DE112009003594T5 - Fuel cell system with reformer - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellensystem, welches mindestens einen Reformer mit mindestens einer Hochtemperaturbrennstoffzelle umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Reformer (1, 9) unter Verwenden eines Werkstoffs oder einer Kombination von Werkstoffen mit einer reformierenden Wirkung aufgebaut ist/sind, wobei der Reformer sich in der unmittelbaren Nähe der mindestens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle befindet und/oder mindestens eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (2) umschließt.Fuel cell system which comprises at least one reformer with at least one high-temperature fuel cell, characterized in that the reformer (s) (1, 9) is / are constructed using a material or a combination of materials with a reforming effect, the reformer being in the immediate vicinity The proximity of the at least one high-temperature fuel cell and / or encloses at least one high-temperature fuel cell (2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer, wobei der Reformer bevorzugt in ein solches System integriert ist.The invention relates to a fuel cell system with a reformer, wherein the reformer is preferably integrated in such a system.
Brennstoffzellen sind seit langem als tertiäre galvanische Elemente bekannt. Unter den verschiedenen Brennstoffzellentypen haben die Festoxidbrennstoffzellen eine herausragende Stellung aufgrund der größten Treibstoffflexibilität. Allerdings können diese Brennstoffzellentypen im Allgemeinen nicht alle oxidierbaren Gase oder Fluide problemlos umsetzen, insbesondere Brennstoffzellentypen mit auf Nickelbasis gebildeten Anoden neigen bei Einsatz von Kohlenwasserstoffen als Brennstoff zu einer Kohlenstoffabscheidung (Handbook of Fuel Cells Fundamentals,
Systeme von Hochtemperaturbrennstoffzellen für kleinere Leistungsklassen haben das Problem, dass die für den Betrieb benötigten hohen Arbeitstemperaturen (mehrere 100°C) aufgrund der von dem System selbst erzeugten geringen Wärme schwierig zu realisieren sind. Dadurch ist es schwierig, die für die Hochtemperaturbrennstoffzellen benötigte Arbeitstemperatur bei kleinen Systemen zu gewährleisten, Andererseits besteht insbesondere bei größeren Systemen abhängig von der Systemauslegung die Notwendigkeit, die in den Brennstoffzellen produzierte Abwärme so effektiv wie möglich abzutransportieren, Abhängig von den Systemanforderungen und/oder der Art des verwendeten Reformers (z. B. Dampfreformierung, partielle Oxidationsreformierung) besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung unter anderem darin, dass die in dem Reformer stattfindenden Reaktionen auf effiziente Weise und so kompakt wie möglich dem Brennstoffzellensystem Wärme liefern oder von diesem abführen.Systems of high temperature fuel cells for smaller power classes have the problem that the high operating temperatures (several 100 ° C) required for operation are difficult to realize due to the low heat generated by the system itself. On the other hand, depending on the system design, there is a need to carry off the waste heat produced in the fuel cells as effectively as possible, depending on the system requirements and / or the requirements Among other things, the nature of the reformer used (eg steam reforming, partial oxidation reforming) is that the reactions taking place in the reformer provide heat to or dissipate heat from the fuel cell system in an efficient and as compact manner as possible.
Das von der Erfindung zu lösende Problem umfasst den Aufbau eines kompakten Brennstoffzellensystems, insbesondere für mobile und portable Anwendungen, wodurch ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht werden kann.The problem to be solved by the invention comprises the construction of a compact fuel cell system, in particular for mobile and portable applications, whereby an increased efficiency can be achieved.
Erfindungsgemäß kann dieses Problem mit dem Brennstoffzellensystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen offenbarten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this problem can be solved with the fuel cell system having the features of
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit Reformer umfasst mindestens eine Hochtemperaturbrennstoffzelle. Mindestens ein Reformer ist aus einem Werkstoff konstruiert, der eine reformierende Wirkung hat, wobei sich der Reformer in unmittelbarer Nähe zu mindestens einer Hochtemperaturbrennstoffzelle oder einem Hochtemperaturbrennstoffzellenstack befindet oder wobei der Reformer die Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellenstack umschließt. Bevorzugt sind mikrotubulare Festoxidbrennstoffzellen.An inventive fuel cell system with reformer comprises at least one high-temperature fuel cell. At least one reformer is constructed of a material that has a reforming effect, wherein the reformer is in close proximity to at least one high temperature fuel cell or a high temperature fuel cell stack, or wherein the reformer encloses the fuel cell or stack. Preference is given to microtubric solid oxide fuel cells.
Der Werkstoff/die Werkstoffkombination, der/die für die Konstruktion des/der Reformer(s) oder mindestens eines Substrats der Komponente(n) mit reformierender Wirkung eingesetzt wird, sollte offenporig und/oder mit Gaskanälen versehen und daher gasdurchlässig sein.The material / material combination used for the construction of the reformer (s) or at least one substrate of the reforming component (s) should be open-pored and / or gas-channeled and therefore gas-permeable.
Ein Werkstoff mit reformierender Wirkung kann mit einer Beschichtung versehen oder eingekapselt sein, insbesondere wenn der Werkstoff für das Abtrennen der Gaskammern und/oder für erhöhte Kompatibilität mit den vorliegenden Bedingungen verwendet wird.A reforming material may be coated or encapsulated, particularly if the material is used to separate the gas chambers and / or for increased compatibility with the present conditions.
Die vorliegende Erfindung wird bevorzugt mit mikrotubularen SOFCs genutzt, da diese SOFCs eine sehr hohe Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen oder Temperaturgradienten aufweisen, Dies lässt die Nutzung eines einfachen Wärmemanagementsystems und damit die Steuerung des/der Reformer(s), insbesondere unter wechselnden Betriebsbedingungen, zu. Bei einer bevorzugten Variante kann der Reformer des Weiteren als elektrischer Kontakt zumindest einer der beiden Elektroden der eingesetzten SOFCs genutzt werden, wodurch eine weitere Optimierung von Kosten, Größe und Gewicht möglich wird.The present invention is preferably used with microtubular SOFCs, as these SOFCs have very high resistance to temperature variations or temperature gradients. This allows the use of a simple thermal management system and hence the control of the reformer (s), especially under varying operating conditions. In a preferred variant, the reformer can furthermore be used as an electrical contact of at least one of the two electrodes of the SOFCs used, whereby a further optimization of costs, size and weight becomes possible.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann der reformierende Werkstoff des Reformers in unmittelbarer Nähe einer Elektrode mindestens einer Hochtemperaturbrennstoffzelle angeordnet sein. Mindestens eine Brennstoffzelle des Systems kann auch unmittelbar von dem reformierenden Werkstoff oder einer Kombination eines solchen Werkstoffs umschlossen sein. Dadurch kann ein intensiver Austausch von Wärmeenergie durch Abstrahlung, Konvektion und Wärmeleitung erreicht werden.In a fuel cell system according to the invention, the reforming material of the reformer may be arranged in the immediate vicinity of an electrode of at least one high-temperature fuel cell. At least one fuel cell of the system may also be directly enclosed by the reforming material or a combination of such material. As a result, an intensive exchange of heat energy by radiation, convection and heat conduction can be achieved.
Der reformierende Werkstoff kann bevorzugt in der Nähe oder die äußere Elektrode einer oder mehrerer mikrotubularen Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks angeordnet sein oder diese umschließen, wobei die Elektrode die Anode oder die Kathode sein kann. The reforming material may preferably be disposed near or surrounding the outer electrode of one or more microtubular fuel cells and / or fuel cell stacks, which electrode may be the anode or the cathode.
Der reformierende Werkstoff kann gasdicht oder gasdurchlässig eingekapselt sein und kann somit vollständig oder teilweise von der Atmosphäre der in unmittelbarer Nähe angeordneten Elektrode räumlich getrennt sein. Wenn der Reformer nur teilweise von der Atmosphäre der Elektrode getrennt ist (Gasaustausch von 1–99%, bevorzugt 2–10%), und wenn auf der Reformerseite eine oxidierbare Atmosphäre vorhanden ist (z. B. Reformat mit einer hohen Konzentration von Wasserstoff) und auf der Seite der äußeren Elektrode eine oxidierende Atmosphäre vorhanden ist (z. B. Luft), kann die durch die Mischung hervorgerufene auftretende Reaktion zu einem Wärmeanstieg führen. Dies lässt die Emission von Wärme zu der/den Brennstoffzelle(n) und/oder dem Reformer zu. Der Erwärmungsprozess kann insbesondere während der endothermen Reformierungsreaktionen ((z. B. Wasserdampfreformierung von Kohlenwasserstoffen) die erfolgreiche Reformierung positiv beeinflussen. Weiterhin können Verbrennungsprodukte (z. B. Wasser, Kohlendioxid) zu einem stabileren Betrieb des Reformers führen – insbesondere durch die Verringerung einer möglichen Kohlenstoffablagerung (Rußbildung). Die Wärmeerzeugung kann auch zu einem schnellen Hochfahrprozess der Brennstoffzellen führen. Eine solche Teilmischung kann zum Beispiel erreicht werden, wenn die Trennwand/-schicht porös ist. Abhängig von Druckunterschied, Porosität, Konzentrationsunterschied, Temperatur und/oder Austauschgrenzfläche zwischen beiden Atmosphären kann die Strömungsrichtung und die Menge des Gasaustausches (und daher die Wärmeerzeugung) beeinflusst sein.The reforming material can be encapsulated gas-tight or gas-permeable and can thus be completely or partially spatially separated from the atmosphere of the electrode arranged in the immediate vicinity. When the reformer is only partially separated from the atmosphere of the electrode (gas exchange of 1-99%, preferably 2-10%), and if there is an oxidizable atmosphere on the reformer side (eg reformate with a high concentration of hydrogen) and an oxidizing atmosphere is present on the side of the outer electrode (eg, air), the reaction caused by the mixture may result in a heat build-up. This allows the emission of heat to the fuel cell (s) and / or the reformer. The heating process, in particular during the endothermic reforming reactions (eg, steam reforming of hydrocarbons), can positively influence the successful reforming Furthermore, combustion products (eg water, carbon dioxide) can lead to a more stable operation of the reformer - in particular by reducing one possible Such a partial mixture can be achieved, for example, when the partition / layer is porous depending on pressure difference, porosity, concentration difference, temperature and / or exchange interface between the two Atmospheres can affect the direction of flow and the amount of gas exchange (and therefore heat generation).
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst einen oder mehrere Reformer oder das/die Substrat(e) des/der Reformer(s), wobei der/die Reformer oder das/die Substrat(e) des/der Reformer(s) aus einer gasdichten Platte oder plattenartigen Struktur gebaut sind oder der reformierende Werkstoff in einer solchen verkapselt ist, wobei die Platten Aussparungen oder Höhlungen für eine oder mehrere tubulare Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks umfassen, wobei die Aussparungen oder Höhlungen teilweise oder vollständig die Außenseite der Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstacks umschließen, so dass die Atmosphäre der äußeren Elektrode(n) der Brennstoffzelle(n) an dem Reformer vorbeiströmen kann, und wobei eine oxidierende Komponente an der den Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks zugewandten Seite der Trennwand/-platte vorbeiströmen kann und die reformierenden Reaktionen an der weg von den Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks weisenden Seite der Trennwand/-platte erfolgen können oder wobei eine oxidierende Komponente an der weg von den Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks weisenden Seite der Trennwand/-platte vorbeiströmen kann und die reformierenden Reaktionen an der den Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks zugewandten Seite der Trennwand/-platte erfolgen können. Dadurch wird ein intensiver Wärmeaustausch zwischen beiden gasförmigen Atmosphären möglich.A preferred embodiment of the invention comprises one or more reformers or the substrate (s) of the reformer (s), wherein the reformer (s) or substrate (s) of the reformer (s) consists of a gas-tight plate or plate-like structure or the reforming material is encapsulated in such, wherein the plates recesses or cavities for one or more tubular fuel cells and / or fuel cell stacks, wherein the recesses or cavities partially or completely enclose the outside of the fuel cell or fuel cell stacks, so that the atmosphere of the outer electrode (s) of the fuel cell (s) can flow past the reformer, and wherein an oxidizing component can flow past the side of the partition / plate facing the fuel cells and / or fuel cell stacks, and the reforming reactions take place away from The fuel cells and / or fuel cell stacks facing Sei te the partition wall / plate can take place or wherein an oxidizing component on the away from the fuel cells and / or fuel cell stacks facing side of the partition / plate flow past and the reforming reactions on the fuel cell and / or fuel cell stacks facing side of the partition / - plate can be made. As a result, an intense heat exchange between the two gaseous atmospheres is possible.
Die äußere Elektrode einer tubularen Brennstoffzelle, an der ein Reformer angebracht ist, kann auch eine Kathode sein, wenn die Gaskammern der Kathode und der unmittelbar umgebenden Reformergase vollständig oder zumindest teilweise abgetrennt sind oder wenn die Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle mit einer einzigen Kammer ist.The outer electrode of a tubular fuel cell to which a reformer is attached may also be a cathode when the gas chambers of the cathode and the immediately surrounding reformer gases are completely or at least partially separated or if the fuel cell is a single chamber fuel cell.
Während des Ablaufs der Reformierungsreaktion kann der reformierende Werkstoff des Reformers Wärme abgeben und kann dadurch zum Erwärmen der Brennstoffzellen und des Systems genutzt werden, oder der Werkstoff kann Wärme aufnehmen und dadurch zum Kühlen der Brennstoffzellen und des Systems beitragen. Der reformierende Werkstoff kann auch eine neutrale Wirkung auf das Wärmegleichgewicht des Systems haben. Als reformierender Werkstoff kann eine Keramik eingesetzt werden, wobei die Keramik auch mit einem reformierend wirkenden Stoff/Werkstoff beschichtet sein kann. Es kann auch eine Mischung aus Metall und Keramik genutzt werden, wobei die Mischung ein reformierendes Metall enthält. Das Metall kann zusätzlich oder alternativ auch zugegeben oder einfach beigemischt werden, um das Ausmaß einer unerwünschten Kohlenstoffablagerung (z. B. Cu) zu verhindern und/oder um die elektrische Leitfähigkeit des Reformers zu steigern.During the course of the reforming reaction, the reforming material of the reformer may give off heat and thereby may be used to heat the fuel cells and the system, or the material may absorb heat thereby contributing to the cooling of the fuel cells and the system. The reforming material may also have a neutral effect on the thermal equilibrium of the system. As a reforming material, a ceramic can be used, wherein the ceramic can also be coated with a reforming substance / material. It can also be used a mixture of metal and ceramic, wherein the mixture contains a reforming metal. The metal may additionally or alternatively also be added or simply admixed to prevent the extent of unwanted carbon deposition (eg, Cu) and / or to increase the electrical conductivity of the reformer.
Bevorzugt ist ein reformierender Werkstoff bzw. eine reformierende Werkstoffkombination und/oder ein Substrat (falls verfügbar), das – insbesondere unter Betriebsbedingungen – elektrisch leitfähig ist, wobei diese Komponenten als Stromabnehmer für die gesamte erzeugte elektrische Leistung in dem Brennstoffzellensystem oder für einen Teil davon dienen können, und wobei die elektrische Leistung zu anderen Systemkomponenten wie etwa Wärmetauschern, Treibstoffrohren, elektrischen Kontakten übertragen wird. In allen solchen Ausführungsformen verhindert die Verwendung von elektrisch isolierenden Vorrichtungen einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Anoden und Kathoden des Brennstoffzellensystems. Die Isolatoren können aus Kunststoff, Keramik, Glas oder Metall mit nicht leitfähigen Oberflächenschichten (z. B. Keramikoxid) bestehen.Preference is given to a reforming material or a reforming material combination and / or a substrate (if available) which is electrically conductive, in particular under operating conditions, these components serving as a current collector for all the electrical power generated in the fuel cell system or for a part thereof can be, and wherein the electrical power is transmitted to other system components such as heat exchangers, fuel pipes, electrical contacts. In all such embodiments, the use of electrically insulating devices prevents electrical shorting between the anodes and cathodes of the fuel cell system. The insulators may be made of plastic, ceramic, glass or metal with non-conductive surface layers (eg ceramic oxide).
Bevorzugt werden der Werkstoff/die Werkstoffe mit reformierender Wirkung, die in der/den reformierenden Komponente(n) enthalten sind, aus einem reformierenden Metall und/oder einer reformierenden Keramik gewählt, deren Aktivität durch Zugabe von weiteren Stoffen gesteigert werden kann. Der Werkstoff kann auch auf die Oberfläche eines bevorzugt keramischen oder metallischen Substrats aufgebracht werden. Als katalytisch aktive Werkstoffe sind Edelmetalle bevorzugt (bevorzugt sind Pt, Rh, Pd, Ru, Ir, Ag, Au) und/der Metalle der Untergruppenelemente (Übergangsmetalle) (bevorzugt sind Ni, Fe, V, W, Mo, Co, Ce, Cu) und/oder nichtmetallische anorganische/keramische Verbindungen (bevorzugt sind Perowskit, Nickelat, Kupferoxid, Zinkoxid). Zum Steigern der Aktivität werden Zusätze in die Verbindungen gemischt, wobei Alkali- oder Erdalkimetalle bevorzugt sind. Substrate, die auch aktivierende Wirkungen haben können, können aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und/oder einer ionenleitenden Verbindung, insbesondere einer sauerstoffionenleitenden Verbindung wie etwa dotiertem Zirkonoxid, dotiertem Ceroxid, dotiertem Gallat und/oder dotiertem Wismutoxid, bestehen oder es kann Metall wie etwa hochwarmfester Stahl verwendet werden. Besonders bevorzugt sind Stähle mit einer keramikbeschichteten Oberfläche und wobei die Oberfläche mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist. Erfindungsgemäß sind auch Kombinationen der vorstehend erwähnten Verbindungen (z. B. als Legierung) möglich. Preferably, the material (s) having reforming activity contained in the reforming component (s) is selected from a reforming metal and / or a reforming ceramic whose activity can be increased by the addition of other materials. The material can also be applied to the surface of a preferably ceramic or metallic substrate. Preferred catalytically active materials are noble metals (preferred are Pt, Rh, Pd, Ru, Ir, Ag, Au) and / or the metals of the subgroup elements (transition metals) (preference is given to Ni, Fe, V, W, Mo, Co, Ce, Cu) and / or non-metallic inorganic / ceramic compounds (preferred are perovskite, nickelate, copper oxide, zinc oxide). To increase the activity, additives are mixed into the compounds, with alkali or alkaline earth metals being preferred. Substrates which may also have activating effects may consist of magnesium oxide, aluminum oxide and / or an ion conducting compound, in particular an oxygen ion conducting compound such as doped zirconia, doped ceria, doped gallate and / or doped bismuth oxide or it may be metal such as high temperature steel be used. Particularly preferred are steels having a ceramic-coated surface and wherein the surface is coated with a catalytically active material. Combinations of the abovementioned compounds (for example as an alloy) are also possible according to the invention.
Der reformierende Werkstoff und/oder ein Substrat des reformierenden Werkstoffs kann auch nach bereits erfolgtem Einbau der Brennstoffzellen in den für diesen Zweck vorgesehenen Raum eingesetzt werden. Der Werkstoff kann als Suspension, Pulver oder Paste eingesetzt werden und kann anschließend gehärtet werden. Der Härtungsprozess kann chemisch oder physikalisch eingeleitet werden, wobei zum Beispiel Wärmebehandlung und/oder Druckreduzierung, zusätzliche chemische Mittel (z. B. Fällungsmittel, Polymerisationszusätze) oder Strahlung (z. B. Mikrowellen, UV-Licht) verwendet werden können. Es kann auch ein Substratwerkstoff für einen reformierenden Werkstoff oder eine solche Komponente aufgebracht werden. Hierfür können die vorstehenden erwähnten Methoden verwendet werden. Eine katalytisch aktive oder reformierende Komponente kann auch mittels Fällung aus einer Lösung oder zum Beispiel durch Sputtern aufgebracht werden. Der reformierende Werkstoff oder sein Substrat kann auch die äußere Elektrode einer tubularen SOFC unmittelbar kontaktieren. Der Reformer oder zumindest sein Substrat kann mittels eines keramischen Prozesses hergestellt werden. Der Prozess kann ein Spritzgussprozess sein. Zum Herstellen des Reformers kann auch Extrusion oder das Herstellen eines porösen Polymerschaumstoff zum Einsatz kommen, wobei der Schaumstoff anschließend mit Keramik beschichtet wird; eine Wärmebehandlung lässt dann eine keramische Struktur entstehen. Metallsubstrate können zum Beispiel Schäume oder Netze sein. Während der Herstellung des Brennstoffzellensystems kann der Reformer nach dem Einbau der Brennstoffzelle(n) in das System eingesetzt werden, was durch Einspritzen eines Schaums, Sprühen, Eintauchen, Pumpen, Plasmabeschichten, elektrochemische Trennung, elektrophoretische Abscheidung und/oder Sputtern erreicht werden kann. Auch können die Zellen in den Reformer eingesetzt werden, und der Reformer weist die entsprechenden Aussparungen für die Brennstoffzellen und/oder Systemkomponenten (z. B. Rohre, Nachbrenner, Wärmetauscher) auf, wobei die Aussparungen bereits während des Herstellungsprozesses (z. B. durch Ausbrennen von Elementen mit verlorener Form aus Kunststoff oder Kohlenstoff oder anderen Verbindungen, die herausgebrannt werden können, Formelemente können aber auch ausgeätzt oder weggelöst werden) oder durch Verwenden anschließender mechanischer Bearbeitung (z. B. Bohren, Fräsen) oder Verwenden chemischer Prozesse (z. B. Ätzen) gebildet werden. Kanäle zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Gasen und/oder für den Medienstrom durch den Reformer können ebenfalls entsprechend der Herstellung der Aussparungen für die Brennstoffzellen hergestellt werden. Es kann auch eine Kombination aller vorstehenden Prozesse genutzt werden.The reforming material and / or a substrate of the reforming material can also be used after the fuel cells have already been installed in the space provided for this purpose. The material can be used as a suspension, powder or paste and can then be cured. The curing process may be initiated chemically or physically using, for example, heat treatment and / or pressure reduction, additional chemical agents (eg, precipitants, polymerization additives), or radiation (eg, microwaves, UV light). It is also possible to apply a substrate material for a reforming material or component. For this purpose, the above-mentioned methods can be used. A catalytically active or reforming component can also be applied by precipitation from a solution or, for example, by sputtering. The reforming material or its substrate may also directly contact the outer electrode of a tubular SOFC. The reformer or at least its substrate can be made by a ceramic process. The process can be an injection molding process. Extrusion or the production of a porous polymer foam can also be used to produce the reformer, the foam then being coated with ceramic; a heat treatment then gives rise to a ceramic structure. Metal substrates may be, for example, foams or nets. During manufacture of the fuel cell system, the reformer may be deployed after incorporation of the fuel cell (s) into the system, which may be accomplished by injecting a foam, spraying, dipping, pumping, plasma coating, electrochemical separation, electrophoretic deposition, and / or sputtering. Also, the cells may be inserted into the reformer, and the reformer has the corresponding recesses for the fuel cells and / or system components (eg, tubes, afterburners, heat exchangers), the recesses already being used during the manufacturing process (eg Burnout of lost-mold elements from plastic or carbon or other compounds that may be burned out, but mold elements may also be etched or removed) or by using subsequent mechanical processing (eg drilling, milling) or using chemical processes (eg. B. etching) are formed. Channels for supplying the fuel cells with gases and / or for the media flow through the reformer can also be made according to the manufacture of the recesses for the fuel cells. It can also be used a combination of all the above processes.
Zum Verbessern des elektrischen Kontakts zwischen Brennstoffzelle und reformierendem Werkstoff kann eine zusätzliche, bevorzugt poröse Schicht aufgebracht und/oder zumindest ein zusätzlicher Kontakt (z. B. eine Metallbahn aus Silber, Nickel, Stahl, Kupfer) zwischen Brennstoffzelle und reformierendem Werkstoff eingebaut werden. Zum Beispiel kann die Schicht aus einer keramischen und/oder einer oder mehreren metallischen Komponenten bestehen, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, und ist unter bestimmten vorgegebenen Betriebsbedingungen stabil. Wenn der Reformer eingekapselt ist und die Atmosphäre der äußeren Elektrode oxidierend ist (z. B. Luft), können Edelmetalle wie etwa Ag, Au, Pt, Ru, Ir, Rh, Pd, hochwarmfeste Stähle (falls erforderlich beschichtet, um die Verdampfungen von Chrom und anderen Verbindungen zu verringern, die Zellen- und/oder Systemkomponenten beschädigen können), Keramikverbindungen wie etwa Perowskit oder Nickelat verwendet werden. Unter reduzierenden Bedingungen können auch oxidierbare Werkstoffe verwendet werden, z. B. Nickel, Kupfer, Kobalt oder Eisen. Zum Beispiel können die Schichten durch Eintauchen, Pumpen, Spritzen, Sprühen, Plasmabeschichten, elektrochemische Abscheidung, elektrophoretische Abscheidung, Sputtern und/oder Fällung aufgebracht werden. Dank der Schichten kann der elektrische Kontakt zwischen dem Reformer oder seinem einkapselnden Werkstoff und den angrenzenden Elektroden verwirklicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist/sind ein oder mehrere Wärmetauscher und/oder Nachbrenner in der unmittelbaren Nähe einer oder mehrerer Reformer angeordnet. Dies kann zu einem intensiven Wärmetausch zwischen den Komponenten und dem/den Reformer(n) führen. Dies kann insbesondere so verwirklicht werden, dass der/die Reformer, der/die auch gasdicht eingekapselt sein kann, Aussparungen enthält, die den für einen oder mehrere integrierte(n) Nachbrenner und/oder Wärmetauscher erforderlichen Raum bereitstellen. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere der Systemkomponenten an einem oder mehreren Reformer(n) angebracht oder in unmittelbarer Nähe zu diesem/diesen angeordnet sein. Die unmittelbare oder mittelbare räumliche Nähe der Systemkomponenten und der Brennstoffzelle(n) oder Brennstoffzellenstacks kann auch vorteilhaft sein, wobei dies eine Folge einer Anordnung der Systemkomponenten in dem bzw. in der Nähe des Reformers sein kann.In order to improve the electrical contact between the fuel cell and the reforming material, an additional, preferably porous layer may be applied and / or at least one additional contact (eg a metal track of silver, nickel, steel, copper) may be incorporated between the fuel cell and the reforming material. For example, the layer may consist of a ceramic and / or one or more metallic components having a high electrical conductivity, and is stable under certain predetermined operating conditions. When the reformer is encapsulated and the outer electrode atmosphere is oxidizing (e.g., air), noble metals such as Ag, Au, Pt, Ru, Ir, Rh, Pd, high temperature steels (coated if necessary to control the evaporations of Reduce chromium and other compounds that can damage cell and / or system components), ceramic compounds such as perovskite or nickelate. Under reducing conditions and oxidizable materials can be used, for. As nickel, copper, cobalt or iron. For example, the layers may be applied by dipping, pumping, spraying, spraying, plasma coating, electrochemical deposition, electrophoretic deposition, sputtering and / or precipitation. Thanks to the layers, the electrical contact between the reformer or its encapsulating material and the adjacent electrodes can be realized. In a preferred embodiment of the Fuel cell system is / are arranged one or more heat exchangers and / or afterburner in the immediate vicinity of one or more reformer. This can lead to an intense heat exchange between the components and the reformer (s). This may in particular be realized in such a way that the reformer, which may also be gas-tightly encapsulated, contains recesses which provide the space required for one or more integrated afterburners and / or heat exchangers. Additionally or alternatively, one or more of the system components may be attached to or disposed in close proximity to one or more reformers. The direct or indirect proximity of the system components and the fuel cell (s) or fuel cell stacks may also be advantageous, which may be due to an arrangement of the system components in or near the reformer.
Vorteilhaft ist auch eine zusätzliche Kombination des Reformers mit einem Zündmechanismus (elektrisch, Piezozündung, mechanische Funkenerzeugung, etc.) und/oder externen Brennern, um das System auf seine Betriebstemperatur zu erwärmen, oder wobei die Brenner als allgemeines zusätzliches Heizsystem dienen. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem bietet auch die Option, die pro Zeiteinheit zugeführte Menge von mindestens einem – zumindest unter reformierenden Bedingungen – gasförmigen Reaktanden zu nutzen, um die Temperatur und/oder die Leistung und/oder den Wirkungsgrad des Systems oder von Teilen des Systems zu steuern. Zum Beispiel und im Fall eines POx-Reformers (partielle Oxidation) kann ein erhöhtes Sauerstoff/Treibstoff-Verhältnis verwendet werden, um das System hochzufahren, d. h. eine größere Menge an Luft bei einer konstanten Zufuhr von Treibstoff, was zu einem größeren Betrag vollständiger Oxidation in dem Reformer führt und eine höhere Wärmeerzeugung ergibt. Durch Wählen eines geeigneten Treibstoffs und/oder Katalysators ist das Starten einer exothermen Reaktion und damit einer Wärmezunahme bereits bei niedrigen Temperaturen möglich (z. B. kann dies für Edelmetalle und Wasserstoff, Alkohole und Kohlenwasserstoff bei Raumtemperatur gelten). Die Option der Wahl eines zusätzlichen Brenners zum Erwärmen des Systems auf seine Betriebstemperatur steht auch zur Verfügung. Bei Bedarf kann auch ein externer Zünder (z. B. Glühfaden, Piezozünder, Funkenerzeugungsmechanismus, erhitzter Edelmetalldraht) verwendet werden, um die Reaktion in dem Reformer zu zünden. Sobald die Betriebstemperatur erreicht ist, wird die Sauerstoff-/Kohlenstoffreaktion verringert, was wiederum die Wärmeerzeugung verringert und gleichzeitig den Wirkungsgrad des Systems steigert. Zum Abkühlen des Systems wird im Allgemeinen eine kleinere Menge Reaktand zugeführt; bei Bedarf wird das Sauerstoff-/Kohlenstoffverhältnis wieder erhöht, um die unerwünschte Ablagerung von Kohlenstoff in dem System zu verhindern oder zu verringern. Aufgrund der hohen Beständigkeit gegen Temperaturänderungen der mikrotubularen Brennstoffzellen, die bevorzugt verwendet werden, ist es möglich, den Reformer sehr schnell abzukühlen, und komplexe Steuerungssysteme sind unnötig. Da diese Ausführungsform mikrotubulare Zellen verwendet, stellen Temperaturschwankungen in dem Reformer während des Betriebsmodus keine Schwierigkeiten dar. Die Beständigkeit gegen Temperaturänderungen lässt eine sehr kompakte Bauweise zu, was auch ein Abkühlen des Reformers ermöglicht, z. B. mittels erhöhter Luftzufuhr in dem Kathodensegment der verwendeten Brennstoffzellen, was wiederum die Anzahl von Ventilen, Reglerkomponenten und anderen peripheren Vorrichtungen verringert.Also advantageous is an additional combination of the reformer with an ignition mechanism (electrical, piezo ignition, mechanical spark generation, etc.) and / or external burners to heat the system to its operating temperature, or where the burners serve as a general additional heating system. A fuel cell system according to the invention also offers the option of using the amount of at least one gaseous reactant supplied per unit time, at least under reforming conditions, to control the temperature and / or performance and / or efficiency of the system or parts of the system. For example, and in the case of a POx reformer (partial oxidation), an increased oxygen / fuel ratio can be used to power up the system, i. H. a larger amount of air with a constant supply of fuel, resulting in a greater amount of complete oxidation in the reformer and resulting in higher heat generation. By choosing a suitable fuel and / or catalyst, it is possible to start an exothermic reaction and thus increase the heat even at low temperatures (eg this can apply to noble metals and hydrogen, alcohols and hydrocarbons at room temperature). The option of choosing an additional burner to heat the system to its operating temperature is also available. If desired, an external igniter (eg, filament, piezo igniter, spark generation mechanism, heated noble metal wire) can also be used to ignite the reaction in the reformer. Once the operating temperature is reached, the oxygen / carbon reaction is reduced, which in turn reduces heat generation while increasing the efficiency of the system. To cool the system, a smaller amount of reactant is generally added; if necessary, the oxygen / carbon ratio is increased again to prevent or reduce the undesirable deposition of carbon in the system. Due to the high resistance to temperature changes of the microtubular fuel cells, which are preferably used, it is possible to cool the reformer very quickly, and complex control systems are unnecessary. Since this embodiment uses microtubular cells, temperature variations in the reformer during operation mode present no difficulties. The resistance to temperature changes allows a very compact design, which also allows the reformer to cool, e.g. Example, by means of increased air supply in the cathode segment of the fuel cell used, which in turn reduces the number of valves, regulator components and other peripheral devices.
Die folgenden Figuren sind lediglich beispielhaft, um die Erfindung zu veranschaulichen.The following figures are merely exemplary in order to illustrate the invention.
Die Begleitzeichnungen zeigen:The accompanying drawings show:
Das in
Das SOFC-System, wie es in
Für eine gleichzeitige Stromableitung einer der Elektroden der mikrotubularen SOFCs
Zur Verdeutlichung zeigt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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