DE102007018264A1 - Solid oxide fuel cell type high temperature fuel cell system, has air pre-heater, exhaust-gas heat exchanger and reformer obtaining heat transfer, where components are integrated into exhaust gas channel of heating and afterburners - Google Patents

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Abstract

The system (1) has fuel cell piles, heating-and-after burners, reformer or pre-reformer, air pre-heaters (7), exhaust gas heat exchanger (12), fuel gas pre-heaters, reformate heat exchanger and evaporators (11) for processing water or liquid fuels e.g. propane, depending upon the type of reformation and utilized fuel. The components of the system are integrated into an exhaust gas channel (6) of the heating-and-after burners. The air pre-heater, exhaust-gas heat exchanger and reformer obtain a heat transfer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem vom Typ SOFC, bestehend aus einem Brennstoffzellenstapel, einem Aufheiz- und Nachbrenner, einem Reformer oder Vorreformer, einem Luftvorwärmer und einem Abgaswärmetauscher sowie je nach Art der Reformierung und des verwendeten Brennstoffes einem Brenngasvorwärmer, einem Reformatwärmetauscher und einem Verdampfer für Prozesswasser oder flüssige Brennstoffe.The The invention relates to a high temperature fuel cell system of Type SOFC, consisting of a fuel cell stack, a heating and Afterburner, a reformer or pre-reformer, an air preheater and an exhaust gas heat exchanger and depending on the type of reforming and the fuel used a fuel gas preheater, a reformate heat exchanger and an evaporator for Process water or liquid fuels.

Brennstoffzellensysteme auf Basis der SOFC sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Ihnen gemeinsam ist, dass neben dem Brennstoffzellenstapel Bauteile zur Aufheizung der Prozessgase, Verdampfung von Prozesswasser oder Verdampfen bzw. Zerstäuben von flüssigen Brennstoffen und anschließender Mischung mit Luft, Reformierung oder Vorreformierung und Nachverbrennung der brennbaren Bestandteile des Anodenrestgases sowie mindestens ein Abgaswärmetauscher angeordnet sind. Die Verschaltung der wesentlichen Bauteile eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems erlaubt eine Vielzahl von unterschiedlichen Gestaltungsvarianten. So kann zum Beispiel die Verdampfung des Prozesswassers mit der Energie des Abgases der Nachverbrennung oder der Kathodenabluft erfolgen. Die zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels erforderliche Temperaturerhöhung der Kathodenzuluft kann durch Wärmezufuhr aus der Kathodenabluft oder aus dem Abgas der Nachverbrennung erfolgen. Für die Brenngasaufheizung existieren noch mehr mögliche Varianten, da hier der Wärmebedarf geringer ist.Fuel cell systems based on the SOFC are known in various designs. They have in common is that next to the fuel cell stack components for heating the process gases, evaporation of process water or evaporation or atomizing of liquid fuels and subsequent mixing with air, reforming or pre-reforming and afterburning the combustible constituents of the anode residual gas as well at least one exhaust gas heat exchanger are arranged. The Interconnection of the essential components of a high-temperature fuel cell system allowed a variety of different design options. So can for example, the evaporation of process water with energy the exhaust gas of the afterburning or the cathode exhaust air done. The temperature increase required to operate a fuel cell stack the Kathodenzuluft can by supplying heat from the cathode exhaust or take place from the exhaust gas of the afterburning. For the Fuel gas heating exist even more possible variants, because the heat requirement is lower here.

Aus DE 101 10 642 A1 ist die Anwendung eines Wärmetauschers in einem derartigen System bekannt. Er dient dazu, die Wärme des Nachbrenners zur Vorwärmung der Kathodenzuluft zu nutzen. Nicht beschrieben ist die Anordnung des Wärmetauschers innerhalb des Brennstoffzellensystems.Out DE 101 10 642 A1 the use of a heat exchanger in such a system is known. It serves to use the heat of the afterburner to preheat the cathode feed air. Not described is the arrangement of the heat exchanger within the fuel cell system.

DE 103 42 578 A1 beschreibt ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, bei dem der Wärmetauscher unmittelbar am Brennstoffzellenstack angebracht ist. Durch diese Anordnung wird eine hohe thermische Integration erreicht, welche einen geringen Platzbedarf aufweist. Nachteilig ist allerdings, dass das Abgas des Stacks und des Brenners noch eine größere Zahl von Umlenkungen durchlaufen müssen und damit ein höherer Druckverlust zu erwarten ist. Weiterhin ist der Bauraum des Brenners stark begrenzt, so dass Mittel zu Zündung und Flammüberwachung nur sehr schwer eingebracht werden können. Zudem ist die Fertigung einer solchen Konstruktion aufwändig. Hier bereitet insbesondere das gasdichte Fügen der Verbindungsstellen Schwierigkeiten, insbesondere unter Berücksichtigung von im Betrieb auftretenden thermischen Spannungen. DE 103 42 578 A1 describes a high temperature fuel cell system in which the heat exchanger is mounted directly on the fuel cell stack. By this arrangement, a high thermal integration is achieved, which has a small footprint. The disadvantage, however, is that the exhaust gas of the stack and the burner still have to go through a greater number of deflections and thus a higher pressure loss can be expected. Furthermore, the space of the burner is very limited, so that means for ignition and flame monitoring can be very difficult to be introduced. In addition, the production of such a construction is complex. Here, in particular, the gas-tight joining of the joints presents difficulties, in particular taking into account thermal stresses which occur during operation.

In CA 2 414 129 A1 wird ein Abgasrohr beschrieben, um das die Luftvorwärmung und der Vorreformer als Ummantelung angeordnet sind. Nachteilig ist hier die geringe Wärmeübergangsfläche am Mantel des Abgasrohres des Brenners. Bedingt durch den großen Bauraum des Abgasrohres ist zudem der Wärmeübergang sehr schlecht, so dass größere Flächen für den Wärmeübergang benötigt werden.In CA 2 414 129 A1 an exhaust pipe is described around which the air preheater and the pre-reformer are arranged as a jacket. The disadvantage here is the low heat transfer surface on the jacket of the exhaust pipe of the burner. Due to the large installation space of the exhaust pipe, the heat transfer is also very bad, so that larger areas are needed for the heat transfer.

Ziele der vorliegenden Erfindung sind eine möglichst einfache Verschaltung der wärmeübertragenden Bauteile eines SOFC-Systems und das Erreichen eines jeweils hohen Temperaturhubs und Enthalpiestroms innerhalb der Wärmetauscher, um die benötigten Wärmeübergangsflächen zu minimieren. Weiterhin soll der Wärmeübergang optimiert werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den Druckverlust des Systems zu minimieren.aims The present invention is as simple as possible Interconnection of the heat-transferring components of a SOFC system and the achievement of a high temperature lift and enthalpy streams within the heat exchanger to the required To minimize heat transfer surfaces. Farther the heat transfer should be optimized. Another one The aim of the invention is to increase the pressure loss of the system minimize.

Erfindungsgemäß sind mehrere oder alle Bauteile des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, in denen ein Wärmeübergang zu erzielen ist, in den Abgaskanal des Aufheiz- und Nachbrenners integriert. Zweckmäßigerweise erfolgt dabei die Anordnung der Bauteile in der vom Brenner aus gesehen stromabwärtigen Richtung nach dem am Austritt der Bauteile jeweils zu erzielenden Temperaturniveaus. Als Bauteile des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, in denen ein Wärmeübergang zu erzielen ist, können insbesondere ein Luftvorwärmer, ein Abgaswärmetauscher und ein Reformer verwendet sein. Vorzugsweise wird der Reformer beim Start des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems durch den Aufheiz- und Nachbrenner auf Betriebstemperatur gebracht.According to the invention several or all components of the high-temperature fuel cell system, in which a heat transfer can be achieved in the Exhaust gas channel of the heating and afterburner integrated. Conveniently, takes place the arrangement of the components in the burner seen downstream to the exit of the components each to be achieved temperature levels. As components of the high-temperature fuel cell system, in which a heat transfer can be achieved in particular an air preheater, an exhaust gas heat exchanger and a reformer can be used. Preferably, the reformer at the start of the high-temperature fuel cell system by the heating and afterburner brought to operating temperature.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden als Bauteile des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, in denen ein Wärmeübergang zu erzielen ist, ein Luftvorwärmer, ein Verdampfer, ein Brenngasvorwärmer, ein Vorreformer, ein Reformatwärmetauscher und ein Abgaswärmetauscher verwendet.In Another embodiment of the invention are used as components of High-temperature fuel cell system in which a heat transfer an air preheater, an evaporator, a fuel gas preheater, a pre-reformer, a reformate heat exchanger and an exhaust gas heat exchanger used.

Günstigenfalls sind der Luftvorwärmer und der Reformatwärmetauscher direkt an die Nachverbrennung angeschlossen, gefolgt vom Reformer oder Vorreformer und Brenngasvorwärmer bei Verwendung einer Vorreformierung mit Wärmezufuhr, dann vom Verdampfer und schließlich vom Abgaswärmeübertrager zur Auskopplung von Prozesswärme.At best, are the air preheater and the reformate heat exchanger directly connected to the post combustion, followed by the reformer or Pre-reformer and fuel gas preheater when using a Pre-reforming with heat, then from the evaporator and finally from the exhaust gas heat exchanger for decoupling process heat.

Die direkte Vermischung und Nachverbrennung der heißen Anoden- und Kathodenabgase sorgen für ein hohes Temperaturniveau und einen großen Enthalpiestrom, so dass die Wärmeübertragungsvorgänge stark begünstigt werden und die entsprechend notwendigen Flächen klein bleiben. Weiterhin wird durch diese Verschaltung der Druck von Anode und Kathode automatisch aneinander angepasst, woraus eine größere Betriebssicherheit des Brennstoffzellenstacks resultiert.The direct mixing and post-combustion of the hot anode and cathode exhaust gases ensure a high temperature level and a large Enthalpiestrom so that the heat transfer processes are greatly favored and the corresponding necessary areas remain small. Furthermore, the pressure of anode and cathode is automatically adapted to each other by this interconnection, resulting in greater reliability of the fuel cell stack results.

Das Abgas erfährt im Abgaskanal keine Umlenkung, so dass hier nur ein minimaler Druckverlust auftritt. Damit wird der Nachdruck des Stacks stark vermindert und die benötigte Verdichter- bzw. Gebläseleistung minimiert.The Exhaust gas experiences in the exhaust duct no deflection, so here only a minimal pressure loss occurs. This will be the emphasis of the stack is greatly reduced and the required compressor or fan power minimized.

Weiterhin können mehrere oder alle Brenngas führenden Bauteile des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, in denen ein Wärmeübergang zu erzielen ist, in ein gemeinsames Bauteil integriert sein, so dass noch eine weitere Systemvereinfachung möglich wird, was insbesondere die Kosten der Fertigung und des Assemblings senkt.Farther can several or all fuel gas leading components of the high-temperature fuel cell system, in which a heat transfer to be integrated into a common component, so that even further system simplification becomes possible which in particular reduces the costs of production and assembly.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist es auch, dass der Reformatwärmetauscher außerhalb des Abgaskanals angeordnet ist. Hier wird Wärme des den Stack verlassenden heißen Anodenrestgases auf das Reformat übertragen. Damit wird gewährleistet, dass die Eintrittstemperaturen des Reformats in den SOFC-Stack immer im Bereich der Betriebstemperatur des SOFC-Stacks liegen. Eine eventuelle Temperaturregelung wird damit nicht benötigt.A advantageous embodiment, it is also that the reformate heat exchanger is arranged outside the exhaust duct. Here is heat of transferring the stack leaving hot anode residual gas on the reformate. This ensures that the inlet temperatures Reformat in the SOFC stack always in the range of operating temperature of the SOFC stack. A possible temperature control is not needed.

Die Integration des Luftvorwärmers in den Abgaskanal des Aufheiz- und Nachbrenners bietet gegenüber einer Verschaltung mit einem Kathodenabluft/-zuluft-Wärmetauscher den Vorteil, dass auf einfache Weise die Aufheizung des Stacks mittels heißer Kathodenluft erfolgt.The Integration of the air preheater into the exhaust duct of the heating and afterburner offers against an interconnection with a cathode exhaust air / air heat exchanger the advantage that in a simple way the heating of the stack by means of hotter Cathode air takes place.

Der Vorreformer wird vorzugsweise so ausgeführt, dass durch eine Wärmezufuhr ein weitgehend isothermer Betrieb möglich wird. Dazu ist er so auszuführen, dass das Verhältnis von Wärmeübergangsfläche zum Katalysator beinhaltenden Volumen groß ist. Dies kann in einem Plattenwärmetauscher mit einer katalytischen Beschichtung der Platten oder in einer Katalysatorschüttung innerhalb einer geringen Spaltweite erfolgen. Weiterhin kann der Vorreformer so ausgeführt sein, dass sich katalytisch aktive Bereiche mit Bereichen abwechseln, in denen nur ein Wärmeübergang auf das Brenngas stattfindet.Of the Pre-reformer is preferably carried out by a heat supply a largely isothermal operation possible becomes. For this he is to be executed so that the ratio from heat transfer surface to the catalyst containing volume is large. This can be done in a plate heat exchanger with a catalytic coating of the plates or in a catalyst bed take place within a small gap width. Furthermore, the pre-reformer be designed so that catalytically active areas alternate with areas where only one heat transfer takes place on the fuel gas.

Bei der Verwendung einer katalytischen partiellen Oxidation, im Folgenden als CPOX bezeichnet, vereinfacht sich das System beträchtlich, so dass hier nur ein als Brenngasvorwärmer und Reformer wirkender CPOX-Reaktor sowie der Luftvorwärmer und der Abgaswärmetauscher in den Abgaskanal zu integrieren sind. Die Integration des CPOX-Reaktors bietet hier den Vorteil einer einfachen Aufheizung durch den Aufheiz- und Nachbrenner und damit einer schnellen und sicheren Startprozedur.at the use of a catalytic partial oxidation, below referred to as CPOX, the system simplifies considerably so here's just one as fuel gas preheater and reformer acting CPOX reactor and the air preheater and the Exhaust gas heat exchanger to be integrated into the exhaust duct. The integration of the CPOX reactor offers the advantage of this easy heating by the heating and afterburner and thus a fast and secure startup procedure.

Alle in den Abgaskanal integrierte Bauteile sind vorzugsweise so gestaltet, dass sich eine Struktur paralleler Platten oder Sandwichs ergibt, in denen sich das Abgas des Brenners und das Medium auf das Wärme übertragen werden soll abwechseln. Damit können sehr große Wärmeübergangsflächen bei geringem Bauraum erreicht werden. Weiterhin ist über die Spaltweite der Plattenstrukturen der Wärmeübergang einstellbar. So sind sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen. Die Wärmtauscherelemente können im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom durchströmt werden. Der hohe Enthalpiestrom des Abgases gewährleistet einen hohen Temperaturhub, so dass der für den Wärmeübergang zu bevorzugende Kreuzstrom gewählt werden kann.All components integrated in the exhaust gas duct are preferably designed that a structure of parallel plates or sandwiches results, in which the exhaust gas from the burner and the medium are transferred to the heat should be alternating. This can be very big Heat transfer surfaces in a small space be achieved. Furthermore, over the gap width of Plate structures of the heat transfer adjustable. So are very high heat transfer coefficients to achieve. The heat exchanger elements can in Constant, counterflow or crossflow are flowed through. Of the high Enthalpiestrom the exhaust gas ensures a high Temperature stroke, so that for the heat transfer preferred cross-flow can be selected.

Ausführungsbeispielembodiment

In dem zugehörigen Ausführungsbeispiel zeigtIn the accompanying embodiment shows

1 ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, betrieben mit einem gasförmigen Brennstoff oder mit einem leicht in die Gasphase überführbaren flüssigen Brennstoff, 1 a high-temperature fuel cell system operated with a gaseous fuel or with a readily gas-phase liquid fuel,

2 eine Abwandlung des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems in 1, in dem der Reformatwärmetauscher, der Vorreformer, der Brenngasvorwärmer und der Verdampfer in ein Bauteil integriert sind. 2 a modification of the high temperature fuel cell system in 1 in which the reformate heat exchanger, the pre-reformer, the fuel gas preheater and the evaporator are integrated into one component.

3 eine Abwandlung des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems in 1, bei dem der Reformatwärmetauscher außerhalb des Abgaskanals angeordnet ist und 3 a modification of the high temperature fuel cell system in 1 in which the reformate heat exchanger is arranged outside the exhaust gas duct and

4 ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem mit einer katalytischen partiellen Oxidation (CPOX) des Brennstoffes. 4 a high-temperature fuel cell system with a catalytic partial oxidation (CPOX) of the fuel.

1 zeigt ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem 1 welches mit Erdgas oder anderen gasförmigen Brennstoffen wie Propan/Butan sowie leicht in die Gasphase zu überführenden Brennstoffen wie Ethanol und Methanol betrieben wird. Zur Gasaufbereitung kommt die Dampfreformierung zum Einsatz. Damit lassen sich in einem Brennstoffzellensystem sehr hohe elektrische Wirkungsgrade erzielen. 1 shows a high temperature fuel cell system 1 which is operated with natural gas or other gaseous fuels such as propane / butane and easily into the gas phase to be transferred fuels such as ethanol and methanol. For gas processing steam reforming is used. This can be achieved in a fuel cell system very high electrical efficiencies.

Das Hochtemperaturbrennstoffzellensystem 1 besteht aus einem als SOFC-Stack fungierenden Brennstoffzellenstapel 2 und einem Aufheiz- und Nachbrenner 3. Beide sind über eine Anodenrestgasleitung 4 und eine Kathodenabluftleitung 5 miteinander verbunden. Diesem schließt sich ein Abgaskanal 6 an. Im Abgaskanal 6 sind ein Luftvorwärmer 7, ein Reformatwärmetauscher 8, ein Vorreformer 9, ein Brenngasvorwärmer 10, ein Verdampfer 11 und ein Abgaswärmetauscher 12 angeordnet. In den Verdampfer 11 mündet eine Wasserzufuhrleitung 13. Der Brenngasvorwärmer 10 ist mit einer Brenngaszufuhrleitung 14 versehen. In diese mündet eine vom Verdampfer 11. kommende Wasserdampfleitung 15. Der Brenngasvorwärmer 10, der Vorreformer 9 und der Reformatwärmetauscher 8 sind mittels Reformatleitungen 16, 17 verbunden. Vom Reformatwärmetauscher 8 führt eine Brennstoffzellen-Reformatzufuhrleitung 18 zu dem Brennstoffzellenstapel 2. Am Ende des Abgaskanals 6 befindet sich ein Abgasrohr 19.The high temperature fuel cell system 1 consists of a fuel cell stack acting as SOFC stack 2 and a heating and afterburner 3 , Both are via an anode residual gas line 4 and a cathode exhaust line 5 connected with each other. This is followed by an exhaust duct 6 at. In the exhaust duct 6 are an air preheater 7 , a reformate heat exchanger 8th , a pre-reformer 9 , a fuel gas preheater 10 , an evaporator 11 and an exhaust gas heat exchanger 12 arranged. In the evaporator 11 opens a water supply pipe 13 , The fuel gas preheater 10 is with a fuel gas supply line 14 Mistake. In this opens one from the evaporator 11 , coming steam line 15 , The fuel gas preheater 10 , the pre-reformer 9 and the reformate heat exchanger 8th are by means of Reformatleitungen 16 . 17 connected. From the reformate heat exchanger 8th performs a fuel cell reformate feed line 18 to the fuel cell stack 2 , At the end of the exhaust duct 6 there is an exhaust pipe 19 ,

Der Luftvorwärmer 7 ist mit einem Luftzufuhrstutzen 20 versehen und über eine Brennstoffzellen-Luftzufuhrleitung 21 mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden.The air preheater 7 is with an air supply nozzle 20 provided and via a fuel cell air supply line 21 with the fuel cell stack 2 connected.

Der Abgaswärmetauscher ist über eine Kühlwasservorlaufleitung 23 und eine Kühlwasserrücklaufleitung 24 an ein nicht dargestelltes Kühlsystem angeschlossen.The exhaust gas heat exchanger is via a cooling water supply line 23 and a cooling water return line 24 connected to a not shown cooling system.

Dem Verdampfer 11 wird deionisiertes bzw. vollentsalztes Prozesswasser 22, das mittels einer nicht dargestellten Pumpe oder eines Regelventils dosiert wird, zugeleitet, welches im Verdampfer 11 verdampft und anschließend überhitzt. Der entstandene Wasserdampf wird dann über die Wasserdampfleitung 15 in die Brenngaszufuhrleitung 14 eingespeist. Dort vermischt es sich mit dem Brenngas 25, welches in die Brenngaszufuhrleitung 14 eingespeist wird. Das so befeuchtete Brenngas tritt in den Brenngasvorwärmer 10 ein. Dabei ist für eine Dampfreformierung ein Überschuss an Wasserdampf sicherzustellen, um eine Rußbildung zu vermeiden. Im Brenngasvorwärmer 10 wird das befeuchtete Brenngas auf Temperaturen von üblicherweise minimal 350°C bis maximal 700°C erhitzt und dann über die Reformatleitung 16 in den Vorreformer 9 geleitet. Der Vorreformer 9 besteht aus katalytisch wirksamen Pellets oder katalytisch beschichteten Platten. Hier werden die höheren Kohlenwasserstoffe des Brenngases 25 zu Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aufgebrochen. Weiterhin wird ein Teil des im Brenngas 25 enthaltenen oder entstehenden Methans mit Hilfe von Wasserdampf in Wasserstoff reformiert. Da dieser Prozess stark endotherm verläuft, ist es günstig, von außen Wärme zuzuführen. Das entstehende Reformat wird im Reformatwärmetauscher 8 auf eine für den Brennstoffzellenstapel 2 günstige Eintrittstemperatur erhitzt und der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt. Das im Reformat bei einer Vorreformierung verbleibende Methan wird hier mittels Dampfreformierung in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgewandelt. Dieser endotherme Prozess kühlt gleichzeitig den Brennstoffzellenstapel 2, so dass der Luftbedarf auf der Kathodenseite verringert wird.The evaporator 11 becomes deionized or demineralized process water 22 , which is metered by means of a pump, not shown, or a control valve, fed, which in the evaporator 11 evaporated and then overheated. The resulting water vapor is then passed through the steam line 15 in the fuel gas supply line 14 fed. There it mixes with the fuel gas 25 , which in the fuel gas supply line 14 is fed. The so moistened fuel gas enters the fuel gas preheater 10 one. For steam reforming, ensure that there is an excess of water vapor in order to avoid soot formation. In the fuel gas preheater 10 the humidified fuel gas is heated to temperatures of usually a minimum of 350 ° C to a maximum of 700 ° C and then over the reformate 16 in the pre-reformer 9 directed. The pre-reformer 9 consists of catalytically active pellets or catalytically coated plates. Here are the higher hydrocarbons of the fuel gas 25 broken down to methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. Furthermore, a part of the fuel gas 25 methane contained or formed by means of steam in hydrogen. Since this process is highly endothermic, it is beneficial to supply heat from the outside. The resulting reformate is in the reformate heat exchanger 8th on one for the fuel cell stack 2 heated inlet temperature and the anode side of the fuel cell stack 2 fed. The remaining in the reformate in a pre-reforming methane is converted here by steam reforming in hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. This endothermic process simultaneously cools the fuel cell stack 2 so that the air requirement on the cathode side is reduced.

Die Kathodenzuluft 26 tritt kalt in den Luftvorwärmer 7 ein und wird dort auf die notwendige Eintrittstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2 aufgeheizt. Der Luftvorwärmer 7 wird zweckmäßigerweise direkt hinter dem Aufheiz- und Nachbrenner 3 angeordnet, da hier der größte Wärmestrom übertragen werden muss. Die heiße Kathodenzuluft 26 tritt über die Brennstoffzellen-Luftzufuhrleitung 21 auf der Kathodenseite in den Brennstoffzellenstapel 2 ein. Bei der dort stattfindenden elektrochemischen Reaktion wird der Wasserstoff mit Hilfe der Sauerstoffionen der Kathodenzuluft 26 elektrochemisch zu Wasser umgewandelt. Da dieser Prozess nicht vollständig abläuft, sind in dem den Brennstoffzellenstapel 2 über die Anodenrestgasleitung 4 verlassenden Anodenrestgas noch brennbare Bestandteile enthalten. Die Kathodenabluft, die noch Sauerstoff enthält, gelangt über die Kathodenabluftleitung 5 in den Aufheiz- und Nachbrenner 3. Die Kathodenabluft und das Anodenrestgas werden im Aufheiz- und Nachbrenner 3 gemischt und verbrennen zu Kohlendioxid und Wasserdampf. Dieses heiße Abgas wird den einzelnen Wärmetauschereinrichtungen Luftvorwärmer 7, Reformatwärmetauscher 8, Vorreformer 9, Brenngasvorwärmer 10 und Verdampfer 11 im Abgaskanal 6 zugeführt. Die genannten Wärmetauschereinrichtungen sind in diesem Ausführungsbeispiel als parallele Sandwichs ausgeführt, bei denen sich Kanäle, durch die das heiße Abgas strömt, mit Kanälen, die das Medium enthalten, auf welches Wärme zugeführt wird, abwechseln. Stromab vom Verdampfer 11 wird das Abgas im Abgaswärmetauscher 12 mit Hilfe des Kühlkreislaufs heruntergekühlt. Dabei wird normales Prozesswasser eines Heizkreislaufs mit Kühlwasservorlaufleitung 23 und Kühlwasserrücklaufleitung 24 verwendet. Das abgekühlte Abgas verlasst den Abgaskanal 6 über das Abgasrohr 19.The cathode supply 26 enter the air preheater cold 7 and there is the necessary inlet temperature of the fuel cell stack 2 heated. The air preheater 7 is expediently directly behind the heating and afterburner 3 arranged, since the largest heat flow must be transmitted here. The hot Kathodenzuluft 26 enters via the fuel cell air supply line 21 on the cathode side in the fuel cell stack 2 one. In the electrochemical reaction taking place there, the hydrogen is supplied to the cathode by means of the oxygen ions 26 electrochemically converted to water. Since this process is not complete, the fuel cell stack is in it 2 via the anode residual gas line 4 leaving anode residual gas still contain combustible components. The cathode exhaust air, which still contains oxygen, passes through the cathode exhaust line 5 in the heating and afterburner 3 , The cathode exhaust air and the anode residual gas are in the heating and afterburner 3 mixed and burned to carbon dioxide and water vapor. This hot exhaust gas is the individual heat exchanger air preheater 7 , Reformate heat exchanger 8th , Pre-reformer 9 , Fuel gas preheater 10 and evaporator 11 in the exhaust duct 6 fed. The heat exchanger devices mentioned are in this embodiment designed as parallel sandwiches in which channels through which the hot exhaust gas flows alternate with channels containing the medium to which heat is supplied. Downstream of the evaporator 11 the exhaust gas is in the exhaust gas heat exchanger 12 Cooled down with the help of the cooling circuit. This is normal process water of a heating circuit with cooling water supply line 23 and cooling water return line 24 used. The cooled exhaust gas leaves the exhaust duct 6 over the exhaust pipe 19 ,

2 zeigt eine Abwandlung des in 1 dargestellten Hochtemperaturbrennstoffzellensystems. Das Hochtemperaturbrennstoffzellensystem 1 besteht wiederum aus einem als SOFC-Stack fungierenden Brennstoffzellenstapel 2 und einem Aufheiz- und Nachbrenner 3. Beide sind auch über eine Anodenrestgasleitung 4 und eine Kathodenabluftleitung 5 miteinander verbunden. Dem Aufheiz- und Nachbrenner schließt sich wiederum ein Abgaskanal 6 an. Im Abgaskanal 6 sind ein Luftvorwärmer 7 mit Luftzufuhrstutzen 20 und Brennstoffzellen-Luftzufuhrleitung 21 angeordnet. Der Verdampfer, der Brenngasvorwärmer, der Vorreformer, und der Reformatwärmetauscher sind anschließend in eine integrierte Gasaufbereitungseinrichtung 27 zusammengefasst Dadurch wird die Anzahl der Bauteile reduziert und das Assembling vereinfacht. Die Gasaufbereitungseinrichtung 27 besitzt eine Wasserzufuhrleitung 13, eine Brenngaszufuhrleitung 14 und eine Reformatleitung 16. Separat befindet sich ein Abgaswärmetauscher 12 mit einer Kühlwasservorlaufleitung 23 und einer Kühlwasserrücklaufleitung 24 im Abgaskanal 6. 2 shows a modification of the in 1 illustrated high-temperature fuel cell system. The high temperature fuel cell system 1 in turn, consists of a fuel cell stack functioning as an SOFC stack 2 and a heating and afterburner 3 , Both are also via an anode residual gas line 4 and a cathode exhaust line 5 connected with each other. The heating and afterburner in turn closes an exhaust duct 6 at. In the exhaust duct 6 are an air preheater 7 with air supply nozzle 20 and fuel cell air supply line 21 arranged. The evaporator, the fuel gas preheater, the pre-reformer, and the reformate heat exchanger are then in an integrated gas treatment facility 27 This reduces the number of components and reduces the number of components Assembling simplified. The gas treatment facility 27 has a water supply pipe 13 , a fuel gas supply line 14 and a Reformatleitung 16 , Separately there is an exhaust gas heat exchanger 12 with a cooling water supply line 23 and a cooling water return line 24 in the exhaust duct 6 ,

Das in 2 dargestellte Hochtemperaturbrennstoffzellensystem kann in Varianten ausgebildet sein. So können auch der Brenngasvorwärmer und Vorreformer oder der Vorreformer und Reformatwärmetauscher in jeweils ein gemeinsames Bauteil integriert sein.This in 2 shown high-temperature fuel cell system may be formed in variants. Thus, the fuel gas preheater and pre-reformer or the pre-reformer and reformate heat exchanger can also be integrated into a common component.

3 zeigt eine weitere Abwandlung des in 1 dargestellten Hochtemperaturbrennstoffzellensystems 1. Im Unterschied zu diesem ist hier der Reformatwärmetauscher 8 außerhalb des Abgaskanals 6 so angeordnet, dass er die Anodenrestgasleitung 4 umschließt. Im übrigen entspricht die Anordnung der Teile der in 1. Im Reformatwärmetauscher 8 wird Wärme des heißen Anodenrestgases auf das Reformat übertragen. Damit wird gewährleistet, dass die Eintrittstemperaturen des Reformats in den Brennstoffzellenstapel 2 immer im Bereich der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels liegen. Eine eventuelle Temperaturregelung wird damit nicht benötigt. 3 shows a further modification of the in 1 illustrated high-temperature fuel cell system 1 , In contrast to this is here the reformate heat exchanger 8th outside the exhaust duct 6 arranged so that it has the anode residual gas line 4 encloses. Moreover, the arrangement of the parts corresponds to the in 1 , In the reformate heat exchanger 8th Heat from the hot anode residual gas is transferred to the reformate. This ensures that the inlet temperatures of the reformate in the fuel cell stack 2 always in the range of the operating temperature of the fuel cell stack. A possible temperature control is not needed.

In dem in 4 dargestellten Hochtemperaturbrennstoffzellensystem 1 wird der Brennstoff mit Hilfe einer katalytischen partiellen Oxidation (CPOX) zu einem wasserstoffhaltigen Reformat umgewandelt. Als Brennstoff wird Brenngas 25 verwendet. Ebenso ist es möglich, flüssigen Brennstoff einzusetzen, der vor dem einleiten vergast wird. Wie zuvor besteht das Hochtemperaturbrennstoffzellensystem 1 aus einem als SOFC-Stack fungierenden Brennstoffzellenstapel 2 und einem Aufheiz- und Nachbrenner 3. Beide sind auch über eine Anodenrestgasleitung 4 und eine Kathodenabluftleitung 5 miteinander verbunden. Diesem schließt sich wiederum ein Abgaskanal 6 an. Im Abgaskanal 6 sind ein Luftvorwärmer 7 mit Luftzufuhrstutzen 20 und Brennstoffzellen-Luftzufuhrleitung 21 angeordnet. Danach befindet sich im Abgaskanal 6 ein CPOX-Reaktor 28 mit einer Brennstoffzufuhrleitung 29, in die eine CPOX-Luftzufuhrleitung 30 mündet. Ab Einmündung der CPOX-Luftzufuhrleitung 30 bildet die Brennstoffzufuhrleitung eine Mischstrecke 32. Der CPOX-Reaktor 28 ist mit einer Reformatleitung 16 mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden. Hinter dem CPOX-Reaktor 28 folgt ein Abgaswärmetauscher 12 mit einer Kühlwasservorlaufleitung 23 und einer Kühlwasserrücklaufleitung 24. Der Abgaskanal 6 schließt mit einem Abgasrohr 19 ab.In the in 4 illustrated high temperature fuel cell system 1 the fuel is converted to a hydrogenated reformate by catalytic partial oxidation (CPOX). As fuel is fuel gas 25 used. It is also possible to use liquid fuel which is gasified before being introduced. As before, the high temperature fuel cell system exists 1 from a fuel cell stack functioning as an SOFC stack 2 and a heating and afterburner 3 , Both are also via an anode residual gas line 4 and a cathode exhaust line 5 connected with each other. This in turn closes an exhaust duct 6 at. In the exhaust duct 6 are an air preheater 7 with air supply nozzle 20 and fuel cell air supply line 21 arranged. After that is located in the exhaust duct 6 a CPOX reactor 28 with a fuel supply line 29 into which a CPOX air supply line 30 empties. From the mouth of the CPOX air supply line 30 the fuel supply line forms a mixing section 32 , The CPOX reactor 28 is with a Reformatleitung 16 with the fuel cell stack 2 connected. Behind the CPOX reactor 28 follows an exhaust gas heat exchanger 12 with a cooling water supply line 23 and a cooling water return line 24 , The exhaust duct 6 closes with an exhaust pipe 19 from.

In der Mischstrecke 32 wird das über Brennstoffzufuhrleitung 29 zugeführte Brenngas 25 unterstöchiometrisch mit der über die Luftzufuhrleitung 30 zugeführten CPOX-Luft 31 möglichst vollständig vermischt, so dass in dem katalytisch aktiven CPOX-Reaktor 28 ein Wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Synthesegas entsteht. Das optimale Verhältnis von Brenngas und Luft wird dabei bei einem λ von knapp 0,3 eingestellt. Hier ist allerdings die Gefahr gegeben, dass bei einem zu niedrigen λ Kohlenstoff in Form von Ruß abgeschieden wird. Dadurch, dass der CPOX-Reaktor 28 in den Abgaskanal 6 angeordnet ist, kann die Wärme zum Aufheizen des Reaktors auf eine Zündtemperatur von 350°C bis 450°C auf einfache Weise bereitgestellt werden. Hat die Zündung des Brenngas-Luft-Gemisches stattgefunden, ist keine äußere Wärmezufuhr mehr notwendig. Die Zuführung und Aufheizung der Kathodenzuluft (26) sowie die Nachverbrennung des Gemischs von Kathodenabluft und Anodenrestgas erfolgen analog dem in 1 bis 3 dargestellten Hochtemperaturbrennstoffzellensystem 1. Ebenso wurde bereits die Rückkühlung des Abgases im Abgaswärmetauscher dargestellt.In the mixing section 32 will that via fuel supply line 29 supplied fuel gas 25 substoichiometric with the via the air supply line 30 supplied CPOX air 31 mixed as completely as possible, so that in the catalytically active CPOX reactor 28 a hydrogen and carbon monoxide rich synthesis gas is formed. The optimum ratio of fuel gas and air is set at a λ of just under 0.3. Here, however, there is the danger that carbon deposited in the form of soot at too low a λ. By doing that, the CPOX reactor 28 in the exhaust duct 6 is arranged, the heat for heating the reactor to an ignition temperature of 350 ° C to 450 ° C can be provided in a simple manner. If the ignition of the fuel gas-air mixture has taken place, no external heat supply is necessary. The supply and heating of the cathode feed ( 26 ) and the post-combustion of the mixture of cathode exhaust air and anode residual gas carried out analogously to in 1 to 3 illustrated high temperature fuel cell system 1 , Likewise, the recooling of the exhaust gas has already been shown in the exhaust gas heat exchanger.

Das Reformat besitzt nach dem CPOX-Reaktor 28 bereits eine entsprechend hohe Temperatur von 700 bis 850°C, so dass es direkt dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeleitet werden kann.The reformate has the CPOX reactor 28 already a correspondingly high temperature of 700-850 ° C, allowing it directly to the fuel cell stack 2 can be forwarded.

11
HochtemperaturbrennstoffzellensystemHigh-temperature fuel cell system
22
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
33
Aufheiz- und Nachbrennerheating and afterburner
44
AnodenrestgasleitungAnode residual gas line
55
KathodenabluftleitungCathode exhaust line
66
Abgaskanalexhaust duct
77
Luftvorwärmerair preheater
88th
ReformatwärmetauscherReformatwärmetauscher
99
Vorreformerprereformer
1010
BrenngasvorwärmerBrenngasvorwärmer
1111
VerdampferEvaporator
1212
AbgaswärmetauscherExhaust gas heat exchanger
1313
WasserzufuhrleitungWater supply line
1414
BrenngaszufuhrleitungFuel gas supply line
1515
WasserdampfleitungSteam line
1616
Reformatleitungreformate
1717
Reformatleitungreformate
1818
Brennstoffzellen-ReformatzufuhrleitungFuel cell Reformatzufuhrleitung
1919
Abgasrohrexhaust pipe
2020
LuftzufuhrstutzenAir supply nipple
2121
Brennstoffzellen-LuftzufuhrleitungFuel cell air supply line
2222
Prozesswasserprocess water
2323
KühlwasservorlaufleitungCooling water supply pipe
2424
KühlwasserrücklaufleitungCooling water return line
2525
Brenngasfuel gas
2626
Kathodenzuluftcathode feed
2727
Integrierte Gasaufbereitungseinrichtungintegrated Gas processing facility
2828
CPOX-ReaktorCPOX reactor
2929
BrennstoffzufuhrleitungFuel supply line
3030
CPOX-LuftzufuhrleitungCPOX air supply line
3131
CPOX-LuftCPOX air
3232
Mischstreckemixing section

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (13)

Hochtemperaturbrennstoffzellensystem vom Typ SOFC, bestehend aus einem Brennstoffzellenstapel, einem Aufheiz- und Nachbrenner, einem Reformer oder Vorreformer, einem Luftvorwärmer und einem Abgaswärmetauscher sowie je nach Art der Reformierung und des verwendeten Brennstoffes einem Brenngasvorwärmer, einem Reformatwärmetauscher und einem Verdampfer für Prozesswasser oder flüssige Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Bauteile des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, in denen ein Wärmeübergang zu erzielen ist, in den Abgaskanal (6) des Aufheiz- und Nachbrenners integriert sind.High-temperature fuel cell system of the type SOFC, consisting of a fuel cell stack, a heating and afterburner, a reformer or pre-reformer, an air preheater and an exhaust gas heat exchanger and, depending on the nature of the reforming and the fuel used, a fuel gas preheater, a reformate heat exchanger and an evaporator for process water or liquid fuels, characterized in that several or all components of the high temperature fuel cell system, in which a heat transfer is to be achieved, in the exhaust passage ( 6 ) of the heating and afterburner are integrated. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Bauteile in der vom Brenner aus gesehen stromabwärtigen Richtung nach dem am Austritt der Bauteile jeweils zu erzielenden Temperaturniveau erfolgt.High-temperature fuel cell system according to claim 1, characterized in that the arrangement of the components in the viewed from the burner downstream direction to the at the outlet of the components in each case to be achieved temperature level he follows. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteile des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, in denen ein Wärmeübergang zu erzielen ist, ein Luftvorwärmer (7), ein Abgaswärmetauscher (12) und ein Reformer verwendet sind.High-temperature fuel cell system according to claim 1 and 2, characterized in that as components of the high temperature fuel cell system, in which a heat transfer is to be achieved, an air preheater ( 7 ), an exhaust gas heat exchanger ( 12 ) and a reformer are used. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer beim Start des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems durch den Aufheiz- und Nachbrenner auf Betriebstemperatur gebracht wird.High-temperature fuel cell system according to claim 3, characterized in that the reformer at the start of the high-temperature fuel cell system brought to operating temperature by the heating and afterburner becomes. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteile des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, in denen ein Wärmeübergang zu erzielen ist, ein Luftvorwärmer (7), ein Verdampfer (11), ein Brenngasvorwärmer (10), ein Vorreformer (9), ein Reformatwärmetauscher (8), und ein Abgaswärmetauscher (12) verwendet sind.High-temperature fuel cell system according to claim 1 and 2, characterized in that as components of the high temperature fuel cell system, in which a heat transfer is to be achieved, an air preheater ( 7 ), an evaporator ( 11 ), a fuel gas preheater ( 10 ), a pre-reformer ( 9 ), a reformate heat exchanger ( 8th ), and an exhaust gas heat exchanger ( 12 ) are used. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Luftvorwärmer und Reformatwärmetauscher direkt an die Nachverbrennung angeschlossen sind, gefolgt von dem Reformer oder Vorreformer und Brenngasvorwärmern bei Verwendung einer Vorreformierung mit Wärmezufuhr, dann vom Verdampfer und schließlich dem Abgaswärmeübertrager zur Auskopplung von Prozesswärme.High-temperature fuel cell system according to claim 1 to 5, characterized in that air preheater and Reformat heat exchanger connected directly to the afterburner followed by the reformer or pre-reformer and fuel gas preheaters when using a pre-reforming with heat, then from the evaporator and finally the exhaust gas heat exchanger for decoupling process heat. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Bauteile des Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, in denen ein Wärmeübergang zu erzielen ist, in ein gemeinsames Bauteil integriert sind.High-temperature fuel cell system according to claim 1 to 6, characterized in that several or all components of the high-temperature fuel cell system, in which a heat transfer is to be achieved, are integrated into a common component. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformatwärmetauscher (8) außerhalb des Abgaskanals angeordnet ist.High-temperature fuel cell system according to claim 1 to 7, characterized in that the reformate heat exchanger ( 8th ) is arranged outside the exhaust duct. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorreformer so ausgeführt ist, dass durch eine Wärmezufuhr ein weitgehend isothermer Betrieb möglich wird.High-temperature fuel cell system according to claim 1 to 6, characterized in that the pre-reformer so executed is that by a heat supply a largely isothermal Operation becomes possible. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Wärmeübergangsfläche zum Katalysator beinhaltenden Volumen des Reformers groß ist.High-temperature fuel cell system according to claim 9, characterized in that the ratio of heat transfer surface to the catalyst-containing volume of the reformer is large. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorreformer so ausgeführt ist, dass sich katalytisch aktive Bereiche mit Bereichen abwechseln, in denen nur ein Wärmeübergang auf das Brenngas stattfindet.High-temperature fuel cell system according to claim 1 to 10, characterized in that the pre-reformer so executed is that catalytically active areas alternate with areas, in which only a heat transfer to the fuel gas takes place. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein CPOX-Reaktor sowie der Luftvorwärmer und der Abgaswärmetauscher in den Abgaskanal integriert sind.High-temperature fuel cell system according to claim 1 and 2, characterized in that a CPOX reactor and the Air preheater and the exhaust gas heat exchanger in the Exhaust duct are integrated. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle in den Abgaskanal integrierten Bauteile so gestaltet sind, dass sich eine Struktur paralleler Platten oder Sandwichs ergibt, in denen sich das Abgas des Brenners und das Medium, auf das Wärme übertragen werden soll, abwechseln.High-temperature fuel cell system according to claim 1 to 12, characterized in that all integrated into the exhaust duct Components are designed so that a structure of parallel plates or Sandwiches, in which the exhaust gas of the burner and the medium, to be transferred to the heat, alternate.
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