Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für ein Vermischen von zumindest Anodenabgas und Kathodenabgas aus einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Mischvorrichtung.

Es ist bekannt, dass in Brennstoffzellensystemen aus Anodenzuführgas und Katho- denzuführgas in einem Brennstoffzellenstapel durch chemische Umsetzung elektrische Energie erzeugt wird. Dabei entstehen Anodenabgas und Kathodenabgas Auch ist es bekannt, dass für eine Weiternutzung der Abgase des Brennstoffzellenstapels, diese zum Teil rezirkuliert werden können. So kann beispielsweise ein Teil des Anodenabgases mit Hilfe einer Fördereinrichtung wieder in Richtung des Brennstoffzellenstapels rezirkuliert werden. Dies dient insbesondere der Verbesserung der Effizienz. des gesamten Brennstoffzellensystems Ein anderer Teil des Anodenabgases wird in der Regel zusammen mit Kathodenabgas einem Nachbrenner zugeführt, in welchem noch im Abgas vorhandene Reste von chemisch umsetzbaren Anteilen verbrannt werden, bevor das Abgas über einen gemeinsamen Abgasabführabschnitt an die Umgebung abgegeben wird.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die Nachbrennerfunktionalität abhängig ist von der jeweiligen Betriebssituation, also den jeweiligen Gasmengen, der zusätzlich zugeführten Brennstoffmenge, dem Rest an Brennstoff im Anodenabgas bzw. der „fuel utilization“, den Temperaturen, den Strömungsverhältnissen und Ähnlichem. Diese komplexe Abhängigkeit führt dazu, dass in vielen Betriebssituationen die Strömungsverteilung und die Vermischung von Anodenabgas und Kathodenabgas, also die lokale Spezieskonzentrationsverteilung stromaufwärts des Nachbrenners nicht ausreichend homogen ist. Dies führt zum einen zu unterschiedlichen Temperaturverhältnissen und entsprechend thermisch eingebrachten Spannungen bis zu unumkehrbaren thermomechanische Schädigungen innerhalb des Nachbrenners, aber vor allem zu inhomogener Nachverbrennung des Mischabgases.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine möglichst homogene Ver- brennung im Nachbrenner für möglichst viele Betriebsbereiche des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. 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 der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient eine Mischvorrichtung dem Vermischen von zumindest Anodenabgas mit Kathodenabgas aus einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Mischvorrichtung eine Kathodenabgas-Leitung mit einem Kathodenabgasanschluss zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einem Ka- thodenabgasabschnitt eines Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels auf. Weiter ist die Mischvorrichtung mit einer Anodenabgas-Leitung mit einem Anodenabgasanschluss zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einem Anodenabgasabschnitt eines Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems ausgestattet. Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anodenabgas-Leitung innerhalb der Kathodenabgas-Leitung angeordnet ist und ein geschlossenes Anodenabgas-Leitungsende sowie wenigstens zwei Anodenabgasauslässe in die Kathodenabgas-Leitung aufweist, mit Auslassrichtungen radial zur Anodenabgas-Leitungsachse und zur Kathodenabgas- Leitungsachse. Weiter stromabwärts des Anodenabgas-Leitungsendes geht die Kathodenabgas-Leitung in eine Mischabgas-Leitung über, mit einem Mischabgasanschluss zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einem Brennereinlass eines Nachbrenners eines Brennstoffzellensystems.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, die Vermischungsfunktionalität zwischen dem Anodenabgas und dem Kathodenabgas zu verbessern und insbesondere über möglichst viele Betriebsbereiche des Brennstoffzellensystems zu homogenisieren. Dies gelingt dadurch, dass innerhalb der Mischvorrichtung eine definierte geometrische Korrelation für die Einbringung des Anodenabgases in den Strom des Kathodenabgases vorgesehen ist. Dies führt dazu, dass entlang der Auslassrichtungen radial zur Anodenabgas -Leitungsachse und ebenfalls radial zur Kathodenab- gas-Leitungsachse nun das Anodenabgas auch radial und damit quer zur Hauptströmungsrichtung des Kathodenabgases in der Kathodenabgas-Leitung in dieses Kathodenabgas eingebracht wird. Am Einbringort direkt nach den Anodenabgasauslässen strömt also das Anodenabgas mit seiner Strömungsrichtung quer zur Strömungsrichtung des Kathodenabgases, sodass durch das winklige Aufeinandertreffen dieser beiden Abgasströme ein deutlich verbessertes Vermischen stattfindet. Dieses verbesserte Vermischen führt zu einer homogeneren Durchmischung zwischen Kathodenabgas und Anodenabgas beim Ausbilden des daraus resultierenden Mischabgases. Diese Homogenisierung tritt darüber hinaus über einen kürzeren Mischabschnitt ein, welche auch als Mischstrecke verstanden werden kann. Diese Mischstrecke ist die Länge, über welche die Vermischung zwischen Anodenabgas und Kathodenabgas nach dem Einströmen des Anodenabgases stattfindet. Je kürzer diese Mischstrecke ausgebildet ist, umso kürzer und damit kompakter kann auch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung ausgestaltet sein.

Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, wird es nun möglich, in bekannter Weise das Anodenabgas eines Brennstoffzellenstapels mit dem Kathodenabgas zu vermischen. Dies wird erfindungsgemäß nun durch die Korrelation der Strömungsrichtung entlang der Kathodenabgas-Leitungsachse und der Auslassrichtung der Anodenabgasauslässe dahingehend verbessert, dass die Mischstrecke reduziert und die Homogenisierung verstärkt wird. Mit anderen Worten führt die erfindungsgemäße Konstruktion der Mischvorrichtung dazu, dass auf kürzerer Mischstrecke eine homogenere Vermischung zwischen Anodenabgas und Kathodenabgas zur Verfügung gestellt wird.

Im Ergebnis wird also trotz einer kompakteren Bauweise der Mischvorrichtung eine sehr homogene Ausgestaltung des Mischabgases dem nachfolgenden Nachbrenner zugeführt. Diese besonders homogene Ausgestaltung des Mischabgases führt zu entsprechenden homogenen Nachbrennerfunktionalität innerhalb des Nachbrenners, sodass dort die beschriebenen Nachteile von inhomogenen Mischungsverhältnissen behoben oder zumindest wesentlich reduziert werden können.

Die einzelnen Leitungen, also die Kathodenabgas-Leitung, die Anodenabgas-Leitung und die Mischabgas-Leitung, dienen dabei erfindungsgemäß dazu, das jeweilige Ab- gas zu führen. Hierfür sind die einzelnen Leitungen mit entsprechenden Außenwandungen ausgestaltet, welche diese Führungsfunktionalität übernehmen. Eine möglichst einfache Ausgestaltung ist dann erzielt, wenn die einzelnen Leitungen einen runden oder im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass im Sinne der Erfindung unter einer Auslassrichtung radial zu den jeweiligen Leitungsachsen jede Richtung zu verstehen ist, welche insbesondere nicht parallel zu der jeweiligen Leitungsachse ausgerichtet ist. Damit fallen unter eine solche radiale Ausrichtung auch spitzwinklige Ausrichtungen, wie sie später noch näher erläutert werden. Insbesondere weisen die Auslassrichtungen mit der jeweiligen Leitungsachse einen Auslasswinkel im Bereich zwischen circa 20° und circa 70° auf.

Weiter ist noch darauf hinzuweisen, dass im Sinne der Erfindung die Anodenabgasauslässe vorzugsweise auf einem gemeinsamen Umfangsring oder auf mehreren gemeinsamen Umfangsringen angeordnet sind. Ein Zusammenführen von zwei oder mehr Anodenabgasauslässen auf einem gemeinsamen Umfangsring führt zu einer weiteren Reduktion der Längenerstreckung der Mischvorrichtung und damit zu einer weiter verstärkten Kompaktheit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.

Neben dem Einbringen und Vermischen von Anodenabgas und Kathodenabgas können selbstverständlich auch noch weitere zusätzliche Gase, wie der später noch erläuterte insbesondere Brennstoff und/oder eine zusätzliche Zuführung von Luft, in das Kathodenabgas vorgesehen sein. Dies ergänzt den beschriebenen Kerngedan- ken um eine homogene Vermischung mit diesen weiteren Gasen.

Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Leitungen separate Anschlussstutzen aufweisen können. Ist beispielsweise die Anodenabgas-Leitung koaxial in die Kathodenabgas-Leitung integriert, so wird die Anodenabgas-Leitung über einen gekrümmten Zuführabschnitt durch die Wandung der Kathodenabgas-Leitung hindurch nach außen geführt werden, um die gewünschte fluidkommunizierende Verbindung mit dem Anodenabgasabschnitt gewährleisten zu können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mischvorrichtung für ein Vermischen von Anodenabgas, zusätzlichem Brennstoff und Kathodenabgas ausgebildet und angeordnet ist. Der zusätzliche Brennstoff ist dabei insbesondere gasförmig und kann beispielsweise Ethanol, Erdgas, LPG oder ein anderer flüssiger oder gasförmiger, kohlen- stoffhaltiger Brennstoff sein. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn der Brennstoff derselbe Brennstoff ist, welcher zur Verwendung im Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist. Es kann auch günstig sein, wenn der gesamte Brennstoff, welcher in Richtung des Anodenabschnittes geleitet wird, über die Mischvorrichtung zu diesem geleitet wird, sprich insbesondere einem rezirkulierten Anodenabgas zugemischt wird.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung stromaufwärts der Anodenabgasauslässe eine Brennstoffleitung, insbesondere ringförmig um die Anodenabgas-Leitung herum, angeordnet ist, mit einem Brennstoffanschluss zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einem Brennstoffabschnitt des Brennstoffzellensystems. Dabei ist die Brennstoffleitung mit wenigstens zwei Brennstoffauslässen versehen, mit Auslassrichtungen radial zur Anodenabgas- Leitungsachse und zur Kathodenabgas-Leitungsachse. Wie bereits erläutert worden ist, soll die möglichst homogene Vermischung im Mischabgas möglichst für alle oder eine hohe Anzahl von Betriebszuständen gewährleistet werden. Ziel dieser homogenen Vermischung ist insbesondere eine möglichst effiziente Betriebsweise des Nachbrenners und eine Unterdrückung lokaler Zündungsgebiete und/oder einer Flammenbildung. Findet beispielsweise ein Startbetrieb des Brennstoffzellensystems statt, so ist im Startbetrieb ein wesentlicher Effizienzgesichtspunkt das Steigern der Temperatur auf die gewünschte stationäre Betriebstemperatur für das Brennstoffzellensystem. Bei SOFC-Brennstoffzellensystemen kann sie im Bereich von bis zu 1000 C° liegen. Neben einer ersten Startphase, welche häufig durch eine elektrische Heizung zur Verfügung gestellt wird, kann nun beim weiteren Aufheizen des Brennstoffzellensystems durch die bei dieser Ausführungsform beschriebene Brennstoffleitung zusätzlicher Brennstoff, beispielsweise Ethanol, Methan, Erdgas oder ähnliche Kohlenwasserstoffe bzw. Wasserstoff in dampfförmiger bzw. gasförmiger Form, in das Kathodenabgas der Mischvorrichtung eingebracht werden. Zu diesem Zeitpunkt ist in der Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels noch sehr wenig Brennstoff im Anodenabgas enthalten. Um trotzdem eine möglichst homogene Verbrennung im Nachbrenner und insbesondere eine hohe Wärmeentwicklung im Nachbrenner zu erzielen, kann nun mithilfe des Brennstoffanschlusses und der Brennstoffleitung in ähnlicher Weise eine zusätzliche und homogene Durchmischung des Kathodenabgases mit zusätzlich zugeführtem Brennstoff gewährleistet werden. Damit wird ein höherer Brennwert im Mischabgas mit homogener Verteilung gewährleistet, sodass eine höhere Wärmefreisetzung im Nachbrenner möglich wird. Die dadurch erzeugte zusätz- liehe Wärme kann beispielsweise über einen oder mehrere Wärmetauscher Zuführgasen in Zuführabschnitten des Brennstoffzellenstapels übergeben werden. Damit kann diese Wärme mit den Zuführgasen in den Brennstoffzellenstapel geführt werden und diesen aufheizen. Die Ausbildung dieser Brennstoffleitung kann beispielsweise in die Wandung der Abgasleitung integriert sein. Dabei kann zum Beispiel eine ringförmige und umfänglich ausgerichtete Verdickung der Anodenabgas-Leitung einen integrierten ringförmigen Hohlraum aufweisen, welcher mit einem seitlichen Anschluss nach außen durch die Wandung der Kathodenabgas-Leitung hindurch geführt ist.

Durch diese Ausgestaltung der Mischvorrichtung ist es möglich, lokal auftretende Mischungszonen aus Anodenabgas, Brenngas und Kathodenabgas zu minimieren und somit eine etwaige Zündung des Anodenabgases bei Durchschreiten der Zündgrenzen durch lokale Turbulenzgebiete zu unterbinden oder zumindest zu minimieren. Weiter wird durch diese Ausbildung der Mischvorrichtung aktiv eine Strähnenbildung von Anodenabgas oder Brenngas im Kathodenabgas vermindert. Eine Strähnenbildung kann vor allem aufgrund laminarer Strömungsverhältnisse oder Strömungsregime im Transitionsbereich während unterschiedlicher Betriebsbereiche (wie insbesondere einem Teillastbetrieb) auftreten.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung das Anodenabgas-Leitungsende stromabwärts der Anodenabgasauslässe ein Totraumverdrängungsvolumen, insbesondere in Tropfenform oder im Wesentlichen in Tropfenform, aufweist, für ein Reduzieren von Stagnations- und Rezirkulationsge- bieten in der Mischabgas-Leitung. Nach dem Einströmen des Anodenabgases in das Kathodenabgas findet, wie bereits erläutert worden ist, über eine Mischstrecke, die Vermischung zum Mischabgas statt. Direkt nach dem Einströmen tritt eine komplexe Strömungssituation bei der Vermischung ein. Ist an diesem Ort nun ein Rücksprung oder ein abruptes Ende als Anodenabgas-Leitungsende vorgesehen, so kann dies aus Strömungsgesichtspunkten ein Totvolumen darstellen oder sogar zu Rezirkulati- onen führen. Diese sind aus verschiedenen Gründen unerwünscht. So kann je nach Konzentration an Brennstoff und nach Temperatur eine Flamme entstehen, welche sich stationär ausbildet und sich aufgrund der Rezirkulation stabilisiert und an dieser Position unerwünscht ist. Das unerwünschte Rezirkulationsgebiet wirkt hierbei als Flammenhalter bzw. Flammenanker. Auch führt jede Rezirkulation hier zu noch komplexeren Strömungsverhältnissen und kann zu einer unerwünschten Inhomogenisie- rung des Mischabgases führen. Das Einbringen eines Totraum verdrängungsvolu- mens, um diesen Totraum zu verdrängen, führt also dazu, dass ein geringerer Totraum und entsprechend weniger Strömungsablösungen und Rezirkulationsmög- lichkeiten bestehen. Auch wird auf diese Weise ein Volumen ausgefüllt, welches damit nicht mehr einer unerwünschten Flammenbildung in diesem Bereich zur Verfügung steht. Das Ausbilden des Totraumverdrängungsvolumens in einer Tropfenform, insbesondere punktförmig zulaufend entlang der Strömungsrichtung des Mischabgases, führt zu einer verbesserten Ausgestaltung dieses Totraumverdrängungsvolumens, sodass dieser Effekt in optimaler Weise erreicht werden kann. Um das Gewicht und die thermische Trägheit der Mischvorrichtung weiter zu reduzieren, kann dieses Totraumverdrängungsvolumen mit einem Hohlraum ausgestaltet sein. Um bei einem Hohlraum unerwünschte Spannungen aus mechanischer Sicht zu vermeiden, kann dieser Hohlraum, insbesondere an seiner Spitze, eine kleine Druckausgleichsöffnung aufweisen, um bei Druckunterschieden und/oder Temperaturunterschieden mechanischen Spannungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.

Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung die Erstreckung des Totraum Verdrängungsvolumens entlang der Kathodenab- gas-Leitungsachse und entlang der Anodenabgas-Leitungsachse der gemeinsamen Erstreckung der Kathodenabgas-Leitung und der Anodenabgas-Leitung entspricht oder im Wesentlichen entspricht. Nach dem Einbringen von Anodenabgas in die Anodenabgas-Leitung und von Kathodenabgas in die Kathodenabgas-Leitung verlaufen diese, insbesondere wie dies später noch erläutert wird, koaxial zueinander. Über diese Strecke homogenisiert sich die Strömungsrichtung in der Kathodenabgas-Leitung und in der Anodenabgas-Leitung, um den gewünschten Durchmischungseffekt bei der radialen Auslassrichtung an den Anodenabgasauslässen in vordefinierter Weise zu erzielen. Um nun die Rezirkulation und den Totraum so weit wie möglich zu reduzieren, erstreckt sich über die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Länge, über welche Kathodenabgas-Leitungen und Anodenabgas-Leitungen parallel zueinander und koaxial verlaufen, auch das Totraumverdrängungsvolumen. Damit wird sichergestellt, dass in gleicher Weise wie die Angleichung der Strömungsverhältnisse vor dem Vermischen ein Vermeiden von Rezirkulation nach dem Vermischen gewährleistet wird.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung in der Kathodenabgas-Leitung stromaufwärts, stromabwärts und/oder im Bereich der Anodenabgasauslässe Strömungsleitflächen in Umfangsrichtung um die Anodenabgas-Leitung herum angeordnet sind, für ein Erzeugen einer Strömungsrotation des Kathodenabgases. Um die Vermischungsfunktionalität der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung noch weiter zu steigern, kann eine zusätzliche Rotationsbewegung in Form eines Rotationsimpulses in das Kathodenabgas eingebracht werden. Dies erfolgt durch ein oder mehrere Strömungsleitflächen, welche das Kathodenabgas entweder vor Erreichen der Anodenabgasauslässe, bei Erreichen der Anodenabgasauslässe oder bereits im Vermischungszustand stromabwärts der Anodenabgasauslässe mit der Strömungsrotation beaufschlagt. Dies erlaubt es, die Vermischung noch besser zu homogenisieren und insbesondere die bereits mehrfach angesprochene Mischstrecke noch weiter zu reduzieren und lokale Flammenbildung bzw. Zündung des Anodenabgases zu verhindern oder zu unterdrücken. Darüber hinaus kann es möglich werden, durch das Einbringen einer Strömungsrotation die Mischbereiche mit turbulenten Strömungsverhältnissen auszustatten, sodass eine noch weiter verstärkte Vermischungsfunktion gegeben ist. Die Strömungsleitflächen können dabei separat als eigene Bauteile in die Kathodenabgas-Leitung integriert sein. Bevorzugt sind sie jedoch als Teil der Innenwandung der Kathodenabgas- Leitung und/oder als Teil der Außenwandung der Anodenabgas-Leitung ausgebildet. Sie können schaufelartig oder flächenartig quer zur jeweiligen Leitungsachse angestellte Flächen sein und bilden auf diese Weise einen Rotationsimpuls auf das Kathodenabgas und/oder das Mischabgas aus.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei der Mischvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz die Strömungsleitflächen statisch ausgebildet sind. Eine statische Ausbildung führt dazu, dass sich die Strömungsleitflächen relativ zur Anodenabgas-Leitung und zur Kathodenabgas-Leitung nicht bewegen. Sie sind vielmehr hinsichtlich ihrer Position und Rotation fest definiert und sind dementsprechend bewegungslos gelagert. Dadurch, dass keine Bewegteillagerung notwendig ist, sind sie besonders verschleißarm und insbesondere wartungsfrei in die erfindungsgemäße Mischvorrichtung integrierbar. Auch die damit korrelierten Kosten und die damit zusammenhängende Komplexität der Konstruktion wird auf diese Weise besonders geringgehalten.

Mischvorrichtungen gemäß dem voranstehenden Absatz können dahingehend weitergebildet werden, dass die Strömungsleitflächen in Umfangsrichtung gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig verteilt sind und die Anzahl der Strömungsleitflä- chen insbesondere der Anzahl oder einem Vielfachen der Anzahl der Anodenabgasauslässe entspricht. Eine gleichmäßige Verteilung führt wiederum zu einer weitergehenden Homogenisierung der Mischfunktionalität. Auch die Korrelation der Anzahl der Strömungsleitflächen mit der Anzahl der Anodenabgasauslässe entspricht einer weiteren Homogenisierung, da pro Anodenabgasauslass ein zugehöriger Rotationsimpuls in das Kathodenabgas eingebracht werden kann. Selbstverständlich kann die Anzahl, insbesondere das Vielfache der Anzahl, auch bei einer stufenartigen Ausbildung der Anodenabgasauslässe und/oder der Strömungsleitflächen zum Einsatz kommen.

Auch von Vorteil ist es, dass bei einer Mischvorrichtung mit Strömungsleitflächen, diese in Richtung der Kathodenabgas-Leitungsachse eine winklige Anstellung aufweisen und wenigstens abschnittswiese überlappen. Eine direkte Durchströmung ohne Strömungsbeeinflussung durch die Strömungsleitflächen wird auf diese Weise ausgeschlossen oder im Wesentlichen ausgeschlossen. Mit anderen Worten findet eine hundertprozentige oder vollständige Beeinflussung des Kathodenabgases statt, sodass der Rotationsimpuls durch die winkelige Anstellung in erfindungsgemäßer Weise vollständig auf das durchströmende Kathodenabgas übertragen wird. Diese Überlappung kann entweder durch entsprechend lange oder durch entsprechend viele Strömungsleitflächen zur Verfügung gestellt werden.

Auch von Vorteil ist es, dass bei einer solchen erfindungsgemäßen Mischvorrichtung entlang der Kathodenabgas-Leitungsachse wenigstens zwei Stufen von Strömungsleitflächen angeordnet sind. Mit anderen Worten werden in Strömungsrichtung nachgeordnet zwei oder mehr unterschiedliche Stufen von in Umfangsrichtung verteilten Strömungsleitflächen in der Kathodenabgas-Leitung angeordnet. Die einzelnen Stufen sind insbesondere in sich identisch, jedoch unterschiedlich in ihrer geometrischen Ausprägung zueinander. So können die einzelnen Stufen unterschiedlich lange oder eine unterschiedliche Anzahl an Strömungsleitflächen aufweisen. Bevorzugt entspricht die Stufenanzahl an Strömungsleitflächen der Stufenanzahl einer mehrstufigen Ausbildung der Anodenabgasauslässe.

Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung die Anodenabgasauslässe auf wenigstens einem gemeinsamen Umfangsabschnitt der Anodenabgas-Leitung angeordnet sind. Dabei kann es sich um einen einzelnen Umfangsabschnitt oder um mehrere Umfangsabschnitte handeln, sodass zwei oder mehr Auslassringe durch die Anodenabgasauslässe gebildet werden. Vorzugsweise sind die Öffnungsquerschnitte für alle Anodenabgasauslässe eines solchen Auslassrings identisch. Für unterschiedliche Auslassringe können die Anodenabgasauslässe auch unterschiedliche Öffnungsquerschnitte aufweisen. Wie bereits erläutert worden ist, entsprechen die Anzahl der Umfangsabschnitte und damit die Anzahl der Auslassringe vorzugsweise der Anzahl der Stufen der vorher beschriebenen Strömungsleitflächen.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung die Mischabgas-Leitung frei von einem Diffusor ausgebildet ist. Ein Diffusor wird üblicherweise eingesetzt, um eine weitere Druckbeeinflussung und/oder Homogenisierung des darin enthaltenen Gases zur Verfügung zu stellen. Dadurch, dass in erfindungsgemäßer Weise die Vermischung nun mit starker Homogenisierungswirkung bereits auf kurzer Mischstrecke stattfindet, kann bei einer solchen Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf einen Diffusor verzichtet werden. Da solche Diffusoren üblicherweise relativ lang ausgebildet sind, führt das Ausbilden frei von einem Diffusor zu einer weiteren Kompaktierung der Bauweise dieser Mischvorrichtung.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung die Anodenabgasauslässe wenigstens teilweise eine Auslassrichtung spitzwinklig zur Anodenabgas-Leitungsachse und/oder zur Kathodenabgas-Leitungsachse aufweisen. Damit wird sozusagen ein spitzwinkliges Einbringen des Anodenabgases in das Kathodenabgas möglich, sodass immer noch der Querströmungseffekt für die homogenisierende Wirkung bei der Vermischung erzielt werden kann, jedoch der Druckverlust reduziert wird. Weiter werden lokale Rezirkulationsgebiete unterhalb, also lokal ström ungsabwärts der Anodenabgasauslässe minimiert und wie oben beschriebene Flammenhalter effektiv unterbunden. Eine verbesserte Vermischung mit erhöhter Homogenität wird damit mit höherer Effizienz beim Betreiben der Mischvorrich- tung erreichbar.

Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung innerhalb der Anodenabgas-Leitung Auslassleitflächen angeordnet sind, für ein Beeinflussen der Strömung des Anodenabgases im und/oder durch die Anodenabgasauslässe. Auch hier wird es möglich, die Strömungsverhältnisse für die Vermischung zwischen Anodenabgas und Kathodenabgas weiter zu beeinflussen. So kann beispiels- weise unabhängig von der reinen Auslassrichtung der Anodenabgasauslässe eine zusätzliche Beeinflussung der Strömung durch die Anodenabgasauslässe hindurch erzielt werden. Dies kann von einer Variation der Richtung, einem Aufbringen eines Rotationsimpulses auf das Anodenabgas bis hin zu einer Beschleunigungsfunktion für den Durchtritt des Anodenabgases durch die Auslässe reichen. Auch hier wird es möglich, die Homogenisierungswirkung weiter zu verstärken und insbesondere die Länge der Mischstrecke weiter zu reduzieren.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung die Anodenabgas-Leitung und die Kathodenabgas-Leitung zumindest im Bereich der Anodenabgasauslässe koaxial oder im Wesentlichen koaxial ausgerichtet sind. Das bedeutet eine besonders kompakte Anordnung, da die Anodenabgas- Leitung im Wesentlichen vollständig in die Kathodenabgas-Leitung integriert werden kann. Insbesondere ist dies kombiniert mit im Wesentlichen runden Strömungsquerschnitten für die einzelnen Leitungen.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Strom aus Brennstoff. Ein solches Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und mit einem Anodenabgasabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführab- schnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und mit einem Kathodenabgasab- schnitt zum Abführen von Kathodenabgas ausgestattet. Weiter weist ein solches Brennstoffzellensystem einen Abgasabführabschnitt zum Abführen von Mischabgas aus Anodenabgas und Kathodenabgas an die Umgebung über einen Nachbrenner auf. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass im Abgasabführabschnitt stromaufwärts des Nachbrenners eine Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung erläutert worden sind. Ein solches Brennstoffzellensystem ist insbesondere als Hochtemperaturbrennstoffzellensystem ausgebildet, beispielsweise als sogenanntes SOFC-Brennstoffzellensystem. Bei dem Nachbrenner handelt es sich insbesondere um einen Katalysatorbrenner, welcher eine Nachbrennerfunktion für das Brennstoffzellensystem mit sich bringt. Dieses führt zu einem wenigstens teilweisen Verbrennen des Mischabgases in der Nachbehandlung für dieses Mischabgas.

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

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,

Fig. 6 eine Teildarstellung der Ausführungsform der Figur 5,

Fig. 7 eine Alternative zur Ausführungsform der Figur 6,

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.

Figur 1 zeigt schematisch wie ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet sein kann. Aus Effizienzgründen sind dabei nicht alle Elemente eines Brennstoffzellensystems 100 dargestellt, wie beispielsweise manche Wärmetauscher, Fördereinrichtung und/oder Reformer und weitere Elemente.

Für das Umsetzen von Brennstoff im Anodenzuführgas AZG wird ein Brennstoffzellenstapel 110 über den Anodenzuführabschnitt 122 mit dem Anodenzuführgas AZG versorgt. Dieses strömt in den Anodenabschnitt 120 des Brennstoffzellenstapels 110 ein, wird dort umgesetzt, und das entstehende Anodenabgas AAG über den Anodenabgasabschnitt 124 vom Anodenabschnitt 120 abgeführt. Parallel dazu erfolgt das Zuführen von Kathodenzuführgas KZG, beispielsweise Luft, über einen Katho- denzuführabschnitt 132 zum Kathodenabschnitt 130. Das ebenfalls bei der Umsetzung des Kathodenzuführgases KZG mit dem Anodenzuführgas AZG entstehende Kathodenabgas KAG wird vom Kathodenabschnitt 130 über den Kathodenabgasab- schnitt 134 abgeführt.

Der Figur 1 ist nun zu entnehmen, dass diesem Brennstoffzellensystem 100 eine Rezirkulationsfunktion mithilfe eines Rezirkulationsabschnitts 180 zur Verfügung gestellt ist. Im Rezirkulationsabschnitt 180 wird Anodenabgas AAG wieder in Richtung des Anodenzuführabschnittes 122 gefördert, wofür eine in Fig. 1 nicht dargestellte Fördereinrichtung wie ein Gebläse oder ein Ejektor vorgesehen ist. Dabei kann eine Wärmerückgewinnung aus dem rezirkulierten Anodenabgas AAG über Wärmetauscher 170 im Anodenzuführabschnitt 122 und im Kathodenzuführabschnitt 132 erfolgen.

Weiter ist eine Abgasabführabschnitt 140 vorgesehen für eine Abführen von Mischabgas MAG an die Umgebung. Dies erfolgt über einen Nachbrenner 150. Bei der Ausführungsform der Figur 1 ist nun in diesen Abgasabführabschnitt 140 eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung 10 integriert. Diese sammelt Anodenabgas AAG über einen Anodenabgasanschluss 22 und Kathodenabgas KAG über einen Katho- denabgasanschluss 32. Nach der Vermischung wird Mischabgas MAG über einen Mischabgasanschluss 42 einem Brennereinlass 152 des Nachbrenners 150 zur Verfügung gestellt. Bei dieser Darstellung ist zusätzlich noch zu erkennen, dass Brennstoff in Form des Anodenzuführgases AZG ebenfalls der Mischvorrichtung 10 zugeführt werden kann. Details hinsichtlich zur möglichen Ausgestaltung einer Mischvorrichtung 10 finden sich in den nachfolgenden Figuren.

Figur 2 zeigt eine besonders einfache Lösung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 10. Hier ist koaxial in eine Kathodenabgas-Leitung 30 eine Anodenabgas- Leitung 20 integriert. Diese sind koaxial zueinander ausgerichtet, sodass die Katho- denabgas-Leitungsachse KAL mit der Anodenabgas-Leitungsachse AAL zusammenfällt. Dies führt dazu, dass nun Anodenabas AAG innerhalb der Anodenabgas- Leitung 20 geführt werden kann und am Anodenabgas-Leitungsende 24 ausschließlich nach links und rechts in radialer Richtung durch die Anodenabgasauslässe 21 austreten kann. Die Auslassrichtung AR an diesen Anodenabgasauslässen 21 ist im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Kathodenabgases KAG in der Katho- denabgas-Leitung 30. Dies führt zu der bereits mehrfach erläuterten homogenisierenden Vermischung zwischen Anodenabgas AAG und Kathodenabgas KAG zum Mischabgas MAG, welches nun gemeinsam in der Mischabgas-Leitung 40, in welche die Kathodenabgas-Leitung 30 übergeht, abgeführt wird.

Bei der Figur 3 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 2 dargestellt. Hier ist nun eine Möglichkeit gegeben, wie sie auch in der Figur 1 bereits erläutert worden ist, nämlich das Zuführen von zusätzlichem, dampfförmigem oder gasförmigem Brennstoff. Über eine Brennstoffleitung 50, welche hier ringförmig um die Anodenabgas-Leitung 20 angeordnet ist, kann Brennstoff zugeführt werden. Dieser tritt ebenfalls in radialer Richtung durch Brennstoffauslässe 51 aus, deren Auslassrichtungen AR damit die gleiche Funktionalität quer zur Strömungsrichtung des Katho- denabgases KAG aufweisen und somit ebenfalls zu einer homogenen Vermischung des Brennstoffes mit dem Kathodenabgas KAG führen. Dies führt zu einer Aufheizfunktionalität während des Heat-up-Prozesses für das Brennstoffzellensystem 100.

Die Figur 4 zeigt eine Möglichkeit, Rezirkulationsbereiche und Toträume zu minimieren. Diese basiert grundsätzlich auf der Ausführungsform der Figur 2. Hier ist eine im Wesentlichen tropfenförmige Ausgestaltung eines Totraumverdrängungsvolumens 23 als Anodenabgas-Leitungsende 24 zu erkennen. Dieses Totraumverdrängungsvolumen 23 ist hier mit einem hohlen Innenraum, insbesondere mit einer nicht näher dargestellten kleinen Öffnung, versehen, um mechanische Spannungen in der Wandung des Totraumverdrängungsvolumens zu vermeiden und gleichzeitig eine möglichst leichte Bauweise zu gewährleisten. Dieses Totraumverdrängungsvolumen 23 ist nun in dem Bereich angeordnet, welcher das höchste Risiko eines Totraums oder einer Rezirkulation von Mischabgas MAG mit sich bringt. Durch das Verdrängen des Totraums führt dies dazu, dass im Wesentlichen keine Rezirkulation stattfindet, sondern nach der homogenen Vermischung zwischen Kathodenabgas KAG und Anodenabgas AAG, dieses gemeinsam als Mischabgas MAG kontinuierlich über die Mischabgas-Leitung 40 abtransportiert wird.

Auch die Figur 5 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 2. Hier sind zwei Umfangsringe an Anodenabgasauslässen 21 dargestellt, wobei zusätzlich der untere Ring an Anodenabgasauslässen 21 mit einer Stufe von Strömungsleitflächen 60 ausgestattet ist. Diese sind in der Queransicht noch in Figur 6 näher dargestellt und sind hier im Wesentlichen ebene oder plattenförmige Strömungsleitflächen 60. Diese überlappen entlang der Strömungsrichtung beziehungsweise entlang der Ka- thodenabgas-Leitungsachse KAL, sodass eine im Wesentlichen vollständige Beeinflussung und Übertragung eines Rotationsimpulses auf das Kathodenabgas KAG möglich wird. Der untere Ring an Anodenabgasauslässen 21 ist hier in die Zwischenräume der Strömungsleitflächen 60 integriert, um die Funktionalität für die Homogenisierung der unterschiedlichen Abgase noch weiter zu verstärken. Die Figur 7 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 6. Hier ist eine nachgeordnete zweite Stufe zur Rotationsbeeinflussung in die gleiche Richtung mit entsprechend kleineren Strömungsleitflächen 60 dargestellt. Selbstverständlich können auch hier zusätzliche Anodenabgasauslässe 21 (nicht dargestellt) in Form eines zusätzlichen Auslassrings vorgesehen werden.

Auch die Figur 8 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 2. Hier sind zusätzlich Auslassleitflächen 26 in die Anodenabgas-Leitung 20 integriert. In deren Innenraum wird nun die Strömung des Anodenabgases AAG beeinflusst, vor oder für den Durchtritt durch die Anodenauslassöffnungen 21 . Auch ist hier gut zu erkennen, dass eine spitzwinklige Anstellung der Auslassrichtungen AR zu der Kathodenabgas- Leitungsachse KAL und zur Anodenabgas-Leitungsachse AAL gegeben ist. Auch auf diese Weise wird es möglich, eine noch stärkere Homogenisierung und Verkürzung der Mischstrecke zu erzielen.

Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformenbeschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Mischvorrichtung

20 Anodenabgas-Leitung

21 Anodenabgasauslass

22 Anodenabgasanschluss

23 Totraumverdrängungsvolumen

24 Anodenabgas-Leitungsende

26 Auslassleitfläche

30 Kathodenabgas-Leitung

32 einem Kathodenabgasanschluss

40 Mischabgas-Leitung

42 Mischabgasanschluss

50 Brennstoffleitung

51 Brennstoffauslass

52 Brennstoffanschluss

60 Strömungsleitfläche

100 Brennstoffzellensystem

110 Brennstoffzellenstapel

120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt

124 Anodenabgasabschnitt

130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt

134 Kathodenabgasabschnitt

140 Abgasabführabschnitt

150 Nachbrenner

152 Brennereinlass

160 Brennstoffabschnitt

170 Wärmetauscher

180 Rezirkulationsabschnitt

AR Auslassrichtung

AAL Anodenabgas-Leitungsachse

KAL Kathodenabgas-Leitungsachse AZG Anodenzuführgas

AAG Anodenabgas

KZG Kathodenzuführgas

KAG Kathodenabgas

MAG Mischabgas