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, ISBN: 0-471-49926-9 ). Aus diesem Grund ist der Einsatz eines Reformers bei dieser Art von Technologie in vielen Fällen bei Verwendung von kohlenwasserstoffreichen Treibstoffen unerlässlich. Um allerdings das System für mobile bzw. portable Anwendungen interessant zu machen, ist es notwendig, einen kompakten Reformer aufzubauen und insbesondere die erzeugte oder verbrauchte Wärme so effizient wie möglich zu nutzen und die Wärme unmittelbar in situ in anderen wärmeaufnehmenden oder wärmeerzeugenden Komponenten (z. B. Brennstoffzellen, Wärmetauscher, Brenner) zu nutzen, um die Wärmeverluste auszugleichen, insbesondere bei kleineren Systemen mit Hochtemperaturbrennstoffzellen, um die Systemkosten zu minimieren oder den Wirkungsgrad zu erhöhen.Fuel cells have long been known as tertiary galvanic elements. Among the various fuel cell types, the solid oxide fuel cells have a prominent position because of the greatest fuel flexibility. However, these types of fuel cells generally can not readily handle all oxidisable gases or fluids, especially fuel cell types with nickel-based anodes tend to carbon capture when using hydrocarbons as a fuel (Handbook of Fuel Cells Fundamentals). ISBN: 0-471-49926-9 ). For this reason, the use of a reformer in this type of technology is indispensable in many cases when using hydrocarbon-rich fuels. However, in order to make the system attractive for mobile or portable applications, it is necessary to build a compact reformer, and in particular to use the heat generated or used as efficiently as possible and transfer the heat directly in situ into other heat-absorbing or heat-generating components (e.g. As fuel cells, heat exchangers, burners) to compensate for heat losses, especially in smaller systems with high-temperature fuel cells, to minimize system costs or increase the efficiency.

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 claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with features disclosed in subordinate claims.

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:

1 ein Beispiel eines integrierten Reformers; 1 an example of an integrated reformer;

2 ein Beispiel mit mehreren mikrotubularen SOFCs; 2 an example with several microtubular SOFCs;

3 ein Beispiel eines integrierten Reformers und zusätzlicher Gaskanäle; 3 an example of an integrated reformer and additional gas channels;

4 ein anderes Beispiel der Erfindung; 4 another example of the invention;

5a & 5b ein Beispiel, das den Reformer eingekapselt mit einer Trennwand zeigt; 5a & 5b an example showing the reformer encapsulated with a partition wall;

6a & 6b ein anderes Beispiel; 6a & 6b another example;

7a & 7b ein Beispiel, das den Reformer mit einem integrierten Wärmetauscher zeigt; 7a & 7b an example showing the reformer with an integrated heat exchanger;

8a & 8b ein Beispiel mit Wärmetauschern; 8a & 8b an example with heat exchangers;

9 ein Beispiel mit einem Nachbrenner; 9 an example with an afterburner;

10 ein Beispiel mit einem Peltier-Element; 10 an example with a Peltier element;

11 ein Beispiel mit einem Rohr; 11 an example with a pipe;

1 zeigt ein Beispiel eines integrierten Reformers 1, der eine mikrotubulare SOFC oder einen Stack von mikrotubularen SOFCs 2 umschließt, wobei die SOFCs aus mindestens einer inneren Elektrode 3 und einer äußeren Elektrode 5 mit einem zwischen den Elektroden 3, 5 liegenden Elektrolyten 4 gebildet sind. 1 shows an example of an integrated reformer 1 containing a microtubular SOFC or a stack of microtubular SOFCs 2 encloses, wherein the SOFCs from at least one inner electrode 3 and an outer electrode 5 with one between the electrodes 3 . 5 lying electrolyte 4 are formed.

Das in 2 gezeigte SOFC-System umfasst mehr als eine mikrotubulare SOFC 2 oder Stacks von mikrotubularen SOFCs 2, wobei die SOFCs von dem integrierten Reformer 1 direkt umschlossen werden. This in 2 The SOFC system shown includes more than one microtubular SOFC 2 or stacks of microtubular SOFCs 2 , where the SOFCs from the integrated reformer 1 be enclosed directly.

Das SOFC-System, wie es in 3 gezeigt ist, veranschaulicht in den integrierten Reformer 1 eingebaute oder ausgesparte Gaskanäle 6, wobei die Gaskanäle die Gasversorgung der äußeren Elektroden 5 der mikrotubularen SOFCs oder der Stacks von mikrotubularen SOFCs 2 verbessern.The SOFC system as it is in 3 shown in the integrated reformer 1 built-in or recessed gas channels 6 , wherein the gas channels, the gas supply to the outer electrodes 5 microtubular SOFCs or stacks of microtubular SOFCs 2 improve.

Für eine gleichzeitige Stromableitung einer der Elektroden der mikrotubularen SOFCs 2 – bevorzugt der äußeren Elektrode 5 – kann der Reformer 1 genutzt werden. In der in der 4 gezeigten bevorzugten schematischen Anordnung besteht ein direkter Kontakt - optional durch zusätzliche Zwischenschichten oder andere elektrisch leitende Vorrichtungen – zwischen der äußeren Elektrode 5 der mikrotubularen SOFC 2 oder den elektrischen Kontakten der äußeren Elektrode 5 der Stacks der mikrotubularen SOFCs 2 und dem integrierten Reformer 1, der in diesem Fall ebenfalls elektrisch leitfähig ist. Der äußere Stromabgriff erfolgt durch den an den Reformer 1 angrenzenden Stromkontakt 7.For a simultaneous current dissipation of one of the electrodes of the microtubular SOFCs 2 - Preferably the outer electrode 5 - can the reformer 1 be used. In the in the 4 As shown in the preferred schematic arrangement, there is direct contact - optionally through additional interlayers or other electrically conductive devices - between the outer electrode 5 the microtubular SOFC 2 or the electrical contacts of the outer electrode 5 stacks of microtubular SOFCs 2 and the integrated reformer 1 , which is also electrically conductive in this case. The external current tap is made by the to the reformer 1 adjacent power contact 7 ,

5 zeigt ein Beispiel, bei dem der Reformer 9 mit einer Trennwand 10 eingekapselt ist. Ein Einlassrohr 8 liefert reformierendes Gas oder Gasgemisch zu dem Reformer 9 und durch ein Austrittsrohr 15 verlässt das Reformat den Reformer 9. In diesem Fall sind das Einlass- und das Austrittsrohr 8 bzw. 15 mit einem Gewinde versehen, um einen Anschluss an weitere Gasverteilungseinrichtungen vorzusehen. In den Reformer 9 sind Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstacks 2 eingebettet, und die äußere Elektrode 5 ist mittels elektrisch leitfähiger Bänder 12 mit dem Reformer 9 elektrisch verbunden. Die inneren Elektroden 3 der Brennstoffzellen 2 sind mittels Gasverteilungseinrichtungen 13a und 13b verbunden, wobei die Gasverteilungseinrichtungen 13a und 13b auch zum Stromabgriff der Elektroden 3 dienen können. Die Zufuhr von Gasmischung) zu den inneren Elektroden 3 erfolgt über Rohr 11 durch die Gasverteilungseinrichtung 13a, und der Austritt erfolgt mittels des Austrittsrohrs 14, die Gasverteilungseinrichtung 13b ist mit dem Gasaustrittsrohr 14 verbunden. Auch eine einseitige Anbringung des Reformers 9, ein vollständiges Umschließen der gesamten Brennstoffzellen 2 einschließlich der Gasverteilungseinrichtungen (13a, 13b) oder ein Einschließen eines Brennstoffzellenstacks mit dem Reformer 9 ist möglich. Der Reformer 9 kann aus einem Metallgehäuse bestehen, das bevorzugt aus hochwarmfestem Stahl besteht, und der Stahl kann mit keramischen, oxidischen oder anderen Schutzschichten (z. B. LSM, LSCF) beschichtet sein, um eine Verdampfung des Chroms zu verhindern. Es kann auch ein Keramikgehäuse oder Metall-/Keramikgehäuse verwendet werden, wobei reformierendes aktives Metall auf die Innenseite des Gehäuses aufgebracht wird. Zum Beispiel kann das aktive Material ein Netz, ein Festbett, ein Schaum oder ein ähnlicher Werkstoff sein. Zur Verdeutlichung zeigt 5a einen Querschnitt, wobei das Innere des Systems teilweise sichtbar ist (z. B. Brennstoffzellen). 5b zeigt einen ähnlichen Querschnitt senkrecht zu dem Querschnitt von 5a. 5 shows an example where the reformer 9 with a partition 10 encapsulated. An inlet pipe 8th supplies reforming gas or gas mixture to the reformer 9 and through an outlet pipe 15 The Reformat leaves the reformer 9 , In this case, the inlet and the outlet pipe 8th respectively. 15 threaded to provide connection to other gas distribution devices. In the reformer 9 are fuel cells or fuel cell stacks 2 embedded, and the outer electrode 5 is by means of electrically conductive bands 12 with the reformer 9 electrically connected. The inner electrodes 3 the fuel cells 2 are by gas distribution facilities 13a and 13b connected, wherein the gas distribution devices 13a and 13b also to the current pickup of the electrodes 3 can serve. The supply of gas mixture) to the internal electrodes 3 via pipe 11 through the gas distribution device 13a , And the exit takes place by means of the outlet pipe 14 , the gas distribution device 13b is with the gas outlet pipe 14 connected. Also a one-sided attachment of the reformer 9 , a complete enclosure of the entire fuel cell 2 including the gas distribution facilities ( 13a . 13b ) or confining a fuel cell stack with the reformer 9 is possible. The reformer 9 may consist of a metal housing, which is preferably made of high temperature steel, and the steel may be coated with ceramic, oxide or other protective layers (eg LSM, LSCF) to prevent evaporation of the chromium. A ceramic housing or metal / ceramic housing may also be used, with reforming active metal applied to the inside of the housing. For example, the active material may be a net, a fixed bed, a foam, or a similar material. For clarity shows 5a a cross-section wherein the interior of the system is partially visible (eg, fuel cells). 5b shows a similar cross section perpendicular to the cross section of 5a ,

Zur Verdeutlichung zeigt 6a einen Querschnitt, wobei das Innere des Systems teilweise sichtbar ist (z. B. Brennstoffzellen). 6b zeigt einen senkrechten Querschnitt eines Brennstoffzellensystems, das dem in 5 gezeigten System ähnelt. Bei diesem System wurde ein Wärmetauscher 35 für Luft in den Reformer 9 zusätzlich eingesetzt. Die unterschiedlichen Medien des Reformers 9 und des Wärmetauschers 35 werden durch getrennte Kanäle in den Reformer 9 geleitet, was ein Mischen der Medien in dem Reformer 9 verhindert. Mittels eines Anschlusses 16, der mit einem Gewinde zur Verbindung mit anderen Komponenten ausgestattet ist, wird dem in den Reformer 9 integrierten Wärmetauscher 35 Luft zugeführt; diese Luft verlässt den Wärmetauscher 35 über das Rohr 17. Das Rohr 17 ist mit der Gaskammer der äußeren Elektrode(n) 5 der tubularen Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstacks 2 mittels einer Bohrung 18 verbunden, wobei kühles oder bevorzugt erwärmtes Gas mittels des Wärmetauschers 35, der wiederum mit dem Reformer 9 in intensivem Wärmetausch steht, in die Gaskammer der äußeren Elektrode 5 eindringt. Das Abgas der äußeren Elektrode(n) 5 tritt dann zum Beispiel durch die Bohrung 19 aus. Das Abgas kann für weitere Umwandlungen (z. B. Versorgung eines den Brennstoffzellen nachgeschalteten Nachbrenners) wieder genutzt werden oder kann für weiteren Wärmeaustausch verwendet werden. Hier kann das Abgas/Produktgas des Reformers 9 – bei Bedarf mittels keramischer Rohre oder anderer Isolierungsoptionen elektrisch isoliert – mittels des Einlassrohrs 15 dem Zufuhrrohr 11 zu den inneren Elektroden 3 der tubularen Brennstoffzellen 2 zugeführt werden.For clarity shows 6a a cross-section wherein the interior of the system is partially visible (eg, fuel cells). 6b shows a vertical cross section of a fuel cell system, the in 5 shown system is similar. In this system was a heat exchanger 35 for air in the reformer 9 additionally used. The different media of the reformer 9 and the heat exchanger 35 be through separate channels in the reformer 9 directed, causing a mixing of the media in the reformer 9 prevented. By means of a connection 16 , which is equipped with a thread for connection with other components, that is in the reformer 9 integrated heat exchanger 35 Supplied with air; this air leaves the heat exchanger 35 over the pipe 17 , The pipe 17 is with the gas chamber of the outer electrode (s) 5 the tubular fuel cells or fuel cell stacks 2 by means of a bore 18 connected, wherein cool or preferably heated gas by means of the heat exchanger 35 who in turn with the reformer 9 is in intense heat exchange, in the gas chamber of the outer electrode 5 penetrates. The exhaust gas of the outer electrode (s) 5 then, for example, through the hole 19 out. The exhaust gas can be reused for further conversions (eg supply of an afterburner downstream of the fuel cells) or can be used for further heat exchange. Here is the exhaust gas / product gas of the reformer 9 - electrically insulated by means of ceramic tubes or other insulation options if necessary - by means of the inlet tube 15 the feed pipe 11 to the inner electrodes 3 the tubular fuel cells 2 be supplied.

7 zeigt ein Beispiel mit Reformer 9. Das Gehäuse 22 des Reformers 9 umfasst einen Metallblock oder einen Keramikblock oder einen Block aus einer Mischung aus Keramik und Metall, wobei bei Bedarf der Block teilweise hohl sein kann, um Gewicht zu senken und Kosten zu sparen. Reaktoren, die aus Folien konstruiert sind und bei denen die Folien Kanäle umfassen, die eingepresst, eingeätzt, durch Laser eingeschnitten, eingefräst oder durch beliebige andere Mittel aufgebracht sind, können ebenfalls den Reformer 9 bilden. Das zu reformierende Medium, z. B. Kohlenwasserstoff oder Alkohole gemischt mit Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf, wird durch das Rohr 20 geleitet. Die Innenwand der Rohre kann mit katalytisch aktivem Werkstoff beschichtet sein, und/oder der Werkstoff der Innenwand des Rohrs 20 kann katalytisch aktiven Werkstoff umfassen. Die Rohre 20 können auch mit aktivem Werkstoff gefüllt sein. Zum Beispiel können die letzteren Pulver, Schäume, Netze oder Monolithen umfassen. Bevorzugt bestehen die Innenwände aus Stahl, wobei eine Keramikschicht ausgebildet wird, wenn es zur Oxidation durch Luft kommt. Katalytisch aktive Komponenten können durch Verwenden von Prozessen wie Imprägnieren, Dampfbeschichten, Eintauchen, elektrochemische Abscheidung, Besprühen, chemische Dampfabscheidung (CVD), physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder einen beliebigen anderen üblichen keramischen oder chemischen oder physikalischen Prozess aufgebracht werden. Der reformierende Werkstoff gelangt bei 8 in den Reaktor und tritt bei 15 aus dem Reaktor aus. Mittels eines Anschlusses 17 wird Luft zugeführt und tritt bei 16 aus dem Reaktor aus. Das Luftrohr ist das Rohr 21. Die unmittelbare Nähe des Rohrs 20 und 21 ermöglicht einen intensiven Wärmeaustausch zwischen beiden Medien. Bevorzugt haben die Rohre einen freien Durchflussquerschnitt, der einen Rückschlag und/oder eine nicht steuerbare Verbrennung verhindert. Dies kann zum Beispiel durch Nutzen so genannter Mikrokanäle oder durch Füllen des Inneren der Rohre mit Pulver, Schäumen, Monolithen oder Netz verhindert werden. Die kritischen freien Durchflussquerschnitte hängen von Drücken, Konzentrationen und Temperaturen ab. Typischerweise sollten die Querschnitte kleiner als 2 mm, bevorzugt kleiner als 0,5 mm sein. 7a zeigt Seite A und 7b zeigt Seite B. Aus Gründen der klareren Darstellung werden einige verdeckte Rohre als sichtbare Objekte gezeigt. 7 shows an example with reformer 9 , The housing 22 the reformer 9 includes a block of metal or a ceramic block or a block of a mixture of ceramic and metal, where necessary, the block may be partially hollow to reduce weight and save costs. Reactors that are constructed of films and in which the films include channels that are press fit, etched, laser cut, milled, or applied by any other means can also use the reformer 9 form. The medium to be reformed, e.g. As hydrocarbon or alcohols mixed with air, oxygen or water vapor, through the tube 20 directed. The inner wall of the tubes can be made with catalytically active material be coated, and / or the material of the inner wall of the tube 20 may comprise catalytically active material. The pipes 20 can also be filled with active material. For example, the latter may include powders, foams, nets or monoliths. Preferably, the inner walls of steel, wherein a ceramic layer is formed when it comes to the oxidation by air. Catalytically active components may be applied by using processes such as impregnation, vapor deposition, dipping, electrochemical deposition, spraying, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), or any other conventional ceramic or chemical or physical process. The reforming material enters the reactor at 8 and exits the reactor at 15. By means of a connection 17 air is supplied and enters 16 from the reactor. The air tube is the tube 21 , The immediate vicinity of the pipe 20 and 21 allows an intensive heat exchange between both media. Preferably, the tubes have a free flow area which prevents backlash and / or non-controllable combustion. This can be prevented, for example, by using so-called microchannels or by filling the inside of the tubes with powder, foams, monoliths or mesh. The critical free flow cross sections depend on pressures, concentrations and temperatures. Typically, the cross-sections should be less than 2 mm, preferably less than 0.5 mm. 7a shows page A and 7b shows page B. For clarity, some hidden tubes are shown as visible objects.

8 zeigt ein 5 ähnelndes System. In diesem Fall ist auf der oberen Oberfläche von 8a ein Wärmetauscher 24 gezeigt, wobei der Wärmetauscher genutzt wird, um die Atmosphäre (z. B. Luft) für die äußere Elektrode 5 der tubularen SOFCs oder Stacks von Festoxidbrennstoffzellen 2 vorzuwärmen. Der Reformer 9 ist eingekapselt und somit von der Atmosphäre der äußeren Elektroden 5 getrennt. In diesem Beispiel ist der Reformer 9 in Richtung der Seite (C) verkürzt, so dass die äußeren Elektroden der Brennstoffzellen. oder Brennstoffzellenstacks 2 teilweise nicht von dem Reformer 9 eingeschlossen sind. In dieser Richtung ist der Wärmetauscher 24 verlängert und umschließt an Seite (C) die Strömungskanäle der äußeren Elektroden 5. Durch Verwenden eines Dichtelements (z. B. Hochtemperaturklebstoff, Metalllot, Glaslot, etc.) 23 kann eine bevorzugte Strömungsrichtung entlang der Richtung von Seite (C) zu Seite (D) eingestellt werden. Die Atmosphäre der äußeren Elektrode 5 gelangt mittels des Einlassrohrs 26 in den Wärmetauscher 24. In dem Wärmetauscher 24 sind Strömungskanäle (der Übersichtlichkeit halber weggelassen) enthalten, wobei die Strömungskanäle das Fluid entlang Seite (C) durch den Wärmetauscher leiten. Das Dichtelement 23 sieht zwischen dem Wärmetauscher 24 und Brennstoffzellen oder Brennstoffzelleneinheiten 2 eine gasdichte Verbindung vor, wobei die Gaskammer der äußeren Elektroden 5 der Zellen oder Stacks 2 in Richtung von Seite C getrennt ist. An diesen Punkten gelangt das Fluid von dem Wärmetauscher 24 in die Gaskammer der äußeren Elektrode 5 (nicht gezeigt), was in der Gaskammer der äußeren Elektrode 5 eine Strömung in Richtung von Seite D bewirkt. Die nachstehende 8a zeigt einen weiteren Wärmetauscher 25, der zwischen dem zu reformierenden Gas und dem Reformer 9 einen intensiven Wärmeaustausch ermöglicht. Das zu reformierende Gas gelangt mittels Einlassrohr 27 in den Wärmetauscher 25 und tritt zum Beispiel mittels Rohr 25b, das den Wärmetauscher 25 mittels einer Gasarmatur 8 der Reformer 9 mit dem Reformer 9 fluidtechnisch verbindet, aus dem Wärmetauscher aus. 8th shows a 5 similar system. In this case, on the upper surface of 8a a heat exchanger 24 shown, wherein the heat exchanger is used to control the atmosphere (eg air) for the outer electrode 5 tubular SOFCs or stacks of solid oxide fuel cells 2 preheat. The reformer 9 is encapsulated and thus by the atmosphere of the outer electrodes 5 separated. In this example, the reformer 9 shortened in the direction of the side (C), so that the outer electrodes of the fuel cells. or fuel cell stacks 2 partly not from the reformer 9 are included. In this direction is the heat exchanger 24 extends and encloses on the side (C) the flow channels of the outer electrodes 5 , By using a sealing element (eg high-temperature adhesive, metal solder, glass solder, etc.) 23 For example, a preferred flow direction along the direction from side (C) to side (D) can be set. The atmosphere of the outer electrode 5 passes through the inlet pipe 26 in the heat exchanger 24 , In the heat exchanger 24 flow channels (omitted for clarity) are included, with the flow channels directing the fluid along side (C) through the heat exchanger. The sealing element 23 looks between the heat exchanger 24 and fuel cells or fuel cell units 2 a gas-tight connection, wherein the gas chamber of the outer electrodes 5 the cells or stacks 2 is separated in the direction of page C. At these points the fluid passes from the heat exchanger 24 into the gas chamber of the outer electrode 5 (not shown), resulting in the gas chamber of the outer electrode 5 causes a flow in the direction of side D. The following 8a shows a further heat exchanger 25 between the gas to be reformed and the reformer 9 allows an intense heat exchange. The gas to be reformed passes through an inlet pipe 27 in the heat exchanger 25 and occurs, for example, by means of a pipe 25b that the heat exchanger 25 by means of a gas fitting 8th the reformer 9 with the reformer 9 fluidly connects, from the heat exchanger.

9 zeigt ein 8 ähnelndes System. Zur Verdeutlichung zeigt 9 einen Querschnitt, wobei das Innere des Systems teilweise sichtbar ist (z. B. Brennstoffzellen). In diesem Fall wurde dem System ein Nachbrenner 28 hinzugefügt. Zum Beispiel erreicht Abgas/Produktgas des Reformers 9 die innere Elektrode 3 der Brennstoffzelle 2 mittels Rohr 30, wodurch das freigesetzte Abgas der inneren Elektroden 3 der Brennstoffzellen 2 mittels Rohr 32 den Nachbrenner 28 erreicht. Hier reagiert das Abgas der inneren Elektrode 3 mit dem Abgas der äußeren Elektrode 5 der tubularen Brennstoffzelle 2, wobei die Luft mittels Rohr 31 dem Nachbrenner 28 zugeführt wird. Der Nachbrenner 28 ist vorzugsweise ein katalytischer Brenner, besonders bevorzugt ein Porenbrenner oder ein Mikrokanäle umfassender Brenner. Die Energie des Abgases des Nachbrenners 28, das zum Beispiel bei Anschluss 29 austritt, kann weiter genutzt werden (z. B. Wärmetauscher, Peltier-Element, teilweise Rückführung zu der Reaktionskammer des Reformers, Brennstoffzellen). Der Einbau einer Strahlpumpe zwischen der Kathodengaskammer und dem Nachbrenner 28 und zwischen der Anodengaskammer und dem Nachbrenner 28 ist gleichfalls vorteilhaft. Auf diese Weise kann ein druckbeaufschlagtes Reformat Luft aufnehmen oder umgekehrt. 9 shows a 8th similar system. For clarity shows 9 a cross-section wherein the interior of the system is partially visible (eg, fuel cells). In this case, the system became an afterburner 28 added. For example, exhaust gas / product gas reaches the reformer 9 the inner electrode 3 the fuel cell 2 by means of tube 30 , whereby the released exhaust gas of the internal electrodes 3 the fuel cells 2 by means of tube 32 the afterburner 28 reached. Here the exhaust gas of the inner electrode reacts 3 with the exhaust gas of the outer electrode 5 the tubular fuel cell 2 , where the air by means of pipe 31 the afterburner 28 is supplied. The afterburner 28 is preferably a catalytic burner, more preferably a pore burner or a burner comprising microchannels. The energy of the exhaust of the afterburner 28 , for example, when connecting 29 outlet, can continue to be used (eg, heat exchangers, Peltier element, partial feedback to the reaction chamber of the reformer, fuel cells). The installation of a jet pump between the cathode gas chamber and the afterburner 28 and between the anode gas chamber and the afterburner 28 is also advantageous. In this way, a pressurized reformate can absorb air or vice versa.

10 zeigt ein Brennstoffzellensystem, das ähnlich dem in 1 gezeigten Element aufgebaut ist. Zum Beispiel umschließt ein Peltier-Element 33 den Reformer 1, wobei das Peltier-Element zusätzlich an der Außenseite von einem wärmeaufnehmenden Element (z. B. Reformer, Wärmetauscher, Ventilationskanal, kalte Umgebungstemperaturen) oder einem wärmeabgebenden Element 34 (z. B. Reformer, Brenner, Wärmetauscher) umgeben ist. Bevorzugt ist das System so aufgebaut, dass in dem Peltier-Element 33 der größtmögliche Temperaturunterschied zur Verfügung steht. 10 shows a fuel cell system similar to that in FIG 1 constructed element is constructed. For example, a Peltier element encloses 33 the reformer 1 in which the Peltier element is additionally provided on the outside of a heat-absorbing element (eg reformer, heat exchanger, ventilation duct, cold ambient temperatures) or a heat-emitting element 34 (eg reformer, burner, heat exchanger) is surrounded. Preferably, the system is constructed so that in the Peltier element 33 the largest possible temperature difference is available.

11 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Rohr 35 durch den Reformer 1 geführt ist und das Rohr zum Erwärmen oder Abkühlen eines Mediums dienen kann, das durch das Rohr 35 strömt. Vorzugsweise absorbiert das Rohr im Fell einer exothermen Reaktion des Reformers 1 Wärme und gibt im Fall einer endothermen Reaktion in dem Reformer 1 Wärme ab. 11 shows an example in which a pipe 35 by the reformer 1 is guided and the tube can serve for heating or cooling of a medium passing through the pipe 35 flows. Preferably, the tube in the coat absorbs an exothermic reaction of the reformer 1 Heat and gives in the case of an endothermic reaction in the reformer 1 Heat off.

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Claims (18)

Brennstoffzellensystem, welches mindestens einen Reformer mit mindestens einer Hochtemperaturbrennstoffzelle umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Reformer (1, 9) unter Verwendung eines Werkstoffs oder einer Kombination von Werkstoffen mit einer reformierenden Wirkung aufgebaut ist/sind, wobei ein Reformer sich in der unmittelbaren Nähe der mindestens einen Hochtemperaturbrennstoffzelle befindet und/oder mindestens eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (2) umschließt.Fuel cell system comprising at least one reformer with at least one high-temperature fuel cell, characterized in that the / the reformer ( 1 . 9 ) is constructed using a material or a combination of materials having a reforming effect, wherein a reformer is in the immediate vicinity of the at least one high-temperature fuel cell and / or at least one high-temperature fuel cell ( 2 ) encloses. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Hochtemperaturbrennstoffzelle(n) (2) als mikrotubulare Festoxidbrennstoffzellen gebaut sind.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that one or more high-temperature fuel cell (s) ( 2 ) are constructed as microtubular solid oxide fuel cells. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff/die Werkstoffkombination, der/die eine reformierende Wirkung hat, mindestens teilweise offenporig ist und/oder Gaskanäle im Reformer ausgebildet sind.Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the material / material combination, which / has a reforming effect, at least partially open-pored and / or gas channels are formed in the reformer. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keramikwerkstoff mit einer reformierenden Wirkung eingesetzt ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a ceramic material is used with a reforming effect. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit einer reformierenden Wirkung als Beschichtung auf die Oberfläche eines keramischen oder metallischen Substrats oder auf die Oberfläche eines Substrats aus einer Mischung von Keramik und Metall aufgebracht ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the material is applied with a reforming effect as a coating on the surface of a ceramic or metallic substrate or on the surface of a substrate made of a mixture of ceramic and metal. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit einer reformierenden Wirkung ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik oder eine Mischung aus keramischen und metallischen Komponenten ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the material having a reforming effect is a metal, a metal alloy, a ceramic or a mixture of ceramic and metallic components. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Werkstoff/Zusatz, der eine höhere katalytische Aktivität aufweist oder fördert, in dem eine reformierende Wirkung aufweisenden Werkstoff enthalten ist und/oder auf diesen aufgebracht ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further material / additive, which has or promotes a higher catalytic activity, is contained in the material having a reforming effect and / or applied thereto. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Werkstoffe/Zusätze Edelmetalle wie Pt, Rh, Pd, Ru, Ir, Ag, Au und/oder andere Metalle der Untergruppenelemente (Übergangselemente) und/oder nichtmetallische anorganische/keramische Verbindungen wie Perowskite, Nickelate, Kupferoxid, Zinkoxid sind.Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the catalytically active materials / additives noble metals such as Pt, Rh, Pd, Ru, Ir, Ag, Au and / or other metals of the subgroup elements (transition elements) and / or non-metallic inorganic / ceramic compounds such as perovskites , Nickelates, copper oxide, zinc oxide. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das eine höhere katalytische Aktivität aufweisende Material ein Alkali- oder Erdalkalimetall ist.Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the material having a higher catalytic activity is an alkali or alkaline earth metal. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat mit bevorzugt katalysierender Wirkung aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und/oder einer ionenleitenden Verbindung, insbesondere einer sauerstoffionenleitenden Verbindung wie dotiertem Zirkonoxid, dotiertem Ceroxid, dotiertem Gallat, dotiertem Wismutoxid, oder einem Metall wie hochwarmfestem Stahl besteht.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a substrate having a preferably catalyzing effect of magnesium oxide, alumina and / or an ion-conducting compound, in particular an oxygen-ion conductive compound such as doped zirconia, doped ceria, doped gallate, doped bismuth oxide, or a metal such as heat resistant Steel exists. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Werkstoff mit der reformierenden Wirkung, aus dem der Reformer (1, 9) besteht, eine Beschichtung aufgebracht ist und/oder wobei der Werkstoff eingekapselt ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the material with the reforming effect from which the reformer ( 1 . 9 ), a coating is applied and / or wherein the material is encapsulated. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Reformer (1, 9) gasdicht eingekapselt oder gasdurchlässig ist/sind und dadurch von der Atmosphäre mindestens einer Elektrode (3 oder 5) vollständig oder teilweise räumlich getrennt ist/sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the / the reformer ( 1 . 9 ) is gas-tightly encapsulated or gas-permeable, and is thereby separated from the atmosphere of at least one electrode ( 3 or 5 ) is completely or partially spatially separated. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (1, 9) oder das Substrat der reformierenden Komponente zumindest teilweise offenporig oder in Form eines Netzes konstruiert ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the reformer ( 1 . 9 ) or the substrate of the reforming component is at least partially open-pored or constructed in the form of a network. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede einzelne Brennstoffzelle und/oder ein oder mehrere Bündel von Brennstoffzellen (2) von einem oder mehreren Reformern (1, 9) umgeben ist/sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that each individual fuel cell and / or one or more bundles of fuel cells ( 2 ) by one or more reformers ( 1 . 9 ) is / are surrounded. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Reformer (1, 9) oder das/die Substrat(e) des/der Reformer(s) (1, 9) 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 (1, 9) 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 der Trennwand/-platte erfolgen können oder wobei eine oxidierende Komponente an der weg von den Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks (2) weisenden Seite vorbeiströmen kann und die reformierenden Reaktionen an der den Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks (2) zugewandten Seite der Trennwand/-platte (10) erfolgen können.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the / the reformer ( 1 . 9 ) or the substrate (s) of the reformer (s) ( 1 . 9 ) are constructed of a gas-tight plate or plate-like structure or the reforming material is encapsulated in such, 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 the outside of the fuel cells or fuel cell stacks so that the atmosphere of the outer electrode (s) of the fuel cell (s) on the reformer ( 1 . 9 ), and wherein an oxidizing component can flow past the side of the partition wall / plate facing the fuel cells and / or fuel cell stacks, and the reforming reactions at the away from the fuel cells and / or Fuel cell stack facing side of the partition / plate can be done or wherein an oxidizing component at the away from the fuel cells and / or fuel cell stacks ( 2 ) side and the reforming reactions at the fuel cells and / or fuel cell stacks ( 2 ) facing side of the partition / plate ( 10 ). Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Wärmetauscher (34) und/oder ein oder mehrere Nachbrenner (28) und/oder ein oder mehrere Peltier-Elemente (33) und/oder ein oder mehrere weitere Reformer in der unmittelbaren Nähe des Reformers (1, 9) angeordnet ist/sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that one or more heat exchangers ( 34 ) and / or one or more afterburners ( 28 ) and / or one or more Peltier elements ( 33 ) and / or one or more other reformers in the immediate vicinity of the reformer ( 1 . 9 ) is / are arranged. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Reformer (1, 9) elektrisch leitfähig ist/sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the / the reformer ( 1 . 9 ) is / are electrically conductive. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks (2) den/die Reformer (1, 9) umgeben.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that in addition fuel cells and / or fuel cell stacks ( 2 ) the reformer (s) 1 . 9 ) surround.
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