AT513911B1 - Energieerzeugungseinheit mit einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack - Google Patents

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AT513911B1 ATA83/2013A AT832013A AT513911B1 AT 513911 B1 AT513911 B1 AT 513911B1 AT 832013 A AT832013 A AT 832013A AT 513911 B1 AT513911 B1 AT 513911B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinheit mit einem mit flüssigem Brennstoff betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack (10) und einem dem Brennstoffzellenstack (10) vorgeschalteten Reformerkatalysator (11) zur Aufbereitung des Brennstoffs, mit einer Einrichtung (20) zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs in das rückgeführte Anodenabgas sowie mit einem Oxidationskatalysator (17) zur Nachbehandlung der Abgase des Brennstoffzellenstacks (10). Erfindungsgemäß ist ein erster Abschnitt (1) der Energieerzeugereinheit, der zumindest den anodenseitig vorgeschalteten Reformerkatalysator (11), den Oxidationskatalysator (17), sowie ggf. die Einrichtung (20) zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs enthält, durch eine Adapterplatte (3) lösbar mit einem zweiten Abschnitt (2) der Energieerzeugungseinheit verbunden, der im Wesentlichen den Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack (10) umfasst, wobei die Adapterplatte (3) zweiteilig ausgeführt ist und eine Oberplatte (4) aufweist, die an einer Unterplatte (6) befestigbar ist und in der Adapterplatte (3) Gaswechsel- und Gasverteilerkanäle (7, 8) zur gasdichten Verbindung der einzelnen Komponenten des ersten Abschnitts (1) mit jenen des zweiten Abschnitts (2) ausgebildet sind, wobei der Reformerkatalysator (11) austauschbar in den Oxidationskatalysator (17) eingesetzt ist und nach Abnahme der Unterplatte (6) durch eine Öffnung (32) in der Oberplatte ( 4) aus dem Oxidationskatalysator ( 17) entfernbar ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinheit mit einem mit flüssigem Brennstoff betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack und einem dem Brennstoffzellenstack vorgeschalteten Reformerkatalysator zur Aufbereitung des Brennstoffs, mit einer Einrichtung zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs in das rückgeführte Anodenabgas, sowie mit einem Oxidationskatalysator zur Nachbehandlung der Abgase des Brennstoffzellenstacks.
[0002] Eine derartige Energieerzeugungseinheit (Auxiliary Power Unit APU) kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, wo sie zur Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie dient.
[0003] Aus der AT 502 131 B1 ist beispielsweise eine Energieerzeugungseinheit mit zumindest einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bekannt, bei welcher eine Rezirkulationsleitung für das Anodenabgas vorgesehen ist, welche ausgehend von einer Abführleitung für das Anodenabgas zu einer Zuführleitung eines Reformers zur Aufbereitung des Brennstoffs führt. Stromaufwärts eines dem Reformer vorgeschalteten Verdichters mündet in die Rezirkulationsleitung ein Injektor mit welchem der flüssige Brennstoff in das heiße Anodenabgas eingesprüht oder eingespritzt wird. Der kompakte Aufbau zeigt fest miteinander verbundene Bereiche in einer Gehäusehülle samt Gehäusedämmung, wobei ein mittlerer Bereich, der die Gasaufbereitung und Abgasnachbehandlung übernimmt, an einen Bereich anschließt, der die Brennstoffzellen umfasst. Die Gasströme von der Gasaufbereitung zur Brennstoffzelle sowie von der Brennstoffzelle zur Abgasnachbehandlung sind nur schematisch angedeutet. Als nachteilig ist auch anzuführen, dass der Reformerkatalysator nicht ausgewechselt werden kann.
[0004] Aus der DE 10 2008 063 540 A1 ist ein modulares Brennstoffzellensystem, insbesondere für Fahrzeuganwendungen bekannt, das im Wesentlichen aus einem Brennstoffzellen-Modul und einem Brenner-Wärmetauscher-Modul besteht. Das Brennstoffzellen-Modul weist zwischen einer ersten Endplatte und einer zweiten Endplatte mehrere Brennstoffzellenelemente auf, wobei das Brenner- Wärmetauscher-Modul, das einen Wärmetauscher zum Vorwärmen des Kathodengases und einen Brenner zum Umsetzen der Brennstoffzellenabgase aufweist, über eine Anschlussplatte an der ersten Endplatte des Brennstoffzellen- Moduls befestigt werden kann. Nähere Angaben zur Integration eines Reformerkatalysators in dieses modulare Konzept fehlen allerdings. In der ersten Endplatte und der Anschlussplatte sind Ausnehmungen und Öffnungen ausgebildet, die Gasverteilerkanäle ausbilden.
[0005] Aus der WO 2011/124240 A1 ist ein modulartig aufgebautes System mit einer Hochtemperaturbrennstoffzelle bekannt, bei welchem gemäß einer Ausführungsvariante direkt unterhalb des Brennstoffzellenstapels mittels einer Adapterplatte eine Nachbrennereinheit befestigt ist, die seitlich einen Reformer für den Brennstoff aufnimmt. Über eine weitere Adapterplatte ist ein Wärmetauscher und ein seitlich daran angebrachter Starterbrenner an die Energieerzeugungseinheit angedockt.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energieerzeugungseinheit der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine kompakte Baueinheit, insbesondere für die Anwendung in einer APU gegeben ist, wobei Verbesserungen bei der Gasführung zwischen den einzelnen Bereichen der Energieerzeugungseinheit erzielt werden sollen und die Servicefreundlichkeit verbessert werden soll.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Abschnitt der Energieerzeugereinheit, der zumindest den anodenseitig vorgeschalteten Reformerkatalysator, den Oxidationskatalysator, sowie ggf. die Einrichtung zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs enthält, durch eine Adapterplatte lösbar mit einem zweiten Abschnitt der Energieerzeugungseinheit verbunden ist, der im Wesentlichen den Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack umfasst, dass die Adapterplatte zweiteilig ausgeführt ist und eine Oberplatte aufweist, die unter Zwischenlage einer temperaturbeständigen Dichtung an einer Unterplatte befestigbar ist, wobei in der Adapterplatte Gaswechsel- und Gasverteilerkanäle zur gasdichten Verbindung der einzel nen Komponenten des ersten Abschnitts mit jenen des zweiten Abschnitts ausgebildet sind, sowie dass der Reformerkatalysator austauschbar in den Oxidationskatalysator eingesetzt ist und nach Abnahme der Unterplatte durch eine Öffnung in der Oberplatte aus dem Oxidationskatalysator entfernbar ist.
[0008] Alle Verbindungs- und Verteilungskanäle für die Gasführung von und zum Brennstoffzellenstack können in kompakter, platzsparender Weise angeordnet werden, wobei durch die zweiteilige Form Montageerleichterungen und Vorteile bei der Wartung erzielt werden können.
[0009] Da der Reformerkatalysator austauschbaren in dem bevorzugt ringförmig ausgebildeten Oxidationskatalysator eingesetzt ist, kann dieser nach Abnahme der Unterplatte durch eine Öffnung in der Oberplatte aus dem Oxidationskatalysator entfernt und bei Bedarf ausgewechselt werden.
[0010] In zumindest einer der einander zugekehrten Oberflächen der Oberplatte und der Unterplatte sind [0011] Ausnehmungen und Vertiefungen ausgebildet, die nach der Montage der Unterplatte an der Oberplatte Gasverteilerkanäle ausbilden.
[0012] Erfindungsgemäß ist an der Oberplatte der Adapterplatte, vorzugsweise durch Schweißen, eine Abgaskammer befestigt, welche den Reformerkatalysator, den Oxidationskatalysator sowie ggf. die Einrichtung zur Zufuhr des flüssigen Kraftstoffs und/oder einen Starterbrenner aufnimmt. Die genannten Komponenten können somit rasch auf die für den Betrieb der Energieerzeugungseinheit erforderliche Betriebstemperatur gebracht werden. In die Abgaskammer werden heiße Abgase des Brennstoffzellenstacks und (während des Startzyklus) Abgase des Starterbrenners der Energieerzeugereinheit eingeleitet.
[0013] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zum Teil schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: [0014] Fig. 1 die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinheit in einer schematischen Übersichtsdarstellung der einzelnen Komponenten, [0015] Fig. 2 die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinheit in einer teilweisen
Schnittdarstellung, [0016] Fig. 3 ein vergrößertes Detail gemäß Ausschnitt III aus Fig. 2, [0017] Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung einer zweiteiligen Adapterplatte zwi schen den einzelnen Abschnitten der Energieerzeugungseinheit gemäß Fig. 2, [0018] Fig. 5 eine Explosionsdarstellung der Adapterplatte gemäß Fig. 4 in teilweise geschnittener Darstellung, [0019] Fig. 6 eine Draufsicht auf die Unterplatte der zweiteiligen Adapterplatte gemäß
Fig. 5, sowie [0020] Fig. 7 eine Ausführungsvariante der Unterplatte gemäß Fig. 6 zur Versorgung von zwei Hochtemperatur-Brennstoffzellenstacks.
[0021] Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Energieerzeugungseinheit in einer schematischen Übersichtsdarstellung. Die Energieerzeugungseinheit weist einen Hochtemperatur- Brennstoffzellenstack 10 (beispielsweise SOFC) mit einer Anodenseite A und einer Kathodenseite K auf, wobei anodenseitig übereine Rezirkulationsleitung 13 ein Reformerkatalysator 11 vorgeschaltet ist, der zur Aufbereitung des flüssigen Brennstoffs, beispielsweise Diesel, dient. Der Brennstoff F wird mittels Kraftstoffpumpe 12 einer Einrichtung 20 zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs, vorzugsweise einer Verdampfungseinheit 20 zugeführt und in das Anodenabgas aus der Rezirkulationsleitung 13 eingebracht bzw. eindosiert, sowie zusammen mit der benötigten Menge eines Oxidationsmittels, beispielweise Luft L, mit Hilfe des Verdichters 14 dem Reformer 11 zugeführt.
[0022] Weiters kann der Kraftstoff F während des Startzyklus der Energieerzeugereinheit mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe 15 einem Starterbrenner 16 zugeführt werden, dessen Abgase in einen Oxidationskatalysator bzw. Nachbrenner 17 geführt werden und den Katalysator des Reformers 11 aufheizen.
[0023] Der Verdichter 18 dient für die Zufuhr des Oxidationsmittels (z.B. Luft L) zur Kathodenseite K des Brennstoffzellenstacks 10, wobei das Oxidationsmittel über einen Wärmetauscher 19 geführt wird, der von den Abgasen des Oxidationskatalysators 17 mit Abwärme beaufschlagt wird. In der Startphase wird auch der Starterbrenner 16 über den Verdichter 18 mit der benötigten Luft L versorgt.
[0024] In Fig. 1 ist schematisch eine Ebene ε angedeutet, in welcher eine Adapterplatte zwischen einem Abschnitt 1 der Energieerzeugereinheit, der zumindest den anodenseitig vorgeschalteten Reformerkatalysator 11, den Oxidationskatalysator 17, sowie ggf. die Einrichtung 20 zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs und den Starterbrenner 16 enthält, lösbar mit einem zweiten Abschnitt 2 der Energieerzeugungseinheit verbunden ist, der im Wesentlichen den Hochtemperatur- Brennstoffzellenstack 10 umfasst. In der Adapterplatte 3 sind die für den Betrieb der Energieerzeugungseinheit benötigten Gaswechsel und Gasverteilerkanäle 7, 8 zur gasdichten Verbindung der einzelnen Komponenten des ersten Abschnitts 1 mit jenen des zweiten Abschnitts 2 in kompakter Form angeordnet.
[0025] Fig. 2 und die Detaildarstellungen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung, bei welcher die Adapterplatte 3 zweiteilig ausgeführt ist und eine Oberplatte 4 aufweist, die unter Zwischenlage einer temperaturbeständigen Dichtung 5 mit einer Unterplatte 6 verschraubbar ist. Für Wartungszwecke können die beiden Abschnitte 1 und 2 an dieser Stelle aufgetrennt werden.
[0026] Der Reformerkatalysator 11 ist austauschbar in einem ringförmig ausgebildeten Oxidationskatalysator 17 eingesetzt und kann nach Abnahme der Unterplatte 6 aus dem Oxidationskatalysator 17 (Nachbrennereinheit) entfernt und so auf einfache Weise ausgewechselt werden (siehe auch Fig. 5).
[0027] Die Unterplatte 6 weist an bzw. in der der Oberplatte 4 zugekehrten Seite Ausnehmungen und Vertiefungen auf die Gasverteilerkanäle 7 bilden, die erst nach der Montage der Oberplatte 4 (siehe innerer und äußerer Verschraubungskranz 38, 39) gasdicht zueinander abgegrenzt sind.
[0028] An der Oberplatte 4 kann, vorzugsweise durch Schweißen, eine Abgaskammer 26 befestigt sein, welche den Reformerkatalysator 11, den Oxidationskatalysator 17 sowie ggf. die Verdampfungseinheit 20 und den Starterbrenner 16 aufweist (siehe Fig. 2). Oberhalb der Abgaskammer 26 sind in einem dritten, kälteren Abschnitt der Energieerzeugungseinheit alle Einrichtungen für die Brennstoff- und Luftzufuhr, wie Pumpen, Verdichter und Ventile etc., angeordnet.
[0029] Durch die konzentrische Kombination von Reformer- und Nachbrennereinheit 11,17 und der zweiteiligen Adapterplatte 3 kann der Reformerkatalysator 11 somit auf einfache Weise ausgewechselt werden. Das Gehäuse 31 des Oxidationskatalysators ist fest mit der Oberplatte 4 der Adapterplatte 3 verbunden, wobei der Gasaustausch zwischen Reformerkatalysator 11 und Oxidationskatalysators 17 durch eine dichte Verbindung zwischen der inneren Gehäusewand 36 des Oxidationskatalysators 17 und der Oberplatte 4 verhindert wird. Durch eine Öffnung 32 in der Oberplatte 4 kann der Reformerkatalysator 11 von unten ausgewechselt werden, wenn beide Platten 4, 6 voneinander gelöst werden. Im verschraubten Zustand presst die Unterplatte 6 den ausgangseiten Dichtflansch 33 des Reformerkatalysators 11 gegen einen Dichtsitz der Oberplatte 4. Durch Einlegen der temperaturbeständigen Dichtung 5 zwischen Oberund Unterplatte 4, 6 kann der Anodengasstrom vom Kathodengasstrom getrennt werden. Eine Quellmatte 34, die in einen Absatz 35 an der Oberseite (Anströmseite) des Reformerkatalysators 11 eingelegt wird, dient zusätzlich als Abdichtung und Fixierung des Reformerkatalysators 11, der mit Hilfe von Eingriffsöffnungen 37 mit einem Montagewerkzeug aus dem Oxidationska- talysator 17 herausgezogen werden kann.
[0030] Durch einfach herstellbare Änderungen an der Unterplatte 6, an der ein Flanschbereich 9 für die Befestigung des Brennstoffzellenstacks 10 ausgebildet ist, kann das System an alle verfügbaren Stackvarianten angepasst werden. In Fig. 6 sind innerhalb des Flanschbereichs 9 Durchbrüche für den Anodengaseinlass AI, den Anodengasauslass AO, den Kathodengaseinlass CI und den Kathodengasauslass CO vorgesehen. Die Änderungen für andere Stackvarianten beziehen sich auf die Position der Gasverteiler (Manifolds) und können durch Anpassung der Gaskanäle auf der Innenseite realisiert werden.
[0031] Weiterhin können gemäß einer in Fig. 7 dargestellten Ausführungsvariante einer Unterplatte 6' auch zwei Brennstoffzellenstacks 10, 10' angebaut werden, wenn man eine Gasverteilerplatte 40, die zwei Brennstoffzellenstacks 10, 10' gleichzeitig mit Gas versorgen kann, senkrecht an eine Unterplatte 6' anschraubt, die einen entsprechend adaptierten Flanschbereich und daran angepasste Gasverteilerkanäle aufweist.
[0032] Die Gasverteilerplatte 40 kann zusätzlich an der Unterseite mit einem Rahmen der Energieerzeugungseinheit verschraubt werden, um die mechanische Belastung auf die Verbindungsstelle zwischen Manifold und Adapterplatte 3 zu reduzieren. Durch Einbau geeigneter Schwingungsdämpfer kann so auch die Belastung durch Vibrationen auf den bzw. die Brennstoffzellenstacks 10, 10' verringert werden.

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    1. Energieerzeugungseinheit mit einem mit flüssigem Brennstoff betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack (10) und einem dem Brennstoffzellenstack (10) vorgeschalteten Reformerkatalysator (11) zur Aufbereitung des Brennstoffs, mit einer Einrichtung (20) zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs in das rückgeführte Anodenabgas sowie mit einem Oxidationskatalysator (17) zur Nachbehandlung der Abgase des Brennstoffzellenstacks (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abschnitt (1) der Energieerzeugereinheit, der zumindest den anodenseitig vorgeschalteten Reformerkatalysator (11), den Oxidationskatalysator (17), sowie ggf. die Einrichtung (20) zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffs enthält, durch eine Adapterplatte (3) lösbar mit einem zweiten Abschnitt (2) der Energieerzeugungseinheit verbunden ist, der im Wesentlichen den Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack (10) umfasst, dass die Adapterplatte (3) zweiteilig ausgeführt ist und eine Oberplatte (4) aufweist, die unter Zwischenlage einer temperaturbeständigen Dichtung (5) an einer Unterplatte (6) befestigbar ist, wobei in der Adapterplatte (3) Gaswechsel- und Gasverteilerkanäle (7, 8) zur gasdichten Verbindung der einzelnen Komponenten des ersten Abschnitts (1) mit jenen des zweiten Abschnitts (2) ausgebildet sind, sowie dass der Reformerkatalysator (11) austauschbar in den Oxidationskatalysator (17) eingesetzt ist und nach Abnahme der Unterplatte (6) durch eine Öffnung (32) in der Oberplatte (4) aus dem Oxidationskatalysator (17) entfernbar ist.
  2. 2. Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberplatte (4) mit der Unterplatte (6) verschraubbar ist.
  3. 3. Energieerzeugungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der einander zugekehrten Oberflächen der Oberplatte (4) und der Unterplatte (6) Ausnehmungen und Vertiefungen ausgebildet sind, die nach der Montage der Unterplatte (6) an der Oberplatte (4) Gasverteilerkanäle (7) ausbilden.
  4. 4. Energieerzeugereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberplatte (4), vorzugsweise durch Schweißen, eine Abgaskammer (26) befestigt ist, welche den Reformerkatalysator (11), den Oxidationskatalysator (17) sowie ggf. die Einrichtung (20) zur Zufuhr des flüssigen Kraftstoffs und/oder einen Starterbrenner (16) aufnimmt.
  5. 5. Energieerzeugereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformerkatalysator (11) austauschbar in dem ringförmig ausgebildeten Oxidationskatalysator (17) eingesetzt ist.
  6. 6. Energieerzeugereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformerkatalysator (11) ausgangsseitig einen Dichtflansch (33) aufweist, der nach der Montage der Unterplatte (6) an der Oberplatte (4) in einem Dichtsitz zwischen Unterplatte (6) und Oberplatte (4) festgelegt ist.
  7. 7. Energieerzeugereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterplatte (6) einen Flanschbereich (9) für die Befestigung des Hochtemperatur-Brennstoffzellenstacks (10) aufweist.
  8. 8. Energieerzeugereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterplatte (6') einen Flanschbereich für die Befestigung einer Gasverteilerplatte (40) aufweist, welche zwei Hochtemperatur-Brennstoffzellenstacks (10, 10') aufnimmt. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
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