Brennstoffzellenvorrichtung

Stand der Technik

Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellentubus, mit zumindest einer wenigstens teilweise in dem Brennstoffzellentubus angeordneten Zuströmlanze und mit zumindest einer Funktionsschicht vor- geschlagen worden, wobei die Zuströmlanze und die Funktionsschicht zumindest im Wesentlichen ebene Oberflächen aufweisen

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellentubus, mit zumindest einer wenigstens teilweise in dem Brennstoffzellentubus angeordneten Zuströmlanze und mit zumindest einer Funktionsschicht.

Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Verwirbelungs- einheit, welche dazu vorgesehen ist, eine Brenngasströmung innerhalb des Brennstoffzellentubus zumindest teilweise zu verwirbeln. Unter einer„Brennstoffzellenvorrichtung" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlen- stoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische und/oder thermische Energie, umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise als Festoxid- Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbeson- dere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einem„Brennstoffzellentubus" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zumindest im Wesentlichen röhrenförmiger Grundkörper verstanden werden. Insbesondere bildet der Brennstoffzellentubus zumindest einen Teil einer äuße- ren Hülle der Brennstoffzellenvorrichtung. Der Brennstoffzellentubus ist insbesondere an einer Endseite geschlossen ausgeführt. Insbesondere weist der Brennstoffzellentubus zumindest einen gasdurchlässig ausgebildeten Teilbereich auf. Unter einer„Zuströmlanze" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zumindest im Wesentlichen röhrenförmiges Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, zumindest in einem montierten Zustand zumindest teilweise in den Brennstoffzellentubus hineinzuragen. Insbesondere begrenzen der Brennstoffzellentubus und die Zuströmlanze in einem montierten Zustand zumindest einen Gasraum zumindest im Wesentlichen allseitig. Insbesondere ist die Zuströmlanze dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand ein Brenngas in den Brennstoffzellentubus zu leiten. Der Brennstoffzellentubus und/oder die

Zuströmlanze ist sind zumindest im Wesentlichen von einem keramischen Material gebildet. Der Brennstoffzellentubus und/oder die Zuströmlanze besteht/bestehen insbesondere mit einem Massenanteil von zumindest 75 %, vorteilhaft von zumindest 85 % und vorzugsweise von zumindest 95 % aus dem keramischen Material. Unter einem„keramischen Material" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein anorganisches, nichtmetallisches Material verstanden werden. Insbesondere kann das zumindest eine keramische Material zumindest teilweise kristallin sein. Unter„nichtmetallisch" soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das zumindest eine kerami- sehe Material zumindest weitestgehend frei von insbesondere auf metallischen

Bindungen beruhenden, metallischen Eigenschaften ist, jedoch Metallverbindungen, wie beispielsweise Metalloxide und/oder -Silikate, umfassen kann. Das keramische Material kann insbesondere zumindest im Wesentlichen von einer Fors- teritkeramik gebildet sein. Unter einer„Funktionsschicht" soll in diesem Zusam- menhang insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche insbesondere zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode, sowie zumindest ein zwischen der zumindest einen Anode und der zumindest einen Kathode angeordnetes Elektrolyt aufweist. Insbesondere kann die zumindest eine Funktionsschicht auf einer Innenseite und/oder einer Außenseite des Brennstoffzellentubus ange- ordnet sein. Vorzugsweise ist die zumindest eine Funktionsschicht vollständig auf einer Innenseite des Brennstoffzellentubus angeordnet. Insbesondere ist die Funktionsschicht auf den wenigstens einen zumindest teilweise gasdurchlässig ausgebildeten Teilbereich des Brennstoffzellentubus aufgebracht. Unter einer„Verwirbelungseinheit" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine in einem Innenraum des Brennstoffzellentubus angeordnete Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, eine durch den Innenraum des Brennstoffzellentubus strömende Brenngasströmung zumindest teilweise zu ver- wirbeln. Vorzugsweise ist die Verwirbelungseinheit zumindest teilweise einstückig mit dem Brennstoffzellentubus und/oder mit der Funktionsschicht ausgebildet.

Unter„einstückig" soll insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden verstanden werden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen Klebepro- zess, einen Anspritzprozess und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder durch eine Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren und vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellen- Vorrichtung mit verbesserten Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine vorteilhafte Strömungsverteilung einer Brenngasströmung, innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden. Hierdurch kann insbesondere eine vorteilhafte Brenngasversorgung und/oder ein vorteilhafter Wärmeaustausch erreicht werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Verwirbelungseinheit eine Vielzahl von insbesondere zumindest im Wesentlichen identischen Verwirbelungselementen aufweist. Vorzugsweise sind die Verwirbe- lungselemente als Verwirbelungsvertiefungen ausgebildet. Insbesondere sind die Verwirbelungsvertiefungen zumindest im Wesentlichen an zumindest einer Ober- fläche der Zuströmlanze und/oder der Funktionsschicht angeordnet. Die Verwirbelungsvertiefungen sind insbesondere dazu vorgesehen, eine Änderung einer Strömungsrichtung der Brenngasströmung an der Oberfläche der Zuströmlanze und/oder der Funktionsschicht zu bewirken. Die Verwirbelungsvertiefungen sind insbesondere zumindest teilweise in ein Oberflächenmaterial der Zuströmlanze und/oder der Funktionsschicht eingebracht. Insbesondere können die Verwirbelungsvertiefungen jeweils zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig oder wellenförmig ausgebildet sein. Alternativ ist es jedoch ebenso denkbar, dass die Verwirbelungsvertiefungen eine von einem Kugelsegment oder einer Wellenform abweichende Geometrie aufweisen. Insbesondere können die Verwirbelungsvertiefungen zumindest im Wesentlichen identisch zueinander ausgebildet sein. Alternativ ist es jedoch ebenso denkbar, dass die Verwirbelungsvertiefungen sich hinsichtlich einer Geometrie unterscheiden. Hierdurch kann vorteilhaft einfach eine Verwirbelung der Brenngasströmung an einer Oberfläche der Zuströmlanze und/oder der Funktionsschicht erreicht werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Verwirbelungseinheit dazu vorgesehen ist, die Brenngasströmung zumindest teilweise in Richtung der Funktionsschicht umzulenken. Die Verwirbelungseinheit ist insbesondere dazu vorgesehen eine Brenngasströmung zumindest teilweise in Richtung einer Anode der Funktionsschicht umzulenken. Hierdurch kann eine vorteilhafte Versorgung der Funktionsschicht mit Reaktionsgasen erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhafte Versorgung einer Anode mit einem Brenngas erreicht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Verwirbelungseinheit zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig einstückig mit der Zuströmlanze ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Verwirbelungseinheit an einer Außenseite der Zuströmlanze angeordnet. Insbesondere bedeckt die Verwirbelungseinheit zumindest 75 %, vorzugsweise zumindest 85 % und besonders bevorzugt zumindest 95 % einer Außenseite der Zuströmlanze. Hierdurch kann vorteilhaft einfach eine Verwirbelung der Brenngasströmung an einer Außenseite der Zuströmlanze erreicht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Verwirbelungseinheit zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig einstückig mit der Funktionsschicht ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Verwir- belungseinheit an einer Anodenseite der Funktionsschicht angeordnet. Insbesondere bedeckt die Verwirbelungseinheit zumindest 75 %, vorzugsweise zumindest 85 % und besonders bevorzugt zumindest 95 % einer Anodenseite der Funktionsschicht. Hierdurch kann vorteilhaft einfach eine Verwirbelung der

Brenngasströmung an der Anodenseite der Funktionsschicht erreicht werden.

Zudem wird ein Brennstoffzellenstack mit zumindest zwei erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtungen vorgeschlagen. Insbesondere sind die Brennstoff- Zellenvorrichtungen elektrisch und/oder fluidtechnisch verschaltet. Hierdurch kann auf einfache Weise ein Brennstoffzellenstack realisiert werden.

Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellentubus, mit zumindest einer wenigstens teilweise in dem Brennstoffzellentubus angeordneten Zuströmlanze und mit zumindest einer Funktionsschicht, wobei eine Verwirbelungseinheit unmittelbar an der Zuströmlanze und/oder der Funktionsschicht ausgebildet wird. Insbesondere zur Anordnung einer Verwirbelungseinheit an der Zuströmlanze werden Verwir- belungselemente, insbesondere Verwirbelungsvertiefungen, der Verwirbelungseinheit mittels einer Negativform unmittelbar während einer Herstellung des Brennstoffzellentubus in einem Spritzgussverfahren in eine Oberfläche des Brennstoffzellentubus eingebracht. Insbesondere zur Anordnung einer Verwirbelungseinheit an der Funktionsschicht wird in zumindest einem Verfahrensschritt partielle Bereiche, beispielsweise Punkte oder Linien, der Funktionsschicht auf ein Transferpapier gedruckt. Freibleibende Zwischenräume werden insbesondere mittels Siebdrucks mit einem vollorganischen pastösen Füllstoff aufgefüllt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Funktionsschicht mit Kathode, Elektrolyt und Anode vollflächig aufgebraut. Während eines thermischen Entbinderungs- schritts wird der vollorganische Füllstoff zumindest im Wesentlichen und vorzugsweise vollständig ausgebrannt, wodurch eine strukturierte Anode ausgebildet wird. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder kostengünstige Herstellung erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeich- nung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in

Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellentubus, einer Zuströmlanze, einer Funktionsschicht und einer einstückig mit der Zuströmlanze ausgebildeten Verwirbelungseinheit,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der Brennstoffzellenvorrichtung aus Figur 1,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit ei- nem Brennstoffzellentubus, einer Zuströmlanze, einer Funktionsschicht und einer einstückig mit der Funktionsschicht ausgebildeten Verwirbelungseinheit,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer Verwirbelung einer Brenngasströmung durch die Verwirbelungseinheit der Brennstoffzellenvor- richtung aus Figur 5 und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellenstacks mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenvorrichtungen. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a, welche als tubuläre Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet ist. Die Brennstoffzel- lenvorrichtung 10a umfasst einen Brennstoffzellentubus 12a, eine in dem Brennstoffzellentubus 12a angeordnete Zuströmlanze 14a und eine hier lediglich angedeutet dargestellte Funktionsschicht 16a. Die Funktionsschicht 16a ist auf einer Innenseite des Brennstoffzellentubus 12a aufgebracht. Die Funktionsschicht 16a weist eine Anode 30a, eine Kathode 32a und einen zwischen der Anode 30a und der Kathode 32a angeordneten Elektrolyt 34a auf.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Verwirbelungseinheit 18a auf, welche dazu vorgesehen ist, eine Brenngasströmung 20a innerhalb des Brennstoffzellentubus 12a zumindest teilweise zu verwirbeln. Die Verwirbelungseinheit 18a weist eine Vielzahl von Verwirbelungselementen 22a auf. Die Verwirbe- lungselemente 22a sind als Verwirbelungsvertiefungen 24a ausgebildet. Die Verwirbelungseinheit 18a ist dazu vorgesehen, die Brenngasströmung 20a zumindest teilweise in Richtung der Funktionsschicht 16a, insbesondere in Richtung der Anode 30a, umzulenken. Die Verwirbelungseinheit 18a ist einstückig mit der Zuströmlanze 14a ausgebildet. Die Verwirbelungseinheit 18a ist an einer Außenseite 36a der Zuströmlanze 14a angeordnet.

Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Brennstoffzellenvorrichtung 10a. Die Verwirbelungseinheit 18a ist umlaufend an einer Außenseite 36a der Zuströmlanze 14a angeordnet und weist eine Vielzahl von Verwirbelungselementen 22a auf. Die Verwirbelungseinheit 18a ist beispielhaft wellenförmig ausgebildet. Die Verwirbelungselemente 22a sind dazu vorgesehen, die Brenngasströmung 20a zumindest teilweise zu verwirbeln. Die Funktionsschicht 16a ist mit der Kathode 32a unmittelbar auf dem Brennstoffzellentubus 12a angeordnet. Die Verwirbelungselemente 22a sind dazu vorgesehen, die Brenngasströmung

20a zumindest teilweise in Richtung der Funktionsschicht 16a, insbesondere in Richtung der Anode 30a, umzulenken.

In den Figuren 3 bis 6 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ge- zeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der Figuren 1 und 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 und 2 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 bis 6 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis c ersetzt

Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung 10b. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine Verwirbe- lungseinheit 18b auf, welche an einer Außenseite 36b einer Zuströmlanze 14b angeordnet ist. Die Verwirbelungseinheit 18b weist eine Vielzahl von Verwirbe- lungselementen 22b auf. Die Verwirbelungselemente 22b weisen beispielhaft einen trapezförmigen Querschnitt auf. Alternativ sind jedoch auch Verwirbelungselemente mit anderer Geometrie denkbar. Die Verwirbelungselemente 22b sind dazu vorgesehen, eine Brenngasströmung 20b zumindest teilweise zu ver- wirbeln. Eine Funktionsschicht 16b ist mit einer Kathode 32b unmittelbar auf einem Brennstoffzellentubus 12b angeordnet. Die Verwirbelungselemente 22b sind dazu vorgesehen, die Brenngasströmung 20b zumindest teilweise in Richtung der Funktionsschicht 16b, insbesondere in Richtung einer Anode 30b, umzulenken.

Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Brennstoff zellen- vorrichtung 10c, welche als tubuläre Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10c umfasst einen Brennstoffzellentubus 12c, eine in dem Brennstoffzellentubus 12c angeordnete Zuströmlanze 14c und eine hier lediglich angedeutet dargestellte Funktionsschicht 16c. Die Funktionsschicht 16c ist auf einer Innenseite des Brennstoffzellentubus 12c aufgebracht. Die Funktionsschicht 16c weist, hier nicht im Detail dargestellt, eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyt auf.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 10c weist eine Verwirbelungseinheit 18c auf, welche dazu vorgesehen ist, eine Brenngasströmung 20c innerhalb des Brennstoffzellentubus 12c zumindest teilweise zu verwirbeln. Die Verwirbelungseinheit 18c weist eine Vielzahl von Verwirbelungselementen 22c auf. Die Verwirbelungs- elemente 22c sind als Verwirbelungsvertiefungen 24c ausgebildet. Die Verwirbe- lungseinheit 18c ist dazu vorgesehen, die Brenngasströmung 20c zumindest teilweise in Richtung der Funktionsschicht 16c, insbesondere in Richtung der Anode 30c, umzulenken. Die Verwirbelungseinheit 18c ist einstückig mit der Funktionsschicht 16c ausgebildet. Die Verwirbelungseinheit 18c ist anodenseitig an der Funktionsschicht 16c angeordnet.

Figur 5 zeigt in einer Prinzipdarstellung eine Verwirbelung der Brenngasströmung 20c durch die Verwirbelungseinheit 18c. Die sich durch die Verwirbelungsvertiefungen 24c bildende turbulare Strömung 38c führt zu einem verbesserten Massenaustausch mit der porös ausgebildeten Anode 30c.

Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Brennstoffzellenstacks 26 mit einer rechteckigen Trägerplatte 40 und sechs mit der Trägerplatte 40 verbundenen tubulären Brennstoffzellenvorrichtungen 10a, 10b, 10c in einem montierten Zustand.