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DE202021103801U1 - Gas treatment device - Google Patents

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DE202021103801U1
DE202021103801U1 DE202021103801.2U DE202021103801U DE202021103801U1 DE 202021103801 U1 DE202021103801 U1 DE 202021103801U1 DE 202021103801 U DE202021103801 U DE 202021103801U DE 202021103801 U1 DE202021103801 U1 DE 202021103801U1
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DE
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gas
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heat exchanger
anode
base plate
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Bosal Emission Control Systems NV
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Bosal Emission Control Systems NV
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Abstract

Gasbehandlungsvorrichtung zur Verwendung mit mindestens zwei Brennstoffzellen, wobei die Gasbehandlungsvorrichtung ein Gehäuse mit Basisplatte zur Montage der Brennstoffzellen auf der Basisplatte aufweist, wobei die Basisplatte Einlassöffnungen und Auslassöffnungen zur Durchführung von Kathodengas und Anodengas der Brennstoffzellen aufweist,
und wobei unterhalb der Basisplatte Übergangselemente in Form einer ersten und einer zweiten Halbschale angeordnet sind, wobei die erste Halbschale Auslassöffnungen für Anoden- und Kathodengas überdeckt zum Sammeln von verbrauchtem Anoden- und Kathodengas, und wobei die zweite Halbschale Einlassöffnungen für Anodengas überdeckt zum Verteilen und Zuführen von frischem Anodengas zu den Einlassöffnungen für Anodengas in der Basisplatte,
und wobei im Gehäuse eine Wärmetauschereinheit untergebracht ist, zur Rückgewinnung von Wärme aus verbrauchtem Anoden- und Kathodengas und zum Vorwärmen von frischem Anodengas und frischem Kathodengas.

Figure DE202021103801U1_0000
Gas treatment device for use with at least two fuel cells, the gas treatment device having a housing with a base plate for mounting the fuel cells on the base plate, the base plate having inlet openings and outlet openings for the passage of cathode gas and anode gas of the fuel cells,
and wherein transition elements in the form of a first and a second half-shell are arranged below the base plate, wherein the first half-shell covers outlet openings for anode and cathode gas for collecting used anode and cathode gas, and wherein the second half-shell covers inlet openings for anode gas for distribution and supply of fresh anode gas to the anode gas inlet openings in the base plate,
and a heat exchanger unit being accommodated in the housing for recovering heat from used anode and cathode gas and for preheating fresh anode gas and fresh cathode gas.
Figure DE202021103801U1_0000

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasbehandlungsvorrichtungen, insbesondere auf Gasbehandlungsvorrichtungen im Zusammenspiel mit Brennstoffzellen.The invention relates to the field of gas treatment devices, in particular to gas treatment devices in conjunction with fuel cells.

Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellen, wie beispielsweise Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), werden typischerweise mit Gasbehandlungsvorrichtungen, wie Wärmetauscher, verwendet. Die ermöglicht einen optimierten Betrieb der Brennstoffzellen, sowie eine optimierte Energiebilanz der Systems. Oft besteht jedoch ein Problem zwischen der Anzahl benötigter oder gewünschter Komponenten und dem vorhandenen Platz. Dazu wird beispielsweise in US 7,771,884 B2 eine Verteileinheit von Anoden- und Kathodengas zweier Festoxidbrennstoffzellen direkt in eine Anschlussplatte der Brennstoffzellen integriert. Diese Schrift bezieht sich jedoch nicht im Detail auf eine mit den Brennstoffzellen verbundene Gasbehandlungsvorrichtung und die bei einer Verkleinerung eines solchen Systems auftretenden Druckverlusten.Fuel cells, particularly high temperature fuel cells such as solid oxide fuel cells (SOFC), are typically used with gas treatment devices such as heat exchangers. This enables an optimized operation of the fuel cells, as well as an optimized energy balance of the system. However, there is often a problem between the number of components required or desired and the space available. For example, in US 7,771,884 B2 a distribution unit for the anode and cathode gas of two solid oxide fuel cells integrated directly into a connection plate of the fuel cells. However, this document does not refer in detail to a gas treatment device connected to the fuel cells and the pressure losses that occur when such a system is reduced in size.

Es ist deshalb ein Bedürfnis eine Gasbehandlungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche einen kompakten Aufbau aufweist und dabei hohe Energieeffizienz ermöglicht. Es ist insbesondere ein Bedürfnis eine Gasbehandlungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, in der ein Druckverlust aufgrund Verkleinerung der Vorrichtung zumindest teilweise durch eine spezielle Konstruktion von Verteilerelementen kompensiert wird.There is therefore a need to provide a gas treatment device which has a compact design and at the same time enables high energy efficiency. In particular, there is a need to provide a gas treatment device in which a pressure loss due to the downsizing of the device is at least partially compensated for by a special construction of distributor elements.

Die Erfindung betrifft eine Gasbehandlungsvorrichtung zur Verwendung mit mindestes zwei Brennstoffzellen, welche in der Regel in der Form von Brennstoffzellenstapel Anwendung finden. Die Vorrichtung ist vorzugsweise auf die Verwendung mit zwei Brennstoffzellenstapel ausgerichtet, kann jedoch sehr einfach auf die Verwendung mit drei, vier oder mehr Brennstoffzellenstapel erweitert werden, wie weiter unten beschrieben.The invention relates to a gas treatment device for use with at least two fuel cells, which are generally used in the form of fuel cell stacks. The device is preferably designed for use with two fuel cell stacks, but can very easily be expanded for use with three, four or more fuel cell stacks, as described further below.

Die Gasbehandlungsvorrichtung weist ein Gehäuse mit Basisplatte zur Montage der Brennstoffzellen auf der Basisplatte auf. Die Basisplatte weist Einlassöffnungen und Auslassöffnungen zur Durchführung von Kathodengas und Anodengas der Brennstoffzellen auf. Unterhalb der Basisplatte sind Übergangselemente in Form einer ersten und einer zweiten Halbschale angeordnet. Die erste Halbschale überdeckt, vorzugsweise sämtliche, Auslassöffnungen für Anoden- und Kathodengas zum Sammeln von verbrauchtem Anoden- und Kathodengas. Die zweite Halbschale überdeckt, vorzugsweise sämtliche, Einlassöffnungen für Anodengas zum Verteilen und Zuführen von frischem Anodengas zu den Einlassöffnungen für Anodengas in der Basisplatte. Im Gehäuse ist eine Wärmetauschereinheit untergebracht zur Rückgewinnung von Wärme aus verbrauchtem Anoden- und Kathodengas und zum Vorwärmen von frischem Anodengas und frischem Kathodengas.The gas treatment device has a housing with a base plate for mounting the fuel cells on the base plate. The base plate has inlet openings and outlet openings for the passage of cathode gas and anode gas of the fuel cells. Transition elements in the form of a first and a second half-shell are arranged below the base plate. The first half-shell covers, preferably all, outlet openings for anode and cathode gas for collecting used anode and cathode gas. The second half-shell covers, preferably all, inlet openings for anode gas for distributing and supplying fresh anode gas to the inlet openings for anode gas in the base plate. A heat exchanger unit is accommodated in the housing for recovering heat from used anode and cathode gas and for preheating fresh anode gas and fresh cathode gas.

Die beiden Halbschalen ermöglichen einen möglichst ungehinderten Gasfluss von und zu den Durchführungen in der Basisplatte und damit zu den Brennstoffzellen und zu Gasbehandlungskomponenten, wie beispielsweise der Wärmetauschereinheit, aber auch Reformer oder katalytische Brenner, welche in der Vorrichtung vorzugsweise Anwendung finden. Die Weite der Halbschalen ermöglicht einen druckverlustarmen Übergang und eine Verbesserung der Gleichmässigkeit von Gasströmungen im Vergleich zu Rohren oder Krümmern. Zudem weisen Halbschalen einen sehr flachen Aufbau auf, so dass eine parallele Anordnung der Halbschalen zur Basisplatte Platz sparende Übergangselemente, sogenannte Interfaces oder Verteiler, bilden. Die Brennstoffzellen können über die Übergangselemente direkt mit der Wärmetauschereinheit verbunden sein. Vorzugsweise sind jedoch weitere Gasbehandlungskomponenten vorhanden, welche in Gebrauch der Gasbehandlungsvorrichtung zwischen Brennstoffzelle und Wärmetauschereinheit zwischengeschaltet sind und ebenfalls im Gehäuse untergebracht sind. Solche weiteren Gasbehandlungskomponenten sind beispielsweise Reformer und katalytische Brenner, wie oben erwähnt.The two half-shells enable gas to flow as freely as possible from and to the feedthroughs in the base plate and thus to the fuel cells and to gas treatment components, such as the heat exchanger unit, but also reformers or catalytic burners, which are preferably used in the device. The width of the half-shells enables a transition with little pressure loss and an improvement in the evenness of gas flows compared to pipes or elbows. In addition, half-shells have a very flat structure, so that a parallel arrangement of the half-shells to the base plate forms space-saving transition elements, so-called interfaces or distributors. The fuel cells can be connected directly to the heat exchanger unit via the transition elements. However, there are preferably further gas treatment components which, when the gas treatment device is in use, are interposed between the fuel cell and the heat exchanger unit and are also accommodated in the housing. Such further gas treatment components are, for example, reformers and catalytic burners, as mentioned above.

Das Gehäuse weist vorzugsweise zwei katalytische Brenner auf, welche vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind. Die katalytischen Brenner sind an ihren jeweiligen Einlassenden mit Auslassöffnungen in der ersten Halbschale verbunden und an ihren jeweiligen Auslassenden über ein gemeinsames Sammelelement mit der Wärmetauschereinheit verbunden. Die erste Halbschale weist vorzugsweise zwei Auslassöffnungen auf, welche Auslassöffnungen voneinander beanstandet in seitlichen Bereichen der ersten Halbschale angeordnet sind.The housing preferably has two catalytic burners, which are preferably arranged parallel to one another. The catalytic burners are connected at their respective inlet ends to outlet openings in the first half-shell and at their respective outlet ends are connected to the heat exchanger unit via a common collecting element. The first half-shell preferably has two outlet openings, which outlet openings are arranged at a distance from one another in lateral regions of the first half-shell.

Das gemeinsame Sammelelement ist vorzugweise eine Halbschalenkonstruktion. Dabei sind zwei Halbschalen aneinander befestigt. Vorzugsweise ist das gemeinsame Sammelelement derart angeordnet, dass die eine Halbschale im Wesentlichen eine abschliessende Querseite im Gehäuse bildet, während die gegenüberliegende Halbschale die Anschlussöffnungen für die katalytischen Brenner aufweist. Das Sammelelement ist vorzugsweise mit einer weiten Auslassöffnung direkt an die Wärmetauschereinheit angeschlossen.The common collecting element is preferably a half-shell construction. Two half-shells are attached to each other. The common collecting element is preferably arranged in such a way that one half-shell essentially forms a closing transverse side in the housing, while the opposite half-shell has the connection openings for the catalytic burners. The collecting element is preferably connected directly to the heat exchanger unit with a wide outlet opening.

Vorzugsweise weist das Gehäuse einen Reformer auf. Der Reformer ist an seinem Einlassende mit der Wärmetauschereinheit, und an seinem Auslassende mit der zweiten Halbschale verbunden. Im Reformer wird ein Brennstoff, vorzugsweise Naturgas, in Wasserstoff umgewandelt, welcher Wasserstoff in nachgeschalteten Brennstoffzellen dann in Strom und Wärme umgewandelt wird.The housing preferably has a reformer. The reformer is connected at its inlet end to the heat exchanger unit and at its outlet end to the second half-shell. A fuel is used in the reformer, preferably Natural gas, converted into hydrogen, which hydrogen is then converted into electricity and heat in downstream fuel cells.

Der Brennstoff wird in der Wärmetauschereinheit vorgewärmt für eine optimale Effizienz zur Reformierung des Brennstoffs im Reformer.The fuel is preheated in the heat exchanger unit for optimal efficiency for reforming the fuel in the reformer.

Vorzugsweise weist die Gasbehandlungsvorrichtung eine Wärmetauschereinheit mit zwei in Serie angeordneten Wärmetauschern auf. Der erste der zwei Wärmetauscher ist zum Erwärmen von Reformergas, also im Reformer zu Wasserstoff umwandelbarem Brennstoff, vorgesehen. Der nachgeschaltete zweite Wärmetauscher ist zum Erwärmen von frischem Kathodengas vorgesehen.The gas treatment device preferably has a heat exchanger unit with two heat exchangers arranged in series. The first of the two heat exchangers is provided for heating reformer gas, that is to say fuel that can be converted into hydrogen in the reformer. The downstream second heat exchanger is provided for heating fresh cathode gas.

Mit dem vorsehen von zwei Wärmetauschern, kann jeweils ein Wärmetauscher für seine Funktion optimiert werden: ein erster stromaufwärts angeordneter Wärmetauscher zum Erwärmen von kleineren Mengen von Reformergas, die jedoch vorzugsweise stark erhitzt werden, und ein zweiter stromabwärts angeordneter Wärmetauscher zum Vorwärmen von grösseren Mengen von Kathodengas, typischerweise Umgebungsluft.With the provision of two heat exchangers, one heat exchanger can be optimized for its function: a first heat exchanger arranged upstream for heating smaller amounts of reformer gas, which are, however, preferably strongly heated, and a second heat exchanger arranged downstream for preheating larger amounts of cathode gas , typically ambient air.

Der erste Wärmetauscher kann entsprechend kleiner dimensioniert werden, da darin kleinere Mengen von Gas behandelt werden. Der zweite Wärmetauscher ist vorzugsweise grösser dimensioniert, um grössere Mengen an frischem Kathodengas vorwärmen zu können.The first heat exchanger can be dimensioned correspondingly smaller, since smaller amounts of gas are treated therein. The second heat exchanger is preferably dimensioned larger in order to be able to preheat larger quantities of fresh cathode gas.

Der zweite Wärmetauscher weist vorzugsweise ein Sammelelement für erwärmtes Kathodengas auf. Das Sammelelement erstreckt sich an seinem einen Ende vorzugsweise im Wesentlichen über eine gesamte Breite des zweiten Wärmetauschers. An seinem zweiten Ende ist das Sammelelement über separate Leitungsabschnitte mit Einlassöffnungen für Kathodengas in der Basisplatte verbunden.The second heat exchanger preferably has a collecting element for heated cathode gas. At one end, the collecting element preferably extends essentially over an entire width of the second heat exchanger. At its second end, the collecting element is connected to inlet openings for cathode gas in the base plate via separate line sections.

Da Anodengas in kleineren Mengen verwendet wird, sind vorzugsweise mehrere, kleine Einlass- und Auslassöffnungen für Anodengas, beispielsweise jeweils zwei pro Brennstoffzelle, in der Basisplatte vorgesehen. Da Kathodengas, also Oxidationsgas, in grösseren Mengen gebraucht wird, sind vorzugsweise jeweils eine grosse Einlassöffnung und eine grosse Auslassöffnung pro Brennstoffzelle vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Basisplatte somit vier grosse Durchgangsöffnungen für Kathodengas und acht kleinere Durchgangsöffnungen für Anodengas auf. Die Basisplatte kann weitere Durchgangsöffnungen für weitere Elemente aufweisen. Beispielsweise weist die Basisplatte eine Durchgangsöffnung für Abgas auf.Since anode gas is used in smaller quantities, a plurality of small inlet and outlet openings for anode gas, for example two per fuel cell, are preferably provided in the base plate. Since cathode gas, that is to say oxidation gas, is used in larger quantities, one large inlet opening and one large outlet opening are preferably provided for each fuel cell. In a preferred embodiment, the base plate thus has four large through openings for cathode gas and eight smaller through openings for anode gas. The base plate can have further through openings for further elements. For example, the base plate has a passage opening for exhaust gas.

Ein Sammelelement, welches an einen Wärmetauscher angeschlossen ist, weist vorzugsweise jeweils zwei aneinander befestigte Halbschalen auf. Für das Sammelelement gelten entsprechend die gleichen Vorteile wie für Einzelhalbschalen: einen druckverlustarmen Übergang zum oder vom Wärmetauscher und anderen Komponenten der Gasbehandlungsvorrichtung sowie eine Verbesserung der Gleichmässigkeit der Strömung im Vergleich zu Rohren oder Krümmern. Zudem erlaubt das Sammelelement die Funktionsaufteilung der zwei Wärmetauscher, unabhängig davon wieviele Brennstoffzellen zusammen mit der Gasbehandlungsvorrichtung verwendet werden. Die jeweiligen Halbschalen des Übergangselements oder der Sammelelemente können mit der jeweiligen Anzahl Auslassöffnungen, beispielsweise bei mehr als zwei katalytischen Brennern, oder mit mehr als zwei Einlassöffnungen, beispielsweise ins Sammelelement zwischen Brenner und Wärmetauscher, versehen werden.A collecting element which is connected to a heat exchanger preferably has two half-shells attached to one another. The same advantages apply to the collecting element as to individual half-shells: a transition to or from the heat exchanger and other components of the gas treatment device with little pressure loss and an improvement in the evenness of the flow compared to pipes or elbows. In addition, the collecting element allows the functional division of the two heat exchangers, regardless of how many fuel cells are used together with the gas treatment device. The respective half-shells of the transition element or the collecting elements can be provided with the respective number of outlet openings, for example with more than two catalytic burners, or with more than two inlet openings, for example in the collecting element between the burner and the heat exchanger.

Da vorzugsweise lediglich eine der beiden Halbschalen eines Sammelelements mit den separaten Ein- oder Auslassöffnungen versehen ist, muss entsprechend nur eine Halbschale eines Sammelelements an die Verwendung der Gasbehandlungsvorrichtung mit mehr als zwei Brennstoffzellen, oder mehr also zwei katalytischen Brennern, angepasst werden.Since preferably only one of the two half-shells of a collecting element is provided with the separate inlet or outlet openings, only one half-shell of a collecting element has to be adapted to the use of the gas treatment device with more than two fuel cells, or more so two catalytic burners.

Die katalytischen Brenner sind vorzugsweise parallel zueinander und vorzugsweise parallel zur und über der Wärmetauschereinheit angeordnet. Die katalytischen Brenner sind vorzugsweise unterhalb der ersten und zweiten Halbschalen angeordnet. Die Sammelelemente verlaufen vorzugsweise senkrecht zu den Brennern und der Wärmetauschereinheit. Mit den jeweils aus Halbschalen gefertigten Sammelelementen zwischen den Komponenten der Gasbehandlungsvorrichtung kann eine sehr kompakte Vorrichtung hergestellt werden. Die Kompaktheit der Vorrichtung ist nicht nur in Bezug auf einen vorhandenen oder nicht vorhandenen Platz relevant, sondern auch bezüglich Kosten und Energieeffizienz.The catalytic burners are preferably arranged parallel to one another and preferably parallel to and above the heat exchanger unit. The catalytic burners are preferably arranged below the first and second half-shells. The collecting elements preferably run perpendicular to the burners and the heat exchanger unit. A very compact device can be produced with the collecting elements made from half-shells between the components of the gas treatment device. The compactness of the device is relevant not only with regard to the space available or not, but also with regard to costs and energy efficiency.

Ein kleineres Gehäuse weist eine kleinere Oberfläche auf, über welche Wärme in die Umgebung abgestrahlt wird, welche Wärme somit für das System und Energiegewinnung verloren ist. Zudem werden Hohlräume in einem Gehäuse üblicherweise mit thermisch isolierendem Material gefüllt. Kleinere und weniger Hohlräume benötigen entsprechend kleinere Mengen an thermisch isolierendem Material, so dass Materialkosten eingespart werden können.A smaller housing has a smaller surface via which heat is radiated into the environment, which heat is thus lost for the system and energy generation. In addition, cavities in a housing are usually filled with thermally insulating material. Smaller and fewer cavities require correspondingly smaller amounts of thermally insulating material, so that material costs can be saved.

Vorzugsweise sind Hohlräume im Gehäuse der Gasbehandlungsvorrichtung mit thermisch isolierendem Material gefüllt. Das thermisch isolierende Material kann jedes dafür geeignete thermisch isolierende Material, vorzugsweise ein mikroporöses thermisch isolierendes Material, sein. Vorzugsweise ist ein thermisch isolierendes Material ein thermisch isolierendes Pulver, beispielsweise ein mikroporöses Pulver mit niedriger thermischer Leitfähigkeit. Dies ermöglicht eine gute Verteilung des Isolationsmaterials auch in kleine Zwischenräume und schwer zugängliche Bereiche im Gehäuse. Ein thermisch isolierendes Material weist vorzugsweise eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0.07 W/K*m auf.Preferably, cavities in the housing of the gas treatment device are filled with thermally insulating material. The thermally insulating material can be any suitable thermally insulating material, preferably a microporous one thermally insulating material. A thermally insulating material is preferably a thermally insulating powder, for example a microporous powder with low thermal conductivity. This enables the insulation material to be well distributed even in small spaces and areas in the housing that are difficult to access. A thermally insulating material preferably has a specific thermal conductivity of less than 0.07 W / K * m.

Das thermische isolierende Material, sowie die in der Gasbehandlungsvorrichtung verwendeten Materialien von Komponenten und Übergangselementen sind vorzugsweise hochtemperaturbeständig. Sie weisen vorzugsweise eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 750 Grad Celsius oder 950 Grad Celsius auf.The thermal insulating material, as well as the materials of components and transition elements used in the gas treatment device, are preferably resistant to high temperatures. They preferably have a temperature resistance of at least 750 degrees Celsius or 950 degrees Celsius.

In Gebrauch der Gasbehandlungsvorrichtung und in gewissen Ausführungsformen sind mindestens zwei Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellen, auf der Basisplatte angebracht. Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist vorzugsweise eine Festoxidbrennstoffzelle (solid oxide fuel cell - SOFC).When the gas treatment device is in use and in certain embodiments, at least two fuel cells, in particular high-temperature fuel cells, are attached to the base plate. A high temperature fuel cell is preferably a solid oxide fuel cell (SOFC).

Vorzugsweise sind die zwei oder mehr Brennstoffzellen identische Brennstoffzellen. Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapel sind vorzugsweise symmetrisch auf der Basisplatte angeordnet.Preferably the two or more fuel cells are identical fuel cells. Fuel cells or fuel cell stacks are preferably arranged symmetrically on the base plate.

Vorzugsweise sind die zwei oder mehr katalytischen Brenner identische katalytische Brenner. Vorzugsweise sind katalytische Brenner symmetrisch im Gehäuse angeordnet.Preferably the two or more catalytic burners are identical catalytic burners. Catalytic burners are preferably arranged symmetrically in the housing.

Vorzugsweise weist die Gasbehandlungsvorrichtung eine gleiche Anzahl katalytischer Brenner auf wie Brennstoffzellen auf der Basisplatte angebracht sind oder angebracht werden können. Die katalytischen Brenner sind vorzugsweise alle parallel zueinander, und vorzugsweise direkt nebeneinander oder übereinander im Gehäuse angeordnet.The gas treatment device preferably has the same number of catalytic burners as fuel cells are or can be attached to the base plate. The catalytic burners are preferably all arranged parallel to one another, and preferably directly next to one another or one above the other in the housing.

In bevorzugten Ausführungsformen der Gasbehandlungsvorrichtung wird in einem ersten Wärmetauscher verbrauchtes Anoden- und Kathodengas sämtlicher mit der Vorrichtung verwendeten Brennstoffzellen behandelt und Reformergas für sämtliche Brennstoffzellen erwärmt. In einem zweiten Wärmetauscher wird Kathodengas für sämtliche mit der Vorrichtung verwendeten Brennstoffzellen erwärmt. Dies erlaubt eine Funktionstrennung für die Wärmetauscher unabhängig von der Anzahl Brennstoffzellen mit der die Gasbehandlungsvorrichtung verwendet wird. Auch ist ein Ausbau der Gasbehandlungsvorrichtung auf die Verwendung mit mehr als zwei Brennstoffzellen möglich, im Wesentlichen ohne Veränderung an der Wärmetauschereinheit.In preferred embodiments of the gas treatment device, used anode and cathode gas from all fuel cells used with the device is treated in a first heat exchanger and reformer gas is heated for all fuel cells. In a second heat exchanger, cathode gas is heated for all fuel cells used with the device. This allows a functional separation for the heat exchangers regardless of the number of fuel cells with which the gas treatment device is used. It is also possible to expand the gas treatment device for use with more than two fuel cells, essentially without changing the heat exchanger unit.

In der Vorrichtung verwendete Halbschalen oder aus Halbschalen hergestellte Elemente ermöglichen eine sehr gleichförmige und möglichst hindernisfreie Strömung von Gas. Zudem werden in der Vorrichtung und deren Komponenten vorzugsweise möglichst Durchmesser und Krümmungen in Rohren oder Übergängen verwendet, welche Durchmesser vorzugsweise gross und welche Krümmungen vorzugsweise keine kleineren Krümmungswinkel als 90 Grad aufweisen.Half-shells used in the device or elements made from half-shells enable a very uniform and, as far as possible, unobstructed flow of gas. In addition, diameters and curvatures in pipes or transitions are preferably used in the device and its components, which diameters are preferably large and which curvatures preferably have no angles of curvature smaller than 90 degrees.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figurenbespielen näher erläutert. Dabei zeigt:

  • 1 eine Ansicht auf eine Gasbehandlungsvorrichtung;
  • 2 eine Ansicht auf ein bevorzugtes Innenleben einer Gasbehandlungsvorrichtung gemäss 1;
  • 3 katalytische Brenner und Wärmetauscher der Vorrichtung aus 2;
  • 4 die Vorwärmeinheit von Kathodengas gemäss 2;
  • 5 eine Variante der Gasbehandlungsvorrichtung mit Zusatzeinheit als Umwälz-Wärmetauscher.
In the following, the invention is explained in more detail on the basis of examples of figures. It shows:
  • 1 a view of a gas treatment device;
  • 2 a view of a preferred inner workings of a gas treatment device according to 1 ;
  • 3 catalytic burners and heat exchangers of the device 2 ;
  • 4th the preheating unit of cathode gas according to 2 ;
  • 5 a variant of the gas treatment device with an additional unit as a circulating heat exchanger.

In den Figuren werden gleiche Referenzzeichen für gleiche Elemente verwendet.In the figures, the same reference symbols are used for the same elements.

1 zeigt eine Aussenansicht der Gasbehandlungsvorrichtung 1, welche in einem quaderförmigen Gehäuse 10 untergebracht ist. Das Gehäuse 10, vorzugsweise aus Metall oder hochtemperaturbeständigem Material, weist eine obere Basisplatte 11, vier Seitenwände 12 und eine Bodenplatte 13 auf. Zwei Hochtemperatur-Brennstoffzellen, vorzugsweise SOFS, können auf der Basisplatte 11 angebracht werden (nicht eingezeichnet). 1 shows an external view of the gas treatment device 1 , which in a cuboid housing 10 is housed. The case 10 , preferably made of metal or high-temperature-resistant material, has an upper base plate 11th , four side walls 12th and a base plate 13th on. Two high temperature fuel cells, preferably SOFS, can be placed on the base plate 11th attached (not shown).

Die Basisplatte 11 weist mehrere Durchgangsöffnungen auf. Sie weist insbesondere vier Kathodenöffnungen 20,21 und acht kleinere Anodenöffnungen 22,23 auf. Die Durchgangsöffnungen sind regelmässig in der Basisplatte 11 verteilt angeordnet.The base plate 11th has several through openings. In particular, it has four cathode openings 20, 21 and eight smaller anode openings 22, 23. The through openings are regular in the base plate 11th arranged distributed.

Die auf der Basisplatte 11 rechts in der Figur eingezeichneten Kathoden- und Anodenöffnungen 21,23 sind zur Durchführung von Kathodengas und Anodengas in die zwei auf der Basisplatte 11 angebrachten Brennstoffzellen bzw. deren Kathoden und Anoden. Beispiele für Innendurchmesser von Anodenöffnungen sind 8mm bis 15mm. Beispiele für Innendurchmesser für Kathodenöffnungen sind 15mm bis 35mm.The one on the base plate 11th Cathode and anode openings 21, 23 drawn on the right in the figure are for the passage of cathode gas and anode gas into the two on the base plate 11th attached fuel cells or their cathodes and anodes. Examples of inside diameters of anode openings are 8mm to 15mm. Examples of inner diameters for cathode openings are 15mm to 35mm.

Die auf der Basisplatte 11 links in der Figur eingezeichneten Kathoden- und Anodenöffnungen 20,22 sind zur Durchführung von verbrauchtem Kathodengas und Anodengas aus den beiden auf der Basisplatte 11 angebrachten Brennstoffzellen bzw. deren Kathoden und Anoden zu den Komponenten der Gasbehandlungsvorrichtung.The one on the base plate 11th Cathode and anode openings 20, 22 drawn on the left in the figure are for carrying out used Cathode gas and anode gas from the two on the base plate 11th attached fuel cells or their cathodes and anodes to the components of the gas treatment device.

Die Basisplatte 11 weist eine Abgasöffnung 25 zum Einbringen eines Abgasrohrs 6 auf. Des Weiteren ist eine Zusatzeinheit 7 auf der Basisplatte 11 angebracht. Die Zusatzeinheit kann beispielsweise ein Zusatzheizmodul zum Aufheizen der Wärmetauscher 41,42 bei einem Kaltstart sein. Sie kann jedoch auch ein Umwälz-Wärmetauscher sein, wie in 5 näher beschrieben ist.The base plate 11th has an exhaust port 25th for introducing an exhaust pipe 6th on. There is also an additional unit 7th on the base plate 11th appropriate. The additional unit can be, for example, an additional heating module for heating up the heat exchangers 41, 42 during a cold start. However, it can also be a circulating heat exchanger, as in 5 is described in more detail.

Eine seitliche Öffnung 29 in einer Seitenwand 12 ist zur Zuführung von Kühlgas zu den katalytischen Brennern 40 vorgesehen.A side opening 29 in a side wall 12th is for supplying cooling gas to the catalytic burners 40 intended.

In 2 ist das Innenleben der Gasbehandlungsvorrichtung ohne Gehäuse 10 gezeigt. Die beiden Halbschalen 50,51 sind dicht unten an der Basisplatte 11 angebracht. Die erste Halbschale 50 überdeckt die Kathoden- und Anodenauslassöffnungen 20,22. Die zweite Halbschale 51 überdeckt die Anodeneinlassöffnungen 23.In 2 is the inner workings of the gas treatment device without a housing 10 shown. The two half-shells 50, 51 are close to the bottom of the base plate 11th appropriate. The first half-shell 50 covers the cathode and anode outlet openings 20, 22. The second half-shell 51 covers the anode inlet openings 23 .

Zwei seitlich in der ersten Halbschale 50 eingebrachte Öffnungen 501 sind via zwei kurze Rohrstücke 54 an jeweils einen katalytischen Brenner 40 angeschlossen. Die beiden katalytischen Brenner 40 sind parallel nebeneinander angeordnet. Sie weisen einen gemeinsamen, mittig angeordneten Kühleinlass 400 auf. Dieser dient der Zuführung von vorzugsweise Kaltluft, wie Umgebungsluft, um bei Bedarf die Brenner 40 zu Kühlen und Schäden aufgrund thermischer Überhitzung zu vermeiden.Two on the side of the first half-shell 50 introduced openings 501 are via two short pieces of pipe 54 to one catalytic burner each 40 connected. The two catalytic burners 40 are arranged parallel to each other. They have a common, centrally located cooling inlet 400 on. This is used to supply preferably cold air, such as ambient air, to the burner if required 40 to cool and avoid damage due to thermal overheating.

Ein stromabwärtiges Ende der katalytischen Brenner 40 mündet jeweils in ein Sammelelement 60, wie in 3 gut zu sehen ist. Das Sammelelement 60 besteht aus zwei Halbschalen und sammelt ein in den katalytischen Brennern 40 oxidiertes, reagiertes und aufgrund der in den Brennern exothermischen Reaktionen weiter erhitztes Abgas und leitet dieses zu einem ersten Wärmetausche 41. Das Sammelelement 60 weist dazu eine einzelne grosse Auslassöffnung auf, welche an eine Einlassöffnung 411 im ersten Wärmetauscher 41 angeschlossen ist. Die Einlassöffnung 411 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Breite des ersten Wärmetauschers 41, was in 4 gut zu sehen ist.A downstream end of the catalytic burners 40 each opens into a collecting element 60 , as in 3 is easy to see. The collecting element 60 consists of two half-shells and collects one in the catalytic burners 40 oxidized, reacted and, due to the exothermic reactions in the burners, further heated exhaust gas and leads this to a first heat exchange 41 . The collecting element 60 has for this purpose a single large outlet opening which connects to an inlet opening 411 in the first heat exchanger 41 connected. The inlet opening 411 extends essentially over the entire width of the first heat exchanger 41 what in 4th is easy to see.

Im ersten Wärmetauscher 41 wird das erhitzte Abgas benutzt um Brennstoff vorzuwärmen. Der vorgewärmte Brennstoff gelangt in den am ersten Wärmetauscher angebrachten Reformer 43. Darin wird Brennstoff, vorzugsweise Naturgas, in Wasserstoff umgewandelt. Wasserstoff wird zur Energieherstellung in den Brennstoffzellen benötigt. Die im Reformer 43 ablaufenden Reaktionen sind endothermisch, so dass sich reduziertes Gas im Reformer abkühlt.In the first heat exchanger 41 the heated exhaust gas is used to preheat fuel. The preheated fuel enters the reformer attached to the first heat exchanger 43 . In it, fuel, preferably natural gas, is converted into hydrogen. Hydrogen is required to produce energy in the fuel cells. The one in the reformer 43 The reactions taking place are endothermic, so that the reduced gas cools down in the reformer.

Der Reformer 43, eine im Wesentlichen rohrförmige Komponente, ist an eine zentrale Reformeröffnung 510 in der zweiten Halbschale 51 angeschlossen. In der Halbschale 51 wird das für die Brennstoffzellen benötigte Wasserstoffgasgemisch auf die Breite der Basisplatte 11 und gleichmässig auf die Anodeneinlassöffnungen 23 verteilt.The reformer 43 , a substantially tubular component, is attached to a central reformer port 510 in the second half-shell 51 connected. In the half-shell 51 the hydrogen gas mixture required for the fuel cells is adjusted to the width of the base plate 11th and evenly on the anode inlet openings 23 distributed.

Wie in 3 gut zu sehen, ist der erste Wärmetauscher 41 über eine Verbindung 410 mit einem zweiten Wärmetauscher 42 verbunden. Nachdem das Abgas im ersten Wärmetauscher 41 Wärme an den Brennstoff abgegeben hat, wird das abgekühlte, aber immer noch warme Abgas über die Verbindung 410 in den zweiten Wärmetauscher 42 geführt. Im zweiten Wärmetauscher 42, welcher etwas grösser ausgestaltet ist als der erste Wärmetauscher 41, wird die Restwärme im Abgas zum Vorwärmen von Kathodengas, einem Oxidationsgas, typischerweise Umgebungsluft, verwendet.As in 3 clearly visible is the first heat exchanger 41 over a connection 410 with a second heat exchanger 42 connected. After the exhaust gas in the first heat exchanger 41 Has given off heat to the fuel, the cooled but still warm exhaust gas is passed through the connection 410 into the second heat exchanger 42 guided. In the second heat exchanger 42 , which is made slightly larger than the first heat exchanger 41 , the residual heat in the exhaust gas is used to preheat cathode gas, an oxidizing gas, typically ambient air.

Das erwärmte Kathodengas wird über ein weiteres Sammelelement 61, welches wiederum aus zwei Halbschalen gefertigt ist, am Auslass 420 des zweiten Wärmetauschers gesammelt. Aufgrund der schmalen und breiten Ausgestaltung des Sammelelements 61, kann erwärmtes Kathodengas praktisch hindernisfrei von unten nach oben, zwischen den Brennern 40 durch und durch die Vorrichtung geführt werden. Das Sammelelement 61 weist an seinem oberen Ende der einen Halbschale zwei Anschlussöffnungen und daran angebrachte Anschlussrohre 52 auf. Die Enden 520 der parallel zueinander geführten Anschlussrohre 52 sind mit den Kathodeneinlassöffnungen 21 in der Basisplatte 11 verbunden.The heated cathode gas is via another collecting element 61 , which in turn is made of two half-shells, at the outlet 420 the second heat exchanger collected. Due to the narrow and wide design of the collecting element 61 , heated cathode gas can flow from bottom to top between the burners with practically no obstacles 40 be passed through and through the device. The collecting element 61 has at its upper end of one half-shell two connection openings and connection pipes attached to them 52 on. The ends 520 of the connecting pipes running parallel to each other 52 are with the cathode inlet ports 21 in the base plate 11th connected.

Das Abgas, welches im ersten Wärmetauscher 41 zum Vorwärmen von Brenngas und im zweiten Wärmetauscher 42 zum Vorwärmen von Oxidationsgas verwendet wurde, wird nun über ein an eine Auslassöffnung 421 im zweiten Wärmetauscher 42 angebrachtes Abgasrohr 6, an die Umgebung abgegeben.The exhaust gas in the first heat exchanger 41 for preheating fuel gas and in the second heat exchanger 42 Was used to preheat the oxidizing gas is now connected to an outlet opening 421 in the second heat exchanger 42 attached exhaust pipe 6th , released to the environment.

5 zeigt die Gasbehandlungsvorrichtung mit Zusatzeinheit 7 in der Form eines Umwälz-Wärmetauschers. Ein Teil des Anodengasstroms wird von der Halbschale 50 abgezweigt, bevor der Anodengasstrom in die katalytischen Brenner 40 eingeleitet wird. Der abgezweigte Anodengasstrom fliesst durch den Umwälz-Wärmetauscher und wird mittels Verbindungsrohr 71 in den ersten Wärmetauscher geleitet 41. Die Zusatzeinheit 7 wirkt somit als Kühler für den abgezweigten Anodengasstrom. 5 shows the gas treatment device with an additional unit 7th in the form of a circulating heat exchanger. Part of the anode gas flow is from the half-shell 50 branched off before the anode gas flow into the catalytic burner 40 is initiated. The branched off anode gas stream flows through the circulation heat exchanger and is connected by means of a connecting pipe 71 passed into the first heat exchanger 41. The additional unit 7th thus acts as a cooler for the branched anode gas flow.

Die gezeigte und beschriebene Vorrichtung ist sehr symmetrisch aufgebaut, insbesondere was die Anordnung und Ausgestaltung der einzelnen Komponenten der Vorrichtung anbelangt. Dies ist besonders vorteilhaft in der Herstellung der Komponenten, aber auch in Bezug auf eine möglichst homogene und gleichmässige Gasführung in und durch die Vorrichtung und ihre Komponenten.The device shown and described is very symmetrical, especially what the arrangement and configuration of the individual components of the device is concerned. This is particularly advantageous in the manufacture of the components, but also in relation to the most homogeneous and uniform gas flow possible in and through the device and its components.

Die Vorrichtung ist in der in den Figuren gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung ausgelegt zur Verwendung mit zwei nebeneinander angeordneten und parallel betriebenen Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel, insbesondere Hochtemperatur - Brennstoffzellen. Die Vorrichtung kann jedoch leicht auf die Verwendung mit mehr als zwei Brennstoffzellen angepasst werden. Dies kann dadurch geschehen, dass im Wesentlichen lediglich die Basisplatte (Vergrössern, grössere Anzahl Durchgangsöffnungen) und die Halbschalen (Vergrössern) bzw. Kathoden/Anodenanschlüsse angepasst werden. Vorzugsweise, wird jedoch jeder Brennstoffzelle auch ein separater katalytischer Brenner zugeordnet, so dass auch ein Sammelelement mit einer höheren Anzahl Anschlüsse für die höhere Anzahl von Brennern versehen wird. Die Wärmetauschereinheit kann jedoch in einer unveränderten Anordnung auch für eine höhere Anzahl von Brennstoffzellen verwendet werden.In the embodiment of the device shown in the figures, the device is designed for use with two fuel cells or fuel cell stacks, in particular high-temperature fuel cells, arranged next to one another and operated in parallel. However, the device can easily be adapted for use with more than two fuel cells. This can be done in that essentially only the base plate (enlarge, larger number of through openings) and the half-shells (enlarge) or cathode / anode connections are adapted. Preferably, however, a separate catalytic burner is also assigned to each fuel cell, so that a collecting element is also provided with a higher number of connections for the higher number of burners. However, in an unchanged arrangement, the heat exchanger unit can also be used for a larger number of fuel cells.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 7771884 B2 [0002]US 7771884 B2 [0002]

Claims (12)

Gasbehandlungsvorrichtung zur Verwendung mit mindestens zwei Brennstoffzellen, wobei die Gasbehandlungsvorrichtung ein Gehäuse mit Basisplatte zur Montage der Brennstoffzellen auf der Basisplatte aufweist, wobei die Basisplatte Einlassöffnungen und Auslassöffnungen zur Durchführung von Kathodengas und Anodengas der Brennstoffzellen aufweist, und wobei unterhalb der Basisplatte Übergangselemente in Form einer ersten und einer zweiten Halbschale angeordnet sind, wobei die erste Halbschale Auslassöffnungen für Anoden- und Kathodengas überdeckt zum Sammeln von verbrauchtem Anoden- und Kathodengas, und wobei die zweite Halbschale Einlassöffnungen für Anodengas überdeckt zum Verteilen und Zuführen von frischem Anodengas zu den Einlassöffnungen für Anodengas in der Basisplatte, und wobei im Gehäuse eine Wärmetauschereinheit untergebracht ist, zur Rückgewinnung von Wärme aus verbrauchtem Anoden- und Kathodengas und zum Vorwärmen von frischem Anodengas und frischem Kathodengas.Gas treatment device for use with at least two fuel cells, the gas treatment device having a housing with a base plate for mounting the fuel cells on the base plate, the base plate having inlet openings and outlet openings for the passage of cathode gas and anode gas of the fuel cells, and wherein transition elements in the form of a first and a second half-shell are arranged below the base plate, wherein the first half-shell covers outlet openings for anode and cathode gas for collecting used anode and cathode gas, and wherein the second half-shell covers inlet openings for anode gas for distribution and supply of fresh anode gas to the anode gas inlet openings in the base plate, and a heat exchanger unit being accommodated in the housing for recovering heat from used anode and cathode gas and for preheating fresh anode gas and fresh cathode gas. Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse zwei katalytische Brenner aufweist, welche an ihren jeweiligen Einlassenden mit Auslassöffnungen in der ersten Halbschale verbunden sind und an ihren jeweiligen Auslassenden über ein gemeinsames Sammelelement mit der Wärmetauschereinheit verbunden sind.Gas treatment device according to Claim 1 wherein the housing has two catalytic burners which are connected at their respective inlet ends to outlet openings in the first half-shell and at their respective outlet ends are connected to the heat exchanger unit via a common collecting element. Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse einen Reformer aufweist, welcher an seinem Einlassende mit der Wärmetauschereinheit verbunden ist und an seinem Auslassende mit der zweiten Halbschale verbunden ist.Gas treatment device according to one of the preceding claims, wherein the housing has a reformer which is connected at its inlet end to the heat exchanger unit and at its outlet end to the second half-shell. Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetauschereinheit zwei in Serie angeordnete Wärmetauscher aufweist, wobei der erste der zwei Wärmetauscher zum Erwärmen von Reformergas vorgesehen ist, und wobei der nachgeschaltete zweite Wärmetauscher zum Erwärmen von frischem Kathodengas vorgesehen ist.Gas treatment device according to one of the preceding claims, wherein the heat exchanger unit has two heat exchangers arranged in series, wherein the first of the two heat exchangers is provided for heating reformer gas, and wherein the downstream second heat exchanger is provided for heating fresh cathode gas. Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der zweite Wärmetauscher ein Sammelelement für erwärmtes Kathodengas aufweist, welches Sammelelement sich an seinem einen Ende im Wesentlichen über eine gesamte Breite des zweiten Wärmetauschers erstreckt und an seinem zweiten Ende über separate Leitungsabschnitte mit Einlassöffnungen für Kathodengas in der Basisplatte verbunden ist.Gas treatment device according to Claim 4 , wherein the second heat exchanger has a collecting element for heated cathode gas, which collecting element extends at one end essentially over the entire width of the second heat exchanger and at its second end is connected to inlet openings for cathode gas in the base plate via separate line sections. Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, wobei eine Sammeleinheit jeweils zwei aneinander befestigte Halbschalen aufweist, wobei lediglich eine der beiden Halbschalen mindestens zwei separate Ein- oder Auslassöffnungen aufweist.Gas treatment device according to Claim 2 or 5 , wherein a collecting unit has two half-shells attached to one another, only one of the two half-shells having at least two separate inlet or outlet openings. Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sofern zutreffend, wobei die katalytischen Brenner parallel zur und über der Wärmetauschereinheit angeordnet sind, und wobei die katalytischen Brenner unterhalb der ersten und zweiten Halbschalen angeordnet sind.Gas treatment device according to one of the preceding claims, if applicable, wherein the catalytic burners are arranged parallel to and above the heat exchanger unit, and wherein the catalytic burners are arranged below the first and second half-shells. Gasbehandlungsvorrichtung nach einem er vorhergehenden Ansprüche, wobei Hohlräume im Gehäuse mit thermisch isolierendem Material gefüllt sind.Gas treatment device according to one of the preceding claims, wherein cavities in the housing are filled with thermally insulating material. Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das thermisch isolierende Material ein mikroporöses Pulver mit niedriger thermischer Leitfähigkeit ist.Gas treatment device according to Claim 8 wherein the thermally insulating material is a microporous powder with low thermal conductivity. Gasbehandlungsvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Brennstoffzellen, insbesondere zwei Hochtemperatur-Brennstoffzellen, auf der Basisplatte angebracht sind.Gas treatment device according to one of the preceding claims, wherein at least two fuel cells, in particular two high-temperature fuel cells, are attached to the base plate. Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei eine gleiche Anzahl katalytischer Brenner parallel zueinander im Gehäuse angeordnet sind, wie Brennstoffzellen auf der Basisplatte angebracht sind.Gas treatment device according to Claim 10 An equal number of catalytic burners are arranged parallel to one another in the housing as fuel cells are mounted on the base plate. Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei ein erster Wärmetauscher verbrauchtes Anoden- und Kathodengas sämtlicher Brennstoffzellen behandelt und Reformergas für sämtliche Brennstoffzellen erwärmt, und eine zweiter Wärmetauscher Kathodengas für sämtliche Brennstoffzellen erwärmt.Gas treatment device according to one of the Claims 10 until 11th , wherein a first heat exchanger treats spent anode and cathode gas for all fuel cells and heats reformer gas for all fuel cells, and a second heat exchanger heats cathode gas for all fuel cells.
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