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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer oder mehreren Brennstoffzellen, wobei sich die Brennstoffzelle zwischen einem ersten Zellenende und einem zweiten Zellenende in tubularer Form erstreckt und wobei die Brennstoffzelle mit dem ersten Zellenende auf einer Zustrom-Verteilereinheit mechanisch aufgenommen ist und wobei die Brennstoffzelle mit einem Brenngas durchströmt wird, welches in das erste Zellenende eintritt und als Abgas aus einem der Zellenenden austritt.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme der hier interessierenden Art betreffen sogenannte SOFC-Brennstoffzellen, die als Festoxid-Brennstoffzellen („Solid-Oxide-Fuel-Cell”) bezeichnet werden. Derartige Brennstoffzellen besitzen einen keramischen Elektrolytkörper, der röhrenförmig ausgeführt ist, wobei die Röhre entweder beidseitig geöffnet ist oder eine geschlossene Endseite aufweist. Die tubulare Grundform kann z. B. durch elektrolytgestützte Brennstoffzellen, die als ESC (Electrolyte Supported Cells) bezeichnet werden, oder durch anodengestützte Brennstoffzellen, die als ASC (Anode-Supported-Cells) bezeichnet werden, gebildet sein. Damit ist die tubulare Grundform entweder durch den Elektrolytkörper oder durch einen Anodenkörper vorgegeben. Durch die tubulare, röhrenförmige Form mit zwei geöffneten oder einem geschlossen und einem geöffneten Ende können sie somit gegen planare Bauformen von Brennstoffzellen abgegrenzt werden.
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Den Kern derartiger Brennstoffzellensysteme bilden Zellen, in denen ein Brenngas (z. B. Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder eine Mischung) unter Entstehung von Strom und Wärme zu Kohlendioxid und Wasser reagiert. Der Anodenseite muss dabei Erdgas zugeführt werden, das vorher durch katalytische Vorreformierung je nach Systemkonzept ganz oder teilweise zu Wasserstoff umgewandelt wurde. Der Kathode wird dabei Luft zugeführt, wobei die Kathode bei tubularen Brennstoffzellen meist außenseitig aufgebracht ist, und das Brenngas kann durch die röhrenförmige Brennstoffzelle hindurchströmen und mit der auf der Innenseite der Brennstoffzelle aufgebrachten Anode in elektrochemische Wechselwirkung treten.
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Tubulare Brennstoffzellen werden auf einer Verteilereinheit, allgemein als Manifold bezeichnet, mechanisch aufgenommen. Sind die Brennstoffzellen offen ausgeführt, so wird meist das Brenngas durch das erste Zellenende, über das die Brennstoffzelle auf der Verteilereinheit mechanisch aufgenommen ist, eingeleitet und tritt über das gegenüberliegende zweite Zellenende aus dieser wieder aus. Damit strömt das Brenngas von einem Ende zum anderen Ende der tubularen Brennstoffzellen, wobei mehrere Brennstoffzellen auf einer Verteilereinheit aufgenommen sein können. Sind die Brennstoffzellen am zweiten, freien Zellenende geschlossen ausgeführt, so wird eine Lanze in den tubularen Körper der Brennstoffzelle eingeführt, so dass das Brenngas gemäß dem Stand der Technik durch die Lanze bis an das geschlossene Ende der Brennstoffzelle geführt wird, um dann zwischen Lanze und der Innenseite des Elektrolytkörpers an der Anode vorbei wieder in Richtung zur Verteilereinheit zurückzuströmen.
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Tubulare Brennstoffzellen weisen in der Regel eine höhere Lebensdauer auf, da die einseitige Einspannung und die geringe Dichtlänge zwischen der Brennstoffzelle und der Verteilereinheit thermomechanische Spannungen vermeiden. Vor allem können Dichtungen, die in der Regel aus Glaslot gebildet sind, bei Betriebszeiten von 40.000 bis 150.000 Stunden eine größere Beständigkeit aufweisen, wenn diese nicht im heißen Bereich des Brennstoffzellensystems angeordnet werden müssen. Zielführend wäre es jedoch für die Erhöhung der Lebensdauer, auf die Verwendung von Dichtungen vollständig zu verzichten.
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Um eine gleichmäßige Zuführung von Brenngas in die gesamte Brennstoffzelle und eine ausreichend gute Verteilung des Brenngases in der Zelle zu erhalten, muss mehr Brenngas zugeführt werden, als elektrochemisch über die Anodenwandung zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das Verhältnis von umgesetztem zu zugeführtem Brenngas wird Gasnutzungsgrad genannt. Überschüssiges Brenngas kann in einem Nachbrenner verbrannt werden. Es steht dadurch für die Stromerzeugung nicht mehr zur Verfügung. Alternativ kann überschüssiges Brenngas teilweise mit dem frischen Brenngas gemischt und dem Stack wieder zugeführt werden, was als Rezirkulation bezeichnet wird. Damit wird der Vorteil erreicht, dass im Brennstoffzellensystem ein höherer Gasfluss herrscht, ohne dass zusätzliches Brenngas verbrannt werden muss. Dies ermöglicht einen Betrieb mit höherer Lebensdauer und gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Dabei werden in der Regel zwischen 50% und 90% des Abgases zurückgeführt.
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Bei endseitig offenen Brennstoffzellen ergibt sich das Problem, einen Teil des Abgases, welches unverbranntes Brenngas enthält, zur Rezirkulation der Verteilereinheit wieder zuzuführen. Durch Wärmedehnung und weitere thermische Effekte ist es häufig von Nachteil, die tubularen Brennstoffzellen sowohl über das erste Zellenende als auch über das zweite Zellenende mechanisch einzuspannen, beispielsweise, um das aus dem zweiten Zellenende austretende Abgas aufzunehmen und abzuleiten. Folglich wird häufig das vollständige Abgas mit einem hohen Anteil an durch elektrochemische Umsetzung ungenutztem Brenngas verbrannt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer verbesserten Brenngaszirkulation zu schaffen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer verlängerten Lebensdauer bereitzustellen. Darüber hinaus ist es die besondere Aufgabe der Erfindung, unverbranntes Brenngas auf vorteilhafte Weise einer Rezirkulation zuzuführen, wobei zugleich eine mechanische und thermische Belastung der Brennstoffzelle und entsprechender Dichtelemente minimiert wird.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass Mittel vorgesehen sind, die wenigstens einen Teil des aus der Brennstoffzelle austretenden Abgases absaugen und der Zustrom-Verteilereinheit zur Rezirkulation zuführen.
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Damit wird der Vorteil erreicht, dass überschüssiges Brenngas aus der Brennstoffzelle abgesaugt werden kann, um über die Rezirkulation wieder der Anode zugeführt zu werden. Durch die eine Absaugung des austretenden Abgases bewirkenden Mittel wird auf kontrollierte Weise Abgas aus der Brennstoffzelle abgesaugt, wobei die Absaugung des Brenngases vollständig oder lediglich zum Teil erfolgen kann. Unter der Bezeichnung des Abgases wird vorliegend sowohl das aus der elektrochemischen Reaktion entstehende Gas als auch überschüssiges Brenngas bezeichnet, welches als Gemisch insgesamt die Anodenseite der Brennstoffzelle verlässt. Das im Abgas vorhandene Rest-Brenngas kann nachverbrannt werden oder der Rezirkulation zur erneuten Einspeisung in die Brennstoffzelle über die Verteilereinheit zugeführt werden.
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Die erfindungsgemäßen Mittel zur Absaugung des Abgases können auf vorteilhafte Weise für Brennstoffzellen Anwendung finden, die als beidseitig offene Brennstoffzellen ausgebildet sind. Dabei kann das Brenngas in das erste Zellenende eintreten und aus dem zweiten Zellenende austreten, wobei die Mittel zur Absaugung am zweiten Zellenende zur Absaugung des Abgases vorgesehen sind. Um eine beidseitige Einspannung der Brennstoffzelle zu vermeiden, können die Mittel zur Absaugung frei von einer mechanischen Verbindung und insbesondere kräftefrei am offenen, zweiten Zellenende angeordnet werden, derart, dass die mechanische Aufnahme der Brennstoffzellen auf das erste Zellenende begrenzt ist. Folglich sind die Brennstoffzellen nach bekannter Bauart lediglich über das erste Zellenende auf der Verteilereinheit mechanisch aufgenommen und fluidisch angebunden, die als Zustrom-Verteilereinheit ausgeführt ist. In den Mitteln zur Absaugung kann im Vergleich zum Druck im Inneren der Zelle ein Unterdruck erzeugt werden, so dass das aus dem zweiten Zellenende austretende Abgas durch die Mittel wenigstens teilweise abgesaugt wird. Dazu muss das zweite Zellenende nicht mechanisch mit den Mitteln verbunden sein, da durch die Erzeugung eines Unterdrucks und folglich durch die Bildung einer Saugwirkung das Abgas aus dem zweiten Zellenende oder in einem gewissen, begrenzten Abstand zum zweiten Zellenende abgesaugt wird. Der Erfindung liegt insbesondere die Tatsache zu Grunde, das Abgas nicht vollständig zu rezirkulieren. Damit ist es nicht notwendig, das aus der Brennstoffzelle austretende Abgas vollständig zu erfassen, so dass die Dichtheit zwischen dem Zellenende und den Mitteln zur Absaugung nicht vollständig hergestellt sein muss.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform können die Mittel zur Absaugung eine Absaug-Sammeleinheit aufweisen, um aus mehreren Brennstoffzellen das Abgas abzusaugen. Die Absaugsammeleinheit kann wenigstens eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, in die das zweite Zellenende der Brennstoffzellen jeweils hineinragt oder wenigstens vor dieser angeordnet ist. Dabei kann ein Spalt zwischen der Öffnung und dem zweiten Zellenende vorgesehen sein, um eine Verspannung der Zellen zwischen der Zustrom-Verteilereinheit und der Absaug-Sammeleinheit zu vermeiden. insbesondere ist jedoch jedem Zellenende des Brennstoffzellensystems eine Öffnung zugeordnet, in die das Zellenende hineinragt oder vor der das Zellenende mit einem vorzugsweise geringen Abstand angeordnet ist.
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Weiterführend kann jeder Öffnung wenigstens eine Absaughaube zugeordnet und vorzugsweise mit der Absaug-Sammeleinheit verbunden sein, wobei die Absaughaube das offene, zweite Zellenende insbesondere derart außenseitig umschließt, dass zwischen dem zweiten Zellenende und der Absaughaube keine oder nur eine minimale Menge an Brenngas bzw. Abgas entweicht. Dabei kann die Absaughaube geometrisch unterschiedlich ausgeführt sein, so dass beispielsweise bei einer topfartigen Ausführung der Absaughaube das zweite Zellenende außenseitig umschlossen wird. Eine kegelartige, sich endseitig verjüngende oder kragenartig geschlossene Ausführung der Absaughaube kann die Menge des zwischen dem zweiten Zellenende und der Absaughaube entweichenden Brenngases minimieren. Ist eine Teilmenge zum Entweichen des Brenngases zwischen dem zweiten Zellenende und der Absaughaube gewünscht, um dieses anschließend zu entzünden, kann die Absaughaube eine Anschrägung aufweisen, um eine kontrollierte Flammenbildung zu bewirken.
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Vorteilhafterweise kann zwischen dem zweiten Zellenende und der Absaughaube ein Füllstoff, insbesondere ein Metall- oder Keramikvlies, vorgesehen sein. Insbesondere kann der Füllstoff aus einem feuerfesten Material ausgebildet sein, wobei der Füllstoff einerseits den Austritt einer vergrößerten Menge an Abgas verhindert, andererseits kann das durch den Füllstoff austretende Restgas nach dem Füllstoff entzündet werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zur Ausbildung der Mittel zur Absaugung von Abgas können über dem zweiten Zellenende jeweilige Trichter vorhanden sein, über die aus dem zweiten Zellenende austretendes Abgas abgesaugt wird. Ferner können die Mittel zur Absaugung eine Saugleitung umfassen, wobei die Trichter mit der Absaug-Sammeleinheit oder mit der Saugleitung verbunden sind und wobei insbesondere in der fluidischen Verbindung zwischen den Trichtern und der Saugleitung bzw. der Absaug-Sammeleinheit Drosselelemente angeordnet sein können. Über die Drosselelemente kann der Saugstrom der jeweiligen Trichter gleich ausgebildet werden, so dass ein Druckabfall über der Länge der Saugleitung bei Anordnung mehrerer Trichter dennoch eine gleich bleibende Saugleistung für jeden Trichter erzielt wird.
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Mit weiterem Vorteil kann über das oder die Drosselelement/-e die Saugleistung so eingestellt werden, dass die Menge an abgesaugtem Abgas und an entweichendem und zu entzündenden Abgas reguliert werden kann. Hierfür kann neben den einzelnen Drosselelementen eine zentrale Drosselung vorgesehen sein, über die die Saugleistung aller Trichter zentral veränderbar ist. Wird die Saugleistung erhöht, ändert sich das Verhältnis von austretendem zu zurückgeführtem Gas.
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Um eine gleichmäßige Verteilung zwischen den Zellen zu gewährleisten, können die Zustrom-Verteilereinheit und/oder die Absaug-Sammeleinheit mit innen liegenden Leitblechen ausgerüstet sein. Neben dem Einsatz von Röhrenzellen mit unterschiedlichem Innendurchmesser kann auch der Durchmesser der Öffnungen in der Absaug-Sammeleinheit variiert werden oder die Porosität oder Menge des Füllstoffes zwischen Öffnung und Zelle kann unterschiedlich ausgestaltet werden. Eine Ausführungsform mit zwei Rezirkulationsverdichtern an wenigstens zwei Enden der Zustrom-Verteilereinheit und/oder der Absaug-Sammeleinheit trägt ebenfalls zu einer homogeneren Gasverteilung bei.
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Als weitere Ausführungsform können die Mittel zur Absaugung Saugelemente aufweisen, die wenigstens teilweise in das zweite Zellenende der Brennstoffzellen hineinragen, wobei die Saugelemente beispielsweise als Schlauch- oder Rohrelemente ausgebildet sind. Ferner können glockenartige Isolatoren vorgesehen sein und die Saugelemente umschließen, um sämtliches aus dem zweiten Zellenende austretendes Abgas über die Saugelemente abzusaugen. Diese Glocken können über dem Saugelement angeordnet werden. Damit ragen die Mittel zur Absaugung wenigstens teilweise in das Zellenende hinein.
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Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Verdichter vorgesehen, der rezirkuliertes Abgas aus der Absaug-Sammeleinheit bzw. aus der Saugleitung einer Zulaufleitung zuführt. Der Verdichter dient zur Bildung eines Rezirkulationskreislaufes, um wenigstens einen Teil des abgesaugten Abgases oder das abgesaugte Abgas vollständig der Zuteilung zuzuführen, die über die Zustrom-Verteilereinheit in die Brennstoffzellen geleitet wird.
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Mit weiterem Vorteil kann durch das Entzünden wenigstens eines Teils der Reste von Brenngas, die zwischen dem zweiten Zellenende der Brennstoffzellen und den Mitteln zur Absaugung entweichen, ein Reformer geheizt werden, der zur Erzeugung von wasserstoffreichem Gas aus beispielsweise Methangas oder Methanol dient.
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Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen, die als einseitig geschlossene Brennstoffzellen ausgebildet sind, wobei die Mittel zur Absaugung mit dem ersten Zellenende fluidisch in Verbindung stehen, so dass das Brenngas über das erste Zellenende ein- und austritt und wobei vorzugsweise eine Lanze vorgesehen ist, durch die das Brenngas aus der Brennstoffzelle absaugbar ist. Damit wird das erfindungsgemäße Prinzip der Absaugung des Abgases auch für einseitig geschlossene tubulare Brennstoffzellen ermöglicht, wobei das Abgas durch die Lanze, die sich durch die Brennstoffzelle hindurch erstreckt, abgesaugt wird.
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Die Mittel zur Absaugung umfassen eine Saugeinrichtung, beispielsweise in Form eines Gebläses oder allgemein eines Verdichters mit der bzw. mit dem am ersten Zellenende in der Lanze ein Unterdruck erzeugt wird, so dass das Abgas durch die Lanze abgesaugt wird. Die Lanze ist vorzugsweise auf der Zustrom-Verteilereinheit angebracht, so dass diese wenigstens einen Teil der fluidischen Verbindung zwischen der Saugeinrichtung und der Lanze bildet, so dass das Brenngas ringförmig um die Lanze in das erste Zellenende eintritt und im Bereich des zweiten Zellenendes als Abgas durch die Lanze abgesaugt wird.
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Damit wird erfindungsgemäß eine Umkehr der Strömungsrichtung des Brenngases bzw. des Abgases gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsrichtung vorgeschlagen. Gewöhnlich wird das Brenngas über die Lanze bis an das zweite Zellenende geleitet, wo dieses austritt und die innenseitig auf dem Elektrolytkörper angebrachte Anode umspült. Damit strömt das Brenngas ringförmig um die Lanze in Richtung zum ersten Zellenende und folglich in Richtung zur Zustrom-Verteilereinheit. Hingegen wird vorliegend vorgeschlagen, durch ein Absaugen des Abgases durch die Lanzen ein ringförmiges Umströmen der Lanze mit unverbranntem Brenngas in die Brennstoffzelle einzusaugen. Folglich bildet sich eine vorteilhafte Temperaturverteilung aus und es ist im Bereich des ersten Zellenendes der Brennstoffzelle eine weitere Senkung der Temperatur ermöglicht. Der heiße Bereich wird damit auf den Bereich des zweiten Zellenendes begrenzt.
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Weiterhin wird der Vorteil erreicht, dass die Brennstoffzellen über ihren Flansch an die Zustrom-Verteilereinheit angesaugt werden, so dass weitere Dichteinrichtungen entfallen können. Insbesondere kann durch jeweiliges Planschleifen der Anlage des Flansches sowie der Anlage der Zustrom-Verteilereinheit allein durch die Plananlage eine hinreichende Dichtwirkung erzielt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit beidseitig geöffneten Brennstoffzellen,
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2 das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß 1 mit einer weiteren möglichen Anordnung der Mittel zur Absaugung,
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3 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels der 1 mit einer weiteren Ausgestaltung erfindungsgemäßer Mittel zur Absaugung,
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4 eine schematische Ansicht der Rezirkulation und der weiteren Nutzung des abgesaugten Abgases gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1 und
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit endseitig geschlossenen Brennstoffzellen.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 1 mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Die schematische Ansicht zeigt fünf parallel zueinander angeordnete Brennstoffzellen 10, die als tubulare Brennstoffzellen 10 ausgeführt sind und sich von einem ersten Zellenende 10a bis zu einem zweiten Zellenende 10b erstrecken. Die Brennstoffzellen 10 sind als beidseitig offene Brennstoffzellen 10 ausgeführt, so dass über eine Zustrom-Verteilereinheit 11 zugeführtes Brenngas in das erste Zellenende 10a in die Brennstoffzelle 10 eintritt und aus dem zweiten Zellenende 10b wieder austritt. Der Brennstoff wird über eine Zulaufleitung 20 der Zustrom-Verteilereinheit 11 zugeführt und durch die Verteilereinheit 11 allen Brennstoffzellen 10 zugeteilt. Die Brennstoffzellen 10 sind durch die Zustrom-Verteilereinheit 11 mechanisch aufgenommen und erstrecken sich in Richtung einer Absaug-Sammeleinheit 12. Die oberseitige Ansicht zeigt in einem Querschnitt die Brennstoffzellen 10, die sich in Öffnungen 13 hinein erstrecken, die in der Absaug-Sammeleinheit 12 vorhanden sind. In der Absaug-Sammeleinheit 12 bzw. in den Öffnungen 13 wird ein Unterdruck erzeugt, durch den eine Absaugung des aus dem zweiten Zellenende 10b austretenden Abgases abgesaugt und über eine Absaugleitung 23 weggeführt wird. Über einen Verdichter 19, beispielsweise als Gebläse ausgeführt, wird ein Teil des über die Absaugleitung 23 abgesaugten Abgases der Zulaufleitung 20 wieder zugeführt, um erneut in die Brennstoffzellen 10 zu gelangen. Damit kann das Prinzip der Rezirkulation des Abgases im Brennstoffzellensystem 1 umgesetzt werden. In diesem Fall ist die Zuleitung 24 nicht notwendig. Alternativ kann der Brennstoff durch die Zuleitung 24 vor dem Verdichter dosiert werden. Wird das System mit Reformer betrieben, so ist dieser z. B. vor der Zustrom-Verteileinheit 11 anzuordnen.
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Die Stärke des Unterdrucks in der Absaug-Sammeleinheit 12 im Verhältnis zum Druck am jeweiligen Zellende 10b ist derart bemessen, dass eine Absaugung des Abgases erfolgen kann, ohne dass durch den Spalt zwischen der Öffnung 13 und dem der Brennstoffzellen 10 Luft über die Absaug-Sammeleinheit 12 mit angesaugt und über den Verdichter 19 zur Rezirkulation der Zulaufleitung 20 zugeführt wird. Dabei kann der in der Absaug-Sammeleinheit 12 erzeugte Unterdruck derart bemessen sein, dass ein Teil des Abgases zwischen den Öffnungen 13 und dem zweiten Zellenende 10b nach außen entweicht. Mit Vorteil ist der in der Absaug-Sammeleinheit 12 erzeugte Druck folglich an keiner Öffnung höher als der Druck des Abgases im zweiten Zellenende 10b.
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An den Öffnungen 13 können Absaughauben 13a, 13b oder 13c vorgesehen sein, wobei zwischen der Absaughaube 13a, 13b oder 13c und dem zweiten Zellenende 10b ein Füllstoff 14, beispielsweise ausgeführt als Metall- oder Keramikvlies, eingebracht sein kann. Die Absaughaube 13a umschließt das zweite Zellenende 10b topfförmig oder ringförmig. Die Absaughaube 13b weist auf sich gegenüberliegenden Seiten Abschrägungen auf, wobei die Absaughaube 13c eine durchgehende Abschrägung zu einer Seite besitzt. Die Abschrägungen bewirken mit Vorteil einen kontrollierten Gasfluss des austretenden Gases. Wird das austretende Gas entzündet, kann durch die Abschrägungen der Absaughauben 13b und 13c eine kontrollierte Flammenbildung erreicht werden und insbesondere die Erwärmung der Absaug-Sammeleinheit reduziert werden. Insbesondere kann auf nicht näher gezeigte Weise oberhalb der Absaug-Sammeleinheit 12 ein Reformer angeordnet werden, der durch die erzeugbare Wärme des entweichenden, entzündeten Brenngases geheizt wird. Durch den Reformer kann beispielsweise Methangas oder Methanol zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff reformiert werden. Alternativ kann die Wärme einer weiteren Nutzung nach Art einer Kraft-Wärme-Kopplung zugeführt werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Mittel zur Absaugung des Abgases, das aus dem zweiten Zellenende 10b der Brennstoffzellen 10 austritt. Die Mittel weisen Trichter 15 auf, in die die zweiten Zellenenden 10b der Brennstoffzellen 10 hineinragen. Die Trichter 15 sind an einer gemeinsamen Saugleitung 16 angeordnet, so dass durch einen Unterdruck in der Saugleitung 16 eine Absaugung des Abgases mit den Trichtern 15 ermöglicht wird. Zwischen den Trichtern 15 und der Saugleitung 16 sind beispielhaft Drosselelemente 17 gezeigt, so dass die Saugleistung in jedem Trichter 15 einzeln verstellbar ist. Auch gemäß dieser Ausführungsform der Mittel zur Absaugung kann über einen Verdichter 19 aus der Absaugleitung 16 der Zulaufleitung 20 Abgas zur Rezirkulation wieder zugeführt werden. Dieses wird wiederum über die Zustrom-Verteilereinheit 11 den Brennstoffzellen 10 zugeteilt. Die Trichter 15 können ebenfalls geometrisch unterschiedlich ausgestaltet sein, wobei insbesondere Abschrägungen vorgesehen sein können, um zwischen dem zweiten Zellenende 10b und dem Trichter 15 austretendes Brenngas mit kontrollierter Flammenbildung zu entzünden.
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3 zeigt Mittel zur Absaugung des Abgases aus den Brennstoffzellen 10, die als Saugelemente 18 ausgeführt sind, die wenigstens teilweise in das zweite Zellenende 10b hineinragen. Über die Absaugleitung 23 wird in den Saugelementen 18 ein Unterdruck erzeugt, und das Brenngas wird im Bereich des zweiten Zellenendes 10b aus den Brennstoffzellen 10 herausgesaugt. Um austretendes Abgas zwischen dem Saugelement 18 und dem zweiten Zellenende 10b zu minimieren, kann ferner eine Glocke vorgesehen sein, die sich um das zweite Zellenende 10b herum erstreckt. Damit wird eine alternative Ausgestaltung der Mittel zur Absaugung des Abgases gegenüber den in 1 und 2 gezeigten Ausführungen aufgezeigt. Hier kann nicht näher dargestellt ein Metall- oder Keramikvlies zwischen Zellende 10b und Saugelementen 18 die austretende Gasmenge reduzieren, indem es wie ein Stopfen die Zelle verschießt. Die mechanische Einspannung der Zellenden 10b wird dann durch die Flexibilität dieses Vlieses oder durch ein flexibles Saugelement 18 sichergestellt.
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4 zeigt schematisch das Brennstoffzellensystem 1 mit mehreren Brennstoffzellen 10, die auf der Zustrom-Verteilereinheit 11 angeordnet sind. Über die Absaug-Sammeleinheit 12 kann wiederum über eine Absaugleitung 23 ein Unterdruck erzeugt werden, um das Abgas aus den Brennstoffzellen 10 abzusaugen, welches Restbestandteile von Brenngas enthält. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Verdichter 19 beispielhaft gezeigt, um Teile des abgesaugten Abgases der Zulaufleitung 20 wieder zuzuführen. Ein weiterer Teil des abgesaugten Abgases kann aus der Absaugleitung 23 über eine Nebenstromleitung 25 einem Nachverbrenner 21 zugeführt werden, der gleichzeitig über einen weiteren Verdichter 22 mit Luft oder Kathodenabgas gespeist werden kann. Mit dem Nachverbrenner 21 kann beispielsweise zusätzlich oder separat ein Reformer geheizt werden.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierin sind zwei Brennstoffzellen 30 dargestellt, die auf einer Zustrom-Verteilereinheit 33 aufgenommen sind. Die Aufnahme der Brennstoffzellen 30 erfolgt über ein erstes Zellenende 30a, wobei die Brennstoffzellen 30 vorzugsweise als tubulare SOFC-Brennstoffzellen 30 mit innen liegender Anode ausgeführt sind, die ein geschlossenes zweites Zellenende 30b besitzen. Die Brennstoffzellen 30 besitzen einen die Form vorgebenden Trägerkörper, der beispielsweise durch den Elektrolytkörper oder den Anodenkörper gebildet ist.
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In die Brennstoffzellen 30 sind Lanzen 31 eingeführt, die sich fast bis zum geschlossenen zweiten Zellenende 30b durch die Brennstoffzellen 30 hindurch erstrecken. Über eine Brennstoffzufuhr 35 wird der Brennstoff zunächst der Zustrom-Verteilereinheit 33 zugeführt. Die Brennstoffzufuhr 35 weist eine direkte fluidische Verbindung mit dem Innenraum der Brennstoffzellen 30 auf. Hingegen sind die Lanzen 31 mit einer Saugeinrichtung 32 fluidisch verbunden, so dass über die Saugeinrichtung 32 ein Unterdruck in den Lanzen 31 erzeugt wird. Damit erfolgt die Absaugung des Abgases über die Lanzen 31 und folglich im Bereich des zweiten Zellenendes 30b. Durch den in den Lanzen 31 erzeugten Unterdruck strömt über die Brennstoffzufuhr 35 der Brennstoff in die Brennstoffzellen 30 hinein. Dabei umströmt der Brennstoff die Lanzen 31 mantelförmig und umspült somit die Anoden 36, die innenseitig der Elektrolytkörper 37 der Brennstoffzellen 30 aufgebracht sind.
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Die Elektrolytkörper 37 besitzen einen Flansch 34, der eine coplanare Fläche mit der Oberseite der Zustrom-Verteilereinheit 33 bildet. Sind die Flansche 34 und die Oberseite der Zustrom-Verteilereinheit 33 entsprechend plan geschliffen, kann durch das in den Brennstoffzellen 30 erzeugte Druckverhältnis, das so eingestellt ist, dass der Druck auf der Kathodenseite 40 (außen) höher ist als auf der Anodenseite (innen), eine Ansaugung der Brennstoffzellen 30 auf die Zustrom-Verteilereinheit 33 bewirkt werden. Damit können Dichtmittel wie beispielsweise Glaslote zwischen den Brennstoffzellen 30 und der Zustrom-Verteilereinheit 33 vermieden werden.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtlich aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere kann die in den 1, 2, 3 und 4 gezeigte Rezirkulation über den Verdichter 19 auch im Ausführungsbeispiel gemäß 5 Anwendung finden. Weiterführend kann ein Teil des durch die Saugeinrichtung 32 abgesaugten Abgases einer Verbrennung zugeführt werden, um beispielsweise einen Reformer zur Bereitstellung von wasserstoffreichem Gas zu heizen.
