DE102021209182A1

DE102021209182A1 - Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102021209182A1
Application number: DE102021209182.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Scherer; Daniel Jansen; Dirk Heilig; Mareen Rosenkranz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-02-23
Also published as: WO2023021215A3; WO2023021215A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (10), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstack (12) und eine Brennstoffzuführung (25). Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Verdampfungsvorrichtung (46) aufweist, welche an einer Brennstoffzuleitung (24) zwischen der Brennstoffzuführung (25) und dem Brennstoffzellenstack (12) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung.
Stand der Technik
Beim Anschalten von Brennstoffzellenvorrichtungen muss das Gesamtsystem auf die Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Dabei muss verhindert, dass es zum Abbau von Nickel an der Anode des Brennstoffzellenstacks durch Oxidation kommt. Im Stand der Technik wird dazu Wasserstoff aus der Leitung oder - im derzeit üblichen Erdgasbetrieb - aus einer Flasche eingesetzt, mit welchem die Anode im Aufheizbetrieb umspült wird, so dass der Sauerstoff von der Anode verdrängt wird. Bei für den Erdgasbetrieb ausgelegten Brennstoffzellenvorrichtungen muss also der Wasserstoff nur für den Aufheizbetrieb bereitgehalten werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstack und eine Brennstoffzuführung. Erfindungsgemäß weist die Brennstoffzellenvorrichtung eine Verdampfungsvorrichtung auf, welche an einer Brennstoffzuleitung zwischen der Brennstoffzuführung und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist.
Das hat den Vorteil, dass in einem Startbetrieb bzw. Aufheizbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mittels der Verdampfungsvorrichtung Wasserdampf erzeugbar ist, welcher an die Anode des Brennstoffzellenstacks leitbar ist und dort eine Schutzatmosphäre ausbildet, welche die Oxidation des Brennstoffzellenstacks bzw. der Anode des Brennstoffzellenstacks weitgehend verhindert bzw. reduziert. Auf diese Weise bleibt die Effizienz und der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung im Wesentlichen erhalten. Dabei wird im Aufheizbetrieb bevorzugt warmes Gas, beispielsweise Luft, Brennstoff und/oder Anodenabgase - insbesondere aus einem Anodenrezirkulationskreislauf - durch die Brennstoffzuführung in den Brennstoffzellenstack geleitet und dabei durch die Verdampfungsvorrichtung Wasserdampf in dieses warme Gas eingeleitet.
Unter einer Brennstoffzellenvorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche insbesondere einen, insbesondere funktionstüchtigen, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems oder das gesamte Brennstoffzellensystem ausbildet.
Unter einem Brennstoffzellensystem soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer, Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden.
Unter einer Brennstoffzellenstack soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen verstanden werden. Eine Brennstoffzelle ist insbesondere dazu vorgesehen, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein.
Unter einer Brennstoffzuführung soll eine Quelle für einen Brennstoff verstanden werden, welcher der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt wird. Beispielsweise kann die Brennstoffzuführung ein Anschluss für eine externe Brennstoffzuleitung sein, beispielsweise aus einem Erdgasnetz oder aus einer Wasserstoffflasche. Ein Brennstoff kann beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff sein.
Unter einer Verdampfungsvorrichtung soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu ausgebildet bzw. eingerichtet ist, ein Fluid - insbesondere Wasser - und in einem strömenden Fluid- bzw. Gasstrom zu verdampfen, insbesondere in einen Luftstrom, Brennstoffstrom oder Abgasstrom, so dass dieser Fluid- bzw. Gasstrom den Dampf enthält und transportiert. Bevorzugt weist die Brennstoffzellenvorrichtung eine Wasserquelle auf, beispielsweise einen Anschluss an eine externe Wasserleitung oder einen Wasserspeicher zur Versorgung der Verdampfungsvorrichtung. Vorteilhaft weist die Brennstoffzellenvorrichtung eine Pumpe und/oder Wasserdosiervorrichtung auf, welche dafür vorgesehen ist, Wasser von der Wasserquelle zur Verdampfungsvorrichtung zu transportieren. Die Zuführung von dem zu verdampfenden Wasser kann über eine Schnittstelle bzw. Rohrverbindung in die Brennstoffzuleitung erfolgen. Es ist denkbar, dass die Zuführung von Wasser in die Verdampfungsvorrichtung bzw. in die Brennstoffzuleitung an einer Position erfolgt oder an mehreren Stellen, welche entlang der Länge der Brennstoffzuleitung und/oder entlang des Umfangs der Brennstoffzuleitung angeordnet sein können.
Unter einer Brennstoffzuleitung soll eine Leitung für ein Fluid oder Gas verstanden werden, welche in einem Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung dafür vorgesehen ist, einen bevorzugt gasförmigen Brennstoff zu führen. Es ist aber auch denkbar, dass die Brennstoffzuleitung andere Gase leitet, beispielsweise Anodenabgase, insbesondere aus einem Anodenrezirkulationskreis oder Luft in einem Startbetrieb bzw. Aufheizbetrieb oder in einem Abschaltbetrieb bzw. Abkühlbetrieb. Beispielsweise kann die Brennstoffzuleitung als ein Rohr ausgebildet sein.
Unter einem Normalbetrieb kann im Rahmen dieser Erfindung der planmäßige Betrieb des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzellenvorrichtung bei üblicher Beanspruchung verstanden werden. Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem im Normalbetrieb auch in der Lage den maximal möglichen Wirkungsgrad zu erreichen. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems liegt dabei in der Regel etwa zwischen 600 °C und 800 °C.
Unter einem Startbetrieb bzw. Aufheizbetrieb kann im Rahmen dieser Erfindung der Betrieb während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzellenvorrichtung verstanden werden. Insbesondere wird die Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems während des Startvorgangs auf eine für den Normalbetrieb geeignete Betriebstemperatur, beispielsweise von 600 °C, aufgewärmt. Insbesondere kann unter einem Startvorgang das Starten und/oder Hochfahren des Brennstoffzellensystems aus einem ausgeschalteten Zustand und/oder aus einem Stand-by-Zustand in den Normalbetrieb verstanden werden.
Unter einem Abschaltbetrieb bzw. Abkühlbetrieb kann im Rahmen dieser Erfindung der Betrieb während eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzellenvorrichtung verstanden werden. Insbesondere wird die Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems während des Abschaltvorgangs von der Betriebstemperatur des Normalbetriebs, beispielsweise von 600 °C, auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Insbesondere kann unter einem Abschaltvorgang das Abschalten und/oder Herunterfahren des Brennstoffzellensystems aus einem Normalbetrieb in einen ausgeschalteten Zustand und/oder in einen Stand-by-Zustand verstanden werden.
Darunter, dass die Brennstoffzuleitung zwischen der Brennstoffzuführung und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass die Brennstoffzuleitung fluidtechnisch zwischen der Brennstoffzuführung und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist. In andern Worten sind die Brennstoffzuleitung und der Brennstoffzellenstack fluidtechnisch - bevorzugt über Rohre oder Leitungen - derart miteinander verschaltet, dass ein Gas- bzw. Fluidströmungsweg zwischen der Brennstoffzuleitung und dem Brennstoffzellenstack besteht, der durch die Brennstoffzuleitung führt. Es ist denkbar, dass fluidtechnisch zwischen der Brennstoffzuleitung und dem Brennstoffzellenstack und/oder zwischen der Brennstoffzuleitung und der Brennstoffzuführung weitere Komponenten angeordnet sind, beispielsweise weitere Leitungen, Ventile, Wärmetauscher, Reformer und dergleichen.
Darunter, dass die Verdampfungsvorrichtung an einer Brennstoffzuleitung angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass die Verdampfungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass der durch die Verdampfungsvorrichtung erzeugt Dampf in die Brennstoffzuleitung eingeleitet wird. Insbesondere kann die Verdampfungsvorrichtung zumindest abschnittsweise oder weitgehend vollständig innerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet sein.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Brennstoffzellenvorrichtung möglich.
Es ist von Vorteil, wenn die Verdampfungsvorrichtung als ein offenes System ausgebildet ist, welches einen offenen Abschnitt aufweist, welcher zum flächigen Verdunsten vorgesehen ist. Insbesondere ist der offene Abschnitt zum flächigen Verdunsten ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass das Fluid, insbesondere Wasser, besonders zuverlässig verdampft werden kann. Vorteilhaft ist der offene Abschnitt innerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet.
Unter einem offenen Abschnitt soll insbesondere ein flächiger Abschnitt verstanden werden, auf welchen das Fluid bzw. Wasser führbar ist und auf welchen das Fluid bzw. Wasser verdampfen bzw. verdunsten kann. Insbesondere ist der offene Abschnitt derart ausgebildet bzw. angeordnet, an welchem im Aufheizbetrieb das warme Gas - insbesondere Luft, Brennstoff und/oder Anodenabgase - entlangströmen. Ein offener Abschnitt ist insbesondere ein Abschnitt, auf welchem im Betrieb der Verdampfungsvorrichtung das Fluid bzw. Wasser angeordnet ist und von welchem aus das Fluid bzw. Wasser mittelbar oder unmittelbar in die Brennstoffzuleitung verdampfen bzw. verdunsten kann. Vorteilhaft ist offene Abschnitt koaxial in der Brennstoffzuleitung angeordnet.
Vorteilhaft ist die Dimensionierung des offenen Bereichs, insbesondere die Erstreckung des offenen Bereichs in Strömungsrichtung derart gewählt, dass bei den in der Brennstoffzuleitung im Aufheizbetrieb auftretenden Temperaturen bzw. Wärmeleistungen und Gasströmen die gewünschte Verdampfungsrate erreicht wird.
Typische Wärmeleistungen, die durch Gasströme im Aufheizvorgang an die Verdampfungsvorrichtung transportiert werden liegen in der Größenordnung von 100 W. Eine gewünschte Verdampfungsrate von Wasser hängt von der konkreten Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung ab, insbesondere des Brennstoffzellenstacks, typische Werte liegen in den Bereichen von 1.0 g/min bis 12.5 g/min, bevorzugt 2.5 g/min bis 10.0 g/min, besonders bevorzug 5.0 g/min bis 7.5 g/min, wobei die Einheit 1 g/min ein Gramm verdampftes Wasser bzw. Flüssigkeit pro Minute bezeichnet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung wird weiter verbessert, wenn die Verdampfungsvorrichtung einen netzartigen Bereich aufweist. Insbesondere kann ein offener Abschnitt den netzartigen Bereich aufweisen. Ein netzartiger Bereich ermöglicht eine besonders gute Verdunstung, insbesondere wenn das warme Gas im Aufheizbetrieb zumindest teilweise durch den netzartigen Bereich strömen kann. Weiterhin hat ein netzartiger Bereich den Vorteil, dass sich das zu Verdunstende Fluid bzw. Wasser besonders gut verteilen kann.
Unter einem netzartigen Bereich soll insbesondere eine Struktur verstanden werden, welche relativ zu ihrem Volumen eine große Oberfläche aufweist. Insbesondere kann der netzartige Bereich eine Vielzahl von Poren, kleinen Öffnungen und/oder Maschen aufweisen. Beispielsweise kann der netzartige Bereich ein Geflecht - insbesondere Fasergeflecht, ein Filz, ein Gewebe, Gelege oder einen offenporigen, festen Schaum aufweisen. Insbesondere kann der netzartige Bereich einen offenporigen Metallschaum aufweisen, beispielsweise aus Aluminium oder Edelstahl. Es ist von Vorteil, wenn die Poren des netzartigen Bereichs eine Größe zwischen 1 mm und 5 mm aufweisen, bevorzugt zwischen 2 mm und 3 mm. Auf diese Weise ist es möglich, dass das warme Gas bzw. die warme Luft den netzartigen Bereich bzw. die offenporige Schaumstruktur durchströmt. Es ist auch denkbar, dass der netzartige Bereich beispielweise aus einem Sintermaterial ausgebildet ist. Vorteilhaft ist der netzartige Bereich koaxial in der Brennstoffzuleitung angeordnet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung weist der netzartige Bereich ein Geflecht auf, insbesondere ein Geflecht aus Fasern. Das ermöglicht eine gute Verdunstung bei einer guten Beständigkeit gegenüber den in einer Brennstoffzellenvorrichtung auftretenden Temperaturen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung wird weiter verbessert, wenn der netzartige Bereich zumindest abschnittsweise, bevorzugt weitgehend vollständig, aus Edelstahl ausgebildet ist. Auf diese Weise kann auch eine sehr gute Beständigkeit gegenüber dem an der Verdampfungsvorrichtung strömenden warmen Gas, insbesondere Anodenabgas und Brennstoff, erreicht werden.
Alternativ ist es denkbar, dass der netzartige Bereich zumindest abschnittsweise aus einem anderen Metall - beispielsweise Aluminium oder Kupfer - und/oder einem Silikat und/oder Kunststoff ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es denkbar, dass der offene Bereich, insbesondere der netzartige Bereich eine hydrophile Beschichtung aufweist. Auf diese Weise kann die Wasserverteilung im offenen Bereich bzw. im netzartigen Bereich durch eine stärkere Adhäsion verbessert werden.
Von Vorteil ist es, wenn der netzartige Bereich an einer Innenwand der Brennstoffzuleitung angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist der netzartige Bereich vollständig oder weitgehend vollständig entlang des Umfangs der Innenwand angeordnet. Auf diese Weise wird ein Gasstrom durch die Brennstoffzuleitung nicht beeinträchtigt, insbesondere in einem Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung. Vorteilhaft kontaktiert der netzartige Bereich die Innenwand. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Brennstoffzuleitung einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt hat und der netzartige Bereich weitgehend hohlzylinderförmig ausgebildet ist, wobei der netzartige Bereich mit seinem Außenumfang an der Innenwand anliegt und diese vorteilhaft kontaktiert. Auf diese Weise bleibt im inneren des netzartigen Bereichs ein freier Querschnitt, durch welchen das warme Gas frei strömen kann.
Vorteilhaft weist die Verdampfungsvorrichtung eine Rückhalteelement auf, welches zur mechanischen Fixierung des netzartigen Bereichs an der Innenwand ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein Anliegen bzw. Kontaktieren des netzartigen Bereichs an der Innenwand sichergestellt werden. Das hat den Vorteil, dass die Wärmeverteilung verbessert werden kann. Ein Rückhalteelement kann insbesondere als ein Sprengring oder eine Spiralfeder ausgebildet sein.
Eine besonders vorteilhaftes Rückhalteelement liegt vor, wenn die Verdampfungsvorrichtung ein in der Brennstoffzuleitung angeordnetes Innenrohr aufweist, wobei der netzartige Bereich zwischen der Brennstoffzuleitung und dem Innenrohr angeordnet ist. Insbesondere kann der netzartige Bereich weitgehend hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Vorteilhaft kann der netzartige Bereich koaxial innerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet sein und das Innenrohr koaxial innerhalb des netzartigen Bereichs angeordnet sein. Besonders vorteilhaft liegt das Innenrohr am netzartigen Bereich an bzw. kontaktiert diesen.
In einer vorteilhaften Variante weist das Innenrohr einen geschlossenen Bereich ohne Öffnung und einen offenen Bereich mit Durchlässen auf. Vorteilhaft ist eine Zuführung für Wasser zum netzartigen Bereich am geschlossenen Bereich des Innenrohrs angeordnet. Auf diese Weise kann der netzartige Bereich besonders gut, insbesondere umlaufend befeuchtet werden. Vorteilhaft ist der offene Bereich in Strömungsrichtung des Gases nach dem geschlossenen Bereich angeordnet. In anderen Worten sind der offene Bereich und der geschlossene Bereich derart angeordnet, dass ein im Aufheizbetrieb durch das Innenrohr strömende warme Gase zunächst am geschlossenen Bereich vorbeiströmt und dann am offenen Bereich. Im offenen Bereich können Wassertropfen aus dem netzartigen Bereich, welche sich vorteilhaft zuvor im geschlossenen Bereich gleichmäßig entlang des Umfangs verteilt haben, in den inneren Bereich des Innenrohrs fallen und können dort im Gasstrom verdampfen.
Es ist von Vorteil, wenn die Verdampfungsvorrichtung als ein geschlossenes System ausgebildet ist, welches einen geschlossenen Abschnitt zum Führen und Erwärmen von Wasser und eine Austrittsöffnung zum Abgeben von Wasserdampf aufweist. Das hat den Vorteil, dass das Wasser verdampft werden kann bei einer minimalen Beeinträchtigung des warmen Gasstroms - insbesondere Luft-, Brennstoff- und/oder Anodenabgasstrom.
Unter einem geschlossenen Abschnitt soll insbesondere ein rohr- oder leitungsförmiger Abschnitt verstanden werden, durch welchen das Wasser führbar ist und welcher das Wasser von dem durch die Brennstoffzuleitung strömenden Gasstrom räumlich trennt. Der geschlossene Abschnitt kann ist dafür eingerichtet, die Wärme aus dem Gasstrom aufzunehmen und an das Wasser abzugeben. Dabei kann der geschlossene Abschnitt derart angeordnet sein, dass er direkt vom Gasstrom umströmt wird. Es ist auch denkbar, dass der geschlossene Abschnitt die Wärme des Gasstroms mittelbar aufnimmt, beispielsweise über eine Rohrwand bzw. Außenwand der Brennstoffzuführung. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass der geschlossene Abschnitt so angeordnet ist, dass er direkt vom Gasstrom umströmt wird und abschnittsweise so angeordnet ist, dass die Wärme des Gasstroms mittelbar aufgenommen wird. Insbesondere kann geschlossene Abschnitt ganz oder teilweise innerhalb von der Brennstoffzuleitung angeordnet sein und/oder kann der geschlossene Abschnitt ganz oder teilweise außerhalb von der Brennstoffzuleitung angeordnet sein. Die Austrittsöffnung des geschlossenen Bereichs ist vorteilhaft innerhalb von der Brennstoffzuleitung angeordnet. Der geschlossene Bereich weist einen Anschluss bzw. eine Zuführung für Wasser auf.
Vorteilhaft ist die Dimensionierung des geschlossenen Bereichs, insbesondere die Erstreckung des geschlossenen Bereichs in Strömungsrichtung derart gewählt, dass bei den in der Brennstoffzuleitung im Aufheizbetrieb auftretenden Temperaturen bzw. Wärmeleistungen und Gasströmen die gewünschte Verdampfungsrate erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausbildung weist die Verdampfungsvorrichtung wenigstens ein Verdampfungsröhrchen auf. Insbesondere kann der geschlossene Abschnitt ein Verdampfungsröhrchen aufweisen bzw. kann das Verdampfungsröhrchen den geschlossenen Abschnitt und die Austrittsöffnung aufweisen. Das hat den Vorteil, dass die Anordnung des Verdampfungsröhrchens variabel gestaltet werden kann und optimal an die Geometrie der Brennstoffzuleitung angepasst werden kann. Das ermöglicht eine einfache und zuverlässige Montage der Verdampfungsvorrichtung.
Unter einem Verdampfungsröhrchen soll insbesondere ein Rohr ausgebildet zum Transport und Erwärmen des Wassers verstanden werden, welches wesentlich dünner ist als die Brennstoffzuleitung. Insbesondere kann ein Durchmesser des Verdampfungsröhrchens zwischen 1 % und 20 % eines Durchmessers der Brennstoffzuleitung, bevorzugt zwischen 3 % und 15 %, besonders bevorzugt zwischen 5 % und 10 %.
Vorteilhaft sind die Länge und der Durchmesser des Verdampfungsröhrchens so gewählt, dass bei den in der Brennstoffzuleitung im Aufheizbetrieb auftretenden Temperaturen bzw. Wärmeleistungen und Gasströmen die gewünschte Verdampfungsrate erreicht wird. Es ist auch denkbar, dass eine Mehrzahl von Verdampfungsröhrchen parallel angeordnet werden, so dass die Wassermenge pro Zeiteinheit auf die Mehrzahl der Verdampfungsröhrchen verteilbar ist. Insbesondere können dann die Mehrzahl der Verdampfungsröhrchen einen geringeren Innendurchmesser aufweisen als das Verdampfungsröhrchen einer Verdampfungsvorrichtung mit nur einem Verdampfungsröhrchen bei gleicher Verdampfungsleistung. Das hat den Vorteil, dass aufgrund der nichtlinearen Verdampfungsleistung in Abhängigkeit von der Länge des Verdampfungsröhrchens und der eingebrachten Wassermenge, die Gesamtlänge der Mehrzahl der Verdampfungsröhrchen minimiert werden kann.
Beispielhaft kann die Brennstoffzuleitung einen Durchmesser zwischen 15 mm und 40 mm aufweisen, bevorzugt zwischen 20 mm und 35 mm, besonders bevorzugt zwischen 25 mm und 30 mm. Es ist denkbar, dass das Verdampfungsröhrchen einen Innendurchmesser zwischen 1 mm und 6 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 mm und 4 mm. Vorteilhafte Wandstärken des Verdampfungsröhrchens betragen zwischen 0.3 mm und 2.0 mm, bevorzugt zwischen 0.5 mm und 1.5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0.8 mm und 1.0 mm.
In einer vorteilhaften Variante ist das Verdampfungsröhrchen entlang eines Umfangs der Brennstoffzuleitung gewickelt, insbesondere spiralförmig gewickelt. Auf diese Weise kann die Wärmenergie des Gasstroms besonders effizient und gleichmäßig aufgenommen werden. Dabei ist es denkbar, dass Verdampfungsröhrchen innerhalb und/oder außerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet ist.
Wenn das Verdampfungsröhrchen innerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet ist, bevorzugt an einer Innenwand der Brennstoffzuleitung angeordnet ist, hat das den Vorteil, dass eine gute Wärmeaufnahme durch das Verdampfungsröhrchen sehr einfach erreicht werden kann. Die gute Wärmeaufnahme wird dadurch ermöglicht, dass das Verdampfungsröhrchen innerhalb von der Brennstoffzuleitung direkt vom warmen Gas umströmt wird. Insbesondere ist es nicht notwendig, dass das Verdampfungsröhrchen die Brennstoffzuleitung bzw. die Innenwand entlang der Länge kontaktiert. Vorteilhaft ist das Verdampfungsröhrchen nah an der Innenwand der Brennstoffzuleitung angeordnet, da auf diese Weise der Gasstrom weniger behindert wird. Darunter, dass das Verdampfungsröhrchen nah an der Innenwand angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass entlang eines Hauptabschnittes des Verdampfungsröhrchens der Abstand des Verdampfungsröhrchens zur Innenwand kleiner ist als 20% des Durchmessers der Brennstoffzuleitung, bevorzugt kleiner als 10%, vorteilhaft bevorzugt kleiner als 5%, besonders bevorzugt kleiner als 2%. Unter einem Hauptabschnitt des Verdampfungsröhrchens soll ein Abschnitt verstanden werden, welcher zwischen der Austrittsöffnung und einem Anschluss für das Wasser angeordnet ist und dessen Länge wenigstens 80% der Gesamtlänge des Verdampfungsröhrchens beträgt.
Vorteilhaft weist das Verdampfungsröhrchen einen Abstand zur Innenwand auf. Das hat den Vorteil, dass das Verdampfungsröhrchen vollständig von dem warmen Gas umströmt werden kann, so dass eine sehr gute Wärmeübertragung an das Fluid bzw. Wasser im Verdampfungsröhrchen möglich ist. Als Vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Verdampfungsröhrchen, zumindest entlang eines Hauptabschnittes, einen Abstand zur Innenwand aufweist, welcher zwischen 2 mm und 12 mm liegt, bevorzugt zwischen 4 mm und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 6 mm und 8 mm.
Wenn das Verdampfungsröhrchen weitgehend außerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet ist, bevorzugt an einer Außenwand der Brennstoffzuleitung angeordnet ist, hat das den Vorteil, dass der Gasstrom in der Brennstoffzuleitung praktisch überhaupt nicht beeinträchtigt wird. Darunter, dass das Verdampfungsröhrchen weitgehend außerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet ist soll insbesondere verstanden werden, dass nur ein Endabschnitt des Verdampfungsröhrchens mit der Austrittsöffnung innerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet ist. Bevorzugt ist der Endabschnitt mit der Austrittsöffnung in die Brennstoffzuleitung eingeleitet. Vorteilhaft ist die Brennstoffzuleitung mit wenigstens 80% seiner Gesamtlänge außerhalb der Brennstoffzuleitung angeordnet, bevorzugt wenigsten 90%, besonders bevorzugt wenigstens 95%.
In solchen Varianten ist es vorteilhaft, wenn das Verdampfungsröhrchen nah an der Außenwand der Brennstoffzuleitung angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Wärme des Gases über die Außenwand besonders gut an das Verdampfungsröhrchen übertragen werden. Darunter, dass das Verdampfungsröhrchen nah an der Außenwand angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Abstand des Verdampfungsröhrchens zur Außenwand entlang eines wesentlichen Abschnitts des Verdampfungsröhrchens kleiner ist als 8% des Durchmessers der Brennstoffzuleitung, bevorzugt kleiner als 5%, vorteilhaft bevorzugt kleiner als 2%, besonders bevorzugt kleiner als 1%. Unter einem wesentlichen Abschnitt des Verdampfungsröhrchens soll ein Abschnitt verstanden werden, dessen Länge wenigstens 70%, der Gesamtlänge des gesamten außerhalb der Brennstoffzuleitung liegenden Verdampfungsröhrchens beträgt, bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 90%. Besonders vorteilhaft kontaktiert das Verdampfungsröhrchen die Außenwand entlang eines wesentlichen Abschnitts. Es ist denkbar, dass das Verdampfungsröhrchen zumindest abschnittsweise mit der Außenwand verlötet, verschweißt oder verklebt ist. Durch einen derartigen direkten Kontakt ist eine besonders gute Wärmeübertragung möglich. Es ist auch denkbar, dass zwischen dem Verdampfungsröhrchen und der Außenwand eine Wärmeleitpaste angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung weiter verbessert.
Vorteilhaft ist das Verdampfungsröhrchen weitgehend aus Edelstahl ausgebildet. Auf diese Weise kann auch eine sehr gute Beständigkeit gegenüber dem an der Verdampfungsvorrichtung strömenden warmen Gas, insbesondere Anodenabgas und Brennstoff, und den herrschenden hohen Temperaturen von etwa 250°C erreicht werden. Es ist denkbar, dass das Verdampfungsröhrchen aus einem anderen Metall ausgebildet ist, beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Es ist auch denkbar, dass das Verdampfungsröhrchen beispielsweise aus einem Kunststoff oder Verbundstoff ausgebildet ist, welcher eine hohe chemische Beständigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweist.
Weiterhin ist es möglich, dass das Verdampfungsröhrchen Biegungen und/oder Knicke aufweist. Auf diese Weise kann eine bessere Wärmeübertragung vom Verdampfungsröhrchen an das Wasser erreicht werden.
Es ist auch möglich, dass das Verdampfungsröhrchen in seinem Inneren Strömungskonturen und/oder eine aufgeraute Oberfläche aufweist. Auf diese Weise kann können einer laminaren Wasserströmung im inneren des Verdampfungsröhrchens Turbulenzen aufgeprägt werden, was eine bessere Wärmeübertragung vom Verdampfungsröhrchen an das Wasser ermöglicht.
Eine besonders günstige Anordnung der Verdampfungsvorrichtung in der Brennstoffzellenvorrichtung liegt vor, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung einen Reformer aufweist, welcher fluidtechnisch zwischen der Brennstoffzuführung und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist und die Verdampfungsvorrichtung an einer Brennstoffzuleitung zwischen der Brennstoffzuführung und dem Reformer angeordnet ist.
Unter einem Reformer oder einer Reformereinheit soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zumindest eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs, insbesondere durch eine Dampfreformierung und/oder durch eine partielle Oxidation und/oder durch eine autotherme Reformierung, insbesondere zur Gewinnung des zumindest einen Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und/oder zum Aufbrechen höherkettiger Alkene verstanden werden.
Eine weitere Verbesserung der Position der Verdampfungsvorrichtung ist möglich, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung einen Nachbrenner und Wärmeübertrager aufweist, wobei der Nachbrenner über eine Abgasführung fluidtechnisch mit dem Wärmeübertrager verbunden ist und wobei der Wärmeübertrager fluidtechnisch mit der Brennstoffzuleitung zwischen der Brennstoffzuführung und dem Reformer verbunden ist, wobei die Verdampfungsvorrichtung an einer Brennstoffzuleitung zwischen der Brennstoffzuführung und dem Wärmeübertrager angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Verdampfungsvorrichtung in typisch aufgebauten Brennstoffzellenvorrichtungen einfach zugänglich. Das ermöglicht eine einfache und schnelle Wartung der Brennstoffzellenvorrichtung.
Unter einem Wärmeübertrager oder Wärmetauscher soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, Wärme in Richtung eines Temperaturgefälles zwischen zumindest zwei insbesondere fluiden Stoffströmen zu übertragen, insbesondere in einem Gegenstrombetrieb, Kreuzstrombetrieb und/oder Gleichstromprinzip.
Es ist weiter von Vorteil, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung einen Anodenrezirkulationskreis aufweist, welcher fluidtechnisch zwischen der Brennstoffzuführung und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, Anodenabgas dem Brennstoffzellenstack zurückzuführen, wobei der Anodenrezirkulationskreis einen Verdichter aufweist, wobei die Verdampfungsvorrichtung an einer Brennstoffzuleitung zwischen dem Verdichter und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass im Aufheizbetrieb bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr über den Anodenrezirkulationskreis bzw. seinen Verdichter das Brennstoffzellenstack mit warmer Luft aus dem Anodenkreislauf aufgewärmt werden kann.
Unter einem Rezirkulationskreis bzw. einem Anodenrezirkulationskreis soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fluidverbindung bzw. ein Fluidpfad verstanden werden, welche bzw. welcher dazu vorgesehen ist, ein brennstoff- bzw. wasserstoff- und wasserhaltiges Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit einer Mischstelle zuzuführen, an welcher das Anodenabgas mit dem zumindest im Wesentlichen reinen Brennstoff bzw. Wasserstoff vermischt wird. Insbesondere ist der Rezirkulationskreis dazu vorgesehen, der Festoxidbrennstoffzellenvorrichtung nicht umgesetzten Brennstoff bzw. Wasserstoff erneut anodenseitig zuzuführen. Insbesondere ist die Mischung des Anodenabgases und des Brennstoffs bzw. Wasserstoffs dazu vorgesehen, der Brennstoffzelleneinheit anodenseitig zugeführt zu werden. Ein Verdichter kann beispielsweise als ein Gebläse ausgebildet sein.
Von Vorteil ist auch ein Verfahren zum Betrieben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellenstack und einer Verdampfungsvorrichtung, insbesondere ein Verfahren zum Betrieben einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei in einem Startbetrieb der Brennstoffzellenstack auf eine für den Normalbetrieb geeignete Betriebstemperatur aufgewärmt wird indem aufgewärmte Luft durch die Verdampfungsvorrichtung in den Brennstoffzellenstack geleitet wird und der Luft durch die Verdampfungsvorrichtung Wasserdampf beigemischt wird.
Vorzugsweise wird dabei im Startbetrieb zunächst warme Luft auf die Anoden in dem Brennstoffzellenstack geführt. Es ist denkbar, dass mit der warmen Luft auch noch Anodenabgas und Brennstoffreste mitgeführt werden, beispielsweise wenn die Luft durch einen Rezirkulationskreis gefördert bzw. angetrieben wird. Vorteilhaft wird dabei auch ein ausreichender Luftstrom auf der Kathodenseite sichergestellt. Dabei wird die zur Anode geführte Luft kontinuierlich erwärmt, beispielsweise durch einen Startbrenner. Ab einer Temperatur von etwa 300°C bis 420°C am Brennstoffzellenstack - bevorzugt an der Kathodenaustrittsseite - wird der warmen Luft über die Verdampfungsvorrichtung Wasserdampf beigemischt. Bei einer Temperatur von etwa 500° bis 600° wird die Brennstoffzufuhr geöffnet und der Anode des Brennstoffzellenstacks zugeführt. Der Startbrenner und die Verdampfungsvorrichtung können nun ausgeschaltet werden. Der Wasserdampf wird nun durch die Anodenabgase bereitgestellt.
Weiter von Vorteil ist ein Verfahren zum Betrieben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellenstack und einer Verdampfungsvorrichtung, insbesondere zum Betrieben einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei in einem Abschaltbetrieb der Brennstoffzellenstack von Betriebstemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird, indem aufgewärmte Luft durch die Verdampfungsvorrichtung in den Brennstoffzellenstack geleitet wird und der Luft durch die Verdampfungsvorrichtung Wasserdampf beigemischt wird.
Vorzugsweise wird beim Abschaltbetrieb der Lastbetrieb gestoppt und die Brennstoffzufuhr zur Anode unterbrochen. Zunächst wird warme Luft auf die Anoden in dem Brennstoffzellenstack geführt, die Luft wird dabei beispielsweise durch den Startbrenner erwärmt. Es ist denkbar, dass mit der warmen Luft auch noch Anodenabgas und Brennstoffreste mitgeführt werden, beispielsweise wenn die Luft durch dem Rezirkulationskreis gefördert bzw. angetrieben wird. Dabei wird über die Verdampfungsvorrichtung Wasserdampf zur Anode geführt. Vorteilhaft wird dabei auch ein ausreichender Luftstrom auf der Kathodenseite sichergestellt. Die Temperatur der zur Anode geführten Luft wird langsam abgesenkt, beispielsweise indem die Leistung des Startbrenners runtergefahren wird. Sobald eine Temperatur von etwa 300°C bis 420°C am Brennstoffzellenstack - bevorzugt an der Kathodenaustrittsseite - unterschritten wird, wird der Startbrenner und die Verdampfungsvorrichtung ausgeschaltet. Die Luft an die Anode wird weitergeführt, beispielsweise durch den Rezirkulationskreis, bis sich die Temperatur auf Umgebungstemperatur abgesenkt hat. Dabei wird vorteilhaft auch ein ausreichender Luftstrom auf der Kathodenseite sichergestellt.
Figurenliste
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Brennstoffzellenvorrichtung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 ein schematisches Scheltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,
2 eine perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels der Brennstoffzellenvorrichtung aus 1, und
3 bis 6 Detailansichten von Ausführungsbeispielen der Verdampfungsvorrichtung.

Beschreibung
In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.
In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst zwei Brennstoffzellenstacks 12, die eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen, sowie eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14.
Unter einer Prozessoreinheit 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10 verstanden werden, die nicht eine Brennstoffzelle und/oder ein Brennstoffzellenstack 12 ist. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in den Brennstoffzellenstacks 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Brenngases, einer Luft und/oder eines Abgases.
Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuleitung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer der Brennstoffzellenstacks 12 zugeführten Luft L. Im vorliegenden Fall wird die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzellenstacks 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB zugeführt wird. In den Brennstoffzellenstacks 12 wird der reformierte Brennstoff unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt.
Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuleitung 24 Brennstoff B, im vorliegenden Fall Erdgas, aus einer Brennstoffzuführung 25 bzw. Brennstoffquelle zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegendem Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
Des Weiteren sind die Brennstoffzellenstacks 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzellenstacks 12 zugeführt, im vorliegenden Fall jeweils über eine Kathodenabgasführung 30 Kathodenabgas KA und über eine Anodenabgasführung 32 Anodenabgas AA. Das Kathodenabgas enthält überwiegend unverbrauchte Luft L, während Anodenabgas AA unter Anderem nicht-umgesetzten Brennstoff B enthält. Weiterhin enthält Andenabgas AA typischerweise Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der darin enthaltene nicht-umgesetzte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. der darin enthaltenen 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 das 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 Luftzuleitung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases A für ein Vorwärmen der zugeführten Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden. Stromabwärts vom Wärmeübertrager 18 werden die Abgase A beispielsweise über einen Schornstein aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10 herausgeführt.
Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher Anodenabgas AA teilweise aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und der Brennstoffzuleitung 24 zugeführt werden kann. Die Rückführung bzw.
Rückführleitung 38 bildet entsprechend mit der Brennstoffzuleitung 24 einen Anodenrezirkulationskreis 40 mittels welchem Anodenabgas AA zur Anode 22 des Brennstoffzellenstacks 12 rückgeführt werden kann, so dass ggf. nicht umgesetzter Brennstoff B im Anodenabgas AA im Nachgang umgesetzt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden kann. Der Anodenrezirkulationskreis 40 weist einen Verdichter 42 auf. Der Verdichter 42 ist strömungstechnisch mit der Rückführung 38 verbunden, so dass der über den Verdichter 42 eine Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA geregelt werden kann. Der Verdichter 42 ist strömungstechnisch auch über eine Brennstoffzuleitung 24 mit der Brennstoffzuführung 25 verbunden und ermöglicht insbesondere auch die Regelung der Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuleitung 24 zum Reformer 26 bzw. zur den Brennstoffzellenstacks 12.
Am Anodenrezirkulationskreis 42 ist in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 42 ein Wärmeübertrager 44 angeordnet, welcher die Wärme des über die Rückführung 38 in den Anodenrezirkulationskreis 42 strömenden Anodenabgases AA an den über die Brennstoffzuleitung 24 aus dem Anodenrezirkulationskreis 42 heraus zum Reformer 26 strömenden Brennstoff B bzw. Anodenabgas AA überträgt. In Strömungsrichtung des Brennstoffs B bzw. Anodenabgases AA folgt nach dem Wärmeübertrager 44 der Wärmeübertrager 14, welcher die Wärme der über die Abgasführung 34 von Nachbrenner 28 strömende heißen Abgase A an den zum Reformer über die Brennstoffzuleitung 24 strömenden Brennstoff B bzw. Anodenabgase AA überträgt.
An der strömungstechnisch zwischen dem Verdichter 42 und Wärmeübertrager 44 angeordneten Brennstoffzuleitung 24 ist eine Verdampfungsvorrichtung 46a angeordnet. Die Verdampfungsvorrichtung 46a ist über eine Wasserzuleitung 48 mit einer Wasserquelle 50 verbunden. Eine Wasserdosiervorrichtung 52 ist strömungstechnisch zwischen der Wasserquelle 50 und der Verdampfungsvorrichtung 46a angeordnet. Auf diese Weise ist Wasser W von der Wasserquelle 50 zur Verdampfungsvorrichtung 46a transportierbar.
Eine alternative Position für die Verdampfungsvorrichtung 46 ist an der Position 46b eingezeichnet, welche strömungstechnisch an der zwischen dem Wärmeübertrager 44 und dem Wärmeübertrager 18 angeordneten Brennstoffzuleitung 24 angeordnet ist.
Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Startbrenner 54 auf zur Erwärmung der Brennstoffzellenvorrichtung 10 im Startbetrieb und zum kontrollierten Abkühlen im Abschaltbetrieb. Der Startbrenner 54 verbrennt Brennstoff B - beispielhaft Erdgas - und Luft L zu heißen Abgasen A. Die Abgase A werden vom Startbrenner 54 über eine weitere Abgasführung 34 in den Nachbrenner 28 geleitet. Auf diese Weise kann der Nachbrenner 28 im Startbetrieb auf Betriebstemperatur gebracht werden. Aus dem Nachbrenner 28 strömen die heißen Abgase A an den Wärmeübertrager 36 und an den Wärmeübertager 18.
Im Startbetrieb und Abschaltbetrieb wird über die Luftzuleitung 16 Luft L an die Kathodenräume 20 der Brennstoffzellenstacks 12 transportiert, wobei die Luft L über den Wärmeübertrager 18 durch die Abgase A des Startbrenners 54 erwärmt wird. Weiterhin wird im Startbetrieb und Abschaltbetrieb über den Verdichter 42 Luft L über die Brennstoffzuleitung 24 und über den Reformer 26 in die Anodenräume 22 der Brennstoffzellenstacks 12 transportiert. Dabei ist die Brennstoffzuführung 25 geschlossen, so dass kein frischer Brennstoff B in den Anodenrezirkulationskreis 40 geführt wird. Im ausgeschalteten Zustand ist der Anodenrezirkulationskreis 40 sowie der Anodenkreis zumindest teilweise, bevorzugt im Wesentlichen mit Luft L gefüllt, weiterhin können sich dort Reste des Anodenabgases AA einschließlich Resten von nicht umgesetzten Brennstoff B befinden. Diese Gasmischung wird über den Verdichter 42 zu den Anodenräumen 22 transportiert, wobei diese Gasmischung über den Wärmeübertrager 36 durch die Abgase A des Startbrenners 54 erwärmt wird.
In 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels einer Variante der Brennstoffzellenvorrichtung 10 gemäß dem Schaltbild aus 1 gezeigt. Wie deutlich zu erkennen ist, sind der Verdichter 42 und der Wärmeübertrager 44, sowie die Brennstoffzuleitung 24 welche strömungstechnisch den Verdichter 42 mit dem Wärmeübertrager 44 verbindet sowie die Brennstoffzuleitung 24, welche strömungstechnisch aus dem Wärmeübertrager 44 zum Reformer 26 (in 2 nicht sichtbar), an einer gut zugänglichen Außenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 10 angeordnet. An der strömungstechnisch zwischen dem Verdichter 42 und Wärmeübertrager 44 angeordneten Brennstoffzuleitung 24 ist eine Verdampfungsvorrichtung 46a angeordnet, welche insbesondere gut erreichbar angeordnet ist. Es ist auch die alternative Position für die Verdampfungsvorrichtung 46b eingezeichnet, welche auf der Brennstoffzuleitung 24 stromabwärts vom Wärmeübertrager 44 angeordnet ist. Auch die Verdampfungsvorrichtung 46b ist gut erreichbar angeordnet.
3 bis 6 zeigen Detailansichten von unterschiedlichen Ausführungsvarianten der Verdampfungsvorrichtung 46.
3 zeigt ein Beispiel einer als offenes System ausgebildeten Verdampfungsvorrichtung 46. Die Brennstoffzuleitung 24 ist beispielhaft gekrümmt ausgebildet. Zur besserer Ansicht auf die Verdampfungsvorrichtung 46 ist in 3 die Brennstoffzuleitung 24 aufgeschnitten abgebildet. Die Verdampfungsvorrichtung 46 weist einen offenen Abschnitt 56 auf, welcher beispielhaft einen netzartigen Bereich 58 aufweist. Im Ausführungsbeispiel ist der netzartige Bereich 58 aus einem Geflecht aus Edelstahl ausgebildet. Alternativ ist es denkbar, dass der netzartige Bereich 58 aus einem Silikat ausgebildet ist. Wie deutlich zu erkennen ist, ist der netzartige Bereich 58 vollständig innerhalb von der Brennstoffzuleitung 24 angeordnet. Vorteilhaft kontaktiert der netzartige Bereich 58 eine Innenwand 60 der Brennstoffzuleitung 24. Beispielhaft ist der netzartige Bereich 58 weitgehend hohlzylinderförmig ausgebildet und koaxial in der Brennstoffzuleitung 24 angeordnet. Auf diese Weise bleibt innerhalb des netzartigen Bereichs 58 ein innerer freier Strömungsquerschnitt für den Luftstrom L. Wie deutlich zu erkennen ist, ist die Verdampfungsvorrichtung 46 an eine Wasserzuleitung 48 angeschlossen. Die Wasserzuleitung 48 ist an dem Ende der Verdampfungsvorrichtung 46 angeschlossen, an welchem im normalen Betrieb der Brennstoff B und im Aufheizbetrieb wenigsten die Luft L einströmt. In anderen Worten ist die Wasserzuleitung 48 ist an dem Ende der Verdampfungsvorrichtung 46 angeschlossen, welches strömungstechnisch der Brennstoffzuführung 25 zugewandt ist und dem Brennstoffzellenstack 12 abgewandt ist. Auf diese Weise kann das durch die Wasserzuleitung 48 in den netzartigen Bereich 58 strömende Wasser W entlang des Luftstroms gut im netzartigen Bereich 58 verteilen und effizient verdampfen.
4 zeigt eine Draufsicht auf einen Querschnitt der Verdampfungsvorrichtung 46 aus 3. Wie deutlich zu erkennen ist, ist der netzartige Bereich 58 aus einem Edelstahl-Geflecht ausgebildet. Beispielhaft ist ein Band aus Edelstahl-Geflecht spiralförmig um die Innenwand 60 der Brennstoffzuleitung 24 gewickelt, so dass es eine hohlzylinderförmige Struktur ausbildet.
5 zeigt eine Variante einer als offenes System ausgebildeten Verdampfungsvorrichtung 46 mit einem Innenrohr 62. Das Innenrohr 62 ist koaxial im inneren der Brennstoffzuleitung 24 angeordnet. Zwischen dem Innenrohr 62 und der Brennstoffzuleitung 24 ist der netzartige Bereich 58 der Verdampfungsvorrichtung 46 angeordnet. Beispielhaft kontaktiert er netzartige Bereich 58 die Innenwand 60 der Brennstoffzuleitung 24 und eine Außenwand des Innenrohrs 62. Wie deutlich zu erkennen ist, kann die Luft L sowohl durch das Innenrohr 62 strömen, als auch durch den netzartigen Bereich 58 zwischen Innenrohr 62 und Brennstoffzuleitung 24. Die Wasserzuleitung 48 ist an der Seite bzw. an dem Ende des netzartigen Bereichs 58 bzw. an dem Ende des Innenrohrs 62 angeordnet, an welchem in einem Startbetrieb die warme Luft L einströmt. Vorzugsweise ist die Wasserzuleitung 48 an einem oberen Bereich der Brennstoffzuleitung 24 angeordnet. Dabei ist bei dem oberen Bereich der Begriff „oben“ als oben im Bezug zur Richtung einer Gravitationskraft der Erde gemeint, welche in der fertig montierten und betriebsbereit aufgestellten und ausgerichteten Brennstoffzellenvorrichtung 10 wirkt. Auf diese Weise unterstützt die Gravitation bei der optimalen Verteilung des Wassers W im offenen Abschnitt 56 bzw. im netzartigen Bereich 58.
Beispielhaft weist das Innenrohr 62 einen geschlossenen Bereich 64 ohne Öffnung und einen offenen Bereich 66 mit Durchlässen 68 auf. Die Wasserzuleitung 48 ist am geschlossenen Bereich 64 des Innenrohrs 62 angeordnet. Auf diese Weise kann der netzartige Bereich 58 besonders gut, insbesondere umlaufend befeuchtet werden. Beispielhaft ist der offene Bereich 66 in Strömungsrichtung der Luft L nach dem geschlossenen Bereich 64 angeordnet. Wie deutlich zu erkennen ist, kann das Wasser W im offenen Bereich 66 des Innenrohrs 62 aus dem netzartigen Bereich 58 durch die Durchlässe 68 in den inneren Bereich des Innenrohrs 62 strömen und dort im Luftstrom L verdampfen.
6 zeigt eine Variante einer als geschlossenes System ausgebildeten Verdampfungsvorrichtung 46. Zur besserer Ansicht auf die Verdampfungsvorrichtung 46 ist in 6 wie in 3 die Brennstoffzuleitung 24 aufgeschnitten abgebildet. Die Verdampfungsvorrichtung 46 weist einen geschlossenen Abschnitt 70 auf. Die Verdampfungsvorrichtung 46 weist ein Verdampfungsröhrchen 72 auf, welches den geschlossenen Abschnitt 70 aufweist. Das Verdampfungsröhrchen 72 ist an eine Wasserzuleitung 48 angeschlossen. Beispielhaft erstreckt sich das Verdampfungsröhrchen 72 ausgehend von der Wasserzuleitung 48 im Wesentlichen in Richtung eines Luftstroms L im Aufheizbetrieb.
Wie deutlich zu erkennen ist, ist das Verdampfungsröhrchen 72 entlang des Umfangs der Brennstoffzuleitung 24 gewickelt. Das Verdampfungsröhrchen ist näherungsweise spiralförmig ausgewickelt. An dem von der Wasserzuleitung 48 abgewandten Ende des Verdampfungsröhrchens 72 ist eine Austrittsöffnung 74 angeordnet.
Im Aufheizbetrieb oder Abkühlbetrieb wird das Wasser W über die Wasserzuleitung 48 in das Verdampfungsröhrchen 72 eingeführt. Zunächst durchströmt das Wasser W den geschlossenen Abschnitt 70 und wird dort durch die warme Luft L bzw. - falls vorhanden - die warmen Anodenabgase A und/oder Brennstoff B - aufgewärmt und tritt dabei in die gasförmige Phase. Durch die Austrittöffnung 74 kann der Wasserdampf austreten und mischt sich dem strömenden Gas bei.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung (10), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstack (12) und eine Brennstoffzuführung (25), gekennzeichnet durch eine Verdampfungsvorrichtung (46), welche an einer Brennstoffzuleitung (24) zwischen der Brennstoffzuführung (25) und dem Brennstoffzellenstack (12) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsvorrichtung (46) als ein geschlossenes System ausgebildet ist, welches einen geschlossenen Abschnitt (70) zum Führen und Erwärmen von Wasser (W) und eine Austrittsöffnung (74) zum Abgeben von Wasserdampf aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsvorrichtung (46) wenigstens ein Verdampfungsröhrchen (72) aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsröhrchen (72) entlang eines Umfangs der Brennstoffzuleitung (24) gewickelt ist, insbesondere spiralförmig gewickelt.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsröhrchen (72) innerhalb der Brennstoffzuleitung (24) angeordnet ist, bevorzugt an einer Innenwand (60) der Brennstoffzuleitung (24) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsröhrchen (72) weitgehend außerhalb der Brennstoffzuleitung (24) angeordnet ist, bevorzugt an einer Außenwand der Brennstoffzuleitung (24) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsröhrchen (72) weitgehend aus Edelstahl ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsvorrichtung (46) als ein offenes System ausgebildet, welches einen offenen Abschnitt (56) aufweist, welcher zum flächigen Verdunsten vorgesehen ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsvorrichtung (46) einen netzartigen Bereich (58) aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der netzartige Bereich (58) ein Geflecht aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der netzartige Bereich (58) zumindest abschnittsweise aus Edelstahl ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der netzartige Bereich (58) an einer Innenwand (60) der Brennstoffzuleitung (24) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsvorrichtung (46) ein in der Brennstoffzuleitung (24) angeordnetes Innenrohr (62) aufweist, wobei der netzartige Bereich (58) zwischen der Brennstoffzuleitung (24) und dem Innenrohr (62) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (10) einen Reformer (26) aufweist, welcher fluidtechnisch zwischen der Brennstoffzuführung (25) und dem Brennstoffzellenstack (12) angeordnet ist und die Verdampfungsvorrichtung (46) an einer Brennstoffzuleitung (24) zwischen der Brennstoffzuführung (25) und dem Reformer (26) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (10) einen Nachbrenner (28) und Wärmeübertrager (44) aufweist, wobei der Nachbrenner (28) über eine Abgasführung (35) fluidtechnisch mit dem Wärmeübertrager (44) verbunden ist und wobei der Wärmeübertrager (44) fluidtechnisch mit der Brennstoffzuleitung (24) zwischen der Brennstoffzuführung (25) und dem Reformer (26) verbunden ist, wobei die Verdampfungsvorrichtung (46) an einer Brennstoffzuleitung (24) zwischen der Brennstoffzuführung (25) und dem Wärmeübertrager (44) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (10) einen Anodenrezirkulationskreis (40) aufweist, welcher fluidtechnisch zwischen der Brennstoffzuführung (25) und dem Brennstoffzellenstack (12) angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, Anodenabgas (AA) dem Brennstoffzellenstack (12) zurückzuführen, wobei der Anodenrezirkulationskreis (40) einen Verdichter (42) aufweist, wobei die Verdampfungsvorrichtung (46) an einer Brennstoffzuleitung (24) zwischen dem Verdichter (42) und dem Brennstoffzellenstack (12) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) mit zumindest einem Brennstoffzellenstack (12) und einer Verdampfungsvorrichtung (46), insbesondere zum Betrieben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Startbetrieb der Brennstoffzellenstack (12) auf eine für den Normalbetrieb geeignete Betriebstemperatur aufgewärmt wird indem aufgewärmte Luft (L) durch die Verdampfungsvorrichtung (46) in den Brennstoffzellenstack (12) geleitet wird und der Luft (L) durch die Verdampfungsvorrichtung (46) Wasserdampf beigemischt wird.
Verfahren zum Betrieben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) mit zumindest einem Brennstoffzellenstack (12) und einer Verdampfungsvorrichtung (46), insbesondere zum Betrieben einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschaltbetrieb der Brennstoffzellenstack (12) von Betriebstemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird, indem aufgewärmte Luft (L) durch die Verdampfungsvorrichtung (46) in den Brennstoffzellenstack (12) geleitet wird und der Luft (L) durch die Verdampfungsvorrichtung (46) Wasserdampf beigemischt wird.