Die Erfindung betrifft Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein mit einem flüssigen Brennstoff betriebenes SOFC-System, mit mehreren

Wärmeübertragungselementen, wobei durch den Wärmetauscher thermische

Energie zwischen einer Systemabgasleitung und einer Anodenzuführleitung eines Brennstoffzellensystems übertragbar ist, aufweisend einen Verdampfungsbereich, einen Überhitzungsbereich und einen Reformierungsbereich, welche miteinander strömungsverbunden sind.

Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Wärmetauschers.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC- System, mit einem solchen Wärmetauscher, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems, insbesondere eines SOFC-Systems.

Wärmetauscher für Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese werden an unterschiedlichen Stellen in einem Brennstoffzellensystem angeordnet, wie beispielsweise in einer Anodenzuführleitung. Über die

Anodenzuführleitung wird Brennstoff zu einem Anodenabschnitt des

Brennstoffzellensystems geleitet. Bei einer Verwendung eines flüssigen Brennstoffes wie beispielsweise Diesel oder Ethanol muss dieser vorab verdampft und reformiert werden, sodass das für die Reaktion im Brennstoffzellenstapel notwendige

Synthesegas oder wasserstoffreiche Gas erzeugt wird. Um die dafür notwendigen Temperaturen erzeugen zu können, ist es bekannt mehrere Wärmetauscher zu verwenden, durch welche Wärme von Systemabgas auf den Brennstoff übertragen werden kann.

Insbesondere bei einer Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem

Fahrzeug ist es ein Ziel, die Komponentenanzahl desselben so gering wie möglich zu halten. Folglich wird in aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen versucht, einzelne Komponenten in einer gemeinsamen Komponente zu vereinen.

Beispielsweise ist es aus der DE°10°2011 °088°566°A1 bekannt, einen Reformer eines Brennstoffzellensystems zumindest wärmeübertragend mit einem Fleizmantel zu koppeln. Ein derartiger Reformer ist zur Durchführung einer partiellen katalytischen Reaktion ausgebildet, weshalb dieser auch einem Mischraum zur Beimischung von Luft umfasst. Somit wird durch ein solches Brennstoffzellensystem das Ziel, die Komponentenanzahl, bei gleichzeitiger Reduzierung einer

Komponentengröße und eines effektiven Betriebs des Brennstoffzellensystems, zu reduzieren, nicht erreicht.

Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein Brennstoffzellensystem mit möglichst wenigen Komponenten effizient betreibbar ist.

Weiter ist es ein Ziel, eine Verwendung eines solchen Wärmetauschers anzugeben.

Ferner ist es ein Ziel, ein verbessertes Brennstoffzellensystem anzugeben.

Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein Brennstoffzellensystem komponentenarm und effizient betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die

Wärmeübertragungselemente eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art zumindest teilweise ein katalytisches Material umfassen.

Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die integrale Ausbildung eines Verdampfers, Überhitzers und Reformers als erfindungsgemäßer Wärmetauscher in Kombination mit dem katalytischen Material nur ein einziges Element notwendig ist, welches die drei genannten Elemente vereint. Darüber hinaus ist es im erfindungsgemäßen Wärmetauscher möglich, flüssigen Brennstoff direkt in diesem zu verarbeiten, ohne dass in der Anodenzuführleitung stromaufwärts davon ein eigener Verdampfer und/oder Wärmetauscher hierfür notwendig ist. Das katalytische Material der Wärmeübertragungselemente erlaubt einen Prozess der Dampfreformierung bei gleichzeitiger Wärmeübertragung von einer warmen auf eine kalte Seite des Wärmetauschers. Ferner ist es durch die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht, die Bauraumoptimierung des Wärmetauschers und folglich auch eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Wärmetauscher derart zu optimieren, dass die Flächen für einen Wärmetausch trotzdem noch groß genug sind, um eine Dampfreformierung zu ermöglichen bzw. effizient durchzuführen. Die

Dampfreformierung benötigt nämlich einen hohen Wärmeübertrag und folglich eine große Fläche zur Durchführung der chemischen Reaktion. Dies wird durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Gegensatz zu aus den Stand der Technik bekannten Lösungen ermöglicht.

Darunter dass der erfindungsgemäße Wärmetauscher einen Verdampfer, einen Überhitzer sowie einen Reformer umfasst, ist im Rahmen der Erfindung

insbesondere zu verstehen, dass diese innerhalb einer gemeinsamen Box

angeordnet sind oder eine gemeinsame Hülle umfassen oder durch einen

gemeinsamen Mantel nach außen hin abgeschlossen sind. Diese sind in jedem Fall gemeinsam gegenüber einer Umgebung abgeschlossen. Die

Wärmeübertragungselemente sind über ein gesamtes Volumen des Wärmetauschers verteilt angeordnet. Darunter dass der Wärmetauscher in einem

Brennstoffzellensystem anordenbar und/oder mit Leitungen desselben

strömungsverbindbar ist, ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass dieser zur Anordnung in einem Brennstoffzellensystem sowie zum entsprechenden

Wärmetausch ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist es weiter, dass alle im Wärmetauscher durchführbaren Prozesse (Verdampfung, Überhitzung, Reformierung) durch Dampfreformierung (steam reforming) durchführbar sind oder durchgeführt werden. Folglich ist der

Wärmetauscher insbesondere frei von einer und/oder ohne Mischkammer

ausgebildet. Es ist keine Zuführung von Luft, insbesondere Sauerstoff notwendig.

Der Verdampfungsbereich, der Überhitzungsbereich und der Reformierungsbereich des Wärmetauschers sind unmittelbar miteinander fluidisch verbunden. Günstig ist es, wenn jeder der Bereiche mit Ausnahme der Fluidverbindung in sich

abgeschlossen sind. Der Wärmetauscher ist vom Brennstoff durchströmbar ausgebildet.

Unter einem Wärmetauscher wird im Rahmen der Erfindung ein Wärmeübertrager verstanden, welcher grundsätzlich im Gleichstromprinzip, Gegenstromprinzip oder Kreuzstromprinzip betrieben werden kann. Der Wärmetauscher überträgt im Rahmen der Erfindung thermische Energie von einem ersten Fluid, insbesondere

Systemabgas, zu einem zweiten Fluid, insbesondere Kraftstoff bzw. Brennstoff, bevorzugt ein Wasser-Brennstoff-Gemisch. Die Fluide können im Rahmen der Erfindung gasförmig oder flüssig oder teilweise gasförmig bzw. teilweise flüssig sein. Bevorzugt ist das zweite Fluid, insbesondere ein wasserhaltige Brennstoff, stromaufwärts des Wärmetauschers flüssig und das Systemabgas gasförmig. Die Anodenzuführleitung bzw. der Brennstoff und die Systemabgasleitung bzw. das Systemabgas sind also wärmeübertragend miteinander gekoppelt.

Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein SOFC-System (SOFC steht für „solid oxide fuel cell“, bzw. Festoxidbrennstoffzelle), zur Verfügung gestellt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem wird insbesondere mit flüssigem Brennstoff, besonders bevorzugt mit einem flüssigen Brennstoff-Wasser-Gemisch wie einem Ethanol-Wasser-Gemisch, betrieben. Gleichwohl kann es auch günstig sein, wenn der erfindungsgemäße Wärmetauscher in einer Motoranordnung eines

Verbrennungsmotors verwendet bzw. hierfür zur Verfügung gestellt wird.

Insbesondere kann dieser zum Einsatz in einer AGR-Leitung und/oder in einem Abgasstrang bzw. zum Wärmeübertrag zwischen einer AGR-Leitung und einem Abgasstrang zur Verfügung gestellt sein.

Bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher umfassen insbesondere

ausschließlich die Wärmeübertragungselemente des Reformierungsbereiches und/oder des Überhitzungsbereiches ein katalytisches Material, sodass eine für einen Reformierungsvorgang notwendige katalytische Reaktion durchführbar ist. Besonders bevorzugt sind die Wärmeübertragungselemente mit einem katalytischen Material beschichtet. Von Vorteil ist es, wenn der Verdampfungsbereich kleiner ausgebildet ist als der Reformierungsbereich, das heißt, der Verdampfungsbereich umfasst auch weniger Wärmeübertragungselemente als der Reformierungsbereich. Bevorzugt ist dessen Volumen auch kleiner als das Volumen des

Reformierungsbereiches. Der Verdampfungsbereich ist fluidisch mit dem

Überhitzungsbereich verbunden und der Überhitzungsbereich ist fluidisch mit dem Reformierungsbereich verbunden.

Günstig ist es, wenn die Anodenzuführleitung mit dem Verdampfungsbereich strömungsverbunden ist, wobei über die mit einer kalten Seite des Wärmetauschers verbundenen Anodenzuführleitung Brennstoff, insbesondere ein Brennstoff-Wasser- Gemisch, zu einem Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems führbar ist. Über eine Brennstoffzuführleitung bildenden Teil der Anodenzuführleitung ist flüssiger Brennstoff zum Verdampfungsbereich leitbar, wo dieser in ein Gas umgewandelt wird. Der Brennstoff wird also über die kalte Seite des Wärmetauschers geführt, wobei dieser insbesondere durch eine Wärme von Systemabgas verdampfbar ist.

Der Brennstoff strömt in Strömungsrichtung in der Anodenzuführleitung zuerst in den Verdampfungsbereich, anschließend in den Überhitzungsbereich und schließlich in den Reformierungsbereich bevor dieser stromabwärts des Wärmetauschers in Richtung des Anodenanschnittes leitbar ist.

Es ist vorteilhaft, wenn eine Systemabgasleitung zum Zuführen von Systemabgas des Brennstoffzellensystems zum Überhitzungsbereich und/oder zum

Reformierungsbereich vorgesehen ist, wobei das insbesondere vollständig

verbrannte Systemabgas über die warme Seite des Wärmetauschers führbar ist. Durch warmes bzw. heißes Systemabgas ist insbesondere das katalytische Material des Reformierungsbereiches auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur oder

Aktivierungstemperatur bringbar. Durch das katalytische Material sind im

Reformierungsbereich des Wärmetauschers chemische Reaktionen zur Umwandlung des Brennstoffes ab etwa 450 °C durchführbar. Die Wärme des Systemabgases wird durch die Wärmeübertragungselemente auf den gasförmigen Brennstoff im

Reformierungsbereich übertragen. Da der Reformierungsbereich und/oder der Überhitzungsbereich höhere Temperaturen benötigt als der Verdampfungsbereich ist eine stromabwärtige Strömungsrichtung des Systemabgases insbesondere wie folgt: Reformierungsbereich, Überhitzungsbereich, Verdampfungsbereich. Unter

Systemabgas wird im Rahmen der Erfindung insbesondere Anodenabgas sowie Kathodenabgas verstanden. In einem Brennstoffzellensystem mit einem

erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird Anodenabgas stromabwärts eines

Brennstoffzellenstapels unter Beimischung von Kathodenabgas (Luft) in einem Nachbrenner insbesondere vollständig verbrannt. Stromabwärts des Nachbrenners wird das Systemabgas dann dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher zugeführt, wobei die Wärme desselben nahezu vollständig für die Prozesse im Wärmetauscher genutzt wird, bevor abgekühltes Systemabgas stromabwärts des Wärmetauschers an die Umgebung abgegeben wird.

Grundsätzlich kann es auch günstig sein über die Systemabgasleitung zum Zuführen von Systemabgas des Brennstoffzellensystems zum Überhitzungsbereich und/oder zum Reformierungsbereich nicht vollständig verbranntes Systemabgas über die warme Seite des Wärmetauschers führbar ist. Das heißt, in einem

Brennstoffzellensystem mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird das stromabwärts eines Brennstoffzellenstapels aus Anodenabgas und Kathodenabgas zusammengeführte Systemabgas insbesondere unmittelbar dem Wärmetauscher zugeführt. Es kann also auf einen katalytischen Nachbrenner verzichtet werden. Die Wärmeübertragungselemente weisen also auf jener Seite, welche vom Systemabgas durchströmt wird oder durchströmbar ist ein katalytisches Material auf oder sind mit einem katalytischen Material beschichtet. Dabei können alle Bereiche des

Wärmetauscher auf einer vom Systemabgas durchströmten Seite katalytisch beschichtet sein oder nur einzelne davon. Günstig ist es, wenn zumindest die Wärmeübertragungselemente des Reformierungsbereiches sowohl auf der Seite, welche vom Brennstoff durchflossen wird, als auch auf der Seite, welche vom

Systemabgas durchströmt wird, katalytisch beschichtet ist. Durch das auf der Systemabgasseite der Wärmeübertragungselemente angeordnete katalytische Material ist es zum einem möglich das Systemabgas, welches im

Brennstoffzellenstapel noch nicht vollständig verbrannt wurde, im Wärmetauscher vollständig katalytisch nachzuverbrennen und zum anderen wird genügend Wärme erzeugt, wodurch ein Wärmeübergang in weiterer Folge weiter verbessert wird.

Durch die mögliche Einsparung des Nachbrenners in einem Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist die Komponentenanzahl weiter reduziert und eine Kompaktheit des Brennstoffzellensystems erhöht. Ein derart ausgebildeter Wärmetauscher umfasst also nicht nur einen Verdampfungsbereich, einen Überhitzungsbereich und einen Reformierungsbereich, sondern auch einen Nachbrennerbereich.

Vorteilhaft ist es, wenn der Überhitzungsbereich und der Reformierungsbereich als gemeinsamer Bereich ausgebildet sind. Das soll heißen, dass die Überhitzung und die Reformierung des Brennstoffes in einem Schritt oder zumindest sehr zeitnah nacheinander durchführbar sind. Der Überhitzungsbereich und der

Reformierungsbereich sind räumlich nicht voneinander getrennt. Im Gegensatz dazu ist der Verdampfungsbereich derart vom Überhitzungsbereich und/oder

Reformierungsbereich getrennt, dass der Brennstoff in Strömungsrichtung zuerst den Verdampfungsbereich passiert und anschließend gasförmig in den

Überhitzungsbereich und/oder Reformierungsbereich eintritt. Im Überhitzungsbereich ist der gasförmige Brennstoff auf eine Temperatur von etwa 300 °C bis etwa 400 °C oder mehr durch einen Wärmeübertrag vom Systemabgas erhitzbar und dadurch für eine Reformierung vorkonditionierbar. Durch die Ausbildung des

Überhitzungsbereiches und des Reformierungsbereiches als ein gemeinsamer Bereich ist das überhitzte und vorkonditionierte Gas unmittelbar im Reformer verwendbar und reformierbar.

Im Rahmen der Erfindung kann der Wärmetauscher beliebig, beispielsweise als Rohrbündelwärmetauscher, ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise ist dieser jedoch als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Dabei sind also die

Wärmeübertragungselemente als Platten oder Plattenbündel ausgebildet, wobei die Platten oder Plattenbündel des Reformierungsbereiches ein katalytisches Material umfassen oder mit einem katalytischen Material beschichtet sind. Ein als

Plattenwärmetauscher ausgebildeter Wärmetauscher ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Platten mit einer geringen Dicke von im Bereich von etwa 1 mm bis 2 mm, insbesondere etwa 1 ,2 mm bis 1 ,5 mm, besonders bevorzugt etwa

1 ,3 mm, ausgebildet sind. Durch die dünne Wanddicke sowie eine große Fläche der Platten (im Bereich von etwa 200 mm mal 80 mm) ist ein großer Wärmeübertrag ermöglicht. Der Verdampfungsbereich kann beispielsweise etwa 24 Platten umfassen, wohingegen ein gemeinsamer Bereich für die Überhitzung und

Reformierung etwa 30 Platten umfassen kann, wobei diese zumindest teilweise katalytisch beschichtet sind oder ein katalytisches Material umfassen. Grundsätzlich können jedoch auch mehr oder weniger Platten vorgesehen sein. Eine Anzahl der Platten ist abhängig von einem vorgegebenen Bauraum und/oder Anforderungen an einen Druckverlust. Die Platten des Plattenförmig ausgebildeten Wärmetauschers sind derart kraftschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden, dass jeweils in aufeinanderfolgenden Zwischenräumen zwischen einzelnen Platten einmal der Brennstoff und danach das Systemabgas fließt oder geführt sind. Die Platten sind mit Vorteil jeweils mit einem Profil bzw. profiliert ausgebildet, sodass eine Fläche für den Wärmeübertrag weiter erhöht ist. Dabei ist es günstig, wenn die Platten, welche im Reformierungsbereich angeordnet sind, mit einem katalytischen Material beschichtet sind. Es ist jeweils eine Seite der Platten katalytisch beschichtet, wobei die

beschichtete Seite zweier aufeinander folgender Platten zueinander ausgerichtet ist, sodass der gasförmige und überhitzte Brennstoff zwischen diesen Platten fließt und reformiert wird. Grundsätzlich kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass nur jeweils jede zweite Platte katalytisch beschichtet ist. Die Platten des Plattenwärmetauschers können auch zumindest teilweise beidseitig beschichtet sein, sodass auch jene Bereiche, in welchen das Systemabgas fließt, zur katalytischen Reformierung ausgebildet sind. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Systemabgas unmittelbar stromabwärts eines Brennstoffzellenstapels dem Wärmetauscher über die Systemabgasleitung zugeführt wird, ohne vorher in einem Nachbrenner vollständig verbrannt zu werden. Ein derartiger Wärmetauscher übernimmt dann die Funktion eines Nachbrenners bzw. enthält auch diese Komponente.

Von Vorteil ist es, wenn die katalytische Beschichtung als katalytisches Gewebe oder katalytisch beschichtetes, insbesondere metallisches, Gitter ausgebildet ist.

Besonders günstig ist es, wenn die Wärmeübertragungselemente des

Reformierungsbereich mit dem katalytischen Gewebe oder dem katalytisch

beschichteten Gitter beschichtet sind. Die katalytische Beschichtung ist dazu ausgebildet, den verdampften und gegebenenfalls überhitzten Brennstoff zu reformieren. Sind der Reformierungsbereich und der Überhitzungsbereich integral ausgebildet, wird der verdampfte Brennstoff annähernd gleichzeitig überhitzt und reformiert. Die Reformierung erfolgt mit Vorteil durch Dampfreformierung ohne Zuführung von Luft oder Dampf. Insbesondere ist bei einer Verwendung eines wasserhaltigen Brennstoffes wie einem Ethanol-Wasser-Gemisch keine eigene Zuführung von (Wasser)dampf notwendig. Die für die Dampfreformierung benötigte Menge an Dampf ist bereits durch den Verdampften Brennstoff selbst zur Verfügung gestellt. Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die katalytische Beschichtung als katalytisch beschichtetes metallisches Gitter

ausgebildet ist. Dieses wird zwischen zwei plattenförmige

Wärmeübertragungselementen eingelegt, wonach diese insbesondere kraftschlüssig derart miteinander verbunden werden, dass die jeweils zueinander angeordnet Seite der Platten mit dem Gitter beschichtet sind. Zwischen diesen beiden Platten wird dann der zu reformierende Brennstoff geführt. Der Vorteil einer Verwendung eines katalytisch beschichteten metallischen Gitters ist, dass dieses eine niedrige thermische Masse aufweist und folglich in einer kurzen Zeit auf die vorbestimmte, zur Aktivierung der katalytischen Reaktionen notwendige Temperatur erwärmbar ist. Ist alternativ oder zusätzlich auch eine katalytische Beschichtung auf jener Seite der Wärmeübertragungselemente vorgesehen, welche vom Systemabgas umströmt wird, ist diese entsprechend wie oben beschrieben ausgebildet.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Reformierungsbereich zur Durchführung einer Dampfreformierung ausgebildet und abgeordnet ist. Es erfolgt also eine endotherme Reaktion. Die dafür notwendige Energie ist erfindungsgemäß über das Systemabgas, welches wärmeübertragend mit dem Reformierungsbereich gekoppelt ist, bereitgestellt.

Darüber hinaus kann es jedoch auch günstig sein, wenn eine Zuführleitung von Luft zum Verdampfungsbereich oder Überhitzungsbereich vorgesehen ist. Insbesondere ist Luft stromaufwärts des Verdampfungsbereiches mit dem Brennstoff vermischbar. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Brennstoff und die Luft getrennt voneinander dem Verdampfungsbereich des Wärmetauschers zugeführt werden. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Luft stromabwärts des

Verdampfungsbereiches dem Überhitzungsbereich zugeführt wird. Unter Luft wird im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges Fluid, insbesondere ein

sauerstoffhaltiges Gas, besonders bevorzugt Umgebungsluft, verstanden. Dadurch ist es möglich, optional neben oder alternativ zur Dampfreformierung eine

katalytische partielle Oxidation durchzuführen. Dies ist insbesondere in einer

Startphase des Brennstoffzellensystems vorteilhaft, in welcher ein

Brennstoffzellenstapel noch kalt ist und erwärmt werden muss. Durch die Zuführung von Luft bei, insbesondere ausschließlich, einer Startphase des

Brennstoffzellensystems ist somit der Brennstoffzellenstapel durch katalytische partielle Oxidation aufwärmbar. Hat dieser eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wird die Zuführung der Luft, insbesondere durch ein Ventil wieder ausgeschalten. Darüber hinaus wird durch die Luftzufuhr bei einer Startphase des

Brennstoffzellensystems, in welcher der erfindungsgemäße Wärmetauscher anordenbar ist, eine Rußbildung im Wärmetauscher, insbesondere im

Überhitzungsbereich verhindert oder zumindest stark reduziert. Es wurde nämlich herausgefunden, dass die Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Fluides zum

Verdampfungsvorgang des Wasser-Brennstoff-Gemisches Rußbildung bei einer, insbesondere ausschließlichen, Startphase eines Brennstoffzellensystems verhindert oder zumindest stark reduziert. Da die Rußbildung insbesondere erst bei einer Überhitzung des Wasser-Brennstoff-Gemisches, beispielsweise ab 200 °C, insbesondere ab 300 °C oder mehr, stattfindet, wird die Luft bevorzugt erst stromabwärts des Verdampfungsbereiches dem Wärmetauscher zugeführt.

Zweckmäßig ist es, eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist. Das heißt, der Wärmetauscher umfasst eine elektrische Heizeinrichtung. Grundsätzlich kann die Heizeinrichtung jedoch auch nicht-elektrisch sein. Diese ist insbesondere zum

Erwärmen des Brennstoffes bzw. Brennstoff-Wasser-Gemisches ausgebildet, besonders bevorzugt ist die Heizeinrichtung ausschließlich zum Erwärmen,

Verdampfen und/oder Reformieren des Brennstoffes bzw. Brennstoff-Wasser- Gemisches bei einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems ausgebildet und angeordnet. Bei einer Startphase oder Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems ist noch kein oder nicht genügend bzw. nicht genügend warmes Systemabgas vorahnden, um die benötigte Wärme auf den Wärmetauscher zu übertragen. Bei einem Aufheizbetrieb kann die elektrische Heizeinrichtung zum Beispiel für einen Zeitraum von etwa 2 min bis 10 min in Betrieb sein. Günstig ist es, wenn die

Heizeinrichtung in einem Schnitt durch den Wärmetauscher zwischen dem

Verdampfungsbereich und dem Reformierungsbereich und/oder Überhitzungsbereich angeordnet ist. Die elektrische Unterstützung zur Verdampfung und Reformierung kann zwar grundsätzlich in einer externen Komponente durchgeführt werden, jedoch ist eine Integration dieser Funktion aus Platzgründen anzustreben. Sobald das Brennstoffzellensystem eine Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Heizeinrichtung wieder ausgeschalten.

Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers erfolgt mir Vorteil zum Verdampfen, Überhitzten und Reformieren eines flüssigen Brennstoffes in einem SOFC-System.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein

Brennstoffzellensystem mit einem wie vorstehend im Detail dargestellten

Wärmetauscher zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Brennstoffstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt sowie einen Startbrenner, einen Nachbrenner und zumindest einen weiteren

Wärmetauscher auf. Günstig ist es weiter, wenn das Brennstoffzellensystem mehrere Ventile zur Steuerung diverser Leitungen und ein Gebläse zum Fördern der

Kathodenzuführluft zum Kathodenabschnitt aufweist. Der zumindest eine weitere Wärmetauscher ist mit einer kalten Seite in einer Kathodenzuführleitung

stromabwärts des Gebläses angeordnet, um die Luft, welche dem Kathodenabschnitt zugeführt wird, auf eine dafür entsprechend notwendige Temperatur zu erhöhen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet.

Das weitere Ziel wird erreicht, wenn ein Verfahren der eingangs genannten Art folgende Schritte umfasst: - Leiten eines flüssigen Brennstoffes, insbesondere eines flüssigen Brennstoff- Wasser-Gemisches in Richtung eines in einer Anodenzuführleitung

angeordneten erfindungsgemäßen Wärmetauschers,

- Verdampfen, Überhitzten und Reformieren des Brennstoffes im

Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher über, insbesondere vollständig verbranntem, Systemabgas erwärmt wird, wobei Wärme vom in einer

Systemabgasleitung geführten Systemabgas auf den Brennstoff übertragen wird,

- Zuführen des verdampften, überhitzten und reformierten Brennstoffs zu einem Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems.

Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens der Brennstoff effizient und in einer einzigen Komponente verdampft, überhitzt und vollständig reformiert wird, sodass dieser in weiterer Folge als Synthesegas zum Brennstoffzellenstapel, genauer gesagt zum Anodenabschnitt geleitet werden kann. Als reformierter Brennstoff ist im Rahmen der Erfindung im Brennstoffzellenstapel verwendbares Synthesegas zu verstehen. Durch den Wärmeübertrag vom Systemabgas auf einen Verdampfungsbereich,

Überhitzungsbereich und Reformierungsbereich wird die gesamte Abwärme des Systemabgases zum Erwärmen einer einzigen Komponente genutzt. Vorteilhaft wird die Wärme des Systemabgases in folgender Reihenfolge zur Durchführung der im Wärmetauscher stattfindenden Prozesse übertragen: Überhitzen und/oder

Reformieren des verdampften Brennstoffes oder verdampften Wasser-Brennstoff- Gemisches und Verdampfen des Brennstoffes oder Wasser-Brennstoff-Gemisches.

Die übrigen mit der Funktionsweise des Wärmetauschers verbundenen Vorteile und Funktionen sind gleichen wie sie vorstehend ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wärmetauscher sowie das erfindungsgemäße

Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind.

Dabei ist es weiter von Vorteil, wenn der Brennstoff im Wärmetauscher

dampfreformiert wird, wobei der Wärmetauscher ein katalytisches Material umfasst. Insbesondere ist also keine Luftzufuhr notwendig oder vorgesehen. Besonders bevorzugt werden Wärmeleitelemente, beispielsweise Platten, mit einem

katalytischen Material beschichtet. Grundsätzlich kann der Wärmetauscher im Gleichstromprinzip oder im

Kreuzstromprinzip vom Brennstoff und vom Systemabgas durchströmt werden. Ein besonders effizienter Wärmeübertrag vom Systemabgas auf den Brennstoff wird jedoch erreicht, wenn der Wärmetauscher vom Brennstoff und vom Systemabgas im Gegenstromprinzip durchströmt wird. Der Brennstoff bzw. verdampfte oder überhitzte Brennstoff wird als in dem jeweiligen Bereich des Wärmetauschers entgegengesetzt am Systemabgas vorbeigeströmt, wobei Wärme vom Systemabgas auf den

(verdampften und überhitzten) Brennstoff und/oder das katalytische Material des Reformierungsbereiches übertragen wird.

Von Vorteil ist es, wenn ein Verdampfungsbereich des Wärmetauschers

stromabwärts eines Reformierungsbereiches des Wärmetauschers vom

Systemabgas durchströmt wird, wobei der Reformierungsbereich stromaufwärts eines Überhitzungsbereiches des Wärmetauschers vom Systemabgas durchströmt wird. Bei dieser Anordnung der Elemente bzw. Reihenfolge wie diese durchströmt werden, wird Wärme besonders effizient übertragen. Das heißt, die notwendigen und vorbestimmten Temperaturen, welche für die jeweiligen Prozesse (Verdampfung, Überhitzung, Reformierung) erforderlich sind, werden in einer kurzen Zeitdauer erreicht.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Verdampfungsbereich des

Wärmetauschers stromaufwärts eines Überhitzungsbereiches des Wärmetauschers vom Brennstoff durchströmt wird, wobei ein Reformierungsbereich des

Wärmetauschers stromabwärts des Überhitzungsbereiches vom Brennstoff durchströmt wird, um die Wärmeübertragung weiter zu optimieren.

Zweckmäßig ist es, wenn Luft über eine Kathodenzuführleitung zu einem

Kathodenabschnitt des Brennstoffzellensystems geleitet wird. Unter Luft wird im Rahmen der Erfindung insbesondere Umgebungsluft verstanden, wenngleich Luft auch aus einem größeren Teil von Sauerstoff oder reinem Sauerstoff bestehen kann. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels wird Anodenabgas und Kathodenabgas zum Systemabgas vermischt, durch welches die notwendige Wärme für den

Verdampfungsprozess, Überhitzungsprozess und Reformierungsprozess zur

Verfügung gestellt wird. Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher;

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1. Dieser umfasst mehrere Wärmeübertragungselemente 2, einen Verdampfungsbereich 5, einen

Überhitzungsbereich 6 und einen Reformierungsbereich 7. Weiter weist der als Plattenwärmetauscher ausgebildete Wärmetauscher 1 eine kalte Seite 8 und eine warme Seite 9. Der Wärmetauscher 1 ist mit seiner kalten Seite 8 in einer

Anodenzuführleitung 4 anordenbar und über eine Systemabgasleitung 3 ist Wärme von Systemabgas auf einen in der Anodenzuführleitung 4 geführten wässrigen Brennstoff übertragbar. Der Wärmetauscher 1 ist als Plattenwärmetauscher ausgebildet und umfasst mehrere plattenförmige Wärmeübertragungselemente 2, welche teilweise ein katalytisches Material umfassen. Sowohl der

Verdampfungsbereich 5, der Überhitzungsbereich 6 und der Reformierungsbereich 7 umfassen Wärmeübertragungselement 2, wobei diese Bereiche miteinander strömungsverbunden sind. Der Wärmetauscher 1 ist dazu ausgebildet, ein

Brennstoff-Wasser-Gemisch schrittweise zu verdampfen, zu überhitzen und zu reformieren, wobei die dafür notwendige thermische Energie vom Systemabgas übertagen wird. Da der Wärmetauscher 1 durch die integrale Ausbildung der oben angeführten drei Bereiche kompakt ausbildbar ist, wird in weiterer Folge auch eine Größe eines gesamten Brennstoffzellensystems 100 reduziert. Der Wärmetauscher 1 kann grundsätzlich zur Wärmeübertragung im Gleichstromprinzip, Gegenstromprinzip oder Kreuzstromprinzip ausgebildet sein. Dabei ist eine Fließrichtung des

Brennstoffes in der Anodenzuführleitung 4 immer dieselbe: in Strömungsrichtung des Brennstoffes zuerst in den Verdampfungsbereich 5, dann in den Überhitzungsbereich 6 und schließlich in den Reformierungsbereich 7. Der in Fig. 1 gezeigte

Wärmetauscher 1 wird im Gegenstromprinzip betrieben. Soll dieser im

Gleichstromprinzip oder Kreuzstromprinzip betrieben werden, wird folglich eine Führung der Systemabgasleitung 3 bzw. eine Duchrströmreihenfolge der Bereiche vom Systemabgas entsprechend angepasst.

In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems (100) gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt. Neben dem Wärmetauscher 1 umfasst dieses weiter einen

Brennstoffzellenstapel 120 mit einem Anodenabschnitt 110 und einem

Kathodenabschnitt 130. Darüber hinaus ist ein Startbrenner 140, ein Nachbrenner 150, ein weiterer Wärmetauscher 160 sowie eine Brennstoffquelle 170 und eine Luftquelle 180. Die genannten Elemente sind über eine Anodenzuführleitung 4, eine Kathodenzuführleitung 12 und eine Systemabgasleitung 3 miteinander verbunden. Zur Schaltung dieser Leitungen 3, 4, 12 sind verschiedene Ventile 13 vorgesehen. Zum Zuführen von Luft zum Kathodenabschnitt 130 ist ein Kathodengebläse 200 vorgesehen, welcher in der Kathodenzuführleitung 12 in Strömungsrichtung der Luft stromabwärts der Luftquelle 180 und stromaufwärts des weiteren Wärmetauschers 160 angeordnet. Der weitere Wärmetauscher 160 ist mit dessen kalten Seite in der Kathodenzuführleitung 12 angerordnet und zum Erwärmen der Luft, welche dem Kathodenabschnitt 130 zugeführt wird, ausgebildet. Eine warme Seite des weiteren Wärmetauschers 160 wird stromaufwärts des Wärmetauschers 1 vom Systemabgas durchströmt.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, wobei der Wärmetauscher 1 im Gegenstromprinzip durchströmt wird.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems 100 gemäß Fig. 3 wird im regulären Betrieb ein flüssiges Wasser-Brennstoff-Gemisch von der Brennstoffquelle 170 durch die

Brennstoffpumpe 210 und ein Ventil 13a in offener Stellung in der

Anodenzuführleitung 4 in Richtung des Wärmetauschers 1 geführt. Im

Wärmetauscher 1 wird das Wasser-Brennstoff-Gemisch in einem ersten Schritt im Verdampfungsbereich 5 vollständig verdampft, wobei dieses bei einem Austritt aus dem Verdampfungsbereich 5 eine Temperatur von über 100 °C, bevorzugt über 1 10 °C, insbesondere von etwa 120 °C aufweist. In einem zweiten wird die

Temperatur des nun gasförmigen Wasser-Brennstoff-Gemisches Schritt im

Überhitzungsbereich 6 auf etwa 200 °C oder 300 °C und in einem dritten Schritt im Reformierungsbereich 7 vollständig reformiert. Im Überhitzungsbereich 6 wird das gasförmige Wasser-Brennstoff-Gemisch also zur Verwendung im

Reformierungsbereich vorkonditioniert. Die für diese Prozesse im Wärmetauscher 1 notwendige thermische Energie wird über die Wärmeübertragungselemente 2 mittels des Systemabgas in der Systemabgasleitung 3 übertragen. Das nun als

Synthesegas vorliegende Wasser-Brennstoff-Gemisch wird stromabwärts des Wärmetauschers 1 in der Anodenzuführleitung 4 zum Brennstoffzellenstapel 120, genauer gesagt zum Anodenabschnitt 110, geführt.

Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 120 werden das Anodenabgas und das Kathodenabgas zum Systemabgas zusammengeführt, wobei das Anodenabgas unter Beimischung des Kathodenabgases in einem katalytischen Nachbrenner 150 verbrannt wird. Stromabwärts des Nachbrenners 150 wird das nun zur Gänze verbrannte Systemabgas in der Systemabgasleitung 3 in Richtung des weiteren Wärmetauschers 160 geführt. Über den weiteren Wärmetauscher 160 wird

thermische Energie vom Systemabgas zur Luft übertragen, welche in der

Kathodenzuführleitung dem Kathodenabschnitt 130 zugeführt wird. Stromabwärts des weiteren Wärmetauschers 160 ist er Wärmetauscher 1 angeordnet, welchem das Systemabgas zugeführt wird. Der Wärmetauscher 1 wird gemäß Fig. 3 im

Gegenstromprinzip durchströmt, weshalb zuerst Wärme auf den

Reformierungsbereich 7 übertragen wird. Gemäß Fig. 3 sind der

Reformierungsbereich 7 und der Überhitzungsbereich 6 im Wesentlichen als ein gemeinsamer Bereich ausgebildet. Das heißt, die beiden Schritte der Überhitzung und der Reformierung im Wärmetauscher 1 erfolgen im Wesentlichen zeitgleich oder mit einem sehr kurzen zeitlichen Abstand zueinander. Stromabwärts des

Reformierungsbereiches 7 bzw. Überhitzungsbereiches 6 wird das Systemabgas dem damit strömungsverbundenen Verdampfungsbereich 5 zugeführt. Die restliche Wärme des Systemabgases wird also zum Verdampfen des Wasser-Brennstoff- Gemisches genutzt. Das nun ausgekühlte Systemabgas wird stromabwärts des Wärmetauschers 1 in die Umgebung 220 abgeführt.

Vor dem oben beschriebenen regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 muss dieses und/oder die darin angeordneten Elemente in der Regel auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt werden. Hierfür umfass das

Brennstoffzellensystem 100 einen Startbrenner 140. Dieser ist einer Teilleitung 14 des Brennstoffzellensystems 100 angeordnet. Über zwei Teilabschnitte 14a, 14b der Teilleitung 14 wird dem Startbrenner 140 Brennstoff von der Brennstoffquelle 170 und Luft von der Luftquelle 180 zugeführt. Der erste Teilabschnitt 14a trennt sich stromabwärts der Brennstoffquelle 170 von der Anodenzuführleitung 4 ab, wobei im ersten Teilabschnitt ein Ventil 13b angeordnet ist. Der zweite Teilabschnitt 14b trennt sich stromabwärts der Luftquelle 180 von der Kathodenzuführleitung 12 ab, wobei der erste Teilabschnitt 14a und der zweite Teilabschnitt 14b stromaufwärts des Startbrenners 140 zusammengeführt werden. Im Startbrenner 140 wird der

Brennstoff folglich unter Zuführung von Luft zu einem heißen Gas verbrannt. Das Gas wird stromabwärts des Startbrenners 140 bei einer Aufwärmphase des

Brennstoffzellensystems 100 in Strömungsrichtung zuerst dem weiteren

Wärmetauscher 160 und dann dem Wärmetauscher 1 zugeführt, wobei die Wärme des Gases auf diese übertragen wird. Sobald das Brennstoffzellensystem 100 bzw. die einzelnen Elemente desselben die vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht haben, erfolgt der Wärmeübertag auf die Wärmetauscher 1 , 160 wie oben

beschrieben über das Systemabgas.

Ferner ist es günstig, wenn eine Zuführleitung 10 von Luft Verdampfungsbereich 5 oder Überhitzungsbereich 6 vorgesehen ist. Gemäß Fig. 2 und 3 ist über die

Zuführleitung 10 Luft oder ein sauerstoffhaltiges Fluid zum Verdampfungsbereich 5 zuführbar, um bei einem Aufheizbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 den Brennstoffzellenstapel 120 über eine katalytische partielle Oxidation aufzuwärmen. Sobald das Brennstoffzellensystem 100 eine Betriebstemperatur erreicht hat, kann die Luftzufuhr über ein nicht dargestelltes Ventil eingestellt werden.