DE4037970A1 - Automatic start-up of high-temp. hydrocarbon fuel cells - involves preheating of fuel and air by combustion with natural convection assistance in afterburner above stack - Google Patents

Automatic start-up of high-temp. hydrocarbon fuel cells - involves preheating of fuel and air by combustion with natural convection assistance in afterburner above stack

Info

Publication number
DE4037970A1
DE4037970A1 DE4037970A DE4037970A DE4037970A1 DE 4037970 A1 DE4037970 A1 DE 4037970A1 DE 4037970 A DE4037970 A DE 4037970A DE 4037970 A DE4037970 A DE 4037970A DE 4037970 A1 DE4037970 A1 DE 4037970A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel
gaseous
fuel cell
fuel cells
natural
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.)
Withdrawn
Application number
DE4037970A
Other languages
German (de)
Inventor
Ulf Dr Bossel
Reinhard Fried
James Ferguson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Schweiz Holding AG
ABB AB
Original Assignee
Asea Brown Boveri AG Switzerland
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asea Brown Boveri AG Switzerland, Asea Brown Boveri AB filed Critical Asea Brown Boveri AG Switzerland
Publication of DE4037970A1 publication Critical patent/DE4037970A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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
    • H01M8/04—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
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • 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
    • 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
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)

Abstract

A stack of ceramic fuel cells (14) in a double-walled enclosure (3) is supplied with methane (4) and air (1) via preheaters (6,2) built at different levels around the vertical exhaust pipe (12). Oxygen ion migration is promoted by warm-up using piezoelectric ignition (10) of the gaseous mixt. in the afterburner (9), aided by suction into the chimney (11) through natural convection. A temp. of 600 deg.C is attained within about 7 min, and the full 900 deg.C in 20 min. USE/ADVANTAGE - With ZrO2-based ionic condn. electrolytes. Start-up is effected easily without input of energy from external sources and complex control loops.

Description

Technisches GebietTechnical field

Hochtemperatur-Brennstoffzellen zur Umwandlung von chemi­ scher Energie in elektrische Energie. Die elektrochemische Energieumwandlung gewinnt dank ihres guten Wirkungsgrades gegenüber anderen Umwandlungsarten an Bedeutung.High temperature fuel cells for the conversion of chemi energy into electrical energy. The electrochemical Energy conversion wins thanks to its good efficiency compared to other types of conversion.

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung der elektochemischen Hochtemperatur-Prozesse unter Verwendung von keramischen Feststoffelektrolyten als Ionenleiter, wo­ bei das Verfahren weitgehend unabhängig vom Brennstoff an­ gewendet werden soll.The invention relates to the further development of using high temperature electro-chemical processes of ceramic solid electrolytes as ion conductors, where in the process largely independent of the fuel should be turned.

Die vorliegende Erfindung betrifft im engeren Sinne ein Verfahren zur selbsttätigen, autonomen, ohne Zufuhr von fremder elektrischer, mechanischer oder thermischer Energie auskommenden Inbetriebsetzung einer oder mehrerer, mit Koh­ lenwasserstoffen betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzel­ len, bestehend aus einem keramischen Feststoffelektrolyten auf der Basis von Zirkonoxyd. The present invention relates in a narrower sense Process for automatic, autonomous, without feeding external electrical, mechanical or thermal energy sufficient commissioning of one or more, with Koh high-temperature fuel cell len, consisting of a ceramic solid electrolyte based on zirconium oxide.  

Stand der TechnikState of the art

Die elektrochemische Umwandlung von chemischer in elektri­ sche Energie mittels Brennstoffzellen ist allgemein be­ kannt. Auch wird der Einsatz von festen keramischen Elek­ trolyten auf der Basis von Zirkonoxyd seit 1937 experimen­ tell untersucht. Eine gute Übersicht über die Entwicklung der Technik wird von F.J. Rohr (SOLID ELECTROLYTES, 1978, Seite 431) gegeben. Seither hat sich prinzipiell wenig ver­ ändert. Die keramischen Werkstoffe wurden verbessert. Die Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen werden im Hinblick auf eine kostengünstige Fertigung optimiert (vergl. W. J. Dollard und W. G. Parker, An overview of the Westinghouse Electric Corporation solid oxide fuel cell program, Exten­ ded Abstract, Fuel Cell Technology and Applications, Inter­ national Seminar, Den Haag, Niederlande, 26. bis 29. Oktober, 1987).The electrochemical conversion from chemical to electri cal energy using fuel cells is generally be knows. The use of solid ceramic elec trolytes based on zirconium oxide experiments since 1937 tell examined. A good overview of the development the technology is developed by F.J. Pipe (SOLID ELECTROLYTES, 1978, Page 431). In principle, little has changed since then changes. The ceramic materials have been improved. The Solid electrolyte fuel cells are considered with regard to cost-effective production optimized (see W. J. Dollard and W. G. Parker, An overview of the Westinghouse Electric Corporation solid oxide fuel cell program, Exten ded Abstract, Fuel Cell Technology and Applications, Inter national seminar, The Hague, Netherlands, 26th to 29th October, 1987).

Alle bekannten verwirklichten Brennstoffzellen mit kerami­ schem Feststoffelektrolyt werden durch eine künstliche Be­ heizung auf Betriebstemperatur gebracht. Hierzu dient ent­ weder eine direkte oder indirekte elektrische Aufheizung oder eine Beheizung mit heißen Verbrennungsgasen. In allen Fällen wird die Beheizung automatisch oder von Hand abge­ schaltet, wenn die Brennstoffzelle die gewünschte Be­ triebstemperatur erreicht hat und sich dann mit anfallender Abwärme selbsttätig auf dieser halten kann.All known fuel cells realized with kerami chemical solid electrolyte are by an artificial Be heating brought to operating temperature. This serves ent neither direct or indirect electrical heating or heating with hot combustion gases. In all In some cases, the heating is switched off automatically or manually switches when the fuel cell has the desired loading drive temperature has reached and then with increasing Waste heat can keep on this automatically.

Die erforderliche elektrische Heizleistung zur Erreichung der Betriebstemperatur ist wesentlich größer als die durch Joule′sche Verluste bereitgestellte Wärmeleistung. Das be­ deutet, daß zum Aufheizen der Brennstoffzelle in jedem Fall elektrische Energie von außen (Belastung des Elektri­ zitätswerks mit zusätzlicher Leistung) bereitgestellt werden muß. Daran sind die Kraftwerke in der Regel nicht interessiert. The electrical heating power required to achieve this the operating temperature is much higher than that by Heat output provided by Joule's losses. That be indicates that to heat the fuel cell in everyone Case of electrical energy from outside (stress on the electri zitätswerk with additional performance) provided must become. The power plants are usually not there Interested.  

Diese bekannten Verfahren erfordern einen beträchtlichen regeltechnischen Aufwand. Es müssen Temperaturfühler in den Brennstoffzellen installiert werden, die den Impuls zur be­ darfsgerechten Beheizung geben. Ferner muß die Heizung immer dann wieder angestellt werden, wenn die Temperatur in den Zellen absinkt. Außerdem sind die bekannten Ausführun­ gen von der Zufuhr von Fremdenergie abhängig.These known methods require a considerable amount control engineering effort. There must be temperature sensors in the Fuel cells are installed, which stimulate the be give appropriate heating. Furthermore, the heating always be turned on again when the temperature in the cells sink. In addition, the known versions dependent on the supply of external energy.

Die bekannte Betriebsweise von Hochtemperatur-Brennstoff­ zellen befriedigt nicht. Es existiert daher ein großes Be­ dürfnis, eine den großtechnischen Betriebsbedingungen ge­ rechter werdende Arbeitsweise zu entwickeln und zu verbes­ sern.The well-known mode of operation of high-temperature fuel cells do not satisfy. There is therefore a large Be need, a the large-scale operating conditions develop and improve working methods ser.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur selbsttätigen autonomen Inbetriebsetzung von Hochtempera­ tur-Brennstoffzellen mit Feststoffelektrolyt auf ZrO2-Basis ohne Zuhilfenahme von Fremdenergie anzugeben, welches den Einsatz von komplizierten Regelkreisen und ihren aufwendi­ gen Mechanismen weitgehend überflüssig macht und sich mit einfachen Mitteln verwirklichen läßt. Das Verfahren soll die für die Erreichung der Betriebstemperatur notwendige Wärme unmittelbar in situ an den Brennstoffzellen zur Ver­ fügung stellen, so daß sie nicht noch zusätzlich von au­ ßen zugeführt werden muß.The invention has for its object to provide a method for automatic autonomous commissioning of high-temperature fuel cells with solid electrolyte based on ZrO 2 without the help of external energy, which makes the use of complicated control loops and their complex mechanisms largely superfluous and simple means can be realized. The method is intended to provide the heat necessary for reaching the operating temperature directly in situ at the fuel cells, so that it does not have to be additionally supplied from the outside.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im eingangs erwähn­ ten Verfahren der gasförmige Brennstoff der Brennstoffzelle von unten zugeführt, in einer oberhalb der Brennstoffzelle sich befindlichen Nachverbrennungszone gezündet und mit Hilfe von unter natürlichem Luftzug unter Ausnutzung der freien Konvektion zugeführtem gasförmigen Sauerstoffträger verbrannt wird, und daß die Abgase in einem darüber be­ findlichen nachgeschalteten Vorwärmer für gasförmigen Sau­ erstoffträger sowie einem Vorwärmer für Brennstoff zur Ab­ gabe eines Teils ihrer fühlbaren Wärme und damit zur Auf­ heizung des gasförmigen Sauerstoffträgers und des Brenn­ stoffs gezwungen und einem einen natürlichen Sog verursa­ chenden vertikalen Abgasrohr zugeführt werden, und daß ferner der sukzessive eine höhere Temperatur annehmende gasförmige Sauerstoffträger zur indirekten Aufheizung der Brennstoffzelle bis auf Betriebstemperatur und damit zur Bereitstellung einer elektromotorischen Kraft herangezogen wird.This object is achieved in that mentioned in the beginning process of the gaseous fuel of the fuel cell fed from below, in one above the fuel cell located afterburning zone ignited and with Help by taking advantage of the natural draft Free convection supplied gaseous oxygen carrier is burned, and that the exhaust gases in a be over it sensitive downstream preheater for gaseous sow  erstoffträger and a preheater for fuel for Ab give up part of their sensible warmth and thus to heating of the gaseous oxygen carrier and the burner forced and creates a natural pull be fed vertical exhaust pipe, and that further the successively taking a higher temperature gaseous oxygen carriers for indirect heating of the Fuel cell up to operating temperature and thus for Provision of an electromotive force used becomes.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch eine Figur näher erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.The invention is based on the following, by a Figure described embodiment described in more detail.

Dabei zeigt: Die Figur einen prinzipiellen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit eingezeich­ netem Fließdiagramm.It shows: The figure shows a basic schematic structure of a Device for performing the method with netem flowchart.

Die Figur stellt den Ablauf des Verfahrens anhand einer schematisierten Betriebsanlage dar. 1 stellt die Zufuhr des gasförmigen Sauerstoffträgers, in vorliegendem Fall Luft (Symbol O2+4N2) dar. 2 ist ein Vorwärmer für den Sauer­ stoffträger, der durch das Abgas beheizt wird. 3 stellt ein doppelwandiges wärmeisolierendes Gefäß (sogenannter Dop­ pelwand-Behälter) zur Aufnahme der Brennstoffzellen-Batte­ rie dar. 4 ist die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs, im vorliegenden Fall Methan (Symbol CH4). 5 ist das Ein­ laßventil für den gasförmigen Brennstoff. 6 bezieht sich auf den Vorwärmer für den gasförmigen Brennstoff. 7 ist der Weg des Sauerstoffs und des mitgeführten Ballastgases in Form von Stickstoff nach dem Austritt aus den Brennstoff­ zellen. Entsprechend bedeutet 8 den Weg des Brennstoffs im Stapel der Brennstoffzellen. Am Ausgang der Brennstoffzel­ len (oberes Ende des Stapels) befindet sich der Brenner 9 für die Nachverbrennung sowie die Einrichtung 10 für die Piezozündung. 11 ist die Abfuhr des Abgases nach dem Ver­ lassen der Nachverbrennungszone, welches im vorliegenden Fall aus einer Mischung von Stickstoff, Wasserdampf und Kohlendioxyd (Symbole N2; H2O; CO2) besteht. 12 stellt ein senkrechtes Abgasrohr für natürlichen Auftrieb der gasför­ migen Medien (Sogerzeugung durch freie Konvektion) dar. 13 bedeutet den Austritt des Abgases beim schlußendlichen Verlassen der Betriebsanlage. 14 sind die keramischen Brennstoffzellen, die auf der einen Seite des Elektrolyten mit dem gasförmigen Sauerstoffträger, auf der anderen Seite mit dem gasförmigen Brennstoff beaufschlagt werden.The figure represents the sequence of the method using a schematic operating system. 1 represents the supply of the gaseous oxygen carrier, in the present case air (symbol O 2 + 4N 2 ). 2 is a preheater for the oxygen carrier, which is heated by the exhaust gas . 3 represents a double-walled heat-insulating vessel (so-called double-walled container) for holding the fuel cell battery. 4 is the supply of the gaseous fuel, in the present case methane (symbol CH4). 5 is the inlet valve for the gaseous fuel. 6 refers to the preheater for the gaseous fuel. 7 is the path of the oxygen and the entrained ballast gas in the form of nitrogen after it has emerged from the fuel cells. Accordingly, 8 means the path of the fuel in the stack of fuel cells. At the exit of the fuel cell len (upper end of the stack) there is the burner 9 for the afterburning and the device 10 for the piezo ignition. 11 is the removal of the exhaust gas after leaving the afterburning zone, which in the present case consists of a mixture of nitrogen, water vapor and carbon dioxide (symbols N 2 ; H 2 O; CO 2 ). 12 represents a vertical exhaust pipe for natural buoyancy of the gaseous media (suction generation by free convection). 13 means the exit of the exhaust gas when finally leaving the operating system. 14 are the ceramic fuel cells which are charged with the gaseous oxygen carrier on one side of the electrolyte and with the gaseous fuel on the other side.

Die Funktionsweise ergibt sich wie folgt:
Bei der Inbetriebsetzung der Anlage ist die Temperatur (meist Umgebungstemperatur) im Bereich der elektrochemi­ schen Energieumsetzung in den Brennstoffzellen für jede Re­ aktion zu niedrig. Die Wanderung der Sauerstoffionen durch den Feststoffelektrolyten zum Brennstoff hin findet prak­ tisch nicht statt. Um eine Wanderung der Ionen zu bewerk­ stelligen, muß der Elektrolyt zunächst auf eine bestimmte minimale Temperatur erwärmt werden. Bei niedriger Tempera­ tur enthält demzufolge das auf der Sauerstoffseite abzie­ hende gasförmige Medium noch den vollen Anteil an Sauer­ stoff. Dieses Medium (Symbol O2; 4N2) wird nun dem Brenner 9 für Nachverbrennung zusammen mit dem abgesaugten gasför­ migen Brennstoff (Symbol CH4) zugeführt. Das Gasgemisch wird mittels der Einrichtung 10 für Piezozündung gezündet und verbrannt. Dabei wird die für die Förderung der gasför­ migen Medien notwendige treibende Kraft bzw. Energie durch den durch Auftrieb im senkrechten Abgasrohr 13 herrschenden Sog bereitgestellt. It works as follows:
When the system is started up, the temperature (usually ambient temperature) in the area of electrochemical energy conversion in the fuel cells is too low for every reaction. The migration of the oxygen ions through the solid electrolyte to the fuel practically does not take place. In order to bring about a migration of the ions, the electrolyte must first be heated to a certain minimum temperature. If the temperature is low, the gaseous medium on the oxygen side still contains the full amount of oxygen. This medium (symbol O 2 ; 4N 2 ) is now fed to burner 9 for afterburning together with the extracted gas-like fuel (symbol CH 4 ). The gas mixture is ignited and burned by means of the piezo ignition device 10 . The driving force or energy necessary for the promotion of the gaseous media is provided by the suction prevailing in the vertical exhaust pipe 13 due to buoyancy.

Durch die im Brenner 9 für Nachverbrennung vollständig in Wärme umgesetzte Brennstoffenergie werden das Abgasrohr 12 sowie die Vorwärmer (Wärmetauscher) 2 und 6 aufgeheizt. Dadurch werden die gasförmigen Medien entsprechend vorge­ wärmt. Der Sog (Auftrieb) wird verstärkt. Dies alles hat wieder eine Intensivierung der Verbrennung zur Folge, so­ daß die ganze Anlage rasch auf Betriebstemperatur gebracht wird. Der Vorgang kann durch das Einlaßventil 5 für gas­ förmigen Brennstoff ideal reguliert werden. Im Prinzip werden also die keramischen Brennstoffzellen 14 auf jeweils beiden Seiten durch die noch nicht miteinander reagierten gasförmigen Medien (O2; 4N2 bzw. CH4) sozusagen indirekt aufgeheizt. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur be­ ginnt eine namhafte Wanderung der Sauerstoffionen durch den Feststoffelektrolyten der Brennstoffzellen 14. Dadurch ver­ armt der auf der Sauerstoffseite die Brennstoffzellen 14 verlassende Gasstrom zusehends an Sauerstoff. Gleichzeitig wird gasförmiger Brennstoff (CH4) auf der Brennstoffseite verbraucht und der Anteil an Reaktionsprodukten (CO2; H2O) im Restgasstrom steigt. Dadurch wird die Verbrennung im Brenner 9 für Nachverbrennung immer schwächer, bis das für das vom Betrieb geforderte stationäre Gleichgewicht er­ reicht ist.The exhaust gas pipe 12 and the preheaters (heat exchangers) 2 and 6 are heated by the fuel energy which is completely converted into heat in the burner 9 for afterburning. As a result, the gaseous media are preheated accordingly. The suction (buoyancy) is increased. All of this again results in an intensification of the combustion, so that the entire system is quickly brought up to operating temperature. The process can be ideally regulated by the inlet valve 5 for gaseous fuel. In principle, the ceramic fuel cells 14 are heated indirectly on both sides by the gaseous media (O 2 ; 4N 2 or CH 4 ) that have not yet reacted with one another. When a certain temperature is reached, a significant migration of the oxygen ions through the solid electrolyte of the fuel cells 14 begins. As a result, the gas stream leaving the fuel cells 14 on the oxygen side is increasingly depleted of oxygen. At the same time, gaseous fuel (CH 4 ) is consumed on the fuel side and the proportion of reaction products (CO2; H 2 O) in the residual gas stream increases. As a result, the combustion in the burner 9 for afterburning becomes weaker and weaker until it reaches the steady state balance required by the operation.

AusführungsbeispielEmbodiment Siehe FigurSee figure

Einem gemäß der Figur aufgebauten Stapel von keramischen Brennstoffzellen 14 wurden die gasförmigen Medien Luft (O₂; 4N₂) und Methan (CH₄) nach Maßgabe des zur Verfügung ste­ henden Auftriebs (natürliche Konvektion) im senkrechten Ab­ gasrohr 12 zugeleitet (Zufuhr 1 für Luft; Zufuhr 4 für Methan). Die zwischen Eintritt Brennstoffzellenstapel unten (Boden des Gefäßes 3) und Abgasrohr 12 oben (Austritt 13) am Anfang gemessene Druckdifferenz des natürlichen Luftzugs betrug 0,1 mbar. Unter diesen Bedingungen ergab sich an­ fänglich eine Zufuhr 1 von Luft von 0,2 l/s und eine Zufuhr 4 von Methan von 0,01 l/s, jeweils bezogen auf Normalbe­ dingungen.A stack of ceramic fuel cells 14 constructed according to the figure, the gaseous media air (O₂; 4N₂) and methane (CH₄) were fed in accordance with the available buoyancy (natural convection) in the vertical exhaust gas pipe 12 (supply 1 for air; supply 4 for methane). The pressure difference of the natural air draft measured at the beginning between the fuel cell stack at the bottom (bottom of the vessel 3 ) and the exhaust pipe 12 at the top (outlet 13 ) was 0.1 mbar. Under these conditions, there was initially a supply 1 of air of 0.2 l / s and a supply 4 of methane of 0.01 l / s, each based on normal conditions.

Nach ca. 2 min war die Temperatur an der Abfuhr 11 des Ab­ gases auf ca. 400°C gestiegen und der Luftstrom betrug nun 0,3 l/s, der Methanstrom 0,015 l/s (umgerechnet auf Normal­ bedingungen). Nach weiteren 5 min betrug die Temperatur an der Abfuhr 11 der Abgase ca. 650°C, diejenige im Innern der Brennstoffzellen 14 ca. 600°C. Letztere war gerade die Grenze, wo nun nach Schließung des äußeren Stromkreises die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen 14 einsetzte, wodurch entsprechend der Joule′schen Verluste zusätzlich Wärme in situ bereitgestellt wurde. Nach weite­ ren 10 min wurde an den Brennstoffzellen 14 eine Temperatur von 850°C gemessen, wobei bereits die volle Zellenspannung von 0,75 V erreicht wurde. Unter diesen Umständen konnte die Anlage mit ca. 15% der Nennleistung belastet werden. Diese Leistung reichte bei weitem aus, nun die elektrisch angetriebenen Hilfseinrichtungen zur Förderung der gasför­ migen Medien (Gebläse, Pumpen etc.) in Betrieb zu setzen. Diese wurden derart einreguliert, daß die Zufuhr 1 von Luft ca. 2 l/s und die Zufuhr 4 von Methan ca. 0,1 l/s be­ trug. Nach wenigen weiteren Minuten erreichten die Brenn­ stoffzellen 14 ihre Nenn-Betriebstemperatur von 900°C. Nun konnte die Anlage mit der vollen Nennleistung an den Klem­ men von ca. 1,8 kW belastet werden.After about 2 minutes, the temperature at the discharge 11 of the exhaust gas had risen to about 400 ° C. and the air flow was now 0.3 l / s, the methane flow 0.015 l / s (converted to normal conditions). After a further 5 minutes, the temperature at the exhaust 11 was about 650 ° C., that inside the fuel cells 14 was about 600 ° C. The latter was just the limit where the electrochemical reaction in the fuel cells 14 now started after the outer circuit was closed, whereby additional heat was provided in situ in accordance with Joule's losses. After a further 10 minutes, a temperature of 850 ° C. was measured on the fuel cells 14 , the full cell voltage of 0.75 V having already been reached. Under these circumstances, the system could be loaded with approximately 15% of the nominal output. This performance was by far sufficient to put the electrically driven auxiliary devices for conveying the gaseous media (blowers, pumps etc.) into operation. These were adjusted in such a way that the supply 1 of air was approx. 2 l / s and the supply 4 of methane was approx. 0.1 l / s. After a few more minutes, the fuel cells 14 reached their nominal operating temperature of 900 ° C. Now the system could be loaded with the full nominal output at the terminals of approx. 1.8 kW.

Das Verfahren zur selbsttätigen, autonomen, ohne Zufuhr von fremder elektrischer, mechanischer oder thermischer Energie auskommenden Inbetriebsetzung einer oder mehrerer, mit Koh­ lenwasserstoffen betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzel­ len 14, bestehend aus einem keramischen Feststoffelektroly­ ten auf der Basis von Zirkonoxyd, wird durchgeführt, indem der gasförmige Brennstoff der Brennstoffzelle 14 von unten zugeführt, in einer oberhalb der Brennstoffzelle 14 sich befindlichen Nachverbrennungszone gezündet (9; 10) und mit Hilfe von unter natürlichem Luftzug unter Ausnutzung der freien Konvektion zugeführtem gasförmigen Sauerstoffträger verbrannt wird, und daß die Abgase in einem darüber be­ findlichen nachgeschalteten Vorwärmer für gasförmigen Sau­ erstoffträger 2 sowie einem Vorwärmer für Brennstoff 6 zur Abgabe eines Teils ihrer fühlbaren Wärme und damit zur Auf­ heizung des gasförmigen Sauerstoffträgers und des Brenn­ stoffs gezwungen und einem einen natürlichen Sog verursa­ chenden vertikalen Abgasrohr 12 zugeführt werden, und daß ferner der sukzessive eine höhere Temperatur annehmende gasförmige Sauerstoffträger zur Aufheizung der Brennstoff­ zelle 14 bis auf Betriebstemperatur und damit zur Bereit­ stellung einer elektromotorischen Kraft herangezogen wird.The process for the automatic, autonomous commissioning of one or more high-temperature fuel cells 14 , which are operated with hydrocarbons and consists of a ceramic solid electrolyte based on zirconium oxide, and which does not require the supply of external electrical, mechanical or thermal energy is carried out by the gaseous fuel of the fuel cell 14 fed from below, ignited in a post-combustion zone located above the fuel cell 14 ( 9; 10 ) and burned with the help of natural air draft using free convection gaseous oxygen carrier, and that the exhaust gases in a be sensitive downstream preheater for gaseous Sau erstoffträger 2 and a preheater for fuel 6 to give off part of their sensible heat and thus to heating up the gaseous oxygen carrier and the fuel and forced a natural one Sog causing vertical exhaust pipe 12 are supplied, and that the successively a higher temperature gaseous oxygen carrier for heating the fuel cell 14 is used up to operating temperature and thus to provide an electromotive force.

Vorzugsweise ist der gasförmige Brennstoff CH4, das aus einer unter natürlichem Überdruck stehenden Quelle wie Erd­ gasquelle oder Druckbehälter der Brennstoffzelle 14 und so­ mit der Nachverbrennungszone zugeführt wird, wobei durch den auf diese Weise bereitgestellten Gasstrahl durch Ejek­ torwirkung der Sog der freien Konvektion unterstützt wird.Preferably, the gaseous fuel is CH 4 , which is supplied from a source under natural positive pressure, such as a natural gas source or pressure vessel, to the fuel cell 14 and thus to the afterburning zone, the suction of free convection being supported by the gas jet provided in this way by ejector action .

Claims (2)

1. Verfahren zur selbsttätigen, autonomen, ohne Zufuhr von fremder elektrischer, mechanischer oder thermi­ scher Energie auskommenden Inbetriebsetzung einer oder mehrerer, mit Kohlenwasserstoffen betriebenen Hochtem­ peratur-Brennstoffzellen (14), bestehend aus einem ke­ ramischen Feststoffelektrolyten auf der Basis von Zir­ konoxyd, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Brennstoff der Brennstoffzelle (14) von unten zuge­ führt, in einer oberhalb der Brennstoffzelle (14) sich befindlichen Nachverbrennungszone gezündet (9; 10) und mit Hilfe von unter natürlichem Luftzug unter Ausnut­ zung der freien Konvektion zugeführtem gasförmigen Sauerstoffträger verbrannt wird, und daß die Abgase in einem darüber befindlichen nachgeschalteten Vorwär­ mer für gasförmigen Sauerstoffträger (2) sowie einem Vorwärmer für Brennstoff (6) zur Abgabe eines Teils ihrer fühlbaren Wärme und damit zur Aufheizung des gasförmigen Sauerstoffträgers und des Brennstoffs ge­ zwungen und einem einen natürlichen Sog verursachenden vertikalen Abgasrohr (12) zugeführt werden, und daß ferner der sukzessive eine höhere Temperatur anneh­ mende gasförmige Sauerstoffträger zur Aufheizung der Brennstoffzelle (14) bis auf Betriebstemperatur und damit zur Bereitstellung einer elektromotorischen Kraft herangezogen wird.1. A method for automatic, autonomous, without supply of external electrical, mechanical or thermal energy coming into operation of one or more hydrocarbon-operated high-temperature fuel cells ( 14 ), consisting of a ceramic solid electrolyte based on zirconium oxide, thereby characterized in that the gaseous fuel of the fuel cell ( 14 ) leads from below, ignited in a post-combustion zone located above the fuel cell ( 14 ) ( 9; 10 ) and burned with the help of natural air draft using free convection supplied gaseous oxygen carrier is, and that the exhaust gases in an upstream downstream preheater for gaseous oxygen carriers ( 2 ) and a preheater for fuel ( 6 ) to emit part of their sensible heat and thus to heat the gaseous oxygen carrier and the fuel ge and forced a natural suction causing vertical exhaust pipe ( 12 ) are supplied, and that the successively a higher temperature-accepting gaseous oxygen carrier for heating the fuel cell ( 14 ) up to operating temperature and thus to provide an electromotive force is used. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Brennstoff CH4 ist, das aus einer unter natürlichem Überdruck stehenden Quelle wie Erd­ gasquelle oder Druckbehälter der Brennstoffzelle (14) und somit der Nachverbrennungszone (9) zugeführt wird, und daß durch den auf diese Weise bereitgestellten Gasstrahl durch Ejektorwirkung der Sog der freien Kon­ vektion unterstützt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the gaseous fuel is CH 4 , which is supplied from a natural pressure source such as natural gas source or pressure vessel of the fuel cell ( 14 ) and thus the afterburning zone ( 9 ), and that by the in this way provided gas jet is supported by the ejector effect of the suction of the free convection.
DE4037970A 1989-12-21 1990-11-29 Automatic start-up of high-temp. hydrocarbon fuel cells - involves preheating of fuel and air by combustion with natural convection assistance in afterburner above stack Withdrawn DE4037970A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH457589 1989-12-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE4037970A1 true DE4037970A1 (en) 1991-06-27

Family

ID=4278656

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE4037970A Withdrawn DE4037970A1 (en) 1989-12-21 1990-11-29 Automatic start-up of high-temp. hydrocarbon fuel cells - involves preheating of fuel and air by combustion with natural convection assistance in afterburner above stack

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4037970A1 (en)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19505274A1 (en) * 1995-02-16 1996-08-22 Siemens Ag Solid electrolyte high temperature fuel cell module and method for its operation
DE19523973C1 (en) * 1995-06-30 1996-12-19 Siemens Ag High-temperature fuel cell system and method for its operation
WO1997002613A1 (en) * 1995-06-30 1997-01-23 Siemens Aktiengesellschaft High-temperature fuel cell installation with process gas electric heating and process for operating the same
US5942344A (en) * 1995-06-30 1999-08-24 Siemens Aktiengesellschaft High-temperature fuel cell system and method for its operation
US5952116A (en) * 1995-02-16 1999-09-14 Siemens Aktiengesellschaft Solid electrolyte high temperature fuel cell module and method for its operation
DE19857398A1 (en) * 1998-12-12 2000-06-15 Opel Adam Ag Fuel cell system, in particular for vehicles powered by an electric motor
DE19910387A1 (en) * 1999-03-09 2000-09-21 Siemens Ag Fuel cell battery with heating and improved cold start performance and method for cold starting a fuel cell battery
AT408043B (en) * 1998-11-23 2001-08-27 Vaillant Gmbh FUEL CELL ARRANGEMENT
AT408041B (en) * 1998-10-08 2001-08-27 Vaillant Gmbh FUEL CELL ARRANGEMENT
EP1205993A1 (en) * 2000-11-07 2002-05-15 Sulzer Hexis AG Method for operating a fuel cell battery with a control arrangement
US6682836B2 (en) 2000-11-07 2004-01-27 Sulzer Hexis Ag Method for the operation of a fuel cell battery comprising a control system
EP1394883A1 (en) * 2002-06-24 2004-03-03 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having tempering of fuel cell stacks by exhaust gas
US6942942B2 (en) 2002-06-24 2005-09-13 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell assembly having a thermal enclosure within a structural enclosure
DE102017214172A1 (en) * 2017-08-15 2019-02-21 Robert Bosch Gmbh fuel cell device

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19505274A1 (en) * 1995-02-16 1996-08-22 Siemens Ag Solid electrolyte high temperature fuel cell module and method for its operation
US5952116A (en) * 1995-02-16 1999-09-14 Siemens Aktiengesellschaft Solid electrolyte high temperature fuel cell module and method for its operation
DE19523973C1 (en) * 1995-06-30 1996-12-19 Siemens Ag High-temperature fuel cell system and method for its operation
WO1997002613A1 (en) * 1995-06-30 1997-01-23 Siemens Aktiengesellschaft High-temperature fuel cell installation with process gas electric heating and process for operating the same
US5942344A (en) * 1995-06-30 1999-08-24 Siemens Aktiengesellschaft High-temperature fuel cell system and method for its operation
AT408041B (en) * 1998-10-08 2001-08-27 Vaillant Gmbh FUEL CELL ARRANGEMENT
AT408043B (en) * 1998-11-23 2001-08-27 Vaillant Gmbh FUEL CELL ARRANGEMENT
DE19956220B4 (en) * 1998-11-23 2012-04-19 Vaillant Gmbh Method for operating a fuel cell assembly
DE19857398A1 (en) * 1998-12-12 2000-06-15 Opel Adam Ag Fuel cell system, in particular for vehicles powered by an electric motor
DE19857398B4 (en) * 1998-12-12 2010-07-08 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Fuel cell system, in particular for electric motor driven vehicles
DE19910387A1 (en) * 1999-03-09 2000-09-21 Siemens Ag Fuel cell battery with heating and improved cold start performance and method for cold starting a fuel cell battery
EP1205993A1 (en) * 2000-11-07 2002-05-15 Sulzer Hexis AG Method for operating a fuel cell battery with a control arrangement
US6682836B2 (en) 2000-11-07 2004-01-27 Sulzer Hexis Ag Method for the operation of a fuel cell battery comprising a control system
AU782268B2 (en) * 2000-11-07 2005-07-14 Sulzer Hexis Ag Method for the operation of a fuel cell battery comprising a control system
EP1394883A1 (en) * 2002-06-24 2004-03-03 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having tempering of fuel cell stacks by exhaust gas
US6942942B2 (en) 2002-06-24 2005-09-13 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell assembly having a thermal enclosure within a structural enclosure
US7588849B2 (en) 2002-06-24 2009-09-15 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having tempering of fuel cell stacks by exhaust gas
DE102017214172A1 (en) * 2017-08-15 2019-02-21 Robert Bosch Gmbh fuel cell device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4037970A1 (en) Automatic start-up of high-temp. hydrocarbon fuel cells - involves preheating of fuel and air by combustion with natural convection assistance in afterburner above stack
DE19857398B4 (en) Fuel cell system, in particular for electric motor driven vehicles
DE69008090T2 (en) Method and device for using and recovering carbon dioxide in a combustion exhaust gas.
DE69025496T2 (en) Method and plant for generating electrical energy
DE2849151A1 (en) FUEL CELL POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD OF OPERATING THE SAME
DE60132987T2 (en) SOLID POLYMER FUEL CELL
DE2604982A1 (en) FUEL CELL POWER SUPPLY SYSTEM OPERATING UNDER PRESSURE WITH A SINGLE REACTION GAS FLOW
ES2042052T3 (en) FLOW CONTROL IN THE CATHODE FOR FUEL CELL MOTOR PLANT.
CN104577157B (en) Fuel cell heating device and heating means, fuel cell system
EP2596154A1 (en) Energy storage device and method for the reversible storage of energy
EP0377151A1 (en) Method for the automatic control of temperature and power of one or more high-temperature fuel cells powered by hydrocarbons
EP0482222A1 (en) Method for the separation of nitrogen and carbon dioxide and concentration of the latter in energysupplying oxydation- and combustion processes
US4246080A (en) Solar-energy-process-converter system
US3268364A (en) Fuel cell control system
WO2000063993A1 (en) Mains-independent portable power generation system without pollutant emission, and method for producing electric current using same
EP0613588B1 (en) Process and device for disengaging heat from fuel cells
EP1564830A2 (en) Method for producing electricity and heat
EP0361612B1 (en) Method for generating electricity
DE102007023376B4 (en) Method for starting up, shutting down and flushing a fuel cell in a fuel cell system
EP0835530B1 (en) High-temperature fuel cell installation and process for its operation
JPH0997622A (en) Fuel cell facilities
JPS62268066A (en) Starting method for fuel cell
EP0898790B1 (en) High-temperature fuel cell plant and process for operating the same
JPS57199183A (en) Power generation with fuel cell and its equipment
WO1997002613A1 (en) High-temperature fuel cell installation with process gas electric heating and process for operating the same

Legal Events

Date Code Title Description
8139 Disposal/non-payment of the annual fee