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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem in einem Gehäuse angeordneten, sowie Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel. Das Gehäuse umfasst einen Medieneintritt für den Einlass eines Mediums in zumindest einen Teil des Gehäuses. Zudem ist ein Medienaustritt vorhanden für den Auslass des Mediums aus dem Gehäuse. Zusätzlich ist am Gehäuse ein Brennstoffeintritt ausgebildet für den Einlass eines Brennstoffes.
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In einem Brennstoffzellensystem werden die Reaktionsmedien temperiert. Dabei wird das den Anodenräumen des Brennstoffzellensystems zugeführte Anodengas bzw. der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) mittels eines Wärmeübertragers erwärmt. Zudem wird das beim Verdichten mittels eines Verdichters erhitzte Kathodengas (z.B. Luft oder Sauerstoff) mittels eines Wärmetauschers, vorzugsweise in Form eines Ladegas- oder Ladeluftkühler, heruntergekühlt bevor es den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Solche Brennstoffzellensysteme weisen deshalb einen apparativ aufwändigen Aufbau auf.
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In der
DE 10 2009 048 394 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gezeigt. Hierbei ist ein Wärmeübertrager in Teilen eines Gehäuses des Brennstoffzellensystems eingebracht. Dieser Wärmeübertrager dient der Kühlung des Brennstoffzellensystems. Auch hier ist der Brennstoff durch eine separate Vorrichtung vorzuerwärmen, bevor er in die Kathodenräume der Brennstoffzellenstapels geleitet wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompaktere Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeintritt mit einem innerhalb des Gehäuses oder an dem Gehäuse geführten Brennstoffkanal strömungsverbunden ist. Zudem ist der Brennstoffkanal mit den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels strömungsverbunden. Außerdem steht der Brennstoffkanal in einer wärmeleitenden Verbindung mit dem über den oder via des Medieneintritts bereitgestellten Medium.
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Damit ist also der Vorteil verbunden, dass der Brennstoff-Wärmeübertrager nicht mehr als separates Bauteil auszuführen ist, da er integral mit dem Gehäuse für den Brennstoffzellenstapel ausgestaltet ist.
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Um zu gewährleisten, dass das Medium ausreichend durch den Brennstoffzellenstapel erwärmt wird, und um den am Brennstoffeintritt bereitgestellten Brennstoff zu erwärmen, hat es sich als bevorzugt gezeigt, wenn der Medieneintritt an einer ersten Seitenfläche des Gehäuses ausgebildet ist, und wenn der Medienaustritt an einer zweiten Seitenfläche des Gehäuses ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die erste Seitenfläche gegenüberliegend zur zweiten Seitenfläche des Gehäuses angeordnet.
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Es ist außerdem von Vorteil, wenn der Brennstoffeintritt, vorzugsweise unmittelbar benachbart zum Medienaustritt angeordnet ist. Damit hat also das über den Medieneintritt bereitgestellte Medium den weitest möglichen Weg zurückzulegen, um sich aufzuwärmen. Die Wärme des Mediums kann an dem Brennstoffeintritt dann an den Brennstoff abgegeben werden, wodurch dieser temperiert wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Medieneintritt strömungsverbundenes Gebläse vorgesehen ist, das ausgestaltet ist, das Medium dem Gehäuse zuzuführen. Durch dieses Gebläse wird also das Medium (z.B. Luft) dem Gehäuse zugeführt, wobei zusätzlich gewährleistet ist, dass der Wasserstoff, der aus den Brennstoffzellensystemkomponenten oder dem Brennstoffzellenstapel diffundiert, aus dem Gehäuse entfernt werden kann. Damit kommt dem Gebläse also eine Doppelfunktion zu, nämlich das Medium zur Erwärmung des Brennstoffes einerseits und das Medium zur Entfernung von aus dem Stapel oder aus den Systemkomponenten diffundierenden Wasserstoff andererseits bereitszustellen.
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Im Gehäuse kann mindestens eine oder aber auch mehrere Umlenkstrukturen für die Führung des Mediums vorgesehen sein. Damit kann gewährleistet werden, dass das Medium innerhalb des Gehäuses hinreichend erwärmt wird, um diese Wärme dann beim Brennstoffkanal an den Brennstoff abzugeben. Mit anderen Worten kann das Medium mittels der Umlenkstrukturen an allen wärmeentwickelnden Bestandteilen innerhalb des Gehäuses vorbeigeführt werden, wodurch eine hinreichende Erwärmung des Mediums und eine entsprechende Abkühlung der Bestandteile innerhalb des Gehäuses erfolgen.
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In einer anderen Ausgestaltung muss nicht das vollständige Gehäuse mit dem Medium durchströmt sein. Hierbei ist der Medieneintritt dann mit dem Medienaustritt mittels eines in dem oder an dem Gehäuse verlaufenden Medienkanals strömungsverbunden. Damit kann in dem Medienkanal auch ein Kühlmittel (z.B. flüssiges Wasser) fließen, das jedoch durch die im Gehäuse angeordneten Komponenten bzw. durch den Brennstoffzellenstapel erwärmt wird. Die Wärme des Mediums kann dann an den - in der Regel viel kälteren - Brennstoff abgegeben werden.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Medienkanal als eine Mediendoppelwand des Gehäuses gebildet ist. Durch eine solche Mediendoppelwand lässt sich die Fläche zur Wärmeübertragung maximieren.
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Dementsprechend kann es sinnvoll sein, dass der Brennstoffkanal durch eine Brennstoffdoppelwand des Gehäuses gebildet ist, wodurch ebenfalls die Fläche zur Wärmeübertragung vergrößert wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse mindestens eine weitere Brennstoffzellensystemkomponente angeordnet ist. Somit kann also auch durch die Brennstoffzellensystemkomponente oder durch mehrere Brennstoffzellensystemkomponenten eine Erwärmung des zugeführten Mediums erfolgen. Solche Brennstoffzellensystemkomponenten können beispielsweise ein Reformer oder auch ein Nachbrenner sein. Zusätzlich können auch Motoren, beispielsweise zum Antrieb eines Verdichterrads als Brennstoffzellensystemkomponenten betrachtet werden. Andere Komponenten sind möglich.
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Im Folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:
- 1 eine erste Brennstoffzellenvorrichtung,
- 2 eine zweite Brennstoffzellenvorrichtung,
- 3 eine schematische Perspektivansicht der ersten und/oder der zweiten Brennstoffzellenvorrichtung ohne einen Brennstoffzellenstapel,
- 4 eine weitere schematische Perspektivansicht der ersten oder der zweiten Brennstoffzellenvorrichtung ohne einen Brennstoffzellenstapel,
- 5 eine schematische Perspektivansicht einer dritten Brennstoffzellenvorrichtung ohne einen Brennstoffzellenstapel, und
- 6 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellensystem.
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In 6 ist - schematisch - ein Brennstoffzellensystem gezeigt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es weist kathodenseitig einen Befeuchter 1 auf, welcher mit seinem kathodenseitigen Auslass 2 über eine Kathodenzufuhrleitung 3 mit Kathodenräumen eines Brennstoffzellenstapels 4 verbunden ist. Außerdem ist der Befeuchter 1 mit seinem kathodenseitigen Einlass 5 ebenfalls mit den Kathodenräumen über eine Kathodenabgasleitung 6 verbunden, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 1 rückgeführt wird. Über die Kathodenräume wird das Kathodengas den Kathoden der Mehrzahl an im Brennstoffzellenstapel 4 angeordneten Brennstoffzellen zugeführt. Protonenleitfähige Membranen trennen die Kathoden von den Anoden, wobei den Anoden über Anodenräume Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 7 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 8 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 9 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Vorzugsweise ist hierbei der Anodenrezirkulation ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 9 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 7 ein Brennstoffstellglied 10 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 7 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 10 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 11 in Form eines Rekuperators zur Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen. Über einen Verdichter 12 kann Kathodengas (z.B. Luft oder Sauerstoff) angesaugt werden, die dann mittels eines Wärmetauschers 13 abgekühlt wird, bevor sie zur Befeuchtung dem Befeuchter 1 zugeleitet wird. Der Befeuchter 1 ist aus einer Mehrzahl an wasserdampfpermeablen Membranen gebildet, die ausgestaltet sind, um dem Kathodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen. Die Feuchtigkeit wird dabei dem verdichterseitig in den Befeuchter 1 strömenden Kathodengas zugeführt. Außerdem umfasst der Befeuchter 1 eine Abgasleitung 14.
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Die vorliegende Erfindung bildet nun den Wärmeübertrager 11 für Brennstoff integral mit einem Gehäuse 15 des Brennstoffzellenstapels 4, wodurch eine eigenständige und vorzugsweise modular einsetzbare Brennstoffzellenvorrichtung 16 entsteht.
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In 1 ist - schematisch - eine solche Brennstoffzellenvorrichtung 16 gezeigt. Hierbei ist der Brennstoffzellenstapel 4 innerhalb des Gehäuses 15 angeordnet. Innerhalb des Gehäuses 15 ist weiterhin ein Brennstoffkanal 20 vorhanden, dem über ein Brennstoffeintritt 19 Brennstoff zugeführt werden kann. Die Anodenzufuhrleitung 7 umfasst auch einen innerhalb des Gehäuses 15 verlaufenden Abschnitt, so dass der Brennstoffkanal 20 strömungsverbunden mit den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels 4 ist. Am Gehäuse 15 ist außerdem ein Medieneintritt 17 vorhanden, durch welchen ein Medium (z.B. Luft) dem Gehäuse 15 mittels eines Gebläses 24 zugeführt werden kann. Hierdurch ist eine Belüftung des Gehäuses 15 ermöglicht, so dass ein einströmendes Medium um den Brennstoffzellenstapel 4 strömt und durch dessen Prozesswärme erwärmt wird. Anstelle des Einsatzes eines solchen separaten Gebläses 24 für die Gehäusebelüftung kann auch ein Teil des vom Verdichter 12 angesaugten Kathodengases zur Belüftung des Gehäuses 15 und damit zur Temperierung des Brennstoffes verwendet werden. Hierbei wäre eine Entnahme nach dem Wärmetauscher 13 vorteilhaft, da dann das Kathodengas bereits konditioniert wäre. Das Gehäuse 15 umfasst außerdem einen Medienaustritt 18, aus dem das erwärmte Medium wieder aus dem Gehäuse 15 austritt.
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Vorliegend ist der Medieneintritt 17 an einer ersten Seitenfläche 21 des Gehäuses 15 angeordnet. Der Medienaustritt 18 ist an einer der ersten Seitenfläche 21 gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche 22 des Gehäuses 15 ausgebildet. Der Medienaustritt 18 ist dabei unmittelbar benachbart zum Brennstoffeintritt 19 positioniert, um zu gewährleisten, dass das erwärmte Medium seine Wärme zumindest teilweise an den im Brennstoffkanal 20 strömenden Brennstoff abgibt. Bei der in 1 gezeigten Konfiguration der Brennstoffzellenvorrichtung 16 kann auch der innerhalb des Gehäuses 15 geführte Teil der Anodenzufuhrleitung 7 selbst als Brennstoffkanal 20 verstanden werden, so dass auch hier eine Erwärmung des Brennstoffes über das am Medieneintritt 17 zugeführte Medium erfolgen kann.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 16 nach 2 unterscheidet sich von derjenigen nach 1 dadurch, dass in dem Gehäuse 15 zumindest eine weitere Brennstoffzellensystemkomponenten 27 angeordnet ist. Auch die bei dieser Brennstoffzellensystemkomponente entstehende Prozesswärme kann dem Medium zugeführt werden, welches über das Gebläse 24 in das Innere des Gehäuses 15 gelangt.
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3 zeigt - schematisch - eine Perspektivansicht auf Teile der Brennstoffzellenvorrichtung 16 aus den 1 oder 2. Auch hier ist unmittelbar benachbart zum Medienaustritt 18 der Brennstoffeintritt 19 angeordnet. Ein über den Medieneintritt 17 zugeführtes Medium strömt also durch das Gehäuse 15 an den Brennstoffzellensystemkomponenten 27 und/oder am Brennstoffzellenstapel 4 vorbei, bevor es am Medienaustritt 18 das Gehäuse 15 wieder verlässt. Aufgrund des unmittelbar neben dem Medienaustritt 18 angeordneten Brennstoffkanals 20 und/oder aufgrund des innerhalb des Gehäuses 15 maximalen Abstands des Medieneintrittskanals 17 vom Medienaustrittskanal 18, kann das erwärmte Medium seine Wärme an den im Brennstoffkanal 20 strömenden Brennstoff abgeben.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 16 nach 4 unterscheidet sich von derjenigen nach 3 dadurch, dass dem Medienaustritt 18 eine Leitstruktur 23 oder ein Leitblech zugeordnet ist, um das Medium an der Wandung des Brennstoffkanals 20 vorbeizuführen, bevor es das Gehäuse 15 verlässt. Auch hierdurch ist gewährleistet, dass eine ausreichend große Fläche für den Wärmeübergang aus dem strömenden Medium in den Brennstoff zur Verfügung steht. Dabei ist es möglich, dass mehrere Leitstrukturen 23 innerhalb des Gehäuses 15 vorhanden sind, die diese Wärmeübergangsfläche maximieren können.
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In 5 ist eine weitere Brennstoffzellenvorrichtung 16 gezeigt, die ebenfalls einen Medieneintritt 17 und einen Medienaustritt 18 umfasst. Der Medieneintritt 17 und der Medienaustritt 18 sind mittels eines in dem Gehäuse 15 verlaufenden Medienkanals 25 miteinander strömungsverbunden. Vorliegend ist dieser Medienkanal 25 durch eine Mediendoppelwand 26 des Gehäuses 15 gebildet. Analog hierzu kann auch der Brennstoffkanal 20 durch eine Brennstoffdoppelwand des Gehäuses 15 geformt sein.
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Beim Beispiel der 5 wird ein Kühlmittel (z.B. flüssiges Wasser) dem Medieneintritt 17 zugeführt und nach dem Durchqueren des Medienkanals 25 über den Medienaustritt 18 aus dem Gehäuse 15 wieder ausgeführt. Durch den Einsatz einer solchen Mediendoppelwand 26 am Gehäuse 15 lässt sich eine sehr große Fläche für die Wärmeübertragung in den Brennstoff erreichen. Im Beispiel nach 5 strömt das Kühlmittel entlang des gesamten Gehäuses 15. In einem Abschnitt des Gehäuses 15 verläuft der Brennstoff parallel zum Kühlmittel und wird durch das Kühlmittel temperiert.
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Die vorliegende Erfindung stellt im Ergebnis eine sehr kompakte Brennstoffzellenvorrichtung 16 bereit, bei der auf einen aus dem Stand der Technik bekannten separaten Wärmeübertrager 11 verzichtet werden kann.
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Von der Erfindung ist deshalb auch ein Brennstoffzellensystem umfasst, das eine solche Brennstoffzellenvorrichtung 16 nach den 1, 2, 3, 4 oder 5 umfasst. Das Brennstoffzellensystem ist in den Figuren nicht näher dargestellt. Es entspricht aber in den Grundzügen demjenigen nach 6, wobei der Wärmeübertrager 11 als separates Bauteil entfernt wurde, aber das zusätzliche Gehäuse 15 vorhanden ist. In diesem Gehäuse 15 ist der Brennstoffzellenstapel 4 angeordnet. Der Brennstoffspeicher 8 ist dann - über das Brennstoffstellglied 10 - mit dem am Gehäuse 15 ausgebildeten Brennstoffeintritt 17 strömungsverbunden. Für kathodenseitige, aber auch für andere Leitungen kann das Gehäuse 15 zudem entsprechende Durchführungen aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befeuchter
- 2
- Auslass
- 3
- Kathodenzufuhrleitung
- 4
- Brennstoffzellenstapel
- 5
- Einlass
- 6
- Kathodenabgasleitung
- 7
- Anodenzufuhrleitung
- 8
- Brennstoffspeicher
- 9
- Anodenrezirkulationsleitung
- 10
- Brennstoffstellglied
- 11
- Wärmeübertrager
- 12
- Verdichter
- 13
- Wärmetauscher
- 14
- Abgasleitung
- 15
- Gehäuse
- 16
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 17
- Medieneintritt
- 18
- Medienaustritt
- 19
- Brennstoffeintritt
- 20
- Brennstoffkanal
- 21
- erste Seitenfläche
- 22
- zweite Seitenfläche
- 23
- Leitstruktur
- 24
- Gebläse
- 25
- Medienkanal
- 26
- Mediendoppelwand
- 27
- Brennstoffzellenkomponente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048394 A1 [0003]
