WO2023279128A1 - Brennstoffzellensystem mit einer rekombinationsvorrichtung - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einer rekombinationsvorrichtung Download PDF

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WO2023279128A1
WO2023279128A1 PCT/AT2022/060239 AT2022060239W WO2023279128A1 WO 2023279128 A1 WO2023279128 A1 WO 2023279128A1 AT 2022060239 W AT2022060239 W AT 2022060239W WO 2023279128 A1 WO2023279128 A1 WO 2023279128A1
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WO
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fuel cell
recombination device
gas
cell system
section
Prior art date
Application number
PCT/AT2022/060239
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English (en)
French (fr)
Inventor
Raphael NEUBAUER
David REICHHOLF
Original Assignee
Avl List Gmbh
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Publication date
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system with a recombination device for protection against an explosive atmosphere in an insulating housing.
  • fuel cell systems of different constructions are used to produce a fuel gas or to produce electricity.
  • a fuel gas is supplied to the fuel cell system for the production of electric power, while fuel gas is produced while consuming electric power. In both cases it is an inflammable fuel gas such as hydrogen or methane.
  • a high-temperature fuel cell can be used as a construction of the fuel cell system.
  • thermally insulated insulating housings are usually provided, which are also referred to as hot boxes, within which the fuel cell stack is arranged.
  • a disadvantage of the known solutions is that in the case of high-temperature fuel cells, leakage within the hotbox cannot be completely ruled out.
  • high temperature fluctuations between normal ambient temperature and operating temperatures of 400 C° to 900 C° can lead to small leaks in the lines and/or other components within the hotbox due to thermal expansion or wear. In extreme cases, this could lead to fuel gas escaping and accumulating through such a leak inside the housing.
  • since at a high-temperature fuel cell there is a correspondingly high internal temperature in this insulating housing there is a risk of ignition of this fuel gas within the insulating housing from a defined ignition concentration. In order to avoid this, either a very high degree of accuracy and avoidance during assembly and thus a related avoidance of leaks is necessary.
  • the gas flow of the fuel cell system is carried out under negative pressure, so that in the event of a leak, no gas escapes into the hotbox, but rather gas is sucked from the interior of the hotbox into the line operated with negative pressure. This reduces the operational variability of the fuel cell system. It is also known to provide such an insulating housing with a complex active gas exchange in order to regularly provide ventilation of the interior of the insulating housing.
  • a fuel cell system has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section.
  • the anode section is provided with an anode supply section for supplying anode supply gas and an anode discharge section for discharging anode off-gas.
  • the cathode section is equipped with a cathode supply section for supplying cathode supply gas and a cathode discharge section for discharging cathode off-gas.
  • the fuel cell stack and at least sections of the anode feed section, the anode discharge section, the cathode feed section and the cathode discharge section are arranged within a thermally insulated insulating housing.
  • At least one catalytic recombination device is arranged within this insulating housing in a fuel cell system according to the invention.
  • This recombination device has a catalyst body with a catalyst surface for a catalytic combination of at least one fuel gas of the fuel cell stack with an oxidizing gas.
  • a fuel cell system according to the invention is based on known constructions of high-temperature fuel cells.
  • a fuel cell system according to the invention can therefore also be referred to as a high-temperature fuel cell system.
  • This fuel cell system is arranged with its essential functional components within the thermally insulated insulating housing. This iso liergephase is often referred to as a hot box and is used to increase the efficiency of the operation of the fuel cell system.
  • temperatures within this thermally insulated insulating housing are, for example, in the range between approximately 400° C. and up to 900° C.
  • a combustible gas is any gas which would ignite under the influence of a high temperature and/or an ignition spark from an ignition concentration and could lead to a combustion reaction and/or an explosion.
  • An oxidizing gas is a gas that chemically oxidizes the fuel gas and in this way reduces the concentration of fuel gas again, in particular below the ignition concentration.
  • the core idea of the invention is now based on the fact that leaks in the individual feed sections and discharge sections of the anode section and the cathode section can be accepted since the fuel gas can be catalytically converted if it exits through such a leak.
  • the fuel gas can be contained in one of the feed sections and/or in one of the discharge sections. For example, if the fuel cell system generates the fuel gas in electrolysis mode while consuming electricity, this fuel gas can be contained in one of the discharge sections and can escape into the interior of the insulating housing via corre sponding leaks in this discharge section. If the fuel cell system is operated in power generation mode, the fuel gas can be contained in the anode feed section, for example, but also a residual amount of such a fuel gas in one of the discharge sections.
  • the fuel gas can get into the interior of the insulating housing via a leak in the feed section or the corresponding discharge sections.
  • the arrangement of the catalytic recombination device now makes it possible for the fuel gas to react in a catalyzed manner with the oxidizing gas and in this way to be converted into a reaction product which is no longer combustible.
  • hydrogen as a fuel gas can be converted into water vapor with oxygen as the oxidation gas on the catalyst body.
  • methane gas with the corresponding oxygen within the insulating housing into carbon dioxide and water vapor is also possible.
  • the catalyst body has a catalyst material for this catalytic effect.
  • This can form the catalyst surface, for example as a catalyst material on the surface of the Kata analyzer.
  • the catalyzer body can also be formed completely or essentially completely from such a catalyzer material.
  • the catalyst body can have a honeycomb structure, a ribbed structure or a pore-shaped configuration, for example, which is correspondingly coated with catalyst material as the catalyst surface.
  • ceramic components or sintered materials are conceivable as catalyst bodies in order to provide an optimized and correspondingly enlarged catalyst surface.
  • the at least one recombination device is arranged in a gas collection section of the insulating housing, in which the at least one fuel gas collects during operation of the fuel cell stack.
  • This is, of course, fuel gas that has gotten into the inner space of the insulating housing through a possible leak in the feed section, the discharge section or on the fuel cell stack itself.
  • the gas collection section is based on the flow conditions within the insulating housing and the density differences in the atmosphere of the insulating housing. If the fuel gas is, for example, a gaseous component with a lower density than the rest of the atmosphere inside the insulating housing, the gas collecting section will be arranged accordingly in an upper region of the insulating housing.
  • several gas collection sections can also be defined in order to equip different gas collection sections with one or even more recombination devices for different operating situations and/or different temperatures.
  • a further advantage arises when a defined quantity of fresh oxidation gas is introduced into the insulating housing at a defined point and the recombination device is positioned in front of a defined outlet point.
  • This arrangement and in combination with the forced convection can ensure that all fuel gas from a leak is also converted at the recombination device.
  • heat can also be exchanged between the outlet and the inlet.
  • the catalyst body has, at least in sections, a geometry with an enlarged catalyst surface, in particular at least one of the following geometries:
  • honeycomb geometry honeycomb geometry, pore geometry.
  • a porous catalyst body can have a plurality of rib structures in order to be able to provide a further reinforced and enlarged catalyst surface.
  • a wide variety of geometries are conceivable here.
  • the larger the catalyst surface area the greater the catalytic effect and the conversion rates associated with it.
  • an enlarged catalytic converter surface can provide greater safety, so that the concentration of combustible gas remains below a predefined ignition concentration.
  • the catalyzer surfaces can also be at least partially integrated on and/or in a wall of the insulating housing.
  • the recombination device has a vertical or essentially vertical through-flow direction for fuel gas and oxidizing gas to flow through in relation to a direction of gravity of the fuel cell system.
  • This vertical orientation in particular along a straight line, causes the fuel gas and the oxidizing gas to react with one another catalytically within the catalyst body, with heat usually being released.
  • the reaction gas is heated by the heat released, creating a chimney effect within the catalyst body.
  • This is fundamentally un dependent on the type and orientation of the inlets and outlets of the catalyzer body, but can be further supported by the guide elements explained later.
  • the defined and, in particular, vertically aligned flow direction not only leads to improved flow through the catalyst body, but also leads to an actively forced circulation in the interior of the insulating housing.
  • combustion gases are automatically circulated from other sections of the insulating housing to the recombination device, so to speak.
  • the inventive effect of recombination increases further, so that in particular a smaller design of the recombination device and in particular of the catalyst body is sufficient for the same safety in explosion protection.
  • the recombination device has at least partially guide elements, in particular in the form of guide walls, for guiding the fuel gas and the oxidizing gas along the flow direction.
  • guide elements serve to further enhance the chimney effect, as explained in the previous paragraph.
  • a lateral inflow is also conceivable in principle, but the guide walls preferably enclose the catalyst body in such a way that in particular a single defined inlet opening from the interior of the insulating housing to the catalyst body and a single defined outlet opening from the catalyst body to the interior of the insulating housing are formed. This reduces or even minimizes the lateral inflow, so that the chimney effect can be further enhanced according to the previous paragraph.
  • the catalyst body in particular has a constant or essentially constant flow cross section along the flow direction.
  • This flow cross-section is in particular regular, preferably rotationally symmetrical, for example round.
  • a cylindrical design of the recombination device can have cylindrical wall sections, in the cavity of which the catalyst body, also of cylindrical design, is arranged.
  • the Flea cylinder of the guide elements i.e. the correspondingly designed piece of pipe, has a corresponding inlet and outlet opening at the lower and upper end, with the flow cross section, preferably as a round Strö flow cross section, extending constantly between the inlet and outlet.
  • the recombination device has at least one temperature sensor for detecting at least one of the following temperatures:
  • a temperature sensor for detecting the temperature in the interior of the insulating housing is provided at a distance from the recombination device. Because the temperature can be monitored, in the simplest case it can be monitored whether an ignition temperature is exceeded or not. By monitoring the heat development on the catalyst body, for example through the material temperature or the difference between the outlet temperature and inlet temperature at the recombination device, the currently accessed catalytic effect can be recorded. The stronger a conversion takes place in a catalyzed manner within the recombination device, the greater the heating effect, which in turn can be detected by the temperature sensor.
  • this design is free of a gas sensor in the insulating housing.
  • the recombination device has at least one heating element for active heating of the catalyst body.
  • This can be an electrical heating element, for example.
  • Such an electric heating element can be integrated into the catalyst body as well as being arranged in lateral guide elements.
  • the active heating of the recombination device and/or the catalyst body means that the chimney effect already explained several times can be generated or intensified even during start-up processes of the fuel cell system or other cooler modes of operation at correspondingly low operating temperatures.
  • the catalytic effect can also be made available when the temperature inside the insulating housing is still below the catalytic active temperature of the catalyst material is.
  • the recombination and the protective effect can also be made available in cold operating situations.
  • inductive heating elements and/or capacitive heating elements are conceivable as electrical heating elements.
  • the catalyst body has the heating element at least in sections according to the preceding paragraph. This leads to an integration of the heating element in the catalyst body or even to the formation of the heating element by the catalyst body.
  • the catalyst body can be designed to be at least partially electrically conductive, so that it provides resistance heating for the catalyst body when electrically energized.
  • recombination devices are arranged in at least two different positions in the insulating housing, with the flow directions of the recombination devices in particular being aligned parallel or essentially parallel.
  • at least two recombination devices are even aligned coaxially with one another, so that the chimney effect is passed on to the other recombination device and the overall circulation within the insulating housing is further intensified.
  • these different positions are formed at different vertical heights within the isolating housing, so that the recombination devices also at different heights reinforce the forced circulation in the isolating housing.
  • the insulating housing is designed as a low-pressure housing in relation to the internal pressures in the anode feed section, the anode discharge section, the cathode feed section and/or the cathode discharge section. This means that even if you accept a possible leakage, the feed sections and the discharge sections of the fuel cell stack can operate very freely, ie can be operated both in negative pressure mode and in positive pressure mode.
  • the insulating housing as a vacuum housing is possible, since even in the case of a vacuum, ie when fuel gas enters the insulating housing through a leak, the Explosion protection is guaranteed against unwanted ignition of the fuel gas by the kata lytic recombination effect of the recombination device.
  • Another object of the present invention is a recombination device for use in a fuel cell system according to the invention.
  • a recombination device has a catalytic converter body with a catalytic converter surface for a catalytic recombination of at least one fuel gas of the fuel cell stack with an oxidizing gas.
  • a fastening supply interface is also provided for fastening in the insulating housing of the fuel cell system.
  • Fig. 1 an embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 2 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 shows an embodiment of a recombination device according to the invention
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention
  • 7 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention
  • Fig. 8 shows the embodiment of Figure 7 in a side view
  • FIG. 9 shows a further embodiment of a recombination device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic of a fuel cell system 100 with an insulating housing 140 designed as a flot box.
  • the anode section 120 receives anode feed gas AZG via an anode feed section 122 and produces anode exhaust gas AAG, which it discharges via the anode discharge section 124 .
  • the cathode section 130 holds cathode feed gas KZG via the cathode feed section 132 and discharges cathode exhaust gas KAG via the cathode discharge section 134 .
  • the two feed sections 122 and 132 and the two discharge sections 124 and 134 lead through the insulating housing 140 and can be released outside to the environment, for example, or be provided with corresponding further components in a fluid-communicating manner.
  • the entire fuel cell system can, of course, have further components such as recirculation lines, reformer devices, heat exchanger devices, afterburner devices or the like. These are not shown in FIG. 1 for the sake of clarity.
  • a recombination device 10 is arranged in a gas collecting section 142 of the insulating housing 140 .
  • a catalyst body 20 which has a catalytically active catalyst surface 22 .
  • guide elements 30 can already be seen, which supportively provide a flow direction DR.
  • Fuel gas BG will therefore flow through recombination device 10 along flow direction DR together with oxidizing gas OG, which is located within the atmosphere of insulating housing 140, thereby catalytically converting fuel gas BG into a reaction gas.
  • the fuel gas concentration is reduced and it is ensured that an ignition concentration is not exceeded.
  • FIG. 2 shows a similar solution, but here the gas collection section 142 is formed over the entire vertical height counter to the direction of gravity SR.
  • Two identical recombination devices 10 are arranged here, one in the upper part and one in the lower part.
  • the correspondingly designed throughflow direction of each recombination device 10 is parallel and here even coaxial to one another, so that circulation within the insulating housing 140 is made available in an increased manner.
  • FIGS. 3 to 9 show different embodiments of recombination devices 10, as can be used in fuel cell systems 100, for example according to FIGS.
  • FIG. 3 shows a solution with a chimney effect, which has a round cross section.
  • the catalyst body 20 is formed here as a porous ceramic and is surrounded by a tubular guide element 30 Füh.
  • the catalyst surface 22 is formed by the honeycomb or pore-shaped internal surfaces on the catalyst body 20 and can have a coating of catalyst material, for example.
  • the flow cross section SQ which is defined here by the radial extension of the catalyst body 20 is essentially constant between the Input, the course and the output of the recombination device 10.
  • oxidizing gas OG and fuel gas BG can now enter the cata- gate body 20.
  • the catalytic conversion between the fuel gas BG and the oxidizing gas OG takes place through the catalytic converter surface 22, heat generation usually taking place.
  • the resulting reaction gas rises further along the flow direction DR and exits again at the upper end through the outlet opening of the recombination device 10 .
  • the chimney effect achieved in this way leads to improved flow and forced circulation in the insulating housing 140.
  • Figure 3 also shows a fastening interface 60 for defined mechanical fastening in the desired position within the insulating housing 140.
  • FIG. 4 is based on the embodiment of FIG. 3.
  • Three temperature sensors 40 are additionally arranged here, which can determine temperatures at three points.
  • the current catalytic reaction performance and thus the active recombination effect can thus be qualitatively or even quantitatively determined by the waste heat that can be detected in this way, so that the recombination performance can be checked or monitored to protect against explosion damage.
  • FIG. 5 is also based on the embodiment of FIG. 3.
  • a flexible element 50 is integrated into the guide elements 30 here.
  • a lateral flexing of the catalytic converter body 20, activated for example by an electric current, is thus possible.
  • FIG. 6 shows a similar possibility, in which the flexible element 50 is integrated into the catalyst body 20 so that it can be flowed through. In both cases, the temperature of the catalyst body 20 can be actively increased, so that even in cold operating situations, for example when starting up the fuel cell system 100, the desired safety function can be guaranteed by recombination in a catalytic manner.
  • the catalyst body 20 has several Individual components, which are arranged in ribs here.
  • the individual parts of the catalytic converter body can also be porous again, but they can also be designed as a solid material.
  • the catalyst surface 22 is at least provided by the ripped surfaces of the individual parts of the catalyst body 20 .
  • a combination with porous catalyst bodies 20 is also conceivable.
  • FIG. 9 develops the embodiment of FIG. 3 in that the flow cross section SQ is reduced along the flow direction DR.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), wobei der Anodenabschnitt (120) einen Anodenzuführabschnitt (122) zum Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG) aufweist und der Kathodenabschnitt (130) einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG) aufweist, wobei weiter der Brennstoffzellenstapel (110) und zumindest abschnittsweise der Anodenzuführabschnitt (122), der Anodenabführabschnitt (124), der Kathodenzuführabschnitt (132) und der Kathodenabführabschnitt (134) innerhalb eines thermisch isolierten Isoliergehäuses (140) angeordnet ist und innerhalb des Isoliergehäuses (140) wenigstens eine katalytische Rekombinationsvorrichtung (10) angeordnet ist mit einem Katalysatorkörper (20) mit einer Katalysatoroberfläche (22) für eine katalytische Rekombination von wenigstens einem Brenngas (BG) des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas (OG).

Description

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM MIT EINER REKOMBINATIONSVORRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Rekombinati onsvorrichtung zum Schutz gegen eine explosive Atmosphäre in einem Isolierge häuse.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme in unterschiedlichen Konstruktionswei sen zur Produktion eines Brenngases oder zur Produktion von elektrischem Strom eingesetzt werden. Für die Produktion von elektrischem Strom wird ein Brenngas dem Brennstoffzellensystem zugeführt, während unter Verbrauch von elektrischem Strom Brenngas produziert wird. In beiden Fällen handelt es sich um ein entzündli ches Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan. Auch ist es bekannt, dass eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle als eine Konstruktionsweise für das Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommen kann. Um einen möglichst effizienten Betrieb solcher Hochtemperatur-Brennstoffzellen gewährleisten zu können, sind übli cherweise thermisch isolierte Isoliergehäuse vorgesehen, welche auch als Hotbox bezeichnet werden, innerhalb welcher der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass bei Hochtemperatur-Brenn stoffzellen eine Leckage innerhalb der Hotbox nicht vollständig ausgeschlossen wer den kann. Insbesondere durch hohe Temperaturschwankungen zwischen normaler Umgebungstemperatur und Betriebstemperaturen von 400 C° bis 900 C° kann es über thermische Ausdehnung oder Verschleiß zu geringen Leckagen der Leitungen und/oder der anderen Bauteile innerhalb der Hotbox kommen. Dies könnte im Ext remfall dazu führen, dass über eine solche Leckage innerhalb des Gehäuses Brenn gas austritt und sich ansammelt. Da darüber hinaus bei einer Hochtemperatur-Brenn stoffzelle eine entsprechend hohe Innentemperatur in diesem Isoliergehäuse herrscht, besteht die Gefahr einer Entzündung dieses Brenngases innerhalb des Iso liergehäuses ab einer definierten Zündkonzentration. Um dies zu vermeiden, ist ent weder eine sehr hohe Genauigkeit und Vermeidung bei der Montage und damit ein hergehende Vermeidung von Leckagen notwendig. Auch ist es bekannt, dass die Gasführung des Brennstoffzellensystems im Unterdrück durchgeführt wird, sodass im Falle einer Leckage kein Gas in die Hotbox austritt, sondern vielmehr Gas aus dem Innenraum der Hotbox in die mit Unterdrück betriebene Leitung angesaugt wird. Dies reduziert die Variationsbreite des Bettriebes des Brennstoffzeöllensystems. Auch ist es bekannt, solche Isoliergehäuse mit einem aufwendigen aktiven Gasaus tausch zu versehen, um regelmäßig eine Durchlüftung des Innenraums des Isolierge häuses zur Verfügung zu stellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise einen Explosionsschutz für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Rekombinationsvorrichtung mit den Merk malen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und mit ei nem Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. Der Ka thodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathoden- zuführgas und mit einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenab gas ausgestattet. Darüber hinaus ist der Brennstoffzellenstapel und zumindest ab schnittsweise auch der Anodenzuführabschnitt, der Anodenabführabschnitt, der Ka thodenzuführabschnitt und der Kathodenabführabschnitt innerhalb eines thermisch isolierten Isoliergehäuses angeordnet. Innerhalb dieses Isoliergehäuses ist bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem darüber hinaus wenigstens eine katalyti sche Rekombinationsvorrichtung angeordnet. Diese Rekombinationsvorrichtung weist einen Katalysatorkörper mit einer Katalysatoroberfläche auf, für eine katalyti sche Kombination von wenigstens einem Brenngas des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem basiert auf bekannten Konstruktions weisen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzel lensystem kann demnach auch als Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem bezeich net werden. Dieses Brennstoffzellensystem ist mit seinen wesentlichen Funktions bauteilen innerhalb des thermisch isolierten Isoliergehäuses angeordnet. Dieses Iso liergehäuse wird häufig auch als Hotbox bezeichnet und dient dazu, die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu steigern. Temperaturen innerhalb dieses thermisch isolierten Isoliergehäuses liegen im stationären Betrieb des Brennstoffzel lensystems beispielsweise im Bereich zwischen circa 400 C° und bis zu 900 C°.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Explosionsschutz be ziehungsweise einen Schutz gegen Zündung eines Brenngases innerhalb des Isolier gehäuses zu gewährleisten. Ein Brenngas ist dabei im Sinne der vorliegenden Erfin dung jegliches Gas, welches unter Einwirkung einer hohen Temperatur und/oder ei nes Zündfunkens ab einer Zündkonzentration zünden würde und zu einer Verbren nungsreaktion und/oder einer Explosion führen könnte. Ein Oxidationsgas ist ein Gas, welches das Brenngas chemisch oxidiert und auf diese Weise die Konzentra tion an Brenngas wieder reduziert, insbesondere unter die Zündkonzentration redu ziert.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, dass Leckagen in den ein zelnen Zuführabschnitten und Abführabschnitten des Anodenabschnitts und des Ka thodenabschnitts in Kauf genommen werden können, da das Brenngas katalytisch umgesetzt werden kann, wenn es durch eine solche Leckage austritt. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass das Brenngas in einem der Zuführabschnitte und/oder in einem der Abführabschnitte enthalten sein kann. Erzeugt beispielsweise das Brenn stoffzellensystem im Elektrolysebetrieb unter Stromverbrauch das Brenngas, so kann dieses Brenngas in einem der Abführabschnitte enthalten sein und über entspre chende Leckagen in diesem Abführabschnitt in den Innenraum des Isoliergehäuses austreten. Wird das Brennstoffzellensystem im Stromerzeugungsbetrieb betrieben, so kann das Brenngas beispielsweise im Anodenzuführabschnitt enthalten sein, aber auch eine Restmenge eines solchen Brenngases in einem der Abführabschnitte.
Auch in diesem Fall kann über eine Leckage in dem Zuführabschnitt oder den ent sprechenden Abführabschnitten das Brenngas in den Innenraum des Isoliergehäu ses gelangen. Durch die Anordnung der katalytischen Rekombinationsvorrichtung wird es nun mög lich, dass das Brenngas in katalysierter Weise mit dem Oxidationsgas reagiert und auf diese Weise in ein Reaktionsprodukt umgesetzt wird, welches nicht mehr brenn bar ist. So kann beispielsweise Wasserstoff als Brenngas mit Sauerstoff als Oxidati onsgas an dem Katalysatorkörper in Wasserdampf umgesetzt werden. In ähnlicher Weise ist auch eine Umsetzung von Methangas mit entsprechendem Sauerstoff in nerhalb des Isoliergehäuses in Kohlendioxid und ebenfalls Wasserdampf möglich. Hier ist gut zu erkennen, wie durch die katalytische Rekombination mit dem Oxidati onsgas das Brenngas sozusagen verbraucht wird und auf diese Weise die Konzent ration an Brenngas innerhalb des Isoliergehäuses abgesenkt wird. Damit kann si chergestellt werden, dass durch die katalytische Rekombination bei einem Hochtem peratur-Brennstoffzellensystem die Konzentration an Brenngas trotz der Zündgefahr durch die hohe Innentemperatur im Isoliergehäuse niemals die Zündkonzentration übersteigt.
Neben dem Explosionsschutz ist auf diese Weise eine sehr kostengünstige und ein fache Umsetzung möglich. Sogar eine Nachrüstung bestehender Brennstoffzellen systeme mit einer erfindungsgemäßen und später noch erläuterten Rekombinations vorrichtung ist grundsätzlich denkbar. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass es sich hier insbesondere um eine passive oder im Wesentlichen passive Schutzmög lichkeit handelt. Im Vergleich zu aktiven Belüftungsvorrichtungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, ist hier also eine erhöhte Ausfallsicherheit gegeben. Da die katalytische Rekombination im Wesentlichen automatisch durch chemische Triebkräfte stattfindet, ist diese Sicherungsfunktion auch kontrollfrei und damit durch chemischen Antrieb automatisch gewährleistet.
Der Katalysatorkörper weist für diese katalytische Wirkung ein Katalysatormaterial auf. Dieses kann beispielsweise als Katalysatormaterial auf der Oberfläche des Kata lysators die Katalysatoroberfläche ausbilden. Selbstverständlich kann der Katalysa torkörper auch vollständig oder im Wesentlichen vollständig aus einem solchen Kata lysatormaterial ausgebildet sein. Um, wie dies später noch erläutert wird, die Kataly satoroberfläche und damit die katalytische Wirkung noch weiter zu steigern, kann der Katalysatorkörper zum Beispiel eine Wabenstruktur, eine Rippenstruktur oder eine porenförmige Ausgestaltung aufweisen, welche entsprechend mit Katalysatormaterial als Katalysatoroberfläche beschichtet ist. So sind beispielsweise keramische Bauteile oder Sintermaterialien als Katalysatorkörper denkbar, um eine optimierte und ent sprechend vergrößerte Katalysatoroberfläche zur Verfügung zu stellen.
Von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem die wenigstens eine Rekombinationsvorrichtung in einem Gassammelabschnitt des Isoliergehäuses angeordnet ist, in welchem sich beim Betrieb des Brennstoffzel lenstapels das wenigstens eine Brenngas sammelt. Dabei handelt es sich selbstver ständlich um Brenngas, welches durch eine mögliche Leckage in den Zuführab schnitten, den Abführabschnitten oder am Brennstoffzellenstapel selbst in den Innen raum des Isolationsgehäuses gelangt ist. Der Gassammelabschnitt basiert dabei auf den Strömungsverhältnissen innerhalb des Isolationsgehäuses sowie den Dichteun terschieden der Atmosphäre des Isoliergehäuses. Handelt es sich bei dem Brenngas beispielsweise um eine gasförmige Komponente mit geringerer Dichte als die übrige Atmosphäre innerhalb des Isoliergehäuses, so wird der Gassammelabschnitt ent sprechend in einem oberen Bereich des Isoliergehäuses angeordnet sein. Insbeson dere können auch mehrere Gassammelabschnitte definiert werden, um für unter schiedliche Betriebssituationen und/oder unterschiedliche Temperaturen verschie dene Gassammelabschnitte mit einer oder sogar mehreren Rekombinationsvorrich tungen auszustatten.
Eine weiterer Vorteil ergibt sich, wenn eine definierte Menge an frischem Oxidations gas in das Isoliergehäuse an einer definierten Stelle eingeleitet wird und die Rekom binationsvorrichtung vor einer definierten Auslassstelle positioniert ist. Durch diese Anordnung und in Kombination mit der erzwungenen Konvektion kann sichergestellt werden, dass sämtliches Brenngas aus einer Leckage auch an der Rekombinations- vorichtung umgesetzt wird. Um mögliche Wärmeverluste zu minimieren, kann mit Vorteil auch ein Wärmeaustausch zwischen Aus- und Einlass erfolgen.
Vorteile sind weiter erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen system der Katalysatorkörper wenigstens abschnittsweise eine Geometrie mit ver größerter Katalysatoroberfläche aufweist, insbesondere wenigstens einer der folgen den Geometrien:
Rippengeometrie,
Wabengeometrie, Porengeometrie.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können unterschiedliche Geometrien auch miteinander kombiniert sein. Beispielsweise kann ein porenförmiger Katalysatorkörper mehrere Rippenstrukturen aufweisen, um eine weiter verstärkte und vergrößerte Katalysator oberfläche zur Verfügung stellen zu können. Je nach Materialwahl des Katalysator körpers und insbesondere auch der Art des Katalysatormaterials sind hier unter schiedlichste Geometrien denkbar. Je größer die Katalysatoroberfläche ausgebildet wird, umso größer ist auch der katalytische Effekt und die damit zusammenhängen den Umsetzraten. Um die Sicherheit, insbesondere auch in großen Leckagesituatio nen, weiter zu erhöhen, kann eine vergrößerte Katalysatoroberfläche eine höhere Si cherheit zur Verfügung stellen, sodass die Konzentration an Brenngas unterhalb ei ner vordefinierten Zündkonzentration bleibt. Selbstverständlich können die Katalysa toroberflächen zumindest teilweise auch an und/oder in eine Wandung des Isolierge häuses integriert sein.
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystem die Rekombinationsvorrichtung bezogen auf eine Schwerkraftrichtung des Brennstoffzellensystems eine vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Durchströmungsrichtung für eine Durchströmung mit Brenngas und Oxidationsgas aufweist. Diese vertikale Ausrichtung, insbesondere entlang einer Geraden, führt dazu, dass das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb des Katalysatorkörpers miteinander katalytisch reagieren, wobei üblicherweise Wärme freigesetzt wird.
Durch die entsprechende freigesetzte Wärme erhitzt sich das Reaktionsgas, sodass ein Kamineffekt innerhalb des Katalysatorkörpers entsteht. Dies ist grundsätzlich un abhängig von der Art und der Ausrichtung der Einlässe und der Auslässe des Kataly satorkörpers, kann aber durch die später noch erläuterten Führungselemente weiter unterstützt werden. Die definierte und insbesondere vertikal ausgerichtete Durchströ mungsrichtung führt nicht nur zu einer verbesserten Durchströmung des Katalysator körpers, sondern führt darüber hinaus zu einer aktiv erzwungenen Zirkulation im In nenraum des Isoliergehäuses. Neben einer verbesserten Durchströmung und damit einer verstärkten katalytischen Wirkweise, werden sozusagen automatisch Brenn gase aus anderen Abschnitten des Isoliergehäuses zur Rekombinationsvorrichtung hin zirkuliert. Die erfindungsgemäße Wirkung der Rekombination steigt weiter, sodass insbesondere eine kleinere Ausgestaltung der Rekombinationsvorrichtung und insbesondere des Katalysatorkörpers für die gleiche Sicherheit im Explosions schutz ausreichend ist.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens abschnittsweise Führungs elemente, insbesondere in Form von Führungswandungen aufweist, für eine Führung des Brenngases und des Oxidationsgases entlang der Durchströmungsrichtung. Sol che Führungselemente dienen dazu, den Kamineffekt noch weiter zu verstärken, wie er im voranstehenden Absatz erläutert worden ist. So ist beispielsweise auch ein seitlicher Zustrom grundsätzlich denkbar, wobei jedoch bevorzugt die Führungswan dungen den Katalysatorkörper so umschließen, dass insbesondere eine einzige defi nierte Einlassöffnung vom Innenraum des Isoliergehäuses auf den Katalysatorkörper und eine einzige definierte Auslassöffnung vom Katalysatorkörper in den Innenraum des Isoliergehäuses ausgebildet sind. Dies reduziert oder minimiert sogar den seitli chen Zustrom, sodass entsprechend der Kamineffekt gemäß dem voranstehenden Absatz noch weiter verstärkt werden kann.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei der Rekombinationsvorrichtung insbesondere de ren Katalysatorkörper entlang der Durchströmungsrichtung einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Dieser Strömungsquer schnitt ist insbesondere regelmäßig, vorzugsweise rotationssymmetrisch, beispiels weise rund, ausgebildet. So kann beispielsweise eine zylindrische Ausgestaltung der Rekombinationsvorrichtung zylinderförmige Wandungsabschnitte aufweisen, in deren Flohlraum der Katalysatorkörper, ebenfalls zylindrisch ausgebildet, angeordnet ist.
Der Flohlzylinder der Führungselemente, also das entsprechend ausgebildete Rohr stück, weist am unteren und am oberen Ende eine entsprechende Einlass- und Aus lassöffnung auf, wobei der Strömungsquerschnitt, vorzugsweise als runder Strö mungsquerschnitt, sich konstant zwischen Einlass und Auslass erstreckt.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens einen Temperatur sensor aufweist, für eine Erfassung wenigstens einer der folgenden Temperaturen:
Materialtemperatur des Katalysatorkörpers, Einlasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung,
- Auslasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr verschiedene Temperatur sensoren an unterschiedlichen Stellen miteinander kombiniert werden. Es ist auch möglich, dass ein Temperatursensor für die Erfassung der Temperatur im Innenraum des Isoliergehäuses beabstandet von der Rekombinationsvorrichtung vorgesehen ist. Dadurch, dass eine Überwachung der Temperatur möglich ist, kann im einfachsten Fall überwacht werden, ob eine Zündtemperatur überschritten wird oder nicht. Durch die Überwachung der Wärmeentwicklung am Katalysatorkörper, beispielsweise durch Materialtemperatur oder die Differenz zwischen Auslasstemperatur und Ein lasstemperatur an der Rekombinationsvorrichtung, wird die aktuell abgerufene kata lytische Wirkung erfassbar. Je stärker eine Umsetzung in katalysierter Weise inner halb der Rekombinationsvorrichtung stattfindet, umso größer ist auch der erwär mende Effekt, welcher wiederum durch den Temperatursensor erkennbar wird. So ist es also möglich, die aktuelle Rekombinationsleistung zu erfassen und insbesondere über längere Zeiträume nicht nur die Überwachung einer Funktionsfähigkeit der Re kombination, sondern auch das Erkennen möglicher Alterungseffekte oder eines Ver schleißes der Katalysatorwirkung zu erkennen. Diese Ausbildung ist insbesondere frei von einem Gassensor in dem Isoliergehäuse.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens ein Heizelement aufweist, für ein aktives Aufheizen des Katalysatorkörpers. Dabei kann es sich zum Beispiel um ein elektrisches Heizelement handeln. Ein solches elektrisches Heizelement kann sowohl in den Katalysatorkörper integriert sein als auch in seitliche Führungsele mente angeordnet werden. Die aktive Beheizung der Rekombinationsvorrichtung und/oder des Katalysatorkörpers führt dazu, dass auch bei Anfahrprozessen des Brennstoffzellensystems oder anderen kühleren Betriebsweisen, bei entsprechend noch niedrigen Betriebstemperaturen, der bereits mehrfach erläuterte Kamineffekt er zeugt oder verstärkt werden kann. Auch kann durch ein aktives Beheizen der Re kombinationsvorrichtung die katalytische Wirkung auch dann zur Verfügung gestellt werden, wenn die Temperatur innerhalb des Isoliergehäuses noch unterhalb der katalytischen Wirktemperatur des Katalysatormaterials liegt. Die Rekombination und die Schutzwirkung sind also auch in kalten Betriebssituationen zur Verfügung stell bar. Als elektrisches Heizelement sind beispielsweise induktive Heizelemente und/o der kapazitive Heizelemente im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
Vorteile kann es ebenfalls mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gemäß dem voranstehenden Absatz der Katalysatorkörper wenigstens abschnittsweise das Heizelement aufweist. Dies führt zu einer Integration des Heizelementes in den Katalysatorkörper oder sogar zur Ausbildung des Heizele mentes durch den Katalysatorkörper. Beispielsweise kann der Katalysatorkörper zu mindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet sein, sodass er bei elektrischer Bestromung eine Widerstandsheizung für den Katalysatorkörper zur Verfügung stellt.
Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystem im Isoliergehäuse an wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen Re kombinationsvorrichtungen angeordnet sind, wobei insbesondere die Durchströ mungsrichtungen der Rekombinationsvorrichtungen parallel oder im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind zumindest zwei Rekombinationsvor richtungen sogar koaxial zueinander ausgerichtet, sodass der Kamineffekt an die weitere Rekombinationsvorrichtung übergeben wird und die Gesamtzirkulation inner halb des Isoliergehäuses noch verstärkt wird. Bevorzugt sind diese unterschiedlichen Positionen auf unterschiedlichen vertikalen Höhen innerhalb des Isoliergehäuses ausgebildet, sodass die Rekombinationsvorrichtungen ebenfalls auf unterschiedli chen Höhen die erzwungene Zirkulation im Isoliergehäuse verstärken.
Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem das Isoliergehäuse als Unterdruckgehäuse bezogen auf die Innendrücke im Anodenzuführabschnitt, dem Anodenabführabschnitt, dem Kathodenzuführabschnitt und/oder dem Kathodenabführabschnitt ausgebildet ist. Das bedeutet, dass auch bei in Kauf nehmen einer möglichen Leckage die Zuführabschnitte und die Abführab schnitte des Brennstoffzellenstapels eine sehr freie Betriebsweise aufweisen, also sowohl im Unterdruckbetrieb als auch im Überdruckbetrieb betrieben werden kön nen. Das Isoliergehäuse als Unterdruckgehäuse ist möglich, da auch im Unterdruck fall, wenn also Brenngas durch eine Leckage in das Isoliergehäuse eintritt, der Explosionsschutz gegen ein unerwünschtes Zünden des Brenngases durch die kata lytische Rekombinationswirkung der Rekombinationsvorrichtung gewährleistet ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Rekombinationsvorrich tung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Eine solche Rekombinationsvorrichtung weist einen Katalysatorkörper mit einer Katalysa toroberfläche für eine katalytische Rekombination von wenigstens einem Brenngas des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas auf. Weiter ist eine Befesti gungsschnittstelle zur Befestigung im Isoliergehäuse des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Damit bringt eine erfindungsgemäße Kombinationsvorrichtung die glei chen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Die Rekombinationsvorrichtung ist da bei insbesondere gemäß den entsprechenden Ausführungsformen in dem bereits er läuterten Brennstoffzellensystem ausgebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema tisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystems,
Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekombinati onsvorrichtung,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung, Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung,
Fig. 8 die Ausführungsform der Figur 7 in seitlicher Darstellung und
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem als Flotbox ausgebildetem Isoliergehäuse 140. Innerhalb des Isoliergehäuses 140 ist ein Brenn stoffzellenstapel 110 angeordnet, welcher hier in einen Anodenabschnitt 120 und ei nen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt ist. Der Anodenabschnitt 120 erhält Anodenzu- führgas AZG über einen Anodenzuführabschnitt 122 und produziert Anodenabgas AAG, welches er über den Anodenabführabschnitt 124 abgibt. In ähnlicher Weise er hält der Kathodenabschnitt 130 Kathodenzuführgas KZG über den Kathodenzu- führabschnitt 132 und gibt Kathodenabgas KAG über den Kathodenabführabschnitt 134 wieder ab. Die beiden Zuführabschnitte 122 und 132 sowie die beiden Abführab schnitte 124 und 134 führen dabei durch das Isoliergehäuse 140 hindurch und kön nen beispielsweise außerhalb an die Umgebung abgegeben werden beziehungs weise fluidkommunizierend mit entsprechend weiteren Bauteilen versehen sein. Das gesamte Brennstoffzellensystem kann selbstverständlich weitere Bauteile wie Rezir- kulationsleitungen, Reformervorrichtungen, Wärmetauschervorrichtungen, Nachbren nervorrichtungen oder Ähnliches aufweisen. Diese sind der Übersichtlichkeit halber in der Figur 1 nicht dargestellt.
Sollte es je nach Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 100 in einem der Zu führabschnitte 122 und 132 oder in einem der Abführabschnitte 124 oder 134 oder sogar im Brennstoffzellenstapel 110 selbst zu einer Leckage kommen, durch welche Brenngas BG austritt, so würde durch eine fehlende Belüftung des Isoliergehäuses 140 die Konzentration an Brenngas BG innerhalb des Isoliergehäuses 140 steigen. Da es sich bei dem Brennstoffzellensystem 100 um eine Hochtemperaturanlage han delt, liegen die Temperaturen innerhalb des Isoliergehäuses 140 im Bereich zwi schen 400 C° und bis zu 900 C°. Dies würde bei Erreichen einer zündfähigen Zünd konzentration an Brenngas BG innerhalb des Isoliergehäuses 140 zum Zünden des Brenngases führen und damit entweder zu einer Beschädigung des Brennstoffzellen systems 100 oder sogar zur Zerstörung desselben durch Explosion. Um zu vermeiden, dass die Konzentration an Brenngas BG die Zündkonzentration erreicht oder diese sogar übersteigt, ist in einem Gassammelabschnitt 142 des Iso liergehäuses 140 eine Rekombinationsvorrichtung 10 angeordnet. Diese ist insbe sondere in verschiedenen Varianten mit Bezug auf die weiteren Figuren ab Figur 3 noch näher erläutert. Schematisch ist sie zumindest mit einem Katalysatorkörper 20 versehen, welcher eine katalytisch wirksame Katalysatoroberfläche 22 aufweist. Bei der Ausführungsform der Figur 1 sind bereits Führungselemente 30 zu erkennen, welche unterstützend eine Durchströmungsrichtung DR zur Verfügung stellen. Brenngas BG wird also zusammen mit Oxidationsgas OG, welches sich innerhalb der Atmosphäre des Isoliergehäuses 140 befindet, die Rekombinationsvorrichtung 10 entlang der Durchströmungsrichtung DR durchströmen und dabei das Brenngas BG katalytisch in ein Reaktionsgas umsetzen. Im Ergebnis ist die Brenngaskonzentration reduziert und sichergestellt, dass eine Zündkonzentration nicht überschritten wird.
Die Figur 2 zeigt eine ähnliche Lösung, jedoch ist hier der Gassammelabschnitt 142 über die gesamte vertikale Höhe entgegen der Schwerkraftrichtung SR ausgebildet. Es sind hier zwei identische Rekombinationsvorrichtungen 10, eine im oberen Teil und eine im unteren Teil, angeordnet. Die entsprechend ausgebildete Durchströ mungsrichtung jeder Rekombinationsvorrichtung 10 ist parallel und hier sogar koaxial zueinander, sodass eine Zirkulation innerhalb des Isoliergehäuses 140 in verstärkter Weise zur Verfügung gestellt wird. Auch Brenngas aus anderen Bereichen, insbe sondere in der Figur 2 rechts des Brennstoffzellenstapels 110, kann durch diese er zwungene Rezirkulation in den Gassammelabschnitt 142 und damit zu den Rekombi nationsvorrichtungen 10 gefördert werden.
Die Figuren 3 bis 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Rekombinations vorrichtungen 10, wie sie im BrennstoffzellensystemenlOO, beispielsweise gemäß den Figuren 1 und 2, eingesetzt werden können. In der Figur 3 ist eine Lösung mit Kamineffekt dargestellt, welche einen runden Querschnitt aufweist. Der Katalysator körper 20 ist hier als poröse Keramik ausgebildet und von einem rohrförmigen Füh rungselement 30 umgeben. Die Katalysatoroberfläche 22 wird durch die wabenförmi gen oder porenförmigen innenliegenden Oberflächen auf dem Katalysatorkörper 20 gebildet und kann beispielsweise eine Beschichtung aus Katalysatormaterial aufwei sen. Der Strömungsquerschnitt SQ, welcher hier durch die radiale Erstreckung des Katalysatorkörpers 20 definiert wird, ist im Wesentlichen konstant zwischen dem Eingang, dem Verlauf und dem Ausgang der Rekombinationsvorrichtung 10. Über den Eingang unten kann nun Oxidationsgas OG und Brenngas BG in den Katalysa torkörper 20 eintreten. Durch die Katalysatoroberfläche 22 erfolgt die katalytische Umsetzung zwischen dem Brenngas BG und dem Oxidationsgas OG, wobei übli cherweise eine Wärmeentwicklung stattfindet. Durch die weitere Erwärmung bei der Umsetzung steigt das sich ergebende Reaktionsgas weiter auf, entlang der Durch strömungsrichtung DR und tritt am oberen Ende durch die Auslassöffnung der Re kombinationsvorrichtung 10 wieder aus. Der auf diese Weise erzielte Kamineffekt führt zu einer verbesserten Durchströmung und zu einer erzwungenen Zirkulation im Isoliergehäuse 140. Die Figur 3 zeigt darüber hinaus noch eine Befestigungsschnitt stelle 60 zur definierten mechanischen Befestigung in der gewünschten Position in nerhalb des Isoliergehäuses 140.
Die Figur 4 basiert auf der Ausführungsform der Figur 3. Hier sind zusätzlich drei Temperatursensoren 40 angeordnet, welche an drei Stellen Temperaturen bestim men können. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Bestimmung der Ein lasstemperatur am Katalysatorkörper 20, der Auslasstemperatur des Katalysatorkör pers 20 und einer Materialtemperatur des Katalysatorkörpers 20 möglich. Damit kann durch die damit erfassbare Abwärme die aktuelle katalytische Reaktionsleistung und damit die aktive Rekombinationswirkung qualitativ oder sogar quantitativ bestimmt werden, sodass eine Kontrolle oder eine Überwachung der Rekombinationsleistung zur Absicherung gegen einen Explosionsschaden möglich ist.
Auch die Figur 5 beruht auf der Ausführungsform der Figur 3. Hier ist ein Fleizele- ment 50 in die Führungselemente 30 integriert. So ist ein seitliches, beispielsweise durch elektrischen Strom aktiviertes, Fleizen des Katalysatorkörpers 20 möglich. Die Figur 6 zeigt eine ähnliche Möglichkeit, bei welcher das Fleizelement 50 jedoch durchströmbar in den Katalysatorkörper 20 integriert ist. In beiden Fällen kann die Temperatur des Katalysatorkörpers 20 aktiv gesteigert werden, sodass auch bei kal ten Betriebssituationen, beispielswese beim Anfahren des Brennstoffzellensystems 100, die gewünschte Sicherheitsfunktion durch Rekombination in katalytischerWeise gewährleistet werden kann.
In den Figuren 7 und 8 ist eine alternative Ausführungsform mit einem verringerten Kamineffekt dargestellt. H ier weist der Katalysatorkörper 20 mehrere Einzelbestandteile auf, welche hier rippenförmig angeordnet sind. Die einzelnen Ka talysatorkörperteile können dabei ebenfalls wieder porös, aber auch als Vollmaterial ausgebildet sein. Die Katalysatoroberfläche 22 wird dabei zumindest durch die Rip penoberflächen der einzelnen Teile des Katalysatorkörpers 20 zur Verfügung ge stellt. Selbstverständlich ist jedoch auch eine Kombination mit porösen Katalysator körpern 20 denkbar.
Die Figur 9 bildet die Ausführungsform der Figur 3 dahingehend weiter, dass der Strömungsquerschnitt SQ sich entlang der Durchströmungsrichtung DR reduziert. Damit wird bei der Wärmeentwicklung und der entsprechend entstehenden Dichteun terschiede der Aufstieg der Gase innerhalb des Katalysatorkörpers 20 noch weiter verstärkt und insbesondere beschleunigt, sodass nicht nur die Durchströmung, son dern auch die externe erzwungene Zirkulation im Isoliergehäuse 140 noch weiter ver stärkt werden kann.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Rekombinationsvorrichtung 20 Katalysatorkörper 22 Katalysatoroberfläche 30 Führungselemente 40 Temperatursensor 50 Heizelement 60 Befestigungsschnittstelle
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel
120 Anodenabschnitt 122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Isoliergehäuse 142 Gassammelabschnitt
BG Brenngas OG Oxidationsgas AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas
SR Schwerkraftrichtung DR Durchströmungsrichtung SQ Strömungsquerschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), wobei der Ano denabschnitt (120) einen Anodenzuführabschnitt (122) zum Zuführen von Anoden- zuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Ano denabgas (AAG) aufweist und der Kathodenabschnitt (130) einen Kathodenzu- führabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Katho denabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG) aufweist, wo bei weiter der Brennstoffzellenstapel (110) und zumindest abschnittsweise der Ano denzuführabschnitt (122), der Anodenabführabschnitt (124), der Kathodenzu- führabschnitt (132) und der Kathodenabführabschnitt (134) innerhalb eines ther misch isolierten Isoliergehäuses (140) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Isoliergehäuses (140) wenigstens eine katalytische Rekombi nationsvorrichtung (10) angeordnet ist mit einem Katalysatorkörper (20) mit einer Katalysatoroberfläche (22) für eine katalytische Rekombination von wenigstens ei nem Brenngas (BG) des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas (OG).
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rekombinationsvorrichtung (10) in einem Gassammelab schnitt (142) des Isoliergehäuses (140) angeordnet ist, in welchem sich bei einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels (110) das wenigstens eine Brenngas (BG) sammelt.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (20) wenigstens abschnitts weise eine Geometrie mit vergrößerter Katalysatoroberfläche (22) aufweist, insbe sondere wenigstens eine der folgenden Geometrien:
- Rippengeometrie
- Wabengeometrie
- Porengeometrie
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10) bezogen auf eine Schwerkraftrichtung (SR) des Brennstoffzellensystems (100) eine vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Durchströmungsrichtung (DR) für eine Durchströmung mit Brenngas (BG) und Oxidationsgas (OG) aufweist.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10) wenigstens abschnittsweise Führungsele mente (30), insbesondere in Form von Führungswandungen, aufweist für eine Füh rung des Brenngases (BG) und des Oxidationsgases (OG) entlang der Durchströ mungsrichtung (DR).
6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10), insbesondere deren Ka talysatorkörper (20) entlang der Durchströmungsrichtung (DR) einen konstanten o- der im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt (SQ) aufweist.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10) wenigstens einen T emperatursensor (40) aufweist für eine Erfassung wenigstens einer der fol genden Temperaturen:
- Materialtemperatur des Katalysatorkörpers (20)
- Einlasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung (10)
- Auslasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung (10)
8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10) wenigstens ein Heizelement (50) aufweist für ein aktives Aufheizen des Katalysatorkörpers (20).
9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (20) wenigstens abschnittsweise das Heizelement (50) auf weist.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Isoliergehäuse (140) an wenigstens zwei un terschiedlichen Positionen Rekombinationsvorrichtungen (10) angeordnet sind, wobei insbesondere die Durchströmungsrichtungen (DR) der Rekombinationsvor richtungen (10) parallel oder Wesentlichen parallel ausgerichtet sind.
11. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliergehäuse (140) als Unterdruckgehäuse bezogen auf die Innendrücke im Anodenzuführabschnitt (122), dem Anodenab führabschnitt (124), dem Kathodenzuführabschnitt (132) und/oder dem Kathoden abführabschnitt (134) ausgebildet ist.
12. Rekombinationsvorrichtung (10) zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 , aufweisend einen einem Katalysatorkörper (20) mit einer Katalysatoroberfläche (22) für eine katalytische Rekombination von wenigstens einem Brenngas (BG) des Brennstoffzellenstapels (110) mit einem Oxidationsgas (OG) und eine Befestigungsschnittstelle (60) zur Befestigung im Isoliergehäuse (140) des Brennstoffzellensystems (100).
13. Rekombinationsvorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (20) wenigstens abschnittsweise eine Geometrie mit vergrößerter Katalysatoroberfläche (22) aufweist, insbesondere wenigstens eine der folgenden Geometrien:
- Rippengeometrie
- Wabengeometrie
- Porengeometrie.
14. Rekombinationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10) bezogen auf eine Schwerkraftrichtung (SR) des Brennstoffzellensystems (100) eine vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Durchströmungsrichtung (DR) für eine Durch strömung mit Brenngas (BG) und Oxidationsgas (OG) aufweist.
15. Rekombinationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10) wenigstens ab schnittsweise Führungselemente (30), insbesondere in Form von Führungswan dungen, aufweist für eine Führung des Brenngases (BG) und des Oxidationsgases (OG) entlang der Durchströmungsrichtung (DR).
16. Rekombinationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10), insbesondere deren Katalysatorkörper (20) entlang der Durchströmungsrichtung (DR) einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt (SQ) aufweist.
17. Rekombinationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10) wenigstens einen T emperatursensor (40) aufweist für eine Erfassung wenigstens einer der folgenden Temperaturen:
- Materialtemperatur des Katalysatorkörpers (20)
- Einlasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung (10)
- Auslasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung (10).
18. Rekombinationsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationsvorrichtung (10) wenigstens ein Heiz element (50) aufweist für ein aktives Aufheizen des Katalysatorkörpers (20).
19. Rekombinationsvorrichtung (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (20) wenigstens abschnittsweise das Heizelement (50) aufweist.
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