Titel

Brennstoffzellenvorrichtung, sowie Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend eine Vielzahl an Brennstoffzelleneinheiten, die in Teilbereichen angeordnet sind, sowie ein Brennstoffzellensystem einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen.

Stand der Technik

Es sind Brennstoffzellenvorrichtungen bekannt, die eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten, beispielsweise Brennstoffzellenstacks, umfassen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Vielzahl an Brennstoffzelleneinheiten in Teilbereichen angeordnet ist, wobei in zumindest einem Teilbereich zumindest eine Heizeinheit angeordnet ist. Dadurch wird eine Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Hauptanspruch möglich. So ist es von Vorteil, wenn die Teilbereiche durch zumindest eine thermische Isolierung voneinander getrennt sind. Dadurch wird eine noch bessere Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht. Von Vorteil ist es auch, wenn die zumindest eine Heizeinheit in gleichem Abstand zu zumindest allen in diesem zumindest einen Teilbereich befindlichen Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist. Dadurch kann die Anpassung der Temperaturverteilung mit einer Heizeinheit gleichmäßig für eine Vielzahl an Brennstoffzelleneinheiten in einem Teilbereich erfolgen.

Auch ist es von Vorteil, wenn in zumindest einem Teilbereich die zumindest eine Heizeinheit an einem Rand dieses zumindest einen Teilbereichs angeordnet ist. Dadurch kann die Anpassung der Temperaturverteilung mit einer Heizeinheit auch für benachbarte Teilbereiche, insbesondere benachbarter Brennstoffzellenvorrichtungen innerhalb eines Brennstoffzellensystems, erfolgen.

Vorteilhaft ist es auch, wenn in zumindest einem Teilbereich keine Heizeinheit angeordnet ist, wodurch in diesen Teilbereichen gezielt auf eine Anpassung der Temperaturverteilung verzichtet werden kann und entsprechend Kosten gespart werden können.

Es ich auch vorteilhaft, wenn in zumindest zwei Teilbereichen, vorzugsweise mit unterschiedlicher Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, eine unterschiedliche Anzahl an Heizeinheiten angeordnet ist. Dadurch kann eine höhere Flexibilität bzgl. der Anpassung der Temperaturverteilung in der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden. Auch kann eine höhere Flexibilität der Anpassung der Temperaturverteilung bei der Anordnung einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen in einem Brennstoffzellensystem erreicht werden. Insbesondere kann dadurch auch die Teilevielfalt reduziert werden.

Auch ist es vorteilhaft, wenn in zumindest einem ersten Teilbereich mit zumindest einer ersten, vorzugsweise geringsten, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere einer einzigen Brennstoffzelleneinheit, keine Heizeinheit, in zumindest einem zweiten Teilbereich mit einer zweiten, vorzugsweise mittleren, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere zwei Brennstoffzelleneinheiten, keine oder zumindest eine Heizeinheit und/oder in zumindest einem dritten Teilbereich mit einer dritten, vorzugsweise höchsten, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere vier Brennstoffzelleneinheiten, zumindest eine Heizeinheit angeordnet ist. Dadurch wird eine besonders gute Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht. Dadurch kann die Flexibilität der Anpassung der Temperaturverteilung bei der Anordnung einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen in einem Brennstoffzellensystem besonders erhöht werden. Insbesondere kann dadurch auch die Teilevielfalt besonders reduziert werden. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung ein Außengehäuse aufweist, welches die Teilbereiche beinhaltet, wodurch eine einfache, modularisierte Handhabung, insbesondere auch für die Anordnung einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen in einem Brennstoffzellensystem, ermöglicht wird.

Wie bereits erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen nach der vorhergehenden Beschreibung. Dadurch wird eine Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems ermöglicht.

Des Weiteren sind voreilhafte Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems möglich. So ist es vorteilhaft, wenn die Brennstoffzellenvorrichtungen unmittelbar aneinander angeordnet sind. Dadurch wird eine besonders gute Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems ermöglicht.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Brennstoffzellenvorrichtungen derart aneinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teilbereich einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer Heizeinheit benachbart zu zumindest einem Teilbereich einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtungen, vorzugsweise gleicher Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, mit keiner Heizeinheit angeordnet ist. Dadurch wird ebenfalls eine besonders gute Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems ermöglicht.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Brennstoffzellenvorrichtungen derart aneinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teilbereich einer Brennstoffzellenvorrichtung mit keiner Heizeinheit benachbart zu zumindest einem Teilbereich einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtungen, vorzugsweise gleicher Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, mit keiner Heizeinheit angeordnet ist. Dadurch wird ebenfalls eine besonders gute Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems ermöglicht.

Zeichnungen

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems mit einer Vielzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen aus Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems mit einer Vielzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen aus Fig. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Vielzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, im vorliegenden Fall Brennstoffzellenstacks 14, welche wiederum eine Vielzahl von Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC) aufweisen.

Der Brennstoffzellenvorrichtung 10 wird ein Reduktionsmittel, im vorliegenden Fall Brennstoff, konkret Erdgas, und ein Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall Luft, zugeführt und über die Brennstoffzelleneinheiten 12 verteilt. Das Reduktionsmitte, bzw. der Brennstoff, wird jeweils einem Anodenraum einer Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführt, während das Oxidationsmittel, bzw. die Luft, jeweils einem Kathodenraum einer Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführt wird. In einer jeden Brennstoffzelleneinheit 12 wird dann das Reduktionsmittel, bzw. der Brennstoff, unter Mitwirkung des Oxidationsmittels, bzw. der Luft, elektrochemisch umgesetzt, wobei Strom und Wärme erzeugt werden.

Die Vielzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 sind nun in Teilbereichen 16, im gezeigten Fall über vier Teilbereiche 16, angeordnet, wobei die Teilbereiche 16 durch zumindest eine thermische Isolierung 18, im gezeigten Fall durch zwei thermische Isolierungen 18, voneinander getrennt sind. Dadurch wird eine verbesserte Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 10 ermöglicht. So wird vermieden, dass sich die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 12 gegenseitig thermisch zu sehr beeinflussen, wodurch sich wiederum eine homogenere Temperaturverteilung über die Brennstoffzellenvorrichtung 10 als Ganzes ergibt. Es wird auch vermieden, dass sich einzelne Brennstoffzelleneinheiten 12 unterschiedlichen Alterungs- und Degradationsgrades gegenseitig thermisch negativ beeinflussen.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist in zumindest einem Teilbereich 16, im gezeigten Fall in jedem Teilbereich 16, wiederum eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten 12, im gezeigten Fall jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten 12, angeordnet. So ist es nicht zwingend notwendig jede Brennstoffzelleneinheit 12 für sich thermisch zu isolieren, wodurch wiederum Mate rial kosten gespart werden.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die thermischen Isolierungen 18 aus einem thermoplastischen Schaum ausgebildet. Dadurch wird eine kostengünstige Realisierung ermöglicht.

Die thermischen Isolierungen 18 füllen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Raum zwischen den Teilbereichen 16 vollständig aus. Dadurch können Hohlräume vermieden werden, in denen sich bei Leckagen austretende explosive Gase sammeln könnten. Entsprechend kann die Sicherheit erhöht werden.

Die Teilbereiche 16 weisen in dem in Fig. 1 gezeigten Fall jeweils die gleiche Anzahl an Brennstoffzelleneinheit 12, vorliegend jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten 12, auf.

In Fig. 3 wiederum ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen zumindest zwei Teilbereiche 16 des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels eine unterschiedliche Anzahl an Brennstoffzelleneinheit 12 auf. Dadurch kann eine höhere Flexibilität bzgl. der Temperaturverteilung in der Brennstoffzellenvorrichtung 10 erreicht werden. Auch kann eine höhere Flexibilität bei der Anordnung einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen 10 in einem Brennstoffzellensystem 100 erreicht werden. Insbesondere kann dadurch auch die Teilevielfalt reduziert werden.

In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenvorrichtung 10 sind in zumindest einem ersten Teilbereich 20 zumindest eine erste, im vorliegenden Fall geringste, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, im gezeigten Fall eine einzige Brennstoffzelleneinheit 12, in zumindest einem zweiten Teilbereich 22 eine zweite, im vorliegenden Fall mittlere, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, im gezeigten Fall zwei Brennstoffzelleneinheiten 12, und in zumindest einem dritten Teilbereich 24 eine dritte, im vorliegenden Fall höchste, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, insbesondere vier Brennstoffzelleneinheiten 12, angeordnet. Dadurch kann die Flexibilität bei der Anordnung einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen 10 in einem Brennstoffzellensystem 100 besonders erhöht werden. Insbesondere kann dadurch auch die Teilevielfalt besonders reduziert werden.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weisen jeweils ein Außengehäuse auf, welches die Teilbereiche 16 beinhaltet. Dadurch kann eine einfache, modularisierte Handhabung, insbesondere auch für die Anordnung einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen 10 in einem Brennstoffzellensystem 100, ermöglicht werden.

In Fig. 2 und Fig. 4 sind schematische Darstellung von Ausführungsbeispielen von Brennstoffzellensystemen 100 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen 10 gezeigt. So weist das Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 100 aus Fig. 2 eine Vielzahl an Brennstoffzellenvorrichtung 10 aus Fig. 1 auf, während das Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 100 eine Vielzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen 10 aus Fig. 3 aufweist. Dadurch wird eine verbesserte Temperaturverteilung innerhalb der jeweiligen Brennstoffzellensysteme 100 ermöglicht.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen der Brennstoffzellensysteme 100 sind die Brennstoffzellenvorrichtungen 10 unmittelbar aneinander angeordnet. Dadurch wird eine besonders gute Temperaturverteilung innerhalb der jeweiligen Brennstoffzellensysteme 100 ermöglicht.

Die Brennstoffzellenvorrichtungen 10 sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Brennstoffzellensysteme 100 baugleich. Sie werden derart angeordnet, dass eine jeweilige Brennstoffzellenvorrichtung 10 zur benachbarten Brennstoffzellenvorrichtung 10 in der Ebene um 90° gedreht angeordnet wird. So wird durch die vorhergehend beschriebene Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtungen 10 eine einfache Anordnung in einem Brennstoffzellensystem 100 ermöglicht, die nicht zwingend individuelle Anpassungen einer jeden Brennstoffzellenvorrichtung 10 erfordert. Entsprechend wird sowohl die Herstellung als auch die Montage eines Brennstoffzellensystems 100 vereinfacht. In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Brennstoffzellenvorrichtungen 10 derart aneinander angeordnet, dass zumindest ein Teilbereich 16 einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 benachbart zu zumindest einem Teilbereich 16 einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtungen 10, in den gezeigten Fällen gleicher Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, angeordnet ist. Dadurch wird ebenfalls eine besonders gute Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems ermöglicht.

Des Weiteren sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Brennstoffzellenvorrichtungen 10 derart aneinander angeordnet, dass zumindest eine thermische Isolierung 18 einer Brennstoffzellenvorrichtung benachbart, in den gezeigten Fällen in Flucht, zu zumindest einer thermischen Isolierung 18 einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtung 10 angeordnet ist. Dadurch wird ebenfalls eine besonders gute Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems ermöglicht.

Darüber hinaus ist nun in den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiele der Brennstoffzellenvorrichtungen 10 in zumindest einem Teilbereich 16 zumindest eine Heizeinheit 30 angeordnet. Dadurch wird eine Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb der jeweiligen Brennstoffzellenvorrichtungen 10 ermöglicht.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist in zumindest einem Teilbereich 16 zumindest eine Heizeinheit 30 in gleichem Abstand zu allen in diesem Teilbereich 16 befindlichen Brennstoffzelleneinheiten 12 angeordnet. Dadurch kann die Anpassung der Temperaturverteilung mit dieser Heizeinheit 30 gleichmäßig für eine Vielzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 in diesem Teilbereich 16 erfolgen.

Des Weiteren ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen in zumindest einem Teilbereich 16 zumindest eine Heizeinheit 30 an einem Rand 32 dieses Teilbereichs 16 angeordnet. Dadurch kann die Anpassung der Temperaturverteilung mit einer Heizeinheit 30 auch für benachbarte Teilbereiche 16, insbesondere benachbarter Brennstoffzellenvorrichtungen 10 innerhalb eines Brennstoffzellensystems 100, erfolgen.

Darüber hinaus ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen in zumindest einem Teilbereich 16 keine Heizeinheit 30 angeordnet, wodurch in diesen Teilbereichen 16 gezielt auf eine Anpassung der Temperaturverteilung verzichtet werden kann und entsprechend Kosten gespart werden können. In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 ist in zumindest zwei Teilbereichen 16, in dem gezeigten Fall mit unterschiedlicher Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, eine unterschiedliche Anzahl an Heizeinheiten 30 angeordnet. Dadurch kann eine höhere Flexibilität bzgl. der Anpassung der Temperaturverteilung in der Brennstoffzellenvorrichtung 10 erreicht werden. Auch kann eine höhere Flexibilität der Anpassung der Temperaturverteilung bei der Anordnung einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen 10 in einem Brennstoffzellensystem 100 erreicht werden. Insbesondere kann dadurch auch die Teilevielfalt reduziert werden.

In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 sind in zumindest einem ersten Teilbereich 20 mit zumindest einer ersten, im vorliegenden Fall geringsten, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, insbesondere einer einzigen Brennstoffzelleneinheit 12, keine Heizeinheit 30, in zumindest einem zweiten Teilbereich 22 mit einer zweiten, im vorliegenden Fall mittleren, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, insbesondere zwei Brennstoffzelleneinheiten 12, keine oder zumindest eine Heizeinheit 30 und in zumindest einem dritten Teilbereich 24 mit einer dritten, vorzugsweise höchsten, Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, insbesondere vier Brennstoffzelleneinheiten 12, zumindest eine Heizeinheit 30 angeordnet. Dadurch wird eine besonders gute Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht. Dadurch kann die Flexibilität der Anpassung der Temperaturverteilung bei der Anordnung einer Vielzahl solcher Brennstoffzellenvorrichtungen 10 in einem Brennstoffzellensystem 100 besonders erhöht werden. Insbesondere kann dadurch auch die Teilevielfalt besonders reduziert werden.

In den in Fig. 2 und Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispielen der Brennstoffzellensysteme 100 sind die Brennstoffzellenvorrichtungen 10 derart aneinander angeordnet, dass zumindest ein Teilbereich 16 einer Brennstoffzellenvorrichtung 12 mit zumindest einer Heizeinheit 30, in den gezeigten Fällen der Teilbereich 16 bei dem die Heizeinheit 30 in einem Rand 32 des Teilbereichs 16 angeordnet ist, benachbart zu zumindest einem Teilbereich 16 einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtungen 10, in den gezeigten Fällen gleicher Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, mit keiner Heizeinheit 30 angeordnet ist. Dadurch wird ebenfalls eine besonders gute Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb der jeweiligen Brennstoffzellensysteme 100 ermöglicht.

Des Weiteren sind in dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 100 die Brennstoffzellenvorrichtungen 10 derart aneinander angeordnet, dass zumindest ein Teilbereich 16 einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit keiner Heizeinheit 30 benachbart zu zumindest einem Teilbereich 16 einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtungen 10, in den gezeigten Fällen gleicher Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12, mit ebenfalls keiner Heizeinheit 30 angeordnet ist. Dadurch wird ebenfalls eine besonders gute Anpassung der Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 ermöglicht. Insbesondere befinden sich diese Teilbereiche 16 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Mitte, d.h. werden von allen anderen Teilbereichen 16 umgeben.