| JP2002124283 | FUEL CELL POWER GENERATION SYSTEM |
| JP61071561 | COMPOSITE PLANT OF FUEL CELL |
| JP2008186661 | FUEL CELL DEVICE |
Wetzel, Franz-josef (Eibenweg 1a Gernlinden, 82216, DE)
Tachtler, Joachim (Amalienstr. 17 Ismaning, 85737, DE)
Edlinger, Bernhard (Konrad-Adenauer-Allee 45 Augsburg, 86150, DE)
Wetzel, Franz-josef (Eibenweg 1a Gernlinden, 82216, DE)
Tachtler, Joachim (Amalienstr. 17 Ismaning, 85737, DE)
| 1. | System umfassend eine Brennstoffzelle (110) und einen Wärmetauscher (114), wobei der Wärmetauscher (114) derart mit der Brennstoffzelle (110) strömungsmäßig gekoppelt ist, dass ein gasförmiger Reaktand für die Brennstoffzelle (110) im strömungsmä ßig diesbezüglich vorgeschalteten Wärmetauscher (114) vorgewärmt wird und zumindest ein Teil des Abgases aus der Brennstoffzelle (110) durch den diesbezüglich nachgeschalteten Wärmetauscher (114) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (110) unmittelbar an der Brennstoffzelle (114) an geordnet und mit dieser integriert ist, so dass ein unmittelbarer Strömungs übergang vom Wärmetauscher (114) zur Brennstoffzelle (110) besteht. |
| 2. | System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (110) über ihre gesamte Stackbreite aus dem Wär metauscher (114) mit dem vorgewärmten gasförmigen Reaktanden im we sentlichen gleichmäßig versorgt wird. |
| 3. | System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorzuerwärmende gasförmige Reaktand Luft oder Sauerstoff ist. |
| 4. | System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher (114) ein Brenner integriert ist, der als Nachbrenner für den in der Brennstoffzelle nicht verbrauchten Reaktanden dient. |
| 5. | System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist. |
Insbesondere bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen müssen die in die Brennstoffzel- le einzubringenden Reaktanden-beispielsweise die Reaktionsluft-vorerwärmt werden um sie auf ihre Reaktionstemperatur zu bringen. Diese Vorwärmung erfolgt herkömmlicherweise in einem separaten Wärmetauscher, in dem je nach Ausfüh- rungsbeispiel auch ein Brenner integriert sein kann. Ein solch separates Bauteil so- wie die Strömungsverbindungen zwischen dem Wärmetauscher und der Brennstoff- zelle kann eine der Brennstoffzelle vergleichbare Komplexität erreichen, verbraucht Bauraum und verursacht zusätzliches Gewicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein eingangs genanntes System aus Brennstoffzelle und Wärmetauscher derart zu verbessern, dass das Gesamtsystem vereinfacht werden kann, wodurch auch eine Kostensenkung möglich ist. Insbeson- dere soll eine Reduzierung des Bauraums und des Gewichts sowie eine Funktions- verbesserung herbeigeführt werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Demgemäß ist ein erfindungswesentlicher Gedanke, den Wärmetauscher und die Brennstoffzelle miteinander zu kombinieren, und zwar so, dass der Wärmetauscher unmittelbar an der Brennstoffzelle angeordnet und mit dieser integriert ist. Damit kann ein unmittelbarer Strömungsübergang vom Wärmetauscher zur Brennstoffzelle erreicht werden. Die Luftversorgung über die gesamte Stackoberfläche kann direkt gewährleistet sein. Diese Kopplung spart nicht nur Bauraum sondern auch Gewicht, da auf zusätzliche Gehäuse, Leitungssysteme und andere konstruktive Einrichtun- gen, wie z. B. ein sog. Manifold verzichtet werden kann. Gemäß einer vorzugswei- sen Ausführungsform kann der Wärmetauscher als einfacher Plattenwärmetauscher ausgeführt sein. Je nach Gestaltung des Wärmetauschers kann eine strömungsmä- ßige Verbesserung der Luftversorgung gegenüber einer Lösung mit Manifold er- reicht werden. Zur Erhöhung der Luftvorwärmung ist es überdies möglich, den Wärmetauscher zusätzlich mit einem Brenner auszustatten, so dass das aus der Brennstoffzelle herausgeführte Restgas nachverbrannt wird. Durch die erfolgreiche Verbrennung im Wärmetauscher/Brenner wird diese Restenergie dann ebenfalls- zumindest zum Teil-dem zu erwärmenden Reaktanden zugeführt. Vorzugsweise wird dabei Luft oder Sauerstoff erwärmt.
Eine einfache Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend, auch anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems aus Brennstoffzelle und Wärmetauscher und Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines herkömmlichen Systems aus Brenn- stoffzelle und Wärmetauscher.
Ein Aufbau, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Dabei wird eine Brennstoffzelle 10, die einen Stack mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Einzelzellen 12 aufweist, mit gasförmigen Reaktanden versorgt, und zwar vorliegend mit einem Brenngas, angedeutet durch den Pfeil 24, und Luft, angedeutet durch den Pfeil 22.
Die Luft muss, insbesondere bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (z. B. SOFC- Brennstoffzelle), auf ihre Reaktionstemperatur gebracht, also vorerwärmt, werden.
Dazu ist ein Wärmetauscher 14 vorgeschaltet, dem über ein Gebläse 18 (nur sche- matisch dargestellt) in einem Ansaugkanal 16 Luft (vgl. Pfeil 20) zur Verfügung ge- stellt wird und beim Durchfließen des Wärmetauschers 14 auf ihre Betriebstempera- tur erwärmt wird.
Der Wärmetauscher 14 erhält die zur Erwärmung der Luft notwendige Wärme aus den Abgasen der Brennstoffzelle 10, welche mit Pfeil 24 gekennzeichnet, stromab- wärts der Einzelzellen 12 ebenfalls durch den Wärmetauscher 14 geleitet und an- schließend an die Umgebungsluft (Bezugszeichen 28) abgegeben werden. Zudem wird dem Wärmetauscher auch das restliche Brenngas (Bezugszeichen 26) zuge- führt. Der Wärmetauscher 14 ist vorliegend gleichzeitig als Brenner ausgebildet, so dass die nicht verbrauchten Reaktanden (Luft, Brenngas) im Wärmetau- scher/Brenner 14 nachverbrannt werden können. Diese zusätzliche Energie dient ebenfalls zur Erwärmung der vorzuwärmenden Luft.
Durch die herkömmliche Konstruktion mit separatem Wärmetauscher und separater Brennstoffzelle sowie zusätzlichen Leitungen, vorliegend symbolisiert durch die Pfei- le 22,24 und 26, wird das System relativ komplex, schwer und teuer. Überdies sind sowohl am Brennstoffzelleneingang als auch am Brennstoffzellenausgang Luftverteilungssysteme (sog. Manifolds) notwendig.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Brennstoffzelle und den Wärmetau- scher zu integrieren. Dies ist in Fig. 1 dargestellt. Die Brennstoffzelle 110 besitzt wiederum eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Einzelzellen 112, die einerseits von dem Brenngas (Bezugszeichen 124) und andererseits von Luft (Be- zugszeichen 120) durchströmt werden, wobei durch eine Reaktion dieser beiden Reaktanden ein Stromfluss in der Brennstoffzelle 110 in bekannter Weise generiert wird. In erfindungsgemäßer Weise ist ein Wärmetauscher 114 nun unmittelbar vor dem Stack mit den Einzelzellen 112 derart angeordnet, dass die über einen An- saugkanal 116 mittels eines Gebläses 118 angesaugte Luft 120 gleichmäßig durch den Wärmetauscher 114 geführt und über den Stack verteilt in die Brennstoffzelle 110 eingebracht wird. Damit bedarf es weder einer zusätzlichen Leitung zwischen
dem Wärmetauscher 114 und der Brennstoffzelle 110 noch eines der Brennstoffzel- le 110 vorgeschalteten Manifolds.
Die aus der Brennstoffzelle 110 über einen Trichter 113 abgeführte Restluft 124 wird möglichst ohne Umwege zum Wärmetauscher 114 zurückgeleitet. Zudem werden die noch nicht verbrannten Brenngase 126 ebenfalls an den Wärmetauscher zu- rückgeleitet. Der Wärmetauscher 114 besitzt-wie auch im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2-einen integrierten Brenner, mit dem die noch nicht verbrauchten Reaktanden aus Luft und Brenngas nachverbrannt werden. Die Abgase aus dem Wärmetauscher/Brenner 114 werden an die Umgebung (Pfeil 128) abgegeben.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Bauraum und das Gewicht ge- genüber der herkömmlichen Konfiguration zu reduzieren. Überdies ist eine Verbes- serung der Luftversorgung der Stacks von Einzeizellen gegenüber einer Lösung mit einem Manifold möglich. Überdies lässt sich diese Funktion durch eine höhere Leis- tungsdichte des Gesamtsystems verbessern.