DE19743075A1

DE19743075A1 - Brennstoffzellenanordnung mit interner Kathodengaszirkulation

Info

Publication number: DE19743075A1
Application number: DE19743075A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Huppmann; Ernst Sommer
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1998-12-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im einzelnen handelt es sich dabei um eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von Brennstoffzellen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und von einem Schutzgehäuse umgeben sind, und die einen Anodeneingang zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden der Brennstoffzellen, einen Anodenausgang zur Abführung des verbrannten Brenngases von den Anoden, einen Kathodeneingang zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden der Brennstoffzellen und einen Kathodenausgang zur Abführung des verbrauchten Kathodengases von den Kathoden aufweist. Weiterhin verfügt die Brennstoffzellenanordnung über eine Einrichtung, durch die das Kathodengas im Inneren des Schutzgehäuses in einem Kreislauf vom Kathodenausgang zum Kathodeneingang in Zirkulation versetzt wird.

Eine solche Brennstoffzellenanordnung mit internem Kathodengaskreislauf, die auch als sogenanntes "Hot Module" bekannt ist, wird in der DE 44 25 186 C1 der Anmelderin beschrieben, auf deren Einzelheiten hier hingewiesen wird. Bei dieser bekannten Brennstoffzellenanordnung wird das verbrauchte Kathodengas vom Kathodengasausgang in einer frei zirkulierenden Kreislaufströmung innerhalb des Schutzgehäuses in Zirkulation versetzt und dabei Luft und Anodenabgas zugesetzt. Der Kathodengasstrom durchläuft einen katalytischen Brenner, in dem die brennbaren Restbestandteile des verbrannten Anodenabgases in thermische Energie umgewandelt werden. Der Kathodengaskreislauf wird zum Kathodeneingang der Brennstoffzellenanordnung zurückgeführt, wodurch der Kreislauf über die Kathoden geschlossen wird. Bei der bekannten Brennstoffzellenanordnung wird der Kathodengaskreislauf mittels eines oder mehrerer Heißgasgebläse betrieben, die innerhalb des Schutzgehäuses der Brennstoffzellenanordnung angeordnet sind.

Ein Nachteil bei der bekannten Brennstoffzellenanordnung ist darin zu sehen, daß die innerhalb des Schutzgehäuses angeordneten Heißgasgebläse wegen der relativ geringen Dichte des zirkulierenden heißen Gases (ca. 540 bis 550°C) einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen. Außerdem sind aufgrund dieser hohen Betriebstemperaturen beträchtliche Anforderungen an Konstruktion und Material der Heißgasgebläse gestellt, um eine ausreichende Lebensdauer zu erreichen. Dennoch ist die Ausfallswahrscheinlichkeit eines solchen Heißgasgebläses nicht unerheblich.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanordnung der vorausgesetzten Art mit internem Kathodengaskreislauf zu schaffen, welche eine höhere Zuverlässigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß der Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von Brennstoffzellen geschaffen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und von einem Schutzgehäuse umgeben sind. Die Brennstoffzellenanordnung verfügt über einen Anodeneingang zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden der Brennstoffzellen, einen Anodenausgang zur Abführung des verbrannten Brenngases von den Anoden, einen Kathodeneingang zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden der Brennstoffzellen und einen Kathodenausgang zur Abführung des verbrauchten Kathodengases von den Kathoden. Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen, durch die das Kathodengas im Inneren des Schutzgehäuses in einem Kreislauf vom Kathodenausgang zum Kathodeneingang in Zirkulation versetzt wird. Erfindungsgemäß ist diese Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengases durch eine im Kathodengasstrom vorgesehene Ejektoranordnung gebildet.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es, daß die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengases keine bewegten Teile im Inneren des Schutzgehäuses aufweist, die den dort herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Der getriebene Gasstrom der Ejektoranordnung ist vorteilhafterweise der Kathodengasstrom.

Der treibende Gasstrom der Ejektoranordnung ist vorzugsweise ein dem Kathodengasstrom beizumischendes Gas.

Vorteilhafterweise ist der treibende Gasstrom dem Kathodengas beizumischende Frischluft.

Zur Zuführung der Frischluft zu der Ejektoranordnung kann ein Gebläse vorgesehen sein.

Vorteilhafterweise ist dieses Gebläse außerhalb des Schutzgehäuses angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß das Gebläse bei Umgebungstemperatur betrieben werden kann und damit einen wesentlich besseren Wirkungsgrad hat als ein innerhalb des Schutzgehäuses angeordnetes Heißgasgebläse.

Vorteilhafterweise ist innerhalb des Schutzgehäuses ein Wärmetauscher angeordnet, welcher dem im Schutzgehäuse zirkulierenden Gasstrom zur Temperaturregulierung der Brennstoffzellenanordnung Wärme entzieht.

Ein solcher Wärmetauscher kann ein Gas/Gas-Wärmetauscher sein.

Der Wärmetauscher kann als kühlendes Medium mit Luft beaufschlagt werden.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist innerhalb des Schutzgehäuses ein katalytischer Brenner angeordnet, welcher in dem im Schutzgehäuse zirkulierenden Gasstrom enthaltene brennbare Restbestandteile des Brenngases verbrennt.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist es vorgesehen, daß sich der Anodenausgang der Brennstoffzellen in das Innere des Schutzgehäuses öffnet, um das Anodenabgas in den zirkulierenden Kathodengasstrom zu mischen.

Gemäß einem ersten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Anoden der Brennstoffzellen im Querstrom zu deren Kathoden durchströmbar, und es sind Mittel vorgesehen, um den den Anodenausgang verlassenden Brenngasstrom zusammen mit dem den Kathodenausgang verlassenden Kathodengasstrom der Einlaßseite der Ejektoranordnung zuzuführen.

Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher zwischen den Kathodenausgang und die Einlaßseite der Ejektoranordnung geschaltet im Kathodengasstrom angeordnet.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist der katalytische Brenner dem Ejektor nachgeschaltet im zirkulierenden Kathodengasstrom angeordnet. Er kann jedoch auch vor dem Ejektor angeordnet sein.

Gemäß einem zweiten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Anoden der Brennstoffzellen im Gleichstrom mit den Kathoden durchströmbar, und es sind Mittel vorgesehen, um den den Anodenausgang verlassenden Brenngasstrom zusammen mit dem den Kathodenausgang verlassenden Kathodengasstrom der Einlaßseite der Ejektorvorrichtung zuzuführen.

Hierbei sind vorteilhafterweise die Mittel, um den Brenngasstrom mit dem Kathodengasstrom zusammenzufassen, durch eine den Anodenausgang und den Kathodenausgang der Brennstoffzellenanordnung überdeckende Einlaßhutze der Ejektoranordnung gebildet.

Gemäß einem dritten besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Anoden der Brennstoffzellen im Gegenstrom zu deren Kathoden durchströmbar sind, wobei das den Anodenausgang der Brennstoffzellen verlassende Brenngas mit dem in den Kathodeneingang der Brennstoffzellen eintretenden Gasstrom gemischt wird, und die Ejektoranordnung im Strom des zirkulierenden Kathodengases zwischen Kathodenausgang und Kathodeneingang der Brennstoffzellen angeordnet ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist vorteilhafterweise der katalytische Brenner zwischen dem Anodenausgang und dem Kathodeneingang der Brennstoffzellen vorgesehen.

Vorteilhafterweise ist hierbei der Kathodeneingang der Brennstoffzellen gegen den Anodenausgang der Brennstoffzellen versetzt angeordnet, und der katalytische Brenner ist in Form einer flächigen Anordnung zwischen Anodenausgang und Kathodeneingang vorgesehen.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn die Ejektor anordnung mehrere Einzelejektoren enthält.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a) und b) in der Frontansicht und in der Seitenansicht Schnitte durch eine Brennstoffzellenanordnung bekannter Art, bei der Heißgasgebläse als Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengasstroms dienen;

Fig. 2a) und b) in der Frontansicht und in der Seitenansicht Schnitte durch eine Brennstoffzellenanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengasstroms durch eine Ejektoranordnung gebildet ist;

Fig. 3 in der Seitenansicht einen Schnitt durch eine Brennstoffzellenanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengasstroms durch eine Ejektoranordnung gebildet ist;

Fig. 4 in der Seitenansicht einen Schnitt durch eine Brennstoffzellenanordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengasstroms durch eine Ejektoranordnung gebildet ist; und

Fig. 5 in einer vergrößerten Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 4 gesehen, ein Detail, welches die Anordnung der Kathoden und Anoden am unteren Ende der Brennstoffzellenanordnung zeigt.

Fig. 1a) und 1b) zeigen in der Frontansicht und in der Seitenansicht Schnitte durch eine Brennstoffzellenanordnung mit internem Kathodengaskreislauf wie sie aus der DE 44 25 186 C1 bekannt ist. In einem Schutzgehäuse 2, welches gasdicht und thermisch isolierend ausgebildet ist, befindet sich eine Brennstoffzellenanordnung, deren Hauptbestandteil aus einer Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 1 angeordneten Brennstoffzellen besteht. Die Brennstoffzellen enthalten Anoden, welche senkrecht von unten nach oben von einem Brenngas B durchströmbar sind, und Kathoden, welche in der Darstellung von Fig. 1a) im Querstrom zu den Anoden horizontal von rechts nach links durchströmbar sind. Somit werden die Anoden von einem Anodeneingang 5 zu einem Anodenausgang 6 senkrecht von unten nach oben durchströmt und die Kathoden werden von einem Kathodeneingang 7 zu einem Kathodenausgang 8 horizontal von rechts nach links durchströmt. Das Brenngas B wird dem Anodeneingang 5 über eine Brenngashutze 5a zugeführt, welche den Anodeneingang gegen das Innere des Schutzgehäuses 2 gasdicht trennt.

An der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 1 befindet sich ein Diffusor 12, welcher dazu dient, den Strom des den Anodenausgang 6 verlassenden Anodenabgases zu vergleichmäßigen. Oberhalb des Diffusors 12 ist Anodengasmischer 9 vorgesehen, in welchem das Anodenabgas mit dem im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengasstrom vermischt und diesem Gemisch bei L zugeführte Frischluft zugesetzt wird. Dem Anodengasmischer 9 in Strömungsrichtung nachgeschaltet ist darüber ein katalytischer Brenner 10 vorgesehen, in welchem in dem Gasgemisch noch vorhandene brennbare Restbestandteile des Brenngases katalytisch verbrannt und in thermische Energie umgewandelt werden.

Der die Kathoden der Brennstoffzellen von rechts nach links durchlaufende und in dem Anodengasmischer 9 mit dem Anodenabgas gemischte Kathodengasstrom wird mittels eines Gebläses 4 in Zirkulation versetzt, welches durch einen außerhalb des Schutzgehäuses 2 vorgesehenen Gebläseantrieb 4a in Rotation versetzt wird. Der Kathodengasstrom durchläuft einen dem Brennstoffzellenstapel an dem Kathodeneingang 7 vorgeschalteten Vorwärmer und Diffusor 11 und einen dem Brennstoffzellenstapel am Kathodenausgang 8 nachgeschalteten Wärmetauscher zur Brenngasvorwärmung 3 sowie einen Wärmetauscher 16. Der Vorwärmer und Diffusor 11 dient dazu, den Kathodengasstrom vor dem Eintritt am Kathodeneingang 7 zu vergleichmäßigen und ihn beim Anfahren der Brennstoffzellenanordnung auf Betriebstemperatur vorzuwärmen. In dem Wärmetauscher 3 zur Brenngasvorwärmung wird ein Teil der thermischen Energie des die Kathoden verlassenden Kathodengasstroms ausgekoppelt und zur Vorwärmung des dem Anodeneingang 5 zuzuführenden Brenngases B verwendet. Der Wärmetauscher 16 dient dazu, einen Teil der Wärme aus dem zirkulierenden Kathodengasstrom auszukoppeln und damit den Wärmehaushalt der Brennstoffzellenanordnung zu regulieren. Mit anderen Worten, die Temperatur im Inneren des von dem Schutzgehäuse 2 umgebenen abgeschlossenen Systems wird durch den Wärmetauscher 16 geregelt.

Überschüssiges Kathodengas wird als Abgas der Brennstoffzellenanordnung an der mit A bezeichneten Stelle aus dem Schutzgehäuse 2 abgeführt. Die Abgasmenge A ist das chemische Äquivalent der der Brennstoffzellenanordnung zugeführten Ströme an Brenngas B und Frischluft L.

Fig. 2a) und b) zeigt in der Frontansicht und der Seitenansicht Schnitte durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung. Eine Anzahl von Brennstoffzellen sind in einem Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist von einem Schutzgehäuse 2 umgeben, welcher die Brennstoffzellenanordnung gasdicht einschließt und thermisch gegen die Umgebung isoliert. Ähnlich wie bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Brennstoffzellenanordnung werden auch hier die Anoden der Brennstoffzellen senkrecht von unten nach oben mit Brenngas B durchströmt, wogegen die Kathoden im Querstrom dazu horizontal, nämlich in der Darstellung der Fig. 2a) von rechts nach links durchströmt werden. Das Brenngas B wird der Unterseite des Brennstoffzellenstapels über eine Brenngashutze 5a zugeführt und dort über den Anodeneingang 5 der Brennstoffzellen verteilt. An der Oberseite des Brennstoffzellenstapels verläßt der Strom des verbrannten Brenngases den Anodenausgang 6 der Brennstoffzellen und tritt nach Passieren eines Diffusors 12, welcher zur Vergleichmäßigung des Anodenabgasstroms dient, in den im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengasstrom ein.

Der im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierende Kathodengasstrom wird durch einen Ejektor 24 angetrieben. Ein Ejektor ist grundsätzlich eine Vorrichtung, bei der der Ener gieinhalt eines strömenden treibenden Mediums dazu genutzt wird, ein anderes, getriebenes Medium anzusaugen, mit dem treibenden Medium zu vermischen und auszublasen. Bekannte Beispiele dafür sind die Wasserstrahlpumpe, bei der der treibende Wasserstrahl genutzt wird, um ein Vakuum zu erzeugen, oder die druckluftgetriebene Farbsprühpistole, bei der ein treibender Luftstrom die Farbe ansaugt und gleichzeitig durch eine Düse gleichmäßig versprüht.

Bei dem Ejektor 24 wird mit L bezeichnete Frischluft als treibendes Medium von außen zugeführt und dazu verwendet, die Energie zum Antreiben des im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengases aufzubringen. Das Kathodengas wird an einer Sammelhaube 22 mit dem dem Diffusor 12 verlassenden Anodenabgas zusammengefaßt und gemischt und der Einlaßseite des Ejektors 24 zugeführt. In dem Ejektor 24 wird das Gasgemisch von Anodenabgas und Kathodengas weiter mit der zugeführten Frischluft L vermengt. Der Auslaßseite des Ejektors 24 nachgeschaltet ist ein katalytischer Brenner 20 angeordnet, welcher dazu dient, in dem zirkulierenden Gasstrom noch vorhandene brennbare Restbestandteile des Anodenabgases katalytisch zu verbrennen und in thermische Energie umzuwandeln.

Dem Kathodeneingang 7 des Brennstoffzellenstapels 1 vorgeschaltet ist ein Vorwärmer und Diffusor 11 angeordnet, welcher dazu dient, den zirkulierenden Kathodengasstrom zu vergleichmäßigen und den Eingängen der Kathoden der Brennstoffzellen gleichmäßig zuzuführen und beim Anfahrbetrieb der Brennstoffzellenanordnung das Kathodengas auf die erforderliche Temperatur zu bringen. Dem Kathodenausgang 8 der Brennstoffzellenanordnung nachgeschaltet ist ein Wärmetauscher zur Brenngasvorwärmung 3. Dieser dient dazu, aus dem zirkulierenden Kathodengasstrom Wärme zur Vorwärmung des Brenngases B vor dessen Zuführung zum Anodeneingang 5 auszukoppeln. Weiter in Strömungsrichtung, dem Wärmetauscher 3 nachgeschaltet, ist ein Wärmetauscher 26 nachgeschaltet, durch welchen aus dem innerhalb des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengasstrom Wärme ausgekoppelt wird, um den Wärmehaushalt und damit die Temperatur der Brennstoffzellenanordnung zu regulieren. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 26 ein Gas/Gas-Wärmetauscher, in welchem Luft als kühlendes Medium verwendet wird. Überschüssiges Kathodengas wird als Abgas A aus dem Schutzgehäuse 2 entfernt. Das Abgas A ist das chemische Äquivalent zu den der Brennstoffzellenanordnung zugeführten Strömen an Frischluft L und Brenngas B. Durch die am Wärmetauscher 26 ausgekoppelte Wärmemenge und das abgeführte Abgas A wird der Betriebspunkt der Brennstoffzellenanordnung als Gleichgewichtszustand hergestellt.

Wie aus Fig. 2b) zu sehen ist, sind mehrere, nämlich vier Ejektoren 24 vorgesehen, welche zusammen eine Ejektoranordnung zum Zirkulieren des Kathodengases innerhalb des Schutzgehäuses 2 bilden.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung. Ein Brennstoffzellenstapel 1 ist wiederum durch eine Anzahl von Brennstoffzellen gebildet. Abweichend von dem anhand der Fig. 2 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Anoden und Kathoden der Brennstoffzellen jedoch im Gleichstrom, nämlich in der Darstellung der Fig. 3 jeweils von links nach rechts von den jeweiligen Gasen, nämlich dem Brenngas und dem Kathodengas durchströmt. Hierzu wird das Brenngas B über einen internen Brenngasverteiler (sogenanntes "Internal Manifold") im Inneren des Brennstoffzellenstapels auf die Anoden der einzelnen Brennstoffzellen verteilt, wogegen das Kathodengas von außen an einem Kathodeneingang 7 auf die Einlaßseiten der Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen verteilt wird. Das verbrannte Brenngas verläßt die Anoden als Anodenabgas am Anodenausgang 6 und das verbrauchte Kathodengas verläßt als Kathodenabgas die Kathoden am Kathodenausgang 8, beide an der rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 1 in der Darstellung der Fig. 3. An der rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 1 ist ein Ejektor 34 angeordnet, welcher über eine Einlaßhutze 39 an den Brennstoffzellenstapel 1 angeschlossen ist. Die den Anodenausgang 6 und den Kathodenausgang 8 verlassenden Ströme an Anodenabgas und Kathodenabgas werden in der Einlaßhutze 39 zusammengefaßt und dem Ejektor 34 als getriebenes Medium zugeführt. Das treibende Medium des Ejektors 34 ist Frischluft L, welche dem Ejektor 34 über eine Frischluftdüse 35 zugeführt wird. Die Frischluft L treibt das Kathodengas mit dem beigemischten Anodenabgas an und versetzt es in einen im Inneren des Schutzgehäuses 2 zirkulierenden Kathodengasstrom.

Der Ausgangsseite des Ejektors 34 ist ein katalytischer Brenner 30 nachgeschaltet, in welchem in dem zirkulierenden Kathodengasstrom vorhandene brennbare Restbestandteile des Anodenabgases katalytisch verbrannt und in thermische Energie umgewandelt werden. Im Weg des Kathodengasstroms von der Auslaßseite des Ejektors 34 über den katalytischen Brenner 30 zurück zu der an der linken Seite des Brennstoffzellenstapels 1 befindlichen Kathodeneingangsseite 7 befindet sich ein Wärmetauscher 36, in welchem thermische Energie aus dem zirkulierenden Kathodengas ausgekoppelt wird, um den Wärmehaushalt und die Temperatur der Brennstoffzellenanordnung zu regulieren. Der Wärmetauscher 36 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Gas/Gas-Wärmetauscher, welchem Frischluft als Kühlmedium an einem Kühllufteinlaß 37 zugeführt und an einem Kühlluftauslaß 38 abgeführt wird. Überschüssiges Kathodengas wird als Abgas A aus dem Inneren des Schutzgehäuses 2 entfernt. Das Abgas A stellt das chemische Äquivalent zu den zugeführten Gasströmen an Frischluft L und Brenngas B dar. Durch die über den Wärmetauscher 36 ausgekoppelte Wärme und das abgeführte Abgas A wird der Arbeitspunkt der Brennstoffzellenanordnung im Gleichgewichtszustand hergestellt.

Fig. 4 zeigt in der Querschnittsansicht ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung. In einem Schutzgehäuse 2 befindet sich ein Brennstoffzellenstapel 1, der aus einer Anzahl von Brennstoffzellen gebildet ist, die jeweils eine Anode und eine Kathode enthalten. Der Anodeneingang 5 der Brennstoffzellen befindet sich an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 1. Dort ist ein interner Gasverteiler (sogenannter "Internal Manifold") vorgesehen, über welchen das Brenngas B im Inneren des Brennstoffzellenstapels an die Eingangsseiten der Anoden verteilt wird. Das Brenngas B durchströmt somit die Anoden von oben nach unten. Im Gegensatz dazu werden die Kathoden der Brennstoffzellen im Gegenstrom zu den Anoden von unten nach oben durchströmt. An der Kathodeneingangsseite 7 der Brennstoffzellen ist ein Kathodengasverteiler 7a vorgesehen. Die den Anodenausgang 6 bildenden Ausgangsseiten der Anoden öffnen sich in das Innere des Kathodengasverteilers 7a. Jedoch sind die Ausgangsseiten der Anoden bei 6 gegenüber den Eingangsseiten der Kathoden bei 7 der Höhe nach versetzt angeordnet, mit anderen Worten, die Anoden stehen jeweils gegenüber den Kathoden nach unten aus dem Brennstoffzellenstapel 1 hervor, wie dies in der Detailansicht von Fig. 5 in vergrößerter Form gezeigt ist. Auf den sich dadurch zwischen Anodenausgang 6 und Kathodeneingang 7 ergebenden Flächenbereichen ist ein katalytischer Brenner 40 in Form einer flächigen Anordnung, z. B. in Form einer Beschichtung vorgesehen. Dieser katalytische Brenner 40 dient dazu, in dem Anodenabgas enthaltene noch brennbare Restbestandteile katalytisch zu verbrennen und in thermische Energie umzusetzen. Das verbrannte Anodenabgas wird im Inneren des Kathodengasverteilers 7a mit dem Kathodengas gemischt und zusammen mit diesem dem Kathodeneingang 7 zugeführt. Nach dem Verlassen des Kathodenausgangs 8 an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels tritt das Kathodengas in das Innere des Schutzgehäuses 2 ein. Dort ist ein Ejektor 44 angeordnet, welcher dazu dient, das Kathodengas in Zirkulation zu versetzen. Der Ejektor 44 wird durch Frischluft L angetrieben, welche als treibendes Medium bei 45 zugeführt wird. Ein Steuerventil 47 dient zur Regelung des Gasdurchsatzes durch den Ejektor 44. Im Inneren des Schutzgehäuses 2 ist weiterhin ein Wärmetauscher 46 vorgesehen, mit welchem thermische Energie aus dem Kathodengasstrom ausgekoppelt wird, um den Wärmehaushalt und die Temperatur der Brennstoffzellenanordnung zu regulieren. Weiterhin wird Kathodengas als Abgas A aus dem Kathodengasstrom entfernt. Das Abgas A ist das chemische Äquivalent zu den zugeführten Gasströmen an Brenngas B und Frischluft L. Somit wird durch den Wärmetauscher 46 und das abgeführte Abgas A der Arbeitspunkt der Brennstoffzellenanordnung im Gleichgewichtszustand eingestellt.

Im normalen Betriebszustand der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung stellt sich beispielsweise für das zirkulierende Kathodengas nach Mischung mit dem Anodenabgas eine Temperatur von 540°C und eine Dichte von 0,40 kg/m³ ein. Die Frischluft L wird beispielsweise mit einer Temperatur von 30°C und einer Dichte von ca. 1, 14 kg/m³ zugeführt. Das Mischungsverhältnis in dem Ejektor von Frischluft als treibendem Medium und zirkulierendem Kathodengas als getriebenem Medium kann beispielsweise 2 : 3 betragen.

Der Ausgangsdruck aus dem Ejektor kann etwa 85 mbar betragen bei einem Eingangsdruck der Mischung aus zirkulierendem Kathodengas und Anodenabgas von etwa 50 mbar. Bei dem vorliegenden hohen Dichteunterschied zwischen zugeführter Frischluft L und getriebenem Mischgas bei den angegebenen Temperaturen ist ein nur geringer Überdruck der Frischluft gegenüber dem Ausgangsdruck von etwa 85 mbar notwendig, um die erforderliche Saugwirkung auf das Mischgas auszuüben.

Der Überdruck der Frischluft L kann auf einfache Weise durch ein Gebläse bei Umgebungstemperatur oder gegebenenfalls durch einen Seitenkanalverdichter erreicht werden.

Das in den Fig. 2 bis 4 nicht im einzelnen dargestellte Gebläse zur Förderung der Frischluft L, welche den Ejektoren zugeführt wird, arbeitet bei Umgebungsbedingungen und hat daher einen hohen Wirkungsgrad und ist nur wenig störungsanfällig.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenstapel

2

Schutzgehäuse

3

Wärmetauscher

4

Gebläse

4

a Gebläseantrieb

5

Anodeneingang

5

a Brenngashutze

6

Anodenausgang

7

Kathodeneingang

7

a Kathodengasverteiler

8

Kathodenausgang

9

Anodengasmischer

10

Katalytischer Brenner

11

Vorwärmer und Diffusor

12

Diffusor

16

;

26

;

36

Wärmetauscher

20

;

30

;

40

Katalytischer Brenner

22

Sammelhaube

24

;

34

;

44

Ejektor

25

;

35

;

45

Lufteinlaß

37

Kühllufteinlaß

38

Kühlluftauslaß

39

Einlaßhutze

47

Steuerventil

Claims

1. Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von Brennstoffzellen, die in einem Brennstoffzellenstapel (1) angeordnet und von einem Schutzgehäuse (2) umgeben sind, mit einem Anodeneingang (5) zur Zuführung von Brenngas zu den Anoden der Brennstoffzellen, einem Anodenausgang (6) zur Abführung des verbrannten Brenngases von den Anoden, einem Kathodeneingang (7) zur Zuführung von Kathodengas zu den Kathoden der Brennstoffzellen und einem Kathodenausgang (8) zur Abführung des verbrauchten Kathodengases von den Kathoden, und mit einer Einrichtung, durch die Kathodengas im Inneren des Schutzgehäuses (2) in einen Kreislauf vom Kathodenausgang (8) zum Kathodeneingang (7) in Zirkulation versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zirkulieren des Kathodengases durch eine im Kathodengasstrom vorgesehene Ejektoranordnung (24; 34; 44) gebildet ist.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der getriebene Gasstrom der Ejektoranordnung (24; 34; 44) der Kathodengasstrom ist.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der treibende Gasstrom der Ejektoranordnung (24; 34; 44) ein dem Kathodengasstrom beizumischendes Gas ist.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der treibende Gasstrom dem Kathodengas beizumischende Frischluft ist.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gebläse zur Zuführung von Frischluft zu der Ejektoranordnung (24; 34; 44) vorgesehen ist.

6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse außerhalb des Schutzgehäuses (2) angeordnet ist.

7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Schutzgehäuses (2) ein Wärmetauscher (26; 36; 46) angeordnet ist, welcher dem im Schutzgehäuse (2) zirkulierenden Gasstrom zur Temperaturregelung der Brennstoffzellenanordnung (1) Wärme entzieht.

8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (26; 36; 46) ein Gas/Gas-Wärmetauscher ist.

9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (26; 36; 46) als kühlendes Medium mit Luft beaufschlagt wird.

10. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Schutzgehäuses (2) ein katalytischer Brenner (20; 30; 40) angeordnet ist, welcher in dem im Schutzgehäuse (2) zirkulierenden Gasstrom enthaltene brennbare Restbestandteile des Brenngases verbrennt.

11. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Anodenausgang (6) in das Innere des Schutzgehäuses (2) öffnet, um das Anodenabgas in den zirkulierenden Kathodengasstrom zu mischen.

12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden der Brennstoffzellen im Querstrom zu deren Kathoden durchströmbar sind, und daß Mittel (22) vorgesehen sind, um den den Anodenausgang (6) verlassenden Brenngasstrom zusammen mit dem den Kathodenausgang (8) verlassenden Kathodengasstrom der Einlaßseite der Ejektoranordnung (24) zuzuführen.

13. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (26; 36; 46) zwischen den Kathodenausgang (8) und die Einlaßseite der Ejektoranordnung (24; 34; 44) geschaltet im Kathodengasstrom angeordnet ist.

14. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische Brenner (20; 30; 40) dem Ejektor (24; 34; 44) nachgeschaltet im zirkulierenden Kathodengasstrom angeordnet ist.

15. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden der Brennstoffzellen im Gleichstrom mit deren Kathoden durchströmbar sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um den den Anodenausgang (6) verlassenden Brenngasstrom zusammen mit dem den Kathodenausgang (8) verlassenden Kathodengasstrom der Einlaßseite der Ejektorvorrichtung (34) zuzuführen.

16. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, um den Brenngasstrom mit dem Kathodengasstrom zusammenzufassen, durch eine den Anodenausgang (6) und den Kathodenausgang (8) der Brennstoffzellenanordnung (1) überdeckende Einlaßhutze (35) der Ejektoranordnung (34) gebildet ist.

17. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden der Brennstoffzellen im Gegenstrom zu deren Kathoden durchströmbar sind, wobei das den Anodenausgang (6) der Brennstoffzellen verlassende Brenngas mit dem in den Kathodeneingang (7) der Brennstoffzellen eintretenden Kathodengas gemischt wird, und daß die Ejektoranordnung (44) im Strom des zirkulierenden Kathodengases zwischen Kathodenausgang (8) und Kathodeneingang (7) der Brennstoffzellen angeordnet ist.

18. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische Brenner (40) zwischen dem Anodenausgang (6) und dem Kathodeneingang (7) der Brennstoffzellen vorgesehen ist.

19. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodeneingang (7) der Brennstoffzellen gegen den Anodenausgang (6) der Brennstoffzellen versetzt angeordnet ist, und daß der katalytische Brenner (40) in Form einer flächigen Anordnung zwischen Anodenausgang (6) und Kathodeneingang (7) vorgesehen ist.

20. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ejektoranordnung (24; 34; 44) mehrere Einzelejektoren enthält.

21. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ejektoranordnung (24; 34; 44) mit schlitzförmigen Düsen ausgebildet ist.