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DE102008010202A1 - High temperature fuel cell system and method for generating electricity and heat by means of a high temperature fuel cell system - Google Patents

High temperature fuel cell system and method for generating electricity and heat by means of a high temperature fuel cell system Download PDF

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DE102008010202A1
DE102008010202A1 DE102008010202A DE102008010202A DE102008010202A1 DE 102008010202 A1 DE102008010202 A1 DE 102008010202A1 DE 102008010202 A DE102008010202 A DE 102008010202A DE 102008010202 A DE102008010202 A DE 102008010202A DE 102008010202 A1 DE102008010202 A1 DE 102008010202A1
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DE
Germany
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fuel cell
oxygen
cell system
temperature fuel
hydrogen
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102008010202A
Other languages
German (de)
Inventor
Ralph-Uwe Dipl.-Ing. Dietrich
Andreas Dr.-Ing. Lindermeir
Jürgen Prof. Dr. rer. nat. Caro
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Universitaet Hannover
Clausthaler Umwelttechnik Institut CUTEC
Original Assignee
Leibniz Universitaet Hannover
Clausthaler Umwelttechnik Institut CUTEC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Universitaet Hannover, Clausthaler Umwelttechnik Institut CUTEC filed Critical Leibniz Universitaet Hannover
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Priority to PCT/EP2009/001237 priority patent/WO2009103554A1/en
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Abstract

Bei einem Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem mit einem Reformer (3) zum Umwandeln eines Brennstoffs in ein wasserstoffreiches Anodengas, einem Brennstoffzellenstack (4) zum Umwandeln des wasserstoffreichen Anodengases unter Zufuhr eines Kathodengases zu Strom und Wärme und einem Nachbrenner (5) zum Nachverbrennen eines aus dem Brennstoffzellenstack austretenden, wasserstoffabgereicherten Reformates unter Zufuhr des Kathodengases lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen durch einen Trennreaktor (2) zum Abtrennen von Sauerstoff aus Luft, wobei der im Betrieb abgetrennte Sauerstoff zumindest teilweise als Kathodengas benutzt wird.In a high-temperature fuel cell system having a reformer (3) for converting a fuel into a hydrogen-rich anode gas, a fuel cell stack (4) for converting the hydrogen-rich anode gas while supplying a cathode gas to electricity and heat, and an afterburner (5) for post-burning one from the fuel cell stack exiting, hydrogen-depleted reformate under supply of the cathode gas, the efficiency can be increased by a separation reactor (2) for separating oxygen from air, wherein the oxygen separated during operation is at least partially used as a cathode gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The The invention relates to a high-temperature fuel cell system with the features of the preamble of claim 1.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen von Strom und Wärme mit Hilfe eines Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems mit den Schritten des Oberbegriffs von Anspruch 8.The The invention further relates to a method for generating electricity and Heat with Help a high-temperature fuel cell system with the steps the preamble of claim 8.

Ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem, das für den Betrieb mit Kohlenwasserstoffen ausgelegt ist, besteht üblicherweise aus den drei Hauptkomponenten Reformer, Brennstoffzellenstack und Nachbrenner.One High-temperature fuel cell system designed for operation with hydrocarbons is usually from the three main components reformer, fuel cell stack and Afterburner.

Der Reformer wandelt einen Brennstoff in ein wasserstoffreiches Anodengas um. Geeignete Brennstoffe sind z. B. Erdgas, Biogas, Flüssiggas, verdampfter Diesel, verdampftes Kerosin oder andere fossile Brennstoffe. Für eine Reformierung durch Partialoxidation wird zusätzlich ein Oxidationsmittel benötigt. Im einfachsten Fall dient Luftsauerstoff als Oxidationsmittel.Of the Reformer converts a fuel into a hydrogen-rich anode gas around. Suitable fuels are z. As natural gas, biogas, LPG, vaporized Diesel, vaporized kerosene or other fossil fuels. For a reform by partial oxidation is added an oxidizing agent is needed. In the simplest case, atmospheric oxygen serves as an oxidizing agent.

Im Brennstoffzellenstack wird das wasserstoffreiche Anodengas unter Zuhilfenahme von Luft als Kathodengas zu Strom und Wärme umgewandelt.in the Fuel cell stack is the hydrogen-rich anode gas under With the help of air as cathode gas is converted to electricity and heat.

Das aus der Brennstoffzelle austretende wasserstoffabgereichte Reformat wird dann in einem Nachbrenner unter weiterer Zufuhr von Luft nachverbrannt, z. B. um vorgegebene Emissionsgrenzwerte einzuhalten.The emerging from the fuel cell hydrogen-depleted reformate is then post-combusted in an afterburner with further supply of air, z. B. to comply with specified emission limits.

In allen drei Hauptkomponenten wird während des Betriebes Wärme freigesetzt, die abgeführt werden muss. Die Wärmeabfuhr erfolgt mit Hilfe geeigneter Einrichtungen zur Wärmeübertragung. Bekannt ist es, diese Einrichtungen zur Wärmeübertragung konvektiv durch einen ausreichend großen Luftüberschuss auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks abzuführen.In all three main components release heat during operation, which are dissipated got to. The heat dissipation takes place by means of suitable devices for heat transfer. It is known these devices for heat transfer convective by a sufficiently large excess of air on the cathode side remove the fuel cell stack.

Luft enthält zum größten Teil Stickstoff (ca. 78%). Aus diesem Grunde führt der Betrieb herkömmlicher Brennstoffzellensystem mit Luft dazu, dass im Brennstoffzellenstack sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite hohe Stickstoffanteile entstehen, die als Inertgas die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks verringern.air contains mostly Nitrogen (about 78%). For this reason, the operation of conventional Fuel cell system with air in the fuel cell stack high nitrogen contents both on the anode side and on the cathode side arise as an inert gas, the performance of the fuel cell stack reduce.

Zudem müssen aufgrund des hohen Stickstoffanteils in der Luft unnötig hohe Gasvolumenströme vor Eintritt in die Brennstoffzelle aufgewärmt werden, um Schäden an der Brennstoffzelle zu vermeiden. Das Aufwärmen von für die Stromgewinnung nicht benötigten Gasvolumenströmen senkt den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems.moreover have to unnecessarily high due to the high nitrogen content in the air Gas flow rates be warmed up before entering the fuel cell to avoid damage to the fuel cell To avoid fuel cell. Warming up for power generation is not required Gas flow rates lowers the efficiency of the fuel cell system.

Die Reformierung des Brennstoffes mit Luftsauerstoff (partielle Oxidation) zu einem wasserstoffreichen Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Gemisch reduziert aufgrund des Stickstoff-Inertgasanteils ebenfalls den Wirkungsgrad des Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems.The Reforming the fuel with atmospheric oxygen (partial oxidation) reduced to a hydrogen-rich hydrogen / carbon monoxide mixture due to the nitrogen inert gas also the efficiency of the high-temperature fuel cell system.

Des Weiteren erfolgt die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen durch einen zweistufigen Formalmechanismus: In einer Stufe wird der Brennstoff mit Luftsauer stoff zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser totaloxidiert; in einer zweiten Stufe erfolgt die Reformierung der Kohlenwasserstoffe mit dem zuvor gebildeten Wasser und dem CO2. Während die Totaloxidation eine stark exotherme Reaktion ist, verläuft die anschließende Reformierung mit Wasser und CO2 unter deutlicher Wärmeaufnahme. Daraus resultiert ein inhomogenes Temperaturprofil, das insbesondere bei der Verwendung von Katalysatoren zu Problemen führt. So können im Eintrittsbereich des Katalysators Temperaturspitzen auftreten, die zu einer thermischen Zerstörung des Katalysatormaterials und/oder des Katalysatorträgers führen, während im hinteren Bereich vorliegende niedrige Temperaturen zu schlechten Umsatzgraden und Produktionsselektivitäten der Reformierung führen.Furthermore, the partial oxidation of hydrocarbons is carried out by a two-stage formal mechanism: In one stage, the fuel is totally oxidized with atmospheric oxygen to carbon dioxide (CO 2 ) and water; in a second stage, the hydrocarbons are reformed with the previously formed water and CO 2 . While the total oxidation is a highly exothermic reaction, the subsequent reforming with water and CO 2 proceeds under significant heat absorption. This results in an inhomogeneous temperature profile, which leads to problems especially when using catalysts. Thus, in the inlet region of the catalyst, temperature peaks can occur which lead to thermal destruction of the catalyst material and / or of the catalyst support, while low temperatures present in the rear region lead to poor degrees of conversion and production selectivities of the reforming.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeidet bzw. reduziert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Erzeugen von Strom und Wärme mit Hilfe des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems bereitzustellen.task The invention therefore is to provide an improved high-temperature fuel cell system, which avoids or reduces the disadvantages described above. The object of the present invention is also a method for generating electricity and heat with the aid of the high-temperature fuel cell system according to the invention provide.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen von Anspruch 1.The Task is solved by a high-temperature fuel cell system with the features of Claim 1.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8.The Task is further solved by a method having the features of claim 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung dargestellt.advantageous Embodiments of the high-temperature fuel cell system according to the invention and the method of the invention in the subclaims, the description and the drawing.

Das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem wird im Gegensatz zu bekannten Brennstoffzellensystemen mit reinem Sauerstoff betrieben, der aus der Luft abgetrennt wird. Mit reinem Sauerstoff bedeutet, dass der Sauerstoffanteil deutlich höher ist als der Anteil anderer Gase, beispielsweise deutlich höher als der Stickstoffanteil.The High-temperature fuel cell system according to the invention is in contrast to known fuel cell systems with pure Oxygen operated, which is separated from the air. With pure Oxygen means that the oxygen content is significantly higher as the proportion of other gases, for example, significantly higher than the nitrogen content.

Durch die Verwendung reinen Sauerstoffs wird das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks mit einem höheren Sauerstoffpartialdruck und auf der Anodenseite mit einem höheren Brenngaspartialdruck als bei herkömmlichen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen betrieben. Dies führt zu einem gegenüber bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen höheren Wirkungsgrad.By using pure oxygen For example, the high-temperature fuel cell system according to the invention is operated at a higher oxygen partial pressure on the cathode side of the fuel cell stack and at a higher fuel gas partial pressure on the anode side than in conventional high-temperature fuel cell systems. This leads to a higher efficiency compared to known high-temperature fuel cell systems.

Das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem zeichnet sich zudem dadurch aus, dass die Menge an emittierten Schadgasen, insbesondere von Stickstoffoxiden, im Vergleich zu bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen reduziert wird. Damit liefern sowohl das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem als auch das erfindungsgemäße Verfahren einen positiven Beitrag zum Umweltschutz.The High-temperature fuel cell system according to the invention is also characterized by the fact that the amount of emitted harmful gases, especially of nitrogen oxides, compared to known high temperature fuel cell systems is reduced. Thus provide both the high-temperature fuel cell system according to the invention as well as the inventive method a positive contribution to environmental protection.

In den Einzelkomponenten des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems wird eine im Gegensatz zu bekannten Systemen homogenere Temperaturverteilung erreicht. Diese homogene Temperaturverteilung führt zu einer höheren Lebensdauer und einer höheren Effizienz der Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme und zu einer vereinfachten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein einheitlicher Temperaturbereich von Reformer, Brennstoffzellenstack und Nachbrenner ermöglicht zudem eine einfache Integration und kompakte Bauweise.In the individual components of the high-temperature fuel cell system according to the invention is a homogeneous distribution of temperature, in contrast to known systems reached. This homogeneous temperature distribution leads to a longer service life and a higher one Efficiency of high-temperature fuel cell systems and to a simplified implementation of the method according to the invention. A uniform temperature range of reformer, fuel cell stack and afterburner allows In addition, a simple integration and compact design.

Bei dem erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt vor dem Eintritt des Brennstoffs in den Reformer kein zündfähiges Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Oxidationsmittel vor. Dass auf diese Weise vor der Reaktionszone kein zündfähiges Gemisch vorliegt, wirkt sich positiv auf die Betriebssicherheit aus.at the high-temperature fuel cell system according to the invention and the method of the invention is not an ignitable mixture before the entry of the fuel into the reformer from hydrocarbons and oxidizing agent. That on this If no ignitable mixture is present in front of the reaction zone, it acts have a positive impact on operational safety.

Das Kohlendioxid aus dem Austrittsgas der Nachverbrennung lässt sich schließlich leicht durch Kondensation des Wasserdampfes separieren und sequestrieren.The Carbon dioxide from the exit gas of the afterburning can be after all easily separated by condensation of water vapor and sequestered.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Trennreaktor perowskitische Keramik als Sauerstoff-Trennmembrane auf.In an advantageous embodiment the separation reactor has perovskite ceramic as an oxygen separation membrane on.

Bei den perowskitischen Sauerstoff-Trennmembranen handelt es sich um gemischt leitende, dichte, oxidische Keramiken mit der Fähigkeit zu einer Sauerstoffionenleitung und Elektronenleitung. Bei Vorliegen eines Sauerstoffpartialdruckgradienten diffundieren in diesen Materialien simultan Sauerstoffionen O2- bzw. O2--Leerstellen und Elektronen bzw. Elektronenlöcher in unterschiedliche Richtung durch das Material. Die Diffusion erfolgt dabei entsprechend dem Partielldruckgradienten des Sauerstoffs. Die Betriebstemperatur dieser Materialien liegt bei über 700°C und damit in einem Bereich, in dem sowohl typische Hochtemperatur-Brennstoffzellen, wie z. B. SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) oder MCFC (Moltane Carbonate Fuel Cell), als auch die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen betrieben werden. Beim Betrieb der Membran wird Sauerstoff auf der Feedseite (luftzugewandte Seite der Membran) absorbiert und tritt unter Elektronenaufnahme als Ion in das Oxidmaterial der perowskitischen Membrane. Aus der Permeatseite (luftabgewandte Seite der Membran) können die Sauerstoffionen entweder als molekulare Sauerstoffe in die Gasphase abgegeben werden, oder Kohlenwasserstoffe reagieren direkt mit dem Gittersauerstoff.The perovskite oxygen separation membranes are mixed conducting, dense, oxidic ceramics capable of oxygen ion conduction and electron conduction. In the presence of an oxygen partial pressure gradient, oxygen ions O 2 and O 2 vacancies and electrons or electron holes simultaneously diffuse through the material in different directions in these materials. The diffusion takes place in accordance with the partial pressure gradient of the oxygen. The operating temperature of these materials is above 700 ° C and thus in a range in which both typical high-temperature fuel cells such. As SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) or MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), as well as the partial oxidation of hydrocarbons are operated. During operation of the membrane, oxygen is absorbed on the feed side (air-facing side of the membrane) and, with electron uptake as an ion, enters the oxide material of the perovskite membrane. From the permeate side (air-remote side of the membrane), the oxygen ions can be released either as molecular oxygen in the gas phase, or hydrocarbons react directly with the lattice oxygen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Betrieb auf der Feedseite des Trennreaktors ein höherer Druck vorhanden ist als auf der Permeatseite des Trennreaktors. Durch diesen luftseitigen Überdruck wird im Betrieb ein kontinuierlicher Sauerstoffstrom auf der Permeatseite der perowskitischen Keramik erreicht.According to the invention, it is provided that in operation on the feed side of the separation reactor, a higher pressure is present as on the permeate side of the separation reactor. By this air-side overpressure In operation, a continuous oxygen flow on the permeate side reached the perovskite ceramics.

In einer besonderen Ausführungsform weist der Reformer eine perowskitische Keramik als Sauerstoff-Trennmembran auf. Die perowskitische Keramik kann zur partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit reinem Sauerstoff eingesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich der Stickstoffanteil in dem Anodengas reduzieren.In a particular embodiment the reformer has a perovskite ceramic as oxygen separation membrane on. The perovskite ceramic can be used for the partial oxidation of Hydrocarbons are used with pure oxygen. On that way the nitrogen content in the anode gas is reduced.

Vorzugsweise reagiert der von der perowskitischen Keramik übertragene Sauerstoff direkt an einem angrenzenden Katalysator mit den zugeführten Kohlenwasserstoffen.Preferably The oxygen transferred by the perovskite ceramic reacts directly on an adjacent catalyst with the supplied hydrocarbons.

Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kohlenwasserstoffe als Träger für den übertragenen Sauerstoff verwendet werden, und dass die partielle Oxidation in diesem Fall in einem separaten Reaktor erfolgt.It However, it is also conceivable that the hydrocarbons as a carrier for the transferred Oxygen can be used, and that partial oxidation in this case takes place in a separate reactor.

Zweckmäßig erfolgt die Sauerstoffabtrennung in dem Reformer luftseitig mit Überdruck, d. h. der Druck auf der Feedseite ist höher als der Druck auf der Permeatseite der perowskitischen Keramik. Auf diese Weise lässt sich ein kontinuierlicher Sauer stoffstrom auf der Permeatseite der perowskitischen Keramik erzeugen.Appropriately the oxygen separation in the reformer on the air side with overpressure, d. H. the pressure on the feed side is higher than the pressure on the permeate side the perovskite pottery. In this way, can be a continuous Oxygen flow on the permeate side of the perovskite ceramic produce.

Um Wärme abzuführen, die Bildung kohlenstoffhaltiger Ablagerungen zu unterdrücken und die Reformierung in Richtung autotherme Betriebsweise oder endotherme Betriebsweise zu verschieben, kann dem Anodengas Wasser bzw. Wasserdampf zugefügt werden.Around Dissipate heat, the Formation of carbonaceous deposits to suppress and the reforming towards autothermal mode or endothermic To shift operation, the anode gas water or water vapor can be added.

In einer besonderen Ausführungsform ist die perowskitische Keramik direkt auf der Kathode des Brennstoffzellenstacks aufgetragen. Hierdurch wird eine hohe Sauerstoffpartielldruckdifferenz zwischen Kathode und Anode für die elektrochemische Umwandlung zur Verfügung gestellt. In diesem Fall bildet der Brennstoffzellenstack mit dem Trennreaktor eine Einheit.In a particular embodiment, the Perovskite ceramic applied directly to the cathode of the fuel cell stack. This provides a high oxygen partial pressure difference between cathode and anode for electrochemical conversion. In this case, the fuel cell stack forms a unit with the separation reactor.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass das Nachverbrennen katalytisch oder nichtkatalytisch erfolgt.The invention is further provided that the post-combustion catalytic or non-catalytic he follows.

Die Erfindung wird anhand einer in der folgenden Figur dargestellten Ausführungsform näher erläutert.The The invention will be described with reference to one of the following figures embodiment explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 – eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems zusammen mit einer Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1 - A simplified representation of the high-temperature fuel cell system according to the invention together with a representation of the method according to the invention.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem 1 vereinfacht dargestellt.In 1 is a high-temperature fuel cell system according to the invention 1 shown in simplified form.

Das Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem 1 weist einen Trennreaktor 2, einen Reformer 3, einen Brennstoffzellenstack 4 und einen Nachbrenner 5 auf.The high-temperature fuel cell system 1 has a separation reactor 2 , a reformer 3 , a fuel cell stack 4 and an afterburner 5 on.

Der Trennreaktor 2 umfasst eine perowskitische Keramik 6, die bei hohen Betriebstemperaturen (> 700°C) gleichzeitig Sauerstoffionen und Elektronen leitet.The separation reactor 2 includes a perovskite ceramic 6 , which simultaneously conducts oxygen ions and electrons at high operating temperatures (> 700 ° C).

Auf einer Feedseite 7 des Trennreaktors 2 wird Luft zugeführt. Auf einer Permeatseite 8 wird Sauerstoff abgeführt. Der Trennreaktor 2 wird luftseitig (auf der Feedseite 7) mit einem höheren Druck als permeatseitig (auf der Permeatseite 8) betrieben. Dieser Überdruck führt zu einem kontinuierlichen Sauerstoffstrom auf der Permeatseite 8 der perowskitischen Keramik 6.On a feed page 7 of the separation reactor 2 air is supplied. On a permeate side 8th oxygen is removed. The separation reactor 2 is on the air side (on the feed side 7 ) with a higher pressure than the permeate side (on the permeate side 8th ) operated. This overpressure leads to a continuous flow of oxygen on the permeate side 8th the perovskite pottery 6 ,

An einem Ausgang 9 des Trennreaktors 2 wird Stickstoff, gegebenenfalls mit einem geringen Anteil Sauerstoff, abgeführt.At an exit 9 of the separation reactor 2 nitrogen is removed, optionally with a small amount of oxygen.

Von der Permeatseite 8 wird reiner Sauerstoff 10 über einen geeigneten Auslass 11 einer Kathode 12 des Brennstoffzellenstacks 4 zugeführt.From the permeate side 8th becomes pure oxygen 10 via a suitable outlet 11 a cathode 12 of the fuel cell stack 4 fed.

Der Reformer 3 weist einen Lufteinlass 13 und einen von dem Lufteinlass 13 separaten Einlass 14 auf. Über den Einlass 14 wird dem Reformer 3 Wasser 15 und Methan 16 zugeführt.The reformer 3 has an air inlet 13 and one from the air inlet 13 separate inlet 14 on. About the inlet 14 becomes the reformer 3 water 15 and methane 16 fed.

Der Reformer 3 weist eine perowskitische Membran 17 auf. Auf der einen Seite (Feedseite) der perowskitischen Membran 17 wird Luft 18 zugeführt (feedseitig). Auf der anderen Seite (Permeatseite) der perowskitischen Membran 17 wird das Wasser 15 und das Methan 16 zugeführt (permeatseitig).The reformer 3 has a perovskite membrane 17 on. On the one side (feed side) of the perovskite membrane 17 gets air 18 supplied (feed side). On the other side (permeate side) of the perovskite membrane 17 becomes the water 15 and the methane 16 supplied (permeatseitig).

Der Reformer 3 wandelt den Brennstoff (das Methan 16) in ein wasserstoffreiches Anodengas um. Das wasserstoffreiche Gas (Anodengas 19) ist vorliegend ein Gemisch aus Methan, Kohlenmonoxid, molekularem Wasserstoff, Kohlendioxid und Wasser. Das Anodengas 19 wird über einen Auslass 20 einer Anode 21 des Brennstoffzellenstacks 4 zugeführt. Für die Reformierung des Brennstoffes mit dem durch die perowskitische Keramik 17 abgetrennten Sauerstoff weist der Reformer 3 einen Katalysator auf.The reformer 3 converts fuel (methane 16 ) into a hydrogen-rich anode gas. The hydrogen-rich gas (anode gas 19 ) is in this case a mixture of methane, carbon monoxide, molecular hydrogen, carbon dioxide and water. The anode gas 19 will have an outlet 20 an anode 21 of the fuel cell stack 4 fed. For reforming of fuel with that through perovskite ceramics 17 separated oxygen has the reformer 3 a catalyst on.

Dem Anodengas 19 wird zwischen dem Reformer 3 und dem Brennstoffzellenstacks 4 zusätzlich Wasser und/oder Wasserdampf 22 zugeführt.The anode gas 19 will be between the reformer 3 and the fuel cell stack 4 additionally water and / or water vapor 22 fed.

Die Anode 21 ist von der Kathode 12 durch eine Membran 23 getrennt.The anode 21 is from the cathode 12 through a membrane 23 separated.

Der Brennstoffzellenstack 4 ist in diesem Fall ein SOFC-Stak.The fuel cell stack 4 is in this case an SOFC stack.

In dem Brennstoffzellenstack 4 wird das Anodengas 19 mit dem zusätzlichen Wasser und/oder Wasserdampf 22 unter Zuhilfenahme des Sauerstoffs 10 in Strom und Wärme umgewandelt. Aus dem Brennstoffzellenstack 4 tritt ein Reformat 24 aus und wird zumindest teilweise dem Nachbrenner 5 zugeführt.In the fuel cell stack 4 becomes the anode gas 19 with the extra water and / or water vapor 22 with the help of oxygen 10 converted into electricity and heat. From the fuel cell stack 4 enters a reformat 24 and at least partially the afterburner 5 fed.

Das Reformat 24 ist wasserstoffabgereichert, da bei der Umwandlung in dem Brennstoffzellenstack 4 Wasserstoff mit Sauerstoff (Knallgas) in Strom und Wärme umgewandelt worden ist. Kathodenseitig wird Sauerstoff 25 aus dem Brennstoffzellenstack 4 zumindest teilweise dem Nachbrenner 5 zugeführt.The Reformat 24 is hydrogen depleted because in the conversion in the fuel cell stack 4 Hydrogen with oxygen (oxyhydrogen) has been converted into electricity and heat. The cathode side becomes oxygen 25 from the fuel cell stack 4 at least partially the afterburner 5 fed.

In dem Nachbrenner 5 wird das wasserstoffabgereicherte Reformat 24 unter Zuhilfenahme des Sauerstoffs 25 nachverbrannt, um gegebenenfalls Emissionsgrenzwerte einzuhalten.In the afterburner 5 becomes the hydrogen-depleted reformate 24 with the help of oxygen 25 afterburning in order to comply with emission limit values where appropriate.

Aus dem Nachbrenner 5 wird nach dem Nachverbrennen ein Gemisch 26 aus Kohlendioxid und Wasser abgeführt.From the afterburner 5 becomes a mixture after afterburning 26 removed from carbon dioxide and water.

In der vorliegenden Ausführungsform des Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems 1 ist vorgesehen, dass das Reformat 24 teilweise auf den Einlass 14 zurückgeführt wird (Rückführung 27).In the present embodiment, the high-temperature fuel cell system 1 it is envisaged that the reformat 24 partly on the inlet 14 is returned (return 27 ).

Weiter ist vorgesehen, dass auch das Gemisch 26 teilweise auf den Einlass 14 zurückgeführt wird (Rückführung 28).It is further provided that the mixture 26 partly on the inlet 14 recycled will (return 28 ).

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der Sauerstoff 25 aus dem Kathodenraum des Brennstoffzellenstacks 4 teilweise zurückgeführt wird und kathodenseitig dem Brennstoffzellenstack 4 wieder zugeführt wird (Rückführung 29).In addition, it is envisaged that the oxygen 25 from the cathode compartment of the fuel cell stack 4 is partially returned and the cathode side of the fuel cell stack 4 is fed back (feedback 29 ).

Aus einem Ausgang 30 des Reformers 3 wird Stickstoff mit gegebenenfalls einem Teil Sauerstoff als Restgas abgelassen (Ablass 31).From an exit 30 the reformer 3 Nitrogen is vented with optionally a portion of oxygen as the residual gas (drain 31 ).

11
Hochtemperatur-BrennstoffzellensystemHigh-temperature fuel cell system
22
Trennreaktorseparating reactor
33
Reformerreformer
44
BrennstoffzellenstackFuel cell stack
55
Nachbrennerafterburner
66
Perowskitische Membranperovskite membrane
77
FeedseiteFeed
88th
Permeatseitepermeate
99
Ausgangsseiteoutput side
1010
Sauerstoffoxygen
1111
Auslassoutlet
1212
Kathodecathode
1313
Lufteinlassair intake
1414
Einlassinlet
1515
Wasserwater
1616
Methanmethane
1717
Perowskitische Membranperovskite membrane
1818
Luftair
1919
Anodengasanode gas
2020
Auslassoutlet
2121
Anodeanode
2222
Wasserwater
2323
Membranmembrane
2424
Reformatreformate
2525
Sauerstoffoxygen
2626
Gemischmixture
2727
Rückführungreturn
2828
Rückführungreturn
2929
Rückführungreturn
3030
Auslassoutlet
3131
Ablassdrainage

Stand der TechnikState of the art

Ein einfaches Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem, das für den Betrieb mit Kohlenwasserstoffen ausgelegt ist, besteht üblicherweise aus den drei Hauptkomponenten Reformer, Brennstoffzellenstack und Nachverbrennung. Der Reformer wird benötigt, um den Brennstoff (z. B. Erd-, Bio- oder Flüssiggas oder verdampftes Diesel, Kerosin oder andere fossile Brennstoffe) in ein wasserstoffreiches Gas umzuwandeln. Für die Reformierung durch Partialoxidation wird zusätzlich ein Oxidationsmittel benötigt, im einfachsten Fall Luftsauerstoff. Im Brennstoffzellenstack erfolgt dann die Umwandlung des wasserstoffreichen Anodengases unter Zuhilfenahme von Kathodenluft zu Strom und Wärme. Das aus der Brennstoffzelle austretende wasserstoffabgereicherte Reformat wird dann in einem Nachbrenner unter weiterer Zufuhr von Luft nachverbrannt zur Erfüllung entsprechender Emissionsgrenzwerte.One simple high-temperature fuel cell system designed for operation is designed with hydrocarbons, usually consists of the three main components Reformer, fuel cell stack and afterburning. The reformer is required, fuel (eg, natural gas, bioliquid or LPG or vaporized diesel, Kerosene or other fossil fuels) in a hydrogen-rich To convert gas. For the partial oxidation reforming additionally becomes an oxidizing agent needed, in simplest case atmospheric oxygen. In the fuel cell stack takes place then the conversion of the hydrogen-rich anode gas with the help from cathode air to electricity and heat. The hydrogen-depleted from the fuel cell Reformat is then in an afterburner with further supply of Air afterburned to fulfill the corresponding Emission limits.

In allen drei Hauptkomponenten wird während des Betriebes Wärme frei, die abgeführt werden muss. Deshalb gehören üblicherweise Einrichtungen zur Wärmeübertragung zu solchen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen. Insbesondere bei der Verstromung des Reformates in der Brennstoffzelle werden je nach Betriebspunkt unterschiedliche Mengen an Wärme frei, die in der Regel konvektiv abgeführt werden durch einen ausreichend großen Luftüberschuss auf der Kathodenseite.In all three main components release heat during operation, the dissipated must become. That is why they usually belong Facilities for heat transfer to such high temperature fuel cell systems. Especially in the conversion of the reformate in the fuel cell depending on the operating point different amounts of heat freely which usually dissipated convective are due to a sufficiently large excess of air on the cathode side.

Nachteiledisadvantage

Der Betrieb solcher Brennstoffzellensysteme mit Luft führt dazu, dass im Brennstoffzellenstack sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite hohe Stickstoffanteile vorliegen, die als Inertgas die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks verringern. Außerdem müssen unnötig hohe Gasvolumenströme vor Eintritt in die Brennstoffzelle aufgewärmt werden, um Schäden an der Brennstoffzelle zu vermeiden.Of the Operation of such fuel cell systems with air causes that in the fuel cell stack both on the anode and on the cathode side high nitrogen contents are present, as inert gas the efficiency reduce the fuel cell stack. In addition, unnecessarily high gas flow rates before entry be warmed up in the fuel cell, for damage to avoid the fuel cell.

Erfolgt die Reformierung des Brennstoffes zu einem wasserstoffreichen Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Gemisch mit Luftsauerstoff (partielle Oxidation), resultiert ebenfalls eine Wirkungsgradverringerung durch den Stickstoff-Inertgasanteil. Des Weiteren erfolgt die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen durch einen zweistufigen Formal-Mechanismus, wobei der Brennstoff zunächst mit Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser totaloxidiert wird und in einem zweiten Schritt dann die Reformierung der Kohlenwasserstoffe mit dem zuvor gebildeten Wasser und CO2 erfolgt. Während die Totaloxidation eine stark exotherme Reaktion ist, verläuft die anschließende Reformierung mit Wasser und CO2 unter deutlicher Wärmeaufnahme. Daraus resultiert ein inhomogenes Temperaturprofil, was insbesondere bei der Verwendung von Katalysatoren zu Problemen führt. So können im Eintrittsbereich des Katalysators Temperaturspitzen auftreten, die zu einer thermischen Zerstörung des Katalysatormaterials und/oder des Katalysatorträgers führen, während die im hinteren Bereich vorliegenden, niedrigen Temperaturen zu schlechten Umsatzgraden und Produktselektivitäten der Reformierung führen.If the reforming of the fuel to a hydrogen-rich hydrogen / carbon monoxide mixture with atmospheric oxygen (partial oxidation), also results in a reduction in efficiency by the nitrogen inert gas. Furthermore, the partial oxidation of hydrocarbons by a two-stage formal mechanism, wherein the fuel is first totally oxidized with atmospheric oxygen to carbon dioxide and water and then in a second step, the reforming of the hydrocarbons with the previously formed water and CO 2 takes place. While the total oxidation is a highly exothermic reaction, the subsequent reforming with water and CO 2 proceeds under significant heat absorption. This results in an inhomogeneous temperature profile, which leads to problems especially when using catalysts. Thus, in the inlet region of the catalyst, temperature peaks can occur which lead to thermal destruction of the catalyst material and / or of the catalyst support, while the low temperatures present in the rear region lead to poor degrees of conversion and product selectivities of the reforming.

Vorgeschlagene MaßnahmenProposed measures

Es wird vorgeschlagen, ein Hochtemperaturbrennstoffzellen-System mit reinem Sauerstoff zu betreiben, der aus Luft abgetrennt wird. Dazu sollen perowskitische Keramiken als Sauerstoff-Trennmembranen in Verbindung mit einem Reformer, einem Hochtemperaturbrennstoffzellenstack und einer Nachverbrennung eingesetzt werden.It is proposed to operate a high temperature fuel cell system with pure oxygen which is separated from air. This should be pe Rowskitische ceramics are used as oxygen separation membranes in conjunction with a reformer, a high-temperature fuel cell stack and post-combustion.

Bei diesen perowskitischen Sauerstoff-Trennmembranen handelt es sich um gemischtleitende, dichte, oxidische Keramiken mit der Fähigkeit zur Sauerstoffionen- und Elektronenleitung. Bei Vorlegen eines Sauerstoffpartialdruckgradienten diffundieren in diesen Materialien simultan Sauerstoffionen O2- bzw. O2--Leerstellen und Elektronen bzw. Elektronenlöcher in unterschiedlicher Richtung entsprechend dem Partialdruckgradienten des Sauerstoffs durch das Material. Die Betriebstemperatur dieser Materialien liegt bei > 700°C und damit in einem Bereich, in dem sowohl typische Hochtemperatur-Brennstoffzellen (z. B. SOFC, MCFC) als auch die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen betrieben werden. Beim Betrieb der Membran wird Sauerstoff auf der Feedseite dissoziativ adsorbiert und tritt unter Elektronenaufnahme als Ion in das Oxidmaterial der perowskitischen Membran ein. Aus der Permeatseite können die Sauerstoffionen entweder als molekularer Sauerstoff in die Gasphase abgegeben werden, oder Kohlenwasserstoffe reagieren direkt mit dem Gittersauerstoff.These perovskite oxygen separation membranes are mixed-conducting, dense, oxidic ceramics capable of oxygen-ion and electron conduction. Upon presentation of an oxygen partial pressure gradient, oxygen ions O 2 and O 2 vacancies and electron or electron holes in different directions simultaneously diffuse in these materials according to the partial pressure gradient of the oxygen through the material. The operating temperature of these materials is> 700 ° C and thus in a range in which both typical high-temperature fuel cells (eg SOFC, MCFC) and the partial oxidation of hydrocarbons are operated. During operation of the membrane, oxygen is adsorbed dissociatively on the feed side and enters the oxide material of the perovskite membrane with electron uptake as an ion. From the permeate side, the oxygen ions can either be released into the gas phase as molecular oxygen, or hydrocarbons react directly with the lattice oxygen.

Zur Kombination solcher Trennmembranen mit Hochtemperaturbrennstoffzellen-Systemen wird eine Systemverschaltung gemäß 1 vorgeschlagen.For combining such separation membranes with high temperature fuel cell systems, a system interconnection according to 1 proposed.

Die Erfindung zeichnet sich durch folgende Besonderheiten aus:

  • (1) Es handelt sich um ein Hochtemperaturbrennstoffzellen-System, bestehend aus Reformer, Brennstoffzelle und Nachverbrennung, das als Gesamtsystem ausschließlich mit kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen einerseits sowie andererseits mit aus Luft mittels Perowskitmembranen abgetrennten Sauerstoff betrieben wird. Ergänzend kann eine Zugabe von Wasser in das Gesamtsystem vorgesehen werden. Dadurch kann a) ein höherer elektrischer Gesamtwirkungsgrad von Hochtemperaturbrennstoffzellen-Systemen bezogen auf den eingesetzten Brennstoff erzielt werden, b) die Menge an emittierten Schadgasen von Hochtemperaturbrennstoffzellen-Systemen (insbesondere Stickoxide) reduziert werden, c) eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung in den Einzelkomponenten erreicht werden mit dem Effekt höherer Lebensdauer und vereinfachter Betriebsführung von Hochtemperaturbrennstoffzellen-Systemen, d) das Kohlendioxid aus dem Austrittsgas der Nachverbrennung durch Kondensation des Wasserdampfes leicht separiert und sequestriert werden.
  • (2) Ein Reformer für Hochtemperaturbrennstoffzellen-Systeme zur Herstellung von geeignetem Brenngas, bestehend vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, wobei der Anteil an Wasserstoff und Kohlenmonoxid besonders erhöht wurde, dergestalt, dass a) perowskitische Keramiken als Sauerstoff-Trennmembranen in Verbindung mit einem Reformer zur partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit reinem Sauerstoff eingesetzt werden, b) der von der perowskitischen Keramik übertragene Sauerstoff direkt am angrenzenden Katalysator mit den zugeführten Kohlenwasserstoffen abreagiert, c) die Kohlenwasserstoffe alternativ auch als Träger für den übertragenen Sauerstoff verwendet werden können; die partielle Oxidation kann dann in einem separaten Reaktor erfolgen, d) alternativ erfolgt die Sauerstoffabtrennung luftseitig mit Überdruck, um einen kontinuierlichen Sauerstoffstrom auf der Permeatseite der perowskitischen Keramik zu erreichen. e) Ergänzend kann dem Edukt Wasser bzw. Wasserdampf zugefügt werden, um Wärme abzuführen, die Bildung kohlenstoffhaltiger Ablagerungen zu unterdrücken und/oder die Reformierung in Richtung auto- oder endotherme Betriebsweise zu verschieben.
  • (3) Ein Apparat zur Abtrennung von Sauerstoff aus Luft dergestalt, dass a) eine perowskitische Keramik bei hohen Betriebstemperaturen gleichzeitig Sauerstoffionen und Elektronen leitet und damit einen kontinuierlichen Sauerstoffstrom auf der Permeatseite erzeugt, b) die Sauerstoffabtrennung luftseitig mit Überdruck erfolgt, um einen kontinuierlichen Sauerstoffstrom für die Kathode der Hochtemperaturbrennstoffzelle zu erzeugen, c) die perowskitische Keramik alternativ direkt auf die Kathode der Hochtemperaturbrennstoffzelle aufgetragen werden kann, um eine möglichst hohe Sauerstoffpartialdruckdifferenz zwischen Kathode und Anode für die elektrochemische Umwandlung zur Verfügung zu stellen.
  • (4) Ein Apparat zur Nachverbrennung nicht-umgesetzter Brenngasanteile dergestalt, dass a) mit dem Sauerstoff des Kathodenabgases ein vollständiger Brenngasumsatz erreicht wird, b) lediglich Wasser und Kohlendioxid als Reaktionsprodukt entstehen, woraus ein inertgasfreier Betrieb resultiert, c) ergänzend kann eine einfache Abtrennung des Kohlendioxides durch Auskondensieren des Wasseranteiles nachgeschaltet werden. Das dann verbleibende reine Kohlendioxid kann sequestriert werden, d) die Nachverbrennung kann sowohl katalytisch oder nichtkatalytisch erfolgen.
The invention is characterized by the following features:
  • (1) It is a high-temperature fuel cell system consisting of reformer, fuel cell and afterburning, which is operated as a whole system exclusively with hydrocarbon fuels on the one hand and on the other hand with separated from air by means of Perowskitmembranen oxygen. In addition, an addition of water can be provided in the overall system. As a result, a) a higher overall electrical efficiency of high-temperature fuel cell systems based on the fuel used can be achieved, b) the amount of emitted noxious gases from high-temperature fuel cell systems (in particular nitrogen oxides) can be reduced, c) a homogenization of the temperature distribution in the individual components can be achieved the effect of longer life and simplified operation of high temperature fuel cell systems, d) the carbon dioxide from the exit gas of the post combustion by condensation of the water vapor easily separated and sequestered.
  • (2) A reformer for high temperature fuel cell systems for producing suitable fuel gas consisting mainly of hydrogen and carbon monoxide, wherein the proportion of hydrogen and carbon monoxide has been particularly increased, such that a) perovskite ceramics as oxygen separation membranes in conjunction with a reformer for b) reacting the oxygen transferred by the perovskite ceramic directly on the adjacent catalyst with the supplied hydrocarbons, c) the hydrocarbons can alternatively also be used as carrier for the transferred oxygen; the partial oxidation can then take place in a separate reactor, d) alternatively, the oxygen separation takes place on the air side with overpressure in order to achieve a continuous flow of oxygen on the permeate side of the perovskite ceramic. e) In addition, water or steam can be added to the educt in order to dissipate heat, to suppress the formation of carbonaceous deposits and / or to postpone the reforming in the direction of auto or endothermic operation.
  • (3) An apparatus for separating oxygen from air such that a) a perovskite ceramic simultaneously conducts oxygen ions and electrons at high operating temperatures and thus produces a continuous flow of oxygen on the permeate side; b) the oxygen separation is positive pressure on the air side to provide a continuous flow of oxygen c) the perovskite ceramic may alternatively be applied directly to the cathode of the high temperature fuel cell to provide the highest possible oxygen partial pressure difference between the cathode and the anode for electrochemical conversion.
  • (4) An apparatus for afterburning unreacted fuel gas fractions such that a) complete combustion gas conversion is achieved with the oxygen of the cathode exhaust gas, b) only water and carbon dioxide are formed as the reaction product, resulting in inert gas-free operation, c) in addition, a simple separation the carbon dioxide are followed by condensation of the water content. The remaining pure carbon dioxide can then be sequestered, d) the post-combustion can take place both catalytically or non-catalytically.

Vorteileadvantages

Das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb eines Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems mit stickstofffreien Gasen unter Verwendung perowskitischer Keramiken als Sauerstoff-Trennmembranen hat die Vorteile, dass

  • a) die Sauerstoffabtrennung bei den Betriebstemperaturen des Hochtemperaturbrennstoffzellen-Systems erfolgt,
  • b) ein höherer Sauerstoffpartialdruck auf der Kathodenseite der Hochtemperaturbrennstoffzelle zu einem höheren elektrischen Brennstoffzellenwirkungsgrad führt,
  • c) ein höherer Brenngaspartialdruck auf der Anodenseite der Hochtemperaturbrennstoffzelle zu einem höheren elektrischen Brennstoffzellenwirkungsgrad führt,
  • d) ein vergleichsmäßiges Temperaturprofil im Reformer zu höherer Effizienz und verlängerter Lebensdauer führt,
  • e) vor Eintritt des Reformers kein Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Oxidationsmittel vorliegt. Dies erhöht die Betriebssicherheit, da kein zündfähiges Gemisch vor der eigentlichen Reaktionszone vorliegt,
  • f) ein einheitlicher Temperaturbereich von Reformer, Stack und Nachverbrennung eine verbesserte Integration und kompaktere Bauweise ermöglicht,
  • g) das Gesamtsystem einen höheren Gesamtwirkungsgrad und geringere Emissionen aufweist.
The proposed method for operating a high-temperature fuel cell system with nitrogen-free gases using perovskite ceramics as oxygen separation membranes has the advantages that
  • a) the oxygen separation takes place at the operating temperatures of the high-temperature fuel cell system,
  • b) higher oxygen partial pressure on the cathode side of the high temperature fuel cell results in higher fuel cell electrical efficiency,
  • c) higher fuel gas partial pressure on the anode side of the high temperature fuel cell results in higher fuel cell electrical efficiency,
  • d) a comparative temperature profile in the reformer leads to higher efficiency and longer life,
  • e) before the onset of the reformer there is no mixture of hydrocarbon and oxidizing agent. This increases the operational safety, since no ignitable mixture is present before the actual reaction zone,
  • f) a uniform temperature range of reformer, stack and afterburning enables improved integration and more compact design,
  • g) the overall system has a higher overall efficiency and lower emissions.

Claims (14)

Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem mit a) einem Reformer (3) zum Umwandeln eines Brennstoffs in ein wasserstoffreiches Anodengas, b) einem Brennstoffzellenstack (4) zum Umwandeln des wasserstoffreichen Anodengases unter Zufuhr eines Kathodengases zu Strom und Wärme, c) einem Nachbrenner (5) zum Nachverbrennen eines aus dem Brennstoffzellenstack austretenden, wasserstoffabgereicherten Reformates unter Zufuhr des Kathodengases, gekennzeichnet durch d) einen Trennreaktor (2) zum Abtrennen von Sauerstoff aus Luft, wobei der im Betrieb abgetrennte Sauerstoff zumindest teilweise als Kathodengas benutzt wird.High-temperature fuel cell system with a) a reformer ( 3 ) for converting a fuel into a hydrogen-rich anode gas, b) a fuel cell stack ( 4 ) for converting the hydrogen-rich anode gas while supplying a cathode gas to electricity and heat, c) an afterburner ( 5 ) for post-combustion of a hydrogen-depleted reformate leaving the fuel cell stack while supplying the cathode gas, characterized by d) a separation reactor ( 2 ) for separating oxygen from air, wherein the oxygen separated during operation is at least partially used as cathode gas. Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennreaktor eine perowskitische Keramik (6) als Sauerstoff-Trennmembranen aufweist.High-temperature fuel cell system according to claim 1, characterized in that the separation reactor is a perovskite ceramic ( 6 ) as oxygen separation membranes. Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die perowskitische Keramik (6) unmittelbar auf einer Kathode (12) des Brennstoffzellenstacks (4) aufgetragen ist.High-temperature fuel cell system according to claim 2, characterized in that the perovskite ceramic ( 6 ) directly on a cathode ( 12 ) of the fuel cell stack ( 4 ) is applied. Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb auf der Eingangsseite (7) des Trennreaktors (2) ein höherer Druck vorhanden ist als auf der Ausgangsseite (8) des Trennreaktors (2).High-temperature fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that in operation on the input side ( 7 ) of the separation reactor ( 2 ) there is a higher pressure than on the output side ( 8th ) of the separation reactor ( 2 ). Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3) eine perowskitische Keramik (17) als Sauerstoff-Trennmembranen aufweist.High-temperature fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the reformer ( 3 ) a perovskite ceramic ( 17 ) as oxygen separation membranes. Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Edukt (19) Wasser und/oder Wasserdampf (22) zuführbar ist.High-temperature fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the educt ( 19 ) Water and / or water vapor ( 22 ) can be fed. Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (5) ausgebildet ist, katalytisch oder nicht-katalytisch nachzuverbrennen.High-temperature fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the afterburner ( 5 ) is formed, nachverbrennen catalytically or non-catalytically. Verfahren zum Erzeugen von Strom und Wärme mit Hilfe eines Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit den Schritten: a) Umwandeln des Brennstoffs in das wasserstoffreiche Anodengas in dem Reformer (3); b) Umwandeln des wasserstoffreichen Anodengases unter Zufuhr des Kathodengases zu Strom und Wärme in dem Brennstoffzellenstack (4); c) Nachverbrennen des aus dem Brennstoffzellenstack (4) austretenden, wasserstoffabgereicherten Reformates (24) unter Zufuhr des Kathodengases in dem Nachbrenner (5), gekennzeichnet durch die Schritte: d) Abtrennen des Sauerstoffs aus Luft in dem Trennreaktor (2); e) Zumindest teilweises Benutzen des abgetrennten Sauerstoffs als Kathodengas.Method for generating electricity and heat with the aid of a high-temperature fuel cell system ( 1 ) according to one of the preceding claims, comprising the steps of: a) converting the fuel into the hydrogen-rich anode gas in the reformer ( 3 ); b) converting the hydrogen-rich anode gas while supplying the cathode gas to electricity and heat in the fuel cell stack ( 4 ); c) afterburning of the fuel cell stack ( 4 ), hydrogen-depleted reformates ( 24 ) with supply of the cathode gas in the afterburner ( 5 characterized by the steps of: d) separating the oxygen from air in the separation reactor ( 2 ); e) At least partially using the separated oxygen as the cathode gas. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen des Sauerstoffs aus der Luft in dem Trennreaktor (2) mit Hilfe einer perowskitische Keramik (6) als Sauerstoff-Trennmembran erfolgt.A method according to claim 8, characterized in that the separation of the oxygen from the air in the separation reactor ( 2 ) with the help of a perovskite ceramic ( 6 ) takes place as an oxygen separation membrane. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennreaktor (2) auf der Eingangsseite (7) mit einem höheren Druck als auf der Ausgangsseite (8) betrieben wird.Process according to Claim 9, characterized in that the separation reactor ( 2 ) on the input side ( 7 ) with a higher pressure than on the output side ( 8th ) is operated. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reformer (3) mittels einer perowskitische Keramik (17) Sauerstoff aus der Luft abgetrennt wird.Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that in the reformer ( 3 ) by means of a perovskite ceramic ( 17 ) Oxygen is separated from the air. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der abgetrennte Sauerstoff an einem Katalysator mit zugeführten Kohlenwasserstoffen reagiert, um das Anodengas zu bilden.Method according to claim 11, characterized in that that the separated oxygen on a catalyst with added hydrocarbons reacts to form the anode gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Anodengas (19) Wasser und/oder Wasserdampf (22) zugeführt werden.Method according to one of claims 9 to 12, characterized in that the anode gas ( 19 ) Water and / or water vapor ( 22 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachverbrennen katalytisch oder nicht-katalytisch erfolgt.Method according to one of claims 8 to 13, characterized the post-combustion takes place catalytically or non-catalytically.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021160235A1 (en) * 2020-02-14 2021-08-19 Linde Gmbh Method and plant for the electrochemical production of oxygen

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114976140B (en) * 2022-06-17 2025-09-12 北京亿华通科技股份有限公司 A fuel cell system suitable for high-altitude operations
CN115036534B (en) * 2022-06-27 2025-12-16 北京亿华通科技股份有限公司 Fuel cell system suitable for low-oxygen environment operation
CN114976132B (en) * 2022-06-29 2024-01-26 北京亿华通科技股份有限公司 Fuel cell stack activation control method for low-oxygen environment

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2299695C (en) * 1997-08-26 2007-07-03 Shell Canada Limited Producing electrical energy from natural gas using a solid oxide fuel cell
US6609582B1 (en) * 1999-04-19 2003-08-26 Delphi Technologies, Inc. Power generation system and method
DE19954981C1 (en) * 1999-11-16 2001-06-07 Daimler Chrysler Ag Reactor used for converting a hydrocarbon or hydrocarbon derivative, especially for hydrogen recovery in a fuel cell system of a vehicle comprises a reactor unit and a heat exchanger containing a unit for selective oxygen removal
DE19954979A1 (en) * 1999-11-16 2001-06-07 Daimler Chrysler Ag Fuel cell system, e.g. for mobile use in fuel cell vehicles, has combined heat exchanger-oxygen separator unit in which oxygen separator unit is in thermal contact with product flow path
DE10035426C2 (en) * 2000-07-20 2002-09-19 Siemens Ag High temperature cell for the production of synthesis gas and free oxygen
US7250231B2 (en) * 2003-06-09 2007-07-31 Idatech, Llc Auxiliary fuel cell system
WO2004112447A2 (en) * 2003-06-11 2004-12-23 Nuvotec, Inc. Inductively coupled plasma/partial oxidation reformation of carbonaceous compounds to produce fuel for energy production
US7818959B2 (en) * 2004-09-17 2010-10-26 Eaton Corporation Clean power system
DE102005015755A1 (en) * 2005-04-06 2006-10-12 Forschungszentrum Jülich GmbH Preparing Cr evaporation free protective layer for Ce or FeCr substrate with spinel forming alloying additives for interconnector, heat exchanger and high temperature fuel cell substrates with prevention of Cr evaporation from substrate
US20070122667A1 (en) * 2005-11-28 2007-05-31 Kelley Richard H Fuel cell system with integrated fuel processor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021160235A1 (en) * 2020-02-14 2021-08-19 Linde Gmbh Method and plant for the electrochemical production of oxygen

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