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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem oder mehreren Brennern.
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Hochtemperaturbrennstoffzellensysteme für kleine Leistungsklassen haben das Problem, dass die für den Betrieb benötigten hohen Arbeitstemperaturen (mehrere 100°C) aufgrund der geringen systemeigenen Wärmeerzeugung nur schwierig zu realisieren sind. Potentielle Lösungen können durch den Einbau von Brennern angedacht werden. Es müssen hier allerdings Effizienzaspekte beachtet werden. Gleichzeitig muss für mobile bzw. portable Systeme ein platzsparender Aufbau umgesetzt werden.
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Brennstoffzellen sind seit längerem bekannte tertiäre galvanische Elemente. Unter den verschiedenen Brennstoffzellentypen haben die Festoxidbrennstoffzellen eine herausragende Stellung aufgrund der Tatsache, dass sie die größte Brennstoffflexibilität aufweisen. Aufgrund der hohen Arbeitstemperatur, die meist 600°C übersteigt, sind allerdings thermische Verluste, insbesondere bei kleinen Systemen, von entscheidender Bedeutung. Dies ist auch der Grund, warum der Großteil der SOFC-Anwendungen nicht für kleine mobile oder portable Systeme ausgelegt ist (Fuel Cell Handbook 7th edition, EG&G Services, Inc. U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, West Virginia, November 2004; Handbook of Fuel Cells Fundamentals, Technology and Application, Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamm, 2003 John Wiley & Sons, Ltd.).
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Unter den Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) sind die mikrotubularen Bauweisen gegenüber Temperaturschwankungen besonders stabil (V. Lawlor, S. Griesser, G. Buchinger, A. Olabi, S. Cordiner, D. Meissner – Review of the micro-tubular solid Oxide fuel cell (part I: Stack design issues and research activities) – Journal of Power Sources, 2009, Seiten 387–399.).
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Ausnutzung und einen stabilen Betrieb von Brennstoffstellen – insbesondere mikrotubularen Festoxidbrennstoffzellen – auch bei während des Betriebes auftretenden Temperaturschwankungen und Temperaturgefällen zu sichern und ferner ein möglichst kompaktes System, insbesondere für mobile und portable Anwendungen, bereit zustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Brennstoffzellensystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Die einzelnen Eigenschaften der nachstehend beschriebenen Auslegungsbeispiele können innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung unabhängig realisiert werden, müssen also nicht in genau den in den Beispielen dargestellten charakteristischen Kombinationen umgesetzt sein.
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Die Erfindung ermöglicht eine unmittelbare Erwärmung von insbesondere mikrotubularen Brennstoffzellen aufgrund von Konvektion, Strahlung und insbesondere Wärmeleitung.
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Die besondere Stabilität der mikrotubularen SOFCs gegenüber Temperaturgefällen kann zur Lösung dieser Problematik genutzt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist mindestens ein Brenner unmittelbar an einer Brennstoffzelle angeordnet und/oder ein Brenner ist ein gesondertes Element eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Brennstoffzellen.
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Dabei kann mindestens eine mikrotubulare SOFC in einem erfindungsgemäßen System vorhanden sein, wobei sich ein oder mehrere Brenner in unmittelbarer Nähe zu einer Brennstoffzelle befinden.
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Ein oder mehrere Brenner können direkt als integraler Bestandteil einer oder mehrerer Brennstoffzellen ausgeführt sein.
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Ein oder mehrere Brenner können direkt als integrales Element einer oder mehrerer Brennstoffzellen vorhanden sein, wobei dieser/diese als Teil eines Dichtungskonzeptes zur Abtrennung der Gasräume zwischen einer Atmosphäre mit oxidierbarem Gas und einer Atmosphäre mit reduzierbarem Gas eingegliedert sein können. Die Gasräume sind dabei so abgetrennt, dass ein partieller Gasaustausch von oxidierbarem und reduzierbarem Gas erfolgen kann, der zu einer erwünschten exothermen chemischen Reaktion und dadurch zu einer Erwärmung bzw. Aufheizung führt.
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Zur Bildung des Brenners kann mindestens eine Durchbrechung der Schicht eines gasdichten Elektrolyten vorliegen oder dort ausgebildet/angebracht sein. Ein Elektrolyt kann auch vollständig oder teilweise offenporig sein, so dass in beiden Fällen ein Gasaustausch und folglich eine exotherme Reaktion erreicht werden kann.
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Diese Durchbrechung(en) kann/können bereits während des Herstellungsprozesses der Elektrolytschicht vorhanden sein oder dabei ausgebildet werden. Mindestens eine Durchbrechung kann auch nach bereits erfolgter Herstellung der Elektrolytschicht eingefügt werden.
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Dies trifft auch auf poröse Bereiche zu. Durchbrechungen des Elektrolyten können zum Beispiel durch Aufbringen (Streichen, Drucken, Sprühen ...) einer Schicht aus einem organischen Material wie z. B. Wachsen an den Stellen, die anschließend eine Durchbrechung oder Porosität aufweisen sollen, ausgebildet werden. Nach dem Aufbringen dieser organischen Schichten kann das den Elektrolyten bildende eigentliche Material aufgebracht werden (z. B. Tauchbeschichten, elektrophoretische Abscheidung, Sprühen, Spritzen, Plasmabeschichten, Schlickerguss ...). Danach kann eine Sinterung durchgeführt werden, wodurch mindestens eine Durchbrechung oder erhöhte Porosität infolge des Abbrands der organischen Schicht gebildet wird. Bei Ausbilden der äußeren Elektrode kann analog vorgegangen werden, wobei ein direkter, elektronisch leitender Kontakt zwischen der inneren und äußeren Elektrode vermieden werden sollte. Alternativ können im Einzelnen der Elektrolyt und die äußere Elektrode durch Drucken, Sprühen oder andere keramische Prozesse an den gewünschten Stellen aufgebracht werden. Die Porosität kann zum Beispiel durch Zugeben eines Porenbildners, wie z. B. Kohlenstoff oder PMMA, eingestellt werden, wobei es auch möglich ist, einen abgestuften Übergang des Porenverhältnisses bis zu einem dichten Elektrolyten zu erzeugen. Das Porenverhältnis bzw. die Porosität ändert sich dort sukzessive. In einer besonderen Ausführung können Dichtungsmaterialien (z. B. Glaslote, keramische Kleber, Metalllote, direkt neben den Stellen aufgebracht werden, an denen die exotherme Reaktion durch den Gasaustausch erfolgen soll. Diese Dichtungsmaterialien sollten neben dem Elektrolyten angeordnet werden oder ihn sogar so überlagern, dass der Elektrolyt nicht direkt in dem von der exothermen Reaktion erwärmten Bereich angeordnet ist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der Tatsache, dass der Elektrolyt und möglicherweise auch die äußere Elektrode nicht direkt neben dem heißesten Punkt (Hot Spot) liegt, der Stelle, an der der zielgerichtete Abbrand einer oxidierbaren Komponente stattfindet, so dass an den elektrochemisch aktiven Zentren geringere thermische Spannungen auftreten.
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Durchbrechungen bzw. poröse Bereiche können bevorzugt nur an den Enden oder nur in der Mitte (ggf. als Unterbrechungen einer äußeren Elektrodenschicht) der mikrotubularen SOFCs vorhanden sein. Sie können auch an den Enden und in der Mitte der mikrotubularen SOFCs vorhanden sein. Entlang der Zellenachse oder bei einem Winkel von 0 bis 179° zur Zellenachse entlang eines Teils des Zellenbereichs, der für gewöhnlich von Elektrolyten oder einem anderem in etwa gasdichten Material bedeckt ist, können ein oder mehrere streifenförmige Durchbrechungen oder poröse Bereiche verlaufen. In der Erfindung können auch Kombinationen solcher Muster von absichtlich erzeugter Gasundichtheit zwischen mindestens einer reduzierenden und mindestens einer oxidierenden Atmosphäre entlang der Zelle oder ihrer Dichtungen verwendet werden.
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Die Bereiche der Brennstoffzellen, die nicht mit einer gasdichten Elektrolytschicht versehen sind oder direkt daran angrenzen, können aus einem anderen Material bestehen. Bereiche aus anderen Materialien oder mit anderen Porositäten können zum Beispiel durch ein sequentielles Spritzgussverfahren oder durch Verbinden mit (eventuell elektrisch leitfähigen) keramischen Klebern, Glasen oder Metallloten erzeugt werden.
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Jedes Material, das im Gebiet der Brennstoffzellen üblicherweise als Ionenleiter verwendet wird – wie z. B. Polymerelektrolyten – kann als Elektrolyt verwendet werden. Besonders bevorzugt sind Materialien für Festoxidbrennstoffzellen wie z. B. dotierte Zirkonoxide, dotierte Ceroxide und dotierte Gallate. Im Gebiet der Brennstoffzellenforschung verwendete Materialien oder Materialkombinationen sind gleichermaßen für die Elektroden geeignet. Bei den Kathoden sind diese zum Beispiel Edelmetalle (Pt, Rh, Pd, Silber, ...), keramische Perowskite (LSM, LSC, LSCF, LSF, ...), Nickelate und Verbundelektroden aus Kathodenmaterial und Ionenleitern. Bei den Anoden ist die Verwendung von z. B. Edelmetallen (Pt, Rh, ...), Übergangsmetallen (Nickel, Kupfer, ...) oder keramischen Verbindungen wie etwa Perowskiten, Titanaten, Chromiten und Niobaten möglich.
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Wenn die exotherme Reaktion mit oxidierbaren Komponenten an Dichtungselementen erfolgt, können beliebige Dichtungskonzepte, die im Gebiet der Brennstoffzellentechnologie verwendet werden, zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind keramische Kleber oder Glase, in denen durch Zugeben von porenbildenden Mitteln, durch ungenügend langes Trocknen nach Aufbringung oder auch ggf. anschließend durch mechanische oder chemische Mittel Poren selektiv gebildet werden. Alternativen zu Dichtungselementen sind auch Druckdichtungen, bei denen die erwünschte Gasundichtigkeit durch Verändern der Druckkraft eingestellt werden kann, wobei es möglich ist, die Druckkraft abhängig von dem Systemzustand (z. B. höhere Undichtigkeit während Aufheizen, maximale Dichtigkeit während Abkühlen) zu verändern. Der für eine exotherme Reaktion genutzte Gasaustausch der Gase/Gasgemische kann auch selektiv durch Einwirken mittels Spaltmaßen, Lochplatten oder Lamellendichtungen in einer Trennwand zwischen einer oxidierenden und einer reduzierenden Atmosphäre, in der die Zellen eingebettet sind, beeinflusst werden.
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Bei einem Brennstoffzellensystem mit mehr als einer Brennstoffzelle müssen nicht alle Zellen beziehungsweise Dichtungen als Brenner fungieren.
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Als Brenner fungierende Teile können aus einer anderen Materialkombination bestehen als die nicht als Brenner fungierenden Teile.
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Die Erfindung nutzt besonders bevorzugt mikrotubulare SOFCs, die einen Durchmesser von 0,01 mm–50 mm (bevorzugt zwischen 0,5 mm–5 mm) und eine Länge von 1 mm–500 mm (bevorzugt zwischen 10 mm–100 mm) haben. Diese Festoxidbrennstoffzellen können elektrolytbasiert (ESC), anodenbasiert (ASC), kathodenbasiert (CSC) und metallbasiert (MSC) sein. ESCs, CSCs und MSCs tendieren dazu, verbesserte Stabilität gegenüber Reoxidation der Anode zu zeigen. Eine der besonders bevorzugten Ausführungen ist die Verwendung von MSCs, da der Metallträger die Wärme, die sich aus dem Anstreben der exothermen Reaktion ergibt, leitet und dies folglich zu einer schnellen und möglichst gleichmäßigen Erwärmung der Zelle führt. Bei ASCs wird durch geeignete Strömungssteuerung sichergestellt, dass die Anode nicht oxidiert oder nur lokal oxidiert und der gasdichte Elektrolyt nicht beschädigt wird. Auch ist es möglich, die Gefahr von Zellenschädigung aufgrund von reoxidierendem Nickel durch eine geeignete Abwandlung des Anodenaufbaus zu verhindern oder zumindest abzuschwächen. Eine solche Abwandlung besteht zum Beispiel aus der allmählichen Abnahme des Anteils von oxidierbarem Metall (z. B. Nickel) von der Mitte des Trägers zu der Oberfläche des benachbarten Elektrolyten oder aus der Verwendung eines grobkörnigen porösen Oxidgitters (bevorzugt ein Ionenleiter wie etwa YSZ), in dem die Nickelpartikel durch Imprägnieren aufgebracht wurden. Eine alternative Option ist die Verwendung von gegenüber Reoxidation stabilen Anodenmaterialien, wie es meist bei keramischen Anodenmaterialien, wie z. B. Perowskiten, der Fall ist.
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Katalytisch aktive Substanzen wie z. B. Edelmetalle (Pt, Rh, Ru, ...) oder keramische Oxide (Perowskite) können den Anoden oder Teilen der Brennstoffzellen oder Dichtungselementen, die als Brenner fungieren, zugegeben werden, wobei die Substanzen bereits bei niedrigen Temperaturen und/oder niedrigen Konzentrationen von oxidierbaren Substanzen (Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ammonium, DME, ...) zu einem Einleiten der exothermen Reaktion führen können und/oder auch reformierende Funktionen auslösen. Eine mögliche Zugabe von katalytischen Substanzen nur an den Stellen/Bereichen ohne gasdichten Elektrolyten kann zum Beispiel durch Sprühen, Imprägnieren, elektrochemische Abscheidung, elektrophoretische Abscheidung, Drucken oder andere übliche Verfahrensweisen durchgeführt werden.
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Die Gaszufuhr zu den als Brenner fungierenden Teilen kann separat geregelt oder gesteuert werden. Zum Abkühlen des Systems kann die Gaszufuhr zu einer Elektrode oder beiden Elektroden der Brennstoffzellen gestoppt oder geregelt werden. So kann ein Gas mit vergrößertem Volumenstrom zugeführt werden, so dass es nicht vollständig bei einer Reaktion verbraucht/umgewandelt/oxidiert wird und ein überschüssiger Anteil dieses Gases, das kalt zugeführt werden kann, zu einer Kühlung führt. Ein nicht brennbares Gas (wie z. B. Stickstoff oder Edelgase) und/oder ein Gas oder Gasgemisch mit einer Kühlungswirkung durch eine endotherme Reaktion (z. B. Kohlenwasserstoffe kombiniert mit Dampf in einem beliebigen Gemisch) können ebenfalls vollständig oder nur teilweise das ursprünglich brennbare Gas ersetzen.
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Zum Aufheizen des Systems kann die Gaszufuhr zu den als Brenner fungierenden Teilen anders betätigt werden als die Gaszufuhr zu den nicht als Brenner fungierenden Teilen eines erfindungsgemäßen Systems. Zum Beispiel kann zum Aufheizen des Systems ein erhöhter Druck/Strom von oxidierbarem und/oder reduzierbarem Gas an den Brennstoffzellen oder Dichtungselementen angelegt werden, was zu einer erhöhten exothermen Reaktion führt, die ein schnelleres Aufheizen ermöglicht. Zum Kühlen des Systems kann andererseits der Strom oder Druck an diesen Stellen verringert oder sogar gestoppt werden.
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Innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung ist es möglich, serielle Verschaltungen eines oder mehrerer Gasströme von Zellen oder Dichtungselementen, die als Brenner fungieren, mit anderen Brennstoffzellen oder Systemkomponenten (z. B. Reformern) des Systems anzuordnen, und dadurch ist zwischen den Brennermodulen und den folgenden Komponenten ein intensiver Wärmeaustausch möglich. Infolge dieser seriellen Verschaltung ist auch für die folgenden Systemteile (Zellen, Reformer, Nachbrenner, ...), insbesondere wenn nicht der gesamte Treibstoff für Abbrand verwendet wird, ein Reformieren von Treibstoff (Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ammoniak, Reformatgas, DME, ...) vorteilhafterweise möglich.
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Eine spezielle, eventuell regelmäßige Zufuhr oder regelmäßige Änderungen der Menge reduzierend wirkenden Gases und oxidierend wirkenden Gases kann zur Steuerung und zur Vermeidung einer Schädigung (z. B. Reoxidation) des Systems eingestellt werden.
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Die Mengenzufuhr mindestens eines gasförmigen und/oder flüssigen Reaktanden kann zur Beeinflussung der Temperatur und/oder Leistung des Systems oder von Teilen des Systems eingesetzt werden.
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Natürlich können die vorstehend dargelegten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der genannten jeweiligen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder als alleinstehende Merkmale verwendet werden, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die für den Betrieb von Festoxidbrennstoffzellen erforderliche Arbeitstemperatur von typischerweise 500°C–1000°C kann mit der Erfindung einfach und sicher gehalten werden, was ansonsten bei kleinen Systemen nicht einfach zu erreichen ist. Wärmeverluste können beträchtlich verringert oder vermieden werden. Das Aufbringen von Wärme kann vor allem in der Startphase eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems schnell und effizient bis zum Betrieb der Brennstoffzellen realisiert werden. Die grundsätzliche Verwendung von zusätzlichen Brennern ist bereits seit langem aus dem Stand der Technik bekannt (
US 200710243444 ;
WO 2007082522 ;
DE 19517425 C1 ; Journal of Power Sources 86 (2000) 376–382). Diese Veröffentlichungen erwähnten aber an keiner Stelle die direkte Verwendung einer Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzellendichtung als Brenner. Die Erfindung ermöglicht das Erzeugen von wärme in unmittelbarer Nähe zu einer oder mehreren Brennstoffzellen, sogar unmittelbar an der Brennstoffzelle oder noch unmittelbarer in der unmittelbaren Nähe der reaktiven Zentren einer oder mehrerer Brennstoffzellen. Dadurch kann eine ideale Wärmeübertragung von der exothermen Reaktion auf die reaktiven Bereichen erreicht werden, was wiederum den für Wärmeerzeugung benötigten Brennstoff verringert und sogar zur Verringerung der Komplexität der thermischen Isolation führen kann. Aufgrund dieser Eigenschaft können insbesondere kleine SOFC-Systeme effizient betrieben werden. Durch die Kombination einer Brennstoffzelle, die gleichzeitig als Brenner fungieren kann, ist eine außergewöhnliche Möglichkeit gegeben, die Systemgröße, Material- und Fertigungskosten zu verringern.
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Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen erläutert werden.
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In den Figuren ist Folgendes gezeigt:
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1 Ein in der Erfindung verwendbares Beispiel einer mikrotubularen SOFC, die als integrierter Brenner gebaut ist;
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2 Ein in der Erfindung verwendbares weiteres Beispiel einer mikrotubularen SOFC, die als integrierter Brenner gebaut ist;
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3 Eine mikrotubulare SOFC, bei der in mehreren Bereichen exotherme Reaktionen ablaufen können;
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4 Eine mikrotubulare SOFC, bei der ein anderes Material oder eine andere Materialkombination in Bereichen, in denen der Gasaustausch und die exothermen Reaktionen erfolgen können, verwendet wurde;
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5 Ein Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellen, wobei eine einzelne Zelle als innerer Brenner ausgebildet ist;
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6 Ein Brennstoffzellensystem mit als Brenner fungierenden Brennstoffzellen und Brennstoffzellen mit Dichtungselementen, die als Brenner fungieren, und das mit zwei Systemteilen ausgebildet ist;
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7 Eine mikrotubulare SOFC mit einem zusätzlichen Dichtungselement und
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8 Ein Abschnitt einer mikrotubularen SOFC mit einer zusätzlichen Beschichtung zum Schutz des Elektrolyten.
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1 zeigt eine mikrotubulare SOFC, die als integrierter Brenner zur Wärmeerzeugung dienen kann. Bei dieser Zelle ist die innere Elektrode 1 großteils von einem Elektrolyten 2 umgeben, der wiederum großteils von der äußeren Elektrode 3 umgeben wird. Im in das Brennstoffzellensystem eingebauten Zustand wird die Zelle am Übergang zwischen den seitlichen separaten Elektrolytenabschnitten 2a und den äußeren Rändern der inneren Elektrode 1a abgedichtet. Die gezielte Oxidation, die nicht elektrochemisch herbeigeführt ist (z. B. direkte Umsetzung von Treibstoff mit Atmosphärensauerstoff als Oxidation/Abbrand) von Teilen des in der Zelle oder außerhalb der Zelle vorbei fließenden/strömenden Treibstoffs geschieht an den Bereichen 1b, an denen die innere Elektrode 1 nicht durch einen Elektrolyten 2 abgedeckt ist und es dadurch zu einem Kontakt der reduzierenden und oxidierenden Atmosphären kommt. Dort kann mindestens eine Durchbrechung oder ein poröser Bereich vorhanden sein. Die innere Elektrode 1 und die äußere Elektrode 3 bestehen aus unterschiedlichen Materialien und können abhängig von der konkreten Art einer tubularen Hochtemperaturbrennstoffzelle somit eine Kathode bzw. Anode sein.
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Bei dem Beispiel nach 2 mit einer mikrotubularen SOFC, die als integrierter Brenner fungieren kann, ist die Zelle in einem eingebauten Zustand gezeigt. Die Zufuhr des Gases für die innere Elektrode 1 erfolgt hierbei durch die Gasversorgungseinheit 4, und die gewünschte, nicht zwangsläufig vollständige, Trennung der Gasräume der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 3 erfolgt durch das Dichtungselement 5, das teilweise gasdurchlässig sein kann, wodurch es an diesem Dichtungselement 5 zu einer gezielten chemischen Reaktion/Abbrand des Treibstoffs zur Wärmeerzeugung kommen kann.
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Mit dem Beispiel nach 3 ist ein gezieltes mehrfaches Erfolgen von exothermen Reaktionen entlang der mikrotubularen SOFC an den Bereichen 1a, 1b und 1c möglich.
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Bei der in 4 gezeigten mikrotubularen SOFC ist den Bereichen b der inneren Elektrode 1, an denen der Gasaustausch und die exothermen Reaktionen stattfinden, ein anderer Werkstoff oder eine andere Werkstoffkombination eingesetzt worden als an den Bereichen, an denen die innere Elektrode 1 vollständig von dem Elektrolyten 2 bedeckt ist und/oder kein Mischen der Atmosphäre der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 3 aufgrund von zwischen dem Elektrolyten 2 und der Gaszufuhr 4 angeordneten Dichtungselementen 5 vorliegt.
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Bei dem in 5 gezeigten Brennstoffzellensystem sind mehrere Brennstoffzellen, bei diesem Beispiel mikrotubulare SOFCs 8, vorhanden. Es ist hier eine einzelne Zelle als interner Brenner 7 zur Erwärmung des Systems vorhanden, und die anderen Brennstoffzellen 8 erfüllen diese Funktion nicht. Die als Brenner 7 ausgebildete Zelle kann optional abhängig vom Betriebsmodus zum Erzeugen von elektrischem Strom und/oder für eine Erwärmung genutzt werden. In letzterem Fall kann ein Elektrolyt über die gesamte Fläche Durchbrechungen aufweisen oder offenporig ausgebildet sein.
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Bei dem in 6 gezeigten Brennstoffzellensystem ist die Wärmenutzung der als Brenner fungierenden Brennstoffzellen oder der Brennstoffzellen mit Dichtungselementen 5, die als Brenner fungieren, gezeigt. In dem Systemteil 9 ist mindestens eine als Brenner fungierende Brennstoffzelle 7 oder ein Dichtungselement 5 erfindungsgemäß vorhanden, wobei andere Systemkomponenten wie z. B. Brennstoffzellen, die nicht als Brenner fungieren, ebenfalls in den Systemteil 9 integriert werden können. Durch die Zufuhrleitung 12 kann oxidierbares Gas zugeführt werden, und durch die Zufuhrleitung 13 kann reduzierbares Gas zugeführt werden. Die Abgase von dem Systemteil 9 können seriell durch Leitungen 12a und 13a zu dem Systemteil 10 weitergeleitet werden. Der Systemteil 10 stellt hier eine andere Komponente des Systems dar, die zum Beispiel Brennstoffzellen, Reformer und/oder Nachbrenner enthalten kann. Durch diese serielle Verschaltung findet ein intensiver Wärmetausch zwischen Systemteilen 9 und 10 statt, und die Umsetzung der Gase in dem Systemteil 9 kann zwischen 0% und 100% eingestellt werden. In dieser Ausführung gibt der Systemteil 9 Wärme auch indirekt (d. h. ohne direktes Leiten der Abgase) zu einer Wärme aufnehmenden Komponente (z. B. Reformer und/oder Wärmetauscher) 11 ab. Das System ist von der thermischen Isolation 14 umgeben. Auch in dem Systemteil 10 erzeugte Wärme oder Abgase können ebenfalls in dem Gesamtsystem weiter genutzt werden. Die Umsetzung in Systemteil 9 (elektrochemisch, katalytisch oder aufgrund absichtlich herbeigeführter Oxidation/Abbrand) kann als Treibstoffbehandlung für den Systemteil 10 verwendet werden, so dass der Systemteil 10 unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen (Temperatur, ...) oder mit anderen eventuell billigeren Materialien arbeiten kann. Die Abgase können mittels der Leitungen 13b und 12b aus dem Systemteil 10 herausgeführt werden. Die Leitungen 12a und 13a können ggf. als kombinierte Leitung ausgeführt und z. B. in einem Nachbrenner für Anodenabgasverbrennung bei im Systemteil 10 vorhandenem Kathodenabgas integriert sein.
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7 zeigt eine tubulare SOFC, in der ein zusätzliches Dichtungselement 5 zwischen dem Elektrolyten 2 und dem Bereich 15 eingesetzt ist, in dem partielle Oxidation/Abbrand des Treibstoffs stattfindet, wobei das Dichtungselement in diesem Fall bevorzugt nicht gasdurchlässig ist, so dass der Elektrolyt nicht in der unmittelbaren Nähe der Reaktions-/Oxidationszone angeordnet ist und somit niedrigeren thermischen Spannungen ausgesetzt ist.
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8 zeigt den schematischen Aufbau einer mikrotubularen SOFC, wobei ein Bereich 6 der inneren Elektrode 1 in dem Bereich, in dem die exotherme Reaktion erfolgt, aus einem anderen Material als die Teile 17a und 17b der inneren Elektrode 1 besteht, die zum großen Teil mit dem Elektrolyten 2 beschichtet sind. Eine zusätzliche gasdichte, elektrochemisch inaktive Schicht 16 ist benachbart zu der Stelle 6 der exothermen Reaktion aufgebracht, um den Elektrolyten 2a und 2b vor möglichen Hot Spots an der Stelle 6 der exothermen Oxidation/Abbrand zu schützen.
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In dem Beispiel können aber auch andere Hochtemperaturbrennstoffzellen an Stelle der mikrotubularen SOFCs eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 200710243444 [0031]
- WO 2007082522 [0031]
- DE 19517425 C1 [0031]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Fuel Cell Handbook 7th edition, EG&G Services, Inc. U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, West Virginia, November 2004 [0003]
- Handbook of Fuel Cells Fundamentals, Technology and Application, Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamm, 2003 John Wiley & Sons, Ltd. [0003]
- V. Lawlor, S. Griesser, G. Buchinger, A. Olabi, S. Cordiner, D. Meissner – Review of the micro-tubular solid Oxide fuel cell (part I: Stack design issues and research activities) – Journal of Power Sources, 2009, Seiten 387–399. [0004]
