AT519834A1 - Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten Hilfsvorrichtungen - Google Patents

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AT519834A1 ATA50310/2017A AT503102017A AT519834A1 AT 519834 A1 AT519834 A1 AT 519834A1 AT 503102017 A AT503102017 A AT 503102017A AT 519834 A1 AT519834 A1 AT 519834A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h) für ein Brennstoffzellensystem (1100), aufweisend wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1, 3.2), wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1, 4.2), eine Anodengas-Zuführleitung (6), eine Anodenabgasleitung (7), eine Kathodengas-Zuführleitung (8), eine Kathodenabgasleitung (9), und wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1, 2) zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems (1100), wobei die Anodengas-Zuführleitung (6), die Anodenabgasleitung (7), die Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder die Kathodenabgasleitung (9) bereichsweise in wenigstens einem Stapelabschnitt (A, B) sandwichartig zwischen wenigstens einem ersten Brennstoffzellenstapel (3.1, 3.2) und wenigstens einem zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1, 4.2) angeordnet sind, wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1, 2) in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (A, B) innerhalb der Anodengas-Zuführleitung (6), der Anodenabgasleitung (7), der Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder der Kathodenabgasleitung (9) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (1000) mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h).

Description

Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h) für ein Brennstoffzellensystem (1100), aufweisend wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2), wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2), eine Anodengas-Zuführleitung (6), eine Anodenabgasleitung (7), eine Kathodengas-Zuführleitung (8), eine Kathodenabgasleitung (9), und wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1,2) zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems (1100), wobei die Anodengas-Zuführleitung (6), die Anodenabgasleitung (7), die Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder die Kathodenabgasleitung (9) bereichsweise in wenigstens einem Stapelabschnitt (Α, B) sandwichartig zwischen wenigstens einem ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2) und wenigstens einem zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2) angeordnet sind, wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1,2) in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (Α, B) innerhalb der Anodengas-Zuführleitung (6), der Anodenabgasleitung (7), der Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder der Kathodenabgasleitung (9) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (1000) mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 10Of; 100g; 100h).
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AVL List GmbH
Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten Hilfsvorrichtungen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
Im Stand der Technik sind SOFC-Systeme mit einem Brennstoffzellenstapel zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie bekannt. Solche SOFCSysteme weisen in der Regel eine Anodengas-Zuführleitung zum Zuführen von Anodengas zum Brennstoffzellenstapel sowie eine Anodenabgasleitung zum Abführen von Anodenabgas vom Brennstoffzellenstapel auf. Diese SOFC-Systeme weisen ferner eine Kathodengas-Zuführleitung zum Zuführen von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel sowie eine Kathodenabgasleitung zum Abführen von Kathodenabgas vom Brennstoffzellenstapel auf. Weiterhin sind bei SOFC-Systemen sogenannte BOP-Vorrichtungen (BOP, englisch für „balance of plant“) bekannt. Unter BOP-Vorrichtungen sind all diejenigen Hilfsvorrichtungen im Brennstoffzellensystem zu verstehen, welche zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems beitragen. Bei SOFC-Systemen können BOP-Vorrichtungen Wärmetauscher, Ventile, Fluidspeicher, Reformer, Abgasbrenner, Startbrenner, Verdampfer, Kraftstoffpumpen, Gebläse und dergleichen sein.
Die jeweiligen BOP-Vorrichtungen nehmen im Brennstoffzellensystem einen wesentlichen Bestandteil des zur Verfügung stehenden Bauraums ein. Insbesondere bei mobilen Anwendungen gilt es diesen stets klein zu halten bzw. möglichst effizient auszunutzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelleneinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit der Brennstoffzelleneinheit zur Verfügung zu stellen, bei welchen die BOP-Vorrichtungen möglichst platzsparend angeordnet sind.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß Anspruch 1 sowie das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung
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AVL List GmbH ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Brennstoffzelleneinheit beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelleneinheit für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelleneinheit weist wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel, wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Anodengas-Zuführleitung zum Zuführen von Anodengas zum wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und zum wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Anodenabgasleitung zum Abführen von Anodenabgas vom wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und vom wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Kathodengas-Zuführleitung zum Zuführen von Kathodengas zum wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und zum wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Kathodenabgasleitung zum Abführen von Kathodenabgas vom wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und vom wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, und wenigstens eine BOP-Vorrichtung zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems, auf. Die Anodengas-Zuführleitung, die Anodenabgasleitung, die KathodengasZuführleitung und/oder die Kathodenabgasleitung sind bereichsweise in wenigstens einem Stapelabschnitt sandwichartig zwischen dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel angeordnet. Außerdem ist die wenigstens eine BOP-Vorrichtung in dem wenigstens einen Stapelabschnitt innerhalb der Anodengas-Zuführleitung, der Anodenabgasleitung, der Kathodengas-Zuführleitung und/oder der Kathodenabgasleitung angeordnet.
Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass es auf vorteilhafte Weise möglich ist, BOP-Vorrichtungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels bzw. zwischen mehreren Brennstoffzellenstapeln entsprechend platzsparend anzuordnen. Bei entsprechender Anordnung der verschiedenen Bauteile lässt sich bisher ungenutzter Bauraum zwischen den Brennstoffzellenstapeln für die Anordnung von BOP-Vorrichtungen nutzen. Dabei hat sich gezeigt,
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AVL List GmbH dass das Anordnen von BOP-Vorrichtungen zwischen Brennstoffzellenstapeln nicht oder kaum zu negativen, sondern vielmehr zu positiven Wechselwirkungen zwischen den BOP-Vorrichtungen und den Brennstoffzellenstapeln führt.
Durch die erfindungsgemäße kompakte Anordnung der wenigstens einen BOP-Vorrichtung innerhalb des Stapelabschnitts zwischen den Brennstoffzellenstapeln können Leitungswege zwischen BOP-Vorrichtungen und Brennstoffzellenstapeln verkürzt werden. Dies führt wiederum zu einem niedrigen Materialverbrauch und entsprechend geringen Kosten. Außerdem kann dadurch eine Gewichtoptimierung vorgenommen werden, die es insbesondere im mobilen Einsatz von Brennstoffzellensystemen stets zu erzielen gilt.
Unter einer Leitung ist vorliegend insbesondere ein Leitungssystem mit mehreren Leitungsabschnitten zu verstehen. Die Anodengas-Zuführleitung kann beispielsweise einen Anodengas-Zuführleitungsabschnitt stromaufwärts einer BOP-Vorrichtung sowie stromabwärts dieser BOP-Vorrichtung aufweisen. Außerdem kann diese BOPVorrichtung als sich innerhalb der Anodengas-Zuführleitung befindlich, also zwischen dem Anodengas-Zuführleitungsabschnitt stromaufwärts der BOP-Vorrichtung und dem Anodengas-Zuführleitungsabschnitt stromabwärts der BOP-Vorrichtung, betrachtet werden kann.
Unter den Zuführ- und Abgasleitungen sind nicht nur Leitungsabschnitte zu den Brennstoffzellenstapeln hin, sondern insbesondere auch Leitungsabschnitte zwischen und innerhalb der Brennstoffzellenstapel zu verstehen. So sind beispielsweise auch Anodengas-Einlasskrümmer, Kathodengas-Einlasskrümmer, Anodenabgaskrümmer sowie Kathodenabgaskrümmer jeweils als entsprechende Leitungsabschnitte zu verstehen. Grundsätzlich sind unter den Zuführ- und Abgasleitungen sämtliche Leitungsabschnitte bis zur jeweiligen Elektrode hin zu verstehen.
Wie vorstehend bereits erwähnt, sind unter BOP-Vorrichtungen all diejenigen Hilfsvorrichtungen in einem Brennstoffzellensystem zu verstehen, welche zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems beitragen. Bei SOFC-Systemen können solche BOP-Vorrichtungen beispielsweise Wärmetauscher, Ventile, Fluidspeicher, Reformer, Abgasbrenner, Startbrenner, Verdampfer, Kraftstoffpumpen
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AVL List GmbH und Gebläse sein. So kann unter einer BOP-Vorrichtung eine Gasvorbereitungsvorrichtung für die elektrochemische Reaktion an den Brennstoffzellenstapeln verstanden werden. Außerdem kann unter einer BOP-Vorrichtung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Abgasnachbehandlung von Abgasen der Brennstoffzellenstapel verstanden werden. Unter der Abgasnachbehandlung ist insbesondere eine mechanische, katalytische und/oder chemische Abgasnachbehandlung zu verstehen.
Der wenigstens eine erste Brennstoffzellenstapel und der wenigstens eine zweite Brennstoffzellenstapel weisen jeweils einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt für eine elektrochemische Stromerzeugung und/oder in einem Regenerationsbetrieb eine elektrochemische Brenngaserzeugung auf. Die Brennstoffzelleneinheit ist vorzugsweise zur Verwendung in einem SOFC-System und/oder in einem SOECSystem konfiguriert.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Brennstoffzelleneinheit die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Reformer aufweist, der im Stapelabschnitt innerhalb der Anodengas-Zuführleitung angeordnet ist. Dadurch kann der Reformer mit Bezug auf das Brennstoffzellensystem, in welchem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist bzw. wird, besonders platzsparend verbaut werden. Aufgrund der Anordnung des Reformers zwischen den Brennstoffzellenstapeln können außerdem Anodengas-Zuführleitungsabschnitte besonders kurz gehalten werden. Dadurch kann der Reformer effizient betrieben werden. Kurze Leitungsabschnitte bedeuten weiterhin ein geringes Gewicht sowie einen niedrigen Komplexitätsgrad bezüglich des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des Reformers hat sich bezüglich der endothermen Reaktion herausgestellt, die bei einer Reformierung von Brenngas im Reformer stattfindet. Durch gezielten Betrieb des Reformers ist es möglich, die Brennstoffzellenstapel bzw. die Umgebung des Reformers zu kühlen. Dies kann insbesondere bei einem Abschaltvorgang der Brennstoffzelleneinheit bzw. eines Brennstoffzellensystems mit der Brennstoffzelleneinheit und/oder im Falle einer bevorstehenden Überhitzung der Brennstoffzelleneinheit von Vorteil sein.
Ferner ist es möglich, dass bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit der Reformer einen Reformerkatalysator aufweist oder zumindest im Wesentlichen als ein solcher ausgestaltet ist. Ein Reformerkatalysator kann besonders platzsparend
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AVL List GmbH verbaut werden. Hierbei sind keinerlei oder kaum Hilfsvorrichtungen nötig, die weitere Leitungsabschnitte, Kabel, oder dergleichen benötigen würden. Der Reformerkatalysator kann als Verbrennungskatalysator, beispielsweise als Oxidationskatalysator, ausgestaltet sein. Dadurch kann Anodengas verbrannt und die entsprechend erhitzen Fluide können zum Aufheizen der Brennstoffzellenstapel verwendet werden. Durch die Anordnung des Reformers direkt zwischen den Brennstoffzellenstapeln kann dies auf eine besonders effiziente sowie effektive Weise umgesetzt werden.
Das erhitzte Fluid kann direkt zu den Elektroden der Brennstoffzellenstapel geführt werden. Dadurch können die Elektroden besonders effizient erhitzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das erhitzte Fluid auch zum Erhitzen der Brennstoffzellenstapel von außerhalb genutzt werden. Dadurch können mögliche, nachteilige chemische und/oder thermische Wechselwirkungen zwischen dem erhitzten Fluid und den Elektroden vermieden werden.
Außerdem ist es bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit möglich, dass eine Abgasleitung zum Abführen eines Gasgemisches, welches das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufweist, von der Anodenabgasleitung und der Kathodenabgasleitung in die Umgebung der Brennstoffzelleneinheit, angeordnet ist, wobei die Abgasleitung bereichsweise in dem wenigstens einen Stapelabschnitt sandwichartig zwischen dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, und wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Abgasbrenner aufweist, der im Stapelabschnitt innerhalb der Abgasleitung angeordnet ist. Wie schon zum Reformer ausgeführt, kann auf diese Weise auch der Abgasbrenner auf besonders platzsparende Weise in einem Brennstoffzellensystem angeordnet werden. Dadurch können auch die für den Abgasbrenner erforderlichen Leitungsabschnitte entsprechend kurz und damit kosten- und gewichtssparend verbaut werden. Ebenso lässt sich dadurch der Komplexitätsgrad der Brennstoffzelleneinheit reduzieren. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasbrenners hat sich bezüglich der exothermen Reaktion herausgestellt, die bei einer Verbrennung von Anoden- und Kathodenabgas im Abgasbrenner stattfindet. Durch einen gezielten Betrieb des Abgasbrenners ist es möglich, die Brennstoffzellenstapel bzw. die Umgebung des Abgasbrenners zu erhitzen. Dies kann insbesondere bei einem Startvorgang der Brennstoffzelleneinheit bzw. eines Brennstoffzellensystems mit der Brennstoffzelleneinheit von Vorteil sein.
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Zudem kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit der Abgasbrenner einen Oxidationskatalysator aufweist oder zumindest im Wesentlichen als ein solcher ausgestaltet ist. Ein Oxidationskatalysator bzw. ein Katalysator im Allgemeinen kann besonders platzsparend verbaut werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich weiterhin herausgestellt, dass es bei einer Brennstoffzelleneinheit von Vorteil ist, wenn der Reformer und der Abgasbrenner zumindest in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig angeordnet sind. Dadurch können der Kompaktheitsgrad der Brennstoffzelleneinheit gesteigert und ein zugehöriges Brennstoffzellensystem entsprechend bauraumoptimiert bereitgestellt werden. Unter der sandwichartigen Anordnung ist vorzugsweise eine Anordnung zu verstehen, bei welcher ein erster Reformerabschnitt direkt oder im Wesentlichen direkt über dem Abgasbrenner angeordnet ist und ein zweiter Reformerabschnitt direkt oder im Wesentlichen direkt unter dem Abgasbrenner angeordnet ist. Unter der sandwichartigen Anordnung ist weiterhin vorzugsweise eine Anordnung zu verstehen, bei welcher ein erster Abgasbrennerabschnitt direkt oder im Wesentlichen direkt über dem Reformer angeordnet ist und ein zweiter Abgasbrennerabschnitt direkt oder im Wesentlichen direkt unter dem Reformer angeordnet ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist es möglich, dass der Abgasbrenner zumindest abschnittsweise ringförmig um den Reformer herum angeordnet ist. D.h., zumindest ein Teil des Abgasbrenners ist um zumindest einen Teil des Reformers ringförmig angeordnet. Eine solche Ringform hat sich bei Versuchen im Rahmen der Erfindung als besonders platzsparend und gut in die Brennstoffzelleneinheit einsetzbar gezeigt. Zudem ist es bei dieser Ausführungsform möglich, die Brennstoffzelleneinheit durch die im Abgasbrenner stattfindende exotherme Reaktion effektiv zu heizen, beispielsweise bei einem Startvorgang der Brennstoffzelleneinheit.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Abgasbrenner zumindest bereichsweise sandwichartig im Reformer ausgestaltet ist, ist es möglich, dass der Reformer zumindest abschnittsweise ringförmig um den Abgasbrenner herum angeordnet ist. Auch dies stellt eine besonders platzsparende Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung dar. Zudem ist es bei dieser Ausführungs7/21
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AVL List GmbH form möglich, die Brennstoffzelleneinheit durch die im Reformer stattfindende endotherme Reaktion effektiv zu kühlen, beispielsweise bei einem Abschaltvorgang der Brennstoffzelleneinheit.
Darüber hinaus ist es bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit möglich, dass die Kathodengas-Zuführleitung einen Temperierfluid-Leitungsabschnitt aufweist, der im Stapelabschnitt zumindest abschnittsweise am Abgasbrenner angrenzt. Dadurch ist es möglich, die Kathodengas-Zuführleitung innerhalb des Stapelabschnitts auf einfache und effektive Weise zu temperieren und somit zu einer effizienten Betriebsweise der Brennstoffzelleneinheit bzw. eines entsprechenden Brennstoffzellensystems beizutragen. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass die Brennstoffzelleneinheit bei einer Ausführungsform, bei welcher der Reformer im Querschnitt sandwichartig im Abgasbrenner angeordnet ist, auf einfache und effektive Weise temperiert werden kann, wenn der Abgasbrenner in diesem Querschnitt sandwichartig von zwei Temperierfluid-Leitungsabschnitten oder einem ringförmig um den Abgasbrenner herum ausgestalteten Temperierfluid-Leitungsabschnitt im Querschnitt sandwichartig umgeben ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Abgasbrenner zumindest im Querschnitt und wenigstens bereichsweise sandwichartig im Reformer aufgenommen und/oder von diesem ringförmig umschlossen ist, hat es sich bezüglich einer einfachen und effektiven Temperierung des Abgasbrenners als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Temperierfluid-Leitungsabschnitt sandwichartig im Abgasbrenner angeordnet und/oder von diesem ringförmig umschlossen ist. Durch den Temperierfluid-Leitungsabschnitt kann Kathodengas, beispielsweise Luft, zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit geleitet werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch anderes heißes oder kaltes Fluid zum Heizen bzw. Kühlen der Brennstoffzelleneinheit durch den Temperierfluid-Leitungsabschnitt geleitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Brennstoffzelleneinheit die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Startbrenner zum Erhitzen des Abgasbrenners aufweist. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass auch ein Startbrenner zum Erhitzen des Nachbrenners auf vorteilhafte Weise inner8/21
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AVL List GmbH halb des Stapelabschnitts angeordnet werden kann. Neben der platzsparenden Anordnung des Abgasbrenners kann zudem die vom Startbrenner erzeugte Hitze für den Abgasbrenner genutzt werden, um auch die Brennstoffzellenstapel relativ direkt und entsprechend effektiv und effizient zu erhitzen.
Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einer Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in dem wenigstens einen Stapelabschnitt ein Wärmetransportabschnitt, insbesondere in Form eines Festkörpers, für einen Wärmetransport von der wenigstens einen BOP-Vorrichtung zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und/oder dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, angeordnet ist. Der Wärmetransportabschnitt kann als Zwischenwandung zwischen der wenigstens einen BOP-Vorrichtung und einer der Elektroden der Brennstoffzelleneinheit, ausgestaltet sein. Durch den Wärmetransportabschnitt kann ein direkter Wärmetransport von einer heizenden oder kühlenden BOP-Vorrichtung auf wenigstens eine der Elektroden der Brennstoffzelleneinheit realisiert werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridelektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem zur Energieversorgung wenigstens einer Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt, wobei das Brennstoffzellensystem eine wie vorstehend im Detail erläuterte Brennstoffzelleneinheit aufweist. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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Figur 2 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 6 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer sechsen Ausführungsform der 10 vorliegenden Erfindung,
Figur 7 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 8 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 9 ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 9 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennstoffzelleneinheit 100a für ein Brennstoffzellen20 System 1100 dargestellt. Die in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzelleneinheit 100a weist einen ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und einen zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 100a weist ferner eine BOP-Vorrichtung in Form eines Reformers 1 sowie eine BOP-Vorrichtung in Form eines Abgasbrenners 2 auf. Der Reformer 1 ist in einer Anodengas-Zuführleitung 6 (später im Detail erläutert) an25 geordnet und der Abgasbrenner ist in einer Abgasleitung 10 bzw. einer Zusammenführung einer Anodenabgasleitung 7 und einer Kathodenabgasleitung 9 (später im Detail erläutert) angeordnet. Der Reformer 1 und der Abgasbrenner 2 sind abschnittsweise in einem Stapelabschnitt A (Bereich zwischen den gestrichelten Linien)
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AVL List GmbH innerhalb der Anodengas-Zuführleitung 6 bzw. der Abgasleitung 10 sandwichartig zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 angeordnet. Der Reformer 1 und der Abgasbrenner 2 können auch vollständig innerhalb des Stapelabschnitts A angeordnet sein.
Der Reformer 1 weist einen Reformerkatalysator auf. Der Abgasbrenner 2 weist einen Oxidationskatalysator auf. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind der Reformer 1 und der Abgasbrenner 2 in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig zueinander angeordnet. Genauer gesagt ist der Abgasbrenner 2 ringförmig um den Reformer 1 herum angeordnet.
In Fig. 2 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Reformer 1 ringförmig um den Abgasbrenner 2 herum angeordnet. Ansonsten entspricht die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform.
In Fig. 3 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100c gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Gemäß der dritten Ausführungsform weist eine Kathodengas-Zuführleitung 8 einen Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 auf, der im Stapelabschnitt A für einen Temperaturtransport, insbesondere einen direkten Temperaturtransport, zwischen dem Abgasbrenner 2 und dem Temperaturfluid-Leitungsabschnitt 5, am Abgasbrenner 2 angrenzt. Genauer gesagt nimmt der Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 den Abgasbrenner in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig auf. In der konkreten Ausführungsform ist der Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 ringförmig um den Abgasbrenner 2 herum ausgestaltet. Ansonsten entspricht die dritte Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform.
In Fig. 4 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100d gemäß einer vierten Ausführungsform dargestellt. Gemäß der vierten Ausführungsform weist die Kathodengas-Zuführleitung 8 einen Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 auf, der im Stapelabschnitt A für einen Temperaturtransport, insbesondere einen direkten Temperaturtransport, zwischen dem Abgasbrenner 2 und dem Temperaturfluid-Leitungsabschnitt 5, am Abgasbrenner 2 angrenzt. Genauer gesagt nimmt der Abgasbrenner 2 den Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig auf. In der
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AVL List GmbH konkreten Ausführungsform ist der Abgasbrenner 2 ringförmig um den Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 herum ausgestaltet. Ansonsten entspricht die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform.
Die Übergangsabschnitte zwischen dem Reformer 1, dem Startbrenner, den FluidLeitungsabschnitten 5, 6, 7, 8, 9, 10 und den Brennstoffzellenstapeln 3.1,3.2, 4.1, 4.2, welche beispielsweise als Trennwände ausgestaltet sind, sind jeweils als Wärmetransportabschnitt für einen Wärmetransport zwischen den jeweiligen Bauteilen ausgestaltet.
In Fig. 5 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100e gemäß einer fünften Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinheit 100e in einer Draufsicht dargestellt und eine BOP-Einheit, die einen Reformer 1 und einen ringförmig um diesen herum angeordneten Abgasbrenner 2 aufweist, ist im Vergleich zu den ersten vier Ausführungsformen um 90° gedreht angeordnet. Aufgrund der Darstellung als Draufsicht sind in Fig. 5 ferner eine Anodengas-Zuführleitung 6 zum Zuführen von Anodengas zu einem ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und zu einem zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1, eine Anodenabgasleitung 7 zum Abführen von Anodenabgas vom ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und vom zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1, eine Kathodengas-Zuführleitung 8 zum Zuführen von Kathodengas zum ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und zum zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1, sowie eine Kathodenabgasleitung 9 zum Abführen von Kathodenabgas vom ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und vom zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1., dargestellt. Ansonsten entspricht die fünfte Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform.
In Fig. 6 ist eine Brennstoffzelleneinheit 10Of gemäß einer sechsten Ausführungsform in einer Draufsicht dargestellt. Die sechste Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der vierten Ausführungsform, wobei die BOP-Einheit, welche den Reformer 1 und den Abgasbrenner 2, in welchem der Temperierfluid-Leitungsabschnitt angeordnet ist, aufweist, um 90° gedreht angeordnet ist.
In Fig. 7 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100g gemäß einer siebten Ausführungsform dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 100g gemäß der siebten Ausführungsform ist
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AVL List GmbH im Vergleich zu den ersten sechs Ausführungsformen nicht symmetrisch ausgestaltet. Zum Erläutern der Anordnung der BOP-Vorrichtungen in den Fluidkanälen einer Brennstoffzelleneinheit ist die Brennstoffzelleneinheit 100g gemäß der siebten Ausführungsform detaillierter als die ersten sechs Brennstoffzelleneinheiten dargestellt. Insbesondere können der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform die Anordnung des Reformers 1 innerhalb der Anodengas-Zuführleitung 6 und die Anordnung des Abgasbrenners 2 innerhalb der Abgasleitung 10, welche eine Zusammenführung der Anodenabgasleitung 7 und der Kathodenabgasleitung 9 ist, deutlicher entnommen werden. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, ist die Abgasleitung 10 zum Abführen eines Gasgemisches, welches das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufweist, von der Anodenabgasleitung 7 und der Kathodenabgasleitung 9 in die Umgebung der Brennstoffzelleneinheit 100g, ausgestaltet und angeordnet. Die Abgasleitung 10 ist im Stapelabschnitt A sandwichartig zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 angeordnet (in Fig. 7 nicht direkt dargestellt). Zum Erhitzen des Abgasbrenners 2 kann innerhalb der Abgasleitung 10 ferner ein Startbrenner angeordnet sein.
In Fig. 8 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100h gemäß einer achten Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Brennstoffzelleneinheit 100h gemäß der achten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Brennstoffzelleneinheit 100g gemäß der siebten Ausführungsform. Die Brennstoffzelleneinheit 100h gemäß der achten Ausführungsform weist zwei erste Brennstoffzellenstapel 3.1,3.2 und zwei zweite Brennstoffzellenstapel 4.1,4.2 auf, wobei zwischen dem Brennstoffzellenstapel 3.1 und dem Brennstoffzellenstapel 4.1 ein erster Stapelabschnitt A ausgestaltet ist und zwischen dem Brennstoffzellenstapel 3.2 und dem Brennstoffzellenstapel 4.2 ein zweiter Stapelabschnitt B ausgestaltet ist. Die Anzahl der Brennstoffzellenstapel ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt.
In Fig. 9 ist ein Kraftfahrzeug 1000 in Form eines Elektrofahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem 1100 zur Energieversorgung eines Elektromotors (Antriebseinheit) 1200 des Kraftfahrzeugs 1000 dargestellt, wobei das Brennstoffzellensystem 1100 eine wie vorstehend im Detail erläuterte Brennstoffzelleneinheit 100a aufweist.
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Bezugszeichenliste
Reformer (BOP-Vorrichtung)
Abgasbrenner (BOP-Vorrichtung)
3.1 Brennstoffzellenstapel
3.2 Brennstoffzellenstapel
4.1 Brennstoffzellenstapel
4.2 Brennstoffzellenstapel
T emperierfluid-Leitungsabschnitt
Anodengas-Zuführleitung
Anodenabgasleitung
Kathodengas-Zuführleitung
Kathodenabgasleitung
Abgasleitung
100a- 100h Brennstoffzelleneinheit
1000 Kraftfahrzeug
1100 Brennstoffzellensystem
1200 Elektromotor (Antriebseinheit)
A Stapelabschnitt
B Stapelabschnitt
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Claims (10)

  1. Patentansprüche
    1. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of; 100g; 100h) für ein Brennstoffzellensystem (1100), aufweisend wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2), wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2), eine Anodengas-Zuführleitung (6) zum Zuführen von Anodengas zum wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2) und zum wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2), eine Anodenabgasleitung (7) zum Abführen von Anodenabgas vom wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2) und vom wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2), eine Kathodengas-Zuführleitung (8) zum Zuführen von Kathodengas zum wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2) und zum wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2), eine Kathodenabgasleitung (9) zum Abführen von Kathodenabgas vom wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2) und vom wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2), und wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1,2) zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems (1100), dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengas-Zuführleitung (6), die Anodenabgasleitung (7), die Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder die Kathodenabgasleitung (9) bereichsweise in wenigstens einem Stapelabschnitt (Α, B) sandwichartig zwischen dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2) und dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2) angeordnet sind, wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1,2) in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (Α, B) innerhalb der Anodengas-Zuführleitung (6), der Anodenabgasleitung (7), der Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder der Kathodenabgasleitung (9) angeordnet ist.
  2. 2. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 10Of; 100g; 100h) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Reformer (1) aufweist, der im Stapelabschnitt (Α, B) innerhalb der Anodengas-Zuführleitung (6) angeordnet ist,
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    AVL List GmbH wobei vorzugsweise der Reformer (1) einen Reformerkatalysator aufweist oder zumindest im Wesentlichen als ein solcher ausgestaltet ist.
  3. 3. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 10Of; 100g; 100h) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasleitung (10) zum Abführen eines Gasgemisches, welches das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufweist, von der Anodenabgasleitung (7) und der Kathodenabgasleitung (9) in die Umgebung der Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 10Of; 100g; 100h), angeordnet ist, wobei die Abgasleitung (10) bereichsweise in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (A, B) sandwichartig zwischen dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2) und dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1, 4.2) angeordnet ist, und wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1,2) einen Abgasbrenner (20) aufweist, der im Stapelabschnitt (A, B) innerhalb der Abgasleitung (10) angeordnet ist.
  4. 4. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 10Of; 100g; 100h) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (2) einen Oxidationskatalysator aufweist oder zumindest im Wesentlichen als ein solcher ausgestaltet ist.
  5. 5. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 10Of) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (1) und der Abgasbrenner (2) zumindest in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig angeordnet sind.
  6. 6. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100c; 10Oe) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (2) zumindest abschnittsweise ringförmig um den Reformer (1) herum angeordnet ist oder dass der Reformer (1) zumindest abschnittsweise ringförmig um den Abgasbrenner (2) herum angeordnet ist.
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  7. 7. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100t) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengas-Zuführleitung (8) einen Temperierfluid-Leitungsabschnitt (5) aufweist, der im Stapelabschnitt (A, B) zumindest abschnittsweise am Abgasbrenner (2) angrenzt.
  8. 8. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100t; 100g; 100h) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Startbrenner zum Erhitzen des Abgasbrenners (2) aufweist.
  9. 9. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100t; 100g; 100h) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (A, B) ein Wärmetransportabschnitt, insbesondere in Form eines Festkörpers, für einen Wärmetransport von der wenigstens einen BOP-Vorrichtung (1,2) zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1,3.2) und/oder dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1,4.2) angeordnet ist.
  10. 10. Kraftfahrzeug (1000) mit einem Brennstoffzellensystem (1100) zur Energieversorgung wenigstens einer Antriebseinheit (1200) des Kraftfahrzeugs (1000), wobei das Brennstoffzellensystem (1100) eine Brennstoffzelleneinheit (100a;
    100b; 100c; 10Od; 10Oe; 100t; 100g; 100h) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
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    100
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