DE102014209758A1 - fuel cell device - Google Patents

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Andreas Schulze
Armin Schuelke
Friedrich Kneule
Imke Heeren
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer tubularen Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit (12), welche zumindest einen Gasraum (14), welcher dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Reaktanten aufzunehmen, zumindest im Wesentlichen allseitig begrenzt. Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit (12) überall zumindest im Wesentlichen einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.The invention relates to a fuel cell device, in particular a tubular fuel cell device, with a fuel cell unit (12) which at least one gas space (14), which is intended to receive at least one reactant in at least one operating state, at least substantially limited on all sides. It is proposed that the fuel cell unit (12) has at least substantially the same thermal expansion coefficient everywhere.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.The invention relates to a fuel cell device according to the preamble of patent claim 1 and a fuel cell system according to the preamble of patent claim 11.

Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit bekannt, welche zumindest einen Gasraum, welcher dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Reaktanten aufzunehmen, zumindest im Wesentlichen allseitig begrenzt. Dabei umfasst die Brennstoffzelleneinheit Teilbereiche, welche zueinander deutlich verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Demzufolge ist eine ausreichende und insbesondere dauerhafte Abdichtung des zumindest einen Gasraums mit einem hohen Aufwand verbunden. A fuel cell device with a fuel cell unit is already known, which at least one gas space, which is provided to receive at least one reactant in at least one operating state, at least substantially limited on all sides. In this case, the fuel cell unit comprises subregions which have significantly different thermal expansion coefficients with respect to one another. Accordingly, a sufficient and in particular permanent sealing of the at least one gas space is associated with a high outlay.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer tubulare Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche zumindest einen Gasraum, welcher dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Reaktanten aufzunehmen, zumindest im Wesentlichen allseitig begrenzt.The invention relates to a fuel cell device, in particular a tubular fuel cell device, with a fuel cell unit, which at least one gas space, which is provided to receive at least one reactant in at least one operating state, at least substantially limited on all sides.

Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit überall zumindest im Wesentlichen einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.It is proposed that the fuel cell unit has at least substantially the same thermal expansion coefficient everywhere.

Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische und/oder thermische Energie, umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche insbesondere zumindest teilweise eine äußere Hülle der Brennstoffzellenvorrichtung ausbildet. Ferner kann die Brennstoffzelleneinheit insbesondere passive Elemente, insbesondere zu einer Gasführung und/oder –leitung und/oder zu einer Montage der Brennstoffzellenvorrichtung, umfassen. Unter einem „Reaktanten“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein chemischer Stoff und/oder ein chemisches Stoffgemisch verstanden werden, welcher und/oder welches insbesondere zu einer Verwendung bei einer chemischen Reaktion, insbesondere zu einer Verwendung in einem Syntheseprozess, insbesondere innerhalb Brennstoffzellenvorrichtung, vorgesehen ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem zumindest einen Reaktanten um ein Brenngas oder um Sauerstoff oder um ein brenngashaltiges Gasgemisch oder um ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch. Insbesondere ist das zumindest eine Synthesegas zur Synthese von Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid innerhalb der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen. Insbesondere wird der zumindest eine Reaktant während eines Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere kontinuierlich dem zumindest einen Gasraum zugeführt. Unter einem „Gasraum“ soll insbesondere ein räumlicher Bereich verstanden werden, der zumindest teilweise und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen allseitig von einer sichtbaren Außenfläche gegenüberliegenden, insbesondere zumindest teilweise nicht sichtbarer Innenfläche der Brennstoffzelleneinheit begrenzt ist. Darunter, dass die Brennstoffzelleneinheit den zumindest einen Gasraum „zumindest im Wesentlichen allseitig begrenzt“ soll insbesondere verstanden werden, dass eine gedachte, den zumindest einen Gasraum umgebende, geschlossene Hüllfläche zu zumindest 80 %, vorzugsweise zu zumindest 85 %, vorteilhaft zu zumindest 90 % und besonders vorteilhaft zu zumindest 95 % von einer durch die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit gebildeten äußeren Hülle bedeckt ist. Darunter, dass die Brennstoffzelleneinheit „überall zumindest im Wesentlichen einen gleichen" Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient, insbesondere ein Längenausdehnungskoeffizienten und/oder ein Raumausdehnungskoeffizienten, der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere zumindest eines Herstellungsmaterials der Brennstoffzelleneinheit, über die gesamte Erstreckung der Brennstoffzelleneinheit hinweg um weniger als 15 %, insbesondere um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % und besonders bevorzugt um weniger als 1 % schwankt.In this context, a "fuel cell device" should be understood as meaning in particular a device which is provided with at least one chemical reaction energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, and at least one oxidant, in particular oxygen, in particular electrical and / or thermal energy, to transform. The at least one fuel cell device is preferably designed as a solid oxide fuel cell (SOFC). In this context, a "fuel cell unit" is to be understood as meaning, in particular, a unit which, in particular, at least partially forms an outer shell of the fuel cell device. In addition, the fuel cell unit may in particular comprise passive elements, in particular for gas guidance and / or conduction and / or for mounting the fuel cell device. In this context, a "reactant" is to be understood as meaning, in particular, a chemical substance and / or a chemical mixture which is provided for use in a chemical reaction, in particular for use in a synthesis process, in particular within a fuel cell device , The at least one reactant is preferably a fuel gas or oxygen or a gas mixture containing fuel gas or an oxygen-containing gas mixture. In particular, the at least one synthesis gas is provided for the synthesis of water and / or carbon dioxide within the at least one fuel cell device. In particular, the at least one reactant is supplied in particular continuously to the at least one gas space during operation of the fuel cell device. A "gas space" is to be understood in particular as meaning a spatial area which is delimited at least partially and preferably at least substantially on all sides by a visible outer surface opposite, in particular at least partially invisible, inner surface of the fuel cell unit. By the fact that the fuel cell unit "at least substantially limited on all sides" should be understood in particular that an imaginary, the at least one gas chamber surrounding closed envelope surface to at least 80%, preferably at least 85%, advantageously at least 90% and Particularly advantageous at least 95% of an outer shell formed by the at least one fuel cell unit is covered. By the fact that the fuel cell unit has "everywhere at least substantially the same" coefficient of thermal expansion, should be understood in particular that the coefficient of thermal expansion, in particular a coefficient of linear expansion and / or a space expansion coefficient of the fuel cell unit, in particular at least one manufacturing material of the fuel cell unit, over the entire extent of the fuel cell unit by less than 15%, in particular by less than 10%, preferably by less than 5%, and more preferably by less than 1%.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Abdichtung bereitgestellt werden. Insbesondere können vorteilhaft thermo-mechanischen Spannungen zumindest weitgehend vermieden und somit eine Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft erhöht werden. Ferner kann eine Abdichtung eines Gasraums vorteilhaft vereinfacht werden, wodurch insbesondere ein Arbeitsaufwand und oder Fertigungskosten reduziert werden können.By such a configuration, a generic fuel cell device having improved sealing properties can be provided. In particular, advantageous thermo-mechanical stresses can at least largely be avoided, and thus a lifetime of the fuel cell device advantageously increased. Furthermore, a seal of a gas space can be advantageously simplified, whereby in particular a workload and or manufacturing costs can be reduced.

In einer bevorzugen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit zumindest im Wesentlichen von zumindest einem keramischen Material gebildet ist. Darunter, dass ein Objekt „zumindest im Wesentlichen aus einem Material" gebildet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt mit einem Massenanteil von zumindest 75 %, vorteilhaft von zumindest 85 % und vorzugsweise von zumindest 95 % aus dem Material besteht. Unter einem „keramischen Material“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein anorganisches, nichtmetallisches Material verstanden werden. Insbesondere kann das zumindest eine keramische Material zumindest teilweise kristallin sein. Unter „nichtmetallisch“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das zumindest eine keramische Material zumindest weitestgehen frei von insbesondere auf metallischen Bindungen beruhenden, metallischen Eigenschaften ist, jedoch Metallverbindungen, wie beispielsweise Metalloxide und/oder -silikate, umfassen kann. Hierdurch kann vorteilhaft einfach erreicht werden, dass die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit überall einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.In a preferred embodiment of the invention, it is proposed that the Fuel cell unit is formed at least substantially of at least one ceramic material. By the fact that an object is formed "at least essentially of a material" should be understood in particular that the object with a mass fraction of at least 75%, preferably at least 85% and preferably at least 95% of the material In particular, the at least one ceramic material may be at least partially crystalline, in which context "nonmetallic" is to be understood in particular as meaning that the at least one ceramic material is at least largely free However, metal compounds, such as, for example, metal oxides and / or silicates, may comprise, in this way, it can advantageously be achieved simply that the at least one fuel cell unit has the same thermal expansion everywhere having coefficients.

Insbesondere kann die Brennstoffzelleneinheit einstückig ausgebildet sein. Unter „einstückig“ soll insbesondere stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder Klebeprozess usw., und besonders vorteilhaft angeformt verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit jedoch mehrteilig ausgeführt. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Abdeckhaube aufweist. Vorzugsweise ist die zumindest eine Abdeckhaube als ein Brennstoffzellentubus ausgebildet. Insbesondere umfasst die zumindest einen Abdeckhaube einen zumindest im Wesentlichen hohlzylindrischen Grundkörper. Insbesondere kann der Grundkörper eine zumindest im Wesentlichen runde, beispielsweise kreisförmige oder ovalförmige, und/oder eine polygone Grundfläche aufweisen. Insbesondere ist der Grundkörper an einem Ende zumindest im Wesentlichen geschlossen und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gasdicht ausgeführt. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit zumindest ein Zuströmelement aufweist. Unter einem Zuströmelement soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zumindest im Wesentlichen röhrenförmiges Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, zumindest in einem montierten Zustand zumindest teilweise in die zumindest eine Abdeckhaube, insbesondere in den Grundkörper der zumindest einen Abdeckhaube, hineinzuragen. Insbesondere begrenzen die zumindest eine Abdeckhaube und das zumindest eine Zuströmelement in einem montierten Zustand den zumindest einen Gasraum zumindest im Wesentlichen allseitig. Insbesondere ist das zumindest eine Zuströmelement dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand den zumindest einen Reaktanten in den zumindest einen Gasraum zu leiten. Hierdurch kann eine Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft vereinfacht werden. Ferner können Fertigungskosten vorteilhaft reduziert werden.In particular, the fuel cell unit may be formed in one piece. By "one-piece" should in particular be cohesively connected, as for example by a welding process and / or gluing process, etc., and particularly advantageous molded, as understood by the production of a cast and / or by the production in a single or Mehrkomponentenspritzverfahren. Preferably, however, the fuel cell unit is designed in several parts. In this context, it is proposed that the fuel cell unit has at least one cover. Preferably, the at least one cover is designed as a fuel cell tube. In particular, the at least one cover hood comprises an at least substantially hollow-cylindrical basic body. In particular, the base body may have an at least substantially round, for example circular or oval-shaped, and / or a polygonal base surface. In particular, the base body is at least substantially closed at one end and preferably at least substantially gas-tight. It is also proposed that the fuel cell unit has at least one inflow element. In this context, an inflow element is to be understood as meaning, in particular, an at least substantially tubular element which is intended to project at least partially into the at least one cover hood, in particular into the base body of the at least one cover hood, at least in an assembled state. In particular, the at least one cover hood and the at least one inflow element in an assembled state limit the at least one gas space at least substantially on all sides. In particular, the at least one inflow element is provided to guide the at least one reactant into the at least one gas space in at least one operating state. As a result, a production of a fuel cell unit can be advantageously simplified. Furthermore, manufacturing costs can be advantageously reduced.

Sind die zumindest eine Abdeckhaube und das zumindest eine Zuströmelement zumindest im Wesentlichen aus einem zumindest weitgehend identischen keramischen Material ausgebildet, so kann vorteilhaft ein Auftreten unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten insbesondere zwischen der zumindest einen Abdeckhaube und dem zumindest einen Zuströmelement zumindest weitgehend verhindert werden. Darunter, dass die zumindest eine Abdeckhaube und das zumindest eine Zuströmelement zumindest im Wesentlichen aus einem „zumindest weitgehend identischen“ keramischen Material ausgebildet sind, soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das keramische Material der zumindest einen Abdeckhaube in seiner stofflichen Zusammensetzung zumindest weitgehend und vorzugsweise exakt dem keramischen Material des zumindest einen Zuströmelements entspricht.If the at least one cover hood and the at least one inflow element are at least substantially formed of an at least substantially identical ceramic material, advantageously different thermal expansion coefficients, in particular between the at least one cover hood and the at least one inflow element, can be at least largely prevented. The fact that the at least one covering hood and the at least one inflow element are formed at least essentially from a "substantially at least substantially identical" ceramic material should in this context be understood in particular to mean that the ceramic material of the at least one covering hood is at least substantially and substantially unaffected in its material composition preferably corresponds exactly to the ceramic material of the at least one inflow element.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Zuströmelement zumindest eine erste Dichtfläche und die zumindest eine Abdeckhaube zumindest eine zu der zumindest einen ersten Dichtfläche korrespondierende zweite Dichtfläche aufweist. Insbesondere ist die zumindest eine erste Dichtfläche des zumindest einen Zuströmelements dazu vorgesehen, in einem montierten Zustand die zumindest eine korrespondierende zweite Dichtfläche des zumindest einen Brennstoffzellentubus zumindest im Wesentlichen dichtend zu kontaktieren. Zu einer Verbesserung einer Dichtwirkung kann zwischen die zumindest eine erste Dichtfläche und die zumindest eine zweite Dichtfläche eine Dichtmasse und/oder ein Dichtelemente eingebracht sein. Die Dichtmasse und/oder das Dichtelement können zumindest teilweise insbesondere aus Glas und/oder einem keramischen und/oder glaskeramischen und/oder einem anderen geeigneten, insbesondere anorganischen, Material bestehen. Unter „zumindest im Wesentlichen dichtend“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere Verstanden werden, dass ein Dichtbereich zwischen der zumindest einen ersten Dichtfläche der Abdeckhaube und der zumindest einen zweiten Dichtfläche des zumindest einen Zuströmelements eine Leckrate von maximal 10–6 Pa·m3/s, vorteilhaft von maximal 10–8 Pa·m3/s und vorzugsweise von maximal 10–10 Pa·m3/s aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Leckrate reduziert werden.It is also proposed that the at least one inflow element has at least one first sealing surface and the at least one cover hood has at least one second sealing surface corresponding to the at least one first sealing surface. In particular, the at least one first sealing surface of the at least one inflow element is provided to contact the at least one corresponding second sealing surface of the at least one fuel cell tube at least substantially sealingly in an assembled state. To improve a sealing effect, a sealing compound and / or a sealing element can be introduced between the at least one first sealing surface and the at least one second sealing surface. The sealing compound and / or the sealing element may consist at least partially in particular of glass and / or a ceramic and / or glass-ceramic and / or another suitable, in particular inorganic, material. By "at least substantially sealingly" in this context is to be understood in particular that a sealing area between the at least one first sealing surface of the cover hood and the at least one second sealing surface of the at least one inflow element has a leakage rate of at most 10 -6 Pa.m 3 / s, advantageously of not more than 10 -8 Pa.m 3 / s and preferably of not more than 10 -10 Pa.m 3 / s. As a result, a leak rate can advantageously be reduced.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Abdeckhaube wenigstens einen zumindest teilweise porös ausgebildeten Teilbereich aufweist. Insbesondere ist der zumindest eine Teilbereich offen porös ausgebildet. Unter einem „offen porösen Teilbereich“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Bereich der zumindest einen Abdeckhaube verstanden werden, welcher Hohlräume aufweist, die insbesondere fluidtechnisch untereinander und/oder mit einer Umgebung in Verbindung stehen. Insbesondere ist der zumindest eine Teilbereich zur Zuführung zumindest eines zweiten, insbesondere gasförmigen Reaktanten, vorzugsweise Sauerstoff oder Luft, vorgesehen. Hierdurch kann der Brennstoffzellenvorrichtung auf vorteilhaft einfache Weise zumindest ein zweiter Reaktant zugeführt werden.Furthermore, it is proposed that the at least one cover at least one Having at least partially porous trained portion. In particular, the at least one subarea is openly porous. In this context, an "openly porous partial area" is to be understood as meaning, in particular, a region of the at least one cover hood which has cavities which, in particular, are fluidically connected to one another and / or to an environment. In particular, the at least one subregion is provided for supplying at least one second, in particular gaseous, reactant, preferably oxygen or air. As a result, the fuel cell device can be supplied in an advantageously simple manner at least a second reactant.

Über dies wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Funktionsschicht aufweist, welche auf den wenigstens einen zumindest teilweise porös ausgebildeten Teilbereich aufgebracht ist. Unter einer „Funktionsschicht“ soll in diesen Zusammenhang insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche insbesondere zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode sowie zumindest ein zwischen der zumindest einen Anode und der zumindest eine Kathode angeordnetes Elektrolyt aufweist. Insbesondere kann die zumindest eine Funktionsschicht auf einer Innenseite und/oder einer Außenseite der zumindest einen Abdeckhaube angeordnet sein. Vorzugsweise ist die zumindest eine Funktionsschicht vollständig auf einer Innenseite der zumindest einen Abdeckhaube angeordnet. Insbesondere weist die zumindest eine Funktionsschicht eine Schichtdicke von maximal 50 µm, vorteilhaft von maximal 25 µm und besonders vorteilhaft von maximal 15 µm auf. Hierdurch kann ein vorteilhafter Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.About this it is proposed that the fuel cell device has at least one functional layer, which is applied to the at least one at least partially porous formed portion. In this context, a "functional layer" is to be understood as meaning, in particular, a layer which has, in particular, at least one anode and at least one cathode and at least one electrolyte arranged between the at least one anode and the at least one cathode. In particular, the at least one functional layer can be arranged on an inner side and / or an outer side of the at least one cover hood. The at least one functional layer is preferably arranged completely on an inner side of the at least one cover hood. In particular, the at least one functional layer has a layer thickness of not more than 50 μm, advantageously of not more than 25 μm, and particularly advantageously of not more than 15 μm. As a result, an advantageous structure of a fuel cell device can be achieved.

Weist die Brennstoffzelleneinheit und insbesondere die zumindest eine Abdeckhaube in zumindest einem Fußbereich zumindest einen Kanal auf, der zumindest zu einer Gasführung vorgesehen ist, kann eine vorteilhaft zuverlässige Abführung zumindest eines insbesondere gas- und/oder dampfförmigen Reaktionsprodukts, insbesondere aus dem zumindest einen Gasraum, erreicht werden. Unter einem „Fußbereich“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Bereich verstanden werden, welcher vorzugsweise an einem offenen Ende der zumindest einen Abdeckhaube angeordnet ist. Insbesondere ist der zumindest eine Fußbereich von einem zumindest im Wesentlichen gas- und/oder dampfdichten Material gebildet. Insbesondere ist der zumindest eine Kanal in einem montierten Zustand fluidtechnisch mit dem zumindest einen Gasraum verbunden. Insbesondere ist der zumindest eine Fußbereich zu einer Montage der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen.If the fuel cell unit and in particular the at least one cover hood has at least one channel in at least one foot region which is provided for at least one gas guide, an advantageously reliable removal of at least one particular gas and / or vapor reaction product, in particular from the at least one gas chamber, can be achieved become. In this context, a "foot region" is to be understood as meaning, in particular, a region which is preferably arranged at an open end of the at least one cover hood. In particular, the at least one foot region is formed by an at least substantially gas and / or vapor-tight material. In particular, the at least one channel in a mounted state is fluidly connected to the at least one gas space. In particular, the at least one foot region is provided for mounting the fuel cell device in a fuel cell system.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsschicht zumindest teilweise in den zumindest einen Fußbereich hinein geführt ist. Insbesondere ist die zumindest eine Funktionsschicht in einem montierten Zustand zwischen der zumindest einen ersten Dichtfläche der Abdeckhaube und der zumindest einen zweiten Dichtfläche des Zuführelements hindurchgeführt. Bei Verwendung zumindest einer Dichtmasse kann die zumindest eine Funktionsschicht im Bereich einer Durchführung zumindest teilweise in die zumindest eine Dichtmasse eingebettet sein. Hierdurch kann vorteilhaft einfach eine elektrische Kontaktierung der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.Furthermore, it is proposed that the at least one functional layer is guided at least partially into the at least one foot region. In particular, the at least one functional layer is guided in an assembled state between the at least one first sealing surface of the covering hood and the at least one second sealing surface of the feeding element. When using at least one sealing compound, the at least one functional layer may be at least partially embedded in the at least one sealing compound in the region of a passage. As a result, an electrical contacting of the fuel cell device can advantageously be achieved simply.

Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen vorgeschlagen, wobei die zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen elektrisch und/oder fluidtechnisch verschaltet sind. Hierdurch kann auf einfache Weise ein Brennstoffzellensystem mit einer vorteilhaft hohen Energieausbeute realisiert werden.Furthermore, a fuel cell system with at least two fuel cell devices is proposed, wherein the at least two fuel cell devices are connected electrically and / or fluidically. In this way, a fuel cell system with an advantageously high energy yield can be realized in a simple manner.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.The fuel cell device according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the fuel cell device according to the invention may have a different number from a number of individual elements, components and units mentioned herein for fulfilling a mode of operation described herein.

Zeichnungdrawing

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawing, an embodiment of the invention is shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Teildarstellung eines Brennstoffzellensystems mit zwei Brennstoffzellenvorrichtungen. 1 a schematic partial view of a fuel cell system with two fuel cell devices.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt eine schematische Teildarstellung eines Brennstoffzellensystems 34 mit zwei Brennstoffzellenvorrichtungen 10, 32. Die Brennstoffzellenvorrichtungen 10, 32 sind identisch zueinander ausgebildet, daher soll der Einfachheit halber im Folgenden lediglich auf eine der Brennstoffzellenvorrichtungen 10 eingegangen werden. Alle Beschreibungen gelten entsprechend auch für die zweite Brennstoffzellenvorrichtung 32. 1 shows a schematic partial view of a fuel cell system 34 with two fuel cell devices 10 . 32 , The fuel cell devices 10 . 32 are identical to each other, therefore, for the sake of simplicity, in the following only one of the fuel cell devices 10 To be received. All descriptions also apply accordingly to the second fuel cell device 32 ,

Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist als eine tubulare Brennstoffzellenvorrichtung ausgeführt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 12, welche eine Abdeckhaube 16 und ein Zuströmelement 18 aufweist. Die Abdeckhaube 16 umfasst einen hohlzylindrischen Grundkörper 36, welcher eine kreisförmige Grundfläche aufweist. Der Grundkörper 36 der Abdeckhaube 16 ist an einem oberen Ende 38 gasdicht ausgeführt. Des Weiteren weist die Abdeckhaube 16 einen offen porös ausgebildeten Teilbereich 24 auf. Auf eine Innenseite 42 der Abdeckhaube 16 ist eine hier lediglich angedeutet dargestellte Funktionsschicht 26 aufgebracht. Alternativ kann eine Funktionsschicht auch auf eine Außenseite einer Abdeckhaube aufgebracht sein. Die Funktionsschicht 26 weist, hier nicht im Detail dargestellt, eine Anode, eine Kathode und ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Elektrolyt auf. In einem Fußbereich 28 weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Kanal 30 auf, der zu einer Gasführung vorgesehen ist. Dazu ist der Kanal 30 fluidtechnisch mit einem Gasraum 14 der Brennstoffzellenvorrichtung 10 verbunden. The fuel cell device 10 is designed as a tubular fuel cell device. The fuel cell device 10 includes a fuel cell unit 12 which a cover 16 and an inflow element 18 having. The cover 16 comprises a hollow cylindrical body 36 which has a circular base. The main body 36 the cover 16 is at an upper end 38 gas-tight. Furthermore, the cover 16 an openly porous part 24 on. On an inside 42 the cover 16 is a functional layer shown here only indicated 26 applied. Alternatively, a functional layer can also be applied to an outer side of a cover. The functional layer 26 has, not shown in detail here, an anode, a cathode and an arranged between the anode and the cathode electrolyte. In a foot area 28 has the fuel cell device 10 a channel 30 on, which is intended for a gas supply. This is the channel 30 Fluidtechnisch with a gas space 14 the fuel cell device 10 connected.

Das Zuströmelement 18 ist röhrenförmig ausgebildet und ragt in einem montierten Zustanden, wie dargestellt, in die Abdeckhaube 16 hinein. Das Zuströmelement 18 ist dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand einen Reaktanten, insbesondere Wasserstoff, in den Gasraum 14 der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zu leiten und der Funktionsschicht 26 zuzuführen. Ein zweiter Reaktant, insbesondere Sauerstoff oder Luft, wird der Funktionsschicht 26 über den porösen Teilbereich 24 der Abdeckhaube 16 zugeführt. Ein Reaktionsprodukt, insbesondere Wasserdampf, wird über den Kanal 30 im Fußbereich 28 abgeführt. The inflow element 18 is tubular and protrudes in an assembled state, as shown, in the cover 16 into it. The inflow element 18 is intended, in at least one operating state, a reactant, in particular hydrogen, in the gas space 14 the fuel cell device 10 to direct and the functional layer 26 supply. A second reactant, especially oxygen or air, becomes the functional layer 26 over the porous portion 24 the cover 16 fed. A reaction product, especially water vapor, is passed over the channel 30 in the foot area 28 dissipated.

Der Gasraum 14 wird, wie dargestellt, von der Abdeckhaube 16 und dem Zuströmelement 18 begrenzt. Um das Zuströmelement 18 dichtend mit der Abdeckhaube 16 zu verbinden, weist das Zuströmelement 18 eine erste Dichtfläche 20 und die Abdeckhaube 16 eine zu der ersten Dichtfläche 20 korrespondierende zweite Dichtfläche 22 auf. Das Zuströmelement 18 ist hier im Bereich der ersten Dichtfläche 20 beispielhaft kegelförmig ausgebildet. Hiervon abweichende Geometrien sind jedoch ebenso denkbar. Zur Steigerung einer Dichtwirkung ist zwischen die erste Dichtfläche 20 und die zweite Dichtfläche 22 eine Dichtmasse 40 eingebracht. Abhängig von Dichtigkeitsanforderungen kann jedoch auch auf das Einbringen einer Dichtmasse verzichtet werden.The gas space 14 is, as shown, of the cover 16 and the inflow element 18 limited. To the inflow element 18 sealing with the cover 16 to connect, has the inflow element 18 a first sealing surface 20 and the cover 16 one to the first sealing surface 20 corresponding second sealing surface 22 on. The inflow element 18 is here in the area of the first sealing surface 20 formed as an example cone-shaped. However, deviating geometries are also conceivable. To increase a sealing effect is between the first sealing surface 20 and the second sealing surface 22 a sealant 40 brought in. Depending on the sealing requirements but can be dispensed with the introduction of a sealant.

Die Abdeckhaube 16 und das Zuströmelement 18 sind aus einem identischen keramischen Material gebildet. Ferner handelt es sich bei der Dichtmasse 40 vorzugsweise um eine keramische und/oder glaskeramische Dichtmasse. Hierdurch weist die Brennstoffzelleneinheit 12 durchgehend einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch ein Auftreten thermo-mechanischer Spannungen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 12 vermieden werden kann. The cover 16 and the inflow element 18 are made of an identical ceramic material. Furthermore, it is the sealant 40 preferably a ceramic and / or glass-ceramic sealant. As a result, the fuel cell unit has 12 throughout a same thermal expansion coefficient, whereby an occurrence of thermo-mechanical stresses within the fuel cell unit 12 can be avoided.

Um eine einfache Verschaltung von Brennstoffzellenvorrichtungen 10, 32 zu einem Brennstoffzellensystem 34 zu ermöglichen, ist die Funktionsschicht 26 in den Fußbereich 28 hineingeführt. Dazu ist die Funktionsschicht 26 zwischen der ersten Dichtfläche 20 und der zweiten Dichtfläche 22 hindurchgeführt und in die Dichtmasse 40 eingebettet. Ebenso sind die Brennstoffzellen über den Kanal 30 fluidtechnisch miteinander verschaltet. Ein Kontaktbereich 44 zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellenvorrichtungen 10, 32 eines Brennstoffzellensystems 34 kann, falls notwendig, durch eine geeignete Dichtmasse abgedichtet werden. Sowohl die elektrische als auch die fluidtechnische Verschaltung von Brennstoffzellenvorrichtungen 10, 32 ist hier lediglich beispielhaft dargestellt. Alternative, dem Fachmann bekannte, Möglichkeiten zur Verschaltung insbesondere tubularer Brennstoffvorrichtungen sind hier ebenso denkbar. Ferner kann ein Brennstoffzellensystem eine größere Anzahl von Brennstoffzellenvorrichtungen als hier gezeigt aufweisen.To a simple interconnection of fuel cell devices 10 . 32 to a fuel cell system 34 to enable is the functional layer 26 in the foot area 28 ushered. This is the functional layer 26 between the first sealing surface 20 and the second sealing surface 22 passed and into the sealant 40 embedded. Likewise, the fuel cells are over the channel 30 fluidly interconnected. A contact area 44 between two adjacent fuel cell devices 10 . 32 a fuel cell system 34 can, if necessary, be sealed by a suitable sealant. Both the electrical and the fluidic interconnection of fuel cell devices 10 . 32 is shown here only as an example. Alternative, known to those skilled, options for interconnection in particular tubular fuel devices are also conceivable here. Further, a fuel cell system may include a larger number of fuel cell devices than shown here.

Claims (11)

Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere tubulare Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit (12), welche zumindest einen Gasraum (14), welcher dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Reaktanten aufzunehmen, zumindest im Wesentlichen allseitig begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (12) überall zumindest im Wesentlichen einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.Fuel cell device, in particular tubular fuel cell device, with a fuel cell unit ( 12 ), which at least one gas space ( 14 ), which is intended to receive at least one reactant in at least one operating state, at least substantially limited on all sides, characterized in that the fuel cell unit ( 12 ) has at least substantially the same thermal expansion coefficient everywhere. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (12) zumindest im Wesentlichen von zumindest einem keramischen Material gebildet ist.Fuel cell device according to claim 1, characterized in that the fuel cell unit ( 12 ) is formed at least substantially of at least one ceramic material. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (12) zumindest einen Abdeckhaube (16) aufweist.Fuel cell device according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel cell unit ( 12 ) at least one cover ( 16 ) having. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (12) zumindest ein Zuströmelement (18) aufweist.Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit ( 12 ) at least one inflow element ( 18 ) having. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abdeckhaube (16) und das zumindest eine Zuströmelement (18) zumindest im Wesentlichen aus einem zumindest weitgehend identischen keramischen Material gebildet sind.Fuel cell device according to claim 3 and 4, characterized in that the at least one cover ( 16 ) and the at least one inflow element ( 18 ) at least substantially are formed from an at least substantially identical ceramic material. Brennstoffzellenvorrichtung zumindest nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Zuströmelement (18) zumindest eine erste Dichtfläche (20) und die zumindest eine Abdeckhaube (16) zumindest eine zu der zumindest einen ersten Dichtfläche (20) korrespondierende zweite Dichtfläche (22) aufweist. Fuel cell device at least according to claim 3 and 4, characterized in that the at least one inflow element ( 18 ) at least a first sealing surface ( 20 ) and the at least one cover ( 16 ) at least one to the at least one first sealing surface ( 20 ) corresponding second sealing surface ( 22 ) having. Brennstoffzellenvorrichtung zumindest nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abdeckhaube (16) wenigstens einen zumindest teilweise porös ausgebildeten Teilbereich (24) aufweist.Fuel cell device at least according to claim 3, characterized in that the at least one cover ( 16 ) at least one at least partially porous portion ( 24 ) having. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch zumindest eine Funktionsschicht (26), welche auf den wenigstens einen zumindest teilweise porös ausgebildeten Teilbereich (24) aufgebracht ist. Fuel cell device according to claim 8, characterized by at least one functional layer ( 26 ), which on the at least one at least partially porous formed portion ( 24 ) is applied. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (12) in zumindest einem Fußbereich (28) zumindest einen Kanal (30) aufweist, der zumindest zu einer Gasführung vorgesehen ist.Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit ( 12 ) in at least one foot area ( 28 ) at least one channel ( 30 ), which is provided at least for a gas guide. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Funktionsschicht (26) zumindest teilweise in den zumindest einen Fußbereich (28) hinein geführt ist.Fuel cell device according to claim 8 and 9, characterized in that the at least one functional layer ( 26 ) at least partially into the at least one foot area ( 28 ) is guided into it. Brennstoffzellensystem mit zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen (10, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen (10, 32) elektrisch und/oder fluidtechnisch verschaltet sind. Fuel cell system with at least two fuel cell devices ( 10 . 32 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the at least two fuel cell devices ( 10 . 32 ) are electrically and / or fluidly connected.
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