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Die Erfindung betrifft Hochtemperaturbrennstoffzellensysteme. Insbesondere Systeme für kleinere Leistungsklassen haben das Problem, dass die für den Betrieb benötigten hohen Arbeitstemperaturen (mehrere 100°C) aufgrund der geringen systemeigenen Wärmeerzeugung schwierig zu realisieren sind. Gleichzeitig muss die äußere Temperatur von mobil betriebenen Brennstoffzellensysteme sehr niedrig gehalten werden; dies erfordert besondere Beachtung der thermischen Isolation. Um eine geringe äußere Temperatur zu erreichen, muss eine entsprechende dicke Isolierung aufgebracht werden. Gleichzeitig aber kann das Vergrößern der Abmessungen des Systems erhöhte Wärmeverluste (auch bei niedrigeren Temperaturen) mit sich bringen. Simulationen, die diese Verluste beschreiben, zeigen, dass sogar schon bei einer Außentemperatur von 50°C und einem Außendurchmesser von wenigen Zentimetern eine kritische Größe erreicht werden kann, sofern das System bei wenigen Watt elektrischer Leistung betrieben wird. Das heißt, es besteht ein Konflikt zwischen der benötigten Dicke der Isolation und der damit verbundenen Wärmeabstrahlung auch bei niedrigeren Temperaturen. Die Verluste ergeben sich durch Wärmeleitung, Konvektion und/oder durch Strahlung. Eine entsprechend vollständige Nutzung der inneren Systemwärme durch Wärmetauscher kann aufgrund der Größe, der Komplexität und der Kosten nicht erfüllt werden. Auch sind der Dicke der Isolation und somit den Endmaßen des Systems anwendungsbezogene Grenzen gesetzt; dies trifft insbesondere auf mobile Systeme zu.
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Brennstoffzellen sind seit längerem bekannte tertiäre galvanische Elemente. Unter den verschiedenen Brennstoffzellentypen haben die Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) eine herausragende Stellung aufgrund der größten Brennstoffflexibilität.
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Wegen der hohen Arbeitstemperaturen von oft über 600°C sind thermische Verluste, insbesondere bei kleineren Systemen, von entscheidender Bedeutung. Dies ist einer der Gründe, warum der Großteil der SOFC-Anwendungen nicht für kleinere mobile oder portable Systeme ausgelegt ist. Allerdings wurden bisher schon einige Ansätze für mobile oder zumindest potentiell mobile Systeme mit SOFCs unter Verwendung von externen Brennern versucht [C. Finnerty, G. Tompsett, K. Kendall, R. Ormerod; Journal of Power Sources 86 (2000) 459–463 oder V. Lawlor, S. Griesser, G. Buchinger, A. Olabi, S. Cordiner, D. Meissner; Journal of Power Sources, 2009, Seiten 387–399]. Bei solchen technischen Lösungen ist speziell für kleine Systeme mit einer geringen Leistung eine ausreichende Isolierung und/oder hohe Effizienz nur schwer realisierbar, da die Wärmeverluste und/oder die zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts in der Startphase aufzubringende Energie mit zunehmender Isolationsdicke und aufgrund der größer werdenden Dimensionen auch zunehmen können.
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Das von der Erfindung zu lösende Problem ist es, Hochtemperaturbrennstoffzellensysteme, insbesondere Systeme mit kleiner Leistung, zur Verfügung zu stellen, wobei Wärmeverluste und Raumbedarf gleichzeitig reduziert sind und/oder die Wärmeverluste für das System genutzt werden, wodurch eine Effizienzsteigerung (keine unnötigen exothermen Reaktionen (z. B. Verbrennung) von Brennstoffen nur zur Aufrechterhaltung der Arbeitstemperatur) und/oder eine Verkleinerung der Systemabmaße erreicht wird.
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Erfindungsgemäß kann dieses Problem mit einem Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Hochtemperaturbrennstoffzellensystem ist mindestens eine Brennstoffzelle, als wärmeerzeugende Quelle, und/oder mindestens eine Brennstoffzellensystemkomponente, wie z. B. Reformer, Brenner und/oder Verdampfer als wärmeerzeugende (exotherme) oder wärmekonsumierende endotherme) Quelle, von einem thermischen Isolationssystem umschlossen. Zwischen der inneren thermischen Isolationseinheit und dem radial äußeren Mantel ist mindestens ein Hohlraum vorhanden. Der Hohlraum kann in einer alternativen Bauweise evakuiert sein oder durch ihn kann ein Fluid geführt und/oder darin gespeichert werden, wodurch eine Heiz- oder Kühlwirkung erreichbar ist. Insbesondere bevorzugt ist ein stufenartiges Temperaturprofil zwischen der Innenseite des Hohlraums (innere thermische Isolationseinheit) und der Außenseite des Hohlraums (Mantel). Der Mantel kann von einer anderen Hülle umgeben sein, welche eine schützende (z. B. kratzfest) oder optische Funktion ausübt.
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Vorteilhaft kann der radial äußere Mantel aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet sein. An dem radial äußeren Mantel kann eine zusätzliche Isolationsschicht ausgebildet und/oder die Innenwand des Mantels mit einer Wärme reflektierenden Beschichtung versehen sein. Diese drei vorstehend genannten Möglichkeiten können in der Erfindung auch kombiniert realisiert sein. Die Isolationsschicht kann auch als evakuierter Hohlraum ausgebildet sein.
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Idealerweise können durch die Hohlräume dem System zugeführte Medien das Temperaturniveau auf der Innenseite der Hohlräume zu ihrer weiteren Erwärmung nutzen, was in Summe zu einem geringeren Wärmeverlust und/oder einer kühleren Manteltemperatur führt. Ist der Hohlraum evakuiert, wirkt er als Wärmebarriere und kann durch den starken Temperaturabfall zwischen innerer thermischer Isolationseinheit und äußerem Mantel so zu einer deutlich kompakteren Bauweise des Isolationssystems führen.
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Es besteht die Möglichkeit, mindestens zwei mittels mindestens einer Trennwand voneinander getrennte Hohlräume auszubilden, wobei sich die Hohlräume zwischen dem radial äußeren Mantel und der inneren thermischen Isolation befinden. Durch diese Hohlräume können unterschiedliche Fluide und/oder Fluide unterschiedlicher Temperaturen geführt werden. So kann beispielsweise eine Kühlwirkung, aber auch eine Vorwärmung von Brennstoff oder einem Oxidationsmittel erreicht werden. Bevorzugt wird hier die Trennwand so ausgeführt, dass ein (äußerer) Hohlraum zwischen Mantel und Trennwand entsteht und ein (innerer) Hohlraum zwischen Trennwand und Isolation. Beispielsweise strömt ein wärmeres Medium (z. B. durch einen Wärmetauscher schon vorgekühltes Abgas des Systems) vom Systeminneren ins Systemäußere im inneren Hohlraum und ein kälteres Medium strömt vom Systemäußeren ins Systeminnere im äußeren Hohlraum (z. B. zugeführte Kathodenluft), was eine zusätzliche Kühlwirkung auf den äußeren Mantel erzeugt. Durch den Wärmeübergang zwischen den Medien des äußeren und inneren Hohlraums kann der Wärmeverlust des Systems nach außen verringert werden. Hervorzuheben ist hierbei die Tatsache, dass in dieser Ausführung die Wärme des Abgases mit einem Energieniveau genutzt werden kann, welches ansonsten in einem einstufigen Wärmetauschersystem als Verlust in Kauf genommen wird und gleichzeitig die Wärmeabgabe der inneren Isolation durch das eintretende Medium und dessen Erwärmung im äußeren Hohlraum nutzbar ist.
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Durch die thermische Isolationseinheit können zusätzliche Gaskanäle bis zu mindestens einer Brennstoffzelle und/oder mindestens einer anderen Systemkomponente (z. B. Wärmetauscher, Reformer, Nachbrenner) geführt sein, wobei die Anordnung dieser Systemkomponenten/Brennstoffzellen vorteilhaft so ausgeführt ist, dass die Temperatur der Komponenten zur Außenseite des Systems hin abnimmt. Bevorzugt kann dies erreicht werden, indem mindestens ein Wärmetauscher, der die heißen Systemkomponenten umschließt, und ein vom Systemäußeren zum Systeminneren durch den Wärmetauscher strömendes Medium genutzt werden, wobei das Medium die Wärme aufnimmt, die in dem System weiter umgesetzt werden kann. Der Wärmetauscher ist bevorzugt so ausgelegt, dass das von außen zugeführte Medium im Abschnitt näher zum Systeminneren wärmer ist als im Abschnitt näher zum Systemmantel. Die Außenseite des Wärmetauschers ist dann durch eine innere thermische Isolationseinheit umgeben, die wiederum erfindungsgemäß von mindestens einem Hohlraum umgeben ist. In einer speziellen Anordnung der vorliegenden Erfindung kommt es in dem durch eine Trennwand geteilten Hohlraum auf der Seite des ausströmenden Gases (z. B. auf der Außenseite des Hohlraums, zwischen Trennwand und Mantel) zur Kondensation des in dem Brennstoffzellensystem gebildeten Wasserdampfes. Dies kann durch entsprechende Temperatursteuerung der Einrichtung erreicht werden. Beispielsweise kann dies durch Einstellung der Menge des zuströmenden, kühleren Mediums auf der gegenüberliegenden Seite der Trennwand, durch die Dicke der äußeren und/oder inneren Isolierung, durch Einstellung der produzierten Wärme innerhalb des Systems, und durch Einstellung der Wärmeübertragungsfläche zwischen den inneren und äußeren Hohlräumen der Isolationseinheit erreicht werden. Durch diese Kondensation wird die Kondensationswärme an das einströmende Medium übertragen, was wiederum die Gesamteffizienz des Systems erhöhen kann.
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An einem erfindungsgemäßen Hochtemperaturbrennstoffzellensystem kann eine oder mehrere Brennstoffzelle(n) unmittelbar von einem für einen Wärmeaustausch ausgebildeten System umschlossen sein oder ein solches System kann unmittelbar neben der/den Brennstoffzelle(n) angeordnet sein. Auch kann das System dadurch gekennzeichnet sein, dass einige oder alle wärmeerzeugenden und/oder wärmekonsumierenden Komponenten (wie z. B. Brenner, Reformer und Brennstoffzellen) unmittelbar von einem für den Wärmetausch ausgebildeten System umschlossen sind oder ein solches System unmittelbar neben diesen Komponenten angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführung erfolgt eine Kombination von Wärmetauschern mit einer oder mehreren Brennstoffzellensystemkomponenten in einer gemeinsamen Komponente des Systems. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass im Wärmetauscher zwei aneinander liegende oder zumindest thermisch kommunizierende Kanäle vorhanden sind und einer oder beide Kanäle mit katalytisch aktivem Material für Reformierung oder katalytische Verbrennung ausgestattet sind. Bevorzugt nimmt hierbei ein Kanal Wärme auf (z. B. endotherme Reformierung) und ein Kanal gibt Wärme ab (z. B. Verbrennung).
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Durch einen Hohlraum oder mehrere Hohlräume kann ein reduzierendes Gas/Gasgemisch (z. B. Brennstoff) für den Betrieb von Brennstoffzelle(n) und/oder mindestens einer Brennstoffzellensystemkomponente (z. B. Reformer und/oder Brenner), ein oxidierendes Gas und/oder ein Abgas von Brennstoffzellen und/oder mindestens einer Brennstoffzellensystemkomponente (z. B. Nachbrenner) geführt sein. Dabei sollte durch die unterschiedlichen Hohlräume/Kanäle insbesondere unterschiedliche Gase geführt werden.
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Der Aufbau einer Isolationseinheit kann mehrere Schichten umfassen. Zwischen Schichten kann ein einströmendes Gas durch das System geleitet werden, das die aus der Isolation abgegebene Wärme nutzbringend, bevorzugt ins Systeminnere der Brennstoffzellen ableitet. Eine andere bevorzugte Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass die abgeleitete wärme zur Erhöhung des Dampfdruckes eines Fluids (z. B. Flüssiggas, Alkohole) genutzt wird oder die Wärme zur Anhebung des Drucks eines gespeicherten Gases genutzt wird. Dies kann dadurch umgesetzt werden, dass das Medium (z. B. Luft), welches die Wärme der innenliegenden Isolationsschicht aufnimmt, durch den Hohlraum und zu einem Behälter, der mit Fluid oder Gas gefüllt ist, geleitet wird, wobei das Fluid oder Gas erwärmt werden. Der Hohlraum selbst kann auch vollständig oder teilweise mit diesem Fluid gefüllt sein. Bevorzugt dient dieses Fluid für den Betrieb des Brennstoffzellensystems. Wird dieses Fluid für den Betrieb entspannt und dadurch in seinen Gaszustand übergeführt (z. B. durch Öffnen eines Verschlussventils des Behälters), so tritt durch die Verdunstungs- oder Verdampfungswärme erneut ein Kühlungseffekt nach außen auf, der zu einer niedrigeren Manteltemperatur führen kann und somit eine Verringerung der Systemgröße ermöglicht. Alternativ können alle oder einzelne Hohl-/Zwischenräume zur Minimierung des Wärmetransportes evakuiert sein.
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Durch den Hohlraum kann auch ein Medium geleitet werden, welches nur zur Kühlung des umgebenden Mantels dient. In einer speziellen Ausführung wird das kühlende Medium mittels Unterdruck erzeugender Elemente, z. B. eine Venturidüse und/oder Strahlpumpe, in das System gesaugt, wobei die Venturidüse und/oder die Strahlpumpe an einen Hohlraum angeschlossen sein können. Eine noch speziellere Ausführung nutzt zum Ansaugen des Mediums (z. B. Luft) eine Venturidüse/Strahlpumpe, welche durch das aus dem System ausströmende Abgas einen Unterdruck erzeugt. Alternativ kann das ausströmende Abgas zum Antreiben eines Verdichters verwendet werden, wobei der Verdichter die Luft in den Hohlraum zuführen kann (z. B. über das Turboladerprinzip). Bevorzugt soll das Abgas des Brennstoffzellensystems mit dem durch den Hohlraum strömenden Medium gemischt werden, wodurch eine zusätzliche Kühlwirkung und auch eine Verdünnung des Abgases erfolgt. Diese Verdünnung kann beispielsweise eine unzulässige Konzentration an Schadstoffen im Abgas verhindern und/oder die Verdünnung kann eine unerwünschte Konzentration von Wasser verhindern, um im Brennstoffzellensystem Kondensation zu verhindern. Es besteht die Möglichkeit, die Innenseite und/oder Außenseite der äußeren Isolationsschicht und/oder die Innenseite und/oder Außenseite der innersten Isolationsschicht mit einer Schicht aus einer wärmeabstrahlenden (reflektierenden) Beschichtung zu versehen.
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Ein zwischen Mantel und dem Inneren der thermischen Isolationseinheit angeordneter Hohl-/Gasraum kann mindestens eine Trennwand aufweisen, was das Leiten unterschiedliche Gasströme an der Trennwand vorbei ermöglicht.
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Durch die innere Unterteilung (getrennter Hohlraum) des Gasraumes kann erwärmtes Abgas des Systems geleitet werden, während durch die äußere Unterteilung (getrennter Hohlraum) des Gasraumes kaltes Gas geleitet werden kann oder umgekehrt.
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Im Inneren der thermischen Isolationseinheit können Gaskanäle zur Kühlung des Systems vorhanden sein. Durch diese Gaskanäle in der Isolationsschicht können Gase (z. B. Luft, Sauerstoff oder ein anderes oxidierendes Gas) geleitet werden. Als einströmendes, in das System gelangendes Gas kann unverbrauchte Luft, reiner Sauerstoff oder ein anderes unverbrauchtes oxidierendes Gas oder frisches oxidierbares Gas, wie z. B. Wasserstoff, Propan, n-Butan, Isobutan, Reformat, reformierende Gasgemische oder Methan eingesetzt sein. Als ausströmende Gase können die jeweiligen verbrauchten Abgase genutzt werden. Auch andere Fluide, wie z. B. Kohlenwasserstoff, Alkohole, Ammoniak oder Ether ebenso wie Gemische der genannten Fluide können sowohl für die eintretenden als auch austretenden Medien eingesetzt werden.
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Die Erfindung kann vorteilhaft für tubulare SOFCs und ganz besonders bevorzugt für mikrotubulare SOFCs genutzt werden. Für eine thermische Isolation können als Isolationsmaterial bestimmte Fasern eines keramischen Materials eingesetzt werden. Die Fasern können dabei ineinander verpresst und/oder durch andere Verbindungstechniken, wie z. B. Klebung, miteinander verbunden sein, wobei diese Fasern bevorzugt aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Kalziumoxid oder Zirkonoxid bestehen. Des Weiteren können auch so genannte Aerogele, Kunststoffe, keramische oder mineralische Isolation (z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Kalziumoxid oder Zirkonoxid), Wolle, Kork und/oder auch evakuierte Materialien (z. B. so genannte Vakuumdämmplatten) als Isolationsmaterial eingesetzt sein.
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Auch eine mehrschichtige Isolation kann eingesetzt werden, indem mehrere Materialeigenschaften kombiniert werden. So kann beispielsweise direkt über einer Isolationsschicht mit hoher Temperaturbeständigkeit ein Material mit einer geringen Temperaturstabilität aufgebracht werden. Dies ist besonders dann bevorzugt, wenn das Material mit geringer Temperaturstabilität eine bessere Isolationswirkung, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, aufweist und/oder dieses Material zu einem günstigeren Preis verfügbar ist und/oder dieses Material weniger spröde ist, eine bessere Dämpfungswirkung vorsieht und/oder das Material eine bessere Stabilität im Falle von Vibrationen und/oder im Fall von Stößen bietet. Auch ist es möglich, dass das Material innerhalb eines oder mehrerer zwischen zwei Schichten der Isolation befindlichen Hohlraumes/Hohlräume aus einer bei der Erfindung einsetzbaren mehrschichtigen Isolationseinheit besteht und dass die Isolationseinheit aus einem anderen, temperaturstabileren Material besteht als jenes außerhalb des einen Hohlraums oder der mehrerer Hohlräume.
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Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung ist auch ein Brennstoffzellensystem möglich, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die innere Isolationseinheit aus einem Verbundwerkstoff besteht, wobei eine Komponente ihren Schmelzpunkt oder Schmelzbereich nahe der Sollbetriebstemperatur (insbesondere zwischen 500 und 1000°C) hat. Eine positive Wirkung wäre bei Erreichen einer bestimmten Temperatur, dass Wärme durch das Schmelzen dieser Komponente aufgenommen wird, was die Sicherheit des Systems steigert.
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Eine andere Möglichkeit innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung ist ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das durch den Hohlraum zugeführte Fluid einem Kälteaggregat oder Peltier-Element zugeführt wird, um ein Überhitzen von peripheren Bauteilen wie Akkumulatoren oder der Mantelfläche aktiv zu verhindern, Solche periphere Bauteile könnten auch Ventile, elektronische Bauelemente (z. B. Ladevorrichtungen für Akkumulatoren, Steuerungsvorrichtungen, Sensoren, Spannungswandler, Brennstofftank und Gehäuse) sein.
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Die folgenden Ausführungsformen sollen die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutern.
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Die Begleitzeichnungen zeigen:
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1 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Systems mit einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstack;
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2 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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3 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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4 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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5 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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6 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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7 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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8 schematisch ein Temperaturprofil;
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9 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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10 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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11 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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12 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems;
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13 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems und
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14 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Systems.
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1 zeigt einen Querschnitt eines Systems mit einer Brennstoffzelle 1 oder einem Brennstoffzellenstack als wärmeerzeugende Quelle und/oder anderen heißen Komponenten des Systems, welche heißer als die Umgebung der Brennstoffzelle 1 sind. Die Brennstoffzelle 1 bzw. ein Brennstoffzellenstack ist eine mikrotubulare SOFC bzw. aus mikrotubularen SOFCs aufgebaut. Die Brennstoffzelle 1 oder ein Brennstoffzellenstack ist von einer inneren thermischen Isolationseinheit 2 umgeben. Diese thermische Isolationseinheit 2 ist von einem radial äußeren Mantel 4 umgeben, der zur Verringerung der thermischen Verluste dient. Gas strömt durch den Hohlraum 3, der sich zwischen dem äußeren Mantel 4 und der thermischen Isolation 2 befindet, und die durch die äußere Wand der Isolationseinheit 2 – hauptsächlich durch Konvektion – abgegebene Wärme wird in das System transportiert, wodurch die Wärmeverluste vermindert werden. Alternativ kann dieser Hohlraum 3 auch evakuiert sein, was ebenfalls zu einer Verringerung der thermischen Verluste führt.
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Analog zu 1 ist beispielhaft in 2 ein äußerer Mantel 5 gezeigt, der eine Zusatzisolationsschicht aus einem schlecht thermisch leitenden Werkstoff umfasst, wobei diese Schicht auch ein evakuierter Raum sein kann.
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Analog zum Beispiel nach 2 zeigt 3 eine auf der Innenseite des äußeren Mantels 5 aufgebrachte zusätzliche, Wärme reflektierende Schicht 6, wobei die Wärme reflektierende Schicht 6 die Wärmeverluste aufgrund der Wärmeabstrahlung verringert.
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Der Hohlraum 3 kann durch eine Trennwand 7 in zwei Hohlräume 3a und 3b aufgeteilt werden, wie dies beispielhaft in 4 gezeigt wird. Dabei kann durch den radial inneren Hohlraum 3a ein Gas befördert werden, das bevorzugt ein anderes Gas als das durch den radial äußeren Hohlraum 3b geführte ist, oder alternativ können die Hohlräume 3a und 3b evakuiert sein. Bevorzugt strömt durch den radial inneren Hohlraum 3a und aus dem System heraus ein wärmeres Gas, und durch den äußeren Hohlraum 3b strömt ein kälteres Gas in das System. Der Hohlraum 3 kann in mehr als zwei Hohlräume 3a und 3b unterteilt sein. Die Trennwand 7 kann so ausgelegt sein, dass ein teilweises Vermischen (1–99%) der Medien in dem Hohlraum 3a und 3b möglich ist.
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Das erfindungsgemäße System nach 5 zeigt beispielhaft in der inneren thermischen Isolierung 2 zusätzliche Gaskanäle 8, die zum thermischen Management für die Kühlung oder Erwärmung genutzt werden können.
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Bevorzugt wird das in das System einströmende Gas weiter erwärmt, wodurch nach außen ein weiteres Kühlen auftritt und die thermischen Verluste, durch z. B. Wärmeleitung innerhalb der Isolierung, vermindert werden. Diese Gaskanäle 8 können beispielsweise in den Isolationsblock gebohrt werden. Auch kann die innere Isolationseinheit 2 um Gaskanäle 8 gewickelt sein, die Isolationseinheit 2 kann aufgesprüht oder anderweitig auf die Gaskanäle 8 aufgebracht werden. Die Isolationsschicht des Mantels 5 kann ebenfalls die Gaskanäle 8 enthalten.
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6 zeigt beispielhaft ein zusätzliches Wärme austauschendes System 9, das die Brennstoffzelle(n) 1 als Wärme erzeugende Quelle umgibt, wobei das zusätzliche Wärme austauschende System 9 einen Beitrag zum thermischen Management leistet. Dieses Wärme austauschende System 9 kann z. B. ein Wärmetauscher, ein Brenner – insbesondere ein katalytischer Porenbrenner – und/oder ein reformierende Komponente sein. Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme erzeugende Quelle eine oder mehrere mikrotubulare SOFC umfasst, wobei das Wärme austauschende System 9 ein Wärmetauscher ist und das dem System 9 zugeführte Medium erwärmt wird, wodurch sich in Summe die Wärmeverluste des gesamten Systems verringern. Eine Kombination aus dem vorstehend genannten oder einem anderen Wärme austauschenden System kann bei der Erfindung eingesetzt werden.
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7 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Gaskanäle 8 im Inneren der Isolationseinheit 2 nicht parallel sondern senkrecht zur Wärme erzeugenden Quelle (Brennstoffzelle 1) angeordnet sind. Die Gaskanäle 8 können entlang der gesamten Isolationseinheit 2 als Streifen aufgebracht sein oder als Bohrung begrenzter Tiefe darin eingebracht sein.
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8 zeigt schematisch ein mögliches Temperaturprofil einer der Erfindung entsprechenden Isolierung. Der Temperaturgradient über die Dicke der Isolationseinheit 2 ist zu Beginn von Innen nach Außen sehr stark ausgeprägt, das Temperaturgefälle flacht dann aber stark ab. Der Hohlraum 3, der zwischen der Isolationseinheit 2 und dem Mantel 5 angeordnet ist, und das durch den Hohlraum 3 strömende Gas bewirken einen graduellen, nicht kontinuierlichen Temperaturabfall. Die Isolierung des Mantels 5 kann aufgrund der geringeren Temperatur aus einem anderen Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit aber geringerer Temperaturstabilität aufgebaut sein.
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9 zeigt eine andere erfindungsmäßige Ausführung dieses Brennstoffzellensystems. In diesem Fall ist der Hohlraum 3 mit Brennstoff, wie z. B. Flüssiggas, gefüllt. Der (Dampf)druck des in dem Hohlraum gespeicherten Brennstoffs (z. B. Wasserstoff als Hydrid, flüssige Alkohole, Flüssiggas) wird durch die Abwärme des Brennstoffzellensystems erhöht. Dieser Brennstoff wird über einen Befüllungsstutzen 10 in das System geleitet. Der Brennstoff wird über ein Ventil 11, welches verschließbar und bevorzugt steuerbar ist und über das der Brennstoff bevorzugt in der gasförmigen Phase freigesetzt wird, einer Venturidüse/Strahlpumpe 12 zugeführt. Durch den bevorzugt unter Druck stehenden Brennstoff wird Luft über die Leitung 14 durch die Strahlpumpe 12 angesaugt und das dabei entstehende Gemisch aus Luft und Brennstoff wird der/den Brennstoffzelle(n) 1 des Brennstoffzellensystems durch die Leitung 15 zugeführt. Über Leitung 17 wird den Kathoden des Brennstoffzellensystems die Luft zugeführt, wobei die Luft ggf. durch eine Strahlpumpe/Venturidüse oder aktiv durch eine Pumpe zugeführt werden kann. Das Abgas der Brennstoffzelle(n) 1 wird dann über eine Leitung 16 abgeführt. Bevorzugt tauschen die Leitungen 17 und 16 intensiv Wärme aus. 18 beschreibt ein Gehäuse des Brennstoffzellensystems, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es auch den äußeren Mantel 5 umschließt. Dieses Gehäuse 18 ist erfindungsgemäß bevorzugt aus stoßdämpfendem Material ausgelegt und/oder aus optischen Gründen angebracht.
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10 zeigt ein System im Längsschnitt vergleichbar mit 4. Die Kathodenluft wird über den äußeren Hohlraum 3b der innenliegenden Brennstoffzelle(n) 1 zugeführt. Als Beispiel wird die Luft in diesem Fall über ein Rohr 17 zugeführt, welches in intensiven Wärmeaustausch mit der Leitung 16 steht. Auch können noch zusätzliche wärmeaustauschende Komponenten integriert sein. Das Abgas wird durch den Hohlraum 3a geleitet, wobei sich das Abgas im Wärmeaustausch mit dem Medium im Hohlraum 3b befindet. Insbesondere strömt in diesem Fall erfindungsgemäß das Gas im Hohlraum 3b so durch das System, dass es bevorzugt die Wärmebrücke 19 zwischen dem Äußeren der Isolationseinheit 2 und dem äußeren Mantel 5 umströmt und dort zu einer Kühlwirkung beiträgt bzw. die aufgenommene Wärme in das System trägt. Die Wärmebrücke 19 stellt Materialien/Bauelemente dar, welche aus bautechnischen Gründen, für z. B. eine stabile mechanische Ausführung und/oder zum Stromabgriff des Systems notwendig sind, insgesamt aber führen die Wärmebrücken 19 zu einer schlechte Isolationswirkung und können daher ggf. zu einer geringeren Effizienz des Systems führen. Bevorzugt werden diese Materialien aus thermisch schlecht leitenden Stoffen gebaut und/oder die Materialien sind mit einer großen spezifischen Oberfläche – insbesondere im Hohlraum 3b – für einen intensiven Wärmeaustausch mit dem dem System zugeführten Medium ausgestattet. Eine mögliche Ausführung wären beispielsweise poröse, gasdurchlässige Strukturen der Wärmebrücke 19.
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11 zeigt einen Längsschnitt einer möglichen Anordnung von im Inneren der Isolationseinheit 2 angebrachten Gaskanälen 8. In dieser Ausführung erfolgt die Zufuhr von Luft zum Brennstoff nicht durch eine Strahlpumpe 12. Es kann dafür eine elektrisch oder mechanisch betriebene Pumpe (nicht dargestellt) eingesetzt werden. In dieser graphischen Darstellung werden elektrische Kontakte 20 des Brennstoffzellensystems genutzt, doch aufgrund ihrer häufig metallischen Eigenschaften stellen sie potentielle Wärmebrücken dar. Diese Brücken werden durch das in die Gaskanäle 8 eintretende Kühlmedium (z. B. Luft) gekühlt, und somit fließt ein Großteil der durch diese Brücken abgegebenen Wärme durch das Medium im Gaskanal 8 und in das System zurück.
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12 zeigt beispielhaft, wie das Kühlmedium über eine Strahlpumpe 24 angesaugt wird. In diesem Fall ist das Medium Luft und die Luft wird durch den äußeren Hohlraum 3b durch die Strahlpumpe/Venturidüse angesaugt, welche den notwendigen Unterdruck durch das Anodenabgas der Brennstoffzelle(n) 23 erzeugt. Bei diesem Beispiel sind mindestens eine Luftleitung 21 der Kathode(n) einer/mehrerer Brennstoffzelle(n) und mindestens eine entsprechende Anodenleitung 22 vorhanden. In dieser speziellen Ausführung wird im Reformer 26 ein in der Brennstoffzelle verwertbares Reformat erzeugt. Der Reformer 26 wird aus einer Leitung 13 mit reduzierend wirkendem Medium (z. B. Brennstoff) und einer Leitung 14 mit einem oxidierend wirkenden Medium (z. B. Luft, Wasserdampf) gespeist. Das Abgas der Brennstoffzelleneinheit 23 wird weiter in die Venturidüse/Strahlpumpe 24 geleitet, in der durch dieses Medium die Kathodenluft angesaugt wird. In einem nachfolgenden Reaktor (z. B. Nachbrenner) 25 wird dann dieses Medium weiter chemisch umgesetzt. Bevorzugt wird das Abgas in der Leitung 16 durch das einströmende Medium in der Leitung 17 abgekühlt. Dies kann durch einen entsprechenden Wärmetauscher erfolgen, in dem die Leitungen 16 und 17 unmittelbar aneinander angeordnet sind. Auch kann sich das Medium in der Leitung 17 bevorzugt weiter mit dem Reformer 26 im Wärmeaustausch befinden.
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13 beschreibt ein Beispiel, das vergleichbar mit dem in 12 beschriebenen System ist. In dieser Ausführung ist im Brennstoffzellensystem mindestens ein zusätzlicher separater Wärmetauscher 27 eingebaut. In diesem System wird das Abgas des Nachbrenners 25 durch den Wärmetauscher 27 geleitet und Wärme an das aus dem Hohlraum 3b kommende Medium übertragen. Das durch die Leitung 16b aus dem Nachbrenner 25 kommende Medium wird abgekühlt, während das durch Leitung 17 von dem Hohlraum 3b kommende Medium erwärmt wird. Das abgekühlte Abgas wird dann über die Leitung 16b in den Hohlraum 3a geleitet. Das erwärmte Medium aus dem Hohlraum 3b (z. B. Luft) wird über die Leitung 17b dem Kathodenraum 21 der Brennstoffzellen zugeführt, wobei ein zusätzlicher Wärmeaustausch mit dem Reformer 26 stattfindet. In einer bevorzugten Ausführung findet des Weiteren ein intensiver Wärmeaustausch zwischen den Medien in den Leitungen 17 und 16b statt. Dies kann durch räumliche Nähe der Leitungen 17 und 16b erreicht werden. Eine bevorzugte Ausführung vereint mindestens eine zusätzliche Systemkomponente und den Wärmetauscher 27 in einem Bauteil. Beispiele hierfür wären, dass der Wärmetauscher 27 zwei getrennte Strömungskanäle aufweist, wobei in einem Strömungskanal das Medium aus dem Hohlraum 3b (z. B. Luft der Kathoden) strömt und in dem anderen Strömungskanal eine reformierend wirkende andere Komponente enthalten ist und dort die Reformierung des Mediums aus Leitung 15 stattfindet. Statt der oder zusätzlich zur Integration des Reformers 26 wäre auch die Integration des Nachbrenners 25 eine bevorzugte Variante. Der Wärmetauscher 27 könnte beispielsweise ein Rohrbündelwärmetauscher, ein Plattenwärmetauscher, ein Spiralwärmetauscher, ein Wärmeüberträger mit zwischen den verschiedenen Medien rotierenden Strömungskanälen (LUVO-Prinzip) und/oder ein Mantelrohrwärmeüberträger sein. Die Gasräume der Medien, aus denen die Medien in den Hohlraum 3b bzw. aus dem Hohlraum 3a strömen, sind strömungstechnisch vollständig oder zumindest teilweise voneinander getrennt, so dass es zu keiner oder nur einer begrenzten Durchmischung (1–99%) kommt.
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14 zeigt ein System, das mit dem nach 13 vergleichbar ist. In diesem Fall ist der Hohlraum 3 nur an den Längsflächen der Isolationseinheit 2 angebracht. In diesem Fall strömt das Medium aus dem Hohlraum 3b durch die Leitung 28, die Isolationseinheit 2 und wird dem Wärmeüberträger 27 zugeführt.
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Bei diesem Beispiel ist eine zusätzliche Seite der Isolationseinheit 2 nicht von dem Hohlraum 3 umschlossen. Bei einem Brennstoffzellensystem mit einem die Isolationseinheit 2 vollständig umschließenden Hohlraum 3 können die notwendigen Auslässe (z. B. Leitungen 14, 11) durch den Hohlraum 3 geführt werden, und Leitungen 14, 11 würden den Wärmebrücken 19 entsprechen. Teile des Hohlraumes 3 können so ausgelegt sein, dass mindestens ein Medium durch den Hohlraum 3 geleitet wird, und andere Teile können als Speicher für Brennstoff dienen bzw. evakuiert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- C. Finnerty, G. Tompsett, K. Kendall, R. Ormerod; Journal of Power Sources 86 (2000) 459–463 [0003]
- V. Lawlor, S. Griesser, G. Buchinger, A. Olabi, S. Cordiner, D. Meissner; Journal of Power Sources, 2009, Seiten 387–399 [0003]
