Gattungsgemäße Systeme dienen der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Das zentrale Element bei der- artigen Systemen ist eine Brennstoffzelle, bei der durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff elek- trische Energie freigesetzt wird. Der Begriff Brennstoffzelle hat im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine sehr allge- meine Bedeutung. Er kann sowohl eine einzelne Brennstoffzelle oder auch einen Brennstoffzellenstack bezeichnen.

Ein gängiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise ein PEM-System ("proton exchange membrane"), welches typischer-

weise bei Betriebstemperaturen zwischen Raumtemperatur und etwa 100 °C betrieben werden kann. Aufgrund der niedrigen Be- triebstemperaturen wird dieser Brennstoffzellentyp häufig für mobile Anwendungen genutzt, beispielsweise in Kraftfahrzeu- gen.

Weiterhin sind Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannt, bei- spielsweise sogenannte SOFC-Systeme ("solid oxide fuel cell"). Diese Systeme arbeiten beispielsweise im Temperatur- bereich von zirka 800 °C, wobei ein Feststoffelektrolyt ("so- lid oxide") in der Lage ist, den Transport von Sauerstoffio- nen zu übernehmen. Der Vorteil von derartigen Hochtemperatur- brennstoffzellen gegenüber PEM-Systemen besteht insbesondere in der Robustheit gegenüber mechanischen und chemischen Bela- stungen.

Als Anwendungsgebiete für Brennstoffzellensysteme kommen ne- ben stationären Anwendungen insbesondere Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich in Frage, beispielsweise als"auxiliary power unit" (APU). Die bekannten Systeme sind allerdings der- zeit noch recht kompliziert, insbesondere da eine Vielzahl von Komponenten erforderlich ist, beispielsweise Wärmetau- scher, Zusatzheizeinrichtungen, Ventile, Pumpen und Verdich- ter. Die Regelung dieser Systeme ist aufwendig. Dies gilt insbesondere in einem Teillastbetrieb, da der Wärmehaushalt der Systeme bei dieser Betriebsart häufig nicht in einfacher Weise ausgeglichen werden kann. Letztlich sind die Systeme des Standes der Technik nur mit hohen Kosten herstellbar be- ziehungsweise zum Einsatz in Fahrzeugen aufgrund fehlender Kompaktheit und Robustheit nicht einsetzbar. Ein weiteres Problem, das insbesondere bei Hochtemperaturbrennstoffzellen- systemen des Standes der Technik auftritt, ist die Komplexi- tät des Startvorgangs und der mit dem Startvorgang verbundene Zeitaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ver- schiedene Verfahren zum Betreiben von Systemen zur Verfügung zu stellen, mit denen die genannten Nachteile und Probleme des Standes der Technik umgangen beziehungsweise gelöst wer- den, wobei insbesondere ein möglichst einfaches System mit einer geringen Anzahl von Nebenkomponenten sowie ein einfa- cher Betrieb in unterschiedlichen Betriebszuständen, bei- spielsweise Startbetrieb, Teillastbetrieb, Volllastbetrieb, zur Verfügung gestellt werden soll.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprü- che gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen An- sprüchen angegeben.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen System dadurch auf, dass Mittel zum Erzeugen von Wärmeenergie aus zumindest Anodenabgas und Kathodenabluft vorgesehen sind und dass Mit- tel zum Übertragen von Wärmeenergie, die von den Mitteln zum Erzeugen von Wärmeenergie erzeugt wurde, auf die Kathodenzu- luft vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vorwärmung der Kathodenzuluft zur Verfügung zu stellen, ohne dass Zusatzheizeinrichtungen erforderlich wären. Die Vorwär- mung der Kathodenzuluft kann dem Aufwärmen der Brennstoffzel- le im Startbetrieb dienen. Weiterhin kann im Normalbetrieb ein Wärmemanagement des Systems erfolgen, das die Restenergie der aus der Brennstoffzelle austretenden Gase nutzt.

Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die mindestens eine Brenn- stoffzelle eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist. Im Zusam- menhang mit einer Hochtemperaturbrennstoffzelle ist die Vor-

wärmung der Kathodenzuluft besonders wichtig, insbesondere zum Aufheizen der Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur.

Es kann vorteilhaft sein, wenn als Brennstoff Benzin verwen- det wird. Es ist möglich Benzin zusammen mit in den Reformer eingebrachter Luft in der Weise umzusetzen, dass ein Reformat erzeugt wird, aus welchem in der Brennstoffzelle elektrischer Strom erzeugt werden kann.

Ebenfalls ist möglich, dass als Brennstoff Diesel verwendet wird. Das System ist insofern universell mit unterschiedli- chen Brennstoffen anwendbar, wobei die möglichen Brennstoffe nicht auf Diesel und Benzin beschränkt sind.

Vorzugsweise ist eine Pumpe zum Zuführen des Brennstoffs zu dem Reformer vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich der Brennstoff dem Reformer kontrolliert beziehungsweise geregelt zuführen, wobei insbesondere ein brauchbares Verhältnis zwi- schen Brennstoff und Luft in dem Reformer sichergestellt wer- den kann.

Ebenfalls ist es nützlich, dass mindestens ein Gebläse zum Zuführen von Luft zu dem Reformer und/oder von Kathodenzuluft vorgesehen ist. Das Gebläse kann so betrieben werden, dass die geeignete Luftmenge in den Reformer eingebracht wird, wo- bei sowohl die für die chemische Umsetzung vorliegenden Rand- bedingungen berücksichtigt werden können und ferner eine Küh- lung des Reformers bereitgestellt werden kann. Ebenfalls ist ein Gebläse für die Zuführung von Kathodenzuluft zu der Ka- thode vorzusehen, um auch hier die geeigneten Massenströme zur Verfügung zu stellen. Es kann in vorteilhafter Weise vor- gesehen sein, dass sowohl die dem Reformer zugeführte Luft als auch die Kathodenzuluft durch ein einziges Gebläse gelie- fert wird. In jedem Fall ist sicherzustellen, das oder die

Gebläse so auszulegen, dass alle im System folgenden Druck- verluste bis zum Abgasauslass überwunden werden.

Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass das System mindestens zwei Betriebszustände aufweist, wobei ein erster Betriebszustand ein Normalbetrieb zum Erzeugen elektrischer Energie ist und ein zweiter Betriebszustand dem Vorwärmen des Systems dient.

In diesem Zusammenhang ist als besonders vorteilhaft zu er- wähnen, dass zahlreiche Komponenten des Systems je nach der Betriebsart unterschiedliche Funktionen ausführen können, was im Sinne eines rationellen und somit kostengünstigen und ro- busten Aufbaus ist.

Beispielsweise kann es besonders bevorzugt sein, dass in dem ersten Betriebszustand der Brennstoff in dem Reformer durch partielle Oxidation zu Reformat umgesetzt wird. Während des ersten Betriebszustands befindet sich der Reformer vorzugs- weise auf Betriebstemperatur. Die partielle Oxidation zu Re- format in dem Reformer kann dann insbesondere dadurch reali- siert werden, dass die zugeführte Luft mit einem vom Brenn- stoffmassenstrom abhängigen Massenstrom zugeführt wird, so dass Sauerstoff unterstöchiometrisch für die Oxidation zur Verfügung steht.

Ebenfalls ist das erfindungsgemäße System in besonders vor- teilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass in dem zweiten Betriebszustand der Reformer nach Art eines Brenners arbei- tet. Der zweite Betriebszustand ist in diesem Fall insbeson- dere mit dem Startvorgang des Systems zu identifizieren. Die von dem Brenner erzeugte Wärmeenergie wird dann zur Bereit- stellung der Betriebstemperatur für den Reformerbetrieb und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle genutzt.

Es kann nützlich sein, dass bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff dieser vor der partiellen Oxidation in Vorreaktio- nen umgesetzt wird. Dies kann beispielsweise so bewerkstel- ligt werden, dass der flüssige Dieselbrennstoff vor der Ver- dampfung in einem vorgewärmten Luftstrom mitgeführt wird. Da- bei kommt es zu Vorreaktionen, bei denen insbesondere die langkettigen Dieselmoleküle in kürzere Ketten umgesetzt wer- den. Derartige Reaktionen finden vorzugsweise in Bereichen zwischen etwa 400 und 500 °C statt, so dass eine Gemischbil- dung gemäß dem Verfahren der"kalten Flamme"vorliegt. Die kürzerkettigen Moleküle lassen sich dann im Reformer unter Vermeidung von Koksbildung in günstiger Weise zu Reformat um- setzen.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße System so ausgestaltet sein, dass der Brennstoff in dem Reformer durch autotherme Reformierung zu Reformat umgesetzt wird. Das Verfahren der partiellen Oxidation wird dadurch herbeigeführt, dass Sauer- stoff unterstöchiometrisch zugeführt wird. Beispielsweise hat das Gemisch eine Luftzahl von X = 0,4. Die partielle Oxidati- on ist exotherm, so dass es in problematischer Weise zu einer unerwünschten Aufheizung des Reformers kommen kann. Ferner neigt die partielle Oxidation zu einer verstärkten Rußbil- dung. Zur Vermeidung der Rußbildung kann nun die Luftzahl X kleiner gewählt werden. Dies wird so erreicht, dass ein Teil des für die Oxidation verwendeten Sauerstoffs durch Wasser- dampf bereitgestellt wird. Da die Oxidation mit Wasserdampf endotherm verläuft, ist es möglich, das Verhältnis zwischen Brennstoff, Sauerstoff und Wasserdampf so einzustellen, dass insgesamt weder Wärme freigesetzt noch Wärme verbraucht wird.

Die so erreichte autotherme Reformierung beseitigt daher die Probleme der Rußbildung und einer unerwünschten Überhitzung des Reformers.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Systems ist es so ausgelegt, dass im Anschluss an eine Oxidation in dem Reformer eine Methanisierung erfolgt. Auch ein solches Reformat eignet sich in vorteilhafter Weise zur Umsetzung in einer Hochtemperaturbrennstoffzelle.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass mindestens ein Temperatur- sensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.

Die von dem Temperatursensor zur Verfügung gestellte Tempera- turinformation kann sowohl während des eigentlichen Reformer- betriebs als auch während der Aufheizzeit des Systems ausge- wertet werden.

Ebenso kann es nützlich sein, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße System ist in vorteilhafter Weise da- durch weitergebildet, dass in dem ersten Betriebszustand der dem Reformer zugeführte Brennstoffmassenstrom in Abhängigkeit einer angeforderten elektrischen Leistung geregelt wird. Die elektrische Leistung kann dann beispielsweise unter Erhöhung der Förderleistung der Brennstoffpumpe vergrößert werden.

Ebenfalls ist es nützlich, dass der dem Reformer zugeführte Luftmassenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl X geregelt wird. Diese Luftzahl \ ist während des eigentlichen Reformer- betriebs vorzugsweise so zu wählen, dass Sauerstoff unter- stöchiometrisch zugeführt wird. Bei Diesel wird dies bei- spielsweise durch eine Luftzahl von X = 0,4 sichergestellt.

Während des Kaltstarts des Systems, wenn der Reformer als Brenner arbeitet, wird eine Luftzahl A s 1 gewählt.

Das erfindungsgemäße System ist in besonders nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die Mittel zum Erzeugen von Wär-

meenergie und die Mittel zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft in der Weise kombiniert sind, dass sie als katalytisch beschichtete Gasführungen eines Wärmetauschers ausgeführt sind. Auf diese Weise kann die Erzeugung der Wär- meenergie ohne größeren Aufwand im Wärmetauscher selbst er- folgen.

Das System kann nützlicherweise so ausgeführt sein, dass die Mittel zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft als Mikrokanalwärmetauscher ausgeführt sind. Dies bietet die Möglichkeit, den Wärmetauscher besonders kompakt auszuführen.

Ebenfalls ist es denkbar, dass die Mittel zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft als Spiralröhrenwärmetau- scher ausgeführt sind. Ein solcher Wärmetauscher ist beson- ders robust, insbesondere im Hinblick auf durch. Temperaturun- terschiede bewirkte mechanische Spannungen.

Das System gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls in der Weise fortgebildet sein, dass die Mittel zum Erzeugen von Wärmeenergie als Brenner ausgeführt sind. Auf diese Weise kann eine Erzeugung von Wärmeenergie auch ohne katalytische Beschichtung von Gasführungen erfolgen, wobei der Nachbrenner vorteilhafterweise mit einer Zündeinrichtung ausgestattet ist.

Ebenfalls ist das System der vorliegenden Erfindung in vor- teilhafter Weise so ausgestattet, dass der Reformer einen Wärmeübertrager umfasst, so dass die zur Reformierung zuge- führte Luft vorgewärmt werden kann. Eine solche Vorwärmung der Reformerluft bietet sich insbesondere dann an, wenn in dem Reformer eine partielle Oxidation durchgeführt wird.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als besonders vorteil- haft, dass aus einem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertra- ger ausströmende Luft vor dem Einströmen in den Reformer durch eine Ventileinrichtung geleitet wird, wobei auf einem ersten Ventilweg vorgewärmte Luft in den Reformer geleitet wird und auf einem zweiten Ventilweg vorgewärmte Luft der Ka- thodenluft zugeleitet wird. Die angesprochenen Vorteile der Erwärmung der Reformerluft können noch dadurch ergänzt wer- den, dass ein nicht benötigter Teilstrom an vorgewärmter Luft der Kathodenluft zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich der Luftmassenstrom, der zur Kühlung des Reformers erforder- lich ist, unabhängig von der für die Reformierung notwendige Luftmenge einstellen. Weiterhin wird zusätzlich ein Beitrag zur Vorwärmung der Kathodenzuluft erbracht.

Ebenfalls kann es nützlich sein, dass einem dem Reformer zu- geordneten Wärmeübertrager zuströmende Luft durch eine Venti- leinrichtung geleitet wird, wobei auf einem ersten Ventilweg Luft dem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertrager zugeleitet wird und auf einem zweiten Ventilweg Kathodenzuluft den Mit- teln zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft zugeleitet wird. Durch die Ventileinrichtung lassen sich zwei unabhängig voneinander einstellbare Teilströme für den Refor- mer beziehungsweise die Kathode der Brennstoffzelle bereit- stellen.

Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Mittel zum Zuführen des Reformats zu der Anode der Brennstoffzelle eine Venti- leinrichtung umfassen, die auf einem ersten Ventilweg Refor- mat der Anode zuführt und die auf einem zweiten Ventilweg Re- format den Mitteln zum Erzeugen von Wärmeenergie zuführt.

Diese Eigenschaft kann besonders im Teillastbetrieb besonders nützlich sein, in welchem der Wärmehaushalt von Systemen des

Standes der Technik häufig nicht ausgeglichen ist. Indem die Ventileinrichtung so geschaltet wird, dass aus dem Reformer austretendes Reformat unter Umgehung der Brennstoffzelle di- rekt den Mitteln zum Erzeugen von Wärmeenergie zur Erwärmung der Kathodenzuluft zugeführt wird, kann eine unzureichende Erwärmung der Kathodenzuluft im Teillastbetrieb verhindert werden. Es ist somit nicht erforderlich, zusätzliche Kompo- nenten bereitzustellen, die eine Erwärmung der Kathodenzuluft während des Teillastbetriebs vornehmen.

Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens baut auf einem Verfahren des Standes der Technik dadurch auf, dass aus zumindest Anodenabgas und Kathodenabluft Wärmeener- gie erzeugt wird und dass aus Anodenabgas und Kathodenabluft erzeugte Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft übertragen wird.

Auf diese Weise werden die erfindungsgemäßen Vorteile des be- schriebenen Systems auch im Rahmen eines Verfahrens umge- setzt. Dies gilt ebenfalls für die nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfah- rens. Diese erste Ausführungsform des Verfahrens betrifft den Normalbetrieb eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie unter Verwendung einer Brennstoffzelle. Insbesondere bedeutet dies, dass der Reformer so betrieben wird, dass aus Brenn- stoff und Luft Reformat erzeugt wird.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders dann nützlich, wenn mindestens eine Brennstoff- zelle eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhaft anwendbar, wenn als Brennstoff Benzin verwen- det wird.

Ebenfalls kann es nützlich sein, dass als Brennstoff Diesel verwendet wird.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass der Brennstoff in dem Reformer durch partielle Oxidation zu Re- format umgesetzt wird.

Nützlicherweise ist bei der ersten Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff dieser vor der partiellen Oxidation in Vorreaktionen umgesetzt wird.

Ebenfalls ist es denkbar, das Verfahren so auszuführen, dass der Brennstoff in dem Reformer durch autotherme Reformierung zu Reformat umgesetzt wird.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass im Anschluss an eine Oxidation in dem Reformer eine Methanisierung erfolgt.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann besonders vorteilhaft dann ausgeführt werden, wenn min- destens ein Temperatursensor zum Überwachen der Reformerpro- zesse vorgesehen ist.

Weiterhin kann die erste Ausführungsform des erfindungsgemä- ßen Verfahrens in nützlicher Weise davon profitieren, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist in besonders vorteilhaf- ter Weise dadurch weitergebildet, dass der Brennstoffmassen- strom in Abhängigkeit einer angeforderten elektrischen Lei-

stung geregelt wird und dass der dem Reformer zugeführte Luftmassenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl Ä geregelt wird.

Weiterhin kann nützlicherweise vorgesehen sein, dass aus dem Anodenabgas und der Kathodenabluft Wärme katalytisch erzeugt wird.

Es kann aber auch im Rahmen der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Wär- meenergie durch einen Brenner erzeugt wird.

In einer weiteren bevorzugten Variante der ersten Ausfüh- rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses so aus- gelegt, dass die zur Reformierung zugeführte Luft vorgewärmt wird.

Ebenfalls kann die erste Ausführungsform des erfindungsgemä- ßen Verfahrens so ausgestaltet sein, dass aus einem dem Re- former zugeordneten Wärmeübertrager ausströmende Luft vor dem Einströmen in den Reformer durch eine Ventileinrichtung ge- leitet wird, wobei auf einem ersten Ventilweg vorgewärmte Luft in den Reformer geleitet wird und auf einem zweiten Ven- tilweg vorgewärmte Luft der Kathodenzuluft zugeleitet wird.

Ebenfalls kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, das Verfahren so auszugestalten, dass einem dem Reformer zugeordneten Wär- meübertrager zuströmende Luft durch eine Ventileinrichtung geleitet wird, wobei auf einem ersten Ventilweg Luft dem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertrager zugeleitet wird und auf einem zweiten Ventilweg Kathodenluft den Mitteln zum Übertra- gen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft zugeleitet wird.

Ebenfalls kann es nützlich sein, das Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie so fortzubil- den, dass die Mittel zum Zuführen des Reformats zu der Anode der Brennstoffzelle eine Ventileinrichtung umfassen, die auf einem ersten Ventilweg Reformat der Anode der Brennstoffzelle zuführt und auf einem zweiten Ventilweg Reformat den Mitteln zum Erzeugen von Wärmeenergie zuführt.

Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfah- rens baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, der Reformer nach Art eines Brenners arbeitet und durch die erzeugte Wärme die Kathodenzuluft der Brennstoffzelle vorwärmt wird. Das hier genannte Verfahren betrifft somit einen Betriebszustand eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie, wobei in dem an sich zur Reformierung vorgesehenen Bauteil eine vollstän- dige oder nahezu vollständige Oxidation des Brennstoffs er- folgt, so dass eine ausreichende Menge an Wärmeenergie, ins- besondere zum Vorwärmen des Systems, freigesetzt wird.

Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere vorteilhaft, wenn die mindestens eine Brenn- stoffzelle eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist. In diesem Fall ist der Vorwärmbetrieb zum Erreichen der Betriebstempe- ratur der Brennstoffzelle besonders nützlich.

Bei der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens kann derselbe Brennstoff wie zur Erzeugung des Reformats verwendet werden. Als Brennstoff kann demnach beispielsweise Benzin verwendet werden.

Ebenso ist es möglich, als Brennstoff Diesel zu verwenden.

Auch der Brennerbetrieb des Reformers kann in nützlicher Wei- se davon profitieren, dass mindestens ein Temperatursensor

zum Überwachen der Reformerprozesse, das heißt in dem Fall der Brennerprozesse, vorgesehen ist.

Ebenfalls kann es aus den gleichen Gründen nützlich sein, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerpro- zesse vorgesehen ist.

Auch im Fall des Brennerbetriebs des Reformers ist nützli- cherweise vorgesehen, dass der dem Reformer zugeführte Luft- massenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl geregelt wird. In diesem Fall wird die Luft vorzugsweise nicht unterstöchiome- trisch zugeführt, so dass die Luftzahl auf A B 1 geregelt wird.

Auch wenn der Reformer als Brenner arbeitet, ist es nützlich, dass zusätzlich Mittel zum Erzeugen von Wärmeenergie und Mit- tel zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft vorgesehen und in der Weise kombiniert sind, dass sie als ka- talytisch beschichtete Gasführungen eines Wärmetauschers aus- geführt sind. Somit kann die Kathodenzuluft bereits während des Brennerbetriebs des Reformers erwärmt werden, was zur ra- schen Erwärmung der Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur beiträgt.

Ebenfalls kann es nützlich sein, dass die auf die Kathodenzu- luft übertragene Wärmeenergie durch einen Brenner erzeugt wird. Ein solcher separat vorgesehener Nachbrenner arbeitet dann, wie auch während des Reformerbetriebs, zur Verbrennung von Restgas, wobei die entstehende Wärme in einem Wärmetau- scher an die Kathodenzuluft abgegeben wird.

Die Erfindung ist weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie verwirklicht, bei dem während des Startbetriebs des Systems ein Verfahren

ausgeführt wird, in dem der Reformer zum Vorwärmen des Sy- stems nach Art eines Brenners arbeitet, und bei dem nach Er- reichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Reformers der eigentliche Reformerbetrieb zum Erzeugen von Reformat er- folgt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es mit ei- ner geringen Anzahl von Komponenten möglich ist, ein System zum Erzeugen elektrischer Energie bereitzustellen und zu be- treiben. Das System ist kompakt und robust, und es zeichnet sich durch ein besonders wirkungsvolles Wärmemanagement aus.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeich- nungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft er- läutert. Dabei zeigt : Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems ; Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems ; und Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.

Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Zeich- nungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ver- gleichbare Komponenten.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Systems. Über eine Pumpe 40 wird einem Reformer 14 Brennstoff zugeführt. Dem Reformer 14 wird weiterhin über ein Gebläse 42 Luft 18 zugeführt. Das in dem Reformer 14 erzeugte Reformat 20 gelangt über eine Ventilein-

richtung 22 zur Anode 24 einer Brennstoffzelle 12. Der Katho- de 30 der Brennstoffzelle 12 wird über ein Gebläse 26 Katho- denzuluft 28 zugeführt. Die Brennstoffzelle erzeugt elektri- sche Energie 10. Das Anodenabgas 34 und die Kathodenabluft 36 werden einem Brenner 32 zugeführt. Ebenfalls kann dem Brenner 32 über die Ventileinrichtung 22 Reformat zugeführt werden.

Die in dem Brenner 32 erzeugte Wärmeenergie kann in einem Wärmetauscher 38 der Kathodenzuluft 28 zugeführt werden, so dass diese vorgewärmt wird. Aus dem Wärmetauscher 38 strömt Abgas 50 aus.

Während des Normalbetriebs, das heißt die Komponenten befin- den sich auf Betriebstemperatur, arbeitet das System wie folgt. Dem Reformer 14 wird Brennstoff, das heißt beispiels- weise Benzin oder Diesel, zugeführt. In dem Reformer 14 wird vorteilhafterweise das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt, wobei im Fall von Diesel vor der partiellen Oxidation noch Vorreaktionen durchgeführt werden können. Auf diese Weise können mit"kalter Flamme"langkettige Dieselmo- leküle in kürzerkettige Moleküle umgesetzt werden, was letzt- lich den Reformerbetrieb begünstigt. Allgemein wird der in die Vormischzone des Reformers 14 geförderte flüssige Brenn- stoff beispielsweise durch eine Brennstoffdüse zerstäubt. Die notwendige Sauerstoffzufuhr in Form von Luft 18 erfolgt durch das Gebläse 42. Dieses Gebläse 42 muss den entsprechenden Vordruck bereitstellen, um alle folgenden Druckverluste bis zum Abgasauslass des Systems zu überwinden. Das entstehende Gasgemisch wird der Reaktionszone des Reformers 14 zugeführt und zu H2 und CO umgesetzt. Ein weiterer Bestandteil des Re- formats sind N2 aus der Verbrennungsluft sowie, in Abhängig- keit von der Luftzahl und der Temperatur, gegebenenfalls CO2, H20 und CH4. Im Normalbetrieb wird der Brennstoffmassenstrom entsprechend der angeforderten Leistung geregelt, und der Luftmassenstrom wird auf eine Luftzahl im Bereich von X = 0,4

geregelt. Die Reformierungsreaktion wird durch nicht darge- stellte Temperatursensoren beziehungsweise Gassensoren, bei- spielsweise im Gasaustritt, überwacht.

Neben der partiellen Oxidation ist es ebenfalls möglich, eine autotherme Reformierung durchzuführen. Die Reformierung kann auch weitere Schritte der Gasbehandlung umfassen, wobei ins- besondere der partiellen Oxidation eine Methanisierung nach- geschaltet sein kann.

Das Reformat 20 gelangt über die Ventileinrichtung 22 und ei- ne Rohrverbindung zur Gasverteilung des Brennstoffzellen- stacks 12. Die Gasverteilung des Stacks 12 sorgt für die Zu- führung des Reformats 20 zu den Anoden 24 der einzelnen Zel- len des Stacks. Hier werden H2 und CO elektrochemisch zu H20 und CO2 oxidiert. Im Normalbetrieb werden typischerweise 80 % des eintretenden Reformats 20 umgesetzt. Das Anodenabgas mit den restlichen Brenngasen H2 und CO sowie N2, CO2 und H20 wird innerhalb des Stacks 12 gesammelt.

Für die elektrochemische Oxidation des Brenngases beziehungs- weise des Reformats 20 muss den Kathoden 30 der einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstacks 12 Sauerstoff in Form von Kathodenzuluft 28 zugeführt werden. Der Luftmassenstrom der Kathodenzuluft 28 stellt neben der Versorgung mit Sauerstoff auch die Kühlung des Brennstoffzellenstacks 12 sicher, so dass die gewünschte Betriebstemperatur des Stacks von bei- spielsweise zirka 800 °C im Falle einer SOFC- Hochtemperaturbrennstoffzelle gehalten werden kann. Die Luft wird der Gasverteilung des Brennstoffzellenstacks 12 vorge- wärmt zugeführt und innerhalb des Stacks den Kathoden 30 der einzelnen Zellen zugeführt. An der Kathode 30 wird der Sauer- stoff teilweise verbraucht. Die Kathodenabluft, bei der es

sich um Luft mit reduziertem Sauerstoffgehalt handelt, wird gesammelt.

Die Anodenabgase 24 und die Kathodenabluft 36 werden über Rohrleitungen einem Nachbrenner 32 zugeführt. Hier erfolgt die vollständige Umsetzung der noch vorhandenen Brenngase mit dem Restsauerstoff der Kathodenabluft 36. Der Brenner kann zusätzlich eine Zündeinrichtung umfassen. In einem mit dem Nachbrenner 32 verbundenen Wärmeübertrager 38 wird die Ver- brennungsenergie und die sensible Energie der Rauchgase auf die Kathodenzuluft 28 übertragen, die von Umgebungstemperatur auf Stackeintrittstemperatur erwärmt wird. Der Luftaustritt des Wärmeübertragers 38 ist über eine Rohrverbindung mit der Gasverteilung des Stacks verbunden. Die Luftzuführung zum Wärmeübertrager erfolgt durch ein Gebläse 26, das neben dem erforderlichen Massenstrom auch den erforderlichen Vordruck zum Überwinden aller folgenden Druckverluste bis zum Abgas- auslass sicherstellt. Im Nennbetrieb wird der Luftmassenstrom entsprechend der Anforderung an die Stackkühlung eingestellt.

Für ein kontrolliertes Aufwärmen und den sicheren Betrieb des Stacks ist die Lufttemperatur nützlicherweise am Ausgang des Wärmeübertragers 38 einstellbar. Dies erfolgt vorteilhafter- weise durch Variation des Luftmassenstroms. Ebenfalls ist es denkbar, dass die Einstellung der Lufttemperatur durch einen Bypass für Luft um den Wärmeübertrager erfolgen kann.

Neben der beschriebenen Variante, bei der die Anodenabgase 34 und die Kathodenabluft 36 in einem Nachbrenner 32 weiterrea- gieren, ist es ebenfalls möglich, dass das Anodenabgas 34 und die Kathodenabluft 36 einem Wärmetauscher mit katalytisch be- schichteten Gasführungen zugeführt werden. Auf diese Weise wird ebenfalls Wärmeenergie freigesetzt, die letztlich der Kathodenzuluft 28 zugeführt werden kann. Der Wärmeübertrager 38 kann beispielsweise als Mikrokanalwärmetauscher oder Spi-

ralröhrenwärmetauscher ausgeführt sein. Die aus dem Wärme- übertrager 38 austretenden teilweise abgekühlten Abgase 50 werden über einen geeigneten Abgasauslass an die Umgebung ab- gegeben.

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Systems. Im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten System ist in dem Reformer 14 ein Wärmeübertrager 52 integriert. Auf diese Weise kann durch die Abwärme des Reformers 14 die in die Vormischzone des Refor- mers eingebrachte Luft vorgewärmt werden. Dies erfolgt in vorteilhafter Weise über eine Ventileinrichtung 44. Durch diese Ventileinrichtung kann ein Teilstrom der vorgewärmten Luft abgezweigt und beispielsweise der Kathodenzuluft 28 zu- geführt werden. Dieses System ermöglicht ein Verfahren, bei dem der Luftmassenstrom zur Kühlung des Reformers unabhängig von der für die Reformierung notwendige Luftmenge eingestellt werden kann.

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Systems. Im Unterschied zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform wird Luft nur durch ein einziges Gebläse 48 zugeführt, wobei der zugeführte Luft- strom 18,28 durch die Ventileinrichtung 46 in Verbrennungs- luft 18 und Kathodenzuluft 28 aufgeteilt wird.

Die bisher im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 darge- stellten Verfahren dienen letztlich der Bereitstellung elek- trischer Energie 10 durch die Brennstoffzelle 12.

Weitere Verfahren, die anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert werden können und im Rahmen der vorliegenden Erfindung lie- gen, betreffen den Kaltstart der Systeme. In diesem Fall ar- beitet der Reformer 14 beziehungsweise Teile des Reformers 14

als Brenner. Für die Luftzahl gilt dann X s 1. Die Zündung erfolgt vorzugsweise über eine geeignete Zündeinrichtung, beispielsweise einen Glühstift. Das Abgas gibt seine Wärme zunächst innerhalb des Reformers 14 an die bezüglich der Ver- brennung stromabwärts angeordneten Bauteile ab, so dass die Abgasaustrittstemperatur begrenzt ist. Durch die Ventilein- richtung 22 zwischen Reformer 14 und Brennstoffzellenstack 12 kann in dieser Phase das Abgas des Reformers 14 direkt an den Wärmeübertrager 38 zur Kathodenluftvorwärmung geleitet wer- den. Durch Variation der Kathodenluftmenge wird die Luf- taustrittstemperatur auf eine vorgegebene Temperaturerhöhung gegenüber dem Brennstoffzellenstack 12 begrenzt, so dass die vorgewärmte Luft den Stack 12 langsam aufheizt, ohne die ke- ramischen Strukturen des Stacks 12 zu zerstören. Nach Errei- chen der Betriebstemperatur des Reformers 14 wird dieser in den Reformerbetrieb mit einer Luftzahl von zum Beispiel X = 0,4 im Fall von Diesel umgeschaltet. Die Temperatur des Re- formers 14 wird, wie oben beschrieben, durch Regelung der Luftmenge des Reformergebläses 18 beziehungsweise 48 be- grenzt. Das entstehende Heizreformat wird in diesem Fall noch nicht der Brennstoffzelle 12 sondern über die Ventileinrich- tung 22 direkt dem Nachbrenner 32 zugeführt. Die Regelung der Kathodenlufttemperatur am Stackeintritt erfolgt in derselben Weise, wie beim Brennerbetrieb des Reformers. Durch diese Vorgehensweise kann der Stack 12 sicher und ohne unzulässigen thermischen Gradienten aufgewärmt werden, ohne dass eine Ein- stellung der Austrittstemperatur von Abgas beziehungsweise Reformat am Reformerausgang erfolgen muss. Die einzelnen Re- gelgrößen sind die Luftfördermengen der Reformerluftzufuhr und der Kathodenluftzufuhr.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß den Figuren 1 bis 3 sind im Hinblick auf den Wärmehaushalt des Systems im Teil- lastbetrieb nützlich. Bei Systemen des Standes der Technik

erreicht die Temperatur der Kathodenzuluft 28 nach dem Wärme- übertrager 38 zur Luftvorwärmung oft nicht die für den Ein- tritt in den Stack 12 erforderliche Vorwärmtemperatur. Aus diesem Grund wird bei Systemen des Standes der Technik häufig ein zusätzlicher, beispielsweise elektrisch beheizter Wärme- tauscher vorgesehen, der die erforderliche Nacherwärmung übernimmt. In dem erfindungsgemäßen System wird dieses Pro- blem dadurch gelöst, dass die Ventileinrichtung 22 zwischen Reformer 14 und Stack 12 Reformat unter Umgehung des Stacks 12 direkt dem Nachbrenner 32 zuführt. Auf diese Weise wird dem Wärmeübertrager 38 mehr Energie zur Verfügung gestellt, die entsprechend an die Kathodenzuluft 28 übertragen werden kann.

In der nachfolgenden Tabelle werden noch typische Massenströ- me eines APU-Systems bei einem Brennstoffeinsatz von Hu = 15 kW (Hu : unterer Heizwert) am Beispiel von Benzin mit einer angenommenen Brennstoffnutzung im SOFC-Stack von 80 % und ei- ner Luftzahl bezogen auf das Reformat von A = 4 dargestellt. Massen-Volumen-Tempe-Zusammensetzung strom strom ratur (vol-%) (g/s) (Nm3/h) (°C) Brennstoff 0, 36 - 20 (Benzin) Luftreformierung 1, 8 5 20 O2: 21%; N2: 79% Kathodenzuluft 12,5 35 750 O2: 21%; N2: 79% (# = 4) Reformat 2,1 8 750 H2: 24%; CO : 26% ; N2 : 50% Anodenabgas 2,8 8 850 H2 : 5% ; CO : 5% ; N2 : 50% ; H20 : 19% ; CO2 : 21% Kathodenabluft 11, 9 33 850 °2 : 19% ; N2 : 81% Abgas 14,6 41 400 02 : 14% ; N2 : 76% ; H O : 5% ; CO2: 5%.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen so- wie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung kön- nen sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste 10 elektrische Energie 12 Stack, Brennstoffzelle 14 Reformer 16 Brennstoff 18 Luft 20 Reformat 22 Ventileinrichtung 24 Anode 26 Gebläse 28 Kathodenzuluft 30 Kathode 32 Nachbrenner 34 Anodenabgas 36 Kathodenabluft 38 Wärmeübertrager 40 Pumpe 42 Gebläse 44 Ventileinrichtung 46 Ventileinrichtung 48 Gebläse 50 Abgas 52 Wärmeübertrager