-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um elektrische Energie für einen elektromotorischen Antrieb oder sonstige Verbraucher elektrischer Energie bereitzustellen. Im Betrieb eines derartigen Brennstoffzellensystems treten insbesondere im Bereich des Reformers, grundsätzlich auch im Bereich der Brennstoffzelle selbst, vergleichsweise hohe Temperaturen auf. Insbesondere das den Reformer verlassende Wasserstoff enthaltende Reformat kann bedingt durch den im Reformer bei sehr hohen Temperaturen ablaufenden Reformierungsprozess Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius aufweisen. Bei Einleitung dieses Reformats in die Brennstoffzelle am Anodengaseintritt und gleichzeitiger Einleitung eines deutlich kälteren Kathodengases, im Allgemeinen Luft, am Kathodengaseintritt kann in der Brennstoffzelle ein hoher Temperaturgradient entstehen, der zu thermomechanischen Spannungen in der Brennstoffzelle führt. Derartige Spannungen können die Betriebslebensdauer einer Brennstoffzelle, insbesondere einer SOFC-Brennstoffzelle, deutlich verringern.
-
Ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Druckschrift
DE 199 24 938 A1 bekannt.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, mit welchem bei einfacher Ausgestaltung die Entstehung eines übermäßigen Temperaturgradienten in der Brennstoffzelle vermieden wird.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, umfassend eine Brennstoffzelle mit einem Anodengaseintritt und einem Kathodengaseintritt, einen Reformer zur Bereitstellung von Wasserstoff enthaltendem Reformat zur Zufuhr zu dem Anodengaseintritt der Brennstoffzelle sowie eine Wärmeübertragereinheit im Strömungsweg zwischen dem Reformer und der Brennstoffzelle zur Übertragung von in dem zu dem Anodengaseintritt strömendem Reformat transportierter Wärme auf zu dem Kathodengaseintritt strömendes Kathodengas.
-
Durch das Bereitstellen der Wärmeübertragereinheit stromaufwärts der Brennstoffzelle und der damit bereitgestellten Möglichkeit, Wärme vom vergleichsweise heißen Reformat auf das deutlich kältere Kathodengas übertragen zu können, wird eine Annäherung der Temperaturen dieser beiden in die Brennstoffzelle eingeleiteten Gasströme bewirkt. Daraus resultiert ein deutlich geringerer Temperaturgradient im Inneren der Brennstoffzelle und somit auch eine deutlich geringere mechanische Belastung derselben.
-
Dabei ist weiter vorgesehen, dass die Wärmeübertragereinheit umfasst: ein Wärmeübertragergehäuse mit einer Gehäusewandung, wobei in dem Wärmeübertragergehäuse ein von der Gehäusewandung umgrenzter erster Gasströmungsraum gebildet ist, einen zu dem ersten Gasströmungsraum führenden ersten Gaseintritt und einen von dem ersten Gasströmungsraum weg führenden ersten Gasaustritt, einen das Wärmeübertragergehäuse durchsetzenden und vom ersten Gasströmungsraum getrennten und von diesem wenigstens bereichsweise umgebenen zweiten Gasströmungsraum sowie einen zu dem zweiten Gasströmungsraum führenden zweiten Gaseintritt und einen von dem zweiten Gasströmungsraum weg führenden zweiten Gasaustritt.
-
Um die verschiedenen Temperaturen der Gasströme effizient zu nutzen, ist der erste Gaseintritt zur Zufuhr von Reformat vorgesehen und der erste Gasaustritt steht mit dem Anodengaseintritt der Brennstoffzelle in Strömungsverbindung. Darüber hinaus ist der zweite Gaseintritt zur Zufuhr von Kathodengas vorgesehen und der zweite Gasaustritt steht mit dem Kathodengaseintritt der Brennstoffzelle in Strömungsverbindung. Insbesondere das Einleiten des Reformats in den ersten Gasströmungsraum führt dazu, dass durch dieses vergleichsweise heiße Reformat, welches nachfolgend als Anodengas in die Brennstoffzelle einzuleiten ist, auch die Gehäusewandung des Wärmeübertragergehäuses erwärmt wird und von dort Wärme zur Umgebung, insbesondere in den Bereich der Brennstoffzelle bzw. des Reformers, abgegeben werden kann. Dies hebt das Temperaturniveau in diesem Bereich an und führt gleichzeitig zu einer Abkühlung des Reformatstroms.
-
Weiter kann eine einfache, gleichwohl einen effizienten Temperaturangleich ermöglichende Ausgestaltung vorsehen, dass der zweite Gasströmungsraum durch ein das Wärmeübertragergehäuse durchsetzendes Gasströmungsrohr bereitgestellt ist.
-
Um einen Strömungskurzschluss vom ersten Gaseintritt zum ersten Gasaustritt zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass in dem Wärmeübertragergehäuse ein den ersten Gasströmungsraum in einen ersten Strömungsraumbereich und einen mit dem ersten Strömungsraumbereich in Strömungsverbindung stehenden zweiten Strömungsraumbereich aufteilendes Gasströmungsleitelement vorgesehen ist, wobei der erste Gaseintritt zu dem ersten Strömungsraumbereich führt und der erste Gasaustritt von dem zweiten Strömungsraumbereich weg führt. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Gasströmungsleitelement an die Gehäusewandung des Wärmeübertragergehäuses oder/und eine den zweiten Gasströmungsraum umgrenzende Wandung angrenzt. Damit kann sichergestellt werden, dass das am ersten Gaseintritt eintretende Gas bis in den Bereich des zweiten Gasströmungsraums gelangt und somit zwangsweise eine thermische Wechselwirkung zwischen dem im ersten Gasströmungsraum strömenden Gas und dem im zweiten Gasströmungsraum strömenden Gas erreicht wird.
-
Um im Bereich der Brennstoffzelle bzw. des Reformers die für die dort ablaufenden Prozesse erforderlichen hohen Temperaturen beibehalten zu können bzw. Wärmeverluste weitestgehend vermeiden zu können, wird vorgeschlagen, dass ein die Wärmeübertragereinheit, die Brennstoffzelle und wenigstens einen Teil des Reformers aufnehmendes Isoliergehäuse vorgesehen ist.
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine blockbildartige Darstellung eines Brennstoffzellensystems;
-
2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Wärmeübertragereinheit des Brennstoffzellensystems der 1.
-
In 1 ist ein beispielsweise in einem Fahrzeug zur Bereitstellung elektrischer Energie einsetzbares Brennstoffzellensystem allgemein mit 10 bezeichnet. Das in prinzipieller Art und Weise dargestellte Brennstoffzellensystem 10 umfasst als zentralen Systembereich ein Brennstoffzellenmodul 12. Dem Brennstoffzellenmodul 12 ist eine Brennstoffzelle 14, beispielsweise eine SOFC-Brennstoffzelle, zugeordnet sowie ein der Brennstoffzelle 14 nachgelagerter Restgasbrenner 16 mit einem Abgaswärmeübertrager 18.
-
Einem Reformermodul 20 ist ein allgemein mit 22 bezeichneter Reformer zugeordnet. Diesem Reformer 22 wird über eine Brennstoffförderanordnung 24 flüssiger Brennstoff bzw. Kohlenwasserstoff, beispielsweise Diesel, zugeführt. Ferner wird dem Reformer 22 bzw. dem Reformermodul 20 von einem Luftversorgungsmodul 26 die zur Durchführung des Reformationsprozesses in der katalytischen Anordnung des Reformers 22 erforderliche Luft zugeführt. Das Luftversorgungsmodul 26 speist Luft ferner zu einem Startbrennermodul 28. Diesem ist ein Brenner 30 zugeordnet sowie ein Startbrennerwärmeübertrager 32. Über eine Brennstoffförderanordnung 34 kann flüssiger Brennstoff bzw. Kohlenwasserstoff, beispielsweise Diesel, in den Brenner 30 des Startbrennermoduls 28 eingespeist werden und mit der ebenfalls in den Brenner 30 eingespeisten Luft zur Bereitstellung von Wärme verbrannt werden.
-
Das den Reformer 22 verlassende Reformat R, also ein als wesentlichen Bestandteil Wasserstoff (H2) enthaltendes Gas, wird als Anodengas A einem Anodengaseintritt 36 der Brennstoffzelle 14 bzw. dem Anodenbereich 38 derselben zugeführt. Von dem Luftversorgungsmodul 26 zugeführte Luft kann beispielsweise nach Durchströmen des Abgaswärmeübertragers 18 oder des Startbrennerwärmeübertragers 32 als Kathodengas K einem Kathodengaseintritt 40 der Brennstoffzelle 14 bzw. dem Kathodenbereich 42 derselben zugeführt werden.
-
In 1 rechts vergrößert dargestellt ist der Strömungsbereich zwischen dem Reformermodul 20 und dem Brennstoffzellenmodul 12. In diesem Bereich ist eine nachfolgend mit Bezug auf die 2 detaillierter beschriebene Wärmeübertragereinheit 44 vorgesehen, in welcher ein Teil der im Reformat R bzw. im Anodengas A transportierten Wärme auf die als Kathodengas K in die Brennstoffzelle 14 einzuleitende Luft übertragen werden kann.
-
Die Wärmeübertragereinheit 44 umfasst ein allgemein mit 46 bezeichnetes Wärmeübertragergehäuse mit einer Gehäusewandung 48. Die Gehäusewandung 48 des Wärmeübertragergehäuses 46 umschließt einen ersten Gasströmungsraum 50. Ein erster Gaseintritt 52 führt in den ersten Gasströmungsraum 50 und ein erster Gasaustritt 54 führt von dem ersten Gasströmungsraum 50 weg. Über den ersten Gasaustritt 54 verlässt das abgekühlte Reformat als Anodengas A den ersten Gasströmungsraum 50 und strömt zum Anodengaseintritt 36 der Brennstoffzelle 14.
-
Durch ein das Wärmeübertragergehäuse 46 bzw. den ersten Gasströmungsraum 50 beispielsweise im Wesentlichen geradlinig durchsetzendes Rohr 56 ist ein in diesem ausgebildeter zweiter Gasströmungsraum 58 bereitgestellt. Eine Wandung 60 des Rohrs 56 umgrenzt den zweiten Gasströmungsraum 58 und trennt diesen vom ersten Gasströmungsraum 50. Man erkennt in 2, dass beispielsweise das Rohr 56 so angeordnet sein kann, dass es vom ersten Gasströmungsraum 50 im Wesentlichen vollständig umgeben ist. Ein zweiter Gaseintritt 62 führt zu dem zweiten Gasströmungsraum 58. Ein zweiter Gasaustritt 64 führt vom zweiten Gasströmungsraum 58 weg. Über den zweiten Gaseintritt 62 kann die in der vorangehend beschriebenen Art und Weise beispielsweise bereits vorerwärmte Luft als Kathodengas K in den zweiten Gasströmungsraum 58 eintreten. Über den zweiten Gasaustritt 64 kann dieses Kathodengas K den zweiten Gasströmungsraum 58 verlassen und zum Kathodengaseintritt 40 der Brennstoffzelle 14 strömen.
-
In dem Wärmeübertragergehäuse 46 ist ein den ersten Gasströmungsraum 50 in einen ersten Strömungsraumbereich 66 und einen zweiten Strömungsraumbereich 68 aufteilendes Gasströmungsleitelement 70 vorgesehen. Dieses grenzt vorzugsweise entlang seines wesentlichen Umfangsbereichs an die Gehäusewandung 48 an und erstreckt sich bis an das Rohr 56 heran, so dass es bereichsweise auch an dieses angrenzt bzw. dieses bereichsweise umgeben kann. Durch das Gasströmungsleitelement 70 wird ein direkter Strömungskurzschluss zwischen dem ersten Gaseintritt 52 und dem ersten Gasaustritt 54 verhindert. Das am ersten Gaseintritt 52 eintretende Reformat R bzw. Anodengas A strömt durch den ersten Strömungsraumbereich 66 in Richtung auf die Wandung 60 des Rohrs 56 zu und gelangt somit in Wärmeübertragungskontakt mit der Wandung 60. Durch die im Inneren des Wärmeübertragergehäuses 46 auftretenden Verwirbelungen umströmt das Reformat R bzw. Anodengas A die Wandung 60 und gelangt so in den zweiten Strömungsraumbereich 68. Dieser steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Strömungsraumbereich 66 und führt das durch thermische Wechselwirkung mit der Wandung 60 des Rohrs 56 gekühlte Reformat R in Richtung zum ersten Gasaustritt 54. Das im Rohr 56 bzw. durch den zweiten Gasströmungsraum 58 hindurch strömende Kathodengas K, welches eine deutlich niedrigere Temperatur aufweist, als das Reformat R, nimmt vom Reformat R auf die Wandung 60 übertragene Wärme auf und verlässt somit den zweiten Gasströmungsraum 58 erwärmt. Die Temperaturdifferenz zwischen dem am ersten Gasaustritt 54 austretenden Anodengas A und dem am zweiten Gasaustritt 64 austretenden Kathodengas K ist somit deutlich geringer, als die Temperaturdifferenz zwischen dem am ersten Gaseintritt 52 eintretenden Reformat R und dem am zweiten Gaseintritt 62 eintretenden Kathodengas K. Aufgrund dieses geringeren Temperaturunterschiedes wird auch in der Brennstoffzelle 14 sich ein kleinerer Temperaturgradient zwischen dem Anodenbereich 38 und dem Kathodenbereich 42 einstellen, was eine Minderung der thermomechanisch induzierten Spannungen in der Brennstoffzelle 14 zur Folge hat.
-
Da bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Wärmeübertragers 44 weiterhin das vergleichsweise warme Reformat R bzw. Anodengas A den von der Gehäusewandung 48 umgrenzten ersten Gasströmungsraum 50 durchströmt, wird weiterhin ein Teil der im Reformat R transportierten Wärme auf das Wärmeübertragergehäuse 46 übertragen. In 1 ist durch Strichlinie angedeutet ein Isoliergehäuse 72 dargestellt, in welchem verschiedene Systembereiche des Brennstoffzellensystems 10 enthalten sind. Beispielsweise kann im Wesentlichen das gesamte Brennstoffzellenmodul 12, zumindest jedoch die Brennstoffzelle 14 und der Restgasbrenner 16, im Isoliergehäuse 72 aufgenommen sein. Auch der im Wesentlichen die Katalysatoranordnung enthaltende Bereich des Reformers 22 kann in dem Isoliergehäuse 72 aufgenommen sein, so dass im Wesentlichen diejenigen Komponenten, bei welchen im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 hohe Temperaturen entstehen bzw. erforderlich sind, gegen Wärmeverlust gekapselt sind. Auch die im Strömungsweg zwischen dem Reformer 22 und der Brennstoffzelle 14 positionierte Wärmeübertragereinheit 44 ist in dem Isoliergehäuse 72 aufgenommen. Um im Reformer 22 eine kontrollierte Abdampfung des zu dem Reformat umzusetzenden Kohlenwasserstoffs erreichen zu können, ist derjenige Bereich, in welchem diese Abdampfung erfolgen soll, vorteilhafterweise nicht im Isoliergehäuse 72 aufgenommen
-
Die vom Reformat R auf das Wärmeübertragergehäuse 46 übertragene Wärme kann zumindest teilweise an die Umgebung des Wärmeübertragergehäuses 46, also einen auch im inneren des Isoliergehäuses 72 eingeschlossenen Volumenbereich übertragen werden. Dies führt einerseits zu einer weiteren Minderung der Temperaturdifferenz zwischen dem Reformat R und dem Kathodengas K, vermeidet andererseits Wärmeenergieverluste und sorgt dafür, dass insbesondere der Reformer 22 und die Brennstoffzelle 14 auf hohem Temperaturniveau gehalten werden können.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass an dem vorangehend beschriebenen Aufbau des Brennstoffzellensystems 10 bzw. auch der Wärmeübertragereinheit 44 Variationen vorgesehen sein können. So könnte beispielsweise zum Verstärken der Wärmeübertragungswechselwirkung das Rohr 56 nicht geradlinig sich erstreckend den ersten Gasströmungsraum 50 durchsetzen, sondern schraubenartig, wendelartig, mäanderartig oder in sonstiger Weise gewunden sich durch das Wärmeübertragergehäuse 46 hindurch erstrecken. Auch könnte das Brennstoffzellensystem 10 hinsichtlich der Strömungsführung bzw. der Zuführung verschiedener Gase zu verschiedenen Systembereichen anders ausgestaltet sein, als vorangehend beispielhaft mit Bezug auf die 1 beschrieben.
