DE19743075A1 - Fuel cell arrangement - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of the claim 1.
Im einzelnen handelt es sich dabei um eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von Brennstoffzellen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und von einem Schutzgehäuse umgeben sind, und die einen Anodeneingang zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden der Brennstoffzellen, einen Anodenausgang zur Abführung des verbrannten Brenngases von den Anoden, einen Kathodeneingang zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden der Brennstoffzellen und einen Kathodenausgang zur Abführung des verbrauchten Kathodengases von den Kathoden aufweist. Weiterhin verfügt die Brennstoffzellenanordnung über eine Einrichtung, durch die das Kathodengas im Inneren des Schutzgehäuses in einem Kreislauf vom Kathodenausgang zum Kathodeneingang in Zirkulation versetzt wird.Specifically, it is a fuel cell arrangement with a number of Fuel cells arranged in a fuel cell stack and by one Protective housing are surrounded, and the anode input for supplying fuel gas to the anodes of the fuel cells, an anode outlet for the discharge of the burned Fuel gas from the anodes to a cathode inlet for supplying cathode gas the cathodes of the fuel cells and a cathode outlet for removing the has spent cathode gas from the cathodes. Furthermore, the Fuel cell arrangement via a device through which the cathode gas inside of the protective housing in a circuit from the cathode outlet to the cathode inlet in Circulation is offset.
Eine solche Brennstoffzellenanordnung mit internem Kathodengaskreislauf, die auch als sogenanntes "Hot Module" bekannt ist, wird in der DE 44 25 186 C1 der Anmelderin beschrieben, auf deren Einzelheiten hier hingewiesen wird. Bei dieser bekannten Brennstoffzellenanordnung wird das verbrauchte Kathodengas vom Kathodengasausgang in einer frei zirkulierenden Kreislaufströmung innerhalb des Schutzgehäuses in Zirkulation versetzt und dabei Luft und Anodenabgas zugesetzt. Der Kathodengasstrom durchläuft einen katalytischen Brenner, in dem die brennbaren Restbestandteile des verbrannten Anodenabgases in thermische Energie umgewandelt werden. Der Kathodengaskreislauf wird zum Kathodeneingang der Brennstoffzellenanordnung zurückgeführt, wodurch der Kreislauf über die Kathoden geschlossen wird. Bei der bekannten Brennstoffzellenanordnung wird der Kathodengaskreislauf mittels eines oder mehrerer Heißgasgebläse betrieben, die innerhalb des Schutzgehäuses der Brennstoffzellenanordnung angeordnet sind.Such a fuel cell arrangement with an internal cathode gas circuit, which is also known as so-called "hot module" is known from DE 44 25 186 C1 of the applicant described, the details of which are referred to here. In this known Fuel cell assembly is the used cathode gas from the cathode gas outlet in a freely circulating circuit flow within the protective housing in circulation added and air and anode exhaust gas added. The cathode gas flow passes through a catalytic burner in which the combustible residual components of the burned Anode exhaust gas can be converted into thermal energy. The cathode gas cycle is returned to the cathode input of the fuel cell assembly, whereby the Circuit via the cathodes is closed. With the known The cathode gas circuit is fuel cell arrangement by means of one or more Hot gas blower operated within the protective housing of the fuel cell assembly are arranged.
Ein Nachteil bei der bekannten Brennstoffzellenanordnung ist darin zu sehen, daß die innerhalb des Schutzgehäuses angeordneten Heißgasgebläse wegen der relativ geringen Dichte des zirkulierenden heißen Gases (ca. 540 bis 550°C) einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen. Außerdem sind aufgrund dieser hohen Betriebstemperaturen beträchtliche Anforderungen an Konstruktion und Material der Heißgasgebläse gestellt, um eine ausreichende Lebensdauer zu erreichen. Dennoch ist die Ausfallswahrscheinlichkeit eines solchen Heißgasgebläses nicht unerheblich.A disadvantage of the known fuel cell arrangement is that the Hot gas blowers arranged within the protective housing because of the relatively small Density of the circulating hot gas (approx. 540 to 550 ° C) a poor efficiency exhibit. In addition, due to these high operating temperatures, they are considerable Requirements for the design and material of the hot gas blower to meet a to achieve sufficient lifespan. Nevertheless, the probability of failure is one such hot gas blower not insignificant.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanordnung der vorausgesetzten Art mit internem Kathodengaskreislauf zu schaffen, welche eine höhere Zuverlässigkeit aufweist.The object of the invention is to provide a fuel cell arrangement of the required type with internal cathode gas circuit to create which is more reliable having.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved by a fuel cell arrangement with the in claim 1 specified features solved.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous developments of the fuel cell arrangement according to the invention are in the Subclaims marked.
Gemäß der Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von Brennstoffzellen geschaffen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und von einem Schutzgehäuse umgeben sind. Die Brennstoffzellenanordnung verfügt über einen Anodeneingang zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden der Brennstoffzellen, einen Anodenausgang zur Abführung des verbrannten Brenngases von den Anoden, einen Kathodeneingang zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden der Brennstoffzellen und einen Kathodenausgang zur Abführung des verbrauchten Kathodengases von den Kathoden. Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen, durch die das Kathodengas im Inneren des Schutzgehäuses in einem Kreislauf vom Kathodenausgang zum Kathodeneingang in Zirkulation versetzt wird. Erfindungsgemäß ist diese Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengases durch eine im Kathodengasstrom vorgesehene Ejektoranordnung gebildet.According to the invention, a fuel cell arrangement with a number of Fuel cells created, arranged in a fuel cell stack and by one Protective housing are surrounded. The fuel cell arrangement has one Anode input for supplying fuel gas to the anodes of the fuel cells, one Anode outlet for removing the burned fuel gas from the anodes, one Cathode input for supplying cathode gas to the cathodes of the fuel cells and a cathode outlet for removing the used cathode gas from the Cathodes. Furthermore, a device is provided through which the cathode gas in Inside the protective housing in a circuit from the cathode outlet to Cathode input is circulated. According to the invention, this device is for Circulating the cathode gas through one provided in the cathode gas flow Ejector arrangement formed.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es, daß die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengases keine bewegten Teile im Inneren des Schutzgehäuses aufweist, die den dort herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt sind.An advantage of the fuel cell arrangement according to the invention is that the device no moving parts inside the protective housing to circulate the cathode gas which are exposed to the high temperatures prevailing there.
Der getriebene Gasstrom der Ejektoranordnung ist vorteilhafterweise der Kathodengasstrom.The driven gas flow of the ejector arrangement is advantageously that Cathode gas flow.
Der treibende Gasstrom der Ejektoranordnung ist vorzugsweise ein dem Kathodengasstrom beizumischendes Gas.The driving gas stream of the ejector arrangement is preferably one of the cathode gas stream gas to be mixed.
Vorteilhafterweise ist der treibende Gasstrom dem Kathodengas beizumischende Frischluft.The driving gas stream is advantageously fresh air to be mixed with the cathode gas.
Zur Zuführung der Frischluft zu der Ejektoranordnung kann ein Gebläse vorgesehen sein.A blower can be provided for supplying the fresh air to the ejector arrangement.
Vorteilhafterweise ist dieses Gebläse außerhalb des Schutzgehäuses angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß das Gebläse bei Umgebungstemperatur betrieben werden kann und damit einen wesentlich besseren Wirkungsgrad hat als ein innerhalb des Schutzgehäuses angeordnetes Heißgasgebläse. This blower is advantageously arranged outside the protective housing. this has the advantage that the blower can be operated at ambient temperature and thus has a much better efficiency than one inside the protective housing arranged hot gas blower.
Vorteilhafterweise ist innerhalb des Schutzgehäuses ein Wärmetauscher angeordnet, welcher dem im Schutzgehäuse zirkulierenden Gasstrom zur Temperaturregulierung der Brennstoffzellenanordnung Wärme entzieht.A heat exchanger is advantageously arranged within the protective housing, which the gas stream circulating in the protective housing for temperature regulation of the Fuel cell assembly extracts heat.
Ein solcher Wärmetauscher kann ein Gas/Gas-Wärmetauscher sein.Such a heat exchanger can be a gas / gas heat exchanger.
Der Wärmetauscher kann als kühlendes Medium mit Luft beaufschlagt werden.Air can be applied to the heat exchanger as a cooling medium.
Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist innerhalb des Schutzgehäuses ein katalytischer Brenner angeordnet, welcher in dem im Schutzgehäuse zirkulierenden Gasstrom enthaltene brennbare Restbestandteile des Brenngases verbrennt.According to advantageous embodiments of the invention, a is inside the protective housing arranged catalytic burner, which circulates in the protective housing Combustible residual components of the fuel gas contained in the gas stream burn.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist es vorgesehen, daß sich der Anodenausgang der Brennstoffzellen in das Innere des Schutzgehäuses öffnet, um das Anodenabgas in den zirkulierenden Kathodengasstrom zu mischen.In advantageous embodiments of the invention it is provided that the Anode outlet of the fuel cells opens into the interior of the protective housing to the Mix anode exhaust gas into the circulating cathode gas stream.
Gemäß einem ersten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Anoden der Brennstoffzellen im Querstrom zu deren Kathoden durchströmbar, und es sind Mittel vorgesehen, um den den Anodenausgang verlassenden Brenngasstrom zusammen mit dem den Kathodenausgang verlassenden Kathodengasstrom der Einlaßseite der Ejektoranordnung zuzuführen.According to a first particular embodiment of the invention, the anodes are the Fuel cells can be flowed through in cross-flow to their cathodes, and they are means provided to the fuel gas stream leaving the anode outlet together with the the cathode gas stream leaving the cathode outlet on the inlet side of the Feed ejector assembly.
Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher zwischen den Kathodenausgang und die Einlaßseite der Ejektoranordnung geschaltet im Kathodengasstrom angeordnet.The heat exchanger is advantageously between the cathode outlet and the The inlet side of the ejector arrangement is arranged in the cathode gas flow.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist der katalytische Brenner dem Ejektor nachgeschaltet im zirkulierenden Kathodengasstrom angeordnet. Er kann jedoch auch vor dem Ejektor angeordnet sein. In advantageous embodiments of the invention, the catalytic burner is Ejector arranged downstream in the circulating cathode gas stream. However, he can also be arranged in front of the ejector.
Gemäß einem zweiten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Anoden der Brennstoffzellen im Gleichstrom mit den Kathoden durchströmbar, und es sind Mittel vorgesehen, um den den Anodenausgang verlassenden Brenngasstrom zusammen mit dem den Kathodenausgang verlassenden Kathodengasstrom der Einlaßseite der Ejektorvorrichtung zuzuführen.According to a second particular embodiment of the invention, the anodes are The cathodes can flow through fuel cells in direct current, and they are means provided to the fuel gas stream leaving the anode outlet together with the the cathode gas stream leaving the cathode outlet on the inlet side of the Feed ejector.
Hierbei sind vorteilhafterweise die Mittel, um den Brenngasstrom mit dem Kathodengasstrom zusammenzufassen, durch eine den Anodenausgang und den Kathodenausgang der Brennstoffzellenanordnung überdeckende Einlaßhutze der Ejektoranordnung gebildet.Here are advantageously the means to the fuel gas flow with the Summarize cathode gas flow through the anode outlet and Cathode output of the fuel cell arrangement covering inlet hood of the Ejector arrangement formed.
Gemäß einem dritten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Anoden der Brennstoffzellen im Gegenstrom zu deren Kathoden durchströmbar sind, wobei das den Anodenausgang der Brennstoffzellen verlassende Brenngas mit dem in den Kathodeneingang der Brennstoffzellen eintretenden Gasstrom gemischt wird, und die Ejektoranordnung im Strom des zirkulierenden Kathodengases zwischen Kathodenausgang und Kathodeneingang der Brennstoffzellen angeordnet ist.According to a third particular embodiment of the invention, it is provided that the anodes of the fuel cells can be flowed through in countercurrent to their cathodes, wherein the fuel gas leaving the anode outlet of the fuel cells with that in the Cathode input of the fuel cell entering gas stream is mixed, and the Ejector arrangement in the flow of the circulating cathode gas between the cathode outlet and cathode input of the fuel cells is arranged.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist vorteilhafterweise der katalytische Brenner zwischen dem Anodenausgang und dem Kathodeneingang der Brennstoffzellen vorgesehen.In this embodiment, the catalytic burner is advantageously between the anode output and the cathode input of the fuel cells.
Vorteilhafterweise ist hierbei der Kathodeneingang der Brennstoffzellen gegen den Anodenausgang der Brennstoffzellen versetzt angeordnet, und der katalytische Brenner ist in Form einer flächigen Anordnung zwischen Anodenausgang und Kathodeneingang vorgesehen.Advantageously, the cathode input of the fuel cells is against the Anode output of the fuel cells are arranged offset, and the catalytic burner is in the form of a flat arrangement between the anode outlet and the cathode inlet intended.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn die Ejektor anordnung mehrere Einzelejektoren enthält.In all embodiments of the invention it can be advantageous if the ejector arrangement contains several individual ejectors.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1a) und b) in der Frontansicht und in der Seitenansicht Schnitte durch eine Brennstoffzellenanordnung bekannter Art, bei der Heißgasgebläse als Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengasstroms dienen; FIG. 1a) and b) are used in the front view and the side view of sections of a fuel assembly of known type in which hot gas blower as means for circulating cathode gas stream;
Fig. 2a) und b) in der Frontansicht und in der Seitenansicht Schnitte durch eine Brennstoffzellenanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengasstroms durch eine Ejektoranordnung gebildet ist; Figures 2a) and b) in the front view and the side view of sections through a fuel cell assembly according to a first embodiment of the invention, wherein the device is formed for circulating cathode gas stream through an ejector.
Fig. 3 in der Seitenansicht einen Schnitt durch eine Brennstoffzellenanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengasstroms durch eine Ejektoranordnung gebildet ist;3 shows in side view a section through a fuel cell assembly according to a second embodiment of the invention, wherein the device is formed for circulating cathode gas stream through an ejector.
Fig. 4 in der Seitenansicht einen Schnitt durch eine Brennstoffzellenanordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengasstroms durch eine Ejektoranordnung gebildet ist; und4 shows in side view a section through a fuel cell assembly according to a third embodiment of the invention, wherein the device is formed for circulating cathode gas stream through an ejector. and
Fig. 5 in einer vergrößerten Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 4 gesehen, ein Detail, welches die Anordnung der Kathoden und Anoden am unteren Ende der Brennstoffzellenanordnung zeigt. FIG. 5 seen in an enlarged sectional view along the line AA of FIG. 4, a detail which shows the arrangement of the cathodes and anodes at the lower end of the fuel cell arrangement.
Fig. 1a) und 1b) zeigen in der Frontansicht und in der Seitenansicht Schnitte durch eine Brennstoffzellenanordnung mit internem Kathodengaskreislauf wie sie aus der DE 44 25 186 C1 bekannt ist. In einem Schutzgehäuse 2, welches gasdicht und thermisch isolierend ausgebildet ist, befindet sich eine Brennstoffzellenanordnung, deren Hauptbestandteil aus einer Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 1 angeordneten Brennstoffzellen besteht. Die Brennstoffzellen enthalten Anoden, welche senkrecht von unten nach oben von einem Brenngas B durchströmbar sind, und Kathoden, welche in der Darstellung von Fig. 1a) im Querstrom zu den Anoden horizontal von rechts nach links durchströmbar sind. Somit werden die Anoden von einem Anodeneingang 5 zu einem Anodenausgang 6 senkrecht von unten nach oben durchströmt und die Kathoden werden von einem Kathodeneingang 7 zu einem Kathodenausgang 8 horizontal von rechts nach links durchströmt. Das Brenngas B wird dem Anodeneingang 5 über eine Brenngashutze 5a zugeführt, welche den Anodeneingang gegen das Innere des Schutzgehäuses 2 gasdicht trennt. Fig. 1a) and 1b) show in front view and in side sectional views of a fuel cell assembly with internal cathode gas loop as it is known from DE 44 25 186 C1. In a protective housing 2 , which is gas-tight and thermally insulating, there is a fuel cell arrangement, the main component of which consists of a number of fuel cells arranged in a fuel cell stack 1 . The fuel cells contain anodes, through which a fuel gas B can flow vertically from bottom to top, and cathodes, which can be flowed through horizontally from right to left in cross-flow to the anodes in the representation of FIG. 1a). The anodes are thus flowed through vertically from bottom to top from an anode input 5 to an anode output 6 and the cathodes are flowed horizontally from right to left from a cathode input 7 to a cathode output 8 . The fuel gas B is supplied to the anode inlet 5 via a Brenngashutze 5 a, which separates the gas-tight anode inlet towards the interior of the protective housing. 2
An der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 1 befindet sich ein Diffusor 12, welcher dazu dient, den Strom des den Anodenausgang 6 verlassenden Anodenabgases zu vergleichmäßigen. Oberhalb des Diffusors 12 ist Anodengasmischer 9 vorgesehen, in welchem das Anodenabgas mit dem im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengasstrom vermischt und diesem Gemisch bei L zugeführte Frischluft zugesetzt wird. Dem Anodengasmischer 9 in Strömungsrichtung nachgeschaltet ist darüber ein katalytischer Brenner 10 vorgesehen, in welchem in dem Gasgemisch noch vorhandene brennbare Restbestandteile des Brenngases katalytisch verbrannt und in thermische Energie umgewandelt werden.At the top of the fuel cell stack 1 there is a diffuser 12 which serves to even out the flow of the anode exhaust gas leaving the anode outlet 6 . Anode gas mixer 9 is provided above the diffuser 12 , in which the anode exhaust gas is mixed with the cathode gas stream circulating inside the protective housing 2 and fresh air supplied at L is added to this mixture. Downstream of the anode gas mixer 9, a catalytic burner 10 is provided, in which combustible residual components of the fuel gas still present in the gas mixture are catalytically burned and converted into thermal energy.
Der die Kathoden der Brennstoffzellen von rechts nach links durchlaufende und in dem Anodengasmischer 9 mit dem Anodenabgas gemischte Kathodengasstrom wird mittels eines Gebläses 4 in Zirkulation versetzt, welches durch einen außerhalb des Schutzgehäuses 2 vorgesehenen Gebläseantrieb 4a in Rotation versetzt wird. Der Kathodengasstrom durchläuft einen dem Brennstoffzellenstapel an dem Kathodeneingang 7 vorgeschalteten Vorwärmer und Diffusor 11 und einen dem Brennstoffzellenstapel am Kathodenausgang 8 nachgeschalteten Wärmetauscher zur Brenngasvorwärmung 3 sowie einen Wärmetauscher 16. Der Vorwärmer und Diffusor 11 dient dazu, den Kathodengasstrom vor dem Eintritt am Kathodeneingang 7 zu vergleichmäßigen und ihn beim Anfahren der Brennstoffzellenanordnung auf Betriebstemperatur vorzuwärmen. In dem Wärmetauscher 3 zur Brenngasvorwärmung wird ein Teil der thermischen Energie des die Kathoden verlassenden Kathodengasstroms ausgekoppelt und zur Vorwärmung des dem Anodeneingang 5 zuzuführenden Brenngases B verwendet. Der Wärmetauscher 16 dient dazu, einen Teil der Wärme aus dem zirkulierenden Kathodengasstrom auszukoppeln und damit den Wärmehaushalt der Brennstoffzellenanordnung zu regulieren. Mit anderen Worten, die Temperatur im Inneren des von dem Schutzgehäuse 2 umgebenen abgeschlossenen Systems wird durch den Wärmetauscher 16 geregelt.The cathode gas flow passing through the cathodes of the fuel cells from right to left and mixed with the anode exhaust gas in the anode gas mixer 9 is set in circulation by means of a blower 4 which is set in rotation by a blower drive 4 a provided outside the protective housing 2 . The cathode gas stream passes through a the fuel cell stack at the cathode input 7 upstream heater and diffuser 11 and the fuel cell stack at the cathode outlet 8 downstream heat exchanger to the fuel gas preheating heat exchanger 3, and a sixteenth The preheater and diffuser 11 serve to equalize the cathode gas flow before entering the cathode inlet 7 and to preheat it to operating temperature when the fuel cell arrangement is started up. In the heat exchanger 3 for preheating fuel gas, part of the thermal energy of the cathode gas stream leaving the cathodes is decoupled and used for preheating the fuel gas B to be fed to the anode input 5 . The heat exchanger 16 serves to decouple part of the heat from the circulating cathode gas stream and thus to regulate the heat balance of the fuel cell arrangement. In other words, the temperature inside the closed system surrounded by the protective housing 2 is regulated by the heat exchanger 16 .
Überschüssiges Kathodengas wird als Abgas der Brennstoffzellenanordnung an der mit A bezeichneten Stelle aus dem Schutzgehäuse 2 abgeführt. Die Abgasmenge A ist das chemische Äquivalent der der Brennstoffzellenanordnung zugeführten Ströme an Brenngas B und Frischluft L.Excess cathode gas is discharged from the protective housing 2 as the exhaust gas of the fuel cell arrangement at the point denoted by A. The exhaust gas quantity A is the chemical equivalent of the flows of fuel gas B and fresh air L supplied to the fuel cell arrangement.
Fig. 2a) und b) zeigt in der Frontansicht und der Seitenansicht Schnitte durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung. Eine Anzahl von Brennstoffzellen sind in einem Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist von einem Schutzgehäuse 2 umgeben, welcher die Brennstoffzellenanordnung gasdicht einschließt und thermisch gegen die Umgebung isoliert. Ähnlich wie bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Brennstoffzellenanordnung werden auch hier die Anoden der Brennstoffzellen senkrecht von unten nach oben mit Brenngas B durchströmt, wogegen die Kathoden im Querstrom dazu horizontal, nämlich in der Darstellung der Fig. 2a) von rechts nach links durchströmt werden. Das Brenngas B wird der Unterseite des Brennstoffzellenstapels über eine Brenngashutze 5a zugeführt und dort über den Anodeneingang 5 der Brennstoffzellen verteilt. An der Oberseite des Brennstoffzellenstapels verläßt der Strom des verbrannten Brenngases den Anodenausgang 6 der Brennstoffzellen und tritt nach Passieren eines Diffusors 12, welcher zur Vergleichmäßigung des Anodenabgasstroms dient, in den im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengasstrom ein. FIG. 2a) and b) shows the front view and the side view of sections through a first embodiment of a fuel cell assembly according to the invention. A number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack 1 . The fuel cell stack 1 is surrounded by a protective housing 2 , which encloses the fuel cell arrangement in a gas-tight manner and is thermally insulated from the surroundings. Similar to the known fuel cell arrangement shown in FIG. 1, the anodes of the fuel cells are flowed through vertically from bottom to top with fuel gas B, whereas the cathodes in crossflow flow horizontally, namely from right to left in the illustration in FIG. 2a) will. The fuel gas B is supplied to the bottom of the fuel cell stack via a Brenngashutze 5 a distributed through the anode inlet 5 of the fuel cell. At the top of the fuel cell stack, the flow of the burned fuel gas leaves the anode outlet 6 of the fuel cells and, after passing through a diffuser 12 , which serves to equalize the anode exhaust gas flow, enters the cathode gas flow circulating inside the protective housing 2 .
Der im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierende Kathodengasstrom wird durch einen Ejektor 24 angetrieben. Ein Ejektor ist grundsätzlich eine Vorrichtung, bei der der Ener gieinhalt eines strömenden treibenden Mediums dazu genutzt wird, ein anderes, getriebenes Medium anzusaugen, mit dem treibenden Medium zu vermischen und auszublasen. Bekannte Beispiele dafür sind die Wasserstrahlpumpe, bei der der treibende Wasserstrahl genutzt wird, um ein Vakuum zu erzeugen, oder die druckluftgetriebene Farbsprühpistole, bei der ein treibender Luftstrom die Farbe ansaugt und gleichzeitig durch eine Düse gleichmäßig versprüht.The cathode gas flow circulating inside the protective housing 2 is driven by an ejector 24 . An ejector is basically a device in which the energy content of a flowing driving medium is used to suck in another, driven medium, to mix it with the driving medium and to blow it out. Well-known examples of this are the water jet pump, in which the driving water jet is used to create a vacuum, or the compressed air-driven paint spray gun, in which a driving air stream sucks in the paint and at the same time sprays it evenly through a nozzle.
Bei dem Ejektor 24 wird mit L bezeichnete Frischluft als treibendes Medium von außen zugeführt und dazu verwendet, die Energie zum Antreiben des im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengases aufzubringen. Das Kathodengas wird an einer Sammelhaube 22 mit dem dem Diffusor 12 verlassenden Anodenabgas zusammengefaßt und gemischt und der Einlaßseite des Ejektors 24 zugeführt. In dem Ejektor 24 wird das Gasgemisch von Anodenabgas und Kathodengas weiter mit der zugeführten Frischluft L vermengt. Der Auslaßseite des Ejektors 24 nachgeschaltet ist ein katalytischer Brenner 20 angeordnet, welcher dazu dient, in dem zirkulierenden Gasstrom noch vorhandene brennbare Restbestandteile des Anodenabgases katalytisch zu verbrennen und in thermische Energie umzuwandeln.In the ejector 24 , fresh air labeled L is supplied as the driving medium from the outside and is used to apply the energy for driving the cathode gas circulating inside the protective housing 2 . The cathode gas is combined on a collecting hood 22 with the anode exhaust gas leaving the diffuser 12 and mixed and fed to the inlet side of the ejector 24 . In the ejector 24 , the gas mixture of anode exhaust gas and cathode gas is further mixed with the fresh air L supplied. A catalytic burner 20 is arranged downstream of the outlet side of the ejector 24 and serves to catalytically burn combustible residual components of the anode exhaust gas still present in the circulating gas stream and convert them into thermal energy.
Dem Kathodeneingang 7 des Brennstoffzellenstapels 1 vorgeschaltet ist ein Vorwärmer und Diffusor 11 angeordnet, welcher dazu dient, den zirkulierenden Kathodengasstrom zu vergleichmäßigen und den Eingängen der Kathoden der Brennstoffzellen gleichmäßig zuzuführen und beim Anfahrbetrieb der Brennstoffzellenanordnung das Kathodengas auf die erforderliche Temperatur zu bringen. Dem Kathodenausgang 8 der Brennstoffzellenanordnung nachgeschaltet ist ein Wärmetauscher zur Brenngasvorwärmung 3. Dieser dient dazu, aus dem zirkulierenden Kathodengasstrom Wärme zur Vorwärmung des Brenngases B vor dessen Zuführung zum Anodeneingang 5 auszukoppeln. Weiter in Strömungsrichtung, dem Wärmetauscher 3 nachgeschaltet, ist ein Wärmetauscher 26 nachgeschaltet, durch welchen aus dem innerhalb des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengasstrom Wärme ausgekoppelt wird, um den Wärmehaushalt und damit die Temperatur der Brennstoffzellenanordnung zu regulieren. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 26 ein Gas/Gas-Wärmetauscher, in welchem Luft als kühlendes Medium verwendet wird. Überschüssiges Kathodengas wird als Abgas A aus dem Schutzgehäuse 2 entfernt. Das Abgas A ist das chemische Äquivalent zu den der Brennstoffzellenanordnung zugeführten Strömen an Frischluft L und Brenngas B. Durch die am Wärmetauscher 26 ausgekoppelte Wärmemenge und das abgeführte Abgas A wird der Betriebspunkt der Brennstoffzellenanordnung als Gleichgewichtszustand hergestellt.A preheater and diffuser 11 is arranged upstream of the cathode input 7 of the fuel cell stack 1 , which serves to even out the circulating cathode gas flow and to supply the inputs of the cathodes of the fuel cells uniformly and to bring the cathode gas to the required temperature when the fuel cell arrangement is started up. A heat exchanger for preheating fuel gas 3 is connected downstream of the cathode outlet 8 of the fuel cell arrangement. This serves to couple out heat from the circulating cathode gas flow for preheating the fuel gas B before it is fed to the anode input 5 . Further downstream, downstream of the heat exchanger 3 , is a heat exchanger 26 , through which heat is coupled out from the cathode gas stream circulating within the protective housing 2 in order to regulate the heat balance and thus the temperature of the fuel cell arrangement. In the exemplary embodiment described, the heat exchanger 26 is a gas / gas heat exchanger in which air is used as the cooling medium. Excess cathode gas is removed from the protective housing 2 as exhaust gas A. The exhaust gas A is the chemical equivalent to the flows of fresh air L and fuel gas B supplied to the fuel cell arrangement. The operating point of the fuel cell arrangement is established as an equilibrium state by the amount of heat coupled out at the heat exchanger 26 and the exhaust gas A discharged.
Wie aus Fig. 2b) zu sehen ist, sind mehrere, nämlich vier Ejektoren 24 vorgesehen, welche zusammen eine Ejektoranordnung zum Zirkulieren des Kathodengases innerhalb des Schutzgehäuses 2 bilden.As can be seen from FIG. 2 b), several, namely four ejectors 24 are provided, which together form an ejector arrangement for circulating the cathode gas within the protective housing 2 .
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung. Ein Brennstoffzellenstapel 1 ist wiederum durch eine Anzahl von Brennstoffzellen gebildet. Abweichend von dem anhand der Fig. 2 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Anoden und Kathoden der Brennstoffzellen jedoch im Gleichstrom, nämlich in der Darstellung der Fig. 3 jeweils von links nach rechts von den jeweiligen Gasen, nämlich dem Brenngas und dem Kathodengas durchströmt. Hierzu wird das Brenngas B über einen internen Brenngasverteiler (sogenanntes "Internal Manifold") im Inneren des Brennstoffzellenstapels auf die Anoden der einzelnen Brennstoffzellen verteilt, wogegen das Kathodengas von außen an einem Kathodeneingang 7 auf die Einlaßseiten der Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen verteilt wird. Das verbrannte Brenngas verläßt die Anoden als Anodenabgas am Anodenausgang 6 und das verbrauchte Kathodengas verläßt als Kathodenabgas die Kathoden am Kathodenausgang 8, beide an der rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 1 in der Darstellung der Fig. 3. An der rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 1 ist ein Ejektor 34 angeordnet, welcher über eine Einlaßhutze 39 an den Brennstoffzellenstapel 1 angeschlossen ist. Die den Anodenausgang 6 und den Kathodenausgang 8 verlassenden Ströme an Anodenabgas und Kathodenabgas werden in der Einlaßhutze 39 zusammengefaßt und dem Ejektor 34 als getriebenes Medium zugeführt. Das treibende Medium des Ejektors 34 ist Frischluft L, welche dem Ejektor 34 über eine Frischluftdüse 35 zugeführt wird. Die Frischluft L treibt das Kathodengas mit dem beigemischten Anodenabgas an und versetzt es in einen im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengasstrom. Fig. 3 shows a cross-sectional view through a second embodiment of the fuel cell assembly according to the invention. A fuel cell stack 1 is in turn formed by a number of fuel cells. In contrast to the first exemplary embodiment of the invention described with reference to FIG. 2, the respective electrodes, namely the fuel gas and the cathode gas, flow through the anodes and cathodes of the fuel cells in direct current, namely in the illustration in FIG. 3, from left to right. For this purpose, the fuel gas B is distributed to the anodes of the individual fuel cells via an internal fuel gas distributor (so-called "internal manifold") in the interior of the fuel cell stack, whereas the cathode gas is distributed from the outside at a cathode inlet 7 to the inlet sides of the cathodes of the individual fuel cells. The burned fuel gas leaves the anodes as anode exhaust gas at the anode outlet 6 and the used cathode gas leaves as the cathode exhaust gas the cathodes at the cathode outlet 8 , both on the right side of the fuel cell stack 1 in the illustration in FIG. 3. On the right side of the fuel cell stack 1 is an ejector 34 arranged, which is connected via an inlet hood 39 to the fuel cell stack 1 . The flows of anode exhaust gas and cathode exhaust gas leaving the anode outlet 6 and the cathode outlet 8 are combined in the inlet hood 39 and fed to the ejector 34 as a driven medium. The driving medium of the ejector 34 is fresh air L, which is fed to the ejector 34 via a fresh air nozzle 35 . The fresh air L drives the cathode gas with the admixed anode exhaust gas and places it in a cathode gas stream circulating inside the protective housing 2 .
Der Ausgangsseite des Ejektors 34 ist ein katalytischer Brenner 30 nachgeschaltet, in welchem in dem zirkulierenden Kathodengasstrom vorhandene brennbare Restbestandteile des Anodenabgases katalytisch verbrannt und in thermische Energie umgewandelt werden. Im Weg des Kathodengasstroms von der Auslaßseite des Ejektors 34 über den katalytischen Brenner 30 zurück zu der an der linken Seite des Brennstoffzellenstapels 1 befindlichen Kathodeneingangsseite 7 befindet sich ein Wärmetauscher 36, in welchem thermische Energie aus dem zirkulierenden Kathodengas ausgekoppelt wird, um den Wärmehaushalt und die Temperatur der Brennstoffzellenanordnung zu regulieren. Der Wärmetauscher 36 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Gas/Gas-Wärmetauscher, welchem Frischluft als Kühlmedium an einem Kühllufteinlaß 37 zugeführt und an einem Kühlluftauslaß 38 abgeführt wird. Überschüssiges Kathodengas wird als Abgas A aus dem Inneren des Schutzgehäuses 2 entfernt. Das Abgas A stellt das chemische Äquivalent zu den zugeführten Gasströmen an Frischluft L und Brenngas B dar. Durch die über den Wärmetauscher 36 ausgekoppelte Wärme und das abgeführte Abgas A wird der Arbeitspunkt der Brennstoffzellenanordnung im Gleichgewichtszustand hergestellt.The output side of the ejector 34 is followed by a catalytic burner 30 , in which combustible residual components of the anode exhaust gas present in the circulating cathode gas stream are catalytically burned and converted into thermal energy. In the path of the cathode gas flow from the outlet side of the ejector 34 via the catalytic burner 30 back to the cathode input side 7 located on the left side of the fuel cell stack 1, there is a heat exchanger 36 in which thermal energy is coupled out of the circulating cathode gas in order to maintain the heat balance and To regulate the temperature of the fuel cell arrangement. In the exemplary embodiment shown, the heat exchanger 36 is a gas / gas heat exchanger, to which fresh air is supplied as a cooling medium at a cooling air inlet 37 and is discharged at a cooling air outlet 38 . Excess cathode gas is removed as the exhaust gas A from the inside of the protective housing 2 . The exhaust gas A represents the chemical equivalent to the supplied gas streams of fresh air L and fuel gas B. Due to the heat coupled out via the heat exchanger 36 and the exhaust gas A removed, the operating point of the fuel cell arrangement is established in the equilibrium state.
Fig. 4 zeigt in der Querschnittsansicht ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung. In einem Schutzgehäuse 2 befindet sich ein Brennstoffzellenstapel 1, der aus einer Anzahl von Brennstoffzellen gebildet ist, die jeweils eine Anode und eine Kathode enthalten. Der Anodeneingang 5 der Brennstoffzellen befindet sich an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 1. Dort ist ein interner Gasverteiler (sogenannter "Internal Manifold") vorgesehen, über welchen das Brenngas B im Inneren des Brennstoffzellenstapels an die Eingangsseiten der Anoden verteilt wird. Das Brenngas B durchströmt somit die Anoden von oben nach unten. Im Gegensatz dazu werden die Kathoden der Brennstoffzellen im Gegenstrom zu den Anoden von unten nach oben durchströmt. An der Kathodeneingangsseite 7 der Brennstoffzellen ist ein Kathodengasverteiler 7a vorgesehen. Die den Anodenausgang 6 bildenden Ausgangsseiten der Anoden öffnen sich in das Innere des Kathodengasverteilers 7a. Jedoch sind die Ausgangsseiten der Anoden bei 6 gegenüber den Eingangsseiten der Kathoden bei 7 der Höhe nach versetzt angeordnet, mit anderen Worten, die Anoden stehen jeweils gegenüber den Kathoden nach unten aus dem Brennstoffzellenstapel 1 hervor, wie dies in der Detailansicht von Fig. 5 in vergrößerter Form gezeigt ist. Auf den sich dadurch zwischen Anodenausgang 6 und Kathodeneingang 7 ergebenden Flächenbereichen ist ein katalytischer Brenner 40 in Form einer flächigen Anordnung, z. B. in Form einer Beschichtung vorgesehen. Dieser katalytische Brenner 40 dient dazu, in dem Anodenabgas enthaltene noch brennbare Restbestandteile katalytisch zu verbrennen und in thermische Energie umzusetzen. Das verbrannte Anodenabgas wird im Inneren des Kathodengasverteilers 7a mit dem Kathodengas gemischt und zusammen mit diesem dem Kathodeneingang 7 zugeführt. Nach dem Verlassen des Kathodenausgangs 8 an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels tritt das Kathodengas in das Innere des Schutzgehäuses 2 ein. Dort ist ein Ejektor 44 angeordnet, welcher dazu dient, das Kathodengas in Zirkulation zu versetzen. Der Ejektor 44 wird durch Frischluft L angetrieben, welche als treibendes Medium bei 45 zugeführt wird. Ein Steuerventil 47 dient zur Regelung des Gasdurchsatzes durch den Ejektor 44. Im Inneren des Schutzgehäuses 2 ist weiterhin ein Wärmetauscher 46 vorgesehen, mit welchem thermische Energie aus dem Kathodengasstrom ausgekoppelt wird, um den Wärmehaushalt und die Temperatur der Brennstoffzellenanordnung zu regulieren. Weiterhin wird Kathodengas als Abgas A aus dem Kathodengasstrom entfernt. Das Abgas A ist das chemische Äquivalent zu den zugeführten Gasströmen an Brenngas B und Frischluft L. Somit wird durch den Wärmetauscher 46 und das abgeführte Abgas A der Arbeitspunkt der Brennstoffzellenanordnung im Gleichgewichtszustand eingestellt. Fig. 4 shows in cross-sectional view of a third embodiment of the fuel cell assembly according to the invention. In a protective housing 2 there is a fuel cell stack 1 , which is formed from a number of fuel cells, each of which contains an anode and a cathode. The anode input 5 of the fuel cells is located on the top of the fuel cell stack 1 . There, an internal gas distributor (so-called "internal manifold") is provided, via which the fuel gas B is distributed inside the fuel cell stack to the input sides of the anodes. The fuel gas B thus flows through the anodes from top to bottom. In contrast, the cathodes of the fuel cells are traversed from bottom to top in counterflow to the anodes. A cathode gas distributor 7 a is provided on the cathode input side 7 of the fuel cells. The output sides of the anodes forming the anode outlet 6 open into the interior of the cathode gas distributor 7 a. However, the output sides of the anodes at 6 are offset in height from the input sides of the cathodes at 7, in other words, the anodes each protrude downward from the fuel cell stack 1 with respect to the cathodes, as shown in the detailed view of FIG enlarged form is shown. A catalytic burner 40 in the form of a two-dimensional arrangement, for example, is provided on the surface regions resulting therefrom between anode outlet 6 and cathode inlet 7 . B. provided in the form of a coating. This catalytic burner 40 is used to catalytically burn remaining combustible constituents contained in the anode exhaust gas and to convert them into thermal energy. The burned anode exhaust gas is mixed inside the cathode gas distributor 7 a with the cathode gas and fed to the cathode inlet 7 together with this. After leaving the cathode outlet 8 at the top of the fuel cell stack, the cathode gas enters the interior of the protective housing 2 . An ejector 44 is arranged there, which serves to circulate the cathode gas. The ejector 44 is driven by fresh air L, which is supplied as the driving medium at 45 . A control valve 47 serves to regulate the gas throughput through the ejector 44 . In the interior of the protective housing 2 , a heat exchanger 46 is also provided, with which thermal energy is coupled out of the cathode gas flow in order to regulate the heat balance and the temperature of the fuel cell arrangement. Furthermore, cathode gas is removed from the cathode gas stream as exhaust gas A. The exhaust gas A is the chemical equivalent to the supplied gas streams of fuel gas B and fresh air L. Thus, the operating point of the fuel cell arrangement is set in the equilibrium state by the heat exchanger 46 and the exhaust gas A removed.
Im normalen Betriebszustand der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung stellt sich beispielsweise für das zirkulierende Kathodengas nach Mischung mit dem Anodenabgas eine Temperatur von 540°C und eine Dichte von 0,40 kg/m3 ein. Die Frischluft L wird beispielsweise mit einer Temperatur von 30°C und einer Dichte von ca. 1, 14 kg/m3 zugeführt. Das Mischungsverhältnis in dem Ejektor von Frischluft als treibendem Medium und zirkulierendem Kathodengas als getriebenem Medium kann beispielsweise 2 : 3 betragen. In the normal operating state of the fuel cell arrangement according to the invention, a temperature of 540 ° C. and a density of 0.40 kg / m 3 is established for the circulating cathode gas after mixing with the anode exhaust gas. The fresh air L is supplied, for example, at a temperature of 30 ° C. and a density of approximately 1.14 kg / m 3 . The mixing ratio in the ejector of fresh air as the driving medium and circulating cathode gas as the driven medium can be 2: 3, for example.
Der Ausgangsdruck aus dem Ejektor kann etwa 85 mbar betragen bei einem Eingangsdruck der Mischung aus zirkulierendem Kathodengas und Anodenabgas von etwa 50 mbar. Bei dem vorliegenden hohen Dichteunterschied zwischen zugeführter Frischluft L und getriebenem Mischgas bei den angegebenen Temperaturen ist ein nur geringer Überdruck der Frischluft gegenüber dem Ausgangsdruck von etwa 85 mbar notwendig, um die erforderliche Saugwirkung auf das Mischgas auszuüben.The outlet pressure from the ejector can be around 85 mbar at an inlet pressure the mixture of circulating cathode gas and anode exhaust gas of about 50 mbar. At the high density difference between fresh air L and driven mixed gas at the specified temperatures is only a slight excess pressure the fresh air compared to the outlet pressure of about 85 mbar necessary to exert the necessary suction on the mixed gas.
Der Überdruck der Frischluft L kann auf einfache Weise durch ein Gebläse bei Umgebungstemperatur oder gegebenenfalls durch einen Seitenkanalverdichter erreicht werden.The overpressure of the fresh air L can be easily by a fan Ambient temperature or possibly achieved by a side channel compressor will.
Das in den Fig. 2 bis 4 nicht im einzelnen dargestellte Gebläse zur Förderung der Frischluft L, welche den Ejektoren zugeführt wird, arbeitet bei Umgebungsbedingungen und hat daher einen hohen Wirkungsgrad und ist nur wenig störungsanfällig. The fan for conveying the fresh air L, which is not shown in detail in FIGS. 2 to 4, which is fed to the ejectors, works under ambient conditions and therefore has a high efficiency and is only slightly susceptible to malfunction.
11
Brennstoffzellenstapel
Fuel cell stack
22nd
Schutzgehäuse
Protective housing
33rd
Wärmetauscher
Heat exchanger
44th
Gebläse
fan
44th
a Gebläseantrieb
a Fan drive
55
Anodeneingang
Anode input
55
a Brenngashutze
a fuel gas scoop
66
Anodenausgang
Anode output
77
Kathodeneingang
Cathode entrance
77
a Kathodengasverteiler
a Cathode gas distributor
88th
Kathodenausgang
Cathode output
99
Anodengasmischer
Anode gas mixer
1010th
Katalytischer Brenner
Catalytic burner
1111
Vorwärmer und Diffusor
Preheater and diffuser
1212th
Diffusor
Diffuser
1616
; ;
2626
; ;
3636
Wärmetauscher
Heat exchanger
2020th
; ;
3030th
; ;
4040
Katalytischer Brenner
Catalytic burner
2222
Sammelhaube
Collecting hood
2424th
; ;
3434
; ;
4444
Ejektor
Ejector
2525th
; ;
3535
; ;
4545
Lufteinlaß
Air intake
3737
Kühllufteinlaß
Cooling air inlet
3838
Kühlluftauslaß
Cooling air outlet
3939
Einlaßhutze
Inlet scoop
4747
Steuerventil
Control valve
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |