DE102016220371A1

DE102016220371A1 - Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102016220371A1
Application number: DE102016220371.1A
Authority: DE
Inventors: Maxime Carre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Gasprozessoreinheit (8a, 8b, 8c), welche eine Mehrzahl von Funktionseinheiten (10a-d, 12a-d, 14a-d, 16a-d, 18a-d) aufweist, welche einen Verbund ausbilden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Aus der WO 2016/096197 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Gasprozessoreinheit bekannt, welche eine Mehrzahl von Funktionseinheiten umfasst, die einen Verbund ausbilden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Gasprozessoreinheit, welche eine Mehrzahl von Funktionseinheiten, insbesondere zumindest zwei, vorteilhaft zumindest drei, vorzugsweise zumindest vier und besonders bevorzugt zumindest fünf Funktionseinheiten, aufweist, welche einen Verbund ausbilden.
Es wird vorgeschlagen, dass die Gasprozessoreinheit zumindest eine weitere Funktionseinheit aufweist, welche versetzt zu den Funktionseinheiten, insbesondere dem Verbund und/oder den Funktionseinheiten, welche den Verbund ausbilden, angeordnet ist.
Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems verstanden werden. Unter einem „Brennstoffzellensystem“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie, verstanden werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest ein, vorteilhaft als Hotbox, ausgebildetes Gehäuse und/oder zumindest eine Brennstoffzelleneinheit aufweisen, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, vorteilhaft kontinuierlich zugeführten, Brennstoffes, vorzugsweise eines Brenngases, wie beispielsweise Wasserstoff und/oder Erdgas, und zumindest eines Oxidationsmittels, wie beispielsweise Luft und/oder Sauerstoff, in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere kann die Brennstoffzelleneinheit genau eine Brennstoffzelle und/oder vorzugsweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisen, welche vorteilhaft in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sein können. Ferner ist die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit bevorzugt als alkalische Brennstoffzelle (AFC), als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), als Magnesium-Luft-Brennstoffzelle (MAFC) und/oder vorteilhaft als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Unter einer „Gasprozessoreinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine, vorzugsweise separat und/oder getrennt von der Brennstoffzelleneinheit ausgebildete, Einheit verstanden werden, welche vorteilhaft in Wirkverbindung mit der Brennstoffzelleneinheit steht und insbesondere dazu vorgesehen ist, ein, insbesondere der Brennstoffzelleneinheit zugeführtes und/oder von der Brennstoffzelleneinheit abgeführtes, Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit und/oder vorteilhaft ein Gas, vorzugsweise zumindest den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel, aufzubereiten und/oder nachzubereiten. Vorzugsweise ist die Gasprozessoreinheit zumindest dazu vorgesehen, das Fluid vor einer Zuleitung zu der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Anode und/oder Kathode der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere für eine Verwendung innerhalb einer in der Brennstoffzelleneinheit ablaufenden Reaktion, und/oder zumindest ein Abgas der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer in der Brennstoffzelleneinheit ablaufenden Reaktion, aufzubereiten und/oder nachzubereiten. Dazu umfasst die Gasprozessoreinheit vorteilhaft wenigstens eine Funktionseinheit und/oder besonders bevorzugt wenigstens einen Anodengasprozessor und wenigstens einen Kathodengasprozessor, welche insbesondere jeweils wenigstens eine Funktionseinheit aufweisen. Unter einer „Funktionseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Teileinheit der Gasprozessoreinheit verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, zumindest einen Beitrag zu einer Aufbereitung, Nachbereitung und/oder Vorbereitung des Fluids und/oder des zumindest einen Abgases zu leisten.
Unter einem „Anodengasprozessor“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, einen Brennstoff, insbesondere ein Erdgas und/oder ein Brenngas und/oder ein Brenngasgemisch, auf eine Reaktionstemperatur zu erwärmen und/oder einen Brennstoff zumindest teilweise umzuwandeln, beispielsweise ein Erdgas in ein Brenngas und/oder ein Brenngasgemisch zu überführen. Alternativ oder zusätzlich kann der Anodengasprozessor insbesondere dazu vorgesehen sein, zumindest einen Teil des Oxidationsmittels, vorteilhaft einer Umgebungsluft, vor einer Zuführung zu der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit, auf eine Reaktionstemperatur zu erwärmen. Der Anodengasprozessor kann dazu insbesondere zumindest eine, insbesondere als Wärmeübertrager, als Entschwefeler und/oder als Reformer ausgebildete, Funktionseinheit umfassen. Unter einem „Kathodengasprozessor“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, das Oxidationsmittel, vorteilhaft eine Umgebungsluft, vor einer Zuführung zu der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere an eine Kathode der Brennstoffzelleneinheit, auf eine Reaktionstemperatur zu erwärmen und/oder ein Abgas, insbesondere Anodenabgas, der Brennstoffzelleneinheit nachzubereiten. Alternativ oder zusätzlich kann der Kathodengasprozessor insbesondere dazu vorgesehen sein, zumindest einen Teil eines Brennstoffs, insbesondere eines Erdgases und/oder eines Brenngases und/oder eines Brenngasgemischs, auf eine Reaktionstemperatur zu erwärmen. Der Kathodengasprozessor kann dazu insbesondere zumindest eine, insbesondere als Nachbrenner und/oder als Wärmeübertrager ausgebildete, Funktionseinheit umfassen. Vorteilhaft weist der Kathodengasprozessor und/oder wenigstens eine Funktionseinheit des Kathodengasprozessors eine höchste Nennbetriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung auf und ist vorzugsweise in einem zentralen Bereich des Gasprozessors angeordnet.
Darunter, dass Funktionseinheiten einen „Verbund ausbilden“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Funktionseinheiten eine räumliche, bauliche, thermische und/oder fluidtechnische Wirkverbindung aufweisen und/oder einen räumlichen, baulichen, thermischen und/oder fluidtechnischen Zusammenschluss ausbilden. Insbesondere sind die Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, dabei derart angeordnet, dass die Funktionseinheiten ein bestimmtes und insbesondere klar definiertes und/oder zusammenhängendes Volumensegment, vorteilhaft in einer möglichst dichten Anordnung, ausfüllen und/oder einen, insbesondere thermischen, Hauptwärmeübertragungsbereich und/oder einen Hauptströmungsbereich eines Fluids definieren. Vorzugsweise sind unmittelbar benachbarte Funktionseinheiten der Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, in einem Nahbereich relativ zueinander angeordnet und kontaktieren sich vorteilhaft unmittelbar, sodass vorteilhaft eine Wärmeübertragung zwischen einer Funktionseinheit mit einer ersten Nennbetriebstemperatur auf eine benachbarte Funktionseinheit mit einer zweiten Nennbetriebstemperatur erfolgt und/oder erfolgen kann. Besonders bevorzugt bilden die Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, dabei eine zumindest teilweise einstückig verbundene und/oder, insbesondere mittels eines Verbundgehäuses, zusammenhängende Baugruppe aus. Bevorzugt weisen die Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, eine zumindest teilweise konzentrische Anordnung auf, wobei die Funktionseinheit mit der höchsten Nennbetriebstemperatur zentral im Verbund angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Kathodengasprozessor und/oder die Funktionseinheiten des Kathodengasprozessors zu wenigstens einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, in den Verbund integriert. Unter dem Ausdruck „zu wenigstens einem Großteil“ sollen dabei insbesondere zumindest 55 %, vorteilhaft zumindest 65 %, vorzugsweise zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 % und besonders vorteilhaft zumindest 95 % verstanden werden. Unter einem „Nahbereich“ soll insbesondere ein räumlicher Bereich verstanden werden, welcher aus Punkten gebildet ist, die weniger als ein Drittel, vorzugsweise weniger als ein Viertel, bevorzugt weniger als ein Sechstel und besonders bevorzugt weniger als ein Zehntel einer maximalen Erstreckungslänge des Gehäuses und/oder der Gasprozessoreinheit von einem Referenzpunkt und/oder einem Referenzbauteil entfernt sind. Darunter, dass ein Objekt mit einem weiteren Objekt „zumindest teilweise einstückig verbunden“ ist soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Objekte zumindest ein gemeinsames Bauteil aufweisen und/oder zumindest ein Bauteil des Objekts und/oder das Objekt einstückig mit zumindest einem Bauteil des weiteren Objekts und/oder dem weiteren Objekt verbunden und/oder ausgebildet ist. Bevorzugt sind jedoch sämtliche Bauteile des Objekts einstückig mit zumindest einem Bauteil des weiteren Objekts ausgebildet. Unter „einstückig“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden und/oder miteinander ausgebildet verstanden werden. Der Stoffschluss kann beispielsweise durch einen Klebeprozess, einen Anspritzprozess, einen Schweißprozess, einen Lötprozess und/oder einen anderen Prozess hergestellt werden. Vorteilhaft soll unter einstückig aus einem Stück und/oder in einem Stück geformt verstanden werden. Vorzugsweise wird dieses eine Stück aus einem einzelnen Rohling, einer Masse und/oder einem Guss, wie beispielsweise in einem Extrusionsverfahren, insbesondere einem Ein- und/oder Mehrkomponenten-Extrusionsverfahren, und/oder einem Spritzgussverfahren, insbesondere einem Ein- und/oder Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren, hergestellt. Unter einer „Nennbetriebstemperatur einer Funktionseinheit“ soll ferner insbesondere eine insbesondere durchschnittliche Prozesstemperatur verstanden werden, welche die jeweilige Funktionseinheit während eines insbesondere eingeschwungenen Betriebs aufweist.
Darunter, dass ein Objekt „versetzt zu den Funktionseinheiten“ angeordnet ist, soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Objekt außerhalb des Verbunds angeordnet ist und vorteilhaft einen Abstand zu den Funktionseinheiten und/oder dem Verbund aufweist, insbesondere derart, dass sich die Funktionseinheiten und das Objekt nicht berühren. Insbesondere füllen die Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, und die weitere Funktionseinheit ein weiteres Volumensegment aus, welches um zumindest 1 %, vorzugsweise um zumindest 2,5 % und besonders bevorzugt um zumindest 5 %, größer ist als das Volumensegment, welches insbesondere durch die möglichst dichte Anordnung der Funktionseinheiten ausgebildet wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere können Wärmeverluste, insbesondere innerhalb der Gasprozessoreinheit, vorteilhaft minimiert werden. Des Weiteren ist eine Reduktion der Zugänglichkeit an die Funktionseinheiten innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung im Falle einer Wartung und/oder Reparatur vorteilhaft minimiert und hierdurch insbesondere eine Zugänglichkeit verbessert.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Brennstoffzelleneinheit, insbesondere die bereits zuvor genannte Brennstoffzelleneinheit, aufweist, welche versetzt zu den Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, angeordnet ist. Dadurch kann insbesondere eine Zugänglichkeit an die Brennstoffzelleneinheit innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung im Falle einer Wartung und/oder Reparatur weiter verbessert werden.
Die Brennstoffzelleneinheit und die weitere Funktionseinheit können insbesondere auf unterschiedlichen Seiten und vorteilhaft auf sich gegenüberliegenden Seiten der Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, angeordnet sein, insbesondere in zumindest einer Richtung betrachtet. Vorzugsweise wird jedoch vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brennstoffzelleneinheit aufweist, insbesondere die bereits zuvor genannte Brennstoffzelleneinheit, welche auf einer selben Seite der Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, wie die weitere Funktionseinheit angeordnet ist, insbesondere in zumindest einer Richtung betrachtet. Hierdurch kann insbesondere eine Bauraumeffizienz, eine Wartungseffizienz und/oder eine Fertigungseffizienz verbessert werden.
Ferner wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass die weitere Funktionseinheit zumindest teilweise, vorzugsweise zu wenigstens einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, zwischen der Brennstoffzelleneinheit und den Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, angeordnet ist. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhafte Wärmeübertragung von der Brennstoffzelleneinheit und/oder den Funktionseinheiten an die weitere Funktionseinheit erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit zumindest teilweise, vorzugsweise zu wenigstens einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, zwischen der weiteren Funktionseinheit und den Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, angeordnet ist. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhafte Zugänglichkeit, insbesondere zur weiteren Funktionseinheit erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die weitere Funktionseinheit und die Brennstoffzelleneinheit konzentrisch zueinander angeordnet sind, insbesondere um eine zentrale Achse, insbesondere des Gehäuses und/oder der Gasprozessoreinheit. Vorzugsweise umgreifen die weitere Funktionseinheit und/oder die Brennstoffzelleneinheit die zentrale Achse, insbesondere in Umfangsrichtung, zumindest teilweise, vorzugsweise zu wenigstens einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig. Besonders bevorzugt umgreift die weitere Funktionseinheit dabei die Brennstoffzelleneinheit. Insbesondere weisen die weitere Funktionseinheit und/oder die Brennstoffzelleneinheit in Richtung der zentralen Achse betrachtet eine zumindest im Wesentlichen rechteckige und/oder runde Kontur und/oder Form auf. Ferner könnten die weitere Funktionseinheit und die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere in eine Richtung senkrecht zu der zentralen Achse, beabstandet zueinander sein. Vorzugsweise kontaktieren sich die weitere Funktionseinheit und die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere in die Richtung senkrecht zu der zentralen Achse, jedoch unmittelbar und sind bevorzugt formschlüssig zueinander angeordnet. Unter einem „zumindest im Wesentlichen runden“ Objekt soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Objekt verstanden werden, welches von einem runden Referenzobjekt mit einem Flächenanteil von höchstens 20 %, vorzugsweise von höchstens 15 % und besonders bevorzugt von höchstens 10 % abweicht. Entsprechendes soll insbesondere für die Wendung „zumindest im Wesentlichen“ rechteckig gelten. Hierdurch kann insbesondere eine nahezu bauraumneutrale Ausgestaltung realisiert werden. Zudem kann vorteilhaft eine Wärmeübertragung der Brennstoffzelleneinheit auf die weitere Funktionseinheit und/oder umgekehrt vorteilhaft erhöht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die weitere Funktionseinheit zumindest eine thermische Verbindung mit den Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden, aufweist. Darunter, dass ein Objekt „zumindest eine thermische Verbindung mit einem weiteren Objekt aufweist“ soll insbesondere verstanden werden, dass in wenigstens einem Betriebszustand eine Wärmeübertragung zwischen den Objekten ermöglicht ist und/oder erfolgt. Vorteilhaft weist die weitere Funktionseinheit dabei eine niedrigere, vorteilhaft um zumindest 5 % niedrigere, Nennbetriebstemperatur auf, als wenigstens eine der Funktionseinheiten, welche insbesondere den Verbund ausbilden. Hierdurch kann insbesondere eine Energieeffizienz und/oder eine Wärmeeffizienz der Brennstoffzellenvorrichtung verbessert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brennstoffzelleneinheit aufweist, insbesondere die bereits zuvor genannte Brennstoffzelleneinheit, welche zumindest eine thermische Verbindung mit der weiteren Funktionseinheit aufweist. Hierdurch kann insbesondere eine Energieeffizienz und/oder eine Wärmeeffizienz der Brennstoffzellenvorrichtung weiter erhöht und/oder optimiert werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die weitere Funktionseinheit wenigstens ein Heizelement aufweist. Unter einem „Heizelement“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Element verstanden werden, welches insbesondere dazu vorgesehen ist, in wenigstens einem Betriebszustand, insbesondere durch einen chemischen und/oder physikalischen Prozess, thermische Energie bereitzustellen. Vorzugsweise ist das Heizelement dabei als ein elektrisches Heizelement ausgebildet und insbesondere dazu vorgesehen, eine elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Hierdurch kann insbesondere die weitere Funktionseinheit thermisch isoliert und/oder räumlich versetzt von anderen Funktionseinheiten betrieben werden. Zudem kann vorteilhaft eine Betriebstemperatur der weiteren Funktionseinheit eingestellt und/oder eine ausreichende Betriebstemperatur der weiteren Funktionseinheit gewährleistet werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die weitere Funktionseinheit als ein Reformer ausgebildet ist. Unter einem „Reformer“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit verstanden werden, welche insbesondere zumindest zu einer, insbesondere teilweisen oder vollständigen, Aufbereitung des Brennstoffs, insbesondere durch eine Dampfreformierung und/oder durch eine partielle Oxidation und/oder durch eine autotherme Reformierung, vorgesehen ist, insbesondere zur Gewinnung zumindest eines Brenngases und/oder eines Brenngasgemischs. Vorteilhaft ist die insbesondere als Reformer ausgebildete weitere Funktionseinheit dazu vorgesehen, einer Anode der, insbesondere der weiteren Funktionseinheit nachgeschalteten, Brennstoffzelleneinheit einen aufbereiteten Brennstoff, insbesondere ein Brenngas und/oder ein Brenngasgemisch, zur Verfügung zu stellen. Hierdurch kann insbesondere eine besonders effizientere Energiegewinnung der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, welche eine Gasprozessoreinheit aufweist, die eine Mehrzahl von Funktionseinheiten, insbesondere zumindest zwei, vorteilhaft zumindest drei, vorzugsweise zumindest vier und besonders bevorzugt zumindest fünf Funktionseinheiten, aufweist, welche den Verbund ausbilden und zumindest eine weitere Funktionseinheit aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass die weitere Funktionseinheit versetzt zu den Funktionseinheiten, insbesondere dem Verbund und/oder den Funktionseinheiten, welche den Verbund ausbilden, angeordnet wird. Dadurch können insbesondere Betriebseigenschaften einer Brennstoffzellenvorrichtung verbessert werden. Insbesondere kann durch das Verfahren eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellt werden, in welcher Wärmeverluste, insbesondere innerhalb der Gasprozessoreinheit, vorteilhaft minimiert werden. Des Weiteren ist die Zugänglichkeit an die Funktionseinheiten innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung im Falle einer Wartung und/oder Reparatur verbessert bei gleichzeitig guter thermischer Integration der weiteren Funktionseinheit in die Brennstoffzellenvorrichtung.
Die Brennstoffzellenvorrichtung und das Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können die Brennstoffzellenvorrichtung und das Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele 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.
Es zeigen:

1 ein beispielhafter verfahrenstechnischer Schaltplan eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenvorrichtung umfassend eine Gasprozessoreinheit, welche mehrere Funktionseinheiten umfasst,
2 eine vereinfachte Prinzipskizze einer Anordnung der Funktionseinheiten in einer seitlichen Ansicht,
3 ein Schnittbild der Brennstoffzellenvorrichtung zur Veranschaulichung eines ersten Fluidverlaufs,
4 ein Schnittbild der Brennstoffzellenvorrichtung zur Veranschaulichung eines zweiten Fluidverlaufs,
5 ein Schnittbild der Brennstoffzellenvorrichtung zur Veranschaulichung eines dritten Fluidverlaufs,
6 eine vereinfachte Prinzipskizze einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtung mit einer alternativen Anordnung von Funktionseinheiten in einer seitlichen Ansicht,
7 eine vereinfachte Prinzipskizze einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtung mit einer alternativen Anordnung von Funktionseinheiten in einer seitlichen Ansicht und
8 ein weiterer beispielhafter verfahrenstechnischer Schaltplan eines weiteren Brennstoffzellensystems mit einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtung umfassend eine Gasprozessoreinheit, welche mehrere Funktionseinheiten umfasst.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Brennstoffzellensystems 4a mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Die Brennstoffzellenvorrichtung weist ein Gehäuse 6a auf. Das Gehäuse 6a ist als Außengehäuse ausgebildet. Das Gehäuse 6a ist als Aufnahmegehäuse ausgebildet. Das Gehäuse 6a ist geschlossen ausgebildet. Das Gehäuse 6a ist thermisch isoliert. Das Gehäuse 6a ist als Hotbox ausgebildet. Das Gehäuse 6a ist ferner länglich ausgebildet. Eine Längserstreckung des Gehäuses 6a definiert dabei eine Längserstreckungsrichtung 30a (vgl. insbesondere 2). Im vorliegenden Fall ist das Gehäuse 6a ferner zylinderförmig ausgebildet, wobei insbesondere eine Höhe des Gehäuses 6a parallel zu der Längserstreckungsrichtung 30a ist. Alternativ ist denkbar, ein Gehäuse quaderförmig auszugestalten. Zudem ist es prinzipiell auch denkbar auf ein Gehäuse vollständig zu verzichten.
Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 34a auf. Im vorliegenden Fall umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung genau eine Brennstoffzelleneinheit 34a. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist innerhalb des Gehäuses 6a angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist hier vereinfacht als eine einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist im vorliegenden Fall als Festoxid-Brennstoffzelle ausgeführt. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist dazu vorgesehen, mit einem Brennstoff und/oder Brennstoff-Gemisch und einem Oxidationsmittel betrieben zu werden. Der Brennstoff, im vorliegenden Fall insbesondere Erdgas, wird dem Brennstoffzellensystem 4a dabei mittels einer ersten Zufuhrleitung 40a und das Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall insbesondere Umgebungsluft, mittels einer zweiten Zufuhrleitung 56a zugeführt. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie vorgesehen, welche insbesondere über zwei Gleichstromleitungen 42a, 44a der Brennstoffzellenvorrichtung und im vorliegenden Fall insbesondere einen nachgeschalteten, beispielsweise als Gleichrichter und/oder Wechselrichter ausgebildeten, Stromrichter 46a abgreifbar ist. Die Brennstoffzelleneinheit 34a weist ferner wenigstens eine Anode 48a und wenigstens eine Kathode 50a auf. Alternativ ist jedoch auch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen denkbar. Zudem könnte eine Brennstoffzelleneinheit prinzipiell auch als Magnesium-Luft-Brennstoffzelle oder dergleichen ausgebildet sein. Darüber hinaus könnte eine Brennstoffzellenvorrichtung mehrere Brennstoffzelleneinheiten, wie beispielsweise zumindest zwei, zumindest drei und/oder zumindest vier und/oder eine andere dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, aufweisen.
Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung eine Gasprozessoreinheit 8a. Die Gasprozessoreinheit 8a ist innerhalb des Gehäuses 6a angeordnet. Die Gasprozessoreinheit 8a ist separat und/oder getrennt von der Brennstoffzelleneinheit 34a ausgebildet. Die Gasprozessoreinheit 8a steht in Wirkverbindung mit der Brennstoffzelleneinheit 34a. Die Gasprozessoreinheit 8a ist dazu vorgesehen, ein der Brennstoffzelleneinheit 34a zugeführtes und von der Brennstoffzelleneinheit 34a abgeführtes Fluid, insbesondere zumindest den Brennstoff, das Brennstoff-Gemisch, das Oxidationsmittel und/oder ein Abgas der Brennstoffzelleneinheit 34a, aufzubereiten und nachzubereiten.
Dazu umfasst die Gasprozessoreinheit 8a mehrere Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a. Im vorliegenden Fall umfasst die Gasprozessoreinheit 8a sechs Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a. Alternativ könnte eine Gasprozessoreinheit jedoch auch eine andere Anzahl an Funktionseinheiten aufweisen, wie beispielsweise zumindest zwei, zumindest vier und/oder zumindest acht Funktionseinheiten. Die Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a sind zumindest teilweise verschieden voneinander ausgebildet und insbesondere zur Bereitstellung unterschiedlicher Funktionen vorgesehen. Die Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a weisen jeweils eine spezifische Nennbetriebstemperatur auf.
Eine erste Funktionseinheit 10a der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a ist als Nachbrenner ausgebildet. Die erste Funktionseinheit 10a weist die höchste Nennbetriebstemperatur auf. Die erste Funktionseinheit 10a ist dazu vorgesehen, brennbare Bestandteile eines Kathodenabgases 84a nachzuverbrennen. Zudem ist die erste Funktionseinheit 10a dazu vorgesehen, zumindest einen Teil eines Anodenabgases 80a der Brennstoffzelleneinheit 34a nachzubereiten. Des Weiteren ist die erste Funktionseinheit 10a dazu vorgesehen, thermische Energie, welche insbesondere durch einen Nachbrennprozess erzeugt wird, auf die anderen Funktionseinheiten 12a, 14a, 16a, 18a, 20a der Gasprozessoreinheit 8a zu übertragen.
Eine zweite Funktionseinheit 12a der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a ist als erster Wärmeübertrager ausgebildet. Die zweite Funktionseinheit 12a ist dazu vorgesehen, eine thermische Energie auf ein die zweite Funktionseinheit 12a durchströmendes Fluid, im vorliegenden Fall insbesondere das Oxidationsmittel, zu übertragen. Im vorliegenden Fall ist die zweite Funktionseinheit 12a dazu vorgesehen, thermische Energie zumindest von der ersten Funktionseinheit 10a aufzunehmen und auf das die zweite Funktionseinheit 12a durchströmende Fluid zu übertragen. Die erste Funktionseinheit 10a und die zweite Funktionseinheit 12a bilden zusammen einen Kathodengasprozessor 36a aus. Alternativ könnte ein Kathodengasprozessor jedoch auch eine andere Anzahl an Funktionseinheiten, wie beispielsweise zumindest drei und/oder zumindest vier Funktionseinheiten, und/oder anders ausgebildete Funktionseinheiten aufweisen. Ferner könnte eine als Wärmeübertrager ausgebildete zweite Funktionseinheit insbesondere auch als Rohrbündelwärmeübertrager und/oder Rohrwendelwärmeübertrager ausgebildet sein.
Eine dritte Funktionseinheit 14a der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a ist als zweiter Wärmeübertrager ausgebildet. Die dritte Funktionseinheit 14a ist dazu vorgesehen, thermische Energie an ein die dritte Funktionseinheit 14a durchströmendes Fluid, im vorliegenden Fall insbesondere den Brennstoff und/oder das Brennstoff-Gemisch, zu übertragen. Insbesondere könnte eine als Wärmeübertrager ausgebildete dritte Funktionseinheit insbesondere auch als Rohrbündelwärmeübertrager und/oder Rohrwendelwärmeübertrager ausgebildet sein.
Eine vierte Funktionseinheit 16a der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a ist als ein Entschwefeler ausgebildet. Die vierte Funktionseinheit 16a ist dazu vorgesehen, ein durch schwefelhaltige Verbindungen verunreinigtes Fluid, im vorliegenden Fall insbesondere den Brennstoff und/oder das Brennstoff-Gemisch durch chemische Reaktionen und/oder durch Verbrennungsprozesse von den schwefelhaltigen Verbindungen zu reinigen. Dabei werden schwefelhaltige Verbindungen, wie beispielsweise Schwefelwasserstoffe, in schwefelhaltige Oxidverbindungen und/oder reinen Schwefel überführt, welche leicht aus dem Fluid herausgefiltert werden können. Dazu weist die vierte Funktionseinheit 16a im vorliegenden Fall wenigstens ein Heizelement 64a auf, welches insbesondere thermische Energie für die chemische Reaktion bereitstellt. Das Heizelement 64a ist im vorliegenden Fall als ein elektrischer Heizdraht ausgebildet. Alternativ ist denkbar, eine vierte Funktionseinheit ohne Heizelement auszuführen. Zudem könnte prinzipiell auch auf eine vierte Funktionseinheit vollständig verzichtet werden.
Eine fünfte Funktionseinheit 18a der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a ist als ein dritter Wärmeübertrager ausgebildet. Die fünfte Funktionseinheit 18a ist dazu vorgesehen, thermische Energie an ein die fünfte Funktionseinheit 18a durchströmendes Fluid, insbesondere den Brennstoff und/oder das Brennstoff-Gemisch, zu übertragen. Im vorliegenden Fall ist die fünfte Funktionseinheit 18a dazu vorgesehen, thermische Energie von dem Anodenabgas 80a, auf das Fluid, insbesondere auf den Brennstoff und/oder das Brennstoff-Gemisch, welches gereinigt, insbesondere entschwefelt, aus der vierten Funktionseinheit 16a in die fünfte Funktionseinheit 18a strömt, zu übertragen. Insbesondere könnte eine als Wärmeübertrager ausgebildete fünfte Funktionseinheit insbesondere auch als Rohrbündelwärmeübertrager und/oder Rohrwendelwärmeübertrager ausgebildet sein.
Eine, im vorliegenden Fall insbesondere als sechste Funktionseinheit ausgebildete, weitere Funktionseinheit 20a der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a ist als ein Reformer ausgebildet. Die weitere Funktionseinheit 20a ist zu einer Aufbereitung des Brennstoffs und/oder des Brennstoff-Gemischs vorgesehen. Die weitere Funktionseinheit 20a ist im vorliegenden Fall dazu vorgesehen, bei einer Reaktionstemperatur zwischen 550°C und 950°C und vorzugsweise zwischen 650°C und 850°C eine endotherme Dampf-Reformierung der im Brennstoff vorhandenen langkettigen Alkane durchzuführen. Dabei gilt (C_xH_2(x+1), mit x > 1): C_xH_2(x+1) + x ∗ H₂O ➙ x ∗ CO + (2x+1) ∗ H₂
Für eine gleichzeitige partielle Oxidation der Kohlenwasserstoffe C_xH_2(x+1) kann ferner Luftsauerstoff zugeführt werden, im vorliegenden Fall insbesondere mittels einer dritten Zufuhrleitung 60a der Brennstoffzellenvorrichtung.
Darüber hinaus umfasst die weitere Funktionseinheit 20a im vorliegenden Fall wenigstens ein weiteres Heizelement 66a. Das weitere Heizelement 66a ist als elektrisches Heizelement ausgebildet. Das weitere Heizelement 66a dient im vorliegenden Fall der Erwärmung der weiteren Funktionseinheit 20a bei einem Startvorgang. Alternativ könnte ein weiteres Heizelement auch als Anordnung von Heizplatten, als Gasheizung und/oder als ein beliebiges anderes Heizelement mit einer für den Betrieb einer weiteren Funktionseinheit ausreichenden Nennbetriebstemperatur ausgebildet sein. Zudem könnte auf ein weiteres Heizelement auch vollständig verzichtet werden.
Die dritte Funktionseinheit 14a, die vierte Funktionseinheit 16a, die fünfte Funktionseinheit 18a und die weitere Funktionseinheit 20a bilden zusammen einen Anodengasprozessor 38a aus. Alternativ könnte ein Anodengasprozessor jedoch auch eine andere Anzahl an Funktionseinheiten, wie beispielsweise zumindest drei und/oder zumindest vier Funktionseinheiten, und/oder anders ausgebildete Funktionseinheiten aufweisen.
Im Folgenden wird eine Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 4a erläutert. Über die erste Zufuhrleitung 40a und eine nachgeschaltete Rezirkulationspumpe 54a wird der Brennstoffzellenvorrichtung der Brennstoff zugeführt. Der Brennstoff wird im vorliegenden Fall mit einem Rezirkulat 52a zu einem Brennstoff-Gemisch vermischt. Alternativ ist jedoch auch denkbar, reinen Brennstoff zu verwenden.
Das Brennstoff-Gemisch wird anschließend in der dritten Funktionseinheit 14a, der vierten Funktionseinheit 16a, der fünften Funktionseinheit 18a und der weiteren Funktionseinheit 20a zu einem aufbereiteten Brennstoff aufbereitet.
Der aufbereitete Brennstoff wird der Anode 48a der Brennstoffzelleneinheit 34a zugeführt und in der Anode 48a durch eine elektrochemische Reaktion unter Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie umgesetzt. Ein Teil des hierdurch erzeugten, insbesondere heißen, Anodenabgases 80a der Brennstoffzelleneinheit 34a wird in die fünfte Funktionseinheit 18a geleitet, um das Brennstoff-Gemisch und/oder den zumindest teilweise aufbereiteten Brennstoff, auf eine Reaktionstemperatur zu erhitzen.
Da der aufbereitete Brennstoff nicht vollständig in der Anode 48a der Brennstoffzelleneinheit 34a umsetzbar ist, wird ein weiterer Teil des Anodenabgases 80a über die dritte Funktionseinheit 14a dem Brennstoff wieder als Rezirkulat 52a zugeführt. Der Rest des Anodenabgases 80a wird direkt der ersten Funktionseinheit 10a zugeführt. Die in der ersten Funktionseinheit 10a entstehende Wärme wird verwendet, um das Oxidationsmittel für die Kathode 50a zu erhitzen und insbesondere über eine Abfuhrleitung 58a aus der Brennstoffzellenvorrichtung abzuführen, beispielsweise um Heizungswasser zu erwärmen.
Für die elektrochemische Reaktion in der Kathode 50a wird das Oxidationsmittel in der zweiten Funktionseinheit 12a, auf die Reaktionstemperatur erhitzt. Nach dem Austritt aus der Kathode 50a der Brennstoffzelleneinheit 34a wird das Kathodenabgas 84a direkt in die erste Funktionseinheit 10a geleitet. Zusätzlich zu einem Teil des Anodenabgases 80a kann der ersten Funktionseinheit 10a ein weiterer Brennstoff, insbesondere Erdgas, über eine vierte Zufuhrleitung 62a zugeführt werden. Dies kann vor allem bei einem Aufheizvorgang des Brennstoffzellensystems 4a notwendig sein.
2 zeigt eine vereinfachte Prinzipskizze einer Anordnung der Gasprozessoreinheit 8a und der Brennstoffzelleneinheit 34a innerhalb des Gehäuses 6a. Die erste Funktionseinheit 10a, die zweite Funktionseinheit 12a, die dritte Funktionseinheit 14a, die vierte Funktionseinheit 16a und die fünfte Funktionseinheit 18a bilden einen Verbund aus. Im vorliegenden Fall bilden die erste Funktionseinheit 10a, die zweite Funktionseinheit 12a, die dritte Funktionseinheit 14a, die vierte Funktionseinheit 16a und die fünfte Funktionseinheit 18a eine einstückig verbundene und/oder integrale Baugruppe aus. Die erste Funktionseinheit 10a, die zweite Funktionseinheit 12a, die dritte Funktionseinheit 14a, die vierte Funktionseinheit 16a und die fünfte Funktionseinheit 18a definieren zudem einen thermischen Hauptwärmeübertragungsbereich, in welchem insbesondere eine hauptsächliche Wärmeübertragung, vorteilhaft durch Wärmeleitung, insbesondere von dem Kathodengasprozessor 36a auf die Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a, erfolgt.
Die erste Funktionseinheit 10a, die zweite Funktionseinheit 12a, die dritte Funktionseinheit 14a, die vierte Funktionseinheit 16a und die fünfte Funktionseinheit 18a sind dabei gemäß ihrer jeweiligen Nennbetriebstemperatur angeordnet. Die erste Funktionseinheit 10a und die zweite Funktionseinheit 12a und/oder der Kathodengasprozessor 36a weisen die höchste Nennbetriebstemperatur auf. Die erste Funktionseinheit 10a und die zweite Funktionseinheit 12a und/oder der Kathodengasprozessor 36a sind zentral angeordnet. Die dritte Funktionseinheit 14a, die vierte Funktionseinheit 16a und die fünfte Funktionseinheit 18a weisen eine im Vergleich zu der erste Funktionseinheit 10a und/oder zweiten Funktionseinheit 12a geringere Nennbetriebstemperatur auf. Die dritte Funktionseinheit 14a, die vierte Funktionseinheit 16a und die fünfte Funktionseinheit 18a sind in Längserstreckungsrichtung 30a betrachtet, um die erste Funktionseinheit 10a und die zweite Funktionseinheit 12a herum angeordnet. Die dritte Funktionseinheit 14a, die vierte Funktionseinheit 16a und die fünfte Funktionseinheit 18a umgreifen die erste Funktionseinheit 10a und die zweite Funktionseinheit 12a.
Der Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a ist im vorliegenden Fall zudem zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig, ausgebildet. Die Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a in dem Verbund sind dabei zumindest teilweise konzentrisch zueinander angeordnet. In radialer Richtung sind die Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a des Verbunds von Innen nach Außen in der folgenden Reihenfolge angeordnet. Kathodengasprozessor 36a, welcher die erste Funktionseinheit 10a und die zweite Funktionseinheit 12a aufweist, dritte Funktionseinheit 14a, vierte Funktionseinheit 16a. Der Verbund der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a weist eine Längserstreckung auf, welche parallel zu der Längserstreckungsrichtung 30a des Gehäuses 6a ausgerichtet ist. Alternativ könnte der Verbund der Funktionseinheiten jedoch auch eine von einer Zylinderform abweichende Form und/oder Kontur aufweisen, beispielsweise mit einem rechteckigen oder ovalen Querschnitt. Darüber hinaus ist denkbar, dass Funktionseinheiten des Verbunds getrennt und/oder beabstandet voneinander ausgebildet sind.
Die weitere Funktionseinheit 20a ist getrennt und/oder separat von dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a ausgebildet. Die weitere Funktionseinheit 20a ist versetzt zu dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a angeordnet. Die weitere Funktionseinheit 20a ist im vorliegenden Fall beabstandet zu dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a. Die weitere Funktionseinheit 20a ist außerhalb des Verbunds aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a angeordnet. Im vorliegenden Fall ist die weitere Funktionseinheit 20a in Längserstreckungsrichtung 30a versetzt zu dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a angeordnet.
Des Weiteren ist die Brennstoffzelleneinheit 34a getrennt und/oder separat von dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist versetzt zu dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist im vorliegenden Fall beabstandet zu dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist außerhalb des Verbunds aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a angeordnet. Im vorliegenden Fall ist die Brennstoffzelleneinheit 34a in Längserstreckungsrichtung 30a versetzt zu dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a angeordnet.
Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist ferner getrennt und/oder separat von der weiteren Funktionseinheit 20a ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist versetzt zu der weiteren Funktionseinheit 20a angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 34a ist im vorliegenden Fall beabstandet zu der weiteren Funktionseinheit 20a. Alternativ könnte eine Brennstoffzelleneinheit eine weitere Funktionseinheit jedoch auch berühren. Die Brennstoffzelleneinheit und die weitere Funktionseinheit könnten dabei formschlüssig zueinander ausgebildet sein, sodass insbesondere durch Wärmeleitung thermische Energie von der Brennstoffzelleneinheit an die weitere Funktionseinheit übertragen werden kann. Im vorliegenden Fall ist die Brennstoffzelleneinheit 34a in Längserstreckungsrichtung 30a versetzt zu der weiteren Funktionseinheit 20a angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 34a und die weitere Funktionseinheit 20a sind in Längserstreckungsrichtung 30a in gleicher Richtung versetzt zu dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 34a und die weitere Funktionseinheit 20a sind koaxial, insbesondere um eine zentrale Achse des Gehäuses 6a, angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 34a und die weitere Funktionseinheit 20a sind ferner relativ zu dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a auf einer selben Seite angeordnet. Die weitere Funktionseinheit 20a ist dabei vollständig zwischen der Brennstoffzelleneinheit 34a und dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a angeordnet. Alternativ könnten eine Brennstoffzelleneinheit und eine weitere Funktionseinheit jedoch auch auf unterschiedlichen Seiten relativ zu einem Verbund aus Funktionseinheiten angeordnet sein. Zudem könnten eine Brennstoffzelleneinheit und eine weitere Funktionseinheit versetzt zu einer zentralen Achse eines Gehäuses angeordnet sein. Darüber hinaus könnte eine weitere Funktionseinheit, welche insbesondere versetzt zu dem Verbund ausgebildet ist, auch als Wärmeübertrager, als Nachbrenner und/oder als Entschwefeler ausgebildet sein.
Die weitere Funktionseinheit 20a ist ferner derart angeordnet, dass die weitere Funktionseinheit 20a eine thermische Verbindung mit dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a aufweist. Dabei weist die weitere Funktionseinheit 20a eine niedrigere Nennbetriebstemperatur auf als zumindest eine der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a des Verbunds, sodass insbesondere eine Wärmeübertragung aus zumindest einer der Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a auf die weitere Funktionseinheit 20a erfolgt, beispielsweise durch Wärmestrahlung. Alternativ könnte eine Wärmeübertragung jedoch auch durch eine gemeinsame mechanische, formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung erfolgen. Zudem ist denkbar, auf eine thermische Verbindung zwischen einer weiteren Funktionseinheit und einem Verbund aus Funktionseinheiten zu verzichten.
Darüber hinaus ist die weitere Funktionseinheit 20a derart angeordnet, dass die weitere Funktionseinheit 20a eine thermische Verbindung mit der Brennstoffzelleneinheit 34a aufweist. Dabei weist die weitere Funktionseinheit 20a eine niedrigere Nennbetriebstemperatur auf als die Brennstoffzelleneinheit 34a, sodass insbesondere eine Wärmeübertragung aus der Brennstoffzelleneinheit 34a auf die weitere Funktionseinheit 20a erfolgt, beispielsweise durch Wärmestrahlung. Alternativ könnte eine Wärmeübertragung, beispielsweise durch Wärmeleitung, jedoch auch durch eine gemeinsame mechanische, formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung erfolgen. Zudem ist denkbar, auf eine thermische Verbindung zwischen einer weiteren Funktionseinheit und einer Brennstoffzelleneinheit zu verzichten.
Darüber hinaus umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung im vorliegenden Fall eine Gasprozessorperipherie 68a. Die Gasprozessorperipherie 68a ist zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses 6a angeordnet. Die Gasprozessorperipherie 68a entspricht einer Verrohrung. Die Gasprozessorperipherie 68a ist bezüglich des Verbunds aus den Funktionseinheiten 10a, 12a, 14a, 16a, 18a auf einer der weiteren Funktionseinheit 20a und/oder der Brennstoffzelleneinheit 34a gegenüberliegenden Seite angeordnet. Die Gasprozessorperipherie 68a ist für eine Verrohrung und/oder einen elektrischen Anschluss zwischen der Gasprozessoreinheit 8a und Peripheriekomponenten der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen. Jedoch ist ebenfalls auch eine andere Anordnung einer Gasprozessorperipherie denkbar.
3 zeigt ein Schnittbild der Brennstoffzellenvorrichtung zur Veranschaulichung eines Strömungsverlaufs des Brennstoff-Gemischs zur Brennstoffzelleneinheit 34a.
Das Brennstoff-Gemisch strömt über eine erste Rohrleitung 82a der Gasprozessorperipherie 68a in die dritte Funktionseinheit 14a. Dabei erfolgt zwischen Windungen einer Rohrwendel 70a eine Wärmeübertragung. Über eine Rohrverbindung strömt das Brennstoff-Gemisch dann vertikal in die vierte Funktionseinheit 16a. Das Brennstoff-Gemisch wird danach über eine weitere Rohrverbindung in die fünfte Funktionseinheit 18a geleitet, in welcher dem Brennstoff-Gemisch über Windungen einer weiteren Rohrwendel 72a Wärme übertragen wird. Anschließend gelangt das Brennstoff-Gemisch aus der fünften Funktionseinheit 18a in die weitere Funktionseinheit 20a. In der weiteren Funktionseinheit 20a erfolgt die endotherme Dampfreformierung. Über eine zweite Rohrleitung 74a, welche insbesondere zusammen mit der dritten Zufuhrleitung 60a eine gemeinsame Rohrleitung ausbildet, kann der weiteren Funktionseinheit 20a Luft zugeführt werden. Der so aufbereitete Brennstoff gelangt anschließend über eine Lochverbindung in die Brennstoffzelleneinheit 34a, in welcher die elektrochemische Reaktion stattfindet.
4 zeigt ein Schnittbild der Brennstoffzellenvorrichtung analog zu 3 zur Veranschaulichung eines Strömungsverlaufs des Oxidationsmittels. Das Oxidationsmittel, insbesondere aus der zweiten Zufuhrleitung 56a, strömt über eine dritte Rohrleitung 78a, welche insbesondere zusammen mit der zweiten Zufuhrleitung 56a eine gemeinsame Rohrleitung ausbildet, durch eine Rohrwendel (nicht dargestellt) der zweiten Funktionseinheit 12a. Anschließend wird das erwärmte Oxidationsmittel in die Kathode 50a der Brennstoffzelleneinheit 34a geleitet, in welcher die elektrochemische Reaktion des Oxidationsmittels erfolgt.
5 zeigt ein Schnittbild der Brennstoffzellenvorrichtung analog zu 3 zur Veranschaulichung eines Strömungsverlaufs des Abgases der Brennstoffzelleneinheit 34a. Das Anodenabgas 80a strömt aus der Anode 48a heraus und wird abgezweigt, wobei ein Teil des Anodenabgases 80a zur ersten Funktionseinheit 10a strömt und ein zweiter Teil in die fünfte Funktionseinheit 18a, in welcher Wärme abgegeben wird. Schließlich verlässt das Anodenabgas 80a über die erste Rohrleitung 82a die Brennstoffzellenvorrichtung. Das Kathodenabgas 84a strömt über eine weitere Rohrleitung für das Kathodenabgas 84a aus der Kathode 50a in die erste Funktionseinheit 10a, in welcher schließlich eine Verbrennungsreaktion aus der Mischung des Anodenabgases 80a und des Kathodenabgases 84a erfolgt. Das Kathodenabgas 84a verlässt die Brennstoffzellenvorrichtung über eine vierte Rohrleitung 86a.
In den 6 bis 8 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 5, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 5 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 6 bis 8 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis d ersetzt.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dem Ausführungsbeispiel der 6 ist der Buchstabe b nachgestellt. Das weitere Ausführungsbeispiel der 6 unterscheidet sich von dem vorherigen Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen durch eine Anordnung einer weiteren Funktionseinheit 20b.
Im vorliegenden Fall ist eine Brennstoffzelleneinheit 34b vollständig zwischen der weiteren Funktionseinheit 20b und einem Verbund aus Funktionseinheiten 10b, 12b, 14b, 16b, 18b, angeordnet. Zudem ist die weitere Funktionseinheit 20b frei von einer thermischen Verbindung mit dem Verbund aus den Funktionseinheiten 10b, 12b, 14b, 16b, 18b.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dem Ausführungsbeispiel der 7 ist der Buchstabe c nachgestellt. Das weitere Ausführungsbeispiel der 7 unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsbeispielen zumindest im Wesentlichen durch eine Ausgestaltung und/oder eine Anordnung einer weiteren Funktionseinheit 20c.
Im vorliegenden Fall sind eine Brennstoffzelleneinheit 34c und die weitere Funktionseinheit 20c koaxial, insbesondere um eine zentrale Achse eines Gehäuses 6c, angeordnet. Die zentrale Achse des Gehäuses 6c ist parallel zu einer Längserstreckungsrichtung 30c orientiert. Die weitere Funktionseinheit 20c und die Brennstoffzelleneinheit 34c sind konzentrisch zueinander angeordnet, insbesondere um die zentrale Achse. Dabei umgreifen die weitere Funktionseinheit 20c und/oder die Brennstoffzelleneinheit 34c die zentrale Achse, insbesondere in Umfangsrichtung. Im vorliegenden Fall umgreift die weitere Funktionseinheit 20c dabei die Brennstoffzelleneinheit 34c. Darüber hinaus kontaktieren sich die weitere Funktionseinheit 20c und die Brennstoffzelleneinheit 34c in Richtung parallel zu der zentralen Achse und sind im vorliegenden Fall insbesondere formschlüssig zueinander angeordnet.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dem Ausführungsbeispiel der 8 ist der Buchstabe d nachgestellt. Das weitere Ausführungsbeispiel der 8 unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsbeispielen zumindest im Wesentlichen durch eine Ausgestaltung und/oder eine Anordnung einer weiteren Funktionseinheit 20d.
Im vorliegenden Fall umfasst eine weitere Funktionseinheit 20d einen, insbesondere zusätzlichen, Wärmeübertrager 22d. Der Wärmeübertrager 22d ist in die weitere Funktionseinheit 20d integriert. Der Wärmeübertrager 22d ist im vorliegenden Fall als ein Plattenwärmeübertrager ausgebildet. Der Wärmeübertrager 22d ist dazu vorgesehen, Wärme aus einem Anodenabgas 80d auf die weitere Funktionseinheit 20d zu übertragen. Die weitere Funktionseinheit 20d, welche insbesondere ein Heizelement 66d und einen Wärmeübertrager 22d umfasst, ist quaderförmig ausgebildet. Insbesondere könnte eine Wärmeübertrager auch als Rohrbündelwärmeübertrager und/oder Rohrwendelwärmeübertrager ausgebildet sein.
Das Anodenabgas 80d aus einer Brennstoffzelleneinheit 34d wird in diesem Ausführungsbeispiel in den Wärmeübertrager 22d geleitet, insbesondere derart, dass in dem Wärmeübertrager 22d thermische Energie auf die weitere Funktionseinheit 20d übertragen wird. Das Anodenabgas 80d strömt nach der Wärmeübertragung aus der weiteren Funktionseinheit 20d in eine fünfte Funktionseinheit 18d. Nach einer weiteren Wärmeübertragung in der fünften Funktionseinheit 18d und einer nachgeschalteten dritten Funktionseinheit 14d wird das Anodenabgas 80d dann als Rezirkulat dem Brennstoff-Gemisch zugeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/096197 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Gasprozessoreinheit (8a, 8b, 8c), welche eine Mehrzahl von Funktionseinheiten (10a-d, 12a-d, 14a-d, 16a-d, 18a-d) aufweist, welche einen Verbund ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasprozessoreinheit (8a, 8b, 8c) zumindest eine weitere Funktionseinheit (20a-d) aufweist, welche versetzt zu den Funktionseinheiten (10a-d, 12a-d, 14a-d, 16a-d, 18a-d) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (34a-d), welche versetzt zu den Funktionseinheiten (10a-d, 12a-d, 14a-d, 16a-d, 18a-d) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (34a-d), welche auf einer selben Seite der Funktionseinheiten (10a-d, 12a-d, 14a-d, 16a-d, 18a-d) wie die weitere Funktionseinheit (20a-d) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionseinheit (20a) zumindest teilweise zwischen der Brennstoffzelleneinheit (34a) und den Funktionseinheiten (10a, 12a, 14a, 16a, 18a) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (34b) zumindest teilweise zwischen der weiteren Funktionseinheit (20b) und den Funktionseinheiten (10b, 12b, 14b, 16b, 18b) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionseinheit (20c) und die Brennstoffzelleneinheit (34c) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionseinheit (20a, 20c, 20d) zumindest eine thermische Verbindung mit den Funktionseinheiten (10a, 10c, 10d, 12a, 12c, 12d, 14a, 14c, 14d, 16a, 16c, 16d, 18a, 18c, 18d) aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (34a-d), welche zumindest eine thermische Verbindung mit der weiteren Funktionseinheit (20a-d) aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionseinheit (20a, 20d) wenigstens ein Heizelement (66a, 66d) aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionseinheit (20a-20d) als ein Reformer ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (4a-d) mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welche eine Gasprozessoreinheit (8a-d) aufweist, die eine Mehrzahl von Funktionseinheiten (10a-d, 12a-d, 14a-d, 16a-d, 18a-d) aufweist, welche einen Verbund ausbilden und zumindest eine weitere Funktionseinheit (20a-d) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionseinheit (20a-d) versetzt zu den Funktionseinheiten (10a-d, 12a-d, 14a-d, 16a-d, 18a-d) angeordnet wird.