Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Gaserzeugungssystem zur Bereitstellung von Reformatgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die Strom in umweltverträglicher Weise in Bezug auf Geräuschentwicklung und Energieeffizienz herstellen können. _. Als Energieträger wird in einer Brennstoffzelle Wasserstoff verwendet, der entweder direkt eingespeist oder mithilfe eines Gaserzeugungssystems aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff (z.B. Flüssiggas) erzeugt wird. Kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe werden in der Regel in einem Reformer mit Luft und Wasserdampf in Wasserstoff und weitere Nebenprodukte wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid umgesetzt. Der für diesen Prozess erforderliche Wasserdampf wird meist aus flüssigem Wasser bereitgestellt, das extern von außen zugeführt oder teilweise aus dem Prozess in flüssiger Form zurückgewonnen wird. Zur Beimischung im Reformer wird das flüssige Wasser zunächst verdampft und dann in gasförmigem Zustand eingespeist.

Beim Anfahren des Brennstoffzellensystems in der Startphase, nachdem dieses eine Zeitlang abgeschaltet war, sind die Systemkomponenten noch kalt und müssen erst auf ihre jeweilige Betriebstemperatur erwärmt werden. Zu Beginn liefert daher das Gaserzeugungssystem (z.B. ein autothermer Reformer) noch nicht die für die Brennstoffzelle optimale Gaszusammensetzung. In herkömmlichen Systemen muss auch ein Verdampfer für das im Gaserzeugungssystem bzw. zur Befeuchtung in der Brennstoffzelle verwendete Wasser erst seine Betriebstemperatur erreichen, bevor die Wasserdampferzeugung optimal funktioniert.

Bei herkömmlichen Systemen ist daher in der Startphase, wenn der Verdampfer noch nicht seine vollständige Leistung erreicht hat, für den Reformierungsprozess nicht genügend Wasserdampf vorhanden. Da Kohlenmonoxid die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle beeinträchtigt, muss für den Betrieb der Brennstoffzelle der Kohlenmonoxidgehalt im Prozessgas unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes bleiben. Dieser liegt bei ca. 1 % für Hochtemperaturbrennstoffzellen, die oberhalb von 100 °C betrieben werden (wie sie beispielsweise in der DE 101 55 543 A1 beschrieben sind), während für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle ein Schwellenwert von unterhalb 50 ppm eingehalten werden sollte. Der CO-Wert ist in der Startphase oft höher, und der Grenzwert soll durch den Anfahrprozess schnellstmöglich erreicht werden. Daher wird in der Regel viel Wert auf eine schnelle Startphase gelegt, bis das Gaserzeugungssystem seinen Nennbetrieb erreicht hat, in dem definierte Temperaturzustände in den Reaktorstufen des Gaserzeugungssystems herrschen und der Kohlenmonoxidanteil prozessbedingt unterhalb der genannten Grenzwerte liegt.

Unter dem Normal- oder Nennbetrieb wird der Betriebsmodus verstanden, in dem alle Systemkomponenten ihre vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht haben und ihre optimale Leistung erbringen. In diesem Modus kann die Brennstoffzelle dann Verbraucher konstant mit elektrischer Energie versorgen.

Die DE 103 09 794 A1 zeigt, dass das in der Kathodenabluft enthaltene Wasser über selektiv für Wasserdampf durchlässige Membranen ausgefiltert und der Brennstoffzelle im gasförmigen Zustand wieder zugeführt wird. In der Startphase wird das Reformatgas der Kathodenabluft unter Umgehung der Brennstoffzelle beigemischt, um das im Gaserzeugungssystem erzeugte Wasser rückzugewinnen. Die restliche Abluft wird in stets in die Umgebung abgeführt.

Bekannt ist aus DE 199 04 71 1 C2 ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser im Nennbetrieb durch Rückführung des aus der Kathode abströmenden, mit Sauerstoff abgereicherten und mit Wasserdampf angereicherten Prozessgases in das Gaserzeugungssystem.

Weiter ist aus DE 103 50 039 A1 bekannt, Teile des Abgases der Anode in den Brenner des Reformers zurückzuführen, um dessen Heizwirkung, insbesondere durch den hohen Gehalt an Wasserstoff im zugeführten Abgas, zu verbessern. Die gewonnene Wärmeenergie wird dem Reformer für den endothermen Prozess der Dampfreformierung zugeführt. Diese Schrift zielt aber auf die Flammenstabilität im Brenner und nicht auf die Verwendung des Wassers im Prozess. In der Startphase ist vorgesehen, das für die Brennstoffzelle noch ungeeignete Reformatgas vor dieser abzuzweigen und letztlich dem Brenner zuzuführen.

In der DE 100 10 071 A1 wird das Anodenabgas in einem Brenner thermisch umgesetzt und die so gewonnene Wärmeenergie zur Erwärmung der Edukte für das Gaserzeugungssystem genutzt. Außerdem wird das im Anodenabgas bzw. der Kathodenabluft enthaltene Wasser auskondensiert und einem Vorratsbehälter zugeführt, aus dem es dann wieder in den Prozess eingebracht wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten Wassermanagement vorzustellen.

Hierzu ist in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Gaserzeugungssystem zur Bereitstellung von Reformatgas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff und einem in einer Abgasleitung stromabwärts der Brennstoffzelle angeordneten Nachbrenner, der wenigstens von einem Anteil des Abgases der Brennstoffzelle passiert wird und in dem brennbare Bestandteile des Abgases thermisch umgesetzt werden, eine Abgasrückführung stromabwärts des Nachbrenners zur Eingangsseite des Gaserzeugungssystems vorgesehen, so dass wenigstens ein Teil des Abgases, insbesondere in einer Startphase des Systems, in den Eduktstrom des Gaserzeugungssystems eingespeist wird. Das Brennstoffzellensystem ist so ausgelegt, dass das gesamte im Betrieb der Brennstoffzelle benötigte Wasser durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt wird. Das System kommt also ohne eine externe Wasserzufuhr aus, insbesondere bereits in der Startphase des Systems, wenn das Gaserzeugungssystem noch nicht auf voller Leistung läuft. Durch die im Nachbrenner stattfindende Verbrennung insbesondere des Wasserstoffs im Reformatgas entsteht Wasser, das über die Abgasrückführung in das Gaserzeugungssystem eingespeist wird.

Dies sorgt auch dafür, dass die Startphase kurz gehalten wird und das Gaserzeugungssystem sehr schnell seine volle Leistungsfähigkeit erreicht. Auf diese Weise kann ein in Bezug auf die zugeführte Luft unterstöchiometrischer Betrieb des Reformers im Gaserzeugungssystem, wie er oft in der Startphase des Brennstoffzellensystems genutzt wird (nach dem Prinzip der partiellen Oxidation, kurz POX), kurz gehalten werden, sodass auch eine Rußentstehung an den noch kalten Bauteilen des Systems gering gehalten werden kann.

Das Wasser wird vorzugsweise stets vollständig im gasförmigen Zustand (auch als dampfförmiger Zustand bezeichnet) mit dem Abgasstrom zum Gaserzeugungssystem zurückgeführt, was sowohl in der Startphase aufgrund der noch geringen im Gaserzeugungssystem herrschenden Temperaturen vorteilhaft ist, als auch imr Nennbetrieb, da in den im Gaserzeugungssystem ablaufenden chemischen Prozessen das Wasser stets dampfförmig benötigt wird. Die Prozessschritte, das Wasser erst auszukondensieren und später wieder zu verdampfen, können somit entfallen, was neben der verfahrenstechnischen Vereinfachung zusätzlich die Effizienz des Systems verbessert.

Das Brennstoffzellensystem kann so ausgelegt sein, dass kein flüssiges Wasser im System vorhanden ist, also alles vorhandene Wasser stets im gasförmigen Zustand vorliegt. Somit kann das System auch unterhalb des Gefrierpunkts verwendet und angefahren werden. Auf eine externe Zuführung für Prozesswasser kann verzichtet werden, was das Brennstoffzellensystem vereinfacht.

Die Abgasrückführung kann eine Kühlung und/oder eine Heizung für das Abgas umfassen, um die Temperatur des in das Gaserzeugungssystem eingespeisten Abgases entsprechend den dort gewünschten Bedingungen anzupassen.

Vorzugsweise ist eine schaltbare Bypassleitung für die Brennstoffzelle vorgesehen, die so ausgelegt ist, dass bedarfsweise, insbesondere in einer Startphase, das Reformatgas vom Gaserzeugungssystem unter Umgehung der Brennstoffzelle zum Nachbrenner geführt wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Brennstoffzelle zu hohen Kohlenmonoxidkonzentrationen ausgesetzt wird, während gleichzeitig das Gaserzeugungssystem mit einer so hohen Leistung betrieben wird, dass nach der Verbrennung des aus dem Gaserzeugungssystem abgeleiteten Reformatgases im Nachbrenner eine ausreichende Menge an Wasserdampf zur Erzeugung eines für die Brennstoffzelle geeigneten Prozessgases zur Verfügung steht. Die Abgasrückführung kann eine Fördereinrichtung für das Abgas umfassen, sodass auf einfache Weise sichergestellt ist, dass die jeweils benötigte Menge an Abgas dem Gaserzeugungssystem zur Verfügung gestellt wird, ohne die Strömungsverhältnisse negativ zu beeinflussen. Die Fördereinrichtung kann beispielsweise eine Venturidüse umfassen. Diese Venturidüse kann in der Eduktleitung des Gaserzeugungssystems oder in einer Luftzuleitung zum Gaserzeugungssystem angeordnet sein und über die dort herrschende Gasströmung eine Ansaugung des Abgases bewirken.

Es ist jedoch auch möglich, als Fördereinrichtung eine Pumpe zu verwenden. In beiden Fällen können natürlich eine Steuerelektronik und eine Regelung der Strömung, beispielsweise über ein regelbares Ventil, vorgesehen sein, um den Abgasstrom mengenmäßig zu steuern und dessen Volumen anzupassen.

Bevorzugt ist eine Rückführung für die Kathodenabluft von der Kathode zur Eingangsseite des Gaserzeugungssystems vorgesehen, die insbesondere im Nennbetrieb aktiv ist. Auf diese Weise kann das in der Kathode erzeugte Wasser direkt dem Reformer des Gaserzeugungssystems wieder zugeführt und so als Edukt genutzt werden. Eine derartige Rückführung der Kathodenabluft ist, wie erwähnt, vor allem im Nennbetrieb vorteilhaft, wenn der Wasserstoff des Reformatgases zum großen Teil in der Brennstoffzelle in Wasser umgesetzt wird. In der Rückführung der Kathodenabluft kann eine Heizung angeordnet sein, beispielweise ein Verdampfer bzw. Überhitzer, der über Abwärme des Nachbrenners beheizt sein kann und dessen Aufgabe es ist, das bereits gasförmig in der Abluft enthaltene Wasser zu überhitzen und so sicherzustellen, dass das Wasser im gasförmigen Zustand in das Gaserzeugungssystem gelangt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft für eines der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme.

Erfindungsgemäß wird zumindest in der Startphase wenigstens ein Teil des Abgases nach dem Nachbrenner in den Eduktstrom des Gaserzeugungssystems zurückgeführt und das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderliche Prozesswasser gasförmig und vollständig aus dem Abgas gewonnen. Während der Startphase wird vorzugsweise das Reformatgas vom Gaserzeugungssystem über die Bypassleitung unter Umgehung der Brennstoffzelle zum Nachbrenner geleitet. In dieser Phase wird das gesamte vom Gaserzeugungssystem gelieferte Reformatgas im Nachbrenner thermisch umgesetzt und verbrannt, wobei das dort entstehende Wasser über die Abgasrückführung mit dem Abgasstrom in den Eduktstrom des Gaserzeugungssystems zurückgeführt wird. Aufgrund der im Nachbrenner herrschenden Temperaturen ist das Wasser gasförmig und wird in diesem Zustand in das Gaserzeugungssystem und insbesondere in den Reformer des Gaserzeugungssystems eingeleitet. Das Gaserzeugungssystem kann dabei ohne Berücksichtigung der Kohlenmonoxidkonzentration im Reformatgas betrieben werden, da das erzeugte Gas nicht in die Brennstoffzelle gelangt, sondern über den Bypass an dieser vorbeigeführt wird.

Die Abgasrückführung ist vorteilhaft so steuerbar, dass wahlweise nur ein Teil oder auch das gesamte Volumen des Abgasstroms zurückgeführt wird, je nach den gerade erforderlichen Prozessparametern und der gerade benötigten Menge an Wasserdampf.

Im Nennbetrieb des Brennstoffzellensystems wird schließlich die Bypassleitung geschlossen und das gesamte Reformatgas vollständig in die Brennstoffzelle geleitet, wo der im Reformatgas enthaltene Wasserstoff zur Stromgewinnung dient.

Bevorzugt wird jetzt wenigstens ein Anteil der Kathodenabluft zur Eingangsseite des Gaserzeugungssystems zurückgeführt, um das in der Abluft enthaltene Wasser dem Reformierungsprozess zuzuführen. Das Anodenabgas der Brennstoffzelle, das überschüssigen Wasserstoff enthält, wird nach wie vor dem Nachbrenner zugeführt. Von dort wird es in die Umgebung abgeführt. Im Nennbetrieb ist die Rückführung des Anodenabgases nicht aktiv. In diesem Zustand wird das gesamte benötigte Prozesswasser zusammen mit dem Kathodenabgas dem Gaserzeugungssystem als Edukt zur Verfügung gestellt. Eine externe Zufuhr von Prozesswasser ist nicht notwendig. Das gesamte Wasser liegt im Brennstoffzellensystem vorzugsweise stets gasförmig vor, ein Verflüssigen und anschließendes erneutes Verdampfen oder auch ein Ausfiltern findet nicht statt. Bevorzugt wird die vom Nachbrenner erzeugte Wärme der rückgeführten Kathodenabluft zugeführt, beispielsweise, um sicherzustellen, dass das in der Abluft enthaltene Wasser nicht auskondensiert, sondern das Gaserzeugungssystem im gasförmigen Zustand erreicht. Es ist auch möglich, die vom Nachbrenner erzeugte Wärme auszunutzen, um Teile des Gaserzeugungssystems zu heizen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: - Figur 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform;

- Figur 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; und

- Figur 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Luftstöchiometrie und des Wassergehaltes von der Kathodenluftstöchiometrie zeigt.

Das in Figur 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 10 weist eine oder mehrere Brennstoffzellen 12 auf. Hierbei kann es sich auch um Brennstoffzellenstapel handeln, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur eine einzelne Brennstoffzelle dargestellt ist. Ein Gaserzeugungssystem 14 ist der Brennstoffzelle 12 strömungsmäßig vorgeschaltet, in dem ein Reformat- oder Prozessgas für die Brennstoffzelle 12 aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff 16 (beispielsweise Flüssiggas) erzeugt wird. Das Gaserzeugungssystem 14 weist unter anderem einen Reformer auf (nicht separat dargestellt), in dem eine Umsetzung des Brennstoffs in Wasserstoff und Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid erfolgt, hier nach dem Prinzip der autothermen Reformierung. Der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff 16 wird dem Gaserzeugungssystem aus einem Vorratstank zugeführt. Ein Nachbrenner 18 ist der Brennstoffzelle 12 nachgeschaltet, wobei das Brennstoffzellensystem 10 so ausgelegt ist, dass sämtliches von der Anode 12a der Brennstoffzelle 12 kommendes Abgas den Nachbrenner 18 passiert. Der Nachbrenner 18 ist hier ein katalytischer Brenner, in dem eine vorzugsweise vollständige thermische Umsetzung der brennbaren Komponenten des Abgases der Brennstoffzelle 12 stattfindet. Aus dem Nachbrenner 18 gelangt das Abgas in eine Abgasleitung 24.

Das Brennstoffzellensystem 10 weist außerdem eine Abgasrückführung 20 auf, mit einer Abgasrückführleitung 22, die stromabwärts des Nachbrenners 18 von der Abgasleitung 24 abzweigt. Über die Abgasrückführleitung 22 kann das Abgas zur Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 zum Eingang des Reformers geführt werden, wo es dem Eduktstrom des Gaserzeugungssystems 14 beigemischt wird.

Die Abgasrückführung 20 weist außerdem eine Fördereinrichtung 28 auf, die hier in der Abgasrückführleitung 22 angeordnet ist und die das Abgas aktiv zur Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 transportiert. Bei dem in Figur 1 dargestellten Fall handelt es sich bei der Fördereinrichtung 28 um eine Pumpe.

Die Abgasrückführung 20 enthält vorzugsweise auch eine (nicht dargestellte) Steuereinheit, die die Menge und eventuell die Strömungsgeschwindigkeit des an die Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 geförderten Abgases regeln kann. Der Volumenanteil des Abgases, der nicht zum Gaserzeugungssystem 14 zurückgeführt wird, verlässt das Brennstoffzellensystem 10 durch die Abgasleitung 24.

Optional weist die Abgasrückführung 20 eine Kühlung und/oder eine Heizung 30 für das rückgeführte Abgas auf. Im Fall der Figur 1 ist die Kühlung bzw. Heizung 30 durch einen in die Abgasrückführleitung 22 integrierten Wärmetauscher realisiert.

Neben dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff und dem rückgeführten Abgas wird dem Gaserzeugungssystem 14 über eine Luftzuleitung 32 Luft zugeführt, wobei die zugeführte Luftmenge regelbar ist (nicht dargestellt).

Die Kathode 12b wird über eine Luftzuführeinrichtung 33, die eine Fördereinheit, z.B. in Form einer Pumpe, enthält, mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt.

Das Brennstoffzellensystem 10 weist außerdem eine Bypassleitung 38 auf, die von der Reformatgasleitung 40 zwischen dem Gaserzeugungssystem 14 und der Brennstoffzelle 12 abzweigt und unter Umgehung der Brennstoffzelle 12 in die Abgasleitung 42 zwischen der Brennstoffzelle 12 und dem Nachbrenner 18 einmündet. Ein steuerbares Ventil einer Vorrichtung 44 erlaubt, die gasführenden Leitungen so zu schalten, dass entweder das gesamte Prozessgas durch die Bypassleitung 38 an der Brennstoffzelle 12 vorbeigeführt wird, das gesamte Prozessgas durch die Brennstoffzelle 12 strömt oder, gegebenenfalls, dass nur ein Teil des Prozessgases durch die Brennstoffzelle 12 und ein anderer Teil durch die Bypassleitung 38 geführt wird.

Außerdem ist eine Rückführung 46 für die Abluft der Kathode 12b der Brennstoffzelle 12 vorgesehen, die die Abluft vom Ausgang der Kathode 12b zur Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14, genauer zum Eingang des Reformers, in dessen Eduktstrom zurückführt. Die Abluftrückführung kann durch ein Fördermittel wie eine Pumpe oder eine Venturidüse unterstützt werden.

Es ist möglich, die Strömung der Rückführung der Kathodenabluft auszunutzen, um Luft zum Gaserzeugungssystem 14 zuzuführen. Auf diese Weise kann ein Luftfördergerät für die Dosierung der Luft für das Gaserzeugungssystem eingespart werden.

Auch die Rückführung 46 kann, analog zur unten beschriebenen Rückführung 20 des Anodenabgases, beheizbar oder kühlbar ausgelegt sein. In diesem Beispiel ist in der Rückführung 46 für die Kathodenabluft eine Heizung 48 in Form eines Verdampfers bzw. Überhitzers angeordnet, die das in der Abluft enthaltene gasförmige Wasser überhitzt und so ein Auskondensieren verhindert. Die Heizung 48 bezieht ihre Wärmenergie ganz oder teilweise aus der Abwärme des Nachbrenners 18.

Das Brennstoffzellensystem 10 kann in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben werden, zum einen in einer Startphase beim Anfahren des Systems sowie im Nennbetrieb, in dem elektrische Energie erzeugt wird.

In der Startphase, wenn das Brennstoffzellensystem 10 eingeschaltet wird, sind die Komponenten, insbesondere die des Gaserzeugungssystems 14, zunächst noch kalt. Die Zusammensetzung des erzeugten Reformatgases entspricht daher noch nicht der für den Betrieb der Brennstoffzelle 12 notwendigen. Insbesondere betrifft dies den Kohlenmonoxidanteil, der bei für die Brennstoffzelle 12 schädlichen Konzentrationen liegen kann. Im System ist kein Wasser bevorratet, weder in flüssiger noch in gasförmiger Form. Um den Kohlenmonoxidanteil gering zu halten, wird dem Gaserzeugungssystem Wasser im gasförmigen Zustand mit dem aus dem Nachbrenner 18 austretenden Abgasstrom zugeführt.

In der Startphase wird daher das Brennstoffzellensystem 10 so betrieben, dass das im Gaserzeugungssystem 14 erzeugte Reformatgas vollständig über die Bypassleitung 38 an der Brennstoffzelle 12 vorbeigeführt und im Nachbrenner 18 verbrannt wird. Hierbei ist die Vorrichtung 44 so geschaltet, dass das gesamte Prozessgas durch die Bypassleitung 38 strömt. Bei der Verbrennung im Nachbrenner 18 entsteht Wasser, das bei den im Nachbrenner 18 herrschenden hohen Temperaturen gasförmig ist. Stromabwärts des Nachbrenners 18 wird das Abgas ganz oder teilweise über die Abgasrückführung an die Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 zurückgeführt, sodass im Gaserzeugungssystem 14 das im Nachbrenner 18 erzeugte Wasser für den Reformierungsprozess zur Verfügung steht. Diese Bereitstellung von gasförmigem Wasser beginnt praktisch sofort mit dem Starten des Systems. Dies sorgt dafür, dass im Reformer des Gaserzeugungssystems 14 keine reine partielle Oxidation stattfindet, sondern durch das Vorhandensein des Wasserdampfs bereits eine autotherme Reformierung, die mehr Wasserstoff produziert, sodass das System schnell in den Nennbetrieb gebracht wird.

Außerdem wird durch das Rückführen des Wasserdampfs und des Stickstoffs im Abgas eine Reduktion der Temperatur im Reformer bewirkt und damit eine Rußbildung vermindert. Der Reformer des Gaserzeugungssystems 14 und/oder der Nachbrenner 18 können, insbesondere in der Startphase, elektrisch beheizt werden, um den Reformer schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen.

Durch die Heizung bzw. Kühlung 30 über den Wärmetauscher kann in der Abgasrückführleitung 22 die Temperatur des rückgeführten Abgases an die für den Prozess erforderliche Temperatur angepasst werden, oder, insbesondere bei Verwendung einer Pumpe als Fördereinrichtung 28, die Temperatur des Abgases auf eine für die Pumpe verträgliche Temperatur reduziert werden. Im Nennbetrieb, wenn das Brennstoffzellensystem 10 einen Zustand erreicht hat, in dem das vom Gaserzeugungssystem 14 gelieferte Reformatgas den Anforderungen zur Energieerzeugung in der Brennstoffzelle 12 genügt, kann die Vorrichtung 44 optional so geschaltet werden, dass das Reformatgas ausschließlich zur Anode 12a der Brennstoffzelle und nicht mehr durch die Bypassleitung 38 strömt. Jetzt wird der Wasserstoff des Reformatgases zu Wasser umgesetzt, wobei elektrischer Strom produziert wird. In der Brennstoffzelle 12 wird die zugeführte Prozessluft auf der Kathodenseite 12b durch die elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff abgereichert und mit Produktwasser angereichert.

Jetzt wird die Abgasrückführung nach dem Nachbrenner 18 gestoppt. Die Abgase werden vom Nachbrenner 18 vollständig in die Umgebung abgeführt.

Gleichzeitig wird nun die Kathodenabluft ganz oder teilweise direkt von der Kathode 12b über die Heizung 48 zur Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 geführt, so dass das in der Abluft enthaltene gasförmige Wasser als Edukt dem Reformierungsprozess zugeführt wird.

Bei der Rückführung zum Gaserzeugungssystem 14 bleibt das Wasser die ganze Zeit in gasförmigem Zustand, es wird also nicht auskondensiert und später wieder verdampft. Im Nennbetrieb wird die Brennstoffzelle mit einer Luftstöchiometrie λ von 1 ,6 bis 1 ,8 in der Kathodenluft betrieben, sodass nach der Reaktion in der Brennstoffzelle 12 das rückgeführte Abgas noch so viel Sauerstoff enthält, dass im Gaserzeugungssystem 14 eine autotherme Reformierung mit einem Luftlambda λ von 0,3 möglich ist. Das gasförmig zugeführte Wasser optimiert dabei den Prozess.

Das Verbrennungsluftverhältnis λ beschreibt das Verhältnis zwischen der zugeführten Luftmenge und der für die stöchiometrische Umsetzung benötigten Luftmenge. Bei einem λ von 1 wird der Brennstoff mit der zugeführten Luftmenge vollständig stöchiometrisch umgesetzt. Vorzugsweise liegt der Wasserdampfanteil bei einem S/C-Wert von ca. 2 (Steam to Carbon), was für den autothermen Prozess ideal ist und somit eine effiziente Erzeugung von Wasserstoff ermöglicht. Dies ist auch in Figur 3 verdeutlicht. Dort zeigt die mit Rauten markierte Kurve die Luftstöchiometrie an der Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 und die mit Quadraten markierte Kurve den S/C-Wert, jeweils in Anhängigkeit von der Luftstöchiometrie in der Kathode 12b.

Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 10' besteht der Unterschied zum gerade beschriebenen Brennstoffzellensystem 10 in der Art der Fördereinrichtung 28' in der Abgasrückführung 20. In dem in Figur 2 dargestellten Fall ist die Fördereinrichtung 28' durch eine Venturidüse gebildet, die in der Eduktleitung 50 auf der Eingangsseite 26 des Gaserzeugungssystems 14 angeordnet ist. Die dort herrschende Gasströmung bewirkt einen Unterdruck in der Abgasrückführleitung 22 und zieht das Abgas in die Eduktleitung 50 hinein. Bei dem in Figur 2 dargestellten Fall wird die Luft, die in das Gaserzeugungssystem 14 einströmen soll, vor der Venturidüse in die Eduktleitung 50 eingespeist, um eine starke Gasströmung zur Verfügung zu haben. Es wäre auch möglich, die Lufteinleitung anders zu realisieren und die Venturidüse in der Luftzuleitung anzuordnen. Der Vorteil der Verwendung einer Venturidüse liegt unter anderem darin, dass diese gegen hohe Temperaturen beständig ist und keinen elektrischen Strom zum Betrieb braucht. Gegebenenfalls könnte die Venturidüse selbst geheizt oder gekühlt sein, um den Eduktgasstrom auf die gewünschte Temperatur zu bringen.

In der Abgasrückführleitung 22 kann ein regelbares Ventil angeordnet sein (nicht gezeigt), über das der Gasdurchfluss in der Abgasrückführung 20 gesteuert werden kann.

In allen Fällen, in denen ein Gasstrom nur teilweise über die Abgasrückführung 20, die Kathodenabluftrückführung 46 bzw. die Bypassleitung 38 geführt wird, wird lediglich das Volumen des Gasstroms reduziert, nicht aber dessen Zusammensetzung verändert.