EP4599491A1 - Brennstoffzellengeneratormodul mit brennstoffzellenstapelanordnung - Google Patents

Brennstoffzellengeneratormodul mit brennstoffzellenstapelanordnung

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EP4599491A1
EP4599491A1 EP23841180.5A EP23841180A EP4599491A1 EP 4599491 A1 EP4599491 A1 EP 4599491A1 EP 23841180 A EP23841180 A EP 23841180A EP 4599491 A1 EP4599491 A1 EP 4599491A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
generator module
cell generator
anode
supply
Prior art date
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Pending
Application number
EP23841180.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph SCHLUCKNER
Georg Kaufmann
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Publication date
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    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes

Definitions

  • SOFC Solid Oxide Fuel Cells
  • SOEC Solid Oxide Electrolyzer Cell
  • the fuel cell generator module with a fuel cell stack arrangement is used to generate electrical power.
  • the fuel cell generator module includes a plurality of fuel cells that are stacked on top of one another in stacks in a stacking direction and electrically connected; anode supply lines that include an anode gas supply line for supplying a fuel gas to anode sections of the fuel cells and an anode gas discharge line for discharging an anode exhaust gas therefrom; and cathode gas supply lines that include a cathode gas supply line for supplying an oxidizing gas to cathode sections of the fuel cells and a cathode gas discharge line for discharging a cathode exhaust gas therefrom.
  • the fuel cell generator module has a supply corridor in a central region, which extends essentially in a vertical direction and a horizontal direction through the fuel cell generator module.
  • the stacks are stacked on top of one another, i.e. the stacking direction of the stacks extends vertically through the fuel cell generator module, and stack ends of at least two stacks face each other on both sides of the supply corridor.
  • several stacks can be arranged or provided next to one another.
  • the individual fuel cells are in particular always flat and lie on top of one another or are stacked vertically upwards.
  • flow paths of the anode supply lines and flow paths of the cathode supply lines are in particular arranged between the mutually facing stack ends of the at least two stacks within the supply corridor.
  • the invention thus provides for a vertical stacking of fuel cells in a fuel cell generator module, the arrangement of fuel cell stacks of which is centrally divided by a vertical plane, essentially a plane of symmetry, as well as the establishment of a corridor along the division in which the media distribution runs.
  • components of a control and operability i.e. components of a "balance of plant” (BoP), such as an air compressor, a fuel gas control valve, etc.
  • BoP balance of plant
  • the components of the BoP are therefore not arranged in the so-called manifold between the fuel cell stacks, but in particular between the stack ends of the at least two stacks facing each other within the supply corridor.
  • the arrangement according to the invention makes use of the fact that waste heat from the power generation or electrochemical reaction in the fuel cells is more concentrated in a central area of the module due to a lack of dissipation via the outside of the module. This creates a locally higher temperature zone in a central section during operation of the module, in which the supply corridor according to the invention is arranged.
  • the media distribution is arranged in a central area of the fuel cell generator module, which has the highest local temperature in a heat distribution over the fuel cell generator module due to the lowest dissipation of waste heat over an outside.
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • the plurality of fuel cells can be divided into at least four stacks, the stack ends of which face each other on both sides of the supply corridor, with at least two stacks being arranged next to each other in a horizontal direction orthogonal to the stacking direction.
  • the arrangement of fuel cell stacks can thus be continued in one plane of the module, while the thermally advantageous effects are retained.
  • a number of stack pairs on both sides of the supply corridor can be extended as desired in the horizontal direction depending on the dimensions of the module.
  • the plurality of fuel cells can be divided into at least four stacks, the stack ends of which face each other on both sides of the supply corridor, with at least two stacks being arranged one above the other in a vertical direction orthogonal to the stacking direction. Accordingly, the arrangements of fuel cell stacks can also be arranged one above the other in several levels, while an orientation of the stacking direction and the supply corridor, as well as their thermally advantageous effects, are maintained.
  • the anode supply line and the cathode supply line as well as the anode discharge line and the cathode discharge line can each be in fluid communication with the at least two stacks at the stack ends facing each other.
  • the cathode discharge line can exit the fuel cell generator module in the supply corridor in a substantially vertical direction. The buoyancy of the warmer exhaust gas in the direction of an outlet is thus used in a flow-dynamic manner.
  • the cathode discharge line of a stack can be guided through an oxidation catalyst for the oxidative aftertreatment of a cathode exhaust gas, wherein the oxidation catalyst is arranged in the supply corridor. Since the oxidation catalyst requires a predetermined minimum operating temperature and this must be maintained, its arrangement in the locally higher temperature zone of the supply corridor in a mutual heat exchange has a positive effect on more efficient tempering of the media flows.
  • At least two opposing stacks can pass through the same oxidation catalyst.
  • the shared use of system components for adjacent stack arrangements results in further increases in efficiency, simplifications, and space and cost savings.
  • the anode discharge line of a stack can lead to a reformer device for enriching an unreacted portion of the fuel gas in an anode exhaust gas with fresh fuel gas, the reformer device being arranged in the supply corridor.
  • the reformer device also requires a predetermined minimum operating temperature and this must be maintained, its arrangement in the locally higher temperature zone of the supply corridor in a mutual heat exchange also has a positive effect on more efficient temperature control of the media flows.
  • a recirculation section is provided in particular, which comprises a recirculation line in order to convey at least part of the anode exhaust gas back towards the anode section.
  • the fresh fuel gas is fed to this recirculation line, so that in particular a mixture of anode exhaust gas and fresh fuel gas is fed to the anode section.
  • the anode gas supply line and the cathode gas supply line can enter the fuel cell generator module in a substantially horizontal direction.
  • the flow paths of the media supply extend as far as possible through the locally higher temperature zone of the supply corridor, which has a positive effect on more efficient temperature control of the media flows through the greatest possible mutual heat exchange.
  • an oxidation gas heat exchanger can be arranged in the supply corridor between the cathode discharge line and the cathode supply line of the same stack.
  • the arrangement of the oxidation gas heat exchanger in the locally higher temperature zone of the supply corridor increases thermal efficiency in the preheating of the fresh oxidation gas.
  • the anode gas supply line can lead through a preheating device which is arranged upstream of the fuel gas heat exchanger in the supply corridor.
  • the arrangement of the preheating device in the locally higher temperature zone of the supply corridor further increases the thermal efficiency in the preheating of the fuel gas.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram in a plan view of a fuel cell generator module according to an embodiment of the invention, with a temperature distribution shown;
  • Fig. 2 shows a perspective section of system components of a fuel cell generator module according to an embodiment of the invention.
  • the fuel cell generator module 10 can be used independently as a stand-alone device for power generation, or alternatively can be a unit in a system environment (not shown further) of a fuel cell generator system with several electrically connected fuel cell generator modules 10.
  • the fuel cell generator module 10 has external, colder areas to an outer surface that are exposed to a cooler ambient temperature.
  • the outer areas help to dissipate waste heat from the fuel cells of the stack 1, resulting in a temperature gradient from the inside to the outside.
  • a middle area of the fuel cell generator module 10 in which there is no exposure to an outer surface, there is a higher local temperature due to a correspondingly low dissipation of waste heat from the fuel cells.
  • a supply corridor 4 is arranged, which extends parallel to the opposite groups (A to E) and (F to J) of stacks 1 between them in the sense of a horizontally and vertically spanned plane.
  • the flow paths of a media distribution are formed by anode supply lines 20 and Cathode gas supply lines 30 are arranged.
  • components of a control and operability system ie components of a "balance of plant” (BoP), such as an air compressor, a fuel gas control valve, etc., are arranged in the supply corridor 4.
  • anode supply lines 20 and cathode gas supply lines 30 as well as components of the BoP are provided separately or redundantly for each of the illustrated levels of the fuel cell generator module 10, or are used jointly for all levels or in a connected line network of stacks 1 on different levels of the fuel cell generator module 10.
  • Fig. 2 shows, in perspective, a schematic arrangement of all system components of the fuel cell generator module 10 through which the media distribution flows with respect to a temperature control of the media flows by means of heat exchange and exhaust gas treatment.
  • Fig. 3 shows the structure of Fig. 2 from a different perspective, including a network of anode supply lines 20 and cathode gas supply lines 30.
  • the anode gas supply line 21 and cathode gas supply line 31 for supplying fresh or cold fuel gas and oxidation gas extend horizontally through the supply corridor in order to be preheated as far as possible via heat exchange between the lines.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellengeneratormodul (10) mit einer von Brennstoffzellenstapelanordnung zur Erzeugung von elektrischer Leistung. Erfindungsgemäß ist in einem mittleren Bereich einen Versorgungskorridor (4) angeordnet, der sich im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung (V) und einer horizontalen Richtung (H) durch das Brennstoffzellengeneratormodul (10) erstreckt. Ferner erstreckt sich eine Stapelrichtung (S) der Stapel (1) horizontal durch das Brennstoffzellengeneratormodul (10), und Stapelenden (14) von wenigstens zwei Stapeln (1) weisen von beiden Seiten des Versorgungskorridors (4) gegenüberliegend aufeinander zu. Die Strömungswege einer Anodenversorgungsleitungen (20) und einer Kathodenversorgungsleitungen (30) sind zwischen den aufeinander zuweisenden Stapelenden (14) der wenigstens zwei Stapel (1) innerhalb des Versorgungskorridors (4) angeordnet.

Description

AVL List GmbH
1
Brennstoffzellengeneratormodul mit Brennstoffzellenstapelanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellengeneratormodul zur Erzeugung von elektrischer Leistung mit einer thermisch verbesserten Brennstoffzellenstapelanordnung.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellengeneratormodul findet Anwendung als Stand- Alone-Device oder als Teil eines Brennstoffzellengeneratorsystems in der Energieerzeugung zur Einspeisung erneuerbarer Energie in Versorgungsnetze oder autarke Inselnetze.
Es sind leistungsfähige Brennstoffzellensysteme in stationären Anwendungen vom SOFC Typ (Solid Oxide Fuel Cells oder Feststoffoxidbrennstoffzellen) und SOEC (Solid Oxide Electrolyzer Cell) bekannt, die in großdimensionierten Anwendungen, wie einer Netzeinspeisung eingesetzt und hierzu auf einem relativ konstanten Betriebspunkt bzw. mit geringer Leistungsdynamik gefahren werden.
Feststoffoxidbrennstoffzellen werden auf hohen Temperaturen betrieben. Durch die hohen Temperaturen ist ein Temperaturgefälle aus dem Brennstoffzellengeneratormodul zu einer Umgebung hoch, eine Temperaturverteilung ist entsprechend inhomogen, und eine Lage von Brennstoffzellenstapeln innerhalb des Brennstoffzellengeneratormoduls in Bezug zu einer Distanz zu einer Außenseite hat einen relevanten Einfluss auf eine Dissipation der Abwärme in die Umgebung.
Ferner stellen sich aufgrund der hohen Temperaturen und Temperaturgefälle über Bereiche des Brennstoffzellengeneratormoduls Herausforderungen an eine Optimierung von Medienströmen zur Versorgung der Brennstoffzellenstapel, insbesondere mit Blick auf eine Wärmeverteilung und einen Wärmeaustausch zwischen den Medien, welche die Gesamteffizienz des Brennstoffzellengeneratormoduls beeinflussen.
Ein Ansatz zur Vorwärmung von frischen Medien sieht den Einsatz von Wärmetauschern vor, in denen eine Abwärme aus abgeführten Medienströmen auf zugeführte Medienströme übertragen wird. Während der Einsatz derartiger Komponenten zum Standard geworden ist, verbleibt eine Entwicklung von Konzepten zu statischen Lösungswegen hinsichtlich einer Anordnung der Systemkomponenten. Demnach besteht Bedarf an einer optimierten Anordnung der Systemkomponenten zueinander in dem Kontext einer effizienten Wärmeverteilung in den Medienströmen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik zu schaffen, die eine thermische Effizienz oder eine energetische Gesamteffizienz eines Brennstoffzellengeneratormoduls verbessert. Es besteht eine spezifischere Aufgabe der Erfindung darin, ein Design eines solchen Brennstoffzellengeneratormoduls oder eine Anordnung von Systemkomponenten in demselben bereitzustellen, die eine optimierte Wärmeverteilung unter den Medienströmen in dem Brennstoffzellengeneratormodul auf statische Weise und damit auf einfache und kostengünstige Art, ohne zusätzliche Systemkomponenten effizienter gestaltet.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellengeneratormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Das Brennstoffzellengeneratormodul mit einer Brennstoffzellenstapelanordnung dient zur Erzeugung von elektrischer Leistung. Das Brennstoffzellengeneratormodul umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die in einer Stapelrichtung in Stapeln aufeinander gestapelt und elektrisch verbunden sind; Anodenversorgungsleitungen, die eine Anodengaszufuhrleitung zum Zuführen von einem Brenngas zu Anodenabschnitten der Brennstoffzellen und eine Anodengasabfuhrleitung zum Abführen eines Anodenabgases aus denselben umfassen; sowie Kathodengasversorgungsleitungen, die eine Kathodengaszufuhrleitung zum Zuführen von einem Oxidationsgas zu Kathoden- abschnitten der Brennstoffzellen und eine Kathodengasabfuhrleitung zum Abführen eines Kathodenabgases aus denselben umfassen.
Erfindungsgemäß weist das das Brennstoffzellengeneratormodul in einem mittleren Bereich einen Versorgungskorridor auf, der sich im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung und einer horizontalen Richtung durch das Brennstoffzellengeneratormodul erstreckt. Dabei werden die Stapel übereinander gestapelt, also erstreckt sich die Stapelrichtung der Stapel vertikal durch das Brennstoffzellengeneratormodul, und Stapelenden von wenigstens zwei Stapeln weisen zu beiden Seiten des Versorgungskorridors gegenüberliegend aufeinander zu. Es können vorteilhaft mehrere Stapel nebeneinander angeordnet oder vorgesehen sein. Die einzelnen Brennstoffzellen sind insbesondere immer flach ausgebildet und liegen jeweils übereinander oder werden vertikal nach oben geschichtet. Hierbei sind insbesondere Strömungswege der Anodenversorgungsleitungen und Strömungswege der Kathodenversorgungsleitungen zwischen den aufeinander zuweisenden Stapelenden der wenigstens zwei Stapel innerhalb des Versorgungskorridors angeordnet.
Die Erfindung sieht somit eine vertikale Stapelung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellengeneratormodul, dessen Anordnung von Brennstoffzellenstapeln durch eine vertikale Ebene, im Wesentlichen eine Symmetrieebene, zentral aufgeteilt ist, sowie die Einrichtung eines Korridors entlang der Aufteilung, in dem die Medienverteilung verläuft.
Erfindungsgemäß sind mit Vorteil Komponenten einer Regelung und Betriebsfähigkeit, d.h. Komponenten eines „Balance of Plant“ (BoP), wie beispielsweise ein Luft-Kompressor ein Brenngas-Regelventil usw. im Versorgungskorridor angeordnet. Die Komponenten des BoP sind folglich insbesondere nicht im sogenannten Manifold zwischen den Brennstoffzellenstapeln angeordnet, sondern insbesondere eben zwischen den aufeinander zuweisenden Stapelenden der wenigstens zwei Stapel innerhalb des Versorgungskorridors.
Dabei macht sich die erfindungsgemäße Anordnung zu Nutze, dass sich eine Abwärme aus der Leistungserzeugung bzw. elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen, in einem mittleren Bereich des Moduls aufgrund mangelnder Dissipation über die Außenseiten des Moduls höher konzentriert. Somit entsteht in einem zentralen Abschnitt, im Betrieb des Moduls, eine lokal höhere Temperaturzone, in welcher der erfindungsgemäße Versorgungskorridor angeordnet ist.
Als ein Vorteil der Erfindung wird dadurch die Medienverteilung in einem zentralen Bereich des Brennstoffzellengeneratormoduls angeordnet, der aufgrund der geringsten Dissipation von Abwärme über eine Außenseite die höchste lokale Temperatur in einer Wärmeverteilung über das Brennstoffzellengeneratormoduls aufweist. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) ist es für einen thermisch effizienten Betrieb von Vorteil, wenn die frisch zugeführten Medienströme des Brenngases und des Oxidationsgases vor Eintritt in die Brennstoffzellenstapel möglichst intensiv vorgewärmt werden. Die Anordnung des Versorgungskorridors in dem zentralen, wärmsten Bereich und die sehr kurzen Eintrittswege, welche durch die vertikale Stapel richtung ermöglicht werden, verschafft eine größtmögliche Vorwärmung frischer Medienströme durch statische Mittel der Anordnung. Dabei wird insbesondere eine Abkühlung der Zufuhrstrecken durch einen äußeren Bereich des Moduls vermieden.
Ferner bestehen weitere Vorteile der Erfindung gegenüber einer bekannten punktsymmetrischen Medienströmung und einer radialen Stapelanordnung darin, dass bei der erfindungsgemäßen Anordnung Standardkomponenten mit einem verfügbaren Design und im Wesentlichen rechtwinkelig ausgelegten Abmessungen eingesetzt werden können.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die die Mehrzahl von Brennstoffzellen in wenigstens vier Stapel aufgeteilt sein, deren Stapelenden zu beiden Seiten des Versorgungskorridors gegenüberliegend aufeinander zuweisen, wobei wenigstens zwei Stapel in einer horizontalen Richtung orthogonal zur Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind. So kann die Anordnung von Brennstoffzellenstapeln in einer Ebene des Moduls fortgeführt werden, während die thermisch vorteilhaften Effekte erhalten bleiben. Eine Anzahl von Stapelpaaren beiderseits des Versorgungskorridors kann je nach Dimensionierung des Moduls beliebig in horizontaler Richtung erweitert werden.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die die Mehrzahl von Brennstoffzellen in wenigstens vier Stapel aufgeteilt sein, deren Stapelenden zu beiden Seiten des Versorgungskorridors gegenüberliegend aufeinander zuweisen, wobei wenigstens zwei Stapel in einer vertikalen Richtung orthogonal zur Stapelrichtung übereinander angeordnet sind. Demnach können die Anordnungen von Brennstoffzellenstapeln auch in mehreren Etagen übereinander angeordnet sein, während eine Orientierung der Stapelrichtung und des Versorgungskorridors, sowie deren thermisch vorteilhaften Effekte erhalten bleiben.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Anodenzufuhrleitung und die Kathodenzufuhrleitung sowie die Anodenabfuhrleitung und die Kathodenabfuhrlei- tung jeweils an den aufeinander zuweisenden Stapelenden mit den wenigstens zwei Stapeln in einer Fluidverbindung stehen. Dadurch werden potenziell kühlere Wegstrecken der Eintrittswege zwischen dem Versorgungskorridor und den Stapeln auf ein kleinstmögliches Maß verkürzt. Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Kathodenabfuhrleitung in dem Versorgungskorridor in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung aus dem Brennstoffzellengeneratormodul austreten. Somit wird der Auftrieb des wärmeren Abgases in Richtung eines Auslasses strömungsdynamisch genutzt.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Kathodenabfuhrleitung eines Stapels durch einen Oxidationskatalysator zur oxidativen Nachbehandlung eines Kathodenabgases geführt werden, wobei der Oxidationskatalysator in dem Versorgungskorridor angeordnet ist. Da der Oxidationskatalysator eine vorbestimmte Min- dest-Betriebstemperatur erfordert und diese gehalten werden muss, wirkt sich dessen Anordnung in der lokal höheren Temperaturzone des Versorgungskorridors in einem wechselseitigen Wärmeaustausch positiv auf eine effizientere Temperierung der Medienströme aus.
Gemäß einem darauf aufbauenden, vorteilhaften Aspekt der Erfindung können wenigstens zwei gegenüberliegende Stapel durch denselben Oxidationskatalysator führen. Durch die gemeinsame Nutzung von Systemkomponenten für benachbarte Stapelanordnungen ergeben sich weitere Effizienzsteigerungen, Vereinfachungen sowie Raum- und Kosteneinsparungen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Anodenabfuhrleitung eines Stapels in eine Reformereinrichtung führen, zur Anreicherung eines nicht umgesetzten Anteils des Brenngases in einem Anodenabgas mit frischem Brenngas, wobei die Reformereinrichtung in dem Versorgungskorridor angeordnet ist. Da auch die Reformereinrichtung eine vorbestimmte Mindest-Betriebstemperatur erfordert und diese gehalten werden muss, wirkt sich deren Anordnung in der lokal höheren Temperaturzone des Versorgungskorridors in einem wechselseitigen Wärmeaustausch ebenfalls positiv auf eine effizientere Temperierung der Medienströme aus. Hierfür ist insbesondere ein Rezirkulationsabschnitt vorgesehen, welcher eine Rezirkulationsleitung umfasst, um zumindest einen Teil des Anodenabgases wieder in Richtung Anodenabschnitt zu fördern. Dieser Rezirkulationsleitung wird das frische Brenngas zugeführt, sodass insbesondere eine Mischung aus Anodenabgas und frischen Brenngas dem Anodenabschnitt zugeführt wird.
Gemäß einem darauf aufbauenden, vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Anodenabfuhrleitungen von wenigstens zwei gegenüberliegenden Stapeln durch dieselbe Reformereinrichtung führen. Durch die gemeinsame Nutzung der Systemkomponenten für benachbarte Stapelanordnungen ergeben sich wiederum Effizienzsteigerungen, Vereinfachungen sowie Raum- und Kosteneinsparungen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Anodengaszufuhrleitung und die Kathodengaszufuhrleitung in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung in das Brennstoffzellengeneratormodul eintreten. Dadurch nehmen die Strömungswege der Medienversorgung eine möglichst lange Erstreckung durch die lokal höhere Temperaturzone des Versorgungskorridors ein, was sich auf eine effizientere Temperierung der Medienströme durch einen größtmöglichen wechselseitigen Wärmeaustausch positiv auswirkt.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann zwischen der Kathodenabfuhr- leitung und der Kathodenzufuhrleitung desselben Stapels ein Oxidationsgaswärmetauscher indem Versorgungskorridor angeordnet sein. Die Anordnung des Oxidationsgaswärmetauschers in der lokal höheren Temperaturzone des Versorgungskorridors steigert eine thermische Effizienz bei der Vorwärmung des frischen Oxidationsgases.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann zwischen der Anodenabfuhrleitung und der Anodenzufuhrleitung desselben Stapels ein Brenngaswärmetauscher in dem Versorgungskorridor angeordnet sein. Auch die Anordnung des Brenngaswärmetauscher in der lokal höheren Temperaturzone des Versorgungskorridors steigert die thermische Effizienz bei der Vorwärmung des Brenngases.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Anodengaszufuhrleitung durch eine Vorwärmeinrichtung führen, die strömungsaufwärts von dem Brenngaswärmetauscher in dem Versorgungskorridor angeordnet ist. Die Anordnung der Vorwärmeinrichtung in der lokal höheren Temperaturzone des Versorgungskorridors steigert weiter die thermische Effizienz bei der Vorwärmung des Brenngases.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschreiben sind. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm in einer Draufsicht auf ein Brennstoffzellengeneratormodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, mit einer dargestellten Temperaturverteilung; Fig. 2 einen perspektivischen Ausschnitt auf Systemkomponenten eines Brennstoffzellengeneratormoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 3 einen perspektivischen Ausschnitt auf Systemkomponenten und ein Leitungsnetz eines Brennstoffzellengeneratormoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellengeneratormodul 10, in dem auf einer Bodenfläche zehn Stapel 1 (A bis J) in zwei gegenüberliegenden Gruppen (A bis E) und (F bis J), angeordnet sind, wobei die einzelnen Stapel 1 innerhalb jeder Gruppe in einer horizontalen Richtung (V) zueinander benachbart sind. Die gleiche Konfiguration von Stapeln 1 ist ferner in darüber und darunter liegenden, nicht weiter dargestellten Etagen des Brennstoffzellengeneratormodul 10 angeordnet. Die Brennstoffzellen sind in einer horizontalen Stapelrichtung S gestapelt, mit anderen Worten sind die Stapel 1 in Bezug auf die dargestellte Draufsicht liegend angeordnet.
Das Brennstoffzellengeneratormodul 10 kann als Stand-Alone-Device eigenständig zur Stromerzeugung verwendet werden, oder alternativ eine Einheit in einer nicht weiter dargestellten Systemumgebung eines Brennstoffzellengeneratorsystems mit mehreren elektrisch verbundenen Brennstoffzellengeneratormodulen 10 sein.
Wie anhand einer Schraffur dargestellt ist, bestehen in dem Brennstoffzellengeneratormodul 10 außenliegende, kältere Bereiche zu einer Außenfläche, die zu einer kühleren Umgebungstemperatur exponiert sind. Die äußeren Bereiche verhelfen zu einer Dissipation von Abwärme aus den Brennstoffzellen der Stapel 1 , wodurch sich ein Temperaturgefälle von innen nach außen ergibt. In einem mittleren Bereich des Brennstoffzellengeneratormoduls 10, in dem keine Exponierung zu einer Außenfläche besteht, liegt aufgrund einer dementsprechend geringen Dissipation von Abwärme aus den Brennstoffzellen eine höhere lokale Temperatur vor.
In dieser lokal höheren Temperaturzone ist ein Versorgungskorridor 4 angeordnet, der sich parallel zu den gegenüberliegenden Gruppen (A bis E) und (F bis J) von Stapeln 1 zwischen denselben im Sinne einer horizontal und vertikal aufgespannten Ebene erstreckt. Innerhalb des Versorgungskorridors 4 sind die Strömungswege einer Medienverteilung durch Anodenversorgungsleitungen 20 und Kathodengasversorgungsleitungen 30 angeordnet. Darüber hinaus sind Komponenten einer nicht weiter dargestellten Regelung und Betriebsfähigkeit, d.h. Komponenten eines „Balance of Plant“ (BoP), wie beispielsweise ein Luft- Korn pressor ein Brenngas- Regelventil usw. in dem Versorgungskorridor 4 angeordnet.
Je nach Anforderungen an die Leistungsdimensionierung und Ausfallsicherheit des Brennstoffzellengeneratormoduls 10, werden die Anodenversorgungsleitungen 20 und Kathodengasversorgungsleitungen 30 sowie Komponenten der BoP für jede der abgebildeten Etagen des Brennstoffzellengeneratormoduls 10 separat bzw. redundant bereitgestellt, oder für alle Etagen bzw. in durch ein verbundenes Leitungsnetz von Stapeln 1 auf verschiedenen Etagen des Brennstoffzellengeneratormoduls 10 gemeinsam genutzt.
Fig. 2 zeigt perspektivisch dargestellt, eine schematische Anordnung aller von der Medienverteilung durchströmten Systemkomponenten des Brennstoffzellengeneratormoduls 10 in Bezug auf eine Temperierung der Medienströme mittels Wärmeaustausch und Abgasbehandlung.
So sind zu einer linken Seite und einer rechten Seite des Versorgungskorridors 4 repräsentativ die aufeinander zuweisenden Stapelenden 14 von zwei gegenüberliegenden Stapeln 1 dargestellt. Die in dem Versorgungskorridor 4 genannten Systemkomponenten zur temperierten Medienverteilung umfassen Oxidationswärmetauscher 34 zur Vorwärmung von zugeführter Luft durch einen Kathodenabgasstrom, einen Oxidationskatalysator 33 zur Oxidation von Wasserstoffkonzentrationen im Kathodenabgas, das aus einem Drucktank strömt, sowie eine symbolisch dargestellte Rezirkulation 26 des Anodenabgases einschließlich einer Vorwärmeinrichtung 25 zur Vorwärmung des frischen Brenngases und einer Reformereinrichtung 23 zur Anreicherung eines nicht umgesetzten Anteils des Brenngases in einem Anodenabgas mit frischem Brenngas.
Mit Ausnahme von zwei an den Versorgungskorridor 4 angrenzend angeordneten Brenngaswärmetauschern 24 sind sämtliche genannten Systemkomponenten in der Temperaturzone des Versorgungskorridors 4 angeordnet, womit diese aus Abwärme von aufgenommenen Abgasen aus den Brennstoffzellen den Versorgungskorridor 4 zusätzlich erwärmen, einen Erhalt einer eigenen Betriebstemperatur daraus stützen, oder eine Wärmeaufnahme zur Vorwärmung frisch zugeführter Medien über eine konzentrierte Abwärme der Stapel 1 beziehen. Fig. 3 zeigt den Aufbau aus Fig. 2 aus einer anderen Perspektive einschließlich eines Leitungsnetzes der Anodenversorgungsleitungen 20 und der Kathodengasversor- gungsleitungen 30. So erstrecken sich die Anodengaszufuhrleitung 21 und Kathoden- gaszufuhrleitung 31 zur Zuführung von frischem bzw. kaltem Brenngas und Oxidationsgas horizontal durch den Versorgungskorridor, um möglichst über einen Wärmeaustausch der Leitungen bereits angewärmt zu werden. Die Kathodengasabfuhr- leitung 32 verläuft von einem Austritt aus dem Stapelende 14 vertikal durch den Oxidationskatalysator 33 und durch den Oxidationsgaswärmetauscher 34, der die frisch zugeführte Luft vor Eintritt in das Stapelende 14 vorwärmt. Das aus dem Stapelende 14 austretende Kathodenabgas strömt durch die Reformereinheit 23 und erwärmt über die Vorwärmeinrichtung 25 und den Brenngaswärmetauscher 24 das frisch zugeführte Brenngas vor Eintritt in das Stapelende 14.
Die auf einen Stapel 1 bzw. ein Stapelende 14 repräsentativ dargestellten Systemkomponenten zur temperierten Medienverteilung verlaufen gleichermaßen zu mehreren benachbarten Stapeln 1 , die in der vertikalen Richtung benachbart und in Etagen in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass zwei gegenüberliegende Stapel 1 zu beiden Seiten des Versorgungskorridors 4 gemeinsam an dieselben Komponenten zum Wärmeaustausch angeschlossen sind, bzw. sich die Funktionalität derselben gemeinsam teilen.
Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Stapel aus Brennstoffzellen
4 Versorgungskorridor
10 Brennstoffzellengeneratormodul
14 Stapelende
20 Anodenversorgungsleitungen
21 Anodengaszufuhrleitung
22 Anodengasabfuhrleitung
23 Reformereinrichtung
24 Brenngaswärmetauscher
25 Vorwärmeinrichtung
26 Anodengasrezirkulation
30 Kathodengasversorgungsleitungen
31 Kathodengaszufuhrleitung
32 Kathodengasabfuhrleitung
33 Oxidationskatalysator
34 Oxidationsgaswärmetauscher
H horizontale Richtung
V vertikale Richtung
S Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellengeneratormodul (10) mit einer von Brennstoffzellenstapelanordnung zur Erzeugung von elektrischer Leistung, aufweisend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die in einer Stapelrichtung (S) in Stapeln (1) aufeinander gestapelt und elektrisch verbunden sind;
Anodenversorgungsleitungen (20), die eine Anodengaszufuhrleitung (21) zum Zuführen von einem Brenngas zu Anodenabschnitten der Brennstoffzellen und eine Anodengasabfuhrleitung (22) zum Abführen eines Anodenabgases aus denselben umfassen;
Kathodengasversorgungsleitungen (30), die eine Kathodengaszufuhrleitung (31) zum Zuführen von einem Oxidationsgas zu Kathodenabschnitten der Brennstoffzellen und eine Kathodengasabfuhrleitung (32) zum Abführen eines Kathodenabgases aus denselben umfassen; dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellengeneratormodul (10) in einem mittleren Bereich einen Versorgungskorridor (4) aufweist, der sich im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung (V) und einer horizontalen Richtung (H) durch das Brennstoffzellengeneratormodul (10) erstreckt; und sich die Stapelrichtung (S) der Stapel (1) horizontal durch das Brennstoffzellengeneratormodul (10) erstreckt, und Stapelenden (14) von wenigstens zwei Stapeln (1) zu beiden Seiten des Versorgungskorridors (4) gegenüberliegend aufeinander zuweisen; wobei
Strömungswege der Anodenversorgungsleitungen (20) und Strömungswege der Ka- thodenversorgungsleitungen (30) zwischen den aufeinander zuweisenden Stapelenden (14) der wenigstens zwei Stapel (1) innerhalb des Versorgungskorridors (4) angeordnet sind.
2. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach Anspruch 1 , wobei die die Mehrzahl von Brennstoffzellen in wenigstens vier Stapel (1) aufgeteilt ist, deren Stapelenden (14) zu beiden Seiten des Versorgungskorridors (4) gegenüberliegend aufeinander zuweisen, wobei wenigstens zwei Stapel (1) in einer horizontalen Richtung (H) orthogonal zur Stapelrichtung (S) nebeneinander angeordnet sind.
3. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die die Mehrzahl von Brennstoffzellen in wenigstens vier Stapel (1) aufgeteilt ist, deren Stapelenden (14) zu beiden Seiten des Versorgungskorridors (4) gegenüberliegend aufeinander zuweisen, wenigstens zwei Stapel (1) in einer vertikalen Richtung (V) orthogonal zur Stapelrichtung (S) übereinander angeordnet sind.
4. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anodenzufuhrleitung und die Kathodenzufuhrleitung sowie die Anodenabfuhrleitung und die Kathodenabfuhrleitung jeweils an den aufeinander zuweisenden Stapelenden (14) mit den wenigstens zwei Stapel (1) in einer Fluidverbindung stehen.
5. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathodenabfuhrleitung in dem Versorgungskorridor (4) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung (V) aus dem Brennstoffzellengeneratormodul (10) austritt.
6. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathodenabfuhrleitung eines Stapels (1) durch einen Oxidationskatalysator (33) führen, zur oxidativen Nachbehandlung eines Kathodenabgases, wobei Oxidationskatalysator (33) in dem Versorgungskorridor (4) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathodenabfuhrleitungen von wenigstens zwei gegenüberliegenden Stapeln (1) durch denselben Oxidationskatalysator (33) führen.
8. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anodenabfuhrleitung eines Stapels (1) in eine Reformereinrichtung (23) führt, zur Anreicherung des Anodenabgases mit frischem Brenngas, wobei die Reformereinrichtung (23) in dem Versorgungskorridor (4) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach Anspruch 8, wobei die Anodenabfuhrleitungen von wenigstens zwei gegenüberliegenden Stapeln (1) durch dieselbe Reformereinrichtung (23) führen.
10. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anodengaszufuhrleitung (21) und die Kathodengaszufuhrleitung (31) in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung (H) in das Brennstoffzellengeneratormodul (10) eintreten.
11. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Kathodenabfuhrleitung und der Kathodenzufuhrleitung desselben Stapels (1) ein Oxidationsgaswärmetauscher (34) in dem Versorgungskorridor (4) angeordnet ist.
12. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Anodenabfuhrleitung und der Anodenzufuhrleitung desselben Stapels (1) ein Brenngaswärmetauscher (24) in dem Versorgungskorridor (4) angeordnet ist.
13. Brennstoffzellengeneratormodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anodengaszufuhrleitung (21) durch eine Vorwärmeinrichtung (25) führt, die strömungsaufwärts von dem Brenngaswärmetauscher (24) in dem Versorgungskorridor (4) angeordnet ist.
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