DE102022214413A1

DE102022214413A1 - Zellenvorrichtung mit Partikelfilter

Info

Publication number: DE102022214413A1
Application number: DE102022214413.9A
Authority: DE
Inventors: Torben Wolfanger; Stefan Boettcher; Simon Maier; Thomas Goeddel; Tania Gonzalez-Baquet
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-12-27
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2024-06-27
Also published as: CN118263488A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellenvorrichtung (10) mit mindestens einer Zelleneinheit (12) und einer Zuleitung (20) für ein Fluid, wobei die Zuleitung (16, 20) dazu ausgebildet ist, das Fluid der Zelleneinheit (12) zuzuführen, wobei die Zelleneinheit (12) wenigstens eine elektrochemische Zelle zur Umsetzung des Fluids aufweist, wobei die Zuleitung (20) einen Partikelfilter (64) aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass der Partikelfilter (64) an der Zelleneinheit (12) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellenvorrichtung mit einer elektrochemischen Zelle und einem Partikelfilter nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Brennstoffzellenvorrichtungen weisen Brennstoffzellenstacks auf, welche sehr empfindlich gegenüber thermischen, chemischen und mechanischen Einflüssen sind und daher vor solchen unerwünschten Einflüssen geschützt werden müssen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Zellenvorrichtung mit mindestens einer Zelleneinheit und einer Zuleitung für ein Fluid, wobei die Zuleitung dazu ausgebildet ist, das Fluid der Zelleneinheit zuzuführen, wobei die Zelleneinheit wenigstens eine elektrochemische Zelle zur Umsetzung des Fluids aufweist, wobei die Zuleitung einen Partikelfilteraufweist. Erfindungsgemäß ist der Partikelfilter an der Zelleneinheit angeordnet. Das hat den Vorteil, das Partikel aus dem Fluid gefiltert werden können, bevor diese in die Zelleneinheit strömen. Auf diese Weise kann die elektrochemische Zelle der Zelleneinheit vor Partikeln geschützt werden. Durch die Anordnung des Partikelfilters vor der Zelleneinheit wird der Strömungsweg zwischen Partikelfilter und Zelleneinheit verringert wodurch das Risiko des Partikeleintrages in die Strömung des Fluids reduziert wird. Partikel können in Herstellungs- und/oder Montageprozessen entstehen. Partikel können auch in Bauteilen bzw. Komponenten der Zellenvorrichtung entstehen bzw. durch diese im Betrieb emittiert werden, insbesondere in Wärmetauschern. Es ist auch denkbar, dass Partikel bei Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten entstehen.
Unter einer Zellenvorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche zur elektrochemischen Umsetzung von wenigstens zwei Fluiden vorgesehen ist. Die Zellenvorrichtung weist dabei eine Zelleneinheit auf, welche die zwei Fluid elektrochemisch umsetzt sowie Komponenten, welche die Zelleneinheit elektrisch versorgen, also elektrische Energie ab- und/oder zuführen, sowie Komponenten, welche die Zelleneinheit mit den zwei Fluiden versorgen. Die Versorgungen kann dabei aktiv - beispielsweise durch Zuleitungen, Pumpen, Fluidreservoirs etc. - oder passiv - etwa mit Umgebungsluft als Fluid - ohne aktiven Transport erfolgen. Vorteilhaft weist die Zellenvorrichtung auch Komponenten zum Abtransport und/oder Wiederverwertung von den umgesetzten Fluiden. Vorteilhaft weist die Zellenvorrichtung auch Komponenten für den Wärmetransport auf, insbesondere zur Temperaturregelung der Zelleneinheit, beispielsweise zur Nutzung von Abwärme. Beispiele für Zellenvorrichtungen sind Brennstoffzellenvorrichtungen oder Elektrolysevorrichtungen.
Unter einer Zelleneinheit soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen verstanden werden. Typischerweise sind die elektrochemischen Zellen in einer Zelleneinheit aufeinander gestapelt angeordnet. Beispiele für Zelleneinheiten sind Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolysezelleneinheiten.
Unter einer elektrochemischen Zelle soll dabei insbesondere eine Anordnung verstanden werden, welche durch chemische Reaktionen eine nutzbare elektrische Energie bereitstellen oder zur chemischen Gewinnung bzw. Umsetzung von Stoffen durch Anlegen einer Anspannung vorgesehen sind. Eine elektrochemische Zelle weist wenigstens zwei oder mehr Funktionsschichten auf. Die Funktionsschichten umfassen wenigstens zwei Elektrodenschichten und eine Trennschicht bzw. Elektrolytschicht. Die Elektrodenschichten haben jeweils die Funktion eines Elektronenleiters und werden leitend mit der Trennschicht bzw. Elektrolytschicht verbunden. Auch wichtig für die Elektrodenschichten ist der Ionentransport und eine katalytische Aktivität bzw. Sauerstoffaustausch-Kapazität zwischen Elektrodenschicht und Gasphase. Die Trennschicht bzw. Elektrolytschicht hat insbesondere die Funktion eines lonenleiters. Weiterhin ist die Trennschicht bzw. Elektrolytschicht für die Trennung der zwei Gasräume vorgesehen, beispielsweise die Trennung zwischen Luft und Brenngas in einer Brennstoffzelle. Einer elektrochemischen Zelle werden im Betrieb typischerweise wenigstens zwei Fluide aktiv oder passiv zugeführt, welche elektrochemisch umgesetzt werden. Ein Fluid kann flüssig und/oder gasförmig sein.
Insbesondere soll unter einer elektrochemischen Zelle eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle verstanden werden. Beispielsweise ist die elektrochemische Zelle dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem elektrochemischen Verbrennungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung umzusetzen. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrochemische Zelle dazu vorgesehen sein, in einem Trennungsprozess unter Zuführung elektrischer Energie ein Fluid in zumindest zwei Bestandteile zu zerteilen. Beispiele für elektrochemische Zellen sind Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen.
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. 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.
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. Die Gebläse können insbesondere Gebläse einer Luftzuführung sein, Gebläse einer Brennstoffzuführung, ein Gebläse einer Abgasabführung und/oder ein Gebläse eines Rezirkulationskreises sein. Vorteilhaft weist das Brennstoffzellensystem einen oder mehrere Wärmetauscher auf, insbesondere um Wärme des Abgases bzw. insbesondere des Anodenabgases und Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit wieder zuzuführen, insbesondere der der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Fluiden - insbesondere Luft, Brennstoff und/oder Rezirkulat - zuzuführen. Vorliegend werden die Begriffe Wärmetauscher und Wärmeübertrager synonym verwendet.
Unter einer Brennstoffzelleneinheit soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen verstanden werden. Typischerweise 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.
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. Vorteilhaft kann die Brennstoffzellenvorrichtung auch zwei oder mehr Brennstoffzuführungen aufweisen, so dass ein Betrieb mit unterschiedlichen Brennstoffen möglich ist, insbesondere beispielsweise eine Brennstoffzuführung für Erdgas und eine Brennstoffzuführung für Wasserstoff.
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 oder einem Mischabschnitt 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. Typischerweise weist ein Rezirkulationskreises ein Rezirkulationsgebläse auf, welches dazu vorgesehen ist, ein Rezirkulat zu bewegen. Der Rezirkulationskreis kann insbesondere eine Brennstoffzuleitung und/oder eine Rezirkulationsleitung bzw. Anodenabgasleitung aufweisen.
Unter einer Strömungsrichtung des Rezirkulats soll insbesondere auch eine Strömungsrichtung eines Rezirkulat-Brennstoff Gemisches verstanden werden.
Unter einem Rezirkulat soll insbesondere ein brennstoff- bzw. wasserstoff- und wasserhaltiges Anodenabgas von wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einem Rezirkulat-Brennstoff Gemisch soll im Rahmen dieser Erfindung ein Gasgemisch aus einem brennstoff- bzw. wasserstoff- und wasserhaltigem Anodenabgas von wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit mit frischem Brennstoff verstanden werden.
Unter Leitungen sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung Leitungen verstanden werden, welche dazu vorgesehen sind, ein Fluid zu führen. Ein Fluid kann insbesondere flüssig oder gasförmig sein. Unter einem Fluid soll insbesondere Luft, Brennstoff, Rezirkulat, Abgase - insbesondere Anodenabgas und Kathodenabgas - verstanden werden. Beispielsweise ist eine Luftzuleitung dazu vorgesehen, Luft zu führen. Eine Leitung verbindet strömungstechnisch typischerweise zwei Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung. Es ist auch denkbar, dass eine Leitung mehrere Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung strömungstechnisch in Reihe miteinander verbindet. So kann beispielsweise die Luftzuleitung eine Luftquelle mit einem Luftgebläse und das Luftgebläse mit der Brennstoffzelleneinheit verbinden. Es ist denkbar, dass eine Leitung je nach Betriebszustand und/oder je nach Leitungsabschnitt für unterschiedliche Fluide vorgesehen ist. Beispielsweise ist es denkbar, dass in einer Zuführleitung für den Brennstoff an einem Eimischabschnitt das Rezirkulat eingedüst wird, so dass stromabwärts vom Einmischabschnitt eine Mischung aus dem Brennstoff und dem Rezirkulat strömt. Beispielsweise kann eine Leitung ein Rohr oder mehrere Rohre aufweisen. Insbesondere kann eine Leitung mehrere Leitungsabschnitte aufweisen, welche beispielsweise unterschiedliche Komponenten strömungstechnisch miteinander verbinden.
Unter einer Elektrolysevorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche zur Gewinnung von Brennstoff aus wenigstens einem Grundstoff und elektrischen Strom - insbesondere Wasserstoff aus elektrischem Strom und Wasser - durch Elektrolyse vorgesehen ist. Die Elektrolysevorrichtung weist dazu eine Elektrolyseeinheit auf, welche mit einem Medium als Grundstoff - beispielsweise Wasser - und vorteilhaft dem Hilfsmedium versorgt wird. Das Medium wird in der Elektrolyseeinheit unter Zuführung von elektrischer Energie in einer Redoxreaktion reduziert, wobei auch Sauerstoff entsteht. Insbesondere erzeugt die Elektrolyseeinheit ein Produktgas, welches das reduzierte Medium aufweist, und ein Abgas, welches den Sauerstoff aufweist. Das reduzierte Medium wird aus der Elektrolyseeinheit abgeführt und stellt den Brennstoff dar, beispielsweise Wasserstoff. Entsprechend weist die Elektrolysevorrichtung Komponenten und Leitungen auf, um der Elektrolyseeinheit das Medium und den Brennstoff zuzuführen, die elektrische Energie bereitzustellen, sowie um das reduzierte Medium und das Abgas von der Elektrolyseeinheit abzuführen und ggf. zu speichern. Weiterhin weist die Elektrolysevorrichtung Komponenten und Leitungen auf, um die jeweiligen Fluide auf die für die Elektrolyse notwendigen Temperaturen zu bringen bzw. um die in der Elektrolyseeinheit entstehende Abwärme zu verarbeiten. Unter einem Hilfsmedium soll insbesondere ein ausreichend inertes Gas verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, den Sauerstoff aus der Elektrolyseeinheit auszutreiben. Vorteilhaft ist das Hilfsmedium auch dazu vorgesehen, die Elektrolyseeinheit aufzuheizen oder abzukühlen. Mögliche Hilfsmedien sind beispielsweise Luft, CO₂ oder N₂, typischerweise wird Luft eingesetzt.
Unter einer Elektrolyseeinheit soll insbesondere eine Komponente verstanden werden, welche wenigstens eine Elektrolysezelle aufweist. Typischerweise weist eine Elektrolyseeinheit eine Mehrzahl von Elektrolysezellen auf, welche miteinander elektrisch in Reihe verschaltet sind, wobei die Elektrolysezellen vorteilhaft gestapelt sind. Ein Stapel von Elektrolysezellen wird auch als Elektrolysestack bezeichnet. Die Elektrolyseeinheit kann auch als ein Stackmodul ausgebildet sein. Unter einem Stackmodul soll eine Mehrzahl von Elektrolysestacks verstanden werden, welche elektrisch einzeln, miteinander parallel oder miteinander in Reihe verschaltet sein können und beispielsweise auf einer gemeinsamen Chassis bzw. einem gemeinsamen Träger oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Die Elektrolysezelle ist eine elektrochemische Zelle, welche durch chemische Reaktionen zur chemischen Gewinnung bzw. Umsetzung von Stoffen durch Anlegen einer elektrischen Spannung vorgesehen ist. Die Elektrolysezelle weist wenigstens zwei Elektrodenschichten und eine Trennschicht bzw. Elektrolytschicht auf, welche insbesondere die Funktion eines lonenleiter hat. Vorzugsweise weist die Elektrolysezelle eine Elektrodenschicht auf, welche als Oxidationselektrode bzw. Luftelektrode ausgebildet ist und insbesondere zu einem Kontakt mit dem Oxidant und/oder einem Spaltprodukt, ausgebildet ist. Vorzugsweise ist zumindest eine Elektrodenschicht als Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Brennstoff und/oder einem weiteren Spaltprodukt, ausgebildet. Die Luftelektrode definiert eine Anodenseite der Elektrolysezelle, die Brennstoffelektrode definiert die Kathodenseite der Elektrolysezelle.
Die Elektrolysezelle ist bevorzugt eine Festoxid-Elektrolysezelle bzw. Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC), insbesondere eine Hochtemperatur SOEC. Die vorliegende Erfindung ist aber unabhängig von der Art der Elektrolysezellen, so funktioniert die Elektrolysevorrichtung auch für andere Typen von Elektrolysezellen, beispielsweise ist auch eine Elektrolyseeinheiten auf Basis von protonendurchlässigen Polymermembranen bzw. Proton Exchange Membrane oder Polymer Electrolyte Membrane (PEM) denkbar.
Unter einem der Zelleneinheit zugeführten Fluid soll daher insbesondere ein Brennstoff, Luft, Sauerstoff, Medium, Hilfsmedium und/oder Rezirkulat verstanden werden.
Unter einer Zuleitung soll insbesondere eine Leitung verstanden werden, welche für ein der Zelleneinheit zugeführtem Fluid vorgesehen ist, insbesondere eine Zuleitung für Brennstoff, Luft, Medium oder Hilfsmedium.
Unter einem Partikelfilter soll eine Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, Partikel ab einer bestimmten Größe aus dem Fluid zu filtern. Der Partikelfilter kann beispielsweise ein Elektrofilter, Zentrifugalfilter, Gravitationsfilter und/oder mechanischer Filter sein. Vorteilhaft ist der Partikelfilter ein mechanischer Filter welcher die Partikel mittels eines durch das Fluid durchströmten Filtermediums zurückhält, insbesondere einer Membran. Vorteilhaft weist der Partikelfilter ein Gewebe bzw. Gewirk - insbesondere ein Metallgewebe auf. Vorteilhaft weist der Partikelfilter Poren oder Maschen auf, so dass Partikel, die größer sind als die Poren, durch den Partikelfilter aus dem Fluid abgeschieden werden. Vorteilhaft ist der Partikelfilter dazu ausgebildet, Partikel größer als 400 µm abzuscheiden, vorteilhaft größer als 200 µm, besonderes vorteilhaft größer als 100 µm. Beispielsweise kann der Partikelfilter Poren oder Maschen aufweisen, welche 195 µm groß sind. Auf diese Weise können Partikel kritischer Größe herausgefiltert werden.
Darunter, dass die Zuleitung den Partikelfilter aufweist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Partikelfilter derart an der Zuleitung angeordnet ist, dass im Betrieb das durch die Zuleitung strömende Fluid durch den Filter gefiltert wird. Insbesondere kann ein aktives Filterelement des Partikelfilters, beispielsweise eine Membran zumindest abschnittweise innerhalb der Zuleitung bzw. eines Strömungsquerschnitts der Zuleitung angeordnet sein
Darunter, dass der Partikelfilter an der Zelleneinheit angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Partikelfilter bezüglich der Strömung des Fluids strömungstechnisch unmittelbar an der Zelleneinheit angeordnet ist. Insbesondere ist bezüglich der Strömung des Fluids strömungstechnisch zwischen Partikelfilter und Zelleneinheit keine weitere Komponente der Zellenvorrichtung zwischengeschaltet - oder in anderen Worten ist der Partikelfilter die letzte Komponente, durch welche im Betrieb das Fluid strömt, bevor es in die Zelleneinheit strömt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Brennstoffzellenvorrichtung möglich.
Die Zellenvorrichtung wird weiter verbessert, wenn der Partikelfilter einen Abstand zur Zelleneinheit von höchstens 30 cm aufweist, bevorzugt höchstens 20 cm, besonders bevorzugt höchstens 10 cm. Dabei ist unter einem Abstand insbesondere ein Abstand entlang einer gedachten Strömungsrichtung des Fluids verstanden werden, welche einer Strömungsrichtung des Fluids in einem Normalbetrieb der Zellenvorrichtung entspricht.
Eine besonders gute Filterwirkung ist möglich, wenn der Partikelfilter weitgehend eben ausgebildet ist und mit einer Flächennormalen entlang einer Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist. Die Flächennormale ist weitgehend parallel zur Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet. In anderen Worten ist die Fläche - bzw. die der weitgehenden ebenen Fläche zugeordnete gedachte Ebene bzw. zwei die Fläche aufspannende, gedachte Flächenvektoren - weitgehend senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet.
Darunter, dass eine Struktur weitgehend eben ausgebildet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass eine gedachte Ebene existiert, von welcher jeder gedachte Punkt auf der Struktur einen Abstand aufweist, der höchst 30% einer maximalen Erstreckung der Struktur beträgt, bevorzugt höchstens 20%, besonders bevorzugt höchstens 10%. Die Flächennormale der weitgehend eben ausgebildeten Struktur entspricht der Flächennormale einer gedachten minimalen Ebene. Eine minimale Ebene ist eine gedachte Ebene mit dem kleinsten möglichen Maximalabstand. Ein Maximalabstand der Ebene ist der Abstand eines auf der Struktur gedachten Punkts zur Ebene mit dem größten Abstand zur Ebene.
Darunter, dass sich eine erste Struktur entlang einer Achse oder zweiten Struktur erstreckt, soll insbesondere verstanden werden, dass die erste Struktur im Wesentlichen parallel zur zweiten Struktur oder Achse angeordnet ist.
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.
Darunter, dass sich eine Struktur aus einer Fläche erstreckt, soll insbesondere verstanden werden, dass sich die Struktur im Wesentlich senkrecht zu der Fläche erstreckt bzw. entlang von einem Flächennormalvektor erstreckt.
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.
Darunter, dass eine Struktur weitgehend oder im Wesentlichen einer bestimmten geometrischen Form entspricht, soll insbesondere verstanden werden, wenn eine solche gedachte geometrische Form existiert, von welcher die Struktur bzw. ein Rand oder eine Oberfläche dieser Struktur um weniger als 25% abweicht, bevorzugt weniger als 10% abweicht, besonders bevorzugt weniger als 5% abweicht. Ein Maß für diese Abweichung könnte beispielsweise die Oberflächendifferenz von der Struktur zur Oberfläche der kleinsten möglichen diese Struktur umschließenden gefachten geometrischen Form, normiert auf die Gesamtoberfläche der Struktur, sein.
Die Stabilität des Partikelfilters wird verbessert, wenn der Partikelfilter eine Wölbung aufweist, insbesondere in Richtung einer Strömungsrichtung des Fluids.
Unter einer Wölbung soll insbesondere verstanden werden, ein weitgehend ebener Abschnitt des Partikelfilter zumindest abschnittweise gekrümmt ist - insbesondere im Sinne einer Gaußschen Krümmung von ungleich Null. Beispielsweise kann der Partikelfilter Abschnitte aufweisen, welche konkav oder konvex ausgebildet sind. Darunter, dass der Partikelfilter eine Wölbung in Richtung der Strömungsrichtung des Fluids aufweist, soll insbesondere verstanden werden, dass ein gedachter Krümmungsradius existiert, welcher entlang oder weitgehend parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
Unter einer der Strömungsrichtung des Fluids soll eine gedachte Strömungsrichtung verstanden werden, welche einer Strömungsrichtung des Fluids in einem Normalbetrieb des Zellenvorrichtung entspricht. Typischerweise entspricht die Strömungsrichtung einer Längserstreckungsrichtung der Zuleitung bzw. des Innenquerschnitts der Zuleitung.
Es ist weiter von Vorteil, wenn der Partikelfilter einen Filterdurchmesser zwischen 80 mm und 130 mm aufweist, bevorzugt zwischen 90 mm und 120 mm, besonders bevorzugt zwischen 100 mm und 110 mm. Auf diese Weise kann der Partikelfilters in einen Strömungsbereich mit großem Strömungsquerschnitt angeordnet werden. So kann der Partikelfilter direkt in die Strömung des Fluids gelegt werden, die Strömung muss zum Durchströmen des Partikelfilters nicht umgelenkt werden. Dadurch wird der Druckverlust am Partikelfilter minimiert.
Wenn der Partikelfilter in einem Abschnitt der Zuleitung angeordnet ist, welche einen Innendurchmesser aufweist, der einem Filterdurchmesser weitgehend entspricht, ist eine besonders effiziente Filterung möglich.
Die Zellenvorrichtung wird weiter verbessert, wenn bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids strömungstechnisch vor dem Partikelfilter ein Strömungsgleichrichter angeordnet ist. Hierdurch entsteht der Vorteil, dass die mit Partikeln belastete Strömung des Fluids gleichmäßiger auf die gesamte Fläche des Partikelfilters verteilt wird, wird was wiederum den Druckverlust reduziert. Zusätzlich bietet sich der Vorteil, dass aus dem Strömungsgleichrichter austretende Partikel herausgefiltert werden können. Ein Partikelfilter kann beispielsweise, insbesondere wenn die Zellenvorrichtung eine Brennstoffzellenvorrichtung ist, als ein Chrom-Getter ausgebildet sein, welche auch zur Filterung von Chrom aus dem Fluid ausgebildet ist.
Dabei ist es strömungstechnisch besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem Partikelfilter und dem Strömungsgleichrichter ein Abstand zwischen 15 mm und 40 mm besteht, bevorzugt zwischen 20 mm und 35 mm, besonders bevorzugt zwischen 25 mm und 30 mm. Der Abstand ist dabei insbesondere ein Abstand entlang der Strömungsrichtung des Fluids.
Eine vorteilhafte Ausbildung des Strömungsgleichrichter liegt vor, wenn der Strömungsgleichrichter eine Mehrzahl von Kanälen aufweist, welche sich in der Strömungsrichtung erstrecken. Beispielsweise kann der Strömungsgleichrichter einen Wabenkörper aufweisen
Unter einem Wabenkörper soll insbesondere ein Körper bzw. Träger mit einer Mehrzahl von gleichartigen Kanälen verstanden werden, wobei sich die Kanäle entlang einer Richtung erstrecken und gleichmäßig angeordnet sind. Vorteilhaft sind die Kanäle bezüglich eines Querschnitts senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Kanäle jeweils auf den Gitterpunkten eines regelmäßigen bzw. strukturierten, zweidimensionalen Gitters angeordnet. Insbesondere sind Gitter mit quadratischen, rechteckigen, dreieckigen oder hexagonalen Gitterzellen vorstellbar. Es sind jedoch auch gekrümmte Gitter mit beispielsweise kreisförmigen oder elliptischen Gitterlinien denkbar. Es ist möglich, dass die Gitterstruktur die Querschnittsgeometrie der Kanäle widerspiegelt, beispielsweise ein quadratisches Gitter mit quadratischen Kanälen. Grundsätzlich sind Kanäle mit rundem Querschnitt mit vielen Gittertypen vorteilhaft kombinierbar, insbesondere mit rechtwinkligen Gittern.
Wabenkörper, insbesondere keramische Wabenkörper sind aus der Anwendung in Katalysatoren und Luftfilter bekannt.
Von Vorteil ist auch eine Zellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche als eine Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet ist, aufweisend eine Brennstoffzelleneinheit welche mit einer Luftzuleitung zur Versorgung mit Luft und mit eine Brennstoffzuleitung zur Versorgung mit Brennstoff strömungstechnisch verbunden ist, wobei zumindest ein Partikelfilter in der Luftzuleitung und/oder in der Brennstoffzuleitung angeordnet ist. Dadurch werden die Brennstoffzellenstacks geschützt, welche besonders als SOFC-Brennstoffzellenstacks besonders schmutzempfindlich sind. Damit wird die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung erhöht.
Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Zellenvorrichtung abgebildet und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellungen der strömungstechnischen Verschaltung einer Zellenvorrichtung,
2 eine schematische Ansicht auf einen Abschnitt einer Zuleitung der Zellenvorrichtung mit einem Partikelfilter an der Zelleneinheit,
3 eine detailliertere Schnittansicht auf die Zuleitung aus 2 sowie
4 und 5 jeweils Ansichten auf einen Abschnitt einer Zuleitung der Zellenvorrichtung mit einem Partikelfilter an Varianten der Zelleneinheit.

Beschreibung
In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.
In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Zellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Zellenvorrichtung 10 ist beispielhaft als eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 für die Umsetzung von reinem Wasserstoff als Brennstoff oder von einer Erdgas-Wasserstoff Mischung mit hohen Wasserstoff Anteil als Brennstoff ausgebildet. Derartige Brennstoffzellenvorrichtung 10 benötigen typischerweise keinen Reformer für den Brennstoff. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft eine Brennstoffzelleneinheit 12 als Zelleneinheit 12. Die Brennstoffzelleneinheit 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstack ausgeführt, welcher eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), als elektrochemische Zellen aufweist.
Aus einer Brennstoffquelle 14 wird über eine Brennstoffzuleitung 16 der Brennstoffzelleneinheit 12 ein Brennstoff, im gezeigten Fall eine Erdgas-Wasserstoff Mischung, zugeführt. Der Brennstoff ist ein Fluid. Die Brennstoffzuleitung 16 ist eine Zuleitung 16 für das Fluid Brennstoff. Die Brennstoffzuleitung 16 ist dazu ausgebildet, den Brennstoff der Zelleneinheit 12 zuzuführen. Genauer genommen wird der Brennstoff einer Anodenseite 12b der Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführt. Beispielhaft ist die Brennstoffquelle 14 ein Gas-Anschluss für eine externe Brennstoffzuleitung, welche eine Erdgas-Wasserstoff Mischung bereitstellt. In alternativen Varianten ist es denkbar, dass die Brennstoffquelle 14 eine Gasdruckflasche mit Brennstoff aufweist. Der Brennstoff kann in Varianten beispielsweise Wasserstoff und/oder Erdgas sein. Beispielhaft ist der Brennstoffquelle 14 in Strömungsrichtung des Brennstoffs in der Brennstoffzuleitung 16 ein Absperrventil 44 strömungstechnisch unmittelbar nachgeschaltet. Beispielhaft ist dem Absperrventil 44 in Strömungsrichtung des Brennstoffs in der Brennstoffzuleitung 16 ein Massendurchflussregler 46 für den Brennstoff strömungstechnisch unmittelbar nachgeschaltet. Auf diese Weise kann der für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 12 notwendige Brennstoffstrom eingestellt werden.
Aus einer Luftquelle 18 wird über eine Luftzuleitung 20 der Brennstoffzelleneinheit 12 Luft zugeführt. Die Luft ist ein Fluid. Die Luftzuleitung 20 ist eine Zuleitung 20 für das Fluid Luft. Die Luftzuleitung 20 ist dazu ausgebildet, die Luft der Zelleneinheit 12 zuzuführen Genauer genommen wird die Luft einer Kathodenseite 12a der Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführt. Beispielhaft ist an der Luftzuleitung 20 strömungstechnisch zwischen der Luftquelle 18 und der Brennstoffzelleneinheit 12 ein Luftgebläse 48 angeordnet. Das Luftgebläse 48 ist dafür vorgesehen, die Luft der Brennstoffzelleneinheit 12 bzw. ihrer Kathodenseite 12a zuzuführen. Vorteilhaft ist das Luftgebläse 48 regelbar bzw. in einer Stärke des Luftstroms einstellbar. Auf diese Weise kann der für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 12 notwendige Luftstrom eingestellt werden. Die Luftquelle 18 ist im Ausführungsbeispiel als eine Öffnung für Außenluft ausgebildet, welche einen Luftfilter aufweist. Der Luftfilter ist dafür vorgesehen, Schadstoffe und/oder Verunreinigungen aus der Luft herauszufiltern.
In der Brennstoffzelleneinheit 12 wird der Brennstoff durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft unter Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme elektrochemisch umgesetzt. Die elektrische Energie wird dabei beispielhaft von einer an die Brennstoffzelleneinheit 12 angeschlossenen Leistungselektronik 22 aufgenommen und umgewandelt, beispielsweise kann der Gleichstrom der Brennstoffzelleneinheit 12 in eine Wechselspannung zur externen Verwendung umwandelt werden.
Nach der elektrochemischen Umsetzung in der Brennstoffzelleneinheit 12 wird das auf der Kathodenseite 12a entstehende Abgas bzw. Kathodenabgas über eine Kathodenabgasleitung 24a von der Brennstoffzelleneinheit 12 abgeführt. Das auf der Anodenseite 12b entstehende Abgas bzw. Anodenabgas wird über eine Anodenabgasleitung 24b von der Brennstoffzelleneinheit 12 abgeführt.
Das Kathodenabgas enthält unverbrauchte Luft bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas ggf. nicht-umgesetzten Brennstoff enthält.
Beispielhaft wird das Kathodenabgas über die Kathodenabgasleitung 24a von der Brennstoffzelleneinheit 12 zu einem Nachbrenner 26 geführt. Beispielhaft wird ein Teil des Anodenabgases über die Anodenabgasleitung 24b von der Brennstoffzelleneinheit 12 zu dem Nachbrenner 26 geführt. Die Anodenabgasleitung 24b weist einen Stromaufteiler 34 auf, welcher den strömungstechnisch an die Brennstoffzelleneinheit 12 angeschlossenen Teil der Anodenabgasleitung 24b in einen zweiten Teil der Anodenabgasleitung 24b und eine Rezirkulationsleitung 36 aufteilt. Das aus der Anodenseite 12b strömende Anodenabgas wird am Stromaufteiler 34 in einen ersten Teilstrom aufgeteilt, welcher über die Anodenabgasleitung 24b dem Nachbrenner 26 zugeführt wird und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt, welcher über die Rezirkulationsleitung 36 einem Rezirkulationskreis 38 zugeführt wird.
Mittels des Nachbrenners 26 wird das Anodenabgas bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte Brennstoff unter Beimischung des Kathodenabgases bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs der Luft verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann. Die Abgase des Nachbrenners 26 werden über eine Abgasleitung 28 in einen Abgasauslass 30 geleitet. Die Abgase werden durch den Abgasauslass 30 aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10 heraus geleitet.
Vorteilhaft wird die Abwärme der Abgase der Brennstoffzelleneinheit 12, insbesondere des Kathodenabgases und des Anodenabgases bzw. des Abgases des Nachbrenners wieder der Brennstoffzelleneinheit 12 zurückgeführt. Im Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Kathodenwärmetauscher 32a auf. Der Kathodenwärmetauscher 32a ist dazu vorgesehen, Wärme von den aus der Brennstoffzelleneinheit 12 bzw. dem Nachbrenner 26 strömenden Abgasen auf die Luft zu übertragen, welche über die Luftzuleitung 20 der der Brennstoffzelleneinheit 12 bzw. ihrer Kathodenseite 12a zugeführt wird. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 erhöht werden. Im Ausführungsbeispiel ist der Kathodenwärmetauscher 32a bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft an der Luftzuleitung 20 vor der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet. Vorteilhaft ist der Kathodenwärmetauscher 32a bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft an der Luftzuleitung 20 nach dem Luftgebläse 48 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist der Kathodenwärmetauscher 32a bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases an der Abgasleitung 28 nach dem Nachbrenner 26 angeordnet. Insbesondere ist der Nachbrenner 26 mit dem Kathodenwärmetauscher 32a über die Abgasleitung 28 strömungstechnisch verbunden.
Im Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Anodenwärmetauscher 32b auf. Der Anodenwärmetauscher 32b ist dazu vorgesehen, Wärme von den aus der Brennstoffzelleneinheit 12 bzw. ihrer Anodenseite 12b strömenden Anodenabgasen auf den Brennstoff zu übertragen, welcher über die Brennstoffzuleitung 16 der der Brennstoffzelleneinheit 12 bzw. ihrer Anodenseite 12b zugeführt wird. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Im Ausführungsbeispiel ist der Anodenwärmetauscher 32b bezogen auf die Strömungsrichtung des Brennstoffs an der Brennstoffzuleitung 16 vor der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist der Anodenwärmetauscher 32b bezogen auf die Strömungsrichtung des Anodenabgases an der Rezirkulationsleitung 36 nach der Brennstoffzelleneinheit 12 und nach Stromaufteiler 34 angeordnet. Insbesondere ist der Stromaufteiler 34 mit dem Anodenwärmetauscher 32b über die Rezirkulationsleitung 36 strömungstechnisch verbunden. In Varianten ohne Nachbrenner 26 ist es denkbar, dass der Anodenwärmetauscher 32b über die Anodenabgasleitung 24b strömungstechnisch mit der Brennstoffzelleneinheit 12 verbunden ist.
Der Rezirkulationskreis 38 ist im Ausführungsbeispiel dazu vorgesehen, einen Teil der Anodenabgase der Anodenseite 12b der Brennstoffzelleneinheit 12 zurückzuführen. Solche Rezirkulationskreise 38 werden auch als Anodenrezirkulationskreise bezeichnet. Typischerweise weisen Rezirkulationskreise 38 einen Einmischabschnitt 40 auf, in welchen ein Rezirkulat in die Brennstoffzuleitung 16 geführt wird, an welchem das Rezirkulat mit frischem Brennstoff vermischt wird. Unter einem Rezirkulat soll insbesondere der Teil des Anodenabgases verstanden werden, welcher rezirkuliert wird, also über die Rezirkulationsleitung 36 der Brennstoffzuleitung 16 wieder zugeführt wird. Der Einmischabschnitt 40 ist im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bezüglich der Strömungsrichtung des Brennstoffs bzw. des mit dem Rezirkulat vermischten Brennstoffs an der Brennstoffzuleitung 16 strömungstechnisch nach der Brennstoffquelle 14 und vor der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet, beispielhaft vor dem Anodenwärmetauscher 32b.
Typischerweise weisen Rezirkulationskreise 38 ein Rezirkulationsgebläse 42 auf, welches für die Beförderung des Rezirkulats und/oder Brennstoffs, insbesondere des Brennstoff-Rezirkulat Gemisches zur Brennstoffzelleneinheit 12 vorgesehen ist. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Rezirkulationsgebläse 42 an der Brennstoffzuleitung 16 angeordnet. Bezüglich der Strömungsrichtung des Brennstoffs bzw. des mit dem Rezirkulat vermischten Brennstoffs in der Brennstoffzuleitung 16 ist das Rezirkulationsgebläse 42 strömungstechnisch beispielhaft nach dem Einmischabschnitt 40 und vor dem Anodenwärmetauscher 32b angeordnet.
Vorteilhaft weist der Rezirkulationskreis 38 einen Kondensatorwärmetauscher 50 auf. Der Kondensatorwärmetauscher 50 ist dazu vorgesehen, das Rezirkulat auszukondensieren bzw. den Wasserdampf aus dem Rezirkulat auszukondensieren. Beispielhaft ist der Kondensatorwärmetauscher 50 an der Rezirkulationsleitung 36 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist der Kondensatorwärmetauscher 50 bezüglich der Strömungsrichtung des Rezirkulats strömungstechnisch nach dem Anodenwärmetauscher 32b und vor dem Einmischabschnitt 40 angeordnet. Auf diese Weise strömt in Betrieb das Rezirkulat zunächst durch den Kondensatorwärmetauscher 50, wo der Wasserdampf zumindest teilweise auskondensiert wird. Anschließend strömt das Rezirkulat durch den Einmischabschnitt 40, wo dem Rezirkulat frischer Brennstoff zugemischt wird. Anschließend strömt das Rezirkulat-Brennstoff Gemisch durch das Rezirkulationsgebläse 42.
Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass das Rezirkulat im Kondensatorwärmetauscher 50 durch Luft aus der Luftzuleitung 20 gekühlt wird. Beispielhaft weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Bypassleitung 52 auf, welche dazu vorgesehen ist, einen Teil des Luftstroms aus der Luftzuleitung 20 in den Kondensatorwärmetauscher 50 zu führen. Die Luftzuleitung 20 weist beispielhaft ein Drei-Wege-Ventil 54 auf, welches an die Bypassleitung 52 angeschlossen ist. Das Drei-Wege-Ventil 54 ist regelbar und ermöglicht eine Einstellung des Anteils des Luftstroms, der aus der Luftleitung in die Bypassleitung 54 abgezweigt wird. Die abgezweigte Luft strömt durch die Bypassleitung 54 in den Kondensatorwärmetauscher 50 und wird von dort über einen weiteren Abschnitt der Bypassleitung 54 in einen Rückführabschnitt 56 geleitet, welcher die Bypassleitung 54 mit der Luftzuleitung 20 verbindet. Die am Drei-Wege-Ventil 54 abgezweigte Luft wird am Rückführabschnitt 56 wieder zurück in die Luftzuleitung 20 geführt. Bezüglich der Strömungsrichtung der Luft durch die Luftzuleitung 20 ist das Drei-Wege-Ventil 54 strömungstechnisch nach der Luftquelle 18 und vorteilhaft vor dem Luftgebläse 48 angeordnet. Der Rückführabschnitt 56 ist strömungstechnisch bezüglich der Strömungsrichtung der Luft durch die Luftzuleitung 20 zwischen dem Drei-Wege-Ventil 54 und dem Luftgebläse 48 angeordnet.
Durch das regelbare Drei-Wege-Ventil 54 ist insbesondere der Luftstrom durch den Kondensatorwärmetauscher 50 einstellbar, so dass insbesondere die Kühlleistung bzw. die dem Rezirkulat entzogene Wärme einstellbar ist. Insbesondere ist auf diese Weise mittels des Drei-Wege-Ventils 54 eine Kondensationstemperatur einstellbar.
Im Ausführungsbeispiel ist an den Kondensatorwärmetauscher 50 eine Kondensatableitung 58 angeschlossen, welche dazu vorgesehen ist, dass Kondensat aus dem Kondensatorwärmetauscher 50 abzuführen. Beispielhaft verbindet die Kondensatableitung 58 den Kondensatorwärmetauscher 50 strömungstechnisch mit einem Kondensatabfluss 60.
Ein Teil der Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 10 bilden einen heißen Anlagenteil 62 der Brennstoffzellenvorrichtung 10. Typischerweise weist der heiße Anlagenteil die Brennstoffzelleneinheit 12 auf sowie weitere Komponenten, welche in einem engen thermischen Kontakt mit der Brennstoffzelleneinheit 12 stehen, insbesondere Wärmetauscher, welche zur unmittelbaren Rückführung der Abwärme der Brennstoffzelleneinheit 12 in die Brennstoffzelleneinheit 12 vorgesehen sind. Im Ausführungsbeispiel weist der heiße Anlagenteil 62 die Brennstoffzelleneinheit 12, den Kathodenwärmetauscher 32a, den Anodenwärmetauscher 32b sowie den Nachbrenner 26. Falls vorhanden, ist ein Reformer typischerweise ein Teil des heißen Anlagenteils 62. Der heiße Anlagenteil 62 wird auch als hot Balance of Plant (hot BoP) oder hotbox bezeichnet.
Die Luftzuleitung 20 weist einen Partikelfilter 64 auf, welcher an der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet ist. Beispielhaft ist der Partikelfilter 64 in Strömungsrichtung 66 der durch die Luftzuleitung 20 strömenden Luft strömungstechnisch nach dem Kathodenwärmetauscher 32a und vor der Brennstoffzelleneinheit 12 bzw. ihrer Kathodenseite 12a angeordnet. Beispielhaft ist der Partikelfilter 64 bezüglich der Strömung der Luft in der Luftzuleitung 20 unmittelbar vor der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet bzw. die letzte Komponente, welche vor der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet ist. Insbesondere ist der Partikelfilter 64 im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 10 die letzte Komponente, durch welche die Luft strömt, bevor sie in die Brennstoffzelleneinheit 12 strömt.
2 zeigt eine Ansicht auf den Partikelfilter 64 an der Brennstoffzelleneinheit 12. Die Luftzuleitung 20 ist zur Illustration transparent dargestellt. Beispielhaft weist der Partikelfilter einen Abstand 68 zur Brennstoffzelleneinheit 12 von 18 cm auf. Beispielhaft beträgt einen Filterdurchmesser 70 des Partikelfilters 64 110 mm.
Im Ausführungsbeispiel ist der Partikelfilter 64 in einem Abschnitt der Luftzuleitung 20 angeordnet ist, welche einen Innendurchmesser 72 aufweist, welcher weitgehend dem Filterdurchmesser 70 entspricht. Wie deutlich zu erkennen ist, ist bezüglich der Strömungsrichtung 66 der Luft strömungstechnisch vor dem Partikelfilter 64 ein Strömungsgleichrichter 74 angeordnet ist. Beispielhaft weist der Strömungsgleichrichter 74 eine Längserstreckung 76 entlang der Strömungsrichtung 66 bzw. entlang der Haupterstreckungsrichtung der Luftzuleitung an der Stelle der Strömungsgleichrichters 74 von 117 mm auf.
Im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt ein Abstand 78 zwischen dem Partikelfilter 64 und dem Strömungsgleichrichter 74 beispielhaft 30 mm.
3 zeigt zur genaueren Ansicht des Partikelfilters 64 und des Strömungsgleichrichters 74 einen Schnitt durch die Luftzuleitung 20. Wie deutlich zu erkennen ist, ist der Partikelfilter 64 weitgehend eben ausgebildet ist und mit einer Flächennormalen weitgehend entlang der Strömungsrichtung 66 der Luft ausgerichtet. Beispielhaft weist der Partikelfilter 64 eine Wölbung auf, insbesondere in Richtung einer Strömungsrichtung des Fluids. Beispielhaft ist der Partikelfilter 64 bezüglich einer in Strömungsrichtung 66 auf den Partikelfilter 64 zuströmenden Luft konkav ausgebildet. Beispielhaft ist der Partikelfilter 64 kuppelförmig ausgebildet. Bezüglich der Strömungsrichtung 66 weist der Randbereich des Partikelfilters 64 zum Zentralbereich des Partikelfilters 64 einen Abstand 80 von beispielhaft 10 mm auf. Insbesondere ist der Zentralbereich des Partikelfilters 64 näher an der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet als der Randbereich des Partikelfilters 64.
Wie deutlich zu erkennen ist, weist der Strömungsgleichrichter 74 eine Mehrzahl von Kanälen 82 auf, welche sich in Strömungsrichtung 66 erstrecken.
4 zeigt eine Variante der Brennstoffzellenvorrichtung 10. Die Luftzuleitung 20 weist einen ersten Abschnitt 20a auf, in welchem der Partikelfilter 64 und der Strömungsgleichrichter 74 angeordnet ist. Beispielhaft ist der erste Abschnitt 20a weitgehend als ein zylindrisches Rohr ausgebildet. Beispielhaft weist der erste Abschnitt 20a einen Innendurchmesser 72 von 110 mm auf, welcher weitgehend dem Filterdurchmesser 70 des Partikelfilters 64 entspricht. In Strömungsrichtung 66 ist der Strömungsgleichrichter 74 vor dem Partikelfilter 64 angeordnet, der Partikelfilter 64 ist unmittelbar vor der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet.
Beispielhaft weist die Luftzuleitung 20 einen zweiten Abschnitt 20b auf, welcher den ersten Abschnitt 20a strömungstechnisch mit der Brennstoffzelleneinheit 12 bzw. ihrer Kathodenseite 12a verbindet. Der zweite Abschnitt 20b ist weitgehend trichterförmig ausgebildet. Beispielhaft verjüngt sich der zweite Abschnitt 20b entlang der Strömungsrichtung 66 der im Betrieb durch den zweiten Abschnitt 20b strömenden Luft. Beispielhaft beträgt der Innendurchmesser des zweiten Abschnitts 20b 110 mm am ersten Abschnitt 20a und 66 mm an der Brennstoffzelleneinheit 12.
In der in 4 gezeigten Variante weist die Luftzuleitung 20 einen dritten Abschnitt 20c auf, welcher in Strömungsrichtung 66 der Luft vor dem ersten Abschnitt 20a angeordnet ist und mit diesem strömungstechnisch verbunden ist. Beispielhaft ist der erstreckt sich der dritte Abschnitt 20c bzw. seine Haupterstreckungsrichtung bzw. die Strömungsrichtung 66 der durch den dritten Abschnitt 20c strömenden Luft weitgehend senkrecht zum ersten Abschnitt 20a bzw. seiner Haupterstreckungsrichtung bzw. zur Strömungsrichtung 66 der durch den ersten Abschnitt 20a strömenden Luft. Beispielhaft weist der dritte Abschnitt 20c einen Innendurchmesser von 46 mm auf.
5 zeigt eine weitere Variante der Brennstoffzellenvorrichtung 10. Die Luftzuleitung 20 weist einen ersten Abschnitt 20a auf, in welchem der Partikelfilter 64 und der Strömungsgleichrichter 74 angeordnet ist. Beispielhaft ist der erste Abschnitt 20a weitgehend als ein zylindrisches Rohr ausgebildet. Beispielhaft weist der erste Abschnitt 20a einen Innendurchmesser 72 von 110 mm auf, welcher weitgehend dem Filterdurchmesser 70 des Partikelfilters 64 entspricht. In Strömungsrichtung 66 ist der Strömungsgleichrichter 74 vor dem Partikelfilter 64 angeordnet, der Partikelfilter 64 ist unmittelbar vor der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet.
Beispielhaft weist die Luftzuleitung 20 einen zweiten Abschnitt 20b auf, welcher den ersten Abschnitt 20a strömungstechnisch mit der Brennstoffzelleneinheit 12 bzw. ihrer Kathodenseite 12a verbindet. Der zweite Abschnitt 20b weist zwei weitgehend trichterförmige Unterabschnitte. Die beiden Unterabschnitte sind dazu vorgesehen, den aus dem ersten Abschnitt 20a in den zweiten Abschnitt 20b strömenden Luftstrom in zwei Luftströme aufzuteilen, welche strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet sind und welche der Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführt werden. Beispielhaft verjüngt sich jeder der zwei Unterabschnitte des zweite Abschnitts 20b jeweils entlang der Strömungsrichtung 66 der im Betrieb durch den zweiten Abschnitt 20b strömenden Luft. Beispielhaft beträgt der Innendurchmesser eines Unterabschnitts des zweiten Abschnitts 20b 55 mm am ersten Abschnitt 20a und 33 mm an der Brennstoffzelleneinheit 12.
Beispielhaft weist die Luftzuleitung 20 einen dritten Abschnitt 20c auf, welcher in Strömungsrichtung 66 der Luft vor dem ersten Abschnitt 20a angeordnet ist und mit diesem strömungstechnisch verbunden ist. Der dritte Abschnitt 20c ist weitgehend trichterförmig ausgebildet. Beispielhaft weitet sich der dritte Abschnitt 20c entlang der Strömungsrichtung 66 der im Betrieb durch den dritte Abschnitt 20c strömenden Luft. Beispielhaft beträgt der Innendurchmesser des dritten Abschnitts 20c 110 mm am ersten Abschnitt 20a und 66 mm an dem dem ersten Abschnitt 20a abgewandten Ende des dritten Abschnitts 20c.

Claims

Zellenvorrichtung (10) mit mindestens einer Zelleneinheit (12) und einer Zuleitung (20) für ein Fluid, wobei die Zuleitung (16, 20) dazu ausgebildet ist, das Fluid der Zelleneinheit (12) zuzuführen, wobei die Zelleneinheit (12) wenigstens eine elektrochemische Zelle zur Umsetzung des Fluids aufweist, wobei die Zuleitung (20) einen Partikelfilter (64) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (64) an der Zelleneinheit (12) angeordnet ist.
Zellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (64) einen Abstand (68) zur Zelleneinheit (12) von höchstens 30 cm aufweist, bevorzugt höchstens 20 cm, besonders bevorzugt höchstens 10 cm.
Zellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (64) weitgehend eben ausgebildet ist und mit einer Flächennormalen entlang einer Strömungsrichtung (66) des Fluids ausgerichtet ist.
Zellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (64) eine Wölbung aufweist, insbesondere in Richtung einer Strömungsrichtung (66) des Fluids.
Zellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (64) einen Filterdurchmesser (70) zwischen 80 mm und 130 mm aufweist, bevorzugt zwischen 90 mm und 120 mm, besonders bevorzugt zwischen 100 mm und 110 mm.
Zellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (64) in einem Abschnitt (20a) der Zuleitung (20) angeordnet ist, welche einen Innendurchmesser (72) aufweist, der einem Filterdurchmesser (70) weitgehend entspricht.
Zellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich einer Strömungsrichtung (66) des Fluids strömungstechnisch vor dem Partikelfilter (64) ein Strömungsgleichrichter (74) angeordnet ist.
Zellenvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Partikelfilter (64) und dem Strömungsgleichrichter (74) ein Abstand (76) zwischen 15 mm und 40 mm besteht, bevorzugt zwischen 20 mm und 35 mm, besonders bevorzugt zwischen 25 mm und 30 mm.
Zellenvorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dass der Strömungsgleichrichter (74) eine Mehrzahl von Kanälen (82) aufweist, welche sich in einer Strömungsrichtung erstrecken.
Zellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenvorrichtung (10) als eine Brennstoffzellenvorrichtung (10) ausgebildet ist, aufweisend eine Brennstoffzelleneinheit (12) welche mit einer Luftzuleitung (20) zur Versorgung mit Luft und mit eine Brennstoffzuleitung (16) zur Versorgung mit Brennstoff strömungstechnisch verbunden ist, wobei zumindest ein Partikelfilter (64) in der Luftzuleitung (20) und/oder in der Brennstoffzuleitung (16) angeordnet ist.