WO2023117180A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, sowie verfahren zur herstellung einer solchen brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung, sowie verfahren zur herstellung einer solchen brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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WO2023117180A1
WO2023117180A1 PCT/EP2022/079579 EP2022079579W WO2023117180A1 WO 2023117180 A1 WO2023117180 A1 WO 2023117180A1 EP 2022079579 W EP2022079579 W EP 2022079579W WO 2023117180 A1 WO2023117180 A1 WO 2023117180A1
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fuel cell
deep
unit
cell device
media
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PCT/EP2022/079579
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Jochen Winkler
Martin Hoeller
Daniel Mayer
Sebastian Obermeyer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell device and a method for producing such a fuel cell device, comprising at least one fuel cell unit and at least one processor unit, wherein a media guide unit is arranged between the at least one fuel cell unit and the at least one processor unit,
  • Document DE102019215230 A1 discloses a fuel cell device with fuel cell stacks and processor units, a distributor plate for media routing being arranged between the fuel cell stacks and the processor units.
  • the present invention with the features of the main claim has the advantage that the media guide unit comprises at least one deep-drawn part. This enables an even more compact design. In addition, the variety of parts is reduced and production is simplified. In addition, the flexibility of the fuel cell device with regard to different connections on the at least one fuel cell unit is increased.
  • the Media guide unit comprises at least one planar plate. This enables a stable and simple configuration of the media guide unit.
  • the at least one deep-drawn part is attached, preferably welded, to the planar plate, as a result of which a particularly stable and simple configuration of the media guide unit is made possible.
  • the at least one deep-drawn part in particular with the at least one planar plate, at least essentially forms at least one media routing space for a medium to be fed to the at least one fuel cell unit and/or to be removed from the at least one fuel cell unit.
  • a flexible and easily realizable design of media routing spaces to the at least one fuel cell unit is thus made possible.
  • the at least one deep-drawn part in particular with the at least one planar plate, at least essentially forms at least one media routing space, which extends between at least one processor unit and the at least one fuel cell unit. This enables a flexible and easily realizable design of media routing spaces between the at least one processor unit and the at least one fuel cell unit.
  • the media guide unit comprises a multiplicity of deep-drawn parts, preferably three deep-drawn parts. This additionally increases the flexibility of the fuel cell device with regard to various connections on the at least one fuel cell unit.
  • the at least one deep-drawn part preferably a first deep-drawn part, in particular with the at least one planar plate, at least essentially forms a media routing space from at least one reformer to the at least one fuel cell unit. This enables a flexible and easily realizable design of media routing spaces between the at least one reformer and the at least one fuel cell unit.
  • the at least one deep-drawn part preferably a second deep-drawn part, in particular with the at least one planar plate, at least essentially forms a media routing space from the at least one fuel cell unit to at least one afterburner.
  • This is a flexible and easily realizable Configuration of media routing spaces between the at least one fuel cell unit and the at least one afterburner allows.
  • the at least one deep-drawn part preferably a third deep-drawn part, in particular with the at least one planar plate and/or the second deep-drawn part, at least essentially forms a media routing space from the at least one fuel cell unit to at least one heat exchanger.
  • a flexible and easily realizable design of media routing spaces between the at least one fuel cell unit and the at least one heat exchanger is thus made possible.
  • Method for producing a fuel cell device in particular a fuel cell device according to one of the preceding claims, comprising at least one fuel cell unit and at least one processor unit, wherein a media guide unit is arranged between the at least one fuel cell unit and the at least one processor unit, characterized in that the media guide unit is formed by means of at least one deep-drawn part is trained.
  • the invention also relates to a method for producing a fuel cell device, in particular a fuel cell device according to the preceding description, comprising at least one fuel cell unit and at least one processor unit, a media routing unit for media routing being arranged between the at least one fuel cell unit and the at least one processor unit.
  • the method has the advantage that the media guide unit is formed using at least one deep-drawn part. This also enables an even more compact design. In addition, the variety of parts is also reduced and production is simplified.
  • the media guide unit comprises at least one planar plate and the at least one deep-drawn part is welded to the planar plate. This particularly simplifies production.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of an exemplary embodiment of a fuel cell device
  • FIG. 2 shows a perspective view of an exemplary embodiment of a part of the fuel cell device from FIG. 1
  • FIG. 3 shows a perspective view of the media guide unit of the exemplary embodiment from FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a further perspective view of the media guide unit of the exemplary embodiment from FIG. 2,
  • FIG. 5 shows a perspective view of a deep-drawn part of the exemplary embodiment from FIG. 2,
  • FIG. 6 shows a further perspective view of a deep-drawn part of the exemplary embodiment from FIG. 2, and
  • FIG. 7 shows a further perspective representation of a deep-drawn part of the exemplary embodiment from FIG. 2.
  • the fuel cell device 10 comprises two fuel cell units 12.
  • the fuel cell units 12 are designed as fuel cell stacks which have a multiplicity of fuel cells, in the present case solid oxide fuel cells (SOFC).
  • the fuel cell device 10 comprises a multiplicity of processor units 14.
  • a “processor unit” 14 is to be understood in particular as a unit or component of the fuel cell device 10 which is not a fuel cell unit 12 .
  • the processor units 14 are units for the chemical and/or thermal preparation and/or post-processing of at least one medium to be converted and/or converted in a fuel cell unit 12, such as a fuel gas, air and/or an exhaust gas .
  • One of the processor units 14 is a heat exchanger 18 arranged in an air supply 16 for heating an oxygen-containing air L supplied to the fuel cell units 12.
  • the air L is supplied to a cathode space 20 of the fuel cell units 12, for example in normal operation , while in each case an anode space 22 reformed fuel RB, in the present hydrogen, is supplied.
  • the reformed fuel RB is electrochemically converted by the participation of oxygen from the air L, with the generation of electricity and heat.
  • the reformed fuel RB is generated by fuel B, in the present case natural gas, being supplied to the fuel cell device 10 via a fuel feed 24 , which fuel is reformed in a further processor unit 14 , in the present case a reformer 26 .
  • the fuel cell units 12 are connected on the exhaust gas side to a further processor unit 14 , in the present case to an afterburner 28 .
  • Exhaust gas from the fuel cell units 12 is supplied to the afterburner 28, in the present case cathode exhaust gas KA via a cathode exhaust gas duct 30 and part of the anode exhaust gas AA via an anode exhaust gas duct 32.
  • the cathode exhaust gas KA contains unused air L or unused oxygen, while the anode exhaust gas AA may not -contains converted, reformed fuel RB and/or optionally non-reformed fuel B.
  • the anode waste gas AA or any unreacted, reformed fuel RB contained therein and/or the non-reformed fuel B possibly contained therein, is mixed with the cathode waste gas KA, or the oxygen contained therein of the air L , burned, which can generate additional heat.
  • the hot exhaust gas A produced during the combustion in the afterburner 28 is discharged from the afterburner 28 via an exhaust gas duct 34 via a further processor unit 14, in the present case via a heat exchanger 36.
  • the heat exchanger 36 is included in turn fluidly connected to the reformer 26 so that heat is transferred from the hot exhaust gas A to the fuel B supplied to the reformer 26 . Accordingly, the heat of the hot exhaust gas A can be used for reforming the fuel B supplied in the reformer 26 .
  • a further processor unit 14 in the present case the heat exchanger 18 , is located downstream of the heat exchanger 36 in the exhaust duct 34 , so that the remaining heat of the hot exhaust gas A can be transferred to the air L supplied in the air duct 16 .
  • the remaining heat of the hot exhaust gas can be used for preheating the supplied air L in the air duct 16 .
  • the fuel cell device 10 has a return 38 by means of which part of the anode exhaust gas AA can be branched off from the anode exhaust gas line 32 and fed to an anode recirculation circuit 40 .
  • the anode waste gas AA that is branched off passes through a further processor unit 14, in the present case a further heat exchanger 39.
  • the branched-off portion of the anode waste gas AA can be returned or fed back to the respective anode space 22 of the fuel cell units 12 and/or the reformer 26, so that the unreacted, reformed fuel possibly contained in the branched-off anode waste gas AA RB can subsequently be converted in the fuel cell unit 12 and/or the non-reformed fuel B contained in the branched-off anode waste gas AA can subsequently be reformed in the reformer 26 .
  • the efficiency of the fuel cell device 10 can be further increased.
  • fresh fuel B can be admixed via the fuel feed line 24 to the anode exhaust gas AA that has been branched off and recirculated in the anode recirculation circuit 40 .
  • heat can then be transferred from the branched off anode waste gas AA from the return line 38 to the fuel mixture produced by the admixture of the fresh fuel B in the anode recirculation circuit 40 for thermal processing.
  • the supply of air L in the air supply 16, the supply of fuel B in the fuel supply 24 and the recirculation rate of the anode waste gas AA in the anode recirculation circuit 40 can be regulated and/or coordinated via compressors 42 in the respective lines.
  • the fuel cell device has a heating element 44 for, in the present case additional, heating of the air L supplied to the fuel cell units 12 in a bypass line 46, as a result of which the operating efficiency of the fuel cell device 10 is increased.
  • FIGS. 2 to 7 now represent a possibility for implementing a part of the fuel cell device 10 shown schematically in FIG. 1 in terms of construction technology and serve to illustrate the present invention.
  • Technical design configurations of further components, such as the anode exhaust gas recirculation system 40 are generally known to the person skilled in the art from the prior art and are not shown in more detail in the figures for the sake of clarity.
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of an exemplary embodiment of part of the fuel cell device 10 from FIG. 1 .
  • the part of the fuel cell device 10 shown comprises two fuel cell units 12 and a large number of processor units 14, in the present case a reformer 26 and, in contrast to the circuit diagram from FIG. 1, even two afterburners 28. Between the two fuel cell units 12 and the processor units 14 in the present the reformer 26 and the afterburner 28, in turn a media guide unit 50 is arranged.
  • the media routing unit 50 is intended to route media to at least one fuel cell unit 12 and/or to remove media from a fuel cell unit 12 .
  • media routing unit 50 is provided to route a first medium, such as reformed fuel RB, to at least one fuel cell unit 12 and to conduct a second medium, such as cathode exhaust gas KA, from at least one fuel cell unit 12.
  • the media routing unit 50 is also provided to convey the media via the at least one fuel cell unit 12, in the case shown via the plurality of, or the two, fuel cell units 12, and/or via the at least one processor unit 14, in the case shown via the plurality of processor units 14, to distribute.
  • the media routing unit 50 can also be understood as a distributor unit.
  • FIGS. 3 and 4 show perspective illustrations of the media guide unit 50 of the exemplary embodiment from FIG. 2 .
  • the exemplary embodiment is characterized in that the media guide unit 50 includes deep-drawn parts 52 .
  • Fig. 5 7 to 7 are perspective representations of the deep-drawn parts 52 of the exemplary embodiment from FIG.
  • the deep-drawn line 52 enables an even more compact design of the fuel cell device 10 compared to the prior art.
  • the variety of parts is reduced and production is simplified.
  • the flexibility with regard to different connections of the processor units 14, in the case shown the reformer 26 and the afterburner 28, to the fuel cell units 12 is increased.
  • the media guide unit 50 includes a planar plate 54 in addition to the deep-drawn parts 52.
  • the planar plate 54 enables a stable and simple configuration of the media guide unit 50.
  • the fuel cell units 12 can be stably attached to the planar plate 12 .
  • the planar plate thus fulfills a supporting function for the fuel cell units 12.
  • the fuel cell units 12 could be arranged in some other way.
  • the fuel cell units 12 could be set up on an intermediate support of a housing and only connected to the media routing unit 50 for flow routing.
  • the fuel cell units 12 it would also be possible for the fuel cell units 12 to be set up on the floor and/or a housing base, while the media routing unit 50 is arranged with its deep-drawn parts 52 on the fuel cell units 12 .
  • the fuel cell units 12 or a housing part of the fuel cell units 12 could assume a supporting function for the media routing unit 50 with its deep-drawn parts 52 .
  • the media routing unit 50 in the present case the planar plate 54, has openings 56 for the passage of media to be converted and/or converted in the fuel cell units 12.
  • some of the openings 56 are feed openings 58 which are provided for the passage of media to be converted in the fuel cell units 12 .
  • another part of the openings 56 is discharge openings 60 which are provided for the passage of media converted in the fuel cell units 12 .
  • the media to be converted in the fuel cell units 12 are the air L and the reformed fuel RB. So does the planar plate 50, each for one of the fuel cell units 12, has an air supply opening 62 for the air L and two fuel supply openings 64 for the reformed fuel RB.
  • the media converted in the fuel cell units 12 are again the anode waste gas AA and the cathode waste gas KA.
  • the planar plate 50 has an anode exhaust opening 66 and two cathode exhaust openings 68 for each of the fuel cell units 12 .
  • the deep-drawn parts 52 are attached to the planar plate 54, welded in the case shown. This enables a particularly stable and at the same time cost-effective design.
  • the deep-drawn parts 52 together with the planar plate 54 each form media routing spaces for the media to be supplied to the fuel cell units 12 and/or for the media to be discharged from the fuel cell units 12 .
  • these media routing spaces are formed between the deep-drawn parts 52 and the planar plate 54 .
  • said media routing spaces can also be understood as media routing channels.
  • the media routing spaces extend between the processor units 14 and the fuel cell units 12. In the case shown, the media routing spaces each extend from a processor unit 14 to a feed opening 58 or from a discharge opening 60 to a processor unit 14.
  • a first deep-drawn part 70 forms with the planar plate 54 a first media-guiding space, which extends from the reformer 16 to the fuel cell units 12, in the present case up to the fuel supply openings 64. In this way, reformed fuel RB can be routed from the reformer 26 to the fuel cell units 12 via this first media routing space.
  • the first deep-drawn part correspondingly has a connection opening 72 for the reformer 26 . As a result, the reformer 26 can be connected to the first deep-drawn part 70 in a particularly simple manner.
  • a second deep-drawn part 74 forms with the planar plate 54 a second media-guiding space, which extends from the fuel cell units 12, in the present case from the anode exhaust gas openings 66, to the afterburners 28.
  • This second media routing space corresponds to the anode exhaust gas routing 32 from FIG. 1 Fuel cell units 12 to the afterburners 28 are performed.
  • the second deep-drawn part 74 correspondingly has two connection openings 76 for the afterburners 28 .
  • the afterburners 28 can be connected to the second deep-drawn part 74 in a particularly simple manner.
  • a third deep-drawn part 78 forms a third media routing space with the planar plate, which extends from the fuel cell units 12 , in the present case from the second media routing space of the second deep-drawn part 74 , to the heat exchanger 39 .
  • This third media routing space corresponds to the return line 38 from FIG.
  • the third deep-drawn part 78 correspondingly has two connection areas 80 which are designed to correspond to two recesses 82 in the second deep-drawn part 74 .
  • the second deep-drawn part 74 and the third deep-drawn part 78 are welded to one another at the connection regions 80 or at the recesses 82 corresponding thereto.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (10) und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung (10), umfassend zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (12) und zumindest eine Medienführungseinheit (50). Die Brennstoffzellenvorrichtung (10) zeichnet sich dadurch aus, dass die Medienführungseinheit (50) zumindest ein Tiefziehteil (52) umfasst.

Description

Beschreibung
Titel einer solchen
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und zumindest eine Prozessoreinheit, wobei zwischen der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit und der zumindest einen Prozessoreinheit eine Medienführungseinheit angeordnet ist,
Stand der Technik
Das Dokument DE102019215230 Al offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Brennstoffzellenstacks und Prozessoreinheiten, wobei zwischen den Brennstoffzellenstacks und den Prozessoreinheiten eine Verteilerplatte zur Medienführung angeordnet ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Medienführungseinheit zumindest ein Tiefziehteil umfasst. Dadurch wird eine noch kompaktere Bauweise ermöglicht. Zudem wird die Teilevielfalt reduziert und die Herstellung vereinfacht. Darüber hinaus wird die Flexibilität der Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich verschiedener Anschlüsse an der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit erhöht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich. So ist es von Vorteil, wenn die Medienführungseinheit zumindest eine planare Platte umfasst. Dadurch wird eine stabile und einfache Ausgestaltung der Medienführungseinheit ermöglicht.
Von Vorteil ist es auch, wenn das zumindest eine Tiefziehteil an der planaren Platte angebracht, vorzugsweise angeschweißt, ist, wodurch eine besonders stabile und einfache Ausgestaltung der Medienführungseinheit ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist es, wenn das zumindest eine Tiefziehteil, insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte, zumindest im Wesentlichen zumindest einen Medienführungsraum für ein der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit zuzuführendes und/oder von der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit abzuführendes Medium bildet. So wird eine flexible und einfach realisierbare Ausgestaltung von Medienführungsräumen zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit ermöglicht.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das zumindest eine Tiefziehteil, insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte, zumindest im Wesentlichen zumindest einen Medienführungsraum bildet, welcher sich zwischen zumindest einer Prozessoreinheit und der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit erstreckt. So wird eine flexible und einfach realisierbare Ausgestaltung von Medienführungsräumen zwischen der zumindest einen Prozessoreinheit und der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit ermöglicht.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Medienführungseinheit eine Vielzahl von Tiefziehteilen, vorzugsweise drei Tiefziehteile, umfasst. Dadurch wird die Flexibilität der Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich verschiedener Anschlüsse an der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit zusätzlich erhöht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zumindest eine Tiefziehteil, vorzugsweise ein erstes Tiefziehteil, insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte, zumindest im Wesentlichen einen Medienführungsraum von zumindest einem Reformer zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit bildet. So wird eine flexible und einfach realisierbare Ausgestaltung von Medienführungsräumen zwischen dem zumindest einen Reformer und der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das zumindest eine Tiefziehteil, vorzugsweise ein zweites Tiefziehteil, insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte, zumindest im Wesentlichen einen Medienführungsraum von der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit zu zumindest einem Nachbrenner bildet. So wird eine flexible und einfach realisierbare Ausgestaltung von Medienführungsräumen zwischen der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit und dem zumindest einen Nachbrenner ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das zumindest eine Tiefziehteil, vorzugsweise ein drittes Tiefziehteil, insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte und/oder dem zweiten Tiefziehteil, zumindest im Wesentlichen einen Medienführungsraum von der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit zu zumindest einem Wärmeübertrager bildet. So wird eine flexible und einfach realisierbare Ausgestaltung von Medienführungsräumen zwischen der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit und dem zumindest einen Wärmeübertrager ermöglicht.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und zumindest eine Prozessoreinheit, wobei zwischen der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit und der zumindest einen Prozessoreinheit eine Medienführungseinheit angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienführungseinheit mittels zumindest einem Tiefziehteil ausgebildet wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung nach der vorhergehenden Beschreibung, umfassend zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und zumindest eine Prozessoreinheit, wobei zwischen der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit und der zumindest einen Prozessoreinheit eine Medienführungseinheit zur Medienführung angeordnet wird. Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Medienführungseinheit mittels zumindest einem Tiefziehteil ausgebildet wird. Dadurch wird ebenfalls eine noch kompaktere Bauweise ermöglicht. Zudem wird ebenfalls die Teilevielfalt reduziert und die Herstellung vereinfacht.
Darüber hinaus wird ebenfalls die Flexibilität der Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich verschiedener Anschlüsse an der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit erhöht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Medienführungseinheit zumindest eine planare Platte umfasst und das zumindest eine Tiefziehteil an die planare Platte geschweißt wird. Dadurch wird die Herstellung besonders vereinfacht. Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Scheltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Teils der Brennstoffzellenvorrichtung aus Fig. 1
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Medienführungseinheit des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2,
Fig. 4 eine weitere perspektivische Darstellung der Medienführungseinheit des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Tiefziehteils des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2,
Fig. 6 eine weitere perspektivische Darstellung eines Tiefziehteils des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2, und
Fig. 7 eine weitere perspektivische Darstellung eines Tiefziehteils des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstacks ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen. Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. Unter einer „Prozessoreinheit“ 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Brenngases, einer Luft und/oder eines Abgases.
Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten, sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt.
Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, im vorliegenden Fall Erdgas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegendem Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchte Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nichtumgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.
Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden.
Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf die zugeführte Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen der zugeführten Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.
Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39.
Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des weiteren Wärmeübertragers 39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden.
Über Verdichter 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr von Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis 40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleninheiten 12 zugeführten Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird.
Die in Fig. 2 bis Fig. 7 dargestellten Vorrichtungen und Bauteile stellen nun eine Möglichkeit zur konstruktionstechnischen Umsetzung eines Teiles der in Fig. 1 schematisch dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung 10 dar und dienen der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung. Konstruktionstechnische Ausgestaltungen von weiteren Komponenten, wie beispielsweise die Anodenabgasrezirkulation 40, sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und zur Wahrung der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht näher dargestellt.
In Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Teils der Brennstoffzellenvorrichtung 10 aus Fig. 1 gezeigt. Der gezeigte Teil der Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 und eine Vielzahl an Prozessoreinheiten 14, im vorliegenden Fall einen Reformer 26 und im Unterschied zu dem Schaltbild aus Fig. 1 sogar zwei Nachbrenner 28. Zwischen den zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 und den Prozessoreinheiten 14, im vorliegenden dem Reformer 26 und dem Nachbrenner 28, wiederum ist eine Medienführungseinheit 50 angeordnet.
Die Medienführungseinheit 50 ist dazu vorgesehen Medien zu zumindest einer Brennstoffzelleneinheit 12 zu führen und/oder von einer Brennstoffzelleneinheit 12 abzuführen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Medienführungseinheit 50 dazu vorgesehen ein erstes Medium, wie beispielsweise den reformierten Brennstoff RB, zu zumindest einer Brennstoffzelleneinheit 12 zu führen und ein zweites Medium, wie beispielsweise das Kathodenabgas KA, von zumindest einer Brennstoffzelleneinheit 12 abzuführen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Medienführungseinheit 50 auch dazu vorgesehen die Medien über die Zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 12, im gezeigten Fall über die Vielzahl der, bzw. die zwei, Brennstoffzelleneinheiten 12, und/oder über die zumindest eine Prozessoreinheit 14, im gezeigten Fall über die Vielzahl der Prozessoreinheiten 14, zu verteilen. Entsprechend kann die Medienführungseinheit 50 auch als Verteilereinheit verstanden werden.
In Fig. 3 und Fig. 4 sind perspektivische Darstellungen der Medienführungseinheit 50 des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2 gezeigt. Das Ausführungsbeispiel zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Medienführungseinheit 50 Tiefziehteile 52 umfasst. Entsprechend sind in Fig. 5 bis Fig. 7 perspektivische Darstellungen der Tiefziehteile 52 des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2 dargestellt.
Durch die Tiefziehzeile 52 wird im Vergleich zum Stand der Technik eine noch kompaktere Bauweise der Brennstoffzellenvorrichtung 10 ermöglicht. Darüber hinaus wird die Teilevielfalt reduziert und die Herstellung vereinfacht. Außerdem wird die Flexibilität hinsichtlich verschiedener Anschlüsse der Prozessoreinheiten 14, im gezeigten Fall des Reformers 26 und der Nachbrenner 28, an die Brennstoffzelleneinheiten 12 erhöht.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Medienführungseinheit 50 neben den Tiefziehteilen 52 eine planare Platte 54. Durch die planare Platte 54 wird eine stabile und einfache Ausgestaltung der Medienführungseinheit 50 ermöglicht. Unter Anderem können die Brennstoffzelleneinheiten 12 an der planaren Platte 12 stabil angebracht werden. So erfüllt die planare Platte eine tragende Funktion für die Brennstoffzelleneinheiten 12.
Alternativ wäre es aber auch möglich die Medienführungseinheit 50 nur aus Tiefziehteilen 52, ohne die planare Platte 54, auszubilden, wobei die Brennstoffzelleneineheiten 12 anderweitig angeordnet werden könnten. Beispielsweise könnten die Brennstoffzelleneinheiten 12 auf einen Zwischenträger eines Gehäuses aufgestellt werden und lediglich zur Strömungsführung mit der Medienführungseinheit 50 verbunden werden. Es wäre aber auch möglich, dass die Brennstoffzelleneinheiten 12 auf den Fußboden und/oder einen Gehäuseboden aufgestellt werden, während die Medienführungseinheit 50 mit ihren Tiefziehteilen 52 auf den Brennstoffzelleneinheiten 12 angeordnet wird. In diesem Fall könnten die Brennstoffzelleneinheiten 12, bzw. ein Gehäuseteil der Brennstoffzelleneinheiten 12 eine tragende Funktion für die Medienführungseinheit 50 mit ihren Tiefziehteilen 52 übernehmen.
Die Medienführungseinheit 50, im vorliegenden Fall die planare Platte 54, weist Öffnungen 56 zur Durchführung von in den Brennstoffzelleneinheiten 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Medien auf. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei einem Teil der Öffnungen 56 um Zuführöffnungen 58, welche zur Durchführung von in den Brennstoffzelleneinheiten 12 umzusetzenden Medien vorgesehen sind. Bei einem anderen Teil der Öffnungen 56 handelt es sich hingegen um Abführöffnungen 60, welche zur Durchführung von in den Brennstoffzelleneinheiten 12 umgesetzten Medien vorgesehen sind.
Im vorliegenden Fall handelt es sich bei den in den Brennstoffzelleneinheiten 12 umzusetzenden Medien um die Luft L und den reformierten Brennstoff RB. So weist die planare Platte 50 jeweils für eine der Brennstoffzelleneinheiten 12 eine Luftzuführöffnung 62 für die Luft L und zwei Brennstoffzuführöffnungen 64 für den reformierten Brennstoff RB auf.
Bei den in den Brennstoffzelleneinheiten 12 umgesetzten Medien handelt es sich im vorliegenden Fall wiederum um das Anodenabgas AA und das Kathodenabgas KA. So weist die planare Platte 50 jeweils für eine der Brennstoffzelleneinheiten 12 eine Anodenabgasöffnung 66 und zwei Kath odenabgasöffnungen 68 auf.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Tiefziehteile 52 an der planaren Platte 54 angebracht, im gezeigten Fall angeschweißt. Dadurch wird eine besonders stabile und zugleich kostengünstige Ausgestaltung ermöglicht.
Die Tiefziehteile 52 bilden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit der planaren Platte 54 jeweils Medienführungsräume für die den Brennstoffzelleneinheiten 12 zuzuführenden und/oder für die von den Brennstoffzelleneinheiten 12 abzuführenden Medien. Diese Medienführungsräume sind im gezeigten Fall zwischen den Tiefziehteilen 52 und der planaren Platte 54 ausgebildet. Die besagten Medienführungsräume können im Rahmen dieser Erfindung auch als Medienführungskanäle verstanden werden. Die Medienführungsräume erstrecken sich zwischen den Prozessoreinheiten 14 und den Brennstoffzelleneinheiten 12. In dem gezeigten Fall erstrecken sich die Medienführungsräume jeweils von einer Prozessoreinheit 14 bis zu einer Zuführöffnung 58 oder von einer Abführöffnung 60 bis zu einer Prozessoreinheit 14.
Ein erstes Tiefziehteil 70 bildet mit der planaren Platte 54 einen ersten Medienführungsraum, welcher sich von dem Reformer 16 zu den Brennstoffzelleneinheiten 12, im vorliegenden Fall bis zu den Brennstoffzuführöffnungen 64, erstreckt. So kann über diesen ersten Medienführungsraum reformierter Brennstoff RB vom Reformer 26 zu den Brennstoffzelleneinheiten 12 geführt werden. Das erste Tiefziehteil weist entsprechend eine Anschlussöffnung 72 für den Reformer 26 auf. Dadurch kann der Reformer 26 besonders einfach an das erste Tiefziehteil 70 angeschlossen werden.
Ein zweites Tiefziehteil 74 bildet mit der planaren Platte 54 einen zweiten Medienführungsraum, welcher sich von den Brennstoffzelleneinheiten 12, im vorliegenden Fall von den Anodenabgasöffnungen 66, zu den Nachbrennern 28 erstreckt. Dieser zweite Medienführungsraum korrespondiert zu der Anodenabgasführung 32 aus Fig. 1. So kann über diesen zweiten Medienführungsraum Anodenabgas AA von den Brennstoffzelleneinheiten 12 zu den Nachbrennern 28 geführt werden. Das zweite Tiefziehteil 74 weist entsprechend zwei Anschlussöffnungen 76 für die Nachbrenner 28 auf. Dadurch können die Nachbrenner 28 besonders einfach an das zweite Tiefziehteil 74 angeschlossen werden.
Ein drittes Tiefziehteil 78 bildet mit der planaren Platte einen dritten Medienführungsraum, welcher sich von den Brennstoffzelleneinheiten 12, im vorliegenden Fall von dem zweiten Medienführungsraum des zweiten Tiefziehteils 74, zu dem Wärmeübertrager 39 erstreckt. Dieser dritte Medienführungsraum korrespondiert zu der Rückführleitung 38 aus Fig. 1. So kann über diesen dritten Medienführungsraum Anodenabgas AA aus dem zweiten Medienführungsraum des zweiten Tiefziehteils 74 abgezweigt und zu dem Wärmeübertrager 39 geführt werden. Das dritte Tiefziehteil 78 weist entsprechend zwei Anschlussbereiche 80 auf, welche korrespondierend zu zwei Ausnehmungen 82 des zweiten Tiefziehteils 74 ausgebildet sind. Das zweite Tiefziehteil 74 und das dritte Tiefziehteil 78 werden für das vorliegende Ausführungsbeispiel an den Anschlussbereichen 80, bzw. an den dazu korrespondierenden Ausnehmungen 82, miteinander verschweißt.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellenvorrichtung (10), umfassend zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (12) und zumindest eine Medienführungseinheit (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Medienführungseinheit (50) zumindest ein Tiefziehteil (52) umfasst.
2. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienführungseinheit (50) zumindest eine planare Platte (54) umfasst.
3. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Tiefziehteil (52) an der planaren Platte (54) angebracht, vorzugsweise angeschweißt, ist.
4. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Tiefziehteil (52), insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte (54), zumindest im Wesentlichen zumindest einen Medienführungsraum für ein der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (12) zuzuführendes und/oder von der zumindest einen Brennstoffzelleinheit (12) abzuführendes Medium bildet.
5. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Tiefziehteil (52), insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte (54), zumindest im Wesentlichen zumindest einen Medienführungsraum bildet, welcher sich zwischen zumindest einer Prozessoreinheit (14) und der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (12) erstreckt.
6. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienführungseinheit (50) eine Vielzahl von Tiefziehteilen (52), vorzugsweise drei Tiefziehteile (70, 74, 78), umfasst. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Tiefziehteil (52), vorzugsweise ein erstes Tiefziehteil (70), insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte (54), zumindest im Wesentlichen einen Medienführungsraum von zumindest einem Reformer (26) zu der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (12) bildet. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Tiefziehteil (52), vorzugsweise ein zweites Tiefziehteil (74), insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte (54), zumindest im Wesentlichen einen Medienführungsraum von der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (12) zu zumindest einem Nachbrenner (28) bildet. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Tiefziehteil (52), vorzugsweise ein drittes Tiefziehteil (78), insbesondere mit der zumindest einen planaren Platte (54) und/oder dem zweiten Tiefziehteil (74), zumindest im Wesentlichen einen Medienführungsraum von der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (12) zu zumindest einem Wärmeübertrager (39) bildet. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (12) und zumindest eine Medienführungseinheit (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Medienführungseinheit (50) mittels zumindest einem Tiefziehteil (52) ausgebildet wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienführungseinheit (50) zumindest eine planare Platte (54) umfasst und das zumindest eine Tiefziehteil (52) an die planare Platte (54) geschweißt wird.
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