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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Gebläse nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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In Brennstoffzellenvorrichtung besteht die Möglichkeit, dass sich im Gehäuse eine Mischung aus Wasserstoffgas und Luft ansammeln kann, beispielweise im Falle einer Leckage. Diese ungewünschte Ansammlung von Wasserstoffgas und Luft birgt die Gefahr einer Explosion, so dass besondere Sicherheitsmaßnahmen bereitgestellt werden müssen, welche die Ansammlung und/oder Zündung von solchen Mischungen verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile
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Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelleneinheit in einem Gehäuse mit einem Gebläse. Erfindungsgemäß ist ein Motor des Gebläses außerhalb vom Gehäuse angeordnet. Das hat den Vorteil, dass der Motor nicht zur Zündung einer sich möglichweise im Gehäuse angesammelten Mischung aus Wasserstoffgas und Sauerstoffgas beitragen kann. Das macht die Brennstoffzellenvorrichtung besonders sicher. Motoren können, insbesondere elektrisch erregte Motoren mit Kohlebürsten, im Betrieb Funken ausbilden, welche ein Wasserstoff-Luft Gemisch entzünden können. Die vorliegende Erfindung ermöglich die Verwendung solcher Motoren in einer Brennstoffzellenvorrichtung. Insbesondere ist es möglich, herkömmliche Elektromotoren ohne besondere Zertifizierung bzw. ohne besondere konstruktive Maßnahmen zur Verwendung in Räumen mit leicht entzündlichen Substanzen. Das ermöglicht die Herstellung einer besonders günstigen und sicheren Brennstoffzellenvorrichtung.
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Unter einer Brennstoffzellenvorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche insbesondere einen, insbesondere funktionstüchtigen, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems oder das gesamte Brennstoffzellensystem ausbildet.
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Unter einem Brennstoffzellensystem soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden.
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Ein Brennstoffzellensystem weist einen oder eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheit auf. Typischerweise weist ein Brennstoffzellensystem Komponenten und Leitungen auf, welche dazu vorgesehen sind, der Brennstoffzelleneinheit Brennstoff und Luft zuzuführen. Weiterhin weist ein Brennstoffzellensystem Komponenten und Leitungen auf, um von der Brennstoffzelleneinheit Abgase abzuführen. Vorteilhaft weisen Brennstoffzellensystem einen Rezirkulationskreis auf, aufweisend Komponenten und Leitungen, welcher dazu vorgesehen ist, nicht umgesetzten Brennstoff und/oder nicht umgesetzte Luft in die Brennstoffzelleneinheit zurückzuführen. Insgesamt weist eine Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine oder eine Mehrzahl von Gebläsen auf, welche dazu vorgesehen sind, ein Fluid, insbesondere ein gasförmiges Fluid zu befördern. Das Fluid kann insbesondere ein Brennstoff, eine Luft, ein Abgas oder eine Kombination der vorne genannten sein. Das Gebläse der vorliegenden Erfindung kann insbesondere ein Gebläse einer Luftzuführung sein, ein Gebläse einer Brennstoffzuführung, ein Gebläse einer Abgasabführung und/oder ein Gebläse eines Rezirkulationskreises sein. Es ist auch denkbar, dass das Gebläse Teil eines Lüftungssystems ist, welches dazu vorgesehen ist, das Gehäuse der Brennstoffzellenvorrichtung zu belüften oder zu entlüften, insbesondere zur Vermeidung einer ungewünschten Ansammlung einer Brennstoff-Luft Mischung im Gehäuse.
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Unter einer Brennstoffzelleneinheit soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen verstanden werden. Typischweise sind die Brennstoffzellen in einer Brennstoffzelleneinheit aufeinander gestapelt angeordnet, eine solche Brennstoffzelleneinheit wird auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet. Eine Brennstoffzelle ist insbesondere dazu vorgesehen, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein. Typischerweise ist in einer Brennstoffzelleneinheit eine Mehrzahl von Brennstoffzellen elektrisch in Reihe miteinander verschaltet.
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Unter einer Brennstoffzuführung soll eine Quelle für einen Brennstoff verstanden werden, welcher der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt wird. Beispielsweise kann die Brennstoffzuführung ein Anschluss für eine externe Brennstoffzuleitung sein, beispielsweise aus einem Erdgasnetz oder aus einer Wasserstoffflasche. Ein Brennstoff kann beispielsweise Erdgas, Wasserstoff oder eine Mischung aus Erdgas und Wasserstoff sein. In Varianten sind auch andere Brennstoffe und Mischungen von Brennstoffen denkbar, beispielsweise kann der Brennstoff B Erdgas, Wasserstoff, Methan, Ammoniak und/oder Kohlegas bzw. Synthesegas aufweisen.
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Unter einem Rezirkulationskreis bzw. einem Anodenrezirkulationskreislauf soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fluidverbindung bzw. ein Fluidpfad verstanden werden, welche bzw. welcher dazu vorgesehen ist, ein brennstoff- bzw. wasserstoff- und wasserhaltiges Anodenabgas von wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit einer Mischstelle zuzuführen, an welcher das Anodenabgas mit dem zumindest im Wesentlichen reinen Brennstoff bzw. Wasserstoff vermischt wird. Insbesondere ist der Rezirkulationskreis dazu vorgesehen, der Brennstoffzelleneinheit nicht umgesetzten Brennstoff bzw. Wasserstoff erneut anodenseitig zuzuführen. Insbesondere ist die Mischung des Anodenabgases und des Brennstoffs bzw. Wasserstoffs dazu vorgesehen, der Brennstoffzelleneinheit anodenseitig zugeführt zu werden. Ein Gebläse des Rezirkulationskreises ist ein Rezirkulationsgebläse und dazu vorgesehen, ein Rezirkulat zu bewegen.
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Unter einem Rezirkulat soll im Rahmen dieser Erfindung ein Gasgemisch aus einem brennstoff- bzw. wasserstoff- und wasserhaltigem Anodenabgas von wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit mit frischem Brennstoff verstanden werden.
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Der Motor ist ein Teil des Gebläses. Darunter, dass der Motor außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest wesentliche Bestandteile des Motors außerhalb vom Gehäuse angeordnet sind, vorzugsweise der vollständige Motor. Teile des Gebläses, welche zum Verdichten bzw. Antreiben von Anodenabgas, Brennstoff und/oder Luft vorgesehen sind, sind innerhalb des Gehäuses angeordnet. Damit weist das Gebläse Teile auf, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und Teile, welche außerhalb des Gehäuses angeordnet sind, insbesondere den Motor oder Teile des Motors.
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Zwischen Motor und innerhalb des Gehäuses angeordneten Teilen des Gebläses ist eine Verbindung notwendig, welche die Bewegung des Motors auf die innerhalb des Gehäuses angeordneten Teilen des Gebläses überträgt, beispielsweise durch eine mechanische Kopplung, etwa über eine Welle.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Brennstoffzellenvorrichtung möglich.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung wird weiter verbessert, wenn ein Gebläseteil des Gebläses innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein effizienter Transport des Fluids, insbesondere einer Luft oder eines Rezirkulats möglich.
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Unter einem Gebläseteil soll insbesondere ein Teil des Gebläses verstanden werden, welcher dafür vorgesehen ist, ein Fluid, insbesondere gasförmiges Fluid zu bewegen, beispielsweise Luft oder das Rezirkulat. Insbesondere kann der Gebläseteil dazu ausgebildet sein, das Fluid zu kontaktieren. Beispielsweise kann das Gebläseteil ein Schaufelrad bzw. Lüfterrad oder ein Verdichterrad - welches beispielsweise mit einer Verdichterkammer zusammenwirkt - aufweisen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird das Gebläseteil vom Motor angetrieben.
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Das Gebläseteil wird im Betrieb vom Fluid direkt oder indirekt umspült. Es ist denkbar, dass das Gebläseteil in einem Raumvolumen im Gehäuse angeordnet ist, insbesondere einer Kammer, welche Teil eines Fluidpfads ist. Beispielsweise ist es denkbar, dass ein Abschnitt eines Innenvolumens des Gehäuses zur Führung des Fluids, beispielsweise Luft, vorgesehen ist, wobei dieser Abschnitt weitere Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung aufweist, welche vom Fluid umspült werden können. So kann es Teil eines Sicherheitskozepts sein, dass Komponenten von Luft umspült werden, beispielsweise um unerwünschte Ansammlungen von Brennstoff-Luft Gemisch im Abschnitt zu verhindern. Wenn ein Gebläseteil in einem Raumvolumen oder einer Kammer angeordnet ist, die Teil eines Fluidpfads ist, so kann das Gebläseteil derart ausgestaltet sein, dass es über eine Ansaugöffnung zum Ansaugen des Fluids aufweist, und dass es eine Auslassöffnung zum Auslassen des beschleunigten bzw. verdichteten Fluid aufweist. Es ist auch denkbar, dass das Gebläseteil an eine Fluidleitung angeschlossen ist und das Fluid im Betrieb über einen Zuleitungsteil der Leitung dem Gebläseteil zugeführt wird und über einen Ableitungsteil der Leitung vom Gebläse abgeführt wird.
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Es ist weiter von Vorteil, wenn der Motor und der Gebläseteil durch eine Kammer-Luftdichtung voneinander abgedichtet sind. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Fluid zum Motor gelangen könnten. Die Sicherheit wird weiter erhöht.
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Die Sicherheit kann weiter gesteigert werden, wenn der Motor und der Gebläseteil über eine Magnetkupplung miteinander gekoppelt sind. Das ermöglicht eine berührungslose Kopplung zwischen dem Motor und dem Gebläseteil. Insbesondere sind keine Achsen zur Kopplung nötig, welche durch das Gehäuse durchzuführen sind und aufwändig abgedichtet werden müssten. Das ermöglicht eine besonders einfache und zuverlässige fluidische bzw. strömungstechnische Trennen zwischen dem Motor und dem Gebläseteil. Da keine Achse zur Kopplung nötig ist, welche eine mechanische Abdichtung erfodert, ist so auch eine verschleiß- und damit wartungsarme Kopplung möglich. Auf diese Weise ist die Bereitstellung eines sicheren und zuverlässigen Gebläses möglich.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn das wenigstens eine Gebläse als ein Rezirkulationsgebläse eines Rezirkulationskreises ausgebildet ist. Im Rezirkulationskreis wird das brennstoffhaltige Rezirkulat transportiert, so dass mit dem erfindungsgemäßen Gebläse als Rezirkulationsgebläse die Sicherheit erhöht werden kann.
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Es ist auch von Vorteil, wenn das wenigstens eine Gebläse als ein Luftgebläse einer Luftzuführung ausgebildet ist. Typischerweise wird in Brennstoffzellenvorrichtungen die zugeführte zumindest abschnittsweise durch das Gehäuse geführt, um beispielsweise durch Leckagen ins Gehäuse eingedrungenen Brennstoff wegzuspülen. Damit kann sich auch in einem Luftstrom ein entzündliches Gasgemisch ausbilden, so dass durch die Verwendung eines Gebläses gemäß er vorliegenden Erfindung als Luftgebläse die Sicherheit erhöht werden kann.
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Es ist denkbar, dass die Brennstoffzellenvorrichtung mehr als ein Gebläse gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, insbesondere eine Mehrzahl an solchen Gebläsen. Beispielsweise ist es denkbar, dass das Luftgebläse und das Rezirkulationsgebläse als ein Gebläse gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
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In vorteilhaften Varianten ist das wenigstens eine Gebläse an einer Oberseite des Gehäuses angeordnet. Die Bezeichnungen „oben“ und „unten“ sollen sich im Rahmen dieser Erfindung auf vorgesehene Standardpositionen des Gehäuses bzw. der Brennstoffzellenvorrichtung in einer Betriebsposition beziehen. Unter einer Betriebsposition soll eine Anordnung der Brennstoffzellenvorrichtung verstanden werden, in welcher sie weitestgehend vollständig betreibbar ist. Insbesondere ist die Brennstoffzellenvorrichtung in ihrer Betriebsposition zumindest an eine Brennstoffzufuhr und eine Stromleitung gekoppelt.
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In diesem Zusammenhang soll unter einer Unterseite eine solche Seite des Gehäuses bzw. Hauptgehäuses verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, in einer Betriebsposition auf einem Boden zu stehen bzw. einem Boden zugewandt zu sein. Unter einem Boden soll dabei eine geeignete Fläche bzw. Untergrund verstanden werden, auf welchem die Brennstoffzellenvorrichtung aufstellbar ist. Vorteilhaft erstreckt sich die Unterseite in der Betriebsposition zumindest abschnittsweise entlang des Bodens. Es ist denkbar, dass die Unterseite in der Betriebsposition zumindest abschnittsweise den Boden kontaktiert. Es ist auch denkbar, dass die Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere an der Unterseite Füße aufweist, welche in der Betriebsposition den Boden kontaktieren. Es ist auch vorstellbar, dass die Brennstoffzellenvorrichtung in der Betriebsposition mit Haltemitteln, beispielsweise Wandschienen oder einem Gerüst montiert ist und die Unterseite den Boden nicht kontaktieren muss.
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Unter einer Oberseite kann in diesem Zusammenhang eine solche Seite des Gehäuses bzw. Hauptgehäuses verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, in einer Betriebsposition einer Decke eines Gebäudes bzw. einer Bebauung, in welcher die Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet ist, zugewandt zu sein. Beispielsweise ist die Oberseite eine vom Boden abgewandte Seite, insbesondere eine am weitesten vom Boden entfernte Seite. Vorteilhaft ist die Oberseite im Wesentlichen parallel zur Unterseite ausgerichtet. Typischerweise sind die Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung zwischen der Oberseite und der Unterseite angeordnet.
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Darunter, dass sich eine erste Struktur weitgehend oder im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Struktur angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass eine Haupterstreckungsrichtung der ersten Struktur bevorzugt parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der zweiten Struktur angeordnet ist oder um einen Winkel von höchstens 20°, bevorzugt höchstens 10°, besonders bevorzugt höchstens 5° von einer parallelen Anordnung abweicht.
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Darunter, dass sich eine erste Struktur weitgehend oder im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Struktur angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass eine Haupterstreckungsrichtung der ersten Struktur bevorzugt senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der zweiten Struktur angeordnet ist oder um einen Winkel von höchstens 20°, bevorzugt höchstens 10°, besonders bevorzugt höchstens 5° von einer senkrechten Anordnung abweicht.
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Darunter, dass das Gebläse an einer Oberseite angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass es auf einer Oberseite angeordnet ist, oder dass es an einer zur Oberseite unmittelbar benachbarten Seite des Gehäuses angeordnet ist und dabei in der Nähe der Oberseite angeordnet ist. Darunter, dass das Gebläse auf einer Seite in der Nähe der Oberseite angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Abstand des Gebläses zur Oberseite weniger als 30% einer Abstandes von der Oberseite zur Unterseite beträgt, bevorzugt weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10%.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung wird weiter verbessert, wenn das Gehäuse ein Hauptgehäuse und einen Gehäuseanbau am Hauptgehäuse aufweist, wobei die mindestens eine Brennstoffzelleneinheit im Hauptgehäuse angeordnet ist und der Motor am Gehäuseanbau angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass das Gebläse bzw. sein Motor weiter von Komponenten des Brennstoffzellenvorrichtung abtrennbar ist. So ist durch den Gehäuseanbau eine physische Abtrennung des Gebläses vom Hauptgehäuse möglich. Im unwahrscheinlichen Fall, dass sich Fluide am Motor entzünden, wäre damit nur der Gehäuseanbau betroffen.
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Unter einem Gehäuseanbau soll insbesondere ein Nebengehäuse verstanden werden, welches am Hauptgehäuse angeordnet ist. Es besteht eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Hauptgehäuse und dem Gehäuseanbau, zumindest für das durch das Gebläse transportierte Fluid, beispielsweise durch eine Öffnung. Vorteilhaft hat das Nebengehäuse ein deutlich kleineres Volumen als das Hauptgehäuse, beispielsweise weniger als 30% von Volumen des Hauptgehäuses, bevorzugt weniger als 20%, besonders bevorzugt kleiner als 10%.
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In Varianten ist wenigstens eine Komponente eines kalten Anlagenteils, insbesondere eine Regeleinheit, im oder am Gehäuseanbau angeordnet.
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Typischerweise weisen Brennstoffzellenvorrichtungen einem kalten Anlagenteil und einen heißen Anlagenteil auf.
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Unter einem heißen Anlagenteil soll insbesondere eine Untergruppe von Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtungen verstanden werden. Der heißte Anlagenteil weist die Brennstoffzelleneinheit auf sowie weitere Komponenten, welche in einem engen thermischen Kontakt mit der Brennstoffzelleneinheit stehen, typischerweise Wärmetauscher, welche zur unmittelbaren Rückführung einer Abwärme der Abgase der Brennstoffzelleneinheit zurück in die Brennstoffzelleneeinheit vorgesehen sind. Typischweise weist der heiße Anlagenteil einen Reformer für den zugeführten Brennstoff sowie einen Nachbrenner zur Verbrennung der Abgase auf. Der heiße Anlagenteil wird auch als hot Balance of Plant (hot BoP) oder hotbox bezeichnet.
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Unter einem kalten Anlagenteil soll insbesondere eine Untergruppe von Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtungen verstanden werden. Der kalte Anlagenteil weist typischerweise solche Komponenten auf, welche den heißen Anlagenteil bzw. die Brennstoffzellenvorrichtungen mit dem Brennstoff und Luft versorgt sowie das Abgas abführt. Der kalte Anlagenteil beispielweise wenigstens eine Zuführleitung zur Bereitstellung eines Brennstoffs für die Brennstoffzelleneeinheit, eine Luftzuleitung, sowie eine Abgasleitung auf. Typischerweise weist ein kalter Anlagenteil einen Rezirkulationskreis auf. Typischerweise wird auch die Elektronik einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, Regeleinheit, Leistungselektronik und dergleichen dem kalten Anlagenteil zugerechnet. Der kalte Anlagenteil wird auch als cold Balance of Plant (cold BoP) bezeichnet.
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Eine weitere Verbesserung liegt vor, wenn wenigstens eine Komponente eines heißen Anlagenteils, insbesondere ein Reformer und/oder Nachbrenner, im Hauptgehäuse angeordnet ist bzw. sind. Neben der Erhöhung der Sicherheit ist es so auch möglich, Komponenten der heißen Anlagenteils von Komponenten des warmen Anlagenteils zu räumlich zu trennen. Die Komponenten des kalten Anlagenteils weisen im Betrieb eine geringere Temperatur auf als die Komponenten des heißen Anlagenteils, so dass auf diese Weise ein effizienterer Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung möglich ist.
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Zeichnungen
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Brennstoffzellenvorrichtung abgebildet/dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung der strömungstechnischen Verschaltung einer Brennstoffzellenvorrichtung und
- 2 eine teiltransparente, perspektivische Ansicht auf eine Brennstoffzellenvorrichtung.
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Beschreibung
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In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.
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In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12, eine erste Brennstoffzelleneinheit 12a und eine zweite Brennstoffzelleneinheit 12b. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstacks ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen. Die erste Brennstoffzelleneinheit 12a ist im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein erster Brennstoffzellenstack. Die zweite Brennstoffzelleneinheit 12b ist im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein zweiter Brennstoffzellenstack.
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Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. Unter einer Prozessoreinheit 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Brenngases, einer Luft und/oder eines Abgases.
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Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten, sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt.
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Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, im vorliegenden Fall beispielhaft Erdgas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
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Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchte Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.
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Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden.
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Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf die zugeführte Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen der zugeführten Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.
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Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39.
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Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des weiteren Wärmeübertragers 39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden.
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Über Gebläse 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr von Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis 40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden. Der Anodenrezirkulationskreis 40 weist ein Rezirkulationsgebläse 48 auf. Das Rezirkulationsgebläse 48 ist ein Gebläse 42.
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Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleninheiten 12 zugeführten Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird.
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Wie deutlich zu erkennen ist, werden im Ausführungsbeispiel beide Brennstoffzelleneinheiten 12 über die Luftzuführung 16 und einem Luftgebläse 58 mit Luft L versorgt. Fluidisch sind die beiden Brennstoffzelleneinheiten 12 über die Luftzuführung 16 parallel verschaltet. Damit weisen die beiden Brennstoffzelleneinheiten 12 eine gemeinsame Luftversorgung 16, 42 auf. Damit weisen die beiden Brennstoffzelleneinheiten 12 eine gemeinsame Luftversorgung auf, wobei eine durch das Luftgebläse 58 geförderte Luft L über zwei fluidisch parallel zueinander verschaltete Luftzuführungen 16 zu der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit 12 geführt wird. Das Luftgebläse 58 ist ein Gebläse 42. Durch die gemeinsame Luftzuführung 16 wird insbesondere an beide Brennstoffzelleneinheiten 12 weitgehend der gleiche Luftstrom L geliefert.
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Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden beide Brennstoffzelleneinheiten 12 über die Brennstoffzuführung und beispielhaft einen Reformer 26 mit Brennstoff B bzw. reformierten Brennstoff RB versorgt. Der Brennstoff B bzw. der reformierte Brennstoff RB werden dabei jeweils von einem Gebläse 42 an der Brennstoffzuführung 24 und von einem Gebläse 42 im Anodenrezirkulationskreis 40, dem Rezirkulationsgebläse 48, transportiert. Dabei sind im Ausführungsbeispiel die Brennstoffzelleneinheiten 12 fluidisch mit dem Reformer 26 parallel verschaltet. Damit weisen die beiden Brennstoffzelleneinheiten 12 eine gemeinsame Brennstoffversorgung 24, 26, 42 auf. Diese gemeinsame Brennstoffversorgung 24, 26, 42 stellt im gezeigten Ausführungsbeispiel den beiden Brennstoffzelleneinheiten 12 eine weitgehend gleiche Grundmenge von Brennstoff zur Verfügung.
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Anders formuliert weisen die beiden Brennstoffzelleneinheiten 12 eine gemeinsame Brennstoffversorgung auf, wobei durch Gebläse 42 geförderter Brennstoff B bzw. reformierter Brennstoff RB über zwei fluidisch parallel zueinander verschaltete Brennstoffzuführungen 24 zu der jeweiligen Brennstoffzelleneinheit 12 geführt wird. Durch die gemeinsame Brennstoffzuführung 24 wird insbesondere an beide Brennstoffzelleneinheiten 12 weitgehend der gleiche Brennstoffstrom B bzw. Strom von reformierten Brennstoff RB geliefert.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Brennstoffzellenvorrichtung 10, welches die Anordnung der Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 10 verdeutlicht. Dazu ist ein Gehäuse 50 und Teile der Komponenten durchsichtig dargestellt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 50 auf. Beispielhaft weist das Gehäuse 50 ein Hauptgehäuse 52 und einen Gehäuseanbau 54 auf. Im Ausführungsbeispiel sind die erste Brennstoffzelleneinheit 12a und die zweite Brennstoffzelleneinheit 12b im Hauptgehäuse 52 angeordnet.
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Das Gebläse 42 ist in Ausführungsbeispiel das Rezirkulationsgebläse 48. In 2 sind drei Varianten dargestellt bzw. drei Möglichkeiten, wo das Gebläse 42 am Gehäuse angeordnet sein kann. Daher sind in 2 drei Gebläse 42 abgebildet, welche jeweils eine mögliche Position aufzeigen, jedoch ist in jeder Variante stets nur eines der Gebläse vorhanden.
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In einer ersten Variante I ist das Gebläse 42 am Gehäuseanbau 54 angeordnet. Wie deutlich zu erkennen ist, weist das Gebläse 42 einen Motor 60 und ein Gebläseteil 62 auf. Der Motor 60 ist außerhalb vom Gehäuseanbau 54 bzw. Gehäuse 50 angeordnet. Der Gebläseteil 62 ist innerhalb vom Gehäuseanbau 54 bzw. Gehäuse 50 angeordnet.
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Beispielhaft ist am Gehäuseanbau 54 eine Regeleinheit 64 angeordnet, welche beispielhaft als ein Schaltkasten ausgebildet ist.
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Beispielhaft sind in der in 2 gezeigten Ausführungsform der Reformer 26, Nachbrenner 28 und der Wärmeübertrager 18 im Hauptgehäuse 52 angeordnet. Das Hauptgehäuse 52 weist eine Oberseite 56a und eine Unterseite 56b auf. Der Gehäuseanbau 54 ist beispielhaft an einer Nebenseite 56c angeordnet, welche an der Oberseite 56a angrenzt. Beispielhaft grenzt die Nebenseite 56c an der Unterseite 46b an. An der Nebenseite 56c ist beispielhaft ein Durchströmöffnung 66 angeordnet, welche den Gehäuseanbau 54 strömungstechnisch mit dem Hauptgehäuse 52 verbindet
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In einer zweiten Variante II ist das Gebläse 42 auf der Oberseite 56a angeordnet. Hier weist das Gebläse 42 einen Motor 60 und ein Gebläseteil 62 auf. ist Der Motor 60 ist außerhalb vom Hauptgehäuse 52 bzw. Gehäuse 50 angeordnet. Der Gebläseteil 62 ist innerhalb vom Hauptgehäuse 52 bzw. Gehäuse 50 angeordnet.
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In einer dritten Variante III ist das Gebläse 42 auf der Nebenseite 56c an der Oberseite 56a angeordnet. Beispielhaft ist das Gebläse 42 auf der Nebenseite 56c zwischen dem Gehäuseanbau 54 und der Oberseite 56a angeordnet. Das Gebläse 42 weist einen Motor 60 und ein Gebläseteil 62 auf. ist Der Motor 60 ist außerhalb vom Hauptgehäuse 52 bzw. Gehäuse 50 angeordnet. Der Gebläseteil 62 ist innerhalb vom Hauptgehäuse 52 bzw. Gehäuse 50 angeordnet.
