DE102012101023A1 - Fuel cell device, has fluid conduit fluid-tightly connected to base body and extended into interior of fuel cell stack, and outlet opening arranged at distance from seal and opened into interior of fuel cell stack in stacking direction - Google Patents

Fuel cell device, has fluid conduit fluid-tightly connected to base body and extended into interior of fuel cell stack, and outlet opening arranged at distance from seal and opened into interior of fuel cell stack in stacking direction Download PDF

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Abstract

The device has fuel cell units (132) arranged in sequences along a stacking direction (130) in a fuel cell stack (104), where combustible gas and/or an oxidant is supplied to the fuel cell stack through a base body (156). A seal (154) seals the fuel cell stack and the base body. A fluid conduit (158) is fluid-tightly connected to the base body and extended into an interior of the fuel cell stack. An outlet opening (160) is arranged at distance from the seal and opened into the interior of the fuel cell stack in the stacking direction. The seal comprises a non-woven material or a ceramic non-woven material e.g. fibers of aluminum oxide. An independent claim is also included for a method for manufacturing a fuel cell device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Brennstoffzellenstapel, in welchem Brennstoffzelleneinheiten längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgen, einen Basiskörper, durch welchen ein Brenngas und/oder ein Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstapel zuführbar ist, und eine Dichtung zum Abdichten zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Basiskörper umfasst.The present invention relates to a fuel cell apparatus including a fuel cell stack in which fuel cell units follow each other along a stacking direction, a base body through which a fuel gas and / or an oxidant can be supplied to the fuel cell stack, and a gasket for sealing between the fuel cell stack and the base body.

Bekannte Brennstoffzellenvorrichtungen dieser Art umfassen die Baukomponenten Reformer, Brennstoffzellenstapel (auch als "Brennstoffzellenstack" bezeichnet), Restgasbrenner und Schichtwärmeübertrager.Known fuel cell devices of this type include the structural components reformer, fuel cell stack (also referred to as "fuel cell stack"), residual gas burner and layer heat exchanger.

Im Reformer wird ein zuvor verdampfter Kraftstoff, zum Beispiel ein Dieselkraftstoff, beispielsweise durch partielle Oxidation der höheren Kohlenwasserstoffe des Ausgangskraftstoffs in H2, CO, CO2, H2O und Restkohlenwasserstoffe zerlegt. Die Bestandteile H2 und CO können anschließend im Brennstoffzellenstapel elektrochemisch verstromt werden.In the reformer, a previously evaporated fuel, for example, a diesel fuel, for example, by partial oxidation of the higher hydrocarbons of the starting fuel in H 2 , CO, CO 2 , H 2 O and residual hydrocarbons is decomposed. The components H 2 and CO can then be electrochemically converted in the fuel cell stack.

Das bei der elektrochemischen Verstromung im Brennstoffzellenstapel nicht umgesetzte Brenngas wird nach dem Brennstoffzellenstapel sowohl aus sicherheitstechnischen und umwelttechnischen Gründen als auch aus Energieeffizienzgründen im Restgasbrenner nachverbrannt. Die dabei entstehende Restwärme wird dem Schichtwärmeübertrager zugeführt. Dieser heizt mit der Prozesswärme das Oxidationsmittel (Kathodenluft) für den Brennstoffzellenstapel auf, bevor das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel geleitet wird.The unreacted in the electrochemical power generation in the fuel cell stack fuel gas is post-combusted after the fuel cell stack both for safety and environmental reasons and for energy efficiency reasons in the residual gas burner. The resulting residual heat is fed to the layer heat exchanger. This heat with the process heat the oxidizer (cathode air) for the fuel cell stack before the oxidant is passed into the fuel cell stack.

Der mit dem Brennstoffzellenstapel verbundene Basiskörper, durch welchen das Brenngas und/oder das Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, kann beispielsweise den Restgasbrenner und/oder den Reformer und/oder eine Gasverteilerplatte umfassen.The base body connected to the fuel cell stack, through which the fuel gas and / or the oxidizing agent are supplied to the fuel cell stack, may for example comprise the residual gas burner and / or the reformer and / or a gas distributor plate.

Um den Brennstoffzellenstapel mit dem Basiskörper zu verbinden, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel direkt auf den Basiskörper, insbesondere den Restgasbrenner, aufgeschweißt wird. In diesem Fall erfolgt das Einfahren des Brennstoffzellenstapels (das heißt das Reduzieren der elektrochemisch aktiven Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten der Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels und das Versintern der Kontaktpasten) beim ersten Systemtest der gesamten Brennstoffzellenvorrichtung. Erst bei diesem ersten Systemtest ist eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels möglich. Eine Qualitätssicherung ist dabei nicht möglich. Außerdem führt das direkte Aufschweißen des Brennstoffzellenstapels auf den Basiskörper zu hohen Belastungen (Schweißspannungen), die aufgrund von Rissbildungen einen Totalausfall des Systems verursachen können.In order to connect the fuel cell stack to the base body, it may be provided, for example, that the fuel cell stack is welded directly onto the base body, in particular the residual gas burner. In this case, the retraction of the fuel cell stack (that is, the reduction of the electrochemically active cathode-electrolyte-anode units of the fuel cell units of the fuel cell stack and the sintering of the contact pastes) occurs at the first system test of the entire fuel cell device. Only in this first system test is a statement about the functionality of the fuel cell stack possible. A quality assurance is not possible. In addition, the direct welding of the fuel cell stack on the base body to high loads (welding stresses), which can cause a total failure of the system due to cracking.

Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel auf eine ebene Platte aufgeschweißt wird und der Brennstoffzellenstapel anschließend mittels einer dazwischen angeordneten Dichtung mit dem Basiskörper, insbesondere dem Restgasbrenner, verbunden wird. In diesem Fall kann das Einfahren des Brennstoffzellenstapels und die eigentliche Qualitätssicherung (beispielsweise die Ermittlung von Leistungsdaten des Brennstoffzellenstapels) auf einem konventionellen Brennstoffzellenstapel-Prüfstand erfolgen, bevor der Brennstoffzellenstapel mit dem Basiskörper verbunden wird. Problematisch ist in diesem Fall allerdings ein möglicher Austritt von Brenngas und/oder Oxidationsmittel durch die zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Basiskörper angeordnete Dichtung, aufgrund einer Undichtigkeit des Dichtungsmediums.Alternatively, it can also be provided that the fuel cell stack is welded onto a flat plate and the fuel cell stack is then connected by means of a gasket disposed therebetween with the base body, in particular the residual gas burner. In this case, the retraction of the fuel cell stack and the actual quality assurance (for example, the determination of performance data of the fuel cell stack) on a conventional fuel cell stack test stand before the fuel cell stack is connected to the base body. The problem in this case, however, is a possible escape of fuel gas and / or oxidant through the arranged between the fuel cell stack and the base body seal, due to leakage of the sealing medium.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher ein Austreten von Brenngas und/oder Oxidationsmittel über die Dichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Basiskörper reduziert oder ganz vermieden wird. The present invention has for its object to provide a fuel cell device of the type mentioned, in which leakage of fuel gas and / or oxidant via the seal between the fuel cell stack and the base body is reduced or avoided altogether.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellenvorrichtung mindestens eine Fluidleitung umfasst, die fluiddicht mit dem Basiskörper verbunden ist, sich in einen Innenraum des Brennstoffzellenstapels hinein erstreckt und an einer von der Dichtung in der Stapelrichtung beabstandeten Austrittsöffnung in den Innenraum des Brennstoffzellenstapels mündet.This object is achieved in a fuel cell device having the features of the preamble of claim 1 according to the invention in that the fuel cell device comprises at least one fluid line which is fluid-tightly connected to the base body, extends into an interior of the fuel cell stack and at one of the seal in the Stacking direction spaced outlet opening opens into the interior of the fuel cell stack.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, den Brennstoffzellenstapel mittels einer Dichtung, welche ein Dichtungsmedium umfasst, an den Basiskörper anzudocken und dabei die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Brennstoffzellenstapels, in welchen das Brenngas bzw. das Oxidationsmittel durch den Basiskörper hindurch einströmt, einerseits und der Umgebung des Brennstoffzellenstapels andererseits im Bereich der Dichtung zu minimieren, indem der Massenstrom des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels nicht direkt im Bereich der Dichtung, sondern von dem Dichtungsmedium entfernt in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet wird. The inventive solution is based on the concept of the fuel cell stack by means of a seal, which comprises a sealing medium to the base body and thereby the pressure difference between the interior of the fuel cell stack, in which the fuel gas or the oxidant flows through the base body, on the one hand and the On the other hand, minimizing the environment of the fuel cell stack in the region of the seal by the mass flow of the fuel gas or the oxidant is not introduced directly into the gasket, but from the sealing medium in the fuel cell stack.

Die Leckrate L entspricht nämlich dem Produkt aus der Druckdifferenz und dem Volumenstrom des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels und hängt somit linear von der Druckdifferenz über der Dichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Basiskörper ab. Namely, the leak rate L corresponds to the product of the pressure difference and the volume flow of the fuel gas or the oxidant and thus depends linearly on the pressure difference across the seal between the fuel cell stack and the base body.

Wenn das Brenngas bzw. das Oxidationsmittel im unmittelbaren Anschluss an die Dichtung in den Innenraum des Brennstoffzellenstapels einströmt, ist dort die Druckdifferenz aufgrund der notwendigen Massenströme zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels deutlich höher als am gegenüberliegenden oberen Ende des Brennstoffzellenstapels, da der gesamte Massenstrom des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels gleichmäßig auf alle Brennstoffzelleneinheiten in den verschiedenen, längs der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Ebenen des Brennstoffzellenstapels verteilt wird.If the fuel gas or the oxidant flows into the interior of the fuel cell stack immediately after the seal, the pressure difference due to the necessary mass flows to supply the fuel cell stack is significantly higher than at the opposite upper end of the fuel cell stack, since the entire mass flow of the fuel gas or of the oxidizing agent is uniformly distributed to all the fuel cell units in the various, along the stacking direction successive planes of the fuel cell stack.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Fluidleitung, welche sich in den Innenraum des Brennstoffzellenstapels hinein erstreckt, tritt das Brenngas bzw. das Oxidationsmittel nicht unmittelbar im Bereich der Dichtung, sondern erst an der Austrittsöffnung der Fluidleitung, welche in der Stapelrichtung von der Dichtung beabstandet ist, in den Innenraum des Brennstoffzellenstapels ein. By virtue of the fluid line provided according to the invention, which extends into the interior of the fuel cell stack, the fuel gas or the oxidizing agent does not enter the region of the seal directly, but only at the outlet opening of the fluid line, which is spaced from the seal in the stacking direction Interior of the fuel cell stack.

Der Druck des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels innerhalb des Brennstoffzellenstapels ist somit im Bereich dieser Austrittsöffnung am größten und nimmt mit wachsendem Abstand von der Austrittsöffnung von Ebene zu Ebene des Brennstoffzellenstapels ab. Wenn der Massenstrom des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels das der Dichtung zugewandte Ende des Brennstoffzellenstapels, insbesondere das untere Ende des Brennstoffzellenstapels, erreicht hat, wo sich das Dichtungsmedium der Dichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Basiskörper befindet, ist dort, das heißt im Bereich der Dichtung, die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Brennstoffzellenstapels, insbesondere zwischen einem Manifold-Bereich des Brennstoffzellenstapels, und der Umgebung am geringsten. Hierdurch kann, unabhängig vom verwendeten Dichtungsmedium, eine gegenüber einem Aufbau ohne Fluidleitung geringere Leckrate erzielt werden.The pressure of the fuel gas or the oxidant within the fuel cell stack is thus greatest in the region of this outlet opening and decreases with increasing distance from the outlet opening from plane to plane of the fuel cell stack. If the mass flow of the fuel gas or of the oxidizing agent has reached the end of the fuel cell stack facing the seal, in particular the lower end of the fuel cell stack, where the sealing medium of the seal is located between the fuel cell stack and the base body is there, that is in the region of the seal , the pressure difference between the interior of the fuel cell stack, in particular between a manifold region of the fuel cell stack, and the environment least. As a result, regardless of the sealing medium used, a lower leakage rate compared to a structure without fluid line can be achieved.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf den Basiskörper, insbesondere den Restgasbrenner, gasdicht Röhren geschweißt werden, welche die fluiddicht mit dem Basiskörper verbundene Fluidleitung bilden. Diese Röhren dringen beim Andocken des Brennstoffzellenstapels an den Basiskörper in den Manifold-Bereich des Brennstoffzellenstapels ein. Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung in Betrieb genommen wird, strömt das Brenngas bzw. das Oxidationsmittel durch die Röhren und gelangt erst an deren Austrittsöffnungen in den Manifold-Bereich. Ausgehend von diesen Austrittsöffnungen wird dann das Brenngas bzw. das Oxidationsmittel gleichmäßig auf die verschiedenen Ebenen des Brennstoffzellenstapels verteilt, wobei der jeweilige Druck von Ebene zu Ebene bis zu der Dichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Basiskörper abnimmt.In a particular embodiment of the invention can be provided that on the base body, in particular the residual gas burner, gas-tight tubes are welded, which form the fluid-tight manner connected to the base body fluid line. These tubes penetrate when docking the fuel cell stack to the base body in the manifold area of the fuel cell stack. When the fuel cell device is put into operation, the fuel gas or the oxidant flows through the tubes and only reaches the manifold at the outlet openings. Starting from these outlet openings, the fuel gas or the oxidizing agent is then evenly distributed to the various levels of the fuel cell stack, wherein the respective pressure decreases from level to level up to the seal between the fuel cell stack and the base body.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Fluidleitung stoffschlüssig mit dem Basiskörper verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet, ist.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that at least one fluid line is connected in a materially bonded manner to the base body, in particular welded and / or soldered.

Um die Druckdifferenz über die Dichtung hinweg zu reduzieren, ist es günstig, wenn die Austrittsöffnung mindestens einer Fluidleitung einen Abstand von der Dichtung in der Stapelrichtung aufweist, der größer ist als ein Viertel, vorzugsweise größer ist als die Hälfte, der Ausdehnung der Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels in der Stapelrichtung.In order to reduce the pressure difference across the seal, it is favorable if the outlet opening of at least one fluid line has a distance from the seal in the stacking direction that is greater than a quarter, preferably greater than half, the extent of the fuel cell units of the fuel cell stack in the stacking direction.

Besonders günstig ist es, wenn die Austrittsöffnung mindestens einer Fluidleitung einen Abstand von der Dichtung in der Stapelrichtung aufweist, der größer ist als 75 % der Ausdehnung der Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels in der Stapelrichtung.It is particularly favorable if the outlet opening of at least one fluid line has a distance from the seal in the stacking direction which is greater than 75% of the extent of the fuel cell units of the fuel cell stack in the stacking direction.

Unter der Ausdehnung der Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels in der Stapelrichtung ist dabei die Gesamtausdehnung aller Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels in der Stapelrichtung zu verstehen.The expansion of the fuel cell units of the fuel cell stack in the stacking direction is to be understood as meaning the total extent of all fuel cell units of the fuel cell stack in the stacking direction.

Je weiter die Austrittsöffnung der Fluidleitung von der Dichtung in der Stapelrichtung entfernt ist, umso geringer ist die Druckdifferenz über die Dichtung hinweg, und umso geringer ist folglich die Leckrate des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels durch die Dichtung.The farther the exit port of the fluid conduit is from the seal in the stacking direction, the lower the pressure differential across the seal, and hence the lower the leakage rate of the fuel gas or oxidant through the seal.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Austrittsöffnung mindestens einer Fluidleitung in einem Fluidzuführkanal des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei der Fluidzuführkanal sich im Wesentlichen längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels erstreckt.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the outlet opening of at least one fluid line is arranged in a fluid supply channel of the fuel cell stack, the fluid supply channel extending substantially along the stacking direction of the fuel cell stack.

Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Fluidleitung ein röhrenförmiges Fluidleitungselement umfasst.Furthermore, it can be provided that at least one fluid line comprises a tubular fluid line element.

Der Querschnitt des röhrenförmigen Fluidleitungselements kann dabei grundsätzlich eine beliebige Gestalt aufweisen, insbesondere eine im Wesentlichen kreisförmige oder polygonale, beispielsweise viereckige, Gestalt.The cross-section of the tubular fluid conduit element can basically have any desired shape, in particular a substantially circular or polygonal, for example quadrangular, shape.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Fluidleitung einstückig aus dem röhrenförmigen Fluidleitungselement gebildet ist. In particular, it can be provided that at least one fluid line is formed in one piece from the tubular fluid line element.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine Längsachse des Fluidleitungselements im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet ist. Furthermore, it is preferably provided that a longitudinal axis of the fluid line element is aligned substantially parallel to the stacking direction of the fuel cell stack.

Die Dichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Basiskörper der Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere ein Vliesmaterial umfassen.The seal between the fuel cell stack and the base body of the fuel cell device may in particular comprise a nonwoven material.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Dichtung ein keramisches Vliesmaterial umfasst. Das keramische Vliesmaterial kann beispielsweise Fasern aus Aluminiumoxid und/oder Fasern aus Zirkonoxid umfassen.It is preferably provided that the seal comprises a ceramic nonwoven material. The ceramic nonwoven material may comprise, for example, fibers of alumina and / or fibers of zirconia.

Um eine Funktionsprüfung des Brennstoffzellenstapels auf einem Brennstoffzellen-Prüfstand durchführen zu können, bevor der Brennstoffzellenstapel mit dem Basiskörper verbunden wird, oder um den Brennstoffzellenstapel und den Basiskörper getrennt voneinander austauschen zu können, ist es günstig, wenn der Brennstoffzellenstapel lösbar an dem Basiskörper festgelegt ist.In order to perform a functional test of the fuel cell stack on a fuel cell test stand, before the fuel cell stack is connected to the base body, or to exchange the fuel cell stack and the base body separated from each other, it is advantageous if the fuel cell stack is releasably fixed to the base body.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem Basiskörper durch Verschraubung verbunden ist.In particular, it can be provided that the fuel cell stack is connected to the base body by screwing.

Der Basiskörper der Brennstoffzellenvorrichtung, durch welchen die Zufuhr von Brenngas und/oder Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel erfolgt, kann insbesondere eine Basisplatte umfassen.The base body of the fuel cell device, through which the supply of fuel gas and / or oxidant into the fuel cell stack, may in particular comprise a base plate.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Basiskörper einen Reformer und/oder einen Restgasbrenner der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst.Alternatively or additionally, it can be provided that the base body comprises a reformer and / or a residual gas burner of the fuel cell device.

Die Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung sind vorzugsweise als SOFC("Solid Oxide Fuel Cell")-Brennstoffzellen (Festoxidbrennstoffzellen) ausgebildet und/oder weisen vorzugsweise eine Betriebstemperatur von 650 °C oder mehr auf.The fuel cell units of the fuel cell stack of the fuel cell device according to the invention are preferably designed as SOFC (solid oxide fuel cell) fuel cells (solid oxide fuel cells) and / or preferably have an operating temperature of 650 ° C or more.

Das Brenngas und/oder das Oxidationsmittel treten vorzugsweise mit einer Temperatur von mindestens ungefähr 650 °C durch den Basiskörper in den Brennstoffzellenstapel ein. The fuel gas and / or the oxidizer preferably enter the fuel cell stack at a temperature of at least about 650 ° C through the base body.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung.The present invention further relates to a method of manufacturing a fuel cell device.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung zu schaffen, durch welches ein Austreten von Brenngas und/oder Oxidationsmittel durch eine Dichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einem Basiskörper der Brennstoffzellenvorrichtung im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung reduziert oder ganz vermieden wird. The present invention has the further object of providing such a method for producing a fuel cell device, by which leakage of fuel gas and / or oxidant through a seal between the fuel cell stack and a base body of the fuel cell device is reduced or completely avoided during operation of the fuel cell device.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung gelöst, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:

  • – Bereitstellen eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere in einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten umfasst, und eines Basiskörpers, durch welchen im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ein Brenngas und/oder ein Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstapel zuführbar ist;
  • – fluiddichtes Verbinden mindestens einer Fluidleitung mit dem Basiskörper;
  • – Anordnen einer Dichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Basiskörper; und
  • – Verbinden des Brennstoffzellenstapels mit dem Basiskörper derart, dass die mindestens eine Fluidleitung sich in einen Innenraum des Brennstoffzellenstapels hineinerstreckt und an einer von der Dichtung in der Stapelrichtung beabstandeten Austrittsöffnung in den Innenraum des Brennstoffzellenstapels mündet.
This object is achieved by a method for producing a fuel cell device, which comprises the following method steps:
  • - Providing a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cell units in succession in a stacking direction, and a base body, through which a fuel gas and / or an oxidizing agent can be supplied to the fuel cell stack during operation of the fuel cell device;
  • - Fluid-tight connection of at least one fluid conduit to the base body;
  • - placing a seal between the fuel cell stack and the base body; and
  • - Connecting the fuel cell stack with the base body such that the at least one fluid line hineinerstreckt into an interior of the fuel cell stack and opens at a distance from the seal in the stacking direction outlet opening into the interior of the fuel cell stack.

Besondere Ausgestaltungen eines solchen Herstellungsverfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung erläutert worden.Particular embodiments of such a manufacturing method have already been explained above in connection with the particular embodiments of the fuel cell device according to the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of an embodiment.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Reformer, einen Brennstoffzellenstapel, einen Restgasbrenner und einen stromabwärts von dem Restgasbrenner angeordneten Wärmeübertrager umfasst; 1 a schematic diagram of a fuel cell device, which comprises a reformer, a fuel cell stack, a residual gas burner and a heat exchanger arranged downstream of the residual gas burner;

2 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel und eine Gasverteilerplatte der Brennstoffzellenvorrichtung aus 1; 2 a schematic vertical section through the fuel cell stack and a gas distribution plate of the fuel cell device 1 ;

3 eine schematische Draufsicht von oben auf die Gasverteilerplatte der Brennstoffzellenvorrichtung aus 1; und 3 a schematic plan view from above the gas distribution plate of the fuel cell device 1 ; and

4 einen schematischen vertikalen Schnitt durch die Gasverteilerplatte aus 3 und eine fluiddicht damit verbundene Fluidleitung. 4 a schematic vertical section through the gas distribution plate 3 and a fluid line fluidly connected thereto.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference numerals in all figures.

Eine in den 1 bis 4 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung, deren prinzipieller Aufbau aus 1 zu ersehen ist, umfasst einen Reformer 102, einen Brennstoffzellenstapel 104, einen Restgasbrenner 106 und einen Abgas-Wärmeübertrager 108.One in the 1 to 4 shown as a whole with 100 designated fuel cell device whose basic structure 1 can be seen, includes a reformer 102 , a fuel cell stack 104 , a residual gas burner 106 and an exhaust heat exchanger 108 ,

Im Reformer 102 wird ein zuvor verdampfter Ausgangsbrennstoff, beispielsweise ein Dieselkraftstoff, in ein Brenngas umgewandelt, welches in dem Brennstoffzellenstapel 104 elektrochemisch verstrombare Bestandteile, insbesondere H2 und CO, enthält.In the reformer 102 For example, a previously evaporated starting fuel, for example a diesel fuel, is converted into a fuel gas which is stored in the fuel cell stack 104 contains electrochemically energizable constituents, in particular H 2 and CO.

Die Herstellung des Brenngases aus dem Ausgangsbrennstoff im Reformer 102 kann beispielsweise durch eine partielle Oxidation der höheren Kohlenwasserstoffe des Ausgangsbrennstoffs, beispielsweise des Dieselkraftstoffs, erfolgen, mittels welcher diese höheren Kohlenwasserstoffe in H2, CO, CO2, H2O und Restkohlenwasserstoffe zerlegt werden.The production of the fuel gas from the starting fuel in the reformer 102 For example, by a partial oxidation of the higher hydrocarbons of the starting fuel, such as the diesel fuel, carried out by means of which these higher hydrocarbons in H 2 , CO, CO 2 , H 2 O and residual hydrocarbons are decomposed.

Der verdampfte Ausgangsbrennstoff wird im Reformer 102 über eine Ausgangsbrennstoff-Zuführleitung 112 zugeführt. Der zugeführte Ausgangsbrennstoff kann sich dabei ungefähr auf Raumtemperatur befinden.The evaporated starting fuel is in the reformer 102 via an output fuel supply line 112 fed. The supplied starting fuel can be approximately at room temperature.

Für die Durchführung der partiellen Oxidation wird dem Reformer 102 ferner Luft über eine Luft-Zuführleitung 114 zugeführt.To carry out the partial oxidation is the reformer 102 further air via an air supply line 114 fed.

Auch diese dem Reformer 102 zugeführte Luft kann beispielsweise Raumtemperatur aufweisen.This too the reformer 102 supplied air may for example have room temperature.

Durch die partielle Oxidation des Ausgangsbrennstoffs im Reformer 102 entsteht Wärme, welche das den Reformer 102 verlassende Brenngas, das auch als Reformat bezeichnet wird, auf eine Temperatur von bis zu ungefähr 900 °C erwärmt. Dieses aufgeheizte Brenngas wird über eine Brenngas-Leitung 116 dem Brennstoffzellenstapel 104 zugeführt.Due to the partial oxidation of the starting fuel in the reformer 102 there is heat, which is the reformer 102 leaving fuel gas, also referred to as reformate, heated to a temperature of up to about 900 ° C. This heated fuel gas is via a fuel gas line 116 the fuel cell stack 104 fed.

Das für die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel 104 benötigte Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, wird über eine Oxidationsmittel-Zuführleitung 118 der Kaltseite des Abgas-Wärmeübertragers 108 zugeführt. Am Oxidationsmittel-Eingang des Abgas-Wärmeübertragers 108 kann das Oxidationsmittel beispielsweise Raumtemperatur aufweisen.That for the electrochemical reaction in the fuel cell stack 104 required oxidizing agent, for example air, is via an oxidant supply line 118 the cold side of the exhaust gas heat exchanger 108 fed. At the oxidant inlet of the exhaust gas heat exchanger 108 For example, the oxidizing agent may be at room temperature.

Der Warmseite des Abgas-Wärmeübertragers 108 wird über eine Abgas Leitung 120 ein Abgas des Restgasbrenners 106 zugeführt, welches im Restgasbrenner 106 durch Nachverbrennung des im Brennstoffzellenstapel 104 nicht vollständig umgesetzten Brenngases erzeugt wird.The warm side of the flue gas heat exchanger 108 is via an exhaust pipe 120 an exhaust gas of the residual gas burner 106 fed, which in the residual gas burner 106 by afterburning of the fuel cell stack 104 not completely converted fuel gas is generated.

Die im Restgasbrenner 106 bei der Nachverbrennung des Brenngases entstehende Prozesswärme wird im Abgas-Wärmeübertrager 108 von dem Abgas des Restgasbrenners 106 zumindest teilweise auf das Oxidationsmittel übertragen, wobei das Abgas von einer Eingangstemperatur von beispielsweise mehr als 950 °C auf eine Ausgangstemperatur von beispielsweise ungefähr 200 °C abgekühlt wird.The in the residual gas burner 106 In the afterburning of the fuel gas resulting process heat is in the exhaust gas heat exchanger 108 from the exhaust gas of the residual gas burner 106 at least partially transferred to the oxidizing agent, wherein the exhaust gas is cooled from an inlet temperature of, for example, more than 950 ° C to an outlet temperature of, for example, about 200 ° C.

Das abgekühlte Abgas wird aus dem Abgas-Wärmeübertrager 108 über eine Abgas-Abführleitung 122 abgeführt.The cooled exhaust gas is from the exhaust gas heat exchanger 108 via an exhaust gas discharge line 122 dissipated.

Das Oxidationsmittel wird im Abgas-Wärmeübertrager 108 erwärmt, wobei das Ausmaß der Erwärmung vom Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 104 abhängt.The oxidizing agent is in the exhaust gas heat exchanger 108 heated, the extent of heating from the operating state of the fuel cell stack 104 depends.

Zu Beginn der Aufheizphase des Brennstoffzellenstapels 104, wenn der Brennstoffzellenstapel 104 noch kalt ist, tritt das Oxidationsmittel ungefähr bei Raumtemperatur aus dem Abgas-Wärmeübertrager 108 aus. Während der Aufheizphase des Brennstoffzellenstapels 104 steigt die Austrittstemperatur des Oxidationsmittels beim Austreten aus dem Abgas-Wärmeübertrager 108 an und erreicht schließlich, wenn sich der Brennstoffzellenstapel 104 in seiner Betriebsphase befindet, beispielsweise ungefähr 700 °C.At the beginning of the heating phase of the fuel cell stack 104 when the fuel cell stack 104 is still cold, the oxidizing agent occurs at about room temperature from the exhaust gas heat exchanger 108 out. During the heating phase of the fuel cell stack 104 As the exit temperature of the oxidant rises, it exits the exhaust heat exchanger 108 and finally reaches when the fuel cell stack 104 in its operating phase, for example about 700 ° C.

Das im Abgas-Wärmeübertrager 108 erwärmte Oxidationsmittel wird über eine Oxidationsmittel-Leitung 124 dem Brennstoffzellenstapel 104 zugeführt.That in the exhaust heat exchanger 108 heated oxidant is passed through an oxidant line 124 the fuel cell stack 104 fed.

Im Brennstoffzellenstapel 104 findet die elektrochemische Umsetzung des Brenngases und des Oxidationsmittels statt.In the fuel cell stack 104 the electrochemical conversion of the fuel gas and the oxidizing agent takes place.

Das im Brennstoffzellenstapel 104 unvollständig umgesetzte Brenngas, das eine Temperatur von beispielsweise nahezu 850 °C aufweist, gelangt von einem Brenngas-Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 über eine Brenngas Leitung 126 zu einem Brenngas-Einlass des Restgasbrenners 106.The fuel cell stack 104 incompletely reacted fuel gas, which has a temperature of, for example, almost 850 ° C, passes from a fuel gas outlet of the fuel cell stack 104 via a fuel gas line 126 to a fuel gas inlet of the residual gas burner 106 ,

Das im Brennstoffzellenstapel 104 unvollständig umgesetzte Oxidationsmittel gelangt von dem Oxidationsmittel-Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 über eine Oxidationsmittel-Leitung 128 zu einem Oxidationsmittel-Einlass des Restgasbrenners 106.The fuel cell stack 104 incompletely reacted oxidant passes from the oxidant outlet of the fuel cell stack 104 via an oxidant line 128 to an oxidant inlet of the residual gas burner 106 ,

Im Restgasbrenner 106 wird das Brenngas mit dem Oxidationsmittel nachverbrannt, und das hierdurch entstehende Abgas des Brennstoffzellenstapels 104 wird über die Abgas-Leitung 120 dem Abgas-Wärmeübertrager 108 zugeführt, wie bereits vorstehend beschrieben. Dieses Abgas kann eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 950 °C oder mehr aufweisen.In the residual gas burner 106 the combustion gas is post-combusted with the oxidizing agent, and the resulting exhaust gas of the fuel cell stack 104 is via the exhaust pipe 120 the exhaust gas heat exchanger 108 fed, as already described above. This exhaust gas may have a temperature of, for example, about 950 ° C or more.

Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, weist der Brennstoffzellenstapel 104 mehrere, in einer Stapelrichtung 130 aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten 132 auf, welche jeweils eine elektrochemisch aktive Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit mit einer Kathode, einer Anode und einem zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Elektrolyten sowie einen an die Anode angrenzenden, von dem Brenngas durchströmbaren Anodenraum und einen an die Kathode angrenzenden, von dem Oxidationsmittel durchströmbaren Kathodenraum 134 umfassen. In der schematischen Darstellung der 2 sind von den Brennstoffzelleneinheiten 132 jeweils nur die Kathodenräume 134 dargestellt. Die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels durch den Brennstoffzellenstapel 104 ist durch die Pfeile 166 angegeben.How best 2 can be seen, the fuel cell stack points 104 several, in a stacking direction 130 successive fuel cell units 132 on, which in each case an electrochemically active cathode-electrolyte-anode unit with a cathode, an anode and an electrolyte arranged between the cathode and the anode and an anode adjacent to the anode, can be flowed through by the fuel gas and an anode adjacent to the cathode of the oxidant flowed through the cathode space 134 include. In the schematic representation of 2 are from the fuel cell units 132 in each case only the cathode compartments 134 shown. The flow direction of the oxidant through the fuel cell stack 104 is through the arrows 166 specified.

In 2 ist beispielhaft ein Brennstoffzellenstapel 104 mit dreizehn in der Stapelrichtung 130 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 132 dargestellt. In der Praxis wird die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 132 des Brennstoffzellenstapels 104 deutlich höher sein.In 2 is an example of a fuel cell stack 104 at thirteen in the stacking direction 130 successive fuel cell units 132 shown. In practice, the number of fuel cell units 132 of the fuel cell stack 104 be significantly higher.

Die Kathodenräume 134 aller Brennstoffzelleneinheiten 132 sind über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 130 verlaufende, Oxidationsmittel-Zuführkanäle 136 mit jeweils einer Oxidationsmittel-Durchtrittsöffnung 138 (siehe 4) in einer Gasverteilerplatte 140 verbunden.The cathode rooms 134 all fuel cell units 132 are over one or more, preferably substantially parallel to the stacking direction 130 extending, oxidant feed channels 136 each with an oxidant passage opening 138 (please refer 4 ) in a gas distribution plate 140 connected.

An den Oxidationsmittel-Durchtrittsöffnungen 138 in der Gasverteilerplatte 140 mündet die vom Abgas-Wärmeübertrager 108 kommende Oxidationsmittel-Leitung 124.At the oxidant passages 138 in the gas distributor plate 140 flows from the exhaust heat exchanger 108 upcoming oxidant line 124 ,

Den Oxidationsmittel-Durchtrittsöffnungen 138 in der Gasverteilerplatte 140 wird somit das im Abgas-Wärmeübertrager 108 erwärmte Oxidationsmittel über die Oxidationsmittel-Leitung 124 zugeführt.The oxidant passages 138 in the gas distributor plate 140 thus becomes the exhaust heat exchanger 108 heated oxidant via the oxidant line 124 fed.

Die (nicht dargestellten) Anodenräume aller Brennstoffzelleneinheiten 132 des Brennstoffzellenstapels 104 sind über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 130 verlaufende, Brenngas-Zuführkanäle 142 (siehe 3) mit jeweils einer Brenngas-Durchtrittsöffnung 144 in der Gasverteilerplatte 140 verbunden.The (not shown) anode chambers of all fuel cell units 132 of the fuel cell stack 104 are over one or more, preferably substantially parallel to the stacking direction 130 running, fuel gas supply channels 142 (please refer 3 ), each with a fuel gas passage opening 144 in the gas distributor plate 140 connected.

An den Brenngas-Durchtrittsöffnungen 144 der Gasverteilerplatte 140 mündet die vom Reformer 102 kommende Brenngas-Leitung 116.At the fuel gas passage openings 144 the gas distribution plate 140 flows from the reformer 102 upcoming fuel gas line 116 ,

Den Brenngas-Durchtrittsöffnungen 144 in der Gasverteilerplatte 140 wird somit das im Reformer 102 erzeugte Brenngas über die Brenngas-Leitung 116 zugeführt.The fuel gas passage openings 144 in the gas distributor plate 140 thus becomes the reformer 102 generated fuel gas via the fuel gas line 116 fed.

Ferner sind die Kathodenräume 134 aller Brennstoffzelleneinheiten 132 über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 130 verlaufende, Oxidationsmittel-Abführkanäle 146 mit einem Oxidationsmittel-Auslass 148 verbunden.Further, the cathode compartments 134 all fuel cell units 132 over one or more, preferably substantially parallel to the stacking direction 130 extending, oxidant-discharge channels 146 with an oxidant outlet 148 connected.

Der Oxidationsmittel-Auslass 148 kann insbesondere eine oder mehrere Oxidationsmittel-Durchtrittsöffnungen in der Gasverteilerplatte 140 umfassen.The oxidizer outlet 148 in particular, one or more oxidant passage openings in the gas distribution plate 140 include.

Der Oxidationsmittel-Auslass 148 des Brennstoffzellenstapels 104 ist an die Oxidationsmittel-Leitung 128 angeschlossen, über welche im Brennstoffzellenstapel 104 nicht umgesetztes Oxidationsmittel dem Restgasbrenner 106 zuführbar ist.The oxidizer outlet 148 of the fuel cell stack 104 is to the oxidizer line 128 connected via which in the fuel cell stack 104 unreacted oxidizing agent to the residual gas burner 106 can be fed.

Auch die (nicht dargestellten) Anodenräume aller Brennstoffzelleneinheiten 132 sind über einen oder mehrere (nicht dargestellte) Brenngas-Abführkanäle mit einem Brenngas-Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden.Also, the anode chambers (not shown) of all fuel cell units 132 are via one or more (not shown) fuel gas discharge ducts with a fuel gas outlet of the fuel cell stack 104 connected.

Der Brenngas-Auslass kann eine oder mehrere Brenngas-Durchtrittsöffnungen in der Gasverteilerplatte 140 umfassen.The fuel gas outlet may include one or more fuel gas passage openings in the gas distribution plate 140 include.

Der Brenngas-Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 ist mit der Brenngas Leitung 126 verbunden, über welche im Brennstoffzellenstapel 104 nicht umgesetztes Brenngas dem Restgasbrenner 106 zuführbar ist.The fuel gas outlet of the fuel cell stack 104 is with the fuel gas line 126 connected, via which in the fuel cell stack 104 unreacted fuel gas the residual gas burner 106 can be fed.

Die Oxidationsmittel-Abführkanäle 146 des Brennstoffzellenstapels 104 bilden gemeinsam eine Oxidationsmittel-Auslass-Manifold 150.The oxidant discharge channels 146 of the fuel cell stack 104 together form an oxidant outlet manifold 150 ,

Die Brenngas-Auslasskanäle des Brennstoffzellenstapels 104 bilden zusammen eine Brenngas-Auslass-Manifold.The fuel gas outlet channels of the fuel cell stack 104 Together they form a fuel gas outlet manifold.

Die Oxidationsmittel-Zuführkanäle 136 des Brennstoffzellenstapels 104 bilden zusammen eine Oxidationsmittel-Einlass-Manifold 152.The oxidant feed channels 136 of the fuel cell stack 104 Together they form an oxidant inlet manifold 152 ,

Die Brenngas-Zuführkanäle 142 des Brennstoffzellenstapels 104 bilden zusammen eine Brenngas-Einlass-Manifold.The fuel gas supply channels 142 of the fuel cell stack 104 Together they form a fuel gas inlet manifold.

Das im Brennstoffzellenstapel 104 unvollständig umgesetzte Brenngas, das eine Temperatur von beispielsweise nahezu 850 °C aufweist, gelangt von dem Brenngas-Auslass des Brennstoffzellenstapels 104 über die Brenngas-Leitung 126 zu dem Brenngas-Einlass des Restgasbrenners 106. The fuel cell stack 104 incompletely reacted fuel gas having a temperature of, for example, almost 850 ° C, passes from the fuel gas outlet of the fuel cell stack 104 over the fuel gas line 126 to the fuel gas inlet of the residual gas burner 106 ,

Das im Brennstoffzellenstapel 104 unvollständig umgesetzte Oxidationsmittel gelangt von dem Oxidationsmittel-Auslass 148 des Brennstoffzellenstapels 104 über die Oxidationsmittel-Leitung 128 zu dem Oxidationsmittel-Einlass des Restgasbrenners 106.The fuel cell stack 104 incompletely reacted oxidant passes from the oxidant outlet 148 of the fuel cell stack 104 via the oxidant line 128 to the oxidant inlet of the residual gas burner 106 ,

Um den Brennstoffzellenstapel 104 getrennt von dem Reformer 102 und dem Restgasbrenner 106 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 austauschen und/oder vor dem Zusammenbau der Brennstoffzellenvorrichtung 100 einer Funktionsprüfung unterziehen zu können, ist der Brennstoffzellenstapel 104 nicht mit der Gasverteilerplatte 140 verschweißt, sondern lösbar, beispielsweise durch Verschraubung, mit der Gasverteilerplatte 140 verbunden.To the fuel cell stack 104 separate from the reformer 102 and the residual gas burner 106 the fuel cell device 100 exchange and / or prior to assembly of the fuel cell device 100 to undergo a functional test is the fuel cell stack 104 not with the gas distributor plate 140 welded, but detachable, for example by screwing, with the gas distribution plate 140 connected.

Um ein Entweichen von Brenngas und/oder Oxidationsmittel an der Schnittstelle zwischen dem Brennstoffzellenstapel 104 und der Gasverteilerplatte 140 zu verhindern, ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 104 und der Gasverteilerplatte 140 eine Dichtung 154 angeordnet.To escape fuel gas and / or oxidant at the interface between the fuel cell stack 104 and the gas distribution plate 140 to prevent is between the fuel cell stack 104 and the gas distribution plate 140 a seal 154 arranged.

Die Dichtung 154 liegt vorzugsweise im Wesentlichen flächig an dem Brennstoffzellenstapel 104 und an der Gasverteilerplatte 140 an.The seal 154 is preferably substantially flat on the fuel cell stack 104 and at the gas distribution plate 140 at.

Die Gasverteilerplatte 140 dient bei dieser Ausführungsform als Basiskörper 156, welcher den Brennstoffzellenstapel 104 trägt.The gas distribution plate 140 serves as a base body in this embodiment 156 , which the fuel cell stack 104 wearing.

Die Dichtung 154 kann als Dichtungsmedium beispielsweise ein Vlies, insbesondere ein keramisches Vlies, umfassen.The seal 154 may comprise as a sealing medium, for example, a nonwoven, in particular a ceramic nonwoven.

Ein solches Vlies kann beispielsweise keramische Fasern aus Aluminiumoxid und/oder aus Zirkonoxid umfassen.Such a nonwoven may comprise, for example, ceramic fibers of alumina and / or zirconia.

Im Bereich der Oxidationsmittel-Durchtrittsöffnung 138 und der Brenngas Durchtrittsöffnung 144 in der Gasverteilerplatte 140 sind in der Dichtung 154 entsprechende Durchtrittsöffnungen vorgesehen, um den Durchtritt des Oxidationsmittels bzw. des Brenngases durch die Dichtung 154 zu ermöglichen.In the area of the oxidant passage opening 138 and the fuel gas passage opening 144 in the gas distributor plate 140 are in the seal 154 corresponding passage openings provided to the passage of the oxidizing agent or the fuel gas through the seal 154 to enable.

Um die Anforderungen an die Dichtungswirkung der Dichtung 154 möglichst gering zu halten, ist der Basiskörper 156, in diesem Fall also die Gasverteilerplatte 140, im Anschluss an jede Oxidationsmittel-Durchtrittsöffnung 138 mit einer Oxidationsmittel-Fluidleitung 158 (siehe die 2 und 4) versehen, welche fluiddicht mit dem Basiskörper 156 verbunden ist, sich in den Innenraum der Oxidationsmittel-Einlass-Manifold 152 hineinerstreckt und an einer von der Dichtung 154 in der Stapelrichtung 130 beabstandeten Austrittsöffnung 160 in den Innenraum der Oxidationsmittel-Einlass-Manifold 152 mündet, so dass das in den Brennstoffzellenstapel 104 durch die Oxidationsmittel Fluidleitung 158 eintretende Oxidationsmittel erst an einer von der Dichtung 154 entfernten Stelle in die Oxidationsmittel-Einlass-Manifold 152 gelangt.To meet the requirements for the sealing effect of the seal 154 To keep as low as possible, is the base body 156 , in this case the gas distributor plate 140 , following each oxidant passage 138 with an oxidant fluid line 158 (see the 2 and 4 ), which are fluid-tight with the base body 156 is connected to the interior of the oxidant inlet manifold 152 extends and at one of the seal 154 in the stacking direction 130 spaced outlet opening 160 into the interior of the oxidant inlet manifold 152 flows into the fuel cell stack 104 through the oxidant fluid line 158 entering oxidizer at one of the seal 154 remote location in the oxidant inlet manifold 152 arrives.

Vorzugsweise beträgt der Abstand der Ausgangsöffnung 160 der Oxidationsmittel-Fluidleitung 158 von der Dichtung 154 längs der Stapelrichtung 130 mehr als d, wobei d die Ausdehnung einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit 132 des Brennstoffzellenstapels 104 längs der Stapelrichtung 130 bezeichnet.Preferably, the distance is the exit opening 160 the oxidant fluid line 158 from the seal 154 along the stacking direction 130 more than d, where d is the extension of a single fuel cell unit 132 of the fuel cell stack 104 along the stacking direction 130 designated.

Besonders günstig ist es, wenn der Abstand der Austrittsöffnung 160 von der Dichtung 154 längs der Stapelrichtung 130 mehr als D/4 beträgt, wobei D die Gesamthöhe aller Brennstoffzelleneinheiten 132 des Brennstoffzellenstapels 104 längs der Stapelrichtung 130 bezeichnet.It is particularly favorable if the distance of the outlet opening 160 from the seal 154 along the stacking direction 130 is more than D / 4, where D is the total height of all fuel cell units 132 of the fuel cell stack 104 along the stacking direction 130 designated.

Vorzugsweise beträgt der Abstand der Austrittsöffnung 160 von der Dichtung 154 längs der Stapelrichtung 130 mehr als D/2, insbesondere mehr als 0,75 D.Preferably, the distance of the outlet opening 160 from the seal 154 along the stacking direction 130 more than D / 2, in particular more than 0.75 D.

Die Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 sind vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet.The oxidant fluid lines 158 are preferably formed of a metallic material.

Die Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 sind vorzugsweise gasdicht auf den Basiskörper 156 aufgeschweißt.The oxidant fluid lines 158 are preferably gas-tight on the base body 156 welded.

Beim Andocken des Brennstoffzellenstapels 104 an den Basiskörper 156, unter Zwischenschaltung der Dichtung 154, dringen die Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 in die Oxidationsmittel-Einlass-Manifold 152 ein. When docking the fuel cell stack 104 to the base body 156 , with the interposition of the seal 154 , the oxidant fluid lines penetrate 158 in the oxidizer inlet manifold 152 one.

Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 100 in Betrieb genommen wird, strömt das Oxidationsmittel durch die Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 hindurch und gelangt an den Austrittsöffnungen 160 der Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 in den Innenraum der Oxidationsmittel-Einlass-Manifold 152. Von dort verteilt sich das Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Kathodenräume 134 der Brennstoffzelleneinheiten 132 in den aufeinanderfolgenden Stapelebenen des Brennstoffzellenstapels 104.When the fuel cell device 100 is put into operation, the oxidant flows through the oxidant fluid lines 158 through and reaches the outlet openings 160 the oxidant fluid lines 158 into the interior of the oxidant inlet manifold 152 , From there, the oxidant distributes evenly on the cathode compartments 134 the fuel cell units 132 in the successive stack levels of the fuel cell stack 104 ,

Der Druck des Oxidationsmittels ist dabei im Bereich der Austrittsöffnungen 160 der Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 maximal (pmax) und nimmt mit wachsendem Abstand von den Austrittsöffnungen 160 der Oxidationsmittel Fluidleitungen 158 von Ebene zu Ebene ab.The pressure of the oxidizing agent is in the region of the outlet openings 160 the oxidant fluid lines 158 maximum (p max ) and increases with increasing distance from the outlet openings 160 the oxidant fluid lines 158 from level to level.

Wenn der Oxidationsmittel-Massenstrom das der Dichtung 154 zugewandte Ende des Brennstoffzellenstapels 104 erreicht hat, wo das Dichtungsmedium angeordnet ist, ist der Druck des Oxidationsmittels minimal (pmin) und die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum der Oxidationsmittel-Einlass-Manifold 152 und der Umgebung des Brennstoffzellenstapels 104 daher deutlich geringer als im Bereich der Austrittsöffnungen 160.When the oxidant mass flow is that of the seal 154 facing the end of the fuel cell stack 104 has reached where the sealing medium is located, the pressure of the oxidant is minimal (p min ) and the pressure difference between the interior of the oxidant inlet manifold 152 and the environment of the fuel cell stack 104 therefore significantly lower than in the area of the outlet openings 160 ,

Da die Leckrate L dem Produkt aus dieser Druckdifferenz und dem Volumenstrom des Oxidationsmittels entspricht, hängt die Leckrate linear von der Druckdifferenz über die Dichtung 154 ab. Dadurch, dass das Oxidationsmittel durch die Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 nicht unmittelbar im Anschluss an die Dichtung 154, sondern in einem deutlichen Abstand von der Dichtung 154 in den Innenraum der Oxidationsmittel-Einlass-Manifold 152 eintritt, ist die Druckdifferenz zwischen dem Manifold-Bereich und der Umgebung im Bereich der Dichtung 154 deutlich reduziert, was zu einer geringeren Leckrate führt.Since the leak rate L corresponds to the product of this pressure difference and the volume flow of the oxidant, the leakage rate depends linearly on the pressure difference across the seal 154 from. Characterized in that the oxidant through the oxidant fluid lines 158 not immediately after the seal 154 but at a significant distance from the seal 154 into the interior of the oxidant inlet manifold 152 occurs, is the pressure difference between the manifold area and the environment in the area of the seal 154 significantly reduced, resulting in a lower leakage rate.

Hierdurch kann unabhängig vom verwendeten Dichtungsmedium eine geringere Leckrate des Oxidationsmittels aus dem Brennstoffzellenstapel 104 erzielt werden.As a result, regardless of the sealing medium used, a lower leakage rate of the oxidizing agent from the fuel cell stack 104 be achieved.

Um auch die Leckrate des Brenngases beim Übertritt von dem Basiskörper 156 in den Brennstoffzellenstapel 104 zu reduzieren, ist der Basiskörper 156 im Bereich der Brenngas-Durchtrittsöffnungen 144 in der Gasverteilerplatte 140 mit Brenngas-Fluidleitungen 162 (siehe 3) versehen, welche fluiddicht mit dem Basiskörper 156 verbunden sind, sich in den Innenraum der Brenngas Einlass-Manifold des Brennstoffzellenstapels 104 hinein erstrecken und an von der Dichtung 154 in der Stapelrichtung 130 beabstandeten Austrittsöffnungen in den Innenraum der Brenngas-Einlass-Manifold des Brennstoffzellenstapels 104 einmünden.To also the leakage rate of the fuel gas in the passage from the base body 156 in the fuel cell stack 104 to reduce is the base body 156 in the field of fuel gas passage openings 144 in the gas distributor plate 140 with fuel gas fluid lines 162 (please refer 3 ), which are fluid-tight with the base body 156 are connected, in the interior of the fuel gas inlet manifold of the fuel cell stack 104 extend into and from the seal 154 in the stacking direction 130 spaced outlet openings in the interior of the fuel gas inlet manifold of the fuel cell stack 104 open out.

Die Austrittsöffnungen der Brenngas-Fluidleitungen 162 weisen dabei vorzugsweise die bereits vorstehend im Zusammenhang mit den Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 definierten Abstände von der Dichtung 154 längs der Stapelrichtung 130 auf.The outlet openings of the fuel gas fluid lines 162 In this case, they preferably already have the above in connection with the oxidant fluid lines 158 defined distances from the seal 154 along the stacking direction 130 on.

Auf diese Weise wird auch im Falle des Brenngases erreicht, dass die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum der Brenngas-Einlass-Manifold einerseits und der Umgebung des Brennstoffzellenstapels 104 andererseits über die Dichtung 154 hinweg deutlich reduziert ist, weil sich das Brenngas von den Austrittsöffnungen der Brenngas-Fluidleitungen 162 aus über alle Brennstoffzelleneinheiten 132 in den längs der Stapelrichtung 130 aufeinanderfolgenden Stapelebenen des Brennstoffzellenstapels 104 verteilt und daher der Druck des Brenngases an der Dichtung 154 gegenüber dem Druck des Brenngases an den Austrittsöffnungen der Brenngas-Fluidleitungen 162 reduziert ist, wie dies vorstehend bereits im Zusammenhang mit dem Oxidationsmittel beschrieben worden ist.In this way, it is also achieved in the case of the fuel gas, that the pressure difference between the interior of the fuel gas inlet Manifold one hand, and the environment of the fuel cell stack 104 on the other hand about the seal 154 is significantly reduced, because the fuel gas from the outlet openings of the fuel gas fluid lines 162 from across all fuel cell units 132 in the longitudinal direction of the stacking direction 130 successive stack levels of the fuel cell stack 104 distributed and therefore the pressure of the fuel gas at the gasket 154 to the pressure of the fuel gas at the outlet openings of the fuel gas fluid lines 162 is reduced, as has already been described above in connection with the oxidizing agent.

Statt auf eine Gasverteilerplatte 140 kann der Brennstoffzellenstapel 104 auch direkt auf den Reformer 102 oder den Restgasbrenner 106 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 aufgesetzt werden, wobei dann der Reformer 102 bzw. der Restgasbrenner 106 als der Basiskörper 156 dient, mit welchem die Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 bzw. die Brenngas-Fluidleitungen 162 fluiddicht verbunden sind.Instead of a gas distribution plate 140 can the fuel cell stack 104 also directly to the reformer 102 or the residual gas burner 106 the fuel cell device 100 then be the reformer 102 or the residual gas burner 106 as the base body 156 serves with which the oxidant fluid lines 158 or the fuel gas fluid lines 162 are connected fluid-tight.

Die Oxidationsmittel-Fluidleitungen 158 und die Brenngas-Fluidleitungen 162 sind vorzugsweise einstückig aus jeweils einem röhrenförmigen Fluidleitungselement 164 gebildet.The oxidant fluid lines 158 and the fuel gas fluid lines 162 are preferably in one piece from each of a tubular fluid conduit element 164 educated.

Der Basiskörper 156 und/oder die Fluidleitungselemente 164 sind vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet.The base body 156 and / or the fluid conduit elements 164 are preferably formed of a metallic material.

Claims (15)

Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend einen Brennstoffzellenstapel (104), in welchem Brennstoffzelleneinheiten (132) längs einer Stapelrichtung (130) aufeinanderfolgen, einen Basiskörper (156), durch welchen ein Brenngas und/oder ein Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstapel (104) zuführbar ist, und eine Dichtung (154) zum Abdichten zwischen dem Brennstoffzellenstapel (104) und dem Basiskörper (156), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (100) mindestens eine Fluidleitung (158, 162) umfasst, die fluiddicht mit dem Basiskörper (156) verbunden ist, sich in einen Innenraum des Brennstoffzellenstapels (104) hineinerstreckt und an einer von der Dichtung (154) in der Stapelrichtung (130) beabstandeten Austrittsöffnung (160) in den Innenraum des Brennstoffzellenstapels (104) mündet.A fuel cell device comprising a fuel cell stack ( 104 ) in which fuel cell units ( 132 ) along a stacking direction ( 130 ), a base body ( 156 ), through which a fuel gas and / or an oxidant the fuel cell stack ( 104 ), and a seal ( 154 ) for sealing between the fuel cell stack ( 104 ) and the base body ( 156 ), characterized in that the fuel cell device ( 100 ) at least one fluid line ( 158 . 162 ), which are fluid-tight with the base body ( 156 ) is located in an interior of the fuel cell stack ( 104 ) and at one of the seal ( 154 ) in the stacking direction ( 130 ) spaced outlet opening ( 160 ) in the interior of the fuel cell stack ( 104 ) opens. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fluidleitung (158, 162) mit dem Basiskörper (156) verschweißt und/oder verlötet ist.Fuel cell device according to claim 1, characterized in that at least one fluid line ( 158 . 162 ) with the base body ( 156 ) is welded and / or soldered. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (160) mindestens einer Fluidleitung (158, 162) einen Abstand von der Dichtung (154) in der Stapelrichtung (130) aufweist, der größer ist als ein Viertel der Ausdehnung der Brennstoffzelleneinheiten (132) des Brennstoffzellenstapels (104) in der Stapelrichtung (130). Fuel cell device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the outlet opening ( 160 ) at least one fluid line ( 158 . 162 ) a distance from the seal ( 154 ) in the stacking direction ( 130 ), which is greater than a quarter of the size of the fuel cell units ( 132 ) of the fuel cell stack ( 104 ) in the stacking direction ( 130 ). Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (160) mindestens einer Fluidleitung (158, 162) einen Abstand von der Dichtung (154) in der Stapelrichtung (130) aufweist, der größer ist als 75 % der Ausdehnung der Brennstoffzelleneinheiten (132) des Brennstoffzellenstapels (104) in der Stapelrichtung (130).Fuel cell device according to claim 3, characterized in that the outlet opening ( 160 ) at least one fluid line ( 158 . 162 ) a distance from the seal ( 154 ) in the stacking direction ( 130 ), which is greater than 75% of the extent of the fuel cell units ( 132 ) of the fuel cell stack ( 104 ) in the stacking direction ( 130 ). Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (160) mindestens einer Fluidleitung (158, 162) in einem Fluidzuführkanal (136, 142) des Brennstoffzellenstapels (104) angeordnet ist, wobei der Fluidzuführkanal (136, 142) sich im Wesentlichen längs der Stapelrichtung (130) des Brennstoffzellenstapels (104) erstreckt.Fuel cell device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the outlet opening ( 160 ) at least one fluid line ( 158 . 162 ) in a fluid supply channel ( 136 . 142 ) of the fuel cell stack ( 104 ), wherein the fluid supply channel ( 136 . 142 ) substantially along the stacking direction ( 130 ) of the fuel cell stack ( 104 ). Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fluidleitung (158, 162) ein röhrenförmiges Fluidleitungselement (164) umfasst.Fuel cell device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one fluid line ( 158 . 162 ) a tubular fluid conduit element ( 164 ). Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fluidleitung (158, 162) einstückig aus dem röhrenförmigen Fluidleitungselement (164) gebildet ist.Fuel cell device according to claim 6, characterized in that at least one fluid line ( 158 . 162 ) in one piece from the tubular fluid conduit element ( 164 ) is formed. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse des Fluidleitungselements (164) im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung (130) des Brennstoffzellenstapels (104) ausgerichtet ist.Fuel cell device according to one of claims 6 or 7, characterized in that a longitudinal axis of the fluid line element ( 164 ) substantially parallel to the stacking direction ( 130 ) of the fuel cell stack ( 104 ) is aligned. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (154) ein Vliesmaterial umfasst. Fuel cell device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the seal ( 154 ) comprises a nonwoven material. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (154) ein keramisches Vliesmaterial umfasst.Fuel cell device according to claim 9, characterized in that the seal ( 154 ) comprises a ceramic nonwoven material. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (104) lösbar an dem Basiskörper (156) festgelegt ist.Fuel cell device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the fuel cell stack ( 104 ) releasably attached to the base body ( 156 ). Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (104) mit dem Basiskörper (156) durch Verschraubung verbunden ist.Fuel cell device according to claim 11, characterized in that the fuel cell stack ( 104 ) with the base body ( 156 ) is connected by screwing. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (156) eine Basisplatte (140) umfasst.Fuel cell device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the base body ( 156 ) a base plate ( 140 ). Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (156) einen Reformer (102) und/oder einen Restgasbrenner (106) der Brennstoffzellenvorrichtung (100) umfasst.Fuel cell device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the base body ( 156 ) a reformer ( 102 ) and / or a residual gas burner ( 106 ) of the fuel cell device ( 100 ). Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung (100), umfassend folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Brennstoffzellenstapels (104), der mehrere in einer Stapelrichtung (130) aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten (132) umfasst, und eines Basiskörpers (156), durch welchen im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (100) ein Brenngas und/oder ein Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstapel (104) zuführbar ist; – fluiddichtes Verbinden mindestens einer Fluidleitung (158, 162) mit dem Basiskörper (156); – Anordnen einer Dichtung (154) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (104) und dem Basiskörper (156); und – Verbinden des Brennstoffzellenstapels (104) mit dem Basiskörper (156) derart, dass die mindestens eine Fluidleitung (158, 162) sich in einen Innenraum des Brennstoffzellenstapels (104) hinein erstreckt und an einer von der Dichtung (154) in der Stapelrichtung (130) beabstandeten Austrittsöffnung (160) in den Innenraum des Brennstoffzellenstapels (104) mündet.Method for producing a fuel cell device ( 100 ), comprising the following method steps: - providing a fuel cell stack ( 104 ), which several in a stacking direction ( 130 ) successive fuel cell units ( 132 ) and a base body ( 156 ), by which during operation of the fuel cell device ( 100 ) a fuel gas and / or an oxidant the fuel cell stack ( 104 ) can be supplied; Fluid-tight connection of at least one fluid line ( 158 . 162 ) with the base body ( 156 ); - placing a seal ( 154 ) between the fuel cell stack ( 104 ) and the base body ( 156 ); and - connecting the fuel cell stack ( 104 ) with the base body ( 156 ) such that the at least one fluid line ( 158 . 162 ) in an interior of the fuel cell stack ( 104 ) and at one of the seal ( 154 ) in the stacking direction ( 130 ) spaced outlet opening ( 160 ) in the interior of the fuel cell stack ( 104 ) opens.
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