DE102006031864A1

DE102006031864A1 - Brennstoffzellensystem mit Isolationseinrichtung

Info

Publication number: DE102006031864A1
Application number: DE102006031864A
Authority: DE
Inventors: Matthias Boltze; Michael Rozumek
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Enerday GmbH
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2008-01-17
Also published as: CN101501905A; US20110244352A1; EA200970035A1; CA2656574A1; AU2007272133A1; KR20090021309A; JP2009543301A; BRPI0714144A2; EP2038948A1; WO2008006325A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) mit einer Isolationseinrichtung (12) zur thermischen Isolierung eines ersten Bereiches (14) gegen einen zweiten Bereich (16), wobei sich der erste Bereich während des Betriebs des Brennstoffzellensystems im Allgemeinen auf einem höheren Temperaturniveau befindet als der zweite Bereich und die Isolationseinrichtung mindestens einen an den ersten Bereich und an den zweiten Bereich angrenzenden Durchführungsbereich (18) aufweist, durch den mindestens eine Komponente (20) des Brennstoffzellensystems während des Betriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt ist und so in thermischem Kontakt mit dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich steht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein Teil der Komponente aus einem Material besteht, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die daran angrenzenden Teile aufweist, wodurch ein Isolationsteil (22) vorliegt, und dass der Isolationsteil zumindest teilweise innerhalb des Durchführungsbereiches (18) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Isolationseinrichtung zur thermischen Isolierung eines ersten Bereiches gegen einen zweiten Bereich, wobei sich der erste Bereich während des Betriebs des Brennstoffzellensystems im Allgemeinen auf einem höheren Temperaturniveau befindet als der zweite Bereich und die Isolationseinrichtung mindestens einen an den ersten Bereich und an den zweiten Bereich angrenzenden Durchführungsbereich aufweist, durch den mindestens eine Komponente des Brennstoffzellensystems während des Betriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt ist und so in thermischem Kontakt mit dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich steht.
Brennstoffzellensysteme dienen der Erzeugung von elektrischer Energie und Wärmeenergie, wobei die primäre Zuführung fossiler Brennstoffe zunehmend an Bedeutung gewinnt. Im mobilen Bereich, das heißt insbesondere in Kraftfahrzeugen, werden vorzugsweise die verwendeten Kraftstoffe verwendet, während im stationären Einsatz, das heißt insbesondere im häuslichen Bereich, Erdgas und Heizöl eingesetzt werden.
Zur Verarbeitung dieser Brennstoffe ist ein Reformierungsprozess erforderlich, der zumindest teilweise stark exotherm ist. Ebenso kommen Nachbrenner zum Einsatz, die Abgase der Brennstoffzelle oder auch primär zugeführten Brennstoff in exothermen Reaktionen umsetzen können. Auch die im Brennstoffzellensystem angeordneten Brennstoffzellen selbst erzeugen Abwärme, die insbesondere im Falle von SOFC-Brennstoffzellen ("Solid Oxid Fuel Cell") beträchtlich sein können. Im Brennstoffzellensystem liegen somit je nach Betriebszustand und Auslegung Temperaturen im Bereich von 500 bis 1000°C vor.
Insbesondere ist man bestrebt, die Wärmeverluste durch Wärmeübertritt an die Umgebung des Brennstoffzellensystems zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden Hochleistungsisolationseinrichtungen verwendet. Diese müssen jedoch Durchführungsbereiche aufweisen, beispielsweise zum Zwecke der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr oder zur Abfuhr von Abgasen. Da diese Komponenten aufgrund der hohen auftretenden Temperaturen häufig aus wärmebeständigen Metallen, die gleichzeitig gute Wärmeleiter sind, gefertigt werden, liegen über die Durchführungsbereiche der Hochleistungsisolationseinrichtung Wärmebrücken vor, die mit hohen Wärmeverlusten aus dem Hochtemperaturbereich an die Umgebung verbunden sind. Vergleichbaren Problemen begegnet man, wenn innerhalb des Brennstoffzellensystems verschiedene Bereiche thermisch gegeneinander isoliert werden sollen. Dort wo die Verbindung zwischen den Bereichen erfolgt, kommt es zum übermäßigen Wärmeübertritt.
Insbesondere aufgrund der Abgabe von Wärme an die Umgebung sinkt der Systemwirkungsgrad. Ferner werden Bauteile, die außerhalb des Hochtemperaturbereiches liegen, thermisch überlastet. Ein weiterer Nachteil besteht in der raschen Auskühlung des Systems nach dem Abschalten, wodurch sich die Startzeit bei Wiederinbetriebnahme deutlich verlängert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unerwünschte Wärmeübertritte bei einem Brennstoffzellensystem zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem dadurch auf, dass mindestens ein Teil der Komponente aus einem Material besteht, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die daran angrenzenden Teile aufweist, wodurch ein Isolationsteil vorliegt, und dass der Isolationsteil zumindest teilweise innerhalb des Durchführungsbereiches liegt. Handelt es sich bei der Komponente beispielsweise um ein Abgasrohr, so ist ein Teil dieses Abgas rohrs aus einem schlechten Wärmeleiter gefertigt, während die daran angrenzenden Rohrteile in herkömmlicher Weise aus wärmebeständigem Metall bestehen. Der somit zur Verfügung stehende Isolationsteil des Abgasrohrs ist zumindest teilweise innerhalb des Durchführungsbereiches angeordnet, so dass der im ersten Bereich liegende Metallrohrteil nicht mit dem zweiten Bereich in thermischen Kontakt treten kann, ebenso wenig wie der im zweiten Bereich liegende Metallrohrteil den ersten Bereich thermisch kontaktiert. Dieses am Beispiel des Abgasrohrs geschilderte Prinzip gilt für jegliche Komponenten, die durch die Isolationseinrichtung durchgeführt werden, beispielsweise Brennstoffzuführungen, Oxidationsmittelzuführungen, Brennerrohre, Flammrohre, Reformerrohre, etc.
Die Erfindung kann nützlicherweise so ausgebildet sein, dass der Isolationsteil vollständig innerhalb des Durchführungsbereiches liegt. Auch wenn es für den grundsätzlichen Erfolg der vorliegenden Erfindung nur wesentlich ist, dass der Isolationsteil teilweise mit dem Durchführungsbereich überlappt, stellt die Anordnung des Isolationsteils vollständig innerhalb des Durchführungsbereiches eine zu bevorzugende Lösung dar.
Es kann vorsehen sein, dass der Isolationsteil eine dem ersten Bereich zugewandte reflektierende Oberfläche aufweist. Der Isolationsteil dient somit nicht nur zur Verhinderung der Wärmeleitung zwischen den beiden Bereichen, sondern es können durch die reflektierende Oberfläche auch Strahlungsverluste gesenkt werden. Die reflektierende Be schichtung kann beispielsweise auf den Isolationsteil aufgedampft sein.
Im Hinblick auf eine weitere Funktionalität ist vorgesehen, dass der Isolationsteil Verbindungsmittel zur Verbindung der daran angrenzenden Teile aufweist. Beispielsweise kann der Isolationsteil Innengewinde aufweisen, in die die angrenzenden mit Außengewinden ausgestatten Komponententeile eingeschraubt werden. Bajonettverschlüsse oder ähnliche mechanische Kopplungen sind ebenfalls möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Isolationsteil Bestandteil der Isolationseinrichtung ist. Hierdurch dient die Isolationseinrichtung als Kopplungsmittel für verschiedene Module. Die Isolationseinrichtung kann von vornherein mit den Isolationsteilen der einzelnen Baugruppen ausgestattet sein, so dass die Module in einfacher Weise an den Isolationsteil angebracht werden, beispielsweise durch Einschrauben.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Isolationsteil aus Keramik besteht.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 einen Teil einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung;
2 einen Teil einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung;
3 einen Teil einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung;
4 einen Teil einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung;
5 einen Teil einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung;
6 eine durch eine Isolationseinrichtung durchzuführende Komponente mit Isolationsteil; und
7 eine Isolationseinrichtung mit Isolationsteil im Durchführungsbereich.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungsfiguren bezeichnen Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt einen Teil einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung. Das teilweise dargestellte Brennstoffzellensystem 10 weist einen Hochtemperaturbereich 14 und einen Bereich 16 niedriger Temperatur auf, wobei der Bereich 16 beispielsweise die Umgebung des Brennstoffzellensystems 10 ist. Ebenfalls ist es möglich, dass die Bereiche 14, 16 beide innerhalb des Brennstoffzellensystems 10 liegen, jedoch nützlicherweise auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gehalten werden. Die Bereiche 14, 16 sind durch eine Isolationseinrichtung 12 voneinander getrennt, wobei die Isolationseinrichtung 12 einen Durchführungsbereich 18 aufweist. Durch diesen Durchführungsbereich 18 ist eine Komponente 20 des Brennstoffzellensystems 10 hindurchgeführt, beispielsweise ein Abgasrohr. Um eine Wärmeleitung von dem Bereich 14 in den Bereich 16 zu verhindern, ist ein Teil der Komponente 20 als Isolationsteil 22 ausgebildet. Beispielsweise besteht der Isolationsteil 22 aus Keramik, während der Rest der Komponente 20 aus einem hochtemperaturbeständigen Metall besteht. Neben der Isolation kann der Isolationsteil 22 weiterhin als Verbindungselement dienen, indem er nämlich mit Verbindungsmitteln ausgestattet ist. Beispielsweise trägt der Isolationsteil 22 Innengewinde, in die die anschließenden Teile über an diesen Teilen vorgesehene Außengewinde eingeschraubt werden.
2 zeigt einen Teil einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung. Zusätzlich zur Ausführungsform gemäß 1 ist hier eine reflektierende Oberfläche 24 im Bereich des Isolationsteils vorgesehen, die Strahlungsverluste aus dem ersten Bereich 14 in den zweiten Bereich 16 verringert.
3 zeigt einen Teil einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung. Der Isolationsteil 22 überlappt teilweise mit dem Hochtemperaturbereich 14. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 1 liegt der Isolationsteil 22 nicht vollständig innerhalb des Durchführungsbereiches 18. Die Ausbildung einer Wärmebrücke wird aber auch auf diese Weise vermieden.
4 zeigt einen Teil einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung. Gemäß dieser Ausführungsform überlappt der Isolationsteil teilweise mit dem Bereich 16 niedriger Temperatur. Eine Wärmebrücke zwischen dem Hochtemperaturbereich 14 und dem Bereich 16 wird auch durch diese Anordnung vermieden.
5 zeigt einen Teil einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in teilweise geschnittener Darstellung. Gemäß dieser Ausführungsform hat die durch den Durchführungsbereich 18 durchzuführende Komponente 20 verschiedene Abmessungen auf den beiden entgegengesetzten Seiten des Isolationsteils 22. Mit diesem Ausführungsbeispiel wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung variantenreich einsetzbar ist. Ferner wird anhand der Darstellung erkennbar, dass der Isolationsteil nicht nur die Aufgabe der Isolierung und der Verbindung übernehmen kann, sondern auch geeignet ist, eine gewisse Adaptionsfunktionalität zur Verfügung zu stellen.
6 zeigt eine durch eine Isolationseinrichtung durchzuführende Komponente mit Isolationsteil. In diesem Beispiel ist der Isolationsteil 22 zusammen mit den daran angrenzenden Teilen der Komponente 20 selbstständig handhabbar.
7 zeigt eine Isolationseinrichtung mit Isolationsteil im Durchführungsbereich. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Isolationsteil 22 fest mit der Isolationseinrichtung 12 verbunden, so dass die Isolationseinrichtung 12 insbesondere dann, wenn der Isolationsteil 22 Verbindungsmittel aufweist, eine Montageeinrichtung für die einzelnen Module des Brennstoffzellensystems zur Verfügung stellt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Brennstoffzellensystem
12: Isolationseinrichtung
14: erster Bereich
16: zweiter Bereich
18: Durchführungsbereich
20: Komponente
22: Isolationsteil
24: reflektierende Oberfläche

Claims

Brennstoffzellensystem (10) mit einer Isolationseinrichtung (12) zur thermischen Isolierung eines ersten Bereiches (14) gegen einen zweiten Bereich (16), wobei sich der erste Bereich während des Betriebs des Brennstoffzellensystems im Allgemeinen auf einem höheren Temperaturniveau befindet als der zweite Bereich und die Isolationseinrichtung mindestens einen an den ersten Bereich und an den zweiten Bereich angrenzenden Durchführungsbereich (18) aufweist, durch den mindestens eine Komponente (20) des Brennstoffzellensystems während des Betriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt ist und so in thermischem Kontakt mit dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich steht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Komponente aus einem Material besteht, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die daran angrenzenden Teile aufweist, wodurch ein Isolationsteil (22) vorliegt, und dass der Isolationsteil zumindest teilweise innerhalb des Durchführungsbereiches (18) liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsteil (22) vollständig innerhalb des Durchführungsbereiches liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsteil eine dem ersten Bereich zugewandte reflektierende Oberfläche (24) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsteil (22) Verbindungsmittel zur Verbindung der daran angrenzenden Teile aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsteil (22) Bestandteil der Isolationseinrichtung ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsteil (22) aus Keramik besteht.