DE102004005044A1 - High temperature fuel cell installation has high power density cell(s) for electro-chemical reaction of preheated air, as oxidant, with gaseous fuel - Google Patents

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Abstract

High temperature fuel cell installation contains at least one HPD fuel cell (11) for electro-chemical reaction of preheated air, as oxidant, with gaseous fuel. There is at least one allocated recuperator (12) for heating of fresh air.Recuperator is integrated into HPD fuel cell. Both fuel cell and recuperator preferably form single component (10), typically of ceramics. Single component may have active coating in fuel cell region, and negative coating in recuperator region. Independent claims are included for the following: (i) supply of fluid materials for HPD fuel cells; and (ii) for manufacture of HPD fuel cells.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage mit HPD-Brennstoffzellen und auf ein Verfahren zur Führung der fluiden Betriebsmittel bei solchen HPD-Brennstoffzellen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf das zugehörige Herstellungsverfahren für solche Brennstoffzellen.The The invention relates to a high-temperature fuel cell system with HPD fuel cells and a procedure for leadership the fluid resources in such HPD fuel cells. Besides The invention also relates to the associated production process for such Fuel cells.

Aus der US 2002/0110 716 A1 ist ein SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)-Generator bekannt, der aus einzelnen Brennstoffzellenröhren mit einseitig geschlossenem Ende besteht, von denen eine Vielzahl zu einem Bündel zusammengefügt sind. Zur Luftversorgung der Brennstoffzellen wird angewärmte Luft vom offenen Ende der Röhren zugeführt, wozu jeweils sog. „air feed tubes" vorhanden sind, die von außen bis in das Ende der Brennstoffzellenröhren eintauchen.Out US 2002/0110716 A1 is a SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) generator known from single fuel cell tubes closed on one side End exists, of which a plurality are put together into a bundle. The air supply to the fuel cells is warmed up air from the open end of the tubes supplied for which in each case so-called "air feed tubes "present are from the outside dip into the end of the fuel cell tubes.

In J. of Power Sources 86 (2000), S. 134 – 139 werden als Alternative zu den einzelnen Röhren sog. HPD(High Power Density)-Zellen vorgeschlagen, bei denen jeweils mehrere parallele Röhren durch ein Bauteil mit mehreren Kanälen ersetzt werden. Zur Lufteinleitung sind jeweils wieder einzelne „feed tubes" notwendig.In J. of Power Sources 86 (2000), p. 134-139 are an alternative to the individual tubes so-called HPD (High Power Density) cells are proposed in each case several parallel tubes through a component with multiple channels be replaced. In order to introduce air, individual "feed tubes" are required again.

Weiterhin ist es aus der WO 03/012907 A1 bekannt, speziell bei HPD-Brennstoffzellen nebeneinander liegende Kanäle endseitig so abzuschließen, dass eine Verbindung der Kanäle besteht und jeweils einen Kanal für die Zuluft und den benachbarten Kanal für die Abluft vorzusehen. Die Zuluft strömt dabei entlang des Kanals nach unten zum geschlossenen Ende, wird dort umgelenkt und strömt im Nachbarkanal als Abluft nach oben. Dabei weisen die für die Abluft vorgesehenen Kanäle im oberen Teil seitliche Bohrungen auf. Diese Bohrungen haben die Funktion, getrennte Bereiche für die Zuführung der Frischluft und die Abführung der Abluft zu schaffen. Eine Zu- und Abführung der Luft durch die benachbarten Öffnungen der Kanäle am oberen Ende der HPD-Zelle ist wegen der geringen Abstände schwierig.Farther it is known from WO 03/012907 A1, especially in HPD fuel cells adjacent channels close at the end so that a connection of the channels exists and one channel each for the supply air and the adjacent one Channel for to provide the exhaust air. The supply air flows along the channel down to the closed end, is deflected there and flows in the neighboring channel as exhaust air upwards. Here, the channels provided for the exhaust air in the upper Partial side holes on. These holes have the function separate areas for the feeder the fresh air and the exhaustion to create the exhaust air. An accessory and removal the air through the adjacent openings of the channels at the top of the HPD cell is difficult because of the short distances.

In Brennstoffzellenanlagen werden zur Erhöhung der elektrischen Spannung mehrere Zellen elektrisch hintereinander geschaltet. Dazu wird jeweils eine Zelle mit Mitteln zur elektrischen Kontaktierung mit den Nachbarzellen verbunden. Diese feste Einheit von mehreren Zellen wird Bündel genannt. Durch die Mittel zur Kontaktierung entsteht zwischen den einzelnen Zellen ein Spalt, in dem das Brenngas geführt wird.In Fuel cell systems are used to increase the electrical voltage several cells connected electrically in series. This is done in each case a cell with means for electrical contact with the neighboring cells connected. This fixed unit of several cells is called a bundle. By the means for contacting arises between the individual cells a gap in which the fuel gas is guided.

Brennstoffzellen vom Typ HPD werden durch schichtweises Aufbringen unterschiedlicher Funktionsschichten auf eine Tragstruktur hergestellt, welche aus einer geeigneten keramischen Masse extrudiert, getrocknet und anschließend gesintert wird.fuel cells Type HPD are different by layering application Functional layers made on a support structure, which made extruded a suitable ceramic mass, dried and then sintered becomes.

Die Brennstoffzellen des SOFC-Generators arbeiten bei Temperaturen zwischen 800 und 1000°C, weshalb der Generator auch als Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage bezeichnet wird. Die Abführung der Verlustwärme geschieht mit Hilfe der aus der Zelle geführten Prozessluft (Abluft). Die Prozessluft wird mit einer solchen Temperatur in die Zelle geleitet, dass sie durch Erwärmung zwischen Ein- und Ausgang die Verlustwärme aufnehmen kann, ohne die Zelle abzukühlen oder die Betriebstemperatur unzulässig ansteigen zu lassen. Je nach Überschuss der Prozessluft, der zwischen dem 4fachen bis 10fachen des stöchiometrischen Umsatzes betragen kann, und der Temperaturverteilung in der Zelle liegt die Eintrittstemperatur in die Zelle um 50 bis 250°C niedriger als die Betriebstemperatur. Die zugeführte Prozessluft (Frischluft) muss deshalb von Raumtemperatur auf die Eintrittstemperatur aufgeheizt werden. Dies geschieht in einem Rekuperator, in dem die Wärme der Abgase der Brennstoffzellen zum Aufheizen von Prozessluft ausgenützt wird.The Fuel cells of the SOFC generator operate at temperatures between 800 and 1000 ° C, which is why the generator also called high-temperature fuel cell plant referred to as. The exhaustion the heat loss happens with the help of the process air (exhaust air) led out of the cell. The process air is fed into the cell at such a temperature, that by heating between input and output can absorb the heat loss without the Cell to cool or to raise the operating temperature inadmissible. ever after surplus the process air, which is between 4 times to 10 times the stoichiometric Can be sales, and the temperature distribution in the cell is the entry temperature into the cell is 50 to 250 ° C lower as the operating temperature. The supplied process air (fresh air) must therefore be heated from room temperature to the inlet temperature become. This happens in a recuperator, in which the heat of the Exhaust gases of the fuel cell is used for heating process air.

Ein SOFC-Brennstoffzellen-Generator kann nicht so betrieben werden, dass der eingespeiste Brennstoff vollständig verbraucht wird. Typischer weise verlassen 10 bis 20% des Brennstoffs den Generator ungenützt.One SOFC fuel cell generator can not be operated like this that the injected fuel is completely consumed. typical For example, 10 to 20% of the fuel leaves the generator unused.

Das Restgas enthält Wasserstoff und Wasserdampf und bei Erdgasbetrieb zusätzlich noch Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2). Aus Sicherheitsgründen müssen der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid im Restgas verbrannt werden, bevor es an die Umgebung abgegeben wird. Auch aus energetischen Gründen ist eine Verbrennung sinnvoll, da die Verbrennungswärme ebenfalls zur Aufheizung der Frischluft verwendet werden kann.The residual gas contains hydrogen and water vapor and in addition to natural gas operation carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ). For safety reasons, the hydrogen and carbon monoxide in the residual gas must be burned before it is released into the environment. Also for energy reasons, a combustion makes sense, since the heat of combustion can also be used to heat the fresh air.

Beim Stand der Technik (Siemens Westinghouse PG) werden die Abluft der Zelle und das Restgas hinter dem Ausgang des aktiven Zellbereiches gemischt. Dabei verbrennt das Restgas und das entstehende aufgeheizte Abgas wird in einen Wärmetauscher zur Nutzung der Restwärme geführt.At the State of the art (Siemens Westinghouse PG) are the exhaust air of the Cell and the residual gas mixed behind the output of the active cell area. This burns the residual gas and the resulting heated exhaust gas gets into a heat exchanger to use the residual heat guided.

Der Wärmetauscher ist beim Stand der Technik eine eigene Baueinheit im SOFC-Generator. Er besteht aus separaten Teilen und zugehörigen Rohrleitungen zu den Brennstoffzellen und ist deshalb aufwendig. Außerdem können auf dem Weg zwischen Wärmetauscher und Brennstoffzelle Wärmeverluste auftreten, die den Wirkungsgrad der Anlage herabsetzen.Of the heat exchangers in the prior art is a separate unit in the SOFC generator. It consists of separate parts and associated piping to the Fuel cells and is therefore expensive. Also, on the way between heat exchangers and fuel cell heat losses occur, which reduce the efficiency of the system.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage vorzuschlagen, bei der ein einfacher, kostengünstiger Rekuperator mit hoher Effektivität geschaffen wird, in dem die thermische Energie des Restgases genutzt wird. Gleichermaßen soll ein Verfahren zur Herstellung der dabei verwendeten HPD-Brennstoffzellen und des Rekuperators angegeben werden.From that Based on the object of the invention to propose a high-temperature fuel cell system, at a simpler, cheaper Recuperator with high efficiency is created, in which the thermal energy of the residual gas used becomes. equally is a method for producing the HPD fuel cells used and the recuperator.

Die Aufgabe ist bezüglich der HPD-Brennstoffzellen erfinfungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage mit mehreren HPD-Brennstoffzellen ist im Patentanspruch 15 und ein Verfahren zur Prozeßluftführung mit den Maßnahmen des Anspruches 20 angegeben. Die dabei verwendeten HPD-Brennstoffzellen und der jeweils zugehörige Rekuperator werden vorteilhafterweise gemäß einem Verfahren gemäß Patentanspruch 28 hergestellt.The Task is regarding the HPD fuel cell according to the invention by the features of claim 1 solved. An associated one High-temperature fuel cell system with multiple HPD fuel cells is in claim 15 and a method for process air with the measures of claim 20. The used HPD fuel cells and the respectively associated one Recuperators are advantageously according to a method according to claim 28 produced.

Weiterbildungen der angegebenen Erfindungsgegenstände, des zugehörigen Betriebsverfahrens und des Herstellungsverfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.further developments the specified subject of the invention, the associated operating method and the manufacturing process are given in the dependent claims.

Bei der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage aus wenigstens einer HPD-Brennstoffzelle zur elektrochemischen Reaktion von vorgewärmter Luft als Oxidans mit einem gasförmigen Brennstoff und mit wenigstens einem zugehörigen Rekuperator zur Anwärmung von Frischluft ist der Rekuperator integraler Bestandteil der Brennstoffzelle.at the high-temperature fuel cell system according to the invention from at least one HPD fuel cell for electrochemical reaction from preheated Air as oxidant with a gaseous Fuel and with at least one associated recuperator for heating of Fresh air, the recuperator is an integral part of the fuel cell.

Integraler Bestandteil bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass im betriebsmäßigen Zustand der Brennstoffzellenanlage die HPD-Brennstoffzelle unmittelbar mit dem Rekuperator verbunden ist und beide eine gemeinsame Funktionseinheit bilden. Dies schließt eine separate Herstellung von HPD-Brennstoffzelle und Rekuperator aus unterschiedlichen Materialien nicht aus. Vorzugsweise bilden Brennstoffzelle und Rekuperator aber ein einziges, gemeinsames Bauteil aus den gleichen Grundmaterialien. Die Herstellung des einzigen Bauteils kann dann vorteilhafterweise in einem einzigen Verfahrensschritt erfolgen.integral Component in the present context means that in the operational state the fuel cell system, the HPD fuel cell directly with the recuperator is connected and both form a common functional unit. This concludes a separate production of HPD fuel cell and recuperator made of different materials is not enough. Preferably form Fuel cell and recuperator but a single, common component from the same basic materials. The production of the only one Component can then advantageously in a single process step respectively.

Der vorgeschlagene Rekuperator ist ein integrierter Rekuperator. Er wird durch Extrusion einer Tragstruktur entsprechend der HPD-Brennstoffzelle hergestellt, und wird dicht gesintert oder erhält eine geeignete Beschichtung. Nach Integration mit der Brennstoffzelle bildet die ursprüngliche Länge wieder eine Brennstoffzelle, das verlängerte Ende dagegen den Rekuperator. Die Frisch- und Abluft durchlaufen nun verlängerte Kanäle, wobei die Abluft Wärme an die Tragstruktur im Rekuperatorbereich abgibt, während die Frischluft über die Wände der Tragstruktur erwärmt wird und so ein Wärmeaustausch stattfindet.Of the proposed recuperator is an integrated recuperator. He is made by extruding a support structure according to the HPD fuel cell, and is densely sintered or receives a suitable coating. After integration with the fuel cell forms the original Length again one Fuel cell, that extended End, however, the recuperator. The fresh air and exhaust air now pass through extended Channels, where the exhaust air is heat to the supporting structure in the recuperator area, while the Fresh air over the walls the supporting structure is heated becomes and so a heat exchange takes place.

Bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage mit HPD-Brennstoffzellen und jeweils zugehörigem Rekuperator, bei dem die Brennstoffzelle und der Rekuperator ein integriertes Bauteil bilden, wobei die HPD-Zellen zu Bündeln zusammengefaßt sind, setzt sich der Spalt zwischen den Zellen, der durch die Kontaktierung entsteht, auch in den Bereich des Rekuperators fort.at a fuel cell system according to the invention with HPD fuel cells and each associated Recuperator, in which the fuel cell and the recuperator form integrated component, wherein the HPD cells are combined into bundles, The gap between the cells continues through the contact arises, also in the area of the recuperator.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Luftführung wird ein Rekuperator zur Erwärmung von Frischluft verwendet, der die gleiche Anzahl von Kanälen wie die HPD-Brennstoffzelle aufweist. Benachbarte Kanäle werden dabei von Frischluft und Abluft durchströmt, so daß sich ein Muster von alternierenden Strömungsrichtungen in der Zelle ergibt. Die Frischluft wird dem Rekuperator am oberen, offenen Ende zugeführt. Ein besonderes Merkmal des vorgeschlagenen Rekuperators ist, daß die Frischluft entlang eines großen Teils der Länge des Rekuperators zu etwa gleichen Anteilen sowohl in den Frischluftkanälen als auch in dem Spalt zwischen den Zellen in einem Bündel entlang der Wandung des Rekuperators strömt. Auf diese Weise wird die Fläche, über die die Frischluft Wärme aufnehmen kann, etwa verdoppelt.At the inventive method to the air duct becomes a recuperator for heating used by fresh air, which has the same number of channels as having the HPD fuel cell. Neighboring channels will be thereby flows through fresh air and exhaust air, so that a pattern of alternating flow directions in the cell results. The fresh air is the recuperator at the top, fed open end. A special feature of the proposed recuperator is that the fresh air along a big one Part of the length the recuperator to about equal proportions both in the fresh air ducts as also in the gap between the cells in a bundle along the wall of the Rekuperators is flowing. In this way, the area over which the Fresh air heat can record, about doubled.

Im Bereich des unteren Endes des Rekuperators sind Löcher in den Frischluftkanälen angebracht. In diesem Bereich mischt sich die von oben kommende, an der Außenwand des Rekuperators entlang strömende Frischluft mit dem aus dem aktiven Teil der Brennstoffzelle strömenden Restgas, das noch unverbrannte An teile von Wasserstoff und CO enthält. Die Frischluft hat sich bereits ausreichend erwärmt, um die Zündtemperatur des restlichen Brenngases zu überschreiten. Das Restgas verbrennt in der Frischluft und erwärmt diese weiter. Alternativ kann zur Unterstützung der Verbrennung in diesem Bereich des Rekuperators zusätzlich ein Katalysator eingebracht werden. Das entstehende Gas, das im wesentlichen aus Luft mit geringen Anteilen von Wasserdampf und CO2 besteht, wird durch die Löcher in die Frischluftkanäle geführt und mischt sich dort mit der in den Kanälen strömenden Frischluft. Diese aufgeheizte Frischluft wird nun dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle als Prozessluft zugeführt.In the area of the lower end of the recuperator holes are mounted in the fresh air ducts. In this area, the fresh air coming from above, flowing along the outside wall of the recuperator, mixes with the residual gas flowing out of the active part of the fuel cell, which still contains unburned parts of hydrogen and CO. The fresh air has already heated sufficiently to exceed the ignition temperature of the remaining fuel gas. The residual gas burns in the fresh air and heats it further. Alternatively, a catalyst can additionally be introduced to support the combustion in this area of the recuperator. The resulting gas, which consists essentially of air with small amounts of water vapor and CO 2 , is passed through the holes in the fresh air channels and mixes there with the fresh air flowing in the channels. This heated fresh air is now fed to the active area of the fuel cell as process air.

Bei einem besonders vorteilhaften Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einer HPD-Brennstoffzelle und wenigstens einem damit integrierten Rekuperator werden die Brennstoffzelle und der Rekuperator gemeinsam aus einem keramischen Material extrudiert und werden anschließend die extrudierten Teile einzelnen bestimmungsgemäßen Bearbeitungsmaßnahmen unterzogen. Im Einzelnen wird dabei der aktive Teil des gemeinsamen Bauteils als Brennstoffzelle mit wenigstens einer Kathode, einem Elektrolyten und einer Anode versehen und es wird der inaktive Teil des gemeinsamen Bauteils als Rekuperator mit einer abdichtenden Schicht versehen. Dies kann in einer einzigen Beschichtungsanlage in einem kombinierten Arbeitsgang passieren.In a particularly advantageous manufacturing method for producing a high-temperature fuel cell system with at least one HPD fuel cell and at least one recuperator integrated therewith, the fuel cell and the recuperator are extruded together from a ceramic material and then the extruded parts are individual bestimmungsgemä subjected to any processing measures. Specifically, while the active part of the common component is provided as a fuel cell with at least one cathode, an electrolyte and an anode and it is provided the inactive part of the common component as a recuperator with a sealing layer. This can happen in a single coating plant in a combined operation.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen neuen Design einer HPD-Brennstoffzelle mit integriertem Rekuperator werden beachtliche Vorteile erzielt. Einerseits können Kosten durch günstige Massenfertigung niedrig gehalten werden, wobei sich gleichermaßen eine Reduzierung der Baugröße ergibt. Insbesondere wird eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Anlage durch Vermeidung von Wärmeverlusten erreicht.With the inventively proposed new Design of an HPD fuel cell with integrated recuperator achieved considerable advantages. On the one hand, costs can be reduced by cheap mass production be kept low, resulting equally a reduction in size. In particular, an increase the efficiency of the system by avoiding heat loss reached.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigenFurther Details and advantages of the invention will become apparent from the following Description of the figures of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims. It demonstrate

1 in schematischer Darstellung einen SOFC-Generator mit Brennstoffzellen und separatem Wärmetauscher entsprechend dem Stand der Technik, 1 a schematic representation of a SOFC generator with fuel cells and separate heat exchanger according to the prior art,

2 in schematischer Darstellung einen SOFC-Generator aus HPD-Brennstoffzellen und damit integriertem Rekuperator 2 a schematic representation of an SOFC generator from HPD fuel cells and thus integrated recuperator

3 das Design einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit damit als ein Bauteil verbundenem Rekuperator, 3 the design of a fuel cell according to the invention with a recuperator connected therewith as a component,

4 die Führung und Anwärmung von Frischluft im Rekuperator gemäß 2, 4 the guidance and warming of fresh air in the recuperator according to 2 .

5 einen Ausschnitt aus 3 zur Verdeutlichung eines einzelnen Frischluftkanals mit den zugehörigen Öffnungen zum Einströmen von Abgas und 5 a section from 3 to illustrate a single fresh air duct with the associated openings for the flow of exhaust gas and

6 eine Einschubhülse für die unteren Öffnungen des Rekuperatatorteils gemäß 3 bzw. 4. 6 a push-in sleeve for the lower openings of the Rekuperatatorteils according to 3 respectively. 4 ,

In 1 ist eine bekannte Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Rnlage angedeutet, die eine Vielzahl von Brennstoffzellenröhren enthält, die zu einem Bündel bzw. Brennstoffzellenmodul 1 zusammengefügt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle besteht dabei aus einem keramischen Träger mit darauf aufgebrachten Funktionsschichten, insbesondere einer Kathode, einem Elektrolyten und einer Anode. Von außen wird der Anode das Brenngas zugeführt. Innerhalb der Brennstoffzelle wird über eine sog. „air feed tube" angewärmte Frischluft geführt, welche über die gesamte Länge der Brennstoffzelle mit dem von außen zugeführten Brenngas reagiert.In 1 For example, a known high temperature fuel cell system is contemplated that includes a plurality of fuel cell tubes that form a bundle or fuel cell module 1 are joined together. A single fuel cell consists of a ceramic carrier with functional layers applied thereto, in particular a cathode, an electrolyte and an anode. From the outside of the anode, the fuel gas is supplied. Within the fuel cell, heated air is supplied via a so-called "air feed tube" which reacts with the externally supplied fuel gas over the entire length of the fuel cell.

In der Brennstoffzelle reagiert das Brenngas mit angewärmter Luft als Oxidans, wobei durch die elektrochemische Reaktion in bekannter Weise elektrische Ladungen entstehen, die als Strom bzw. Spannung abgeführt werden.In the fuel cell reacts the fuel gas with warmed air as oxidant, wherein by the electrochemical reaction in known Way electrical charges arise as current or voltage dissipated become.

Bei der Anordnung nach 1 ist einem Brennstoffzellenmodul 1 ein Wärmetauscher 2 zugeordnet. Der Wärmetauscher 2 dient zur Anwärmung von Frischluft auf für die Reaktion der Hochtemperaturbrennstoffzelle geeignete Temperaturen. Dies bedeutet, dass die Frischluft Werte bis zu ca 900°C als Betriebstemperatur der SOFC erreichen soll. Mit der auf Betriebstemperatur angewärmten Luft erfolgt eine effektivere Reaktion von Brenngas und Oxidans und eine dadurch optimierte Stromerzeugung.In the arrangement according to 1 is a fuel cell module 1 a heat exchanger 2 assigned. The heat exchanger 2 Used to warm fresh air to suitable for the reaction of the high temperature fuel cell temperatures. This means that the fresh air should reach values up to about 900 ° C as the operating temperature of the SOFC. The warmed up to operating temperature air is a more effective reaction of fuel gas and oxidant and thereby optimized power generation.

Bekannte Wärmetauscher arbeiten üblicherweise nach dem Gegenstromprinzip. In der 1 ist dazu das Brennstoffzellenmodul 1 mit dem Wärmetauscher 2 über geeignete Rohrleitungen 3, 6 und 7 verbunden, wobei ein Verteiler 4 zwischengeschaltet ist. Das Brennstoffzellenmodul 1 und der Wärmetauscher 2 sind aber separate Funktionseinheiten. Daran ändert sich prinzipiell nichts, wenn das Brennstoffzellenmodul als HPD-Brennstoffzelle ausgebildet ist.Known heat exchangers usually work according to the countercurrent principle. In the 1 is the fuel cell module 1 with the heat exchanger 2 via suitable pipelines 3 . 6 and 7 connected, being a distributor 4 is interposed. The fuel cell module 1 and the heat exchanger 2 but are separate functional units. This basically changes nothing if the fuel cell module is designed as an HPD fuel cell.

Die erfingsgemäße Anordnung wird zunächst anhand 2 schematisch in Funktionsdarstellung verdeutlicht. Wesentlich ist in 2, dass an ein Brennstoffzellenmodul 11 unmittelbar ein sog. Rekuperator 12 als spezifischer Wärmetauscher anschließt, wobei keine separaten Rohrverbindungen notwendig sind. Der Rekuperator ist also integraler Bestandteil der HPD-Brennstoffzelle.The erfingsgemäße arrangement is first based 2 schematically illustrated in functional representation. It is essential in 2 that to a fuel cell module 11 immediately a so-called recuperator 12 connects as a specific heat exchanger, with no separate pipe connections are necessary. The recuperator is thus an integral part of the HPD fuel cell.

Im Einzelnen ist in 3 das konkrete Design einer HPD-Brennstoffzelle 11 mit daran anschließendem Rekuperator 12 dargestellt und ist diese Anordnung insgesamt mit 10 bezeichnet. HPD-Brennstoffzelle 11 und Rekuperator 12 bilden dabei ein gemeinsames Bauteil als gemeinsame Funktionseinheit.In detail is in 3 the concrete design of an HPD fuel cell 11 with subsequent recuperator 12 and is this arrangement with a total of 10 designated. HPD fuel cell 11 and recuperator 12 form a common component as a common functional unit.

Letzteres bedeutet, dass die Herstellung eines solchen Bauteils 10 vorteilhafterweise gemeinsam in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen kann. Bei der Herstellung eines festke ramischen Brennstoffzellenelementes durch Extrusion wird ein Keramikkörper mit einem aktiven Teil als HPD-Brennstoffzelle und einem passiven Teil als Rekuperator in einem Arbeitsgang gefertigt. Ein solches Element hat beispielsweise eine Länge von 1500 mm, wobei 1000 mm den aktiven Teil mit der eigentlichen Brennstoffzelle beinhalten und 500 mm den passiven Teil mit dem integrierten Rekuperator darstellen.The latter means that the manufacture of such a component 10 can advantageously be done together in a single step. In the production of a festke Ramischen fuel cell element by extrusion, a ceramic body is made with an active part as HPD fuel cell and a passive part as a recuperator in one operation. Such an element has, for example, a length of 1500 mm, where 1000 mm include the active part with the actual fuel cell and represent 500 mm the passive part with the integrated recuperator.

Zur Konfektionierung der SOFC-Brennstoffzelle werden mit geeigneten Beschichtungsverfahren auf den aktiven Teil des Elementes 10 eine Kathode, ein Elektrolyt und eine Anode aufgebracht. Da Kathode und Anode für die Funktion der Brennstoffzelle gasdurchlässige Schichten sind, der Elektrolyt aus YSZ-Material aber gasdicht ist, empfiehlt es sich für den inaktiven Teil des Rekuperators, im gleichen Arbeitsgang die Elektrolytschicht mit aufzubringen. Es wird dabei zwar ebenfalls das vergleichsweise teure YSZ-Material verwendet. Durch Einsparung eines separaten Beschichtungsvorganges wird aber insgesamt eine Einsparung erzielt und die Abdichtung des Rekuperatorteils erreicht.To assemble the SOFC fuel cell are coated with suitable coating method on the active part of the element 10 a cathode, an electrolyte and an anode applied. Since cathode and anode for the function of the fuel cell are gas-permeable layers, but the electrolyte of YSZ material is gas-tight, it is recommended for the inactive part of the recuperator to apply in the same operation, the electrolyte layer. Although it is also the comparatively expensive YSZ material used. By saving a separate coating process, however, a total savings and achieved the sealing of Rekuperatorteils.

Mit einer Anordnung gemäß 3 ist eine spezifische Führung der Luft als fluides Betriebsmittel möglich. Die Luft wird im Rekuperator angewärmt, wobei die Luftführung weiter unten im Einzelnen anhand von 4 beschrieben wird. Wesentlich ist, dass wegen der hohen Effektivität des Rekuperators und der Nutzbarmachung der Energie des Restgases eine vergleichsweise kurze Länge des Rekuperators 12 genügt, um die Frischluft auf eine ausreichende Temperatur zur Durchführung der elektrochemischen Reaktion im aktiven Teil der Zelle aufzuheizen.With an arrangement according to 3 is a specific guidance of the air as a fluid resource possible. The air is warmed up in the recuperator, with the air flow below in detail by means of 4 is described. It is essential that due to the high efficiency of the recuperator and the utilization of the energy of the residual gas, a comparatively short length of the recuperator 12 is sufficient to heat the fresh air to a temperature sufficient to carry out the electrochemical reaction in the active part of the cell.

In einer ersten Ausführungsform der Anordnung gemäß 4 wird die Frischluft den Frischluftkanälen am offenen Ende zugeführt. Es werden zwei Bohrungen pro Einlasskanal für die Frischluft verwendet. Die Bohrungen sind also in der Wand des Frischluftkanals eingebracht: Eine erste Bohrung befindet sich im Bereich des Eintritts der Frischluft im Kanal und eine zweite im Bereich des letzten Viertels des Rekuperators 12. Die Größe der Bohrungen ist so gewählt, dass etwa die Hälfte der Frischluft in den Spalt zwischen zwei Zellen geführt wird. Auf Grund des Massenstromverhältnisses von Frischluft und restlichem Brenngas vermischen sich die Gasströme im Bereich der unteren Bohrung und strömen durch die untere Bohrung in den Frischluftkanal zurück und nach unten in die aktive Zelle.In a first embodiment of the arrangement according to 4 the fresh air is supplied to the fresh air ducts at the open end. Two holes per inlet channel are used for the fresh air. The holes are thus placed in the wall of the fresh air duct: A first hole is located in the region of the entry of fresh air in the channel and a second in the area of the last quarter of the recuperator 12 , The size of the holes is chosen so that about half of the fresh air is fed into the gap between two cells. Due to the mass flow ratio of fresh air and residual fuel gas, the gas streams in the lower bore area mix and flow back through the lower bore into the fresh air channel and down into the active cell.

In der 4 ist eine HPD-Zelle mit 10 Kanälen gezeigt. Dies ist nur als Beispiel zu sehen. Es kann auch eine andere Kanalzahl, insbesondere eine ungerade Anzahl, verwendet werden.In the 4 An HPD cell with 10 channels is shown. This is only an example. It is also possible to use a different number of channels, in particular an odd number.

In einer anderen Ausführungsform werden vier Bohrungen pro Kanal verwendet, jeweils zwei oben und zwei unten im Rekuperator und jeweils in den gegenüberliegenden Wänden eines Frischluftkanals, an den sich jeweils ein Abluftkanal anschließt.In another embodiment Four holes are used per channel, two at the top and two down in the recuperator and each in the opposite walls a fresh air duct, to each of which an exhaust duct connects.

Durch die Aufteilung des Frischluftstroms zwischen Kanal und Zellenzwischenraum auf beiden Seiten einer Zelle wird die Fläche, über die die Frischluft Wärme zur Aufheizung bezieht, gegenüber einer Anordnung ohne Aufteilung etwa verdoppelt. Dies erhöht die Effektivität des Rekuperators deutlich. Im Bereich der unteren Bohrung trifft die Frischluft im Gegenstrom auf das restliche nicht genutzte Brenngas. Wegen der hohen Temperatur des Brenngases und der bereits aufgeheizten Luft findet im Gasgemisch mit Sicherheit eine Verbrennung des restlichen Brenngases statt. Zur Unterstützung kann, wie erwähnt, in diesem Bereich auch ein Katalysator eingebracht werden.By the distribution of the fresh air flow between the channel and the cell gap on both sides of a cell is the area over which the fresh air is heat to Heating refers to one Arrangement without division about doubled. This increases the effectiveness of the recuperator clear. In the area of the lower hole the fresh air meets in Countercurrent to the remaining unused fuel gas. Because of the high temperature of the fuel gas and the already heated air finds in the gas mixture certainly a combustion of the rest Fuel gas instead. For support can, as mentioned, In this area, a catalyst can be introduced.

Die Verbrennungswärme wird auf diese Weise direkt der Frischluft zugeführt, wobei diese Maßnahme die Effektivität nochmals erhöht. Bei der Verwendung von nur einer Bohrung im Be reich der Verbrennung des Restgases kann durch die Vereinigung des Frischluftstroms im Kanal mit dem durch das Loch eintretenden Gasstrom ein solcher Strömungsverlauf im Kanal auftreten, dass ein großer Temperaturgradient in der dem Loch gegenüberliegenden Wand auftritt. Dadurch entstehen hohe mechanische Spannungen, die durch das Material des Rekuperators beherrscht werden müssen. Deshalb werden in einer vorteilhaften Ausführung vier Bohrungen verwendet, von denen jeweils zwei einander gegenüber liegen. Auf diese Weise wird der Verlauf der Strömung so beeinflusst, dass der Temperaturgradient vermieden wird. Vorteilhafterweise wird bei dieser Ausführungsform in jede untere Bohrung eine Metallhülse 151i eingeschoben. Dadurch gelingt eine günstige Verteilung der Temperatur in der Wand der Bohrung und die Wand wird gegen die hohe Verbrennungstemperatur geschützt. Zudem kann das Wandmaterial gegenüber der reduzierenden Atmosphäre des Brenngases geschützt werden.The heat of combustion is supplied in this way directly to the fresh air, this measure increases the effectiveness again. When using only one bore in Be rich combustion of the residual gas can occur through the union of the fresh air flow in the channel with the gas stream entering through the hole such a flow path in the channel that a large temperature gradient occurs in the opposite wall of the hole. This creates high mechanical stresses that must be controlled by the material of the recuperator. Therefore, in an advantageous embodiment, four holes are used, two of which are opposite each other. In this way, the flow of the flow is influenced so that the temperature gradient is avoided. Advantageously, in this embodiment, in each lower bore a metal sleeve 151 i inserted. This achieves a favorable distribution of the temperature in the wall of the bore and the wall is protected against the high combustion temperature. In addition, the wall material can be protected against the reducing atmosphere of the fuel gas.

Aus der 4 ergibt sich für eine Ausführungsform die Luftströmung entlang einer HPD-Zelle 11 mit unmittelbar anschließendem Rekuperator 12 im Einzelnen: Von außen wird Frischluft den einzelnen Zufuhrkanälen 131i des Rekuperators 12 zugeführt. In den Kanälen 13i wird die Luft bis zu einer ersten Verzweigung 130 mit Öffnungen 131i geführt. In der ersten Verzweigung 130 wird ein Teil der in den Kanälen 13i geführten Luft herausgeführt und außen an der Wandung des Rekuperators 12 bis zu einer zweiten Verzweigung 140 weitergeführt. An der zweiten Verzweigung 140 wird die an der Wandung des Rekuperators 12 außen geführte Luft mit dem entgegen strömenden Restgas gemischt, welches in der angewärmten Luft verbrennt, und das entstehende fluide Produkt in die Kanäle 141i zurückgeführt. Die angewärmte Luft wird der Brennstoffzelle als Oxidans zur Verfügung gestellt.From the 4 For one embodiment, the air flow along an HPD cell 11 with immediately following recuperator 12 in detail: From the outside fresh air is the individual supply channels 131 i of the recuperator 12 fed. In the channels 13i the air is up to a first branch 130 with openings 131 i guided. In the first branch 130 becomes part of the channels 13i guided out air and outside the wall of the recuperator 12 up to a second branch 140 continued. At the second junction 140 will be on the wall of the recuperator 12 externally guided air mixed with the countercurrent residual gas, which burns in the warmed air, and the resulting fluid product in the channels 141 i recycled. The warmed air is made available to the fuel cell as Oxidans.

In den 3 und 4 sind horizontale Wände („boards") dargestellt, die in der 3 mit den Bezugszeichen 16 bis 19 gekennzeichnet sind. Diese Wände teilen – entsprechend dem Stand der Technik – Funktionsabschnitte in einem Bündel von Brennstoffzellen ein. Sie sind hier exemplarisch zur Erläuterung der Funktion dargestellt. Die Horizontalwände 18 und 19 oder funktionsgleiche Massnahmen sind nur bei Betrieb des Generators mit Erdgas nötig. In diesem Fall trennt die untere Wand 19 den aktiven Bereich der Brennstoffzelle ab, wobei hier das Abgas außen an der Wandung der Zelle geführt ist und durch einen Spalt zwischen Wand 19 und Brennstoffzelle 11 in den Raum zwischen den Wänden 18 und 19 strömt. Zusammen schließen die Wände 18 und 19 den sog. Rezirkulierungsbereich ein, in dem ein Teil des abgereicherten Brenngases abgetrennt und dem frischen Erdgas zugemischt wird. Auf diese Weise wird dem Erdgas die für die Reformierung von Methan und anderen höheren Kohlenwasserstoffen notwendige Menge an Wasserdampf beigemischt. Der Rest des abgereicherten Brenngases strömt durch einen Spalt zwischen Wand 18 und Zelle in den Rekuperatorbereich.In the 3 and 4 are horizontal walls ("boards") shown in the 3 With the reference number 16 to 19 Marked are. These walls, according to the prior art, include functional sections in a bundle of fuel cells. They are shown here by way of example for explaining the function. The horizontal walls 18 and 19 or functionally identical measures are only necessary when operating the generator with natural gas. In this case, the bottom wall separates 19 the active region of the fuel cell, in which case the exhaust gas is guided outside on the wall of the cell and through a gap between the wall 19 and fuel cell 11 in the space between the walls 18 and 19 flows. Together, the walls close 18 and 19 the so-called. Rezirkulierungsbereich a, in which a part of the depleted fuel gas is separated and mixed with the fresh natural gas. In this way, the natural gas for the reforming of methane and other higher hydrocarbons necessary amount of water vapor is mixed. The remainder of the depleted fuel gas flows through a gap between the wall 18 and cell in the recuperator area.

Die oberen Wände 16 und 17 haben die Funktion, die Zuführung der Frischluft von der Abführung der Abluft zu trennen. Diese Funktion kann auch durch andere Massnahmen erfüllt werden. In der dargestellten Ausführung wird die Abluft zwischen den beiden oberen Horizontalwänden 16 und 17 nach Ausströmen durch die in 4 dargestellten Löcher aus den Abluftkanälen gesammelt und aus dem Bündel abgeführt. Zu diesem Zweck liegen die Wände 16 und 17 hermetisch dicht an den Zellen an.The upper walls 16 and 17 have the function to separate the supply of fresh air from the discharge of the exhaust air. This function can also be fulfilled by other measures. In the illustrated embodiment, the exhaust air between the two upper horizontal walls 16 and 17 after flowing through the in 4 collected holes from the exhaust ducts and removed from the bundle. For this purpose, the walls lie 16 and 17 hermetically close to the cells.

In einer weiteren, nicht als separate Figur dargestellten Ausführungsform werden die oberen Löcher in den Frischluftkanälen 1311 eingespart. Dazu werden die Frischluftkanäle 13i an ihrem oberen Ende verschlossen und nicht – wie in 4 dargestellt – die Abluftkanäle 14i. Die Abluftkanäle 14i sind am oberen Ende des Rekuperators dagegen offen und die Abluft verlässt das Bündel an dieser Stelle und nicht zwischen den Wänden 16 und 17. Die in der 4 dargestellten Löcher in den Wänden der Abluftkanäle zwischen den Wänden 16 und 17 sind dagegen nicht vorhanden. Statt dessen befinden sich zwi schen diesen beiden Wänden 16 und 17 Löcher in den Wänden der Frischluftkanäle. Die untere Wand 17 liegt nun nicht hermetisch dicht an den Zellen an, sondern es ist ein Spalt zwischen Wand und Zellen vorgesehen. Die Frischluft wird zwischen den Wänden 16 und 17 in das Bündel eingebracht. Sie strömt nun zum Teil durch die Löcher in die Frischluftkanäle und zum Teil durch den Spalt zwischen Wand 17 und Zellen in den Rekuperatorbereich. Die weitere Strömung ist wie bereits beschrieben: ein Teil der Frischluft strömt in den Kanälen und der andere Teil entlang der Aussenwand des Rekuperators zu den unteren Löchern in den Frischluftkanälen, wodurch die Wärmetauscherfläche etwa verdoppelt wird.In another embodiment, not shown as a separate figure, the upper holes in the fresh air ducts 131 1 saved. These are the fresh air channels 13i closed at its upper end and not - as in 4 shown - the exhaust ducts 14i , The exhaust ducts 14i On the other hand, they are open at the top of the recuperator and the exhaust air leaves the bundle at this point and not between the walls 16 and 17 , The in the 4 holes shown in the walls of the exhaust ducts between the walls 16 and 17 are not available. Instead, there are between these two walls 16 and 17 Holes in the walls of the fresh air channels. The bottom wall 17 does not hermetically close to the cells, but there is a gap between the wall and cells provided. The fresh air is between the walls 16 and 17 introduced into the bundle. It now flows partly through the holes in the fresh air channels and partly through the gap between the wall 17 and cells in the recuperator area. The further flow is as already described: a part of the fresh air flows in the channels and the other part along the outer wall of the recuperator to the lower holes in the fresh air ducts, whereby the heat exchanger surface is approximately doubled.

Berechnungen haben ergeben, dass an den Öffnungen das durch die Löcher zugeführte Luft/Abgas-Gemisch aufgrund seiner Strömung und der hohen Temperatur eine aggressive Wirkung hat. Bei der Herstellung der Löcher 141i in den Frischluftkanälen wird das Trägermaterial des integrierten Rekuperators freigelegt. Das Material ist gegenüber der reduzierenden Atmosphäre des restlichen Brenngasses chemisch nicht stabil. Um das Material zu schützen, können die freigelegten Wandbereiche beschichtet werden.Calculations have shown that at the openings, the air / exhaust gas mixture supplied through the holes has an aggressive effect due to its flow and the high temperature. In the production of holes 141 i in the fresh air channels, the carrier material of the integrated recuperator is exposed. The material is chemically unstable to the reducing atmosphere of the residual fuel gas. To protect the material, the exposed wall areas can be coated.

Alternativ können auch Hülsen aus hochschmelzendem und chemisch stabilem Material in die Löcher eingeschoben werden. Eine soche Hülse 151i ist in 6 gezeigt und besteht beispielsweise aus einer hochtemperatur-korrosionsbeständigen Legierung. Die Hülse hat eine Endbegrenzung und einen in 6 nicht im Einzelnen dargestellten Axialschlitz. Ein eventueller Spalt zwischen der Hülse und dem Grundmaterial kann mit einer geeigneten Paste, zum Beispiel aus Elektrolytmaterial, abgedichtet werden.Alternatively, sleeves made of high-melting and chemically stable material can be inserted into the holes. Such a sleeve 151 i is in 6 shown and consists for example of a high temperature corrosion resistant alloy. The sleeve has an end limit and an in 6 not shown in detail axial slot. Any gap between the sleeve and the base material may be sealed with a suitable paste, for example of electrolyte material.

Insgesamt wird bei dem beschriebenen Verfahren zur Führung von fluiden Betriebsmitteln bei HPD(High Power Density)-Brennstoffzellen ein mit der Brennstoffzelle integrierbarer Rekuperator zur Anwärmung von Frischluft verwendet und wird das in der Brennstoffzelle nicht genutzte Brenngas beim Zusammentreffen mit zumindes einem Teil Frischluft verbrannt. Dies erfolgt an den unteren Öffnungen am Rekuperator, d.h. in der Nähe des Austrittes des Rekuperators. Es wird dort die Zündtemperatur des Frischluft/Restgas-Gemisches erreicht. Gegebenfalls kann durch einen Katalysator die Verbrennung unterhalb der Zündtemperatur initiert werden. Das Gemisch aus Frischluft und verbranntem Brenngas wird der Brennstoffzelle als Oxidans zugeführt.All in all is in the described method for the management of fluid resources in HPD (High Power Density) fuel cells an integratable with the fuel cell recuperator for heating of Fresh air is used and is not used in the fuel cell Fuel gas burned when meeting at least a part of fresh air. This is done at the lower openings at the recuperator, i. near the exit of the recuperator. There is the ignition temperature of the fresh air / residual gas mixture reached. Optionally, by a catalyst combustion below the ignition temperature be initiated. The mixture of fresh air and burned fuel gas is supplied to the fuel cell as oxidant.

Claims (33)

Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage mit wenigstens einer HPD-Brennstoffzelle zur elektrochemischen Reaktion von vorgewärmter Luft als Oxidans mit einem gasförmigen Brennstoff und mit wenigstens einem zugehörigen Rekuperator zur Anwärmung von Frischluft, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (11) in die HPD-Brennstoffzelle (12) integriert ist.High-temperature fuel cell system with at least one HPD fuel cell for the electrochemical reaction of preheated air as Oxidans with a gaseous fuel and at least one associated recuperator for heating fresh air, characterized in that the recuperator ( 11 ) into the HPD fuel cell ( 12 ) is integrated. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die HPD-Brennstoffzelle (11) und der Rekuperator (12) ein gemeinsames Bauteil (10) bilden.High-temperature fuel cell system according to claim 1, characterized in that the HPD fuel cell ( 11 ) and the recuperator ( 12 ) a common component ( 10 ) form. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Bauteil (10) für die HPD-Brennstoffzelle und den Rekuperator (12) aus Keramik besteht.High-temperature fuel cell system according to claim 2, characterized in that the common component ( 10 ) for the HPD fuel cell and the recuperator ( 12 ) consists of ceramic. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Rnlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine aktive Beschichtung (21) im Bereich der Brennstoffzelle (11) und eine passive Beschichtung (22) im Bereich des Rekuperators (12) hat.High-temperature fuel cell RLlage according to one of claims 1 to 3, characterized in that the component ( 10 ) an active coating ( 21 ) in the area of the fuel cell ( 11 ) and a passive coating ( 22 ) in the area of the recuperator ( 12 ) Has. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Beschichtung (22) im Bereich des Rekuperators (12) eine die Keramik gasdicht abschließende Beschichtung ist.High-temperature fuel cell system according to claim 4, characterized in that the passive coating ( 22 ) in the area of the recuperator ( 12 ) is a ceramic gas-tight final coating. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passive und gasdichte Beschichtung des Rekuperators (12) aus dem Elektrolytmaterial für die aktive Beschichtung der Brennstoffzelle gebildet ist.High-temperature fuel cell system according to claim 4, characterized in that the passive and gas-tight coating of the recuperator ( 12 ) is formed from the electrolyte material for the active coating of the fuel cell. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Längs ausdehnung des Rekuperators (12) pro Zuluftkanal wenigstens zwei Öffnungen (131i , 141i ) pro Kanal vorhanden sind, von denen die eine Öffnung (131i ) im oberen Bereich des Rekuperators (12) und die andere Öffnung (141i ) im unteren Bereich des Rekuperators (12) liegt.High-temperature fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the longitudinal extent of the recuperator ( 12 ) per supply air duct at least two openings ( 131 i . 141 i ) are present per channel, of which the one opening ( 131 i ) in the upper area of the recuperator ( 12 ) and the other opening ( 141 i ) in the lower part of the recuperator ( 12 ) lies. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen und im unteren Bereich des Rekuperators (12) jeweils zwei Öffnungen (131i , 131i ) paarweise gegenüber liegen.High-temperature fuel cell system according to claim 7, characterized in that in the upper and in the lower part of the recuperator ( 12 ) two openings ( 131 i . 131 i ) lie in pairs opposite. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Öffnungen (131i , 131i ) im unteren Bereich des Rekuperators (12) Mittel zum Hochtemperaturschutz vorhanden sind.High-temperature fuel cell system according to claim 7, characterized in that in the openings ( 131 i . 131 i ) in the lower part of the recuperator ( 12 ) Means for high temperature protection are available. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Hochtemperaturschutz einsteckbare Hülsen (141i ) mit Längsschlitz und Endbegrenzung sind, vorzugsweise aus hochtemperatur- und korrosionsbeständigem Material.High-temperature fuel cell system according to claim 9, characterized in that the means for high temperature protection insertable sleeves ( 141 i ) are with longitudinal slot and Endbegrenzung, preferably made of high temperature and corrosion resistant material. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein chromhaltiger Stahl ist.High-temperature fuel cell system according to claim 10, characterized in that the material is a chromium-containing Steel is. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der unteren Öffnungen (151i ) eine separate Materialschicht vorhanden ist.High-temperature fuel cell system according to claim 7, characterized in that in the region of the lower openings ( 151 i ) a separate layer of material is present. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Wärmeüberganges die Wandung des Rekuperators (12) ausgeformt ist.High-temperature fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that to increase the heat transfer, the wall of the recuperator ( 12 ) is formed. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen der Wandung Längsrippen sind.High-temperature fuel cell system according to claim 13, characterized in that the formations of the wall longitudinal ribs are. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage aus HPD-Brennstoffzellen und zugehörigem Rekuperator, wobei jeweils eine Brennstoffzelle mit dem Rekuperator ein integriertes Bauteil bilden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei HPD-Zellen (11) mit integriertem Rekuperator (12) ein Brennstoffzellen-Modul (10) bilden.High-temperature fuel cell system comprising HPD fuel cells and associated recuperator, wherein in each case a fuel cell with the recuperator form an integrated component, characterized in that at least two HPD cells ( 11 ) with integrated recuperator ( 12 ) a fuel cell module ( 10 ) form. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der HPD-Brennstoffzellen (10; 11, 12) so gewählt ist, dass sich geeignete Strömungsverhältnisse ergeben.High-temperature fuel cell system according to claim 15, characterized in that the distance of the HPD fuel cells ( 10 ; 11 . 12 ) is chosen so that there are suitable flow conditions. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Modul aus HPD-Brennstoffzellen horizontale Wände (16 – 19) zugeordnet sind.High-temperature fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the module of HPD fuel cells horizontal walls ( 16 - 19 ) assigned. Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Horizontalwände (18, 19) einen Spalt zum Eindringen von Brenngas enthaltenHigh-temperature fuel cell system according to claim 17, characterized in that the lower horizontal walls ( 18 . 19 ) contain a gap for penetration of fuel gas Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Wände (16, 17) abdichtende Funktionen haben.High-temperature fuel cell system according to claim 17, characterized in that the other walls ( 16 . 17 ) have sealing functions. Verfahren zur Führung von fluiden Betriebsmitteln bei HPD(High Power Density)-Brennstoffzellen, bei dem in der Brennstoffzelle angewärmte Luft als Oxidans mit gasförmigem Brennstoff elektrochemisch reagiert, mit folgenden Maßnahmen: – Es wird ein mit der Brennstoffzelle integrierter Rekuperator zur Anwärmung von Frischluft verwendet, – das in der Zelle nicht genutzte Brenngas wird beim Zusammentreffen mit zumindest einem Teil der Frischluft verbrannt, – das Gemisch aus Frischluft und verbranntem Brenngas wird der Zelle als Oxidans zugeführt.Procedure for leadership of fluid equipment in HPD (High Power Density) fuel cells, in the air warmed in the fuel cell as oxidant with gaseous fuel electrochemically reacted, with the following measures: - It will an integrated with the fuel cell recuperator for heating of Fresh air used, - the in the cell unused fuel gas is at the meeting with at least some of the fresh air burned, - the mixture from fresh air and burned fuel gas is the cell as Oxidans fed. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammentreffen des nicht vollständig genutzten Brenngases mit zumindest einem Teil der Frischluft die Zündtemperatur des Frischluft/Restgas-Gemisches erreicht wird.Method according to claim 20, characterized in that that at the confluence of the not fully used fuel gas with at least part of the fresh air, the ignition temperature of the fresh air / residual gas mixture is reached. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Katalysator die Verbrennung bei Temperaturen unterhalb der Zündtemperatur initiert wird.Method according to claim 20, characterized in that that by burning the catalyst at temperatures below the ignition temperature is initiated. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung am Rekuperator (12) maximiert wird.A method according to claim 20, characterized in that the heat transfer to the recuperator ( 12 ) is maximized. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rekuperator verwendet wird, der die gleiche Anzahl von Kanälen wie die HPD-Brennstoffzelle aufweist, wobei – die Frischluft wird von außen den Zuluftkanälen des Rekuperators zugeführt, – in den einzelnen Zuluftkanälen wird die Luft bis zu einer ersten Verzweigung geführt, – in der ersten Verzweigung wird ein Teil der in den Zuluftkanälen geführten Luft herausgeführt und außen an der Rekuperatorwandung weitergeführt, – an einer zweiten Verzweigung wird die außen geführte Luft in die Zuluftkanäle zurückgeführt,Method according to claim 23, characterized that a recuperator is used which has the same number of channels as the HPD fuel cell, wherein - the fresh air is from the outside the supply air ducts supplied to the recuperator, - in the individual supply air ducts the air is led to a first branch, - in the The first branch becomes part of the air in the supply ducts led out and outside Continued at the recuperator wall, - at a second branch will the outside guided Air in the supply air ducts recycled Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass nicht verbranntes Restgas im Rekuperator zurückgeführt wird.Method according to claim 20, characterized in that that unburned residual gas is recycled in the recuperator. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die der Zelle zugeführte Prozeßluft die Verbrennungsprodukte des Restgases enthält.Method according to claim 20, characterized in that that supplied to the cell process air contains the combustion products of the residual gas. Verfahren nach Anspruch 25 und Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass die angewärmte Luft als Oxidans in die Zuluftkanäle der Brennstoffzelle eingebracht wird und das nach elektrochemischer Reaktion nicht vollständig genutzte Brenngas in der zweiten Verzweigung der Luft beigemischt und nach dort erfolgter Verbrennung als Energie zur Erwärmung der zugeführten Frischluft verwendet wird.The method of claim 25 and claim 26 herein characterized in that the warmed air as oxidant in the supply air ducts the fuel cell is introduced and that after electrochemical reaction not completely Used fuel gas mixed in the second branch of the air and after there combustion as energy for heating the supplied Fresh air is used. Herstellungsverfahren von HPD-Brennstoffzellen und jeweils einem damit integrierten Rekuperator für eine Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 20, mit folgenden Herstellungsschritten: – die Brennstoffzelle und/oder der Rekuperator werden aus einem keramischen Material extrudiert, – die extrudierten Teile werden Weiterbearbeitungsmaßnahmen unterzogen, – dabei wird der aktive Teil der Brennstoffzelle mit wenigstens einer Kathode, einem Elektrolyten und einer Anode versehen und – der inaktive Teil des Rekuperators wird mit einer abdichtenden Schicht versehen.Production process of HPD fuel cells and in each case an integrated recuperator for a high-temperature fuel cell system according to claim 1 or one of claims 2 to 20, with the following Manufacturing steps: - the Fuel cell and / or the recuperator are made of a ceramic Material extruded, - the extruded parts are subjected to further processing, - here becomes the active part of the fuel cell with at least one cathode, an electrolyte and an anode provided and - the inactive Part of the recuperator is provided with a sealing layer. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzelle und Rekuperator in einem Arbeitsgang aus dem gleichen Trägermaterial extrudiert werden.Method according to Claim 28, characterized that fuel cell and recuperator in one operation from the same carrier material be extruded. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, das zur Erhöhung der Festigkeit die Weiterbearbeitungsmaßnahmen bereichsweise unterschiedlich erfolgen.Method according to Claim 28, characterized that to the increase the strength of the further processing measures partially different respectively. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzelle und Rekuperator nacheinander aus unterschiedlichem Material extrudiert werden.Method according to claim 29, characterized that fuel cell and recuperator successively from different Material to be extruded. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass als abdichtende Schicht des inaktiven Teils Elektrolytmaterial verwendet wird und im gemeinsamen Verfahrensschritt zur Herstellung der Elektrolytschicht auf die Brennstoffzelle auf den Rekuperator aufgebracht wird.Method according to claim 31, characterized in that as the sealing layer of the inactive part, electrolyte material is used and in the common process step for the production the electrolyte layer on the fuel cell on the recuperator is applied. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt- und Abdeckschicht YSZ-Material verwendet wird.Method according to claim 32, characterized in that in that the electrolyte and cover layer used is YSZ material.
DE102004005044A 2004-01-30 2004-01-30 High temperature fuel cell installation has high power density cell(s) for electro-chemical reaction of preheated air, as oxidant, with gaseous fuel Withdrawn DE102004005044A1 (en)

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