WO2002041425A2 - Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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WO2002041425A2
WO2002041425A2 PCT/EP2001/013089 EP0113089W WO0241425A2 WO 2002041425 A2 WO2002041425 A2 WO 2002041425A2 EP 0113089 W EP0113089 W EP 0113089W WO 0241425 A2 WO0241425 A2 WO 0241425A2
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cathode
heating device
anode
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Marc Steinfort
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of claim 1.
  • Fuel cell arrangements with fuel cells arranged in the form of a fuel cell stack are known, the fuel cells each containing an anode, a cathode and an electrolyte matrix arranged between them.
  • the fuel cell arrangement is provided with an anode inlet for the supply of fresh fuel gas to the anodes and with an anode outlet for the discharge of spent fuel gas from the anodes, as well as with a cathode inlet for the supply of fresh cathode gas to the cathodes and with a cathode outlet for the discharge of used cathode gas from the cathodes.
  • An electrical heating device is used to heat the cathode input gas, for example when starting up the fuel cell arrangement.
  • fuel cell arrangements of this type are known, in which one or more fuel cell stacks are arranged in a thermally insulating protective housing that encloses the flow paths of cathode gas and fuel gas, and wherein the fuel cell stack (s) and the electrical heating device are coupled to one another and are combined in the thermally insulating protective housing.
  • Combustion device for afterburning combustible residual constituents of the spent fuel gas leaving the anode outputs is provided.
  • the object of the invention is to provide an improved fuel cell arrangement. This object is achieved by the fuel cell arrangement specified in claim 1. Advantageous developments of the fuel cell arrangement according to the invention are characterized in the subclaims.
  • the invention provides a fuel cell arrangement with fuel cells arranged in the form of a fuel cell stack, the
  • Fuel cells each contain an anode, a cathode and an electrolyte matrix arranged between them. Furthermore, the fuel cell arrangement has an anode inlet for supplying fresh fuel gas to the anodes and an anode outlet for discharging used fuel gas from the anodes. A cathode inlet is provided for supplying fresh cathode gas to the cathodes and a cathode outlet is used for discharging used cathode gas from the cathodes. Finally, an electrical heating device is provided for heating the cathode input gas. According to the invention, it is provided that the electrical heating device is formed by a structure of an electrically conductive foam material through which the gas to be heated flows and which is provided with electrical connections for connecting a power supply.
  • the foam structure of the electrical heating device consists of stainless steel, preferably of FeCrAIY, of steel or of a conductive ceramic.
  • the heating device consists of several individual segments, each of which is provided with electrical connections and through which the gas to be heated flows.
  • the segments of the heating device are arranged at different points within the gas stream to be heated.
  • the segments of the heating device each have connections which are electrically separate from one another and which can optionally be connected to the power supply separately.
  • the electrical; Heating device arranged in the gas stream in front of the cathode inlet for heating the cathode gas to be supplied to the cathodes of the fuel cells.
  • the anode outlet for supplying at least part of the spent fuel gas to the cathodes is connected to the cathode inlet via a gas routing path, and the electrical heating device is arranged in the gas routing path after the anode outlet and in front of the cathode inlet.
  • a mixing chamber is provided in the gas routing path between the anode outlet and the cathode inlet, in which cathode gas is admixed with the stream of spent fuel gas leaving the anode outlet before being fed to the cathode inlet, and in that the electric heating device together with the mixing chamber in the gas flow is arranged between the anode outlet and the cathode inlet.
  • the electrical heating device is arranged directly in front of the cathode input.
  • the foam structure of the electrical heating device essentially takes up the entire cross section of the cathode inputs of all fuel cells on the fuel cell stack.
  • the electrical heating device is arranged at the outlet of the mixing chamber.
  • the electrical heating device is provided integrally with the mixing chamber.
  • the foam structure of the electric heating device is arranged directly at the anode outlet, essentially the entire cross section of the anode outlet of all Takes fuel cells to the fuel cell stack, and at the same time forms at least part of the mixing volume of the mixing chamber.
  • Anode gas enters the mixing volume of the mixing chamber from a first direction and that the flow of the admixed cathode gas enters the mixing volume of the mixing chamber from a second direction and that the mixed flows of used anode gas and cathode gas leave the mixing volume of the mixing chamber in a third direction.
  • one or more first of the aforementioned individual segments of the electrical heating device are arranged in the gas flow of the cathode gas supplied to the mixing chamber, and that one or more second of the individual segments of the electrical heating device are arranged in the gas flow of the Used anode gas leaving anode outputs are arranged, the second segments being flowed through either by the flow of the used anode gas alone or by the flow of the used anode gas and admixed cathode gas together.
  • the individual segments of the electrical heating device are formed by plates of the electrically conductive foam material arranged parallel to one another.
  • one or more fuel cell stacks are arranged in a thermally insulating housing which encloses the flow paths of cathode gas and fuel gas, the fuel cell stack (s) and the electrical heating device being coupled to one another and arranged together in the thermally insulating protective housing are.
  • a catalytic combustion device is provided downstream of the anode outlet of the fuel cells for afterburning combustible residual components of the spent fuel gas leaving the anode outlet.
  • the catalytic combustion device is formed by a catalytic coating on the foam structure of the electrical heating device.
  • FIG. 1 shows a schematic exploded perspective view of a fuel cell arrangement with fuel cells arranged in the form of a stack, only a few fuel cells contained in the fuel cell stack being shown for the sake of clarity;
  • Figure 2 schematically and on a larger scale an electrical heating device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic view of an electrical heating device according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a schematic view of an electrical heating device according to yet another embodiment of the invention.
  • FIG. 5 which generally shows a schematic, exploded perspective view of a fuel cell arrangement, reference numeral 10 denotes a fuel cell stack, which consists of a number of fuel cells 12, each of which contains an anode 1, a cathode 2 and an electrolyte matrix 3 arranged between them.
  • Adjacent fuel cells 12 are separated from one another by bipolar plates 4, which serve to conduct the streams of a fuel gas B and a cathode gas or oxidizing gas 0 separately from one another via the anode 1 or the cathode 2 of adjacent fuel cells.
  • the anode 1 and the cathode 2 of adjacent fuel cells are separated from one another in terms of gas technology by the bipolar plates 4, but at the same time electrically contacted by the bipolar plates 4 or by current collectors contained therein.
  • the fuel cell stack 10, which contains a large number of such fuel cells 12, of which only a few are shown in the figure for the sake of clarity, is braced by tie rods 5, which interact with end plates 6, 7 at the ends of the fuel cell stack.
  • the fuel cells 12 are supplied with fresh fuel gas to the anodes 1 at an anode inlet 13, and used fuel gas is removed from the anodes 1 at an anode outlet 14.
  • fresh fuel gas is supplied to the fuel cells 12 at a cathode inlet 15 on the cathodes 2 and spent cathode gas is discharged from the cathodes 2 at a cathode outlet 16.
  • a blower device 360; 460; 560 a flow of the cathode gas within the protective housing 350; 450; 550 circulated, the cathode gas flow, which at the cathode outlet 316; 416; 516 from the fuel cell stack 310; 410; 510 emerges and at the cathode input 315; 415; 515 enters this again, an admixture of the anode outlet 314; 414; 514 experiences current of the burned fuel gas.
  • the fuel gas is supplied to the fuel cell stack 310; 410; 510 at an anode input 313; 413; 513, which against the inside of the protective housing 350; 450; 550 is sealed.
  • a hot module Such in a thermally insulating; Protective housing, which encloses the flows of fuel gas and cathode gas, accommodated fuel cell arrangement is referred to as a "hot module".
  • FIG. 2 very generally shows such an electrical heating device 20, which is formed by a structure of an electrically conductive foam material.
  • a foam material can consist of stainless steel, in particular of FeCrAIY, of steel or of a conductive ceramic or of another suitable electrically conductive material.
  • the foam structure can be produced by a casting process combined with foaming of the material, as is known as such in the prior art.
  • the structure of the electrically conductive material which forms the heating device 20 is provided with electrical connections 22, 23, which can be connected to a power supply in order to supply the electrical heating device 20 with the necessary electrical current.
  • FIGS. 3 and 4 show, there is an electrical heating device 120 in the two exemplary embodiments shown here; 220 from earlier individual segments 124a, 124b; 224a, 224b, which are each provided with electrical connections (not specifically shown) and of the gas to be heated, namely that of an anode outlet 114; 214 spent fuel gas and one at a mixing inlet 135; 235 admixed stream of cathode gas are flowed through.
  • segments 124a; 224a which form first segments through which the cathode gas flow flows, segments 124b; 224b, which is different from that of the anode output 114; 214 coming stream of the used fuel gas (and possibly also from the admixed cathode gas) flowed through the second
  • Form segments arranged at different points within the gas stream to be heated.
  • the respective segments 124a; 224a, 124b; 224b) each have electrically separate connections, which can be optionally connected separately to the power supply (not shown).
  • the segments 124a, 124b; 224a, 224b of the electrical heating device 120; 220 formed by plates made of the electrically conductive foam material.
  • two first segments 124a in the form of such plates are arranged parallel to one another; in the exemplary embodiment in FIG. 4, three second segments 224b are arranged in the form of such parallel plates.
  • the entire gas stream consisting of the spent fuel gas emitted from the anode outlet 114 and the cathode gas supplied at the mixing inlet 135 is led through the second segment 124b, in the exemplary embodiment shown in FIG. 4, however, the two mentioned are mixed Gas flows distributed over the number of second segments 224b.
  • the electrical heating device 320; 420; 520 generally in the gas flow in front of the cathode inlet 315; 415; 515 is provided to mix the cathode gas to be supplied to the cathodes of the fuel cells with that from the anode outlet 314; 414; 514 dispensed used fuel gas to heat.
  • a mixing chamber 330; 430; 530 is provided, in which the circulating flow of the cathode gas before the supply to the cathode inlet 315; 415; 515 of the anode output 314; 414; 514 leaving stream of the used fuel gas is mixed.
  • the electric heater 320; 420; 520 in some way together with the mixing chamber 330; 430; 530 in the gas stream between anode output 314; 414; 514 and the cathode input 315; 415; 515 arranged.
  • the electrical heating device 320 is arranged directly in front of the cathode input 315, the foam structure of the electrical heating device 320 taking up essentially the entire cross section of the cathode input 315 of all fuel cells of the fuel cell stack 310.
  • the electrical heating device 420 is arranged downstream of the outlet of the mixing chamber 430.
  • the electrical heating device 520 is provided integrally with the mixing chamber 530, that is to say the electrical heating device 520 and the mixing chamber 530 are provided combined in the form of a common component.
  • FIGS. 3 and 4 which can be regarded as embodiments of such combinations of mixing chamber and electrical heating device, it can be seen that the foam structure of the electrical heating device, here provided with the reference numbers 120 and 220, essentially directly at the anode outlet, provided here with the reference number 114 or 214 is arranged, essentially the entire cross section of the anode output 114; 214 of all fuel cells of the fuel cell stack and at the same time occupies at least part of the mixing volume of the mixing chamber 130; 230 forms, namely in the form of the second segments 124b; 224 of the electric heating device 120; 220th
  • Mixing input 135; 235 forth into the mixing volume of the mixing chamber 130; 230 occurs.
  • the mixed flows of spent anode gas and cathode gas leave that Mixing volume of mixing chamber 130; 230 in a third direction in order to be fed from there to the cathode input (not shown) of the fuel cell arrangement.
  • a catalytic combustion device By means of a catalytic coating on the foam structure of the electrical heating device 120; 220; 320; 420; 520, a catalytic combustion device is formed, by means of which afterburning of combustible residual components of the anode outlet 114; 214; 314; 414; 514 used fuel gas leaving.
  • such a catalytic coating only needs to be provided on the second segments 124b and 224b through which the used fuel gas flows, but not on the first segments 124a; 224a, which are only flowed through by the circulating current of the cathode gas, but not by the anode gas.
  • the heating device thus functions both as an electrical heating device for starting up the fuel cell arrangement and as a catalytic combustion device for afterburning the anode-side exhaust gases and also acts as a static mixer for mixing the flows of anode exhaust gas and cathode gas.
  • Insulation plate 110; 210; 310; 410; 510 fuel cell stacks
  • Fuel cell 313; 413; 513 anode input; 114; 214; 314; 414; 514 anode output; 315; 415; 515 cathode input; 316; 416; 516 cathode output; 120; 220; 320; 420; 520 electric heater

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Brennstoffzellenstapels (310) angeordneten Brennstoffzellen beschrieben. Die Brennstoffzellenanordnung verfügt über einen Anodeneingang (313) und einen Anodenausgang (314) für das Brenngas, sowie über einen Kathodeneingang (315) und einen Kathodenausgang (316) für das Kathodengas. Zum Beheizen des Gasstroms von Kathodengas und/oder Brenngas ist eine lektrische Heizeinrichtung (320) vorgesehen. Erfindungsgemäß ist die elektrische Heizeinrichtung (320) durch eine Struktur eines elektrisch leitenden Schaummaterials gebildet, die von dem zu beheizenden Gas durchströmt wird und die mit elektrischen Anschlüssen zum Anschluss einer Stromversorgung versehen ist.

Description

Brennstoffzellenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Brennstoffzellenanordnungen mit in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordneten Brennstoffzellen bekannt, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix enthalten. Die Brennstoffzellenanordnung ist versehen mit einem Anodeneingang zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden und mit einem Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden, sowie mit einem Kathodeneingang zur Zuführung von frischen Kathodengas zu den Kathoden und mit einem Kathodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden. Eine elektrische Heizeinrichtung dient zum Beheizen des Kathodeneingangsgases, etwa beim Anfahren der Brennstoffzellenanordnung.
Weiterhin sind Brennstoffzellenanordnungen dieser Art bekannt, bei denen ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel in einem die Strömungswege von Kathodengas und Brenngas einschließenden thermisch isolierenden Schutzgehäuse angeordnet sind, und wobei der oder die Brennstoffzellenstapel und die elektrische Heizeinrichtung miteinander gekoppelt und in dem thermisch isolierenden Schutzgehäuse zusammengefasst angeordnet sind.
Weiterhin ist es bei Brennstoffzellenanordnungen der angegebenen Art bekannt, dass dem Anodenausgang der Brennstoffzellen nachgeschaltet eine katalytische
Verbrennungsvorrichtung zum Nachverbrennen brennbarer Restbestandteile des die Anodenausgänge verlassenden verbrauchten Brenngases vorgesehen ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Brennstoffzellenanordnung zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Brennstoffzellenanordnung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordneten Brennstoffzellen geschaffen, wobei die
Brennstoffzellen jeweils eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix enthalten. Weiterhin verfügt die Brennstoffzellenanordnung über einen Anodeneingang zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden und einen Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden. Zur Zuführung von frischem Kathodengas zu den Kathoden ist ein Kathodeneingang vorgesehen und zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden dient ein Kathodenausgang. Schließlich ist eine elektrische Heizeinrichtung zum Beheizen des Kathodeneingangsgases vorgesehen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die elektrische Heizeinrichtung durch eine Struktur eines elektrisch leitenden Schaummaterials gebildet ist, die von dem zu beheizenden Gas durchströmt wird und mit elektrischen Anschlüssen zum Anschluss einer Stromversorgung versehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung aus Edelstahl, vorzugsweise aus FeCrAIY, aus Stahl oder aus einer leitfähigen Keramik.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die Heizeinrichtung aus mehreren einzelnen Segmenten, die jeweils mit elektrischen Anschlüssen versehen sind und von dem zu beheizenden Gas durchströmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon sind die Segmente der Heizeinrichtung an verschiedenen Stellen innerhalb des zu beheizenden Gasstroms angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon weisen die Segmente der Heizeinrichtung jeweils elektrisch voneinander getrennte Anschlüsse auf, die getrennt voneinander wahlweise mit der Stromversorgung verbindbar sind. Vorzugsweise ist die elektrische; Heizeinrichtung im Gasstrom vor dem Kathodeneingang zur Beheizung des den Kathoden der Brennstoffzellen zuzuführenden Kathodengases angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist der Anodenausgang zur Zuführung von mindestens einem Teil des verbrauchten Brenngases zu den Kathoden über einen Gasführungsweg mit dem Kathodeneingang verbunden, und die elektrische Heizeinrichtung ist im Gasführungsweg nach dem Anodenausgang und vor dem Kathodeneingang angeordnet.
Dies ist vorzugsweise dadurch weitergebildet, dass im Gasführungsweg zwischen dem Anodenausgang und dem Kathodeneingang eine Mischkammer vorgesehen ist, in welcher dem den Anodenausgang verlassenden Strom des verbrauchten Brenngases vor der Zuführung zu dem Kathodeneingang Kathodengas beigemischt wird, und dass die elektrische Heizeinrichtung zusammen mit der Mischkammer in dem Gasstrom zwischen dem Anodenausgang und dem Kathodeneingang angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Heizeinrichtung unmittelbar vor dem Kathodeneingang angeordnet.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung hiervon nimmt die Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Kathodeneingänge aller Brennstoffzellen an dem Brennstoffzellenstapel ein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die elektrische Heizeinrichtung am Ausgang der Mischkammer angeordnet ist.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die elektrische Heizeinrichtung integral mit der Mischkammer vorgesehen ist.
Bei der letztgenannten Ausführungsform kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung unmittelbar am Anodenausgang angeordnet ist, im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Anodenausgänge aller Brennstoffzellen an den Brennstoffzellenstapel einnimmt, und gleichzeitig zumindest einen Teil des Mischvolumens der Mischkammer bildet.
Vorzugsweise ist es bei der letztgenannten Ausführungsform vorgesehen, dass der die Anodenausgänge der Brennstoffzellen verlassende Gasstrom von verbrauchtem
Anodengas aus einer ersten Richtung in das Mischvolumen der Mischkammer eintritt und dass der Strom des zugemischten Kathodengases aus einer zweiten Richtung in das Mischvolumen der Mischkammer eintritt und dass die gemischten Ströme von verbrauchtem Anodengas und Kathodengas das Mischvolumen der Mischkammer in einer dritten Richtung verlassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass eines oder mehrere erste der vorher genannten einzelnen Segmente der elektrischen Heizeinrichtung im Gasstrom des der Mischkammer zugeführten Kathodengases angeordnet sind, und dass eines oder mehrere zweite der einzelnen Segmente der elektrischen Heizeinrichtung im Gasstrom des die Anodenausgänge verlassenden verbrauchten Anodengases angeordnet sind, wobei die zweiten Segmente entweder von dem Strom des verbrauchten Anodengases allein oder von dem Strom des verbrauchten Anodengases und zugemischtem Kathodengas zusammen durchströmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die einzelnen Segmente der elektrischen Heizeinrichtung durch parallel zueinander angeordnete Platten aus dem elektrisch leitenden Schaummaterial gebildet.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel in einem die Strömungswege von Kathodengas und Brenngas einschließenden thermisch isolierenden Gehäuse angeordnet sind, wobei der oder die Brennstoffzellenstapel und die elektrische Heizeinrichtung miteinander gekoppelt und in dem thermisch isolierenden Schutzgehäuse zusammengefasst angeordnet sind. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass dem Anodenausgang der Brennstoffzellen nachgeschaltet eine katalytische Verbrennungsvorrichtung zum Nachverbrennen brennbarer Restbestandteile des die Anodenausgänge verlassenden verbrauchten Brenngases vorgesehen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass die katalytische Verbrennungsvorrichtung durch eine katalytische Beschichtung auf der Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung gebildet ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematisierte perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen, wobei zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit nur einige wenige in dem Brennstoffzellenstapel enthaltene Brennstoffzellen dargestellt sind;
Figur 2 schematisiert und im größeren Maßstab eine elektrische Heizeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 3 in einer schematisierten Ansicht eine elektrische Heizeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 4 in einer schematisierten Ansicht eine elektrische Heizeinrichtung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 5, 6 und 7 in der Draufsicht jeweils schematisierte Darstellungen von Brennstoffzellenanordnungen gemäß drei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei bei jedem der Ausführungsbeispiele ein Brennstoffzellenstapel in einem thermisch isolierenden Schutzgehäuse angeordnet ist. In Figur 1, die allgemein eine schematisierte perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellenanordnung zeigt, bedeutet das Bezugszeichen 10 einen Brennstoffzellenstapel, der aus einer Anzahl von Brennstoffzellen 12 besteht, die jeweils eine Anode 1, eine Kathode 2 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix 3 enthalten. Benachbarte Brennstoffzellen 12 sind durch Bipolarplatten 4 voneinander getrennt, die dazu dienen, die Ströme eines Brenngases B und eines Kathodengases bzw. Oxidationsgases 0 voneinander getrennt über die Anode 1 bzw. über die Kathode 2 benachbarter Brennstoffzellen zu führen. Dabei sind die Anode 1 und die Kathode 2 benachbarter Brennstoffzellen durch die Bipolarplatten 4 gastechnisch voneinander getrennt und dabei jedoch durch die Bipolarplatten 4 bzw. durch in diesen enthaltene Stromkollektoren gleichzeitig elektrisch kontaktiert. Der Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen 12 enthält, von denen in der Figur zum Zwecke der Übersichtlichkeit jedoch nur einige wenige dargestellt sind, ist durch Zugstangen 5, welche mit Endplatten 6, 7 an den Enden des Brennstoffzellenstapels zusammenwirken verspannt.
Den Brennstoffzellen 12 wird an einem Anodeneingang 13 frisches Brenngas zu den Anoden 1 zugeführt, an einem Anodenausgang 14 wird verbrauchtes Brenngas von den Anoden 1 abgeführt. Entsprechend wird den Brennstoffzellen 12 an einem Kathodeneingang 15 an den Kathoden 2 frisches Brenngas zugeführt und an einem Kathodenausgang 16 verbrauchtes Kathodengas von den Kathoden 2 abgeführt.
Bei den in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen ist jeweils ein Brennstoffzellenstapel 310; 410; 510 in einem Schutzgehäuse 350; 450; 550 angeordnet, welches den Brennstoffzellenstapel 310; 410; 510 gegen die Umgebung thermisch isoliert und Strömungswege für Brenngas und Kathodengas einschließt bzw. definiert. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird mittels einer Gebläseeinrichtung 360; 460; 560 ein Strom des Kathodengases innerhalb des Schutzgehäuses 350; 450; 550 umgewälzt, wobei der Kathodengasstrom, der am Kathodenausgang 316; 416; 516 aus dem Brennstoffzellenstapel 310; 410; 510 austritt und an dem Kathodeneingang 315; 415; 515 wieder in diesen eintritt, eine Beimischung des vom Anodenausgang 314; 414; 514 abgeführten Stroms des verbrannten Brenngases erfährt. Zugeführt wird das Brenngas dem Brennstoffzellenstapel 310; 410; 510 an einem Anodeneingang 313; 413; 513, welcher gegen das Innere des Schutzgehäuses 350; 450; 550 abgedichtet ist. Eine solche in einem thermisch isolierenden; Schutzgehäuse, welche die Ströme von Brenngas und Kathodengas einschließt, untergebrachte Brennstoffzellenanordnung wird als "Hot Module" bezeichnet.
Weiterhin ist in den Figuren 5, 6 und 7 eine elektrische Heizeinrichtung 320; 420; 520 gezeigt, welche zum Beheizen des Gasstroms von Kathodengas und/oder Brenngas dient.
Figur 2 zeigt ganz allgemein eine solche elektrische Heizeinrichtung 20, welche durch eine Struktur eines elektrisch leitenden Schaummaterials gebildet ist. Ein solches Schaummaterial kann aus Edelstahl, insbesondere aus FeCrAIY, aus Stahl oder aus einer leitfähigen Keramik oder aus einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen. Hergestellt werden kann die Schaumstruktur durch einen Gießprozess verbunden mit einem Aufschäumen des Materials, wie es als solches im Stande der Technik bekannt ist.
Die Struktur des elektrisch leitenden Materials, welches die Heizeinrichtung 20 bildet, ist mit elektrischen Anschlüssen 22, 23 versehen, welche mit einer Stromversorgung verbindbar sind, um der elektrischen Heizeinrichtung 20 den notwendigen elektrischen Strom zuzuführen.
Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, besteht bei den beiden hier abgebildeten Ausführungsbeispielen die elektrische Heizeinrichtung 120; 220 aus ehferen einzelnen Segmenten 124a, 124b; 224a, 224b, die jeweils mit elektrischen Anschlüssen (nicht eigens dargestellt) versehen sind und von dem zu beheizenden Gas, nämlich dem von einem Anodenausgang 114; 214 abgegebenen verbrauchten Brenngas sowie einem bei einem Mischeingang 135; 235 zugemischten Strom des Kathodengases durchströmt werden. Dabei sind die Segmente 124a; 224a, welche von dem Kathodengasstrom durchströmte erste Segmente bilden, von Segmenten 124b; 224b, welche von dem vom Anodenausgang 114; 214 her kommenden Strom des verbrauchten Brenngases (sowie gegebenenfalls auch von dem beigemischten Kathodengas) durchströmte zweite
Segmente bilden, an verschiedenen Stellen innerhalb des zu beheizenden Gasstroms angeordnet. Wie angedeutet ist, weisen die jeweiligen Segmente 124a; 224a, 124b; 224b) jeweils elektrisch voneinander getrennte Anschlüsse auf, die getrennt voneinander wahlweise mit der Stromversorgung (nicht gezeigt) verbindbar sind.
Bei den beiden in Figur 3 und Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Segmente 124a, 124b; 224a, 224b der elektrischen Heizeinrichtung 120; 220 durch Platten gebildet, die aus dem elektrisch leitenden Schaummaterial bestehen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 sind zwei erste Segmente 124a in Form solcher Platten parallel zueinander angeordnet, bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 sind drei zweite Segmente 224b in Form von derartigen parallelen Platten angeordnet.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der gesamte Gasstrom bestehend aus dem von dem Anodenausgang 114 abgegebenen verbrauchten Brenngas und dem an dem Mischeingang 135 zugeführten Kathodengas durch das zweite Segment 124b geführt, bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dagegen erfolgt eine Mischung der genannten beiden Gasströme verteilt über die Anzahl der zweiten Segmente 224b.
Wie aus den bereits vorher angesprochenen Figuren 5, 6 und 7 ersichtlich ist, ist die elektrische Heizeinrichtung 320; 420; 520 allgemein im Gasstrom vor dem Kathodeneingang 315; 415; 515 vorgesehen, um das den Kathoden der Brennstoffzellen zuzuführende Kathodengas, gemischt mit dem vom Anodenausgang 314; 414; 514 abgegebenen verbrauchten Brenngas, zu beheizen. Allgemein ist somit die elektrische Heizeinrichtung 320; 420; 520 in einem von den thermisch isolierenden Schutzgehäuse 350; 450; 550 eingeschlossenen bzw. definierten Gasführungsweg 340; 440; 540 nach dem Anodenausgang 314; 414; 514 und vor dem Kathodeneingang 315; 415; 515 angeordnet
Weiterhin ist in dem genannten Gasführungsweg 340; 440; 540 zwischen dem Anodenausgang 314; 414; 514 und dem Kathodeneingang 315; 415; 515 eine Mischkammer 330; 430; 530 vorgesehen, in welcher dem umlaufenden Strom des Kathodengases vor der Zuführung zu dem Kathodeneingang 315; 415; 515 der den Anodenausgang 314; 414; 514 verlassende Strom des verbrauchten Brenngases beigemischt wird. Ganz allgemein ist die elektrische Heizeinrichtung 320; 420; 520 in irgendeiner Weise zusammen mit der Mischkammer 330; 430; 530 in dem Gasstrom zwischen dem Anodenausgang 314; 414; 514 und dem Kathodeneingang 315; 415; 515 angeordnet.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Heizeinrichtung 320 unmittelbar vor dem Kathodeneingang 315 angeordnet, wobei die Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung 320 im wesentlichen den gesamten Querschnitt des Kathodeneingangs 315 aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 310 einnimmt.
Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dagegen ist die elektrische Heizeinrichtung 420 dem Ausgang der Mischkammer 430 nachgeschaltet angeordnet.
Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Heizeinrichtung 520 integral mit der Mischkammer 530 vorgesehen, das heißt die elektrische Heizeinrichtung 520 und die Mischkammer 530 sind in Form eines gemeinsamen Bauteils kombiniert vorgesehen.
Wiederum zurückkehrend zu den Figuren 3 und 4, welche als Ausführungsformen solcher Kombinationen von Mischkammer und elektrischer Heizeinrichtung angesehen werden können, ist ersichtlich, dass die Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung, hier insgesamt mit dem Bezugszeichen 120 bzw. 220 versehen, im wesentlichen unmittelbar am Anodenausgang, hier mit dem Bezugszeichen 114, bzw. 214 versehen, angeordnet ist, im wesentlichen den gesamten Querschnitt des Anodenausgangs 1 14; 214 aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels einnimmt und gleichzeitig zumindest einen Teil des Mischvolumens der Mischkammer 130; 230 bildet, nämlich in Form der zweiten Segmente 124b; 224 der elektrischen Heizeinrichtung 120; 220.
Weiterhin ist von den Figuren 3 und 4 ersichtlich, dass der die Anodenausgänge 114; 214 des Brennstoffzellenstapels verlassende Gasstrom von verbrauchtem Anodengas aus einer ersten Richtung in das Mischvolumen der Mischkammer 130; 230 eintritt, und dass der Strom des damit gemischten Kathodengases aus einer zweiten Richtung vom
Mischeingang 135; 235 her in das Mischvolumen der Mischkammer 130; 230 eintritt. Die gemischten Ströme von verbrauchtem Anodengas und Kathodengas verlassen das Mischvolumen der Mischkammer 130; 230 in einer dritten Richtung, um von dort dem Kathodeneingang (nicht dargestellt) der Brennstoffzellenanordnung zugeführt zu werden.
Durch eine katalytische Beschichtung auf der Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung 120; 220; 320; 420; 520 ist eine katalytische Verbrennungsvorrichtung gebildet, durch welche ein Nachverbrennen brennbarer Restbestandteile des den Anodenausgang 114; 214; 314; 414; 514 verlassenden verbrauchten Brenngases erfolgt. Bei den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen der elektrischen Heizeinrichtung 120; 220 braucht eine solche katalytische Beschichtung nur auf den von dem verbrauchten Brenngas durchströmten zweiten Segmenten 124b bzw. 224b vorgesehen sein, nicht jedoch auf den ersten Segmenten 124a; 224a, welche nur von dem umlaufenden Strom des Kathodengases, nicht jedoch vom Anodengas durchströmt werden.
Die solchermaßen mit einer katalytischen Beschichtung versehene elektrische
Heizeinrichtung fungiert somit sowohl als elektrische Heizeinrichtung zum Anfahren der Brennstoffzellenanordnung wie auch als katalytische Verbrennungsvorrichtung zum Nachverbrennen der anodenseitigen Abgase und fungiert weiterhin als statischer Mischer zum Vermischen der Ströme von Anodenabgas und Kathodengas.
Bezuεszeichen 1 iste
Anode
Kathode
Elektrolytmatrix
Bipolarplatte
Zugstange
Endplatte
Endplatte
Isolationsplatte
Isolationsplatte ; 110; 210; 310; 410; 510 Brennstoffzellenstapel
Brennstoffzelle ; 313; 413; 513 Anodeneingang ; 114; 214; 314; 414; 514 Anodenausgang ; 315; 415; 515 Kathodeneingang ; 316; 416; 516 Kathodenausgang ; 120; 220; 320; 420; 520 elektrische Heizeinrichtung
Schaumstruktur elektrischer Anschluss elektrischer Anschluss 4a; 224a Segment (erstes) 4b; 224b Segment (zweites) 0; 230; 330; 430; 530 Mischkammer 5; 235; 335; 435; 535 Mischeingang 0; 440; 540 Gasführungsweg 0; 450; 550 Schutzgehäuse 0; 460; 560 Gehäuseeinrichtung
Brenngas
Kathodengas

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Brennstoffzellenstapels (10; 110; 210; 310; 410; 510) angeordneten Brennstoffzellen (12), die jeweils eine Anode (1), eine Kathode (2) und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix (3) enthalten, mit einem Anodeneingang ( 13; 313; 413; 513) zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden (1) und einem Anodenausgang (14; 114; 214; 314; 414; 514) zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden ( 1 ), mit einem Kathodeneingang ( 15; 315; 415; 515) zur Zuführung von frischem Kathodengas zu den Kathoden (2) und einem Kathodenausgang (16; 316; 416; 516) zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden (2), sowie mit einer elektrischen Heizeinrichtung (20; 120; 220; 320; 420; 520) zum Beheizen des Kathodeneingangsgases, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (20; 120; 220; 320; 420; 520) durch eine Struktur eines elektrisch leitenden Schaummaterials gebildet ist, die von dem zu beheizenden Gas durchströmt wird und mit elektrischen Anschlüssen (22, 23) zum Anschluss einer Stromversorgung versehen ist.
2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung (20; 120; 220; 320; 420; 520) aus Edelstahl, vorzugsweise FeCrAIY, aus Stahl oder aus einer leitfähigen Keramik besteht.
3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (20; 120; 220; 320; 420; 520) aus mehreren einzelnen Segmenten (124a, 124b; 224a, 224b) besteht, die jeweils mit elektrischen Anschlüssen (22, 23) versehen sind und von dem zu beheizenden Gas durchströmt werden.
4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (124a, 124b; 224a, 224b) der elektrischen Heizeinrichtung (20; 120; 220; 320; 420; 520) an verschiedenen Stellen innerhalb des zu beheizenden Gasstroms angeordnet sind.
5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (124a, 124b; 224a, 224b) der elektrischen Heizeinrichtung (20; 120; 220; 320; 420; 520) jeweils elektrisch voneinander getrennter Anschlüsse (22, 23) aufweisen, die getrennt voneinander wahlweise mit der Stromversorgung verbindbar sind.
6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (320; 420; 520) im Gasstrom vor dem Kathodeneingang (315; 415; 515) zur Beheizung des den Kathoden (2) der Brennstoffzellen (12) zuzuführenden Kathodengases angeordnet ist.
7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenausgang (314; 414; 514) zur Zuführung von mindestens einem Teil des verbrauchten Brenngases zu den Kathoden (2) der Brennstoffzellen (12) über einen Gasführungsweg (340; 440; 540) mit dem Kathodeneingang (315; 415; 515) verbunden ist, und dass die elektrische Heizeinrichtung (320; 420; 520) im Gasführungsweg (340; 440; 540) nach dem Anodenausgang (314; 414; 514) und vor dem Kathodeneingang (315; 415; 515) angeordnet ist.
8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasführungsweg (340; 440; 540) zwischen dem Anodenausgang (314; 414; 514) und dem Kathodeneingang (315; 415; 515) eine Mischkammer (330; 430; 530) vorgesehen ist, in welcher dem den Anodenausgang (314; 414; 514) verlassenden Strom des verbrauchten Brenngases vor der Zuführung zu dem Kathodeneingang (315; 415; 515) Kathodengas beigemischt wird, und dass die elektrische Heizeinrichtung (320; 420; 520) zusammen mit der Mischkammer (330; 430; 530) in dem Gasstrom zwischen den Anodenausgang (314; 414; 514) und dem Kathodeneingang (315; 415; 515) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (320) unmittelbar vor dem Kathodeneingang (315) angeordnet ist.
10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung (320) im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Kathodeneingänge (315) aller Brennstoffzellen (12) an dem Brennstoffzellenstapel (310) einnimmt.
11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (420) am Ausgang der Mischkammer (430) angeordnet ist.
12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (520) integral mit der Mischkammer (530) vorgesehen ist.
13. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung (120; 220; 520) unmittelbar am Anodenausgang (114; 214; 514) angeordnet ist, im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Anodenausgänge ( 114; 214; 514) aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels einnimmt, und gleichzeitig zumindest einen Teil des Mischvolumens der Mischkammer (130; 230; 530) bildet.
14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der die Anodenausgänge (1 14; 214; 514) der Brennstoffzellen verlassende Gasstrom von verbrauchtem Anodengas aus einer ersten Richtung in das Mischvolumen der Mischkammer (130; 230; 530) eintritt, und dass der Strom des zugemischten Kathodengases aus einer zweiten Richtung in das Mischvolumen der Mischkammer (130; 230; 530) eintritt, und dass die gemischten Ströme von verbrauchtem Anodengas und Kathodengas das Mischvolumen der Mischkammer (130; 230; 530) in einer dritten Richtung verlassen.
15. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 12, 13 oder 14 in Verbindung mit Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere erste der einzelnen Segmente (124a; 224a) der elektrischen Heizeinrichtung (120; 220) im
Gasstrom des der Mischkammer (130; 230) zugeführten Kathodengases angeordnet sind, und dass eines oder mehrere zweite der einzelnen Segmente (124b; 224b) der elektrischen Heizeinrichtung (120; 220) im Gasstrom des die Anodenausgänge (114; 214) verlassenden verbrauchten Anodengases angeordnet sind, wobei die zweiten Segmente (124b; 224b) entweder von dem Strom des verbrauchten Anodengases allein oder von dem Strom des verbrauchten Anodengases und dem zugemischten Kathodengas durchströmt werden.
16. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Segmente (124a, 124b; 224a, 224b) der elektrischen Heizeinrichtung (120; 220) durch parallel zueinander angeordnete Platten aus dem elektrisch leitenden Schaummaterial gebildet sind.
17. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel (310; 410; 510) in einem die Strömungswege von Kathodengas und Brenngas einschließenden thermisch isolierenden Schutzgehäuse (350; 450; 550) angeordnet sind, und dass der oder die Brennstoffzellenstapel (310; 410; 510) und die elektrische Heizeinrichtung (320; 420; 520) miteinander gekoppelt und in dem thermisch isolierenden Schutzgehäuse (350; 450; 550) zusammengefasst angeordnet sind.
18. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Anodenausgang (114; 214; 314; 414; 514) der Brennstoffzellen nachgeschaltet eine katalytische Verbrennungsvorrichtung zum Nachverbrennen brennbarer Restbestandteile des die Anodenausgänge (114; 214; 314; 414; 514) verlassenden verbrauchten Brenngases vorgesehen ist.
19. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Verbrennungsvorrichtung durch eine katalytische Beschichtung auf der Schaumstruktur der elektrischen Heizeinrichtung (120; 220; 320; 420; 520) gebildet ist.
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