Es ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass mit- tels einer Umsetzung von kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen in sogenannten Reformern ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt werden kann, welches z. B. zum Betreiben einer Brennstoffzelle Verwendung finden kann. Insbesondere beim Einsatz von Brenn- stoffzellen in Kraftfahrzeugen, kann der benötigte Wasserstoff on-board aus einer kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung, wie z. B. Benzin, Diesel, Naphtha, Erdgas oder aus einem Alkohol, wie z. B. Methanol, erzeugt werden. Eine besondere Herausforde- rung bei allen Einsatzmöglichkeiten, insbesondere jedoch beim Einsatz in Kraftfahrzeugen, ist es dabei, dass das Gaserzeu- gungssystem in möglichst kurzer Zeit gestartet werden kann. Da- zu müssen insbesondere die Komponenten, die für die Reformie- rung der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung und für die Rei- nigung des wasserstoffhaltigen Gases von unerwünschten Gasbe- standteilen sorgen, möglichst schnell in ihren normalen Be- triebszustand gebracht werden.

Aus der US 4,820, 598 AI ist ein Startverfahren für ein Gaser- zeugungssystem in einer Brennstoffzellenanlage bekannt. Durch den während des späteren Betriebs in der Anlage reformierten Brennstoff wird in der Startphase des Gaserzeugungssystems die für das Aufheizen des Gaserzeugungssystems erforderliche ther- mische Energie durch eine direkte Verbrennung dieses Brenn- stoffs im Bereich von zumindest einzelner Komponenten des Ga- serzeugungssystems bereitgestellt. Die durch die Verbrennung erzeugte thermische Energie kann jedoch in nachteiliger Weise in ihrer Temperatur nicht oder nur sehr schwer kontrolliert werden. Insbesondere bei der Beheizung von Komponenten mit ka- talytisch aktiven Materialien, wie z. B. Reformern, selektiven Oxidationsstufen und dergleichen, kann es zu einer zumindest punktuellen Überhitzung und damit zu einer nachhaltigen Schädi- gung des katalytisch aktiven Materials kommen. Ein weiterer Nachteil liegt außerdem in den speziell für eine direkte Behei- zung auszubildenden Komponenten, so dass eine Optimierung der Komponenten und ggf. auch eine thermische Isolation derselben erschwert wird. Als weiterer Nachteil ist sicherlich auch anzu- merken, dass durch das vorgeschlagene Startverfahren die Behei- zung von weiteren, eine niedrigere Temperatur benötigenden Kom- ponenten nicht vorgesehen werden kann.

Lösungen zu Regelung der Temperatur z. B. über eine unter-oder überstöchiometrische Verbrennung könnten zwar prinzipiell ange- dacht werden, sie hätten jedoch den Nachteil sehr hoher Emis- sionen an Ruß und/oder unverbrannten Resten des Brennstoffs, im allgemeinen sicherlich eines Kohlenwasserstoffes oder derglei- chen bzw. der Bereitstellung hoher Luftmengen, zur Folge.

In anderen Schriften, wie z. B. der DE 196 39 150 Al oder der US 6,268, 075 B1, werden katalytische Brenner eingesetzt, um die Komponenten des Gaserzeugungssystems aufzuheizen. Der Nachteil einer derartigen Verwendung von katalytischen Brennern führt dazu, dass nur vergleichsweise leicht siedende Brennstoffe ein- gesetzt werden können. Eine Verwendung mit höherkettigen und damit entsprechend schwerer siedenden Kohlenwasserstoffgemi- schen, wie z. B. Diesel, ist nicht oder nur mit erheblichem Auf- wand zur Aufbereitung des Brennstoffs vor der eigentlichen Um- setzung in den katalytischen Brennern möglich.

Ausgehend davon ist es die Aufgabe der Erfindung ein Startver- fahren für ein Gaserzeugungssystem zum Erzeugen eines wasser- stoffhaltigen Gases zum Betreiben einer Brennstoffzelle, mit Einrichtungen zum Umsetzten von Ausgangsstoffen in das wasser- stoffhaltige Gas, mit Einrichtungen zum Konditionieren wenig- stens eines Teils der Ausgangsstoffe, mit Einrichtungen zum Reinigen des wasserstoffhaltigen Gases von unerwünschten Gasbe- standteilen und mit einem Startbrenner, zu schaffen, welches die eingangs genannten Nachteile vermeidet, und welches die während des Anfahrprozesses nicht umgesetzten Reste des Brenn- stoffes sowie sich evtl. bildendem Ruß auf ein Minimum redu- ziert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in ei- nem ersten Verfahrensschritt in dem Startbrenner zumindest ein Brennstoff verbrannt wird, wobei die heissen Abgase der Ver- brennung zuerst die Einrichtungen zum Konditionieren wenigstens eines Teils der Ausgangsstoffe erwärmen und mit der danach noch verbleibenden Restwärme wenigstens eine weitere Komponente er- wärmt wird, wobei die Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangs- stoffe durch eine elektrische Beheizung erwärmt werden, wonach in einem zweiten Verfahrensschritt die Zugabe der Ausgangsstof- fe in die jeweiligen Komponenten der Einrichtungen nach dem je- weiligen Erreichen einer Starttemperatur erfolgt, und wonach in einem dritten Verfahrensschritt eine kontinuierliche Verände- rung der Mengenverhältnisse der Ausgangsstoffe zueinander in Richtung der für den bestimmungsgemäßen Betrieb vorgesehenen Mengenverhältnisse hin erfolgt.

Dieses Startverfahren, welches sich auf ein Gaserzeugungssystem in seiner Gesamtheit bezieht, nutzt für das Aufheizen der Ein- richtungen zum Konditionieren wenigstens eines Teils der Aus- gangsstoffe die Energie aus einer direkten Verbrennung eines Brennstoffs. Da diese Konditionierung wenigstens eines Teils der Ausgangsstoffe üblicherweise sehr energieintensiv ist, da es sich hierbei im allgemeinen zumindest auch um die Verdamp- fung von Wasser handelt, ist hierzu der hohe Energieinhalt und der gute Wirkungsgrad einer direkten Verbrennung sehr vorteil- haft. Da die Einrichtungen zum Konditionieren wenigstens eines Teils der Ausgangsstoffe üblicherweise als Wärmetauscher ausge- bildet sind und meist keine katalytischen Materialien enthal- ten, ist hierbei auch die Gefahr einer Schädigung der Einrich- tungen durch eine Überhitzung vergleichsweise klein. Dies er- möglicht es dann aber auch, die Verbrennung nicht hinsichtlich der Temperatur zu regeln, sondern sie hinsichtlich minimaler Emissionen zu optimieren. Durch die erfindungsgemäße Verwendung der heißen Abgase der Verbrennung zum Beheizen der Einrichtun- gen zum Konditionieren wenigstens eines Teils der Ausgangsstof- fe wird außerdem die Möglichkeit geschaffen, die Komponenten, also im allgemeinen die Wärmetauscher, so zu nutzen wie diese ohnehin vorliegen, da die heißen Abgase lediglich durch einen Teil der Wärmetauscher geleitet werden müssen, durch welche im regulären Betrieb des Gaserzeugungssystems später ebenfalls ein wärmeabgebendes Medium strömen wird. Prinzipiell spielt dabei der verwendete Brennstoff keine Rolle. Gemäß einer sehr günsti- gen Weiterbildung der Erfindung kann jedoch ein Brennstoff ein- gesetzt werden, welcher auch später als Ausgangsstoff für die Erzeugung des wasserstoffreichen Gases genutzt wird.

Nach der Erwärmung der Einrichtungen zum Konditionieren wenig- stens eines Teils der Ausgangsstoffe werden die heißen Abgase der Verbrennung im Startbrenner deutlich abgekühlt sein. Sie werden aber immer noch ein Temperaturniveau aufweisen, welches deutlich über der Umgebungstemperatur des Gaserzeugungssystems liegt. Mit der in den Abgasen enthaltenen Restwärme kann dem- nach noch die wenigstens eine weitere Komponente erwärmt wer- den. Entsprechend dem oben angesprochenen Temperaturniveau der Restwärme in dem Abgasstrom kann die wenigstens eine weitere Komponente nur eine Komponente sein, welche bereits ab einer deutlich niedrigeren Temperatur in der Lage ist regulär zu ar- beiten, als die Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangsstoffe in das wasserstoffhaltige Gas oder die Einrichtungen zum Kondi- tionieren des wenigstens eines Teils der Ausgangsstoffe. Als die Erfindung nicht darauf einschränkende Beispiele für eine derartige Komponente könnten hier die Einrichtungen zum Reini- gen des wasserstoffhaltigen Gases von unerwünschten Gasbestand- teilen, die Brennstoffzelle selbst oder ein Kühlkreislauf der Brennstoffzelle genannt werden.

In den Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangsstoffe kommen die Ausgangsstoffe durch die oben genannten Maßnahmen zu ihrer Kon- ditionierung zumindest erwärmt und im weiteren Verlauf des Startverfahrens dann auch bereits annähernd ideal konditio- niert, was im allgemeinen verdampft und überhitzt bedeutet, an.

Die Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangsstoffe werden also durch die Ausgangsstoffe selbst bis zu einem gewissen Grad be- reits erwärmt. Aufgrund ihrer vergleichsweise kleinen Wärmeka- pazität erfolgt ihre weitere Erwärmung durch eine elektrische Beheizung. Diese elektrische Beheizung, welche die Einrichtun- gen zum Umsetzen der Ausgangsstoffe bereits vor dem ersten Ein- strömen der Ausgangsstoffe und dann weiter bis zum Übergang in den regulären Betrieb des Gaserzeugungssystems erwärmt, kann dabei sehr einfach und effektiv gesteuert und/oder geregelt werden. So läßt sich der Eintrag an thermischer Energie derart steuern bzw. regeln, dass eine ideale, schnellstmögliche Erwär- mung stattfindet, ohne dass in den Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangsstoffe üblicherweise eingesetzte, katalytisch akti- ve Materialien eine thermische Schädigung erfahren.

Als Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangsstoffe können ver- schiedene Einrichtungen mit jeweils unterschiedlichen Komponen- ten genutzt werden. Eine beispielhafte Lösung könnte z. B. einen Reformer mit wenigstens einer nachgeschalteten Shiftstufe vor- sehen, in welchem die Umsetzung der Ausgangsstoffe beispiels- weise durch autotherme Reformierung oder Wasserdampfreformie- rung erfolgt.

Wie bereits oben erwähnt, werden nach einer ersten Aufheizung in einem zweiten Verfahrensschritt die Ausgangsstoffe der je- weiligen Komponenten der Einrichtungen zugegeben, sobald die jeweilige Komponente ihre Starttemperatur erreicht hat. Unter der Starttemperatur ist dabei nicht die Temperatur zu verste- hen, die eine ideale Umsetzung gewährleistet, sondern diejenige Temperatur, ab welcher eine Umsetzung prinzipiell und gegebe- nenfalls auch mit einem schlechten Wirkungsgrad und einer schlechten Ausnutzung der Ausgangsstoffe möglich ist.

Auf diese nicht optimale Umsetzung während der Startphase wird, wie es allgemein üblich ist, über eine entsprechende Zusammen- setzung der Ausgangsstoffe hinsichtlich des Mengenverhältnisses reagiert. Dies kann insbesondere bedeuten, dass vergleichsweise wenig kohlenwasserstoffhaltiger Ausgangsstoff zugegeben wird, um Startemissionen und Rußbildung gering zu halten. Anderer- seits kann durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise eine über- stöchiometrische Verbrennung im Bereich des autothermen Refor- mers, ein zusätzlicher Aufheizeffekt durch eine Erzeugung von thermischer Energie bei derartiger Umsetzung der Ausgangsstoffe erreicht werden.

Nach den oben beschriebenen Verfahrensschritten erfolgt dann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem dritten Verfah- rensschritt die kontinuierliche Veränderung dieser soeben be- schriebenen Mengenverhältnisse der Ausgangsstoffe zueinander, in der Art, dass diese sich immer mehr den für den bestimmungs- gemäßen Betrieb vorgesehenen Mengenverhältnissen anpassen. Der Übergang aus der Startphase in den bestimmungsgemäßen Betrieb erfolgt also kontinuierlich oder zumindest quasi-kontinuier- lich.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann damit ein sehr schneller und effektiver Start erreicht werden, welcher mit ei- ner minimalen Startzeit und mit minimalen Emissionen den be- stimmungsgemäßen Betrieb des Gaserzeugungssystems ermöglicht.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Gaserzeugungssy- stems werden als Ausgangsstoffe Wasser, ein sauerstoffhaltiges Medium, wie z. B. Luft oder gegebenenfalls reiner Sauerstoff, sowie eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung verwendet. Wie oben bereits erwähnt, kann es dabei von Vorteil sein, wenn die- se kohlenwasserstoffhaltige Verbindung auch als Brennstoff in dem Brenner verwendet wird. Mit einer weiteren, sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee wird die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung, welche während des zweiten Verfahrensschritts den Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangsstoffe zugeführt wird, zumindest während eines zeitlichen Teils des zweiten Verfah- rensschritts mittels elektrischer Energie verdampft.

Durch den Start des Reformers mit dem sauerstoffhaltigen Medi- um, beispielsweise Luft, und/oder dem in den Einrichtungen zur Konditionierung der Ausgangsstoffe verdampften Wasser sowie ei- nem elektrisch verdampften flüssigen Brennstoff können in der Startphase des Gaserzeugungssystems die hier unvermeidlichen Restkohlenwasserstoffe auf ein Minimum reduziert werden. Außer- dem sorgt die Zugabe von Wasserdampf dafür, dass die Gefahr ei- ner Überhitzung des ein katalytisch aktives Material aufweisen- den Reformers minimiert wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch die elektrische Verdampfung des Brennstoffs, welche im allgemeinen eine weitaus geringere Energie zu seiner Ver- dampfung benötigt als das ebenfalls verwendete Wasser, die Mög- lichkeit besteht, einen flüssigen und leicht lagerbaren Brenn- stoff mit hohem Energieinhalt einzusetzen. Durch die Verdamp- fung wird dabei dennoch ein sehr homogenes Gemisch mit der Luft und/oder dem Wasserdampf erzielt, was ebenfalls die Umsetzung erleichtert, Emissionen verringert und die Startzeit des Gaser- zeugungssystems verkürzt.

Wie oben bereits erwähnt, kann es sich bei der weiteren Kompo- nente um einen Kühlkreislauf handeln, welcher über einen Wärme- tauscher mit der verbleibenden Restwärme des Startbrenners nach dem Aufheizen der Einrichtungen zum Konditionieren wenigstens eines Teils der Ausgangsstoffe erwärmt wird. Bei einem System, welches es nun eine selektive Oxidationsstufe als eine Einrich- tung zum Reinigen des wasserstoffhaltigen Gases von unerwünsch- ten Gasbestandteilen aufweist, kann über diesen bereits ange- sprochenen Kühlkreislauf diese selektive Oxidationsstufe er- wärmt werden. Da die selektiven Oxidationsstufen ein weitaus geringeres Temperaturpotential bis zu ihrer Startfähigkeit be- nötigen als ein Reformer oder Verdampfer, kann die Restwärme in der oben genannten Art hierfür ideal genutzt werden.

Des weiteren können gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbil- dung der Erfindung als Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangs- stoffe eine autotherme Reformierungsstufe und zumindest eine danach angeordnete Shiftstufe Verwendung finden. In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee können dann zum weiteren Aufheizen der wenigstens einen Shiftstufe während des zweiten Verfahrensschritts unter Zugabe des sauerstoffhaltigen Mediums Teile des aus dem autothermen Reformers kommenden Wasserstoffs und Kohlenmonoxids verbrannt werden. Dieser zuletzt beschriebe- ne Aufbau mit einer reaktiven Erwärmung der wenigstens einen Shiftstufe durch eine Verbrennung von Wasserstoff und Kohlen- monoxid beschleunigt den Vorgang der Aufheizung der Shiftstufe zusätzlich zu ihrer vorhandenen elektrischen Beheizung erheb- lich. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine schnelle Zu- schaltung der nachfolgend gegebenenfalls angeordneten und oben bereits beschriebenen selektiven Oxidationsstufe sehr wichtig.

Da durch diese selektive Oxidationsstufe die Reduzierung von Kohlenmonoxid in dem wasserstoffreichen Gas erreicht wird, kann bei sehr früh zugeschalteter selektiver Oxidationsstufe auch sehr früh eine Zuschaltung der Brennstoffzelle selbst erfolgen, da diese anderenfalls aufgrund des vergleichsweise hohen Koh- lenmonoxidgehalts nicht zugeschaltet werden kann.

Auch bei den alternativen Möglichkeiten, anstelle der selekti- ven Oxidationsstufe ein Wasserstoffseparationsmodul einzuset- zen, wie es oben bereits angedeutet wurde, ist dies von ent- scheidendem Vorteil, da auch hier eine Reduzierung des Kohlen- monoxids in dem wasserstoffreichen Gas, welches im Bereich des Wasserstoffseparationsmoduls einströmt, dessen Betriebsverhal- ten entscheidend verbessert. Dies ist insbesondere aufgrund des höheren Wasserstoffpartialdrucks und der geringeren CO-Adsorp- tion im Bereich des Wasserstoffseparationsmoduls möglich.

Eine besonders günstige Ausgestaltungsvariante des eingangs er- läuterten erfindungsgemäßen Verfahrens kann außerdem vorsehen, dass das in den Einrichtungen zum Umsetzen der Ausgangsstoffe erzeugte Gas zumindest während der Anfangsphase des zweiten Verfahrensschritts im Bypass um die Einrichtungen zum Reinigen des wasserstoffhaltigen Gases und/oder die Brennstoffzelle ge- führt und unmittelbar einer katalytischen Verbrennung zugeführt wird, welche ihrerseits Energie zum Betreiben der Einrichtungen zum Konditionieren wenigstens eines Teils der Ausgangsstoffe liefert.

Dieser Vorgang ist hinsichtlich der Systemverschaltung im all- gemeinen sehr einfach, da ein derartiger katalytischer Brenner zum Verbrennen der Reststoffe für den standardgemäßen Betrieb ohnehin vorhanden ist und dabei die Konditionierung wenigstens eines Teils der Ausgangsstoffe übernimmt. Im allgemeinen wird dies das Verdampfen und/oder Überhitzen von Wasser sowie gege- benenfalls auch die Vorwärmung des sauerstoffhaltigen Mediums bzw. der Luft sein. Werden die zum frühen Zeitpunkt des zweiten Verfahrensschritts erzeugten Produktgase, welche starke Verun- reinigungen insbesondere mit Kohlenmonoxid und Restkohlenwas- serstoffen aufweisen, unmittelbar dem katalytischen Brenner zu- geführt, so kann eine Schädigung der Komponenten zum Reinigen des wasserstoffhaltigen Gases und/oder der Brennstoffzelle selbst vermieden werden. Die Reststoffe können in dem katalyti- schen Brenner in einer annähernd idealer Weise in thermische Energie umgesetzt werden. Dies bietet den entscheidenden Vor- teil, dass einerseits eine vergleichsweise große Menge an ther- mischer Energie bereitgestellt werden kann, da auch der anson- sten nicht umgesetzte Wasserstoff hier verbrannt wird. Anderer-. seits wird durch eine Verbrennung der brennbaren Bestandteile eine annähernd vollständige Umsetzung derselben erreicht, so dass ein wenigstens annähernd emissionsfreier Betrieb des Ga- serzeugungssystems möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsge- mäßen Verfahrens bzw. seiner Weiterbildungen wird durch den oben bereits mehrfach angesprochenen Kühlkreislauf als weitere Komponente eine Erwärmung der Brennstoffzelle selbst vorgenom- men. Diese vergleichsweise sanfte Aufheizung der Brennstoffzel- le über das Kühlmittel schont das Material der Brennstoffzel- le, welches insbesondere im Bereich der Membran-Elektroden- Einheiten (MEA) relativ empfindlich gegenüber Thermospannungen ist. Die durch den Kühlkreislauf und das in der Brennstoffzelle während des regulären Betriebs ohnehin eingesetzte Kühlmittel wird eine vergleichsweise schnelle und dennoch relativ sanfte Aufheizung der Brennstoffzelle erreicht. Auch dies dient zur Sicherstellung der Betriebsbereitschaft des gesamten Systems aus Gaserzeugungssystem und Brennstoffzelle innerhalb einer sehr kurzen Zeit.

Werden bei einem derartigen Aufbau, wie oben beschrieben, die Produktgase während des zweiten Verfahrensschritts des Start- vorgangs in den katalytischen Brenner geleitet, so liefert der katalytische Brenner einen Teil der Energie für die Konditio- nierung wenigstens eines Teils der Ausgangsstoffe. Die Restwär- me der hier ebenfalls Energie liefernden Abgase des Startbren- ners wird damit nicht mehr vollständig genutzt, so dass für die Erwärmung der weiteren Komponenten ein höherer thermischer Energieinhalt zur Verfügung steht und diese Erwärmung schneller erfolgt. Da sich der Restenergieinhalt mit Inbetriebnahme des katalytischen Brenners langsam steigert, erfolgt die Erwärmung der weiteren Komponenten mittels der Restwärme. dennoch ver- gleichsweise sanft.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand eines Aus- führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figu- ren näher erläutert.

Es zeigt : Fig. 1 eine erste mögliche Ausführungsform eines Gaserzeugungs- systems und einer Brennstoffzelle ; Fig. 2 eine weitere mögliche Ausführungsform des Gaserzeugungs- systems und der Brennstoffzelle ; Fig. 3 eine schematische Darstellung des Betriebs der ersten möglichen Ausführungsform im Falle eines Kaltstarts ; Fig. 4 eine schematische Darstellung des Betriebs der weiteren möglichen Ausführungsform im Falle des Kaltstarts ; Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Aufbereitung eines Brennstoffs ; Fig. 6 eine schematische Darstellung einer möglichen Verschal- tung des Gaserzeugungssystems im Kaltstartfall.

In Fig. 1 ist ein typisches Gaserzeugungssystem 1 dargestellt, mittels welchem aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangs- stoff CnHm zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Medium 02, wie z. B. Luft, und gegebenenfalls Wasser H2O, ein wasserstoffrei- ches Gas H2 erzeugt wird. Dieses wasserstoffreiche Gas H2 wird einer Brennstoffzelle 2 zugeführt, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein kann, in welcher ein An- odenraum 3 durch eine Protonen leitende Membran (PEM) 4 von ei- nem Kathodenraum 5 getrennt ist. In dem Gaserzeugungssystem 1 wird das wasserstoffreiche Gas aus der kohlenwasserstoffhalti- gen Verbindung CnHm, Luft O2 und Wasser H2O in einem Reformer 6, beispielsweise durch autotherme Reformierung, erzeugt. Das zu- gefügte Wasser H20 wird dazu zuerst in einem Wärmetauscher/Ver- dampfer 7 verdampft und/oder überhitzt, wobei hier bereits die Luft 02 zugegeben sein kann, so dass diese ebenfalls vorgewärmt wird. Vor dem autothermen Reformer 6 wird dann die kohlenwas- serstoffhaltige Verbindung CnHm, welche beispielsweise Benzin oder Diesel sein kann, zugeführt. Den autothermen Reformer 6 verlässt dann ein wasserstoffhaltiges Gas, welches in einer nachgeschalteten Shiftstufe 8 nochmals hinsichtlich seines Ge- halts an Wasserstoff angereichert wird. Dieses dann wasser- stoffreiche Gas strömt dann in ein Wasserstoffseparationsmodul 9 bzw. Membranmodul 9 ein. In dem Membranmodul 9 wird das was- serstoffreiche Gas mittels für Wasserstoff selektiv durchlässi- ge Membranen, beispielsweise auf Basis von Palladiumlegierun- gen, in nahezu reinen Wasserstoff H2 und ein Restgas, das soge- nannte Retentat R, aufgeteilt. Der nahezu reine Wasserstoff H2 wird der Brennstoffzelle und hier insbesondere dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Das Retentat R gelangt in ei- nem katalytischen Brenner 10.

In der Brennstoffzelle 2 werden der Wasserstoff H2 und ein sau- erstoffhaltiges Medium Os, insbesondere Luft, zu elektrischer Energie und Wasser umgesetzt. Die Restgase bzw. Abgase aus dem Bereich der Brennstoffzelle 2 werden über entsprechende Leitun- gen ebenfalls dem katalytischen Brenner 10 zugeführt. Das Ge- misch aus den Abgasen der Brennstoffzelle 2 und dem Retentat R aus dem Membranmodul 9 enthält dabei noch ausreichende Mengen an Sauerstoff und brennbaren Bestandteilen, wie z. B. Restwas- serstoff und Resten an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und dergleichen, welche das Membranmodul 9 nicht passieren konnten.

Aus dem Energieinhalt dieser Restgase wird in dem katalytischen Brenner 10 thermische Energie erzeugt, deren Abgase in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere zur Beheizung des Wärmetauschers/Verdampfers 7 genutzt werden.

Die weiteren Komponenten, welche hier gestrichelt dargestellt sind, sind ein Startbrenner 11 sowie weitere Komponenten 12, auf die später, ebenso wie auf die optionale Zugabe von Luft Os in die Shiftstufe 8, bei der Beschreibung des Verfahrens zum Starten des Gaserzeugungssystems 1 noch näher eingegangen wird.

In Fig. 2 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Gaserzeugungssystems 1'dargestellt. Das Gaserzeugungssystem 1' weist vergleichbare Komponenten, wie das oben dargestellte Ga- serzeugungssystem 1 auf. Diese Komponenten sind mit analogen Bezugszeichen versehen. Nachfolgend soll lediglich auf die Un- terschiede zwischen den beiden Gaserzeugungssystemen 1 und 1' näher eingegangen werden.

Das Gaserzeugungssystem 1'arbeitet nach dem gleichen Funkti- onsprinzip wie das Gaserzeugungssystem 1. Lediglich die Reini- gung des wasserstoffreichen Gases, welches oben über das Mem- branmodul 9 als Einrichtung zum Reinigen des wasserstoffreichen Gases von unerwünschten Reststoffen, dort das Retentat R, rea- lisiert wurde, ist hier anders ausgeführt. Das wasserstoffhal- tige Gas strömt nach dem autothermen Reformer 6 zuerst in eine Hochtemperaturshiftstufe 8a und dann in eine Niedertempera- turshiftstufe 8b. Das Funktionsprinzip ist dabei vergleichbar der beim Gaserzeugungssystem 1 vorhandenen einen Shiftstufe 8, bei der jeweils eine Anreicherung mit Wasserstoff in an sich bekannter Weise erfolgt. Anstatt des Membranmoduls 9 schließt sich bei dem Gaserzeugungssystem 1'zur Gasreinigung eine se- lektive Oxidationsstufe 13 an, in welcher Verunreinigungen des wasserstoffreichen Gases mit Kohlenmonoxid, unter Zugabe von Luft bzw. einem sauerstoffhaltigen Medium 02, zu Kohlendioxid oxidiert werden. Nach der selektiven Oxidationsstufe 13 strömt dann ein wasserstoffreiches Gas H2, welches jedoch immer noch Reste der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung und Kohlendioxid enthalten wird, in den Bereich der Anode 3 der Brennstoffzelle 2. Bei dem Gaserzeugungssystem 1'bzw. der Brennstoffzellenan- lage gemäß Fig. 2 strömen dann die Abgase aus dem Bereich der Brennstoffzelle 2 in den katalytischen Brenner 10, so dass die in ihnen enthaltene Restenergie, wie oben bereits analog be- schrieben, dem Wärmetauscher/Verdampfer 7 zugeführt werden kann.

Nachfolgend soll nun das Verfahren zum Starten anhand der bei- den hier prinzipmäßig dargestellten Gaserzeugungssysteme 1 und l'beispielhaft erläutert werden. Selbstverständlich lassen sich diese auf andere vergleichbare Gaserzeugungssysteme über- tragen, so dass die Erfindung weder auf die beiden beschriebe- nen Ausführungsformen des Gaserzeugungssystems noch auf die Verwendung von Wasser, Luft und Benzin oder Diesel als Aus- gangsstoffe eingeschränkt sein soll.

Vor Beginn der eigentlichen Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases in dem Gaserzeugungssystem 1 muß insbesondere der Refor- mer 6 auf seine Zündtemperatur gebracht werden. Bei der Zugabe von Wasserdampf für die Reformierung muß dieser ebenfalls er- zeugt werden, was durch den Wärmetauscher/Verdampfer 7 als Ein- richtung zur Konditionierung wenigstens eines Teils der Aus- gangsstoffe geschieht. Um diese beiden Voraussetzungen zu er- füllen, welche zum Start des Gaserzeugungssystems 1 und insbe- sondere zum Start der Reformierung notwendig sind, wird in dem Startbrenner 11 durch eine in bevorzugter Weise überstöchio- metrische Verbrennung eines Brennstoffs, insbesondere der koh- lenwasserstoffhaltigen Verbindung CnHm, welche in dem Gaserzeu- gungssystem 1 ohnehin zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Ga- ses verwendet wird, ein heisses Abgas erzeugt. Der Startbrenner 11 ist dabei gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Porenbrenner ausgebildet, da dieser bei der überstöchiome- trischen Verbrennung der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung CnHm unter idealen Bedingungen das heisse Abgas mit Temperatu- ren von bis zu 1000°C bereitstellt. Dieses heisse Abgas wird dann zur Beheizung des Wärmetauschers/Verdampfers 7 benutzt, in welchem die Konditionierung der Ausgangsstoffe und hier insbe- sondere die Verdampfung und Überhitzung des Wassers H2O und ge- gebenenfalls auch eine Vorwärmung die autotherme Reformierung benötigten Luft °2 erfolgt.

Das heisse Abgas aus dem Startbrenner 11 wird dabei in dem Wär- metauscher/Verdampfer 7 so weit abgekühlt, dass es anschließend zur Aufheizung der weiteren Komponenten 12 verwendet werden kann. Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 3 handelt es sich bei den weiteren Komponenten 12 hier insbesondere um das Wasserstoffseparationsmodul 9 sowie einen Wärmetauscher 14. In der Anfangsphase des Kaltstartprozesses wird das heisse Gas nach dem Wärmetauscher/Verdampfer 7 so weit abgekühlt sein, dass es lediglich eine Vorwärmung des Wasserstoffseparationsmo- duls 9 und eine minimale Erwärmung des Wärmetauschers 14 ermög- licht. Im Laufe des Strafverfahrens wird aber immer mehr ther- mische Energie aus anderen Quellen, insbesondere aus dem kata- lytischen Brenner 10, in den Bereich des Wärmetauschers/Ver- dampfers 7 gelangen, so dass ein höherer Restwärmegehalt für eine zunehmende Aufheizung des Wasserstoffseparationsmoduls 9 und des Wärmetauschers 14 sorgt. Insbesondere benötigen diese weiteren Komponenten 12 keine sehr hohen Temperaturen des sich erwärmenden Abgases, da übliche Wasserstoffseparationsmodule beispielsweise ab ca. 80 bis 100°C prinzipiell, wenn auch mit schlechtem Wirkungsgrad, funktionsfähig sind. Durch den Wärme- tauscher 14 wird ein Kühlmittel erwärmt, welches insbesondere in einem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle 2 strömt, und wel- ches dementsprechend die Brennstoffzelle 2 erwärmt. Da beim Einsatz der oben genannten PEM-Brennstoffzelle Betriebstempera- turen in der Größenordnung von 60 bis 100°C üblich sind, reicht auch hier die in dem Abgas enthaltene Restwärme für eine aus- reichende Vorwärmung bzw. Erwärmung des Kühlmittels für die Brennstoffzelle 2 aus.

Parallel dazu erfolgt die Erwärmung des Reformers 6 und der we- nigstens einen Shiftstufe 8 in dem hier dargestellten schemati- schen Aufbau elektrisch, was durch die in dem Bereich der ge- nannten Komponenten 6,8 prinzipmäßig angedeuteten elektrischen Anschlüsse symbolisiert ist. Zusätzlich zu der elektrischen Er- wärmung kann die Erwärmung der Shiftstufe 8, sobald aus dem Re- former 6 Reformat in den Bereich der wenigstens einen Shiftstu- fe 8 strömt, durch eine Verbrennung unter der in Fig. 1 optio- nal angedeutete Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Mediums Oz, z. B. Luft, erfolgen. Die Verbrennung wenigstens eines Teils der Inhalte des Reformats in der wenigstens einen Shiftstufe 8 mit dem Sauerstoff Os kann für eine unmittelbare Aufheizung der we- nigstens einen Shiftstufe 8 sorgen.

Nachdem der Reformer 6 auf Zündtemperatur gebracht worden ist und, falls notwendig, die Versorgung mit dem Wasserdampf si- chergestellt ist, beginnt in einem zweiten Schritt des Verfah- rens zum Starten des Gaserzeugungssystems 1 der Reformierungs- prozess. Zum Start dieses Reformierungsprozesses in dem Refor- mer 6 wird Brennstoff in Form der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung CnHm, Luft Os und/oder Wasserdampf H20 zugegeben. In besonders günstiger Weise wird die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung dabei, wie in Fig. 5 dargestellt, über einen elek- trischen Verdampfer 15 verdampft, was aufgrund der typischer- weise geringen Menge an eingesetztem Brennstoff und der übli- cherweise vergleichsweise geringen Energie, welche zur Verdamp- fung benötigt wird, mit einem vertretbaren Aufwand an elektri- scher Energie möglich ist.

Sobald dann der überhitzte Wasserdampf und/oder die vorgewärmte Luft in ausreichender Menge und bei einem ausreichenden Tempe- raturniveau zur Verfügung steht, reicht die einfache Einsprit- zung des Kraftstoffs in diesen heissen Gasstrom aus, um eine ausreichende Verdampfung sicherzustellen. Der elektrische Ver- dampfer 15 muß dann nicht weiter betrieben werden. Der Start der Reformierung erfolgt in dem Reformer 6 mit gegenüber dem Normalbetrieb veränderten Betriebsparametern, welche dann mit zunehmender Aufheizung des Gaserzeugungssystems 1 in Richtung der Betriebsparameter im Normalbetrieb des Gaserzeugungssystems 1 verändert werden. Wie oben bereits erwähnt, wird während des Kaltstartprozesses der wenigstens einen Shiftstufe 8 ausserdem Sauerstoff bzw. Luft zugegeben, so dass auch hier die Aufhei- zung beschleunigt wird. Parallel dazu geschieht die Aufheizung mit dem Reformat und es ist zusätzlich die oben beschriebene elektrische Aufheizung vorgesehen.

Vergleichbares gilt auch für das Startverfahren in dem Gaser- zeugungssystem 1', welches in einer schematischen Darstellung in Fig. 4 näher erläutert ist. Die Darstellung ist dabei gegen- über der Darstellung in Fig. 3 insoweit analog. Lediglich die Beheizung des Membranmoduls 9 entfällt hier, da dieses in dem Gaserzeugungssystem 1'nicht vorhanden ist. Da die selektive Oxidationsstufe 13 ein weitaus niedrigeres Temperaturniveau als die Shiftstufe 8 bzw. die Shiftstufen 8a, 8b benötigt, wird diese nicht unmittelbar mit den heissen Abgase beheizt, sondern ebenfalls über den Kühlkreislauf der Brennstoffzelle 2, wobei der Wärmeeintrag in den Kühlkreislauf in der oben bereits be- kannten Weise über den Wärmetauscher 14 erfolgt.

In der zweiten Startphase kann beim Aufbau des Gaserzeugungssy- stems 1'gemäß Fig. 2 das erzeugte Reformat nicht unmittelbar der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden, da dieses einen sehr hohen Anteil an Kohlenmonoxid CO enthält, welcher zu einer Ver- giftung der Elektrokatalysatoren in der Brennstoffzelle 2 füh- ren würde. Die zu diesem Zeitpunkt im allgemeinen noch nicht ausreichend vorgewärmte Oxidationsstufe 13 könnte einen derart hohen Anteil an Kohlenmonoxid nicht komplett umsetzen. Aus die- sem Grund wird ein Gaserzeugungssystem 1'in einem Aufbau gemäß Fig. 2 während der Startphase so betrieben, dass ein Bypass 16 das erzeugte wasserstoffhaltige Gas unmittelbar nach der Hoch- temperaturshiftstufe 8b in den Bereich des katalytischen Bren- ners 10 leitet, wie dies in Fig. 6 prinzipmäßig angedeutet ist.

Die selektive Oxidationsstufe 13 und die Brennstoffzelle 2 wer- den durch diesen Bypass 16 also umgangen, so dass diese erst in den Betrieb mit einbezogen werden, wenn eine ausreichende Tem- peratur der Komponenten des Gaserzeugungssystems 1 und eine ausreichende Qualität des Reformats vorliegen. Zusätzlich kann, wie in Fig. 6 prinzipmäßig angedeutet, Brennstoff, wie bei- spielsweise die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung CnHm, wel- che in dem Gaserzeugungssystem 1'ohnehin Verwendung findet, in dem Bereich des katalytischen Brenners 10 zugegeben werden, so dass die Wärmeausbeute des katalytischen Brenners 10 bei Bedarf steigern lässt.

Zusätzlich wird das Gaserzeugungssystem 1 mit dem Membranmodul 9 auf seinen Betriebsdruck gebracht und, falls notwendig, eine zusätzliche Kompressionseinrichtung zur Luftversorgung des Re- formers 6 gestartet, so dass im bereits vorgeheizten Membranmo- dul 9 Wasserstoff aus dem Reformat abgetrennt und der Brenn- stoffzelle 2 zugeführt werden kann. Dieser frühe Start der Brennstoffzelle 2 mit nahezu reinem Wasserstoff, ohne dass hier entsprechende Verunreinigungen mit CO oder dergleichen befürch- tet werden müßte, wie es bei der Ausführung des Gaserzeugungs- systems l'der Fall wäre, erlaubt die sehr schnelle Aufheizung der Brennstoffzelle 2 durch ihre Inbetriebnahme.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Systemaufbau wird das Restgas aus dem Membranmodul 9, das Retentat R, dem katalytischen Bren- ner 10 zugeführt, so dass auch dieser sehr bald während des Startvorgangs thermische Energie zur Verfügung stellt, welche ebenfalls der Erwärmung des Wärmetauschers/Verdampfers 7 dient und die Startzeit für das Gaserzeugungssystem 1 bzw. 1 weiter verkürzt. Auch in dieser Phase wird die Aufheizung der weiteren Komponenten, insbesondere des Membranmoduls 9 und des Wärmetau- schers 14, weiter erfolgen. Sobald der größte Teil der für die Konditionierung der Ausgangsstoffe benötigten thermischen Ener- gie durch den katalytischen Brenner 10 geliefert wird, kann au- ßerdem die Leistung bzw. die Brennstoffzufuhr zu dem Startbren- ner 11 reduziert werden, so dass keine Überhitzung des Kühlmit- tels im Bereich des Wärmetauschers 14 auftritt.

Während des Startverfahrens selbst wird der Systemdruck in dem Gaserzeugungssystem 1 bzw. 1'kontinuierlich erhöht. Deshalb kann der Startbrenner 11 in dem Gaserzeugungssystem 1 bzw. 1' sehr einfach integriert werden. Die Anbindung des Startbrenners 11 kann beispielsweise über Leitungselemente erfolgen, welche lediglich über hitzebeständige Rückströmsicherungen verfügen, so dass mit erhöhtem Systemdruck in dem Gaserzeugungssystem 1 bzw. 1'die Verbindung zum Startbrenner 11 automatisch unter- bunden wird. Durch diese Maßnahme kann beispielsweise auf auf- wändige hochtemperaturbeständige Ventile, Proportionalventile oder dergleichen, verzichtet werden. Dies ist insbesondere auch daher möglich, dass der Startbrenner 11 mit hohem Temperaturni- veau im wesentlichen lediglich eine Komponente, nämlich den Wärmetauscher und/oder Verdampfer versorgt, und dass die nach- geschalteten Komponenten in dem üblichen Strömungsweg des Sy- stems angeordnet sein können.

Bei dem hier beschriebenen Startverfahren, welches am Beispiel der beiden eingangs erläuterten Gaserzeugungssysteme 1 und 1' prinzipmäßig dargestellt wurde, wird jeweils eine sehr schnelle Aufheizung des Gesamtsystems erreicht, welche aufgrund der oben erläuterten Maßnahmen in einem sehr kurzen Zeitraum und mit sehr wenigen Emissionen möglich ist.