DE102007001153A1

DE102007001153A1 - Method for operating a high temperature fuel cell and fuel cell system

Info

Publication number: DE102007001153A1
Application number: DE102007001153A
Authority: DE
Inventors: Stefan Käding; Norbert GÜNTHER
Original assignee: Enerday GmbH
Current assignee: Enerday GmbH
Priority date: 2007-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2008-07-10
Also published as: WO2008080374A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (10), die eine Anodenseite (12) und eine Kathodenseite (14) umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass eine örtlich begrenzte endotherme Dampfreformierungsreaktion auf der Anodenseite (12) in einem ersten Bereich (16) hervorgerufen wird, der einem auf der Kathodenseite (14) befindlichen zweiten Bereich (18) gegenüberliegt, in dem Kathodenluft (20) im Vergleich zu anderen Bereichen (44) auf der Kathodenseite (14) heiß ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das ein Gasversorgungssystem (26), einen Reformer (28) und einen Brennstoffzellenstapel (24) umfasst, wobei der Reformer (28) den Brennstoffzellenstapel (24) mit einem wasserstoffhaltigen (22) Brenngas versorgt und wobei das Gasversorgungssystem (26) den Reformer (28) über wenigstens eine erste Leitung (30) mit Gas versorgt. In diesem Fall ist vorgesehen, dass das Gasversorgungssystem (26) von dem Reformer (28) erzeugtem wasserstoffhaltigem Brenngas (22) über eine zweite Leitung (34) kurzkettigen Kohlenwasserstoff zusetzen kann.The invention relates to a method for operating a high temperature fuel cell (10) comprising an anode side (12) and a cathode side (14). It is envisaged that a localized endothermic steam reforming reaction on the anode side (12) in a first region (16) is caused, which is opposite to a on the cathode side (14) located second region (18), in the cathode air (20) in comparison to other areas (44) on the cathode side (14) is hot. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system, which comprises a gas supply system (26), a reformer (28) and a fuel cell stack (24), wherein the reformer (28) supplies the fuel cell stack (24) with a hydrogenous (22) fuel gas and wherein the gas supply system (26) supplying gas to the reformer (28) via at least one first conduit (30). In this case, it is provided that the gas supply system (26) of the hydrogen-containing fuel gas (22) generated by the reformer (28) can add short-chain hydrocarbon via a second line (34).

Description

Die Erfindung betrifft ein 1. Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die eine Anodenseite und eine Kathodenseite umfasst.The The invention relates to a first method for operating a high-temperature fuel cell, which includes an anode side and a cathode side.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das ein Gasversorgungssystem, einen Reformer und einen Brennstoffzellenstapel umfasst, wobei der Reformer den Brennstoffzellenstapel mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas versorgt und wobei das Gasversorgungssystem den Reformer über wenigstens eine erste Leitung mit Gas versorgt.Farther The invention relates to a fuel cell system comprising a gas supply system, a Reformer and a fuel cell stack, wherein the reformer the fuel cell stack with a hydrogen-containing fuel gas supplied and wherein the gas supply system, the reformer over at least supplied a first line with gas.

Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellen produzieren neben elektrischem Strom auch Wärme. Insbesondere beim Betrieb von Brennstoffzellensta peln, die eine Vielzahl von Hochtemperatur-Brennstoffzellen umfassen, muss diese Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden. Beispielsweise bei SOFC-Brennstoffzellenstapeln ist es bekannt, die Wärme mit Kathodenluft abzuführen, die durch den Brennstoffzellenstapel geleitet wird. Dabei durchströmt die Kathodenluft den Brennstoffzellenstapel wie einen Wärmetauscher und wird dabei erwärmt. Die von der Kathodenluft aufgenommene Wärme führt zu einer Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Dieser Sachverhalt ist in 1 dargestellt. Eine Brennstoffzelle 10 umfasst eine Anodenseite 12 und eine Kathodenseite 14. Der Kathodenseite 14 wird Kathodenluft 20 zugeführt, die bezogen auf die Darstellung von 1 von links nach rechts strömt. Der Anodenseite 12 wird in an sich bekannter Weise ein wasserstoffhaltiges Brenngras zugeführt, das in 1 nicht dargestellt ist, jedoch bezogen auf deren Darstellung von rechts nach links strömen kann. Diese Vorgehensweise führt durch die unterschiedlichen Temperaturen zwischen Ein- und Austritt der Kathodenluft 20 zu einem Temperaturgradienten, auch in der Brennstoffzelle selbst. Beispielsweise kann die Kathodenlufteintrittstemperatur wie dargestellt 700°C und die Kathodenaustrittstemperatur wie dargestellt 850°C betragen. Die elektrische Leitfähigkeit und damit auch die elektrische Leistung der Brennstoffzelle sind jedoch stark temperaturabhängig. Daher kommt es bei dieser bekannten Vorgehensweise zu Bereichen hoher elektrischer Leistung, nämlich den warmen Bereichen am Kathodenluftausgang, und zu Bereichen mit geringerer elektrischer Leistung nämlich den kühleren Bereichen am Kathodenlufteingang. Somit kann das gesamte Potential der Brennstoffzelle nicht erreicht wer den, da der Auslegungspunkt derjenige im heißen Bereich sein muss.Fuel cells, especially high-temperature fuel cells also produce heat in addition to electrical current. In particular, in the operation of fuel cell Sta peln comprising a plurality of high-temperature fuel cells, this heat must be removed from the fuel cell stack. For example, in SOFC fuel cell stacks, it is known to dissipate the heat with cathode air that is passed through the fuel cell stack. The cathode air flows through the fuel cell stack like a heat exchanger and is thereby heated. The heat absorbed by the cathode air leads to a cooling of the fuel cell stack. This situation is in 1 shown. A fuel cell 10 includes an anode side 12 and a cathode side 14 , The cathode side 14 becomes cathode air 20 fed, based on the representation of 1 flows from left to right. The anode side 12 is fed in a conventional manner, a hydrogen-containing fuel grass, the in 1 is not shown, but based on their representation can flow from right to left. This procedure leads through the different temperatures between inlet and outlet of the cathode air 20 For example, the cathode air inlet temperature may be as shown 700 ° C and the cathode exit temperature as shown 850 ° C, for example, in the fuel cell itself. However, the electrical conductivity and thus also the electrical power of the fuel cell are strongly temperature-dependent. Therefore, in this known approach, areas of high electrical power, namely the warm areas at the cathode air outlet, and areas of lesser electrical power, namely, the cooler areas at the cathode air inlet. Thus, the entire potential of the fuel cell can not be reached who, because the design point must be that in the hot area.

Eine mögliche Abhilfemaßnahme wäre die Verwendung einer Kathodenlufteingangstemperatur nahe der Kathodeneingangstemperatur (beispielsweise 820°C). Nachteilig wäre in diesem Fall jedoch, dass die Abwärme nur durch einen sehr hohen Volumenstrom aus dem Brennstoffzellenstapel transferiert werden könnte. Ein erhöhter Volumenstrom bei erhöhter Temperatur würde jedoch zusätzlichen Bauraum (und eventuell zusätzliches Gewicht) für die Wärmeübertrager zur Luftvorheizung erfordern. Ebenso würde der Bedarf an elektrischer Energie für die Kathodenluftgebläse steigen, was sich wiederum negativ auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems auswirken würde.A possible Countermeasure would be the use a cathode air inlet temperature near the cathode inlet temperature (for example, 820 ° C). The disadvantage would be in this case, however, that the waste heat only by a very high Volumetric flow are transferred from the fuel cell stack could. An elevated one Volume flow at elevated Temperature would however additional Space (and possibly additional Weight) for the heat exchanger to require air preheating. Likewise, the need for electrical Energy for the Cathode air blower increase, which in turn has a negative effect on the efficiency of the overall system would.

Insbesondere wenn das wasserstoffhaltige Brenngas über einen Reformer zur Verfügung gestellt wird, ist auf der Anodenseite der Brennstoffzelle eine Abkühlung des Brenngasstroms nicht möglich, da es in diesen Fällen zu unerwünschten Rußbildungen kommen könnte. Die Anodenseite 12 der Brennstoffzelle 10 muss also mit einem vergleichsweise heißen wasserstoffhaltigen Brenngas beaufschlagt werden, das beispielsweise eine Temperatur von etwa 850°C haben kann.In particular, if the hydrogen-containing fuel gas is provided via a reformer, a cooling of the fuel gas stream is not possible on the anode side of the fuel cell, since it could come in these cases to undesirable soot. The anode side 12 the fuel cell 10 must therefore be acted upon with a comparatively hot hydrogen-containing fuel gas, which may for example have a temperature of about 850 ° C.

Weiterhin wurde bereits versucht, die Wärmeabfuhr mit Hilfe von verschiedenen Konzepten zu verbessern, die vorsehen, den Brennstoffzellenstapel im Kreuz-, Parallel- oder Gegenstrom mit Kathodenluft und wasserstoffhaltigem Brenngas zu versorgen. Jedoch ermöglichen auch diese Konzepte kein wirklich befriedigendes Temperaturmanagement.Farther was already trying to heat dissipation to improve with the help of different concepts that provide the fuel cell stack in the cross, parallel or countercurrent to supply with cathode air and hydrogen-containing fuel gas. However, allow even these concepts are not really satisfactory temperature management.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und Brennstoffzellensysteme so weiterzubilden, dass das Temperaturmanagement verbessert wird, um das Potential der Brennstoffzelle möglichst vollständig nutzen zu können.Of the The invention is therefore based on the object, the generic method and fuel cell systems so that the temperature management is improved to the potential of the fuel cell as possible Completely to be able to use.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.These The object is solved by the features of the independent claims.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.advantageous Refinements and developments of the inventions result from the dependent ones Claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass eine örtlich begrenzte endotherme Dampfreformierungsreaktion auf der Anodenseite in einem ersten Bereich hervorgerufen wird, der einem auf der Kathodenseite befindlichen zweiten Bereich gegenüberliegt, in dem Kathodenluft im Vergleich zu anderen Bereichen auf der Kathodenseite heiß ist. Dadurch ist es möglich, die Kathodenluft mit einer im Vergleich zum Stand der Technik höheren Temperatur einzubringen. Denn der Kathodenluftstrom muss nur einen Teil der entstehenden Wärme aus der Brennstoffzelle beziehungsweise dem Brennstoffzellenstapel ausbringen. Die restliche Wärme wird zumindest größtenteils über die Reaktionsenthalpie der Dampfreformierung sozusagen verbraucht. Die Dampfreformierung als endotherme Reaktion fungiert so als Wärmesenke und sorgt dafür, dass die Temperatur in dem ersten Bereich, aber auch in dem zweiten Bereich nicht weiter steigt.The inventive method is based on the generic state of the art in that a localized endothermic steam reforming reaction on the anode side in a first region is caused, which is opposite to a second side located on the cathode side, in the cathode air compared to other areas on the cathode side is hot. This makes it possible to introduce the cathode air with a higher temperature compared to the prior art. Because the cathode air flow has to deploy only a portion of the resulting heat from the fuel cell or the fuel cell stack. The remaining heat is at least largely consumed, so to speak, via the reaction enthalpy of the steam reforming. The steam reforming tion as an endothermic reaction thus acts as a heat sink and ensures that the temperature in the first region, but also in the second region, does not increase any further.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Hervorrufen der endothermen Dampfreformierungsreaktion umfasst, dass der Anodenseite ein mit kurzkettigem Kohlenwasserstoff angereichertes wasserstoffhaltiges Brenngas zugeführt wird. Zur Bereitstellung der vorzugsweise kurzkettigen Kohlenwasserstoffe ist es beispielsweise möglich, durch Absenken der Temperatur in einem zur Bereitstellung des wasserstoffhaltigen Brenngases genutzten Reformer den Umsatz zu verringern. Dabei entstehen Kohlenwasserstoffe. Zum anderen kann man bei der Verwendung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen hinter dem Reformer Gas einbringen und so für die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen sorgen. Beispielsweise kommt Methan als kurzkettiger Kohlenwasserstoff in Betracht.at preferred embodiments the method according to the invention it is envisaged that inducing the endothermic steam reforming reaction includes the anode side with a short chain hydrocarbon Enriched hydrogen-containing fuel gas is supplied. To provide the preferably short-chain hydrocarbons is it possible, for example, by lowering the temperature in one to provide the hydrogen-containing Used fuel gas reformer to reduce sales. Thereby arise Hydrocarbons. On the other hand one can with the use of gaseous Incorporate hydrocarbons behind the reformer gas and so for the presence of hydrocarbons. For example, methane comes as short-chain hydrocarbon into consideration.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es weiterhin als vorteilhaft erachtet, dass das mit kurzkettigem Kohlenwasserstoff angereicherte wasserstoffhaltige Brenngas auf der Anodenseite in einer ersten Richtung zugeführt wird, die sich von einer zweiten Richtung unterscheidet, in der der Kathodenseite Kathodenluft zugeführt wird. Beispielsweise wenn die Brennstoffzelle im Gegenstrom von Kathodenluft und Anodengas betrieben wird, wird die Kathodenluft in ihrer Strömungsrichtung aufgeheizt. Dies geschieht durch die Wärmeproduktion der Brennstoffzelle. Die Wärme, die im Anodeneingangsbereich produziert wird, gelangt jedoch zumindest größtenteils nicht in die Kathodenluft und erhitzt sie damit nicht weiter, sondern wird auf das Anodengas übertragen. Die als Wärmesenke fungierende endotherme Dampfreformierungsreaktion läuft in diesem Fall überwiegend im Anodeneingangsbereich ab, der dem Kathodenausgangsbereich gegenüberliegt.in the Connection with the method according to the invention will continue considered advantageous that the short chain hydrocarbon enriched hydrogen-containing fuel gas on the anode side in a first Direction supplied which differs from a second direction in the the cathode side cathode air is supplied. For example, if the fuel cell in countercurrent of cathode air and anode gas is operated, the cathode air in its flow direction heated. This is done by the heat production of the fuel cell. The heat, which is produced in the anode input area, but at least Mostly not in the cathode air and does not continue to heat it, but instead is transferred to the anode gas. The as a heat sink functioning endothermic steam reforming reaction runs in this Case predominantly in the anode input region opposite to the cathode output region.

Um die Brennstoffzelle im Gegenstrom von Kathodenluft und Anodengas zu betreiben, ist es erforderlich, dass die erste Richtung und die zweite Richtung zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt verlaufen.Around the fuel cell in countercurrent of cathode air and anode gas To operate, it is necessary that the first direction and the second direction at least substantially opposite.

Wie weiter oben bereits erläutert, ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass das mit kurzkettigem Kohlenwasserstoff angereicherte wasserstoffhaltige Brenngas durch Anreichern eines von einem Reformer erzeugten wasserstoffhaltigen Brenngases mit kurzkettigem Kohlenwasserstoff erzeugt wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine den Reformer mit einem Brennstoffzellenstapel verbindende Leitung mit einer Injektionseinrichtung ausgestattet werden, über die kurzkettiger Kohlenwasserstoff zugesetzt werden kann.As already explained above, it is possible in the context of the method according to the invention that the short-chain hydrocarbon-enriched hydrogen-containing hydrocarbon Fuel gas by enriching a hydrogen-containing generated by a reformer Fuel gas is produced with short-chain hydrocarbon. To this Purpose, for example, a reformer with a fuel cell stack connecting line equipped with an injection device be over the short-chain hydrocarbon can be added.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Temperatur der Hochtemperatur-Brennstoffzelle über die Menge des zugesetzten kurzkettigen Kohlenwasserstoffs geregelt wird. Die Stellgröße eines entsprechenden Regelkreises könnte beispielsweise eine Gebläsedrehzahl oder eine Ventilstellung sein, die die Menge des zugesetzten kurzkettigen Kohlenwasserstoffs beeinflusst.A Particularly preferred embodiment of the method according to the invention provides that the temperature of the high-temperature fuel cell over the Amount of added short-chain hydrocarbon is controlled. The manipulated variable of a corresponding Loop could for example, a blower speed or a valve position, which is the amount of added short-chain Hydrocarbon influenced.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass das Gasversorgungssystem von dem Reformer erzeugtem wasser stoffhaltigem Brenngas über eine zweite Leitung kurzkettigen Kohlenwasserstoff zusetzen kann. Der kurzkettige Kohlenwasserstoff ermöglicht die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich erläuterte endotherme Dampfreformierungsreaktion und somit den erwünschten Wärmeverbrauch in dem ersten Bereich, in dem diese Reaktion stattfindet. Der Fachmann erkennt, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestens geeignet ist und dass sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Weiterbildungen auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems verwirklichen lassen. Auf die entsprechenden Ausführungen wird daher verwiesen.The Fuel cell system according to the invention builds on the generic state the technology by the fact that the gas supply system of the reformer Short-chain generated hydrogen-containing fuel gas via a second line Hydrocarbon can add. The short-chain hydrocarbon allows the endothermic explained in detail in connection with the method according to the invention Steam reforming reaction and thus the desired heat consumption in the first Area in which this reaction takes place. The person skilled in the art recognizes that the fuel cell system according to the invention to carry out the method according to the invention is most suitable and that in connection with the method according to the invention explained Further developments in the context of the fuel cell system according to the invention let realize. On the appropriate versions is therefore referenced.

Insbesondere wenn gasförmige Brennstoffe zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Brenngases genutzt werden, kann vorgesehen sein, dass die erste Leitung und die zweite Leitung mit einem Druckbehälter in Verbindung stehen. In diesem Fall wird der Druck in dem Druckbehälter vorzugsweise geregelt, beispielsweise mit Hilfe eines Drucksensors, einer Pumpe und einem Ventil, insbesondere einem Proportionalventil.Especially when gaseous Fuels used to produce the hydrogen-containing fuel gas can be provided that the first line and the second Pipe with a pressure vessel keep in touch. In this case, the pressure in the pressure vessel becomes preferable regulated, for example by means of a pressure sensor, a pump and a valve, in particular a proportional valve.

Für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird es weiterhin als vorteilhaft erachtet, dass die zweite Leitung mit Mitteln zum Variieren des Leitungsquerschnitts ausgestattet ist.For the fuel cell system according to the invention it is further considered advantageous that the second line equipped with means for varying the cable cross-section is.

Diese Mittel können beispielsweise Blenden insbesondere regel- oder steuerbare Blenden, und/oder Ventile umfassen. Gleiche oder ähnliche Mittel zum Variieren des Leitungs querschnittes können selbstverständlich auch in anderen Leitungen des Systems vorgesehen sein.These Means can For example, diaphragms, in particular controllable or controllable diaphragms, and / or Include valves. Same or similar means to vary the line cross-section can of course also be provided in other lines of the system.

Wesentlich für die Erfindung ist, dass die aus einem Brennstoffzellenstapel gebrachte Wärmemenge sich über einen im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Kathodenluftvolumenstrom realisieren lässt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Leistung der entsprechenden Gebläse deutlich geringer sein kann. Weiterhin kann die Eingangstemperatur der Kathodenluft im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöht werden, beispielsweise auf etwa 820°C, was zu einer erhöhten Leitfähigkeit des Elektrolyten in der Brennstoffzelle führt. Gleichzeitig führt die erfindungsgemäße Vorgehensweise zu einer homogeneren Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapel.It is essential for the invention that the amount of heat brought from a fuel cell stack can be realized via a lower cathode air volume flow compared with the prior art. This has the particular advantage that the Performance of the corresponding blower can be significantly lower. Furthermore, the inlet temperature of the cathode air can be significantly increased compared to the prior art, for example to about 820 ° C, which leads to an increased conductivity of the electrolyte in the fuel cell. At the same time, the procedure according to the invention leads to a more homogeneous temperature distribution in the fuel cell stack.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft erläutert.preferred embodiments The invention will be described below with reference to the accompanying drawings exemplified.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung, die den Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht; 1 a schematic diagram illustrating the operation of a high-temperature fuel cell according to the prior art;

2 eine schematische Darstellung, die den erfindungsgemäßen Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle veranschaulicht; 2 a schematic representation illustrating the operation of a high-temperature fuel cell according to the invention;

3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, das auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. 3 an embodiment of a fuel cell system according to the invention, which is also suitable for carrying out the method according to the invention.

2 zeigt eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle 10, die eine Anodenseite 12 und eine Kathodenseite 14 umfasst. Der Kathodenseite 14 wird bezogen auf die Darstellung von 2 von links nach rechts Kathodenluft 20 zugeführt. Im Kathodeneingangsbereich beträgt die Temperatur im dargestellten Fall ungefähr 820°C, während sie im Kathodenausgangsbereich ungefähr 850°C beträgt. Die Kathodenluft 20 erwärmt sich somit in Strömungsrichtung und weist daher in einem zweiten Bereich 18 eine höhere Temperatur als in dem anderen Bereich 44 auf, der näher an der Kathodeneingangsseite liegt. Der Anodenseite 12 wird im Gegenstrom, das heißt bezogen auf die Darstellung von 2 von rechts nach links, wasserstoffhaltiges Brenngas 22 zugeführt. Dieses wasserstoffhaltige Brenngas 22 ist mit kurzkettigem Kohlenwasserstoff angereichert, beispielsweise mit Methan. In einem ersten Bereich 16, der dem im Vergleich zu dem anderen Bereich 44 heißen zweiten Bereich 18 gegenüber liegt, findet somit eine endotherme Dampfreformierungsreaktion statt, die sozusagen Wärme verbraucht. In dem Bereich 42, der sich an den Anodenausgang anschließt, findet diese Reaktion nicht mehr oder nur noch in einem geringeren Maße statt. Aufgrund des "Wärmeverbrauchs" in dem ersten Bereich 16 ist es möglich, die Kathodenluft 20 mit einer höheren Temperatur als beim Stand der Technik zuzuführen, beispielsweise mit eine Temperatur von ungefähr 820°C. Trotz der höheren Eingangstemperatur wird die Kathodenluft 20 im Vergleich zum Stand der Technik nicht stärker erwärmt und hat im Kathodenausgangsbereich beispielsweise eine Temperatur von ungefähr 850°C. 2 shows a high-temperature fuel cell 10 that has an anode side 12 and a cathode side 14 includes. The cathode side 14 is related to the representation of 2 from left to right cathode air 20 fed. In the cathode input region, the temperature in the illustrated case is about 820 ° C, while in the cathode output region it is about 850 ° C. The cathode air 20 thus heats up in the flow direction and therefore has in a second area 18 a higher temperature than in the other area 44 on, which is closer to the cathode input side. The anode side 12 is in countercurrent, that is based on the representation of 2 from right to left, hydrogen-containing fuel gas 22 fed. This hydrogen-containing fuel gas 22 is enriched with short-chain hydrocarbon, such as methane. In a first area 16 that compared to the other area 44 hot second area 18 Thus, an endothermic steam reforming reaction takes place, which consumes heat, so to speak. In that area 42 , which joins the anode output, this reaction is no longer or only to a lesser extent. Due to the "heat consumption" in the first area 16 is it possible the cathode air 20 at a higher temperature than in the prior art, for example at a temperature of about 820 ° C. Despite the higher inlet temperature, the cathode air 20 not heated much more in comparison with the prior art and has a temperature of about 850 ° C in the cathode output region, for example.

3 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem. Das dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst ein Gasversorgungssystem 26, einen Reformer 28, einen Brennstoffzellenstapel 24 mit einer Mehrzahl von Hochtemperatur-Brennstoffzellen 10 und einen Nachbrenner 58. Das Gasversorgungssystem 26 umfasst einen Druckbehälter 36, der über eine Anordnung aus einem Hauptventil 60, einer Pumpe 62, einem Proportionalventil 64 und eine Ventilansteuerung 66 mit Gas beaufschlagt wird. Die Anordnung ist dabei so gewählt, dass das über das Hauptventil 60 zugeführte Gas von der Pumpe 62 in den Druckbehälter 36 gefördert wird, wobei der Druck in dem Druckbehälter 36 mit Hilfe eines der Ventilansteuerung 66 zugeordneten Drucksensors gemessen wird. Je nach Sollwert des Drucks in dem Druckbehälter 36 wird die Stellung des Proportionalventils 64 geändert. Es ist somit also möglich, den Druck in dem Druckbehälter 36 über die Stellung des Proportionalventils 64 zu regeln. Das Gasversorgungssystem 26 hat die Aufgabe, die Gaspfade zum Reformer 28, zur Injektionsstelle 70 für kurzkettigen Kohlenwasserstoff und zum Nachbrenner des sogenannten Hotbox-Moduls mit der richtigen Brennstoffmenge zu versorgen. Zu diesem Zweck steht eine erste Leitung 30 mit einem Reformer-Verdampfer des Reformers 28 in Verbindung und eine zweite Leitung 34 steht mit der Injektionsstelle 70 zwischen dem Reformer 28 und dem Brennstoffzellenstapel 24 in Verbindung. Weiterhin steht eine dritte Leitung 32 mit einem Reformer-Brenner in Verbindung und eine vierte Leitung 68 steht mit dem Nachbrenner 58 in Verbindung, dem Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 24 zugeführt wird. In der ersten Leitung 30 ist ein Magnetventil 50 und eine Blende 52 vorgesehen, in der zweiten Leitung 34 ist ein Magnetventil 38 und eine elektrisch regelbare Blende 40 vorgesehen, in der dritten Leitung 32 ist ein Magnetventil 46 und eine Blende 48 vorgesehen, und in der vierten Leitung 68 ist ein Magnetventil 54 und eine Blende 56 vorgesehen. Die Gasmengen, die durch das Gasversorgungssystem 26 über die einzelnen Pfade zugeführt werden, werden vorzugsweise durch die Blenden 40, 48, 52, 56 eingestellt. Sobald der Druck im Druckspeicher 36 größer ist als der überkritische Druck des Gases, hängt der Durchfluss nur noch vom Druck im Druckspeicher 36 und der Größe der jeweiligen Blende 40, 48, 52, 56 ab. Zumindest die Einstellung der Blenden 48, 52, 56 erfolgt daher vorzugsweise einmalig, das heißt die Verhältnisse der Volumenströme werden über die Blenden eingestellt, wobei die Menge des jeweils ausströmenden Gases über den Druck eingestellt werden kann. In vielen Fällen kann der Reformer 28 betrieben werden, sobald man die Verhältnisse zwischen dem zu verbrennenden Gas und dem zu reformierenden Gas kennt. Die Volumenströme müssen dabei nicht unbedingt bekannt sein, jedoch ist ein Betrieb des Reformers über die Einstellung des Verhältnisses der beiden Volumenströme möglich. Dem Nachbrenner 58 wird über die vierte Leitung 68 vorzugsweise nur während des Starts Gas zugeführt. Danach kann die vierte Leitung 68 über das Ventil 54 abgeschaltet werden. Weiterhin kann ein in 3 nicht dargestellter Bypass, der ebenfalls eine Blende und ein Magnetventil aufweisen kann, die Ausgangsseite der Blende 48 mit der Eingangsseite des Magnetventils 50 ver binden. In diesem Fall ist es möglich, in der Aufheizphase des Systems eine zusätzliche Leistung in den Reformerbrenner einzubringen, um die Aufheizzeit zu verkürzen. Darüber hinaus ist es möglich, in einer oder in mehreren der Leitungen 30, 32, 34, 68 nicht dargestellte Sensoren zur Bestimmung der Volumenströme und/oder Drücke vorzusehen. 3 shows a fuel cell system according to the invention. The illustrated fuel cell system includes a gas supply system 26 , a reformer 28 , a fuel cell stack 24 with a plurality of high-temperature fuel cells 10 and an afterburner 58 , The gas supply system 26 includes a pressure vessel 36 that has an arrangement of a main valve 60 , a pump 62 , a proportional valve 64 and a valve driver 66 is acted upon with gas. The arrangement is chosen so that via the main valve 60 supplied gas from the pump 62 in the pressure vessel 36 is promoted, the pressure in the pressure vessel 36 with the help of one of the valve control 66 associated pressure sensor is measured. Depending on the target value of the pressure in the pressure vessel 36 becomes the position of the proportional valve 64 changed. It is thus possible, the pressure in the pressure vessel 36 about the position of the proportional valve 64 to regulate. The gas supply system 26 has the job of making the gas paths to the reformer 28 , to the injection site 70 for short-chain hydrocarbon and for the afterburner of the so-called Hotbox module with the right amount of fuel to supply. For this purpose, there is a first line 30 with a reformer-evaporator of the reformer 28 in connection and a second line 34 stands with the injection site 70 between the reformer 28 and the fuel cell stack 24 in connection. Furthermore, there is a third line 32 communicating with a reformer burner and a fourth pipe 68 stands with the afterburner 58 in conjunction, the anode exhaust gas from the fuel cell stack 24 is supplied. In the first line 30 is a solenoid valve 50 and a panel 52 provided, in the second line 34 is a solenoid valve 38 and an electrically adjustable aperture 40 provided, in the third line 32 is a solenoid valve 46 and a panel 48 provided, and in the fourth line 68 is a solenoid valve 54 and a panel 56 intended. The gas volumes passing through the gas supply system 26 are fed through the individual paths are preferably through the aperture 40 . 48 . 52 . 56 set. As soon as the pressure in the accumulator 36 is greater than the supercritical pressure of the gas, the flow depends only on the pressure in the accumulator 36 and the size of each aperture 40 . 48 . 52 . 56 from. At least the setting of the aperture 48 . 52 . 56 Therefore, it is preferably carried out once, that is, the ratios of the volume flows are adjusted via the aperture, wherein the amount of each outflowing gas can be adjusted via the pressure. In many cases, the reformer 28 be operated as soon as one knows the relationships between the gas to be burned and the gas to be reformed. The volume flows do not necessarily have to be known, but a Be drove the reformer on the adjustment of the ratio of the two flow rates possible. The afterburner 58 is via the fourth line 68 preferably supplied only during the start of gas. After that, the fourth line 68 over the valve 54 be switched off. Furthermore, an in 3 not shown bypass, which may also have a diaphragm and a solenoid valve, the output side of the diaphragm 48 with the input side of the solenoid valve 50 connect. In this case, it is possible to add additional power to the reformer burner during the heating phase of the system in order to shorten the heating time. In addition, it is possible in one or more of the lines 30 . 32 . 34 . 68 not provided sensors for determining the flow rates and / or pressures provided.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 24 geregelt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Temperatur der Kathodenluft 20 bestimmt werden, wenn diese aus dem Brennstoffzellenstapel austritt (selbstverständlich sind zusätzlich oder alternativ auch Temperaturmessungen an anderen Stellen möglich). In Abhängigkeit von einer vorgegebenen Solltemperatur und der gemessenen Isttemperatur kann dann über die zweite Leitung 34 eine über das Magnetventil 38 und die elektrisch regelbare Blende 40 beeinflussbare Menge von kurzkettigem Kohlenwasserstoff zugesetzt werden, um die Isttemperatur über die endotherme Dampfreformierungsreaktion möglichst nahe an die Solltemperatur anzugleichen. Eine genaue Kenntnis des Verhaltens des Brennstoffzellenstapels 24 erleichtert dabei die Regelung.In particularly preferred embodiments of the invention, the temperature of the fuel cell stack 24 regulated. For this purpose, for example, the temperature of the cathode air 20 be determined when it exits the fuel cell stack (of course, in addition or alternatively, temperature measurements in other places are possible). Depending on a predetermined setpoint temperature and the measured actual temperature can then via the second line 34 one over the solenoid valve 38 and the electrically adjustable aperture 40 modifiable amount of short-chain hydrocarbon can be added to equalize the actual temperature via the endothermic steam reforming reaction as close to the target temperature. An accurate knowledge of the behavior of the fuel cell stack 24 facilitates the regulation.

Alle elektrisch betätigten Komponenten und Sensoren können beispielsweise mit einem nicht dargestellten zentralen Controller in Verbindung stehen, der die entsprechende Ansteuerung vornimmt.All electrically operated Components and sensors can for example, with a central controller, not shown be in communication, which makes the appropriate control.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The in the above description, in the drawings and in the claims disclosed features both individually and in any combination for the realization be essential to the invention.

1010: Brennstoffzellefuel cell
1212: Anodenseiteanode side
1414: Kathodenseitecathode side
1616: erster Bereichfirst Area
1818: zweiter Bereichsecond Area
2020: Kathodenluftcathode air
2222: wasserstoffhaltiges Brenngashydrogen-containing fuel gas
2424: Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
2626: GasversorgungssystemGas supply system
2828: Reformerreformer
3030: erste Leitungfirst management
3232: dritte Leitungthird management
3434: zweite Leitungsecond management
3636: Druckbehälterpressure vessel
3838: Magnetventilmagnetic valve
4040: elektrisch regelbare Blendeelectrical adjustable aperture
4242: AnodenausgangsbereichAnode output range
4444: KathodeneingangsbereichCathode entrance
4646: Magnetventilmagnetic valve
4848: Blendecover
5050: Magnetventilmagnetic valve
5252: Blendecover
5454: Magnetventilmagnetic valve
5656: Blendecover
5858: Nachbrennerafterburner
6060: Hauptventilmain valve
6262: Pumpepump
6464: Proportionalventilproportional valve
6666: Ventilansteuerungvalve control
6868: vierte Leitungfourth management
7070: Injektionsstelleinjection site

Claims

Method for operating a high-temperature fuel cell ( 10 ) having an anode side ( 12 ) and a cathode side ( 14 ), characterized in that a localized endothermic steam reforming reaction on the anode side ( 12 ) in a first area ( 16 ), one on the cathode side ( 14 ) located second area ( 18 ), in which cathode air ( 20 ) compared to other areas ( 44 ) on the cathode side ( 14 ) is hot.

The method of claim 1, characterized in that causing the endothermic steam reforming reaction comprises contacting the anode side ( 12 ) a short-chain hydrocarbon enriched hydrogen-containing fuel gas ( 22 ) is supplied.

A method according to claim 2, characterized in that the short-chain hydrocarbon enriched hydrogen-containing fuel gas ( 22 ) on the anode side ( 12 ) is supplied in a first direction which differs from a second direction in which the cathode side ( 14 ) Cathode air ( 20 ) is supplied.

Method according to claim 3, characterized that the first direction and the second direction at least substantially run in opposite directions.

Process according to one of claims 2 to 4, characterized in that the hydrogenated fuel gas enriched with short-chain hydrocarbon ( 22 ) by enriching one of a reformer ( 28 ) produced hydrogen-containing Brennga ses ( 22 ) is produced with short-chain hydrocarbon.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the high-temperature fuel cell ( 10 ) is controlled by the amount of added short-chain hydrocarbon.

Fuel cell system comprising a gas supply system ( 26 ), a reformer ( 28 ) and a fuel cell stack ( 24 ), the reformer ( 28 ) the fuel cell stack ( 24 ) with a hydrogen-containing ( 22 ) Fuel gas and wherein the gas supply system ( 26 ) the reformer ( 28 ) via at least one first line ( 30 ) supplied with gas, characterized in that the gas supply system ( 26 ) of the reformer ( 28 ) produced hydrogen-containing fuel gas ( 22 ) via a second line ( 34 ) can add short-chain hydrocarbon.

Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the first line ( 30 ) and the second line ( 34 ) with a pressure vessel ( 36 ) keep in touch.

Fuel cell system according to claim 7 or 8, characterized in that the second ( 34 ) Management with resources ( 38 . 40 ) is equipped to vary the line cross section.