AT521519B1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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AT521519B1 ATA50743/2018A AT507432018A AT521519B1 AT 521519 B1 AT521519 B1 AT 521519B1 AT 507432018 A AT507432018 A AT 507432018A AT 521519 B1 AT521519 B1 AT 521519B1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d), aufweisend wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle (10, 10‘) mit einem Anodenabschnitt (11, 11‘), einem Kathodenabschnitt (12, 12‘), einer ersten Endplatte (13, 13‘) und einer zweiten Endplatte (14, 14‘), wobei der Anodenabschnitt (11, 11‘) und der Kathodenabschnitt (12, 12‘) zwischen der ersten Endplatte (13, 13‘) und der zweiten Endplatte (14, 14‘) angeordnet sind, eine Gasaufbereitungseinheit (20) zur Aufbereitung eines Kathodenzuführgases und eines Anodenzuführgases, und wenigstens einen Krümmerabschnitt (30, 30‘) zum Leiten des Anodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit (20) zum Anodenabschnitt (11, 11‘) und zum Leiten des Kathodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit (20) zum Kathodenabschnitt (12, 12‘), wobei der wenigstens eine Krümmerabschnitt (30, 30‘) integral zumindest teilweise in der ersten Endplatte (13, 13‘) und/oder der zweiten Endplatte (14, 14‘) ausgestaltet ist, wobei die Gasaufbereitungseinheit (20) einen Startbrenner (27), einen Anodenzuführgas-Wärmetauscher (28) und einen Kathodenzuführgas-Wärmetauscher (29) aufweist.

Description

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle mit einem Anodenabschnitt, einem Kathodenabschnitt, einer ersten Endplatte und einer zweiten Endplatte, wobei der Anodenabschnitt und der Kathodenabschnitt zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet sind, eine Gasaufbereitungseinheit zur Aufbereitung eines Kathodenzuführgases und eines Anodenzuführgases, und wenigstens einen Krümmerabschnitt zum Leiten des Anodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit zum Anodenabschnitt und zum Leiten des Kathodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit zum Kathodenabschnitt, wobei der wenigstens eine Krümmerabschnitt integral zumindest teilweise in der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte ausgestaltet ist.
[0002] Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme weisen wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt und der Kathodenabschnitt sind meist sandwichartig zwischen zwei Endplatten aufgenommen. Die Endplatten dienen zur Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels. Zum Zuführen von Anodenzuführgas in Form von Brenngas zum Anodenabschnitt sowie zum Zuführen von Kathodenzuführgas in Form von Luft bzw. eines anderen sauerstoffhaltigen Gases weisen derartige Brennstoffzellensysteme Krümmerabschnitte auf. Diese Krümmerabschnitte gilt es so effizient, effektiv sowie platzsparend wie möglich im Brennstoffzellensystem zu integrieren.
[0003] Aus der US Patentanmeldung US 2008/0292936 A1 geht hierzu beispielsweise ein Brennstoffzellensystem hervor, welches zwei Brennstoffzellenstapel und einen zwischen den beiden Brennstoffzellenstapeln angeordneten Krümmerabschnitt aufweist. Durch den direkt zwischen den Brennstoffzellenstapeln angeordneten Krümmerabschnitt kann das Brennstoffzellensystem besonders kompakt bereitgestellt werden.
[0004] Weitere Brennstoffzellensysteme mit teilweise in einer Endplatte integrierten Krümmerabschnitten sind beispielsweise aus der WO 03090300 A2 und der DE 102016216512 A1 bekannt.
[0005] Gleichwohl gilt es, ein solches System weiter zu verbessern. Insbesondere mit Blick auf aktuelle SOFC-Systeme hat es sich als problematisch herausgestellt, wie eine bei solchen Systemen erforderliche Gasaufbereitungseinheit (Gas Processing Unit, GPU) auf kompakte und effiziente Weise in das Brennstoffzellensystem integriert werden kann.
[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, mit einer verbesserten Fluidführung zum Zuführen von Anodenzuführgas und/oder Kathodenzuführgas zu wenigstens einer Festoxidbrennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zu schaffen.
[0007] Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
[0008] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle mit einem Anodenabschnitt, einem Kathodenabschnitt, einer ersten und einer zweiten Endplatte auf, wobei der Anodenabschnitt und der Kathodenabschnitt zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet sind. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Gasaufbereitungseinheit zur Aufbereitung eines Kathodenzuführgases und/ oder eines Anodenzuführgases, und wenigstens einen Krümmerabschnitt zum Leiten des Anodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit zum Anodenabschnitt und zum Leiten des Kathodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit zum Kathodenabschnitt, auf. Erfindungsgemäß ist der wenigstens eine Krümmerabschnitt integral zumindest teilweise in der
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AT 521 519 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte ausgestaltet und die Gasaufbereitungseinheit weist einen Startbrenner, einen Anodenzuführgas-Wärmetauscher und einen Kathodenzuführgas-Wärmetauscher auf. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Gasverarbeitungsplatte weiter einen Reformer aufweist.
[0009] Durch die Integration des wenigstens einen Krümmerabschnitts in eine Endplatte der Festoxidbrennstoffzelle kann auf einen bisher üblichen, externen bzw. separaten Krümmer verzichtet werden. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem besonders platzsparend bereitgestellt werden. Unter der Integration des wenigstens einen Krümmerabschnitts in eine Endplatte bzw. die integrale Ausgestaltung des wenigstens einen Krümmerabschnitts in einer Endplatte kann verstanden werden, dass der wenigstens eine Krümmerabschnitt in das Material der Endplatte eingebracht ist. So kann der wenigstens eine Krümmerabschnitt in die Endplatte bzw. das Material der Endplatte eingefräst und/oder eingebohrt ausgestaltet sein.
[0010] Durch die folglich verringerte Materialmenge der Endplatte kann diese mit einem entsprechend geringen Gewicht zur Verfügung gestellt werden. Dies wirkt sich wiederum vorteilhaft auf das Gesamtgewicht des Brennstoffzellensystems aus. Dadurch ergeben sich insbesondere für mobile Anwendungen des Brennstoffzellensystems, bei welchen es stets ein Ziel ist, das Gesamtgewicht des mobilen Systems möglichst gering zu halten, Vorteile. Günstig ist es, wenn die erste Endplatte als obere Endplatte und die zweite Endplatte als untere Endplatte ausgebildet und/oder angeordnet ist.
[0011] Durch die geringere Masse einer erfindungsgemäßen Endplatte kann diese weniger Wärmeenergie als eine massive Endplatte aufnehmen. Dadurch kann ein Aufheizprozess der Festoxidbrennstoffzelle beschleunigt werden. Die Wärme aus der Gasaufbereitungseinheit wird demnach nicht mehr so stark in der Endplatte gespeichert, sondern aufgrund der mit dem wenigstens einen Krümmerabschnitt durchzogenen Endplatte schneller in Richtung der Elektrodenabschnitte der Festoxidbrennstoffzelle weitergeleitet.
[0012] Die Integration des Startbrenners, des Anodenzuführgas-Wärmetauscher und des Kathodenzuführgas-Wärmetauscher in die Gasaufbereitungseinheit hat sich bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere können durch diese Funktionsbauteile thermische Wechselwirkungen für einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem dadurch besonders kompakt bereitgestellt werden.
[0013] Unter dem wenigstens einen Krümmerabschnitt kann ein Fluidverbindungsabschnitt verstanden werden, der zumindest abschnittsweise innerhalb der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte ausgestaltet ist und wenigstens einen gekrümmten Fluidleitabschnitt aufweist. Der wenigstens eine Krümmerabschnitt ist vorzugsweise nur in einer Endplatte des Brennstoffzellensystems ausgestaltet. Dies soll jedoch nicht bedeuten, dass in der zweiten Endplatte nicht auch ein Krümmerabschnitt integriert bzw. integral darin ausgestaltet sein kann. Mithin ist der wenigstens eine Krümmerabschnitt vorzugsweise integral zumindest teilweise in der ersten Endplatte oder der zweiten Endplatte ausgestaltet, je nachdem, mit welcher Orientierung die Festoxidbrennstoffzelle im Brennstoffzellensystem angeordnet ist. Die Endplatte, in welcher ein Krümmerabschnitt integriert ist, kann demnach als Gasverteilungsplatte zum Lenken von Prozessgas wie dem Anodenzuführgas und/oder dem Kathodenzuführgas von der Gasaufbereitungseinheit zum Anodenabschnitt bzw. zum Kathodenabschnitt verstanden werden.
[0014] Der wenigstens eine Krümmerabschnitt ist vorzugsweise zum Leiten eines aufbereiteten Anodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit zum Anodenabschnitt und zum Leiten eines aufbereiteten Kathodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit zum Kathodenabschnitt ausgestaltet. Unter einem aufbereiteten Anodenzuführgases kann ein wasserstoffhaltiges Fluid, reiner oder im Wesentlichen reiner Wasserstoff verstanden werden, das bzw. der aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluid durch einen Reformer des Brennstoffzellensystems hergestellt bzw. aufbereitet wurde. Unter einer Aufbereitung kann auch eine einfache Temperierung des Anodenzuführgases verstanden werden. Entsprechend kann unter einem aufbereite
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AT 521 519 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt ten Kathodenzuführgas ein temperiertes Kathodenzuführgas, beispielsweise in Form von aufgeheizter Luft, verstanden werden.
[0015] Der Anodenabschnitt und der Kathodenabschnitt sind bevorzugt sandwichartig zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet. Der wenigstens eine Krümmerabschnitt weist bevorzugt einen Anodengaskrümmer zum Zuführen von aufbereitetem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt und einen Kathodengaskrümmer zum Zuführen von aufbereitetem Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt auf. D.h., der Krümmerabschnitt kann mehrere voneinander beabstandete und/oder separat voneinander angeordnete Krümmerleitungsabschnitte aufweisen.
[0016] Unter der Festoxidbrennstoffzelle können eine Hochtemperaturbrennstoffzelle sowie ein entsprechender Brennstoffzellenstapel verstanden werden. Das Brennstoffzellensystem ist folglich vorzugsweise in Form eines SOFC-Systems bzw. Festoxidbrennstoffzellensystems ausgestaltet. SOFC-Systeme sind in der Regel für eine Betriebstemperatur in einem Bereich zwischen ca. 540 °C und ca. 1.000 °C ausgelegt. Der erfindungsgemäße Krümmerabschnitt ist zum Betrieb auf einer entsprechend hohen Temperatur ausgelegt.
[0017] Gemäß einerweiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem die Gasaufbereitungseinheit an die Endplatte, in welcher der wenigstens eine Krümmerabschnitt integral ausgestaltet ist, direkt angrenzt, wobei die Gasaufbereitungseinheit wenigstens einen Gegen-Krümmerabschnitt aufweist, der zur Vervollständigung oder Herstellung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit und dem wenigstens einen Krümmerabschnitt komplementär zu und an dem wenigstens einen Krümmerabschnitt ausgestaltet ist. Durch die komplementäre Bauweise zwischen dem Gasaufbereitungsabschnitt und der Endplatte kann die Endplatte mit dem zumindest teilweise integrierten Krümmerabschnitt relativ schlank gehalten werden. Durch die schlanke Bauweise können der benötigte Bauraum im Brennstoffzellensystem sowie das Gesamtgewicht des Brennstoffzellensystems geringgehalten werden. Darüber hinaus lässt sich dadurch ein guter Wärmetransport von der Gasaufbereitungseinheit auf die komplementäre Endplatte und mithin auch auf die Festoxidbrennstoffzelle realisieren, wodurch sich die Festoxidbrennstoffzelle besonders effizient aufheizen lässt. Zwischen der Endplatte mit dem zumindest teilweise integrierten Krümmerabschnitt und der Gasaufbereitungseinheit kann ein Dichtmittel zum Abdichten der fluidkommunizierenden Verbindung ausgestaltet sein. Der Krümmerabschnitt ist vorzugsweise zu gleichen oder im Wesentlichen zu gleichen Teilen zwischen der Endplatte und der Gasaufbereitungseinheit ausgestaltet. D.h. eine Hälfte des wenigstens einen Krümmerabschnitts ist durch die Endplatte gebildet bzw. in der Endplatte ausgestaltet und die andere Hälfte ist durch die Gasaufbereitungseinheit gebildet bzw. in der Gasaufbereitungseinheit ausgestaltet.
[0018] Bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, dass wenigstens zwei Festoxidbrennstoffzellen in Form einer ersten Festoxidbrennstoffzelle und einer zweiten Festoxidbrennstoffzelle bereitgestellt sind, wobei die Gasaufbereitungseinheit direkt zwischen einer Endplatte der ersten Festoxidbrennstoffzelle und einer Endplatte der zweiten Festoxidbrennstoffzelle angeordnet ist, wobei in diesen beiden Endplatten jeweils der wenigstens eine Krümmerabschnitt integral ausgestaltet ist. Durch die Integration der Gasaufbereitungseinheit direkt zwischen die beiden Festoxidbrennstoffzellen können thermische Wechselwirkungen zwischen den Festoxidbrennstoffzellen und der Gasaufbereitungseinheit effizient und effektiv zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Die wenigstens zwei Festoxidbrennstoffzellen sind zumindest im Wesentlichen gleich ausgestaltet. Insbesondere weist jede der Festoxidbrennstoffzellen einen Anodenabschnitt, einen Kathodenabschnitt, eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte auf, wobei der Anodenabschnitt und der Kathodenabschnitt zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet sind, und wobei jeweils ein Krümmerabschnitt teilweise in der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte integriert bzw. integral ausgestaltet ist.
[0019] Weiterhin kann bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Gasaufbereitungseinheit einen ersten Gegen-Krümmerabschnitt aufweisen, der zur Vervoll
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AT 521 519 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt ständigung oder Herstellung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit und einem ersten Krümmerabschnitt der ersten Festoxidbrennstoffzelle komplementär zum und am ersten Krümmerabschnitt ausgestaltet ist, und einen zweiten GegenKrümmerabschnitt aufweisen, der zur Vervollständigung oder Herstellung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit und einem zweiten Krümmerabschnitt der zweiten Festoxidbrennstoffzelle komplementär zum und am zweiten Krümmerabschnitt ausgestaltet ist. D.h., der erste Gegen-Krümmerabschnitt ist komplementär zu und an dem Krümmerabschnitt der Endplatte bzw. wenigstens einer erfindungsgemäßen Endplatte der ersten Festoxidbrennstoffzelle ausgestaltet und der zweite Gegen-Krümmerabschnitt ist komplementär zu und an dem Krümmerabschnitt der Endplatte bzw. wenigstens einer erfindungsgemäßen Endplatte der zweiten Festoxidbrennstoffzelle ausgestaltet. Dadurch kann eine besonders platzsparende Stapel Struktur zur Verfügung gestellt werden, welche darüber hinaus die bereits vorstehend beschriebenen Vorteile hinsichtlich der Möglichkeit eines besonders effizienten sowie effektiven Aufheizvorgangs zum Aufheizen der Festoxidbrennstoffzellen bietet.
[0020] Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem zwischen der wenigstens einen Festoxidbrennstoffzelle und der Endplatte, in welcher der wenigstens eine Krümmerabschnitt integral ausgestaltet ist, ein thermischer Isolationsabschnitt für eine thermischen Isolierung zwischen der wenigstens einen Festoxidbrennstoffzelle und dieser Endplatte ausgestaltet ist. Grundsätzlich kann es ein Ziel sein, eine rasche Wärmübertragung zu erreichen, damit der Brennstoffzellenstapel schnell auf Betriebstemperatur kommt. Problematisch können dabei sogenannte Temperaturrampen (°C/min) sein. Wenn eine solche Temperaturrampe nicht eingehalten wird, kann dies zu Zellbrüchen und damit Beschädigung des Brennstoffzellenstapels führen. Es kann sein, dass dies durch die Isolierung verhindert werden kann. Grundsätzlich kann es von Vorteil sein, die Festoxidbrennstoffzelle vor diesen Temperaturen zu schützen.
[0021] Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn der thermische Isolationsabschnitt bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in Form eines Luftspalts ausgestaltet ist. Im Vergleich zu einer alternativ möglichen Festmaterialisolierung nimmt der Luftspalt im Grunde keinen Einfluss auf das Gewicht des Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus können Materialkosten gespart werden.
[0022] Zudem ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die erste Festoxidbrennstoffzelle, die Gasaufbereitungseinheit und die zweite Festoxidbrennstoffzelle eine symmetrische oder zumindest im Wesentlichen symmetrische Einheit bilden. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige Temperierung des Brennstoffzellensystems erzielt werden. Darüber hinaus kann damit eine besonders ausgeglichene Bauteildynamik im Brennstoffzellensystem während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems erreicht werden. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen des Brennstoffzellensystems von Vorteil. Insbesondere bilden die erste Festoxidbrennstoffzelle und die zweite Festoxidbrennstoffzelle mit Bezug auf eine gedachte Symmetrieachse durch die Gasaufbereitungseinheit eine symmetrische oder zumindest im Wesentlichen symmetrische Einheit.
[0023] Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem möglich, dass die wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle eine erste Festoxidbrennstoffzelle und eine zweite Festoxidbrennstoffzelle aufweist, wobei die Gasaufbereitungseinheit in fluidkommunizierender Verbindung mit der ersten Festoxidbrennstoffzelle und der zweiten Festoxidbrennstoffzelle steht, wobei ein erster Krümmerabschnitt integral zumindest teilweise in einer Endplatte der ersten Festoxidbrennstoffzelle ausgestaltet ist und ein zweiter Krümmerabschnitt integral zumindest teilweise in einer Endplatte der zweiten Festoxidbrennstoffzelle ausgestaltet ist, und wobei der erste Krümmerabschnitt zur Vervollständigung oder Herstellung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit und den Festoxidbrennstoffzellen komplementär zu und an dem zweiten Krümmerabschnitt ausgestaltet ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Gasaufbereitungseinheit dezentral zu den Festoxidbrennstoffzellen ausgestaltet. Die Festoxidbrennstoffzellen können dadurch ohne Verwendung eines separaten Krümmers besonders einfach aufeinandergestapelt bzw. nebeneinander positioniert werden.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, können die Festoxidbrennstoffzellen durch die komplementäre Bauweise der Endplatten bzw. des Krümmerabschnitts zwischen den beiden Endplatten besonders kompakt im Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden. Die wenigstens zwei Festoxidbrennstoffzellen sind zumindest im Wesentlichen gleich ausgestaltet. Insbesondere weist jede der Festoxidbrennstoffzellen einen Anodenabschnitt, einen Kathodenabschnitt, eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte auf, wobei der Anodenabschnitt und der Kathodenabschnitt zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte angeordnet sind, und wobei jeweils ein Krümmerabschnitt teilweise in der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte integriert ausgestaltet ist. Die erste Festoxidbrennstoffzelle und die zweite Festoxidbrennstoffzelle bzw. die beiden aneinandergrenzenden Endplatten der beiden Festoxidbrennstoffzellen können mit Bolzen und/oder Schrauben miteinander verbunden sein, um eine ausreichend hohe Fluiddichtung bezüglich des Krümmerabschnitts zu erreichen. Zur Verbesserung der Fluiddichtung kann ein Dichtelement zwischen die beiden Endplatten angeordnet, insbesondere eingepresst, sein.
[0024] Die Gasaufbereitungseinheit kann bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Gasleitabschnitt, der zum Zuführen des Anodenzuführgases und/oder des Kathodenzuführgases zu dem wenigstens einen Krümmerabschnitt ausgestaltet ist, von der wenigstens einen Festoxidbrennstoffzelle beabstandet angeordnet sein. In diesem Fall ist die Gasaufbereitungseinheit, wie bereits vorstehend erwähnt, beabstandet oder zumindest ohne Berücksichtigung des Gasleitabschnitts im Wesentlichen beabstandet von den Festoxidbrennstoffzellen angeordnet. Durch diese Anordnung können die Festoxidbrennstoffzellen besonders einfach und flexibel aufeinandergestapelt bzw. nebeneinander angeordnet werden.
[0025] Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch:
[0026] Figur 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
[0027] Figur 2 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
[0028] Figur 3 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
[0029] Figur 4 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0030] Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0031] In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100a gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Festoxidbrennstoffzelle 10 mit einem Anodenabschnitt 11, einem Kathodenabschnitt 12, einer ersten Endplatte 13 und einer zweiten Endplatte 14 auf, wobei der Anodenabschnitt 11 und der Kathodenabschnitt 12 zwischen der ersten Endplatte 13 und der zweiten Endplatte 14 angeordnet sind. Das Brennstoffzellensystem 100a weist ferner eine Gasaufbereitungseinheit 20 zur Aufbereitung eines Kathodenzuführgases und eines Anodenzuführgases auf. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem 100a einen Krümmerabschnitt 30 zum Leiten des Anodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit 20 zum Anodenabschnitt 11 und zum Leiten des Kathodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit 20 zum Kathodenabschnitt 12 auf. Der Krümmerabschnitt 30 weist einen Anodengaskrümmer 31 zum Zuführen von aufbereitetem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt 11 und einen Kathodengaskrümmer 32 zum Zuführen von aufbereitetem Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt 12 auf. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Krümmerabschnitt 30 teilweise in der zweiten Endplatte 14 integral ausgestaltet bzw. teilweise in die zweite Endplatte 14 integriert.
[0032] Die Gasaufbereitungseinheit 20 grenzt gemäß der ersten Ausführungsform an die End5/12
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[0033] Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Gasaufbereitungseinheit 20 einen Startbrenner 27 zum Aufheizen bzw. zum Unterstützen eines Aufheizvorgangs zum Aufheizen des Anodenzuführgases und somit der Festoxidbrennstoffzelle 10 während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems 100a, einen Anodenzuführgas-Wärmetauscher 28 und/oder einen Reformer (nicht dargestellt in Fig. 1) und einen Kathodenzuführgas-Wärmetauscher 29 auf. Ferner ist in Fig. 1 dargestellt, dass zwischen der Festoxidbrennstoffzelle 10 und der zweiten Endplatte 14, in welcher teilweise der Krümmerabschnitt 30 integral ausgestaltet ist, ein thermischer Isolationsabschnitt 40 in Form eines Luftspalts für eine thermischen Isolierung zwischen der Festoxidbrennstoffzelle 10 und der zweiten Endplatte 14 ausgestaltet ist.
[0034] In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem 100b zwei Festoxidbrennstoffzellen 10, 10‘ in Form einer ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 und einer zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘ auf, wobei die beiden Festoxidbrennstoffzellen 10, 10‘ zumindest im Wesentlichen gleich ausgestaltet sind. D.h., die zweite Festoxidbrennstoffzelle 10‘ weist ebenfalls einen Anodenabschnitt 1T, einen Kathodenabschnitt 12‘, eine erste Endplatte 13‘ und eine zweite Endplatte 14‘ auf, wobei der Anodenabschnitt 11 ‘ und der Kathodenabschnitt 12‘ sandwichartig zwischen der ersten Endplatte 13‘ und der zweiten Endplatte 14‘ angeordnet sind. Wie in Fig. 2 dargestellt, bilden die erste Festoxidbrennstoffzelle 10, die Gasaufbereitungseinheit 20 und die zweite Festoxidbrennstoffzelle 10‘ mit Bezug auf eine gedachte Symmetrieachse durch die Gasaufbereitungseinheit 20 eine symmetrische oder zumindest im Wesentlichen symmetrische Einheit.
[0035] Die Gasaufbereitungseinheit 20 ist direkt zwischen der zweiten Endplatte 14 der ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 und der zweiten Endplatte 14‘ der zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘ angeordnet. Hierbei weist die Gasaufbereitungseinheit 20 einen ersten GegenKrümmerabschnitt 21, der zur Vervollständigung oder Herstellung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit 20 und einem ersten Krümmerabschnitt 30 der ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 komplementär zum und am ersten Krümmerabschnitt 30 ausgestaltet ist, und einen zweiten Gegen-Krümmerabschnitt 24, der zur Vervollständigung oder Herstellung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit 20 und einem zweiten Krümmerabschnitt 30‘ der zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘ komplementär zum und am zweiten Krümmerabschnitt 30‘ ausgestaltet ist, auf.
[0036] Genauer gesagt weist der Krümmerabschnitt 30 der ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 einen Anodengaskrümmer 31 zum Zuführen von aufbereitetem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt 11 und einen Kathodengaskrümmer 32 zum Zuführen von aufbereitetem Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt 12 auf. Der Krümmerabschnitt 30‘ der zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘ weist ebenfalls einen Anodengaskrümmer 3T zum Zuführen von aufbereitetem Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt 11 ‘ und einen Kathodengaskrümmer 32‘ zum Zuführen von aufbereitetem Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt 12‘ der zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘ auf. Hierzu weist die Gasaufbereitungseinheit einen ersten Gegen-Krümmerabschnitt 21 und einen zweiten Gegen-Krümmerabschnitt 24 auf. Der erste Gegen-Krümmerabschnitt 21 weist einen Anodengas-Gegenkrümmer 22, der komplementär zum und am Anodengaskrümmer 31 der zweiten Endplatte 14 der ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 ausgestaltet ist, und einen Kathodengas-Gegenkrümmer 23, der komplementär zum und am Kathodengaskrümmer 32 der zweiten Endplatte 14 der ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 ausgestaltet ist, auf. Der zweite Gegen-Krümmerabschnitt 24 weist einen Anodengas-Gegenkrümmer 25, der
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[0037] In Fig. 3 ist ein Brennstoffzellensystem 100c mit einer ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 und einer zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘ gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Bei diesem Brennstoffzellensystem 100c ist die Gasaufbereitungseinheit 20 durch einen Gasleitabschnitt 50, der zum Zuführen des Anodenzuführgases und des Kathodenzuführgases zu den Krümmerabschnitten 30, 30‘ ausgestaltet ist, von den beiden Festoxidbrennstoffzellen 10, 10‘ beabstandet angeordnet. Demnach steht die Gasaufbereitungseinheit 20 in fluidkommunizierender Verbindung mit der ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 und der zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘, wobei der erste Krümmerabschnitt 30 teilweise in der zweiten Endplatte 14 der ersten Festoxidbrennstoffzelle 10 integral ausgestaltet ist und der zweite Krümmerabschnitt 30‘ teilweise in der zweiten Endplatte 14‘ der zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘ integral ausgestaltet ist. Zur Vervollständigung oder Herstellung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit 20 und den Festoxidbrennstoffzellen 10, 10‘ ist der erste Krümmerabschnitt 30 komplementär zu und an dem zweiten Krümmerabschnitt 30‘ ausgestaltet. Genauer gesagt sind der Anodengaskrümmer 31 der erste Festoxidbrennstoffzelle 10 und der Anodengaskrümmer 3T der zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘ sowie der Kathodengaskrümmer 32 der erste Festoxidbrennstoffzelle 10 und der Kathodengaskrümmer 32‘ der zweiten Festoxidbrennstoffzelle 10‘jeweils komplementär zu- und aneinander ausgestaltet.
[0038] Fig. 4 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100d gemäß einer vierten Ausführungsform. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass Funktionsbauteile wie der Startbrenner 27, der Anodenzuführgas-Wärmetauscher 28 und der Kathodenzuführgas-Wärmetauscher 28 nicht sandwichartig zwischen den beiden Festoxidbrennstoffzellen 10, 10‘ angeordnet sind.
[0039] Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. Insbesondere ist auch eine Ausführungsform möglich, in welcher ein Krümmerabschnitt sowohl in der ersten als auch in der zweiten Endplatte einer Festoxidbrennstoffzelle ausgestaltet ist. Außerdem ist es möglich, dass ein Krümmerabschnitt 30, 30‘ vollständig oder im Wesentlichen vollständig in zumindest einer der Endplatten 13, 13‘, 14, 14‘ ausgestaltet ist. Darüber hinaus ist es insbesondere auch möglich, dass Elemente oder Teile zumindest eine Krümmerabschnittes 21 und/oder Krümmers 22, 23, 24, 25, 31, 3T, 32, 32‘ und/oder Teile der Endplatten 13, 13‘, 14, 14‘ zumindest teilweise beispielsweise Wärmetauscherelementen oder verschiedene Beschichtungen aufweisen, um weitere Funktionen zu integrieren. Weiter können beispielsweise Rohre und/oder Strömungswege mit Beschichtungen oder weiteren funktionsgebenden Elementen versehen werden oder in diese integriert werden, sodass eine Größe eines Brennstoffzellensystems weiter reduziert ist.
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BEZUGSZEICHENLISTE
10, 10‘ Festoxidbrennstoffzelle
11, 1T Anodenabschnitt
12, 12‘ Kathodenabschnitt
13, 13‘ erste Endplatte
14, 14‘ zweite Endplatte
20 Gasaufbereitungseinheit
21 Gegen-Krümmerabschnitt
22 Anodengas-Gegenkrümmer
23 Kathodengas-Gegenkrümmer
24 Gegen-Krümmerabschnitt
25 Anodengas-Gegenkrümmer
26 Kathodengas-Gegenkrümmer
27 Startbrenner
28 Anodenzuführgas-Wärmetauscher
29 Kathodenzuführgas-Wärmetauscher
30, 30‘ Krümmerabschnitt
31, 3T Anodengaskrümmer
32, 32‘ Kathodengaskrümmer
40 Isolationsabschnitt
50 Gasleitabschnitt
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Claims (9)

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100a; 100b; 100c; 100d), aufweisend wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle (10, 10‘) mit einem Anodenabschnitt (11, 1T), einem Kathodenabschnitt (12, 12‘), einer ersten Endplatte (13, 13‘) und einerzweiten Endplatte (14, 14‘), wobei der Anodenabschnitt (11, 1T) und der Kathodenabschnitt (12, 12‘) zwischen der ersten Endplatte (13, 13‘) und der zweiten Endplatte (14, 14‘) angeordnet sind, eine Gasaufbereitungseinheit (20) zur Aufbereitung eines Kathodenzuführgases und eines Anodenzuführgases, und wenigstens einen Krümmerabschnitt (30, 30‘) zum Leiten des Anodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit (20) zum Anodenabschnitt (11, 1T) und zum Leiten des Kathodenzuführgases von der Gasaufbereitungseinheit (20) zum Kathodenabschnitt (12, 12‘), wobei der wenigstens eine Krümmerabschnitt (30, 30‘) integral zumindest teilweise in der ersten Endplatte (13, 13‘) und/oder der zweiten Endplatte (14, 14‘) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufbereitungseinheit (20) einen Startbrenner (27), einen AnodenzuführgasWärmetauscher (28) und einen Kathodenzuführgas- Wärmetauscher (29) aufweist.
2. Brennstoffzellensystem (100a; 100b) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufbereitungseinheit (20) an die Endplatte (14, 14‘), in welcher der wenigstens eine Krümmerabschnitt (30, 30‘) integral ausgestaltet ist, direkt angrenzt, wobei die Gasaufbereitungseinheit (20) wenigstens einen Gegen-Krümmerabschnitt (21, 24) aufweist, der zur Vervollständigung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit (20) und dem wenigstens einen Krümmerabschnitt (30, 30‘) komplementär zu und an dem wenigstens einen Krümmerabschnitt (30, 30‘) ausgestaltet ist.
3. Brennstoffzellensystem (100b; 100d) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Festoxidbrennstoffzellen (10, 10‘) in Form einer ersten Festoxidbrennstoffzelle (10) und einerzweiten Festoxidbrennstoffzelle (10‘) bereitgestellt sind, wobei die Gasaufbereitungseinheit (20) direkt zwischen einer Endplatte (14) der ersten Festoxidbrennstoffzelle (10) und einer Endplatte (14‘) der zweiten Festoxidbrennstoffzelle (10‘) angeordnet ist, wobei in den Endplatten (14, 14‘) jeweils der wenigstens eine Krümmerabschnitt (30, 30‘) integral ausgestaltet ist.
4. Brennstoffzellensystem (100b; 10Od) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufbereitungseinheit (20) einen ersten Gegen-Krümmerabschnitt (21) aufweist, der zur Vervollständigung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit (20) und einem ersten Krümmerabschnitt (30) der ersten Festoxidbrennstoffzelle (10) komplementär zum und am ersten Krümmerabschnitt (30, 30‘) ausgestaltet ist, und einen zweiten Gegen-Krümmerabschnitt (24) aufweist, der zur Vervollständigung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit (20) und einem zweiten Krümmerabschnitt (30‘) der zweiten Festoxidbrennstoffzelle (10‘) komplementär zum und am zweiten Krümmerabschnitt (30‘) ausgestaltet ist.
5. Brennstoffzellensystem (100a; 100b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen Festoxidbrennstoffzelle (10, 10‘) und der Endplatte (14, 14‘), in welcher der wenigstens eine Krümmerabschnitt (30, 30‘) integral ausgestaltet ist, ein thermischer Isolationsabschnitt (40, 40‘) für eine thermische Isolierung zwischen der wenigstens einen Festoxidbrennstoffzelle (10, 10‘) und dieser Endplatte (14, 14‘) ausgestaltet ist.
6. Brennstoffzellensystem (100a; 100b) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Isolationsabschnitt (40, 40‘) in Form eines Luftspalts ausgestaltet ist.
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7. Brennstoffzellensystem (100b; 100d) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Festoxidbrennstoffzelle (10), die Gasaufbereitungseinheit (20) und die zweite Festoxidbrennstoffzelle (10) eine symmetrische oder zumindest im Wesentlichen symmetrische Einheit bilden.
8. Brennstoffzellensystem (100c) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Festoxidbrennstoffzelle (10, 10j eine erste Festoxidbrennstoffzelle (10) und eine zweite Festoxidbrennstoffzelle (10) aufweist, wobei die Gasaufbereitungseinheit (20) in fluidkommunizierender Verbindung mit der ersten Festoxidbrennstoffzelle (10) und der zweiten Festoxidbrennstoffzelle (1 Oj steht, wobei ein erster Krümmerabschnitt (30) integral zumindest teilweise in einer Endplatte (14) der ersten Festoxidbrennstoffzelle (10) ausgestaltet ist und ein zweiter Krümmerabschnitt (30 j integral zumindest teilweise in einer Endplatte (14j der zweiten Festoxidbrennstoffzelle (10‘) ausgestaltet ist, und wobei der erste Krümmerabschnitt (30) zur Vervollständigung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Gasaufbereitungseinheit (20) und den Festoxidbrennstoffzellen (10, 10j komplementär zu und an dem zweiten Krümmerabschnitt (30) ausgestaltet ist.
9. Brennstoffzellensystem (100c) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufbereitungseinheit (20) durch einen Gasleitabschnitt (50), zum Zuführen des Anodenzuführgases und/oder des Kathodenzuführgases zu dem wenigstens einen Krümmerabschnitt (30, 30‘), von der wenigstens einen Festoxidbrennstoffzelle (10, 10) beabstandet angeordnet ist.
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