WO2022058258A1 - Festoxid-brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellen-fahrzeug - Google Patents

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WO2022058258A1
WO2022058258A1 PCT/EP2021/075032 EP2021075032W WO2022058258A1 WO 2022058258 A1 WO2022058258 A1 WO 2022058258A1 EP 2021075032 W EP2021075032 W EP 2021075032W WO 2022058258 A1 WO2022058258 A1 WO 2022058258A1
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WO
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fuel cell
exhaust gas
line
cathode exhaust
solid oxide
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PCT/EP2021/075032
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Christian Lucas
Harald Heinrich
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Audi Ag
Volkswagen Ag
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Solid oxide fuel cell device and fuel cell vehicle Solid oxide fuel cell device and fuel cell vehicle
  • the invention relates to a solid oxide fuel cell device with a fuel cell stack, with a fuel tank which is connected to the fuel cell stack on the anode side via an anode supply line, which is assigned a jet pump into which an anode recirculation line opens, with a compressor which is connected to the fuel cell stack on the cathode side via a cathode supply line is connected, to which an air preheater is assigned, through which a cathode exhaust gas line for transferring heat from the cathode exhaust gas is routed, with a heat exchanger formed integrally with the jet pump being arranged in the anode supply line upstream of a driving nozzle of the jet pump, to which heat from the Cathode exhaust gas can be fed.
  • the invention further relates to a fuel cell vehicle.
  • Fuel cells serve to provide electrical energy in a chemical reaction between a hydrogen-containing fuel and an oxygen-containing oxidizing agent, usually air.
  • an electrolyte layer consists of a solid material that gives it its name, eg ceramic yttrium-doped zirconium dioxide, which is able to conduct oxygen ions while electrons are not conducted.
  • the electrolyte layer is sandwiched between two electrode layers, namely the cathode layer, to which air is supplied, and the anode layer, to which fuel is supplied, which may be formed by H2, CO, CH4, C3H8 or similar hydrocarbons.
  • the fuel and also the oxidant are supplied lean of stoichiometry to the solid oxide fuel cells in order to maximize their efficiency.
  • Fuel that has not reacted in the solid oxide fuel cells is recirculated in an anode circuit to conserve resources, i.e. fed back to the fuel cells.
  • a suction jet pump with the fuel as the driving medium is used to convey the fuel, which at the same time conveys the unreacted fuel from the anode circuit.
  • Solid oxide fuel cells require high temperatures, mostly above 700°C, at which they are operated, so that the term high-temperature fuel cell is also commonly used. If methane is used as a fuel, it should be noted that when dry, at high temperatures and low pressures, in chemical equilibrium, methane tends to break down into carbon and hydrogen, with the carbon precipitating and forming deposits, which are impurities in the system. Also, the carbon can deposit on the catalyst surface, resulting in a reduced catalytic effect.
  • DE 3427 976 A1 discloses a device for the anaerobic treatment of substrates with organic substances to produce biogas, viz Methane.
  • a first fermentation process takes place in a first reactor space, namely hydrolysis and acid formation, while methane formation takes place in the second reactor space.
  • a jet pump for hydraulic circulation of the substrate is assigned to the first reactor chamber, which is supported by thermal circulation through a heat exchanger.
  • WO 2009/075692 A2 describes a reactor for the catalytic production of hydrogen cyanide HCN, in which the gases supplied are preheated.
  • a solid oxide fuel cell device relates to the teaching of CN 208898500 U, which proposes connecting a reformer to a methane supply unit, the waste heat contained in the exhaust gas of the solid oxide fuel cell device being used to heat the methane and the reformer.
  • the task is also to provide an improved fuel cell vehicle.
  • the solid oxide fuel cell device is characterized in that only a short distance remains in the fuel line for the heated fuel, in particular heated methane, until the fuel cell stack is reached, so that the dwell time in the state that promotes decomposition is so short that the state of equilibrium is not reached and carbon formation is reduced or even prevented.
  • the methane is heated directly in front of the motive nozzle, after which it is mixed with the moist, returned methane. This also prevents carbon formation.
  • the transformer line it is preferable for the transformer line to be formed as part of the cathode exhaust gas line, since the methane is then heated in an energy-efficient manner.
  • the transfer line branches off from the cathode exhaust gas line upstream of the air preheater and opens into the cathode exhaust gas line downstream of the air preheater.
  • the design can be such that the transfer line branches off from the cathode exhaust gas line downstream of the air preheater and flows back into the cathode exhaust gas line downstream of the air preheater, so that the heating of the air is not impaired and only waste heat that is not required for air heating is used.
  • the fuel heat exchanger is formed by a heat transfer element which is arranged in front of the driving nozzle and in which at least one fuel channel is formed and which is in thermal connection with the cathode exhaust gas.
  • a heat transfer element which is arranged in front of the driving nozzle and in which at least one fuel channel is formed and which is in thermal connection with the cathode exhaust gas.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell device with a heat exchanger for heating the fuel upstream of a jet pump
  • FIG. 2 shows a representation of an alternative embodiment corresponding to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an illustration corresponding to FIG. 1 of an alternative embodiment with an alternative thermal coupling to the cathode exhaust gas path
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a jet pump with an integrated heat exchanger through which the fuel and the cathode exhaust gas flow
  • FIG. 5 shows an illustration of an alternative embodiment corresponding to FIG. 4, with a heat transfer element which is arranged in the heat exchanger and has fuel channels and heat transfer ribs, and
  • FIG. 6 shows an illustration corresponding to FIG. 1 of a fuel cell device known from the prior art.
  • a solid oxide fuel cell device 1 known from the prior art with a fuel cell stack 2 formed from solid oxide fuel cells is shown in FIG.
  • the solid oxide fuel cell device 1 can, for example, be part of a fuel cell vehicle that is not shown in detail.
  • Each of the fuel cells includes an anode and a cathode, and an ionically conductive membrane separating the anode from the cathode.
  • the fuel namely methane containing hydrogen
  • an anode feed line 4 From a fuel tank 3 , namely a pressurized gas accumulator for methane, the fuel, namely methane containing hydrogen, is fed via an anode feed line 4 , first to a reformer 5 and then to the anodes via anode chambers within the fuel cell stack 2 .
  • Unused fuel is fed back into the anode feed line 4 via an anode recirculation line 6, a jet pump 7 being used, in which the fuel represents the propellant medium.
  • Cathode gas in particular air containing oxygen, can be supplied to the cathodes via cathode chambers within the fuel cell stack 2 via a cathode supply line 8 which is fed from a compressor 9 .
  • an air preheater 10 is arranged downstream of the compressor 9 for preheating the air, through which the cathode exhaust gas flows.
  • an afterburner 11 is associated with a cathode exhaust gas line 12, which is supplied through a branch 13 from the anode recirculation line 6 with unused fuel for further heating of the cathode exhaust gas.
  • a pressure control valve 14 is integrated into the cathode exhaust gas line 12 downstream of the air preheater 10 .
  • the solid oxide fuel cell device 1 on which the invention is based is therefore, as shown in Figures 1 to 5, formed with a fuel cell stack 2, with a fuel tank 3, which is connected to the fuel cell stack 2 on the anode side via an anode supply line 4, to which a jet pump 7 is assigned, in which opens out into an anode recirculation line 6, with a compressor 9, which is connected to the fuel cell stack 2 on the cathode side via a cathode supply line 8, to which an air preheater 10 is assigned, through which a cathode exhaust gas line 12 is routed for transferring heat from the cathode exhaust gas.
  • FIG. 1 shows an embodiment in which the cathode exhaust gas line 12 runs directly from the fuel cell stack 2 to the heat exchanger 16 and from there to the afterburner 11 or the air preheater 10 .
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the cathode exhaust gas line 12 is routed from the fuel cell stack 2 to the air preheater 10 and the transfer line 17 branches off from the cathode exhaust gas line 12 upstream of the air preheater 10 and again opens into the cathode exhaust gas line 12 downstream of the air preheater 10.
  • the transfer line 17 branches off from the cathode exhaust gas line 12 upstream of the air preheater 10 and again opens into the cathode exhaust gas line 12 downstream of the air preheater 10.
  • the heat exchanger 16 is formed by a heat transfer element 18 (FIG. 4) arranged in front of, ie upstream of, the driving nozzle 15, in which at least one fuel channel 19 is formed and which is in thermal connection with the cathode exhaust gas.
  • a cathode exhaust gas channel 20 is formed in the heat transfer element 18 .
  • FIG. 5 shows that the heat transfer element 18 is designed with heat transfer fins 21 and/or heat pipes which are in thermal connection with the cathode exhaust gas which is guided around the heat transfer element 18.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), mit einem Brennstofftank (3), der mit dem Brennstoffzellenstapel (2) anodenseitig über eine Anodenzufuhrleitung (4) verbunden ist, der eine Strahlpumpe (7) zugeordnet ist, in die eine Anodenrezirkulationsleitung (6) mündet, mit einem Verdichter (9), der mit dem Brennstoffzellenstapel (2) kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung (8) verbunden ist, der ein Luftvorwärmer (10) zugeordnet ist, durch den eine Kathodenabgasleitung (12) zur Übertragung von Wärme aus dem Kathodenabgas geführt ist. In der Anodenzufuhrleitung (4) ist stromauf einer Treibdüse (15) der Strahlpumpe (7) ein integral mit der Strahlpumpe (7) gebildeter Wärmeübertrager (16) angeordnet, zu dem über eine Übertragerleitung (17) Wärme aus dem Kathodenabgas zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.

Description

Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, mit einem Brennstofftank, der mit dem Brennstoffzellenstapel anodenseitig über eine Anodenzufuhrleitung verbunden ist, der eine Strahlpumpe zugeordnet ist, in die eine Anodenrezirkulationsleitung mündet, mit einem Verdichter, der mit dem Brennstoffzellenstapel kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung verbunden ist, der ein Luftvorwärmer zugeordnet ist, durch den eine Kathodenabgasleitung zur Übertragung von Wärme aus dem Kathodenabgas geführt ist, wobei in der Anodenzufuhrleitung stromauf einer Treibdüse der Strahlpumpe ein integral mit der Strahlpumpe gebildeter Wärmeübertrager angeordnet ist, zu dem über eine Übertragerleitung Wärme aus dem Kathodenabgas zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Bei einer Festoxid-Brenn- stoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) besteht dabei eine Elektrolytschicht aus einem namensgebenden festen Werkstoff, z.B. keramischen yttriumdotierten Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, während Elektronen nicht geleitet werden. Die Elektrolytschicht ist zwischen zwei Elektrodenschichten aufgenommen, nämlich der Kathodenschicht, der die Luft zugeführt wird, und der Anodenschicht, die mit dem Brennstoff versorgt wird, der durch H2, CO, CH4, C3H8 oder ähnliche Kohlenwasserstoffe gebildet sein kann. Wird die Luft durch die Kathodenschicht zu der Elektrolytschicht geführt, nimmt der Sauerstoff zwei Elektronen auf und die gebildeten Sauerstoffionen O2- bewegen sich durch die Elektrolytschicht zu der Anodenschicht, wobei die Sauerstoffio- nen dort mit dem Brennstoff reagieren unter Bildung von Wasser und CO2. Ka- thodenseitig findet die folgende Reaktion statt: O2 + 2e~
Figure imgf000004_0001
2O2’ (Reduk- tion/Elektronenaufnahme). An der Anode erfolgen die folgenden Reaktionen: H2
Figure imgf000004_0002
Den Festoxid-Brennstoffzellen wird der Brennstoff und auch das Oxidationsmittel überstöchiometrisch zugeführt, um deren Effizienz zu maximieren. An den Festoxid-Brennstoffzellen nicht abreagierter Brennstoff wird zur Ressourcenschonung in einem Anodenkreislauf rezirkuliert, d.h. den Brennstoffzellen erneut zugeführt. Zur Förderung des Brennstoffes wird eine Saugstrahlpumpe mit dem Brennstoff als Treibmedium eingesetzt, die zugleich den nicht abreagierten Brennstoff aus dem Anodenkreislauf fördert.
Festoxid-Brennstoffzellen benötigen hohe Temperaturen meist über 700°C, bei denen sie betrieben werden, so dass auch die Verwendung der Bezeichnung Hochtemperatur-Brennstoffzelle üblich ist. Wird als Brennstoff Methan verwendet, ist zu beachten, dass dieses im trockenen Zustand bei hohen Temperaturen und niedrigen Drücken im chemischen Gleichgewicht dazu neigt, in Kohlenstoff und Wasserstoff zu zerfallen, wobei der Kohlenstoff ausfällt und Ablagerungen bildet, die Verunreinigungen im System darstellen. Auch kann sich der Kohlenstoff auf der Katalysatorfläche niederschlagen, was in einer verminderten katalytischen Wirkung resultiert.
Zu beachten ist weiterhin, dass die Aussagen zur Kohlenstoffbildung für den Gleichgewichtszustand gelten, dessen Erreichen von der Reaktionskinetik und der Verweilzeit in dem den Zerfall fördernden Zustand abhängt. Wenn die Verweilzeit reduziert wird, wird der Gleichgewichtszustand nicht erreicht. Auch endet der Zerfall, sobald kein trockener Zustand mehr gegeben ist. Wird also das trockene Methangas mit feuchtem Methangas aus dem Anodenkreislauf gemischt, fällt kein Kohlenstoff mehr aus.
Die DE 3427 976 A1 offenbart eine Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von Substraten mit organischen Stoffen zur Erzeugung von Biogas, nämlich Methan. In einem ersten Reaktorraum findet ein erster Fermentationsprozess statt, nämlich eine Hydrolyse- und Säurebildung, während im zweiten Reaktorraum die Methanbildung erfolgt. Dem ersten Reaktorraum ist eine Strahlpumpe zur hydraulischen Umwälzung des Substrats zugeordnet, die durch eine thermische Zirkulation durch einen Wärmetauscher unterstützt wird. In der WO 2009/075692 A2 wird ein Reaktor für die katalytische Erzeugung von Hydrogencyanid HCN beschrieben, bei dem eine Vorerwärmung der zugeführten Gase erfolgt. Eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung betrifft die Lehre der CN 208898500 U, in der vorgeschlagen wird, einen Reformer mit einer Methanversorgungseinheit zu verbinden, wobei die im Abgas der Festoxid-Brennstoff- zellenvorrichtung enthaltene Abwärme zur Erwärmung des Methans und des Reformers genutzt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Festoxid-Brenn- stoffzellenvorrichtung bereit zu stellen, bei der die Bildung von Kohlenstoff aus dem Brennstoff vermindert ist. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Brenn- stoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass für den erwärmten Brennstoff, insbesondere erwärmtes Methan nur eine kurze Wegstrecke in der Brennstoffleitung verbleibt, bis der Brennstoffzellenstapel erreicht ist, so dass die Verweilzeit in dem den Zerfall fördernden Zustand so kurz bemessen ist, dass der Gleichgewichtszustand nicht erreicht wird und die Kohlenstoffbildung reduziert oder sogar verhindert ist. Die Erwärmung des Methan findet unmittelbar vor der Treibdüse statt, nach der die Mischung mit dem feuchten, zurückgeführten Methan erfolgt. Auch dies verhindert die Kohlenstoffbildung. Bevorzugt ist dabei, dass die Übertragerleitung als Teil der Kathodenabgaslei- tung gebildet ist, da so die Erwärmung des Methans energieeffizient erfolgt.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Übertragerleitung stromauf des Luftvorwärmers aus der Kathodenabgasleitung abzweigt und stromab des Luftvorwärmers in die Kathodenabgasleitung mündet. Alternativ kann die Gestaltung so getroffen sein, dass die Übertragerleitung stromab des Luftvorwärmers aus der Kathodenabgasleitung abzweigt und stromab des Luftvorwärmers wieder in die Kathodenabgasleitung mündet, so dass die Erwärmung der Luft nicht beeinträchtigt ist und nur für die Lufterwärmung nicht benötigte Abwärme genutzt wird.
Bevorzugt ist es, wenn der Brennstoff-Wärmeübertrager durch ein vor der T reib- düse angeordnetes Wärmeübertragungselement gebildet ist, in dem mindestens ein Brennstoffkanal ausgebildet ist und das in thermischer Verbindung mit dem Kathodenabgas steht. So wird ein kompakter Aufbau erzielt, der eine große Wärmeübertragung in einem kleinen Volumen ermöglicht. Dies wird auch gefördert, wenn in dem Wärmeübertragungselement mindestens ein Kathodenab- gaskanal ausgebildet ist oder alternativ das Wärmeübertragungselement mit Wärmeübertragungsrippen und/oder Heatpipes gestaltet ist, die in thermischer Verbindung mit dem Kathodenabgas stehen.
Auch für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer derartigen Festoxid-Brenn- stoffzellenvorrichtung gelten die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Wärmeübertrager zur Erwärmung des Brennstoffes stromauf einer Strahlpumpe,
Fig. 2 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausführungsform,
Fig. 3 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausführungsform mit einer alternativen thermischen Kopplung mit dem Kathodenabgaspfad,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Strahlpumpe mit einem integrierten Wärmeübertrager, der von dem Brennstoff und dem Ka- thodenabgas durchströmt wird,
Fig. 5 eine der Figur 4 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausführungsform, mit einem im Wärmeübertrager angeordneten Wärmeübertragungselement, das Brennstoffkanäle sowie Wärmeübertragungsrippen aufweist, und
Fig. 6 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenvorrichtung.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Festoxid-Brennstoffzellenvorrich- tung 1 mit einem aus Festoxid-Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel 2 ist in Figur 6 gezeigt. Die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann beispielsweise Teil eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenfahrzeugs sein. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran. Aus einem Brennstofftank 3, nämlich einem Gasdruckspeicher für Methan wird über eine Anodenzufuhrleitung 4 der Brennstoff, nämlich Wasserstoff enthaltendes Methan, zunächst einem Reformer 5 und dann über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 den Anoden zugeführt. Nicht verbrauchter Brennstoff wird über eine Anodenrezirkulationsleitung 6 wieder in die Anodenzufuhrleitung 4 zurück geführt, wobei eine Strahlpumpe 7 genutzt wird, in der der Brennstoff das Treibmedium darstellt. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas, insbesondere Sauerstoff enthaltende Luft über eine Kathodenzufuhrleitung 8 zugeführt werden, die aus einem Verdichter 9 gespeist wird.
Da die Festoxid-Brennstoffzellen hohe Temperaturen über 700°C benötigen, ist zur Vorerwärmung der Luft stromab des Verdichters 9 ein Luftvorwärmer 10 angeordnet, der vom Kathodenabgas durchströmt wird. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und dem Luftvorwärmer 10 ist ein Nachbrenner 11 einer Ka- thodenabgasleitung 12 zugeordnet, der durch einen Abzweig 13 aus der Anodenrezirkulationsleitung 6 mit nicht verbrauchtem Brennstoff zur weiteren Erwärmung des Kathodenabgases versorgt wird. Stromab des Luftvorwärmers 10 ist eine Druckregelklappe 14 in die Kathodenabgasleitung 12 eingebunden.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist also ausweislich der Figuren 1 bis 5 gebildet mit einem Brennstoffzellenstapel 2, mit einem Brennstofftank 3, der mit dem Brennstoffzellenstapel 2 anodenseitig über eine Anodenzufuhrleitung 4 verbunden ist, der eine Strahlpumpe 7 zugeordnet ist, in die eine Anodenrezirkulationsleitung 6 mündet, mit einem Verdichter 9, der mit dem Brennstoffzellenstapel 2 kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung 8 verbunden ist, der ein Luftvorwärmer 10 zugeordnet ist, durch den eine Kathodenabgasleitung 12 zur Übertragung von Wärme aus dem Kathodenabgas geführt ist. In der Anodenzufuhrleitung 4 ist stromauf einer Treibdüse der Strahlpumpe 7 ein integral mit der Strahlpumpe 7 gebildeter Wärmeübertrager 16 angeordnet, zu dem über eine Übertragerleitung 17 Wärme aus dem Kathodenabgas zuführbar ist, und zwar indem die Übertragerleitung 17 als Teil der Kathodenabgasleitung 12 gebildet ist. In der Figur 1 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Kathodenabgasleitung 12 unmittelbar von dem Brennstoffzellenstapel 2 zu dem Wärmeübertrager 16 und von dort zu dem Nachbrenner 11 beziehungsweise dem Luftvorwärmer 10 geführt ist. Figur 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kathodenabgasleitung 12 von dem Brennstoffzellenstapel 2 zu dem Luftvorwärmer 10 geführt ist und die Übertra- gerleitung 17 stromauf des Luftvorwärmers 10 aus der Kathodenabgasleitung 12 abzweigt und stromab des Luftvorwärmers 10 wieder in die Kathodenabgasleitung 12 mündet. Bei dieser Ausführungsform wird dem Luftvorwärmer 10 weniger Wärme zugeführt im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß Figur 3, bei der die Übertragerleitung 17 stromab des Luftvorwärmers 10 aus der Kathodenabgasleitung 12 abzweigt und stromab des Luftvorwärmers 10 wieder in die Kathodenabgasleitung 12 mündet.
Der Wärmeübertrager 16 ist durch ein vor, mithin stromauf, der Treibdüse 15 angeordnetes Wärmeübertragungselement 18 gebildet (Figur 4), in dem mindestens ein Brennstoffkanal 19 ausgebildet ist und das in thermischer Verbindung mit dem Kathodenabgas steht. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 ist in dem Wärmeübertragungselement 18 mindestens ein Kathodenabgaskanal 20 ausgebildet.
Figur 5 zeigt, dass das Wärmeübertragungselement 18 mit Wärmeübertragungsrippen 21 und/oder Heatpipes gestaltet ist, die in thermischer Verbindung mit dem Kathodenabgas stehen, das um das Wärmeübertragungselement 18 geführt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE:
Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung
Brennstoffzellenstapel
Brennstofftank
Anodenzufuhrleitung
Reformer
Anodenrezirkulationsleitung
Strahlpumpe
Kathodenzufuhrleitung
Verdichter
Luftvorwärmer
Nachbrenner
Kathodenabgasleitung
Abzweig
Druckregelklappe
Treibdüse
Wärmeübertrager
Übertragerleitung
Wärmeübertragungselement
Brennstoffkanal
Kathodenabgaskanal
Wärmeübertragungsrippen

Claims

9 ANSPRÜCHE:
1 . Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), mit einem Brennstofftank (3), der mit dem Brennstoffzellenstapel (2) anodenseitig über eine Anodenzufuhrleitung (4) verbunden ist, der eine Strahlpumpe (7) zugeordnet ist, in die eine Anodenrezirkulationsleitung (6) mündet, mit einem Verdichter (9), der mit dem Brennstoffzellenstapel (2) kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung (8) verbunden ist, der ein Luftvorwärmer (10) zugeordnet ist, durch den eine Kathodenabgasleitung (12) zur Übertragung von Wärme aus dem Kathodenabgas geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anodenzufuhrleitung (4) stromauf einer Treibdüse (15) der Strahlpumpe (7) ein integral mit der Strahlpumpe (7) gebildeter Wärmeübertrager (16) angeordnet ist, zu dem über eine Übertragerleitung (17) Wärme aus dem Kathodenabgas zuführbar ist.
2. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragerleitung (17) als Teil der Kathodenabgasleitung (12) gebildet ist.
3. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragerleitung (17) stromauf des Luftvorwärmers (10) aus der Kathodenabgasleitung (12) abzweigt und stromab des Luftvorwärmers (10) in die Kathodenabgasleitung (12) mündet.
4. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragerleitung (17) stromab des Luftvorwärmers (10) aus der Kathodenabgasleitung (12) abzweigt und stromab des Luftvorwärmers (10) wieder in die Kathodenabgasleitung (12) mündet.
5. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (16) durch ein vor der Treibdüse (15) angeordnetes Wärmeübertragungselement (18) gebildet ist, in dem mindestens ein Brennstoffkanal (19) ausgebildet ist und das in thermischer Verbindung mit dem Kathodenabgas steht. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass in dem Wärmeübertragungselement (18) mindestens ein Kathodenabgaskanal (20) ausgebildet ist. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (18) mit Wärme- Übertragungsrippen (21 ) und/oder Heatpipes gestaltet ist, die in thermischer Verbindung mit dem Kathodenabgas stehen. Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
PCT/EP2021/075032 2020-09-16 2021-09-13 Festoxid-brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellen-fahrzeug WO2022058258A1 (de)

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