DE102012101025A1

DE102012101025A1 - Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102012101025A1
Application number: DE201210101025
Authority: DE
Inventors: Thomas Kiefer; Marco Hoffmann
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: SunFire GmbH
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Um eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem Stapel-Gaskanal und mindestens eine weitere Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einem Komponenten-Gaskanal, welcher im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ein Gas an den Brennstoffzellenstapel abgibt oder von dem Brennstoffzellenstapel erhält, zu schaffen, bei welcher ein Austreten von Gas an einer Schnittstelle zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung über eine lange Betriebsdauer der Brennstoffzellenvorrichtung hinweg reduziert oder ganz vermieden wird, wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Komponente eine Dichtung angeordnet ist und dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Blende umfasst, durch welche die Dichtung von einem Innenraum des Stapel-Gaskanals und/oder von einem Innenraum des Komponenten-Gaskanals getrennt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem Stapel-Gaskanal und mindestens eine weitere Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einem Komponenten-Gaskanal, welcher im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ein Gas, insbesondere ein Brenngas oder ein Oxidationsmittel, an den Brennstoffzellenstapel abgibt oder von dem Brennstoffzellenstapel erhält, umfasst.
Bekannte Brennstoffzellenvorrichtungen dieser Art umfassen die Baukomponenten Reformer, Brennstoffzellenstapel (auch als "Brennstoffzellenstack" bezeichnet), Restgasbrenner und Schichtwärmeübertrager.
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.
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.
Die mit dem Brennstoffzellenstapel verbundene weitere Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung, durch welche das Brenngas und/oder das Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, kann beispielsweise den Restgasbrenner und/oder den Reformer und/oder eine Gasverteilerplatte umfassen.
Um den Brennstoffzellenstapel mit dieser Komponente zu verbinden, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel direkt auf die Komponente, 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 die Komponente zu hohen Belastungen (Schweißspannungen), die aufgrund von Rissbildungen einen Totalausfall des Systems verursachen können.
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 der Komponente, 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 der Komponente verbunden wird. Problematisch ist in diesem Fall allerdings ein möglicher Austritt von Brenngas und/oder Oxidationsmittel durch die zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Komponente angeordnete Dichtung, aufgrund einer Undichtigkeit des Dichtungsmediums.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher ein Austreten von Gas an einer Schnittstelle zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung über eine lange Betriebsdauer der Brennstoffzellenvorrichtung hinweg reduziert oder ganz vermieden wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Komponente eine Dichtung angeordnet ist und dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Blende umfasst, durch welche die Dichtung von einem Innenraum des Stapel-Gaskanals und/oder von einem Innenraum des Komponenten-Gaskanals getrennt ist.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, den Brennstoffzellenstapel mittels eines Dichtungsmediums an die weitere Systemkomponente der Brennstoffzellenvorrichtung anzudocken.
Durch die Blende wird dabei die zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der restlichen Brennstoffzellenvorrichtung abdichtende Dichtung vor heißen, mit hoher Strömungsgeschwindigkeit vorbeiströmenden Gasen geschützt.
Durch die Blende kann insbesondere eine ineinandergreifende Formgebung des Brennstoffzellenstapels und der weiteren Komponente im Bereich der Gas-Schnittstelle realisiert sein.
Außerdem wird bei geeigneter geometrischer Auslegung der Blende und der Gaskanäle, insbesondere bei geeigneter Wahl der Durchmesser der Blende und der Gaskanäle, zumindest ein Großteil des Dichtspaltes zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung durch Formschluss verschlossen.
Die Blende ist vorzugsweise zwischen der Gasströmung und dem Dichtungsmedium der Dichtung angeordnet.
Die Blende kann zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel und/oder mit der weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung eine Labyrinthdichtung zwischen dem Innenraum des Stapel-Gaskanals und/oder dem Innenraum des Komponenten-Gaskanals einerseits und dem Dichtspalt, in welchem die Dichtung angeordnet ist, andererseits bilden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Blende eine Selbstzentrierung zwischen dem Brennstoffzellenstack und der weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Gasverteilerplatte, geschaffen wird.
Das den Stapel-Gaskanal und den Komponenten-Gaskanal durchströmende Gas kann insbesondere ein Brenngas oder ein Oxidationsmittel sein.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Blende an der weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung gehalten ist und sich in den Stapel-Gaskanal hinein erstreckt.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Blende einstückig mit einem Bestandteil der Komponente, beispielsweise mit einer Gasverteilerplatte, ausgebildet ist.
Ferner ist es günstig, wenn die Komponente durch die Blende relativ zu dem Stapel-Gaskanal zentriert ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Blende an dem Brennstoffzellenstapel gehalten ist und sich in den Komponenten-Gaskanal hinein erstreckt.
Dabei kann die Blende insbesondere einstückig mit einem Bestandteil des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise mit einer Endplatte oder Anschlussplatte des Brennstoffzellenstapels, ausgebildet sein.
Ferner ist es günstig, wenn der Brennstoffzellenstapel durch die Blende relativ zu dem Komponenten-Gaskanal zentriert ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stapel-Gaskanal und der Komponenten-Gaskanal im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung von heißem Gas mit einer Temperatur von mindestens 400 °C, insbesondere von mindestens 600 °C, durchströmbar sind.
Dabei ist es günstig, wenn insbesondere die Blende aus einem Material gebildet ist, welches bei einer Temperatur von 400 °C oder höher, vorzugsweise von 600 °C oder höher, eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.
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 600 °C oder mehr auf.
Die Richtung, in welcher die Gas-Schnittstelle, welche den Stapel-Gaskanal, den Komponenten-Gaskanal und die Blende umfasst, von dem Gas durchströmbar ist, ist grundsätzlich beliebig.
Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung mehrere Gas-Schnittstellen zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer oder mehreren weiteren Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung aufweist, so können diese Gas-Schnittstellen von unterschiedlichen Gasen (also insbesondere von Brenngas oder von Oxidationsmittel) mit unterschiedlichen Strömungsrichtungen (von dem Brennstoffzellenstapel zu der jeweiligen weiteren Komponente oder von der jeweiligen anderen Komponente zu dem Brennstoffzellenstapel hin) durchströmbar sein.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Stapel-Gaskanal und der Komponenten-Gaskanal im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung von einem Gas mit einer Strömungsrichtung von der Komponente zu dem Brennstoffzellenstapel hin durchströmbar sind.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der Stapel-Gaskanal und der Komponenten-Gaskanal im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung von einem Gas mit einer Strömungsrichtung von dem Brennstoffzellenstapel zu der Komponente hin durchströmbar sind.
Die weitere Komponente, durch welche im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ein Gas an den Brennstoffzellenstapel abgegeben wird oder welche im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ein Gas von dem Brennstoffzellenstapel erhält, kann insbesondere ein Reformer, ein Restgasbrenner oder ein Gasverteilerkörper, insbesondere eine Gasverteilerplatte, der Brennstoffzellenvorrichtung sein.
Die Dichtung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere ein Vliesmaterial umfassen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Dichtung ein keramisches Vliesmaterial umfasst. Das keramische Vliesmaterial kann beispielsweise Fasern aus Aluminiumoxid und/oder Fasern aus Zirkonoxid umfassen.
Um eine Funktionsprüfung des Brennstoffzellenstapels auf einem Brennstoffzellen-Prüfstand durchführen zu können, bevor der Brennstoffzellenstapel mit der weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden wird, oder um den Brennstoffzellenstapel und die weitere Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung getrennt voneinander austauschen zu können, ist es günstig, wenn der Brennstoffzellenstapel und die Komponente lösbar aneinander festgelegt sind.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel und die weitere Komponente durch Verschraubung miteinander verbunden sind.
Der Querschnitt der Blende kann grundsätzlich eine beliebige Gestalt aufweisen, insbesondere eine im Wesentlichen kreisförmige oder polygonale, beispielsweise viereckige, Gestalt.
Um die Dichtung besonders gut vor heißem Gas aus dem Innenraum des Stapel-Gaskanals und/oder dem Innenraum des Komponenten-Gaskanals zu schützen, ist es günstig, wenn die Blende einen Bestandteil einer Labyrinthdichtung zwischen einem Dichtspalt, in welchem die Dichtung angeordnet ist, und dem Innenraum des Stapel-Gaskanals und/oder dem Innenraum des Komponenten-Gaskanals bildet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung zu schaffen, bei welchem ein Austreten von Gas, insbesondere von Brenngas und/oder Oxidationsmittel, an mindestens einer Gas-Schnittstelle zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung dauerhaft reduziert oder ganz vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung gelöst, welches folgenden Verfahrensschritt umfasst:

– Hindurchleiten eines Gases durch einen Stapel-Gaskanal eines Brennstoffzellenstapels und einen Komponenten-Gaskanal einer weiteren Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung, wobei zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Komponente eine Dichtung angeordnet ist und wobei die Dichtung durch eine Blende von einem Innenraum des Stapel-Gaskanals und/oder von einem Innenraum der Komponenten-Gaskanals getrennt ist.

Besondere Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung erläutert worden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Reformer, einen Brennstoffzellenstapel, einen Restgasbrenner und einen stromabwärts von dem Restgasbrenner angeordneten Wärmeübertrager umfasst;
2 einen schematischen Schnitt durch eine Gas-Eintrittsöffnung des Brennstoffzellenstapels, eine Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung, durch welche das Gas der Gas-Eintrittsöffnung zuführbar ist, eine zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Komponente angeordnete Dichtung und eine an der Komponente angeordnete Blende zum Schutz der Dichtung vor dem in die Gas-Eintrittsöffnung einströmenden Gas; und
3 einen der 2 entsprechenden schematischen Schnitt durch die Gas-Eintrittsöffnung des Brennstoffzellenstapels, die Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung, die Dichtung und die Blende bei einer zweiten Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung, bei der die Blende, welche die Dichtung vor dem Gas schützt, an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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.
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.
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.
Der verdampfte Ausgangsbrennstoff wird im Reformer 102 über eine Ausgangsbrennstoff-Zuführleitung 112 zugeführt. Der zugeführte Ausgangsbrennstoff kann sich dabei ungefähr auf Raumtemperatur befinden.
Für die Durchführung der partiellen Oxidation wird dem Reformer 102 ferner Luft über eine Luft-Zuführleitung 114 zugeführt.
Auch diese dem Reformer 102 zugeführte Luft kann beispielsweise Raumtemperatur aufweisen.
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.
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.
Der Warmseite des Abgas-Wärmeübertragers 108 wird über eine AbgasLeitung 120 ein Abgas des Restgasbrenners 106 zugeführt, welches im Restgasbrenner 106 durch Nachverbrennung des im Brennstoffzellenstapel 104 nicht vollständig umgesetzten Brenngases erzeugt wird.
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.
Das abgekühlte Abgas wird aus dem Abgas-Wärmeübertrager 108 über eine Abgas-Abführleitung 122 abgeführt.
Das Oxidationsmittel wird im Abgas-Wärmeübertrager 108 erwärmt, wobei das Ausmaß der Erwärmung vom Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 104 abhängt.
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.
Das im Abgas-Wärmeübertrager 108 erwärmte Oxidationsmittel wird über eine Oxidationsmittel-Leitung 124 dem Brennstoffzellenstapel 104 zugeführt.
Im Brennstoffzellenstapel 104 findet die elektrochemische Umsetzung des Brenngases und des Oxidationsmittels statt.
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.
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.
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.
Die (nicht dargestellten) Anodenräume aller Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels 104 sind über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 130 verlaufende, Brenngas-Zuführkanäle mit jeweils einem Stapel-Gaskanal 170 verbunden, welcher eine Anschlussplatte 172 des Brennstoffzellenstapels 104 durchsetzt (siehe 2).
Die Anschlussplatte 172 bildet den Abschluss des Brennstoffzellenstapels 104 zu einer weiteren Komponente 174 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 hin, durch welche hindurch der Brennstoffzellenstapel 104 das benötigte Brenngas erhält.
Diese Komponente 174 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 kann beispielsweise der Reformer 102 oder eine Gasverteilerplatte 176 sein.
In der Komponente 174 ist ein Komponenten-Gaskanal 178 vorgesehen, welcher zumindest einen Teil der Komponente 174 durchsetzt und mit dem Stapel-Gaskanal 170 in Fluidverbindung steht.
Zwischen der der Komponente 174 zugewandten Seite der Anschlussplatte 172 und der dem Brennstoffzellenstapel 104 zugewandten Seite der Komponente 174 ist ein Dichtspalt 180 ausgebildet, in welchem eine Dichtung 182 angeordnet ist, welche den Dichtspalt 180 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 104 und der Komponente 174 abdichtet.
Die Dichtung 182 liegt vorzugsweise im Wesentlichen flächig an dem Brennstoffzellenstapel 104, insbesondere an der Anschlussplatte 172 desselben, und an der Komponente 174, beispielsweise an der Gasverteilerplatte 176, an.
Die Dichtung 182 kann als Dichtungsmedium beispielsweise ein Vlies, insbesondere ein keramisches Vlies, umfassen.
Ein solches Vlies kann beispielsweise keramische Fasern aus Aluminiumoxid und/oder aus Zirkonoxid umfassen.
Im Bereich des Komponenten-Gaskanals 178 und des Stapel-Gaskanals 170 ist in der Dichtung 182 eine entsprechende Durchtrittsöffnung vorgesehen, um den Durchtritt des Gases durch die Dichtung 182 zu ermöglichen.
Da das Brenngas, dessen Strömungsrichtung in 2 durch den Pfeil 184 angegeben ist, mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und einer hohen Temperatur von beispielsweise bis zu nahezu 900 °C von dem Komponenten-Gaskanal 178, der in Fluidverbindung mit der vom Reformer 102 kommenden Brenngas-Leitung 116 steht, in den Stapel-Gaskanal 170 einströmt, ist zum Schutz der Dichtung 182 vor diesem heißen Gas eine Blende 186 vorgesehen, durch welche die Dichtung 182 von einem Innenraum des Komponenten-Gaskanals 178 getrennt ist, so dass die heiße Gasströmung aus dem Komponenten-Gaskanal 178 nicht direkt in Kontakt mit dem Material der Dichtung 182 gelangt.
Die Blende 186 ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform vorzugsweise einstückig mit der Komponente 174 ausgebildet, bildet eine Verlängerung der Wandung des Komponenten-Gaskanals 178 und erstreckt sich in den Stapel-Gaskanal 170 hinein, so dass der Dichtspalt 180, in dem die Dichtung 182 angeordnet ist, durch die Blende 186 verschlossen ist.
Die Strecke, um welche die Blende 186 im montierten Zustand der Brennstoffzellenvorrichtung 100 sich in den Stapel-Gaskanal 170 hinein erstreckt, ist vorzugsweise kleiner als die Ausdehnung des Stapel-Gaskanals 170 in der Stapelrichtung 130 des Brennstoffzellenstapels 104.
Der Außendurchmesser der Blende 186 ist nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Stapel-Gaskanals 170, so dass zwischen der Außenseite der Blende 186 einerseits und der Wandung des Stapel-Gaskanals 170 andererseits nur ein sehr schmaler Spalt 188 verbleibt.
Somit ist die Komponente 174 durch die Blende 186 relativ zu dem Brennstoffzellenstapel 104 zentriert.
Die Blende 186 bildet zusammen mit der Anschlussplatte 172 des Brennstoffzellenstapels 104 eine Labyrinthdichtung 190 zwischen dem Innenraum des Stapel-Gaskanals 170 einerseits und dem Dichtspalt 180, in welchem die Dichtung 182 angeordnet ist, andererseits.
Die Blende 186 ist aus einem Material gebildet, das bei der Betriebstemperatur des an der Blende 186 vorbeiströmenden Gases dauerhaft mechanisch beständig ist.
Vorzugsweise ist das Material der Blende 186 bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 600 °C dauerhaft temperaturbeständig.
Das Material der Blende 186 ist vorzugsweise ein metallisches Material, insbesondere ein Edelstahlmaterial.
Vorzugsweise wird die Blende 186 aus demselben Material gebildet wie die Komponente 174 und/oder wie die Anschlussplatte 172.
Der Stapel-Gaskanal 170, der Komponenten-Gaskanal 178, die Blende 186 und die Dichtung 182 bilden zusammen eine Gas-Schnittstelle 192 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 104 und der weiteren Komponente 174 der Brennstoffzellenvorrichtung 100.
Die (nicht dargestellten) Kathodenräume aller Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels 104 sind über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 130 verlaufende, Oxidationsmittel-Zuführkanäle mit jeweils einer weiteren solchen Gasschnittstelle 192 verbunden, durch welche statt des Brenngases das Oxidationsmittel durch die weitere Komponente 174, beispielsweise eine Gasverteilerplatte 176, in den Brennstoffzellenstapel 104 einströmt.
Eine solche Gas-Schnittstelle 192 für das Oxidationsmittel kann genauso aufgebaut sein, wie dies in 2 dargestellt und vorstehend beschrieben worden ist.
Die Gas-Schnittstelle 192 für den Eintritt des Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenstapel 104 steht in Fluidverbindung mit der vom Abgas-Wärmeübertrager 108 kommenden Oxidationsmittel-Leitung 124.
Die (nicht dargestellten) Anodenräume aller Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels 104 sind über einen oder mehrere (nicht dargestellte) Brenngas-Abführkanäle mit jeweils einer weiteren Gas-Schnittstelle 192 verbunden, an welcher das im Brennstoffzellenstapel 104 nicht umgesetzte Brenngas durch eine weitere Komponente, beispielsweise eine Gasverteilerplatte 176, der Brennstoffzellenvorrichtung 100 an die Brenngas-Leitung 126 abgegeben wird.
Diese weitere Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 100, durch welche das Brenngas aus dem Brennstoffzellenstapel 104 abgegeben wird, kann mit der Komponente 174, durch welche das Brenngas dem Brennstoffzellenstapel 104 zugeführt wird, identisch oder von dieser Komponente 174 verschieden sein.
Die Gas-Schnittstelle 192 für die Abgabe des Brenngases aus dem Brennstoffzellenstapel 104 an diese weitere Komponente 174 kann genauso ausgebildet sein, wie dies in 2 dargestellt und vorstehend beschrieben worden ist, wobei lediglich die Strömungsrichtung 184 des Gases in diesem Fall nicht von dem Komponenten-Gaskanal 178 in den Stapel-Gaskanal 170, sondern umgekehrt von dem Stapel-Gaskanal 170 in den Komponenten-Gaskanal 178 gerichtet ist.
Der Komponenten-Gaskanal 178 steht bei einer solchen Gas-Schnittstelle 192 in Fluidverbindung mit der zum Restgasbrenner 106 führenden Brenngas-Leitung 126.
Die (nicht dargestellten) Kathodenräume aller Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels 104 sind über einen oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 130 des Brennstoffzellenstapels 104 verlaufende, Oxidationsmittel-Abführkanäle mit jeweils einer weiteren Gas-Schnittstelle 192 verbunden, über welche im Brennstoffzellenstapel 104 nicht umgesetztes Oxidationsmittel durch eine weitere Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 100 an die Oxidationsmittel-Leitung 128 abgebbar ist.
Diese weitere Komponente, durch welche das Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 104 abgegeben wird, kann mit der vorstehend beschriebenen ersten Komponente 174, durch welche das Brenngas und/oder das Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstapel 104 zugeführt wird, identisch oder aber von dieser Komponente 174 verschieden sein.
Insbesondere kann die Komponente, durch welche das Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 104 abgegeben wird, eine Gasverteilerplatte 176 oder der Restgasbrenner 106 sein.
Die Gas-Schnittstelle 192 zur Abgabe des Oxidationsmittels aus dem Brennstoffzellenstapel 104 kann genauso ausgebildet sein, wie dies in 2 dargestellt und vorstehend im Zusammenhang mit der Gas-Schnittstelle 192 für die Zufuhr von Brenngas zu dem Brennstoffzellenstapel 104 beschrieben worden ist, wobei die Gas-Schnittstelle 192 lediglich statt von Brenngas von Oxidationsmittel durchströmt wird und wobei die Strömungsrichtung 184 des Gases nicht von dem Komponenten-Gaskanal 178 in den Stapel-Gaskanal 170, sondern umgekehrt von dem Stapel-Gaskanal 170 in den Komponenten-Gaskanal 178 gerichtet ist.
Der Komponenten-Gaskanal 178 einer Gas-Schnittstelle 192 für die Abgabe von Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 104 steht in Fluidverbindung mit der zum Restgasbrenner 106 führenden Oxidationsmittel-Leitung 128.
Eine in 3 dargestellte, zweite Ausführungsform einer Gas-Schnittstelle 192 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass die Blende 186 für den Schutz der Dichtung 182 nicht an der Komponente 174 der Brennstoffzellenvorrichtung 100, sondern stattdessen an dem Brennstoffzellenstapel 104, insbesondere an dessen Anschlussplatte 172, angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Blende 186 in diesem Fall einstückig mit der Anschlussplatte 172 des Brennstoffzellenstapels 104 ausgebildet, bildet eine Fortsetzung der Wandung des Stapel-Gaskanals 170 und erstreckt sich in den Komponenten-Gaskanal 178 hinein.
In diesem Fall ist der Außendurchmesser der Blende 186 vorzugsweise nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Komponenten-Gaskanals 178, so dass zwischen der Außenseite der Blende 186 und der Wandung des Komponenten-Gaskanals 178 nur ein schmaler Spalt 188 verbleibt.
Bei dieser Ausführungsform bilden die Blende 186 und die weitere Komponente 174 zusammen eine Labyrinthdichtung 190 zwischen dem Innenraum des Komponenten-Gaskanals 178 und dem Dichtspalt 180 zwischen der Komponente 174 und dem Brennstoffzellenstapel 104, in welchem die Dichtung 182 angeordnet ist.
Bei dieser Ausführungsform ist der Brennstoffzellenstapel 104, insbesondere die Anschlussplatte 172, durch die Blende 186 an der weiteren Komponente 174 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 zentriert.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Gas-Schnittstelle 192 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform einer Gas-Schnittstellte 192 kann sowohl für eine Gas-Schnittstelle zum Zuführen von Brenngas oder Oxidationsmittel durch die Komponente 174 zu dem Brennstoffzellenstapel 104 als auch für eine Gas-Schnittstelle für die Abgabe von Brenngas oder Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 104 zu der weiteren Komponente 174 verwendet werden.
Ist der Brennstoffzellenstapel 104 über mehrere Gas-Schnittstellen 192 mit einer weiteren Komponente 174 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 verbunden, so kann jede dieser Gas-Schnittstellen 192 nach Belieben gemäß der ersten Ausführungsform, wie in 2 dargestellt, oder gemäß der zweiten Ausführungsform, wie in 3 dargestellt, ausgebildet sein.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend einen Brennstoffzellenstapel (104) mit mindestens einem Stapel-Gaskanal (170) und mindestens eine weitere Komponente (174) der Brennstoffzellenvorrichtung (100) mit mindestens einem Komponenten-Gaskanal (178), welcher im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (100) ein Gas an den Brennstoffzellenstapel (104) abgibt oder von dem Brennstoffzellenstapel (104) erhält, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Brennstoffzellenstapel (104) und der Komponente (174) eine Dichtung (182) angeordnet ist und dass die Brennstoffzellenvorrichtung (100) eine Blende (186) umfasst, durch welche die Dichtung (182) von einem Innenraum des Stapel-Gaskanals (170) und/oder von einem Innenraum des Komponenten-Gaskanals (178) getrennt ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (186) an der Komponente (174) gehalten ist und sich in den Stapel-Gaskanal (170) hinein erstreckt.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (186) einstückig mit einem Bestandteil der Komponente (174) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (174) durch die Blende (186) relativ zu dem Stapel-Gaskanal (170) zentriert ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (186) an dem Brennstoffzellenstapel (104) gehalten ist und sich in den Komponenten-Gaskanal (178) hinein erstreckt.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (186) einstückig mit einem Bestandteil des Brennstoffzellenstapels (104) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (104) durch die Blende (186) relativ zu dem Komponenten-Gaskanal (178) zentriert ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel-Gaskanal (170) und der Komponenten-Gaskanal (178) im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (100) von heißem Gas mit einer Temperatur von mindestens 400 °C durchströmbar sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel-Gaskanal (170) und der Komponenten-Gaskanal (178) im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (100) von einem Gas mit einer Strömungsrichtung (184) von der Komponente (174) zu dem Brennstoffzellenstapel (104) hin durchströmbar sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel-Gaskanal (170) und der Komponenten-Gaskanal (178) im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (100) von einem Gas mit einer Strömungsrichtung von dem Brennstoffzellenstapel (104) zu der Komponente (174) hin durchströmbar sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (174) ein Reformer (102), ein Restgasbrenner (106) oder ein Gasverteilerkörper der Brennstoffzellenvorrichtung (100) ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (182) ein Vliesmaterial umfasst.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (104) und die Komponente (174) lösbar aneinander festgelegt sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (186) einen Bestandteil einer Labyrinthdichtung (190) zwischen einem Dichtspalt (180), in welchem die Dichtung (182) angeordnet ist, und dem Innenraum des Stapel-Gaskanals (170) und/oder dem Innenraum des Komponenten-Gaskanals (178) bildet.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (100), umfassend folgenden Verfahrensschritt: – Hindurchleiten eines Gases durch einen Stapel-Gaskanal (170) eines Brennstoffzellenstapels (104) und einen Komponenten-Gaskanal (178) einer weiteren Komponente (174) der Brennstoffzellenvorrichtung (100), wobei zwischen dem Brennstoffzellenstapel (104) und der Komponente (174) eine Dichtung (182) angeordnet ist und wobei die Dichtung (182) durch eine Blende (186) von einem Innenraum des Stapel-Gaskanals (170) und/oder von einem Innenraum des Komponenten-Gaskanals (178) getrennt ist.