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Die
Erfindung betrifft ein System aus einer Brennstoffzelle, einem Nachbrenner
für deren
Abgas, dem als Oxidationsmittel Luft zugeführt wird, sowie einem Wärmetauscher
zum Hochheizen des der Brennstoffzelle zugeführten Luftstromes mittels des Abgases
des Nachbrenners, wobei auf einer den Wärmetauscher enthaltenden Einheit
eine den Nachbrenner enthaltende Einheit und auf dieser eine die Brennstoffzelle
enthaltende Einheit angeordnet ist, so dass diese Einheiten einen
Stapel bilden. Zum bekannten Stand der Technik wird auf die
DE 103 10 642 A1 verwiesen.
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Brennstoffzellen
werden derzeit als Ersatz- und Ergänzungssysteme zur Bereitstellung
von elektrischer Leistung in Kraftfahrzeugen diskutiert und sind
bekanntlich aus Einzelzellen, die jeweils eine Kathode, eine Anode
und eine dazwischen liegende Elektrolytschicht aufweisen, welche
für Ionen
durchlässig,
aber für
Elektronen undurchlässig
ist, aufgebaut. In Brennstoffzellen reagieren Brennstoff (üblicherweise
Wasserstoff oder ein Reformat bzw. ein mittels Reformierung aus
Kohlenwasserstoffen erzeugtes wasserstoffhaltiges Gemisch) und ein
Oxidationsmittel (üblicherweise
Luft-Sauerstoff)
unter Abgabe von elektrischem Strom miteinander, wobei jedoch eine
vollständige
Umsetzung der (üblicherweise
gasförmigen)
Brennstoffe in Strom und Wärme nicht
vollständig
geleistet werden kann. Um also die Emission von Brennstoffen und
anderen schädlichen Bestandteilen über die
Abgase von Brennstoffzellen-Systemen zu verhindern oder auf ein
Mindestmass zu beschränken,
setzt man typischerweise Nachverbrennungssysteme ein.
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Insbesondere
an Hochtemperatur-Brennstoffzellen (bspw. SOFC = Festoxid-Brennstoffzelle) ist
es aus Wirkungsgradgründen
erwünscht,
dass die Produktströme
der Brennstoffzelle aus deren Anode(n) und Kathode(n) gemeinsam
in einer Nachverbrennung umgesetzt werden. Deren Abwärme kann vorteilhafterweise
in das Brennstoffzellen-System zurückgeführt werden, und zwar im Wärmetausch
mit den der Brennstoffzelle zugeführten Edukten. Für den Einsatz
in Brennstoffzellen-Systemen werden dabei verschiedene Nachverbrennungssysteme
diskutiert. So sind sowohl Verbrennungen mit freier Flamme nach
Vermischung der Medienströme
als auch sog. Röhrenbrenner
und Porenbrenner und Brenner mit katalytischer Unterstützung theoretisch möglich, wobei
jedoch darauf zu achten ist, dass eine unkontrollierte Vermischung
der Produktströme
von Hochtemperatur-Brennstoffzellen
zu vermeiden ist, da sich die gasförmigen Brennstoffe beim vorliegenden
Temperaturniveau selbst entzünden
könnten, was
zu unkontrollierter Verbrennung an ungewünschter Stelle im Brennstoffzellen-System
und möglicherweise
zu einer Beschädigung
desselben führen
kann.
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In
der eingangs genannten
DE
103 10 642 A1 ist ein System aus Brennstoffzelle, Nachbrenner und
Wärmetauscher
beschrieben, das sich aufgrund der weiteren, im Oberbegriff des
Anspruchs 1 aufgeführten
Merkmale durch eine vorteilhafte, kompakte Bauweise auszeichnet.
Die in dieser Schrift gezeigten Varianten für einen Nachbrenner besitzen
jedoch einen langen Ausbrandraum, was insbesondere für eine Anwendung
im Automobilbereich wegen der hier vorliegenden anspruchsvollen
Bauraum-Anforderungen (d.h. nach möglichst geringem Bauraumbedarf)
ungünstig
ist. Auch katalytische Brenner bzw. Porenbrenner sind wegen des
Erfordernisses von Strukturen wie Keramiken oder metallischen Katalysatorträgern aufgrund
ihrer Kostenstruktur ungünstig. Ferner
ist für
eine Ausführungsvariante
in der genannten Schrift ein sog. Brenngasrecycling vorgeschlagen,
wobei dieses zurückgeführte Brenngas
der Brennstoffzelle als Edukt wieder direkt zugeführt wird.
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Hiersoll
nun ein verbessertes System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die folgenden Merkmale vorgesehen:
Erstens
ist der Nachbrenner ist als Flächenbrenner ausgebildet.
Zweitens enthält
die Wärmetauscher-Einheit
neben einem ersten Wärmetauscher,
in dem ein Wärmeübergang
zwischen dem Abgas des Nachbrenners und dem zugeführten Luftstrom
erfolgt, einen zweiten Wärmetauscher,
in dem ein Wärmeübergang
zwischen einem Rezyklat-Abgasstrom, der stromauf des Nachbrenners
vom Brennstoffzellen-Abgasstrom abgezweigt und stromab dieses besagten
Wärmetauschers
vorzugsweise einem Reformer zur Aufbereitung des der Brennstoffzelle
zugeführten
Brennstoffs zugeführt
wird, und dem der Brennstoffzelle zugeführten Luftstrom erfolgt. Drittens
sind die beiden Wärmetauscher
als Kreuzstrom-Wärmetauscher
ausgebildet.
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Zunächst auf
die bzw. den sog. zweiten Wärmetauscher
eingehend ist dieser vorgesehen, um einen Teil des Brennstoffzellen-Abgasstromes
in vorteilhafter, energetisch günstiger
Weise nochmals verwenden zu können
und hierbei als sog. Rezyklat vorzugsweise einem Reformer zur Aufbereitung
des Brennstoffzellen-Kraftstoffs zuzuführen. Diese Rezyklat-Zufuhr
sollte mittels einer Förder-
oder Verdichtungsvorrichtung erfolgen, die relativ einfach aufgebaut
sein kann, wenn die Temperatur des Rezyklats nicht zu hoch ist.
Damit diese Voraussetzung erfüllt
werden kann, wird hier ein Wärmetauscher
vorgeschlagen, der – um
den Aufbau des gesamten Systems weiterhin möglichst kompakt zu halten – direkt neben
dem anderen, ersten Wärmetauscher
bzw. in einer gemeinsamen Ebene mit diesem angeordnet ist. Vorteilhaft
ist diese vorgeschlagene Anordnung auch insofern, als durch diese
beiden Wärmetauscher
zur Aufwärmung
der der Brennstoffzelle zugeführte
Luftstrom unter einfacher, energetisch günstiger Strömungsführung geleitet werden kann.
Um dabei einen bestmöglichen
Wärmetausch-Wirkungsgrad zu erzielen,
wird vorgeschlagen, die beiden Wärmetauscher
als Kreuzstrom-Wärmetauscher auszubilden.
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Im
weiteren auf die Ausbildung des Nachbrenners als sog. Flächenbrenner
eingehend wird im Hinblick darauf, dass dieses System kostengünstig herstellbar
sein soll, eine kompakter Bauweise aufweisen soll, und eine Trennung
der Brennstoffzellen-Produktströme
möglich
sein soll, als Nachbrenner für
gasförmige
Kraftstoffe ein sog. Flächenbrenner
vorgeschlagen. Bei diesem (an sich bekannten) Flächenbrenner-Prinzip werden über separat
geführte
Kanäle
die beiden miteinander reagierenden Medienströme, nämlich das Brennstoffzellen-Abgas
und Luft (bzw. Luftsauerstoff) erst in einem Ausbrandraum vermengt
und dort – falls
erforderlich mittels einer Zündvorrichtung
bzw. eines geeigneten Zündelements – gezündet. Ein
Rückschlagen
der Flamme in nicht erwünschte
Bereiche des Brennstoffzellen-Systems kann so auch bei hohen Temperaturen
der Gasströme
in der Nachverbrennung verhindert werden. Als weiterer Vorteil darf
gelten, dass sich durch die Verteilung der Flammfront auf eine große Fläche eine
kompakte Bauart in Verbindung mit den dem Abgasstrom des Nachbrenners
nachgeschalteten Wärmetauschern
darstellen lässt.
Hierdurch wird eine Verkürzung
des Bauraums gegenüber
anderen Brenner-Typen möglich.
Die Gemischbildung eines bzw. des Flächenbrenners kann sehr homogen
gestaltet werden, nachdem durch die Verteilung der jeweiligen Zufuhrlöcher von
Brennstoffzellen-Abgas (von der Anode der Brennstoffzelle kommend)
und Luft (bevorzugt bzw. unter anderem von der Kathode der Brennstoffzelle
kommend) auf einer sog. Brennfläche
in Form einer Platte oder eines Lochblechs eine über dieser Brennfläche verteilte
Mischung stattfinden kann. Dabei besteht durch das Lochbild dieser
Brennfläche
bzw. Platte oder dgl. sowie durch Variierung der Lochdurchmesser
auf der Platte bzw. in dem Lochblech eine zusätzliche Möglichkeit, die Gemischbildung
und den Verbrennungsprozess und die Entstehung von Emissionen zu
beeinflussen. Die Verbrennung findet stets im freien Ausbrandraum
statt, ohne dass unterstützende Strukturen,
die weitere Kosten verursachen würden, benötigt werden.
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Stromauf
des Flächenbrenners
bzw. in Strömungsrichtung
des Brennstoffzellenabgases betrachtet stromauf der Lochblechstruktur
des Flächenbrenners
und somit auf der der Brennstoffzelle zugewandten Seite derselben
ist bevorzugt ein sog. Gasverteiler vorgesehen, in dem der Abgasstrom
der Brennstoffzelle aufgeteilt wird in einen ersten, nicht dem Nachbrenner
sondern als Rezyklat vorzugsweise einem Reformer zugeführten Teilstrom
und in einen zweiten Teilstrom, der in eine Vielzahl von Einzelströmen aufgeteilt über die
besagte Lochblechstruktur in den Ausbrandraum des Nachbrenners gelangt,
wobei in diesem Gasverteiler auch ein Luftstrom (bzw. Luftsauerstoff-Strom)
in eine Vielzahl von Einzelströmen
aufgeteilt wird, um danach über
die Lochblechstruktur als Oxidationsmittel in den Ausbrandraum des
Nachbrenners zu gelangen.
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In
einer weiteren Konfiguration kann im System zumindest ein zusätzlicher
Kanal vorgesehen sein, über
den kalte (Umgebungs-)Luft entweder dem heißen Brennstoffzellen-Abgas,
d.h. der Kathodenabluft, oder (bzw. und) dem Abgasstrom des Nachbrenners
zugeführt
werden kann, womit sich die Temperatur der Nachverbrennung regeln
lässt.
Es kann also der dem Nachbrenner als Oxidationsmittel zugeführte Luftstrom
mit veränderbarem
Mischungsverhältnis
aus dem Rest-Luftstrom der Brennstoffzelle und einem Frischluftstrom
zusammengesetzt werden; ferner oder alternativ hierzu kann dem Abgas des
Flächenbrenners
ein Frischluftstrom zuführbar sein.
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Bevorzugt
sind sowohl die Wärmetauscher als
auch der Flächenbrenner
und alle Zufuhrkanäle und
Abfuhrkanäle
in einer gemeinsamen Struktur gehalten, so bspw. in einem gefrästen Gussteil
oder in einer Stahlblechkonstruktion, wobei eine geeignete gasdichte
Verbindung untereinander durch Hartlötverbindungen und/oder Schweißverbindungen
realisiert sein kann. Bevorzugt ist diese genannte Struktur direkt
an die Brennstoffzelle gekoppelt und kann als Halter für dieselbe
dienen. Die Gesamtanordnung, bestehend aus Brenn stoffzelle, Wärmetauschern, Gasverteilung
in Kanälen
und Nachverbrennung kann im übrigen
an einen sog. Reformer oder an eine andere Quelle für gasförmigem Brennstoff
für die Brennstoffzelle
gekoppelt sein.
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Anhand
der als 1 beigefügten Prinzipskizze sowie der
räumlichen
Quasi-Explosionsdarstellung gemäß 2 wird
im weiteren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Mit der Bezugsziffer 1 ist dabei stets ein Brennstoffzellen-Stack
(= Stapel von Brennstoff-Einzelzellen bzw. allg. Brennstoffzelle 1)
gekennzeichnet, in dem/der wie bekannt bspw. Wasserstoff bzw. ein
entsprechendes Reformat als Brennstoff und Luftsauerstoff unter
Abgabe elektrischer Energie miteinander reagieren. Der Brennstoffstrom
bzw. der Strom von unverbranntem Reformat ist mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnet
und der der Brennstoffzell 1 zugeführte Luftsauerstoffstrom mit
der Bezugsziffer 3.
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Der
Abgasstrom 4 der Brennstoffzelle 1 wird in einem
Gasverteiler 5 in einen ersten Teilstrom 4a, der
schließlich
als sog. Rezyklat vorzugsweise einem nicht dargestellten Reformer
zur Erzeugung von Reformat als Brennstoff zugeführt wird, und in einen zweiten
Teilstrom 4b aufgeteilt. Dieser Teilstrom 4b wird
dann in eine Vielzahl von Einzelströmen aufgeteilt über eine
Lochblechstruktur 6a oder dgl. in einen Ausbrandraum 6b eines
als sog. Flächenbrenner ausgebildeten
Nachbrenners 6 geführt.
In diesem Ausbrandraum 6b des Nachbrenners 6 erfolgt
also eine Nachverbrennung eines Teils des Brennstoffzellen-Abgasstromes 4,
wozu in den Nachbrenner 6 selbstverständlich auch Luftsauerstoff
eingeleitet wird, und zwar in Form eines Luftstroms 7 (bzw. Luftsauerstoff-Stroms 7),
der ebenfalls im Gasverteiler 5 in eine Vielzahl von Einzelströmen aufgeteilt wird,
um danach über
die besagte Lochblechstruktur 6a als Oxidationsmittel in
den Ausbrandraum 6b zu gelangen.
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Der
Abgasstrom 8 des Nachbrenners 6 wird (anschließend) durch
einen Wärmetauscher 9 hindurch
letztlich in die Umgebung abgeführt.
In Wärmetausch
mit diesem Abgasstrom 8 steht in diesem als Kreuzstrom-Wärmetauscher ausgebildetem Wärmetauscher 9 ein
bzw. der der Brennstoffzelle 1 als Frischluftstrom zugeführte Luftsauerstoffstrom 3, welcher
hier also zur Verbesserung der Reaktion in der Brennstoffzelle 1 vorteilhafterweise
erwärmt
wird. Bevor dieser Luftsauerstoffstrom 3 den Wärmetauscher 9 durchströmt, wird
er jedoch zunächst
durch einen weiteren ebenfalls als Kreuzstrom-Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher 10 hindurchgeführt, durch
den als zweiter Medienstrom der bereits genannte erste Teilstrom 4a von
Brennstoffzellen-Abgas 4 als sog. Rezyklat abgeführt wird.
Letzteres wird in diesem Wärmetauscher 10 im
Hinblick auf seine weitere Verwendung also vorteilhafterweise abgekühlt.
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Was
den dem Nachbrenner 6 zugeführten Luftstrom 7 betrifft,
so wird für
diesen zum einen der Luftsauerstoffstrom 3 der Brennstoffzelle 1 verwendet,
wobei auf den in der Brennstoffzelle 1 noch nicht verbrauchten
Sauerstoff zugegriffen werden kann; ferner kann diesem Luftstrom 7 ein
Frischluftstrom 11 aus der Umgebung beigemengt werden,
was hier ebenfalls innerhalb des Gasverteilers 5 erfolgt.
Im übrigen
kann auch dem Abgas 8 des Nachbrenners Frischluft 12 zugeführt werden
(vgl. 2).
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Insbesondere
aus 2 wird die kompakte Anordnung der soweit beschriebenen
System-Bestandteile ersichtlich. Die Brennstoffzelle 1 ist
innerhalb eines Gehäuses 21 angeordnet,
das mit den zugehörigen
Gaskanälen
eine sog. Einheit 21 bildet, unterhalb derer im wesentlichen
flächengleich
innerhalb eines Gehäuses 22 als
erste Einheit 22a der Gasverteiler 5 und – in Strömungsrichtung
des Brennstoffzellen-Abgasstromes 4 betrachtet
dahinter als zweite Einheit 22b der Nachbrenner 6 und
an diesen anschließend
(bzw. in der Figurendarstellung unterhalb) die Wärmetauscher 9, 10 in
einer Einheit 23 angeordnet sind.