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WO2011092070A1 - Brennstoffzellensystem mit verbesserter brenngaszirkulation - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit verbesserter brenngaszirkulation Download PDF

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WO2011092070A1
WO2011092070A1 PCT/EP2011/050520 EP2011050520W WO2011092070A1 WO 2011092070 A1 WO2011092070 A1 WO 2011092070A1 EP 2011050520 W EP2011050520 W EP 2011050520W WO 2011092070 A1 WO2011092070 A1 WO 2011092070A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cell
suction
fuel
fuel cell
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/050520
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Baumann
Birgit Thoben
Raphaelle Satet
Wolfgang Friede
Uwe Limbeck
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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 Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to US13/575,800 priority Critical patent/US9172102B2/en
Publication of WO2011092070A1 publication Critical patent/WO2011092070A1/de

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
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    • H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
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    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system having at least one or more fuel cells, wherein the fuel cell extends between a first end of the cell and a second end of the cell in tubular form and wherein the fuel cell is mechanically received with the first end of the cell on an inflow distribution unit and wherein the fuel cell with a fuel gas is flowed through, which enters the first end of the cell and exits as exhaust from one of the cell ends.
  • SOFC fuel cells which are used as solid oxide fuel cells ("solid oxide fuel cells").
  • tubular fuel cells have a ceramic electrolyte body which is tubular, the tube being either open on both sides or having a closed end side
  • the basic tubular form may be formed, for example, by electrolyte-supported fuel cells known as ESC (Electrolyte Supported Cells ), or by anode-based
  • Fuel cells which are referred to as ASC (anode-supported cells) formed.
  • ASC anode-supported cells
  • Electrolyte body or specified by an anode body can thus against planar designs of
  • Fuel cells are demarcated.
  • the core of such fuel cell systems form cells in which a
  • Fuel gas eg, methane, hydrogen, carbon monoxide, or a mixture
  • Fuel gas reacts to generate carbon dioxide and water while generating electricity and heat.
  • Fuel gas can flow through the tubular fuel cell and with the anode applied to the inside of the fuel cell
  • Tubular fuel cells are mechanically housed on a manifold unit, commonly referred to as a manifold. If the fuel cells are designed to be open, the fuel gas is usually introduced through the first end of the cell, via which the fuel cell is mechanically received on the distributor unit, and exits through the opposite second end of the cell. Thus, the fuel gas flows from one end to the other end of the tubular fuel cells, wherein a plurality of fuel cells can be accommodated on a distributor unit. Are the fuel cells at the second, free
  • a lance is inserted into the tubular body of the fuel cell, so that the fuel gas according to the prior art through the lance is guided to the closed end of the fuel cell, then between the lance and the inside of the electrolyte body at the anode pass back towards the distribution unit.
  • Tubular fuel cells usually have a longer life, since the one-sided clamping and the small sealing length between the
  • Fuel cell system must be arranged. However, the goal would be to increase the life, to completely dispense with the use of seals.
  • Anodenwandung can be used to generate electricity.
  • the ratio of reacted to supplied fuel gas is called gas utilization rate.
  • Excess fuel gas can be burned in an afterburner. It is therefore no longer available for power generation.
  • excess fuel gas may be partially mixed with the fresh fuel gas and returned to the stack, which is referred to as recirculation. This will be achieves the advantage that in the fuel cell system, a higher gas flow prevails without additional fuel gas must be burned. This allows operation with a longer life and high efficiency. As a rule, between 50% and 90% of the exhaust gas is recycled.
  • This object is based on a fuel cell system according to the preamble of claim 1 in conjunction with the characterizing
  • the invention includes the technical teaching that means are provided which suck off at least part of the exhaust gas emerging from the fuel cell and feed it to the inflow distributor unit for recirculation.
  • Fuel cell can be sucked off, to be fed via the recirculation back to the anode.
  • a suction of the exiting exhaust gas causing means is in a controlled manner exhaust from the
  • the exhaust of the fuel gas can be done completely or only partially.
  • the designation of the exhaust gas designates both the gas resulting from the electrochemical reaction and excess fuel gas, which as a mixture as a whole leaves the anode side of the fuel cell.
  • the residual fuel gas present in the exhaust gas can be post-combusted or fed to the recirculation for renewed feeding into the fuel cell via the distributor unit.
  • the exhaust gas extraction means according to the invention can be used in an advantageous manner for fuel cells which are designed as fuel cells open on both sides.
  • the fuel gas can enter the first cell end and exit from the second end of the cell, wherein the means for suction at the second end of the cell are provided for the extraction of the exhaust gas.
  • the means for suction can be arranged free of mechanical connection and, in particular, force-free at the open, second end of the cell, such that the mechanical absorption of the fuel cells is limited to the first end of the cell. Consequently, the fuel cells are known in the known manner only mechanically absorbed and fluidly connected via the first end of the cell on the distributor unit, which is designed as an inflow distributor unit.
  • a negative pressure can be generated in comparison to the pressure inside the cell, so that the exhaust gas emerging from the second end of the cell is at least partially exhausted by the means.
  • the second end of the cell need not be mechanically connected to the means, since the exhaust gas is sucked out of the second cell end or at a certain, limited distance from the second end of the cell by the generation of a vacuum and consequently by the formation of a suction effect.
  • the invention is based in particular on the fact that the exhaust gas is not completely recirculated. Thus it is not necessary that from the
  • the means for suction can have a suction collecting unit to suck the exhaust gas from a plurality of fuel cells.
  • the suction collection unit may have at least one or more openings into which the second cell end of the fuel cells respectively projects or at least is arranged in front of it.
  • a gap between the opening and the second end of the cell may be provided in order to avoid a tension of the cells between the inflow distributor unit and the suction collecting unit.
  • each cell end of the fuel cell system is associated with an opening into which protrudes the cell end or in front of which the cell end is arranged at a preferably small distance.
  • each opening can be assigned at least one suction hood and preferably connected to the suction collecting unit, wherein the
  • Suction hood the open, second end of the cell in particular such outside surrounds that no or only a minimal amount of fuel gas or exhaust gas escapes between the second end of the cell and the suction hood.
  • the suction hood can be made geometrically different, so that, for example, in a cup-like design of the suction hood, the second end of the cell is enclosed on the outside.
  • a conical, end-to-end or collar-like design of the suction hood can minimize the amount of fuel gas escaping between the second end of the cell and the suction hood. Is a subset to escape the fuel gas between the second end of the cell and the hood
  • the suction hood may have a chamfer to effect a controlled flame formation.
  • a filler in particular a metal or ceramic fleece, may be provided between the second cell end and the suction hood.
  • the filler may be formed of a refractory material, the filler on the one hand prevents the escape of an increased amount of exhaust gas, on the other hand, the exiting through the filler residual gas can be ignited after the filler.
  • respective funnels may be present above the second cell end, via which exhaust gas emerging from the second cell end is sucked off.
  • the means for suction may comprise a suction line, wherein the funnels are connected to the suction collecting unit or to the suction line and in particular in the fluidic
  • Connection between the hoppers and the suction line or the suction collecting unit throttle elements can be arranged.
  • the suction flow of the respective funnels can be made the same, so that a pressure drop across the length of the suction line in a plurality of funnels still a constant suction power for each funnel is achieved.
  • the suction power can be adjusted via the throttle element (s) in such a way that the amount of exhaust gas sucked off and of exhaust gas which can escape and be ignited can be regulated.
  • a central throttling can be provided, via which the suction power of all funnels can be changed centrally. If the suction power is increased, the ratio of leaking to changes
  • the inflow distributor unit and / or the suction collecting unit can be equipped with internal baffles.
  • the inflow distributor unit and / or the suction collecting unit can be equipped with internal baffles.
  • An embodiment with two recirculation compressors at at least two ends of the inflow distributor unit and / or the suction accumulator unit also contributes to a more homogeneous gas distribution.
  • the suction means may comprise suction elements which protrude at least partially into the second cell end of the fuel cells, wherein the suction elements, for example as a hose or
  • Pipe elements are formed. Furthermore, bell-shaped insulators may be provided and surround the suction elements to all of the second end of the exhaust to suck off exiting exhaust gas via the suction elements. These bells can be placed over the suction element.
  • the means for suction at least partially protrude into the cell end.
  • at least one compressor is provided which recirculates
  • the compressor is used to form a
  • a reformer can be heated to produce hydrogen-rich gas from, for example, methane gas or
  • the present invention is further directed to a fuel cell system with fuel cells, which are designed as unilaterally closed fuel cells, wherein the means for suction with the first end of the cell fluidly in
  • inventive principle of extraction of the exhaust gas also allows for unilaterally closed tubular fuel cells, wherein the exhaust gas through the
  • the means for suction comprise a suction device, for example in the form of a blower or generally a compressor with the or at the first end of the cell in the lance a negative pressure is generated, so that the exhaust gas is sucked through the lance.
  • the lance is preferably mounted on the inflow distributor unit so that it forms at least part of the fluidic connection between the suction device and the lance, so that the fuel gas enters the first cell end in an annular manner around the lance and as exhaust gas in the region of the second cell end the lance is sucked off.
  • Fuel gas or the exhaust gas proposed over the known from the prior art flow direction is passed via the lance to the second end of the cell, where it exits and flows around the inside of the electrolyte body attached anode.
  • the fuel gas flows in an annular manner around the lance in the direction of the first cell end and consequently in the direction of the inflow distributor unit.
  • the hot area is thus limited to the area of the second end of the cell.
  • the advantage is achieved that the fuel cells are sucked via their flange to the inflow distributor unit, so that more
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of
  • FIG. 2 shows the embodiment of the present invention according to FIG. 1 with a further possible arrangement of the means for suction
  • FIG. 3 is a view of the embodiment of FIG. 1 with a further embodiment of extraction means according to the invention
  • Figure 4 is a schematic view of the recirculation and the further use of the extracted exhaust gas according to the embodiment of Figure 1 and
  • Figure 5 shows a second embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a fuel cell system 1 with the features of the present invention.
  • the schematic view shows five mutually parallel fuel cells 10, which are tubular
  • Fuel cells 10 are executed and extend from a first end of the cell 10a to a second end of the cell 10b.
  • the fuel cells 10 are designed as fuel cells 10 that are open on both sides, so that fuel gas supplied via an inflow distributor unit 11 enters the first cell end 10a into the fuel cell 10 and exits again from the second cell end 10b.
  • the fuel is supplied via an inlet line 20 of the inflow distributor unit 1 1 and allocated by the distributor unit 1 1 all fuel cells 10.
  • the fuel cells 10 are mechanically received by the inflow distributor unit 1 1 and extend in the direction of a suction collecting unit 12.
  • the top view shows in a cross section the fuel cells 10, which extend into openings 13 in the suction collecting unit 12th available.
  • a negative pressure is generated, is suctioned through the suction of the exiting from the second end of the cell 10 b exhaust gas and led away via a suction line 23.
  • a compressor 19 for example designed as a fan, a part of the extracted via the suction line 23 exhaust gas of the supply line 20 is supplied again to get back into the fuel cell 10.
  • Fuel cell system 1 are implemented. In this case, the supply line 24 is not necessary. Alternatively, the fuel can be metered through the supply line 24 in front of the compressor. If the system is operated with reformer, this z. B. before the influx distribution unit 1 1 to order.
  • the strength of the negative pressure in the suction collecting unit 12 in relation to the pressure at the respective cell end 10 b is dimensioned such that an exhaust gas can be exhausted without passing through the gap between the opening 13 and the air of the fuel cell 10 is sucked in via the suction collecting unit 12 and supplied via the compressor 19 for recirculation of the feed line 20.
  • Vacuum be sized so that a portion of the exhaust gas between the openings 13 and the second end of the cell 10b escapes to the outside.
  • the pressure generated in the suction collecting unit 12 at any opening is higher than the pressure of the exhaust gas in the second cell end 10b.
  • suction hoods 13a, 13b or 13c may be provided, wherein between the suction hood 13a, 13b or 13c and the second cell end 10b, a filler 14, for example, designed as a metal or ceramic nonwoven, may be introduced.
  • the suction hood 13a surrounds the second end of the cell 10b cup-shaped or annular.
  • the suction hood 13b has chamfers on opposite sides, wherein the suction hood 13c has a continuous chamfer to one side.
  • the bevels advantageously effect a controlled gas flow of the exiting gas. If the escaping gas is ignited, can by the bevels of the
  • Suction hoods 13b and 13c controlled flame formation can be achieved and in particular the heating of the suction collecting unit can be reduced.
  • a reformer which is heated by the heat generated by the escaping, ignited fuel gas.
  • methane gas or methanol can be reformed to carbon monoxide and hydrogen by the reformer.
  • the heat can be supplied to another use in the manner of a cogeneration.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the means for extracting the
  • the means comprise funnels 15 into which the second cell ends 10b of the fuel cell 10.
  • the funnels 15 are at a common
  • Suction line 16 is arranged so that by a negative pressure in the
  • Suction line 16 a suction of the exhaust gas with the funnels 15 is made possible. Between the funnels 15 and the suction line 16 are exemplary
  • Throttle elements 17 are shown, so that the suction power in each hopper 15 is individually adjustable. Also according to this embodiment of the means for
  • Extraction can via a compressor 19 from the suction line 16 of the Supply line 20 exhaust gas to be recirculated for recirculation.
  • This is in turn assigned to the fuel cells 10 via the inflow distributor unit 1 1.
  • the funnels 15 can also be designed geometrically differently, in particular bevels may be provided to ignite between the second end of the cell 10 b and the funnel 15 exiting fuel gas with controlled flame formation.
  • FIG. 3 shows means for extracting the exhaust gas from the fuel cells 10, which are designed as suction elements 18, which project at least partially into the second cell end 10b.
  • the suction line 23 is in the
  • Suction elements 18 generates a negative pressure, and the fuel gas is sucked out of the fuel cell 10 in the region of the second cell end 10b.
  • a bell may further be provided which extends around the second cell end 10b.
  • a metal or ceramic fleece between cell end 10b and suction elements 18 reduce the amount of gas escaping by firing the cell like a plug. The mechanical clamping of the cell ends 10b is then ensured by the flexibility of this fleece or by a flexible suction element 18.
  • FIG. 4 shows schematically the fuel cell system 1 with several
  • a negative pressure can be generated via the suction collecting unit 12 via a suction line 23 in order to suck off the exhaust gas from the fuel cells 10, which contains residual components of fuel gas.
  • a compressor 19 is shown by way of example to supply parts of the extracted exhaust gas of the supply line 20 again. Another part of the extracted exhaust gas can from the suction line 23 via a
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a fuel cell system 2 according to the present invention. Shown herein are two fuel cells 30 received on an inflow manifold 33. The fuel cells 30 are accommodated via a first cell end 30a, wherein the fuel cells 30 are preferably designed as tubular SOFC fuel cells 30 with an internal anode, which is a closed second
  • the fuel cells 30 have a shape predetermining support body, which is formed for example by the electrolyte body or the anode body.
  • Lances 31 are introduced into the fuel cells 30 and extend through the fuel cells 30 almost to the closed second cell end 30b.
  • the fuel is first fed to the inflow distributor unit 33 via a fuel feed 35.
  • the fuel supply 35 has a direct fluid connection with the interior of the fuel cells 30.
  • the lances 31 are fluidically connected to a suction device 32, so that a negative pressure is generated in the lances 31 via the suction device 32.
  • the exhaust gas is exhausted via the lances 31 and consequently in the region of the second cell end 30b.
  • the electrolyte bodies 37 have a flange 34 that forms a coplanar surface with the top of the inflow manifold 33. If the flanges 34 and the top of the inflow distribution unit 33 are ground appropriately, the pressure ratio generated in the fuel cells 30 that is set so that the pressure on the cathode side 40 (outside) is higher than that on the anode side (inside) , suction of the fuel cells 30 to the inflow distribution unit 33 are effected. Thus, sealing means such as glass solders between the fuel cells 30 and the inflow distributor unit 33 can be avoided.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of Variants conceivable, which makes use of the solution shown even in fundamentally different versions. All features and / or advantages of the claims, specification, or drawings, including structural details, physical arrangements, and method steps, may be employed per se or in various contexts
  • Embodiment find according to Figure 5 application. Further, a portion of the exhaust gas exhausted by the suction device 32 may be subjected to combustion to heat, for example, a reformer for providing hydrogen-rich gas.
  • a reformer for providing hydrogen-rich gas.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1, 2) mit zumindest einer oder mehreren Brennstoffzellen (10, 30), wobei sich die Brennstoffzelle (10, 30) zwischen einem ersten Zellenende (10a, 30a) und einem zweiten Zellenende (10b, 30b) in tubulärer Form erstreckt und wobei die Brennstoffzelle (10, 30) mit dem ersten Zellenende (10a, 30a) auf einer Zustrom-Verteilereinheit (11, 33) mechanisch aufgenommen ist und wobei die Brennstoffzelle (10, 30) mit einem Brenngas durchströmt wird, welches in das erste Zellenende (10a, 30a) eintritt und als Abgas aus einem der Zellenenden (10a, 10b, 30a, 30b) austritt. Erfindungsgemäß sind Mittel (12, 16, 18, 32) vorgesehen, die wenigstens einen Teil des aus der Brennstoffzelle (10) austretenden Abgases absaugen und der Zustrom-Verteilereinheit (11, 33) zur Rezirkulation zuführen.

Description

Titel
Brennstoffzellensvstem mit verbesserter Brenngaszirkulation
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer oder mehreren Brennstoffzellen, wobei sich die Brennstoffzelle zwischen einem ersten Zellenende und einem zweiten Zellenende in tubulärer Form erstreckt und wobei die Brennstoffzelle mit dem ersten Zellenende auf einer Zustrom- Verteilereinheit mechanisch aufgenommen ist und wobei die Brennstoffzelle mit einem Brenngas durchströmt wird, welches in das erste Zellenende eintritt und als Abgas aus einem der Zellenenden austritt.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme der hier interessierenden Art betreffen sogenannte SOFC- Brennstoffzellen, die als Festoxid-Brennstoffzellen („Solid-Oxide-Fuel-
Cell") bezeichnet werden. Derartige Brennstoffzellen besitzen einen keramischen Elektrolytkörper, der röhrenförmig ausgeführt ist, wobei die Röhre entweder beidseitig geöffnet ist oder eine geschlossene Endseite aufweist. Die tubuläre Grundform kann z. B. durch elektrolytgestützte Brennstoffzellen, die als ESC (Electrolyte Supported Cells) bezeichnet werden, oder durch anodengestützte
Brennstoffzellen, die als ASC (Anode- Supported- Cells) bezeichnet werden, gebildet sein. Damit ist die tubuläre Grundform entweder durch den
Elektrolytkörper oder durch einen Anodenkörper vorgegeben. Durch die tubuläre, röhrenförmige Form mit zwei geöffneten oder einem geschlossen und einem geöffneten Ende können sie somit gegen planare Bauformen von
Brennstoffzellen abgegrenzt werden.
Den Kern derartiger Brennstoffzellensysteme bilden Zellen, in denen ein
Brenngas (z. B. Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder eine Mischung) unter Entstehung von Strom und Wärme zu Kohlendioxid und Wasser reagiert. Der
Anodenseite muss dabei Erdgas zugeführt werden, das vorher durch katalytische Vorreformierung je nach Systemkonzept ganz oder teilweise zu Wasserstoff umgewandelt wurde. Der Kathode wird dabei Luft zugeführt, wobei die Kathode bei tubulären Brennstoffzellen meist außenseitig aufgebracht ist, und das
Brenngas kann durch die röhrenförmige Brennstoffzelle hindurchströmen und mit der auf der Innenseite der Brennstoffzelle aufgebrachten Anode in
elektrochemische Wechselwirkung treten.
Tubuläre Brennstoffzellen werden auf einer Verteilereinheit, allgemein als Manifold bezeichnet, mechanisch aufgenommen. Sind die Brennstoffzellen offen ausgeführt, so wird meist das Brenngas durch das erste Zellenende, über das die Brennstoffzelle auf der Verteilereinheit mechanisch aufgenommen ist, eingeleitet und tritt über das gegenüberliegende zweite Zellenende aus dieser wieder aus. Damit strömt das Brenngas von einem Ende zum anderen Ende der tubulären Brennstoffzellen, wobei mehrere Brennstoffzellen auf einer Verteilereinheit aufgenommen sein können. Sind die Brennstoffzellen am zweiten, freien
Zellenende geschlossen ausgeführt, so wird eine Lanze in den tubulären Körper der Brennstoffzelle eingeführt, so dass das Brenngas gemäß dem Stand der Technik durch die Lanze bis an das geschlossene Ende der Brennstoffzelle geführt wird, um dann zwischen Lanze und der Innenseite des Elektrolytkörpers an der Anode vorbei wieder in Richtung zur Verteilereinheit zurückzuströmen.
Tubuläre Brennstoffzellen weisen in der Regel eine höhere Lebensdauer auf, da die einseitige Einspannung und die geringe Dichtlänge zwischen der
Brennstoffzelle und der Verteilereinheit thermomechanische Spannungen vermeiden. Vor allem können Dichtungen, die in der Regel aus Glaslot gebildet sind, bei Betriebszeiten von 40.000 bis 150.000 Stunden eine größere
Beständigkeit aufweisen, wenn diese nicht im heißen Bereich des
Brennstoffzellensystems angeordnet werden müssen. Zielführend wäre es jedoch für die Erhöhung der Lebensdauer, auf die Verwendung von Dichtungen vollständig zu verzichten.
Um eine gleichmäßige Zuführung von Brenngas in die gesamte Brennstoffzelle und eine ausreichend gute Verteilung des Brenngases in der Zelle zu erhalten, muss mehr Brenngas zugeführt werden, als elektrochemisch über die
Anodenwandung zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das Verhältnis von umgesetztem zu zugeführtem Brenngas wird Gasnutzungsgrad genannt.
Überschüssiges Brenngas kann in einem Nachbrenner verbrannt werden. Es steht dadurch für die Stromerzeugung nicht mehr zur Verfügung. Alternativ kann überschüssiges Brenngas teilweise mit dem frischen Brenngas gemischt und dem Stack wieder zugeführt werden, was als Rezirkulation bezeichnet wird. Damit wird der Vorteil erreicht, dass im Brennstoffzellensystem ein höherer Gasfluss herrscht, ohne dass zusätzliches Brenngas verbrannt werden muss. Dies ermöglicht einen Betrieb mit höherer Lebensdauer und gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Dabei werden in der Regel zwischen 50 % und 90 % des Abgases zurückgeführt.
Bei endseitig offenen Brennstoffzellen ergibt sich das Problem, einen Teil des Abgases, welches unverbranntes Brenngas enthält, zur Rezirkulation der Verteilereinheit wieder zuzuführen. Durch Wärmedehnung und weitere thermische Effekte ist es häufig von Nachteil, die tubulären Brennstoffzellen sowohl über das erste Zellenende als auch über das zweite Zellenende mechanisch einzuspannen, beispielsweise, um das aus dem zweiten Zellenende austretende Abgas aufzunehmen und abzuleiten. Folglich wird häufig das vollständige Abgas mit einem hohen Anteil an durch elektrochemische
Umsetzung ungenutztem Brenngas verbrannt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer verbesserten Brenngaszirkulation zu schaffen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer verlängerten Lebensdauer bereitzustellen. Darüber hinaus ist es die besondere Aufgabe der Erfindung, unverbranntes Brenngas auf vorteilhafte Weise einer Rezirkulation zuzuführen, wobei zugleich eine mechanische und thermische Belastung der Brennstoffzelle und entsprechender Dichtelemente minimiert wird.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass Mittel vorgesehen sind, die wenigstens einen Teil des aus der Brennstoffzelle austretenden Abgases absaugen und der Zustrom-Verteilereinheit zur Rezirkulation zuführen. Damit wird der Vorteil erreicht, dass überschüssiges Brenngas aus der
Brennstoffzelle abgesaugt werden kann, um über die Rezirkulation wieder der Anode zugeführt zu werden. Durch die eine Absaugung des austretenden Abgases bewirkenden Mittel wird auf kontrollierte Weise Abgas aus der
Brennstoffzelle abgesaugt, wobei die Absaugung des Brenngases vollständig oder lediglich zum Teil erfolgen kann. Unter der Bezeichnung des Abgases wird vorliegend sowohl das aus der elektrochemischen Reaktion entstehende Gas als auch überschüssiges Brenngas bezeichnet, welches als Gemisch insgesamt die Anodenseite der Brennstoffzelle verlässt. Das im Abgas vorhandene Rest- Brenngas kann nachverbrannt werden oder der Rezirkulation zur erneuten Einspeisung in die Brennstoffzelle über die Verteilereinheit zugeführt werden.
Die erfindungsgemäßen Mittel zur Absaugung des Abgases können auf vorteilhafte Weise für Brennstoffzellen Anwendung finden, die als beidseitig offene Brennstoffzellen ausgebildet sind. Dabei kann das Brenngas in das erste Zellenende eintreten und aus dem zweiten Zellenende austreten, wobei die Mittel zur Absaugung am zweiten Zellenende zur Absaugung des Abgases vorgesehen sind. Um eine beidseitige Einspannung der Brennstoffzelle zu vermeiden, können die Mittel zur Absaugung frei von einer mechanischen Verbindung und insbesondere kräftefrei am offenen, zweiten Zellenende angeordnet werden, derart, dass die mechanische Aufnahme der Brennstoffzellen auf das erste Zellenende begrenzt ist. Folglich sind die Brennstoffzellen nach bekannter Bauart lediglich über das erste Zellenende auf der Verteilereinheit mechanisch aufgenommen und fluidisch angebunden, die als Zustrom-Verteilereinheit ausgeführt ist. In den Mitteln zur Absaugung kann im Vergleich zum Druck im Inneren der Zelle ein Unterdruck erzeugt werden, so dass das aus dem zweiten Zellenende austretende Abgas durch die Mittel wenigstens teilweise abgesaugt wird. Dazu muss das zweite Zellenende nicht mechanisch mit den Mitteln verbunden sein, da durch die Erzeugung eines Unterdrucks und folglich durch die Bildung einer Saugwirkung das Abgas aus dem zweiten Zellenende oder in einem gewissen, begrenzten Abstand zum zweiten Zellenende abgesaugt wird. Der Erfindung liegt insbesondere die Tatsache zu Grunde, das Abgas nicht vollständig zu rezirkulieren. Damit ist es nicht notwendig, das aus der
Brennstoffzelle austretende Abgas vollständig zu erfassen, so dass die Dichtheit zwischen dem Zellenende und den Mitteln zur Absaugung nicht vollständig hergestellt sein muss. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform können die Mittel zur Absaugung eine Absaug-Sammeleinheit aufweisen, um aus mehreren Brennstoffzellen das Abgas abzusaugen. Die Absaugsammeleinheit kann wenigstens eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, in die das zweite Zellenende der Brennstoffzellen jeweils hineinragt oder wenigstens vor dieser angeordnet ist. Dabei kann ein Spalt zwischen der Öffnung und dem zweiten Zellenende vorgesehen sein, um eine Verspannung der Zellen zwischen der Zustrom-Verteilereinheit und der Absaug- Sammeleinheit zu vermeiden. Insbesondere ist jedoch jedem Zellenende des Brennstoffzellensystems eine Öffnung zugeordnet, in die das Zellenende hineinragt oder vor der das Zellenende mit einem vorzugsweise geringen Abstand angeordnet ist.
Weiterführend kann jeder Öffnung wenigstens eine Absaughaube zugeordnet und vorzugsweise mit der Absaug-Sammeleinheit verbunden sein, wobei die
Absaughaube das offene, zweite Zellenende insbesondere derart außenseitig umschließt, dass zwischen dem zweiten Zellenende und der Absaughaube keine oder nur eine minimale Menge an Brenngas bzw. Abgas entweicht. Dabei kann die Absaughaube geometrisch unterschiedlich ausgeführt sein, so dass beispielsweise bei einer topfartigen Ausführung der Absaughaube das zweite Zellenende außenseitig umschlossen wird. Eine kegelartige, sich endseitig verjüngende oder kragenartig geschlossene Ausführung der Absaughaube kann die Menge des zwischen dem zweiten Zellenende und der Absaughaube entweichenden Brenngases minimieren. Ist eine Teilmenge zum Entweichen des Brenngases zwischen dem zweiten Zellenende und der Absaughaube
gewünscht, um dieses anschließend zu entzünden, kann die Absaughaube eine Anschrägung aufweisen, um eine kontrollierte Flammenbildung zu bewirken.
Vorteilhafterweise kann zwischen dem zweiten Zellenende und der Absaughaube ein Füllstoff, insbesondere ein Metall- oder Keramikvlies, vorgesehen sein.
Insbesondere kann der Füllstoff aus einem feuerfesten Material ausgebildet sein, wobei der Füllstoff einerseits den Austritt einer vergrößerten Menge an Abgas verhindert, andererseits kann das durch den Füllstoff austretende Restgas nach dem Füllstoff entzündet werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zur Ausbildung der Mittel zur Absaugung von Abgas können über dem zweiten Zellenende jeweilige Trichter vorhanden sein, über die aus dem zweiten Zellenende austretendes Abgas abgesaugt wird. Ferner können die Mittel zur Absaugung eine Saugleitung umfassen, wobei die Trichter mit der Absaug-Sammeleinheit oder mit der Saugleitung verbunden sind und wobei insbesondere in der fluidischen
Verbindung zwischen den Trichtern und der Saugleitung bzw. der Absaug- Sammeleinheit Drosselelemente angeordnet sein können. Über die
Drosselelemente kann der Saugstrom der jeweiligen Trichter gleich ausgebildet werden, so dass ein Druckabfall über der Länge der Saugleitung bei Anordnung mehrerer Trichter dennoch eine gleich bleibende Saugleistung für jeden Trichter erzielt wird.
Mit weiterem Vorteil kann über das oder die Drosselelement/-e die Saugleistung so eingestellt werden, dass die Menge an abgesaugtem Abgas und an entweichendem und zu entzündenden Abgas reguliert werden kann. Hierfür kann neben den einzelnen Drosselelementen eine zentrale Drosselung vorgesehen sein, über die die Saugleistung aller Trichter zentral veränderbar ist. Wird die Saugleistung erhöht, ändert sich das Verhältnis von austretendem zu
zurückgeführtem Gas.
Um eine gleichmäßige Verteilung zwischen den Zellen zu gewährleisten, können die Zustrom-Verteilereinheit und/oder die Absaug-Sammeleinheit mit innen liegenden Leitblechen ausgerüstet sein. Neben dem Einsatz von Röhrenzellen mit unterschiedlichem Innendurchmesser kann auch der Durchmesser der Öffnungen in der Absaug- Sammeleinheit variiert werden oder die Porosität oder Menge des Füllstoffes zwischen Öffnung und Zelle kann unterschiedlich ausgestaltet werden. Eine Ausführungsform mit zwei Rezirkulationsverdichtern an wenigstens zwei Enden der Zustrom-Verteilereinheit und/oder der Absaug- Sammeleinheit trägt ebenfalls zu einer homogeneren Gasverteilung bei.
Als weitere Ausführungsform können die Mittel zur Absaugung Saugelemente aufweisen, die wenigstens teilweise in das zweite Zellenende der Brennstoffzellen hineinragen, wobei die Saugelemente beispielsweise als Schlauch- oder
Rohrelemente ausgebildet sind. Ferner können glockenartige Isolatoren vorgesehen sein und die Saugelemente umschließen, um sämtliches aus dem zweiten Zellenende austretendes Abgas über die Saugelemente abzusaugen. Diese Glocken können über dem Saugelement angeordnet werden. Damit ragen die Mittel zur Absaugung wenigstens teilweise in das Zellenende hinein. Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Verdichter vorgesehen, der rezirkuliertes
Abgas aus der Absaug-Sammeleinheit bzw. aus der Saugleitung einer
Zulaufleitung zuführt. Der Verdichter dient zur Bildung eines
Rezirkulationskreislaufes, um wenigstens einen Teil des abgesaugten Abgases oder das abgesaugte Abgas vollständig der Zuteilung zuzuführen, die über die Zustrom-Verteilereinheit in die Brennstoffzellen geleitet wird.
Mit weiterem Vorteil kann durch das Entzünden wenigstens eines Teils der Reste von Brenngas, die zwischen dem zweiten Zellenende der Brennstoffzellen und den Mitteln zur Absaugung entweichen, ein Reformer geheizt werden, der zur Erzeugung von wasserstoffreichem Gas aus beispielsweise Methangas oder
Methanol dient.
Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen, die als einseitig geschlossene Brennstoffzellen ausgebildet sind, wobei die Mittel zur Absaugung mit dem ersten Zellenende fluidisch in
Verbindung stehen, so dass das Brenngas über das erste Zellenende ein- und austritt und wobei vorzugsweise eine Lanze vorgesehen ist, durch die das Brenngas aus der Brennstoffzelle absaugbar ist. Damit wird das
erfindungsgemäße Prinzip der Absaugung des Abgases auch für einseitig geschlossene tubuläre Brennstoffzellen ermöglicht, wobei das Abgas durch die
Lanze, die sich durch die Brennstoffzelle hindurch erstreckt, abgesaugt wird.
Die Mittel zur Absaugung umfassen eine Saugeinrichtung, beispielsweise in Form eines Gebläses oder allgemein eines Verdichters mit der bzw. mit dem am ersten Zellenende in der Lanze ein Unterdruck erzeugt wird, so dass das Abgas durch die Lanze abgesaugt wird. Die Lanze ist vorzugsweise auf der Zustrom- Verteilereinheit angebracht, so dass diese wenigstens einen Teil der fluidischen Verbindung zwischen der Saugeinrichtung und der Lanze bildet, so dass das Brenngas ringförmig um die Lanze in das erste Zellenende eintritt und im Bereich des zweiten Zellenendes als Abgas durch die Lanze abgesaugt wird. Damit wird erfindungsgemäß eine Umkehr der Strömungsrichtung des
Brenngases bzw. des Abgases gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsrichtung vorgeschlagen. Gewöhnlich wird das Brenngas über die Lanze bis an das zweite Zellenende geleitet, wo dieses austritt und die innenseitig auf dem Elektrolytkörper angebrachte Anode umspült. Damit strömt das Brenngas ringförmig um die Lanze in Richtung zum ersten Zellenende und folglich in Richtung zur Zustrom-Verteilereinheit. Hingegen wird vorliegend vorgeschlagen, durch ein Absaugen des Abgases durch die Lanzen ein ringförmiges Umströmen der Lanze mit unverbranntem Brenngas in die
Brennstoffzelle einzusaugen. Folglich bildet sich eine vorteilhafte
Temperaturverteilung aus und es ist im Bereich des ersten Zellenendes der Brennstoffzelle eine weitere Senkung der Temperatur ermöglicht. Der heiße Bereich wird damit auf den Bereich des zweiten Zellenendes begrenzt.
Weiterhin wird der Vorteil erreicht, dass die Brennstoffzellen über ihren Flansch an die Zustrom-Verteilereinheit angesaugt werden, so dass weitere
Dichteinrichtungen entfallen können. Insbesondere kann durch jeweiliges
Planschleifen der Anlage des Flansches sowie der Anlage der Zustrom- Verteilereinheit allein durch die Plananlage eine hinreichende Dichtwirkung erzielt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung mit beidseitig geöffneten Brennstoffzellen,
Figur 2 das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß Figur 1 mit einer weiteren möglichen Anordnung der Mittel zur Absaugung,
Figur 3 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels der Figur 1 mit einer weiteren Ausgestaltung erfindungsgemäßer Mittel zur Absaugung, Figur 4 eine schematische Ansicht der Rezirkulation und der weiteren Nutzung des abgesaugten Abgases gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Figur 1 und
Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems mit endseitig geschlossenen Brennstoffzellen.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 1 mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Die schematische Ansicht zeigt fünf parallel zueinander angeordnete Brennstoffzellen 10, die als tubuläre
Brennstoffzellen 10 ausgeführt sind und sich von einem ersten Zellenende 10a bis zu einem zweiten Zellenende 10b erstrecken. Die Brennstoffzellen 10 sind als beidseitig offene Brennstoffzellen 10 ausgeführt, so dass über eine Zustrom- Verteilereinheit 1 1 zugeführtes Brenngas in das erste Zellenende 10a in die Brennstoffzelle 10 eintritt und aus dem zweiten Zellenende 10b wieder austritt. Der Brennstoff wird über eine Zulaufleitung 20 der Zustrom-Verteilereinheit 1 1 zugeführt und durch die Verteilereinheit 1 1 allen Brennstoffzellen 10 zugeteilt. Die Brennstoffzellen 10 sind durch die Zustrom-Verteilereinheit 1 1 mechanisch aufgenommen und erstrecken sich in Richtung einer Absaug-Sammeleinheit 12. Die oberseitige Ansicht zeigt in einem Querschnitt die Brennstoffzellen 10, die sich in Öffnungen 13 hinein erstrecken, die in der Absaug-Sammeleinheit 12 vorhanden sind. In der Absaug-Sammeleinheit 12 bzw. in den Öffnungen 13 wird ein Unterdruck erzeugt, durch den eine Absaugung des aus dem zweiten Zellenende 10b austretenden Abgases abgesaugt und über eine Absaugleitung 23 weggeführt wird. Über einen Verdichter 19, beispielsweise als Gebläse ausgeführt, wird ein Teil des über die Absaugleitung 23 abgesaugten Abgases der Zulaufleitung 20 wieder zugeführt, um erneut in die Brennstoffzellen 10 zu gelangen. Damit kann das Prinzip der Rezirkulation des Abgases im
Brennstoffzellensystem 1 umgesetzt werden. In diesem Fall ist die Zuleitung 24 nicht notwendig. Alternativ kann der Brennstoff durch die Zuleitung 24 vor dem Verdichter dosiert werden. Wird das System mit Reformer betrieben, so ist dieser z. B. vor der Zustrom-Verteileinheit 1 1 anzuordnen.
Die Stärke des Unterdrucks in der Absaug-Sammeleinheit 12 im Verhältnis zum Druck am jeweiligen Zellende 10b ist derart bemessen, dass eine Absaugung des Abgases erfolgen kann, ohne dass durch den Spalt zwischen der Öffnung 13 und dem der Brennstoffzellen 10 Luft über die Absaug-Sammeleinheit 12 mit angesaugt und über den Verdichter 19 zur Rezirkulation der Zulaufleitung 20 zugeführt wird. Dabei kann der in der Absaug-Sammeleinheit 12 erzeugte
Unterdruck derart bemessen sein, dass ein Teil des Abgases zwischen den Öffnungen 13 und dem zweiten Zellenende 10b nach außen entweicht. Mit Vorteil ist der in der Absaug-Sammeleinheit 12 erzeugte Druck folglich an keiner Öffnung höher als der Druck des Abgases im zweiten Zellenende 10b.
An den Öffnungen 13 können Absaughauben 13a, 13b oder 13c vorgesehen sein, wobei zwischen der Absaughaube 13a, 13b oder 13c und dem zweiten Zellenende 10b ein Füllstoff 14, beispielsweise ausgeführt als Metall- oder Keramikvlies, eingebracht sein kann. Die Absaughaube 13a umschließt das zweite Zellenende 10b topfförmig oder ringförmig. Die Absaughaube 13b weist auf sich gegenüberliegenden Seiten Abschrägungen auf, wobei die Absaughaube 13c eine durchgehende Abschrägung zu einer Seite besitzt. Die Abschrägungen bewirken mit Vorteil einen kontrollierten Gasfluss des austretenden Gases. Wird das austretende Gas entzündet, kann durch die Abschrägungen der
Absaughauben 13b und 13c eine kontrollierte Flammenbildung erreicht werden und insbesondere die Erwärmung der Absaug-Sammeleinheit reduziert werden. Insbesondere kann auf nicht näher gezeigte Weise oberhalb der Absaug- Sammeleinheit 12 ein Reformer angeordnet werden, der durch die erzeugbare Wärme des entweichenden, entzündeten Brenngases geheizt wird. Durch den Reformer kann beispielsweise Methangas oder Methanol zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff reformiert werden. Alternativ kann die Wärme einer weiteren Nutzung nach Art einer Kraft-Wärme-Kopplung zugeführt werden.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Mittel zur Absaugung des
Abgases, das aus dem zweiten Zellenende 10b der Brennstoffzellen 10 austritt. Die Mittel weisen Trichter 15 auf, in die die zweiten Zellenenden 10b der
Brennstoffzellen 10 hineinragen. Die Trichter 15 sind an einer gemeinsamen
Saugleitung 16 angeordnet, so dass durch einen Unterdruck in der
Saugleitung 16 eine Absaugung des Abgases mit den Trichtern 15 ermöglicht wird. Zwischen den Trichtern 15 und der Saugleitung 16 sind beispielhaft
Drosselelemente 17 gezeigt, so dass die Saugleistung in jedem Trichter 15 einzeln verstellbar ist. Auch gemäß dieser Ausführungsform der Mittel zur
Absaugung kann über einen Verdichter 19 aus der Absaugleitung 16 der Zulaufleitung 20 Abgas zur Rezirkulation wieder zugeführt werden. Dieses wird wiederum über die Zustrom-Verteilereinheit 1 1 den Brennstoffzellen 10 zugeteilt. Die Trichter 15 können ebenfalls geometrisch unterschiedlich ausgestaltet sein, wobei insbesondere Abschrägungen vorgesehen sein können, um zwischen dem zweiten Zellenende 10b und dem Trichter 15 austretendes Brenngas mit kontrollierter Flammenbildung zu entzünden.
Figur 3 zeigt Mittel zur Absaugung des Abgases aus den Brennstoffzellen 10, die als Saugelemente 18 ausgeführt sind, die wenigstens teilweise in das zweite Zellenende 10b hineinragen. Über die Absaugleitung 23 wird in den
Saugelementen 18 ein Unterdruck erzeugt, und das Brenngas wird im Bereich des zweiten Zellenendes 10b aus den Brennstoffzellen 10 herausgesaugt. Um austretendes Abgas zwischen dem Saugelement 18 und dem zweiten Zellenende 10b zu minimieren, kann ferner eine Glocke vorgesehen sein, die sich um das zweite Zellenende 10b herum erstreckt. Damit wird eine alternative Ausgestaltung der Mittel zur Absaugung des Abgases gegenüber den in Figur 1 und Figur 2 gezeigten Ausführungen aufgezeigt. Hier kann nicht näher dargestellt ein Metalloder Keramikvlies zwischen Zellende 10b und Saugelementen 18 die austretende Gasmenge reduzieren, indem es wie ein Stopfen die Zelle verschießt. Die mechanische Einspannung der Zellenden 10b wird dann durch die Flexibilität dieses Vlieses oder durch ein flexibles Saugelement 18 sichergestellt.
Figur 4 zeigt schematisch das Brennstoffzellensystem 1 mit mehreren
Brennstoffzellen 10, die auf der Zustrom-Verteilereinheit 1 1 angeordnet sind. Über die Absaug-Sammeleinheit 12 kann wiederum über eine Absaugleitung 23 ein Unterdruck erzeugt werden, um das Abgas aus den Brennstoffzellen 10 abzusaugen, welches Restbestandteile von Brenngas enthält. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Verdichter 19 beispielhaft gezeigt, um Teile des abgesaugten Abgases der Zulaufleitung 20 wieder zuzuführen. Ein weiterer Teil des abgesaugten Abgases kann aus der Absaugleitung 23 über eine
Nebenstromleitung 25 einem Nachverbrenner 21 zugeführt werden, der gleichzeitig über einen weiteren Verdichter 22 mit Luft oder Kathodenabgas gespeist werden kann. Mit dem Nachverbrenner 21 kann beispielsweise zusätzlich oder separat ein Reformer geheizt werden. Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierin sind zwei Brennstoffzellen 30 dargestellt, die auf einer Zustrom-Verteilereinheit 33 aufgenommen sind. Die Aufnahme der Brennstoffzellen 30 erfolgt über ein erstes Zellenende 30a, wobei die Brennstoffzellen 30 vorzugsweise als tubuläre SOFC-Brennstoffzellen 30 mit innen liegender Anode ausgeführt sind, die ein geschlossenes zweites
Zellenende 30b besitzen. Die Brennstoffzellen 30 besitzen einen die Form vorgebenden Trägerkörper, der beispielsweise durch den Elektrolytkörper oder den Anodenkörper gebildet ist.
In die Brennstoffzellen 30 sind Lanzen 31 eingeführt, die sich fast bis zum geschlossenen zweiten Zellenende 30b durch die Brennstoffzellen 30 hindurch erstrecken. Über eine Brennstoffzufuhr 35 wird der Brennstoff zunächst der Zustrom-Verteilereinheit 33 zugeführt. Die Brennstoffzufuhr 35 weist eine direkte fluidische Verbindung mit dem Innenraum der Brennstoffzellen 30 auf. Hingegen sind die Lanzen 31 mit einer Saugeinrichtung 32 fluidisch verbunden, so dass über die Saugeinrichtung 32 ein Unterdruck in den Lanzen 31 erzeugt wird. Damit erfolgt die Absaugung des Abgases über die Lanzen 31 und folglich im Bereich des zweiten Zellenendes 30b. Durch den in den Lanzen 31 erzeugten Unterdruck strömt über die Brennstoffzufuhr 35 der Brennstoff in die Brennstoffzellen 30 hinein. Dabei umströmt der Brennstoff die Lanzen 31 mantelförmig und umspült somit die Anoden 36, die innenseitig der Elektrolytkörper 37 der Brennstoffzellen 30 aufgebracht sind.
Die Elektrolytkörper 37 besitzen einen Flansch 34, der eine coplanare Fläche mit der Oberseite der Zustrom-Verteilereinheit 33 bildet. Sind die Flansche 34 und die Oberseite der Zustrom-Verteilereinheit 33 entsprechend plan geschliffen, kann durch das in den Brennstoffzellen 30 erzeugte Druckverhältnis, das so eingestellt ist, dass der Druck auf der Kathodenseite 40 (außen) höher ist als auf der Anodenseite (innen), eine Ansaugung der Brennstoffzellen 30 auf die Zustrom- Verteilereinheit 33 bewirkt werden. Damit können Dichtmittel wie beispielsweise Glaslote zwischen den Brennstoffzellen 30 und der Zustrom-Verteilereinheit 33 vermieden werden. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtlich aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten
Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere kann die in den Figuren 1 , 2, 3 und 4 gezeigte Rezirkulation über den Verdichter 19 auch im
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 Anwendung finden. Weiterführend kann ein Teil des durch die Saugeinrichtung 32 abgesaugten Abgases einer Verbrennung zugeführt werden, um beispielsweise einen Reformer zur Bereitstellung von wasserstoffreichem Gas zu heizen.

Claims

Ansprüche
1 . Brennstoffzellensystem (1 , 2) mit zumindest einer oder mehreren
Brennstoffzellen (10, 30), wobei sich die Brennstoffzelle (10, 30) zwischen einem ersten Zellenende (10a, 30a) und einem zweiten Zellenende (10b, 30b) in tubulärer Form erstreckt und wobei die Brennstoffzelle (10, 30) mit dem ersten Zellenende (10a, 30a) auf einer Zustrom-Verteilereinheit (1 1 , 33) mechanisch aufgenommen ist und wobei die Brennstoffzelle (10, 30) mit einem Brenngas durchströmt wird, welches in das erste Zellenende (10a, 30a) eintritt und als Abgas aus einem der Zellenenden (10a, 10b, 30a, 30b) austritt,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (12, 16, 18, 32) vorgesehen sind, die wenigstens einen Teil des aus der Brennstoffzelle (10) austretenden Abgases absaugen und der Zustrom- Verteilereinheit (1 1 , 33) zur Rezirkulation zuführen.
2. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) als beidseitig offene Brennstoffzelle (10) ausgebildet ist, sodass das Brenngas in das erste Zellenende (10a) eintritt und aus dem zweiten Zellenende (10b) austritt, wobei die Mittel (12, 16, 18) zur Absaugung am zweiten Zellenende (10b) zur Absaugung des Abgases vorgesehen sind.
3. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 16, 18) zur Absaugung frei von einer mechanischen Verbindung und insbesondere kräftefrei am offenen, zweiten Zellenende (10b) angeordnet sind, derart, dass die mechanische Aufnahme der Brennstoffzellen (10) auf das erste Zellenende (10a) begrenzt ist.
4. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 16, 18) zur Absaugung eine Absaug- Sammeleinheit (12) aufweisen, um aus mehreren Brennstoffzellen (10) das Abgas abzusaugen. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Absaug-Sammeleinheit (12) wenigstens eine Öffnung (13) vorgesehen ist, in die das zweite Zellenende (10b) der Brennstoffzellen (10) hineinragt oder wenigstens vor dieser angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnung (13) wenigstens eine Absaughaube (13a, 13b, 13c) zugeordnet und vorzugsweise mit der Absaug-Sammeleinheit (12) verbunden ist, wobei die Absaughaube (13a, 13b, 13c) das offene, zweite Zellenende (10b) insbesondere derart außenseitig umschließt, dass zwischen dem zweiten Zellenende (10b) und der Absaughaube (13a, 13b, 13c) keine oder nur eine minimale Menge an Brenngas bzw. Abgas entweicht.
Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Zellenende (10b) und der Absaughaube (13a, 13b, 13c) ein Füllstoff (14), insbesondere ein Metall- oder Keramikvlies, vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über dem zweiten Zellenende (10b) ein jeweiliger Trichter (15) angebracht ist, über den aus dem zweiten Zellenende (10b) austretendes Abgas absaugbar ist.
Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 16, 18) zur Absaugung eine Saugleitung (16) umfassen, wobei die Trichter (15) mit der Absaug - Sammeleinheit (12) oder mit der Saugleitung (16) verbunden sind, und wobei insbesondere in der fluidischen Verbindung zwischen den Trichtern (15) und der Saugleitung (16) bzw. der Absaug - Sammeleinheit (12) Drosselelemente (17) angeordnet sind.
10. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Öffnung (13) bzw. dem Trichter (15) entweichendes Abgas Reste an Brenngas enthält, die entzündet werden, wobei ein Reformer vorgesehen und derart angeordnet ist, dass durch das entzündete Gas Wärme in den Reformer einbringbar ist.
1 1 . Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 16, 18) zur Absaugung Saugelemente (18) aufweisen, die wenigstens teilweise in das zweite Zellenende (10b) hineinragen.
12. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdichter (19) vorgesehen ist, der rezirkuliertes Abgas aus der Absaug-Sammeleinheit (12) bzw. aus der Saugleitung (16) einer Zulaufleitung (20) zuführt.
13. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (30) als einseitig geschlossene Brennstoffzelle (30) ausgebildet ist, wobei die Mittel (32) zur Absaugung mit dem ersten
Zellenende (30a) fluidisch in Verbindung stehen, sodass das Brenngas über das erste Zellenende (30a) ein- und austritt und wobei vorzugsweise eine Lanze (31 ) vorgesehen ist, durch die das Brenngas aus der Brennstoffzelle (30) absaugbar ist.
14. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (32) zur Absaugung eine Saugeinrichtung (32) umfassen, dessen Saugende mit dem ersten Zellenende (30a) und vorzugsweise mit der Lanze (31 ) fluidisch verbunden ist.
15. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustrom-Verteilereinheit (33) wenigstens einen Teil der fluidischen Verbindung zwischen der Saugeinrichtung (32) und der Lanze (31 ) bildet, sodass das Brenngas ringförmig um die Lanze (31 ) in das erste Zellenende (30a) eintritt und im Bereich des zweiten Zellenendes (30b) als Abgas durch die Lanze (31 ) absaugbar ist.
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DE (1) DE102010001260A1 (de)
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5316830B1 (ja) 2012-03-23 2013-10-16 Ｔｏｔｏ株式会社 固体酸化物型燃料電池
DE102012020058A1 (de) 2012-10-12 2014-04-17 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem auf der Basis von Festoxid-Brennstoffzellen
DE102014209758A1 (de) * 2014-05-22 2015-11-26 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung
JP6401115B2 (ja) * 2015-05-27 2018-10-03 京セラ株式会社 セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置
DE102015210139A1 (de) * 2015-06-02 2016-12-08 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung
DE102015210133A1 (de) * 2015-06-02 2016-12-08 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69203070T2 (de) * 1991-10-11 1996-03-21 Westinghouse Electric Corp Festoxidbrennstoffzellengenerator.
DE69713337T2 (de) * 1996-03-08 2003-01-23 Siemens Westinghouse Power Corp., Orlando Festoxidbrennstoffzellengenerator mit auswechselbarem brennstoffzellenstapel von modularem aufbau
US20050123808A1 (en) * 2003-12-05 2005-06-09 Siemens Westinghouse Power Corporation Integral air preheater and start-up heating means for solid oxide fuel cell power generators
US20050266288A1 (en) * 2004-05-27 2005-12-01 Siemens Westinghouse Power Corporation Flexible ceramic gasket for SOFC generator
WO2007044186A1 (en) * 2005-10-13 2007-04-19 Siemens Power Generation, Inc. Mid-sectional fuel distributor for fuel cells
US20070275282A1 (en) * 2006-05-25 2007-11-29 Siemens Power Generation, Inc. Anode gas stack start-up heater and purge gas generator
US20090081517A1 (en) * 2007-09-21 2009-03-26 Siemens Power Generation, Inc. Solid Oxide Fuel Cell Generator Including a Glass Sealant

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03133065A (ja) * 1989-10-18 1991-06-06 Agency Of Ind Science & Technol 固体電解質燃料電池モジュール
US5163659A (en) 1990-12-11 1992-11-17 Monroe Auto Equipment Company Hydraulic actuator for leveling system
DE19517425C1 (de) * 1995-05-12 1996-10-17 Mtu Friedrichshafen Gmbh Brennstoffzellenanordnung mit röhrenförmigen Brennstoffzellen
AU3388099A (en) * 1998-04-17 1999-11-08 Siemens Westinghouse Power Corporation Fuel delivery system for fuel cell stacks
KR100536201B1 (ko) * 2004-01-26 2005-12-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 스택 냉각장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템
JP2006040597A (ja) * 2004-07-23 2006-02-09 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガス供給システム、エネルギ供給システム及びガス供給方法
US8822094B2 (en) * 2006-04-03 2014-09-02 Bloom Energy Corporation Fuel cell system operated on liquid fuels
GB2447136B8 (en) * 2007-02-27 2010-05-26 Ceres Ip Co Ltd Fuel cell stack flow hood.
AU2008338507A1 (en) * 2007-12-17 2009-06-25 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. System and process for generating electrical power
DE102008005841A1 (de) * 2008-01-24 2009-07-30 Forschungszentrum Jülich GmbH Hochtemperatur-Polymerelektrolyt Brennstoffzellensystem (HT-PEFC) sowie ein Verfahren zum Betreiben desselben

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69203070T2 (de) * 1991-10-11 1996-03-21 Westinghouse Electric Corp Festoxidbrennstoffzellengenerator.
DE69713337T2 (de) * 1996-03-08 2003-01-23 Siemens Westinghouse Power Corp., Orlando Festoxidbrennstoffzellengenerator mit auswechselbarem brennstoffzellenstapel von modularem aufbau
US20050123808A1 (en) * 2003-12-05 2005-06-09 Siemens Westinghouse Power Corporation Integral air preheater and start-up heating means for solid oxide fuel cell power generators
US20050266288A1 (en) * 2004-05-27 2005-12-01 Siemens Westinghouse Power Corporation Flexible ceramic gasket for SOFC generator
WO2007044186A1 (en) * 2005-10-13 2007-04-19 Siemens Power Generation, Inc. Mid-sectional fuel distributor for fuel cells
US20070275282A1 (en) * 2006-05-25 2007-11-29 Siemens Power Generation, Inc. Anode gas stack start-up heater and purge gas generator
US20090081517A1 (en) * 2007-09-21 2009-03-26 Siemens Power Generation, Inc. Solid Oxide Fuel Cell Generator Including a Glass Sealant

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