DE102020122080A1

DE102020122080A1 - Brennstoffzellenstapel für eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102020122080A1
Application number: DE102020122080.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Christian Schlitzberger
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (2) der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) der aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3) gebildet ist, die als Röhrchen (5) gestaltet sind, bei denen das Röhrcheninnere Teil eines Brennstoffströmungspfades ist und der Oxidationsmittelströmungspfad um die Röhrchen (5) verläuft, wobei die Röhrchen (5) nebeneinander in einer Gehäusehülse (18) aufgenommen und in dieser abgestützt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel für eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung, der aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildet ist, die als Röhrchen gestaltet sind, bei denen das Röhrcheninnere Teil eines Brennstoffströmungspfades ist und der Oxidationsmittelströmungspfad um die Röhrchen verläuft, wobei die Röhrchen nebeneinander in einer Gehäusehülse aufgenommen und in dieser abgestützt sind
Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Bei einer Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) besteht dabei eine Elektrolytschicht aus einem namensgebenden festen Werkstoff, z.B. keramischen yttriumdotierten Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, während Elektronen nicht geleitet werden. Die Elektrolytschicht ist zwischen zwei Elektrodenschichten aufgenommen, nämlich der Kathodenschicht, der die Luft zugeführt wird, und der Anodenschicht, die mit dem Brennstoff versorgt wird, der durch H₂, CO, CH₄ oder ähnliche Kohlenwasserstoffe gebildet sein kann. Wird die Luft durch die Kathodenschicht zu der Elektrolytschicht geführt, nimmt der Sauerstoff zwei Elektronen auf und die gebildeten Sauerstoffionen O²" bewegen sich durch die Elektrolytschicht zu der Anodenschicht, wobei die Sauerstoffionen dort mit dem Brennstoff reagieren unter Bildung von Wasser und CO₂. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: ½ O₂ + 2e^- → 2O^2- (Reduktion/Elektronenaufnahme). An der Anode erfolgen die folgende Reaktionen: H₂ + O²" → H₂O + 2 e^- sowie CO + O^2- → CO₂ + 2e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Eine Festoxid-Brennstoffzelle muss nicht planar gestaltet sein, sondern kann als Röhrchen ausgeführt sein; auch besteht zur Leistungssteigerung die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen. Festoxid-Brennstoffzellen benötigen hohe Temperaturen über 700°C, bei denen sie betrieben werden, so dass auch die Verwendung der Bezeichnung Hochtemperatur-Brennstoffzelle üblich ist. Die für eine ausreichende Leitfähigkeit der Elektrolytschicht erforderliche hohe Temperatur bedingt, dass im Startfall eine Erwärmung erforderlich ist und die erreichte Temperatur während des Betriebs gehalten werden muss.
Die Verwendung von CH₄ als Brennstoff bietet den Vorteil, dass der Brennstoff einfacher als Wasserstoff gespeichert werden kann. Nachteilig ist allerdings, dass CO₂ emittiert wird, also die Festoxid-Brennstoffzelle in geschlossenen Räumen oder zum Schutze der Umwelt nicht emissionsfrei betrieben werden kann. In der DE 10 2004 018 493 A1 wird dazu vorgeschlagen, Wasserdampf aus dem Anodenabgas auszukondensieren und das übrig gebliebene CO₂ mit anderen verunreinigenden Gasen komprimiert in einem Druckbehälter zu speichern. Dazu ist es vorteilhaft, wenn zum einen der Umsetzungsgrad, also der Verbrauch des zugeführten Brennstoffes hoch ist, um möglichst viele Edukte wie H₂ und CO in H₂O und CO₂ umzusetzen, und zum anderen der Anodendruck hoch ist, um die erforderliche Arbeit für die Komprimierung des CO₂ zu reduzieren. Auch zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, wenn der Umsetzungsgrad, also der Verbrauch des zugeführten Brennstoffes, möglichst hoch ist, um die Restmenge an Brennstoff im Abgas zu minimieren. Problematisch ist allerdings, dass bei einem Umsetzungsgrad von 1, also einem vollständigen Verbrauch des zugeführten Brennstoffes, es zu Ungleichverteilungen kommt und einige Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels unterversorgt sind, was zu einer Schädigung der betroffenen Brennstoffzelle führt. Daher ist für einen sicheren, stabilen und effizienten Betrieb eine Begrenzung des Umsetzungsgrades erforderlich.
Die US 2008/0076006 A1 offenbart, die Anode mit einer Anodenelektrode zu bilden, die aus einem ersten Anodenmaterial und einem zweiten Anodenmaterial gebildet ist, um Schäden an der Anode zu vermindern, die durch hohen Sauerstoffpartialdruck verursacht werden, so dass eines der Anodenmaterialen aus einem verbesserten, oxidationswiderstehenden Material gebildet ist.
Die CN 102856569 A zeigt einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel, der aus einer Mehrzahl von Zellenlagen aufgebaut ist, die sich überlappen und seriell verbunden sind. Eine Mehrzahl von Röhrchen ist in einer porösen Kathodenmatrixform angeordnet. In der US 2004/0096718 A1 ist für eine Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) offenbart, dass anodenseitig der Wasserstoff mit bis zu 333 bar bereit gestellt werden kann, während kathodenseitig ein Druck bis zu 10 bar vorgesehen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung bereit zu stellen, die robust gegenüber einem hohen Anodendruck ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung müssen die Wände der Brennstoffzelle dem Druck in der Anode, insbesondere der Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite standhalten. Dies kann durch eine Erhöhung der Wandstärke erreicht werden, was allerdings bedeutet, dass die Masse sich erhöht und die Wärmekapazität steigt, was nachteilig ist, insbesondere für den Start der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung. Der erfindungsgemäße Festoxid-Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass nicht, oder nicht nur, der Weg über eine Erhöhung der Wandstärke beschritten wird, sondern ausgenutzt wird, dass auch über eine geeignete Geometrie eine bessere Druckstabilität erreicht werden kann. Dazu sind die Brennstoffzellen als Röhrchen mit der Grundform eines Hohlzylinders gestaltet, die ihrerseits in der Gehäusehülse angeordnet und abgestützt sind. Der Anodendruck, der durch den Druck in dem Brennstofftank vorgegeben wird, kann daher hoch, zum Beispiel bei 10 bar liegen, während der Kathodendruck weit darunter liegen kann, zum Beispiel bei 1,5 bar. Der hohe Anodendruck verringert die erforderliche Verdichtungsarbeit und erleichtert die Speicherung von CO₂.
Ganz besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Gehäusehülse als Rohr gestaltet ist mit einer in dem Brennstoffströmungspfad stromauf der Röhrchen angeordneten ersten Wand und einer stromab der Röhrchen angeordneten zweiten Wand. Dieses Rohr bietet vergleichbar zu den Röhrchen aufgrund seiner Geometrie eine gute intrinsische Druckstabilität.
Wenn das Rohr im Querschnitt kreisrund gebildet ist und die erste Wand und die zweite Wand durch die Röhrchen abgestützt sind, dann ist die Druckstabilität beispielsweise gegenüber einem rechteckigen Querschnitt verbessert und die Abstützung der ersten Wand und der zweiten Wand durch die Röhrchen führt zu einer verbesserten Druckstabilität dieser Wände.
Neben dem Brennstoff muss den Brennstoffzellen auch das Oxidationsmittel zugeführt werden, das die Röhrchen an ihrer Außenseite umströmt. Dazu ist vorgesehen, dass in der Gehäusehülse Öffnungen als Teil des Oxidationsmittelströmungspfades ausgebildet sind. Durch die Öffnungen kann das Oxidationsmittel, insbesondere Luft, in die Gehäusehülse geleitet und aus dieser wieder abgeführt werden.
Bevorzugt ist dabei, wenn auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Gehäusehülse die Öffnungen lochblechartig ausgebildet sind, also mehrere Durchbrüche bereit stehen, so dass die Stabilität erhöht ist im Vergleich zu einer einheitlichen Öffnung, bei der schlicht die Wandung der Gehäusehülse fehlt. Darüber hinaus kann durch das Lochblech die Gleichverteilung der Kathodenströmung unterstützt werden.
Vorgesehen ist auch, dass in dem Rohr mindestens ein wärmeleitender Stab und/oder ein Wärmerohr angeordnet ist in einer durch die erste Wand reichenden Ausdehnung, die sich bis in einen stromauf der ersten Wand angeordneten Reformer erstreckt. Durch diese Konfiguration wird Wärme in den Reformer geleitet, insbesondere von der anderen Seite der Brennstoffzellen, also dem stromab gelegenen Ende.
Bevorzugt ist weiterhin, wenn mehrere mit Röhrchen befüllte Gehäusehülsen in mindestens einer Zellpaketreihe innerhalb einer Box angeordnet sind, wobei die Gehäusehülsen untereinander und die mindestens eine Zellpaketreihe mit der Boxwand verschweißt und/oder verlötet und/oder verklebt sind. Die Zellpaketreihe kann dadurch in der Box einen Bereich oberhalb der Zellpaketreihe von einem Bereich unterhalb trennen. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luft, kann damit als Zuluft in einen der Bereiche zugeführt und aus dem anderen Bereich abgeleitet werden, da die Luft durch die Öffnungen in den Gehäusehülsen an den Brennstoffzellen vorbei aus dem einen Bereich in den anderen Bereich strömen kann.
Wenn der Oxidationsmittelströmungspfad auf der dem Reformer abgewandten Seite in die Box geführt und/oder in der Mitte der Box zu den Röhrchen geführt ist, dann ist vermieden, dass das Oxidationsmittel den Reformer auskühlt. Das Oxidationsmittel muss erst an den Brennstoffzellen vorbei strömen, wobei es sich erwärmt. Die Zuführung in der Mitte verringert weiterhin die Temperaturunterschiede des die Brennstoffzellen erreichenden Oxidationsmittels.
Vorgesehen ist auch, dass die Gehäusehülsen mit den Röhrchen an ihren in dem Brennstoffströmungspfad stromauf gelegenen Enden aus der Box herausragen und/oder dass die Gehäusehülsen mit den Röhrchen an ihren in dem Brennstoffströmungspfad stromab gelegenen Enden aus der Box herausragen. Dies erleichtert die Zuführung des Brennstoffes und die Verteilung auf die Röhrchen beziehungsweise die Zuführung des Anodenabgases zu dem Verdichter, der das Anodenabgas, insbesondere das CO₂, komprimiert an einen Drucktank führt.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn ein erster, aus einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen gebildeter Brennstoffzellenstapel und mindestens ein zweiter, aus einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen gebildeter Brennstoffzellenstapel in einer Kaskade angeordnet sind, in der mindestens die Brennstoff-Strömungskanäle strömungsverbunden sind, so dass der Brennstoff nacheinander den ersten, stromauf gelegenen Brennstoffzellenstapel und sodann den zweiten, stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel durchströmt, wobei der erste Brennstoffzellenstapel und der zweite Brennstoffzellenstapel elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.
Dies bietet den Vorteil, dass man einen globalen Umsetzungsgrad für die gesamte Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung angeben kann sowie lokale Umsetzungsgrade für den jeweiligen Brennstoffzellenstapel, wobei die lokalen Umsetzungsgrade unterhalb des globalen Umsetzungsgrades liegen. Da Probleme mit der Ungleichverteilung bezüglich eines Brennstoffzellenstapels vorliegen und dort der Umsetzungsgrad, wie aus dem Stand der Technik üblich, für den sicheren, stabilen und effizienten Betrieb gewählt werden kann, liegt auf der globalen Ebene ein erhöhter Umsetzungsgrad vor. Dies kommt daher, dass der Brennstoffverbrauch in jedem Brennstoffzellenstapel geringer als in der gesamten Kaskade ist. Werden beispielsweise der gesamten Kaskade 2,5 Brennstoffeinheiten zugeführt und in jedem Brennstoffzellenstapel 1 Brennstoffeinheit verbraucht, so ergibt sich für den ersten Brennstoffzellenstapel ein Umsetzungsgrad von 1,0 / 2,5 = 0,4 und für den stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel bei einer Brennstoffzufuhr von 2,5 - 1,0 = 1,5 ein Umsetzungsgrad von 1,0 / 1,5 = 0,66667. Diese beiden Umsetzungsgrade sind geringer als der Umsetzungsgrad für die gesamte Kaskade, der bei 2,0 / 2,5 = 0,8 liegt, also erhöht ist. Der Brennstoffüberschuss, also die Brennstoffzufuhr abzüglich des Brennstoffverbrauchs, weist am Beginn der Kaskade den gleichen Wert wie nach der Kaskade auf, nämlich in dem Beispiel 0,5, wobei aufgrund des geringeren Brennstoffverbrauchs im letzten Abschnitt der Kaskade der lokale Umsetzungsgrad geringer als der globale Umsetzungsgrad ist und so ausreichend Brennstoff zur Vermeidung einer Unterversorgung oder eines sehr niedrigen, im Hinblick auf die Nernst-Gleichung nachteiligen, Brennstoff-Partialdruckes zur Verfügung steht.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit einer CO₂-Abscheidung,
2 eine schematische Darstellung einer als Röhrchen gestalteten Festoxid-Brennstoffzelle mit der durch Pfeile symbolisierten Strömung der Reaktantengase, wobei der Brennstoff durch das Röhrchen geleitet wird,
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl von Festoxid-Brennstoffzellen gemäß 2,
4 den Schnitt IV-IV aus 3 mit den auf einer runden Querschnittsfläche in einer Gehäusehülse angeordneten Röhrchen,
5 einen der 4 entsprechenden Schnitt mit den auf einer rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnittsfläche angeordneten Röhrchen,
6 eine der 3 entsprechende Darstellung mit einem Rohr, das auf gegenüberliegenden Seiten je eine große Öffnung aufweist,
7 den Schnitt VII-VII aus 6,
8 eine der 3 entsprechende Darstellung mit in den Brennstoffzellenstapel integrierten Heat-pipes und mit einem Rohr, das auf gegenüberliegenden Seiten eine Perforation nach Art eines Lochbleches aufweist,
9 den Schnitt IX-IX aus 8,
10 eine schematische Darstellung einer Box,
11 eine der 10 entsprechende schematische Darstellung einer Box mit zwei Zellpaketen,
12 den Schnitt XII-XII aus 10,
13 den Schnitt XIII-XIII aus 10,
14 den Schnitt XIV-XIV aus 10,
15 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung von zwei in einer Kaskade angeordneten, elektrisch parallel verschalteten Brennstoffzellenstapel, und
16 eine U-I-Kennlinie für die beiden Brennstoffzellenstapel aus 15.

In der 1 ist der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die insbesondere in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug verwendet werden kann. Die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 verfügt über einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 3, die als Röhrchen 5 (2) gestaltet sind, bei denen auf der Innenseite 6 die Anodenschicht angeordnet ist, so dass der in einem Brennstofftank 4 bereit gehaltene Brennstoff 19, insbesondere CH₄, durch die Röhrchen 5 geleitet wird. 3 zeigt einen entsprechenden Brennstoffzellenstapel 2, der Verteiler 7 für die Zufuhr von dem Brennstoff 19 und der Luft 20 beziehungsweise der Ableitung der Abgase aufweist. In 4 ist die Anordnung der Brennstoffzellen 3 innerhalb des von einem Rohr 9 aufgenommenen Brennstoffzellenstapels 2 gezeigt.
In der 1 ist weiterhin dem stromauf gelegenen Verteiler 7 ein Reformer 8 zugeordnet, durch den der Brennstoff 19 geleitet wird. Es gibt einen Anodenkreislauf 10 mit einer Rezirkulationsstrecke, um nicht verbrauchten Brennstoff 19 erneut dem Brennstoffzellenstapel 2 zuführen zu können, gegebenenfalls unter Nutzung eines Rezirkulationsgebläses 11. Die Abwärme des Kathodenabgases wird genutzt, um die durch einen Verdichter 12 bereit gestellte Luft 20 mittels eines Luft-Luft-Wärmeübertragers 13 zu erwärmen, der von dem im Brennstoffzellenstapel 2 erwärmten Kathodenabgas durchströmt wird.
Die in 1 gezeigte Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 verfügt über eine CO₂-Abscheidung, bei der über ein Ventil 14 das Anodenabgas einem Kondensator 15 zugeführt und dort gekühlt wird, wobei das im Anodenabgas enthaltene Wasser auskondensiert. Anschließend wird das Wasser in einem Wasserabscheider 16 ausgeschieden und das Restgas gespeichert. Die Speicherung kann nach einer Kompression mittels eines Verdichters 12 in einem Drucktank 17 erfolgen.
Die Kompression des Anodengases wird vereinfacht, wenn anodenseitig ein hoher Druck bereit gestellt ist. Dies erfordert eine ausreichende Druckstabilität, die durch die gewählte Geometrie der Konstituenten gefördert wird. Dazu verfügt die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 über einen Brennstoffzellenstapel 2, der aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 3 gebildet ist, die als Röhrchen 5 gestaltet sind, bei denen das Röhrcheninnere Teil eines Brennstoffströmungspfades ist und der Oxidationsmittelströmungspfad um das Röhrchen 5 verläuft, wobei die Röhrchen 5 nebeneinander in einer Gehäusehülse 18 aufgenommen und in dieser abgestützt sind. Dabei ist die Gehäusehülse 18 als Rohr 9 gestaltet mit einer in dem Brennstoffströmungspfad stromauf der Röhrchen 5 angeordneten ersten Wand 21 und einer stromab der Röhrchen 5 angeordneten zweiten Wand 22, wobei das Rohr 9 im Querschnitt kreisrund gebildet ist und die erste Wand 21 und die zweite Wand 22 durch die Röhrchen 5 abgestützt sind (3, 4). 5 zeigt eine Ausführungsform mit einer anderen, nämlichen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnittsgestalt, die hinsichtlich der Druckstabilität etwas schlechter ist, jedoch eine bessere Bauraumausnutzung ermöglicht.
In der Gehäusehülse 18 sind Öffnungen 23 als Teil des Oxidationsmittelströmungspfades ausgebildet. Die 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform, bei der die Öffnungen 23 jeweils zusammenhängend auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres 9 ausgebildet sind, während die 8 und 9 darauf verweisen, dass auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Gehäusehülse 18 die Öffnungen 23 lochblechartig ausgebildet sein können.
Die 8 und 9 zeigen auch, dass in dem Rohr 9 mindestens ein wärmeleitender Stab 24 und/oder ein Wärmerohr angeordnet ist in einer durch die erste Wand 21 reichenden Ausdehnung, die sich bis in einen stromauf der ersten Wand 21 angeordneten Reformer 8 erstreckt. Gezeigt ist ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Stäben 24 bzw. Wärmerohren, die über den Querschnitt verteilt sind. Dadurch wird Wärme in den Reformer 8 geleitet, also dessen Funktion gefördert.
Für die Zuführung des Oxidationsmittels, also in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Luft, sind mehrere mit Röhrchen 5 befüllte Gehäusehülsen 18 in mindestens einer Zellpaketreihe 25 innerhalb einer Box 26 angeordnet, wobei die Gehäusehülsen 18 untereinander und die mindestens eine Zellpaketreihe 25 mit der Boxwand verschweißt und/oder verlötet und/oder verklebt ist (10). Da der Kathodendruck vergleichsweise gering ist, bestehen für die Luftführung geringere Anforderungen an die Druckstabilität. Die Verbindung der Gehäusehülsen 18 untereinander und mit der Boxwand bewirkt die Trennung der Zuluft und der Abluft, die somit die Öffnungen 23 in den Gehäusehülsen 18 passieren müssen. 11 verweist darauf, dass in einer Box 26 auch mehr als eine Zellpaketreihe 25 angeordnet sein, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nämlich zwei Zellpaketreihen 25, wobei die Abluft durch die Mitte geführt ist und die Zuluft oben und unten eingeleitet wird. Eine Umkehrung der Strömungsverhältnisse ist gleichfalls möglich, also die Zuleitung in der Mitte und die Führung der Abluft oben und unten.
12 zeigt, dass der Oxidationsmittelströmungspfad auf der dem Reformer 8 abgewandten Seite in die Box 26 geführt ist. Kühlrippen 27 leiten die Abwärme des Kathodenabgases in den Reformer 8. Auch kann die Zuluft in der Mitte der Box 26 zu den Röhrchen 5 geführt werden, um eine Vorerwärmung zu bewirken.
Aus 13 ist ersichtlich, dass die Gehäusehülsen 18 mit den Röhrchen 5 an ihren in dem Brennstoffströmungspfad stromauf gelegenen Enden aus der Box 26 herausragen und/oder dass die Gehäusehülsen 18 mit den Röhrchen 5 an ihren in dem Brennstoffströmungspfad stromab gelegenen Enden aus der Box 26 herausragen. Die Röhrchen 5 sind also an beiden Enden mit einem Verteilerrohr 28 verbunden, in dem der Brennstoff 19 zugeführt und abgeführt wird und in dem der Brennstoff 19 auf die einzelnen Röhrchen 5 verteilt wird. Es sind auch Boxöffnungen 29 in der Box 26 ersichtlich für die Zuleitung und Ableitung der Luft 20. In dem gezeigten Beispiel erfolgt die Zuleitung und die Ableitung seitlich und auf gegenüberliegenden Seiten. Eine Anordnung auf einer Seite ist aber auch möglich. Der Aufbau gemäß 13 bietet den Vorteil, dass die gesamte Anode durch rohrförmige Querschnitte geführt ist und somit Vorteile bezüglich eines hohen Anodendrucks besitzt.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann dahingehend erweitert sein, dass ein erster, aus einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 3 gebildeter Brennstoffzellenstapel 2 und mindestens ein zweiter, aus einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 3 gebildeter Brennstoffzellenstapel 2 vorgesehen sind, wobei der erste Brennstoffzellenstapel 2 und der zweite Brennstoffzellenstapel 2 in einer Kaskade 30 angeordnet sind, in der mindestens die Brennstoff-Strömungskanäle strömungsverbunden sind, so dass der Brennstoff 19 nacheinander den ersten, stromauf gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 und sodann den zweiten, stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 durchströmt, wobei der erste Brennstoffzellenstapel 2 und der zweite Brennstoffzellenstapel 2 elektrisch parallel zueinander geschaltet sind (15).
Dadurch ergibt sich, dass der Brennstoff 19 nacheinander den ersten, stromauf gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 und sodann den zweiten, stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 durchströmt. Nach einer nicht gezeigten Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass in der Kaskade 30 mehr als zwei Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet sind, wobei diese paarweise jeweils als stromauf und stromab gelegen unterschieden werden. Dabei sind die Brennstoff-Strömungskanäle aller Brennstoffzellenstapel 2 strömungsverbunden für die aufeinander folgende Durchströmung mit Brennstoff 19, wobei alle Brennstoffzellenstapel 2 elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.
15 zeigt eine Kaskade 30 mit zwei Brennstoffzellenstapel 2, wobei eine Zellanzahl von Brennstoffzellen 3 des stromauf gelegenen Brennstoffzellenstapels 2 der Zellanzahl des nachfolgenden, stromab gelegenen Brennstoffzellenstapels 2 entspricht, so dass für beide Brennstoffzellenstapel 2 die Darstellung aus der 4 gilt. Aufgrund der elektrisch parallelen Schaltung der Brennstoffzellenstapel 2 ergibt sich bei diesem Ausführungsbeispiel, dass jeder Brennstoffzellenstapel 2 die gleiche Spannung aufweist. Wenn beide Brennstoffzellenstapel die gleiche Zellanzahl aufweisen, wird sich entsprechend 16 die U-I-Kennlinie des stromab gelegenen Brennstoffzellenstapels 2 (strichliert dargestellt) von der U-I-Kennlinie (durchgezogene Linie) des stromauf gelegenen Brennstoffzellenstapels 2 unterscheiden, nämlich unterhalb liegen, da die Brennstoffkonzentration in dem stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 geringer ist. Da die Spannung gleich ist, ist der Strom des stromab gelegenen Brennstoffzellenstapels 2 geringer. Dies führt zu einem sinkenden Brennstoffverbrauch, so dass bei gleichbleibender Brennstoffzufuhr der lokale Brennstoffüberschuss steigt und eine Unterversorgung vermieden ist. Zu beachten ist weiterhin, dass der Brennstoffverbrauch in jedem Brennstoffzellenstapel 2 geringer als in der gesamten Kaskade 30 ist. Werden beispielsweise der gesamten Kaskade 2,5 Brennstoffeinheiten zugeführt und wird in jedem Brennstoffzellenstapel 1 Brennstoffeinheit verbraucht, so ergibt sich für den ersten Brennstoffzellenstapel 2 ein Umsetzungsgrad von 1,0 / 2,5 = 0,4 und für den stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 bei einer Brennstoffzufuhr von 2,5 - 1,0 = 1,5 ein Umsetzungsgrad von 1,0 / 1,5 = 0,66667. Diese beiden Umsetzungsgrade sind geringer als der Umsetzungsgrad für die gesamte Kaskade 30, der bei 2,0 / 2,5 = 0,8 liegt, also erhöht ist. Bei dieser Ausführungsform ist also der Umsetzungsgrad erhöht und damit die Eignung verbessert, CO₂ zu speichern.
Auch besteht die Möglichkeit, dass eine Zellanzahl von Brennstoffzellen 3 des stromauf gelegenen Brennstoffzellenstapels 2 der Zellanzahl des nachfolgenden, stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 entspricht oder größer ist. Bei den in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 3 ist in dem zugehörigen Brennstoffzellenstapel 2 der Zellstrom pro Brennstoffzelle 3 gleich. Aufgrund der elektrisch parallelen Schaltung der Brennstoffzellenstapel 2 ergibt sich, dass jeder Brennstoffzellenstapel 2 die gleiche Spannung aufweist. Wenn beide Brennstoffzellenstapel 2 die gleiche Zellanzahl aufweisen, wird sich die U-I-Kennlinie im stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 von dem stromauf gelegenen unterscheiden, nämlich unterhalb liegen, da die Brennstoffkonzentration in dem stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 geringer ist. Da die Spannung gleich ist, ist der Strom des stromab gelegenen Brennstoffzellenstapels 2 geringer. Dies führt zu einem sinkenden Brennstoffverbrauch, so dass bei gleichbleibender Brennstoffzufuhr der lokale Brennstoffüberschuss steigt.
Liegt in dem stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 eine geringere Zellanzahl vor, dann muss wegen der Parallelschaltung 31 in dem stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 eine erhöhte Einzelzellspannung vorliegen, die gemäß der U-I-Kennlinie mit einem geringeren Zellstrom in dem stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Brennstoffzellen
4: Brennstofftank
5: Röhrchen
6: Innenseite
7: Verteiler
8: Reformer
9: Rohr
10: Anodenkreislauf
11: Rezirkulationsgebläse
12: Verdichter
13: Luft-Luft-Wärmeübertrager
14: Ventil
15: Kondensator
16: Wasserabscheider
17: Drucktank
18: Gehäusehülse
19: Brennstoff
20: Luft
21: erste Wand
22: zweite Wand
23: Öffnung
24: Stab
25: Zellpaketreihe
26: Box
27: Kühlrippe
28: Verteilerrohr
29: Boxöffnung
30: Kaskade
31: Parallelschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004018493 A1 [0003]
US 2008/0076006 A1 [0004]
CN 102856569 A [0005]
US 2004/0096718 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzellenstapel (2) für eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1), der aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3) gebildet ist, die als Röhrchen (5) gestaltet sind, bei denen das Röhrcheninnere Teil eines Brennstoffströmungspfades ist und der Oxidationsmittelströmungspfad um die Röhrchen (5) verläuft, wobei die Röhrchen (5) nebeneinander in einer Gehäusehülse (18) aufgenommen und in dieser abgestützt sind.
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusehülse (18) als Rohr (9) gestaltet ist mit einer in dem Brennstoffströmungspfad stromauf der Röhrchen (5) angeordneten ersten Wand (21) und einer stromab der Röhrchen (5) angeordneten zweiten Wand (22).
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (9) im Querschnitt kreisrund gebildet ist und die erste Wand (21) und die zweite Wand (22) durch die Röhrchen (5) abgestützt sind.
Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gehäusehülse (18) Öffnungen (23) als Teil des Oxidationsmittelströmungspfades ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Gehäusehülse (18) die Öffnungen (23) lochblechartig ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rohr (9) mindestens ein wärmeleitender Stab (24) und/oder ein Wärmerohr angeordnet ist in einer durch die erste Wand (21) reichenden Ausdehnung, die sich bis in einen stromauf der ersten Wand (21) angeordneten Reformer (8) erstreckt.
Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mit Röhrchen (5) befüllte Gehäusehülsen (18) in mindestens einer Zellpaketreihe (25) innerhalb einer Box (26) angeordnet sind, wobei die Gehäusehülsen (18) untereinander und die mindestens eine Zellpaketreihe (25) mit der Boxwand verschweißt und/oder verlötet und/oder verklebt sind.
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsmittelströmungspfad auf der dem Reformer (8) abgewandten Seite in die Box (26) geführt und/oder in der Mitte der Box (26) zu den Röhrchen (5) geführt ist.
Brennstoffzellenstapel (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusehülsen (18) mit den Röhrchen (5) an ihren in dem Brennstoffströmungspfad stromauf gelegenen Enden aus der Box (26) herausragen und/oder dass die Gehäusehülsen (18) mit den Röhrchen (5) an ihren in dem Brennstoffströmungspfad stromab gelegenen Enden aus der Box (26) herausragen.
Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster, aus einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (3) gebildeter Brennstoffzellenstapel (2) und mindestens ein zweiter, aus einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (3) gebildeter Brennstoffzellenstapel (2) in einer Kaskade (30) angeordnet sind, in der mindestens die Brennstoff-Strömungskanäle strömungsverbunden sind, so dass der Brennstoff (19) nacheinander den ersten, stromauf gelegenen Brennstoffzellenstapel (2) und sodann den zweiten, stromab gelegenen Brennstoffzellenstapel (2) durchströmt, wobei der erste Brennstoffzellenstapel (2) und der zweite Brennstoffzellenstapel (2) elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.