DE10062257A1

DE10062257A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brenners in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10062257A1
Application number: DE10062257A
Authority: DE
Inventors: Bruce J Clingerman; Kenneth D Mowery
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: US6413661B1; DE10062257B4

Abstract

Bei einem Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners vor, um einen Brennstoffprozessor auf eine Solltemperatur in einem Brennstoffzellensystem zu erwärmen, wobei der Brennstoffprozessor Wasserstoff (H¶2¶) aus einem Kohlenwasserstoff zur Reaktion innerhalb einer Brennstoffzelle erzeugt, um Elektrizität zu erzeugen. Insbesondere sieht die Erfindung ein Verfahren und ausgewählte Systemkonstruktionsmerkmale vor, die zusammenwirken, um einen Startbetriebsmodus und einen glatten Übergang von einem Startmodus des Brenners und Brennstoffprozessors zu einem Laufmodus zu schaffen.

Description

Staatliche Förderung

Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika besitzt Rechte an die ser Erfindung gemäß dem Vertrag Nummer DE-AC02-90CH10435, erteilt vom U.S. Department of Energy.

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ei nen Brenner, der einen Brennstoffprozessor erwärmt, der ein H₂-reiches Zufuhrgas zum Verbrauch in einem Brennstoffzellenstapel erzeugt.

Hintergrund der Erfindung

Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektri schen Fahrzeugantrieben als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorge schlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen einen Membranelektrodenaufbau (MEA), der eine dünne, proto nendurchlässige, nicht elektrisch leitfähige Festpolymerelektrolytmembran umfaßt, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der ge genüberliegenden Seite den Kathodenkatalysator umfaßt. Der MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Elemente geschichtet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Ka näle und/oder Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktan den der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten. Der Begriff Brennstoffzelle wird abhän gig vom Zusammenhang typischerweise als Bezeichnung für entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) verwendet. Eine Viel zahl einzelner Zellen wird üblicherweise miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und gemeinsam in Serie angeordnet. Je de Zelle in dem Stapel umfaßt den Membranelektrodenaufbau (MEA), der vorher beschrieben wurde, und jeder derartige MEA liefert seinen Span nungszuwachs. Eine Gruppe benachbarter Zellen innerhalb des Stapels wird als Cluster bezeichnet. Typische Anordnungen von Mehrfachzellen in einem Stapel sind in dem U.S. Patent Nr. 5,763,113 beschrieben, das der General Motors Corporation übertragen ist.

Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmit tel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyten bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfaßt typischerweise fein unterteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitfähigen Harz gemischt sind. Die katalytischen Par tikel sind typischerweise kostbare Metallpartikel. Diese Membranelektro denaufbauten sind relativ teuer herzustellen und erfordern für einen wirksamen Betrieb bestimmte Bedingungen, wie beispielsweise ein richtiges Wassermanagement und eine Befeuchtung und eine Regelung von kataly satorschädlichen Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).

Bei Fahrzeuganwendungen ist es erwünscht, einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise einen Alkohol (beispielsweise Methanol oder Ethanol) oder Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Benzin) als Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle zu verwenden. Derartige flüssige Brennstoffe für das Fahrzeug sind leicht an Bord zu speichern und es besteht eine breite In frastruktur zur Lieferung flüssiger Brennstoffe. Jedoch müssen derartige Brennstoffe aufgespalten werden, um deren Wasserstoffgehalt zur Befül lung der Brennstoffzelle mit Brennstoff freizugeben. Die Aufspaltungsre aktion wird in einem chemischen Brennstoffprozessor oder Reformer er reicht. Der Brennstoffprozessor umfaßt einen oder mehrere Reaktoren, in denen der Brennstoff mit Dampf und manchmal Luft reagiert, um ein Re formatgas zu erzielen, das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfaßt. Beispielsweise reagieren bei dem Dampf-Methanol- Reformationsprozeß Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. In Wirklichkeit werden auch Kohlenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem Benzinreformationsprozeß werden Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor reagiert, der zwei Abschnitte umfaßt. Einer ist hauptsächlich ein Partialoxidationsre aktor (POX) und der andere ist hauptsächlich ein Dampfreformer (SR). Der Brennstoffprozessor erzeugt Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser. Unterstromige Reaktoren, wie beispielsweise Wasser-Gas- Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und Reaktoren für selektive Oxidation (PROX-Reaktoren) werden dazu verwendet, um Kohlendioxid (CO₂) aus Kohlenmonoxid (CO) unter Verwendung von Sauerstoff aus Luft als Oxidationsmittel zu erzeugen. Hierbei ist die Steuerung der Luftzufuhr wich tig, um CO selektiv in CO₂ zu oxidieren. Typischerweise ist ein Brenner in einem Brennstoffzellensystem enthalten, der dazu verwendet wird, ver schiedene Teile des Brennstoffprozessors, einschließlich der Reaktoren nach Bedarf zu erwärmen.

Brennstoffzellensysteme, die einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff verar beiten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch PEM- Brennstoffzellen zu erzeugen, sind bekannt und beschrieben in den eben falls anhängigen U.S. Patentanmeldungen Seriennrn. 08/975,442 und 08/980,087, die im November 1997 eingereicht wurden, und U.S. Seri ennr. 09/187,125, die im November 1998 eingereicht wurde und die je weils der General Motors Corporation übertragen sind, die Anmelderin der vorliegenden Erfindung ist; und in der internationalen Anmeldung Veröf fentlichungsnr. WO 98/08771, die am 5. März 1998 veröffentlicht wurde. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihr Membranelektrodenaufbau (MEA) sind in den U.S. Patenten Nr. 5,272,017 und 5,316,871 beschrie ben, die am 21. Dezember 1993 bzw. 31. Mai 1994 eingereicht wurden und auf die General Motors Corporation übertragen sind.

Ein wirksamer Betrieb eines Brennstoffzellensystems hängt von der Fä higkeit ab, den Betrieb von voneinander abhängigen Hauptkomponenten oder Subsystemen, wie beispielsweise dem Brenner und dem Brennstoff prozessor, wirksam zu steuern. Dies ist insbesondere während der Start phase eines Fahrzeugbrennstoffzellensystemes schwierig, bei dem der Brenner den Brennstoffprozessor auf eine Temperatur erwärmt, die aus reichend ist, damit der Brennstoffprozessor wasserstoffreiche Zufuhr für die Brennstoffzelle erzeugen kann. Es ist auch schwierig, Brennerwärme während des Überganges von einem Startmodus zu einem Laufmodus bei zubehalten, bei dem der Brenner zumindest teilweise durch den wasser stoffreichen Strom von dem Brennstoffprozessor mit Brennstoff beliefert wird.

Es ist daher erwünscht, ein Verfahren zu schaffen, durch welches das Brennstoffzellensystem während des Start- und Laufmodus wirksam be trieben werden kann, so daß der Brenner und der Brennstoffprozessor wirksam betrieben werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf den Betrieb eines Brennstoffzellensyste mes gerichtet, das einen Brenner umfaßt, der einen Brennstoffprozessor erwärmt, der seinerseits einen wasserstoffreichen Zufuhrstrom zur Ver wendung in einem Brennstoffzellenstapel erzeugt. Der wasserstoffreiche Zufuhrstrom wird in dem Brennstoffzellenstapel verbraucht, wodurch Elektrizität erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung sieht ein neues Ver fahren zum Betrieb des Brenners innerhalb des Systemes und insbeson dere ein verbessertes Verfahren zum Betrieb des Brenners während des Startmodus und Übergangsmodus zu einem Laufmodus vor. Ein anderer Aspekt der Erfindung sieht eine verbesserte Systemkonfiguration und Vor richtung vor, wodurch ein Start auf eine brennstoffeffiziente und wirksa me Art und Weise erreicht wird.

Ein Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners zur Erwärmung eines Brennstoffprozessors auf eine Solltemperatur wäh rend der Startphase in einem Brennstoffzellensystem vor. Hierbei gibt der Begriff Startphase an, daß der Brennstoffprozessor aus einem relativ kal ten Zustand gestartet wird. Die Startphase umfaßt den beginnenden Be trieb, nachdem der Brennstoffprozessor auf unter seine Sollbetriebstempe ratur abgekühlt ist. Der Brennstoffprozessor erzeugt ein wasserstoffrei ches Produkt (Zufuhrstrom) aus einem Kohlenwasserstoff. Der wasser stoffreiche Zufuhrstrom von dem Brennstoffprozessor wird an einen Brennstoffzellenstapel geliefert, der durch Oxidation des Wasserstoffs mit Sauerstoff Elektrizität erzeugt. Bei einem bevorzugten Startmodus werden ein Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom und ein Luftstrom an den Brenner geliefert. Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff und die Luft reagieren oder werden in dem Brenner verbrannt, um Wärme zur Erwärmung des Brenn stoffprozessors zu erzeugen. Der Druck des Luftstromes zu dem Brenner wird überwacht. Die Produkte der Verbrennungsreaktion in dem Brenner werden an den Brennstoffprozessor geliefert.

Vorzugsweise wird der Brennstoffprozessor durch indirekten Wärmeüber gang von den Verbrennungsprodukten erwärmt. Nachdem die Verbren nungsprodukte von dem Brenner begonnen haben, den Brennstoffprozes sor zur erwärmen, wird ein Kohlenwasserstoffreaktand an den Brennstoff prozessor geliefert. Der Kohlenwasserstoffreaktand reagiert mit Dampf, Luft oder einer Kombination von beiden in dem Brennstoffprozessor. Die Reaktion zwischen dem Kohlenwasserstoffreaktand und dem Dampf und/oder Luft erzeugt einen wasserstoffreichen Zufuhrstrom, der in dem Brennstoffzellenstapel verwendbar ist, um Elektrizität zu erzeugen. Jedoch besitzt zu Beginn der Brennstoffbehandlung in dem Brennstoffprozessor der wasserstoffreiche (H₂) Zufuhrstrom oftmals nicht die Qualität, die zur Erzeugung von Elektrizität geeignet ist. Daher kann der wasserstoffreiche Strom in einem Strömungsweg von dem Brennstoffprozessor direkt zu dem Brenner geführt werden.

Anfänglich herrscht in dem Strömungsweg von dem Brennstoffprozessor zu dem Brenner im Vergleich zu dem Druck des Luftstromes, der zu dem Brenner geliefert wird, ein relativ niedriger Druck. Daher ist es während der Startphase erwünscht, daß der Druck in dem Strömungsweg von dem Brennstoffprozessor zu dem Brenner ansteigt, so daß der Druck in dem Strömungsweg zu dem Brenner größer als der Druck des Luftstromes wird, um eine Rückführung des Luftstromes in dem Strömungsweg zu verhindern. Durch das Verfahren der Erfindung bleibt der Strömungsweg von dem Brennstoffprozessor in den Brenner so lange geschlossen, bis ei ne derartige Druckerhöhung stattgefunden hat. Anschließend wird die Fluidflußverbindung von dem Strömungsweg in den Brenner eingeleitet, woraufhin der wasserstoffreiche Zufuhrstrom in den Brenner zur Reaktion darin mit der Luft eingeführt wird.

Nachdem der H₂-reiche Zufuhrstrom in den Brenner zugeführt ist, ist es erforderlich, die Versorgung des Brenners mit Kohlenwasserstoff- Brennstoffstrom zu verringern, um die Wärmeerzeugung in dem Brenner zu regulieren. Bei einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird die Ver ringerung der Lieferung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom durch fortschreitendes Verringern einer derartigen Lieferung auf eine solche Weise erreicht, daß der Brennstoffeingang (FI) zum Zeitpunkt n proportio nal zu (1 - K) × FI_1-n ist. Bei einem Aspekt bleibt der K-Wert konstant. Der K-Wert wird gemäß der Dynamik des Systems gewählt oder vorbestimmt. Bei einem anderen Aspekt ist der K-Wert aus einer Nachschlagetabelle gewählt, in der K mit der Zeit variiert. Es sei angemerkt, daß das Verfahren der Erfindung eine Flexibilität bei der Bildung des Herunterfahrens der Lieferung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom ermöglicht, um die Wärmeerzeugung in dem Brenner zu regulieren. Bei einem noch weiteren Aspekt der Erfindung tritt der Schritt zur Verringerung der Lieferung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom in den Brenner nicht unmittelbar dann auf, sobald der Druck in dem Strömungsweg größer als der Druck des Luftstromes wird. Statt dessen wird zwischen dem Zeitpunkt, wenn das vorher erwähnte Druckkriterium erfüllt ist, und dem Zeitpunkt, wenn die Verringerung der Versorgung mit Kohlenwasserstoff-Brennstoff einge leitet wird, eine Zeitverzögerung eingerichtet. Diese gesteuerte Lieferung von H₂-reichem Strom und die Verringerung von Kohlenwasserstoff- Brennstoff zu dem Brenner sieht einen glatten und effizienten Übergang in einem Laufmodus vor, während von dem Brenner ein Sollniveau an Wär meausgang im wesentlichen beibehalten wird.

Bei einem bevorzugten Aspekt wird der obige Startbetriebsmodus dadurch erreicht, daß ein Rückschlagventil in dem Brennstoffzellensystem ange ordnet wird, das in dem Strömungsweg angeordnet ist, in dem der was serstoffreiche Zufuhrstrom in den Brenner strömt. Der Druck in dem Strömungsweg wird oberstromig des Rückschlagventiles überwacht. Eine zweite Drucküberwachungseinrichtung ist in dem Strömungsweg des Luftstromes angeordnet. Da der Strömungsweg des Luftstromes und des wasserstoffreichen Zufuhrstromes in dem Brenner miteinander vereinigt werden, sieht das Rückschlagventil ein wirksames Mittel vor, um den Strömungsweg des wasserstoffreichen Zufuhrstromes in den Brenner zu blockieren, bis der Druck des wasserstoffreichen Zufuhrstromes den Druck des Luftstromes überschreitet, wodurch das Rückschlagventil geöffnet wird und während der Startphase die Sollströmung an wasser stoffreichem Zufuhrstrom und Luft in den Brenner zuläßt.

Bei einem anderen Aspekt erzeugt, nachdem der Brennstoffprozessor sei ne Solltemperatur erreicht hat und beibehält, dieser den wasserstoffrei chen Strom, der in dem Brennstoffzellenstapel verbraucht wird, um Elek trizität zu erzeugen. Jedoch ist die an den Brennstoffzellenstapel gelieferte Menge an Wasserstoff größer als erforderlich, um den von dem System gefordertem Leistungszuwachs zu erzeugen, wodurch daher zumindest ein Anteil des wasserstoffreichen Zufuhrstromes in dem Brennstoffzellensta pel nicht verbraucht und an den Brenner geleitet wird. Dieser überschüs sige Anteil des wasserstoffreichen Zufuhrstromes reagiert mit dem Luft strom in dem Brenner zur Erzeugung von Wärme, die anschließend an den Brennstoffprozessor geliefert wird.

Bei einem bevorzugten Aspekt ist daher der Brennstoffzellenstapel in dem Strömungsweg zwischen dem Brennstoffprozessor und dem Brenner an geordnet, wobei zwei Variationen möglich sind. Bei einer Variation wäh rend der Startphase wird der wasserstoffreiche Zufuhrstrom, der durch den Brennstoffprozessor erzeugt wird und anfänglich eine niedrige Quali tät aufweist, zu einem Strömungsweg von dem Brennstoffprozessor direkt zu dem Brenner geführt. Bei einer anderen Variation während der Start phase wird, bevor der Brennstoffzellenstapel beginnt, Leistung zu erzeu gen, ein derartiger wasserstoffreicher Zufuhrstrom mit niedriger Qualität von dem Brennstoffprozessor an den Brennstoffzellenstapel geliefert, wo er nicht verbraucht wird, verläuft durch diesen hindurch und wird dann an den Brenner geführt.

Zeichnungskurzbeschreibung

Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Be zugnahme auf die Zeichnungen offensichtlicher, in welchen:

Fig. 1 eine Zeichnung ist, die ein Brennstoffzellensystem darstellt, das einen Brenner, einen Brennstoffprozessor und einen Brennstoffzellenstapel umfaßt, das gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben wird;

Fig. 2 eine Zeichnung des in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellensta pels ist, der bildlich dargestellt mit einer Gebrauchsanwen dung verbunden ist;

Fig. 3 eine Serie von Diagrammen umfaßt, die den durch die Er findung implementierten Startmodus veranschaulichen, wobei vor und nach Punkt A im Zeitablauf der Brenner be trieben wird; zwischen Zeitperioden A und B der Brenn stoffprozessor den Betrieb beginnt und diesen nach Punkt B beibehält; zum Zeitpunkt B ein Ventil öffnet, das eine Strömung von dem Brennstoffprozessor zu dem Brenner einführt; und zum Zeitpunkt C begonnen wird, flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu dem Brenner abzusenken.

Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bei einem Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners vor, um einen Brennstoffprozessor auf eine Solltemperatur in einem Brennstoffzellensystem zu erwärmen, wobei der Brennstoffprozes sor Wasserstoff (H₂) aus einem Kohlenwasserstoff zur Reaktion innerhalb einer Brennstoffzelle erzeugt, um Elektrizität zu erzeugen. Insbesondere sieht die Erfindung ein Verfahren und ausgewählte Systemkonstrukti onsmerkmale vor, die zusammenwirken, um einen Startbetriebsmodus und einen glatten Übergang von der Startphase des Brenners und des Brennstoffprozessors zu einem Laufmodus zu schaffen. Während dieser Übergangsperiode ändert sich der Brennerbetriebsmodus von einem Mo dus, bei dem ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff in dem Brenner reagiert, um den Brennstoffprozessor zu erwärmen, zu einem Modus, bei dem ein wasserstoffreicher Zufuhrstrom, der durch den Brennstoffprozessor er zeugt wird, zurück an den Brenner zur Reaktion darin zurückgeführt wird, um das System mit Wärme zu versorgen. Während des Laufmodus erzeugt der Brennstoffprozessor wasserstoffreiche Zufuhr für den Brenn stoffzellenstapel in einer Menge, die erheblich größer als die ist, die für den Verbrauch durch den Stapel erforderlich ist. Hier wird ein Anteil des wasserstoffreichen Zufuhrvorrats an den Brenner zurück rezirkuliert, wie angemerkt ist.

Die verschiedenen Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme auf das in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Brennstoffzellensystem besser ver ständlich. Daher ist es vor der weiteren Beschreibung der Erfindung nütz lich, das System zu verstehen, in dem das bevorzugte Betriebsverfahren und die bevorzugten Vorrichtungsmerkmale implementiert ist.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems. Das System kann in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) als eine Energiequelle zum Fahrzeugan trieb verwendet werden. Bei dem System wird ein Kohlenwasserstoff in ei nem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformationsprozesse und Prozesse mit selektiver Oxidation verarbeitet, um ein Reformatgas zu er zeugen, das auf Volumen- oder Molbasis einen relativ hohen Wasserstoff gehalt aufweist. Daher wird Bezug auf einen Reformat- oder Zufuhrstrom genommen, der wasserstoffreich (H₂) ist oder einen relativ hohen Wasser stoffgehalt aufweist.

Die Erfindung ist nachfolgend im Zusammenhang mit einer Brennstoff zelle, die durch ein H₂-reiches Reformat mit Brennstoff befüllt wird, unge achtet des Verfahrens beschrieben, durch das ein derartiges Reformat hergestellt wird. Es ist zu verstehen, daß die hier ausgeführten Prinzipien auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch H₂ mit Brennstoff befüllt werden, der von einer beliebigen Quelle erhalten wird, einschließlich re formierbarem Kohlenwasserstoff und wasserstoffhaltigen Brennstoffen, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Benzin, Alken oder andere aliphati sche oder aromatische Kohlenwasserstoffe in flüssiger oder gasförmiger Form.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt eine Brennstoffzellenvorrichtung einen Brennstoffprozessor 2 zur katalytischen Reaktion eines Brennstoffstromes 6 aus reformierbarem Kohlenwasserstoff und Wasser in der Form von Dampf aus einem Wasserstrom 8. Bei einigen Brennstoffprozessoren wird auch Luft in einer Kombination aus Reaktion mit selektiver Oxidati on/Dampfreformierungsreaktion verwendet. In diesem Fall nimmt der Brennstoffprozessor 2 auch einen Luftstrom 9 auf. Der Brennstoffprozes sor umfaßt einen oder mehrere Reaktoren 12, wobei der reformierbare Kohlenwasserstoff-Brennstoff in dem Strom 6 in Anwesenheit von Was ser/Dampf 8 und manchmal Luft (in Strom 9) eine Aufspaltung erfährt, um das wasserstoffreiche Reformat zu erzeugen. Ferner kann jeder Reak tor 12 eines oder mehrere Reaktorbetten umfassen. Der Reaktor 12 kann einen oder mehrere Abschnitte oder Betten aufweisen, wobei eine Vielzahl von Konstruktionen bekannt und anwendbar sind. Daher kann die Aus wahl und Anordnung der Reaktoren 12 variieren, wobei beispielhafte Brennstoffreformierungsreaktor(en) 14 und unterstromige Reaktor(en) 16 unmittelbar anschließend beschrieben sind.

Beispielsweise reagieren in einem beispielhaften Dampf-Methanol- Reformationsprozeß Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise in ei nem Reaktor 14, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie vor her im Hintergrund beschrieben wurde. Tatsächlich werden auch Koh lenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem weiteren Beispiel reagieren in einem beispielhaften Benzinreformationsprozeß Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor, der einen Reaktor 14 umfaßt, der zwei Ab schnitte aufweist. Ein Abschnitt des Reaktors 14 ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX) und der andere Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Dampfreformer (SR). Wie in dem Fall der Methanolre formation erzeugt die Benzinreformation den erwünschten Wasserstoff, erzeugt aber zusätzlich Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmonoxid. Nach jedem Reformationstyp ist es erwünscht, den Kohlenmonoxidgehalt des Produktstromes zu verringern.

Demgemäß umfaßt der Brennstoffprozessor 2 typischerweise auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren 16, wie beispielsweise Wasser-Gas- Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und Reaktoren für selektive Oxidation (PROX-Reaktoren), die dazu verwendet werden, aus Kohlenmonoxid Koh lendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Vor zugsweise wird der anfängliche Reformatausgangsgasstrom, der Wasser stoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid (CO) und Wasser umfaßt, in einem Reaktor 16 für selektive Oxidation (PROX-Reaktor) weiter behandelt, um die CO-Niveaus darin auf annehmbare Niveaus, beispielsweise unterhalb 20 ppm zu reduzieren. Dann wird während des Laufmodus das H₂-reiche Reformat 20 durch Ventil 31 in die Anodenkammer eines Brennstoffzel lenstapels 22 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff (beispielsweise Luft) von einem Oxidationsmittelstrom 24 in die Kathodenkammer des Brenn stoffzellenstapels 22 zugeführt. Luft für den Oxidationsmittelstrom 24 wird durch eine Luftversorgung, vorzugsweise einen Kompressor 30 vorge sehen. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom 20 und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom 24 reagieren in der Brennstoffzelle 22, um Elektrizität zu erzeugen. Abgas oder Abfluß 26 von der Anodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen nicht reagierten Wasserstoff. Das Abgas oder der Abfluß 28 von der Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen nicht reagierten Sauerstoff.

Bei normalen Lauf oder Betriebszuständen wird Luft von der Luftversor gung (Kompressor 30) an die Brennstoffzelle 22 durch ein Ventil 32 ge führt. Während der Startphase wird jedoch das Ventil 32 betätigt, um Luft direkt an den Eingang eines Brenners 34 zu liefern. Die Luft wird in dem Brenner 34 dazu verwendet, mit einem Brennstoff, vorzugsweise einem flüssigen Kohlenwasserstoff, zu reagieren, der durch Leitung 46 geliefert wird. Die Verbrennungswärme wird dazu verwendet, verschiedene Teile . des Brennstoffprozessors 2 zu erwärmen.

Es sei angemerkt, daß einige der Reaktionen, die in dem Brennstoffpro zessor 2 auftreten, endotherm sind und somit Wärme erfordern. Andere Reaktionen verlaufen exotherm und erfordern eine Beseitigung von Wär me. Typischerweise erfordert der PROX-Reaktor 16 ein Beseitigung von Wärme. Eine oder mehrere der Reformationsreaktionen in dem Reaktor 14 sind typischerweise endotherm. Dies wird typischerweise durch Vorer wärmen der Reaktanden Brennstoff 6, Dampf 8 und Luft 9 und/oder durch Erwärmen ausgewählter Reaktoren erreicht.

Wärme von dem Brenner 34 wird durch Leitung 36 geführt, um ausge wählte Reaktoren und Reaktorbetten in dem Brennstoffprozessor 2 wäh rend der Startphase zu erwärmen. Der Brenner 34 erzielt eine Erwärmung der ausgewählten Reaktoren und Betten in dem Brennstoffprozessor 2 je nach Erfordernis durch indirekte Wärmeübertragung damit. Typischer weise umfassen derartige indirekt erwärmte Reaktoren eine Reaktions kammer mit einem Einlaß und einem Auslaß. In der Reaktionskammer sind die Betten in der Form von Trägerelementsubstraten vorgesehen, von denen jedes eine erste Oberfläche aufweist, die katalytisch aktives Materi al zur Erzielung der gewünschten chemischen Reaktionen trägt. Eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, dient zum Wärmeübergang von heißen Gasen auf die Trägerelementsubstrate. Zu sätzlich ist der Brenner 34 verwendbar, um den Brennstoff 6, das Wasser 8 und die Luft 9 vorzuerwärmen, die als Reaktanden an den Brennstoff prozessor 2 geliefert werden.

Es sei angemerkt, daß die Luft 9, die an den Brennstoffprozessor 2 gelie fert wird, in einem oder mehreren der Reaktoren 12 verwendet werden kann. Wenn Reaktor 14 ein Benzinreformationsreaktor ist, dann wird Luft von Leitung 9 an den Reaktor 14 geliefert. Der PROX-Reaktor 16 verwen det auch Luft, um CO in CO₂ zu oxidieren, und empfängt auch Luft von der Luftlieferquelle (Kompressor 30) über Leitung 9.

Der Brenner 34 definiert eine Kammer 41 mit einem Einlaßende 42, einem Auslaßende 44 und einem Katalysatorabschnitt 48 zwischen den Enden. Bei einem Startmodus wird Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 in den Bren ner eingespritzt. Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird, wenn er in flüssi ger Form vorliegt, vorzugsweise verdampft und zwar entweder vor der Ein spritzung in den Brenner oder in einem Abschnitt des Brenners, um den Brennstoff zur Verbrennung zu verteilen. Es sei zu angemerkt, daß der Kohlenwasserstoff, obwohl dieser vorzugsweise als ein flüssiger Kohlen wasserstoff-Brennstoff offenbart ist, eine andere Form annehmen kann, wie beispielsweise ein Gas. Die Verdampfung kann mit einem elektrischen Heizer ausgeführt werden. Sobald das System arbeitet und der Brenner aufgewärmt worden ist, kann die Verdampfung durch Wärmeaustausch unter Verwendung von Wärme von dem Brennerabgas stattfinden, um den eintretenden Brennstoff zu verdampfen. Vorzugsweise ist eine Brennstoff meßvorrichtung oder eine Einspritzvorrichtung 43 vorgesehen, um die Rate zu steuern, mit der Kohlenwasserstoff-Brennstoff an den Brenner ge liefert wird.

Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 und der Anodenabfluß 26 reagieren in dem Katalysatorabschnitt 48 des Brenners 34, wobei dieser Abschnitt zwischen den Einlaß- und Abgasenden 42 bzw. 44 des Brenners 34 liegt.

Sauerstoff wird entweder von der Luftversorgung (d. h. Kompressor 30) über Ventile 32 oder von einem zweiten Luftströmungsstrom, wie bei spielsweise einem Kathodenabflußstrom 28, abhängig von den Systembe triebsbedingungen an den Brenner 34 geliefert. Ein Ventil 50 erlaubt die Freigabe des Brennerabgases 36 an die Atmosphäre, wenn es nicht erfor derlich ist, um Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 zu erwärmen.

Wie aus Fig. 1 und der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ergänzt der Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom 46 den Brennstoff des Anodenabflus ses 26 für den Brenner 34, wie erforderlich ist, um die Übergangs- und Festzustandserfordernisse des Brennstoffzellensystems zu erfüllen. In ei nigen Situationen gelangt Abgas durch einen Regler 38, ein Absperrventil 140 und einen Schalldämpfer 142, bevor es an die Atmosphäre freigege ben wird. In Fig. 1 sind die Symbole wie folgt: "V" ist Ventil, "MFM" ist Massenflußmeter, "T" ist Temperaturüberwachung, "R" ist Regler, "C" ist Kathodenseite der Brennstoffzelle, "A" ist Anodenseite der Brennstoffzelle, "INJ" ist Einspritzeinrichtung, "COMP" ist Kompressor und "P" ist Druck überwachung.

Die Menge an Wärme, die von den gewählten Reaktoren in dem Brenn stoffprozessor 2 gefordert wird und an den Brenner 34 geliefert werden soll, ist abhängig von der Menge an Brennstoff und Wassereingang und schließlich der Sollreaktionstemperatur in dem Brennstoffprozessor 2. Wie vorher angemerkt wurde, wird manchmal auch Luft durch Leitung 9 in dem Reformationsreaktor verwendet und muß zusammen mit dem Brenn stoff und dem Wassereingang auch berücksichtigt werden. Um die Wär meanforderung des Brennstoffprozessors 2 liefern zu können, verwendet der Brenner 34 das gesamte Anodenabgas oder -abfluß 26 und möglicherweise einigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46. Enthalpygleichungen werden dazu verwendet, um die Menge an Kathodenabgasluft zu bestim men, die an den Brenner 34 geliefert werden soll, um die Solltempera turanforderungen des Brenners 34 erfüllen zu können, damit der Brenner 34 schließlich die durch den Brennstoffprozessor 2 geforderte Wärme er zielt. Der Sauerstoff oder die Luft, die an den Brenner 34 geliefert werden, umfaßt Kathodenabflußabgas 28, das typischerweise einen Prozentsatz des Gesamtsauerstoffes darstellt, der zu der Kathode der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, und/oder einen Luftstrom von dem Kompressor 30 ab hängig davon, ob die Vorrichtung in einem Startmodus, bei dem der Kom pressorluftstrom ausschließlich verwendet wird, oder in einem Laufmodus unter Verwendung des Kathodenabflusses 28 und/oder der Kompressor luft arbeitet. In dem Laufmodus wird die Gesamtluft, Sauerstoff oder Verdünnungsanforderung, die durch den Brenner 34 erforderlich ist und nicht durch den Kathodenabfluß 28 erfüllt wird, durch den Kompressor 30 in einer Menge geliefert, um die Temperatur und Wärme zu erfüllen, die von dem Brenner 34 bzw. dem Brennstoffprozessor 2 gefordert sind. Die Luftsteuerung ist über ein Luftverdünnungsventil 47 implementiert, das vorzugsweise ein über Schrittmotor angetriebenes Ventil mit einer va riablen Mündung ist, um die Austrittsmenge an Kathodenabgas 28, die zu dem Brenner 34 geliefert wird, steuern zu können.

Bei dieser beispielhaften Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung verläuft bei einem Aspekt der Erfindung der Betrieb des Brenners und die Startphase in einem Brennstoffzellensystem wie folgt. Zu Beginn des Betriebs, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung kalt ist und startet: (1) wird der Kompressor 30 durch einen Elektromotor angetrieben, der von einer externen Quelle (beispielsweise einer Batterie) gespeist ist, um die erforderliche Luft an das System zu liefern; (2) wird Luft in den Brenner 34 eingeführt und Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 (beispielsweise MeOH oder Benzin) in den Brenner 34 eingespritzt; (3) reagieren die Luft und der Brennstoff in dem Brenner 34, wobei im wesentlichen eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes bewirkt wird; und (4) werden die heißen Abgase, die den Brenner 34 verlassen, durch Leitung 36 an die gewählten Reaktoren 12 befördert, die mit dem Brennstoffprozessor 2 in Verbindung stehen.

Sobald die Reaktoren 12 in dem Brennstoffprozessor 2 eine erreichte an gemessene Temperatur aufweisen, beginnt der Reformationsprozeß und der Prozeß umfaßt, wie folgt: (1) Ventil 32 wird aktiviert, um Luft von dem Kompressor 30 an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 zu führen; (2) Brennstoff 6 und Wasser 8 werden an den Brennstoffprozessor 2 zuge führt, um die Reformationsreaktion zu beginnen; (3) Reformat, das den Brennstoffprozessor 2 durch Leitung 20 verläßt, wird an die Anodenseite der Brennstoffzelle 22 zugeführt; (4) Anodenabfluß 26 von der Brennstoff zelle 22 wird in den Brenner 34 geführt; (5) Kathodenabfluß 28 von der Brennstoffzelle 22 wird in den Brenner 34 geführt; (6) der Brennstoff 46, Luft, Kathodenabfluß 28 und Anodenabfluß 26 werden in dem Brenner 34 verbrannt. Bei einer bevorzugten Sequenz wird Schritt (2) zunächst zu sammen mit der Lieferung von Luft direkt zu dem Brenner implementiert. Anschließend werden, wenn der wasserstoffreiche Strom angemessen niedrige CO-Niveaus aufweist, die Schritte (1) und (3) gefolgt durch die Schritte (4), (5) und (6) implementiert.

Unter bestimmten Bedingungen könnte der Brenner 34 ausschließlich mit den Anoden-(26)- und Kathoden-(28)-Abflüssen ohne Erfordernis für zusätzlichen Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 arbeiten. Unter diesen Bedin gungen ist die Brennstoffeinspritzung zu dem Brenner 34 unterbrochen. Unter anderen Bedingungen, beispielsweise erhöhten Leistungsanforde rungen, wird Brennstoff 46 vorgesehen, um den A_aus (26) zu dem Brenner 34 zu ergänzen. Es ist zu sehen, daß der Brenner 34 mehrere Brennstoffe aufnimmt, wie beispielsweise einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 wie auch Anodenabfluß 26 von der Anode der Brennstoffzelle 22. Sauerstoff abgereicherte Abgasluft 28 von der Kathode der Brennstoffzelle 22 und Luft von dem Kompressor 30 werden auch an den Brenner 34 geliefert.

Gemäß dem Beispiel des vorliegenden Brennstoffzellensystemes steuert eine Steuerung 150, die in Fig. 1 gezeigt ist, verschiedene Aspekte des Betriebs des in Fig. 1 gezeigten Systemes. Die Steuerung 150 kann einen geeigneten Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personalcomputer, etc. um fassen, der eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) aufweist, die in der La ge ist, ein Steuerprogramm und in einem Speicher gespeicherte Daten auszuführen. Die Steuerung 150 kann eine zweckbestimmte Steuerung sein, die für eine der Komponenten in Fig. 1 spezifisch ist, oder kann in Software implementiert sein, die in dem elektronischen Hauptfahrzeug steuermodul gespeichert ist. Ferner sei, obwohl auf Software basierende Steuerprogramme zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiede nen Betriebsmoden, wie oben beschrieben ist, verwendbar sind, zu verste hen, daß die Steuerung auch in Teilen oder als Ganzes durch eine zweck bestimmte elektronische Schaltung implementiert sein kann. Die Steue rung 150 steuert die Einspritzeinrichtung 43, wodurch die Rate an zu dem Brenner 34 zugeführtem Kohlenwasserstoff-Brennstoff geregelt wird. Die Steuerung 150 überwacht den Druck P, insbesondere die zweite Druck überwachungseinrichtung P4 und erste Drucküberwachungseinrichtung P5, wie unten beschrieben ist. Vorzugsweise regelt die Steuerung 150 den Betrieb der Einspritzeinrichtung 43, um eine Lieferung von Brennstoff an den Brenner 34 zu steuern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Brennstoffzellensy stem die Brennstoffzelle 22 als Teil eines Fahrzeugantriebssystemes 60 (Fig. 2). Hier umfaßt ein Abschnitt der Schaltung 60 außerhalb des Brennstoffzellensystems eine Batterie 62, einen Elektromotor 64 und eine zugeordnete Antriebselektronik mit einem Inverter 65, der derart aufge baut und angeordnet ist, um elektrische Energie von einem DC/DC- Wandler 61 aufnehmen zu können, der dem Brennstoffzellensystem und insbesondere Brennstoffzelle 22 zugeordnet ist, und um diese in durch den Motor 64 erzeugte mechanische Energie umzuwandeln. Die Batterie 62 ist derart aufgebaut und angeordnet, um elektrische Energie aufneh men und speichern zu können, die von der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, und um elektrische Energie aufnehmen und speichern zu können, die von dem Motor 64 während einer Rückarbeitsbremsung geliefert wird, und um elektrische Energie an den Motor 64 liefern zu können. Der Motor 64 ist mit einer Antriebsachse 66 gekoppelt, um Räder eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) zu drehen. Ein elektrochemisches Motorsteuermodul (EECM) 70 und ein Batteriepaketmodul (BPM) 71 überwachen verschiede ne Betriebsparameter, die beispielsweise die Spannung und den Strom des Stapels umfassen können. Beispielsweise wird dies durch das Batte riepaketmodul (BPM) 71 oder durch das BPM 71 zusammen mit dem EECM 70 durchgeführt, um ein Ausgangssignal (Nachricht) an die Fahr zeugsteuerung 74 auf der Grundlage von Bedingungen zu senden, die durch das BPM 71 überwacht werden. Die Fahrzeugsteuerung 74 steuert den Elektromotor 64, die Antriebselektronik mit dem Inverter 65, den DC/DC-Wandler 61 und fordert ein Energieniveau von dem EECM 70.

Unter Bezugnahme auf das oben beschriebene System und die beispiel hafte Darstellung der Vorrichtung in einem Startmodus und dem Betrieb nach der Startphase sei angemerkt, daß der Start eines Brennstoffzellen systemes vorsichtig koordinierte Schritte erfordert. Das System umfaßt drei wichtige Komponenten. Den Brennstoffzellenstapel 22, den Brenner 34 und den Brennstoffprozessor 2, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Zwischen die sen Hauptkomponenten existiert eine zusammenhängende Beziehung. Der Brennstoffprozessor 2 liefert Wasserstoff an den Stapel 22. Ein Anteil des Wasserstoffes, der an den Stapel 22 geliefert wird, wird an den Brenner 34 geführt. Der Brenner 34 liefert Wärme an den Brennstoffprozessor 2. Wenn der Betrieb dieser Hauptkomponenten in einem relativen Gleichge wicht steht, ist die Energieerzeugung und der Energieverbrauch auch in relativem Gleichgewicht. Es sei jedoch angemerkt, daß in dem Startmodus ein derartiges Gleichgewicht nicht existiert.

Es sei angemerkt, daß ein Startmodus ein Zustand ist, bei dem der Bren ner 34 und der Brennstoffprozessor 2 nicht die Sollbetriebstemperatur des Laufmodus aufweisen. Dieser Zustand existiert bei einem Kaltstartzustand und bei einem Startzustand, der nach der Beendigung eines vorherigen Laufmodus ausgeführt wird, wobei zugelassen wurde, daß sich das Sy stem von seinen optimalen Betriebstemperaturbedingungen abgekühlt hat. Um das System starten zu können, bevor der Brennstoffprozessor 2 Wasserstoff erzeugt, wird zunächst der Brenner 34 gestartet. Der Brenner wird typischerweise durch die Verwendung von externem Brennstoff 46 erwärmt, der vorzugsweise ein flüssiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff ist.

Ein derartiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 kann gleich oder verschie den von dem Brennstoff 6 sein, der als ein Reaktand in dem Brennstoff prozessor verwendet wird. Die Lieferung von Luft durch den Kompressor 30 und Brennstoff 46 durch die Einspritzeinrichtung 43 leitet den Start modus ein. Der Kompressor 30 liefert die Luftströmung und die Einsprit zeinrichtung 43 liefert den flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu dem Brenner 34, der den Brennstoff in Wärme umwandelt und die Wärme an den Brennstoffprozessor 2 durch Leitung 36 liefert. In dem Brennstoffpro zessor 2 wird die Wärme dazu verwendet, die Eingangsreaktanden Brenn stoff 6, Wasser 8 und/oder Luft 9 vorzuerwärmen und auch je nach Be darf ausgewählte Reaktoren 12 vorzuerwärmen. Eine derartige Vorerwär mung wird typischerweise durch indirekte Wärmeübertragung unter Ver wendung geeigneter Wärmetauscher (nicht gezeigt) in dem Brennstoffpro zessor 2 durchgeführt.

Nachdem der Brennstoffprozessor 2 aufgewärmt ist, wird vorzugsweise Kohlenwasserstoff-Brennstoff 6, der einen der Reaktanden darstellt, in dem Brennstoffprozessor 2 eingespritzt. Der Kohlenwasserstoffreaktand 6 reagiert mit Wasser 8 (Dampf), Luft oder beidem, um den Kohlenwasser stoffreaktanden in einen wasserstoffreichen (H₂)-Strom umzuwandeln. Der wasserstoffreiche Zufuhrstrom umfaßt auch andere Bestandteile, wie bei spielsweise Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Diese Gase strö men schließlich zu dem Brennstoffzellenstapel 22 durch Leitung 20 wie vorher beschrieben wurde. Vorzugsweise wird, wenn der Brennstoffpro zessor 2 zunächst startet, während der Startphase dieser wasserstoffrei che Zufuhrstrom hauptsächlich infolge der Erzeugung einer relativ großen Menge an Kohlenmonoxid durch Leitung 21 zu dem Brenner 34 umge lenkt. Somit wird gegebenenfalls über Ventil 31 eine Umgehung des Brennstoffzellenstapels 22 erreicht. Daher kann bei der Startphase das H₂-reiche Reformat entweder durch den Stapel oder durch die Umgehung 31 und entlang Leitung 21 verlaufen, um den Stapel zu umgehen. Es ist bevorzugt, daß das Reformat den Stapel in der Startphase umgeht und schließlich Ventil 31 Reformat durch den Stapel 22 führt. Vorzugsweise schaltet das Ventil 31 die Reformatströmung von der Umgehung auf den Stapel um, wenn der CO-Gehalt des Reformats ausreichend niedrig ist. Vorzugsweise schaltet Ventil 32, wenn Ventil 31 schaltet, um eine geeignet niedrige Druckdifferenz in dem Stapel beizubehalten. Vorzugsweise öffnet das Rückschlagventil 7 auf Grundlage von Druckkriterien, die nachfol gend unter Bezugnahme auf P4 und P5 beschrieben sind, und unabhän gig von Ventil 31.

Sogar während eines Laufmodus verbraucht der Stapel 22 nicht die ge samte Wasserstoffzufuhr, die durch den Brennstoffprozessor 2 erzeugt wird, so daß ein gewisser Anteil der Wasserstoffzufuhr durch den Stapel 22 und an den Brenner 34 gelangt. Der Brenner 34 kann an diesem Punkt die Menge an flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46, die durch die Einspritzeinrichtung 43 vorgesehen wird, nicht länger brauchen, da der Stapel 22 die erforderliche Wasserstoffzufuhr als Brennstoff an den Bren ner 34 liefert. Bei diesem Übergangszustand muß die Menge an flüssigem Brennstoff 46, die durch die Einspritzeinrichtung 43 eingespritzt wird, verringert werden, da ihr Heizwert durch den wasserstoffhaltigen Anoden abfluß 26 verschoben ist. Der Übergang, wenn der Brenner 34 von einem Betrieb vollständig basierend auf flüssigem Brennstoff 46 durch Einsprit zeinrichtung 43 abkommt und zu einem Betrieb mit Wasserstoff entweder durch Umgehungsleitung 21 oder Anodenabfluß 26 schaltet, ist ein sehr schwieriger und kritischer Übergang. Dies ist insbesondere der Fall, da die Wasserstoffströmung zu dem Brenner 34 nicht leicht bestimmbar ist.

Bei einem anderen Aspekt der Erfindung sind verschiedene Systemkom ponenten vorgesehen, und es ist ein Betriebsmodus vorgesehen, um den schwierigen Übergang zu steuern, wenn der Brenner 34 mit flüssigem Brennstoff 46 betrieben wird und in den Betrieb mit Wasserstoff schaltet, der durch den Brennstoffprozessor 2 erzeugt wird. Bei einem Aspekt sieht die Erfindung Näherungsmittel vor, wenn die Wasserstoffzufuhr (Abfluß) 26 des Brennstoffprozessors zu dem Brenner zu strömen beginnt. Durch Überwachung eines Druckunterschiedes über ein Rückschlagventil 7 wird eine derartige Strömung angegeben. Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfaßt einen Zeitgeber, der eine Zeitverzögerung zur Annäherung der Zeitperiode von dem Zeitpunkt, wenn die Strömung beginnt, bis zu dem Zeitpunkt vorsieht, wenn die Wasserstoffzufuhr tatsächlich den Brenner erreicht. Bei einem anderen Aspekt nähert ein Verzögerungsfilter erster Ordnung (Verzögerungsfunktion) das Anfahren der Wasserstoffzufuhr von dem Brennstoffprozessor an.

Insbesondere vor dem Start des Brennstoffprozessors bleibt der Anoden weg, der allgemein mit 20 und in Fig. 1 unterstromig des Brennstoffpro zessors 2 mit 26 bezeichnet ist, abgeschlossen gegenüber barometrischem Druck, wobei dieser Druck durch Überwachungseinrichtung P5 in Fig. 1 angegeben ist. Dies findet statt, da die unmittelbar vorhergehende Sys temabschaltung den Stapel 22 von wasserstoffreicher Zufuhr unter hohem Druck während des normalen Abschaltens evakuiert hat. Der Stapel 22 kann innerhalb eine kleine Menge des Wasserstoffzufuhrstromes abhängig von der spezifischen Abschaltprozedur aufweisen. Andere Abschaltprozeduren umfassen einen Ersatz des Anodenwasserstoffzufuhrstromes mit Luft oder einem Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff. Daher kann ange merkt werden, daß ein Anteil des Systemes, der in Fig. 1 bezeichnet ist, eine kleine Menge an wasserstoffreichem Zufuhrstrom bei einem relativ niedrigen Druck oder Luft oder anderes Inertgas, wie beispielsweise Stick stoff umfassen kann. Insbesondere umfaßt ein derartiger Abschnitt des Systems die Leitung 20 entlang und zu dem Ventil 31 und durch den Sta pel und entlang durch Leitung 26 und Leitung 21. Demgemäß befindet sich ein derartiger Abschnitt vor der Startphase in dem beschriebenen Zu stand mit niedrigem oder barometrischem Druck.

Während der Startphase erzeugt die Luftströmung von dem Kompressor 30 einen absoluten Druck von etwa 200 kPa, wie durch die Drucküberwa chungseinrichtung angegeben ist, die in Fig. 1 mit P4 gezeigt ist. Während der Startphase ist das Rückschlagventil 7 geschlossen, wobei eine Fluidströmungsverbindung zwischen der Luftleitung und den Wasser stoffströmungsleitungen mit niedrigerem Druck, wie oben beschrieben ist, verhindert wird. Der Brennstoffprozessor 2 beginnt die Erzeugung von Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, wenn Kohlenwasser stoffreaktand 6 und Wasser 8 und/oder Luft durch die Leitung 9 hinzu gefügt werden. Mit dieser eingespritzten Massenströmung beginnt der Druck an der ersten Drucküberwachungseinrichtung P5 anzusteigen. Dies kann an der Zeitperiode A bis B in Fig. 3 gesehen werden. Bis der Druck an der überwachten P5 etwas höher als der Druck wird, der an P4 über wacht wird, bleibt das Rückschlagventil 7 geschlossen. Sobald der Druck an P5 ausreichend ansteigt, so daß er größer als der Druck an der zweiten Drucküberwachungseinrichtung P4 wird, dann öffnet das Rückschlagven til 7, woraufhin es dem wasserstoffreichen Strom dadurch möglich wird, durch das Rückschlagventil 7 in den Brenner 34 einzutreten. Siehe Punkt B in Fig. 3.

Der wasserstoffreiche Strom tritt nicht unmittelbar in den Brenner 34 ein, wenn das Rückschlagventil 7 geöffnet wird. Dies ist so, da, wenn die letzte Abschaltung ein Inertgas oder Luft verwendet hat, die durch die Anoden seite des Brennstoffzellenstapels 22 eingespritzt wurde, um Wasserstoff auszutreiben, darin, wenn das Rückschlagventil 7 zuerst öffnet, der Bren ner mit dem verbleibenden Inertgas oder der verbleibenden Luft beliefert wird. In diesem Fall ist die Strömung des Stromes 26 in den Brenner eine Mischung des Brennstoffprozessor (abfluß) 26 und des anderen Gases, das Inertgas oder Luft ist. Diese Menge dieses anderen Gases fällt mit der Zeit rampenartig ab, bis die Strömung zu dem Brenner 34 im wesentli chen durch den wasserstoffreichen Zufuhrabfluß 26 des Brennstoffpro zessors gebildet wird. Wenn während des letzten Abschaltens kein exter nes Gas in die Anodenseite des Stapels eingeführt wurde, dann wird der Brennstoffprozessorabfluß 26 immer noch nicht unmittelbar nach dem Öffnen des Rückschlagventiles 7 in den Brenner eintreten. Dies ist so, da ein Volumen in der Leitung 26 zwischen dem Rückschlagventil 7 und dem Brennereinlaß 42 vorhanden ist, das hauptsächlich Hochdruckluft von der Kathodenseite 28 des Stapels enthält. Dies ist deutlich in Fig. 1 zu se hen, in der gezeigt ist, daß der Anodenabfluß, der durch Leitung 26 zuge führt wird, und die Druckluft, die durch Leitung 28 zugeführt wird, an ei nem Einlaßabschnitt des Brenners zusammentreffen, an dem sie vor dem Verbrennen gemischt werden. Dieser Mischpunkt ist in Fig. 1 mit Z be zeichnet.

Demgemäß muß der wasserstoffreiche Zufuhrabfluß 26 des Brennstoff prozessors dieses Luftvolumen zunächst im wesentlichen in den Brenner drücken, bevor der Wasserstoffabfluß 26 des Brennstoffprozessors alleine in den Brenner zugeführt wird. In jedem Fall wird eine wasserstoffreiche Gasströmung in den Brenner in der Startphase verzögert, nachdem das Rückschlagventil 7 öffnet, und anschließend nimmt eine derartige Strö mung rampenartig zu, wenn andere Gase von den Leitungen evakuiert werden, wie unmittelbar oben beschrieben wurde. Es ist zu sehen, daß, wenn das Rückschlagventil 7 geöffnet wird, die Beibehaltung der Verbren nungstemperatur sehr schwierig ist. Daher ist bei einem anderen Aspekt der Erfindung auch ein Verfahren zur Verringerung von flüssigem Bren nerbrennstoff 46, der durch Einspritzeinrichtungen 43 eingespritzt wird, vorgesehen, um eine Übereinstimmung mit dem Anstieg der Lieferung von wasserstoffreichem Zufuhrabfluß durch Leitung 26 bei der Startphase zu erhalten. Durch das Verfahren der Erfindung ist der Heizwert, der durch den Anstieg der Wasserstoffzufuhrstromströmung dargestellt ist, durch Abnahme der Menge an flüssigem Brennstoff 46, der durch Einspritzein richtung 43 geliefert wird, verschoben. Daher ersetzt er, wenn die Liefe rung an wasserstoffreicher Zufuhr zu dem Brenner rampenartig ansteigt, den flüssigen Brennstoff 46, der an den Brenner 34 geliefert wird. Bei spielsweise muß bei einem Zahlenbeispiel, wenn 15 Kilowatt an Heizwert des flüssigen Brennstoffs 46 in dem Brenner eingespritzt wurden und 12 Kilowatt an Heizwert der Wasserstoffzufuhr entsprechend rampenartig eingeführt werden, der flüssige Brennstoff 46 mit etwa derselben Rate auf 3 Kilowatt rampenartig absinken, mit der die Wasserstoffzufuhr rampen artig ansteigt.

Wie oben beschrieben wurde, wird anfänglich nur der flüssige Brenner brennstoff durch Einspritzeinrichtung 43 zugeführt. Zu Beginn der Brennstoffprozessoreinspritzung (Punkt A in Fig. 3) steigt Druck P5, da die Reaktanden in dem Brennstoffprozessor 2 reagieren. In der Zeit von Peri ode A bis B von Fig. 3 öffnet sich das Rückschlagventil 7 nicht. Daher muß der Brenner 34 mit seiner eigenen Versorgung mit flüssigem Brenn stoff 46 durch Einspritzeinrichtung 43 arbeiten. Schließlich erreicht und überschreitet der anodenseitige Druck, wie bei P5 überwacht, den Druck, wie bei P4 überwacht. Sobald Druck P5 Druck P4 an Punkt B überschrei tet, öffnet das Rückschlagventil 7. An diesem Punkt kann es unter be stimmten Systembedingungen möglich sein, die Strömung an flüssigem Brennstoff 46 zu dem Brenner relativ schnell zu unterbrechen oder ram penartig abzusenken, während ein ausreichender Wärmeausgang von dem Brenner 34 zu dem Brennstoffprozessor 2 beibehalten wird.

Bei einem alternativen Aspekt kann ein Zeitgeber verwendet werden, um die voraussichtliche Verzögerung des H₂-reichen Stromes beim Eintritt in den Brenner 34, wie oben beschrieben ist, zu berücksichtigen. Unter die sem Aspekt startet ein Zeitgeber zum Zeitpunkt B in Fig. 3. Dieser Zeitge ber richtet eine Zeitverzögerung ein, die von der Zeitperiode B bis C in Fig. 3 erfolgt. Da die anfängliche Strömung zu dem Brenner 34 nicht durch den wasserstoffreichen Zufuhrabfluß des Brennstoffprozessors gebildet wird, muß die Einspritzung 46 des flüssigen Brennerbrennstoffes anhal ten, um die erforderliche Wärme zu liefern. Das Anodensystemvolumen (Kapazität in Leitung 26 oder 21 und oberstromig davon), der Modus der Abschaltung und die Startenergieanforderung des Brennstoffprozessors bestimmen die Länge der Zeitverzögerung (Td). Am Punkt C von Fig. 3 wird der Brenner mit einer Mischung des wasserstoffreichen Zufuhrabflusses des Brennstoffprozessors und irgendwelchen anderen Gasen be liefert, die in der anodenseitigen Verrohrung vorhanden sind, wie vorher beschrieben wurde. An Punkt G sei zu verstehen, daß die Systembedin gungen eine relativ schnelle Unterbrechung oder ein relativ schnelles rampenartiges Absenken des flüssigen Brennstoffes 46 zulassen müssen, während ein ausreichender Wärmeausgang von dem Brenner 34 beibe halten wird.

Bei einem bevorzugten Aspekt wird der oben beschriebene Zeitgeber in Verbindung mit einem Verzögerungsfilter erster Ordnung (Verzöge rungsfunktion) verwendet, der das Anfahren des wasserstoffreichen Zu fuhrvorratsabflusses des Brennstoffprozessors beginnend an Punkt C in Fig. 3 annähert. Schließlich drückt der Zufuhrstromabfluß 26 des Brenn stoffprozessors die gesamten anderen Gase heraus und der berechnete Wasserstoffgehalt, der von der Anodenseite der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, paßt mit dem tatsächlichen Wasserstoffgehalt zusammen, der von dem Brenner aufgenommen wird. Die Zeitverzögerung (Td) und die Verzö gerungsfilterzeitkonstante (K) stimmen mit dem Volumen und der Dyna mik des Brennstoffprozessors 2, des Brennstoffzellenstapels 22 und der Brennstoffprozessorverrohrung 20, 21 und 26 überein.

Das Herunterfahren des flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffes 46 wird geeigneterweise auch durch einen Verzögerungsfilter erster Ordnung ab geschätzt, wobei der Kohlenwasserstoff-Brennstoffeingang (FI) zum Zeit punkt n proportional zu (1 - K)-mal FI bei (n - 1) ist. Hier beeinflußt die Kon stante K im wesentlichen die Rate, mit der das Herunterfahren stattfindet. Bei einem relativ hohen Wert von K findet das Herunterfahren langsam statt. Bei niedrigeren Werten von K findet ein schnelleres Herunterfahren von Kohlenwasserstoff-Brennstoffeingang statt. Die typische Verzöge rungsbeziehung läßt sich verallgemeinern auf: Neuer Wert = Letzter Wert + K(Eingang - Letzter Wert); und wobei Eingang auf eine Stufenfunktion von 1 bis 0 normiert ist. Hier stellt die 1 einen Eingang von 100% Brennstoff (46) zu dem Zeitpunkt dar, wenn der Verzögerungsfilter aktiviert wird, und 0 ist der Zustand der Beendigung des Eingangs an Brennstoff (46), wenn der Brenner 34 nur mit Wasserstoffzufuhr arbeitet. Als Beispiel ist der ge gebene letzte Wert = 1 zu einem gegebenen Zeitpunkt 1 und K ist 0,2, dann ist zum Zeitpunkt 2 der Neue Wert = 1 + 0,2(0 - 1) = 0,8, und zu ei nem Zeitpunkt 3 ist der Neue Wert 0,64 gemäß dem neuen Wert = 0,8 + 0,2(0 - 0,8) = 0,64.

Es sei angemerkt, daß es auch möglich ist, das Anfahren des H₂-reichen Zufuhrstromes, wie oben beschrieben ist, zu entwickeln und durch Sub traktion zu dem Herunterfahren des flüssigen Kohlenwasserstoff- Brennstoffes zu gelangen.

Wie durch die Darstellung in Fig. 3 gezeigt ist, behält der hier implemen tierte Betriebsmodus die Brennertemperaturen während der Startphase bei und ermöglicht einen relativ glatten Übergang von einem Startmodus zu einem Laufmodus auf eine proaktive Art und Weise.

Die Erfindung sieht ein wirksames und kostengünstiges Verfahren zur Beibehaltung der Brennertemperatur während der Startphase und über einen glatten Übergang von dem Startmodus zu dem Laufmodus bei. Für ein derartiges Verfahren besteht ein großer Bedarf, da die Massenströ mung an Wasserstoff von dem Anodenauslaß 26 zu dem Brenner 34 un bekannt ist. Eine andere Option zur Bewältigung des Übergangsmodus, wie hier beschrieben ist, betrifft die Überwachung der Temperatur des Brenners und dann den Versuch, die Menge an Luft und flüssigem Brenn stoff, die zu dem Brenner geliefert wird, wenn die Wasserstoffversorgung ansteigt, auszugleichen. Bei diesem Verfahren wird versucht, Brennstoff eingänge basierend auf der Brennertemperatur zu ändern. Jedoch ist eine Überwachung der Brennerauslaßtemperatur reaktiv und während schneller Übergänge können sich Niveaus von Kohlenwasserstoff- Brennstoff, der zur Verarbeitung in dem Brennstoffprozessor geliefert wird, innerhalb Millisekunden ändern, und der resultierende Wasserstoff, der zu dem Brenner geliefert wird, kann sich genauso schnell ändern. Während der Zeit, in der die Temperatur in dem Brenner ansteigt, ist der Wasserstoff bereits geliefert und in dem Brenner verbraucht worden. Folg lich überhitzt sich der Brenner, da eine Einstellung der Einspritzeinrich tung 43 nicht auf taktgebende Art und Weise durchgeführt worden ist. Daher sieht die Erfindung den Vorteil eines glatten Überganges von einem Start- zu einem Laufmodus vor.

Während diese Erfindung hinsichtlich bestimmter Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, daß diese auf die obige Beschreibung, sondern vielmehr nur durch den Schutzumfang der folgenden Ansprüche beschränkt ist.

Die Ausführungsformen der Erfindung, in denen ein ausschließliches Recht oder Privileg beansprucht ist, sind in den folgenden Ansprüchen definiert.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung eines glatten Überganges von einem Start modus zu einem Laufmodus in einem Brennstoffzellensystem des Typs, der einen Brenner, der einen Druckluftstrom und einen Koh lenwasserstoff-Brennstoff aufnimmt und den Druckluftstrom und den Brennstoff reagiert, um Wärmeenergie zu erzeugen, einen Brenn stoffprozessor, der die Wärmeenergie von dem Brenner aufnimmt und dazu dient, einen wasserstoffreichen Zufuhrstrom zu erzeugen, und einen Brennstoffzellenstapel umfaßt, in dem der Zufuhrstrom rea giert, um Elektrizität zu erzeugen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:
ein Strömungsweg für den Zufuhrstrom von dem Brennstoffpro zessor zu dem Brenner hergestellt wird;
der Strömungsweg in Ansprechen auf den Druck des Zufuhrstro mes in dem Strömungsweg, der den Luftstromdruck überschreitet, geöffnet wird; und
die Lieferung an Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu dem Brenner in Ansprechen auf eine Zuführung des Zufuhrstromes in den Brenner von dem Strömungsweg verringert wird, um eine erwünschte Liefe rung von Wärmeenergie an den Brenner beizubehalten und einen re lativ glatten Übergang von einem Startmodus zu einem Laufmodus zu ermöglichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Öffnen des Strö mungsweges umfaßt, daß:
eine Blockierung in dem Strömungsweg hergestellt wird; und
die Blockierung in dem Strömungsweg in Ansprechen auf den Druck des Zufuhrstromes in dem Strömungsweg, der den Luftstrom druck überschreitet, beseitigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt zur Herstellung einer Blockierung in dem Strömungsweg umfaßt, daß ein Rückschlagventil in dem Strömungsweg positioniert wird, dessen eine Seite zu dem Zufuhrstromdruck und dessen andere Seite zu dem Luftstromdruck weist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zur Verringerung der Lieferung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoff zu dem Brenner umfaßt, daß die Einleitung der Verringerung für eine vorbestimmte Zeitdauer nach der Öffnung des Strömungsweges verzögert wird, um Zeit zum Spülen des Strömungsweges vor dem Zuführen des Zufuhrstromes in den Brenner zuzulassen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei nach der Einleitung der Verringe rung die Lieferung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes zu dem Bren ner im Verhältnis zu dem Anstieg der Lieferung an Zufuhrstrom zu dem Brenner verringert wird, um eine im wesentlichen konstante Lieferung von Wärmeenergie an den Brenner beizubehalten.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verringerung des Kohlenwas serstoff-Brennstoffes durchgeführt wird, um eine im wesentlichen konstante Lieferung der Wärmeenergie beizubehalten.

7. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystemes, das umfaßt, daß ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff und ein Druckluftstrom an ei nen Brenner geliefert werden und der Kohlenwasserstoff-Brennstoff und der Druckluftstrom in dem Brenner reagieren, um eine Wärme zur Lieferung an einen Brennstoffprozessor zu erzeugen, ein Kohlen wasserstoffreaktand und zumindest ein Reaktand, der aus der Grup pe gewählt ist, die aus Dampf und Luft besteht, in dem Brennstoff prozessor reagieren, um einen wasserstoffreichen Zufuhrstrom zu er zeugen, und der Zufuhrstrom in einem Brennstoffzellenstapel rea giert, um Elektrizität zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß:
eine Blockierung in einem Strömungsweg von dem Brennstoffpro zessor zu dem Brenner hergestellt wird,
der Druck des Luftstromes zu dem Brenner überwacht wird;
der Druck des Zufuhrstromes in dem Strömungsweg oberstromig der Blockierung überwacht wird;
die Blockierung in dem Strömungsweg in Ansprechen auf den Zufuhrstromdruck in dem Strömungsweg, der den Druck des Luft stromes überschreitet, beseitigt wird, wodurch der Zufuhrstrom in den Brenner zur Reaktion darin in dem Luftstrom zugeführt wird; und
die Lieferung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes zu dem Brenner in Ansprechen auf eine Zufuhr des Zufuhrstromes in den Brenner zur Reaktion darin mit dem Luftstrom verringert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt zur Verringerung der Lieferung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu dem Brenner umfaßt, daß die Einleitung der Verringerung für eine vorgegebene Zeitperiode nach der Entfernung der Blockierung in dem Strömungsweg verzögert wird, wodurch Zeit zum Spülen des Strömungsweges zwischen der Blockierung und dem Brenner zugelassen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei nach der Einleitung der Verringe rung die Lieferung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff an den Brenner im Verhältnis zu der Erhöhung der Lieferung an Zufuhrstrom zu dem Brenner verringert wird, um eine im wesentlichen konstante Liefe rung von Wärmeenergie an den Brenner beizubehalten und einen re lativ glatten Übergang von einem Startmodus zu einem Laufmodus zu ermöglichen.

10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Lieferung von Kohlenwasser stoff-Brennstoff gemäß eines Verzögerungsfilters erster Ordnung ver ringert wird, der so kalibriert ist, damit er das Volumen und die Dy namik des Brennstoffprozessors und des Brennstoffzellenstapels wie dergibt.

11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Blockierung in dem Strö mungsweg ein Rückschlagventil umfaßt, dessen eine Seite zu dem Zufuhrstromdruck und dessen andere Seite zu dem Luftstromdruck weist.

12. Verfahren zum Betrieb eines Brenners, um einen Brennstoffprozessor auf eine Solltemperatur zu erwärmen, wobei der Brennstoffprozessor wasserstoffreichen (H₂) Zufuhrstrom von einem Kohlenwasserstoff- Brennstoff zur Reaktion innerhalb eines Brennstoffzellenstapels er zeugt, um Elektrizität zu erzeugen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:

1. ein Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom an den Brenner geliefert wird;
2. ein Druckluftstrom an den Brenner geliefert wird;
3. der Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom und der Luftstrom in dem Brenner reagieren, um Wärme zur Erwärmung des Brenn stoffprozessors zu erzeugen;
4. ein Kohlenwasserstoffreaktand und zumindest ein Reaktand, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus Dampf und Luft besteht, an den Brennstoffprozessor geliefert wird und die Reaktanden in dem Brennstoffprozessor reagieren, um einen H₂-reichen Zu fuhrstrom zu erzeugen;
5. einen Strömungsweg für den Zufuhrstrom von dem Brennstoff prozessor zu dem Brenner hergestellt wird;
6. der Strömungsweg in Ansprechen auf den Druck des Zufuhr stromes in dem Strömungsweg, der den Luftstromdruck über schreitet, geöffnet wird; und
7. die Lieferung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffstromes verrin gert wird, um die Erzeugung von Wärme in dem Brenner zu re geln.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ferner eine Zeitverzögerung (Td) zwischen den Schritten (6) und (7) enthalten ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Zeitverzögerung eine Zeit dauer umfaßt, die zumindest so groß wie die Zeitdauer ist, die erfor derlich ist, damit der H₂-reiche Zufuhrstrom von dem Brennstoffpro zessor in den Brenner strömen kann.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Brennstoffzellenstapel in dem Strömungsweg zwischen dem Brennstoffprozessor und dem Brenner angeordnet ist, und wobei die Td eine Zeitdauer umfaßt, die zumindest so groß wie die Zeitdauer ist, die erforderlich ist, damit der H₂-reiche Zufuhrstrom in dem Weg von dem Brennstoffprozessor durch den Brennstoffzellenstapel und in den Brenner strömen kann.

16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Schritt (7) bei einer Rate statt findet, die ausreichend ist, damit der Brenner eine Solltemperatur in dem Brennstoffprozessor beibehalten kann.