DE19514469A1 - High-temp fuel cell operating method - Google Patents

High-temp fuel cell operating method

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Juergen Dipl Ing Lehmeier
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Abstract

The operating method involves feeding the process gas for the cathode part (8) of the fuel cell block (4) through a heat exchanger (22), before supplying it to the fuel cell block, for pre-heating by the exhaust gases from a combustion process. The process exhaust gas from the anode part (6) of the fuel cell block can be fed to a heat exchanger (82) for pre-heating the process gas for the anode part (6) of the fuel cell block. The exhaust gas from the cathode part similarly used for pre-heating the process gas for the cathode part by a further heat exchanger (24) in front of the combustion gas heat exchanger.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und auf eine Brennstoffzellenan­ lage zum Durchführen des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system and a fuel cell able to perform the procedure.

Es ist bekannt, daß bei der Elektrolyse von Wasser die Was­ sermoleküle durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sau­ erstoff zerlegt werden. In der Brennstoffzelle läuft dieser Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Bei der elektrochemischen Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht elektrischer Strom: mit hohem Wirkungsgrad und - wenn als Brenngas reiner Wasserstoff eingesetzt wird - ohne Emission von Schadstoffen und Kohlendioxid. Auch mit technischen Brenngasen, beispielsweise Erdgas oder Kohlegas, und mit Luft oder mit O₂ angereicherte Luft anstelle von reinem Sauer­ stoff, erzeugt die Brennstoffzelle deutlich weniger Schad­ stoffe und weniger CO₂ als andere Technologien fossiler Ener­ gieträger. Die technische Umsetzung dieses Prinzips hat zu sehr unterschiedlichen Lösungen, mit verschiedenartigen Elek­ trolyten und mit Betriebstemperaturen zwischen 80°C und 1000°C, geführt.It is known that in the electrolysis of water, the What molecules by electric current in hydrogen and sow be disassembled. This runs in the fuel cell Process in the opposite direction. With electrochemical Hydrogen and oxygen are combined to form water electric current: with high efficiency and - if as Pure hydrogen fuel gas is used - without emissions of pollutants and carbon dioxide. Even with technical Fuel gases, such as natural gas or coal gas, and with air or air enriched with O₂ instead of pure acid material, the fuel cell generates significantly less damage substances and less CO₂ than other fossil fuel technologies gieträger. The technical implementation of this principle has increased very different solutions, with different types of elec trolytes and with operating temperatures between 80 ° C and 1000 ° C.

Bei der Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC) beispielsweise dient Erdgas als primäre Energiequelle. Die Leistungsdichte von 1 MW/m³ ermöglicht ei­ nen sehr kompakten Aufbau. Die zusätzlich entstehende Wärme hat eine Temperatur von über 900°C.With the solid electrolyte high-temperature fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), for example, serves as primary gas Energy source. The power density of 1 MW / m³ enables egg very compact structure. The additional heat generated has a temperature of over 900 ° C.

Ein Brennstoffzellenblock, der in der Fachliteratur auch "Stack" genannt wird, setzt sich aus einer Vielzahl von planar aufgebauten und aufeinander gestapelten Brennstoffzel­ len zusammen. A fuel cell block that is also in the specialist literature "Stack" is made up of a variety of planar fuel cell stacked on top of each other len together.  

Um eine Brennstoffzellenanlage, die mindestens einen Brenn­ stoffzellenblock umfaßt, mit einer bestimmten, konstanten Be­ triebstemperatur zu betreiben, muß dieser zum Erreichen bzw. Halten der notwendigen Betriebstemperatur Wärme zugeführt werden. Die zur Zeit realisierten Brennstoffzellenblöcke wei­ sen relativ kleine Leistungen und Abmessungen im Labormaßstab auf. Sie werden in Öfen auf die Betriebstemperatur von ca. 600°C bei der MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) bzw. ca. 950°C bei der SOFC gebracht und im Ofen betrieben. Diese Lösung ist für Brennstoffzellenblöcke mit größeren Leistungen und Abmessungen nicht praktikabel.To a fuel cell system that has at least one burner tissue cell block includes, with a certain constant Be operating temperature, it must be reached or Keeping the necessary operating temperature supplied with heat will. The fuel cell blocks currently realized white relatively small outputs and dimensions on a laboratory scale on. They are heated in ovens to an operating temperature of approx. 600 ° C for the MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) or approx. 950 ° C brought to the SOFC and operated in the furnace. This solution is for fuel cells with higher performance and Dimensions not practical.

Aus "A Study for a 200 kWe-System for Power and Heat", von M. R. Taylor, D. S. Beishon, Tagungsbericht "First European Solid Oxid Fuel Cell Forum", Luzern 1994, Seite 849 bis 864, ist ein Verfahren bekannt, das zum Erwärmen des Brennstoff­ zellenblockes Rauchgas durch diesen leitet. Dieses Verfahren ist unvorteilhaft, da durch das Rauchgas die Brennstoffzel­ len, aus denen sich der Brennstoffzellenblock zusammensetzt, verschmutzt oder beschädigt werden.From "A Study for a 200 kWe System for Power and Heat", by M. R. Taylor, D. S. Beishon, Conference Report "First European Solid Oxide Fuel Cell Forum ", Lucerne 1994, pages 849 to 864, a method is known for heating the fuel cell block flue gas passes through this. This method is disadvantageous because the fuel cell is caused by the flue gas len that make up the fuel cell block, become dirty or damaged.

Ein weiteres Problem ist das Erwärmen aller anderen Komponen­ ten außer dem Brennstoffzellenblock aus dem sich die Brenn­ stoffzellenanlage zusammensetzt, beispielsweise die Erwärmung der Leitungen und der Wärmetauscher.Another problem is the heating of all other components besides the fuel cell block from which the fuel is made cell system, for example heating the pipes and the heat exchanger.

Der Erfindung liegen nun die Aufgaben zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, insbesondere ei­ ner Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage, anzugeben, das diese erwärmt, ohne die Brennstoffzellen zu verschmutzen oder zu beschädigen und unabhängig von der Größe der Brennstoff­ zellenanlage ist. Außerdem soll eine Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden.The invention is based on the objects, a method for operating a fuel cell system, in particular egg ner high-temperature fuel cell system to indicate that this heats up without polluting the fuel cells or damage and regardless of the size of the fuel cell system is. A fuel cell system is also planned be specified for performing the method.

Die genannten Aufgaben werden jeweils gelöst mit den Merkma­ len der Ansprüche 1 bzw. 4. The above-mentioned tasks are solved with the Merkma len of claims 1 and 4.  

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanla­ ge, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage, die mindestens einen Brennstoffzellenblock mit einem Anoden­ teil und einem Kathodenteil umfaßt, wird gemäß der Erfindung ein Prozeßgas für den Kathodenteil vor dem Einspeisen in den Brennstoffzellenblock durch einen Wärmetausch mit einem in einem Verbrennungsprozeß entstehenden Abgas erwärmt. Als Pro­ zeßgas wird ein Gas ohne Rußanteile, d. h. kein Rauchgas ver­ wendet. Demzufolge kommt es nicht zu Verschmutzungen oder Be­ schädigungen der Brennstoffzellen aufgrund von Rauchgasein­ wirkungen. Der Brennstoffzellenblock wird durch das erwärmte Prozeßgas erwärmt. Dadurch muß der Brennstoffzellenblock nicht in einem speziellen Ofen erwärmt werden, d. h. daß das Verfahren auf jede beliebige Konfiguration von Brennstoffzel­ lenblöcken anwendbar ist. Das Verfahren ist damit unabhängig von der Leistung und den Abmessungen der Brennstoffzellen­ blöcke und damit ebenso unabhängig von den Abmessungen der Brennstoffzellenanlage.In a method of operating a fuel cell system ge, in particular a high temperature fuel cell system, the at least one fuel cell block with an anode part and a cathode part, is according to the invention a process gas for the cathode part before feeding into the Fuel cell block through heat exchange with an in a combustion process generated exhaust gas heated. As a pro zeßgas becomes a gas without soot, i.e. H. no flue gas ver turns. As a result, there is no contamination or loading Damage to the fuel cells due to flue gas effects. The fuel cell block is warmed by the Process gas warmed. As a result, the fuel cell block not be heated in a special oven, d. H. that this Procedure on any configuration of fuel cell Lenblock is applicable. The process is therefore independent on the performance and dimensions of the fuel cells blocks and thus also regardless of the dimensions of the Fuel cell system.

Insbesondere wird die Wärme zum Erreichen und/oder Halten der notwendigen Betriebstemperatur zugeführt. Dadurch werden Lei­ stungsschwankungen aufgrund von Schwankungen der Betriebstem­ peratur ausgeglichen oder vermieden. Nach kürzeren Betriebs­ pausen muß somit die Brennstoffzellenanlage nicht mehr erneut auf die notwendige Betriebstemperatur gefahren werden, wo­ durch Zeit und Energie eingespart wird.In particular, the heat for reaching and / or holding the necessary operating temperature supplied. This makes Lei fluctuations in performance due to fluctuations in the operating temperature balanced or avoided. After shorter operating times The fuel cell system therefore no longer has to pause again be brought to the necessary operating temperature where saved by time and energy.

Des weiteren wird ein Prozeßabgas des Anodenteils einem Wär­ metauscher zugeführt, mit dem ein Prozeßgas für den Anoden­ teil erwärmt wird. Ein Teil der Wärme des Kathodenteils wird an den Anodenteil und den Anodenweg übertragen. Somit wird der Anodenteil des Brennstoffzellenblocks und der Anodenweg erwärmt, ohne daß eine zusätzlich gesonderte Vorrichtung für die Erwärmung des Anodenteils und des Anodenweges verwendet werden muß. Furthermore, a process exhaust gas from the anode part becomes a heat Metauscher supplied with a process gas for the anodes is partially heated. Part of the heat of the cathode part will transferred to the anode part and the anode path. Thus the anode part of the fuel cell block and the anode path heated without an additional separate device for used the heating of the anode part and the anode path must become.  

Bei einer Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfah­ rens gemäß der Erfindung, die mindestens einen Brennstoffzel­ lenblock mit einem Anodenteil und einem Kathodenteil enthält, ist ein erster Wärmetauscher vorgesehen, der in einem Zuweg dem Kathodenteil vorgeschaltet ist und mit dem in einem Ver­ brennungsprozeß entstehenden Abgas betrieben wird. Das Abgas aus der Brennkammer gibt in dem ersten Wärmetauscher seine Wärme an das Prozeßgas ab. In dem Wärmetauscher findet keine Mischung des Abgas es aus der Brennkammer mit dem Prozeßgas statt. Es gelangt somit beim Erwärmen des Brennstoffzellen­ blockes kein Rauchgas, d. h. kein Abgas aus der Brennkammer, das Rußanteile enthalten kann, in den Kathodenteil des Brenn­ stoffzellenblockes.In a fuel cell system for performing the procedure rens according to the invention, the at least one fuel cell contains lenblock with an anode part and a cathode part, a first heat exchanger is provided, which is in a way is connected upstream of the cathode part and with which in a ver combustion process resulting exhaust gas is operated. The exhaust gas from the combustion chamber are in the first heat exchanger Heat to the process gas. There is none in the heat exchanger Mixing the exhaust gas from the combustion chamber with the process gas instead of. It therefore occurs when the fuel cells are heated blocks no flue gas, d. H. no exhaust gas from the combustion chamber, that may contain soot in the cathode part of the furnace fabric cell block.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Wärmetauscher an eine Brennkammer angeschlossen.In a further embodiment of the invention, the first is Heat exchanger connected to a combustion chamber.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist im Zuweg vor dem ersten Wärmetauscher ein zweiter Wärmetauscher vorge­ schaltet, in dem ein Prozeßabgas des Kathodenteils seine Wärme an das Prozeßgas für den Kathodenteil überträgt. Vor­ teilhafterweise wird so die Wärme des Prozeßabgases des Ka­ thodenteils für die Erwärmung des Prozeßgases für den Katho­ denteil verwendet.In a further preferred embodiment, the approach is in advance the first heat exchanger pre-selected a second heat exchanger switches in which a process exhaust of the cathode part Transfers heat to the process gas for the cathode part. Before partially the heat of the process exhaust gas from the Ka part of the method for heating the process gas for the Katho used part.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Bypass und eine Ventilanordnung zum Verändern der Menge und/oder der Tempera­ tur des Prozeßgases für den Kathodenteil vorgesehen. Mit die­ ser Ausführungsform können Temperaturschwankungen im Brenn­ stoffzellenblock ausgeglichen werden.In a preferred embodiment there is a bypass and a Valve arrangement for changing the amount and / or the tempera The process gas is provided for the cathode part. With the This embodiment can cause temperature fluctuations in the combustion cell block are balanced.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein in ei­ nem Zuweg dem Anodenteil vorgeschalteter dritter Wärme­ tauscher vorgesehen. In a further preferred embodiment, one in egg A third heat upstream of the anode part exchanger provided.  

In einer weiteren Ausgestaltung sind wenigstens zwei parallel geschaltete Zuführungsleitungen zum Einspeisen des Prozeßga­ ses in den Zuweg vorgesehen.In a further embodiment, at least two are parallel switched supply lines for feeding the process gas ses provided in the access road.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung münden die Zufüh­ rungsleitungen vor dem dritten Wärmetauscher in den Zuweg des Anodenteils.In a further preferred embodiment, the feeders open lines in front of the third heat exchanger in the access of the Anode part.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält eine der Zu­ führungsleitungen einen Verdichter zum Zirkulieren des Pro­ zeßgases.In an advantageous embodiment, one of the zu a compressor to circulate the Pro Zeßgases.

Vorzugsweise ist zum Zirkulieren des Prozeßgases eine Rück­ führungsleitung hinter dem dritten Wärmetauscher eines Abwe­ ges abgezweigt, die einen Kühler enthält und vor einem Ventil in die Zuführungsleitung mündet.There is preferably a back for circulating the process gas management line behind the third heat exchanger of a waste ges branched, which contains a cooler and before a valve opens into the feed line.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen, in derenTo further explain the invention, the Ausfü Example of the drawing referenced in the

Fig. 1 eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist. In Fig. 1 is a high-temperature fuel cell system according to the invention is shown schematically. In

Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung einer Hochtemperatur- Brennstoffzellenanlage ebenfalls schematisch darge­ stellt. Fig. 2 is another embodiment of a high-temperature fuel cell system also schematically represents Darge.

Gemäß Fig. 1 enthält eine Brennstoffzellenanlage, insbeson­ dere einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2, einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenblock 4, der in einen Anoden­ teil 6 mit nicht weiter dargestellten Anodengasräumen und ei­ nen Kathodenteil 8 mit nicht weiter dargestellten Kathoden­ gasräumen aufgeteilt ist. Der Brennstoffzellenblock 4 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von planar aufgebauten nicht weiter dargestellten Brennstoffzellen zusammengesetzt, wie es z. B. aus dem deutschen Patent P 39 35 722.8 bekannt ist. An dem Brennstoffzellenblock 4 ist ein Wechselrichter 10 ange­ schlossen, der den von dem Brennstoffzellenblock 4 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom für ein hier nicht weiter darge­ stelltes Stromnetz 12 umwandelt.Referring to FIG. 1 includes a fuel cell plant, in particular a high-temperature fuel cell system 2, a high-temperature fuel cell block 4, which is divided gas spaces in an anode part 6 with not shown anode gas compartments and ei NEN cathode part 8 not shown further cathodes. The fuel cell block 4 is preferably composed of a plurality of planar fuel cells, not shown, as z. B. is known from German patent P 39 35 722.8. On the fuel cell block 4 , an inverter 10 is connected, which converts the direct current generated by the fuel cell block 4 into alternating current for a power grid 12 not shown here.

Dem Kathodenteil 8 ist ein Kathodenweg 20 zugeordnet, der ei­ nen Zuweg 30 und einen Abweg 31 umfaßt. Im Zuweg 30 sind ge­ gen die Strömungsrichtung hintereinander ein erster und ein zweiter Wärmetauscher 22 und 24, ein Ventil 26 und ein Ver­ dichter 28 angeordnet. Der erste Wärmetauscher 22 ist über eine Abgasleitung 44 an eine Brennkammer 42 angeschlossen, die über die Zuführungsleitungen 46 und 60 mit Komponenten für einen Verbrennungsprozeß versorgt wird. Im Ausführungs­ beispiel mündet die Zuführungsleitung 60 zwischen das Ventil 26 und den Verdichter 28 und zweigt einen Teil eines Prozeß­ gases, beispielsweise Sauerstoff O₂, für den Kathodenteil 8 zur Versorgung der Brennkammer ab. Zum Einstellen der Menge dieses abgezweigten Teils ist in der Zuführungsleitung 60 ein Ventil 62 angeordnet. Das Prozeßgas für den Kathodenteil 8 wird in dem ersten Wärmetauscher 22 durch das Abgas aus der Brennkammer 42 erwärmt. Es findet kein Austausch von Gaskom­ ponenten im ersten Wärmetauscher 22 statt, d. h. daß kein Rauchgas in den Kathodenteil 8 eingespeist wird. Demzufolge kommt es nicht zu Beschädigungen oder Verschmutzungen der Brennstoffzellen aufgrund von Rauchgaseinwirkung.The cathode part 8 is associated with a cathode path 20 , which comprises egg path 30 and path 31 . In the way 30 ge are the flow direction one behind the other a first and a second heat exchanger 22 and 24 , a valve 26 and a United poet 28 are arranged. The first heat exchanger 22 is connected via an exhaust gas line 44 to a combustion chamber 42 , which is supplied with components for a combustion process via the supply lines 46 and 60 . In the execution example, the supply line 60 opens between the valve 26 and the compressor 28 and branches off part of a process gas, for example oxygen O₂, for the cathode part 8 to supply the combustion chamber. A valve 62 is arranged in the feed line 60 to adjust the amount of this branched part. The process gas for the cathode part 8 is heated in the first heat exchanger 22 by the exhaust gas from the combustion chamber 42 . There is no exchange of gas components in the first heat exchanger 22 , ie no flue gas is fed into the cathode part 8 . As a result, there is no damage or contamination of the fuel cells due to the effects of flue gas.

Das Prozeßgas für den Kathodenteil 8 wird über den Zuweg 30 in die Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2 eingespeist. Das Prozeßgas wird vor dem Einspeisen in den Kathodenteil 8 als Prozeßgas für den Kathodenteil 8 und nach dem Verlassen des Kathodenteils 8 als Prozeßabgas des Kathodenteils 8 be­ zeichnet.The process gas for the cathode part 8 is fed via the feed path 30 into the high-temperature fuel cell system 2 . The process gas is characterized before being fed into the cathode part 8 as a process gas for the cathode part 8 and after leaving the cathode part 8 as a process exhaust gas of the cathode part 8 .

Nach Verlassen des Kathodenteils 8 wird das Kathodenabgas des Kathodenteils 8 durch den zweiten Wärmetauscher 24 geleitet und anschließend einer Einrichtung 70 zum Aufbereiten der Restgase aus der Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage 2 zu­ geführt und aus dieser Einrichtung 70 über die Abführungslei­ tung 72 zur Weiternutzung ausgeleitet. After leaving the cathode part 8 , the cathode exhaust gas of the cathode part 8 is passed through the second heat exchanger 24 and then fed to a device 70 for processing the residual gases from the high-temperature fuel cell system 2 and discharged from this device 70 via the discharge line 72 for further use.

Im zweiten Wärmetauscher 24 wird somit das Prozeßgas vor sei­ nem Eintritt in den ersten Wärmetauscher 22 zusätzlich durch das Prozeßabgas aus dem Kathodenteil 8 erwärmt.In the second heat exchanger 24 , the process gas is thus additionally heated by the process exhaust gas from the cathode part 8 before it enters the first heat exchanger 22 .

Ein Bypass 50, der ebenfalls Prozeßgas für den Kathodenteil 8 führt, mit den Ventilen 52 und 54 und einer Leitung 56 ist parallel zu dem Zuweg 30 geschaltet. Die Leitung 56 zweigt aus dem Zuweg 30 zwischen dem Verdichter 28 und dem Ventil 26, das in Strömungsrichtung vor dem zweiten Wärmetauscher 24 angeordnet ist, ab. Die Leitung 56 teilt sich und mündet so­ wohl zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 22 bzw. 24, als auch zwischen dem Kathodenteil 8 und dem ersten Wärmetauscher 22, jeweils über das Ventil 54 bzw. 52, in den Zuweg 30. Mit den Ventilen 52 und 54 kann die Menge des durch die Wärmetauscher 22 und 24 strömenden Prozeßgases einge­ stellt werden. Mit mit dem Bypass 50 kann somit die Tempera­ tur des Prozeßgases für den Kathodenteils 8 verändert werden und demzufolge Temperaturschwankungen im Brennstoffzellen­ block 4 ausgeglichen oder vermieden werden.A bypass 50 , which also carries process gas for the cathode part 8 , with the valves 52 and 54 and a line 56 is connected in parallel to the access path 30 . The line 56 branches off from the access path 30 between the compressor 28 and the valve 26 , which is arranged upstream of the second heat exchanger 24 . The line 56 divides and thus opens into the access path 30 between the first and the second heat exchangers 22 and 24 , as well as between the cathode part 8 and the first heat exchanger 22 , in each case via the valve 54 or 52 . With the valves 52 and 54 , the amount of process gas flowing through the heat exchangers 22 and 24 can be adjusted. With the bypass 50 , the temperature of the process gas for the cathode part 8 can thus be changed and consequently temperature fluctuations in the fuel cell block 4 can be compensated for or avoided.

Dem Anodenteil 6 ist ein Anodenweg 80 für dessen Versorgung mit Prozeßgas zugeordnet, der einen Zuweg 88 und einen Abweg 89 umfaßt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Zuweg 88 ein dritter Wärmetauscher 82 angeordnet, in dem ein Pro­ zeßabgas des Anodenteils 6 über den Abweg 89 ein Prozeßgas für den Anodenteil 6 erwärmt. Der Abweg 89 mündet in die Ein­ richtung 70 zum Aufbereiten der Restgase.The anode part 6 is assigned an anode path 80 for supplying it with process gas, which comprises a path 88 and a path 89 . In a preferred embodiment, the feed path 88, a third heat exchanger 82 is arranged in which a Pro zeßabgas of the anode part 6 heating a process gas for the anode part 6 via the discharge path 89th The path 89 opens into a device 70 for processing the residual gases.

Über Zuführungsleitungen 86 und 87 und einen Mischer 84 wer­ den Prozeßgase für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage 2, beispielsweise Brenngas und Reaktionsdampf, in den Zuweg 88 eingespeist.Via feed lines 86 and 87 and a mixer 84, the process gases for the operation of the fuel cell system 2 , for example fuel gas and reaction steam, are fed into the feed path 88 .

In der vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 2 ist dem An­ odenteil 6 ein Anodenweg 90 für dessen Versorgung mit Prozeß­ gas zugeordnet, der einen Zuweg 100 und einen Abweg 101 um­ faßt. In dem Zuweg 100 ist der dritte Wärmetauscher 82 ange­ ordnet. Eine Zuführungsleitung 110, über die ein Prozeßgas für den Anodenteil 6 zugeführt wird, mündet in Strömungsrich­ tung vor dem dritten Wärmetauscher 82 in den Zuweg 100.In the advantageous embodiment according to FIG. 2, the anode part 6 is assigned an anode path 90 for its supply with process gas, which comprises a path 100 and a path 101 in order. In the path 100 , the third heat exchanger 82 is arranged. A feed line 110 , via which a process gas for the anode part 6 is fed, opens in the direction of flow in front of the third heat exchanger 82 in the feed path 100 .

Die Zuführungsleitung 110 umfaßt in Strömungsrichtung hinter­ einander angeordnet ein erstes Ventil 112, ein zweites Ventil 96 und einen Verdichter 98. Hinter dem dritten Wärmetauscher 82 ist vom Abweg 101 eine Rückführungsleitung 95 abgezweigt, die in die Zuführungsleitung 110 zwischen den Ventilen 112 und 96 mündet. In die Rückführungsleitung 95 ist ein Kühler 94 angeordnet.The feed line 110 comprises a first valve 112 , a second valve 96 and a compressor 98 arranged one behind the other in the flow direction. Behind the third heat exchanger 82 , a return line 95 branches off from the path 101 and opens into the supply line 110 between the valves 112 and 96 . A cooler 94 is arranged in the return line 95 .

Weitere Zuführungsleitungen 102, 104 und 128 münden jeweils über ein Ventil 106, 108 bzw. 130 in einen Mischer 84, dessen Ausgang an den Zuweg 100 angeschlossen ist. Über die Zufüh­ rungsleitungen 102 und 104 werden Prozeßgase für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage 2, beispielsweise Brenngas, Reak­ tionsdampf und Wasserstoff H₂ eingespeist.Further feed lines 102 , 104 and 128 each open via a valve 106 , 108 or 130 into a mixer 84 , the outlet of which is connected to the inlet 100 . About the feed lines 102 and 104 process gases for the operation of the fuel cell system 2 , for example fuel gas, reaction steam and hydrogen H₂ are fed.

Zunächst sind die Ventile 106, 108, 122 und 130 geschlossen und über die Zuführungsleitung 110 mit dem geöffneten Ventil 112 wird das Prozeßgas für den Anodenteil 6 in den Zuweg 100 eingespeist. Anschließend wird das Ventil 112 geschlossen und das Prozeßgas für den Anodenteil 6 zirkuliert in dem Kreis der sich aus der Zuführungsleitung 110, dem Zuweg 100, dem Abweg 101 und der Rückführungsleitung 95 zusammensetzt. Das Zirkulieren wird durch den Kühler 94 und den Verdichter 98 ermöglicht.First, the valves 106 , 108 , 122 and 130 are closed and the process gas for the anode part 6 is fed into the feed path 100 via the feed line 110 with the valve 112 open. The valve 112 is then closed and the process gas for the anode part 6 circulates in the circuit which is composed of the feed line 110 , the feed path 100 , the drain path 101 and the return line 95 . Circulation is enabled by cooler 94 and compressor 98 .

Der kathodenseitige Teil der Brennstoffzellenanlage 2 hat denselben Aufbau wie in Fig. 1 veranschaulicht.The part of the fuel cell system 2 on the cathode side has the same structure as illustrated in FIG. 1.

Der Anodenteil 6 wird, wie in der Figurenbeschreibung zu Fig. 1 beschrieben, durch das Erwärmen des Kathodenteils 8 miterwärmt. Der Anodenteil 6 gibt einen Teil der Wärme an das den Anodenteil 6 durchströmende Prozeßgas ab. Das den Anoden­ teil 6 verlassende erwärmte Prozeßabgas überträgt einen Teil seiner Wärme im Wärmetauscher 82 an das Prozeßgas für den An­ odenteil 6, das in den Anodenteil 6 einströmt. Das im Kühler 94 abgekühlte Prozeßabgas wird durch den Verdichter 98 in Be­ wegung gehalten und gelangt wieder als Prozeßgas in den An­ odenteil 6. Hier wird es wieder erwärmt und der Kreis wird von neuem durchlaufen bis er die erforderte Betriebstempera­ tur hat. Nach Erreichen der geforderten Betriebstemperatur wird das Prozeßabgas über den Abweg 101 einer Einrichtung 70 zum Aufbereiten der Restgase zugeführt.As described in the description of the figures for FIG. 1, the anode part 6 is also heated by the heating of the cathode part 8 . The anode part 6 gives off part of the heat to the process gas flowing through the anode part 6 . The heated process exhaust gas leaving the anode part 6 transfers part of its heat in the heat exchanger 82 to the process gas for the anode part 6 , which flows into the anode part 6 . The cooled in the cooler 94 process exhaust gas is kept in motion by the compressor 98 Be and returns as process gas in the on od. 6th Here it is warmed up again and the cycle is repeated until it has the required operating temperature. After the required operating temperature has been reached, the process exhaust gas is fed via route 101 to a device 70 for processing the residual gases.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 hat den Vorteil, daß mit dem Erwärmen des Kathodenteils 8 des Brennstoffzellenblockes 4 ebenfalls auch der Anodenteil 6 und der Anodenweg 90 erwärmt werden, ohne daß zusätzliche gesonderte Vorrichtungen außer dem Kühler 94 und dem Verdichter 98 für die Erwärmung des An­ odenteils 6 und des Anodenweges 90 verwendet werden müssen. Dadurch wird die gesamte Brennstoffzellenanlage gleichmäßig und anlagenschonend erwärmt.The embodiment according to FIG. 2 has the advantage that with the heating of the cathode part 8 of the fuel cell block 4 also the anode part 6 and the anode path 90 are also heated without additional separate devices besides the cooler 94 and the compressor 98 for heating the an or partly 6 and the anode path 90 must be used. As a result, the entire fuel cell system is heated evenly and without damaging the system.

Ersatzweise kann der Anodenweg 90 auch mit Wasserstoff H₂, der über die Leitung 128 in den Zuweg 100 eingespeist wird, in der letzten Aufwärmphase erwärmt werden. Dies hat den Vor­ teil, daß bereits in der letzten Aufwärmphase der Brennstoff­ zellenblock 4 Gleichstrom produzieren kann.Alternatively, the anode path 90 can also be heated with hydrogen H₂, which is fed into the path 100 via the line 128 , in the last warm-up phase. This has the part before that already in the last warm-up phase of the fuel cell block 4 can produce direct current.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, ins­ besondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage (2) die mindestens einen Brennstoffzellenblock (4) mit einem An­ odenteil (6) und einem Kathodenteil (8) umfaßt, bei dem ein Prozeßgas für den Kathodenteil (8) vor dem Einspeisen in den Brennstoffzellenblock (4) durch einen Wärmetausch mit einem in einem Verbrennungsprozeß entstehenden Abgas erwärmt wird.1. A method for operating a fuel cell system, in particular a high-temperature fuel cell system ( 2 ) which comprises at least one fuel cell block ( 4 ) with an on part ( 6 ) and a cathode part ( 8 ) in which a process gas for the cathode part ( 8 ) before the feed into the fuel cell block ( 4 ) is heated by a heat exchange with an exhaust gas arising in a combustion process. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärme zum Erreichen und/oder Halten der notwendi­ gen Betriebstemperatur zugeführt wird.2. The method according to claim 1, where the heat to reach and / or keep the necessary is supplied to the operating temperature. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Prozeßabgas des Anodenteils (6) einem Wärme­ tauscher (82) zugeführt wird, mit dem ein Prozeßgas für den Anodenteil (6) erwärmt wird.3. The method according to claim 1 or 2, wherein a process exhaust gas of the anode part ( 6 ) is supplied to a heat exchanger ( 82 ) with which a process gas for the anode part ( 6 ) is heated. 4. Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Brennstoffzellenblock (4) mit einem Anodenteil (6) und einem Kathodenteil (8) , bei dem ein in einem Zuweg (30) dem Kathodenteil (8) vorgeschalteter, mit einem in einem Verbrennungsprozeß entstehenden Abgas be­ triebener erster Wärmetauscher (22) vorgesehen ist.4. Fuel cell system for performing the method according to claim 1, with at least one fuel cell block ( 4 ) with an anode part ( 6 ) and a cathode part ( 8 ), in which one in a way ( 30 ) upstream of the cathode part ( 8 ) with one in a combustion process resulting exhaust be driven first heat exchanger ( 22 ) is provided. 5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, bei der der erste Wärmetauscher (22) an eine Brennkammer (42) angeschlossen ist.5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the first heat exchanger ( 22 ) is connected to a combustion chamber ( 42 ). 6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, bei der im Zuweg (30) dem ersten Wärmetauscher (22) ein zwei­ ter Wärmetauscher (24) vorgeschaltet ist, in dem ein Prozeß­ abgas des Kathodenteils (8) seine Wärme an das Prozeßgas für den Kathodenteil (8) überträgt.6. fuel cell system according to claim 5, a two-ter heat exchanger (24) where the feeder path (30) to the first heat exchanger (22) connected upstream, in which a process exhaust gas from the cathode part (8) off its heat to the process gas for the cathode part (8 ) transmits. 7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, bei der ein Bypass (50) und eine Ventilanordnung (52 und 54) zum Verändern der Menge und/oder der Temperatur des Prozeßga­ ses für den Kathodenteil (8) vorgesehen ist.7. The fuel cell system according to claim 6, wherein a bypass ( 50 ) and a valve arrangement ( 52 and 54 ) for changing the amount and / or the temperature of the Prozessga ses for the cathode part ( 8 ) is provided. 8. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der ein in einem Zuweg (88, 100) dem Anodenteil (6) vor­ geschalteter dritter Wärmetauscher (82) vorgesehen ist.8. Fuel cell system according to one of claims 4 to 7, in which a in a way ( 88 , 100 ) the anode part ( 6 ) before the third heat exchanger ( 82 ) is provided. 9. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 8, bei der wenigstens zwei parallel geschaltete Zuführungsleitungen (102, 104, 110, 128) zum Einspeisen des Prozeßgases in den Zuweg (88, 100) vorgesehen sind.9. A fuel cell system according to claim 8, wherein at least two supply lines ( 102 , 104 , 110 , 128 ) connected in parallel are provided for feeding the process gas into the feed path ( 88 , 100 ). 10. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 8, bei der die Zuführungsleitungen (102, 104, 110, 128) vor dem dritten Wärmetauscher (82) in den Zuweg (88, 100) münden.10. A fuel cell system according to claim 8, wherein the supply lines ( 102 , 104 , 110 , 128 ) open before the third heat exchanger ( 82 ) in the access ( 88 , 100 ). 11. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 8, bei der eine der Zuführungsleitungen (110) einen Verdichter (98) zum Zirkulieren des Prozeßgases enthält.11. The fuel cell system according to claim 8, wherein one of the supply lines ( 110 ) contains a compressor ( 98 ) for circulating the process gas. 12. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 11, bei der zum Zirkulieren des Prozeßgases eine Rückführungslei­ tung (95) hinter dem dritten Wärmetauscher (82) eines Abweges (101) abgezweigt ist, die einen Kühler (94) enthält und vor einem Ventil (96) in die Zuführungsleitung (110) mündet.12. A fuel cell system according to claim 11, wherein for the circulation of the process gas, a return line ( 95 ) is branched off behind the third heat exchanger ( 82 ) of a path ( 101 ), which contains a cooler ( 94 ) and a valve ( 96 ) in the Feed line ( 110 ) opens.
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