WO2024041918A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, sowie verfahren zur herstellung einer brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung, sowie verfahren zur herstellung einer brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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WO2024041918A1
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Andrea Di Benedetto
Vanessa QUIROZ
Thomas Hupfer
Thomas Woehrle
Thorsten Stahl
Stefan Klein
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04022—Heating by combustion

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell device and a method for producing a fuel cell device, wherein at least one component, in particular a processor unit, preferably a heat exchanger, of the fuel cell device is at least partially made of steel.
  • Fuel cell devices are known from the prior art, which include at least one processor unit, such as a heat exchanger, the processor units being made of steel.
  • the present fuel cell device with the features of the main claim has the advantage that the steel of the at least one component is at least partially covered, preferably coated, with a metallic material and/or a ceramic material.
  • a “component” is intended to mean in particular a unit and/or a component of the fuel cell device.
  • a “unit” is to be understood in particular as a processor unit and/or a fuel cell unit. In particular it is about a fuel cell unit around a fuel cell stack and/or a fuel cell.
  • a fuel cell stack preferably comprises a large number of fuel cells.
  • a “processor unit” is to be understood in particular as a unit or component of the fuel cell device that is not a fuel cell unit, or a fuel cell and/or a fuel cell stack.
  • the processor unit is for the, preferably chemical and/or thermal, pre- and/or post-processing of at least one medium to be implemented and/or converted in a fuel cell unit, such as a fuel gas, an air and/or an exhaust gas.
  • the processor unit is preferably a reformer, an afterburner and/or a heat exchanger.
  • a “component” is to be understood in particular as a prefabricated and/or prefabricated section for the construction of the fuel cell device.
  • a section can be comprised by a unit of the fuel cell device and/or correspondingly be a section of a unit.
  • this can be a section of a fuel cell unit, such as a (support) plate of a fuel cell stack.
  • a section may also not be encompassed by a unit and/or may, for example, be a section of the fuel cell device outside of a unit.
  • this can be a section that connects different units, such as a pipe for media guidance.
  • the metallic material comprises aluminum (Al), nickel (Ni), titanium (Ti), cobalt (Co), silicon (Si), copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or the ceramic material comprises an oxide, a nitride and/or a carbide, in particular the metallic material, preferably aluminum oxide (Al2O3), silicon nitride (SisNzi) and/or titanium carbide (TiC).
  • the at least one component in particular the processor unit, preferably comprises the heat exchanger, between which heat transfer is provided, with at least one of the at least two media guide spaces being covered, preferably coated, with the metallic material and/or the ceramic material. It is advantageous if the at least one media guide space covered, preferably coated, with the metallic material and/or the ceramic material is intended to guide a medium, in particular air, to be supplied to a fuel cell unit.
  • the at least one media guide space covered, preferably coated, with the metallic material and/or the ceramic material is intended to guide a medium to be discharged from a fuel cell unit, in particular exhaust gas.
  • both of the at least two media guide spaces are covered, preferably coated, with the metallic material and/or the ceramic material.
  • the present method for producing a fuel cell device has the advantage over the prior art that the steel of the at least one processor unit is at least partially covered, preferably coated, with a metallic material and/or a ceramic material .
  • the metallic material is at least partially oxidized, nitrided and/or carbidized before assembly of the at least one processor unit, in particular to the ceramic material.
  • the metallic material is at least partially oxidized, nitrided and/or carbidized by a thermal treatment, preferably in an oven.
  • the metallic material is at least partially oxidized, nitrided and/or carbidized after the assembly of the at least one processor unit, in particular to the ceramic material.
  • the metallic material is at least partially oxidized, nitrided and/or carbidized during operation, in particular initial operation, of the fuel cell device.
  • the present invention makes it possible to simplify the manufacture of a fuel cell device and to improve the operating characteristics of a fuel cell device.
  • a fuel cell device can be provided more simply and cost-effectively, in which power loss is reduced over the service life of the fuel cell device and at the same time operational safety is increased and the environment is protected.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram of an exemplary embodiment of a fuel cell device
  • Fig. 2 is a schematic representation of a cross section of a heat exchanger of the exemplary embodiment of the fuel cell device from Fig. 1.
  • FIG. 10 A schematic circuit diagram of an exemplary embodiment of a fuel cell device 10 is shown in FIG.
  • 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 large number of fuel cells, in the present case solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC).
  • the fuel cell device 10 includes a plurality of processor units 14.
  • a “processor unit” is to be understood in particular as a unit or component of the fuel cell device 10 that is not a fuel cell unit 12 or a fuel cell stack and/or a fuel cell.
  • the processor unit 14 is a medium for, preferably chemical and/or thermal, pre- and/or post-processing of at least one medium to be implemented and/or converted in a fuel cell unit, such as a fuel B, RB, an air L and/or or an exhaust gas A, KA, AA.
  • a fuel cell unit such as a fuel B, RB, an air L and/or or an exhaust gas A, KA, AA.
  • Preferentially acts the processor unit 14 is a reformer 26, an afterburner 28 and/or a heat exchanger 18, 36, 39.
  • 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
  • reformed fuel RB in the present hydrogen
  • the reformed fuel RB is electrochemically converted using oxygen from the air L to generate electricity and heat.
  • the reformed fuel RB is produced by supplying fuel B, in this case natural gas, to the fuel cell device 10 via a fuel supply 24, which is reformed in a further processor unit 14, in this case a reformer 26.
  • the fuel cell units 12 are connected on the exhaust 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 possibly non-reformed fuel B.
  • the anode exhaust gas AA, or the unreacted, reformed fuel RB that may be contained therein and/or the non-reformed fuel B that may be contained therein is mixed with the cathode exhaust gas KA or the oxygen contained therein in the air L , burned, which can generate additional heat.
  • the hot exhaust gas A produced during combustion in the afterburner 28 is removed 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 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 to reform the supplied fuel B in the reformer 26.
  • 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 branched off anode exhaust gas AA passes through a further processor unit 14, in the present case a further heat exchanger 39.
  • the branched-off part of the anode exhaust 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 exhaust gas AA RB is subsequently converted in the fuel cell unit 12 and/or the non-reformed fuel B, which may be contained in the branched off anode exhaust 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 mixed into the branched anode exhaust gas AA recirculated in the anode recirculation circuit 40 via the fuel supply line 24.
  • heat can then be transferred from the branched off anode exhaust gas AA from the return line 38 to the fuel mixture resulting from the addition 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 exhaust gas AA in the anode recirculation circuit 40 can be regulated and/or coordinated with one another via compressors 42 in the respective lines.
  • the processor units 14, such as the heat exchanger 18, 36 and / or 39 are at least partially made of steel, in the present case completely in a first step.
  • the steel is, in particular, temperature-resistant, stainless steel.
  • the present fuel cell device 10 is now characterized in that the steel of at least one component of the fuel cell device, in the exemplary embodiment shown the steel of at least one of the processor units 14, is at least partially covered with a metallic material 56 and/or a ceramic material 58, in the case shown coated, is.
  • the metallic material 56 can also be understood as a metallic layer 56 in the exemplary embodiment shown.
  • the ceramic material 58 can also be understood as a ceramic layer 58 in the exemplary embodiment shown.
  • the metallic material may include aluminum (Al), nickel (Ni), titanium (Ti), cobalt (Co), silicon (Si), copper (Cu) and/or manganese (Mn).
  • the metallic material includes aluminum (AI).
  • the ceramic material may comprise an oxide, a nitride and/or a carbide, in the present case the metallic material, for example aluminum oxide (Al2O3), silicon nitride (SisNzi) and/or titanium carbide (TiC).
  • the ceramic material comprises aluminum oxide (AI2O3).
  • chromium can be released from the steel of at least one of the components of the fuel cell device 10 during operation of the fuel cell device 10 , in the case shown of the processor units 14 (so-called chromium evaporation) can be significantly reduced. This in turn makes it possible to reduce power losses over the service life of the fuel cell device 10 and at the same time increase the operational reliability of the fuel cell device 10.
  • the processor units 14, in the present case the heat exchangers 18 and 36, comprise at least two media guide spaces 50, between which heat transfer is provided.
  • FIG. 1 a schematic representation of a cross section of a heat exchanger 18 of the exemplary embodiment of the fuel cell device 10 from FIG. 1 is shown in FIG.
  • the heat exchanger 18 comprises two Media management spaces 50, specifically a first media management space 52 and a second media management space 54.
  • At least one of the at least two media guide spaces 50 is covered with the metallic material 56 and/or the ceramic material 58, in the case shown with the aluminum (Al) and/or the aluminum oxide (AI2O3), preferably coated.
  • this can also be understood in particular to mean that a wall 60 of the media guide space 50, preferably in relation to a media guide on the inside, is covered with the metallic material 56 and/or the ceramic material 58, in the case shown with the aluminum (Al) and/or or the aluminum oxide (AI2O3), covered, preferably coated.
  • a chromium content in a corresponding media stream of the fuel cell device 10 can thus be reduced in a targeted manner.
  • one of the at least two media guide spaces 50 in this case the first media guide space 52, is at least essentially completely covered with the metallic material 56 and/or the ceramic material 58, or with the aluminum (Al) and/or the aluminum oxide ( AI2O3), covered or coated.
  • the at least one media guide space 50 covered, preferably coated, with the metallic material 56 and/or the ceramic material 58, in the case shown the first media guide space 52 is intended for a medium B, RB, L to be supplied to a fuel cell unit 12. in the present case, air L.
  • chromium evaporation takes place in the first media guide space 52 of the heat exchanger 18 during the operation of the fuel cell device 10 and that the chromium released in the process reaches the fuel cell unit 12 via the media flow to be supplied to the fuel cell unit 12, in the present case the air flow.
  • chromium enrichment in the fuel cell unit 12 can be at least substantially prevented, which in turn reduces power losses in the fuel cell unit 12 caused by chromium enrichment.
  • the at least one with the metallic material 56 and/or the ceramic material 58, in particular with the aluminum (Al) and/or the aluminum oxide (AI2O3), covered, preferably coated, media guide space 50 A medium A, AA, KA, in particular exhaust gas A, to be discharged from the fuel cell unit 12 is provided.
  • the second media guide space 54 of the heat exchanger 18 it would be possible for the second media guide space 54 of the heat exchanger 18 to be covered, preferably coated, with the metallic material 56 and/or the ceramic material 58, in particular with the aluminum (Al) and/or the aluminum oxide (AI2O3).
  • the media guide space of the heat exchanger 36 carrying the exhaust gas A to be covered with the metallic material 56 and/or the ceramic material 58, in particular with the aluminum (Al) and/or the aluminum oxide (AI2O3), preferably coated.
  • the metallic material 56 and/or the ceramic material 58 in particular with the aluminum (Al) and/or the aluminum oxide (AI2O3), preferably coated.
  • chromium evaporation takes place in the corresponding media guide space of the heat exchanger 18 or 36 during operation of the fuel cell device 10 and that any chromium that may be released is released from the fuel cell device 10 via the media stream to be discharged from the fuel cell unit 12, in the present case the exhaust gas stream , especially into the atmosphere. Accordingly, the risk of chromium accumulating in the atmosphere can be reduced, which in turn increases safety and also protects the environment.
  • both of the at least two media guide spaces 50 of the heat exchanger 18 it would also be possible for both of the at least two media guide spaces 50 of the heat exchanger 18 to be covered with the metallic material 56 and/or the ceramic material 58, in particular with the aluminum (Al) and/or or the aluminum oxide (AI2O3), covered, preferably coated.
  • the metallic material 56 and/or the ceramic material 58 in particular with the aluminum (Al) and/or or the aluminum oxide (AI2O3), covered, preferably coated.
  • At least one of the components of the fuel cell device in the case shown at least one of the processor units 14, in this case the heat exchanger 18, specifically the first media guide space 52, is with the metallic material 56 before assembly of or into the fuel cell device 10.
  • coated with aluminum (AI) for the exemplary embodiment shown, coated with aluminum (AI).
  • the metallic material 56 is at least partially oxidized, nitrided and/or carbidized before the assembly of the at least one component, in the case shown, the at least one processor unit 14, in this case the heat exchanger 18.
  • the aluminum (AI) would be oxidized to aluminum oxide (AI2O3). This would provide a cost-effective method Formation of a ceramic material 58 on the steel of a processor unit 14 can be made possible.
  • the metallic material 56 is at least partially oxidized, nitrided and/or carbidized by a thermal treatment, for example in an oven.
  • a particularly cost-effective method for forming a ceramic material 58 on the steel of a processor unit 14 would be made possible.
  • the metallic material 56 is at least partially oxidized, nitrided and/or carbidized after the assembly of the at least one component or processor unit 14, in this case the heat exchanger 18, for which case shown oxidized.
  • This makes it possible to eliminate the step of oxidizing, nitriding and/or carbidizing, for example in a furnace, which in turn simplifies the production of the fuel cell device 10.
  • the metallic material 56 is at least partially, in the present case essentially, oxidized, nitrided and/or carbidized during operation, or initial operation, of the fuel cell device 10.
  • the aluminum (AI) is oxidized to aluminum oxide (AI2O3) during operation, or initial operation, of the fuel cell device 10.
  • AI2O3 aluminum oxide
  • This is also a thermal treatment, which takes place during operation, or initial operation, of the fuel cell device 10.
  • the production of the fuel cell device 10 can be particularly simplified.
  • the fuel cell device 10 of the exemplary embodiment shown comprises a component, in the case shown a processor unit 14, specifically a heat exchanger 18, which is at least partially connected to both the metallic material 56, or aluminum (AI), and the ceramic material 58, or .
  • the aluminum oxide (AI2O3) is covered or coated, but at different times.
  • the component or processor unit 14, in this case the heat exchanger 18, is only coated with the metallic material 56, or aluminum (AI), before and during assembly of or into the fuel cell device 10.
  • the component or the processor unit 14 in this case the heat exchanger 18, in the exemplary embodiment shown is only coated with the ceramic material 58, or the aluminum oxide (Al2O3). Accordingly, the operation, or the initial operation, of the fuel cell device 10 can still be understood as part of the process for producing the fuel cell device 10.
  • the steel covered or coated by the metallic material 56, or the metallic layer 56 has a thickness of 100 ⁇ m, while the metallic material 56, or the metallic layer 56, has a thickness of 1 - 2 pm.
  • the thickness thereof is reduced, so that the resulting ceramic material 58, or the ceramic layer 58, has a thickness of 0.5 - 2 pm.
  • a sufficiently thick ceramic layer 58 is formed, which particularly advantageously avoids the previously explained chromium evaporation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (10), sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung (10), umfassend zumindest eine Komponente (14, 18, 36, 39), insbesondere eine Prozessoreinheit (14), vorzugsweise einen Wärmeübertrager (18, 36, 39), welche zumindest teilweise aus Stahl ausgebildet ist. Es wird vorgeschlagen den Stahl der zumindest eine Komponente (14, 18, 36, 39) zumindest teilweise mit einem metallischen Material (56) und/oder einem keramischen Material (58) zu bedecken, vorzugsweise zu beschichten.

Description

Beschreibung
Titel einer
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, sowie Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei zumindest eine Komponente, insbesondere eine Prozessoreinheit, vorzugsweise ein Wärmeübertrager, der Brennstoffzellenvorrichtung zumindest teilweise aus Stahl ausgebildet ist.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Brennstoffzellenvorrichtungen bekannt, die zumindest eine Prozessoreinheit, wie beispielswiese einen Wärmeübertrager, umfassen, wobei die Prozessoreinheiten aus Stahl gefertigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Stahl der zumindest einen Komponente zumindest teilweise mit einem metallischen Material und/oder einem keramischen Material bedeckt, vorzugsweise beschichtet, ist.
Unter einer „Komponente“ soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit und/oder ein Bauteil der Brennstoffzellevorrichtung verstanden werden.
Unter einer „Einheit“ soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Prozessoreinheit und/oder eine Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Insbesondere handelt es sich bei einer Brennstoffzelleneinheit um einen Brennstoffzellenstack und/oder eine Brennstoffzelle.
Bevorzugt umfasst ein Brennstoffzellenstack wiederum eine Vielzahl an Brennstoffzellen.
Unter einer „Prozessoreinheit“ soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung verstanden werden, die nicht eine Brennstoffzelleneinheit, bzw. eine Brennstoffzelle und/oder ein Brennstoffzellenstack, ist. Insbesondere handelt es sich bei der Prozessoreinheit um eine zur, vorzugsweise chemischen und/oder thermischen, Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Brenngases, einer Luft und/oder eines Abgases. Bevorzugt handelt es sich bei der Prozessoreinheit um einen Reformer, einen Nachbrenner und/oder einen Wärmeübertrager.
Unter einem „Bauteil“ soll im Rahmen der Erfindung insbesondere ein vorgefertigtes und/oder vorzufertigendes Teilstück für den Bau der Brennstoffzellenvorrichtung verstanden werden. Ein solches Teilstück kann durch eine Einheit der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst sein und/oder entsprechend ein Teilstück einer Einheit sein. So kann es sich dabei insbesondere um ein Teilstück einer Brennstoffzelleneinheit, wie beispielsweise eine (Träger-) Platte eines Brennstoffzellenstacks, handeln. Ein solches Teilstück kann aber auch nicht durch eine Einheit umfasst sein und/oder beispielsweise ein Teilstück der Brennstoffzellenvorrichtung außerhalb einer Einheit sein. So kann es sich dabei insbesondere um ein Teilstück handeln, welches verschiedene Einheiten verbindet, wie beispielsweise ein Rohr zur Medienführung.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich.
So ist es von Vorteil, wenn das metallische Material Aluminium (AI), Nickel (Ni), Titan (Ti), Cobalt (Co), Silicium (Si), Kupfer (Cu) und/oder Mangan (Mn) umfasst und/oder das keramische Material ein Oxid, ein Nitrid und/oder ein Carbid, insbesondere des metallischen Materials, vorzugsweise Aluminiumoxid (AI2O3), Siliciumnitrid (SisNzi) und/oder Titancarbid (TiC) umfasst.
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst die zumindest eine Komponente, insbesondere die Prozessoreinheit, vorzugsweise der Wärmeübertrager, zwischen welchen eine Wärmeübertragung vorgesehen ist, wobei zumindest einer der zumindest zwei Medienführungsräume mit dem metallischen Material und/oder dem keramischen Material bedeckt, vorzugsweise beschichtet, ist. Von Vorteil ist es, wenn der zumindest eine mit dem metallischen Material und/oder dem keramischen Material bedeckte, vorzugsweise beschichtete, Medienführungsraum dazu vorgesehen ist ein einer Brennstoffzelleneinheit zuzuführendes Medium, insbesondere Luft, zu führen.
Von Vorteil ist es auch, wenn der zumindest eine mit dem metallischen Material und/oder dem keramischen Material bedeckte, vorzugsweise beschichtete, Medienführungsraum dazu vorgesehen ist ein von einer Brennstoffzelleneinheit abzuführendes Medium, insbesondere Abgas, zu führen.
Von Vorteil ist es auch, wenn beide der zumindest zwei Medienführungsräume mit dem metallischen Material und/oder dem keramischen Material bedeckt, vorzugsweise beschichtet, sind.
Das vorliegende Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung nach der vorhergehenden Beschreibung, hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Stahl der zumindest einen Prozessoreinheit zumindest teilweise mit einem metallischen Material und/oder einem keramischen Material bedeckt, vorzugsweise beschichtet, wird.
In einer vorteilhaften Ausführung wird das metallische Material zumindest teilweise vor der Montage der zumindest einen Prozessoreinheit, insbesondere zu dem keramischen Material, oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert.
Vorzugsweise wird das metallische Material zumindest teilweise durch eine thermische Behandlung, vorzugsweise in einem Ofen, oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird das metallische Material zumindest teilweise nach der Montage der zumindest einen Prozessoreinheit, insbesondere zu dem keramischen Material, oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert.
Bevorzugt wird das metallische Material zumindest teilweise während eines Betriebs, insbesondere eines anfänglichen Betriebes, der Brennstoffzellenvorrichtung oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert. Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich die Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung zu vereinfachen, sowie die Betriebseigenschaften einer Brennstoffzellenvorrichtung zu verbessern. Insbesondere kann einfacher und kostengünstiger eine Brennstoffzellen Vorrichtung bereitgestellt werden, bei der ein Leistungsverlust über die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung reduziert und zugleich die Betriebssicherheit erhöht und die Umwelt geschont wird.
Zeichnungen
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Wärmeübertragers des Ausführungsbeispiels der Brennstoffzellenvorrichtung aus Fig. 1.
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“ soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10 verstanden werden, die nicht eine Brennstoffzelleneinheit 12, bzw. ein Brennstoffzellenstack und/oder eine Brennstoffzelle, ist. Insbesondere handelt es sich bei der Prozessoreinheit 14 um eine zur, vorzugsweise chemischen und/oder thermischen, Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Brennstoffs B, RB, einer Luft L und/oder eines Abgases A, KA, AA. Bevorzugt handelt es sich bei der Prozessoreinheit 14 um einen Reformer 26, einen Nachbrenner 28 und/oder einen Wärmeübertrager 18, 36, 39.
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.
Für eine stabile Ausgestaltung der Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 10, im gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere der Prozessoreinheiten 14, wie beispielswiese der Wärmeübertrager 18, 36 und/oder 39, werden diese zumindest teilweise, im vorliegenden Fall in einem ersten Schritt vollständig, aus Stahl gefertigt. Bei dem Stahl handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um, insbesondere temperaturbeständigen, rostfreien Stahl. Die vorliegende Brennstoffzellenvorrichtung 10 zeichnet sich nun dadurch aus, dass der Stahl zumindest einer Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Stahl zumindest einer der Prozessoreinheiten 14, zumindest teilweise mit einem metallischen Material 56 und/oder einem keramischen Material 58 bedeckt, in dem gezeigten Fall beschichtet, ist.
Das metallische Material 56 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechend auch als metallische Schicht 56 verstanden werden. Das keramische Material 58 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechend auch als keramische Schicht 58 verstanden werden.
Das metallische Material kann Aluminium (AI), Nickel (Ni), Titan (Ti), Cobalt (Co), Silicium (Si), Kupfer (Cu) und/oder Mangan (Mn) umfassen. In dem gezeigten Fall umfasst das metallische Material Aluminium (AI).
Das keramische Material kann ein Oxid, ein Nitrid und/oder ein Carbid, im vorliegenden Fall des metallischen Materials, beispielsweise Aluminiumoxid (AI2O3), Siliciumnitrid (SisNzi) und/oder Titancarbid (TiC), umfassen. Im dem gezeigten Fall umfasst das keramische Material Aluminiumoxid (AI2O3).
Durch das metallische Material 56 und/oder das keramischen Material 58, im vorliegenden Fall durch das Aluminium (AI) und das Aluminiumoxid (AI2O3), kann während des Betriebes der Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Auslösung von Chrom aus dem Stahl zumindest einer der Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 10, in gezeigten Fall der Prozessoreinheiten 14, (sog. Chromverdampfung) deutlich reduziert werden. Dadurch wiederum ist es möglich Leistungsverluste über die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zu reduzieren und zugleich die Betriebssicherheit der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zu erhöhen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Prozessoreinheiten 14, im vorliegenden Fall die Wärmeübertrager 18 und 36, zumindest zwei Medienführungsräume 50, zwischen welchen eine Wärmeübertragung vorgesehen ist.
Entsprechend ist in Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Wärmeübertragers 18 des Ausführungsbeispiels der Brennstoffzellenvorrichtung 10 aus Fig. 1 gezeigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Wärmeübertrager 18 zwei Medienführungsräume 50, konkret einen ersten Medienführungsraum 52 und einen zweiten Medienführungsraum 54.
Zumindest einer der zumindest zwei Medienführungsräume 50, im gezeigten Fall der erste Medienführungsraum 52, ist mit dem metallischen Material 56 und/oder dem keramischen Material 58, im gezeigten Fall mit dem Aluminium (AI) und/oder dem Aluminiumoxid (AI2O3), bedeckt, vorzugsweise beschichtet. Darunter kann im Rahmen der Erfindung insbesondere auch verstanden werden, dass eine Wandung 60 des Medienführungsraums 50, vorzugsweise bezogen auf eine Medienführung innenseitig, mit dem metallischen Material 56 und/oder dem keramischen Material 58, im gezeigten Fall mit dem Aluminium (AI) und/oder dem Aluminiumoxid (AI2O3), bedeckt, vorzugsweise beschichtet, ist. Dadurch ist es möglich eine Chromverdampfung gezielt in einem Medienführungsraum 50 zu reduzieren. Somit kann ein Chromgehalt in einem entsprechenden Medienstrom der Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezielt reduziert werden.
In dem gezeigten Fall ist der eine der zumindest zwei Medienführungsräume 50, vorliegend der erste Medienführungsraum 52, zumindest im Wesentlichen vollständig mit dem metallischen Material 56 und/oder dem keramischen Material 58, bzw. mit dem Aluminium (AI) und/oder dem Aluminiumoxid (AI2O3), bedeckt, bzw. beschichtet.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine mit dem metallischen Material 56 und/oder dem keramischen Material 58 bedeckte, vorzugsweise beschichtete, Medienführungsraum 50, im gezeigten Fall der erste Medienführungsraum 52, dazu vorgesehen ein einer Brennstoffzelleneinheit 12 zuzuführendes Medium B, RB, L, im vorliegenden Fall Luft L, zu führen. So kann gezielt unterbunden werden, dass während dem Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 10 im ersten Medienführungsraum 52 des Wärmeübertragers 18 eine Chromverdampfung stattfindet und das dabei ausgelöste Chrom über den der Brennstoffzelleneinheit 12 zuzuführenden Medienstrom, im vorliegenden Fall den Luftstrom, in die Brennstoffzelleneinheit 12 gelangt. Entsprechend kann eine Chromanreicherung in der Brennstoffzelleneinheit 12 zumindest im Wesentlichen verhindert werden, wodurch wiederum durch Chromanreicherung bedingte Leistungsverluste in der Brennstoffzelleneinheit 12 reduziert werden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, welches nicht bildlich dargestellt ist, wäre es aber auch möglich, dass der zumindest eine mit dem metallischen Material 56 und/oder dem keramischen Material 58, insbesondere mit dem Aluminium (AI) und/oder dem Aluminiumoxid (AI2O3), bedeckte, vorzugsweise beschichtete, Medienführungsraum 50 dazu vorgesehen ist ein von der Brennstoffzelleneinheit 12 abzuführendes Medium A, AA, KA, insbesondere Abgas A, zu führen. In dem Rahmen wäre es möglich, dass der zweite Medienführungsraum 54 des Wärmeübertragers 18 mit dem metallischen Material 56 und/oder dem keramischen Material 58, insbesondere mit dem Aluminium (AI) und/oder dem Aluminiumoxid (AI2O3), bedeckt, vorzugsweise beschichtet, ist. In dem Rahmen wäre es aber auch möglich, dass der das Abgas A führende Medienführungsraum des Wärmeübertragers 36 mit dem metallischen Material 56 und/oder dem keramischen Material 58, insbesondere mit dem Aluminium (AI) und/oder dem Aluminiumoxid (AI2O3), bedeckt, vorzugsweise beschichtet, ist. In beiden Fällen kann gezielt unterbunden werden, dass während dem Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 10 im entsprechenden Medienführungsraum des Wärmeübertragers 18 oder 36 eine Chromverdampfung stattfindet und das dabei eventuell ausgelöste Chrom über den der Brennstoffzelleneinheit 12 abzuführenden Medienstrom, im vorliegenden Fall den Abgasstrom, aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10, insbesondere in die Atmosphäre, gelangt. Entsprechend kann die Gefahr einer Anreicherung von Chrom in der Atmosphäre reduziert werden, wodurch wiederum die Sicherheit erhöht wird und zudem die Umwelt geschont wird.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, welches nicht bildlich dargestellt ist, wäre es aber auch möglich, dass beide der zumindest zwei Medienführungsräume 50 des Wärmeübertragers 18 mit dem metallischen Material 56 und/oder dem keramischen Material 58, insbesondere mit dem Aluminium (AI) und/oder dem Aluminiumoxid (AI2O3), bedeckt, vorzugsweise beschichtet, sind. Dadurch können sowohl durch Chromanreicherung bedingte Leistungsverluste in der Brennstoffzelleneinheit 12 als auch die Gefahr einer Anreicherung von Chrom in der Atmosphäre reduziert, bzw. die Sicherheit erhöht und zudem die Umwelt geschont, werden.
Für das gezeigte Ausführungsbeispiel wird zumindest eine der Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung, im gezeigten Fall zumindest eine der Prozessoreinheiten 14, vorliegend der Wärmeübertrager 18, konkret der erste Medienführungsraum 52, vor einer Montage der, bzw. in die, Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit dem metallischen Material 56, für das gezeigte Ausführungsbeispiel mit Aluminium (AI), beschichtet.
Im Rahmen der Erfindung ist es nun möglich, dass das metallische Material 56 zumindest teilweise vor der Montage der zumindest einen Komponente, in dem gezeigten Fall der zumindest einen Prozessoreinheit 14, vorligend des Wärmeübertragers 18, oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert wird. Für den gezeigten Fall würde konkret das Aluminium (AI) zu dem Aluminiumoxid (AI2O3) oxidiert werden. Dadurch würde ein kostengünstiges Verfahren zur Ausbildung eines keramischen Materials 58 auf dem Stahl einer Prozessoreinheit 14 ermöglicht werden.
Dabei ist es denkbar, dass das metallische Material 56 zumindest teilweise durch eine thermische Behandlung, beispielsweise in einem Ofen, oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert wird. So würde für den gezeigten Fall ein besonders kostengünstiges Verfahren zur Ausbildung eines keramischen Materials 58 auf dem Stahl einer Prozessoreinheit 14 ermöglicht werden.
Für das gezeigte Ausührungsbeispiel wird jedoch alternativ das metallische Material 56, bzw. das Aluminium (AI), zumindest teilweise nach der Montage der zumindest einen Komponente, bzw. Prozessoreinheit 14, vorligend des Wärmeübertragers 18, oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert, für den gezeigten Fall oxidiert. Dadurch wird ermöglicht, dass der Schritt des Oxidierens, Nitrierens und/oder Carbidisierens, beispielsweise in einem Ofen, entfallen kann, wodurch wiederum die Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung 10 vereinfacht wird.
Für das gezeigte Ausführungsbeispiel wird das metallische Material 56 zumindest teilweise, im vorliegenden Fall im Wesentlichen, während eines Betriebs, bzw. eines anfänglichen Betriebes, der Brennstoffzellenvorrichtung 10 oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert. Im vorliegenden Fall wird konkret das Aluminium (AI) während des Betriebs, bzw. des anfänglichen Betriebes, der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zu dem Aluminiumoxid (AI2O3) oxidiert. Dabei handelt es sich ebenfalls um eine thermische Behandlung, wobei diese eben während des Betriebs, bzw. des anfänglichen Betriebs, der Brennstoffzellenvorrichtung 10 erfolgt. Dadurch kann die Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung 10 besonders vereinfacht werden.
Demnach umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 des gezeigten Ausführungsbeispiels eine Komponente, im gezeigten Fall eine Prozessoreinheit 14, konkret einen Wärmeübertrager 18, der zumindest teilweise sowohl mit dem metallischen Material 56, bzw. dem Aluminium (AI), als auch mit dem keramischen Material 58, bzw. dem Aluminiumoxid (AI2O3), bedeckt, bzw. beschichtet, ist, jedoch aber zu verschiedenen Zeiten. So ist die Komponente, bzw. Prozessoreinheit 14, vorliegend der Wärmeübertrager 18, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel vor und während der Montage der, bzw. in die, Brennstoffzellenvorrichtung 10 lediglich mit dem metallischen Material 56, bzw. dem Aluminium (AI), beschichtet. Nach einem Betrieb, bzw. dem anfänglichen Betrieb, der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. nach Oxidierung, Nitrierung und/oder Carbidisierung -Ildes metallischen Materials 56, ist die Komponente, bzw. die Prozessoreinheit 14, vorliegend der Wärmeübertrager 18, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich mit dem keramischen Material 58, bzw. dem Aluminiumoxid (AI2O3), beschichtet. Entsprechend kann der Betrieb, bzw. der anfängliche Betrieb, der Brennstoffzellenvorrichtung 10 noch als Teil des Verfahrens zur Herstellung der Brennstoffzellen Vorrichtung 10 verstanden werden.
In beiden Fällen der thermischen Behandlung, vor der Montage, bspw. im Ofen, oder während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 10, erfolgt diese vorteilhaft in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 1100 °C, insbesondere zwischen 500 °C und 950 °C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 850 °C.
Bei einer thermischen Behandlung in einem Temperaturbereich zwischen 500 °C und 950 °C wird eine vorteilhafte Oxidierung, Nitrierung und/oder Carbidisierung, vorliegend von mindestens 70 %, des metallischen Materials 56 zu dem keramischen Material 58, insbesondere der Oxidierung des Aluminiums (AI) zu dem Aluminiumoxid (AI2O3), erreicht.
Bei einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur von 850 °C wird eine besonders vorteilhafte Oxidierung, Nitrierung und/oder Carbidisierung von nahezu des gesamten metallischen Materials 56, vorliegend mindestens 90 % des metallischen Materials 56, zu dem keramischen Material 58, insbesondere der Oxidierung des Aluminiums (AI) zu dem Aluminiumoxid (AI2O3), erreicht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stahl der durch das metallische Material 56, bzw. die metallische Schicht 56, bedeckt, bzw. beschichtet, wird eine Dicke von 100 pm, während das metallische Material 56, bzw. die metallische Schicht 56, eine Dicke von 1 - 2 pm aufweist. Während einer Oxidierung, Nitrierung und/oder Carbidisierung des metallischen Materials 56, bzw. der metallischen Schicht 56, wird die Dicke derselben reduziert, sodass das dabei sich bildende keramische Material 58, bzw. die keramische Schicht 58, eine Dicke von 0,5 - 2 pm aufweist. Dadurch wird eine ausreichend dicke keramische Schicht 58 ausgebildet, welche die vorhergehend erläuterte Chromverdampfung besonders vorteilhaft vermeidet.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellenvorrichtung (10), umfassend zumindest eine Komponente (14, 18, 36, 39), insbesondere eine Prozessoreinheit (14), vorzugsweise einen Wärmeübertrager (18, 36, 39), welche zumindest teilweise aus Stahl ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der zumindest eine Komponente (14, 18, 36, 39) zumindest teilweise mit einem metallischen Material (56) und/oder einem keramischen Material (58) bedeckt, vorzugsweise beschichtet, ist.
2. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (56) Aluminium (AI), Nickel (Ni), Titan (Ti), Cobalt (Co), Silicium (Si), Kupfer (Cu) und/oder Mangan (Mn) umfasst und/oder das keramische Material (58) ein Oxid, ein Nitrid und/oder ein Carbid, insbesondere des metallischen Materials (56), vorzugsweise Aluminiumoxid (AI2O3), Siliciumnitrid (SisNzi) und/oder Titancarbid (TiC) umfasst.
3. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Komponente (14, 18, 36, 39), insbesondere die Prozessoreinheit (14), vorzugsweise der Wärmeübertrager (18, 36, 39), zumindest zwei Medienführungsräume (50, 52, 54) umfasst, zwischen welchen eine Wärmeübertragung vorgesehen ist, wobei zumindest einer der zumindest zwei Medienführungsräume (50, 52, 54) mit dem metallischen Material (56) und/oder dem keramischen Material (58) bedeckt, vorzugsweise beschichtet, ist.
4. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine mit dem metallischen Material (56) und/oder dem keramischen Material (58) bedeckte, vorzugsweise beschichtete, Medienführungsraum (52) dazu vorgesehen ist ein einer Brennstoffzelleneinheit (12) zuzuführendes Medium (B, RB, L), insbesondere Luft (L), zu führen. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine mit dem metallischen Material (56) und/oder dem keramischen Material (58) bedeckte, vorzugsweise beschichtete, Medienführungsraum dazu vorgesehen ist ein von einer Brennstoffzelleneinheit abzuführendes Medium (A, AA, KA), insbesondere Abgas (A), zu führen. Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide der zumindest zwei Medienführungsräume (50, 52, 54) mit dem metallischen Material (56) und/oder dem keramischen Material (58) bedeckt, vorzugsweise beschichtet, sind. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Komponente (14, 18, 36, 39), insbesondere eine Prozessoreinheit (14), vorzugsweise ein Wärmeübertrager (18, 36, 39), der Brennstoffzellenvorrichtung (10) zumindest teilweise aus Stahl ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der zumindest einen Komponente (14, 18, 36, 39) zumindest teilweise mit einem metallischen Material (56) und/oder einem keramischen Material (58) bedeckt, vorzugsweise beschichtet, wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (56) zumindest teilweise vor der Montage der zumindest einen Komponente (14, 18, 36, 39), insbesondere zu dem keramischen Material (58), oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (56) zumindest teilweise durch eine thermische Behandlung, vorzugsweise in einem Ofen, oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (56) zumindest teilweise nach der Montage der zumindest einen Komponente (14, 18, 36, 39), insbesondere zu dem keramischen Material (58), oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (56) zumindest teilweise während eines Betriebs, insbesondere eines anfänglichen Betriebes, der Brennstoffzellenvorrichtung (10) oxidiert, nitriert und/oder carbidisiert wird.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10306649A1 (de) * 2003-02-18 2004-09-02 Forschungszentrum Jülich GmbH Schutzschicht für hochtemperaturbelastete Substrate, sowie Verfahren zur Herstellung derselben
DE102005015523A1 (de) * 2004-04-02 2005-10-27 Behr Gmbh & Co. Kg Beschichteter Werkstoff zur Bildung eines Hochtemperaturwerkstoffs und dessen Verwendung in einer Brennstoffzelle
EP1630243A2 (de) * 2004-08-24 2006-03-01 Behr GmbH & Co. KG Verfahren zum Herstellen eines Bauteils
DE112009003594T5 (de) * 2008-12-12 2012-05-24 Ezelleron Gmbh Brennstoffzellensystem mit Reformer
EP3306256A1 (de) * 2016-10-04 2018-04-11 Bosal Emission Control Systems NV Hochtemperaturwärmetauscher mit chromabsorber
EP3316370A1 (de) * 2015-06-29 2018-05-02 Kyungdong Navien Co., Ltd. Festoxidbrennstoffzellensystem mit überzugsschicht darauf
EP3811447A1 (de) * 2018-06-25 2021-04-28 Saint-Gobain Ceramics&Plastics, Inc. Elektrochemische anordnung mit wärmetauscher

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210313651A1 (en) 2021-06-17 2021-10-07 Newsotech, Inc. Asynchronous conversion of metals to metal ceramics

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10306649A1 (de) * 2003-02-18 2004-09-02 Forschungszentrum Jülich GmbH Schutzschicht für hochtemperaturbelastete Substrate, sowie Verfahren zur Herstellung derselben
DE102005015523A1 (de) * 2004-04-02 2005-10-27 Behr Gmbh & Co. Kg Beschichteter Werkstoff zur Bildung eines Hochtemperaturwerkstoffs und dessen Verwendung in einer Brennstoffzelle
EP1630243A2 (de) * 2004-08-24 2006-03-01 Behr GmbH & Co. KG Verfahren zum Herstellen eines Bauteils
DE112009003594T5 (de) * 2008-12-12 2012-05-24 Ezelleron Gmbh Brennstoffzellensystem mit Reformer
EP3316370A1 (de) * 2015-06-29 2018-05-02 Kyungdong Navien Co., Ltd. Festoxidbrennstoffzellensystem mit überzugsschicht darauf
EP3306256A1 (de) * 2016-10-04 2018-04-11 Bosal Emission Control Systems NV Hochtemperaturwärmetauscher mit chromabsorber
EP3811447A1 (de) * 2018-06-25 2021-04-28 Saint-Gobain Ceramics&Plastics, Inc. Elektrochemische anordnung mit wärmetauscher

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