AT523125B1

AT523125B1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: AT523125B1
Application number: ATA50970/2019A
Authority: AT
Inventors: Krauss Dipl Ing Thomas; Neubauer Dr Raphael; Reiter Bsc Bernd
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2021-07-15
Also published as: AT523125A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) mit mehreren Anodenabschnitten (2a) und Kathodenabschnitten (2b) und eine Gasverarbeitungseinheit (3) mit mehreren Reformereinheiten (3a) und Wärmetauschereinheiten (3b), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (2) und die Gasverarbeitungseinheit (3) integral ausgebildet sind, wobei eine Umhausung (4) vorgesehen ist, wobei die Umhausung (4) den Brennstoffzellenstapel (2) und die Gasverarbeitungseinheit (3) einschließt und eine Luftleitung (5), eine Kraftstoffleitung (6) und eine Abgasleitung (7) umfasst. Weiter betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennstoffzellensystems (1).

Description

Beschreibung

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS

[0001] Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Anodenabschnitten und Kathodenabschnitten und eine Gasverarbeitungseinheit mit mehreren Wärmetauschereinheiten, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Gasverarbeitungseinheit integral ausgebildet sind.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennstoffzellensystems.

[0003] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Gasverarbeitungseinheit und einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems physikalisch getrennt voneinander auszubilden. Dabei wird die gesamte Aufbereitung des Brennstoffes in der Gasverarbeitungseinheit durchgeführt. Gasverarbeitungsvorrichtungen werden in Brennstoffzellensystemen verwendet, um Betriebsfluide des Brennstoffzellensystems zur Nutzung in der Brennstoffzelle selbst bereitzustellen. Beispielsweise kann in einer Gasverarbeitungsvorrichtung ein Betriebsfluid verdampft, katalytisch verbrannt und/oder reformiert werden. Gegebenenfalls können die Betriebsfluide auch nur auf Betriebstemperatur gebracht werden, wenn direkt Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird. Die Gasverarbeitungseinheit ist mit Leitungen mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden. Ein Brennstoffzellensystem kann eine oder mehrere Gasverarbeitungseinheiten und einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel umfassen.

[0004] Insbesondere bei einer Anwendung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug ist es ein Ziel, dieses möglichst kompakt auszubilden. Hierfür ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Gasverarbeitungseinheit mit möglichst wenig einzelnen Komponenten auszubilden bzw. mehrere Komponenten integral auszubilden.

[0005] Derartige Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise aus der US 2019226101 A1 und der JP H06243881 A bekannt.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes Brennstoffzellensystem bereit zu stellen.

[0007] Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennstoffzellensystems bereit zu stellen.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art der Brennstoffzellenstapel und eine Umhausung vorgesehen ist, wobei die Umhausung den Brennstoffzellenstapel und die Gasverarbeitungseinheit einschließt und eine Luftleitung, eine Kraftstoffleitung und eine Abgasleitung umfasst.

[0009] Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Gasverarbeitungseinheit in den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems integriert ist. Folglich ist das Brennstoffzellensystem sehr kompakt und leichtgewichtig ausgebildet, da annähernd keine Einzelkomponenten vorgehsehen sind. Darüber ist es gleichzeitig möglich, die Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems zu erhöhen. Insbesondere sind der Brennstoffzellenstapel und die Gasverarbeitungseinheit einteilig ausgebildet. Dadurch ist das Brennstoffzellensystem im Wesentlichen frei von beweglichen Elementen. Einzig ein Gebläse zur Förderung der Luft und Kontrollelemente der elektrischen und/oder elektronischen Elemente dürften noch notwendig sein. Weiter sind auch keine separaten Dichtungen für hohe Temperaturen mehr notwendig.

[0010] Im Rahmen der Erfindung ist unter einer Gasverarbeitungseinrichtung eine Vorrichtung zu verstehen in welcher flüssige und/oder gasförmige Fluide chemisch verändert werden. Folglich kann eine Gasverarbeitungseinrichtung beispielsweise ein katalytischer Brenner, ein zumindest teilweise katalytisch beschichteter Verdampfer und/oder UÜberhitzer oder eine zumindest teilweise katalytisch beschichtete Leitung sein. Wichtige Elemente der Gasverarbeitungseinrichtung sind

insbesondere Wärmetauscher, welche das Fluid für den Anoden- und Kathodenabschnitt auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur bringen. Im Rahmen der Erfindung kann eine Gasverarbeitungsvorrichtung ein einzelnes Element oder mehrere kombinierte Elemente umfassen. Beispielsweise kann eine Gasverarbeitungsvorrichtung einen katalytisch beschichteten Brenner (mit einer oder zwei Brennkammern) und einen Verdampfer sowie Reformer umfassen. Unter einer Gasverarbeitungseinrichtung können auch nur Wärmetauschereinheiten verstanden werden, welche dazu vorgesehen sind, im Brennstoffzellensystem notwendige und/oder vorbestimmte Temperaturen bereitzustellen. Der Brennstoffzellenstapel oder Teile davon umfasst günstigerweise metallische Elemente, welche beispielsweise einzelne Zellen zumindest teilweise umgeben. Der Brennstoffzellenstapel also die Anodenabschnitte und Kathodenabschnitte umfassen mehrere Zellen. Jede Zelle umfasst üblicherweise einen Kathodenabschnitt und einem Anodenabschnitt sowie einen Elektrolyten, welcher zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt angeordnet ist.

[0011] Das Brennstoffzellensystem umfasst mehrere Zellen, welche jeweils zumindest einen Anodenabschnitt, einen Kathodenabschnitt und einen Elektrolyten aufweisen. Jede Zelle ist vorteilhaft zu jeder anderen Zelle sowohl gasdicht als auch elektrisch isolierend ausgebildet und angeordnet. Hierfür kann beispielsweise ein keramisches Material zwischen den Zellen vorgesehen sein. Es ist ferner mit Vorteil eine Stützstruktur vorgesehen, wobei das isolierende Material gleichzeitig die Stützstruktur bilden kann.

[0012] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System (SOFC steht für „solid oxide fuel cell“, bzw. Festoxidbrennstoffzelle), zur Verfügung gestellt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann beispielsweise mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff betrieben werden. Als zweites Betriebsfluid ist Luft vorgesehen. Unter Luft ist im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges, insbesondere gasförmiges, Fluid zu verstehen. Günstigerweise ist Luft Umgebungsluft. Günstig ist es, wenn das Brennstoffzellensystem mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben wird. Allerdings kann auch vorgesehen sein, dass Ethanol, Methanol, Erdgas oder Ahnliches als Kraftstoff verwendet werden. Dabei umfasst die Gasverarbeitungseinrichtung zusätzlich zumindest noch eine Reformereinheit.

[0013] . Die Umhausung ist dabei derart ausgebildet, dass diese das gesamte Brennstoffzellensystem umgibt. Bevorzugt ist die Umhausung quaderförmig oder würfelförmig ausgebildet. Durch die Umhausung ist das Brennstoffzellensystem nicht nur kompakt, sondern auch stabil ausgebildet.

[0014] Es ist weiter vorgesehen, dass die Umhausung eine Luftleitung, eine Kraftstoffleitung und eine Abgasleitung umfasst.

[0015] Günstig ist es dabei, wenn die Luftleitung die äußerste Schicht der Umhausung bildet und die Abgasleitung die innerste Schicht der Umhausung bildet und die Kraftstoffleitung zwischen Luftleitung und Abgasleitung angeordnet ist. Dadurch ist eine eigenen Wärmedämmung des Brennstoffzellensystem nahezu obsolet oder kann zumindest sehr gering gehalten werden, da die angeführten Schichten derart angeordnet sind, dass die kälteste Leitung (Luftleitung) am weitesten außen und die wärmste Leitung (Abgasleitung) am weitesten innen angeordnet sind. Unter innerste Schicht ist erfindungsgemäß jener Schicht zu verstehen, welche am wenigsten Abstand zum Brennstoffzellensystem aufweist. In dieser Schicht, welche hohl ausgebildet ist, wird Abgas vom Brennstoffzellenstapel, insbesondere Anodenabgas und Kathodenabgas geführt. Die Schicht mit der Abgasleitung wird insbesondere vollständig von der Schicht mit der Kraftstoffleitung umschlossen. In der Kraftstoffleitung wird Kraftstoff über die Elemente der Gasverarbeitungseinheit in Richtung des Anodenabschnittes geführt. Eine Erwärmung des Kraftstoffes auf eine notwendige Temperatur erfolgt durch Wärmeübertrag von der Abgasleitung, da diese beiden Schichten nur von einer wärmeübtragenden Wand getrennt sind. Die Schicht mit der Kraftstoffleitung wird insbesondere vollständig von der Schicht mit der Luftleitung umschlossen. Durch einen weiteren Wärmeübertrag von der Kraftstoffleitung auf die Luftleitung wird die Luft auch noch erwärmt. Zugleich ist die Luftleitung die kälteste und äußerste Schicht der Umhausung, sodass das Brennstoffzellensystem thermisch nach außen gedämmt ist. Die Umhausung bildet also ei-

nen Kühlmantel aus. Es kann auch günstig sein, wenn die Kraftstoffleitung die äußerste Schicht bildet und die Luftleitung zwischen Kraftstoffleitung und Abgasleitung angeordnet ist. Dies kann insbesondere dann notwendig sein, wenn ein Kraftstoff verwendet wird, welcher nicht auf zu hohe Temperaturen erhitzt werden soll. An der oben beschriebenen Wärmeübertragung ändert sich außer der Vertauschung der Luftleitung und der Kraftstoffleitung nichts Wesentliches.

[0016] Alternativ dazu ist es auch eine Ausführung vorteilhaft, bei welcher die Leitungen (Luftleitung, Kraftstoffleitung und Abgasleitung) dreidimensional spiralförmig verlaufen. Das heißt, diese bilden nicht jeweils quaderförmige Hüllen, sondern verlaufen nebeneinander in Form einer Spirale, welche sich aufrollt oder deren Durchmesser ändert.

[0017] Es kann vorgesehen sein, dass eine die Umhausung einschließende Isolationsschicht vorgesehen ist. Die Isolationsschicht schließt das gesamte Brennstoffzellensystem nach außen hin ab. Im Vergleich zum Stand der Technik kann diese sehr dünn ausgebildet werden, da eine Dämmung, thermisch und mechanisch, bereits durch die Umhausung erfolgt.

[0018] Das gesamte Brennstoffzellensystem, d. h. der Brennstoffzellenstapel mit integrierter Gasaufbereitungseinheit, ist von der Isolationsschicht umschlossen. Es sind eine Zuführleitung für Luft und eine Zuführleitung für Kraftstoff zum Brennstoffzellensystem vorgesehen. Weiter ist eine Auslassleitung für Brennstoffzellenabgas (Anodenabgas mit Kathodenabgas) und eine Abnahme für generierte elektrische Energie vorgesehen.

[0019] Von Vorteil ist es, wenn die Abgasleitung einen Nachbrenner und/oder einen Startbrenner umfasst. Die Abgasleitung, welche als innerster Teil der Umhausung ausgebildet ist, ist also zumindest teilweise katalytisch beschichtet, sodass das Abgas in der Abgasleitung katalytisch nachverbrannt wird. Durch diese Nachverbrennung wird Wärme erzeugt (exotherme Reaktion), welche auf die Kraftstoffleitung und/oder Luftleitung übertragen wird. Der Startbrenner umfasst günstigerweise für einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems eine elektrische Heizeinrichtung. Günstig ist es dabei weiter, wenn der Nachbrenner auch als Startbrenner nutzbar ist, sobald die unmittelbare Kaltstartphase abgeschlossen ist. Die Abgasleitung umfasst weiter einen Auslass, sodass Abgas an die Umgebung abgegeben werden kann. Wird das Brennstoffzellensystem mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben, ist günstigerweise kein Nachbrenner vorgesehen. Allerdings kann dieser auch bei einer Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff vorteilhaft sein, insbesondere dann, wenn der Kraftstoff nicht zu 100 % aus Wasserstoff besteht.

[0020] Bei der erfindungsgemäßen, kompletten Integration der Gasverarbeitungseinheit in den Brennstoffzellenstapel ergibt sich also der weitere Vorteil, dass auch das Thermomanagement auf einer Mikroebene stattfinden kann. Dadurch lässt sich ein Schichtsystem aufbauen bei dem z. B. die kalte Luft als aktive Wärmedämmung verwendet werden kann und gleichzeitig für den inneren Bereich vorgewärmt wird. Beispielsweise lässt sich eine gleichmäßige Temperatur im gesamten Brennstoffzellensystem und/oder in allen Zellen und/oder jeder speziellen Zelle dadurch erreichen, dass dieses viele Richtungsänderungen aufweist, das heißt die Betriebsfluide ändern mehrmals deren Richtung, wodurch Wärme immer dort entsteht, wo sie gebraucht wird.

[0021] Besonders zweckmäßig ist es, wenn mehrere Mikroeinheiten vorgesehen sind, wobei jede Mikroeinheit zumindest einen Anodenabschnitt, einen Kathodenabschnitt und ein Element der Gasverarbeitungseinheit umfasst. Grundsätzlich ist es dadurch möglich, beliebig viele solcher Mikroeinheiten innerhalb der Umhausung anzuordnen.

[0022] Diese sind bevorzugt derart angeordnet und platziert, dass Wärme immer dort erzeugt wird, wo diese gerade gebraucht wird. Günstig ist es, wenn das Brennstoffzellensystem frei von Leitungen ist, deren einzige Funktion das Weiterleitung von Fluiden ist. Hierzu kann jede notwendige Leitung eine Mikroeinheit umfassen. In weitere Folge ist dadurch auch der Bauraum des Brennstoffzellenstapels drastisch reduziert, da jede Leitung eine Funktion zur Gasaufbereitung hat. Dadurch wird eine Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems erhöht und eine Aufheizzeit wird reduziert. Besonders bevorzugt ist es, wenn jede Mikroeinheit Wärmetauscher aufweist, Sodass Luft über Wärme aus dem Kathodenabschnitt und Kraftstoff über Wärme aus dem Anodenabschnitt erwärmt und in weiterer Folge stets auf Temperatur gehalten wird.

[0023] Von Vorteil ist es, dass durch diese Anordnung und Ausbildung der Mikroeinheiten, der Reformer beispielsweise auch direkt in einem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein kann, wofür der Anodenabschnitt zumindest teilweise katalytisch beschichtet ist. Durch das ideale Thermomanagement, welches durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem erzielt wird, können die Anforderungen an den Reformer herabgesetzt werden. Insbesondere kann dabei auf teure Edelmetallkatalysatoren verzichtet und stattdessen Nickel verwendet werden. Kohlenstoffablagerungen und Ähnliches sind durch die optimale Anordnung vermieden.

[0024] Die Ausbildung der Mikroeinheiten ist weiter vorteilhaft, weil dadurch der Brennstoffzellenstapel nicht mehr oder zumindest weniger durch die Luft gekühlt werden muss: Die Kühlung des Brennstoffzellenstapels erfolgt durch endotherme Prozesse in den Mikroeinheiten. Die Luft für die Kathodenseite wird nur mehr durch die Sauerstoffmenge beeinflusst. Wird Wasserstoff als Brennstoff verwendet, kann eine Luftkühlung aber vorteilhaft sein.

[0025] Es kann günstig sein, wenn zumindest eine Anodenabgasrezirkulationsleitung vorgesehen ist. Insbesondere ist dies zweckmäßig, wenn kein oder nur ein kleiner Nachbrenner vorgesehen ist, weil das Brennstoffzellensystem mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben wird. Üblicherweise wird nur etwa 60 % bis 70 % des Wasserstoffes im Brennstoffzellenstapel umgesetzt und/oder aufgebraucht. Das Anodenabgas kann stromabwärts aller Anodenabschnitte zusammengeführt werden, und über eine einzige Anodenabgasrezirkulationsleitung rezirkuliert werden.

[0026] Alternativ können auch mehrere Anodenabgasrezirkulationsleitungen zum Rezirkulieren vorgesehen sein. In jedem Fall wird zumindest ein Teil des Anodenabgases der Kraftstoffleitung und wieder dem Brennstoffzellensystem zugeführt. Es ist also vorteilhaft, wenn jener Anteil des Wasserstoffes, welcher im Anodenabgas stromabwärts des Brennstoffzellenstapels vorhanden ist, über die Anodenabgasrezirkulationsleitung in Richtung des Eingangs zum Brennstoffzellensystem gefördert wird, hierfür kann beispielsweise ein Ejektor, ein Mikroejektor oder ein Gebläse vorgesehen sein. Dieser Anteil des Wasserstoffes wird der Kraftstoffleitung zugeführt, welche Kraftstoff in die Anodenabschnitte leitet. Da der Wasserstoff stromabwärts des Anodenabschnittes als Gemisch mit Wasser vorliegt, muss dieser in der Regel erst vom Anodenabgas abgeschieden werden. Hierfür kann dieser beispielsweise aus dem Anodenabgas rauskondensiert werden, wofür das Anodenabgas abgekühlt wird. Alternativ kann der Wasserstoff auch durch eine Membran abgeschieden werden. Durch das Rezirkulieren des unverbrauchten Wasserstoffes über die Anodenabgasrezirkulationsleitung kann die Kraftstoffnutzung im gesamten Brennstoffzellensystem auf nahezu 100 % erhöht werden. In weiterer Folge lässt sich auch die Brennstoffzellensystemeffizienz steigern.

[0027] Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist besonders bevorzugt durch ein additives Verfahren hergestellt.

[0028] Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind, dass durch die Freiheitsgrade in der Fertigung die Vorteile aus planar aufgebauten Brennstoffzellenstapel wie die Möglichkeit einer seriellen Verschaltung und damit geringen ohmschen Verlusten und die Vorteile aus röhrenförmig aufgebauten Brennstoffzellenstapel wie internes Reformieren und Stabilität vereint werden. Gleichzeitig werden die Nachteile vermieden. Besonders die Problematik der Dichtung kann damit deutlich entschärft werden. Grundsätzlich eröffnet das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem nahezu unzählige Möglichkeiten der Anordnung und Ausbildung der Elemente der Gasverarbeitungseinheit und der Elemente des Brennstoffzellenstapels und der einzelnen Zellen sowie die Ausbildung und Anordnung von Leitungen, da dieses unzählige Freiheitsgrade aufweist.

[0029] Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug, besonders bevorzugt in einem Nutzfahrzeug verwendet.

[0030] Bei einem Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystem werden Luft und Kraftstoff aus der Umgebung, gegebenenfalls durch ein Gebläse, insbesondere direkt in den Brennstoffzellenstapel gefördert, wobei im Brennstoffzellenstapel die Gasverarbeitungseinheit integriert ist. Ein gesamtes Wärmemanagement wird somit auf Zellebene durchgeführt, wofür bei-

spielsweise die in den Zellen entstehende Wärme genutzt wird. Das Brennstoffzellensystem kann also als Blackbox verstanden werden, in welche Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, und Luft eingebracht und aus welcher am anderen Ende Wasser und gegebenenfalls Wasserstoff und/oder Kohlenstoffdioxid sowie Luft ausgebracht wird. Das Brennstoffzellensystem liefert selbstverständlich Strom, beispielsweise zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges und/oder zur Speicherung in einer Batterie.

[0031] Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Brennstoffzellensystem additiv gefertigt wird.

[0032] Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass dadurch das Brennstoffzellensystem mit einer beliebigen Form herstellbar ist. Darüber hinaus wird durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere ein einteiliges Brennstoffzellensystem hergestellt, welches die Gasverarbeitungseinrichtung und den Brennstoffzellensystem vereint und welches in weitere Folge auch langlebig und robust ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine im Vergleich zum Stand der Technik kleinere, d. h. weniger Platz beanspruchende Brennstoffzellensysteme hergestellt werden. Darüber hinaus ist es durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte möglich, Brennstoffzellensystem mit einer beliebigen Struktur herzustellen. Dadurch kann eine Struktur und/oder Form des Brennstoffzellensystem auf gewünschte und/oder vorbestimmte Anforderungen angepasst werden. Das Brennstoffzellensystem wird insbesondere 3-D-gedruckt. Dabei werden alle unterschiedlichen Elemente und unterschiedlichen Schichten des Brennstoffzellensystem, wie insbesondere elektrisch isolierende, elektrische leitende, gasdurchlässige, gasdichte Schichten, Elektrolyten, Kathodenmaterial, Anodenmaterial gedruckt. Besonders bevorzugt wird dies alles in einem einzigen Druckvorgang durchgeführt.

[0033] Günstig ist es, wenn das Verfahren folgende Schritte umfasst:

[0034] - S1: Bereitstellen eines Pulvers,

[0035] - S2: Herstellen einer ersten Schicht aus dem Pulver,

[0036] - S3: Schmelzen der ersten Schicht durch eine Energiequelle,

[0037] - S4: Auftragen einer weiteren Schicht aus dem Pulver auf die erste Schicht, [0038] - S5: Schmelzen der weiteren Schicht durch eine Energiequelle,

[0039] - S6: Wiederholen der vorhergehenden Schritte S1 bis S5 bis das vorbestimmte Brennstoffzellensystem hergestellt ist.

[0040] Es kann günstig oder notwendig sein, dass das Brennstoffzellensystem nach der additiven Fertigung derselben, d. h. nach den Schritten 1 bis 6 noch nachbearbeitet wird. Hierzu kann das Brennstoffzellensystem beispielsweise noch (ab)geschliffen werden oder es werden Aussparungen in derselben beispielsweise durch Bohren hergestellt. Darüber hinaus kann diese auch kraftund/oder stoffschlüssig mit Zuleitungen oder Ableitungen verbunden werden oder es können Teile davon abgetrennt werden. Im Schritt kann ein vorteilhafterweise ein metallisches Pulver bereitgestellt werden. Es kann aber auch ein keramisches Pulver oder ein Pulver aus Kunststoff bereitgestellt werden. Das Pulver umfasst bevorzugt unterschiedliche Materialen, da Elemente und/oder Schichten mit unterschiedlichen Funktionen additiv gefertigt werden. Beispielsweise können elektrisch isolierende oder gasdichte Schichten mit einem keramischen Pulver gedruckt werden. Vorteilhaft ist es weiter, wenn metallische Schichten zumindest teilweise porös gedruckt werden, sodass diese in weiterer Folge gasdurchlässig sind. Die Schichten, insbesondere metallischen Schichten, werden alternativ insbesondere als dreidimensionales Gebilde mit Mikrokanälen hergestellt, welches dann auch gasdurchlässig ist.

[0041] Von Vorteil ist es, wenn das Schmelzen der Schichten durch einen Laser oder in einem Ofen durchgeführt wird. Wenn das Schmelzen der ersten und der weiteren Schichten durch einen Laser durchgeführt wird, wird das Brennstoffzellensystem also durch selektives Laserschmelzen hergestellt, wobei der Laser die Energiequelle ist. Es wird das metallische Pulver in einer dünnen Schicht auf ein insbesondere plattenförmiges Grundelement aufgebracht und durch Laserstrahlung lokal insbesondere derart vollständig geschmolzen, dass nach einer Erstarrung eine feste

Materialschicht hergestellt. Dieser Schritt bzw. diese Schritte werden solange wiederholt, bis alle oder einige vorgegeben Schichten umgeschmolzen sind. Eine derartig hergestellte Schicht weist üblicherweise eine Schichtdicke zwischen 15 um und 500 um auf. Eine durch selektives Laserschmelzen hergestelltes Brennstoffzellensystem weist eine große spezifische Dicht im Bereich von 99 % oder mehr auf. Es kann auch vorgesehen sein, dass nicht alle Schichten unmittelbar beim Drucken geschmolzen werden, sondern manche davon auch erst nach dem Drucken im Ofen geschmolzen werden.

[0042] Alternativ dazu kann es auch zweckmäßig sein, wenn das Schmelzen der ersten und der weiteren Schichten durch einen Elektronenstrahl durchgeführt wird. Auch durch dieses sogenannte Elektronenstrahlschmelzen wird das metallische Pulver also gezielt aufgeschmolzen, wodurch wie durch das Laserschmelzen eine kompakte Gasverarbeitungsvorrichtung mit nahezu 100 %iger Gefügedichte hergestellt werden kann. Das Schmelzen durch einen Elektronenstrahl wird insbesondere unter Vakuum durchgeführt. In diesem Fall ist der Elektronenstrahl die Energiequelle. Wieder kann ein derart gedrucktes Brennstoffzellensystem in einem Ofen weiter bearbeitet werden.

[0043] Bei beiden oben erwähnten Varianten kann ein Brennstoffzellensystem mit einer beliebigen Geometrie hergestellt werden. Das metallische Pulver wird punktuell und schichtweise geschmolzen, wobei die geschmolzenen Schichten jeweils durch Erkalten erstarren, wodurch das gewünschte Brennstoffzellensystem hergestellt wird. Es kann auch bei allen Varianten günstig sein, wenn das Brennstoffzellensystem insbesondere nach dem Aufbringen des katalytischen Materials beispielsweise in einem Ofen getrocknet wird.

[0044] Wenngleich das Brennstoffzellensystem nach der additiven Fertigung katalytisch beschichtet werden kann, beispielsweise durch Eintauchen in eine oder Infiltrieren mit einer katalytischen Lösung oder durch Besprühen mit einer katalytischen Lösung, ist es vorteilhaft, wenn katalytisches Material während der additiven Fertigung aufgebracht wird. Das heißt die katalytische Beschichtung wird mitgedruckt. Dabei kann es günstig sein, wenn diese nach dem Drucken in einem Ofen getrocknet und/oder nachbearbeitet wird.

[0045] Das katalytische Material kann entweder auf das gesamte Brennstoffzellensystem aufgebracht oder dieses kann nur teilweise mit dem katalytischen Material beschichtet werden. Besonders bevorzugt wird das Brennstoffzellensystem physikalisch oder chemisch mit dem katalytischen Material beschichtet.

[0046] Vorteilhaft ist es, wenn die Schichten mit einer Wandstärke im Bereich von etwa 10 um bis etwa 100 um hergestellt werden. Dadurch ist eine vorbestimmte oder gewünschte Geometrie des Brennstoffzellensystems besonders präzise herstellbar. Es wird ein Brennstoffzellensystem mit einer großen Oberfläche hergestellt, wodurch auch genügend Fläche zum katalytischen Beschichten bereitgestellt ist. Dadurch wird das Brennstoffzellensystem klein und/oder platzsparend und/oder kompakt ausgebildet, wobei gleichzeitig genügend katalytisch beschichtete Oberfläche bereitgestellt wird, um die chemischen Umwandlungsprozesse durchführen zu können. Durch das Integrieren der Gasverarbeitungseinrichtung in den Brennstoffzellenstapel können chemische Umwandlungsprozesse zur Gasaufbereitung, insbesondere das Reformierung, auch direkt im Brennstoffzellenstapel, bevorzugt im Anodenabschnitt, durchgeführt werden.

[0047] Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

[0048] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik;

[0049] Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;

[0050] Fig. 3 eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;

[0051] Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;

[0052] Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;

[0053] Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem gemäß Fig. 5 entlang IV.

[0054] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß dem Stand der Technik. Dabei sind wie einleitend beschrieben die Gasverarbeitungseinheit 3 und der Brennstoffzellenstapel 2 physikalisch getrennt voneinander angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel 2 und die Gasverarbeitungseinheit 3 sind durch Leitungen (dargestellt durch Pfeile in Fig. 1) miteinander verbunden. Die Gasverarbeitungseinheit 3 umfasst einen Reformer 3a einen Startbrenner 9b, einen Nachbrenner 9a und Wärmetauscher 3b. Darüber hinaus sind noch Zuführleitungen für Kraftstoff 11 und Luft 12 sowie eine Abgasleitung 13 vorgesehen.

[0055] Im Unterschied dazu zeigt Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 in einer schematischen Darstellung. Dabei sind die Elemente der Gasverarbeitungseinrichtung 3 in den Brennstoffzellenstapel 2 integriert. Diese Elemente sind ein Reformer 3a, ein Startbrenner 9b, ein Nachbrenner 9a und Wärmetauscher 3b. Dabei kann ein Wärmetauscher 3b für die Luft und einer für den Kraftstoff vorgesehen sein bzw. zum Erwärmen derselben. Eine Trennung des Brennstoffzellenstapels 2 und der Gasverarbeitungseinheit 3 ist nicht vorgesehen. Diese sind integral ausgebildet. Weiter ist eine Kraftstoffzuleitung 11, eine Luftzuführleitung 12 und eine Abgasleitung 13 zum Abführen des Abgases in die Umgebung vorgesehen. Das in Fig. 2 gezeigte Brennstoffzellensystem 1 entspricht einem Brennstoffzellensystem 1, welches mit einem kohlenstoffhaltigen Brennstoff betrieben wird, welcher vor einer Verwendung in Brennstoffzellenstapel 2 erst reformiert werden muss. Zur Nachverbrennung nicht vollständig verbrannter Kohlenstoffe ist ein Nachbrenner 9a vorgesehen. Wird das Brennstoffzellensystem 1 im Gegensatz dazu direkt mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben, ist weder ein Reformer 3a noch ein Nachbrenner 9a vorgesehen. Die Wärmetauscher 3b sind allerdings immer vorgesehen.

[0056] Fig. 3 zeigt eine weitere Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1, wobei ein Schnitt durch das Brennstoffzellensystem gezeigt ist. Es ist wiederrum ersichtlich, dass der Brennstoffzellenstapel 2 und die Gasverarbeitungseinheit 3 integral ausgebildet sind. Einzelne, trennbare Komponenten derselben existieren nicht mehr. Es sind mehrere Mikroeinheiten 10 vorgesehen (es sind nur zwei dargestellt, allerdings kann das Brennstoffzellensystem 1 viel mehr umfassen), wobei jede Mikroeinheit 10 einen Anodenabschnitt 2a, einen Kathodenabschnitt 2b und eine Reformereinheit 3a umfasst. Weiter können nicht dargestellte Wärmetauschereinheiten 3b vorgesehen sein. Alternativ kann beispielsweise die Reformereinheit 3a gleichzeitig als Wärmetauschereinheit 3b ausgebildet sein. Die Reformereinheit 3a ist dabei bevorzugt als endothermer Reformer ausgebildet, welcher Wärme aus dem Anodenabschnitt 2a nutzt, um die notwendige Temperatur für die katalytische Umsetzung zu erreichen.

[0057] Es ist auch eine in Fig. 3 nicht gezeigte, insbesondere metallische, Stützstruktur vorgesehen, welche die Zelle an sich bestehend aus Anodenabschnitt 2a, Kathodenabschnitt 2b, Elektrolyt, sowie eine Verbindung des Anodenabschnittes 2a von einer ersten Zellen mit dem Kathodenabschnitt 2b von einer nächsten Zelle stützt und/oder verbindet. Weiter ist eine nicht in Fig. 3 nicht gezeigte Isolation der metallischen Stützstrukturen der Zellen zueinander vorgesehen.

[0058] Die Pfeile innerhalb der jeweiligen Mikroeinheiten 10 stellen einen Wärmeübertrag zwischen den Elementen 2a, 2b, 3a jeder Mikroeinheit 10 dar. Das Brennstoffzellensystem 1 ist von einer Umhausung 4 umschlossen, welche wiederum durch eine Isolationsschicht 8 nach Außen abgeschlossen oder umgeben ist. Die Umhausung 4 umfasst von Innen nach Außen eine Abgasleitung 7, eine Kraftstoffleitung 6 und eine Luftleitung 5, wobei diese zum Wärmeübertrag unmittelbar aneinander anschließen. Die Isolationsschicht 8 folgt auf die Luftleitung 5. Die in Fig. 3 dargestellten Pfeile, welche das Brennstoffzellensystem 1 mit den Leitungen 5, 6, 7 verbinden, zeigen die Fließrichtung der Fluide. So wird Luft über die Luftleitung 5 zu den Kathodenabschnitten 2b gefördert. Kraftstoff wird über die Kraftstoffleitung 5 zu den Anodenabschnitten gefördert.

Abgas, welches stramabwärts des Brennstoffzellenstapels 2 entsteht, wird über die Abgasleitung 7 und eine Abgasleitung 13 an die Umgebung abgegeben. Weiter ist eine Luftzuführleitung 12 vorgesehen, über welche Luft in die Luftleitung 5 eingebracht wird. Eine Kraftstoffzuführleitung 11 ist zum Einbringen von Kraftstoff in die Kraftstoffleitung 6 angeordnet. In der Abgasleitung 7 ist weiter ein Nachbrenner 9a angeordnet, wofür die Abgasleitung 7 zumindest teilweise katalytisch beschichtet ist. Der Nachbrenner 9a kann gleichzeitig als Startbrenner 9b angeordnet und ausgebildet sein. Alternativ kann auch ein separater Startbrenner 9b vorgesehen sein. Es ist auch eine Abnahme 17 für generierte elektrische Energie vorgesehen.

[0059] In Fig. 3 sind weitere Pfeile 14 zur Darstellung eines Wärmeübertrages in der Umhüllung dargestellt. Das heiße Abgas in der Abgasleitung 7 überträgt Wärme auf die Kraftstoffleitung 6, wodurch der Kraftstoff erwärmt wird. Weiter wird noch Wärme zur Erwärmung der Luft auf die Luftleitung 5 übertragen. Durch die Anordnung der Schichten der Umhüllung 4 wird nicht nur Wärme optimal genutzt, sondern auch das Brennstoffzellensystem 1 thermisch isoliert, sodass die Isolationsschicht 8 mit einer sehr geringen Dicke ausgebildet werden kann. Die drei Punkte sollen zeigen, dass beliebig viele Mikroeinheiten vorgesehen sein können.

[0060] Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 in einer schematischen Darstellung. Dieses entspricht in vielen Teilen dem Brennstoffzellensystem gemäß Fig. 3, wobei die gleichen Bezugszeichen die gleichen Elemente beschreiben, allerdings umfasst die Mikroeinheit 10 hier keine Reformereinheit 3a, es sind jeweils lediglich ein Anodenabschnitt 2a, ein Kathodenabschnitt 2b und Wärmetauscher 3b vorgesehen. Die Wärmetauscher 3b sind derart angeordnet und ausgebildet, dass insbesondere ein direkter Wärmeübertrag vom Kathodenabschnitt 2b zur Luftleitung 5 und ein direkter Wärmeübertrag vom Anodenabschnitt 2a zur Kraftstoffleitung 6 erfolgt. Die Wärmetauscher 3b sind in den Zellen 2a, 2b und/oder den Leitungen 5, 6, 7 integriert. Die Funktion aller Elemente entspricht jener zur Fig. 3 beschriebenen.

[0061] In Fig. 4 ist weitere eine Anodenabgasrezirkulationsleitung 15 vorgesehen. Üblicherweise wird nur etwa 60 % bis 70 % des Wasserstoffes im Brennstoffzellenstapel umgesetzt und/oder aufgebraucht. Das Anodenabgas wird stromabwärts aller Anodenabschnitte 2a zusammengeführt und über eine einzige Anodenabgasrezirkulationsleitung 15 rezirkuliert werden. Dies erfolgt gemäß Fig. 4 in einem Abscheider 16. Der Abscheider ist dazu vorgesehen, den stromabwärts des Anodenabschnittes 2a als Gemisch mit Wasser vorliegenden Wasserstoff vom Anodenabgas abzuscheiden. Der Wasserstoff wird dann in die Anodenabgasrezirkulationsleitung 15 geführt und von dort wieder in die Anodenabschnitte 2a gefördert, beispielsweise mit einem nicht dargestellten Ejektor. Das Wasser wird von Abscheider 16 in die Abgasleitung 7 geführt. Fig. 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Fig. 5 ist (wie auch die anderen Figuren) ein Schnitt durch ein dreidimensionales Brennstoffzellensystem 1, in welche, Leitungen und Elemente nahezu beliebig verlaufen können und/oder angeordnet sind. Wichtig ist, dass stets Wärme dort erzeugt wird, wo sie gerade notwendig ist. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Wärmeübertrag nicht nur in der Blattebene, sondern auch in beliebigen anderen Ebenen erfolgen kann. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass zwischen dem Anodenabschnitt 2a und dem Kathodenabschnitt 2b ein Elektrolytabschnitt 19 vorgesehen ist. Es versteht sich, dass der Elektrolytabschnitt 19 in jedem Ausführungsbeispiel vorhanden ist, auch wenn dieser nicht explizit dargestellt ist. An den Kathodenabschnitt 2b schließt die Luftleitung 5 an, welche in diesem Ausführungsbeispiel aus mikroporösem Material oder dreidimensionalen Mikrokanälen besteht. Wichtig ist, dass die Luftleitung 5 gasdurchlässig ist. Die Luftleitung 5 ist zugleich als Wärmetauscher 3b ausgebildet, sodass Wärme vom Kathodenabschnitt 2b auf die Luft übertragen ist. An die Luftleitung 5 schließt eine metallische Struktur 20 an, welche gasdicht ausgebildet ist. Auf der anderen Seite der Zelle schließt an den Anodenabschnitt 2a die Kraftstoffleitung 6 an. Auch diese ist mikroporös und elektrisch leitend ausgebildet. Wärme wird vom Anodenabschnitt 2a auf die Kraftstoffleitung 6 übertragen. Die Abgasleitung 7 ist in einer anderen Ebene des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet und deshalb in Fig. 5 nicht ersichtlich. Weiter ist eine Isolierung 18 vorgesehen, welche einzelne Zellen elektrisch voneinander isoliert. Die Isolierung 18 stellt auch sicher, dass die Zellen zueinander gasdicht sind und ist bevorzugt aus einem keramischen Material gebildet. Auf der

anderen Seite der Kraftstoffleitung 6 schließt wiederum eine metallische Struktur 20 und an die eine Luftleitung 5 an. Die metallische Struktur 20 ist wärmeleitend oder als Wärmetauscher 3b ausgebildet, sodass diese Wärme sowohl auf die Luftleitung 5 als auch auf die Kraftstoffleitung 6 überträgt. Beispielsweise kann in einer anderen Ebene die Abgasleitung 7 an die metallische Struktur 20 anschließend, von welcher Wärme auf die metallische Struktur 20 übertragen wird. In der Abgasleitung 7 wird ja das heiße Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 2 geführt. Die Wärme wird deshalb übertragen, weil die Wärmetauscher 3b entweder durch die metallische Struktur gebildet sind und/oder direkt in die Elemente des Brennstoffzellenstapels 2 und/oder in den Leitungen 5, 6, 7 integriert sind.

[0062] In Fig. 6 ist die Isolierung 18 bzw. deren Verlauf im Detail gezeigt. Die Isolierung 18 isoliert alle Zellen elektrisch untereinander, sodass diese in weitere Folgen in Reihe geschaltet werden können, ohne dass ein Kurzschluss erfolgt. Günstigerweise bildet die Isolierung 18 auch eine Gasdichtung.

[0063] Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 wird additiv gefertigt. Dabei werden bei der Fertigung des Brennstoffzellenstapels 2 bereits die Elemente der Gasaufbereitungseinheit 3 in denselben integriert.

Claims

Patentansprüche

1. Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) mit mehreren Anodenabschnitten (2a) und Kathodenabschnitten (2b) und eine Gasverarbeitungseinheit (3) mit mehreren Wärmetauschereinheiten (3b), wobei der Brennstoffzellenstapel (2) und die Gasverarbeitungseinheit (3) integral ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umhausung (4) vorgesehen ist, wobei die Umhausung (4) den Brennstoffzellenstapel (2) und die Gasverarbeitungseinheit (3) einschließt und eine Luftleitung (5), eine Kraftstoffleitung (6) und eine Abgasleitung (7) umfasst.

2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitung (5) die äußerste Schicht der Umhausung (4) bildet und die Abgasleitung (7) die innerste Schicht der Umhausung (4) bildet und die Kraftstoffleitung (6) zwischen Luftleitung (5) und Abgasleitung (7) angeordnet ist.

3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Umhausung (4) einschließende Isolationsschicht (8) vorgesehen ist.

4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (7) einen Nachbrenner (9a) und/oder einen Startbrenner (9b) umfasst.

5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mikroeinheiten (10) vorgesehen sind, wobei jede Mikroeinheit (10) zumindest einen Anodenabschnitt (2a), einen Kathodenabschnitt (2b) und ein Element der Gasverarbeitungseinheit umfasst.

6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverarbeitungseinheit (3) zumindest eine Reformereinheit (3a) umfasst.

7. Brennstoffzellensystem (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Anodenabgasrezirkulationsleitung (15) vorgesehen ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) additiv gefertigt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellensystems (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte vorgesehen sind: - $S1: Bereitstellen eines Pulvers, - 82: Herstellen einer ersten Schicht (2a) aus dem Pulver, - S3: Schmelzen der ersten Schicht (2a) durch eine Energiequelle, - S4: Auftragen einer weiteren Schicht (2b) aus dem Pulver auf die erste Schicht, - S5: Schmelzen der weiteren Schicht (2b) durch eine Energiequelle, - S6: Wiederholen der vorhergehenden Schritte S1 bis S5 bis das vorbestimmte Brennstoffzellensystem hergestellt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzen der Schichten durch einen Laser oder in einem Ofen durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass katalytisches Material während der additiven Fertigung aufgebracht wird.

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