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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasführungsanordnung zum Zuführen eines ersten Gases und eines zweiten Gases zu einer Brennstoffzellenanordnung und zum Abführen des zweiten Gases und gebildeten Abgas und ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellenanordnungen können einen Stapel von flächigen Brennstoffzellen, die durch auf einem Substrat angeordnete Elektroden-Elektrolyt-Einheiten gebildet sind, oder rohrförmige Brennstoffzellen aufweisen, die segmentweise an einem rohrförmigen Körper angeordnete Elektroden-Elektrolyt-Einheiten aufweisen. Bei einer rohrförmigen Brennstoffzelle wird ein gasförmiger Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) durch einen Innenraum eines rohrförmigen Körpers der rohrförmigen Brennstoffzelle zu einer flächig ausgebildeten Anode der Elektroden-Elektrolyt-Einheit zugeführt. Gasförmiger Sauerstoff wird über beispielsweise Umgebungsluft einer flächig ausgebildeten Kathode der Elektroden-Elektrolyt-Einheit geführt, die außen am rohrförmigen Körper benachbart zu der flächigen Anode angeordnet ist. Der an der Kathode reduzierte Sauerstoff tritt durch eine zwischen der Kathode und Anode angeordnete Elektrolytschicht in einer Substratwand des rohrförmigen Körpers hindurch und reagiert mit dem an der Anode oxidierten, gasförmigen Brennstoff. Eine Spannung ist zwischen der Kathode und Anode abnehmbar. Die Anordnung der Anode und der Kathode an dem Substrat kann vertauscht sein.
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US 2007/0218341 beschreibt eine zentrale Gasversorgung einer Festoxid-Brennstoffzellenanordnung mit gestapelten Festoxid-Brennstoffzellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Gasführungsanordnung zum Zuführen eines ersten Gases und eines zweiten Gases zu einer Brennstoffzellenanordnung und zum Abführen des zweiten Gases und von Abgas, wobei die Brennstoffzellenanordnung ein flächiges Trägersubstrat mit einer Vielzahl von Öffnungen und eine Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen aufweist, wobei rohrförmige Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen rohrförmige Körper aufweisen, deren offene, erste Endabschnitte an unterschiedlichen Öffnungen der Vielzahl von Öffnungen angeordnet sind und deren zweite Endabschnitte geschlossen ausgebildet sind, wobei die rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen an einer gemeinsame Seite des flächigen Trägersubstrats angeordnet sind, wobei die Gasführungsanordnung eine erste Gasverteilungseinheit zum Zuführen des ersten Gases in die rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen, wobei die erste Gasverteilungseinheit zumindest teilweise auf einer der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen abgewandten Seite des Trägersubstrats anordbar ist und dazu eingerichtet ist, sich in die rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzelle der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen hinein zu erstrecken, eine zweite Gasverteilungseinheit zum Zuführen des zweiten Gases zu einer Außenseite der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen und zum Abführen des zweiten Gases, wobei die zweite Gasverteilungseinheit dazu eingerichtet ist, die rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen zumindest teilweise zu umgeben, und einen Abgasabführraum zum Abführen des Abgases aus einem Inneren der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen aufweist, wobei der Abgasabführraum benachbart zu dem flächigen Trägersubstrat anordbar ist und einen Teil der ersten Gasverteilungseinheit umgibt.
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Der Begriff „Abgas“ kann insbesondere ein Gas oder Gasgemisch bezeichnen, das zumindest ein Gas ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem gebildeten Reaktionsgas, dem überschüssigen ersten Gas und dem überschüssigen zweiten Gas aufweisen oder aus diesen gebildet sein kann. Das gebildete Reaktionsgas kann dabei ein bei einer stattfindenden chemischen Reaktion zumindest einer Brennstoffzelle erzeugtes Gas sein. Das überschüssige erste Gas beziehungsweise das überschüssige zweite Gas kann einen Anteil des ersten Gases beziehungsweise des zweiten Gases bezeichnen, der während der stattfindenden chemischen Reaktion der zumindest einer Brennstoffzelle nicht umgesetzt werden kann.
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Der Begriff „rohrförmiges Element“ kann insbesondere ein längliches, hohles Element mit einem beispielsweise rechteckigen, quadratischen, kreisförmigen oder ellipsenförmigen Querschnitt bezeichnen.
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Der Begriff „Einheit“ kann insbesondere ein (bis auf Eingänge und/oder Ausgänge) in sich geschlossenes System bezeichnen, dass einen mittels Außenwänden begrenzten Innenraum aufweisen kann, in dem ein Gas strömen kann. Insbesondere kann eine Einheit Wände aufweisen.
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Die Gasführungsanordnung kann folglich eine zentrale Gasversorgung der Brennstoffzellenanordnung mit einem ersten Gas und einem weiten Gas und zugleich eine zentrale Gasableitung von Abgas und des überschüssigen zweiten Gases ermöglichen. Das erste Gas kann in der ersten Gasverteilungseinheit innerhalb des im Abgasabführraum geführten Abgases führbar sein, da der Abgasabführraum die erste Gasverteilungseinheit auf der der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen abgewandten Seite des flächigen Trägersubstrats umgeben oder umschließen kann.
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Die Gasführungsanordnung kann die Brennstoffzellenanordnung teilweise oder vollständig umgeben oder einschließen, so dass das Brennstoffzellensystem eine kompakte Bauweise aufweisen kann. Da die erste Gasverteilungseinheit zumindest teilweise innerhalb des Abgasabführraums angeordnet sein kann, kann die Gasführungsanordnung einen geringen Bauraum aufweisen. Außenwände der ersten Gasverteilungseinheit können dabei einen Innenraum der ersten Gasverteilungseinheit und den Abgasabführraum voneinander trennen. Ferner können Material- und Herstellungskosten der Gasführungsanordnung aufgrund der kompakten Bauweise und dem geringen Bauraum besonders gering sein. Ferner kann eine Erwärmung des ersten Gases durch das Abgas erfolgen, da das erste Gas innerhalb des Abgases im dem Abgasabführraum strömen kann.
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Ferner können durch den zentralen und zur Brennstoffzellenanordnung benachbarten Einbau der Gasführungsanordnung Wärmeverluste vermindert werden, da lange und gleichzeitig platzaufwändige Zuleitungen zu verschiedenen rohrförmigen Brennstoffzellen und eine entsprechende Wärmeabstrahlung vermieden werden können.
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Da die rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung mittels der gemeinsamen Gasführungsanordnung mit dem ersten Gas und dem zweiten Gas versorgbar sein können und das Abgas der rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung und überschüssiges Gas mittels der gemeinsamen Gasführungsanordnung abführbar sein können, kann ein Betrieb der Brennstoffzellenanordnung, der Gasführungsanordnung und des Brennstoffzellensystems besonders einfach realisiert und zentralisiert gesteuert sein.
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Insbesondere kann die zweite Gasverteilungseinheit zusätzlich dazu eingerichtet sein, das an einer Elektrode der Brennstoffzelle oxidierte beziehungsweise reduzierte Gas abzuführen.
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Insbesondere können die rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen in die gleiche Richtung weisen und zueinander im Wesentlichen parallel verlaufen.
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Die zweite Gasverteilungseinheit kann insbesondere die Brennstoffzellenanordnung, die Abgasabführeinheit und die erste Gasverteilungseinheit aufnehmen, so dass ein kompaktes, geschlossenes System gebildet sein kann.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist der Abgasabführraum an dem flächigen Trägersubstrat anordbar, wobei insbesondere der Abgasabfürhraum mittels einer Wand begrenzt wird, die zumindest teilweise mittels des flächigen Trägersubstrats und/oder der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen bildbar ist. Das Anordnen des Abgasabführraums an dem flächigen Trägersubstrat kann eine besonders kompakte Bauweise des Brennstoffzellensystems bewirken, da platzraubende Spalte zwischen benachbarten Elementen und/oder Bauteilen vermieden werden können. Im Falle, dass das flächige Trägersubstrat und/oder die rohrförmigen Körper jeder rohrförmigen Brennstoffzelle zumindest teilweise eine Wand, die den Abgasabführraum begrenzt, bildet, kann die Gasführungsanordnung besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden, da eine zusätzliche Außenwand für den Abgasabführraum zu dem flächigen Trägersubstrat und/oder den rohrförmigen Brennstoffzellen vermieden werden kann.
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Alternativ kann der Abgasabführraum durch eine (Außen-)Wand begrenzt sein, die benachbart zu oder am dem flächigen Trägersubstrat anordbar sein kann. Die Wand kann dabei eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen, so dass die erste Gasverteilungseinheit durch die Öffnungen in die rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen reichen kann. Der Abgasabführraum kann durch weitere Wände begrenzt sein, die insbesondere zumindest teilweise Wände der zweiten Gasverteilungseinheit darstellen können.
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Insbesondere kann der Abgasabführraum den Teil der ersten Gasverteilungseinheit benachbart zu dem flächigen Trägersubstrat vollständig umgeben.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist der Abgasabführraum im Wesentlichen oder größtenteils kastenförmig ausgebildet. Der Begriff „kastenförmiges Element“ kann insbesondere ein im Wesentlichen quaderförmiges, würfelförmiges oder Parallelepiped-förmiges Element bezeichnen. Dies kann eine besonders einfache, kompakte und daher kostengünstige Bauweise der Gasführungsanordnung und des Brennstoffzellensystems ermöglichen, da diese Raumform einfach zu realisieren und leicht mit anderen Bauteilen, insbesondere mit dem flächigen Trägerelement, verbindbar sein kann. Ferner kann der Abgasabführraum unabhängig von einer Bauform der ersten Gasverteilungseinheit jene besonders einfach aufnehmen, da die kastenförmige Form des Abgasabführraums ausreichend Platz für unterschiedlich ausgebildete Arten der ersten Gasverteilungseinheit bieten kann.
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Im Rahmen einer Ausführungsform weist die erste Gasverteilungseinheit, insbesondere zum Führen des ersten Gases, einen Grundkörper, der dazu eingerichtet ist, sich entlang des flächigen Trägersubstrats im Bereich der Vielzahl von Brennstoffzellen zu erstrecken, und eine Vielzahl von Rohren auf, wobei Rohre der Vielzahl von Rohren dazu eingerichtet sind, sich ausgehend von dem Grundkörper in die rohrförmigen Körper von unterschiedlichen rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen hinein zu erstrecken. Folglich kann die erste Gasverteilungseinheit eine konstruktiv einfache Bauweise aufweisen, und Herstellungskosten für die erste Gasverteilungseinheit können daher besonders gering sein. Die Wandung/en des Grundkörpers und/oder der Rohre der ersten Gasverteilungseinheit kann/können dabei insbesondere den Raum zum Zuführen des ersten Gases und den Abgasabführraum voneinander trennen beziehungsweise den Abgasabführraum zumindest teilweise begrenzen.
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Die Rohre können sich insbesondere quer, insbesondere senkrecht, zu einer Wand der ersten Gasverteilungseinheit und/oder zum flächigen Trägersubstrat erstrecken, so dass die Rohre besonders einfach in quer, insbesondere senkrecht, zum flächigen Trägersubstrat verlaufenden rohrförmigen Brennstoffzellen aufnehmbar sein können.
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Die Rohre können dazu eingerichtet sein, sich mittig innerhalb der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen zu erstrecken, so dass eine Fertigung der Gasführungsordnung und der Brennstoffzellenanordnung vereinfacht sein und eine Beschädigung der rohrförmigen Brennstoffzellen bei einem Einführen in die Rohre vermieden werden kann.
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Rohrenden oder -endabschnitte der Rohre können insbesondere in Endbereichen von jeweils anderen rohrförmigen Brennstoffzellen anordbar sein, so dass die rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen entlang ihrer gesamten Längserstreckungen mit dem ersten Gas in Berührung bringbar sein können. Diese Maßnahme kann besonders günstig sein, wenn die Elektroden-Elektrolyten-Einheiten der rohrförmigen Brennstoffzelle(n) entlang einer gesamten Länge des Substrats angeordnet sein können.
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Die Rohrenden der Rohre können eine flache Stirnfläche aufweisen, so dass, insbesondere bei einer mittigen Anordnung der Rohre innerhalb der hohlen rohrförmigen Körper, ein gesamter Innenraum des Substrats gleichermaßen mit dem ersten Gas versorgbar sein kann.
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Querschnitte der Rohre können rechteckig, quadratisch, kreisförmig oder ellipsenförmig ausgebildet sein.
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Die Rohre können als Lanze ausgebildet sein.
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An Außenseiten von Endbereichen der Rohre können insbesondere vollumfängliche angeordnetes Stützelemente vorgesehen sein, die umfänglich angeordnete (insbesondere radial verlaufende) Schlitze aufweisen könnnen. Die Schlitze können dabei insbesondere kleiner als eine Breite der Stützelemente sein, die von den Außenseiten der Rohre zu Innenseiten der Körper gemessen sein kann. Dadurch können Außenseiten der Endbereiche der Rohre und Innenseiten der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen miteinander verbindbar sein, um eine Zentrierung der Rohre innerhalb der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen zu gewährleisten. Ferner können die Stützelemente aufgrund der radialen Schlitze gasdurchlässig ausgebildet sein, so dass das erste Gas aus den Rohren in die rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen strömen kann.
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Der Grundkörper der ersten Gasverteilungseinheit kann im Wesentlichen rohrförmig oder im Wesentlichen kastenförmig ausgebildet sein. Beide Ausgestaltungen können eine besonders einfache und kostengünstige Bauweise der ersten Gasverteilungseinheit darstellen. Im Falle eines im Wesentlichen rohrförmigen Grundkörpers kann dieser als Rohrverbund ausgebildet sein, so dass eine sequentielle oder stückweise Integration von Abschnitten des Rohrverbunds in den Abgasabführraum bewerkstelligbar sein kann.
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Im Rahmen einer Ausführungsform kann ein Material einer Wand der ersten Gasverteilungseinheit, einer Wand der zweiten Gasverteilungseinheit und/oder einer Wand, die den Abgasabführraum begrenzt, hochtemperaturbeständig ausgebildet sein und/oder ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen. Die Metalllegierung kann insbesondere zumindest ein Element aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Aluminium, Eisen, Kupfer und/oder Magnesium umfassen oder aus diesem zumindest einen Element gebildet sein. Die die Metalllegierung umfassende Wand kann insbesondere einer Temperatur von mindestens etwa 400°C, insbesondere mindestens etwa 500°C, insbesondere mindestens etwa 600°C und/oder bis höchstens etwa 700°C, insbesondere höchstens etwa 800°C, insbesondere höchstens etwa 900°C, insbesondere höchstens etwa 1000°C, insbesondere höchstens etwa 1100°C standhalten. Auf diese Weise kann die Gasführungsanordnung betriebssicher ausgestaltet sein, da Schäden der Gasführungsanordung aufgrund eines temperaturbedingten Materialverschleißes vermieden werden können.
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Im Rahmen einer Ausführungsform weist eine Wand der ersten Gasverteilungseinheit zumindest innerhalb des Abgasabführraums zumindest teilweise eine wärmeisolierende Beschichtung auf. Zusätzlich oder alternativ können insbesondere Wände der Rohre der ersten Gasverteilungseinheit wärmeisolierende Beschichtungen aufweisen. Die Beschichtung kann insbesondere einseitig (an einer beliebigen Seite der Wand) oder beidseitig der Wand der ersten Gasverteilungseinheit aufgebracht sein. Dadurch können eine Temperatur und eine Wärme des ersten Gases und/oder des Abgases erhalten bleiben, da eine Wärmekonvektion zwischen beiden Gasen verhindert werden kann.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist eine Wand der ersten Gasverteilungseinheit zumindest innerhalb des Abgasabführraums wärmeleitend ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ können insbesondere Wände der Rohre der ersten Gasverteilungseinheit wärmeleitend ausgebildet sein. Dabei kann insbesondere ein Material der Wand (der Rohre) der ersten Gasverteilungseinheit wärmeleitend sein, eine Wandstärke der Wand der (Rohre der) ersten Gasverteilungseinheit kann insbesondere dünn ausgebildet sein und/oder die Wand kann insbesondere Rippen aufweisen, die in einem Inneren der ersten Gasverteilungseinheit angeordnet sein können. Eine Wandstärke der Wand kann insbesondere zumindest etwa 0,1 Millimeter (mm), insbesondere zumindest etwa 0,5 mm, insbesondere zumindest etwa 1 mm, insbesondere zumindest etwa 2 mm, insbesondere zumindest etwa 3 mm betragen und/oder insbesondere höchstens etwa 6 mm, insbesondere höchstens etwa 5 mm, insbesondere höchstens etwa 4 mm betragen. Die Wandstärke kann beispielweise etwa 0,3 mm oder etwa 0,5 mm betragen. Auf diese Weise kann die Gasführungsanordnung eine zusätzliche Systemfunktion integrieren, die einem Wärmeübertrag vom Abgas auf das erste Gas und/oder umgekehrt entsprechen kann. Insbesondere kann das erste Gas vor einem Erreichen der Elektroden-Elektrolyt-Einheit(en) der rohrförmigen Brennstoffzellen vorgewärmt werden, so dass eine für eine nachfolgende stattfindende chemische Reaktion erforderliche Erwärmung des ersten Gases erfolgen kann. Insbesondere kann dadurch ein Energieaufwand für eine sonst durchzuführende Vor- oder Erwärmung des ersten Gases vermieden werden. Diese kann eine Effizienz der Brennstoffzellenanordnung und des Brennstoffzellensystems verbessern und Betriebskosten jener senken.
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Im Rahmen einer Ausführungsform weist eine Wand der ersten Gasverteilungseinheit zumindest innerhalb des Abgasabführraums einen Katalysator(stoff) zum Aufbereiten des ersten Gases auf. Die erste Gasverteilungseinheit kann folglich eine zusätzliche Funktion aufweisen, nämlich die einer Reformierungseinheit, die dazu eingerichtet sein kann, den den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten der rohrförmigen Brennstoffzelle(n) zuzuführenden Brennstoff zu einem verbrauchsfähigen Brennstoff aufzubereiten. Diese Maßnahme kann insbesondere anwendbar sein, wenn eine im Inneren der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen angeordnete Elektrode eine Anode der Elektroden-Elektrolyt-Einheit darstellen kann. Ferner kann insbesondere eine Abwärme des Abgases die notwendige Energie für die Aufbereitung des ersten Gases bereitstellen.
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Im Rahmen einer Ausführungsform kann die zweite Gasverteilungseinheit an Außenseiten der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen und an der der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen zugewandten Seite des flächigen Trägersubstrats anordbar sein, wobei insbesondere die rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen und das flächige Trägersubstrat zumindest teilweise eine Wand der zweiten Gasverteilungseinheit bilden. Auf diese Weise kann die zweite Gasverteilungseinheit besonders kostengünstig gefertigt sein, da die zweite Gasverteilungseinheit einen geringen Materialbedarf aufweisen kann. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem besonders kompakt ausgebildet sein, da Spalte zwischen der zweiten Gasverteilungseinheit und der Brennstoffzellenanordnung vermieden werden können. Ferner kann eine Effizienz des Brennstoffzellensystems erhöht sein, da das zweite Gas direkt und flächig den Außenseiten der rohrförmigen Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen zuführbar sein kann.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist die zweite Gasverteilungseinheit im Wesentlichen kastenförmig oder im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet. Die im Wesentlichen kastenförmige Ausführung der zweiten Gasverteilungseinheit kann eine einfache Bauweise der Gasführungsanordnung darstellen.
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Das erste Gas oder das zweite Gas kann zu oxidierendes Brenngas (beispielsweise Wasserstoff oder Methan) oder zu reduzierendes Gas (beispielsweise Sauerstoff oder Luft) aufweisen oder sein, und das jeweils andere Gas kann das zu reduzierende Gas oder das zu oxidierende Brenngas aufweisen oder sein. Insbesondere kann die Wahl, welches Gas in der ersten Gasverteilungseinheit und welches Gas in der zweiten Gasverteilungseinheit geführt werden kann, von einer Elektrodenart einer Elektrode der Elektroden-Elektrolyt-Einheit(en) abhängen, die innerhalb und außerhalb der Körper der rohrförmigen Brennstoffzellen angeordnet sein kann (können).
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind der Abgasabführraum, das flächige Trägersubstrat und die zweite Gasverteilungseinheit stapelbar ausgebildet. Beispielsweise kann der Abgasabführraum einen, beispielsweise im Wesentlichen kastenförmigen, hohlen Grundkörper aufweisen, welcher durch Aufbringen/Stapeln, des flächigen Trägersubstrats teilweise verschließbar ist. Die erste Gasverteilungseinheit kann dabei zumindest teilweise in dem hohlen Grundkörper anordbar sein, wobei sich Teile der ersten Gasverteilungseinheit, insbesondere deren Rohre, beim Aufbringen/Stapeln des flächigen Trägersubstrates durch den flächigen Trägerkörper hindurch erstrecken können. Die zweite Gasverteilungseinheit, welche beispielsweise ebenfalls einen im Wesentlichen kastenförmigen, hohlen Grundkörper aufweisen kann, kann dabei wiederum auf das flächige Trägersubstrat aufgebracht beziehungsweise gestapelt werden, insbesondere kann dabei das flächige Trägersubstrat auch den holen Grundkörper der zweiten Gasverteilungseinheit teilweise verschließen. Durch einen stapelbaren Aufbau kann das Brennstoffzellensystem vorteilhafterweise besonders kompakt ausgebildet sein und ein in sich geschlossenes System bilden. Ferner kann durch die modulare Anordnung und Bauweise dieser Komponenten der Austausch einzelner Bauteile bei einer Beschädigung besonders kostengünstig und einfach durchgeführt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Brennstoffzellenanordnung ein weiteres flächiges Trägersubstrat mit einer Vielzahl von weiteren Öffnungen und eine Vielzahl von weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen auf, wobei weitere rohrförmige Brennstoffzellen der Vielzahl von weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen rohrförmige Körper aufweisen, deren offene, erste Endabschnitte an unterschiedlichen Öffnungen des weiteren flächigen Trägersubstrats angeordnet sind und deren zweite Endabschnitte geschlossen ausgebildet sind, wobei die weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen an einer gemeinsamen Seite des weiteren flächigen Trägerelements angeordnet sind, die von dem flächigen Trägerelement abgewandt ist, wobei der Abgasabführraum zwischen dem flächigen Trägersubstrat und dem weiteren flächigen Trägersubstrat anordbar beziehungsweise ausgebildet ist. Insbesondere kann der Abgasabführraum benachbart zu, insbesondere an, dem weiteren flächigen Trägersubstrat anordbar sein. Dabei können das weitere flächige Trägersubstrat und/oder der rohrförmige Körper der weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen insbesondere zumindest teilweise eine weitere Wand des Abgasabführraums bilden. Der Abgasabführraum kann folglich zentral zwischen der Vielzahl von rohrfömigen Brennstoffzellen und der Vielzahl von weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen anordbar sein, so dass, wie oben erklärt, lange und platzaufwändige Zuleitungen zu den rohrförmigen Brennstoffzellen und den weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen und eine entsprechende Wärmeabstrahlung vermieden werden können.
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Insbesondere können das flächige Trägersubstrat und das weitere flächige Trägersubstrat zueinander im Wesentlichen parallel verlaufen, und die Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen und die Vielzahl von weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen können in entgegengesetzte Richtungen weisen.
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Die (weiteren) rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von (weiteren) rohrförmigen Brennstoffzellen können matrixförmig entlang des (weiteren) flächigen Trägersubstrats angeordnet sein.
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Die zweite Gasverteilungseinheit kann insbesondere die Vielzahl von weiteren rohrförmigen Brennstoffzellen und das flächige Trägersubstrat (und die weitere Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen und das weitere flächige Trägerelement) umgeben, so dass die Gasführungsanordnung ein kompaktes, geschlossenes und stapelbares System darstellen kann.
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Insbesondere können weitere flächige Trägersubstrate und weitere Vielzahlen von rohrförmigen Brennstoffzellen vorgesehen sein, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Abgasabführraums anordbar sein können, wobei der Abgasabführraum, die erste Gasverteilungseinheit und die zweite Gasverteilungseinheit gemäß einem oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen ausgebildet sein kann.
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Alternativ kann für jede Vielzahl von rohrfömigen Brennstoffzellen und jedes flächige Trägersubstrat genau eine zweite Gasführungseinheit vorgesehen sein, die gemäß einem oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen und/oder zueinander ähnlich ausgebildet sein können.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Gasführungsanordnung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung, die ein flächiges Trägersubstrat und eine Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen aufweist, wobei rohrförmige Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen rohrförmige Körper aufweisen, deren offene, erste Endabschnitte an Öffnungen des flächigen Trägersubstrats angeordnet sind und deren zweite Endabschnitte geschlossen ausgebildet sind, wobei die rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen an einer gemeinsamen Seite des flächigen Trägersubstrats angeordnet sind, und eine Gasführungsanordnung zum Zuführen eines ersten Gases und eines zweiten Gases einer Brennstoffzellenanordnung und zum Abführen des zweiten Gases und von Abgas, die oben beschrieben ist.
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Das flächige Trägersubstrat kann als Platte ausgebildet sein.
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Die rohrförmigen Brennstoffzellen der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen können als Festoxid-Brennstoffzelle (Engl. „solid oxide fuel cell“, SOFC) und/oder als Hochtemperatur-Brennstoffzelle ausgebildet sein.
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Die rohrförmigen Brennstoffzellen können von der ersten Gasverteilungseinheit oder dem flächigen Trägerelement wegweisende Längserstreckung aufweisen, also eine größte Länge in dieser Richtung aufweisen.
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Querschnitte der Körper können rechteckig, quadratisch, kreisförmig oder ellipsenförmig ausgebildet sein.
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Die rohrförmigen Brennstoffzellen können insbesondere entlang einer Längserstreckung der rohrförmigen Körper zumindest eine oder mehrere Elektroden-Elektrolyt-Einheiten aufweisen, die jeweils eine Kathode und eine benachbart zu der Kathode angeordnete Anode aufweisen können, zwischen denen ein Elektrolyt oder eine Elektrolytschicht vorhanden sein kann. Insbesondere können die Kathode innerhalb der rohrförmigen Körper angeordnet sein. Alternativ kann die Kathode außerhalb der rohrförmigen Körper angeordnet sein.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasführungsanordnung und der Figurenbeschreibung verwiesen.
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Zeichnungen und Beispiele
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 und 2 schematische Querschnittsansichten eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das in den 1 und 2 gezeigte gestapelte Brennstoffzellensystem 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Brennstoffzellenanordnung 2 zum Erzeugen von Energie basierend auf einem Methan aufweisenden Brenngas und einem zu reduzierenden Gas, nämlich Luft, und eine Gasführungsanordnung 3 zum Zuführen des Brenngases und des zu reduzierenden Gases zu der Brennstoffzellenanordnung 2 und zum Abführen des zu reduzierenden und reduzierten Gases und von Abgas auf. Alternativ kann der Brennstoff Wasserstoff aufweisen oder daraus gebildet sein.
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Die Brennstoffzellenanordnung 2 weist zwei flächige Trägersubstrate 4a, b auf, die als Platten ausgebildet sind und sich parallel zueinander erstrecken. Jedes der beiden flächigen Trägersubstrate 4a, b weist eine Vielzahl von Öffnungen 5a, 5b auf, die in den flächigen Trägersubstraten 4a, 4b eingebracht sind. Jede rohrförmige Brennstoffzelle 6a, b der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen 6a, 6b der Brennstoffzellenanordnung 2 weist einen rohrförmigen Körper 7a, b auf, dessen offener erster Endabschnitt 8a, b an einer jeweils unterschiedlichen Öffnung 5a, b der Vielzahl von Öffnungen 5 angeordnet ist und dessen zweiter Endabschnitt 9a, b geschlossen ausgebildet ist. Der Übersicht halber sind in 1 lediglich die zwei rohrförmige Brennstoffzellen 6a, b und die zugehörigen Elementen der Gasführungsanordnung 3 mit Bezugsziffern versehen. Elektroden-Elektrolyt-Einheiten sind entlang einer Längserstreckung des Körpers 7a, b angeordnet. Eine Kathode jeder Elektroden-Elektrolyt-Einheit ist außen am Körper 7a, b angebracht, eine Anode jeder Elektroden-Elektrolyt-Einheit ist innen am Körper 7a, b angebracht und eine Elektrolytschicht jeder Elektroden-Elektrolyt-Einheit ist in einer Wand des Körpers 7a, b zwischen der Kathode und Anode angeordnet.
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Die Gasführungsanordnung 3 weist eine erste Gasverteilungseinheit 10 zum Zuführen des Brenngases in den rohrförmigen Körper 7a, b jeder rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b, eine zweite Gasverteilungseinheit 11 zum Zuführen des zu reduzierenden Gases zu einer Außenseite 12a, b des rohrförmigen Körpers 7a, b jeder rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b und zum Abführen des überschüssigen, zu reduzierenden Gases und des reduzierten Gases und einen Abgasabführraum 13 zum Abführen des überschüssigen Brennstoffs und des Abgases aus einem Inneren 14a, b des rohrförmigen Körpers 7a, b jeder rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b auf. Die erste Gasverteilungseinheit 10, die zweite Gasverteilungseinheit 11 und der Abgasabführraum 13 sind zueinander gasdicht ausgebildet. Der Abgasabführraum 13 ist Teil einer Abgasabführeinheit.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Brennstoffzellenanordnung 1 bezüglich einer mit M bezeichneten Ebene symmetrisch ausgebildet. Die rohrförmigen Brennstoffzellen 6a, b sind auf zueinander abgewandten Seiten der flächigen Trägersubstrate 4a, b ausgebildet. Die zweite Gasverteilungseinheit 11 umgibt die Brennstoffzellenanordnung 2 und den Abgasabführraum 13, der die erste Gasverteilungseinheit 10 teilweise einschließt. Alternativ kann die zweite Gasverteilungseinheit 11 zwei Halbspähren-Abschnitte aufweisen. Der erste Abschnitt einer solchen zweiten Gasverteilungseinheit 11 kann die Brennstoffzellen 6a und das flächige Trägersubstrat 4a und der zweite Abschnitt der zweiten Gasverteilungseinheit 11 kann die Brennstoffzellen 6b und das flächige Trägersubstrat 4b aufnehmen. Die zwei Halbspähren-Abschnitte der zweiten Gasverteilungseinheit 11 können auch nach allen Seiten hin bündig mit dem Abgasabführraum 12 abschließen.
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Die erste Gasverteilungseinheit 11 weist einen quaderförmigen Grundkörper 15 auf, der sich entlang des flächigen Trägersubstrats 4a, b auf einer der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen 6a, b abgewandten Seite des flächigen Trägersubstrats 4a, b im Bereich der Vielzahl von Brennstoffzellen 6a, b erstreckt. Alternativ kann der Grundkörper 15 auch rohrförmig ausgebildet sein. Jedes Rohr 16a, b einer Vielzahl von Rohren 16a, b der ersten Gasverteilungseinheit 10 erstreckt sich ausgehend von dem quaderförmigen Grundkörper 15 in den rohrförmigen Körper 7a, b einer jeweils anderen rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b hinein. Ferner sind jedes Rohr 16a, b der Vielzahl von Rohren 16a, b und der Grundkörper 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 über eine Öffnung 17a, b einer Vielzahl von Öffnungen 17a, b in einer Wand 18 des Grundkörpers 15 miteinander verbunden. Die Rohre 16a, b sind als Lanzen ausgebildet, die sich bis in den geschlossenen Endbereich 8a, b jeder rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b erstrecken und flache Stirnflächen 19a, b aufweisen. An einer Außenseite 20a, b jedes Rohrs 16a, b im Bereich eines Endbereichs 21a, b des betreffenden Rohrs 16a, b ist ein vollumfängliches, trichterförmiges Stützelement 22a, b angeordnet, das sich von einem äußersten Ende des Endbereichs 21a, b des Rohrs 16a, b trichterförmig zu einer Innenseite 23a, b des rohrförmigen Körpers 7a, b jeder rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b erstreckt. Die Stützelemente 22a, b dienen als Zentrierung der Rohre 16a, b innerhalb der Körper 7a, b und sind in der radialen Richtung geschlitzt ausgebildet, so dass das Stützelement 22a, b für das Brenngas gasdurchlässig ist. Die Schlitze jedes Stützelements 22a, b sind umfänglich verteilt angeordnet und eine Länge der Schlitze ist kleiner als eine radiale Breite des jeweiligen Stützelements 22a, b.
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Ein Gaseingang 24 der ersten Gasverteilungseinheit 10 ist an einem Endabschnitt 25 des quaderförmigen Grundkörpers 15 außerhalb des Abgasabführraums 13 angeordnet und weist den gleichen Querschnitt wie der Grundkörper 15 auf. Alternativ kann der Querschnitt des Gaseingangs 24 auch kleiner oder größer als der Querschnitt des Grundkörpers 15 sein. Ein zweiter Endabschnitt 26 des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 ist geschlossen ausgebildet und innerhalb des Abgasabführraums 13 angeordnet. Eine Stirnfläche 27 des Endabschnitts 26 schließt bündig mit einer Außenseite der zweiten Gasverteilungseinheit 13, also in etwa mit dem flächigen Trägersubstrat 4a, b ab.
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Die zweite Gasverteilungseinheit 11 ist kastenförmig ausgebildet und umgibt die Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen 6a, b vollständig. Die flächigen Trägersubstrate 4a, b sowie die rohrförmigen Körper 7a, b jeder rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b bilden Wände der zweiten Gasverteilungseinheit 11. Die zweite Gasverteilungseinheit 11 weist ferner einen gemeinsamen Gaseingang und -ausgang auf, der benachbart zu dem Gaseingang 24 der ersten Gasverteilungseinheit 10 angeordnet ist, durch den das zweite Gas und/oder das reduzierte zweite Gas ein- und ausströmen. Alternativ kann der Gaseingang und -ausgang benachbart zu der bezüglich des Gaseingangs 24 am weitesten entfernten rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b angeordnet ist. Die zweite Gasverteilungseinheit 11 kann auch einen getrennten Gaseingang und Gasausgang aufweisen.
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Der Abgasabführraum 13 ist auf der der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen 6a, b abgewandten Unterseite 30a, b des flächigen Trägersubstrats 4a, b angeordnet und kastenförmig ausgebildet. In einer Ebene senkrecht zu der Zeichenebene gesehen schließt der Abgasabführraum 13 bündig mit dem flächigen Trägersubstrat 4a, b ab. Das flächige Trägersubstrat 4a, b, der rohrförmige Körper 7a, b und die Stützelemente 22a, b bilden Wände, die den Abgasabführraum 13 begrenzen. Ferner wird der Abgasabführraum 13 in allen weiteren Richtungen durch Außenwände der zweiten Gasverteilungseinheit 11 begrenzt. Der Abgasabführraum 13 weist ferner einen Gasausgang 31 benachbart zu der am weitesten von dem Gaseingang 24 der ersten Gasverteilungseinheit 10 angeordneten rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b auf.
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Das flächige Trägersubstrat 4a, b ist aus einer hochtemperaturbeständigem Nickelaluminiumlegierung gefertigt. Der Körper 7a, b jeder rohrförmigen Brennstoffzelle 6a, b ist aus hochtemperaturbeständiger Aluminiumoxidkeramik gefertigt. Der Grundkörper 15 sowie die Rohre 16a, b der ersten Gasverteilungseinheit 10 sind aus einer hochtemperaturbeständigen Nickelaluminiumlegierung gefertigt. Die Nickelaluminiumlegierung der ersten Gasverteilungseinheit 10 ist wärmeleitend, so dass Wärme des Abgases beziehungsweise des Brenngases zwischen einem Inneren der ersten Gasführungseinheit 10 und einem Inneren des Abgasabführraums 13 austauschbar ist. Um die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Abgasabführraum 13 und der ersten Gasverteilungseinheit 10 zu verbessern, beträgt eine Wandstärke der Wand 18 des Grundkörpers 15 und eine Wandstärke einer Wand 34a, b der Rohre 16a, b etwa 0,5 mm. Eine Innenseite 35 des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 ist mit entlang der Umfangsrichtung des Grundkörpers 15 gesehen vollumfänglich angeordneten Rippen 36 versehen, die eine Wärmeleitung in das Innere des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 erhöhen. Alternativ können die Rippen 36 entlang der Innenseite 35 des Grundkörpers 15 und einer Innenseite der Rohre 16a, b angeordnet sein. Ferner weist ein Material der Wand 18 des Grundkörpers 15 und der Wand 34a, b der Rohre 16a, b einen Katalysatorstoff auf, der zur Aufbereitung des zugeführten Brenngases dient.
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In einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird über den Gaseingang 24 der ersten Gasverteilungseinheit 10 das Brenngas entlang eines Pfeils 40 in den Grundkörper 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 eingeströmt. Eine Temperatur des eingeströmten Brenngases beträgt 500°C bis 700°C. Gleichzeitig wird die Luft über den Gaseingang der zweiten Gasverteilungseinheit 11 entlang des Pfeiles 41 in das Innere der zweiten Gasverteilungseinheit 11 eingeleitet. Das Brenngas durchströmt die erste Gasverteilungseinheit 10 in Richtung eines Pfeils 42, also ausgehend von einem Inneren des Grundkörpers 15 entlang der Rohre 16a, b. Aufgrund des Katalysatorstoffs in dem Material der Wände 18, 34a, b wird das Brenngas für die später stattfindende chemische Reaktion an den rohrförmigen Brennstoffzellen 6a, b aufbereitet. Das aufbereitete Brenngas verlässt die Öffnung 19a, b der Rohre 16a, b, durchdringt das Stützelement 22a, b und strömt in Richtung des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10. Eine Strömungsrichtung des Gases ist mit einem Pfeil 43 bezeichnet.
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Die Luft reduziert an Kathoden an der Außenseite 12a, b des Körpers 7a, b, und das Brenngas wird an Anoden an der Innenseite 23a, b des Körpers 7a, b umgesetzt. Diese chemischen Reaktionen finden bei etwa 600°C bis 1000°C statt. Das gebildete Abgas, das auch überschüssiges Brenngas enthält, strömt in Richtung des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 durch die Körper 7a, b der rohrförmigen Brennstoffzellen 6a, b. Danach durchströmt das Gas den Abgasabführraum 13 zwischen den flächigen Trägersubstraten 4a, b. Eine Strömungsrichtung des Abgases ist mit einem Pfeil 44 bezeichnet. Danach strömt das Abgas zu dem Gasausgang des Abgasabführraums 13 in Richtung eines Pfeils 45. Das Abgas durchtritt dann in Richtung von Pfeilen 46a, b durch den Gasausgang 31 des Abgasabführraums 13. Die von dem Abgas transportierte Wärme wird über die Rippen 36 und die wärmeleitenden Wände 18, 34a, b der ersten Gasverteilungseinheit 10 in das Innere der ersten Gasverteilungseinheit 10 und somit auf das Brenngas übertragen, um die Aufbereitung des Brenngases zu unterstützen.
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Das in 3 gezeigte gestapelte Brennstoffzellensystem 1 ist ähnlich zu dem Brennstoffzellensystem 1 in 1 und 2 ausgebildet. Allerdings weist die Wand 18 des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 keine Rippen 36, sondern eine beidseitig aufgebrachte wärmeisolierende Beschichtung auf. Dies verhindert einen Wärmeübertrag von dem Abgas, das innerhalb des Abgasabführraums 13 zwischen dem flächigen Trägersubstrat 4a, b und der Wand 18 des Grundkörpers 15 und der Wand 34a, b der Rohre 16a, b der ersten Gasverteilungseinheit 10 geleitet wird, auf das Brenngas im Inneren des Grundkörpers 10. Die wärmeisolierende Beschichtung kompensiert teilweise die Wärmeleitfähigkeit der Nickelaluminiumlegierung der Wand 18.
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Eine zweite Gasverteilungseinheit 11 umgibt ein flächiges Trägersubstrat 4a und die Brennstoffzellen 6a, die auf einer gemeinsamen Seite des flächigen Trägersubstrats 4a angeordnet sind. Die erste Gasverteilungseinheit 10 ist in dem Abgasabführraum 13 im Bereich der Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen 6a, b angeordnet. Eine weitere zweite Gasverteilungseinheit umgibt ein weiteres flächiges Trägersubstrat und weiteren Brennstoffzellen, die auf einer gemeinsamen Seite des weiteren flächigen Trägersubstrats angeordnet sind und bezüglich der Brennstoffzellen 6a in die entgegengesetzte Richtung weisen. Ferner wird der Abgasabführraum 13 anstelle durch Außenwände der zweiten Gasverteilungseinheit 11 mittels zweier Wände begrenzt, die senkrecht zu dem flächigen Trägersubstrat 4a und dem weiteren flächigen Trägersubstrat 4b verlaufen und zwischen deren Kanten angeordnet sind.
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Der Gaseingang 24 der ersten Gasverteilungseinheit 10 ist an einem sich nach innen hin aufweitenden Endabschnitt 25 der ersten Gasverteilungseinheit 10 angeordnet. Ein Gasausgang 31 an einem sich nach außen hin verjüngenden Endabschnitt 51 des Abgasabführraums 13 ist mit einem Ableitrohr verbunden. Der Gasausgang 31 ist dabei mittels Blechen gebildet, die mit den flächigen Trägersubstraten 4a, b verbunden sind. Der zweite Endabschnitt 26 des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 ist geschlossen ausgebildet. Ein Gaseingang 52 der zweiten Gasverteilungseinheit 11 ist an einem sich nach innen aufweitenden Endabschnitt 53 der zweiten Gasverteilungseinheit 10 gebildet. Ein Gasausgang 54 der zweiten Gasverteilungseinheit 11 ist durch einen sich nach außen verjüngenden Endabschnitt 55 der zweiten Gasverteilungseinheit 11 gebildet.
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Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass anstelle einer Ebene eine im Querschnitt als Gerade dargestellte Symmetrielinie M gezeigt ist.
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Ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ist ähnlich zu einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 in 1 und 2. Gezeigte Pfeile deuten eine Strömungsrichtung des Methan aufweisenden Brenngases, der Luft und des Abgases an. Trotz der wärmeisolierenden Beschichtung erfolgt eine Erwärmung des Brenngases innerhalb des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 durch das strömende Abgas. Alternativ kann die wärmeisolierende Beschichtung die Wärmeleitfähigkeit der Wand 18 vollständig kompensieren, so dass keine Erwärmung des Brenngases innerhalb des Grundkörpers 15 der ersten Gasverteilungseinheit 10 durch das strömende Abgas erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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