DE19646579A1 - Fuel cell with integrated reformer - Google Patents

Fuel cell with integrated reformer

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Abstract

This invention concerns a fuel cell (1) or fuel cell stack with an additional fuel gas channel (4) within the fuel cell or fuel cell stack and with a means of reforming fuel within the additional fuel gas channel. Problems which arise with internal reforming in the anode chamber can be substantially reduced without foregoing the essential advantages of internal reforming.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einem Reformer zur Reformierung des Brennstoffes.The invention relates to a fuel cell a fuel reforming reformer.

Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Ka­ thodenraum wird der Raum oder der Kanalabschnitt ge­ nannt, in dem sich die Kathode befindet. Anodenraum wird der Raum oder der Kanalabschnitt genannt, in dem sich die Anode befindet.A high temperature fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode. The cathode an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen. Ka thodenraum the space or the channel section is ge in which the cathode is located. Anode compartment is called the space or channel section in which the anode is located.

An der Kathode einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauer­ stoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Elektro­ lyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.At the cathode of a high temperature fuel cell form in the presence of the oxidizing agent Sauer fabric ions. The oxygen ions pass through the electro lyte and recombine on the anode side with that of Fuel-derived hydrogen to water. With the Recombination, electrons are released and such generates electrical energy.

Zur Erzielung großer Leistungen werden mehrere Brenn­ stoffzellen aufeinander gestapelt und elektrisch seri­ ell miteinander verbunden. Das verbindende Element zweier Brennstoffzellen ist unter der Bezeichnung In­ terkonnektor bekannt. Ein derartiger Zusammenschluß mehrerer Brennstoffzellen wird Brennstoffzellenstapel genannt.To achieve great performance, several firing fabric cells stacked on top of each other and electrically seri ell connected together. The connecting element two fuel cells is called In known connector. Such a merger  several fuel cells becomes a fuel cell stack called.

Der Wasserstoff kann u. a. durch Reformierung von Methanol oder Methan gewonnen werden. Beispielsweise wird aus Methan gemäß der Formel CH4 + H2O → 3H2 + CO Wasserstoff erzeugt. Das zusätzlich entstehende CO wird in der Brennstoffzelle entsprechend der H2-Umsetzung zu CO2 umgesetzt.The hydrogen can be obtained by reforming methanol or methane, among other things. For example, hydrogen is generated from methane according to the formula CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO. The additional CO produced is converted into CO 2 in the fuel cell in accordance with the H 2 conversion.

Es ist bekannt, einem Brennstoffzellenstapel einen Re­ former zur Durchführung der Reformierungsreaktion vor­ zuschalten. Nachteilhaft erfordert ein solcher externer Reformer eine separate Wärmezufuhr, um die für die Re­ aktion erforderliche Aktivierungsenergie bereitzustel­ len.It is known to add a re to a fuel cell stack former to carry out the reforming reaction switch on. Such a disadvantage requires an external one Reformer a separate heat supply to the for the Re to provide the required activation energy len.

Um die mit der externen Reformierung verbundenen Wärme- und damit Energieverluste zu vermeiden, wird alternativ gemäß DE 195 19 847 eine interne Reformierung von Methan oder Methanol im Anodenraum einer Brennstoff­ zelle durchgeführt. Die im Anodenraum erzeugte Wärme­ energie kann unmittelbar für die endotherm ablaufende Reformierungsreaktion genutzt werden.To the heat and energy associated with external reforming thus avoiding energy loss becomes alternative according to DE 195 19 847 an internal reforming of Methane or methanol in the anode compartment of a fuel cell performed. The heat generated in the anode compartment Energy can be used directly for the endothermic process Reforming reaction can be used.

Da die Reformierungsreaktion jedoch sehr schnell im Vergleich zur elektrochemischen Reaktion abläuft und daher starke Temperaturunterschiede auftreten, ist die bekannte interne Reformierung im Anodenraum mit erheb­ lichen technischen Problemen verbunden.However, since the reforming reaction very quickly Comparison to the electrochemical reaction takes place and therefore there are large temperature differences known internal reforming in the anode compartment with considerable technical problems.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brenn­ stoffzellenstapels mit Reformer, bei der nicht die von der externen Reformierung bekannten energetischen Nach­ teile sowie die von der internen Reformierung bekannten technischen Probleme auftreten.The object of the invention is to create a burner fabric cell stack with reformer, in which not that of  the external reform known energetic after parts as well as those known from internal reforming technical problems occur.

Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Hauptan­ spruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.The task is done by a fuel cell or a Fuel cell stack with the main features solved. Advantageous refinements result arising from the related claims.

Die anspruchsgemäße Brennstoffzelle oder Brennstoffzel­ lenstapel weist innerhalb der Brennstoffzelle oder des Stapels zusätzliche Brenngaskanäle auf, die mit Mitteln zur Durchführung der Reformierungsreaktion ausgestattet sind. Unter einem zusätzlichen Brenngaskanal ist ein Kanal oder Kanalteilstück zu verstehen, durch den Brenngas geleitet wird und der sich vom Brenngaselek­ trodenraum unterscheidet. Der Brenngaselektrodenraum ist der Kanal oder Kanalteilstück, in dem sich die Brenngaselektrode befindet. Die Brenngaselektrode ist die Elektrode, zu der das Brenngas geleitet wird.The sophisticated fuel cell or fuel cell lenstapel points inside the fuel cell or the Stack of additional fuel gas channels on with funds equipped to carry out the reforming reaction are. Under an additional fuel gas channel is a To understand channel or section of channel through which Fuel gas is passed and which is from the fuel gas elec trodenraum differs. The fuel gas electrode room is the channel or channel section in which the Fuel gas electrode is located. The fuel gas electrode is the electrode to which the fuel gas is directed.

Da der zusätzliche Brenngaskanal innerhalb der sich auf Betriebstemperatur befindlichen Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, bedarf es kei­ ner energetisch ungünstigen, separaten Wärmezufuhr zur Durchführung der endotherm ablaufenden Reformierungsre­ aktion. Da die Reformierungsreaktion und die elektro­ chemische Reaktion örtlich getrennt innerhalb der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels ablau­ fen, lassen sich die von der internen Reformierung her bekannten technischen Probleme unabhängig voneinander und daher erheblich einfacher lösen. Because the additional fuel gas duct is located within the Operating temperature of the fuel cell or Fuel cell stack is arranged, it does not need ner energetically unfavorable, separate heat supply for Implementation of the endothermic reforming process action. Since the reforming reaction and the electro chemical reaction locally separated within the Fuel cell or the fuel cell stack is dead can be from internal reform known technical problems independently and therefore much easier to solve.  

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zusätzliche Brenngaskanal als interner Wärmetau­ scherkanal ausgestaltet. Hierunter ist ein Kanal zu verstehen, der unmittelbar an den Brenngaselektroden raum angrenzt und durch den das Brenngas entgegenge­ setzt zur Brenngasführung im Brenngaselektrodenraum ge­ leitet wird. Ein derartiger Wärmetauscherkanal ist z. B. aus DE 195 05 913 bekannt.In an advantageous embodiment of the invention the additional fuel gas duct as an internal heat rope designed shear channel. Below that is a channel understand that directly on the fuel gas electrodes adjoining space and through which the fuel gas counteracts used for fuel gas guidance in the fuel gas electrode space is leading. Such a heat exchanger channel is e.g. B. known from DE 195 05 913.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist im Bereich des Austrittes des Abgases aus dem Anodenraum einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle eine Öffnung vorgesehen, die in den zusätzlichen Brenn­ gaskanal hineinführt.In a further advantageous embodiment of the Er invention is in the area of the outlet of the exhaust gas the anode compartment of a high-temperature fuel cell an opening is provided in the additional focal leads into the gas channel.

Die eingangs genannte Reformierungsreaktion von Methan erfordert die Zuführung von reinem Wasser. Die chemi­ sche Verbrennung von H2 führt zur Wasserproduktion. Ge­ mäß Stand der Technik findet daher eine teilweise Rück­ führung des aus dem Anodenraum austretenden Anodenabga­ ses in den Reformer statt, um das Produktwasser der Re­ formierungsreaktion zuzuführen. Gemäß Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, das Anodenabgas zunächst aus der Brennstoffzelle herauszuführen und dann dem ex­ ternen Reformer zuzuleiten.The methane reforming reaction mentioned at the beginning requires the supply of pure water. The chemical combustion of H 2 leads to water production. According to the prior art, there is therefore a partial return of the anode waste gas emerging from the anode compartment into the reformer in order to feed the product water to the reformation reaction. According to the prior art, it is known, for example, first to lead the anode exhaust gas out of the fuel cell and then to feed it to the external reformer.

Nachteilhaft ist diese externe Anodenabgasführung auf­ wendig. Auch sind lange Abgasführungen unerwünscht, da dann Druckverluste auftreten, die zur Verminderung des Wirkungsgrades einer Brennstoffzelle führen.This external anode exhaust gas guide is disadvantageous agile. Long exhaust ducts are also undesirable because then pressure drops occur which reduce the Efficiency of a fuel cell.

Durch die vom Anodenraum in den zusätzlichen Brenngas­ kanal hineinführende Öffnung tritt Abgas aus dem An­ odenraum in den zusätzlichen Brenngaskanal ein. Mit dem Anodenabgas gelangt Produktwasser in den zusätzlichen Brenngaskanal. Dieses Produktwasser wird dem im zusätz­ lichen Brenngaskanal befindlichen Reformer (Mittel zur Durchführung der Reformierungsreaktion) zugeführt. In­ nerhalb des Reformers fungiert das Wasser als Reakti­ onspartner.Because of the anode compartment in the additional fuel gas Exhaust gas emerges from the channel leading into the channel  ode space in the additional fuel gas duct. With the Anode exhaust gas gets product water into the additional one Fuel gas duct. This product water is in addition reformer (means for Implementation of the reforming reaction). In The water acts as a reaction within the reformer onpartner.

Diese Anodenabgasführung vermeidet lange Abgasführungen und damit Druckverluste. Die Konstruktion ist einfach und somit preiswert.This anode exhaust gas routing avoids long exhaust gas routings and with it pressure losses. The construction is simple and therefore inexpensive.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung sind Mittel zur Erzeugung einer hohen Ein­ trittsgeschwindigkeit des Brenngases in den zusätzli­ chen Brenngaskanal vorgesehen. Die Erzeugung einer ho­ hen Eintrittsgeschwindigkeit hat zur Folge, daß bei ge­ eigneter Führung des Brenngases ein Ansaugeffekt an der Öffnung entsteht. Durch den Ansaugeffekt wird Abgas an­ gesaugt.In a further advantageous embodiment of the Er are means for generating a high A step speed of the fuel gas in the additional Chen fuel gas duct provided. The generation of a ho hen entry speed has the consequence that at ge proper guidance of the fuel gas an intake effect on the Opening arises. The suction effect turns exhaust gas on sucked.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist eine Düse als Mittel zur Erzeugung hoher Geschwindigkeiten vorgesehen.In a further advantageous embodiment of the Er is a nozzle as a means of producing high Speeds provided.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung wird das Brenngas derart in den zusätzlichen Brenngaskanal eingespeist, daß die Eintrittsrichtung parallel zur Gasführung innerhalb des zusätzlichen Brenngaskanal erfolgt. Hierdurch ist der gewünschte An­ saugeffekt besonders groß.In a further advantageous embodiment of the Er In this way, the fuel gas is found in the additional Fuel gas channel fed that the entry direction parallel to the gas flow within the additional Fuel gas channel takes place. This is the desired type suction effect particularly large.

Fig. 1 zeigt ausschnittsweise einen Schnitt durch ei­ nen Brennstoffzellenstapel mit einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle 1. An die Brennstoffzelle 1 grenzt ein Kathodenraum 2 und ein Anodenraum 3 an. Durch den Ka­ thodenraum 2 wird Luft als Oxidationsmittel geleitet. Durch den Anodenraum 3 wird Wasserstoff als Brenngas geleitet. Fig. 1 shows a section of a section through egg NEN fuel cell stack with a high temperature fuel cell 1st A cathode compartment 2 and an anode compartment 3 adjoin the fuel cell 1 . Air is passed through the cathode chamber 2 as an oxidizing agent. Hydrogen is passed as fuel gas through the anode compartment 3 .

Ein Wärmetauscherkanal 4 befindet sich innerhalb des Brennstoffzellenstapels, d. h. er wird von Brennstoff­ zellen 1 umgeben. Der Wärmetauscherkanal 4 weist eine Eintrittsöffnung 5 auf. Durch die Eintrittsöffnung 5 wird Methan in den Wärmetauscherkanal eingeleitet. Der Brennstoff wird entsprechend der Pfeile innerhalb des Wärmetauscherkanals 4 entgegengesetzt zur Brenngasfüh­ rung im Anodenraum 3 geleitet. Des weiteren grenzt der Wärmetauscherkanal 4 unmittelbar an den Anodenraum 3 an. Aufgrund dieser Bauweise wird das durch die Ein­ trittsöffnung 5 eintretende Methan vorgewärmt. Inner­ halb des Wärmetauscherkanals 4 sind Mittel zur Refor­ mierung von Methan vorgesehen. Das hierfür benötigte Wasser wird dem wasserhaltigen Brennabgas entnommen, welches über eine Öffnung 6 in den Wärmetauscherkanal 4 gelangt. Die Öffnung 6 befindet sich am Ende des An­ odenraums 3 im Bereich der Austrittsöffnung 7.A heat exchanger channel 4 is located within the fuel cell stack, ie it is surrounded by fuel cells 1 . The heat exchanger channel 4 has an inlet opening 5 . Methane is introduced into the heat exchanger channel through the inlet opening 5 . The fuel is directed according to the arrows within the heat exchanger channel 4 opposite to the Brenngasfüh tion in the anode compartment 3 . Furthermore, the heat exchanger channel 4 directly adjoins the anode compartment 3 . Because of this design, the entering through the opening 5 methane is preheated. Within the heat exchanger channel 4 , means for refor mation of methane are provided. The water required for this is taken from the water-containing combustion exhaust gas, which reaches the heat exchanger duct 4 through an opening 6 . The opening 6 is located at the end of the anode space 3 in the region of the outlet opening 7 .

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine röhrenförmige Brennstoffzelle 1. Innerhalb der Röhre befindet sich die Anode mit Anodenraum 3. Ferner ist in der röhren­ förmigen Brennstoffzelle 1 ein parallel zur Röhre ver­ laufendes Rohr 8 untergebracht. Das Rohr 8 fungiert als Wärmetauscherkanal 4. Im Inneren des Rohres 8 befinden sich daher Mittel zur Durchführung der Reformierung von Methan. Über eine Düse 9 wird Methan mit hoher Ge­ schwindigkeit in das Rohr 8, also in den Wärmetauscher­ kanal 4 eingeleitet. Die Düse ist so ausgerichtet, daß die Einströmungsrichtung mit der Richtung der Strömung im Kanal 4 übereinstimmt. Die durch die Düse 9 bewirkte hohe Strömungsgeschwindigkeit ruft im Eintrittsbereich in den Wärmetauscherkanal 4 einen Unterdruck hervor. Über die Öffnung 6 wird daher wasserhaltiges Abgas aus dem Anodenraum in den Wärmetauscherkanal 4 eingeleitet. Daneben entweicht wasserhaltiges Abgas durch die Aus­ trittsöffnung 7 aus dem Anodenraum. Der Kathodenraum 2 befindet sich außerhalb der röhrenförmigen Brennstoff­ zelle 1. Durch diesen wird Luft geleitet. Fig. 2 shows a section of a tubular fuel cell 1. The anode with anode compartment 3 is located inside the tube. Furthermore, a tube 8 running parallel to the tube is accommodated in the tubular fuel cell 1 . The tube 8 acts as a heat exchanger channel 4 . Inside the tube 8 there are therefore means for carrying out the reforming of methane. Via a nozzle 9 , methane is introduced at high speed into the pipe 8 , that is, into the heat exchanger channel 4 . The nozzle is aligned so that the direction of inflow coincides with the direction of flow in channel 4 . The high flow velocity caused by the nozzle 9 creates a negative pressure in the entry area into the heat exchanger duct 4 . Water-containing exhaust gas is therefore introduced from the anode compartment into the heat exchanger duct 4 via the opening 6 . In addition, water-containing exhaust gas escapes through the outlet opening 7 from the anode compartment. The cathode compartment 2 is located outside the tubular fuel cell 1 . Air is passed through this.

Claims (5)

1. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstapel mit einem innerhalb der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels befindlichen zusätzlichen Brenngaskanal sowie mit innerhalb des zusätzlichen Brenngaskanals befindlichen Mitteln zur Reformierung von Brennstoff.1. Fuel cell or fuel cell stack with one inside the fuel cell or the Fuel cell stack located additional Fuel gas channel as well as within the additional Fuel gas channel funds for reforming of fuel. 2. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch mit einem Wärmetauscherkanal als zusätzlichen Brenngaskanal.2. Device according to the preceding claim with a Heat exchanger duct as an additional fuel gas duct. 3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Öffnung im Bereich des Austrittes des Abgases aus dem Brenngaselektrodenraum, die in den zusätzlichen Brenngaskanal hineinführt.3. Device according to one of the preceding claims with an opening in the area of the outlet of the Exhaust gas from the fuel gas electrode space, which in the leads into additional fuel gas duct. 4. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch mit einer Düse, die Brennstoff in den zusätzlichen Brenngaskanal hineinleitet.4. Device according to the preceding claim with a Nozzle that fuel in the additional Fuel gas channel leads into it. 5. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch mit einer derart ausgerichteten Düse, daß das Brenngas parallel zur im zusätzlichen Brenngaskanal vorgesehenen Strömungsrichtung in den zusätzlichen Brenngaskanal hineinströmt.5. Device according to the preceding claim with a such aligned nozzle that the fuel gas parallel to that in the additional fuel gas duct provided flow direction in the additional Fuel gas channel flows into it.
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