DE19639517A1 - Fuel cell device - Google Patents
Fuel cell deviceInfo
- Publication number
- DE19639517A1 DE19639517A1 DE19639517A DE19639517A DE19639517A1 DE 19639517 A1 DE19639517 A1 DE 19639517A1 DE 19639517 A DE19639517 A DE 19639517A DE 19639517 A DE19639517 A DE 19639517A DE 19639517 A1 DE19639517 A1 DE 19639517A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fuel cell
- fuel
- cell device
- gas
- stack
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
- H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
- H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
- H01M8/04022—Heating by combustion
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelleneinrichtung mit Hochtemperatur-Brenn stoffzellen. Brennstoffzellen werden zunehmend zur direkten Stromerzeugung aus der Verbrennungsreaktion des Brennstoffes in der Energietechnik eingesetzt. Werden diese Brennstoffzellen bei hoher Temperatur betrieben (Hochtemperaturbrennstoffzellen), so läßt sich auch die weitestgehend isotherm mit Zelltemperatur zur Verfügung stehende Zellabwärme zur weiteren Stromerzeugung in einem Wärmekraftprozeß nutzen. Diese stufenweise Nutzung des thermodynamischen Potentials der Verbrennungsreaktion durch die Brennstoffzelle und einen Wärmekraftprozeß läßt elektrische Wirkungsgrade bis zu 80 % erwarten (Winkler W.: Möglichkeiten der Auslegung von Kombikraftwerken mit Hochtemperaturbrennstoffzellen. BWK 44 (1992) Nr. 12, S. 533-538; Winkler W: Analyse des Systemverhaltens von Kraftwerksprozessen mit Brennstoffzellen. BWK 45 (1993) Nr. 6, S. 302-307; Winkler W.: Der Einfluß der Prozeßkonfiguration auf das Arbeitsvermögen von Verbrennungskraftprozessen. BWK 46 (1994) Nr. 7/8, S. 334-340).The invention relates to a fuel cell device with high-temperature combustion fabric cells. Fuel cells are increasingly used to generate electricity directly from the Combustion reaction of the fuel used in energy technology. Will this Fuel cells operated at high temperature (high temperature fuel cells), so lets the most isothermally available with cell temperature Use cell waste heat for further electricity generation in a thermal power process. This gradual use of the thermodynamic potential of the combustion reaction the fuel cell and a thermal power process allow electrical efficiencies of up to 80 % expect (Winkler W .: Possibilities of designing combined cycle power plants with High temperature fuel cells. BWK 44 (1992) No. 12, pp. 533-538; Winkler W: analysis the system behavior of power plant processes with fuel cells. BWK 45 (1993) No. 6, Pp. 302-307; Winkler W .: The influence of process configuration on work capacity of internal combustion processes. BWK 46 (1994) No. 7/8, pp. 334-340).
Eine besonders aussichtsreiche Entwicklung stellt die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) dar, die sowohl in planarer als auch in röhrenförmiger Bauweise entwickelt wird. Aus diesen Grundelementen sind für den Kraftwerkseinsatz geeignete Strukturen, Stapel oder auch Stacks genannt, aufzubauen. Dabei werden die Brennstoffzellen elektrisch seriell verschaltet, um von einer Zellspannung von etwa 0,7 V auf technisch nutzbare Spannungen zu kommen. Eine parallele Verschaltung der einzelnen Zellen des gleichen Spannungsniveaus sorgt für die notwendige Redundanz bei Ausfall einzelner Zellen. Schließlich muß durch eine stufenweise Verbrennung des Brenngases in spannungsseitig getrennten Zellen (Kaskadierung) noch für eine möglichst hohe Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit des Brenngases gesorgt werden. Bei der Konstruktion der Stacks muß außerdem noch beachtet werden, daß die Konstruktion zufriedenstellend gasdicht ausgeführt ist, die Wärmedehnungen sicher beherrscht werden und die Stoffstromverteilung gesichert ist. The oxide ceramic fuel cell represents a particularly promising development (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell), which is both planar and tubular Construction is being developed. From these basic elements are for power plant use to build suitable structures, called stacks. The Fuel cells are electrically connected in series to achieve a cell voltage of approximately 0.7 V. to come up with technically usable tensions. A parallel connection of the individual cells of the same voltage level ensure the necessary redundancy Failure of individual cells. Finally, a gradual combustion of the Fuel gas in cells separated on the voltage side (cascading) still possible for one high utilization of the working ability of the fuel gas can be ensured. In the Construction of the stacks must also be considered that the construction is carried out satisfactorily gas-tight, the thermal expansions can be controlled safely and the material flow distribution is secured.
Bisher sind im wesentlichen zwei Grundformen von konstruktiven Lösungen für röhrenförmige - oder besser rotationssymmetrische - Zellen bekannt. Die eine Lösung basiert darauf, daß kleinere ringförmige Zellelemente durch Interconnectoren, die gasdicht eine elektrische Kontaktierung zwischen den anoden- und kathodenseitigen Elektroden der Zellelemente herstellen, zu Röhrenzellen verbunden werden. Der Aufbau erinnert an die Schweißverbindung von nahtloser Rohre (vergl. z. B. altes Dornier Konzept & MHI Konzept: Dönitz W., Erdle E., Streicher R.: Oxidkeramische Brennstoffzellen, Prinzip, Entwicklungsstand und Marktmöglichkeiten in H. Wendt u. V. Plzak (Hrsg): Brennstoffzellen - Stand der Technik Entwicklungslinien Marktchancen. VDI Verlag Düsseldorf. 1990. S. 133-143 & Yoshioka T: et. al.: Development on tubular Type SOFC Module. Proceedings 2nd IFCC Kobe 1996. S. 251-254). Dabei wird das Brenngas innen und die Verbrennungsluft außen zugeführt. Die Kaskadierung der Verbrennungsführung ist Ergebnis der konstruktiven Ausbildung. Wenngleich Stacks aus mehreren Röhrenzellen über eine gemeinsame Luftversorgung verfügen, so ist eine elektrische Verbindung der Zellen gleichen Spannungsniveaus zur Sicherstellung der notwendigen Redundanzen für den Stromfluß bei Ausfall eines Zellelementes praktisch ausgeschlossen. Eine metallische Verbindung, beispielsweise mit Nickelfilz verbietet sich wegen der auftretenden Oxidation. Keramische Verbindungen scheinen auch nicht geeignet, da Dehnungsprobleme zu erwarten sind.So far, there are essentially two basic forms of constructive solutions for tubular - or rather rotationally symmetrical - known cells. The one solution is based on the fact that smaller annular cell elements are made by interconnectors that are gas tight an electrical contact between the anode and cathode electrodes of the Produce cell elements, connect them to tube cells. The structure is reminiscent of the Welded connection of seamless pipes (see e.g. old Dornier concept & MHI Concept: Dönitz W., Erdle E., Streicher R .: Oxide ceramic fuel cells, principle, Development status and market opportunities in H. Wendt u. V. Plzak (ed.): Fuel cells - state of the art development lines market opportunities. VDI publishing house Dusseldorf. 1990. pp. 133-143 & Yoshioka T: et. al .: Development on tubular type SOFC Modules. Proceedings 2nd IFCC Kobe 1996. pp. 251-254). The fuel gas is inside and the combustion air supplied outside. The cascading of the combustion management is Result of constructive training. Although stacks of several tube cells have a common air supply, so an electrical connection is the Cells have the same voltage level to ensure the necessary redundancies for the current flow in the event of failure of a cell element practically excluded. A metallic one Connection, for example with nickel felt, is not possible because of the oxidation that occurs. Ceramic joints also don't seem to be suitable because of stretching problems are expected.
Die zweite Lösung geht von einem in Längsrichtung des Rohres offenen Elektrolyten aus, der erst durch den Interconnector geschlossen, die notwendigerweise gasdichte Röhre bildet (vergl. Westinghouse Konzept z. B. in: The Westinghouse solid oxide fuel cell program - A 1992 progress report. Westinghouse Electric Corporation. Pittsburgh. 1992). Dabei ist die Kathode auf der Innenseite des Rohres aufgebracht und wird über den Interconnector kontaktiert. Auf der Außenseite ist die Anode so aufgebracht, daß keine elektrische Verbindung zum Interconnector besteht. Auf einer Seite ist die Röhre geschlossen. Der konstrukive Aufbau erinnert an ein längsgeschweißtes Rohr. Die Verbrennungsluft wird durch eine innenliegende Keramikröhre in das Zellrohr nahe dem geschlossenem Ende eingebracht und strömt längs der Kathodenseite der Zelle nach außen. Das Brenngas wird außen zugeführt. Die serielle Schaltung der einzelnen Zellen erfolgt über die Kontaktierung einer Zelle durch den Interconnector mit Nickelfilz an der Anodenseite der nächstfolgenden Zelle. Durch eine Zugabe des Brenngases in Flußrichtung des elektrischen Stromes ermöglicht auch diese Konstruktion eine Kaskadierung. Durch eine anodenseitige Kontaktierung der einzelnen Zellen gleichen Spannungsniveaus mit Nickelfilz läßt sich die gewünschte Redundanz erreichen. Nachteilig bei dieser Konstruktion ist es, daßThe second solution is based on an electrolyte that is open in the longitudinal direction of the tube, which is only closed by the interconnector, the necessarily gas-tight tube forms (see Westinghouse concept e.g. in: The Westinghouse solid oxide fuel cell program - A 1992 progress report. Westinghouse Electric Corporation. Pittsburgh. 1992). The cathode is applied to the inside of the tube and is over the Interconnector contacted. The anode is applied on the outside so that none electrical connection to the interconnector exists. The tube is on one side closed. The constructive structure is reminiscent of a longitudinally welded pipe. The Combustion air is drawn through an internal ceramic tube into the cell tube near the introduced closed end and flows along the cathode side of the cell Outside. The fuel gas is supplied outside. The serial connection of the individual cells takes place via the contacting of a cell by the interconnector with nickel felt on the Anode side of the next cell. By adding the fuel gas in This design also enables a flow direction of the electric current Cascading. By contacting the individual cells on the anode side, the same Tension levels with nickel felt can achieve the desired redundancy. Disadvantageous with this construction it is that
- - der Elektrolyt keine zusammenhängende Röhre bildet,- the electrolyte does not form a coherent tube,
- - die an der Außenseite der Röhre erfolgende Kontaktierung insgesamt drei Spannungsebenen betrifft und es daher sorgfältigen Arbeitens bedarf, um Kurzschlüsse zu vermeiden und- The contacting on the outside of the tube a total of three Concerns levels of tension and therefore requires careful work to To avoid short circuits and
- - die innenliegende Röhre zur Luftzufuhr, den Rohrdurchmesser nach unten hin und damit die Leistungsdichte nach oben hin begrenzt.- The inner tube for air supply, the tube diameter down and so that the power density is capped.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Konstruktion der Hochtempertatur-Brennstoffzellen und des Stacks nach den nachfolgenden Kriterien zu gestalten.The object of the invention is to design the high-temperature fuel cells and to design the stack according to the following criteria.
- - Die Brennstoffzellen sollen elektrisch seriell verschaltet werden können, um von einer Zellspannung von etwa 0,7 V auf technisch nutzbare Spannungen zu kommen.- The fuel cells should be able to be electrically connected in series to a cell voltage of approximately 0.7 V to technically usable voltages come.
- - Eine parallele Verschaltung der einzelnen Zellen des gleichen Spannungsniveaus soll möglich sein, um für die Redundanz bei Ausfall einzelner Zellen zu sorgen. - A parallel connection of the individual cells of the same voltage level should be possible to ensure redundancy in the event of failure of individual cells.
- - Durch eine stufenweise Verbrennung des Brenngases in spannungsseitig getrennten Zellen (Kaskadierung) soll für eine möglichst hohe Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit des Brenngases gesorgt werden.- By gradually burning the fuel gas on the voltage side separate cells (cascading) should be used for the highest possible Working ability of the fuel gas to be taken care of.
- - Die Konstruktion soll zufriedenstellend gasdicht ausgeführt sein und die Wärmedehnungen sollen sicher beherrscht werden.- The construction should be satisfactorily gastight and the Thermal expansion should be managed safely.
- - Es soll eine gleichmäßige Stoffstromverteilung innerhalb der Zelle und des Stacks der Zellen gewährleistet werden.- There should be an even material flow distribution within the cell and the stack of the cells are guaranteed.
- - Der Elektrolyt soll eine zusammenhängende Röhre bilden.- The electrolyte should form a coherent tube.
- - Weiterhin soll an der Außenseite die Kontaktierung der Röhren erfolgen, daß Kurzschlüsse bereits konstruktiv weitgehend vermieden werden können.- Furthermore, the tubes should be contacted on the outside that Short circuits can already largely be avoided constructively.
- - Eine Begrenzung des Rohrdurchmessers nach unten hin und damit die Leistungsdichte nach oben hin soll konstruktiv weitgehend ausgeschlossen werden.- A downward limitation of the pipe diameter and thus the Power density upwards should be largely excluded from the design.
- - Die Konstruktion soll den Anforderungen zur Wärmeauskopplung und zur Integration der Brennstoffaufbereitung gerecht werden (vergl. Winkler W.: SOFC- Integrated Power Plants for Natural Gas. Proceedings 1st European Solid Oxide Fuel Cell Forum. Ulf Bossel. Luzern. 1994. ISBN 3-922148-14-X. S. 821-848 und Winkler W.: Grundsätze der Auslegung kombinierter Brennstoffzellen-Kraftwerke. VDI Bericht 1174. "Energieversorgung mit Brennstoffzellenanlagen - Stand und Perspektiven". VDI Verlag Düsseldorf. 1995. S. 131-154).- The construction should meet the requirements for heat extraction and The integration of fuel processing (see Winkler W. SOFC- Integrated Power Plants for Natural Gas. Proceedings 1st European Solid Oxide Fuel Cell Forum. Ulf Bossel. Lucerne. 1994. ISBN 3-922148-14-X. Pp. 821-848 and Winkler W .: Principles of the design of combined fuel cell power plants. VDI report 1174. "Energy supply with fuel cell systems - Status and Perspectives ". VDI Verlag Düsseldorf. 1995. pp. 131-154).
Die Aufgabe wird bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hochtemperatur-Brennstoffzellen jeweils rotationssymetrisch mit innenliegender Kathode und außen angeordneter Anode ausgebildet sind, daß die Brennstoffzellen innen mit Luft und außen mit Brenngas beaufschlagt werden und daß die Brennstoffzellen auf der Anodenseite durch einen bei den hohen Temperaturen beständigen Metallfilz elektrisch leitend miteinander verbunden sind.According to the invention, the object is achieved in the case of a high-temperature fuel cell solved that the high-temperature fuel cells each with rotational symmetry internal cathode and external anode are formed that the Fuel cells are supplied with air on the inside and fuel gas on the outside and that the Fuel cells on the anode side by one at the high temperatures resistant metal felt are electrically connected.
Der Grundgedanke der Erfindung beruht darauf, daß von rotationssymmetrischen Zellen z.B ausgebildet als Rohrelemente ausgegangen wird, die innen auf der Kathodenseite mit Luft und außen an der Anodenseite mit Brenngas beaufschlagt werden und außen an der Anodenseite beispielsweise mit Nickelfilz oder einem anderen elektrisch leitenden Material ähnlicher Struktur kontaktiert werden. Wenn im weiteren nur von Nickelfilz gesprochen wird, ist auch ein anderes Material ähnlicher Struktur eingeschlossen, d. h. ein bei den hohen Temperaturen der Brennstoffzelle beständigen, elektrisch leitenden Filz. Damit wird eine Spannungsebene gebildet und es werden alle Röhren dieser Spannungsebene miteinander kontaktiert. Diese Konzeption hat den Vorteil, daß der Anodenraum mit einer porösen Schicht aus Nickelfilz o. ä. Kontaktierungsmaterial gefüllt werden kann, ohne daß auf die Lage des Filzes geachtet werden muß. Die Hauptströmungsrichtung des Brenngases ist parallel zur Rohrachse, wobei sowohl eine Gleichstrom- als auch eine Gegenstromanordnung denkbar ist. Dabei wird eine gleichförmige Verteilung der Brenngasströmung durch entsprechende Widerstandselemente am Eintritt und/oder durch eine Brennstoffeindüsung an mehreren Stellen erreicht. Damit ist der konstruktive Aufbau des Stackelements einer Spannungsebene definiert.The basic idea of the invention is based on that of rotationally symmetrical cells e.g. designed as tubular elements that are on the inside on the cathode side Air and outside on the anode side with fuel gas and outside on the Anode side, for example with nickel felt or another electrically conductive material similar structure can be contacted. If only spoken of nickel felt in the following another material of similar structure is included, i.e. H. one with the high temperatures of the fuel cell resistant, electrically conductive felt. So that will a voltage level is formed and all tubes of this voltage level are created contacted each other. This concept has the advantage that the anode compartment with a porous layer of nickel felt or similar contacting material can be filled without attention must be paid to the position of the felt. The main flow direction of the Fuel gas is parallel to the pipe axis, with both a direct current and a Counterflow arrangement is conceivable. This ensures a uniform distribution of the Fuel gas flow through appropriate resistance elements at the inlet and / or through fuel injection is achieved in several places. This is the constructive structure of the stack element of a voltage level.
Die Hauptströmungsrichtung des Brenngases wird insbesondere parallel zur Rohrachse geführt. Hierdurch ist ein Gleichstrom- und eine Gegenstromanordnung möglich. Zweckmäßigerweise wird eine gleichförmige Verteilung der Brenngasströmung durch Widerstandselemente am Gaseintritt und/oder mit Eindüsung an mehreren Stellen erreicht. Vorzugsweise sind die Brennstoffzellen verschiedener Spannungsebenen jeweils durch ringförmige Interconnectoren gasdicht miteinander verbunden, wobei jeweils die Kathodenseite der Brennstoffzellen der einen Spannungsebene mit den Anodenseiten der Brennstoffzellen der anderen Spannungsebene über die Interconnectoren leitend miteinander verbunden sind. The main flow direction of the fuel gas is in particular parallel to the pipe axis guided. This allows a direct current and a counter current arrangement. A uniform distribution of the fuel gas flow is expediently achieved Resistance elements reached at the gas inlet and / or with injection at several points. The fuel cells of different voltage levels are preferably each through annular interconnectors gas-tightly connected to each other, with each Cathode side of the fuel cells of the one voltage level with the anode sides of the Conducting fuel cells of the other voltage level via the interconnectors are interconnected.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anodenseiten der Brennstoffzellen einer Spannungsebene von den Anodenseiten der Brennstoffzellen der benachbarten Spannungsebene je durch gasdurchlässige Zwischenböden aus Isoliermaterial voneinander getrennt. Die Brennstoffzellen sind aber nicht mit den Zwischenböden verspannt, sondern die Zwischenböden erlauben geringe Ausgleichbewegungen.In a preferred embodiment, the anode sides of the fuel cells are one Voltage level from the anode sides of the fuel cells of the neighboring ones Voltage level each through gas-permeable intermediate floors made of insulating material separated from each other. The fuel cells are not with the intermediate floors tensioned, but the intermediate floors allow slight compensatory movements.
Die Brennstoffzellen, die an der Eintrittsseite der Luft an einem Stack angeordnet sind, sind zweckmäßigerweise an ihren der Eintrittsseite zugewandten Enden in eine Lochplatte gasdicht eingepaßt. Auf diese Weise wird der Durchtritt von Gasen an den äußeren Seiten der Brennstoffzellen verhindert. Die Lochplatte besteht aus elektrisch leitendem Material mit gleichem Dehnungsverhalten wie das Material der Brennstoffzellen und ist leitend mit den Anoden der Brennstoffzellen verbunden.The fuel cells, which are arranged on a stack on the inlet side of the air, are expediently at their ends facing the entry side into a perforated plate fitted gas-tight. In this way, the passage of gases on the outer sides which prevents fuel cells. The perforated plate is made of electrically conductive material with the same elongation behavior as the material of the fuel cells and is conductive with connected to the anodes of the fuel cells.
Die Serienschaltung der Brennstoffzellen kann aber auch an der Lochplatte mit einer kathodenseitigen Kontaktierung begonnen werden, wobei eine Isolierung zwischen Lochplatte und dem hochtemperaturbeständigen Metallfilz vorgesehen wird.The series connection of the fuel cells can also be on the perforated plate with a Contacting on the cathode side is started, with insulation between Perforated plate and the high temperature resistant metal felt is provided.
An den Austrittsseiten der Gase sind die Brennstoffzellen vorzugsweise so ausgebildet, daß beide Gasströme getrennt zu einer Nachverbrennungskammer geführt werden. An den Austrittsseiten der Brennstoffzellen sind insbesondere düsenförmige Austritts- Interconnectoren vorgesehen, die eine leitende Verbindung zur Stromableitung der Brennstoffzellen-Stacks herstellen. Die Verbindung zwischen Austritts-Interconnector und der jeweiligen Brennstoffzelle am Stack-Ausgang ist dabei bevorzugt so ausgebildet, daß an den Verbindungsstellen ständig Anodengas vorhanden ist. Hierdurch wird eine Oxidation vermieden.The fuel cells are preferably designed on the outlet sides of the gases in such a way that that both gas flows are led separately to a post-combustion chamber. To the Outlet sides of the fuel cells are in particular nozzle-shaped outlet Interconnectors are provided that provide a conductive connection for current dissipation Manufacture fuel cell stacks. The connection between the exit connector and the respective fuel cell at the stack output is preferably designed such that Anode gas is constantly present at the connection points. This will create a Oxidation avoided.
Der hochtemperaturbeständige, elektrisch leitende Metallfilz besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform aus Nickel. Innerhalb des Nickelfilzes sind vorzugsweise zusätzliche, starre Stromableitungen in einem gewissen Umfang beweglich angeordnet. Hierdurch wird der Widerstand der Stromableitung verringert. Am Austritt der insbesondere röhrenförmigen Brennstoffzellen befindet sich im Stack ein elektrisch leitender Düsenboden oder ein leitendes Netz.The high temperature resistant, electrically conductive metal felt is one of the preferred Embodiment made of nickel. Within the nickel felt there are preferably additional rigid current leads movably arranged to a certain extent. This will the resistance of the current discharge is reduced. At the exit of the particular tubular fuel cells have an electrically conductive nozzle base in the stack or a conductive network.
Dabei sind Vorkehrungen getroffen, daß die Stickoxidbildung bei der Abgasverbrennung weitgehend vermieden wird.Precautions have been taken to ensure that nitrogen oxide formation occurs during exhaust gas combustion is largely avoided.
Eine besonders einfache konstruktive Lösung besteht darin, daß die Anodenseite am Austritt jedes Brennstoffzellenrohres der letzten Spannungsebene über den Nickelfilz die Stromableitung des Stacks herstellt. Auch die Verbindung zwischen Anodenseite am Austritt der Brennstoffzellenröhren und der Stromableitung ist so ausgebildet, daß sie ständig von Anodengas benetzt wird.A particularly simple constructive solution is that the anode side on Each fuel cell tube of the last voltage level exits via the nickel felt Electricity dissipation of the stack. Also the connection between the anode side on Outlet of the fuel cell tubes and the current drain is designed so that they is constantly wetted by anode gas.
Bei Gegenstromanordnung wird das Brenngas im Bereich des Luftaustritts zugegeben. Der Austrittsbereich der Verbrennungsluft wird so ausgebildet, daß die Stromableitung der Kathodenseite - gasdicht ausgeführt - den Zellbereich und den Austrittsbereich zur Verhinderung einer Gasmischung trennt. Das frische Brenngas wird dabei zweckmäßigerweise entgegen der Strömung der Verbrennungsluft entlang dem Lufteintritt geführt. Dort wird das bei der Verbrennung entstehende Abgasprodukt umgelenkt und durch Kanäle zum Luftaustrittsbereich geführt, worauf es in die Nachbrennkammer gelangt.With a counterflow arrangement, the fuel gas is added in the area of the air outlet. Of the Outlet area of the combustion air is designed so that the current dissipation of the Cathode side - made gastight - the cell area and the exit area to Prevention of a gas mixture separates. The fresh fuel gas is thereby expediently against the flow of the combustion air along the air inlet guided. There, the exhaust gas product resulting from the combustion is redirected and through channels to the air outlet area, whereupon it reaches the afterburner.
Zur Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Spannungsebenen sind vorzugsweise durchgehende keramische Wände oder Kombinationen aus metallischen Wänden mit keramischen Isolationsstücken im Übergangsbereich zwischen den Spannungsebenen vorgesehen.To prevent short circuits between the individual voltage levels preferably continuous ceramic walls or combinations of metallic Walls with ceramic insulation pieces in the transition area between the Voltage levels provided.
Insbesondere wird die Verbrennungsluft von einer Versorgungsleitung kommend zu einem Luftkasten und von dort der Kathodenseite der Brennstoffzellen zugeführt. Das Brenngas kann auch bei einer zweckmäßigen Ausführungsform über eine Brenngasleitung seitlich an mehreren Stellen und/oder über eigene Düsen in der Lochplatte in das jeweilige Stack eingeleitet werden.In particular, the combustion air comes from one supply line to one Air box and fed from there to the cathode side of the fuel cells. The fuel gas can also in a practical embodiment on a fuel gas line at the side several places and / or via their own nozzles in the perforated plate in the respective stack be initiated.
Vorteilhaft ist die Ausbildung des jeweiligen Stacks ähnlich einem Flachbrenner. Das Stack kann auch kreis-, ringförmig oder sechseckig sein. Die Nachbrennkammer ist dabei insbesondere als gemeinsame Brennkammer ausgebildet.It is advantageous to design the respective stack similar to a flat burner. The stack can also be circular, ring-shaped or hexagonal. The afterburner is there especially designed as a common combustion chamber.
Es ist günstig, wenn die Kühlrohre als Strahlungskühler ausgebildet sind sowie aus elektrisch isolierendem Material bestehen, wodurch Kurzschlüsse vermieden werden.It is advantageous if the cooling tubes are designed as radiation coolers and are made of electrically insulating material, whereby short circuits are avoided.
Die an der Brennstoffzelle freiwerdende Wärme wird vorzugsweise unmittelbar für den endothermen Prozeß der Brennstoffaufbereitung ausgenutzt. Hierfür kann entsprechendes Katalysatormaterial in den Röhren vorgesehen sein.The heat released at the fuel cell is preferably immediately for the endothermic process of fuel processing exploited. This can be done accordingly Catalyst material may be provided in the tubes.
Es kann eine Kohle- oder Biomassevergasung in einer allothermen Vergasung vorgesehen sein, wobei die von den Stacks beheizten Röhren und/oder die Nachbrennkammer als Wärmequelle dienen.Coal or biomass gasification can be provided in an allothermal gasification be, the tubes heated by the stacks and / or the afterburning chamber as Serve as a heat source.
Besonders vorteilhaft ist es, ein durchgehendes, poröses Trägerrohr aus nicht leitendem Material von gleicher Wärmedehnung wie der Elektrolyt zu verwenden und auf dem Rohr Kathodenmaterial, Elektrolyt und Anode als separate Zellen sowie den Interconnector zwischen den Zellen mittels Dünnschicht- oder Sintertechnik aufzubringen.It is particularly advantageous to have a continuous, porous carrier tube made of non-conductive Use material of the same thermal expansion as the electrolyte and on the pipe Cathode material, electrolyte and anode as separate cells as well as the interconnector to be applied between the cells using thin-film or sintering technology.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.The invention is illustrated below with reference to a drawing Embodiment described in more detail, from which further details, features and give advantages.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Teil einer Brennstoffzelleneinrichtung schematisch im Schnitt, Fig. 1 shows a part of a fuel cell device schematically in section;
Fig. 2 eine Brennstoffzelleneinrichtung mit in Serie geschalteten röhrenförmigen Brennstoffzellen schematisch im Schnitt, Fig. 2 shows a fuel cell apparatus with series-connected tubular fuel cells schematically in section,
Fig. 3a eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer Anordnung für die Brenngaszufuhr im Gegenstrom schematisch, FIG. 3a schematically shows a fuel cell device with an arrangement for the supply of fuel gas in counterflow,
Fig. 3b eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer Anordnung für die Brenngaszufuhr im Gleichstrom schematisch, FIG. 3b schematically a fuel cell device with an arrangement for the supply of fuel gas in co-current,
Fig. 4 eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer Brenngaszufuhr im Gleichstrom und zahlreichen Stacks von Brennstoffzellen. Fig. 4 shows a fuel cell device with a fuel gas supply in direct current and numerous stacks of fuel cells.
Die Fig. 1 zeigt erfindungsgemäß eine Brennstoffzelleneinrichtung prinzipieller Art. Rotationssymetrische Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) 1 haben am Umfang innenliegende Kathoden 2 und außenliegende Anoden 3. Vorzugsweise sind die Brennstoffzellen als Rohre ausgebildet. Die Brennstoffzellenrohre werden innen auf der Kathodenseite mit Luft, die mit 2a bezeichnet ist, und außen auf der Anodenseite mit Brenngas beaufschlagt, das mit 3a bezeichnet ist. Die Spitzen der Dreiecke 2a, 3a zeigen in Strömungsrichtung. Die Einrichtung gemäß Fig. 1 ist rotationssymetrisch in Bezug auf eine Mittelachse S. Auf der Anodenseite sind die Brennstoffzellenrohre durch einen hochtemperaturbeständigen, elektrisch leitenden Metallfilz kontaktiert, bei dem es sich insbesondere um Nickelfilz 4 handelt. Statt Nickelfilz kann ein anderes Material ähnlicher Struktur verwendet werden. Durch die elektrisch leitende Verbindung auf dem gleichen räumlichen Niveau angeordneter Brennstoffzellenrohre 1 wird eine Spannungsebene gebildet. Diese Konzeption hat den Vorteil, daß der Anodenraum mit der porösen Schicht 4 o.a. Kontaktierungsmaterial gefüllt werden kann, ohne daß auf die Lage des Filzes geachtet werden muß. Die Hauptströmungsrichtung des Brenngases ist parallel zur Rohrachse S, wodurch sowohl eine Gleichstrom- als auch eine Gegenstromanordnung möglich ist. Dabei wird eine gleichförmige Verteilung der Brenngasströmung durch entsprechende Widerstandselemente am Eintritt und/oder durch eine Brennstoffeindüsung an mehreren Stellen eines Brennstoffzellenstapels oder Stacks erreicht. Damit ist der konstruktive Aufbau des Stackelements einer Spannungsebene definiert. Fig. 1 shows a fuel cell device according to the invention of principle. Rotationally symmetrical high-temperature fuel cells (SOFC) have 1 inside the periphery cathode 2 and outer anodes. 3 The fuel cells are preferably designed as tubes. The fuel cell tubes are acted upon on the inside on the cathode side with air, which is designated 2 a, and on the outside on the anode side with fuel gas, which is designated as 3 a. The tips of the triangles 2 a, 3 a show in the direction of flow. The device according to Fig. 1 is rotationally symmetrical with respect to a central axis S. On the anode side, the fuel cell tubes are contacted by a high-temperature resistant, electrically conductive metal felt, which is in particular nickel felt 4. Instead of nickel felt, another material with a similar structure can be used. A voltage level is formed by the electrically conductive connection of fuel cell tubes 1 arranged on the same spatial level. This concept has the advantage that the anode space can be filled with the porous layer 4 or the contacting material without having to pay attention to the position of the felt. The main flow direction of the fuel gas is parallel to the tube axis S, which means that both a cocurrent and a countercurrent arrangement is possible. In this case, a uniform distribution of the fuel gas flow is achieved by appropriate resistance elements at the inlet and / or by fuel injection at several points in a fuel cell stack or stack. This defines the design of the stack element of a voltage level.
Zum Aufbau eines Stacks müssen noch eine getrennte Zu- und Abfuhr der Gasströme der Anoden- 3 (Brenngas- und Reaktionsproduktgas 3a) und Kathodenseite 2 (Verbrennungsluft und Abluft 2a), die elektrische Leitungsführung, die Kaskadierung und die Nachverbrennung von Anoden und Kathodenabgas, sowie die Einbindung der Brenngasaufbereitung und der Stackkühlung vorgesehen werden. Im weiteren wird der Gasstrom auf der Anodenseite auch als Anodengas 3a und auf der Kathodenseite auch als Kathodengas 2a bezeichnet, unabhängig von der Art der jeweiligen lokalen Gaszusammensetzung.To build a stack, separate supply and discharge of the gas streams from the anode 3 (fuel gas and reaction product gas 3 a) and cathode side 2 (combustion air and exhaust air 2 a), the electrical wiring, the cascading and the afterburning of anodes and cathode exhaust gas must be carried out , as well as the integration of the fuel gas preparation and the stack cooling. Furthermore, the gas flow on the anode side is also referred to as anode gas 3 a and on the cathode side as cathode gas 2 a, regardless of the type of local gas composition.
Die Kaskadierung erreicht man erfindungsgemäß sehr einfach, indem man Stackelemente mehrerer Spannungsebenen so miteinander verbindet, daß die Elemente elektrisch seriell verschaltet werden. Dabei werden die einzelnen Röhren mit ringförmigen Interconnectoren 5 gasdicht so verbunden, daß die Kathodenseite 2 des Stackelementes n mit der Anodenseite 3 des Stackelementes n + 1 über die Interconnectoren kontaktiert werden. Das Interconnectormaterial (z. B. Lanthanchromid) muß bei der Betriebstemperatur elektrisch leitend und chemisch stabil sein sowie etwa gleichartige Wärmedehnungseigenschaften wie das Elektrolytmaterial (Ytteriumdotiertes Zirkonoxid) haben. Damit kein Kurzschluß im Stack auftritt, muß sichergestellt werden, daß die Anodenseiten der einzelnen Stackelemente elektrisch voneinander getrennt sind. Gleichzeitig muß aber auch das Brenngas, bzw. das Gasgemisch aus Brenngas und Produktgas ungehindert von einem Stackelement zum nächsten strömen.According to the invention, the cascading is achieved very simply by connecting stack elements of several voltage levels to one another in such a way that the elements are electrically connected in series. The individual tubes are connected gas-tight with annular interconnectors 5 so that the cathode side 2 of the stack element n is contacted with the anode side 3 of the stack element n + 1 via the interconnectors. The interconnector material (e.g. lanthanum chromide) must be electrically conductive and chemically stable at the operating temperature and have about the same thermal expansion properties as the electrolyte material (ytterium-doped zirconium oxide). So that there is no short circuit in the stack, it must be ensured that the anode sides of the individual stack elements are electrically separated from one another. At the same time, however, the fuel gas or the gas mixture of fuel gas and product gas must flow unhindered from one stack element to the next.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein gasdurchlässiger Zwischenboden 6 aus Isolatormaterial, der beispielsweise als Düsenboden ausgebildet sein kann, mit entsprechenden Durchtritten für die Brennstoffzellenröhren zwischen die einzelnen Stackelemente eingelegt wird oder Distanzhalter aus Isolatormaterial eingesetzt werden, die einen Kurzschluß zwischen zwei Spannungsebenen vermeiden. Dabei ist es zweckmäßig, daß die Röhren durch diese Zwischenböden nicht eingespannt sind, sondern sich möglichst frei bewegen können, um mögliche Dehnungsbehinderungen von vorneherein auszuschließen. Es bietet sich an, als Isolatormaterial Zirkonoxid zu verwenden. Damit ist die erfindungsgemäße Funktion der Kaskadierung und der anodenseitigen Parallelschaltung der einzelnen Spannungsebenen innerhalb des Stacks gesichert. Es verbleibt noch der elektrische und gasseitige Anschluß des Stacks an das Gesamtsystem zu lösen.This is achieved according to the invention in that a gas-permeable intermediate floor 6 made of insulator material, which can be designed, for example, as a nozzle bottom, is inserted with corresponding passages for the fuel cell tubes between the individual stack elements or spacers made of insulator material are used, which prevent a short circuit between two voltage levels. It is expedient that the tubes are not clamped through these intermediate floors, but rather can move as freely as possible in order to exclude possible expansion problems from the outset. It is advisable to use zirconium oxide as the insulator material. The function of the cascading and the anode-side parallel connection of the individual voltage levels within the stack is thus ensured. The electrical and gas connection of the stack to the overall system remains to be solved.
Die Röhren der luftseitig ersten Gruppe von Stackelementen wird dazu erfindungsgemäß in eine Lochplatte 7 gasdicht so eingepaßt, daß die Verbrennungsluft 2a in die Röhren einströmen kann, ohne mit dem Brenngas 3a in Kontakt zu kommen. Dabei besteht die Lochplatte 7 aus elektrisch leitendem Material mit möglichst gleichem Dehnungsverhalten wie die SOFC (z. B. Lanthanchromid) und ist leitend mit der Anode 3 der SOFC verbunden. Die serielle Schaltung der Brennstoffzellen kann auch an der Lochplatte bei entsprechend geänderter Schaltung der Zellen mit einer kathodenseitigen Kontaktierung begonnen werden. Dabei ist dann die Notwendigkeit einer Isolierung zwischen Lochplatte und Nickelfilz gegeben.For this purpose, the tubes of the first group of stack elements on the air side are fitted gas-tight in a perforated plate 7 such that the combustion air 2 a can flow into the tubes without coming into contact with the fuel gas 3 a. The perforated plate 7 consists of electrically conductive material with the same possible elongation behavior as the SOFC (e.g. lanthanum chromide) and is conductively connected to the anode 3 of the SOFC. The serial connection of the fuel cells can also be started on the perforated plate with a correspondingly modified connection of the cells with a contact on the cathode side. The need for insulation between the perforated plate and the nickel felt is then given.
Der Austritt von Anoden- 3a und Kathodengas 2a aus dem Stack ist dann erfindungsgemäß so ausgebildet, daß beide Gasströme zu einer Nachverbrennungskammer 8 geführt werden. Dazu wird der Anodengasraum zunächst durch einen gasdurchlässigen Zwischenboden 9 oder Distanzhalter aus Isolatormaterial für Elektronen nach außen hin elektrisch isoliert. Dann kann der in dem Stack erzeugte elektrische Strom auf der Kathodenseite abgegriffen werden. Dazu wird erfindungsgemäß die Kathodenseite jedes Rohres zur Kontaktierung mit düsenförmig ausgebildeten Austritts- Interconnectoren 10 versehen. Diese Austritts-lnterconnectoren 10 am Rohraustritt stellen die Verbindung zu einer Stromableitung 11 des Stacks her. Erfindungsgemäß wird diese Verbindung zwischen Austritts-Interconnector 10 und benachbarten Röhren 1 so angeordnet, daß sie immer mit Anodengas benetzt ist und daher eine Oxidation ausgeschlossen ist. Dies gestattet auch den Einsatz von Nickelfilz o. ä. als Werkstoff für die Stromableitung. Diese Bauart hat den Vorteil einer beweglichen Lagerung der Brennstoffzellenröhren am Austritt und vermeidet weitgehend unbeabsichtigte Kräfte auf die Röhre. Innerhalb des Nickelfilzes lassen sich zusätzliche starre Stromableitungen beweglich anbringen, um den Widerstand der Ableitung zu minimieren. Nach außen hin wird die Konstruktion durch den leitenden Düsenboden oder ein leitendes Netz 12 abgeschlossen. Dabei sind Austritts-Interconnector 10 und leitender Düsenboden 12 so ausgebildet und angeordnet, daß die Stickoxidbildung bei der Verbrennung des Anodenabgases weitgehend vermieden wird.Leakage of anode 3 and a cathode gas from the stack 2a is then formed according to the invention so that both gas flows are led to a post-combustion chamber. 8 For this purpose, the anode gas space is first electrically isolated from the outside by a gas-permeable intermediate floor 9 or spacers made of insulator material for electrons. The electrical current generated in the stack can then be tapped off on the cathode side. For this purpose, according to the invention, the cathode side of each tube is provided with contact-shaped outlet interconnectors 10 for contacting. These outlet interconnectors 10 at the pipe outlet establish the connection to a current conductor 11 of the stack. According to the invention, this connection between outlet interconnector 10 and adjacent tubes 1 is arranged so that it is always wetted with anode gas and therefore oxidation is excluded. This also allows the use of nickel felt or the like as a material for electricity dissipation. This design has the advantage of moving the fuel cell tubes at the outlet and avoids largely unintentional forces on the tube. Additional rigid current leads can be flexibly attached within the nickel felt to minimize the resistance of the lead. To the outside, the construction is completed by the conductive nozzle floor or a conductive mesh 12 . The outlet interconnector 10 and the conductive nozzle base 12 are designed and arranged in such a way that nitrogen oxide formation is largely avoided during the combustion of the anode exhaust gas.
Bei einer Gegenstromanordnung wird das Brenngas 3a im Bereich des Luftaustritts zugegeben und der Austrittsbereich der Verbrennungsluft wird erfindungsgemäß so gestaltet, daß die Stromableitung der Kathodenseite - gasdicht ausgeführt - den Zellbereich und den Austrittsbereich so trennt, daß keine Mischung von Anodenabgas und frischem Brenngas erfolgen kann. Das frische Brenngas strömt entgegen der Strömung der Verbrennungsluft entlang zum Lufteintritt. Dort wird das bei der Verbrennungsreaktion entstandene Brenngas - Produktgas - Gemisch umgelenkt und beispielsweise durch Kanäle, die auch röhrenförmig ausgebildet sein können, zum Bereich des Luftaustritts geführt und in der Nachbrennkammer mit dem Brenngasrest verbrannt. Die Gleichstromanordnung, die schon oben beschrieben wurde, zeigt Fig. 3b. Der Abschluß des Stacks zur Seite 13 hin muß so erfolgen, daß kein Kurzschluß zwischen den einzelnen Spannungsebenen erfolgen kann. Hier sind verschiedene Lösungen möglich, wie durchgehende keramische Wände, Kombinationen aus metallischen Wänden mit keramischen Isolationsstücken im Übergangsbereich zwischen den einzelnen Spannungsebenen o. ä..In a counterflow arrangement, the fuel gas 3 a is added in the area of the air outlet and the outlet area of the combustion air is designed according to the invention in such a way that the current discharge on the cathode side - gas-tight - separates the cell area and the outlet area so that no mixture of anode exhaust gas and fresh fuel gas can take place . The fresh fuel gas flows against the flow of the combustion air along to the air inlet. There, the fuel gas / product gas mixture formed in the combustion reaction is redirected and, for example through channels, which can also be tubular, is led to the area of the air outlet and burned in the afterburning chamber with the fuel gas residue. The direct current arrangement, which has already been described above, is shown in FIG. 3b. The stack must be terminated towards page 13 in such a way that no short circuit can occur between the individual voltage levels. Various solutions are possible here, such as continuous ceramic walls, combinations of metallic walls with ceramic insulation pieces in the transition area between the individual voltage levels or the like.
Die so gebildeten Stacks sind modular aufgebaut und lassen sich erfindungsgemäß in ihrer Größe so gestalten, daß die Kühlung des Stacks von außen durch geeignet angebrachte Wärmetauschereinrichtungen, die zur Aufheizung des Arbeitsmittels eines nachgeschalteten Wärmekraftprozesses oder der Beheizung eines sonstigen parallel oder nachgeschalteten endothermen Prozesses dienen können.The stacks formed in this way have a modular structure and can be used according to the invention in their Design size so that the cooling of the stack from the outside by suitably attached Heat exchanger devices used to heat the working fluid downstream thermal power process or the heating of another parallel or downstream endothermic process can serve.
Fig. 4 zeigt dazu ein Beispiel in Gleichstromanordnung. Die Verbrennungsluft 2a wird von einer Versorgungsleitung 14 kommend zu einem Luftkasten 16 geführt und tritt von dort in die Kathodenseite der Brennstoffzellen 1 ein. Das Brenngas 3a wird über die Brenngasleitung 15 seitlich in das Stack 17 geführt. Das Stack 17 ist hier ähnlich wie ein Flachbrenner aufgebaut und die Nachbrennkammer 8 ist als gemeinsame Brennkammer ausgebildet. Die Größe der einzelnen Stacks wird dabei maßgeblich von den Kühlbedingungen festgelegt, um einen möglichst isothermen Betrieb der Stacks zu gewährleisten. Bei dieser Anordnung sind die Kühlrohre 18 als Strahlungskühler angeordnet. Eine andere mögliche Variante ist eine Integration der Kühlrohre parallel zu den Zellrohren im Stack selbst. Dabei müssen die Kühlrohre allerdings aus Isolatormaterial bestehen, um Kurzschlüsse im Stack zu vermeiden. Auch eine Kombination von im Stack integrierten Kühlrohren mit außenliegenden Kühlrohren wie in Fig. 4 gezeigt, ist eine weitere mögliche Variante, die die Flexibilität der Erfindung kennzeichnen. Neben der an Flachbrennern erinnernden Konzeption sind auch kreisförmige, ringförmige oder sechseckige Formen für das Stack 17 oder fast beliebige Grundrisse möglich, wenn es die Einbausituation erfordert und die Versorgung mit Luft und Brennstoff sichergestellt werden kann. Fig. 4 shows an example of this in direct current arrangement. Combustion air 2 a comes from a supply line 14 to an air box 16 and from there enters the cathode side of fuel cells 1 . The fuel gas 3 a is guided laterally into the stack 17 via the fuel gas line 15 . The stack 17 is constructed here similarly to a flat burner and the afterburning chamber 8 is designed as a common combustion chamber. The size of the individual stacks is largely determined by the cooling conditions in order to ensure that the stacks operate as isothermally as possible. In this arrangement, the cooling tubes 18 are arranged as radiation coolers. Another possible variant is an integration of the cooling tubes parallel to the cell tubes in the stack itself. However, the cooling tubes must be made of insulator material in order to avoid short circuits in the stack. A combination of cooling tubes integrated in the stack with external cooling tubes as shown in FIG. 4 is another possible variant which characterize the flexibility of the invention. In addition to the design reminiscent of flat burners, circular, ring-shaped or hexagonal shapes for stack 17 or almost any layout are possible if the installation situation requires it and the supply of air and fuel can be ensured.
Die Brennstoffaufbereitung soll erfindungsgemäß so erfolgen, daß die an der Brennstoffzelle freiwerdende Wärme unmittelbar für den endothermen Prozeß der Brennstoffaufbereitung eingesetzt werden kann. Bei Erdgaseinsatz ist heute die Reformierung üblich. Die in Fig. 4 gezeigte und die oben beschriebenen Anordnungen lassen sich auch zur Integration der Reformierung in das Stack nutzen. Es brauchen dabei nur die Anzahl von Röhren 18, die für die Abdeckung des Wärmebedarfs der Reformierung nötig sind, mit Katalysatormaterial gefüllt zu werden. Bei Kohle- oder Biomassevergasung ist eine allotherme Vergasung ein geeigneter Prozeß und hier können die Röhren 18 oder die Nachbrennkammer 8 als Wärmequelle für die allotherme Vergasung dienen.According to the invention, the fuel preparation should take place in such a way that the heat released at the fuel cell can be used directly for the endothermic process of fuel preparation. Reforming is common today when using natural gas. The arrangements shown in FIG. 4 and the arrangements described above can also be used to integrate the reforming into the stack. It is only necessary to fill the number of tubes 18 which are necessary for covering the heat requirement of the reforming with catalyst material. In coal or biomass gasification, allothermic gasification is a suitable process and here the tubes 18 or the afterburning chamber 8 can serve as a heat source for the allothermic gasification.
Eine zweckmäßige Fortbildung der Erfindung besteht darin, daß ein durchgehendes poröses Trägerrohr aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff gleicher Wärmeausdehnung wie der Elektrolytwerkstoff verwendet wird. Auf diesem Trägerrohr werden dann Kathodenmaterial, Elektrolyt und Anode als separate Zellen oder Zellabschnitte sowie der Interconnector zwischen den einzelnen Zellen durch eine geeignete Dünnschichttechnik und/oder Sintertechnik aufgebracht.A useful development of the invention is that a continuous porous carrier tube made of an electrically non-conductive material Thermal expansion as the electrolyte material is used. On this support tube are then cathode material, electrolyte and anode as separate cells or Cell sections as well as the interconnector between the individual cells by a suitable thin-film technology and / or sintering technology applied.
Claims (36)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19639517A DE19639517A1 (en) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Fuel cell device |
| EP97910312A EP0870343A1 (en) | 1996-09-26 | 1997-09-19 | Fuel cell installation with tubular high temperature fuel cells |
| PCT/EP1997/005143 WO1998013892A1 (en) | 1996-09-26 | 1997-09-19 | Fuel cell installation with tubular high temperature fuel cells |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19639517A DE19639517A1 (en) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Fuel cell device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19639517A1 true DE19639517A1 (en) | 1998-04-09 |
Family
ID=7806931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19639517A Ceased DE19639517A1 (en) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Fuel cell device |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0870343A1 (en) |
| DE (1) | DE19639517A1 (en) |
| WO (1) | WO1998013892A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005027253A2 (en) * | 2003-09-12 | 2005-03-24 | Clausthaler Umwelttechnikinstitut Gmbh (Cutec-Institut) | Fuel cell and fuel cell module therefor |
| WO2009075958A1 (en) * | 2007-12-11 | 2009-06-18 | Praxair Technology, Inc. | Oxygen separation element and method |
| WO2011015261A1 (en) * | 2009-08-06 | 2011-02-10 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Solid oxide fuel cell system |
| DE102022114730B3 (en) | 2022-06-10 | 2023-08-03 | Audi Aktiengesellschaft | Stack module box, fuel cell device and fuel cell vehicle |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999054951A1 (en) * | 1998-04-17 | 1999-10-28 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Fuel delivery system for fuel cell stacks |
| US6835481B2 (en) | 2000-03-29 | 2004-12-28 | Idatech, Llc | Fuel cell system with load management |
| AT412310B (en) * | 2003-06-03 | 2004-12-27 | Alpps Fuel Cell Systems Gmbh | MICRO REACTOR |
| US8389180B2 (en) | 2006-09-11 | 2013-03-05 | Battelle Energy Alliance, Llc | Electrolytic/fuel cell bundles and systems including a current collector in communication with an electrode thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0133747A1 (en) * | 1983-07-01 | 1985-03-06 | Westinghouse Electric Corporation | Improved fuel cell generators |
| US5273838A (en) * | 1992-10-07 | 1993-12-28 | Westinghouse Electric Corp. | Double interconnection fuel cell array |
| US5273839A (en) * | 1989-07-28 | 1993-12-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Fuel cell generator |
| EP0586264A1 (en) * | 1992-08-12 | 1994-03-09 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Oxygen ion conductor and solid electrolyte fuel cell |
| US5338623A (en) * | 1992-02-28 | 1994-08-16 | Ceramatec, Inc. | Series tubular design for solid electrolyte oxygen pump |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3377203A (en) * | 1963-12-20 | 1968-04-09 | Univ Ernst Moritz Arndt | Method of producing fuel cells with solid electrolytes and ceramic oxide electrode layers |
| FR1585403A (en) * | 1968-04-19 | 1970-01-23 | ||
| BE749879A (en) * | 1969-05-16 | 1970-11-04 | Comp Generale Electricite | HIGH TEMPERATURE BATTERIES AND FUEL CELL BATTERIES |
| JPS63178458A (en) * | 1987-01-20 | 1988-07-22 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Cylindrical solid electrolyte fuel cell |
| JPH01163973A (en) * | 1987-12-21 | 1989-06-28 | Osaka Gas Co Ltd | Fuel cell |
| JPH02103864A (en) * | 1988-10-12 | 1990-04-16 | Osaka Gas Co Ltd | Fuel cell |
| JP2927816B2 (en) * | 1989-05-12 | 1999-07-28 | 株式会社フジクラ | Solid oxide fuel cell stack |
| JPH03133065A (en) * | 1989-10-18 | 1991-06-06 | Agency Of Ind Science & Technol | Solid electrolyte fuel cell module |
| JPH03236161A (en) * | 1990-02-09 | 1991-10-22 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Solid electrolyte type fuel cell |
| JPH04104475A (en) * | 1990-08-23 | 1992-04-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Cylindrical solid electrolyte fuel cell |
| JP3259277B2 (en) * | 1991-01-21 | 2002-02-25 | 東陶機器株式会社 | Power generator incorporating a fuel cell |
| JPH05174860A (en) * | 1991-12-20 | 1993-07-13 | Fujikura Ltd | Solid electrolyte type fuel cell module |
| JPH0676836A (en) * | 1992-08-25 | 1994-03-18 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Manufacture of cylindrical solid electrolyte electrolytic cell |
| JPH06231777A (en) * | 1993-02-08 | 1994-08-19 | Fuji Electric Co Ltd | Solid electrolytic fuel cell |
| JPH08162140A (en) * | 1994-11-30 | 1996-06-21 | Kyushu Electric Power Co Inc | Solid electrolytic fuel cell |
| JPH08162139A (en) * | 1994-12-02 | 1996-06-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Cylindrical sintered type solid electrolytic fuel cell and its manufacture |
-
1996
- 1996-09-26 DE DE19639517A patent/DE19639517A1/en not_active Ceased
-
1997
- 1997-09-19 EP EP97910312A patent/EP0870343A1/en not_active Withdrawn
- 1997-09-19 WO PCT/EP1997/005143 patent/WO1998013892A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0133747A1 (en) * | 1983-07-01 | 1985-03-06 | Westinghouse Electric Corporation | Improved fuel cell generators |
| US5273839A (en) * | 1989-07-28 | 1993-12-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Fuel cell generator |
| US5338623A (en) * | 1992-02-28 | 1994-08-16 | Ceramatec, Inc. | Series tubular design for solid electrolyte oxygen pump |
| EP0586264A1 (en) * | 1992-08-12 | 1994-03-09 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Oxygen ion conductor and solid electrolyte fuel cell |
| US5273838A (en) * | 1992-10-07 | 1993-12-28 | Westinghouse Electric Corp. | Double interconnection fuel cell array |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005027253A2 (en) * | 2003-09-12 | 2005-03-24 | Clausthaler Umwelttechnikinstitut Gmbh (Cutec-Institut) | Fuel cell and fuel cell module therefor |
| WO2005027253A3 (en) * | 2003-09-12 | 2005-07-28 | Clausthaler Umwelttechnikinsti | Fuel cell and fuel cell module therefor |
| WO2009075958A1 (en) * | 2007-12-11 | 2009-06-18 | Praxair Technology, Inc. | Oxygen separation element and method |
| WO2011015261A1 (en) * | 2009-08-06 | 2011-02-10 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Solid oxide fuel cell system |
| US9178228B2 (en) | 2009-08-06 | 2015-11-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Solid oxide fuel cell system |
| DE102022114730B3 (en) | 2022-06-10 | 2023-08-03 | Audi Aktiengesellschaft | Stack module box, fuel cell device and fuel cell vehicle |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0870343A1 (en) | 1998-10-14 |
| WO1998013892A1 (en) | 1998-04-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE2927655C2 (en) | Method for operating an electrochemical fuel cell and a fuel cell suitable therefor | |
| DE60210483T2 (en) | HORIZONTALLY ARRANGED, TUBULAR SOLID OXYGEN FUEL CELL SYSTEMS, AND METHOD | |
| DE69910624T2 (en) | FUEL CELL CONSTRUCTION WITH INTERNAL REFORMATION AND SIMPLIFIED FUEL FEEDING | |
| CH679620A5 (en) | ||
| DE102005038928B4 (en) | Packet type fuel cell | |
| DE4223291C2 (en) | Fuel cell power generation system made up of system units | |
| DE4430958C1 (en) | Solid electrolyte high temperature fuel cell and fuel cell assembly | |
| EP1751817A1 (en) | High temperature solid electrolyte fuel cell and fuel cell installation built with said fuel cell | |
| EP0473540A2 (en) | Heat management in fuel cells with solid electrolyte | |
| DE112011101295T5 (en) | Thermal management in a fuel cell stack | |
| CH682270A5 (en) | ||
| EP0704109B1 (en) | High-temperature fuel cell installation | |
| DE19639517A1 (en) | Fuel cell device | |
| DE4011079C2 (en) | ||
| WO2010083788A1 (en) | Repeating unit for a fuel cell stack | |
| DE19517425C1 (en) | Fuel-cell arrangement with tubular cell elements | |
| WO1994022179A1 (en) | Arrangement for connecting stacks of high temperature fuel cells | |
| DE112009003577T5 (en) | Fuel cell system with segmented stack | |
| DE102022121234A1 (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
| EP1994594B1 (en) | Fuel cell arrangement | |
| DE102016223436A1 (en) | Apparatus and method for operating a fuel cell system | |
| DE102021109158A1 (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
| DE102020122081A1 (en) | Solid oxide fuel cell device and fuel cell vehicle | |
| EP3035431B1 (en) | Fuel cell module and method for operating a fuel cell module | |
| DE102005053634A1 (en) | Fuel cell, has channel, which is provided for conducting anode residual gases, and another channel provided for conducting oxidants, where channels are directly integrated in fuel cell after burning |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: WINKLER, WOLFGANG, PROF. DR.TECH., 21423 WINSEN, D |
|
| 8131 | Rejection |