Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Rekombinati onsvorrichtung zum Schutz gegen eine explosive Atmosphäre in einem Isolierge häuse.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme in unterschiedlichen Konstruktionswei sen zur Produktion eines Brenngases oder zur Produktion von elektrischem Strom eingesetzt werden. Für die Produktion von elektrischem Strom wird ein Brenngas dem Brennstoffzellensystem zugeführt, während unter Verbrauch von elektrischem Strom Brenngas produziert wird. In beiden Fällen handelt es sich um ein entzündli ches Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan. Auch ist es bekannt, dass eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle als eine Konstruktionsweise für das Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommen kann. Um einen möglichst effizienten Betrieb solcher Hochtemperatur-Brennstoffzellen gewährleisten zu können, sind übli cherweise thermisch isolierte Isoliergehäuse vorgesehen, welche auch als Hotbox bezeichnet werden, innerhalb welcher der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass bei Hochtemperatur-Brenn stoffzellen eine Leckage innerhalb der Hotbox nicht vollständig ausgeschlossen wer den kann. Insbesondere durch hohe Temperaturschwankungen zwischen normaler Umgebungstemperatur und Betriebstemperaturen von 400 C° bis 900 C° kann es über thermische Ausdehnung oder Verschleiß zu geringen Leckagen der Leitungen und/oder der anderen Bauteile innerhalb der Hotbox kommen. Dies könnte im Ext remfall dazu führen, dass über eine solche Leckage innerhalb des Gehäuses Brenn gas austritt und sich ansammelt. Da darüber hinaus bei einer Hochtemperatur-Brenn stoffzelle eine entsprechend hohe Innentemperatur in diesem Isoliergehäuse herrscht, besteht die Gefahr einer Entzündung dieses Brenngases innerhalb des Iso liergehäuses ab einer definierten Zündkonzentration. Um dies zu vermeiden, ist ent weder eine sehr hohe Genauigkeit und Vermeidung bei der Montage und damit ein hergehende Vermeidung von Leckagen notwendig. Auch ist es bekannt, dass die Gasführung des Brennstoffzellensystems im Unterdrück durchgeführt wird, sodass im Falle einer Leckage kein Gas in die Hotbox austritt, sondern vielmehr Gas aus dem Innenraum der Hotbox in die mit Unterdrück betriebene Leitung angesaugt wird. Dies reduziert die Variationsbreite des Bettriebes des Brennstoffzeöllensystems. Auch ist es bekannt, solche Isoliergehäuse mit einem aufwendigen aktiven Gasaus tausch zu versehen, um regelmäßig eine Durchlüftung des Innenraums des Isolierge häuses zur Verfügung zu stellen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise einen Explosionsschutz für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Rekombinationsvorrichtung mit den Merk malen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Rekombinationsvorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und mit ei nem Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. Der Ka thodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathoden- zuführgas und mit einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenab gas ausgestattet. Darüber hinaus ist der Brennstoffzellenstapel und zumindest ab schnittsweise auch der Anodenzuführabschnitt, der Anodenabführabschnitt, der Ka thodenzuführabschnitt und der Kathodenabführabschnitt innerhalb eines thermisch isolierten Isoliergehäuses angeordnet. Innerhalb dieses Isoliergehäuses ist bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem darüber hinaus wenigstens eine katalyti sche Rekombinationsvorrichtung angeordnet. Diese Rekombinationsvorrichtung weist einen Katalysatorkörper mit einer Katalysatoroberfläche auf, für eine katalyti sche Kombination von wenigstens einem Brenngas des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem basiert auf bekannten Konstruktions weisen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzel lensystem kann demnach auch als Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem bezeich net werden. Dieses Brennstoffzellensystem ist mit seinen wesentlichen Funktions bauteilen innerhalb des thermisch isolierten Isoliergehäuses angeordnet. Dieses Iso liergehäuse wird häufig auch als Hotbox bezeichnet und dient dazu, die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu steigern. Temperaturen innerhalb dieses thermisch isolierten Isoliergehäuses liegen im stationären Betrieb des Brennstoffzel lensystems beispielsweise im Bereich zwischen circa 400 C° und bis zu 900 C°.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Explosionsschutz be ziehungsweise einen Schutz gegen Zündung eines Brenngases innerhalb des Isolier gehäuses zu gewährleisten. Ein Brenngas ist dabei im Sinne der vorliegenden Erfin dung jegliches Gas, welches unter Einwirkung einer hohen Temperatur und/oder ei nes Zündfunkens ab einer Zündkonzentration zünden würde und zu einer Verbren nungsreaktion und/oder einer Explosion führen könnte. Ein Oxidationsgas ist ein Gas, welches das Brenngas chemisch oxidiert und auf diese Weise die Konzentra tion an Brenngas wieder reduziert, insbesondere unter die Zündkonzentration redu ziert.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, dass Leckagen in den ein zelnen Zuführabschnitten und Abführabschnitten des Anodenabschnitts und des Ka thodenabschnitts in Kauf genommen werden können, da das Brenngas katalytisch umgesetzt werden kann, wenn es durch eine solche Leckage austritt. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass das Brenngas in einem der Zuführabschnitte und/oder in einem der Abführabschnitte enthalten sein kann. Erzeugt beispielsweise das Brenn stoffzellensystem im Elektrolysebetrieb unter Stromverbrauch das Brenngas, so kann dieses Brenngas in einem der Abführabschnitte enthalten sein und über entspre chende Leckagen in diesem Abführabschnitt in den Innenraum des Isoliergehäuses austreten. Wird das Brennstoffzellensystem im Stromerzeugungsbetrieb betrieben, so kann das Brenngas beispielsweise im Anodenzuführabschnitt enthalten sein, aber auch eine Restmenge eines solchen Brenngases in einem der Abführabschnitte.

Auch in diesem Fall kann über eine Leckage in dem Zuführabschnitt oder den ent sprechenden Abführabschnitten das Brenngas in den Innenraum des Isoliergehäu ses gelangen. Durch die Anordnung der katalytischen Rekombinationsvorrichtung wird es nun mög lich, dass das Brenngas in katalysierter Weise mit dem Oxidationsgas reagiert und auf diese Weise in ein Reaktionsprodukt umgesetzt wird, welches nicht mehr brenn bar ist. So kann beispielsweise Wasserstoff als Brenngas mit Sauerstoff als Oxidati onsgas an dem Katalysatorkörper in Wasserdampf umgesetzt werden. In ähnlicher Weise ist auch eine Umsetzung von Methangas mit entsprechendem Sauerstoff in nerhalb des Isoliergehäuses in Kohlendioxid und ebenfalls Wasserdampf möglich. Hier ist gut zu erkennen, wie durch die katalytische Rekombination mit dem Oxidati onsgas das Brenngas sozusagen verbraucht wird und auf diese Weise die Konzent ration an Brenngas innerhalb des Isoliergehäuses abgesenkt wird. Damit kann si chergestellt werden, dass durch die katalytische Rekombination bei einem Hochtem peratur-Brennstoffzellensystem die Konzentration an Brenngas trotz der Zündgefahr durch die hohe Innentemperatur im Isoliergehäuse niemals die Zündkonzentration übersteigt.

Neben dem Explosionsschutz ist auf diese Weise eine sehr kostengünstige und ein fache Umsetzung möglich. Sogar eine Nachrüstung bestehender Brennstoffzellen systeme mit einer erfindungsgemäßen und später noch erläuterten Rekombinations vorrichtung ist grundsätzlich denkbar. Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass es sich hier insbesondere um eine passive oder im Wesentlichen passive Schutzmög lichkeit handelt. Im Vergleich zu aktiven Belüftungsvorrichtungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, ist hier also eine erhöhte Ausfallsicherheit gegeben. Da die katalytische Rekombination im Wesentlichen automatisch durch chemische Triebkräfte stattfindet, ist diese Sicherungsfunktion auch kontrollfrei und damit durch chemischen Antrieb automatisch gewährleistet.

Der Katalysatorkörper weist für diese katalytische Wirkung ein Katalysatormaterial auf. Dieses kann beispielsweise als Katalysatormaterial auf der Oberfläche des Kata lysators die Katalysatoroberfläche ausbilden. Selbstverständlich kann der Katalysa torkörper auch vollständig oder im Wesentlichen vollständig aus einem solchen Kata lysatormaterial ausgebildet sein. Um, wie dies später noch erläutert wird, die Kataly satoroberfläche und damit die katalytische Wirkung noch weiter zu steigern, kann der Katalysatorkörper zum Beispiel eine Wabenstruktur, eine Rippenstruktur oder eine porenförmige Ausgestaltung aufweisen, welche entsprechend mit Katalysatormaterial als Katalysatoroberfläche beschichtet ist. So sind beispielsweise keramische Bauteile oder Sintermaterialien als Katalysatorkörper denkbar, um eine optimierte und ent sprechend vergrößerte Katalysatoroberfläche zur Verfügung zu stellen.

Von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem die wenigstens eine Rekombinationsvorrichtung in einem Gassammelabschnitt des Isoliergehäuses angeordnet ist, in welchem sich beim Betrieb des Brennstoffzel lenstapels das wenigstens eine Brenngas sammelt. Dabei handelt es sich selbstver ständlich um Brenngas, welches durch eine mögliche Leckage in den Zuführab schnitten, den Abführabschnitten oder am Brennstoffzellenstapel selbst in den Innen raum des Isolationsgehäuses gelangt ist. Der Gassammelabschnitt basiert dabei auf den Strömungsverhältnissen innerhalb des Isolationsgehäuses sowie den Dichteun terschieden der Atmosphäre des Isoliergehäuses. Handelt es sich bei dem Brenngas beispielsweise um eine gasförmige Komponente mit geringerer Dichte als die übrige Atmosphäre innerhalb des Isoliergehäuses, so wird der Gassammelabschnitt ent sprechend in einem oberen Bereich des Isoliergehäuses angeordnet sein. Insbeson dere können auch mehrere Gassammelabschnitte definiert werden, um für unter schiedliche Betriebssituationen und/oder unterschiedliche Temperaturen verschie dene Gassammelabschnitte mit einer oder sogar mehreren Rekombinationsvorrich tungen auszustatten.

Eine weiterer Vorteil ergibt sich, wenn eine definierte Menge an frischem Oxidations gas in das Isoliergehäuse an einer definierten Stelle eingeleitet wird und die Rekom binationsvorrichtung vor einer definierten Auslassstelle positioniert ist. Durch diese Anordnung und in Kombination mit der erzwungenen Konvektion kann sichergestellt werden, dass sämtliches Brenngas aus einer Leckage auch an der Rekombinations- vorichtung umgesetzt wird. Um mögliche Wärmeverluste zu minimieren, kann mit Vorteil auch ein Wärmeaustausch zwischen Aus- und Einlass erfolgen.

Vorteile sind weiter erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen system der Katalysatorkörper wenigstens abschnittsweise eine Geometrie mit ver größerter Katalysatoroberfläche aufweist, insbesondere wenigstens einer der folgen den Geometrien:

Rippengeometrie,

Wabengeometrie, Porengeometrie.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können unterschiedliche Geometrien auch miteinander kombiniert sein. Beispielsweise kann ein porenförmiger Katalysatorkörper mehrere Rippenstrukturen aufweisen, um eine weiter verstärkte und vergrößerte Katalysator oberfläche zur Verfügung stellen zu können. Je nach Materialwahl des Katalysator körpers und insbesondere auch der Art des Katalysatormaterials sind hier unter schiedlichste Geometrien denkbar. Je größer die Katalysatoroberfläche ausgebildet wird, umso größer ist auch der katalytische Effekt und die damit zusammenhängen den Umsetzraten. Um die Sicherheit, insbesondere auch in großen Leckagesituatio nen, weiter zu erhöhen, kann eine vergrößerte Katalysatoroberfläche eine höhere Si cherheit zur Verfügung stellen, sodass die Konzentration an Brenngas unterhalb ei ner vordefinierten Zündkonzentration bleibt. Selbstverständlich können die Katalysa toroberflächen zumindest teilweise auch an und/oder in eine Wandung des Isolierge häuses integriert sein.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystem die Rekombinationsvorrichtung bezogen auf eine Schwerkraftrichtung des Brennstoffzellensystems eine vertikal oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Durchströmungsrichtung für eine Durchströmung mit Brenngas und Oxidationsgas aufweist. Diese vertikale Ausrichtung, insbesondere entlang einer Geraden, führt dazu, dass das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb des Katalysatorkörpers miteinander katalytisch reagieren, wobei üblicherweise Wärme freigesetzt wird.

Durch die entsprechende freigesetzte Wärme erhitzt sich das Reaktionsgas, sodass ein Kamineffekt innerhalb des Katalysatorkörpers entsteht. Dies ist grundsätzlich un abhängig von der Art und der Ausrichtung der Einlässe und der Auslässe des Kataly satorkörpers, kann aber durch die später noch erläuterten Führungselemente weiter unterstützt werden. Die definierte und insbesondere vertikal ausgerichtete Durchströ mungsrichtung führt nicht nur zu einer verbesserten Durchströmung des Katalysator körpers, sondern führt darüber hinaus zu einer aktiv erzwungenen Zirkulation im In nenraum des Isoliergehäuses. Neben einer verbesserten Durchströmung und damit einer verstärkten katalytischen Wirkweise, werden sozusagen automatisch Brenn gase aus anderen Abschnitten des Isoliergehäuses zur Rekombinationsvorrichtung hin zirkuliert. Die erfindungsgemäße Wirkung der Rekombination steigt weiter, sodass insbesondere eine kleinere Ausgestaltung der Rekombinationsvorrichtung und insbesondere des Katalysatorkörpers für die gleiche Sicherheit im Explosions schutz ausreichend ist.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens abschnittsweise Führungs elemente, insbesondere in Form von Führungswandungen aufweist, für eine Führung des Brenngases und des Oxidationsgases entlang der Durchströmungsrichtung. Sol che Führungselemente dienen dazu, den Kamineffekt noch weiter zu verstärken, wie er im voranstehenden Absatz erläutert worden ist. So ist beispielsweise auch ein seitlicher Zustrom grundsätzlich denkbar, wobei jedoch bevorzugt die Führungswan dungen den Katalysatorkörper so umschließen, dass insbesondere eine einzige defi nierte Einlassöffnung vom Innenraum des Isoliergehäuses auf den Katalysatorkörper und eine einzige definierte Auslassöffnung vom Katalysatorkörper in den Innenraum des Isoliergehäuses ausgebildet sind. Dies reduziert oder minimiert sogar den seitli chen Zustrom, sodass entsprechend der Kamineffekt gemäß dem voranstehenden Absatz noch weiter verstärkt werden kann.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei der Rekombinationsvorrichtung insbesondere de ren Katalysatorkörper entlang der Durchströmungsrichtung einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Dieser Strömungsquer schnitt ist insbesondere regelmäßig, vorzugsweise rotationssymmetrisch, beispiels weise rund, ausgebildet. So kann beispielsweise eine zylindrische Ausgestaltung der Rekombinationsvorrichtung zylinderförmige Wandungsabschnitte aufweisen, in deren Flohlraum der Katalysatorkörper, ebenfalls zylindrisch ausgebildet, angeordnet ist.

Der Flohlzylinder der Führungselemente, also das entsprechend ausgebildete Rohr stück, weist am unteren und am oberen Ende eine entsprechende Einlass- und Aus lassöffnung auf, wobei der Strömungsquerschnitt, vorzugsweise als runder Strö mungsquerschnitt, sich konstant zwischen Einlass und Auslass erstreckt.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens einen Temperatur sensor aufweist, für eine Erfassung wenigstens einer der folgenden Temperaturen:

Materialtemperatur des Katalysatorkörpers, Einlasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung,

- Auslasstemperatur der Rekombinationsvorrichtung.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr verschiedene Temperatur sensoren an unterschiedlichen Stellen miteinander kombiniert werden. Es ist auch möglich, dass ein Temperatursensor für die Erfassung der Temperatur im Innenraum des Isoliergehäuses beabstandet von der Rekombinationsvorrichtung vorgesehen ist. Dadurch, dass eine Überwachung der Temperatur möglich ist, kann im einfachsten Fall überwacht werden, ob eine Zündtemperatur überschritten wird oder nicht. Durch die Überwachung der Wärmeentwicklung am Katalysatorkörper, beispielsweise durch Materialtemperatur oder die Differenz zwischen Auslasstemperatur und Ein lasstemperatur an der Rekombinationsvorrichtung, wird die aktuell abgerufene kata lytische Wirkung erfassbar. Je stärker eine Umsetzung in katalysierter Weise inner halb der Rekombinationsvorrichtung stattfindet, umso größer ist auch der erwär mende Effekt, welcher wiederum durch den Temperatursensor erkennbar wird. So ist es also möglich, die aktuelle Rekombinationsleistung zu erfassen und insbesondere über längere Zeiträume nicht nur die Überwachung einer Funktionsfähigkeit der Re kombination, sondern auch das Erkennen möglicher Alterungseffekte oder eines Ver schleißes der Katalysatorwirkung zu erkennen. Diese Ausbildung ist insbesondere frei von einem Gassensor in dem Isoliergehäuse.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem die Rekombinationsvorrichtung wenigstens ein Heizelement aufweist, für ein aktives Aufheizen des Katalysatorkörpers. Dabei kann es sich zum Beispiel um ein elektrisches Heizelement handeln. Ein solches elektrisches Heizelement kann sowohl in den Katalysatorkörper integriert sein als auch in seitliche Führungsele mente angeordnet werden. Die aktive Beheizung der Rekombinationsvorrichtung und/oder des Katalysatorkörpers führt dazu, dass auch bei Anfahrprozessen des Brennstoffzellensystems oder anderen kühleren Betriebsweisen, bei entsprechend noch niedrigen Betriebstemperaturen, der bereits mehrfach erläuterte Kamineffekt er zeugt oder verstärkt werden kann. Auch kann durch ein aktives Beheizen der Re kombinationsvorrichtung die katalytische Wirkung auch dann zur Verfügung gestellt werden, wenn die Temperatur innerhalb des Isoliergehäuses noch unterhalb der katalytischen Wirktemperatur des Katalysatormaterials liegt. Die Rekombination und die Schutzwirkung sind also auch in kalten Betriebssituationen zur Verfügung stell bar. Als elektrisches Heizelement sind beispielsweise induktive Heizelemente und/o der kapazitive Heizelemente im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

Vorteile kann es ebenfalls mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gemäß dem voranstehenden Absatz der Katalysatorkörper wenigstens abschnittsweise das Heizelement aufweist. Dies führt zu einer Integration des Heizelementes in den Katalysatorkörper oder sogar zur Ausbildung des Heizele mentes durch den Katalysatorkörper. Beispielsweise kann der Katalysatorkörper zu mindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet sein, sodass er bei elektrischer Bestromung eine Widerstandsheizung für den Katalysatorkörper zur Verfügung stellt.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystem im Isoliergehäuse an wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen Re kombinationsvorrichtungen angeordnet sind, wobei insbesondere die Durchströ mungsrichtungen der Rekombinationsvorrichtungen parallel oder im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind zumindest zwei Rekombinationsvor richtungen sogar koaxial zueinander ausgerichtet, sodass der Kamineffekt an die weitere Rekombinationsvorrichtung übergeben wird und die Gesamtzirkulation inner halb des Isoliergehäuses noch verstärkt wird. Bevorzugt sind diese unterschiedlichen Positionen auf unterschiedlichen vertikalen Höhen innerhalb des Isoliergehäuses ausgebildet, sodass die Rekombinationsvorrichtungen ebenfalls auf unterschiedli chen Höhen die erzwungene Zirkulation im Isoliergehäuse verstärken.

Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem das Isoliergehäuse als Unterdruckgehäuse bezogen auf die Innendrücke im Anodenzuführabschnitt, dem Anodenabführabschnitt, dem Kathodenzuführabschnitt und/oder dem Kathodenabführabschnitt ausgebildet ist. Das bedeutet, dass auch bei in Kauf nehmen einer möglichen Leckage die Zuführabschnitte und die Abführab schnitte des Brennstoffzellenstapels eine sehr freie Betriebsweise aufweisen, also sowohl im Unterdruckbetrieb als auch im Überdruckbetrieb betrieben werden kön nen. Das Isoliergehäuse als Unterdruckgehäuse ist möglich, da auch im Unterdruck fall, wenn also Brenngas durch eine Leckage in das Isoliergehäuse eintritt, der Explosionsschutz gegen ein unerwünschtes Zünden des Brenngases durch die kata lytische Rekombinationswirkung der Rekombinationsvorrichtung gewährleistet ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Rekombinationsvorrich tung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Eine solche Rekombinationsvorrichtung weist einen Katalysatorkörper mit einer Katalysa toroberfläche für eine katalytische Rekombination von wenigstens einem Brenngas des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsgas auf. Weiter ist eine Befesti gungsschnittstelle zur Befestigung im Isoliergehäuse des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Damit bringt eine erfindungsgemäße Kombinationsvorrichtung die glei chen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Die Rekombinationsvorrichtung ist da bei insbesondere gemäß den entsprechenden Ausführungsformen in dem bereits er läuterten Brennstoffzellensystem ausgebildet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystems,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekombinati onsvorrichtung,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung, Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung,

Fig. 8 die Ausführungsform der Figur 7 in seitlicher Darstellung und

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rekom binationsvorrichtung.

Die Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem als Flotbox ausgebildetem Isoliergehäuse 140. Innerhalb des Isoliergehäuses 140 ist ein Brenn stoffzellenstapel 110 angeordnet, welcher hier in einen Anodenabschnitt 120 und ei nen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt ist. Der Anodenabschnitt 120 erhält Anodenzu- führgas AZG über einen Anodenzuführabschnitt 122 und produziert Anodenabgas AAG, welches er über den Anodenabführabschnitt 124 abgibt. In ähnlicher Weise er hält der Kathodenabschnitt 130 Kathodenzuführgas KZG über den Kathodenzu- führabschnitt 132 und gibt Kathodenabgas KAG über den Kathodenabführabschnitt 134 wieder ab. Die beiden Zuführabschnitte 122 und 132 sowie die beiden Abführab schnitte 124 und 134 führen dabei durch das Isoliergehäuse 140 hindurch und kön nen beispielsweise außerhalb an die Umgebung abgegeben werden beziehungs weise fluidkommunizierend mit entsprechend weiteren Bauteilen versehen sein. Das gesamte Brennstoffzellensystem kann selbstverständlich weitere Bauteile wie Rezir- kulationsleitungen, Reformervorrichtungen, Wärmetauschervorrichtungen, Nachbren nervorrichtungen oder Ähnliches aufweisen. Diese sind der Übersichtlichkeit halber in der Figur 1 nicht dargestellt.

Sollte es je nach Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 100 in einem der Zu führabschnitte 122 und 132 oder in einem der Abführabschnitte 124 oder 134 oder sogar im Brennstoffzellenstapel 110 selbst zu einer Leckage kommen, durch welche Brenngas BG austritt, so würde durch eine fehlende Belüftung des Isoliergehäuses 140 die Konzentration an Brenngas BG innerhalb des Isoliergehäuses 140 steigen. Da es sich bei dem Brennstoffzellensystem 100 um eine Hochtemperaturanlage han delt, liegen die Temperaturen innerhalb des Isoliergehäuses 140 im Bereich zwi schen 400 C° und bis zu 900 C°. Dies würde bei Erreichen einer zündfähigen Zünd konzentration an Brenngas BG innerhalb des Isoliergehäuses 140 zum Zünden des Brenngases führen und damit entweder zu einer Beschädigung des Brennstoffzellen systems 100 oder sogar zur Zerstörung desselben durch Explosion. Um zu vermeiden, dass die Konzentration an Brenngas BG die Zündkonzentration erreicht oder diese sogar übersteigt, ist in einem Gassammelabschnitt 142 des Iso liergehäuses 140 eine Rekombinationsvorrichtung 10 angeordnet. Diese ist insbe sondere in verschiedenen Varianten mit Bezug auf die weiteren Figuren ab Figur 3 noch näher erläutert. Schematisch ist sie zumindest mit einem Katalysatorkörper 20 versehen, welcher eine katalytisch wirksame Katalysatoroberfläche 22 aufweist. Bei der Ausführungsform der Figur 1 sind bereits Führungselemente 30 zu erkennen, welche unterstützend eine Durchströmungsrichtung DR zur Verfügung stellen. Brenngas BG wird also zusammen mit Oxidationsgas OG, welches sich innerhalb der Atmosphäre des Isoliergehäuses 140 befindet, die Rekombinationsvorrichtung 10 entlang der Durchströmungsrichtung DR durchströmen und dabei das Brenngas BG katalytisch in ein Reaktionsgas umsetzen. Im Ergebnis ist die Brenngaskonzentration reduziert und sichergestellt, dass eine Zündkonzentration nicht überschritten wird.

Die Figur 2 zeigt eine ähnliche Lösung, jedoch ist hier der Gassammelabschnitt 142 über die gesamte vertikale Höhe entgegen der Schwerkraftrichtung SR ausgebildet. Es sind hier zwei identische Rekombinationsvorrichtungen 10, eine im oberen Teil und eine im unteren Teil, angeordnet. Die entsprechend ausgebildete Durchströ mungsrichtung jeder Rekombinationsvorrichtung 10 ist parallel und hier sogar koaxial zueinander, sodass eine Zirkulation innerhalb des Isoliergehäuses 140 in verstärkter Weise zur Verfügung gestellt wird. Auch Brenngas aus anderen Bereichen, insbe sondere in der Figur 2 rechts des Brennstoffzellenstapels 110, kann durch diese er zwungene Rezirkulation in den Gassammelabschnitt 142 und damit zu den Rekombi nationsvorrichtungen 10 gefördert werden.

Die Figuren 3 bis 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Rekombinations vorrichtungen 10, wie sie im BrennstoffzellensystemenlOO, beispielsweise gemäß den Figuren 1 und 2, eingesetzt werden können. In der Figur 3 ist eine Lösung mit Kamineffekt dargestellt, welche einen runden Querschnitt aufweist. Der Katalysator körper 20 ist hier als poröse Keramik ausgebildet und von einem rohrförmigen Füh rungselement 30 umgeben. Die Katalysatoroberfläche 22 wird durch die wabenförmi gen oder porenförmigen innenliegenden Oberflächen auf dem Katalysatorkörper 20 gebildet und kann beispielsweise eine Beschichtung aus Katalysatormaterial aufwei sen. Der Strömungsquerschnitt SQ, welcher hier durch die radiale Erstreckung des Katalysatorkörpers 20 definiert wird, ist im Wesentlichen konstant zwischen dem Eingang, dem Verlauf und dem Ausgang der Rekombinationsvorrichtung 10. Über den Eingang unten kann nun Oxidationsgas OG und Brenngas BG in den Katalysa torkörper 20 eintreten. Durch die Katalysatoroberfläche 22 erfolgt die katalytische Umsetzung zwischen dem Brenngas BG und dem Oxidationsgas OG, wobei übli cherweise eine Wärmeentwicklung stattfindet. Durch die weitere Erwärmung bei der Umsetzung steigt das sich ergebende Reaktionsgas weiter auf, entlang der Durch strömungsrichtung DR und tritt am oberen Ende durch die Auslassöffnung der Re kombinationsvorrichtung 10 wieder aus. Der auf diese Weise erzielte Kamineffekt führt zu einer verbesserten Durchströmung und zu einer erzwungenen Zirkulation im Isoliergehäuse 140. Die Figur 3 zeigt darüber hinaus noch eine Befestigungsschnitt stelle 60 zur definierten mechanischen Befestigung in der gewünschten Position in nerhalb des Isoliergehäuses 140.

Die Figur 4 basiert auf der Ausführungsform der Figur 3. Hier sind zusätzlich drei Temperatursensoren 40 angeordnet, welche an drei Stellen Temperaturen bestim men können. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Bestimmung der Ein lasstemperatur am Katalysatorkörper 20, der Auslasstemperatur des Katalysatorkör pers 20 und einer Materialtemperatur des Katalysatorkörpers 20 möglich. Damit kann durch die damit erfassbare Abwärme die aktuelle katalytische Reaktionsleistung und damit die aktive Rekombinationswirkung qualitativ oder sogar quantitativ bestimmt werden, sodass eine Kontrolle oder eine Überwachung der Rekombinationsleistung zur Absicherung gegen einen Explosionsschaden möglich ist.

Auch die Figur 5 beruht auf der Ausführungsform der Figur 3. Hier ist ein Fleizele- ment 50 in die Führungselemente 30 integriert. So ist ein seitliches, beispielsweise durch elektrischen Strom aktiviertes, Fleizen des Katalysatorkörpers 20 möglich. Die Figur 6 zeigt eine ähnliche Möglichkeit, bei welcher das Fleizelement 50 jedoch durchströmbar in den Katalysatorkörper 20 integriert ist. In beiden Fällen kann die Temperatur des Katalysatorkörpers 20 aktiv gesteigert werden, sodass auch bei kal ten Betriebssituationen, beispielswese beim Anfahren des Brennstoffzellensystems 100, die gewünschte Sicherheitsfunktion durch Rekombination in katalytischerWeise gewährleistet werden kann.

In den Figuren 7 und 8 ist eine alternative Ausführungsform mit einem verringerten Kamineffekt dargestellt. H ier weist der Katalysatorkörper 20 mehrere Einzelbestandteile auf, welche hier rippenförmig angeordnet sind. Die einzelnen Ka talysatorkörperteile können dabei ebenfalls wieder porös, aber auch als Vollmaterial ausgebildet sein. Die Katalysatoroberfläche 22 wird dabei zumindest durch die Rip penoberflächen der einzelnen Teile des Katalysatorkörpers 20 zur Verfügung ge stellt. Selbstverständlich ist jedoch auch eine Kombination mit porösen Katalysator körpern 20 denkbar.

Die Figur 9 bildet die Ausführungsform der Figur 3 dahingehend weiter, dass der Strömungsquerschnitt SQ sich entlang der Durchströmungsrichtung DR reduziert. Damit wird bei der Wärmeentwicklung und der entsprechend entstehenden Dichteun terschiede der Aufstieg der Gase innerhalb des Katalysatorkörpers 20 noch weiter verstärkt und insbesondere beschleunigt, sodass nicht nur die Durchströmung, son dern auch die externe erzwungene Zirkulation im Isoliergehäuse 140 noch weiter ver stärkt werden kann.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Rekombinationsvorrichtung 20 Katalysatorkörper 22 Katalysatoroberfläche 30 Führungselemente 40 Temperatursensor 50 Heizelement 60 Befestigungsschnittstelle

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel

120 Anodenabschnitt 122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Isoliergehäuse 142 Gassammelabschnitt

BG Brenngas OG Oxidationsgas AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas

SR Schwerkraftrichtung DR Durchströmungsrichtung SQ Strömungsquerschnitt