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DE60305596T2 - Festoxid-Brennstoffzellensystem und elektronische Steuerungseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse - Google Patents

Festoxid-Brennstoffzellensystem und elektronische Steuerungseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse Download PDF

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DE60305596T2
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fuel
air
cell system
enclosure
Prior art date
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DE60305596T
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English (en)
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DE60305596D1 (de
DE60305596T3 (de
Inventor
John Fairport Noetzel
Karl J. Jr. Fairport Haltiner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delphi Technologies Inc
Original Assignee
Delphi Technologies Inc
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Publication date
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Publication of DE60305596D1 publication Critical patent/DE60305596D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE60305596T2 publication Critical patent/DE60305596T2/de
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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen, die eine Festoxid-Elektrolytschicht besitzen, die eine Anodenschicht von einer Katodenschicht trennt; insbesondere auf ein solches Brennstoffzellensystem, bei dem Kernkomponenten, die bei sehr hohen Temperaturen in einer heißen Zone arbeiten, in einer thermischen Umfassung enthalten sind, die in einer getrennten und größeren strukturellen Umfassung enthalten ist; und ganz speziell auf ein solches Brennstoffzellensystem, bei dem ein elektronisches Steuersystem zum Steuern des Brennstoffzellensystems in der strukturellen Umfassung angeordnet ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellen, die durch die elektrochemische Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom erzeugen, sind wohl bekannt. In einer Form einer solchen Brennstoffzelle sind eine Anodenschicht und eine Katodenschicht durch einen aus einem Keramikfestoxid gebildeten Elektrolyten getrennt. Eine solche Brennstoffzelle ist im Gebiet als eine "Festoxidbrennstoffzelle" (SOFC) bekannt. Entlang der Außenoberfläche der Anode wird entweder reiner oder aus Kohlenwasserstoffen reformierter Wasserstoff fließen gelassen, der in die Anode diffundiert. Entlang der Außenoberfläche der Katode wird Sauerstoff, typisch aus der Luft, fließen gelassen, der in die Katode diffundiert. Jedes O2-Molekül wird aufgespalten und durch die Katode katalytisch in zwei O-2-Anionen reduziert. Die Sauerstoffanionen werden durch den Elektrolyten transportiert und verbinden sich an der Anode/Elektrolyt-Grenzfläche mit vier Wasserstoffionen, um zwei Wassermoleküle zu bilden. Die Anode und die Katode sind extern über eine Last verbunden, um den Stromkreis zu schließen, wodurch vier Elektronen von der Anode zur Katode übertragen werden. Wenn durch "Reformieren" von Kohlenwasserstoffen wie etwa Benzin in Anwesenheit von beschränktem Sauerstoff Wasserstoff abgeleitet wird, enthält das "Reformat"-Gas CO, das an der Anode über einen ähnlichen Oxidationsprozess wie den, der an dem Wasserstoff ausgeführt wird, in CO2 umgewandelt wird. In Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenanwendungen ist ein üblicherweise verwendeter Brennstoff reformiertes Benzin.
  • Eine einzelne Zelle kann je nach Last eine verhältnismäßig kleine Spannung und elektrische Leistung, typisch zwischen etwa 0,5 Volt und etwa 1,0 Volt je nach Last und weniger als etwa 2 Watt pro cm2 Zellenoberfläche, erzeugen. Somit ist es in der Praxis bekannt, eine Vielzahl von Zellen miteinander elektrisch in Reihe zu stapeln. Da jede Anode und Katode einen freien Raum für den Durchgang von Gas über ihre Oberfläche haben muss, sind die Zellen durch Umfangsabstandshalter getrennt, die wahlweise wie gewünscht entlüftet werden, um den Fluss von Gas zu den Anoden und Katoden zu ermöglichen, während sie an ihren axialen Oberflächen Dichtungen bilden, um einen Gasleckverlust aus den Seiten des Stapels zu verhindern. Die Umfangsabstandshalter können dielektrische Schichten enthalten, um die Verdrahtungen voreinander zu isolieren. Angrenzende Zellen sind durch "Verdrahtungs"-Elemente in dem Stapel – elektrisch verbunden, wobei die Außenoberflächen der Anoden und Katoden durch elektrische Kontakte, die in dem Gasflussraum angeordnet sind, typisch durch einen Metallschaum, der leicht gasdurchlässig ist, – oder durch leitende Fäden mit ihren jeweiligen Verdrahtungen elektrisch verbunden sind. Die äußersten Verdrahtungen oder Endverdrahtungen des Stapels definieren elektrische Anschlüsse oder "Stromabnehmer", die über eine Last verbunden werden können.
  • Ein vollständiges SOFC-System enthält typisch Hilfsteilsysteme, unter anderem für die Anforderungen, durch Reformieren von Kohlenwasserstoffen Brennstoff zu erzeugen; den Reformatbrennstoff und die in den Stapel eintretende Luft zu temperieren; Luft an den Kohlenwasserstoffreformer zu liefern; Luft zur Reaktion mit Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel an die Katoden zu liefern; Luft zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels zu liefern; Verbrennungsluft an einen Nachbrenner für nicht verbrauchten Brennstoff zu liefern, der den Stapel verlässt; und Kühlluft an den Nachbrenner und an den Stapel zu liefern.
  • Eine Umfassung für ein Brennstoffzellensystem besitzt zwei Grundfunktionen. Die erste ist, eine Wärmeisolation für einige der Komponenten zu liefern, die bei erhöhter Temperatur (700–900 °C) arbeiten müssen, um sie für den effizienten Betrieb auf dieser Temperatur zu halten, um Komponenten auf niedrigerer Temperatur zu schützen und um die Außentemperatur über der Gesamteinheit auf ein für den Menschen sicheres Niveau zu verringern. Die zweite ist die die Schaffung einer strukturellen Unterstützung für die Anbringung einzelner Komponenten, für die Anbringung des Systems an einer weiteren Struktur wir etwa an einem Fahrzeug, für den Schutz der Innenkomponenten vor der Außenumgebung und für den Schutz der Außenumgebung vor den hohen Temperaturen des Brennstoffzellenzusammenbaus. Brennstoffzellensysteme des Standes der Technik nutzen zur Bereitstellung aller Funktionen eine einzelne Umfassung, die komplex und kostspielig herzustellen und zusammenzubauen und Platz verbrauchend sein kann.
  • Ferner besitzt das Brennstoffzellensystem des Standes der Technik typisch ein elektronisches Steuersystem, das außerhalb der strukturellen Umfassung angeordnet ist. Dies macht den Zusammenbau des Brennstoffzellensystems komplex und kostspielig und das fertige Brennstoffzel lensystem wegen der vielen elektrischen Zuführungen, die zwischen dem Steuersystem und einer großen Anzahl von Orten im gesamten System durch die strukturelle Umfassung gehen müssen, um u. a. Temperaturen, Drücke, die Ventilablaufsteuerung, die Ventilstellung, die Gebläseleistung, die elektrische Abgabe und Massenflüsse von Luft und Brennstoffgas zu messen und/oder zu steuern, unhandlich. Diese Unansehnlichkeit integriert das Steuersystem strukturell nicht so in das Brennstoffzellensystem, dass das System leicht und zuverlässig als eine unabhängige Hilfsenergieeinheit (APU) wirken kann.
  • Es wird ein Mittel zum Minimieren und Gruppieren der Anzahl der Zuführungen benötigt, die durch die strukturelle Umfassung eines Brennstoffzellensystems gehen müssen.
  • Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Konstruktion eines Festoxidbrennstoffzellensystems zu vereinfachen, seine Kosten und Größe zu verringern und seine Gesamtintegrität als eine Einzel-APU zu verbessern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Betriebs eines solchen Brennstoffzellensystems zu erhöhen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
  • Kurz beschrieben ist in einem Festoxidbrennstoffzellensystem die Elektrodensteuereinheit, die Temperaturen, Drücke, die Ventilablaufsteuerung, die Ventilstellung, die Gebläseleistung, die elektrische Abgabe und Mas senflüsse von Luft und Brennstoffgas misst und steuert, in einer "kühlen Zone" in einer strukturellen Umfassung angeordnet. Somit gehen die – elektrischen Zuführungen von der Steuereinheit zu den einzelnen Systemkomponenten nicht durch das Gehäuse. Die wenigen Zuführungen von der Steuereinheit, die für die Verwendung des Brennstoffzellensystems benötigt werden, sind zu einem einzelnen elektrischen Verbinder und zu zwei Hochstromkapazitäts-Energiezuführungen gesammelt, die durch eine Wand der strukturellen Umfassung angebracht sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden umfassender aus der folgenden Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verständlich und klar, in denen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Zweizellenstapels von Festoxidbrennstoffzellen ist;
  • 2 ein schematisches Mechanisierungsdiagramm eines SOFC-Systems in Übereinstimmung mit der Erfindung ist;
  • 3 eine isometrische Ansicht von oben eines Zweistapel-Brennstoffzellenzusammenbaus ist, der zwischen zwei Stromabnehmern elektrisch in Reihe geschaltet gezeigt ist;
  • 4 eine isometrische Ansicht wie die in 3 mit einer Abdeckung, die die Stapel umfasst, ist;
  • 5 eine Aufrissquerschnittsansicht längs der Linie 5-5 in 4 ist;
  • 6 eine Aufrissquerschnittsansicht längs der Linie 6-6 in 4 ist;
  • 7 eine äquatoriale Querschnittsansicht längs der Linie 7-7 in 4 ist;
  • 8 eine isometrische Ansicht von oben ist, die einen Brennstoffzellenzusammenbau zeigt, der die Vorrichtung aus 4 angebracht an einem Verteiler in Übereinstimmung mit der Erfindung gemeinsam mit einem Reformierungs-, Verbrennungs- und Wärmetauscherzusammenbau, die dem Brennstoffzellenstapel dienen, umfasst;
  • 9 eine isometrische Ansicht von oben ist, die den Brennstoffzellenzusammenbau aus 8 angebracht in dem unteren Element einer thermischen Umfassung zeigt;
  • 10 eine isometrische Ansicht von oben eines Luftlieferzusammenbaus zum steuerbaren Liefern von Luft an den in den 8 und 9 gezeigten Brennstoffzellenzusammenbau ist;
  • 11 eine isometrische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit der Erfindung ist, die den Luftlieferzusammenbau aus 10 angeordnet in einer strukturellen Umfassung zeigt und die den Brennstoffzellenzusammenbau aus 9 sowohl durch das obere als auch durch das untere Element einer thermischen Umfassung vollständig umschlossen zeigt;
  • 12 eine isometrische Ansicht von oben eines vollständig zusammengesetzten Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit der Erfindung ist;
  • 13 eine isometrische Explosionsdarstellung von vorn ist, die einen Mehrelement-Grundflächenverteiler in Übereinstimmung mit der Erfindung zum Verteilen von Luft und Reformatbrennstoff sowie Abprodukten durch und um die Brennstoffzellenstapel wie in 8 gezeigt zeigt;
  • 14 eine isometrische Ansicht von hinten ist, die den Verteiler aus 13 teilweise zusammengesetzt zeigt;
  • 15 eine isometrische Ansicht von hinten ist, die den Verteiler aus 13 weiter zusammengesetzt zeigt;
  • 16 eine Draufsicht der unteren Ebene der Kammern ist, die durch die in 13 gezeigten zwei unteren Elemente gebildet sind;
  • 17 eine Draufsicht der oberen Ebene der Kammern ist, die durch das dritte und vierte Element, die in 13 gezeigt sind, gebildet sind; und
  • 18 eine Draufsicht des in 13 gezeigten obersten Elements ist, die die Befestigungsfläche für die in 8 gezeigte Vorrichtung zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wie in 1 gezeigt ist, enthält ein Brennstoffzellenstapel 10 Elemente, die im Gebiet von Festoxidbrennstoffzellenstapeln, die mehr als eine Brennstoffzelle umfassen, bekannt sind. Das gezeigte Beispiel enthält zwei gleiche Brennstoffzellen 11, die in Reihe geschaltet sind, und gehört dadurch, dass die Anode ein Bauelement ist, auf dem der Elektrolyt und die Katode abgelagert sind, zu einer Klasse solcher Brennstoffzellen, die "ano dengestützt" genannt werden. Die wie gezeigten Elementdicken sind nicht maßstabsgerecht.
  • Jede Brennstoffzelle 11 enthält ein Elektrolytelement 14, das ein Anodenelement 16 und ein Katodenelement 18 trennt. Jede Anode und Katode ist in direktem chemischen Kontakt mit ihrer jeweiligen Oberfläche des Elektrolyten und jede Anode und Katode besitzt eine jeweilige freie Oberfläche 20, 22, die eine Wand eines jeweiligen Durchgangs 24, 26 für den Fluss von Gas durch die Oberfläche bildet. Die Anode 16 einer Brennstoffzelle 11 ist durch Fäden 30, die durch den Durchgang 24 verlaufen, ihn aber nicht versperren, einer Verdrahtung 28 zugewandt und elektrisch mit ihr verbunden. Ähnlich ist die Katode 18 der Brennstoffzelle 11 durch Fäden 30, die durch den Durchgang 26 verlaufen, ihn aber nicht versperren, der Verdrahtung 28 zugewandt und elektrisch mit ihr verbunden. Ähnlich ist die Katode 18 einer zweiten Brennstoffzelle 11 durch Fäden 30, die durch den Durchgang 26 verlaufen, ihn aber nicht versperren, einem Katodenstromabnehmer 32 zugewandt und mit ihm elektrisch verbunden und ist die Anode 16 der Brennstoffzelle 11 durch Fäden 30, die durch den Durchgang 24 verlaufen, ihn aber nicht versperren, einem Anodenstromabnehmer 34 zugewandt und elektrisch mit ihm verbunden. Die Stromabnehmer 32, 34 können über eine Last 35 verbunden sein, damit der Brennstoffzellenstapel 10 elektrische Arbeit verrichtet. Durch Anodenabstandshalter 36 sind zwischen dem Umfang der Anode 16 und entweder der Verdrahtung 28 oder dem Anodenstromabnehmer 34 Durchgänge 24 gebildet. Durch Katodenabstandshalter 38 sind zwischen dem Umfang des Elektrolyten 14 und entweder der Verdrahtung 28 oder dem Katodenstromabnehmer 32 Durchgänge 26 gebildet. Der Anodenabstandshalter 36 und der Katodenabstandshalter 38 sind in der Weise aus Blechmaterial gebildet, dass sie die gewünschte Höhe der Anodendurchgänge 24 und der Katodendurchgänge 26 liefern.
  • Die Verdrahtung und die Stromabnehmer sind vorzugsweise aus einer Legierung, typisch aus einer "Superlegierung", die bei den erhöhten Temperaturen, die für den Brennstoffzellenbetrieb notwendig sind, allgemein etwa 750 °C oder höher, chemisch stabil und dimensionsstabil ist, z. B. aus Hastelloy, Haynes 230 oder rostfreiem Stahl, gebildet. Der Elektrolyt ist aus einem Keramikoxid gebildet und enthält vorzugsweise mit Yttriumoxid (Yttria) stabilisiertes Zirkoniumdioxid, das im Gebiet als YSZ bekannt ist. Die Katode ist z. B. aus porösem Lanthanstrontiummanganat oder Lanthanstrontiumeisen gebildet, während die Anode z. B. aus einem Gemisch von Nickel und YSZ gebildet ist.
  • Im Betrieb (1) wird an die Durchgänge 24 an einem ersten Rand 25 der freien Anodenoberfläche 20 Reformatgas 21 geliefert, das parallel zu der Oberfläche der Anode in einer ersten Richtung über die Anode fließt und an einem zweiten und gegenüberliegenden Rand 29 der Anodenoberfläche 20 entfernt wird. Wasserstoff und CO diffundieren zu der Grenzfläche mit dem Elektrolyten in die Anode. An einem ersten Rand 39 der freien Katodenoberfläche 22 wird für die Durchgänge 26 Sauerstoff 31, typisch in Luft, vorgesehen, der parallel zu der Oberfläche der Katode in einer zweiten Richtung, die orthogonal zu der ersten Richtung des Reformats sein kann (wobei in 1 zur Klarheit die zweite Richtung in der gleichen Richtung wie die erste gezeigt ist), fließt und an einem zweiten und gegenüberliegenden Rand 43 der Katodenoberfläche 22 entfernt wird. Molekulares Sauerstoffgas (O2) diffundiert in die Katode und wird katalytisch zu zwei O-2-Anionen reduziert, indem es über die Fäden 30 vier Elektronen aus der Katode und aus dem Katodenstromabnehmer 32 oder aus der Verdrahtung 28 aufnimmt. Der Elektrolyt leitet oder transportiert ionisch O-2-Anionen an die Anodenelektrolytinnenseite, wo sie mit vier Wasserstoffionen kombinieren, um zwei Wassermoleküle zu bilden, wobei er über die Fäden 30 vier Elektronen an die Anode und an den Anodenstromabnehmer 34 oder an die Verdrahtung 28 abgibt. Somit sind die Zellen 11 zwischen den zwei Stromabnehmern elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Gesamtspannung und die elektrische Gesamtleistung zwischen den Stromabnehmern die Summen der Spannung und der elektrischen Leistung der einzelnen Zellen in einem Brennstoffzellenstapel sind.
  • Wie in 2 gezeigt ist, enthält ein schematisches Mechanisierungsdiagramm eines Festoxidbrennstoffzellensystems 12 in Übereinstimmung mit der Erfindung Hilfsausrüstung und -steuerungen.
  • Eine herkömmliche hochtourige Lufteinlasspumpe 48 saugt Einlassluft 50 durch ein Luftfilter 52 an einem ersten MAF-Sensor 54 vorbei, durch einen Schalldämpfer 56 und durch ein Kühlabdeckblech 58, das die Pumpe 48 umgibt.
  • Die Luftabgabe 60 von der Pumpe 48 mit einem durch einen Drucksensor 61 abgetasteten Druck wird zunächst zwischen einer Zufuhr 62 und einer Zufuhr 72 in Zweigrohre getrennt. Die Zufuhr 62 geht als Brennerkühlluft 64 über einen zweiten MAF-Sensor 68 und ein Brennerkühlluft-Steuerventil 70 zu einem Abgasnachbrenner 66 mit einem Zünder 67.
  • Die Zufuhr 72 wird zwischen einer Anodenluftzufuhr 74 und einer Katodenluftzufuhr 75 weiter in Zweigleitungen geteilt. Die Anodenzufuhr 74 geht über einen dritten MAF-Sensor 78 und ein Reformer-Luftsteuerventil 80 zu einem Kohlenwasserstoff-Brennstoffverdampfer 76. Ein Teil der Anodenluftzufuhr 74 kann durch das Steuerventil 82 über die Kühlseite 83 des Reformat-Vorheizungs-Wärmetauschers 84 steuerbar umgeleitet und daraufhin mit dem nicht temperierten Teil wiedervereinigt werden, so dass die Zufuhr 74 auf ihrem Weg zum Verdampfer 76 auf eine gewünschte Temperatur temperiert wird. Unterstromig vom Verdampfer 76 befindet sich ein Startbrenner 77 mit einem Zünder 79. Wenn der Reformer während des Starts kalt oder weit unterhalb der Betriebstemperatur ist, wird verdampfter Brennstoff im Brenner 77 gezündet und das verbrannte Gas direkt durch den Reformer geleitet, um die Platten darin schneller zu erwärmen. Offensichtlich ist der Startbrenner während des normalen Betriebs des Systems deaktiviert.
  • Die Katodenluftzufuhr 75 wird durch das Katodenluftsteuerventil 86 gesteuert und kann durch das Katodenluft-Vorheizungs-Umgehungsventil 88 über die Kühlseite 90 des Katodenluft-Vorheizungs-Wärmetauschers 92 auf seinem Weg zu den Stapeln 44, 46 steuerbar umgeleitet werden. Nachdem die teilweise verbrauchte, erwärmte Luft 93 über die Katodenseiten der Zellen in den Stapeln 44, 46 geleitet wurde, wird sie dem Brenner 66 zugeführt.
  • Eine Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Zufuhrpumpe 94 saugt Brennstoff aus einem Lagertank 96 und liefert den Brennstoff über einen Druckregler 98 und einen Filter 100 an eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 102, die den Brennstoff in den Verdampfer 76 einspritzt. Der eingespritzte Brennstoff wird mit der Luftzufuhr 74 vereinigt, verdampft und einem Reformerkatalysator 104 im Hauptbrennstoffreformer 106 zugeführt, der den Brennstoff hauptsächlich zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert. Das Reformat 108 vom Katalysator 104 wird den Anoden in den Stapeln 44, 46 zugeführt. Nicht verbrauchter Brennstoff 110 von den Anoden wird dem Nachbrenner 66 zugeführt, wo er mit Luftlieferungen 64 und 93 vereinigt und verbrannt wird. Wenn die Gase unter der Selbstzündungstemperatur sind, werden sie durch den Zünder 67 gezündet. Die heißen Brennergase 112 werden durch einen Reinigungskatalysator 114 im Hauptreformer 106 geleitet. Der Abfluss 115 aus dem Katalysator 114 wird durch die heißen Seiten 116, 118 der Wärmetauscher 84 bzw. 92 geleitet, um die ankommende Katoden- und Anodenluft zu erwärmen. Der teilweise abgekühlte Abfluss 115 wird einem Verteiler 120 zugeführt, der die Stapel 44, 46 umgibt, von wo er schließlich entleert wird 122.
  • Noch weiter anhand von 2 sind in dem Rohr, das den Anoden (nicht sichtbar) in den Stapeln 44, 46 das Reformat 108 zuführt, ein erstes Rückschlagventil 150 und eine erste Sauerstoffgettervorrichtung 124 vorgesehen. Ähnlich sind in dem Rohr, das dem Nachbrenner 66 das verbrauchte Reformat 110 von den Anoden zuführt, ein zweites Rückschlagventil 152 und eine zweite Sauerstoffgettervorrichtung 126 vorgesehen. Wie oben beschrieben wurde, ist es während des Abkühlens der Brennstoffzellenstapel nach dem Herunterfahren des Zusammenbaus wichtig, eine Wanderung von Sauerstoff in die Anodendurchgänge 24 zu verhindern, wobei die Anodenoberfläche 20, die metallisches Nickel umfasst, einer schädigenden Oxidation ausgesetzt wäre. Jedes Rückschlagventil enthält einen typischen kegelstumpfförmigen Ventilsitz 154, der eine Ventilkugel 156 aufnimmt. Vorzugsweise ist jedes Ventil 150, 152 in dem Durchgang 12 so ausgerichtet, dass die Kugel durch die Schwerkraft in dem Sitz gehalten wird, wenn das Reformat in Vorwärtsrichtung durch das System fließt. Somit öffnet der Brennstofffluss das Ventil ausreichend, damit der Brennstoff in der Vorwärtsrichtung durchgeht. Wenn der Zusammenbau 12 heruntergefahren wird, wird jedes Ventil durch die Schwerkraft geschlossen. Da der Sauerstoff im Ventil 152 entgegengesetzt zum Reformat, im Ventil 150 aber in der gleichen Richtung wie das Reformat fließt, brauchen die Ventile nicht völlig gleich zu sein; somit können die Kugeln und Sitze andere Gewichte und/oder Größen erfordern, damit sie wie beabsichtigt funktionieren. Jeder Getter 124, 126 enthält einen Durchgang 128 mit einem Einlass 130 und einem Auslass 132, durch den das Reformat während des Betriebs des Brennstoffzellenzu sammenbaus geleitet wird. In dem Durchgang befindet sich ein leicht oxidierbares Material 134 (ein Sauerstoffreduktionsmittel), z. B. Nickelmetallschaum, Nickeldraht oder ein Nickelnetz, das durch die Reaktion damit Sauerstoff gettern kann, für den Fluss des Reformats durch die Kammer aber ein kein erhebliches Hindernis darstellt. Wenn der Zusammenbau heruntergefahren wird, reagiert das Nickel in dem Getter mit Sauerstoff, um Nickeloxid NiO zu erzeugen, und schützt somit die nickelhaltigen Anoden vor der Oxidation. Wenn der Zusammenbau wieder eingeschaltet wird, wird wieder Reformat erzeugt, das beim Durchgang durch die Getter das NiO zurück zu metallischem Nickel reduziert, was es ermöglicht, die Getter wiederholt zu verwenden.
  • Zur Klarheit der Darstellung und um das Verständnis des Lesers zu verbessern, sind die Bezugszeichen der Elemente der Erfindung, wie sie weiter unten dargestellt werden, je nach dem Funktionszusammenbau, in dem die Elemente auftreten, in Hunderterreihen gruppiert; somit können die oben erwähnten und in den 1 und 2 gezeigten Elemente verschiedene Bezugszeichen haben, wenn sie im Folgenden gezeigt und diskutiert werden, wobei z. B. die Stapel 44, 46 zu den Stapeln 344, 346 werden.
  • Wie in den 3 bis 7 gezeigt ist, sind die Zellen 311 in einem Brennstoffzellenstapelzusammenbau 300 in Übereinstimmung mit der Erfindung Seite an Seite angeordnet und können jeweils mehrere Zellen 311 umfassen, so dass sowohl der erste Stapel 344 als auch der zweite Stapel 346 ein Stapel gleicher Brennstoffzellen 311 ist. Die Vielzahl der Zellen ist vorzugsweise in jedem der zwei Stapel etwa 30. Die Zellen 311 im Stapel 344 und im Stapel 346 sind durch die Verdrahtung 347 elektrisch in Reihe geschaltet und die Stapel sind mit dem Katodenstromabnehmer 332 und mit dem Anodenstromabnehmer 334 an der Unterseite der Stapel in Reihe geschaltet. Die Stromabnehmer sind so bemessen, dass sie eine "Grund fläche" haben, die sehr nahe die gleiche Abmessung wie ein Abdeckdichtungsflansch 340 hat. Vorzugsweise werden die Stromabnehmer haftend mit einer Stapelbefestigungsplatte 338 abgedichtet, während die Stapel vorzugsweise ihrerseits mit den Stromabnehmern haftend abgedichtet werden. Daraufhin werden der Dichtungsflansch 340 für die Abdeckung 342 und die Kappe 343 angebracht und mit den Stromabnehmerplatten abgedichtet. Eine Dichtung 341 zwischen dem Flansch 340 und den Stromabnehmern ist ein Dielektrikum, so dass der Flansch 340 keinen Kurzschluss zwischen den Stromabnehmern verursacht. An den Stromabnehmern 332 bzw. 334 sind durch feste, zuverlässige und hochleitende metallurgische Verbindungen wie etwa Lötungen Stromzuführungen 350, 352 befestigt. Auf diese Weise können die Stromabnehmer unter dem Abdeckbefestigungsflansch 340 geführt werden, wobei keine zusätzliche Abdeckung oder Stromzuführungsbefestigung erforderlich ist und wobei sie nicht wie in einigen Stapelzusammenbauen des Standes der Technik unerwünscht durch die Abdeckung selbst geführt zu werden brauchen. Das Führen der Zuführungen durch die Abdeckung macht den Zusammenbau komplizierter und weniger zuverlässig.
  • Wie in 8 gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellenzusammenbau 400 in Übereinstimmung mit der Erfindung einen Stapelzusammenbau 300, der funktional an einem integrierten Brennstoff/Luft-Verteilerzusammenbau 500 angebracht ist, der außerdem einen ersten und einen zweiten Katodenluft-Wärmetauscher 600 und eine integrierte Brennstoffreformer- und Energieüberschuss-Wiedergewinnungseinheit ("reforWER") 1100 unterstützt. Wie im Folgenden beschrieben wird, nimmt der Zusammenbau 400 Luft vom Luftliefersystem 900 auf (10–12) und heizt die zu dem Reformer gehende Luft wahlweise vor. Der reforWER 1100 reformiert Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie etwa Benzin zu Reformatbrennstoff, der hauptsächlich Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Molekulargewicht umfasst, temperiert die Luft und das Reformat, die in die Stapel eintreten, verbrennt wahlweise in dem Stapel nicht verbrauchten Brennstoff, gewinnt in verschiedenen inneren Prozessen erzeugte Wärmeenergie wieder, die ansonsten verschwendet würde, und entleert verbrauchte Luft und verbrauchtes Wasser, wobei er dies alles tut, um über die (in 8 nicht sichtbaren) Stromzuführungen 350, 352 effizient ein elektrisches Gleichspannungspotential zu erzeugen.
  • Wie in den 9 und 11 gezeigt ist, umfasst die Umfassung des Brennstoffzellenzusammenbaus zwei verschachtelte Umfassungen: eine thermische Umfassung 700 und eine strukturelle Umfassung 800. Zunächst wird der Brennstoffzellenzusammenbau 400 in einer "zweischaligen" thermischen Umfassung 700 angeordnet, die einen unteren Abschnitt 702 und einen oberen Abschnitt 704 umfasst, die wiederum in einer strukturellen Umfassung 800 angeordnet sind. Die Trennlinie 706 zwischen dem unteren Abschnitt 702 und dem oberen Abschnitt 704 wird leicht so angeordnet, dass alle Rohre, Verteiler, Wellen, Stromzuführungen usw., die zwischen der "heißen Zone" 716 in der thermischen Umfassung und der "kühlen Zone" 816 in der strukturellen Umfassung geführt werden müssen, dies in der Mitte der Trennlinie 706 tun. Dies sichert einen leichten Zusammenbau der heißen Komponenten in dem Wärmegehäuse. Zunächst werden alle Komponenten der heißen Zone, die in dem Zusammenbau 400 enthalten sind, in den unteren Abschnitt 702 niedergelassen, der mit einer angepassten Wand 708 versehen sein kann, um den Zusammenbau 400 wie in 9 gezeigt festzuhalten und zu dämpfen. Die Berührungsfläche 710 des unteren Abschnitts 702 ist entlang der Trennlinie 706 so konfiguriert, wie es erforderlich ist, um die unteren Hälften der durch die Umfassung 700 verlaufenden Komponenten unterzubringen. Der obere Abschnitt 704 ist so konfiguriert, dass er mit dem unteren Abschnitt 702 passend in Eingriff ist. Der obere Abschnitt 704 wird auf dem unteren Abschnitt 704 angeordnet und kann auf Wunsch entlang der Linie 706 damit abgedichtet werden. Die thermische Umfassung 700 kann aus irgendeinem geeigneten hochwirksam abdichtenden Hochtemperaturisoliermaterial sein, wie es im Gebiet der Isolation bekannt ist, und kann ein Verbundwerkstoff einschließlich eines Leichtmetallgehäuses sein. Der Bereich geeigneter Isoliermaterialien wird dadurch erweitert, dass die durch Bereitstellung einer getrennten strukturellen Umfassung 800 hervorgebrachte Beschränkung der Gesamtbaufestigkeit beseitigt wird.
  • Die strukturelle Umfassung 800 wird vorzugsweise z. B. aus einem dickeren Metall, um Baufestigkeit zu schaffen, und in einer einfachen Form wie etwa einem Kasten mit entfernbarem Deckel zur Erleichterung der Herstellung hergestellt. Merkmale wie etwa Klammern, Zapfen, elektrische Verbinder, Zapfen, Schweißmuttern, Lufteinlasskanäle und Auslasskanäle können z. B. Teil des Baugehäuses sein, um Innenkomponenten daran anzubringen und das System mit Außenstrukturen zu verbinden. Außerdem können bei der Umfassung Merkmale zur Schwingungs- und Stoßisolation (nicht gezeigt) vorgesehen sein.
  • Der Luftsteuerzusammenbau 900 wird mit den durch die Trennlinie 706 vorstehenden Elementen des Brennstoffzellenzusammenbaus 400 verbunden, woraufhin die Zusammenbaue 700, 900 wie in 12 gezeigt in die strukturelle Umfassung 800 eingebaut werden, um ein Brennstoffzellensystem 1000 in Übereinstimmung mit der Erfindung zu bilden. Vorzugsweise wird das Steuersystem 200 (das in 2 schematisch als Netzschutzgerät 202, Schaltungsschutz-E/A 204, Treiber 206 und elektronische Steuereinheit 208 gezeigt ist, in 12 aber nicht sichtbar ist) ebenfalls integriert in das System mit der Kühlzone 816 eingebaut, um die Anzahl diskreter Signale 210 zu minimieren, die über den Verbinder 820 durch die Umfassung 800 geführt werden müssen. Außerdem wird angemerkt, dass die Hochstromkapazitäts-Energiezuführungen über die Doppelverbinder 821 ebenfalls durch die Umfassung 800 geführt werden.
  • Wie in den 13 bis 18 gezeigt ist, nimmt ein integrierter Brennstoff/Luft-Verteilerzusammenbau 500 über biegsame Balgelemente Luft von dem Luftlieferzusammenbau 900 auf und reformierten Brennstoff von dem Reformerzusammenbau 1100 und fördert Heißluft, Abgas und wasserstoffreichen Reformatbrennstoff zu und von den Kernkomponenten des Systems. Der Grundflächenverteilerzusammenbau 500 ist in 13 in der Weise gezeigt, dass er ein dreidimensionaler Zusammenbau aus drei durchlochten Platten und zwei unterteilten Elementen umfasst, die leicht und preiswert gebildet werden können und ein Zweiebenennetz aus Durchlässen umfassen, die die Anbringung, die enge Kopplung und den Einbau entscheidender Brennstoffzellen-Systemkomponenten einschließlich Wärmetauschern, Brennern, Brennstoffreformern, Festoxidbrennstoffzellenstapeln, Rückschlagventilen, Gewindeeinsätzen und Katalysator- und Nichtkatalysatorfiltern ermöglichen. Obgleich der Einfachheit halber ein Fünfkomponentenverteiler gezeigt ist, können im Umfang der Erfindung natürlich irgend zwei der durchlochten Platten offensichtlich durch geeignete und offensichtliche Gieß- oder Formprozesse in die unterteilten Elemente integriert werden, so dass der Verteiler nur drei Elemente umfasst.
  • Es wird angemerkt, dass der Verteiler 500 tatsächlich zwei Spiegelverteiler 500-1, 500-2 umfasst, die einige gemeinsame Merkmale, z. B. die Katodenluftrückgabe von den Stapeln, besitzen. Somit fließt der Reformatbrennstoff von der reforWER-Einheit 1100 in zwei parallelen Strömen zu den Stapeln 344 und 346 und wird in zwei parallelen Strömen zum reforWER 1100 zurückgegeben. Gleichfalls ist der Katodenluftfluss von dem Luftlieferzusammenbau 900 in zwei parallele Ströme geteilt und tritt über spiegelbildliche Kupplungen 902-1 und 902-2 (8–10 und 13) in jeden Verteiler 500-1, 500-2 ein. Somit ist zu sehen, dass die Brennstoffzellenstapel 344, 346 des Brennstoffzellenzusammenbaus 400 elektrisch in Reihe geschaltet sind, jedoch durch parallele Gasflüsse bedient werden.
  • Der Einfachheit der Darstellung und Diskussion halber sind die folgende Konstruktion und Funktion außer dort, wo die Funktionen eindeutig sind, auf den Verteiler 500-1 gerichtet, wobei sie aber auf den spiegelbildlichen Verteiler 500-2 selbstverständlich gleichfalls anwendbar sein sollten.
  • Die untere Platte 502 ist die Grundplatte für den Verteiler und bildet die Unterseite für verschiedene durch Kombination der Platte 502 mit dem unteren unterteilten Element 504 gebildete Kammern, wobei sie wie in 16 gezeigt ein unteres Verteilungselement 505 definiert. Die Zwischenplatte 506 vervollständigt die Kammern im Element 504 und bildet die untere Platte für das obere unterteilte Element 508, das ein oberes Verteilungselement 509 definiert. Die oberste Platte 510 vervollständigt die Kammern im Element 508 und bildet die Montagebasis für den Brennstoffzellenzusammenbau 300, für die Wärmetauscher 600 und für die reforWER-Einheit 1100, wie sie oben beschrieben wurden.
  • Im Betrieb tritt Luft über die Kupplung 902-1 in die erste untere Kammer 512 ein, fließt durch die Schlitze 514-1, 514-2, 514-3 in den Wärmetauscher 600-1 nach oben, durch den Wärmetauscher, wo die Luft herkömmlich wie im Folgenden beschrieben erwärmt wird, durch den Schlitz 516-3 in eine erste obere Kammer 518 nach unten, von dort durch die Öffnung 520 in der Platte 506 in eine zweite untere Kammer 522. In der Kammer 518 wird die erwärmte Luft steuerbar mit Kühlluft gemischt, die über die Umgehungsverbindung 904-1 von dem Luftlieferzusammenbau 900 in die Kammer eintritt. Die temperierte Luft fließt aus der Kammer 522 durch die Öffnung 524 in der Platte 506 nach oben in eine Kammer 526, die eine Katodenliefersammelkammer definiert, um Reaktions- und Kühlluft durch die Schlitzöffnungen 528 nach oben zu den Katodenluftfluss-Durchlässen im Stapel 344 zu liefern. Die verbrauchte Luft wird von den Katoden durch Schlitzöffnungen 530 in eine Katodenrückgabe-Sammelkammer 532 zurückgegeben und fließt durch eine Öffnung 534 in der Platte 506 in einen gemeinsamen Katodenluft-Rückhauptkanal 536, der in einen Abgasbrenner 1102 im reforWER 1100 führt, nach unten.
  • Das heiße Reformat vom reforWER 1100 tritt durch die Öffnung 538 in der obersten Platte 510 in den Verteiler 500-1 ein und fließt in die Kammer 540, von dort durch eine Öffnung 542 in einen Zufuhrhauptkanal 544 nach unten und durch eine Öffnung 546 in eine Kammer 548, die eine Anodenliefersammelkammer für den Stapel 344 definiert, nach oben.
  • Vorzugsweise definiert die Öffnung 546 einen Sitz für ein Ventil mit einer Kugel 550 (14), die vorzugsweise durch Schwerkraft an ihrer Stelle gehalten wird, um den Fluss von Reformat während des Betriebs zu ermöglichen, jedoch den Fluss von Sauerstoff in die Anoden zu verhindern, wenn das System heruntergefahren wird. Ferner enthalten die Kammern 544 und/oder 548 vorzugsweise ein mit Sauerstoff reaktionsfähiges Material (in 2 nicht gezeigt, aber als 134 angegeben) wie etwa Nickelwolle, durch das das Reformat leicht geführt werden kann, das aber von irgendeinem Sauerstoff, der auf seinem Weg zu den Anoden an der Kugel 550 vorbeigeht, reinigen kann.
  • Vorzugsweise sind die Katodenlieferkammer 522 und die Anodenlieferkammer 544 so konfiguriert, dass sie die Fläche der gemeinsamen Wand zwischen ihnen maximieren, so dass die Kammern 522, 544 einen Wär metauscher mit gemeinsamem Fluss definieren, der dazu neigt, die Temperaturdifferenz zwischen der Katodenlieferluft und dem Anodenlieferreformat zu verringern.
  • Das Reformat fließt aus der Kammer 548 durch die Schlitze 552 in die Anodenflussdurchgänge im Stapel 344 nach oben. Das verbrauchte Reformat ("Abgas") fließt durch die Schlitze 544 in eine Anodenrückgabe-Sammelkammer 556 nach unten und von dort durch eine Öffnung 558 in einen Reformatrückgabe-Hauptkanal 560 nach unten. Aus dem Hauptkanal 560 fließt das verbrauchte Reformat durch die Öffnung 562 in die lang gestreckte Kammer 564, die gemeinsam mit dem Verteiler 500-2 ist, nach oben und von dort durch Öffnungen 566 in den Abgasbrenner im refor-WER 1100. Vorzugsweise ist die Öffnung 562 ebenfalls als eine rückschlagventilsitzartige Öffnung 546 zur Aufnahme einer Rückschlagkugel 563 gebildet, die vorzugsweise durch die Schwerkraft an ihrer Stelle gehalten wird, um den Rückfluss von Wasserstoff in die Anoden zu verhindern, wenn das System heruntergefahren wird. Ferner enthalten die Kammern 556 und/oder 560 vorzugsweise wie die Kammer 548 ein mit Sauerstoff reaktionsfähiges Material (nicht gezeigt, in 2 aber als 134 angegeben) wie etwa Nickelwolle, durch das das Abgas leicht geführt werden kann, das aber von irgendeinem Sauerstoff, der auf seinem Weg zu den Anoden an der Kugel 563 vorbeigeht, reinigen kann.
  • Das verbrannte Abgas von dem Brenner tritt über den Schlitz 568-3 in den Verteiler 500-1 ein und fließt über die Schlitze 568-2, 568-1 in die untere Kammer 570 und von dort durch die Öffnung 572 in die Kammer 574, die als eine Liefersammelkammer für den Katodenluft-Wärmetauscher 600-1 wirkt. Das verbrannte Abgas fließt aus der Kammer 574 durch die Öffnungen 576 und durch den Wärmetauscher 600-1 nach oben und erwärmt somit ankommende Katodenluft, wobei es durch die Öffnungen 578 in die Kammer 580 und von dort über die Öffnungen 582 in einen Temperierungsmantelraum 354 (7) zurückkehrt, der den Stapel 344 zwischen den Brennstoffzellen 311 und der Abdeckung 342 umgibt. Somit wird der Stapel durch das Abgas temperiert. Das verbrannte Abgas kehrt aus dem Mantel 354 über die Öffnungen 584 in eine Abgassammelkammer zurück, die die Öffnungen 586-3, 586-2, 586-1 umfasst und durch das Abgasrohr 588 und den Rohrflansch 590 zur Atmosphäre entlüftet ist.
  • Ein SOFC-System 1000 in Übereinstimmung mit der Erfindung ist besonders nützlich als eine Hilfsenergieeinheit (APU) für Fahrzeuge 136 (12), in die eine APU eingebaut werden kann, wie etwa Autos und Lastkraftwagen, Boote und Schiffe und Flugzeuge, bei denen die Antriebskraft durch einen herkömmlichen Motor geliefert wird, während die Anforderungen elektrischer Hilfsenergie durch ein SOFC-System erfüllt werden.
  • Ein SOFC-Zusammenbau in Übereinstimmung mit der Erfindung ist außerdem nützlich als ein stationäres Kraftwerk wie etwa z. B. in einem Haushalt oder zur kommerziellen Nutzung.
  • Obgleich die Erfindung mit Bezug auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, können daran selbstverständlich im Umfang der beschriebenen erfinderischen Konzepte zahlreiche Änderungen vorgenommen werden. Dementsprechend soll die Erfindung selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern den vollen in der Sprache der folgenden Ansprüche definierten Umfang haben.

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie durch Kombination von Sauerstoff mit wasserstoffhaltigem Brennstoff, mit: a) einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen, die in zumindest einen Brennstoffzellenstapelzusammenbau organisiert sind und eine Vielzahl von Kathoden und Anoden umfassen, wobei die Brennstoffzellen Festoxidbrennstoffzellen sind, b) einem Reformer zum Reformieren von Kohlenwasserstoffen, um den Brennstoff vorzusehen, c) einem Luftliefersystem zur Lieferung des Sauerstoffs in der Form von Luft, d) einem integrierten Brennstoff/Luft-Verteiler zur Aufnahme des Brennstoffs von dem Reformer, Fördern des Brennstoffs an die Anoden und Rückführen des Brennstoffs als Abgas von den Anoden, und zum Aufnehmen der Luft von dem Luftliefersystem, Fördern der Luft an die Kathoden und Rückführen der Luft von den Kathoden; e) einer strukturellen Umfassung, die die Brennstoffzellen, den Reformer, das Luftliefersystem und den Verteiler aufnimmt; und f) einem Steuersystem zur Steuerung von Betriebsparametern und -bedingungen in dem Brennstoffzellensystem, wobei das Steuersystem auch in der strukturellen Umfassung angeordnet ist, wobei das Steuersystem ein elektronisches Steuersystem ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, ferner mit einer thermischen Umfassung innerhalb der strukturellen Umfassung, wobei die thermische Umfassung die Brennstoffzellen, den Verteiler und einen Abschnitt des Reformers umfasst, und sich das Steuersystem außerhalb der thermischen Umfassung befindet.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die strukturelle Umfassung mit einem Durchlass zum Durchgang elektrischer Leitungen von dem Steuersystem hindurch vorgesehen ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das System an einem Fahrzeug angebracht ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Fahrzeug aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Auto, Lastwagen, Schiff und Flugzeug.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei das System eine Hilfsenergieeinheit für das Fahrzeug ist.
  7. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 zur Erzeugung von Hilfsenergie für das Fahrzeug.
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