-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Im Stand der Technik sind Brennstoffzellenanordnungen mit jeweils einem Brennstoffzellstapel bekannt, insbesondere solche von Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC), wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Kathode und eine Anode sowie eine zwischen denselben angeordnete Elektrolytmatrix aufweisen. Über einen Anodeneingang der Brennstoffzellenanordnung wird den Anoden der Brennstoffzellen frisches Brenngas zugeführt, über einen Anodenausgang verbrauchtes Brenngas von den Anoden abgeführt. Im Brennstoffzellstapel sind Reformiereinheiten zur thermischen Kühlung des Brennstoffzellstapels sowie zur Umwandlung eines den Reformiereinheiten zugeführten Brennstoffs in Brenngas bzw. Reformerbrennstoff angeordnet.
-
Zur Zufuhr des Brennstoffs an Brennstoffeinlässe der Reformiereinheiten erstreckt sich bei herkömmlichen Brennstoffzellenanordnungen ein Zuförderrohr über eine Länge des Brennstoffzellstapels, von welchem Stichleitungen zu den Brennstoffeinlässen der im Stapel aufgenommenen Reformiereinheiten geführt sind.
-
Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der Druckschrift
US 2007/0184310A1 , der
KR 10-2009-0089144 , der
KR 10-0987544 oder der
US 6,200,696 B1 bekannt. Nachteilig ist hierbei, dass eine derartige Brennstoffzufuhr an jeweilige Reformiereinheiten aufwändig und kostspielig ist. Zudem werden Anodenhalbzellen durch die Rohranordnung nachteilig abgeschattet.
-
Eine weitere gattungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist aus der
WO 2009/056272 A1 bekannt. Hierin werden anodenausgangseitig angeordnete Brennstoffeinlässe der Reformiereinheiten mit Brennstoff beaufschlagt, welcher aus Profilen eines Rahmens der Anodenausgangsgashaube zugeführt wird.
-
Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass infolge etwaiger Undichtigkeiten austretender Brennstoff zur direkten internen Reformierung nicht zur Verfügung steht.
-
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welche eine verbesserte Brennstoffversorgung für die interne Reformierung ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung, welche mittels eines Brennstoffzellstapels gebildet ist, wobei je eine Brennstoffzelle desselben vorzugsweise eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle ist (Molten Carbonade Fuel Cell, MCFC), welche insbesondere im Kreuzstrom durchströmbar ist. Der Brennstoffzellstapel umfasst wenigstens eine Reformiereinheit, welche anodeneingangsseitig einen Brennstoffeinlass und vorzugsweise auch einen Reformerbrennstoffauslass zur Abgabe des reformierten Brennstoffs, i. e. des Reformerbrennstoffs, aufweist. Eine Brennstoffstrom-Umlenkung, insbesondere um 180°, ist an der Reformiereinheit vorgesehen. Eine solche Reformiereinheit ist vorzugsweise zwischen benachbarten Brennstoffzellen diese thermisch kontaktierend angeordnet. Eine Reformiereinheit ist vorzugsweise je als Plattenreformiereinheit gebildet.
-
Am Brennstoffzellstapel ist eine Anodeneingangsgashaube (Anodeneingangs-Gasverteiler) angeordnet, welche einen Raum begrenzt, innerhalb dessen das Brenngas bzw. der Reformerbrennstoff zur Versorgung der Anodeneingänge aufgenommen werden kann. Die Anodeneingangsgashaube ist hierzu benachbart zu den Anodeneingängen sowie den Brennstoffeinlässen bzw. zu den Reformerbrennstoffauslässen der Reformiereinheiten angeordnet und erstreckt sich gemeinsam mit dem Brennstoffzellstapel in Stapelrichtung.
-
Der Anodeneingangsgashaube am Brennstoffzellstapel gegenüberliegend angeordnet ist eine Anodenausgangsgashaube (Anodenausgangs-Gasverteiler), welche einen Raum begrenzt, innerhalb dessen das verbrauchte Brenngas der Anoden aufgenommen werden kann. Die Anodenausgangsgashaube ist hierzu benachbart zu den Anodenausgängen angeordnet und erstreckt sich ebenfalls gemeinsam mit dem Brennstoffzellstapel in dessen Stapelrichtung.
-
Um eine Brennstoffzellenanordnung mit einer einfachen und kostengünstigen Anströmanordnung der Brennstoffeinlässe der Reformiereinheiten bereitstellen zu können, bei welcher zudem aufgrund etwaiger Undichtigkeiten austretender Brennstoff dennoch der Elektrochemie an den Brennstoffzellen zur Verfügung steht, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, einen Brennstoffeinlass einer Reformiereinheit jeweils aus einem Hohlprofil der Anodeneingangsgashaube heraus anzuströmen, i. e. mit gasförmigem Brennstoff zu versorgen.
-
Hierzu ist ein Rahmengestell, welches die Anodeneingangsgashaube bildet, insbesondere ausschließlich, und insbesondere aus einem Rahmen sowie einem Bodenelement besteht, zumindest teilweise als Hohlprofil bzw. Hohlrahmengestell gebildet, insbesondere über seinen Querschnitt sämtlich als Hohlprofil gebildet. Ein zur Gasführung im Inneren des Rahmengestells gebildeter Innenhohlraum ist hierbei vorzugsweise allseitig materialumschlossen.
-
Mittels eines derartigen zumindest teilweise hohlen Rahmengestells kann Brennstoff anodeneingangsseitig an die Brennstoffeinlässe ohne aufwändige und unnötig abschattende Verrohrung geführt werden. Bei etwaigen Undichtigkeiten steht der Brennstoff dennoch den Anodeneingängen zur direkten internen Reformierung zur Verfügung.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung steht ein Brennstoffeinlass einer Reformiereinheit je mit dem brennstoff- bzw. gasführenden Innenhohlraum des Rahmengestells in Fluidkommunikation. Bevorzugt ist vorgesehen, den Brennstoffeinlass einer jeweiligen Reformiereinheit mittels einer Abzapfung bzw. einer Stichleitung ausgehend vom Rahmengestell der Anodeneingangsgashaube anzuströmen, d. h. leitungsgebunden. In einer derartigen Abzapfung kann zur Reduzierung von Spannungen vorteilhaft ein Faltenbalg angeordnet sein. Zur Potentialtrennung kann weiterhin ein Dielektrikum, z. B. eine Keramik innerhalb der Abzapfung vorgesehen sein.
-
Zum Einbringen des Brennstoffs in das Hohlrahmengestell bzw. dessen Innenhohlraum weist das Hohlrahmengestell der Anodeneingangsgashaube wenigstens einen Gaseinlass auf, wobei das Hohlrahmengestell des Weiteren wenigstens einen ersten Gasauslass zur Anströmung einer Reformiereinheit aus dem Innenhohlraum aufweist, insbesondere je einen ersten Gasauslass je Reformiereinheit bzw. Abzapfung. Ein solcher erster Gasauslass ist bevorzugt als einzelne Öffnung im Hohlrahmengestell gebildet, von welcher sich die Abzapfung wegerstrecken kann. Das den Brennstoff führende Hohlprofil bzw. das Hohlrahmengestell der Anodeneingangsgashaube ist mit Ausnahme der Gasein- und Gasauslässe ansonsten vorzugsweise gasdicht gebildet und insofern auch gekapselt.
-
Das die Anodeneingangsgashaube bildende Hohlrahmengestell weist neben Stirnwandelementen vorzugsweise ein Bodenelement sowie zwei Seitenwandelemente auf, welche sich gemeinsam mit dem Brennstoffzellstapel erstrecken. Vorgesehen ist, mittels der Stirnwandelemente sowie der Seitenwandelemente einen Rahmen zu bilden, an welchem das Bodenelement angeordnet ist. Hierbei kann ein Seitenwandelement das Hohlprofil der Anodeneingangsgashaube bilden, alternativ wenigstens ein Seitenwandelement sowie das Bodenelement, weiterhin alternativ lediglich das Bodenelement. Die Anodeneingangsgashaube bzw. das Hohlrahmengestell kann sämtlich als Hohlprofil gebildet sein. Bevorzugt bilden wenigstens zwei Seitenwandelemente sowie das Bodenelement gemeinsam das Hohlprofil, insbesondere mit einem einzigen gemeinsamen Innenhohlraum. Weitere Ausbildungen sind daneben selbstverständlich denkbar.
-
Für eine vorteilhaft geringe Abschattung der Anodeneingangsseite durch die Anströmanordnung der Reformiereinheiten ist vorgesehen, den Brennstoffeinlass einer jeweiligen Reformiereinheit randseitig (in Kathodengasstromrichtung betrachtet) an derselben zu bilden, so dass eine Anströmung aus dem Rahmengestell der Anodeneingangsgashaube aus einem korrespondierenden Randbereich desselben erfolgen kann, insbesondere einem kathodeneingangsseitigen Randbereich.
-
Im Rahmen der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, einen ersten Gasauslass zur Anströmung einer Reformiereinheit aus dem Hohlrahmengestell benachbart zu oder in einem Seitenwandelement anzuordnen, wobei der Brennstoffeinlass der anzuströmenden Reformiereinheit vorzugsweise zu diesem Seitenwandelement benachbart ist. Derart sind vorteilhaft kurze Leitungslängen für die Abzapfungen einhergehend mit einer minimierten Abschattung bei lediglich geringem finanziellen Aufwand realisierbar.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass insbesondere das Bodenelement und/oder das weitere, zweite Seitenwandelement der Anodengaseingangshaube wenigstens einen zweiten Gasauslass zum anodeneingangsseitigen Ausbringen von Brennstoff aufweist, wobei der zweite Gasauslass ebenfalls über den Innenhohlraum des Rahmengestells mit anodeneingangsseitig auszubringendem Gas versorgbar ist. Bei einer derart ausgebildeten Brennstoffzellenanordnung kann vorteilhaft Brennstoff zur internen Reformierung, insbesondere zur direkten internen Reformierung, über das Rahmengestell an die Anodeneingänge und gleichzeitig an die Brennstoffeinlässe der Reformiereinheiten versorgt werden.
-
Ein zweiter Gasauslass ist vorzugsweise jeweils mittels einer Auslassöffnung gebildet. Bevorzugt ist eine Vielzahl von zweiten Gasauslässen im Rahmengestell, insbesondere an dessen Bodenelement und/oder in dem zweiten Seitenwandelement gebildet, welche miteinander über den Innenhohlraum desselben insbesondere in Fluidkommunikation stehen können. Die zweiten Gasauslässe können derart gemeinsam über den Rahmengestell-Innenhohlraum mit Brennstoff angeströmt werden, wobei das Bodenelement als Sammelvorrichtung für den zuzuführenden Brennstoff dienen kann.
-
Vorgesehen ist bei einer bevorzugten Ausführungsform, dass diskrete Auslassöffnungen unterschiedlicher Öffnungsquerschnittsflächen im Bodenelement gebildet werden, i. e. zweite Gasauslässe, wobei die Öffnungsquerschnittsflächen der jeweiligen Auslassöffnungen in Richtung von einer Kathodeneinlassseite hin zu einer Kathodenauslassseite der Brennstoffzellenanordnung zunehmen. Alternativ kann die Anzahl der Auslassöffnungen je Fläche bzw. deren Dichte zur Kathodenauslassseite hin zunehmen. Derart kann den kathodenauslassseitig relativ heißen Anoden gezielt vermehrt Brennstoff, z. B. Methan, zur internen Reformierung und somit zur thermischen Kühlung im Zuge des endothermen Reformierungsvorgangs zugeführt bzw. zudosiert werden und dort somit eine gezielte Kühlung erfolgen.
-
Zur Brennstoffabgabe mittels des ersten und/oder zweiten Gasauslasses sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt Düsen vorgesehen. Mit einem ersten Gasauslass einerseits sowie einem Brennstoffeinlass einer Reformiereinheit andererseits kann eine Flachdüse (pipe) strömungsmäßig verbunden sein, deren Auslassquerschnitt vorzugsweise mit dem Einlassquerschnitt des Brennstoffeinlasses der Reformiereinheit korrespondiert. Ein zweiter Gasauslass kann eine Düse aufweisen, welche die Auslassöffnung desselben ausbildet.
-
Ein zweiter Gasauslass im Bodenelement kann jeweils vorteilhaft mittels einer insbesondere flachen Schlitzdüse gebildet sein, welche sich vom Bodenelement wegerstreckt. Wie oben ausgeführt, können die Öffnungsquerschnittsflächen derartiger Düsen zur Kathodenausgangsseite hin zunehmen, z. B. durch Ausbildung längerer Schlitze je Düse im Vergleich zur Kathodeneingangsseite. Alternativ zu den Düsen könnten z. B. winzigste Löcher gebildet werden. Ein Schlitz kann sich hierbei z. B. über eine oder mehrere Brennstoffzellen hinweg erstrecken.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, die Gasströme durch wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Gasauslass hindurch selektiv einzustellen, so dass der Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung auf einfache Weise beeinflussbar ist. Innerhalb einer im Innenhohlraum des Rahmengestells ausgebildeten Strömungsverbindung wenigstens eines ersten mit wenigstens einem zweiten Gasauslass ist hierbei eine Reguliervorrichtung vorgesehen, welche insbesondere eine Blende aufweist. Die Reguliervorrichtung ermöglicht in Abhängigkeit ihres Durchlassverhaltens eine selektive bzw. gesteuerte Aufteilung eines über den Gaseinlass in das Rahmengestell eintretenden Brennstoffstroms zu wenigstens einem ersten und wenigstens einem zweiten Gasauslass. Eine Reguliervorrichtung kann stromabwärts einer rahmengestellinternen Verzweigung des über den Gaseinlass eingebrachten Brennstoffsstroms zu dem wenigstens einen ersten und dem wenigstens einen zweiten Gasauslass stromaufwärts eines solchen in wenigstens einem Zweig angeordnet sein.
-
Eine Reguliervorrichtung kann mit geringem Aufwand mittels wenigstens einer Blende, insbesondere steuerbarer Öffnungsweite, gebildet sein. Eine Blende wird bevorzugt mittels eines Druckluftschiebers von außerhalb der Anodeneingangsgashaube bedient.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist allgemein vorgesehen, die Anodeneingangsgashaube vorteilhaft unterhalb des Brennstoffzellstapels anzuordnen, welcher sich hierbei vorzugsweise in Stapelrichtung horizontal erstreckt. Eventuell aufgrund von Undichtigkeiten austretender gasförmiger Brennstoff kann sich somit in der Anodeneingangsgashaube sammeln und steht der elektrochemischen Energieerzeugung am Anodeneingang zur Verfügung.
-
Um eine druckverlustfreie und homogene Durchströmung der mit Katalysatormaterial belegten Reformiereinheiten zu ermöglichen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, eine Umlenkvorrichtung an einer jeweiligen Reformiereinheit auszubilden. Eine solche ermöglicht die Umlenkung eines Brennstoffstroms in der Ebene der jeweiligen Reformiereinheit, d. h. derart, dass die Einströmrichtung in die Reformiereinheit zur Ausströmrichtung um 180° verkehrt werden kann. Insbesondere erfolgt die Umkehr der Strömungsrichtung hierbei außerhalb der Abmessungen der Brennstoffzellstapels, so dass die zur Reformierung verfügbare Fläche, welche im Zellstapel aufgenommen ist, maximiert ist. Um Brennstoff in die Umlenkvorrichtung anodenausgangsseitig ein bringen und umgelenkt aus dieser ausbringen zu können, weist die Reformiereinheit hierzu bevorzugt ein zumindest teilweise offenes Ende auf, an welchem die Umlenkvorrichtung aufsetzen kann.
-
Die Umlenkvorrichtung erstreckt sich vorzugsweise in die Anodenausgangsgashaube hinein, d. h. die mitsamt der Umlenkvorrichtung gebildete Reformiereinheit überragt hierbei den Brennstoffzellstapel anodenausgangsseitig. Bevorzugt erstreckt sich die Umlenkvorrichtung nicht in den Zellstapel hinein.
-
Die Umlenkvorrichtung weist wenigstens ein an der Reformiereinheit anodenausgangsseitig angeordnetes Leitelement in vorzugsweise Form eines Leitblechs auf, mittels welchem der Brennstoffstrom von diesem geführt umgelenkt werden kann. Das Leitblech ist vorzugsweise bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, gebildet, so dass eine stufenlose Strömungsumkehr realisierbar ist. Die Umlenkvorrichtung kann daneben weitere Leitbleche aufweisen.
-
Die Umlenkvorrichtung ist vorzugsweise mittels eines Boden- und eines Deckelelements sowie des dazwischen angeordneten Leitblechs in einer Sandwichanordnung gebildet, sodass dieselbe – mit Ausnahme der Gasein- und Austrittsseite – gasdicht gebildet werden kann. Durch die gasdichte Ausbildung ist der Verlust von Brennstoff in die Anodenausgangsgashaube vorteilhaft vermieden. Die Umlenkvorrichtung ist mit der Reformiereinheit vorzugsweise verschweißt.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 exemplarisch und schematisch eine abgebrochene Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
-
2 exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Reformiereinheit aus einem Rahmengestell-Seitenwandelement der Anodeneingangsgashaube anströmbar ist;
-
3 exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Reformiereinheit aus einem Rahmengestell-Bodenwandelement der Anodeneingangsgashaube anströmbar ist;
-
4 und 5 exemplarisch und schematisch je eine Schnittansicht je einer Brennstoffzellenanordnung gemäß weiteren möglichen Ausführungsformen der Erfindung, wobei ein Rahmengestell-Bodenelement der Anodeneingangsgashaube Gasauslässe zur Einströmung in das Haubeninnere sowie eine Reguliervorrichtung aufweist;
-
6 und 7 mögliche Ausführungsformen einer Reguliervorrichtung;
-
8 exemplarisch und schematisch eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Bodenelements einer Brennstoffzellenanordnung gemäß 4 und 5;
-
9 exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein zweites Seitenwandelement der Anoden eingangsgashaube Gasauslässe zur Einströmung in das Haubeninnere über eine Reguliervorrichtung aufweist; und
-
10 und 11 exemplarisch und schematisch Ansichten je einer Brennstoffzellenanordnung gemäß möglichen Ausführungsformen der Erfindung, welche je eine Reformiereinheit mit einer Umlenkvorrichtung veranschaulichen.
-
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
-
1 zeigt schematisch eine abgebrochene Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung 1, welche einen Brennstoffzellstapel 2 aufweist, welcher mittels einer Vielzahl von Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen 3 gebildet ist und sich in einer Stapelrichtung X erstreckt. Die Brennstoffzellen 3 sind mittels je einer Anode sowie je einer Kathode gebildet und im Kreuzstrom von jeweiligen Gasströmen durchströmbar. Eine erste Strömungsrichtung bzw. Anodenströmungsrichtung A führt von einer Anodeneingangsseite 3a der Brennstoffzellen 3 zu einer Anodenausgangsseite 3b derselben durch jeweils deren Anoden und eine zweite Strömungsrichtung bzw. eine Kathodenströmungsrichtung K von einer Kathodeneingangsseite 3c der Brennstoffzellen 3 zu einer Kathodenausgangsseite 3d derselben durch deren Kathoden.
-
Innerhalb des Brennstoffzellstapels 2 sind Reformiereinheiten 4, insbesondere in Form von Plattenreformierern, angeordnet, welche zur Umwandlung von gasförmigem Brennstoff B in reformierten Brennstoff bzw. Reformerbrennstoff RB vorgesehen sind. Die Reformiereinheiten 4 sind mit einem Katalysatormaterial versehen, über welches der Brennstoff B bzw. RB als Gasstrom geführt werden kann. Die Reformiereinheiten 4 sind jeweils zu Brennstoffzellen 3 benachbart angeordnet, wobei sie sich gemeinsam mit diesen in parallelen Erstreckungsebenen erstrecken und wobei die Reformiereinheiten 4 mit benachbarten Brennstoffzellen 3 in thermisch leitfähigem Kontakt stehen.
-
Der Brennstoffzellstapel 2 ist anodeneingangsseitig an einer Gashaube bzw. einer Anodeneingangsgashaube 5 abgestützt, welche unterhalb des Brennstoffzellstapels 2 angeordnet ist und sich in Stapelrichtung X gemeinsam mit dem Brennstoffzellstapel 2 benachbart zu diesem erstreckt. Anodenausgangsseitig weist die Brennstoffzellenanordnung eine weitere Gashaube auf, i. e. eine Anodenausgangsgashaube 6, welche sich ebenfalls in Stapelrichtung X gemeinsam mit dem Brennstoffzellstapel 2 benachbart zu diesem erstreckt. Die Anodeneingangs- und die Anodenausgangsgashaube 5, 6 umfangen bzw. begrenzen jeweils einen Innenraum, welcher zur Anodeneingangsseite 3a bzw. zur Anodenausgangsseite 3b der Brennstoffzellen 3 hin geöffnet ist.
-
2 und 3 zeigen je eine Schnittansicht je einer Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung 1, wobei der Schnitt in Kathodenströmungsrichtung K durch die Anodeneingangsgashaube 5 geführt ist.
-
Wie den 2 und 3 entnehmbar ist, bildet ein zumindest teilweise hohles Rahmengestell bzw. Hohlrahmengestell 7 die Anodeneingangsgashaube 5, insbesondere ausschließlich, welches dazu vorgesehen ist, Brennstoff über einen Innenhohlraum 7a desselben an erste Brennstoffauslässe bzw. Gasauslässe 8 der Anodeneingangsgashaube 5 zu versorgen, welche jeweils für die Anströmung einer damit strömungsmäßig verbundenen Reformiereinheit 4 vorgesehen sind, i. e. für eine Anströmung mit Brennstoff B. Die ersten Gasauslässe 8 stehen jeweils mit dem Innenhohlraum 7a des Hohlrahmens 7 in Fluidkommunikation.
-
Gemäß 2 und 3 ist an dem Hohlrahmengestell 7 der Anodeneingangsgashaube 5 ein Gaseinlass 9 gebildet, welcher rohrförmig ist, s. a. 1, und mit dem Innenhohlraum 7a des Hohlrahmengestells 7 in Fluidkommunikation steht. Über den Gaseinlass 9 ist dem Innenhohlraum 7a Brennstoff B für die Reformiereinheiten 4 druckbeaufschlagt zuförderbar. Denkbar ist hierbei auch, mehrere Gaseinlässe 9 an der Anodeneingangsgashaube vorzusehen.
-
Mittels je eines ersten Gasauslasses 8 des Hohlrahmengestells 7, welche zueinander benachbart in Stapelrichtung K angeordnet sind, insbesondere je eines ersten Gasauslasses 8 je Reformiereinheit 4, ist jeweils eine Abzapfung 10 gebildet, welche das Abzweigen von Brennstoff aus dem Innenhohlraum 7a sowie die Zufuhr desselben an je einen Brennstoffeinlass 4a einer Reformiereinheit 4 ermöglicht. Die Abzapfung 10 weist hierzu jeweils einen Leitungsabschnitt 10a auf, welcher mittels eines Metallbalgs (nicht dargestellt) mit dem Gasauslass 8 verbunden ist. Zur Einströmung in den Brennstoffeinlass 4a der Reformiereinheit 4 weist die Abzapfung 10 an dem dazu vorgesehenen Ende weiterhin eine Düse 11 in Form einer Flachdüse auf. Die Abzapfung 10 umfasst zur Potentialtrennung des Weiteren ein dielektrisches Element, insbesondere eine Keramik, welche Bestandteil des Leitungsabschnitts 10a ist (nicht dargestellt).
-
Um kurze Leitungslängen der Abzapfungen 10 realisieren zu können, ist ein jeweiliger erster Gasauslass 8 benachbart zu einem Brennstoffeinlass 4a angeordnet. Der Brennstoffeinlass 4a erstreckt sich benachbart zu einem Brennstoffauslass 4b der Reformiereinheit 4 über einen Teil der Ausdehnung derselben 4 in Kathodenströmungsrichtung K. Eine vorteilhafte Anordnung zeigen insbesondere die 2 und 3, bei welchen der Brennstoffeinlass 4a der Reformiereinheit 4 sowohl kathoden- als auch anodeneingangsseitig in der Reformiereinheit 4 angeordnet ist.
-
In 2 ist ein erster Gasauslass 8 in Form einer einzelnen Öffnung in einem ersten Seitenwandelement 5a des Rahmengestells 7 der Anodeneingangsgashaube 5 gebildet, welches einen Innenhohlraum 7a für das Ein- und Ausbringen von Brennstoff B für die Reformiereinheiten 4 aufweist. Das erste Seitenwandelement 5a erstreckt sich in Stapelrichtung X. Hierbei ist der Brennstoffeinlass 4a der Reformiereinheit 4, welcher unmittelbar benachbart zu dem ersten Seitenwandelement 5a angeordnet ist, 2, vorteilhaft über eine kurze Leitungslänge der Abzapfung 10 versorgt. Ein Brennstoffauslass 4b der Reformiereinheit 4 ist hierbei zur Kathodenausgangsseite hin benachbart zu dem Brennstoffeinlass 4a gebildet. Reformerbrennstoff RB kann hierüber in die Anodeneingangsgashaube 5 austreten.
-
3 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher ein erster Gasauslass 8 in Form je einer Öffnung in einem Bodenelement 5b des Rahmengestells 7 der Anodeneingangsgashaube 5 gebildet ist, welches einen Innenhohlraum 7a für das Ein- und Ausbringen von Brennstoff B für die Reformiereinheiten 4 aufweist und sich in Stapelrichtung X erstreckt. Hierbei liegt der Brennstoffeinlass 4a der Reformiereinheit 4 dem ersten Gasauslass 8 anodeneingangsseitig in Anodenströmungsrichtung A unmittelbar gegenüber, so dass die Abzapfung 10 vorteilhaft ebenfalls mit einer kurzen Leitungslänge realisierbar ist. Ein Brennstoffauslass 4b der Reformiereinheit 4 ist wie bei 2 zur Kathodenausgangsseite 3d hin benachbart zu dem Brennstoffeinlass 4a gebildet.
-
Wie der 3 weiterhin zu entnehmen ist, weist das Rahmengestell 7 der Anodeneingangsgashaube 5 allgemein wannen- bzw. U-förmigen Querschnitt auf, welcher mittels des ersten Seitenwandelements 5a und einem zweiten, dem ersten Seitenwandelement 5a in Kathodenströmungsrichtung K gegenüberliegenden Seitenwandelement 5c sowie dem Bodenelement 5b gebildet ist, wobei die Seitenwandelemente 5a, 5c sowie das Bodenelement 5b jeweils in Stapelrichtung X ihre größte Erstreckung aufweisen. Vorgesehen sind zur Bildung des Rahmengestells 7 daneben Stirnwandelemente 5d, vgl. 1.
-
Die 4 und 5 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen der Brennstoffzellenanordnung 1 in jeweils einer Schnittansicht gemäß 2 und 3, wobei die in 4 dargestellte Ausführungsform hinsichtlich der Anströmung des Brennstoffeinlasses 4a mit der Ausführungsform gemäß 2 korrespondiert und wobei die in 5 dargestellte Ausführungsform hinsichtlich der Anströmung des Brennstoffeinlasses 4a mit der Ausführungsform gemäß 3 korrespondiert.
-
Im Unterschied zu den oben im Rahmen von 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen zeigen die 4 und 5 jeweils zweite Gasauslässe 12, welche in dem Bodenelement 5b des Hohlrahmens 7 anodeneingangsseitig angeordnet sind, wobei das Bodenelement 5b einen Innenhohlraum 7a aufweist, in welchen Brennstoff B via Gaseinlass 9 zur Ausbringung via der Gasauslässe 12 einbringbar ist. Der Innenhohlraum 7a steht hierbei mit dem Brennstoffeinlass 9 über eine Reguliervorrichtung in Form einer Blende 13 in Fluidkommunikation. Über die Blende 13 sowie den Innenhohlraum 7a steht ein zweiter Gasauslass 12 ferner mit einem ersten Gasauslass 8 in Fluidkommunikation. Der Gasstrom des in den Innenhohlraum 7a eingebrachten Brennstoffs B verzweigt sich hierbei auf den ersten Gasauslass 8 und die zweiten Gasauslässe 12.
-
Die Blende 13 weist eine Öffnung 13a insbesondere selektiv veränderlichen Querschnitts auf, deren Öffnungsweite die Ausbildung von Brennstoff-Gasströmen zu dem ersten 8 und den jeweiligen zweiten 12 Gasauslässen bzw. deren Aufteilung auf die Gasauslässe 8, 12 beeinflusst. Mittels der Blende 13 sowie der Mehrzahl von Gasauslässen 12 kann Brennstoff B für eine interne Reformierung direkt an die Anodeneingangsseite 5 in die Anodeneingangsgashaube zudosiert werden.
-
Die 6 und 7 veranschaulichen jeweils mögliche Blenden(öffnungen) 13(a), wobei in 6 von oben nach unten alternative Ausführungsformen für Blendenöffnungen 13a zur Anströmung der zweiten Gasauslässe 12 dargestellt sind. Die dargestellten Blendenöffnungen 13a unterscheiden sich hierbei hinsichtlich ihrer erzielbaren Öffnungsquerschnitte und ihrer Anzahl. Insbesondere über mehrere ungleich große Blendenöffnungen 13a gemäß der unteren Darstellung in 6 kann über die Länge des Zellstapels 2 in Stapelrichtung X eine unterschiedliche Gasverteilung erreicht werden.
-
7 zeigt eine Reguliervorrichtung 13, bei welcher sowohl der Brennstoff-Gasstrom zu den ersten 8 als auch den zweiten 12 Gasauslässen regulierbar ist. Die in 7 dargestellte obere Reihe von Öffnungen 13a veranschaulicht hierbei Blendenöffnungen 13a zur Regelung der Brennstoffversorgung der Brennstoffeinlässe 4a, während die untere Reihe von Öffnungen 13a Blendenöffnungen 13a zur Versorgung der zweiten Gasauslässe 12 veranschaulicht. 7 zeigt hierbei auch einen Schieber 13b zur Bildung von Blenden 13 mit steuerbarer Blendenöffnungsweite, wobei eine derart verstellbare Blende 13 jeweils mittels einer Blendenöffnung 13a gebildet ist.
-
Der Schieber 13b weist zur Bildung der einstellbaren Blenden 13 Schlitze 13c auf, welche mit den Blendenöffnungen 13a zur Einstellung eines Öffnungsquerschnitts zusammenzuwirken, i. e. je ein Schlitz 13c mit einer Blendenöffnung 13a. In Abhängigkeit einer Überdeckung der Öffnungen 13a durch die Schlitze 13c sind entweder nur die ersten 8 oder nur die zweiten 12 Gasauslässe oder alternativ sowohl die ersten 8 als auch die zweiten 12 Gasauslässe mit Brennstoff B anströmbar.
-
Der Schieber 13b ist zur in Stapelrichtung X gleitbeweglichen Führung in dem Seitenwandelement 5a vorgesehen. Zur Bildung einer Gleitebene kann z. B. ein Al2O3 Gewebe von der Firma Nextel eingesetzt werden, welches gleichzeitig als Dichtung dient.
-
8 zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Bodenelements 5b, welches dazu ausgebildet ist, an die Kathodenausgangsseite 3d des Zellstapels 2 vermehrt Brennstoff B zur Kühlung durch direkte interne Reformierung zuführen zu können. Hierzu weisen die Gasauslässe 12 je eine Öffnung 12a auf, wobei die Öffnungsquerschnittsflächen der Öffnungen 12a von der Kathodeneingangsseite 3c in Richtung zur Kathodenausgangsseite 3d größer werden.
-
Wie in 8 zu erkennen ist, weisen die Gasauslässe 12 jeweils eine Öffnung 12a auf, welche zur Abgabe von gasförmigem Brennstoff schlitzförmig gebildet ist, insbesondere an einer Schlitzdüse. Die Öffnungsauerschnittsflächen der Schlitze 12a nehmen zur Kathodenseite 3d hin zu. Ein zweiter Gasauslass 12 kann alternativ mittels einer Vielzahl von Bohrungen realisiert werden, welche insbesondere sehr kleinen Durchmesser aufweisen.
-
9 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung 1, wobei zusätzlich zu den ersten Gasauslässen 8 eine Vielzahl von zweiten Gasauslässen 12 zur anodeneingangsseitigen Anströmung des Brennstoffzellstapels 2 in dem zweiten Seitenwandelement 5c gebildet ist, i. e. dem ersten Seitenwandelement 5a in Kathodenströmungsrichtung K gegenüberliegend. Zweite Gasauslässe 8 sind hierbei insbesondere in Stapelrichtung X nebeneinander angeordnet gebildet, wobei neben Düsen auch Löcher oder weitere Austrittsvorrichtungen für die zweiten Gasauslässe 12 vorgesehen sein können. Bei dieser Ausführungsform kann mittels der zweiten Gasauslässe 8, welche ausschließlich in dem zweiten Seitenwandelement 5c gebildet sind, ein vom Brenngasstrom B an die ersten Gasauslässe 8 abgezweigter Brenngasstrom kathodenausgangsseitig und anodeneingangsseitig über den Innenhohlraum 7a an die Anodeneingänge zugeführt werden, so dass eine gesteigerte Kühlwirkung an der heißen Kathodenausgangsseite 3d auf einfache Weise erzielbar ist. Alternativ können zusätzlich zweite Gasauslässe 12 im Bodenelement 5b vorgesehen sein, welche wie vorstehend beschrieben gebildet sein können.
-
Wie 9 weiterhin zu entnehmen ist, ist bevorzugt vorgesehen, die Gaszufuhr zu den zweiten Gasauslässen 12 im zweiten Seitenwandelement 5c vorteilhaft über eine wie vorstehend beschriebene Blende 13 bzw. eine Reguliervorrichtung 13 einzustellen. Somit ist kathodenausgangsseitig eine Zudosierung von Brenngas B an die Anodeneingänge gezielt möglich.
-
Die 10 und 11 veranschaulichen beispielhaft je eine bevorzugt ausgebildete Reformiereinheit 4 der Brennstoffzellenanordnung 1, welche eine Umlenkvorrichtung 14 zur Umkehr eines über den Brennstoffeinlass 4a zugeführten Brennstoff-Gasstroms aufweist, wie sie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorteilhaft anwendbar ist.
-
Der über den Brennstoffeinlass 4a zugeführte Gasstrom B durchströmt die Reformiereinheit 4 zunächst in Anodenströmungsrichtung A, wozu die Reformiereinheit 4 ein Leitelement 4c aufweist, welches sich in dieser Richtung erstreckt. Der Gasstrom tritt an einem offenen Ende 4d der Reformiereinheit 4 in die Umlenkvorrichtung 14 ein und aus dieser entgegen gesetzt zur Einströmrichtung wieder aus, so dass ein zweiter Gasstrom innerhalb der Reformiereinheit 4 ausgebildet wird, welcher vom offenen Ende 4d zum Brennstoffauslass 4b durch die Reformiereinheit 4 geführt ist.
-
Die Umlenkvorrichtung 14 ist – korrespondierend mit einer Tasche – mittels eines Leitblechs 14a gebildet, welches zwischen einem Boden- und einem Deckelelement (nicht dargestellt) zusammen mit diesen am anodenausgangsseitigen offenen Ende 4d der Reformiereinheit 4 anordnet ist. Hierbei wird das anodenausgangsseitig offene Ende 4d der Reformiereinheit 4 gasdicht verschlossen, so dass eine vorteilhaft gasdichte Anordnung erzielt ist. Die Umlenkvorrichtung 14 ist hierzu geeignet mit der Reformiereinheit 4 verschweißt.
-
Bei Anordnung im Brennstoffzellstapel erstreckt sich die Umlenkvorrichtung 14 über den Stapel 2 hinaus in die Anodenausgangsgashaube 7, so dass vorteilhaft eine große Fläche der Reformiereinheit 4 zur Reformierung innerhalb des Brennstoffzellstapels 2 in thermischem Kontakt mit Brennstoffzellen 3 zur Verfügung steht.
-
Das Leitblech 14a der Umlenkvorrichtung 14 ist bogenförmig und insbesondere kreisbogenförmig gebildet, so dass eine stufenlose Strömungsumkehr um 180° vorteilhaft ermöglicht ist. Ein in die Umlenkvorrichtung 14 eintretender Gasstrom wird ohne nennenswerte Druckverminderung an den anodenseitigen Brennstoffauslass 4b der Reformiereinheit 4 umgelenkt, wobei sich zudem vorteilhaft eine homogene Durchströmung derselben zur optimierten Reformierung ausbilden lässt. Wie in den 10 und 11 veranschaulicht, weist die Umlenkvorrichtung 14 insbesondere ein oder mehrere weitere Leitbleche 14b auf, welche eine gezielte Aufteilung des aus der Umlenkvorrichtung 14 austretenden Gasstroms auf einzelne Bereiche der Reformiereinheit 4 ermöglichen,
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2007/0184310 A1 [0004]
- KR 10-2009-0089144 [0004]
- KR 10-0987544 [0004]
- US 6200696 B1 [0004]
- WO 2009/056272 A1 [0005]
