auf ein dafür nötiges Leitungssystem verzichtet werden, welches in der Regel mehr Bauraum als die Zwischenheizvorrichtung und einen höheren Komplexitätsgrad im Brennstoffzellensystem bedingen würde. Mithin kann das Brennstoffzellensystem unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zwischenheizvorrichtung entsprechend einfach und kompakt bereitgestellt werden. Die Zwischenheizvorrichtung kann stromaufwärts des Verdampfers und/oder stromabwärts des Verdampfers angeordnet sein.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Zwischenheizvorrichtung deaktiviert wird, sobald der wenigstens eine Brenner, ein Fluid in dem wenigstens einen Brenner, der wenigstens eine Verdampfer und/oder ein Fluid in dem wenigstens einen Verdampfer eine vordefinierte Temperatur erreicht haben oder die Temperatur darüber liegt. Sobald die jeweilige vordefinierte Temperatur erreicht ist, wird die Zwischenheizvorrichtung nicht mehr benötigt. Durch die automatische Abschaltung kann das Brennstoffzellensystem energiesparend betrieben werden. Insbesondere ist es dabei günstig, wenn die vorstehend beschriebenen Komponenten derart insbesondere unmittelbar mechanisch miteinander in Verbindung stehen, dass Wärme vom Brenner zum Verdampfer geleitet und übertragen wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, wenigstens einen Verdampfer zum Verdampfen eines Brennstoff-Wasser- Gemisches, einen Reformer zum Reformieren des verdampften Brennstoff-Wasser- Gemisches für die Verwendung im Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, und wenigstens einen Brenner zum Verbrennen eines brennstoffhaltigen Fluids, auf. Der Reformer ist stromabwärts des wenigstens einen Verdampfers angeordnet und der wenigstens eine Brenner ist stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers angeordnet. Der wenigstens eine Brenner steht mit dem wenigstens einen Verdampfer, zum Zuführen von in dem wenigstens einen Brenner verbranntem brennstoffhaltigen Fluid von dem wenigstens einen Brenner zu dem wenigstens einen Verdampfer, in Fluidverbindung. Stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers ist eine Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle zum Bereitstellen eines Brennstoff-Wasser-Gemisches für den wenigstens einen Verdampfer angeordnet.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise als SOFC-System ausgestaltet. Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung weist das
Brennstoffzellensystem eine Kontrolleinheit auf, die zum Ausführen eines wie vorstehend im Detail beschriebenen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet ist. Unter der Kontrolleinheit ist eine Steuer- und/oder Regeleinheit zum Ausführen bzw. Ansteuern der einzelnen Verfahrensschritte zu verstehen.
Der Brennstoff und das Wasser in der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle sind zumindest vorübergehend in flüssiger Form bereitgestellt. Bevorzugt weißt die Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle einen Brennstoff-Wasser-Gemisch-Speicher auf, in welchem ein vorgemischtes Brennstoff-Wasser-Gemisch im flüssigen Aggregatszustand gespeichert ist. Das Brennstoff-Wasser-Gemisch ist dadurch auf besonders einfache und kompakte Weise im Brennstoffzellensystem gespeichert.
Der wenigstens eine Verdampfer ist bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung vorzugsweise direkt stromabwärts der Brennstoff-Wasser- Gemisch-Quelle angeordnet. Dadurch kann eine schnelle und einfache Dosierungsanpassung hinsichtlich des Brennstoff-Wasser-Gemisches für den wenigstens einen Verdampfer durchgeführt werden.
Außerdem ist es bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem möglich, dass der wenigstens eine Verdampfer direkt stromabwärts des wenigstens einen Brenners angeordnet ist. Dadurch kann ein besonders wirkungsvoller Wärmetransport von dem Brenner auf den wenigstens einen Verdampfer gewährleistet werden, wodurch der Brennstoff und/oder das Brennstoff-Wasser-Gemisch in oder an dem wenigstens einen Verdampfer entsprechend wirksam verdampft werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der wenigstens eine Verdampfer und/oder der Reformer unmittelbar mit dem wenigstens einen Brenner verbunden sind. Somit sind also der Verdampfer und/oder der Reformer mechanisch mit dem Brenner verbunden, wodurch Wärme vom Brenner auf den Verdampfer oder Reformer über Wärmeleitung thermisch übertragbar ist. Bei dieser Ausführung ist deshalb keine katalytischen Beschichtungen des Verdampfers und/oder des Reformers notwendig. Es kann auf exotherme Reaktionen zur Wärmebereitstellung verzichtet werden. Beispielsweise kann der Verdampfer unmittelbar an den Brenner anschließend angeordnet sein oder diesen umschließend. Günstig ist es stets, wenn die Bauteile derart zueinander angeordnet sind, dass soviel Wärme wie möglich vom Brenner auf den Reformer und/oder Verdampfer thermisch geleitet werden. Darunter, dass der wenigstens eine Verdampfer und/oder der Reformer unmittelbar mit dem wenigstens einen Brenner verbunden sind, ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass diese Bauteile direkt aneinander anschließen und nicht voneinander beabstandet angeordnet sind; sie sind physisch miteinander verbunden. Der wenigstens eine Brenner weist vorliegend insbesondere einen Abgasbrenner und/oder einen Startbrenner auf. Der Startbrenner ist insbesondere stromaufwärts des Abgasbrenners, bevorzugt direkt stromaufwärts des Abgasbrenners, und besonders bevorzugt integral mit dem Abgasbrenner verbunden, ausgestaltet. Zumindest der Abgasbrenner, in der Regel aber auch der Startbrenner, werden in einem erfin- dungsgemäßen SOFC-System ohnehin benötigt, weshalb für den Brenner keine neue bzw. separate Funktionseinheit erforderlich ist. Das Brennstoffzellensystem kann demnach entsprechen kompakt und einfach gebaut zur Verfügung gestellt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann eine Luftzuführvorrich- tung, insbesondere ein Gebläse, zum Zuführen von Luft zu dem Reformer vor dem Reformieren oder während des Reformierens des verdampften Brennstoff-Wasser- Gemisches angeordnet sein. Die Luftzuführvorrichtung wird vorzugsweise bereits zum Zuführen von Luft bzw. eines sauerstoffhaltigen Fluids zum Kathodenabschnitt benötigt. D.h., es kann ein Funktionsbauteil des Brennstoffzellensystems verwendet werden, das ohnehin im Brennstoffzellensystem benötigt wird. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem kompakt und kostengünstig zur Verfügung gestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn eine weitere Luftzuführvorrichtung vorgesehen ist, welche Luft stromabwärts des Reformers zuführt. Dadurch wird eine endotherme, partielle Oxidationsreaktion in der Anode ausgelöst, wobei auch ein Aufheizprozess beschleunigt wird. Eine Anodentemperatur für die Oxidationsreaktion sollte höher als 250 °C, insbesondere höher als 300 °C, sein. Wichtig ist hierbei stets, dass der gesamte Sauerstoff in der Anode verbrannt wird, um eine Reoxidation an der Anode zu vermeiden. Dies wird erreicht, wenn eine sogenannte fette Verbrennung stattfindet, also wenn der Lambda-Wert kleiner 1 ist (mehr Brennstoff als Luft; Luftmangel).
Darüber hinaus ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass der wenigstens eine Brenner zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt, von Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt und/oder von Brennstoff von einer Brennstoffquelle, die stromaufwärts des wenigstens einen Brenners angeordnet ist, ausgestaltet ist, wobei die Brennstoffquelle zum Zuführen des Brennstoffs zu dem wenigstens einen Brenner ausgestaltet ist, und der wenigstens eine Brenner zum Zuführen des verbrannten Brennstoffs von dem wenigstens einen Brenner zu dem wenigstens einen Verdampfer, zum Aufheizen des wenigstens einen Verdampfers und/oder des Fluids innerhalb des wenigstens einen Verdampfers auf die Soll-Temperatur oder darüber, ausgestaltet ist.
Ferner kann der wenigstens eine Brenner einen elektrisch aktivierbaren Katalysator, insbesondere einen elektrisch beheizbaren Metallkatalysator, zum Verbrennen des Brennstoffs aufweisen, wobei der Katalysator konfiguriert ist, deaktiviert zu werden, sobald die Soll-Temperatur erreicht oder überschritten ist. Stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle und stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers kann wenigstens ein Injektor zum Einspritzen des Brennstoff-Wasser-Gemisches von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle in den wenigstens einen Verdampfer angeordnet sein. An einem Außenwandabschnitt des wenigstens einen Brenners kann ein Wärmetauschabschnitt ausgestaltet sein, an oder in welchem das durch den wenigstens einen Verdampfer verdampfte Brennstoff-Wasser-Gemisch zu dem wenigstens einen Brenner zuführbar ist. Stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers kann eine Brennstoffquelle zum Bereitstellen eines Brennstoffs für den wenigstens einen Verdampfer angeordnet sein, wobei durch den wenigstens einen Verdampfer verdampfter Brennstoff zum Aufheizen des Brennstoffs an oder in einem Wärmetauschabschnitt des wenigstens einen Brenners als das brennstoffhaltige Fluid zu dem we- nigstens einen Brenner führbar ist. Stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch- Quelle und/oder der Brennstoffquelle und stromaufwärts des wenigstens einen Brenners kann eine Zwischenheizvorrichtung, insbesondere eine elektrische Zwischen- heizvorrichtung, zum Aufheizen des Brennstoff-Wasser-Gemisches bzw. des Brennstoffs angeordnet sein, wobei die Zwischenheizvorrichtung konfiguriert ist, das Brennstoff-Wasser-Gemisch bzw. den Brennstoff aufzuheizen, bis das Brennstoff- Wasser-Gemisch bzw. der Brennstoff eine vordefinierte Temperatur erreicht hat oder die Temperatur darüber liegt. Die Zwischenheizvorrichtung kann konfiguriert sein deaktiviert zu werden, sobald der wenigstens eine Brenner, ein Fluid in dem wenigstens einen Brenner, der wenigstens eine Verdampfer und/oder ein Fluid in dem wenigs- tens einen Verdampfer eine vordefinierte Temperatur erreicht haben oder die Temperatur darüber liegt. Damit bringt das Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich mit Bezug auf das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug die vorstehen beschriebenen Vorteile mit sich. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein PKW oder ein LWK.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch: Figur 1 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Abschnitts des in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystems,
Figur 3 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 6 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 7 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 8 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 9 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 10 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 1 1 ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem,
Figur 12 ein Ablaufdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 13 ein Ablaufdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 13 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100a für ein Kraftfahrzeug 1000 in Form eines SOFC-Systems gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100a zeigt einen Anodenabschnitt 2, einen Verdampfer 4 zum Verdampfen eines Brennstoff-Wasser-Gemisches, einen Reformer 5 zum Reformieren des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches für die Verwendung im Anodenabschnitt 2 und einen Brenner 6 zum Verbrennen eines von einer Pri- märbrennstoffquelle 14 auf. Die Primärbrennstoffquelle 14 ist ein optionales Vorheizelement wie beispielsweise ein Startbrenner.
Der Reformer 5 ist stromabwärts des Verdampfers 4 angeordnet und der Brenner 6 ist stromaufwärts des Verdampfers 4 angeordnet. Der Brenner 6 steht mit dem Verdampfer 4, zum Zuführen von in dem Brenner 6 verbranntem Brennstoff von dem Brenner 6 zu dem Verdampfer 4, in Fluidverbindung oder ist mechanisch mit diesem verbunden. Direkt stromaufwärts des Verdampfers 4 ist eine Brennstoff-Wasser- Gemisch-Quelle 7 in Form eines Brennstoff-Wasser-Gemisch-Speichers zum Bereitstellen eines fertig gemischten Brennstoff-Wasser-Gemisches für den Verdampfer 4 angeordnet. Der Brennstoff und das Wasser sind in der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7 in flüssiger Form bereitgestellt. Der Verdampfer 4 ist direkt stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7 angeordnet. Der Verdampfer 4 ist ferner direkt stromabwärts des Brenners 6 angeordnet.
Stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7 und somit stromaufwärts des Verdampfers 4 ist ein Injektor 12 zum Einspritzen des Brennstoff-Wasser- Gemisches von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7 in den Verdampfer 4 angeordnet.
Direkt stromabwärts des Reformers 4 ist ferner ein Wärmetauscher 8 angeordnet, über welchen verbranntes Abgas aus dem Brenner 6 in die Umgebung 9 des Brenn- Stoffzeilensystems ausgelassen werden kann.
Der Brenner 6 ist zum Zuführen des verbrannten Brennstoffs von dem Brenner 6 zu dem Verdampfer 4, zum Aufheizen des Verdampfers 4 und des Fluids innerhalb des Verdampfers 4 auf eine Soll-Temperatur oder darüber, ausgestaltet. Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Brenner 6 mit dem Verdampfer 4 auch physisch ver- bunden ist, beispielsweise kann der Verdampfer 4 unmittelbar stromabwärts des Brenners 6 oder um den Brenner 6 herum diesen umschließend angeordnet sein. Mit Bezug auf Fig. 2 wird anschließen ein Abschnitt des Brennstoffzellensystems 100a gemäß der ersten Ausführungsform im Detail erläutert. Der in Fig. 2 dargestellte Brenner 6 weist einen elektrisch beheizbaren Metallkatalysator zum Verbrennen des Brennstoffs auf, wobei der Katalysator konfiguriert ist, deaktiviert zu werden, so- bald die Soll-Temperatur erreicht oder überschritten ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann das Brennstoff-Wasser-Gemisch über den Verdampfer 4 zum Reformer 5 geleitet und von dort weiter zum Anodenabschnitt 2 geführt werden. Der Reformer 5 ist dabei ringförmig um den Brenner 6 in Form eines Abgasbrenners herum angeordnet. Stromaufwärts des Brenners 6 ist direkt am Brenner 6 eine Vorheizvorrichtung 10 in Form einer elektrischen Heizvorrichtung zum Vorheizen von in dem Brenner 6 zu verbrennendem Brennstoff angeordnet.
Mit Bezug auf die Figuren 1 bis 10 werden anschließend weitere Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems beschrieben, wobei jeweils nur die jeweiligen Unterscheidungsmerkmale zwischen den Ausführungsformen erläutert werden. Dadurch soll eine redundante Beschreibung möglichst vermieden werden.
In Fig. 3 ist ein Brennstoffzellensystem 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem 100b ist an einem Außenwandabschnitt des Brenners 6 ein Wärmetauschabschnitt 18 ausgestaltet, an welchem das durch den Verdampfer 4 verdampfte Brennstoff-Wasser-Gemisch zu dem Brenner 6 zuführbar ist. Außerdem wird in Fig. 3 das Brennstoff-Wasser-Gemisch von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7 sowohl zum Brenner 6 als auch zum Reformer 5 geleitet.
In Fig. 4 ist ein Brennstoffzellensystem 100c gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem 100c ist stromaufwärts ei- nes ersten Verdampfers 4a eine Brennstoffquelle 7a zum Bereitstellen eines Brennstoffs für den ersten Verdampfer 4a angeordnet, wobei durch den ersten Verdampfer 4a verdampfter Brennstoff zum Aufheizen des Brennstoffs an oder in dem Wärmetauschabschnitt 18 des Brenners 6 als das brennstoffhaltige Fluid zu dem Brenner 6 führbar ist. Außerdem ist stromaufwärts eines zweiten Verdampfers 4b eine Brenn- stoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7b zum Bereitstellen eines Brennstoff-Wasser- Gemisches für den zweiten Verdampfer 4b angeordnet, wobei durch den zweiten Verdampfer 4b verdampftes Brennstoff-Wasser-Gemisch zu dem Reformer 5 leitbar ist. Der zweite Verdampfer 4b ist entsprechend stromaufwärts des Reformers 5 an- geordnet. Der erste Verdampfer 4a und der zweite Verdampfer 4b sind in Reihe zueinander und stromaufwärts zu dem Wärmetauscher 8 angeordnet.
In Fig. 5 ist ein Brennstoffzellensystem 100d gemäß einer vierten Ausführungsform dargestellt, welches ähnlich dem Brennstoffzellensystem 100c gemäß der dritten Ausführungsform ist. Bei dem Brennstoffzellensystem 100d gemäß der vierten Ausführungsform sind der erste Verdampfer 4a und der zweite Verdampfer 4b parallel zueinander angeordnet. Dies kann für eine besonders kompakte Bauweise des Brennstoffzellensystems 100d umgesetzt werden.
In Fig. 6 ist ein Brennstoffzellensystem 100e gemäß einer fünften Ausführungsform dargestellt. Bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem 100e ist stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7, genauer gesagt direkt stromabwärts des Verdampfers 4, eine elektrische Zwischenheizvorrichtung 1 1 zum Aufheizen des Brennstoff-Wasser-Gemisches bzw. des Brennstoffs angeordnet, wobei die Zwischenheizvorrichtung 1 1 konfiguriert ist, das Brennstoff-Wasser-Gemisch aufzuheizen, bis das Brennstoff-Wasser-Gemisch eine vordefinierte Temperatur erreicht hat oder die
Temperatur darüber liegt. Die Zwischenheizvorrichtung 1 1 ist konfiguriert deaktiviert zu werden, sobald der Brenner 6 und/oder ein Fluid in dem Brenner eine vordefinierte Temperatur erreicht haben oder die Temperatur darüber liegt. Die vordefinierte Temperatur kann beispielsweise ca. 650°C sein. Stromabwärts des Verdampfers 4 und stromaufwärts des Reformers 5 ist ein Ventil 20 angeordnet. Das Ventil 20 verhindert in einer geschlossenen Stellung, dass Brennstoff oder das Wasser- Brennstoff-Gemisch in den Reformer 5 strömen kann, ohne dass dieses verdampft ist oder verdampft werden kann. Somit ist eine mögliche Kondensierung vom Wasser-Brennstoff-Gemisch im Reformer 5 und eine Flutung des Reformers 5 durch flüs- sigen Brennstoff vermieden. Das Ventil 20 kann auch bei allen anderen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein.
In Fig. 7 ist ein Brennstoffzellensystem 10Of gemäß einer sechsten Ausführungsform dargestellt. Bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem 10Of ist die Zwischenheizvorrichtung 1 1 stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle und stromauf- wärts des Verdampfers 4 angeordnet.
Wie in den Figuren 3 bis 7 dargestellt, ist der Injektor 12 jeweils relativ weit vom Brenner 6 entfernt angeordnet und dadurch gut gegen die Hitze des Brenners ge- schützt. Als Injektor 12 kann unter anderem auch deshalb ein Standardinjektor verwendet werden, d.h., ein Injektor, der weder in seiner Form, noch bezüglich der Temperaturbeständigkeit besondere Ansprüche erfüllen muss.
In Fig. 8 ist ein Brennstoffzellensystem 100g gemäß einer siebten Ausführungsform dargestellt. Bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem 100g ist ein Brennstoffzellenstapel mit dem Anodenabschnitt 2 und einem Kathodenabschnitt 3 gezeigt. Ferner sind neben der Primärbrennstoffquelle 14 noch eine Wasserquelle 15 sowie eine Luftzuführvorrichtung 16 in Form eines Gebläses dargestellt. Das Gebläse ist zum Zuführen von Luft zu dem Reformer 5 vor dem Reformieren oder während des Re- formierens des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches konfiguriert.
In Fig. 9 ist ein Brennstoffzellensystem 100h gemäß einer achten Ausführungsform dargestellt. Bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem 100h weist der Brenner einen Abgasbrenner 6 und einen Startbrenner 17 auf, wobei der Startbrenner 17 stromaufwärts des Abgasbrenners 6 direkt an demselben angeordnet ist.
In Fig. 10 ist ein Brennstoffzellensystem 10Oi gemäß einer neunten Ausführungsform dargestellt. Bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem 10Oi wurde auf eine Fluid- leitung zum Zuführen von Brennstoff von der Primärbrennstoffquelle 14 zum Brenner 6 verzichtet, da stromaufwärts des Verdampfers 4 die Zwischenheizvorrichtung 1 1 angeordnet ist.
In allen Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 8 bis 10 kann anstatt der Primärbrennstoffquelle 14 und der Wasserquelle 15 auch ein nur ein einziger Brennstoff-Wasser-Gemisch-Tank mit bereits vorgemischten Brennstoff-Wasser-Gemisch vorgesehen sein. Dieser Brennstoff-Wasser-Gemisch-Tank kann grundsätzlich wie die Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7 ausgebildet und ist stromaufwärts des Verdampfer 4 angeordnet.
In Fig. 1 1 ist ein Kraftfahrzeug 1000 mit einem Brennstoffzellensystem 100a gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1000 weist ferner einen Elektromotor 200 auf, welcher durch elektrische Energie von dem Brennstoffzellen- System 100a angetrieben werden kann. Das in Fig. 1 1 dargestellte Kraftfahrzeug 1000 bzw. das Brennstoffzellensystem 100a weist eine Kontrolleinheit 19 auf, die zum Ausführen eines wie nachfolgend im Detail beschriebenen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet ist.
Mit Bezug auf Fig. 12 sowie Fig. 1 wird anschließend ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform erläutert. Bei einem ersten Schritt S1 wird der Verdampfer 4 durch den Brenner 6 auf eine Soll-Temperatur von ca. 300°C erhitzt. Brennstoff im Brenner 6 wird dabei durch einen elektrisch beheizbaren Metallkatalysator verbrannt, wobei der Katalysator deaktiviert wird, sobald die Soll-Temperatur erreicht ist oder überschritten wird bzw. wurde.
Sobald der Verdampfer 4 die Soll-Temperatur erreicht hat oder die Temperatur dar- über liegt, wird bei einem anschließenden zweiten Schritt S2 ein Brennstoff-Wasser- Gemisch durch den Injektor 12 von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle 7 in den Verdampfer 4 eingespritzt.
Danach wird dem Reformer 5 in einem dritten Schritt S3 ein durch den Verdampfer 4 verdampftes Brennstoff-Wasser-Gemisch von dem Verdampfer 4, der die Soll- Temperatur erreicht hat oder dessen Temperatur darüber liegt, zugeführt, sodass der Reformer das verdampfte Brennstoff-Wasser-Gemisch reformieren kann. Vor dem Reformieren oder während des Reformierens des verdampften Brennstoff-Wasser- Gemisches wird dem Reformer 5 Luft zugeführt. Außerdem wird der Reformer 5 vor dem Zuführen des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches zu dem Reformer 5 vorgeheizt.
Nun wird dem Anodenabschnitt 2, der sich in einem deaktivierten Betriebszustand befindet, in welchem durch den Brennstoffzellenstapel kein Strom erzeugt wird, in einem vierten Schritt S4 das reformierte Brennstoff-Wasser-Gemisch zugeführt, wodurch der Anodenabschnitt während des Startens und Aufheizens des Brennstoff- zellensystems gespült und entsprechend geschützt wird.
Anschließend kann das reformierte Brennstoff-Wasser-Gemisch von dem Anodenabschnitt 2 zu dem Brenner 6 geführt bzw. rezirkuliert, in dem Brenner 6 zumindest teilweise verbrannt und das zumindest teilweise verbrannte Brennstoff -Wasser- Gemisch von dem Brenner 6 über den Verdampfer 4 sowie den Reformer 5 wieder dem Anodenabschnitt 2 zugeführt werden. Der entsprechende Heizkreislauf kann nun so lange laufen, bis das Brennstoffzellensystem auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt ist. Mit Bezug auf Fig. 13 sowie Fig. 6 wird anschließend ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform erläutert. Bei einem ersten Schritt S1 wird der Brenner 6 mittels des elektrisch beheizbaren Metallkatalysators auf eine Soll-Temperatur von ca. 300°C erhitzt. Sobald die Soll-Temperatur erreicht wurde, wird der Metallkataly- sator abgeschaltet.
In einem zweiten Schritt S2 wird dem Brenner 6 durch den Injektor 12 über den Verdampfer 4 ein Brennstoff-Wasser-Gemisch zugeführt, wobei die elektrische Zwi- schenheizvorrichtung 1 1 aktiviert ist und das Brennstoff-Wasser-Gemisch am Brenner 6 entlang geführt wird. Sobald der Verdampfer 4 eine vordefinierte Temperatur erreicht hat, bei welcher das Brennstoff-Wasser-Gemisch durch die im Brenner 6 erzeugte Hitze auf die gewünschte Weise verdampft werden kann, wird in einem dritten Schritt S3 die Zwi- schenheizvorrichtung 1 1 deaktiviert. In dem nun vorliegenden Heizkreislauf kann sowohl auf die Bestromung des Metallkatalysators als auch auf die Bestromung der Zwischenheizvorrichtung verzichtet werden.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu.
So ist es, wie in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt, möglich, dass stromaufwärts des ersten Verdampfers 4a eine Brennstoffquelle 7a zum Bereitstellen eines Brennstoffs für den ersten Verdampfer 4a angeordnet ist, wobei durch den ersten Verdampfer 4a verdampfter Brennstoff zum Aufheizen des Brennstoffs an dem Wärmetauschabschnitt 18 des Brenners 6 als das brennstoffhaltige Fluid zu dem Brenner 6 geführt wird. D.h., an Stelle des Brennstoff-Wasser-Gemisches kann dem Brenner 6 bei einem Verfahren gemäß Fig. 13 auch ein anderes Brennstoffgemisch bzw. ein anderer Brennstoff zugeführt werden.
Außerdem ist es, wie in Fig. 3, Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt, möglich, dass das durch den Verdampfer 4 verdampfte Brennstoff-Wasser-Gemisch wenigstens teilweise von dem Verdampfer 4, der die Soll-Temperatur erreicht hat oder dessen Temperatur darüber liegt, als das brennstoffhaltige Fluid zu dem Brenner 6 geführt wird. D.h., das Brennstoff-Wasser-Gemisch wird von dem Verdampfer 4 teilweise zum Brenner 6 und teilweise zum Reformer 5 geführt. Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellenstapel
2 Anodenabschnitt
3 Kathodenabschnitt
4 Verdampfer
4a Verdampfer
4b Verdampfer
5 Reformer
6 Abgasbrenner (Brenner)
7 Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle
7a Brennstoffquelle
7b Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle
8 Wärmetauscher
9 Umgebung
10 Vorheizvorrichtung
1 1 Zwischenheizvorrichtung
12 Injektor
14 Brennstoffquelle
15 Wasserquelle
16 Gebläse
17 Startbrenner (Brenner)
18 Wärmetauschabschnitt
19 Kontrolleinheit
20 Ventil
100a-100i Brennstoffzellensystem
200 Elektromotor
000 Kraftfahrzeug

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (1 ) mit einem Anodenabschnitt (2) und einem Kathodenabschnitt (3), wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) zum Verdampfen eines Brennstoff-Wasser- Gemisches, einen Reformer (5) zum Reformieren des verdampften Brennstoff- Wasser-Gemisches für die Verwendung im Anodenabschnitt (2) des Brennstoffzellenstapels (1 ), und wenigstens einen Brenner (6, 17) zum Verbrennen eines brennstoffhaltigen Fluids, wobei der Reformer (5) bevorzugt stromabwärts des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) und der wenigstens eine Brenner (6, 17) bevorzugt stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) angeordnet sind und der wenigstens eine Brenner (6, 17) mit dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), zum Zuführen von in dem wenigstens einen Brenner (6, 17) verbranntem brennstoffhaltigen Fluid von dem wenigstens einen Brenner (6, 17) zu dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), in Fluidver- bindung steht und stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) eine Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a, 7b) zum Bereitstellen eines Brennstoff-Wasser-Gemisches für den wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Aufheizen des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) und/oder eines Fluids innerhalb des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) auf eine Soll-Temperatur oder darüber,
Zuführen des Brennstoff -Wasser-Gemisches von der Brennstoff-Wasser- Gemisch-Quelle (7; 7a, 7b) zu dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), sobald der wenigstens eine Verdampfer (4; 4a, 4b) die Soll- Temperatur erreicht hat oder die Temperatur darüber liegt,
Zuführen eines durch den wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) verdampften Brennstoff -Wasser-Gemisches von dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), der die Soll-Temperatur erreicht hat oder dessen Temperatur darüber liegt, zu dem Reformer (5) zum Reformieren des verdampften Brennstoff -Wasser-Gemisches, und
Zuführen des reformierten Brennstoff-Wasser-Gemisches zum Anodenabschnitt (2), der sich in einem deaktivierten Betriebszustand befindet, in welchem durch den Brennstoffzellenstapel kein Strom erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Brenner (6, 17) zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt
(2), von Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt
(3) und/oder von Brennstoff von einer Brennstoffquelle (14), die stromaufwärts des wenigstens einen Brenners (6, 17) angeordnet ist, ausgestaltet ist, wobei dem wenigstens einen Brenner (6, 17) Brennstoff von der Brennstoffquelle (14) zugeführt wird und der Brennstoff in dem wenigstens einen Brenner (6, 17) verbrannt wird, und wobei der verbrannte Brennstoff von dem wenigstens einen Brenner (6, 17) zu dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), zum Aufheizen des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) und/oder des Fluids innerhalb des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) auf die Soll-Temperatur o- der darüber, zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoff mittels eines elektrisch aktivierbaren Katalysators, insbesondere mittels eines elektrisch beheizbaren Metallkatalysators, verbrannt wird und der Katalysator deaktiviert wird, sobald die Soll-Temperatur erreicht ist oder überschritten wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das reformierte Brennstoff -Wasser-Gemisch von dem Anodenabschnitt (2) zu dem wenigstens einen Brenner (6, 17) geführt wird, in dem wenigstens einen Brenner (6, 17) zumindest teilweise verbrannt wird und das zumindest teilweise verbrannte Brennstoff-Wasser-Gemisch von dem wenigstens einen Brenner (6, 17) über den wenigstens einen Verdampfer
(4) sowie den Reformer
(5) dem Anodenabschnitt (2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoff-Wasser-Gemisch von der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a, 7b) durch einen Injektor (12) in den wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) eingespritzt wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Reformer (5) vor dem Reformieren oder während des Reformierens des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches Luft zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Reformer (5) vor dem Zuführen des verdampften Brennstoff-Wasser- Gemisches zu dem Reformer (5) vorgeheizt wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Soll-Temperatur wenigstens 250°C, insbesondere wenigstens 300°C beträgt.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das durch den wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) verdampfte Brennstoff- Wasser-Gemisch wenigstens teilweise von dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), der die Soll-Temperatur erreicht hat oder dessen Temperatur darüber liegt, als das brennstoffhaltige Fluid zu dem wenigstens einen Brenner (6, 17) geführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das durch den wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) verdampfte Brennstoff- Wasser-Gemisch zum Aufheizen des Brennstoff-Wasser-Gemisches an oder in einem Wärmetauschabschnitt (18) des wenigstens einen Brenners (6, 17) zu dem wenigstens einen Brenner (6, 17) geführt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4a) eine Brennstoffquelle (7a) zum Bereitstellen eines Brennstoffs für den wenigstens einen Verdampfer (4a) angeordnet ist, wobei durch den wenigstens einen Verdampfer (4a) verdampfter Brennstoff zum Aufheizen des Brennstoffs an oder in einem Wärme- tauschabschnitt (18) des wenigstens einen Brenners (6, 17) als das brennstoff- haltige Fluid zu dem wenigstens einen Brenner (6, 17) geführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoff-Wasser-Gemisch und/oder der Brennstoff jeweils durch eine Zwischenheizvorrichtung (1 1 ), insbesondere eine elektrische Zwischenheizvor- richtung (1 1 ), die stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a, 7b) bzw. der Brennstoffquelle (7a) und stromaufwärts des wenigstens einen Brenners (6, 17) angeordnet ist, erhitzt wird, bis das Brennstoff-Wasser- Gemisch bzw. der Brennstoff eine vordefinierte Temperatur erreicht hat oder die Temperatur darüber liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zwischenheizvorrichtung (1 1 ) deaktiviert wird, sobald der wenigstens eine Brenner (6, 17), ein Fluid in dem wenigstens einen Brenner, der wenigstens eine Verdampfer (4; 4a, 4b) und/oder ein Fluid in dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) eine vordefinierte Temperatur erreicht haben oder die Temperatur darüber liegt.
14. Brennstoffzellensystems (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h;
10Oi) für ein Kraftfahrzeug (1000), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (1 ) mit einem Anodenabschnitt (2) und einem Kathodenabschnitt (3), wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) zum Verdampfen eines Brennstoff-Wasser- Gemisches, einen Reformer (5) zum Reformieren des verdampften Brennstoff- Wasser-Gemisches für die Verwendung im Anodenabschnitt (2) des Brennstoffzellenstapels (1 ), und wenigstens einen Brenner (6, 17) zum Verbrennen eines brennstoffhaltigen Fluids,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Reformer (5) insbesondere stromabwärts des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) und der wenigstens eine Brenner (6, 17) insbesondere stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) angeordnet sind und der wenigstens eine Brenner (6, 17) mit dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), zum Zuführen von in dem wenigstens einen Brenner (6, 17) verbranntem brennstoffhaltigen Fluid von dem wenigstens einen Brenner (6, 17) zu dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), in Fluidverbindung steht und stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) eine Brennstoff- Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a, 7b) zum Bereitstellen eines Brennstoff-Wasser- Gemisches für den wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), angeordnet ist.
15. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Kontrolleinheit (19) bereitgestellt ist, die zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 konfiguriert und ausgestaltet ist.
16. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoff und das Wasser in der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a; 7b) zumindest vorübergehend in flüssiger Form bereitgestellt sind.
17. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Verdampfer (4; 4a, 4b) direkt stromabwärts der Brennstoff- Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a; 7b) angeordnet ist.
18. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Verdampfer (4; 4a, 4b) direkt stromabwärts des wenigstens einen Brenners (6, 17) angeordnet ist.
19. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Verdampfer (4; 4a, 4b) und/oder der Reformer (5) unmittelbar mit dem wenigstens einen Brenner (6, 17) verbunden sind.
20. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Brenner einen Abgasbrenner (6) und/oder einen Startbrenner (17) aufweist.
21 . Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Luftzuführvorrichtung (16), insbesondere ein Gebläse, zum Zuführen von Luft zu dem Reformer (5) vor dem Reformieren oder während des Reformierens des verdampften Brennstoff-Wasser-Gemisches angeordnet ist.
22. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 21 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Brenner (6, 17) zum Verbrennen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (2), von Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (3) und/oder von Brennstoff von einer Brennstoffquelle (14), die stromaufwärts des wenigstens einen Brenners (6, 17) angeordnet ist, ausgestaltet ist, wobei die Brennstoffquelle (14) zum Zuführen des Brennstoffs zu dem wenigstens einen Brenner (6, 17) ausgestaltet ist, und der wenigstens eine Brenner (6, 17) zum Zuführen des verbrannten Brennstoffs von dem wenigstens einen Brenner (6, 17) zu dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b), zum Aufheizen des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) und/oder des Fluids innerhalb des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) auf die Soll-Temperatur oder darüber, ausgestaltet ist.
23. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Brenner (6, 17) einen elektrisch aktivierbaren Katalysator, insbesondere einen elektrisch beheizbaren Metallkatalysator zum Verbrennen des Brennstoffs aufweist, wobei der Katalysator konfiguriert ist, deaktiviert zu werden, sobald die Soll-Temperatur erreicht oder überschritten ist.
24. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a, 7b) und stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4; 4a, 4b) wenigstens ein Injektor (12) zum Einspritzen des Brennstoff-Wasser-Gemisches von der Brennstoff- Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a, 7b) in den wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) angeordnet ist.
25. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
an einem Außenwandabschnitt des wenigstens einen Brenners (6, 17) ein Wärmetauschabschnitt (18) ausgestaltet ist, an oder in welchem das durch den wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) verdampfte Brennstoff-Wasser- Gemisch zu dem wenigstens einen Brenner (6, 17) zuführbar ist.
26. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts des wenigstens einen Verdampfers (4a) eine Brennstoffquelle (7a) zum Bereitstellen eines Brennstoffs für den wenigstens einen Verdampfer (4a) angeordnet ist, wobei durch den wenigstens einen Verdampfer (4a) verdampfter Brennstoff zum Aufheizen des Brennstoffs an oder in einem Wärmetauschabschnitt (18) des wenigstens einen Brenners (6, 17) als das brennstoff- haltige Fluid zu dem wenigstens einen Brenner (6, 17) führbar ist.
27. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts der Brennstoff-Wasser-Gemisch-Quelle (7; 7a, 7b) und/oder der Brennstoffquelle (7a) und stromaufwärts des wenigstens einen Brenners (6, 17) eine Zwischenheizvorrichtung (1 1 ), insbesondere eine elektrische Zwischen- heizvorrichtung (1 1 ), zum Aufheizen des Brennstoff-Wasser-Gemisches bzw. des Brennstoffs angeordnet ist, wobei die Zwischenheizvorrichtung (1 1 ) konfiguriert ist, das Brennstoff-Wasser-Gemisch bzw. den Brennstoff aufzuheizen, bis das Brennstoff-Wasser-Gemisch bzw. der Brennstoff eine vordefinierte Temperatur erreicht hat oder die Temperatur darüber liegt.
28. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zwischenheizvomchtung (1 1 ) konfiguriert ist deaktiviert zu werden, sobald der wenigstens eine Brenner (6, 17), ein Fluid in dem wenigstens einen Brenner, der wenigstens eine Verdampfer (4; 4a, 4b) und/oder ein Fluid in dem wenigstens einen Verdampfer (4; 4a, 4b) eine vordefinierte Temperatur erreicht haben oder die Temperatur darüber liegt.
Kraftfahrzeug (1000) mit einem Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h; 10Oi) nach einem der Ansprüche 14 bis 28.
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