WO2009056272A1

WO2009056272A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: WO2009056272A1
Application number: PCT/EP2008/009092
Authority: WO
Inventors: Marc Bednarz; Stefan Ibrahim Peterhans; Wolfgang Wagner; Uwe WÜRTENBERGER
Original assignee: Mtu Onsite Energy Gmbh
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2009-05-07
Also published as: KR20100091203A; US20110020718A1; EP2203951A1; DE102007051514A1

Abstract

Eine Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Brennstoffzellenstapels (10) angeordneten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode (1) und eine Kathode (2) und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix (3) enthalten, mit einem an einer Seite des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehenen Anodeneingang (13) zur Zuführung von frischem Brenngas (B) zu den Anoden (1) und einem Anodenausgang (14) zum Abführen von verbrauchtem Brenngas (B) von den Anoden (1), wobei innerhalb der Brennstoffzellen (12) das Brenngas (B) in einer vorgegebenen Hauptströmungsrichtung an den Anoden (1) vorbeigeführt wird, mit Reformiereinheiten (18) zur Umwandlung eines an einem Brennstoffeinlass (181) den Reformiereinheiten (18) zugeführten Brennstoffs in Reformerbrennstoff, welcher an einem Reformerbrennstoffauslass (182) von den Reformiereinheiten (18) abgegeben wird, wobei die Reformiereinheiten (18) zwischen benachbarten Brennstoffzellen (12) in thermischem Kontakt mit diesen angeordnet sind, und wobei der Reformerbrennstoffauslass (182) der Reformiereinheiten (18) an der Seite des Brennstoffzellenstapels (10) mündet, an der sich der Anodeneingang (13) der Brennstoffzellen (12) befindet, und mit einem Brennstoffabgabesystem zur Verteilung des zu reformierenden Brennstoffs an die einzelnen Reformiereinheiten (18). Die Reformiereinheiten (18) haben an der dem Anodeneingang (13) gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehene Brennstoffeinlässe (181) und werden im Gegenstrom zur Hauptströmungsrichtung des Brenngases (B) von dem zu reformierenden Brennstoff durchströmt, und das Brennstoffabgabesystem (19) ist an der dem Anodeneingang (13) gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehen.

Description

MTU Onsite Energy GmbH 27.10.2008

Brennstoffzellenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Herkömmliche Brennstoffzellenanordnungen, insbesondere solche von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, enthalten in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordnete Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix umfassen, einen an einer Seite des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Anodeneingang zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden und einen Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden, wobei innerhalb der Brennstoffzellen Gasströmungswege vorgesehen sind, um das Brenngas in einer gegebenen Hauptströmungsrichtung an den Anoden vorbeizuführen. Reformiereinheiten dienen zur Umwandlung eines an einem Brennstoffeinlass den Reformiereinheiten zugeführten Brennstoffs in Reformerbrennstoff oder Brenngas, welcher an einem Reformerbrennstoffauslass von den Reformiereinheiten abgegeben wird, wobei die Reformiereinheiten zwischen benachbarten Brennstoffzellen in thermischem Kontakt mit diesen innerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, und wobei der Reformerbrennstoffauslass der Reformiereinheiten an der Seite des Brennstoffzellenstapels mündet, an der sich der Anodeneingang der Brennstoffzellen und ein Brennstoffabgabesystem zur Verteilung des zu reformierenden Brennstoffs an die einzelnen Reformiereinheiten befindet. Die Reformiereinheiten dienen somit einerseits zur Erzeugung von in den Brennstoffzellen umsetzbarem Brenngas, hergestellt durch Reformierung des den Reformiereinheiten zugeführten Brennstoffs und andererseits zur inneren Kühlung des Brennstoffzellenstapels aufgrund des endothermen Charakters der in den Reformiereinheiten ablaufenden Reaktion, durch welche aufgrund des thermischen Kontakts mit den Brennstoffzellen den letzteren Wärme entzogen wird. Aus der DE 699 10 624 T2, welche auf die EP 1 157 437 B1 zurückgeht, ist eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der an der Seite der Anodeneingänge der im Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen eine Gashaube zur Verteilung des Brenngases auf die Anodeneingänge vorgesehen ist, unter welcher das Brennstoffabgabesystem untergebracht ist, das zur Verteilung des zu reformierenden Brennstoffs an die einzelnen Reformiereinheiten dient. Dieses besteht aus einem Brennstoffversorgungsverteilerrohr, welchem von außen über ein Brennstoffeinlassleitungsrohr der zu reformierende Brennstoff zuführbar ist, und welches über jeweilige Zufuhrleitungen mit den einzelnen Reformiereinheiten verbunden ist. Die Reformiereinheiten sind durch plattenförmige Elemente gebildet, welche parallel zu den Brennstoffzellen zwischen diesen angeordnet sind. Die Reformiereinheiten weisen Brennstoffeinlassöffnungen an der gleichen Seite des Brennstoffzellenstapels auf, an der sich auch sowohl die Anodeneingänge als auch die Brennstoffauslässe der Reformiereinheiten befinden. Der von dem Brennstoffabgabesystem den einzelnen Reformiereinheiten zugeführte zu reformierende Brennstoff wird daher in der gleichen Ebene auf einem U-förmigen Weg durch das Innere der Reformiereinheiten von der Seite des Brennstoffzellenstapels, an der sich die Anodeneingänge befinden, zunächst in Gleichstrom zur Hauptströmungsrichtung des Brenngases an den Anoden bzw. in den an den Anoden vorbeiführenden Gasströmungswegen in die Reformiereinheiten und dann im Gegenstrom dazu zurückgeführt. Die beiden entgegengesetzten Strömungspfade innerhalb der Reformiereinheiten sind bei der bekannten Brennstoffzellenanordnung durch ein Prallblech getrennt.

Aus der DE 102 32 331 B4 ist eine Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordneten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix enthalten, bekannt, bei der an einer Seite des Brennstoffzellenstapels ein Anodeneingang zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden vorgesehen ist, und die einen Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden aufweist, wobei innerhalb der Brennstoffzellen wiederum Gasströmungswege vorgesehen sind, um das Brenngas in einer gegebenen Hauptströmungsrichtung an den Anoden vorbeizuführen. Zum Zuführen von frischem Kathodengas zu den Kathoden der Brennstoffzellen weisen diese einen Kathodeneingang auf und zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas von den Kathoden einen Kathodenausgang, wobei innerhalb der Brennstoffzellen Gasströmungswege vorgesehen sind, um das Kathodengas an den Kathoden vorbeizuführen. Die Gasströmungswege für das Kathodengas weisen teilweise entgegen der Hauptströmungsrichtung desselben verlaufende Teile auf, die innerhalb der Brennstoffzellen oder zwischen benachbarten Brennstoffzellen angeordnet sind, wobei den entgegen der Hauptströmungsrichtung des Kathodengases verlaufenden Teilen der Gasströmungswege Kathodengas mit einer im Sinne einer Kühlung der Brennstoffzellen entsprechend niedrigen Temperatur zuführbar ist. Auf diese Weise leistet das zugeführte Kathodengas eine innere Kühlung des Brennstoffzellenstapels, was eine Senkung der Temperatur und damit eine höhere Stromdichte bewirkt, mit der die Brennstoffzellen betrieben werden können.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs benannten Art zu schaffen, bei welcher zu reformierender Brennstoff mittels interner Reformierung umgewandelt wird, und die mit einer hohen Stromdichte betreibbar ist.

Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordneten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix enthalten, geschaffen, mit einem an einer Seite des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Anodeneingang zur Zuführung von frischem Brenngas zu den Anoden und einem Anodenausgang zum Abführen von verbrauchtem Brenngas von den Anoden, wobei innerhalb der Brennstoffzellen Gasströmungswege vorgesehen sind, um das Brenngas in einer vorgegebenen Hauptströmungsrichtung an den Anoden vorbeizuführen, mit Reformiereinheiten zur Umwandlung eines an einem Brennstoffeinlass den Reformiereinheiten zugeführten Brennstoffs in Reformerbrennstoff, welcher an einem Reformerbrennstoffauslass von den Reformiereinheiten abgegeben wird, wobei die Reformiereinheiten zwischen benachbarten Brennstoffzellen in thermischem Kontakt mit diesen innerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, und wobei der Reformerbrennstoffauslass der Reformiereinheiten an der Seite des Brennstoffzellenstapels mündet, an der sich der Anodeneingang der Brennstoffzellen befindet, und mit einem Brennstoffabgabesystem zur Verteilung des zu reformierenden Brennstoffs an die einzelnen Reformiereinheiten. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Brennstoffeinlässe der Reformiereinheiten an der dem Anodeneingang gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sind und die Reformiereinheiten im Gegenstrom zur Hauptströmungsrichtung des Brenngases in dem an den Anoden vorbeiführenden Gasströmungswegen von dem zu reformierenden Brennstoff durchströmt werden, und dass das zur Verteilung des zu reformierenden Brennstoffs vorgesehene Brennstoffabgabesystem an der dem Anodeneingang gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist.

Besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass keine Umlenkung des Brennstoffs in der Ebene der Reformiereinheiten erfolgt, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist. Dadurch werden die Druckverluste erheblich (50 %) reduziert, so dass ein weitaus höherer Gasdurchsatz als bei Brennstoffzellenanlagen mit gleichen Abmessungen der Bauteile möglich ist. Dadurch sind Anlagen der bisherigen Größenordnung auch mit biogenen Gasen betreibbar, die im Vergleich zu Methan einen niedrigeren Brennwert haben.

Durch die Strömungsführung des zu reformierenden Brennstoffs in der Ebene der Reformiereinheiten ist es weiterhin möglich, die Kühlung im Stack zu optimieren. Bei Führung des Kathodengases im Kreuzstrom zum Brennstoff ist die Temperatur im Bereich des Kathodeneingangs niedriger als im Bereich des Kathodenausgangs. Um eine zu starke Abkühlung durch den Reformiervorgang in den dem Kathodeneingangsbereich benachbarten Bereichen zu verhindern, ist es einfach möglich, den Brennstoffstrom in den entsprechenden Bereichen der Reformiereinheiten zu reduzieren oder durch Separierung entsprechender Bereiche durch Wände ganz zu vermeiden, indem erfindungsgemäß einfach entsprechende Bereiche (20 bis 100 % der max. möglichen Breite) von der Überdeckung der mit den Reformiereinheiten verbundenen Brennstoffzuführungen ausgespart werden. Alternativ oder zusätzlich wird in den entsprechenden Bereichen auf die Positionierung von Katalysatormaterial verzichtet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist an der den Anodeneingängen gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels eine zur Aufnahme des von den Anodenausgängen abgeführten verbrauchten Brenngases dienende Gashaube vorgesehen, wo das Brennstoffabgabesystem angeordnet ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung begrenzt die Gashaube einen das von den Anodenausgängen abgeführte verbrauchte Brenngas aufnehmenden Raum, in welchem mit den Brennstoffeinlässen einer jeden Reformiereinheit verbundene jeweilige Brennstoffzuführungen und eine mit jeder der Brennstoffzuführungen verbundene Verteilerleitung angeordnet sind.

Dabei ist vorteilhafterweise die Verteilerleitung mit den Brennstoffzuführungen über jeweilige Zwischenleitungen verbunden, welche jeweils ein dielektrisches Trennelement zur elektrischen Isolierung der Reformer von der Verteilerleitung enthalten.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Gashaube einen das von den Anodenausgängen abgeführte verbrauchte Brenngas aufnehmenden Raum begrenzt, in welchem mit den Brennstoffeinlässen einer jeden Reformiereinheit verbundene jeweilige Brennstoffzuführungen angeordnet sind, und die Gashaube enthält einen den zur Aufnahme des verbrauchten Brenngases von den Anodenausgängen dienenden Raum bildenden ersten Gasführungsweg und, gegen diesen abgedichtet und mit den Brennstoffzuführungen verbunden, mindestens einen Gasführungskanal zur Abgabe von Brennstoff an die Brennstoffzuführungen.

Auch dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Gasführungskanal oder die Gasführungskanäle mit den Brennstoffzuführungen über jeweilige Zwischenleitungen verbunden sind, welche jeweils ein dielektrisches Trennelement zur elektrischen Isolierung der Reformer von der Verteilerleitung enthalten.

Der Gasführungskanal kann von einem an einer Längsseite der Gashaube verlaufenden Hohlprofil gebildet sein.

Es können an beiden Längsseiten der Gashaube Hohlprofile angeordnet sein.

Zweckmäßigerweise ist die Gashaube als Verbund aus Blechen und Querträgern ausgebildet, in den die Hohlprofile als Seitenteile der Gashaube integriert sind.

Zweckmäßigerweise ist eines der Hohlprofile mit Öffnungen zur Ableitung des aus dem Anodenausgang in den von der Gashaube umgrenzten Raum austretenden Anodenabgases ausgebildet.

Dazu ist das Hohlprofil auf seiner Innenseite mit Löchern ausgebildet, über die Anodenabgas in das Hohlprofil eintritt. Über Anschlussstutzen auf seiner Außenseite wird das Anodenabgas nach außen abgeführt.

Vorzugsweise sind die Reformiereinheiten durch zu den Brennstoffzellen parallel angeordnete plattenförmige Elemente gebildet, welche jeweils ausschließlich Gasströmungswege definieren, die im Gegenstrom zur Hauptströmungsrichtung des reformierten Brenngases in den an den Anoden vorbeiführenden Gasströmungswegen durchströmt werden.

Die von den plattenförmigen Elementen definierten Gasströmungswege können ein Material eines Reformierkatalysators enthalten.

Die Reformiereinheiten können Bipolarbleche enthalten, durch welche benachbarte Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels gegeneinander begrenzt und elektrisch kontaktiert sind.

Die Bipolarbleche können die Gasströmungswege in den Reformiereinheiten gegen eine der benachbarten Brennstoffzellen hin begrenzen.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte perspektivische Teilansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordneten Brennstoffzellen zur Erläuterung des prinzipiellen Flusses der Gase durch die Brennstoffzellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematisierte Ansicht einer Brennstoffzelle von der Stirnseite des in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei die Strömungswege durch im Brennstoffzellenstapel vorgesehene Reformiereinheiten und an den Anoden der Brennstoffzellen vorbei dargestellt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine schematisierte Ansicht einer Brennstoffzelle von der Stirnseite des in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei die Strömungswege durch im Brennstoffzellenstapel vorgesehene Reformiereinheiten und an den Anoden der Brennstoffzellen vorbei dargestellt sind, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Gashaube mit integrierten Hohlprofilen für die Zu- und Ableitung von Gasen.

Der in Fig. 1 schematisiert in einer teilweisen perspektivischen Ansicht dargestellte, insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Brennstoffzellenstapel enthält eine Anzahl von Brennstoffzellen 12. Die Brennstoffzellen 12 enthalten jeweils, wie in Fig. 1 lediglich schematisiert angedeutet ist, eine Anode 1 , eine Kathode 2 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix 3. Weiter sind im Brennstoffzellenstapel 10 Reformiereinheiten 18 vorgesehen, die durch plattenförmige Elemente gebildet sind. Die Reformiereinheiten 18 können am Ende des Brennstoffzellenstapels 10 oder insbesondere zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen 12 angeordnet sein. Es können jeweils mehrere Brennstoffzellen 12 zu einer Gruppe zusammengefasst und die Reformiereinheiten 18 an einer oder zwischen zwei benachbarten Gruppen von Brennstoffzellen 12 angeordnet sein. Bei benachbarten Brennstoffzellen, die durch Reformiereinheiten 18 voneinander getrennt sind, können die Bipolarbleche 4 auch Bestandteile der Reformiereinheiten 18 bilden oder in diesen enthalten sein. Die Bipolarbleche 4 dienen dazu, die Ströme eines Brenngases B und eines Kathodengases oder Oxidationsgases O voneinander getrennt über die Anode 1 bzw. über die Kathode 2 jeweiliger Brennstoffzellen zu führen. Der elektrische Kontakt zur Anode 1 und zur Kathode 2 wird durch jeweilige an diesen Elektroden angeordnete Stromkollektoren hergestellt, die in der Fig. 1 nicht eigens dargestellt sind.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durchsetzen der Strom des Brenngases B und der des Kathodengases O den Brennstoffzellenstapel 10 quer zueinander, d.h. nach Art eines Kreuzstroms. Ein Anodeneingang 13 dient zur Zuführung von frischem Brenngas B zu den Anoden 1 und ein Anodenausgang 14 zum Abführen von verbrauchtem Brenngas B von denselben. Ein Kathodeneingang 15 dient zur Zuführung von frischem Kathodengas oder Oxidationsgas O zu den Kathoden 2 und schließlich ein Kathodenausgang 16 zum Abführen von verbrauchtem Kathodengas O von denselben.

Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Schnitt durch jeweils eine Reformiereinheit 18 quer zur Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 und stellen insbesondere die Gasströmungswege durch die Reformiereinheiten 18 und die Gasströmungswege entlang den Anoden 1 dar, wobei die Gasströmungswege durch die Reformiereinheiten 18 durch fett gezeichnete Pfeile und die Gasströmungswege an den Anoden 1 durch dünn gezeichnete Pfeile gezeigt sind.

Den Reformiereinheiten 18 wird an einem Brennstoffeinlass 181 zu reformierender Brennstoff zugeführt und dieser nach seiner Umwandlung an einem Reformerbrennstoffauslass 182 abgegeben. Bei der Reformierung des Brennstoffs, welcher ein endothermer Vorgang ist, wird der oder den benachbarten Brennstoffzellen 12 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 aufgrund des Umstands, dass die Reformiereinheiten 18 in thermischem Kontakt mit diesen stehen, Wärme entzogen und damit eine Kühlung derselben bewirkt.

Der Auslass 182 der Reformiereinheiten 18, an dem der reformierte Brennstoff abgegeben wird, befindet sich an der Seite des Brennstoffzellenstapels 10, an der sich auch der Anodeneingang 13 der Brennstoffzellen 12 befindet. Das heißt, der von den Reformiereinheiten 18 abgegebene reformierte Brennstoff steht den Anoden 1 an ihrem Eingang 13 als Brenngas zur Verfügung. Die Brennstoffeinlässe 181 der Reformiereinheiten 18 dagegen sind an der dem Anodeneingang 13 gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels 10 vorgesehen, so dass die Strömungsrichtung des zu reformierenden Brennstoffs (mit fetten Linien gezeichnete Pfeile) durch die Reformiereinheiten 18 einen Gegenstrom bildet zur Hauptströmungsrichtung des Brenngases B (mit dünnen Linien gezeichnete Pfeile) an den Anoden 1. Wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen, findet also durch die Reformiereinheiten 18 ein gleichmäßig verteilter Gegenstrom gegenüber der Strömung an den Anoden 1 statt, welcher im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Reformiereinheiten 18 gleichmäßig verteilt ist. Somit erfolgt ein gleichmäßiger Wärmeübergang von den Anoden 1 auf die Reformiereinheiten 18 im Sinne einer gleichmäßigen Kühlung des Brennstoffzellenstapels über im Wesentlichen seine gesamte Querschnittsfläche.

Im Fall, dass das im Kreuzstrom zum Brennstoffstrom geführte Kathodengas mit niedriger Temperatur in den Kathodeneingang eintritt, kann es wünschenswert sein, den Brennstoffstrom im Kathodeneingangsbereich zu reduzieren, um die Reformierung und die damit einhergehende Abkühlung dort zu verhindern. Dies ist mit der erfindungsgemäßen Einrichtung durch einfache Maßnahmen zu realisieren, indem der Brenstoffstrom variabel anpassbar ist, wie dies weiter unten näher beschrieben wird.

Wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen, ist an der Seite der Brennstoffeinlässe 181 der Reformiereinheiten 18 ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 19 kenntlich gemachtes Brennstoffabgabesystem vorgesehen, das zur Verteilung des zu reformierenden Brennstoffs auf die einzelnen Reformiereinheiten 18 dient.

Das Brennstoffabgabesystem 19 umfasst bei den dargestellten Ausführungsbeispielen mit den Brennstoffeinlässen 181 einer jeden Reformiereinheit 18 verbundene Brennstoffzuführungen 191 , mittels welcher der zugeführte zu reformierende Brennstoff gleichmäßig über die gesamte Breite der Reformiereinheiten 18 verteilt wird, und eine mit jeder dieser Brennstoffzuführungen 191 verbundene Verteilerleitung 192 (Fig. 2) bzw. einen mit jeder dieser Brennstoffzuführungen 191 verbundenen Kanal 41 (Fig. 3). Die Verteilerleitung 192 bzw. der Kanal 41 ist über jeweilige Zwischenleitungen 193 mit den Brennstoffzuführungen 191 verbunden. Die Zwischenleitungen 193 enthalten jeweils ein dielektrisches Trennelement 194, welches eine elektrische Isolierung der Reformiereinheiten 18 von der Verteilerleitung 192 bzw. vom Kanal 41 bewirkt.

Durch die Strömungsführung des zu reformierenden Brennstoffs in der Ebene der Reformiereinheiten ist es möglich, die Kühlung im Stack zu optimieren. Wie oben schon dargestellt, ist bei Führung des Kathodengases im Kreuzstrom zum Brennstoff die Temperatur im Bereich des Kathodeneingangs niedriger als im Bereich des Kathodenausgangs. Um eine zu starke Abkühlung durch den Reformiervorgang in den dem Kathodeneingangsbereich benachbarten Bereichen zu verhindern, ist es einfach möglich, den Brennstoffstrom in den entsprechenden Bereichen der Reformiereinheiten zu reduzieren oder durch Abschottung entsprechender Bereiche ganz zu vermeiden, indem Bereiche (20 bis 100 % der max. möglichen Breite) der Reformiereinheiten von der Überdeckung der mit den Reformiereinheiten verbundenen Brennstoffzuführungen 191 ausgenommen werden. Die von den Brennstoffzuführungen 191 ausgenommenen Bereiche der Reformiereinheiten werden dazu mit Abdeckungen 6 versehen und dadurch der Brennstoffzutritt dort verhindert. Um die entsprechenden kathodeneingangsseitigen Bereiche der Reformiereinheiten ganz von der Durchströmung mit Brennstoff auszunehmen, können in den Reformiereinheiten zur Abschottung parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Wände 5 vorgesehen sein. Entsprechende Abdeckungen 7 bzw. Wände 5 und eine durch eine Linie 7 begrenzte, in der Breite verkleinerte Brennstoffzuführung 191 sind in Figur 2 durch unterbrochene Linien angedeutet. Alternativ oder zusätzlich kann in den entsprechenden kathodeneingangsseitigen Bereichen auf die Positionierung von Katalysatormaterial verzichtet werden.

Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist an der den Anodeneingängen 13 gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels 10 eine Gashaube 24 vorgesehen, welche zur Aufnahme des von den Anodenausgängen 14 abgeführten, verbrauchten Brenngases dient, und in der das Brennstoffabgabesystem 19 angeordnet ist. An der Seite der Anodeneingänge 13 ist eine ähnliche Gashaube 23 vorgesehen, welche zum Zuführen des reformierten Brenngases zu den Anodeneingängen 13 dient.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel begrenzt die Gashaube 24 einen das von den Anodenausgängen 14 abgeführte verbrauchte Brenngas aufnehmenden Raum, in welchem die mit den Brennstoffeinlässen 181 einer jeden Reformiereinheit 18 verbundenen Brennstoffzuführungen 191 und die mit diesen verbundene Verteilerleitung 192 sowie die Zwischenleitungen 193, welche jeweils das besagte dielektrische Trennelement 194 enthalten, angeordnet sind.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel begrenzt die Gashaube 24 wiederum einen das von den Anodenausgängen 14 abgeführte verbrauchte Brenngas aufnehmenden Raum, in welchem wiederum die mit den Brennstoffeinlässen 181 der Reformer 18 verbundenen jeweiligen Brennstoffzuführungen 191 angeordnet sind, aber die Gashaube 24 ist außerdem so ausgebildet, dass sie einen ersten Gasführungsweg 14a enthält, der den zur Aufnahme des verbrauchten Brenngases von den Anodenausgängen 14 dienenden Raum bildet, sowie einen oder mehrere Gasführungskanäle 41 , welche gegen den besagten ersten Gasführungsweg 14a abgedichtet und mit den Brennstoffzuführungen 191 verbunden sind, und die zur Abgabe des zu reformierenden Brennstoffs an die Brennstoffzuführungen 191 vorgesehen sind. Die Gasführungskanäle 41 sind mit den Brennstoffzuführungen 191 über die besagten Zwischenleitungen 193 verbunden, welche jeweils das besagte dielektrische Trennelement 194 enthalten.

Der oder die Gasführungskanäle 41 sind bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel an der Längsseite der Gashaube 24 in Form eines Rahmenrohrs derselben angeordnet, welches sich an beiden Längsseiten desselben erstreckt.

Die Figur 4 zeigt eine derartige, mit Hohlprofilen 51 und 52 ausgebildete Gashaube 24 mehr detailliert. Die Hohlprofile 51 und 52, die aus Rechteckrohren bestehen, bilden in einem Verbund mit Blechen 56, 58 und Querträgern 57 die Gashaube 24, wobei die Hohlprofile 51 und 52 die Seitenteile bilden, zugleich aber auch für die Zu- und Ableitung von Gasen benutzt werden. Das Hohlprofil 51 dient zur Überleitung des Brennstoffs in die Brennstoffzuführungen 191. Dazu sind an den Innenseiten des Hohlprofils 51 Löcher 54 vorgesehen, an die die Zwischenleitungen 193 angeschlossen werden. Zur Einleitung des Brennstoffs von einer externen Quelle in das Hohlprofil 51 dient ein Anschuss 55. Das dem Hohlprofil 51 auf der andern Seite der Gashaube 24 gegenüberliegende Hohlprofil 52 dient zur Abführung des von den Anoden abströmenden Anodenabgases. Dazu sind auf der Innenseite des Hohlprofils 52 nicht dargestellte Löcher vorgesehen, die den Hohlraum des Hohlprofils 52 mit dem Innenraum der Gashaube 24 verbinden, der mit den Anodenausgängen 14 in Verbindung steht. Die Abfuhr des im Hohlprofil 52 gesammelten Anodenabgases erfolgt schließlich über Anschlussstutzen 53 auf der Außenseite des Hohlprofils 52. Die Löcher und Anschlussstutzen sind über der Länge verteilt und deren Querschnitt so ausgelegt, dass über den Brennstoffzellenstapel hinweg eine gleichmäßige Strömung erzielt wird. Die Gashaube 24 in der beschriebenen Ausbildung ist z. B. als Schweißkonstruktion aus wenigen Bauteilen herzustellen. Dadurch, dass Teile der Gashaube zugleich als Medienführungen dienen, entsteht ein multifunktionales Bauteil, das trotz komplexer Funktionalität einfach und übersichtlich im Aufbau ist. Die Anordnung des Hohlprofils 51 am äußeren Rand der Gashaube 24 hat im Weiteren den Vorteil, dass aufgrund des Abstands der Anschlussstellen die Zwischenleitungen 193 mit entsprechend großer Länge ausgeführt werden können. Unvermeidbare Relatiwerschiebungen zwischen Stapel und Gashaube 24 führen wegen des geringeren Hebelarms zu geringeren Krafteinleitungen, da dass die Gefahr von Undichtwerden verringert wird.

Die Reformiereinheiten 18 sind bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen durch plattenförmige Elemente gebildet, die zu den Brennstoffzellen 12 parallel angeordnet sind, und können ein Material eines Reformierkatalysators in an sich bekannter Anordnung und Weise enthalten. Insbesondere kann das Material des Reformierkatalysators in Gasströmungswegen angeordnet sein, die durch die besagten plattenförmigen Elemente definiert sind.

Wie schon eingangs erwähnt, können die Reformiereinheiten 18 Bipolarbleche 4 enthalten, durch welche jeweils benachbarte Brennstoffzellen 12 gegeneinander begrenzt und elektrisch kontaktiert sind. Insbesondere können die Bipolarbleche 4 die Gasströmungswege in den Reformiereinheiten 18 gegen eine der benachbarten Brennstoffzellen 12. hin begrenzen. Eine elektrische Kontaktierung der Bipolarbleche 4 kann in an sich bekannter Weise durch geeignete Stromkollektoren erfolgen.

Bezugszeichen

Anode

Kathode

Elektrolytmatrix

Wand

Abdeckung

Begrenzungslinie

Bipolarblech

Brennstoffzellenstapel

Brennstoffzelle

Anodeneingang

Anodenausgang a erster Gasführungsweg

Kathodeneingang

Kathodenausgang

Reformiereinheit

Brennstoffabgabesystem

Gashaube

Gasführungskanal , 52 Hohlprofil

Anschlussstutzen

Loch

Anschluss

Blech

Querträger

Blech 1 Brennstoffeinlass 2 Reformerbrennstoffauslass 1 Brennstoffzuführung 2 Verteilerleitung 3 Zwischenleitung 4 dielektrisches Trennelement

Claims

MTU Onsite Energy GmbH 27.10.2008Patentansprüche

1. Brennstoffzellenanordnung mit in Form eines Brennstoffzellenstapels (10) angeordneten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode (1 ) und eine Kathode (2) und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix (3) enthalten, mit einem an einer Seite des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehenen Anodeneingang (13) zur Zuführung von frischem Brenngas (B) zu den Anoden (1) und einem Anodenausgang (14) zum Abführen von verbrauchtem Brenngas (B) von den Anoden (1 ), wobei innerhalb der Brennstoffzellen (12) Gasströmungswege vorgesehen sind, um das Brenngas (B) in einer vorgegebenen Hauptströmungsrichtung an den Anoden (1 ) vorbeizuführen, mit Reformiereinheiten (18) zur Umwandlung eines an einem Brennstoffeinlass (181) den Reformiereinheiten (18) zugeführten Brennstoffs in Reformerbrennstoff, welcher an einem Reformerbrennstoffauslass (182) von den Reformiereinheiten (18) abgegeben wird, wobei die Reformiereinheiten (18) zwischen benachbarten Brennstoffzellen (12) in thermischem Kontakt mit diesen innerhalb des Brennstoffzellenstapels (10) angeordnet sind, und wobei der Reformerbrennstoffauslass (182) der Reformiereinheiten (18) an der Seite des Brennstoffzellenstapels (10) mündet, an der sich der Anodeneingang (13) der Brennstoffzellen (12) befindet, und mit einem Brennstoffabgabesystem zur Verteilung des zu reformierenden Brennstoffs an die einzelnen Reformiereinheiten (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinlässe (181 ) der Reformiereinheiten (18) an der dem Anodeneingang (13) gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehen sind und die Reformiereinheiten (18) von dem zu reformierenden Brennstoff durchströmt werden im Gegenstrom zur Hauptströmungsrichtung des Brenngases (B) in den an den Anoden (1 ) vorbeiführenden Gasströmungswegen, und dass das zur Verteilung des zu reformierenden Brennstoffs vorgesehene Brennstoffabgabesystem (19) an der dem Anodeneingang (13) gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels (10) vorgesehen ist.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffabgabesystem (19) mit den Brennstoffeinlässen (181 ) einer jeden Reformiereinheit (18) verbundene jeweilige Brennstoffzuführungen (191) enthält.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei im Kreuzstrom zum Kathodengas geführtem Brennstoff in den kathodeneingangsnahen Bereichen der Reformiereinheiten (18) kein Katalysatormaterial platziert ist.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Kathodeneingangs (15) durch die Reformiereinheiten (18) geführter Brennstoffstrom durch dort von den Brennstoffzuführungen (191 ) ausgenommene und durch Abdeckungen (6) ersetzte Bereiche reduziert ist.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Brennstoffzuführungen (191 ) ausgenommenen Bereiche der Reformiereinheiten (18) gegenüber den von den Brennstoffzuführungen (191 ) überdeckten Bereichen gegen Brennstoffzufuhr durch Wände (5) innerhalb der Reformiereinheiten (18) abgeschottet sind.

6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der den Anodeneingängen (13) gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels (10) eine zur Aufnahme des von den Anodenausgängen (14) abgeführten verbrauchten Brenngases dienende Gashaube (24) vorgesehen ist, wo auch das Brennstoffabgabesystem (19) angeordnet ist.

7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashaube (24) einen das von den Anodenausgängen (14) abgeführte verbrauchte Brenngas aufnehmenden Raum begrenzt, in welchem auch die mit den Brennstoffeinlässen (181 ) einer jeden Reformiereinheit (18) verbundenen jeweiligen Brennstoffzuführungen (191) und eine mit jeder der Brennstoffzuführungen (191 ) verbundene Verteilerleitung (192) angeordnet sind.

8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerleitung (192) mit den Brennstoffzuführungen (191 ) über jeweilige Zwischenleitungen (193) verbunden ist, welche jeweils ein dielektrisches Trennelement (194) zur elektrischen Isolierung der Reformiereinheiten (18) von der Verteilerleitung (192) enthalten.

9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashaube (24) einen das von den Anodenausgängen (14) abgeführte verbrauchte Brenngas aufnehmenden Raum begrenzt, in welchem mit den Brennstoffeinlässen (181 ) einer jeden Reformiereinheit (18) verbundene jeweilige Brennstoffzuführungen (191 ) angeordnet sind, und dass die Gashaube (24) einen zur Aufnahme des verbrauchten Brenngases von den Anodenausgängen (14) dienenden Raum bildenden ersten Gasführungsweg (14a) und, gegen diesen abgedichtet und mit den Brenngaszuführungen verbunden, mindestens einen Gasführungskanal (41 ) zur Abgabe von Brennstoff an die Brennstoffzuführungen (191 ) enthält.

10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (41 ) mit den Brennstoffzuführungen (191 ) über jeweilige Zwischenleitungen (193) verbunden sind, welche jeweils ein dielektrisches Trennelement (194) zur elektrischen Isolierung der Reformiereinheiten (18) von der Verteilerleitung (192) enthalten.

11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasführungskanal (41) von mindestens einem an einer Längsseite der Gashaube (24) verlaufenden Hohlprofil (51 ) mit Löchern (54) zur Abgabe des Brennstoffs gebildet ist.

12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Längsseiten der Gashaube (24) Hohlprofile (51 , 52) angeordnet sind.

13. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashaube (24) ein Verbund aus Blechen (56) und Querträgern (57) ist, in die die Hohlprofile (51 , 52) als Seitenteile der Gashaube (24) integriert sind.

14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Hohlprofile (52) Öffnungen zur Ableitung des aus dem Anodenausgang in den von der Gashaube (24) umgrenzten Raum austretenden Anodenabgases besitzt.

15. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (52) auf seiner Innenseite mit Löchern ausgebildet ist, über die Anodenabgas in das Hohlprofil (52) eintritt, und dass das Hohlprofil (52) auf seiner Außenseite mit Anschlussstutzen (53) versehen ist, an denen das Anodenabgas nach außen abführbar ist.

16. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformiereinheiten (18) durch zu den Brennstoffzellen (12) parallel angeordnete plattenförmige Elemente gebildet sind, welche jeweils Gasströmungswege definieren, die ausschließlich im Gegenstrom zur Hauptströmungsrichtung des reformierten Brenngases (B) in den an den Anoden (1 ) vorbeiführenden Gasströmungswegen durchströmt werden.

17. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die von den plattenförmigen Elementen definierten Gasströmungswege ein Material eines Reformierkatalysators enthalten.

18. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformiereinheiten (18) Bipolarbleche (4) enthalten, durch welche benachbarte Brennstoffzellen (12) des Brennstoffzellenstapels (10) gegeneinander begrenzt und elektrisch kontaktiert sind.

19. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarbleche (4) die Gasströmungswege in den Reformiereinheiten (18) gegen eine der benachbarten Brennstoffzellen (12) hin begrenzen.