DE102011121691A1 - System und Verfahren zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen - Google Patents

System und Verfahren zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für einen variablen Betrieb von Festoxidbrennstoffzellen anzugeben, bei denen der jeweilige momentane Bedarf an elektrischer Leistung und/oder nutzbarer Abwärme, mit einfachen Mitteln und geringem zusätzlichen Aufwand, berücksichtigt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen System wird Brennstoff und/oder Reformat über einen Reformer anodenseitig einem Stapel von Festoxidbrennstoffzellen zugeführt. Der Reformer kann mit heißem Abgas der Festoxidbrennstoffzellen erwärmt werden. Außerdem ist für eine externe Nutzung der Abwärme der Festoxidbrennstoffzellen im Abgasstrang mindestens ein Wärmetauscher vorhanden. Dem Reformer wird über eine Leitung zusätzlich zum zugeführten Brennstoff ein Oxidationsmittel, bevorzugt Luft, in geregelter Form zugeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen. Diese Art von Brennstoffzellen erreicht, wegen der hohen Betriebstemperaturen, bei denen die Abwärme zusätzlich genutzt werden kann, einen hohen Wirkungsgrad. Sie können daher nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) betrieben und bevorzugt in Insellösungen eingesetzt werden.
  • Beim Einsatz solcher Systeme müssen aber während des Betriebs zeitlich gesehen, häufig entweder ein erhöhter Anteil an nutzbarer elektrischer Leistung oder ein erhöhter Anteil an nutzbarer Wärme berücksichtigt werden, so dass für den jeweiligen momentanen Bedarf ein Anpassung der Betriebsparameter der Festoxidbrennstoffzellen, die nachfolgend auch als SOFC bezeichnet werden, erforderlich ist. Dabei muss aber beachtet werden, dass eine bestimmte Betriebstemperatur erforderlich ist, um von den SOFC eine elektrische Leistung abgreifen zu können.
  • Bei SOFC mit spezieller Konfiguration, wie beispielsweise Anoden-getragene-Brennstoffzellen (Anode-Supported-Cells, ASC), bereitet deren begrenzte RedOx-Stabilität Probleme. Es muss daher eine inerte oder reduzierende Atmosphäre während des Aufheizens und des Abkühlens bei Temperaturen oberhalb von ca. 300°C an den Anoden eingehalten werden. Bisher ist es üblich, dafür zusätzliches Inert- oder Formiergas zuzuführen, was einen erhöhten Aufwand und zusätzliche Quellen, wie entsprechende Tanks oder Behälter erfordert.
  • Desweiteren ist es bekannt, zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades eine endotherme Reformierung gasförmiger Kohlenwasserstoffe innerhalb eines Stapels von SOFC durchzuführen, die auch als interne Reformierung bezeichnet wird. Dabei treten aber ungünstige Verschiebungen innerhalb des Temperaturprofils innerhalb der Brennstoffzellen auf, die zu elektrischen Leistungsverlusten und hohen mechanischen Beanspruchungen führen. Für die Einstellung günstiger Prozessbedingungen während aller in Frage kommenden Betriebszustände ist die Realisierung einer kontrollierbaren internen Reformierung erforderlich.
  • Wegen der zeitweilig gegebenen Asynchronität des jeweils zu verschiedenen Zeitpunkten abzudeckenden Bedarfs an elektrischer Leistung und Wärme wird die Wirtschaftlichkeit besonders von der Möglichkeit des Betriebes unter Teillastbedingungen bestimmt. Bei herkömmlichen Ausführungen solcher SOFC-Systeme kann das Verhältnis von elektrischer Nettoleistung zu bereitgestellter Nutzwärme, das auch als Stromkennziffer bezeichnet wird, nicht beliebig verändert werden. Daher ist nur eine Betriebsweise, die entweder die elektrische Leistung oder den Wärmebedarf berücksichtigt, möglich. Für eine Deckung des jeweils bei dem ausgewählten Betrieb nicht abzudeckenden Bedarf, sind zusätzliche Systemkomponenten erforderlich. Dies können beispielsweise Spitzenlastkessel für heißes Wasser, Pufferbatterien oder eine zusätzliche Anbindung an ein öffentliches Strom- bzw. Wärmeversorgungsnetz sein.
  • So ist es aus EP 1 770 812 A1 bekannt, für eine interne Reformierung eine Rezirkulation von Abgas aus den Anoden zur Bereitstellung von Wasserdampf bei der Reformierungsreaktion vorzusehen. Die Zusammensetzung und die Temperatur des Abgases aus den Anoden sind aber bei den verschiedenen Betriebszuständen und zu verschiedenen Zeiten nicht konstant, so dass die tatsächlich zu dem jeweiligen Zeitpunkt entsprechenden Verhältnisse des Abgases entweder sehr aufwendig berücksichtigt werden müssen oder unberücksichtigt bleiben. Beides ist natürlich nachteilig.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für einen variablen Betrieb von Festoxidbrennstoffzellen anzugeben, bei denen der jeweilige momentane Bedarf an elektrischer Leistung und/oder nutzbarer Abwärme, mit einfachen Mitteln und geringem zusätzlichen Aufwand, berücksichtigt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Das System kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 5 betrieben werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen realisiert werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen System zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen wird Brennstoff und/oder Reformat über einen Reformer anodenseitig einem Stapel von Festoxidbrennstoffzellen zugeführt. Der Reformer wird mit heißem Abgas der Festoxidbrennstoffzellen erwärmt. Außerdem ist für eine externe Nutzung der Abwärme der Festoxidbrennstoffzellen im Abgasstrang mindestens ein Wärmetauscher vorhanden. Dem Reformer wird über eine Leitung zusätzlich zum zugeführten Brennstoff ein Oxidationsmittel, bevorzugt Luft, in geregelter Form zugeführt. Durch die jeweiligen Anteile an zugeführtem Brennstoff und Oxidationsmittel kann, in Folge der exothermen Oxidationsreaktion, die im Reformer neben der Reformierung ablaufen kann, ein Anteil von bis zu 100% des Wärmebedarfs für die endotherme Reformierungsreaktion direkt im Reformer abgedeckt werden. Dadurch verringert sich der von außen (z. B. über separate Wärmeübertragungsflächen) zugeführte Wärmestrom, wodurch ein erhöhter Energiegehalt im SOFC-Abgas verbleibt. Bei 100%-iger Abdeckung des Wärmebedarfs für die Reformierungsreaktion durch die exotherme partielle Oxidation von Brennstoff im Reformer spricht man von einem autothermen Betrieb des Reformers. In diesem Fall kann der größtmögliche Anteil an Abwärme aus dem SOFC-Abgas in Form von Nutzwärme genutzt werden.
  • Der Wärmebedarf für die Reformierung und ggf. einer Verdampfung kann dadurch zumindest teilweise durch diese Oxidation des zugeführtem Brennstoffs im Reformer abgedeckt werden. Für die Erwärmung des Reformers ist dann zumindest weniger Energie aus dem Abgas der SOFC erforderlich, so dass das Abgas, das letztendlich als Wärme extern genutzt werden kann, eine höhere Temperatur aufweist und demzufolge die abnehmbare nutzbare Wärmemenge erhöht ist. Die Obergrenze des zugeführten Oxidationsmittelvolumenstroms sollte dabei bei der Luftzahl (λ-Wert) gehalten sein, bei der sich ein autothermer Betrieb des Reformers einstellt.
  • Dadurch ist eine Anpassung an den momentanen Bedarf an elektrischer Leistung und/oder der nutzbaren Abwärme bzw. den jeweiligen Wirkungsgraden möglich.
  • In Ergänzung kann bei einem erfindungsgemäßen System durch eine variable Aufteilung an zugeführtem Brennstoff, der dem Reformer und/oder direkt zu den Anoden von Festoxidbrennstoffzellen ggf. über eine Mischstelle zugeführt wird, eine interne Reformierung in geregelter Form ermöglichen. Das temperaturabhängige chemische Gleichgewicht kann sich vor Eintritt in die Anoden der SOFC's einstellen.
  • Durch die direkte Zufuhr von Brennstoff zu den Anoden der SOFC's kann die interne Reformierung in geregelter Form durchgeführt werden. Dabei kann der elektrische Wirkungsgrad erhöht werden, da eine kleinere Leistung für ein Gebläse, das der Kühlluftförderung dient, erforderlich ist.
  • Der Brennstoff soll dabei gasförmig zugeführt werden, so dass ein eigentlich flüssiger Brennstoff vorher verdampft werden sollte.
  • Bei einer Zufuhr von Methan als Brennstoff und einer Reformierungstemperatur von 650°C kann der Anteil an Methan im den Anoden zugeführten Gemisch im Bereich 8 Vol.-% bis 33 Vol.-% liegen. Durch die Beeinflussung dieses Anteils ist eine Regelung der internen Reformierung in den Anoden der SOFC möglich. So wird bei einer Erhöhung des Anteils an Brennstoff, der den Anoden der SOFC's direkt zugeführt wird der elektrische Wirkungsgrad erhöht. Der Gesamtwirkungsgrad erhöht sich noch deutlicher als die elektrische Leistung.
  • Gleichzeitig kann eine Beeinflussung der Reformierungstemperatur durch eine Zumischung von Kühlluft in die Leitung, mit der heißes Abgas aus den SOFC abgeführt und dabei für eine Erwärmung des Reformers genutzt wird, erreicht werden. Im/am Reformer kann dabei ein Wärmetauscher dafür vorgesehen sein, durch den das heiße Abgas entweder allein oder mit Kühlluft gemischt geführt werden kann.
  • Die Veränderung der abgreifbaren elektrischen Leistung kann durch den entsprechend veränderten Volumenstrom an Brennstoff erreicht werden. Bei konstantem Volumenstrom und konstanter Ausnutzung des Brennstoffs in den SOFC stehen die elektrische Nettoleistung und die an einem Wärmetauscher nutzbare Wärme in einem zumindest annähernd konstanten Verhältnis zueinander. Die Stromkennziffer ist dabei entsprechend konstant.
  • Außerdem besteht bei der Erfindung die Möglichkeit, zusätzlich anodenseitig über eine weitere Leitung unter Umgehung des Reformers den Festoxidbrennstoffzellen Brennstoff in geregelter Form zuzuführen. Dabei sollte diese Leitung bevorzugt als Bypassleitung um den Reformer ausgebildet sein. Dadurch können zusätzlich die Temperatur innerhalb der SOFC's und dementsprechend auch der Kühlluftbedarf beeinflusst werden. Es kann in den SOFC eine endotherme interne Reformierung erfolgen, die wiederum auch die jeweilige elektrische Leistung und den elektrischen Wirkungsgrad beeinflussen kann.
  • Durch eine zusätzliche geregelte Zuführung von flüssigem Wasser in den Reformer kann ein sehr großer bis hin zum größtmöglichen aus dem Abgas entnehmbarer und nutzbarer Wärmestrom erreicht werden. Durch die vorab erwähnte geregelte Zugabe von Oxidationsmittel in den Reformer ist eine Veränderung der Stromkennziffer des Systems bei einer geringfügigen Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades der SOFC erreichbar. So kann beispielsweise bei einem System, das für eine elektrische Leistung von ca. 1 kW ausgelegt ist, die elektrische Leistung in einem Bereich zwischen 100% und 35% verändert werden. Das Verhältnis von elektrischer Leistung zu Nutzwärme (Stromkennziffer) kann unabhängig davon zwischen 2 und 1 verändert werden.
  • Bei einer erforderlichen Abschaltung eines erfindungsgemäßen Systems kann während der zur Abkühlung der SOFC's des jeweiligen Stacks erforderlichen Zeit den Anoden ein kleiner Volumenstrom an Brennstoff zugeführt werden, so dass an den Anoden reduzierende Bedingungen eingehalten werden können, um deren RedOx-bedingte Leistungsdegradation zu vermeiden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen System kann der Reformer klein dimensioniert gehalten werden. Dadurch ist eine kontrollierte Abkühlung des gesamten Systems mit geringem Energieaufwand bis zu einem niedrigen Temperaturniveau möglich.
  • Bei der Erfindung kann der Reformer in Bezug zur Nennlast des Systems kleiner dimensioniert sein. Er kann dabei so ausgelegt sein, dass die im Reformer maximal umsetzbare Brennstoffmenge kleiner ist, als die zu elektrischen Stromerzeugung im Nennlastpunkt erforderliche Brennstoffmenge, für die die aktive Fläche der SOFC's dimensioniert ist. Der Reformer kann beispielsweise für 50% der im Nennlastbetrieb erforderlichen Brennstoffmenge ausgelegt sein. Die restliche erforderliche Brennstoffmenge kann dann den SOFC's direkt, beispielsweise über eine den Reformer umgehende Bypassleitung, zugeführt werden. Brennstoff und Reformat können über eine Mischstelle zu den Anoden der SOFC's geführt werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen System können weitere Elemente vorhanden sein, die zumindest teilweise auch beim Stand der Technik zum Einsatz kommen. Dies können ein Startbrenner, ein Nachbrenner, ein Wärmetauscher zur Vorwärmung von Oxidationsmittel, ein Wärmetauscher zur Vorwärmung und/oder Verdampfung von dem Reformer zuführbaren Wasser, ein Regelventil für die Zufuhr von Brennstoff zum Reformer und den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen, ein Regelventil für die direkte kathodenseitige Zufuhr und eine indirekte Zufuhr von Oxidationsmittel über den Wärmetauscher, ein Regelelement zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel, ein Regelelement zur Regelung des Volumenstroms an Brennstoff, ein Regelelement zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel zum Reformer, ein Regelelement zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel zu einem im/am Reformer vorhandenen Wärmetauscher und/oder ein Regelelement zur Regelung des Volumenstroms des dem Startbrenner zuführbaren Brennstoffs sein.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigt:
  • 1 in schematischer Form den Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems.
  • Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist das System mit einem Stapel 1 von elektrisch in Reihe geschalteten SOFC, dem ein Reformer 2 vorgeschaltet ist, gebildet. Dem Reformer 2 wird Brennstoff über die Leitung 18 zugeführt. In der Leitung 18 sind ein Regelelement 14, mit dem der Volumenstrom verändert werden kann, und ein Regelventil 11 vorhanden. Mit dem Regelventil 11 kann der dem Reformer 2 und den Anoden der SOFC über die Leitung 5 zugeführte Volumenstrom an Brennstoff verändert werden, um die abgreifbare elektrische Leistung, was mit dem mit „Elektrizität” gekennzeichneten Pfeil angedeutet ist, und die am Wärmetauscher 3 entnehmbare und nutzbare Wärme innerhalb von Grenzen beeinflussen zu können.
  • Den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen des Stapels 1 kann vom Reformer 2 über die Leitung 23 Reformat und ggf. dem Reformer 2 zugeführter nicht oxidierter Brennstoff zugeführt werden.
  • Dem Reformer 2 kann zusätzlich Wasser über die Leitung 19 zugeführt werden. Mit dem Regelventil 20 kann der Volumenstrom beeinflusst werden. Außerdem kann damit auch der Volumenstrom an Wasser, der dem Wärmetauscher 10 und von diesem dem Reformer 2 zugeführt wird, geregelt werden. In Extremfällen kann Wasser dem Reformer 2 ausschließlich direkt, also kalt oder ausschließlich über den Umweg im Wärmetauscher 9 in Form von Heißwasser oder Dampf zugeführt werden. Im letztgenannten Fall wird aus dem Abgas im Wärmetauscher 10 zusätzlich Wärme entnommen, so dass die letztendlich am Wärmetauscher 3 nutzbare Wärme dadurch reduziert wird.
  • Bei dem gezeigten Beispiel kann außerdem Luft als Oxidationsmittel mittels der Regeleinrichtung 13 und dem Regelventil 12 den Kathoden der SOFC direkt also kalt, über die Leitungen 21 und 21.1 zugeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit zumindest einen Teil des Luftvolumenstroms über die Leitung 21.2 dem Wärmetauscher 9 zuzuführen und dann die erwärmte Luft zu den Anoden zu führen. Mit dem Regelventil 12 kann auch eine Mischung von kalter und erwärmter Luft den Kathoden der SOFC mit unterschiedlichen, entsprechend den momentanen Anforderungen angepassten Anteilen den Anoden zugeführt werden.
  • Über die Leitung 4 und mittels des Regelelements 15 kann ein Volumenstrom von Luft, als Oxidationsmittel auch direkt in geregelter Form dem Reformer 2 zugeführt werden. Dadurch kann eine oxidative Dampfreformierung mit dem zugeführten Brennstoff im Reformer 2 durchgeführt werden.
  • Durch eine Oxidation des Brennstoffs kann die dabei entstehende Wärme auch für eine Aufheizung des Stapels 1 der SOFC bis zur erforderlichen Betriebstemperatur genutzt werden. Während dieser Betriebsphase kann nur Abgas dem Wärmetauscher des Reformers 2 zugeführt werden, um diese Phase der Aufheizung zu verkürzen.
  • Hierfür ist auch ein Startbrenner 8 vorhanden, der mit Brennstoff und Luft als Oxidationsmittel über die Leitung 22 versorgt wird.
  • Mit dem Nachbrenner 7 über den das gesamte Abgas der SOFC geführt wird, kann eine vollständige Oxidation der noch nicht oxidierten Bestandteile des Abgases erreicht werden. Das so behandelte Abgas kann an die Umwelt abgegeben werden und es weist wegen der exothermen Oxidationsreaktion eine weiter erhöhte Temperatur auf, was zu einer erhöhten nutzbaren Wärme beiträgt.
  • Mit nachfolgender Tabelle soll verdeutlicht werden, wie sich eine partielle Oxidation im Reformer auf die elektrische Leistung, die nutzbare Abwärme und die Stromkennziffer auswirkt.
  • Dabei soll eine konstante Menge an Methan als Brennstoff dem Reformer zugeführt und ein Wasser zu Brennstoff-Verhältnis (S/C) von 3 zu 2 eingehalten werden.
    Brennstoffzufuhr direkt zu SOFC Brennstoffzufuhr zum Reformer Reformerluftzahl λ Elektr. Strom Nutzwärme Stromkennziffer
    50% 50% 0 45,6% 20,5% 2,22
    50% 50% 0,3 40,0% 30,0% 1,33
    50% 50% 0,5 36,1% 37,1% 0,98
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1770812 A1 [0006]

Claims (9)

  1. System zum Betreiben von Festoxidbrennstoffzellen, bei dem Brennstoff und/oder Reformat über einen Reformer (2) anodenseitig einem Stapel (1) von Festoxidbrennstoffzellen zuführbar ist und der Reformer (2) mit heißem Abgas der Festoxidbrennstoffzellen erwärmbar ist; außerdem für eine externe Nutzung der Abwärme der Festoxid brennstoffzellen im Abgasstrang (6) mindestens ein Wärmetauscher (3) vorhanden ist; dadurch gekennzeichnet, dass dem Reformer (2) über eine Leitung (4) zusätzlich zum zugeführten Brennstoff ein Oxidationsmittel, bevorzugt Luft, in geregelter Form zuführbar ist.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anodenseitig über eine weitere Leitung (5) unter Umgehung des Reformers (2) den Festoxidbrennstoffzellen Brennstoff in geregelter Form zuführbar ist; wobei die Leitung (5) bevorzugt als Bypassleitung um den Reformer (2) ausgebildet ist.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (2) in Bezug zur Nennlast des Systems kleiner dimensioniert ist.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Elemente Bestandteil des Systems ist: – ein Startbrenner (8) – ein Nachbrenner (7) – ein Wärmetauscher (9) zur Vorwärmung von Oxidationsmittel – ein Wärmetauscher (10) zur Vorwärmung von dem Reformer (2) zuführbaren Wasser – ein Regelventil (11) für die Zufuhr von Brennstoff zum Reformer (2) und den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen – ein Regelventil (12) für die direkte kathodenseitige Zufuhr und eine indirekte Zufuhr von Oxidatiuonsmittel über den Wärmetauscher (9) – ein Regelelement (13) zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel – ein Regelelement (14) zur Regelung des Volumenstroms an Brennstoff – ein Regelelement (15) zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel zum Reformer (2) – ein Regelelement (16) zur Regelung des Volumenstroms an Oxidationsmittel zu einem im/am Reformer (2) vorhandenen Wärmetauscher und – ein Regelelement (17) zur Regelung des Volumenstroms von dem Startbrenner (8) zuführbarem Brennstoff.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen Brennstoff in geregelter Form direkt unter Umgehung des Reformers (2) zugeführt wird, so dass eine Anpassung an den momentanen Bedarf an elektrischer Leistung und/oder der nutzbaren Abwärme erreicht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Anoden der Festoxidbrennstoffzellen Brennstoff unter Umgehung des Reformers (2) und Reformat aus dem Reformer (2) in einem variablen Verhältnis zugeführt werden, wodurch der Anteil des Brennstoffs, der durch interne Reformierung in den Festoxidbrennstoffzellen gebildet wird, beeinflusst wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gezielte Beeinflussung der Stromkennziffer dem Reformer (2) Oxidationsmittel in geregelter Form zugeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reformer (2) Wasser in geregelter Form zugeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (2) mit Abgas der Festoxidbrennstoffzellen erwärmt wird.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016207287A1 (de) * 2016-04-28 2017-11-02 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung
RU2653055C1 (ru) * 2016-11-30 2018-05-07 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") Энергоустановка на основе твердооксидных топливных элементов
WO2018099993A1 (en) * 2016-11-29 2018-06-07 Avl List Gmbh Fuel cell system

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT520156B1 (de) * 2017-07-03 2020-11-15 Avl List Gmbh Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels mit teilweise reformiertem Brennstoff

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004002337A1 (de) * 2004-01-16 2005-08-11 Bayerische Motoren Werke Ag Energieumwandlungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Energieumwandlungsvorrichtung
DE60306866T2 (de) * 2002-08-23 2006-12-21 Nissan Motor Co., Ltd., Yokohama Brennstoffzellenanlage zur Energieerzeugung und Betriebsverfahren
EP1770812A1 (de) 2005-09-21 2007-04-04 Delphi Technologies, Inc. Verfahren und Vorrichtung für leichte interne Reformierung in einer Festoxidbrennstoffzelle

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6974644B2 (en) * 2004-02-06 2005-12-13 Fuelcell Energy, Inc. Internal reforming fuel cell assembly with selectively adjustable direct and indirect internal reforming
DE102009031774B4 (de) * 2009-06-30 2012-02-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem
EP2556552B1 (de) * 2010-04-09 2019-03-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System mit hochtemperatur-brennstoffzellen
US8440358B2 (en) * 2011-12-09 2013-05-14 Delphi Technologies, Inc. Method of operating a fuel cell system on low quality by-product gases

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60306866T2 (de) * 2002-08-23 2006-12-21 Nissan Motor Co., Ltd., Yokohama Brennstoffzellenanlage zur Energieerzeugung und Betriebsverfahren
DE102004002337A1 (de) * 2004-01-16 2005-08-11 Bayerische Motoren Werke Ag Energieumwandlungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Energieumwandlungsvorrichtung
EP1770812A1 (de) 2005-09-21 2007-04-04 Delphi Technologies, Inc. Verfahren und Vorrichtung für leichte interne Reformierung in einer Festoxidbrennstoffzelle

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016207287A1 (de) * 2016-04-28 2017-11-02 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung
WO2018099993A1 (en) * 2016-11-29 2018-06-07 Avl List Gmbh Fuel cell system
CN110100339A (zh) * 2016-11-29 2019-08-06 Avl李斯特有限公司 燃料电池系统
US11196059B2 (en) 2016-11-29 2021-12-07 Avl List Gmbh Fuel cell system
CN110100339B (zh) * 2016-11-29 2022-09-23 Avl李斯特有限公司 燃料电池系统
RU2653055C1 (ru) * 2016-11-30 2018-05-07 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") Энергоустановка на основе твердооксидных топливных элементов

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