DE10136710A1 - High-temperature fuel cell reactor for high-power density cells has individual tubes coupled in sequence according to flow and devices to conduct air into a first tube and out of a second - Google Patents

High-temperature fuel cell reactor for high-power density cells has individual tubes coupled in sequence according to flow and devices to conduct air into a first tube and out of a second

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Abstract

An air outlet (13) on the periphery of a second tube (10') acts as a device for conducting air out. A side borehole on each individual tube acts as an air outlet. The diameters of the boreholes in the outlet channels are designed so that they form a definite throttling point and achieve an even distribution of air in a high-power density cell. A bottom cap (15) diverts air at the end of the tubes (10,10').

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Reaktor mit HPD-Zellen aus einzelnen Rohren, die strömungstechnisch hintereinandergeschaltet sind, wobei Mittel zur Lufteinleitung in die Rohre und Luftausleitung aus den Rohren vorhanden sind. The invention relates to a High temperature fuel cell reactor with HPD cells made from individual tubes are connected in series in terms of flow, whereby Means for the introduction of air into the pipes and air discharge the pipes are present.

Zur abgasfreien Energieerzeugung aus primären flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen werden seit einiger Zeit Brennstoffzellen vorgeschlagen. Speziell für eine dezentrale Energie- und/oder Wärmeerzeugung erscheint die Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die mit einem oxidkeramischen Elektrolyten arbeitet und in der Fachwelt als SOFC (Solid Oxide Fuell Cell) bezeichnet wird, geeignet. Der aktuelle Entwicklungsstand der SOFC ist unter anderem in "VIK-Berichte" Nr. 214 (1999) "Brennstoffzellen", insbesondere Seite 49ff., dargestellt. For the emission-free generation of energy from primary liquid and / or gaseous fuels have been around for some time Fuel cells proposed. Especially for a decentralized Energy and / or heat generation appears High temperature fuel cell using an oxide ceramic Electrolytes works and in the professional world as SOFC (Solid Oxide Fuell Cell) is suitable. The current The state of development of the SOFC can be found in "VIK Reports" No. 214 (1999) "Fuel Cells", in particular page 49ff., shown.

Eine SOFC-Brennstoffzelle besteht aus folgenden Komponenten:

  • - Einer Brennstoffelektrode(Anode) aus einem Zirkonoxid/Nickelcermet,
  • - einem Elektrolyt aus dotiertem Zirkonoxid (YSZ) und
  • - einer Luftelektrode (Kathode aus einem peroskitischen Lanthan-Strontium-Calciummanganat).
A SOFC fuel cell consists of the following components:
  • A fuel electrode (anode) made of a zirconium oxide / nickel cermet,
  • - An electrolyte made of doped zirconium oxide (YSZ) and
  • - an air electrode (cathode made of a peroskitic lanthanum strontium calcium manganate).

Bei der SOFC besteht der feste Elektrolyt aus keramischem Zirkonoxid, das durch Ersatz von 16 bis 20 Atom-% des vierwertigen Zirkoniums durch ein dreiwertiges Ion, insbesondere Yttrium oder Scandium, sauerstoffleitend wird. The solid electrolyte of the SOFC consists of ceramic Zirconium oxide, which is replaced by 16 to 20 atom% of tetravalent zirconium through a trivalent ion, in particular Yttrium or scandium, is oxygen-conducting.

Beim Röhrenkonzept einer SOFC entsprechend oben zitierter Veröffentlichung ist die Kathode als poröses Trägerrohr ausgebildet, auf der streifenförmig beispielsweise durch Plasmaspritzen ein Lanthan-Strontium-Chromat-Interconnector abgeschieden wird, der zur kathodenseitigen Stromabführung dient. With the tube concept of a SOFC cited above Publication is the cathode as a porous support tube trained on the strip-shaped, for example Plasma spraying a lanthanum strontium chromate interconnector is deposited, which serves for cathode-side current dissipation.

Auf dem Rohrumfang wird eine gasdichte YSZ-Elektrolytschicht erzeugt, worauf die Ni/YSZ-Anode aufgebracht und eingesintert wird. Eine solche Rohreinheit ist das wesentliche technische Element der SOFC und kann bei Temperaturen von ca. 950°C bis zu 150 W elektrische Leistung abgeben. A gas-tight YSZ electrolyte layer is placed on the pipe circumference generated, whereupon the Ni / YSZ anode applied and sintered becomes. Such a tube unit is the essential technical one Element of the SOFC and can be used at temperatures of approx. 950 ° C give up to 150 W electrical power.

Um technisch sinnvolle Spannungen und Ströme zu erhalten, werden Einzelzellen über Nickelbeschichtungen und Nickelfilze durch Serien- und Parallelschaltung zu Bündeln zusammengefasst. Beispielsweise besteht ein solches Bündel aus acht in Reihe geschalteten Zellen, wobei drei solcher Reihen parallel verschaltet sind. In order to obtain technically meaningful voltages and currents, become single cells over nickel coatings and nickel felts through series and parallel connection to bundles summarized. For example, such a bundle consists of eight in Row connected cells, with three such rows in parallel are connected.

Vom Stand der Technik ist auf der Basis der Bündelung einer Vielzahl derartiger Brennstoffzellen bereits ein Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Reaktor bekannt, der hinsichtlich seiner technischen Auslegung optimiert ist und sogenannte HPD(High Power Density)-Zellen aufweist. Dabei hat jeder Lufteinlasskanal einer HPD-Zelle ein separates Lufteinleitungsrohr und eine im Rohr integrierte Luftumlenkung. One of the prior art is based on the bundling A large number of such fuel cells High temperature fuel cell reactor known for its technical design is optimized and so-called HPD (High Power Density) cells. Everyone has Air inlet duct of a HPD cell and a separate air inlet pipe an air deflection integrated in the pipe.

Insgesamt ist der technische Aufwand für die Fertigung einer HPD-Zelle vergleichsweise hoch. Overall, the technical effort to manufacture one HPD cell comparatively high.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Hochtemperatur- Brennstoffzellenreaktor mit HPD-Zellen zu schaffen, der technisch einfacher ist und bei dem der Fertigungsaufwand geringer ist. The object of the invention is therefore to provide a high-temperature To create fuel cell reactor with HPD cells that is technically simpler and in which the manufacturing effort is less.

Die Aufgabe wird bei einem Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Reaktor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. The task is at a high temperature fuel cell Reactor of the type mentioned in the invention by Features of claim 1 solved. Training courses are specified in the dependent claims.

Gemäß der Erfindung entfällt das zusätzliche Lufteinleitungsrohr. Statt dessen werden entsprechend längere Tragstrukturen der Zelle verwendet. Durch den Wegfall der teuren keramischen Lufteinleitungsrohre ergibt sich eine beachtliche Verbilligung des Reaktors. Gleichermaßen wird der gesamte Druckverlust längs des Luftwegs verringert, was insbesondere bei Realisierung von Kanälen mit geringer Höhe H von Bedeutung ist. According to the invention, the additional is eliminated Air inlet tube. Instead, longer support structures are used the cell used. By eliminating the expensive ceramic Air inlet pipes result in a remarkable Cheaper reactor. Likewise, the whole Pressure loss along the airway is reduced, which in particular Realization of channels with low height H is important.

Beim erfindungsgemäßen Reaktor und dem zugehörigen Herstellungsverfahren für die HPD-Zelle kann die bisher jeweils separate Luftumlenkung am Rohrende durch die Verwendung einer gemeinsamen Bodenkappe mit integrierter Luftführung ersetzt werden. Dadurch werden beim Herstellungsprozess insgesamt Arbeitsschritte eingespart, wodurch sich eine Kosteneinsparung ergibt. Weiterhin kann nunmehr der Elektrolyt am Umfang des Rohres bis zum Rohranfang hochgezogen werden. In the reactor according to the invention and the associated Manufacturing processes for the HPD cell can be done so far separate air deflection at the end of the pipe by using a common bottom cap with integrated air duct replaced become. As a result, the manufacturing process as a whole Work steps saved, which saves costs results. Furthermore, the electrolyte on the circumference of the Tube up to the start of the tube.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen Further advantages and details of the invention emerge from the following description of the figures Exemplary embodiment with reference to the drawing in connection with the Claims. Show it

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Bündels von HPD- Zellen mit einzelnen Röhren mit verbesserter Luftführung und Fig. 1 is a simplified representation of a bundle of HPD cells with individual tubes with improved airflow and

Fig. 2 einen Schnitt durch Fig. 1 längs der Linie II/II. Fig. 2 shows a section through Fig. 1 along the line II / II.

Beide Figuren werden nachfolgend gemeinsam beschrieben. Both figures are described together below.

In den Fig. 1 und 2 bedeuten 10 und 10' jeweils zwei parallele Rohre zur Luftführung, die im Prinzip gleich aufgebaut sind. Über das offene Ende 11 des ersten Rohres 10 wird Luft eingebracht. Die Luft durchläuft das Rohr 10 und wird am unteren Ende umgeleitet und wird im parallelen, zweiten Rohr 10' zurückgeführt. Beim Stand der Technik wird von dort die Luft in den Nachverbrennungsraum geführt, wo sie mit dem ungenutzten Teil des Brenngases reagiert und dabei das dort vorhandene, separate Lufteinleitungsrohr heizt. In Figs. 1 and 2, 10 and 10 'each have two parallel tubes mean for guiding air, which are constructed identically in principle. Air is introduced via the open end 11 of the first tube 10 . The air passes through the tube 10 and is diverted at the lower end and is returned in the parallel, second tube 10 '. In the prior art, the air is led from there into the afterburning room, where it reacts with the unused part of the fuel gas and heats the separate air inlet pipe there.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist das obere Ende des Rohres 10' durch einen Stopfen 12 verschlossen. Im oberen Drittel sind durchgehende Bohrungen 13 vorhanden, über die die Luft austreten kann. Bei den einzelnen Rohren 10' können die durchgehenden Bohrungen 13 in der Höhe versetzt angeordnet werden. In Fig. 1 and Fig. 2, the upper end of the tube 10 'is closed by a plug 12 . Through bores 13 are provided in the upper third through which the air can escape. In the individual tubes 10 ', the through holes 13 can be arranged offset in height.

Die Durchmesser der seitlichen Bohrungen 13 in den Auslasskanälen können so dimensioniert werden, dass sie einerseits als definierte Drosselstellen fungieren. Damit lässt sich eine gute Gleichverteilung der Luft in einer HPD-Zelle erreichen. Andererseits können die Bohrungen 13 eine günstige Mischung der Luft mit dem verbliebenen Brenngas erzeugen, wobei eine für die Vorwärmung der Luft in den Eingangskanälen geeignete Temperaturverteilung entsteht. The diameters of the lateral bores 13 in the outlet channels can be dimensioned such that they act on the one hand as defined throttling points. A good uniform distribution of the air in an HPD cell can thus be achieved. On the other hand, the bores 13 can produce a favorable mixture of the air with the remaining fuel gas, a temperature distribution being produced which is suitable for preheating the air in the inlet channels.

Wie beim Stand der Technik bildet ein ganzes Bündel derartiger Rohranordnungen das Brennstoffzellenmodul. Im unteren Bereich der Rohre wird das Brenngas zwischen den keramischen Wänden geführt und diffundiert zur Grenzfläche Anode-Elektrolyt, an der die Oxidation der brennbaren Anteile stattfindet. Im oberen Bereich ist das Brenngas größtenteils oxidiert. Hier wird durch die Bohrungen 13 die ebenfalls teilgenutzte Luft zugeführt und reagiert mit dem bis dahin ungenutzten Brenngas. As in the prior art, a whole bundle of such tube arrangements forms the fuel cell module. In the lower area of the pipes, the fuel gas is led between the ceramic walls and diffuses to the anode-electrolyte interface, where the oxidation of the combustible components takes place. The fuel gas is largely oxidized in the upper area. Here, the air, which is also partially used, is fed through the bores 13 and reacts with the fuel gas which has hitherto been unused.

Bei dem beschriebenen Brennstoffzellenmodul mit dem Bündel von Rohren 10, 10' kann die Gasumleitung durch ein gemeinsames Teil 15 erfolgen, das einen Abschluss für alle Rohre mit integrierter Umlenkung bildet. In the described fuel cell module with the bundle of tubes 10 , 10 ', the gas can be diverted through a common part 15 , which forms a termination for all tubes with integrated deflection.

Die Herstellung des vorstehenden Modules erfolgt folgendermaßen: Die Luftauslasskanäle der HPD-Rohre 10' werden stirnseitig am Auslass vor der Sinterung beispielsweise mit einer Paste aus Kathodenmaterial verschlossen. Dafür werden die Rohre 10' mit den durchgehenden Bohrungen 13 für den Luftauslass versehen. Der Elektrolyt kann dabei vorteilhafterweise bis zum oberen Rohrbereich hochgezogen werden. The above module is produced as follows: The air outlet ducts of the HPD tubes 10 ′ are closed at the end at the outlet before sintering, for example with a paste made of cathode material. For this purpose, the tubes 10 'are provided with the through bores 13 for the air outlet. The electrolyte can advantageously be drawn up to the upper tube area.

Das Bodenteil 15 des gesamten HPD-Moduls ist eine gemeinsame Kappe für das gesamte Rohrbündel. Die gesamte Bodenkappe kann beispielsweise durch Pressen hergestellt werden. Dabei werden bei der Fertigung gleichermaßen Luftumlenkungen integriert. Das gesamte Bodenteil 15 wird anschließend mit den Kathodenrohren 10, 10' verklebt. The bottom part 15 of the entire HPD module is a common cap for the entire tube bundle. The entire base cap can be produced, for example, by pressing. Air deflections are equally integrated in the production. The entire base part 15 is then glued to the cathode tubes 10 , 10 '.

Claims (9)

1. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Reaktor mit HPD(High- Power-Density)-Zellen mit einzelnen Rohren, die strömungstechnisch hintereinander geschaltet sind, wobei Mittel zur Lufteinleitung in ein erstes Rohr und zur Luftausleitung aus einem zweiten Rohr vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Luftausleitung ein Luftauslass (13) am Umfang des zweiten Rohres (10') vorhanden ist. 1. High-temperature fuel cell reactor with HPD (High Power Density) cells with individual tubes, which are connected in series in terms of flow technology, means for introducing air into a first tube and for discharging air from a second tube, characterized in that an air outlet ( 13 ) on the circumference of the second pipe ( 10 ') is provided as a means for air discharge. 2. Brennstoffzellenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftauslass eine seitliche Bohrung (13) an jedem einzelnen Rohr (10') vorhanden ist. 2. Fuel cell reactor according to claim 1, characterized in that a lateral bore ( 13 ) is provided on each individual tube ( 10 ') as the air outlet. 3. Brennstoffzellenreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der seitlichen Bohrungen (13) in den Auslasskanälen so dimensioniert werden, dass sie eine definierte Drosselstelle bilden, die eine Gleichverteilung der Luft in einer HPD-Zelle realisieren. 3. Fuel cell reactor according to claim 2, characterized in that the diameters of the lateral bores ( 13 ) in the outlet ducts are dimensioned in such a way that they form a defined throttle point which realizes a uniform distribution of the air in an HPD cell. 4. Brennstoffzellen-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Rohre (10, 10') eine Luftumlenkung erfolgt. 4. Fuel cell reactor according to claim 1, characterized in that at the end of the tubes ( 10 , 10 ') there is an air deflection. 5. Brennstoffzellen-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (10, 10') endseitig von einer Bodenkappe abgeschlossen werden. 5. Fuel cell reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the tubes ( 10 , 10 ') are closed at the ends by a bottom cap. 6. Brennstoffzellen-Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenkappe (15) zur Luftumlenkung ausgebildet ist. 6. Fuel cell reactor according to claim 5, characterized in that the bottom cap ( 15 ) is designed for air deflection. 7. Brennstoffzellen-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (10') mit den Luftauslässen (13) ausgangsseitig gasdicht abgeschlossen sind. 7. Fuel cell reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the tubes ( 10 ') with the air outlets ( 13 ) are sealed gas-tight on the output side. 8. Brennstoffzellen-Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgangsseitige Verschluss (12) der Rohre (10') aus Kathodenmaterial besteht. 8. Fuel cell reactor according to claim 7, characterized in that the outlet-side closure ( 12 ) of the tubes ( 10 ') consists of cathode material. 9. Brennstoffzellen-Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt am Umfang der Rohre (10') bis zum Rohranfang geschlossen ausgeführt ist. 9. Fuel cell reactor according to claim 2, characterized in that the electrolyte on the circumference of the tubes ( 10 ') is designed to be closed up to the tube start.
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