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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen
mit einer elektrolytischen Festoxid- bzw. Festelektrolytschicht, die
eine Anodenschicht von einer Kathodenschicht trennt; insbesondere
auf Brennstoffzellenanordnungen mit mehreren einzelnen Brennstoffzellen
in einem Stapel, wobei Luft und reformierter Brennstoff an den Stapel
geliefert werden; und ganz besonders auf ein Brennstoffzellensystem,
das einen Kohlenwasserstoff-Reformer an Bord, eine Anordnung zur Zurückgewinnung
von Verlustenergie, die einen Brenner für verbrauchten Brennstoff und
Wärmetauscher
für Kathodenluft
einschließt,
eine Luftversorgungsanordnung, ein Steuerungssystem und einen dreidimensionalen
Brennstoff/Luftverteiler, wobei Abgas vom Brenner, nachdem es durch
die Wärmetauscher
für Kathodenluft
gelangt ist, um den Brennstoffzellenstapel geleitet wird, um den
Stapel zu temperieren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Brennstoffzellen,
welche elektrischen Strom durch die elektrochemische Kombination
von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, sind bekannt. In einer
Form einer solchen Brennstoffzelle sind eine Anodenschicht und eine
Kathodenschicht durch einen Elektrolyten getrennt, der aus einem
Keramikfestoxid besteht. Solch eine Brennstoffzelle ist in der Technik bekannt
als "Festelektrolyt-Brennstoffzelle" (SOFC). Wasserstoff,
entweder reinen oder aus Kohlenwasserstoffen reformierten, lässt man
entlang der Außenfläche der
Anode strömen,
und dieser diffundiert in die Anode. Sauerstoff, typischerweise
aus Luft, lässt
man entlang der Außenfläche der Kathode
strömen,
und dieser diffundiert in die Kathode. Jedes O2-Molekül wird gespalten
und durch die Kathode zu zwei O-2-Anionen
katalytisch reduziert. Die Sauerstoffanionen diffundieren durch
den Elektrolyt und kombinieren an der Grenzfläche aus Anode/Elektrolyt mit
vier Ionen Wasserstoff, um zwei Moleküle Wasser zu bilden. Die Anode
und die Kathode sind extern durch eine Last verbunden, um den Schaltkreis
zu vervollständigen,
wodurch vier Elektronen von der Anode zur Kathode transportiert
werden. Wenn Wasserstoff durch "Reformieren" von Kohlenwasserstoffen
wie z.B. Benzin in Anwesenheit von begrenztem Sauerstoff abgeleitet
wird, enthält
das "Reformat"-Gas CO, das über einen
Oxidationsprozess ähnlich
dem des Wasserstoffs an der Anode in CO2 umgewandelt
wird. Reformiertes Benzin ist in kraftfahrzeugtechnischen Brennstoffzellenanwendungen
ein gewöhnlich
verwendeter Brennstoff.
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Eine
einzelne Zelle kann eine verhältnismäßig geringe
Spannung und Wattleistung, typischerweise zwischen etwa 0,5 Volt
und 1,0 Volt je nach Last und weniger als etwa 2 Watt pro cm2 der Zellenoberfläche erzeugen. Daher wird bekanntlich
in der Praxis eine Vielzahl von Zellen in elektrischer Reihenschaltung
zusammengestapelt. Da jede Anode und Kathode für einen Durchgang von Gas über ihre
Oberfläche
einen freien Raum aufweisen müssen,
sind die Zellen durch Umfangsabstandhalter getrennt, die selektiv
gelüftet
werden, um eine Gasströmung
zu den Anoden und Kathoden nach Wunsch zu gestatten, welche aber
auf ihren axialen Oberflächen Dichtungen
bilden, um eine Gasleckage aus den Seiten des Stapels zu verhindern.
Die Umfangsabstandhalter können
dielektrische Schichten aufweisen, um die Interkonnektoren voneinander
zu isolieren. Benachbarte Zellen sind durch "Interkonnektor"-Elemente im Stapel elektrisch verbunden,
wobei die Außenflächen der
Anoden und Kathoden mit ihren jeweiligen Interkonnektoren durch
im Gasströmungsraum
angeordnete elektrische Kontakte, typischerweise durch einen Metallschaum,
der leicht gasdurchlässig
ist, oder durch leitfähige
Filamente elektrisch verbunden sind. Die äußersten oder am Ende gelegenen
Interkonnektoren des Stapels definieren elektrische Anschlüsse oder "Stromkollektoren", die durch eine
Last verbunden werden.
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Ein
vollständiges
SOFC-System enthält
typischerweise Zusatzteilsysteme, um neben anderen Anforderungen
Brennstoff zu erzeugen, indem Kohlenwasserstoffe reformiert werden;
der Reformat-Brennstoff und Luft, die in den Stapel eintreten, temperiert
werden; Luft an den Kohlenwasserstoff-Reformer geliefert wird; Luft zur Reaktion
mit Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel an die Kathoden geliefert
wird; und Luft zum Kühlen
des Brennstoffs an einen Stapel geliefert wird; Verbrennungsluft
an einen Brenner für
Restgasbrennstoff, der aus dem Stapel geliefert wird, zu liefern;
und Luft an den Brenner und den Stapel geliefert wird.
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Während eines
normalen Betriebs erzeugt der Brennstoffzellenstapel Abwärme, die
weggeschafft werden muss, um die korrekte Stapeltemperatur aufrechtzuerhalten.
Dies wird typischerweise erreicht, indem man überschüssige Kathodenluft, die dann
für eine
Kühlfunktion
sorgt, aus dem Inneren des Stapels strömen lässt. Diese überschüssige Kathodenluft, welche
die drei bis vierfache Menge sein kann, die erforderlich ist, um
den Brennstoff zu oxidieren, erfordert jedoch zusätzliche
Leistung im Luftversorgungssystem, welche Leistung ein parasitärer Verlust
ist und somit den gesamten Wirkungsgrad des Systems reduziert.
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Beim
Anlauf des Systems ist es notwendig, den Stapel auf bis zu seine
Betriebstemperatur von 700-800 °C
zu bringen. Die Zeit, die erforderlich ist, um den Stapel bis auf
die Betriebstemperatur zu bringen, hängt von der Temperatur und
dem Massenstrom der erhitzten Kathodenluft ab, der wiederum durch
die thermischen Spannungen beschränkt ist, die durch die heiße Luft
induziert wird. Eine thermische Modellierung hat gezeigt, dass der
Stapel schneller erhitzt werden kann, falls Wärme extern sowie intern zum
Stapel addiert wird. Dies gilt aufgrund sowohl der in den Stapel
eingebrachten zusätzlichen Wärme als
auch einer Reduzierung thermischer Spannungen als Folge sowohl einer
internen als auch externen Heizung.
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Systeme
von Festelektrolyt-Brennstoffzellen, die Abgas nutzen, um ankommende
Luft und Brennstoffgase aufzuwärmen,
sind in US-2001/0049035 A1,
DE-A-4037970 und USA-5340664 offenbart.
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Benötigt wird
ein Mittel, um den Stapel extern während eines Anlaufs aufzuwärmen und
den Stapel während
eines normalen Betriebs extern zu kühlen, um das erforderliche
Volumen an Kathodenluft zu reduzieren.
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den elektrischen
Wirkungsgrad eines Systems mit Festelektrolyt-Brennstoffzellen zu verbessern.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, die Aufwärmperiode für eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle
beim Anlauf zu reduzieren.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten ist wie in
den beiliegenden Ansprüchen
dargelegt.
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Kurz
gesagt befördert
in einem System mit Festelektrolyt-Brennstoffzellen ein Brennstoff/Luftverteiler
Luft und Restgas-Brennstoff von den Anoden zu einem Brenner für Restgas,
der ein erhitztes Brennerabgas mit dem höchsten Massenstrom im System
erzeugt. Das Abgas wird durch einen Wärmetauscher geleitet, um ankommende
Kathodenreaktionsluft zu erwärmen,
und das Abgas wird im Austausch teilweise gekühlt. Vom Wärmetauscher wird das Abgas
durch einen temperierenden Mantel, der die Brennstoffzellen in einem
Stapel umgibt, geleitet. Während
eines Anlaufs des Systems ist das Abgas heißer als der Stapel, und somit
wird die Aufwärmperiode
verkürzt.
Während
eines normalen Betriebs des Systems ist das Abgas kühler als
die Betriebstemperatur und daher wird eine Kühlung des Stapels durch Kontakt
mit dem Abgas unterstützt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
vollständiger
verstanden und erkannt, die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen
vorgenommen wird, worin:
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1 eine
schematische Querschnittansicht eines Zweizellenstapels von Festelektrolyt-Brennstoffzellen
ist;
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2 eine
schematische Darstellung einer mechanischen Ausführung eines SOFC-Systems gemäß der Erfindung
ist;
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3 eine
isometrische Draufsicht einer Brennstoffzellenanordnung mit zwei
Stapeln ist, die zwischen zwei Stromkollektoren elektrisch in Reihe verbunden
dargestellt ist;
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4 eine
isometrische Ansicht wie die in 3 gezeigte
ist, wobei eine Abdeckung die Stapel umschließt;
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5 eine
Aufrißansicht
im Querschnitt ist, gelegt entlang einer Linie 5-5 in 4;
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6 eine
Aufrißansicht
im Querschnitt ist, gelegt entlang einer Linie 6-6 in 4;
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7 eine Äquatorschnittansicht
ist, gelegt entlang einer Linie 7-7 in 4;
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8 eine
isometrische Draufsicht ist, die eine Brennstoffzellenanordnung
mit der Vorrichtung von 4 zeigt, die an einem Verteiler
gemäß der Erfindung
angebracht ist, zusammen mit einer reformierenden, verbrennenden
und wärmetauschenden Vorrichtung,
um die Brennstoffzellenstapel zu versorgen;
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9 eine
isometrische Ansicht von oben ist, die die Brennstoffzellenanordnung
von 8 im unteren Element eines thermischen Gehäuses montiert
darstellt;
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10 eine
isometrische Ansicht von oben einer Luftversorgungsanordnung ist,
um Luft steuerbar an die in 8 und 9 dargestellte
Brennstoffzellenanordnung zu liefern;
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11 eine
auseinander gezogene isometrische Ansicht eines Brennstoffzellensystems
gemäß der Erfindung
ist, die die Luftversorgungsanordnung von 10 in
einem strukturellen Gehäuse
angeordnet zeigt und die Brennstoffzellenanordnung von 9 durch
sowohl obere als auch untere Elemente eines thermischen Gehäuses vollständig umschlossen
zeigt;
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12 eine
isometrische Draufsicht eines vollständig zusammengebauten Brennstoffzellensystems
gemäß der Erfindung
ist;
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13 eine
auseinandergezogene isometrische Vorderansicht ist, die einen Basisverteiler
mit mehreren Elementen gemäß der Erfindung
zeigt, um Luft und Reformat-Brennstoff und Abgasprodukte durch und
um die Brennstoffzellenstapel zu verteilen, wie sie in 8 dargestellt
sind;
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14 eine
isometrische Rückansicht
ist, die den Verteiler von 13 teilweise
zusammengebaut zeigt;
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15 eine
isometrische Rückansicht
ist, die den Verteiler von 13 weiter
zusammengebaut zeigt;
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16 eine
Draufsicht der unteren Ebene von Kammern ist, die von den beiden
unteren, in 13 dargestellten Elementen gebildet
werden;
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17 eine
Draufsicht der oberen Elemente von Kammern ist, die von den in 13 dargestellten dritten
und vierten Elementen gebildet werden; und
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18 eine
Draufsicht des in 13 dargestellten obersten Elementes
ist, die die Montagefläche
für die
in 8 dargestellte Vorrichtung zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Nach 1 enthält ein Brennstoffzellenstapel 10 Elemente,
die in der Technik der Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapel mit
mehr als einer Brennstoffzelle bekannt sind. Das gezeigte Beispiel
umfaßt zwei
identische Brennstoffzellen 11, die in Reihe geschaltet
sind, und ist von einer Klasse derartiger Brennstoffzellen, die
man insofern als "auf
der Anode abgestützt" bezeichnet, als
die Anode ein strukturelles Element ist, auf dem der Elektrolyt
und die Kathode angeordnet sind. Die Elementdicken sind nicht maßstabgerecht
dargestellt.
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Jede
Brennstoffzelle 11 umfaßt ein Elektrolytelement 14,
das ein Anodenelement 16 und ein Kathodenelement 18 trennt.
Jede Anode und Kathode steht in direktem chemischem Kontakt mit
ihrer jeweiligen Oberfläche
des Elektrolyt, und jede Anode und Kathode hat eine jeweilige freie
Oberfläche 20, 22, die
eine Wand eines jeweiligen Durchgangs 24, 26 für eine Gasströmung über die
Oberfläche
bildet. Die Anode 16 einer Brennstoffzelle 11 ist
einem Interkonnektor 28 zugewandt und mit ihm durch Filamente 30 verbunden,
die sich über
den Durchgang 24 erstrecken, diesen aber nicht blockieren.
Entsprechend ist die Kathode 18 der Brennstoffzelle 11 dem
Interkonnektor 28 zugewandt und mit ihm durch Filamente 30 elektrisch
verbunden, die sich über
den Durchgang 26 erstrecken, diesen aber nicht blockieren.
Die Kathode 18 einer zweiten Brennstoffzelle 11 ist ähnlich einem
Kathodenstromkollektor 32 zugewandt und durch Filamente 30 mit
ihm elektrisch verbunden, die sich über den Durchgang 26 erstrecken,
diesen aber nicht blockieren, und die Anode 16 der Brennstoffzelle 11 ist
einem Anodenstromkollektor 34 zugewandt und mit ihm durch
Filamente 30 elektrisch verbunden, die sich über den
Durchgang 24 erstrecken, diesen aber nicht blockieren.
Die Stromkollektoren 32, 34 können über eine Last 35 verbunden
werden, damit der Brennstoffzellenstapel 10 elektrische
Arbeit leistet. Die Durchgänge 24 werden
von Anodenabstandhaltern 36 zwischen dem Umfang der Anode 16 und
entweder einem Interkonnektor 28 oder einem Anodenstromkollektor 34 gebildet.
Die Durchgänge 26 werden
durch Kathodenabstandhalter 38 zwischen dem Umfang des
Elektrolyt 14 und entweder einem Interkonnektor 28 oder
einem Kathodenstromkollektor 32 gebildet. Der Anodenabstandhalter 36 und
Kathodenabstandhalter 38 sind auf solch eine Weise aus
Blech geschaffen, dass die gewünschte Höhe der Anodendurchgänge 24 und
Kathodendurchgänge 26 erreicht
wird.
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Der
Interkonnektor und die Stromkollektoren sind vorzugsweise aus einer
Legierung, typischerweise einer "Superlegierung" hergestellt, welche chemisch
stabil und bei den für
einen Brennstoffzellenbetrieb notwendigen erhöhten Temperaturen, im allgemeinen über 750 °C oder höher, maßhaltig
ist, z.B. Hastelloy, Haynes 230, oder rostfreier Stahl.
Der Elektrolyt besteht aus einem Keramikoxid und enthält vorzugsweise
Zirkoniumoxid, das mit Yttriumoxid (Yttria) stabilisiert ist, welches
in der Technik als YSZ bekannt ist. Die Kathode besteht z.B. aus
porösem
Lanthanstrontiummanganat oder Lanthanstrontiumeisen, und die Anode
besteht beispielsweise aus einer Mischung von Nickel und YSZ.
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Im
Betrieb (1) wird Reformatgas 21 an die
Durchgänge 24 an
einem ersten Rand 25 der freien Oberfläche 22 der Anode geliefert,
strömt
parallel zur Oberfläche
der Anode über
die Anode in einer ersten Richtung und wird an einem zweiten und
gegenüberliegenden
Rand 29 der Anodenoberfläche 20 entfernt. Wasserstoff
und CO diffundieren in die Anode zur Grenzfläche mit dem Elektrolyt. Sauerstoff 31, typischerweise
in Luft, wird an einem ersten Rand 39 der freien Oberfläche 22 der
Kathode an die Durchgänge 26 geliefert,
strömt
parallel zur Oberfläche
der Kathode in einer zweiten Richtung, welche zu der ersten Richtung
des Reformats orthogonal sein kann (die dargestellte zweite Richtung
ist aus Gründen
der Klarheit als die gleiche Richtung wie die erste in 1 dargestellt)
und wird an einem zweiten und gegenüberliegenden Rand 43 der
Kathodenoberfläche 22 entfernt.
Molekulares Sauerstoffgas (O2) diffundiert
in die Kathode und wird katalytisch zu zwei O-2-Anionen
reduziert, indem vier Elektronen von der Kathode und dem Kathodenstromkollektor 32 oder dem
Interkonnektor 28 über
die Filamente 30 aufgenommen werden. Der Elektrolyt leitet
oder transportiert ionisch O-2-Anionen zur
Anoden-Elektrolyt-Grenzfläche, wo
sie mit vier Wasserstoffatomen kombinieren, um zwei Wassermoleküle zu bilden, wobei
sie vier Elektronen an die Anode und den Anodenstromkollektor 34 oder
den Interkonnektor 28 über
die Filamente 30 abgeben. Folglich sind die Zellen 11 zwischen
den beiden Stromkollektoren elektrisch in Reihe geschaltet, und
die gesamte Spannung und Wattleistung zwischen den Stromkollektoren
ist die Summe der Spannung und Wattleistung der einzelnen Zellen
in einem Brennstoffzellenstapel.
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Bezug
nehmend auf 2 enthält eine schematische Darstellung
einer mechanischen Ausführung
eines Festelektrolyt-Brennstoffzellensystems 12 gemäß der Erfindung
zusätzliche
Einrichtungen und Steuerungen.
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Eine
herkömmliche
Einlaßluftpumpe 48 mit hoher
Drehzahl saugt Einlaßluft 50 durch
einen Luftfilter 52, an einem ersten MAF-Sensor 54 vorbei, durch
einen Schalldämpfer 56 und
durch einen die Pumpe 48 umgebenden Kühlmantel 58.
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Eine
Luftabgabe 60 von der Pumpe 48 bei einem durch
einen Drucksensor 61 abgefühlten Druck wird zunächst in
verzweigte Leitungen zwischen einer Zuleitung 62 und einer
Zuleitung 72 geteilt. Die Zuleitung 62 geht als
Brennerkühlluft 64 zu
einem Nachbrenner 66 für
Restgas mit einem Zünder 67 über einen
zweiten MAF-Sensor 68 und ein Steuerventil 70 für Brennerkühlluft.
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Die
Zuleitung 72 wird weiter in verzweigte Leitungen zwischen
einer Anodenluftzuleitung 74 und einer Kathodenluftzuleitung 75 geteilt.
Die Anodenzuleitung 74 geht über einen dritten MAF-Sensor 78 und
ein Steuerventil 80 für
Reformerluft an einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffverdampfer 76.
Ein Teil der Anodenluftzuleitung 74 kann durch ein Steuerventil 82 über die
kühle Seite 83 des
Wärmetauschers 84 zur
Reformat-Vorheizung
steuerbar umgeleitet werden, dann mit dem nicht temperierten Teil rekombiniert
werden, so dass die Zuleitung 74 auf ihrem Weg zum Verdampfer 76 auf
eine gewünschte Temperatur
temperiert wird. Stromabwärts
des Verdampfers 76 befindet sich ein Anlaufbrenner 77 mit einem
Zünder 79.
Während
des Anlaufs wird, wenn der Reformer kalt ist oder deutlich unterhalb
der Betriebstemperatur liegt, verdampfter Brennstoff im Brenner 77 gezündet, und
das verbrannte Gas wird direkt durch den Reformer geführt, um
die Platten darin schneller zu erwärmen. Offensichtlich ist während eines
Normalbetriebs des Systems der Anlaufbrenner deaktiviert.
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Die
Kathodenluftzuleitung 75 wird durch ein Steuerventil 86 für Kathodenluft
gesteuert, wobei Luft zur kühlen
Seite 90 des Wärmetauschers 92 zur
Vorheizung der Kathodenluft geschickt wird. Nach Durchgang durch die
Kathodenseiten der Zellen in den Stapeln 44, 46 wird
teilweise verbrauchte erhitzte Luft 93 dem Brenner 66 zugeleitet.
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Eine
Pumpe 94 für
die Zuleitung von Kohlenwasserstoffbrennstoff saugt Brennstoff aus
einem Speichertank 96 und liefert den Brennstoff über einen Druckregler 98 und
Filter 100 an einen Brennstoffeinspritzer 102,
der den Brennstoff in den Verdampfer 76 einspritzt. Der
eingespritzte Brennstoff wird mit der Luftzuleitung 74 kombiniert,
verdampft und einem Reformer-Katalysator 104 im Haupt-Brennstoffreformer 106 zugeleitet,
der den Brennstoff in hauptsächlich
Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert. Das Reformat 108 vom
Katalysator 104 wird den Anoden in den Stapeln 44, 46 zugeleitet.
Nicht verbrauchter Brennstoff 110 von den Anoden wird dem
Nachbrenner 66 zugeleitet, wo er mit Luftzuleitungen 64 und 93 kombiniert
und verbrannt wird. Wenn Gase unterhalb der Selbstzündungstemperatur
liegen, werden sie durch einen Zünder 67 gezündet. Die
heißen
Brennergase 112 werden durch einen Reinigungskatalysator 114 im
Hauptreformer 106 geleitet bzw. geführt. Das Abgas 115 vom
Katalysator 114 wird über
die heißen
Seiten 116, 118 der Wärmetauscher 84 bzw. 92 geleitet,
um die ankommende Kathoden- und Anodenluft zu erhitzen. Das teilweise
gekühlte
Abgas 115 wird einem Verteiler 110 zugeleitet,
der die Stapel 44, 46 umgibt, von wo es letztendlich
ausgestoßen
wird 122.
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Wieder
auf 2 verweisend sind in der Reformat an die (nicht
sichtbaren) Anoden in den Stapeln 44, 46 leitenden
Leitung 108 ein erstes Rückschlagventil 150 und
eine erste Sauerstoffauffangeinrichtung 124 vorgesehen.
Ein zweites Rückschlagventil 152 und
eine zweite Sauerstoffauffangeinrichtung 126 sind ähnlich in
der Leitung 110 vorgesehen, die ver brauchtes Reformat von
den Anoden dem Nachbrenner 66 zuleitet. Wie oben beschrieben
wurde, ist es während
einer Abkühlung
der Brennstoffzellenstapel nach einem Abschalten der Anordnung wichtig,
eine Migration von Sauerstoff in die Anodendurchgänge 24 zu
verhindern, worin die Anodenoberfläche 20 mit metallischem
Nickel einer schädlichen Oxidation
ausgesetzt wäre.
Jedes Rückschlagventil weist
einen typischen kegelstumpfförmigen
Ventilsitz 154 auf, der eine Ventilkugel 156 aufnehmen
kann. Jedes Ventil 150, 152 ist innerhalb der
Anordnung 12 vorzugsweise so orientiert, dass die Kugel
durch das eigene Gewicht im Sitz gehalten wird, wenn man das Reformat
durch das System in der Vorwärtsrichtung strömen läßt. Folglich öffnet eine
Brennstoffströmung das
Ventil ausreichend, damit Brennstoff in der Vorwärtsrichtung durchgeht. Wenn
die Anordnung 12 abgeschaltet wird, wird jedes Ventil durch
das eigene Gewicht geschlossen. Die Ventile mögen nicht identisch sein, da
Sauerstoff entgegengesetzt zum Reformat im Ventil 152 strömt, aber
in der gleichen Richtung wie das Reformat im Ventil 150;
daher können die
Kugeln und Sitze verschiedene Gewichte und/oder Größen erfordern,
um wie beabsichtigt zu funktionieren. Jede Auffangeinrichtung 124, 126 enthält einen
Durchgang 128 mit einem Einlass 130 und einem
Auslass 132, durch die das Reformat während eines Betriebs der Brennstoffzellenanordnung
geführt
wird. Innerhalb des Durchgangs gibt es ein leicht oxidiertes Material 134 (sauerstoffreduzierendes
Mittel), z.B. ein Nickelmetallschaum, ein Nickeldraht oder ein Nickelnetz,
das Sauerstoff durch eine Reaktion damit aufsammeln kann, welches
aber die Strömung
des Reformats durch den Durchgang kaum behindert. Nickel in den
Auffangeinrichtungen reagiert mit Sauerstoff, so dass Nickeloxid
NiO erzeugt wird, wenn die Anordnung abgeschaltet wird, was folglich
die nickelhaltigen Anoden vor Oxidation schützt. Wenn die Anordnung wieder
eingeschaltet wird, wird das Reformat wieder erzeugt, welches beim
Durchgang durch die Auffangeinrich tungen das NiO zurück in metallisches
Nickel reduziert, was ermöglicht,
dass die Auffangeinrichtungen wiederholt genutzt werden.
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Der
klaren Darstellung halber, und um das Verständnis des Lesers zu verbessern,
sind die Zahlen von Elementen der Erfindung, wie sie weiter im folgenden
präsentiert
wird, je nach der funktionalen Anordnung, in der die Elemente auftreten,
in Hunderterschritten gruppiert; daher können Elemente, die oben zitiert
und in 1 und 2 dargestellt wurden, verschiedene
numerische Bezeichnungen aufweisen, wenn sie im folgenden dargestellt
und diskutiert werden, beispielsweise werden die Stapel 44, 46 Stapel 344, 346.
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Bezug
nehmend auf 3 bis 7 sind in einer
Anordnung 300 von Brennstoffzellenstapeln gemäß der Erfindung
die Zellen 311 nebeneinander angeordnet und können jeweils
mehrere Zellen 311 aufweisen, so dass sowohl der erste
Stapel 344 als auch der zweite Stapel 346 ein
Stapel aus identischen Brennstoffzellen 311 ist. Die Vielzahl
von Zellen umfasst in jedem der beiden Stapel vorzugsweise etwa 30.
Die Zellen 311 im Stapel 344 und Stapel 346 sind
durch einen Interkonnektor 348 elektrisch in Reihe geschaltet,
und die Stapel sind mit einem Kathodenstromkollektor 332 und
Anodenstromkollektor 334 auf dem Boden der Stapel in Reihe
geschaltet. Die Stromkollektoren sind so bemessen, dass sie eine "Aufstandsfläche" haben, die der gleichen
Abmessung wie ein die Abdeckung abdichtender Flansch 340 sehr
nahe kommt. Die Stromkollektoren sind vorzugsweise mittels Klebung
an einer Stapelmontageplatte 338 abgedichtet, und die Stapel
sind vorzugsweise wiederum an den Stromkollektoren klebend abgedichtet.
Der Dichtungsflansch 340 für die Abdeckung 342 und
den Deckel 343 wird dann an die Stromkollektorplatten montiert
und mit diesen abgedichtet. Ein Dichtring 341 zwischen
dem Flansch 340 und den Stromkollektoren ist ein Dielektrikum,
so dass der Flansch 340 kei nen Kurzschluß zwischen den
Stromkollektoren verursacht. Stromleitungen 350, 352 sind
an die Stromkollektoren 332 bzw. 334 durch starke,
zuverlässige
und hochleitende metallurgische Verbindungen wie z.B. Löten angebracht. Auf
diese Weise können
die Stromkollektoren unter dem Flansch 340 zur Montage
einer Abdeckung durchgehen, ohne dass eine zusätzliche Abdichtung oder Befestigung
einer Stromleitung erforderlich ist, und müssen nicht in unerwünschter
Weise wie in einigen Stapelanordnungen nach dem Stand der Technik
durch die Abdeckung selbst verlaufen. Das Durchführen von Leitungen durch die
Abdeckung macht die Anordnung komplexer und weniger zuverlässig.
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Bezug
nehmend auf 8 umfaßt eine Brennstoffzellenanordnung 400 gemäß der Erfindung
eine Stapelanordnung 300, die betriebsfähig auf eine integrierte Brennstoff/Luftverteileranordnung 500 montiert
ist, welche ebenfalls einen ersten und zweiten Kathodenluft-Wärmetauscher 600 und
eine integrierte Brennstoffreformer- und Restenergierückgewinnungseinheit
("reforWER") 1100 trägt. Die
Anordnung 400 empfängt
Luft von einem Luftversorgungssystem 900 (10-12),
wie im Folgenden beschrieben wird, und heizt selektiv zum Reformer
gelangende Luft vor. Der reforWER 1100 reformiert Brennstoff
aus Kohlenwasserstoffen wie z.B. Benzin in Reformat-Brennstoffgas
mit hauptsächlich Wasserstoff,
Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen mit niedrigerem Molekulargewicht,
temperiert die Luft und das Reformat, die in die Stapel eintreten, verbrennt
selektiv in den Stapeln nicht verbrauchten Brennstoff, gewinnt in
verschiedenen internen Prozessen erzeugte Wärmeenergie zurück, die
ansonsten ungenutzt bliebe, und stößt verbrauchte Luft und Wasser
aus; dies alles, um ein elektrisches Gleichstrompotential über die
(in 8 nicht sichtbaren) Stromleitungen 350, 352 effizient
zu erzeugen.
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Bezug
nehmend auf 9 bis 11 gibt
es zwei Grundfunktionen für
das Gehäuse
eines Brennstoffzellensystems. Die erste besteht darin, eine thermische
Isolierung für
die Komponenten zu schaffen, die bei einer erhöhten Temperatur (700-900 °C) arbeiten,
um sie für
einen effizienten Betrieb bei dieser Temperatur zu halten, Komponenten
mit niedrigerer Temperatur zu schützen und die Außentemperatur über die
gesamte Einheit auf ein für
den Menschen sicheres Niveau zu reduzieren. Die zweite besteht darin,
eine strukturelle Abstützung
für eine
Montage einzelner Komponenten, eine Montage des Systems an eine
andere Struktur wie z.B. ein Fahrzeug, einen Schutz der internen
Komponenten vor der äußeren Umgebung
und einen Schutz der Umgebung vor den hohen Temperaturen der Brennstoffzellenanordnung zu
schaffen. Systeme nach dem Stand der Technik nutzen ein einziges
Gehäuse,
um alle Funktionen zu erfüllen,
welches komplex und teuer zu fertigen und zusammenzubauen sowie
platzraubend sein kann.
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Noch
auf 9 bis 11 verweisend umfaßt in der
vorliegenden Erfindung ein Gehäuse
für die
Brennstoffzellenanordnung zwei ineinander geschachtelte Gehäuse: ein
thermisches Gehäuse 700 und
ein strukturelles Gehäuse 800.
Die Brennstoffzellenanordnung 400 wird zuerst in einem "venusmuschelartigen" thermischen Gehäuse 700 mit
einem unteren Teil 702 und einem oberen Teil 704 angeordnet,
die wiederum in einem strukturellen Gehäuse 800 angeordnet
wird. Die Trennlinie 706 zwischen dem unteren Teil 702 und
dem oberen Teil 704 ist einfach so angeordnet, dass alle
Rohre, Verteiler, Wellen, Stromleitungen etc., welche zwischen der "heißen Zone" 716 innerhalb
des thermischen Gehäuses und
der "kühlen Zone" 816 innerhalb
des strukturellen Gehäuses
durchgehen müssen,
dies in der Mitte der Trennlinie 706 tun. Dies sorgt für eine einfache Montage
der heißen
Komponenten in dem thermischen Gehäuse. Zunächst werden alle Komponenten der
heißen
Zone, die in der Anordnung 400 enthalten sind, in den unteren
Teil 702 eingesetzt, der mit einem entsprechenden Schacht 708 zum
sicheren Halten und Abfedern der Anordnung 400 versehen
sein kann, wie in 9 gezeigt ist. Die zugehörige Oberfläche 710 des
unteren Teils 702 entlang der Trennlinie 706 ist
nach Bedarf dafür
eingerichtet, die unteren Hälften
der sich durch das Gehäuse 700 erstreckenden
Komponenten aufzunehmen. Der obere Teil 704 ist so eingerichtet,
dass er passend am unteren Teil 702 anliegt. Der obere
Teil 704 wird auf den unteren Teil 702 platziert
und kann nach Wunsch daran entlang der Linie 706 abgedichtet
werden. Das thermische Gehäuse 700 kann
aus einem beliebigen geeigneten hocheffizienten Hochtemperatur-Isoliermaterial,
wie es in der Isoliertechnik bekannt ist, bestehen und kann ein
Verbund sein, der ein Metallgehäuse mit
geringem Gewicht enthält.
Der Bereich geeigneter Isoliermaterialien wird ausgedehnt, indem
man die Beschränkung
einer allgemeinen strukturellen Integrität aufgibt, was durch Vorsehen
eines separaten strukturellen Gehäuses 800 ermöglicht wird.
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Das
strukturelle Gehäuse 800 wird
vorzugsweise z.B. aus einem dickeren Metall gefertigt, um eine strukturelle
Festigkeit und eine einfache Form wie z.B. einen Kasten mit einer
abnehmbaren Klappe für
eine einfache Fertigung zu schaffen. Merkmale wie Klammern, Bolzen,
elektrische Verbinder, Stutzen, Schweißmuttern, Lufteinlaßleitungen
und -auslaßleitungen
beispielsweise können
Teil des strukturellen Gehäuses
sein, um interne Komponenten daran zu montieren und das System mit
externen Strukturen zu verbinden. Merkmale zur Vibrations- und Stoßisolierung
(nicht dargestellt) können
ebenfalls mit dem Gehäuse
vorgesehen werden.
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Die
Luftsteuerungsanordnung 900 ist mit Elementen der Brennstoffzellenanordnung 400 verbunden,
die über
die Trennlinie 706 vorstehen; und die Anordnungen 700, 900 werden
dann mit dem strukturellen Gehäuse 800 wie
in 12 gezeigt installiert, um ein Brennstoffzellensystem 1000 gemäß der Erfindung
zu bilden. Das Steuerungssystem 200 (in 2 schematisch
als Leistungsformer 202, Schaltungsschutz-I/O 204,
Treiber 206 und elektronische Steuereinheit 208 dargestellt,
die aber in 12 nicht sichtbar sind) ist
ebenfalls an Bord des Systems innerhalb der kühlen Zone 816 installiert, um
die Anzahl der diskreten Signale 210 zu minimieren, die über einen
Verbinder 220 durch das Gehäuse 800 geleitet werden
müssen.
Man beachte auch, dass Stromleitungen mit hoher Stromkapazität auch durch
das Gehäuse 800 über Dualverbinder 821 verlaufen.
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Bezug
nehmend auf 13 bis 18 empfängt eine
integrierte Brennstoff/Luftverteileranordnung 500 Luft über biegsame
Balgelemente von einer Luftversorgungsanordnung 900 und
reformierten Brennstoff von der reforWER-Anordnung 1100 und befördert Luft
mit hoher Temperatur, Abgas und wasserstoffreichen Reformat-Brennstoff
zu und von den Kernkomponenten des Systems. Eine grundlegende Verteileranordnung 500 umfaßt, wie
in 13 gezeigt ist, eine dreidimensionale Anordnung
von drei perforierten Platten und zwei partitionierten Elementen,
welche einfach und günstig
hergestellt werden und ein Netz mit zwei Ebenen von Durchgängen aufweisen,
die eine Montage, feste bzw. dichte Kopplung und Integration kritischer
Komponenten des Brennstoffzellensystems ermöglichen, die Wärmetauscher,
Brenner, Brennstoffreformer, Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapel,
Rückschlagventile,
Gewindeeinsätze
und katalysierte und nicht katalysierte Filter einschließen. Obgleich
der Einfachheit halber ein Verteiler mit fünf Komponenten dargestellt
ist, können
natürlich
innerhalb des Umfangs der Erfindung beliebige zwei der perforierten
Platten durch entsprechende und offensichtliche Gieß- oder
Formprozesse offenkundig in die partitionierten Elemente eingefügt werden,
so dass der Verteiler nur drei Elemente umfaßt.
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Es
sollte besonders erwähnt
werden, dass der Verteiler 500 tatsächlich zwei spiegelbildliche Verteiler 500-1, 500-2 umfaßt, die
einige gemeinsame Merkmale, z.B. eine Kathodenluftrückleitung
von den Stapeln, gemeinsam nutzen. Folglich strömt Reformat-Brennstoff von
der reforWER-Einheit 1100 in zwei parallelen Strömen zu den
Stapeln 344 und 346 und wird in zwei parallelen
Strömen
zum reforWER 1100 zurückgeführt. Desgleichen
wird eine Kathodenluftströmung
von der Luftversorgungsanordnung 900 in zwei parallele
Ströme
geteilt und tritt in jeden Verteiler 500-1, 500-2 über Spiegelbildkopplungen 902-1 und 902-2 (8-10 und 13)
ein. Wie man erkennt, sind folglich die Brennstoffzellenstapel 344, 346 der
Brennstoffzellenanordnung 400 elektrisch in Reihe geschaltet,
werden aber von Gasströmungen
parallel versorgt.
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Zur
einfachen Präsentation
und Diskussion, mit Ausnahme von eindeutigen Funktionen, ist die folgende
Konstruktion und Funktion auf den Verteiler 500-1 gerichtet;
und es sollte sich aber verstehen, dass sie gleichermaßen auf
den spiegelbildlichen Verteiler 500-2 anwendbar sind.
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Die
untere Platte 502 ist die Grundplatte für den Verteiler und bildet
den Boden für
verschiedene Kammern, die durch Kombination der Platte 502 mit dem
unteren partitionierten Element 504 gebildet werden, was
ein unteres Verteilungselement 505 definiert, wie in 16 gezeigt
ist. Eine Zwischenplatte 506 vervollständigt die Kammern im Element 504 und bildet
die Bodenplatte für
ein oberes partitioniertes Element 508, das ein oberes
Verteilungselement 509 definiert. Die oberste Platte 510 vervollständigt die Kammern
im Element 508 und bildet die Montagebasis für die Brennstoffzellenanordnung 300,
Wärmetauscher 600 und
die reforWER-Einheit 1100, wie oben beschrieben wurde.
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Im
Betrieb tritt Luft über
eine Kopplung 902-1 in eine erste untere Kammer 512 ein,
strömt
durch Schlitze 514-1, 514-2, 514-3 in
einen Wärmetauscher 600-1 nach
oben, in herkömmlicher
Weise durch den Wärmetauscher,
wo die Luft wie unten beschrieben erhitzt wird, nach unten durch
einen Schlitz 516-3 in eine erste obere Kammer 518,
danach durch eine Öffnung 520 in
der Platte 506 in eine zweite untere Kammer 522.
In der Kammer 518 wird die erhitzte Luft steuerbar mit
kühler
Luft gemischt, die über eine
Umgehungsverbindung 904-1 von der Luftversorgungsanordnung 900 in
die Kammer eintritt. Die temperierte Luft strömt von der Kammer 522 durch eine Öffnung 524 in
der Platte 506 nach oben in eine Kammer 526, die
einen Kathodenversorgungssammelraum definiert, um Reaktions- und
Kühlluft
nach oben durch geschlitzte Öffnungen 528 den
Durchgängen
für die
Kathodenluftströmung
im Stapel 344 zuzuführen.
Verbrauchte Luft wird von den Kathoden über geschlitzte Öffnungen 530 in
einen Sammelraum 532 für
die Kathodenrückleitung
zurückgeführt und
strömt
durch eine Öffnung 534 in
der Platte 506 nach unten in einen gemeinsamen Rückleitungskanal 536 für Kathodenluft,
der zu einem Restgasbrenner 1102 innerhalb des reforWER 1100 führt.
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Heißes Reformat
vom reforWER 1100 tritt über eine Öffnung 538 in der
obersten Platte 510 in den Verteiler 500-1 ein
und strömt
in eine Kammer 540, danach nach unten durch eine Öffnung 542 in einen
Zuleitungskanal 544 und durch eine Öffnung 546 in eine
Kammer 548 nach oben, die einen Sammelraum für die Anodenversorgung
für den
Stapel 344 definiert.
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Die Öffnung 546 definiert
vorzugsweise einen Sitz für
ein Ventil mit einer Kugel 550 (14), die
vorzugsweise durch das eigene Gewicht an Ort und Stelle gehalten
wird, um eine Reformatströmung während eines
Betriebs zu ermöglichen,
aber eine Sauerstoffströmung
in die Anoden zu verhindern, wenn das System abgeschaltet wird.
Ferner enthält die
Kammer 544 und/oder 548 vorzugsweise ein sauerstoffreaktives
Material (das nicht dargestellt, hier aber als 134 in 2 angegeben
ist) wie z.B. Nickelwolle, durch das Reformat leicht gelangen kann,
welches aber etwaigen, die Kugel 550 passierenden Sauerstoff
auf seinem Weg zu den Anoden reinigen kann.
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Die
Kathodenversorgungskammer 522 und Anodenversorgungskammer 544 sind
vorzugsweise so ausgebildet, dass die Fläche der gemeinsamen Wand zwischen
ihnen maximiert ist, so dass die Kammern 522, 544 einen
Co-flow-Wärmetauscher definieren,
der dazu neigt, die Temperaturdifferenz zwischen der Luft der Kathodenversorgung
und dem Reformat der Anodenversorgung zu verringern.
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Aus
der Kammer 548 strömt
das Reformat nach oben durch Schlitze 552 in die Anodenströmungsdurchgänge im Stapel 344.
Verbrauchtes Reformat ("Restgas") strömt nach
unten durch Schlitze 554 in einen Sammelraum 556 für die Anodenrückleitung
und danach nach unten durch eine Öffnung 558 in einen
Reformat-Rückleitungskanal 560.
Vom Kanal 560 strömt
verbrauchtes Reformat nach oben durch eine Öffnung 562 in eine
mit dem Verteiler 500-2 gemeinsame längliche Kammer 564 und
danach durch Öffnungen 556 in
den Restgas-Brenner 1102 im reforWER 1100. Die Öffnung 562 ist
vorzugsweise auch als Rückschlagventilsitz
wie die Öffnung 546 ausgebildet,
um eine Rückschlagkugel 563 aufzunehmen,
die vorzugsweise durch das eigene Gewicht an Ort und Stelle gehalten
wird, um eine umgekehrte Strömung
von Sauerstoff in die Anoden zu verhindern, wenn das System abgeschaltet
wird. Ferner enthalten/enthält
die Kammer 556 und/oder 560 wie die Kammer 548 vorzugsweise
ein sauerstoffreaktives Material (das hier nicht dargestellt, aber
in 2 als 134 angegeben ist) wie z.B. Nickelwolle, durch
die das Restgas leicht gelangen kann, die aber etwaigen, die Kugel 563 passierenden
Sauerstoff auf dessen Weg zu den Anoden reinigen kann.
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Verbranntes
Restgas vom Brenner gelangt über
einen Schlitz 568-3 in den Verteiler 500-1 und strömt über Schlitze 568-2, 568-1 in
die untere Kammer 570 und danach durch eine Öffnung 572 in
die Kammer 574, die als Versorgungssammelraum für den Kathodenluft-Wärmetauscher 600-1 dient.
Verbranntes Restgas strömt
aus der Kammer 574 durch Öffnungen 576 und durch
den Wärmetauscher 600-1 nach
oben, wobei sie somit ankommende Kathodenluft heizt, durch Öffnungen 578 in
die Kammer 580 zurück
und danach über Öffnungen 582 in
einen temperierenden Mantelraum 354 (7)
zurückkehrt, der
den Stapel 344 zwischen den Brennstoffzellen 311 und
der Abdeckung 342 umgibt. Der Stapel wird somit durch das
Abgas temperiert.
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Wenn
das System effizient (> 30%)
läuft,
ist das Abgas erheblich kühler
als die Betriebstemperatur des Stapels; folglich kann das Abgas
dabei helfen, den Stapel mit praktisch ohne Beeinträchtigung
der Pumpenergie zu kühlen.
Dies ist besonders effektiv, da der Abgasstrom den höchsten Massenstrom
im System aufweist. Außerdem
ist während
des Anlaufs des Systems das Abgas, wenn es den Wärmetauscher 600-1 verlässt, typischerweise
heißer
als der Stapel, so dass das Abgas dabei hilft, den Stapel zu erwärmen und
die Anlaufperiode somit zu verkürzen.
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Das
verbrannte Restgas kehrt vom Mantel 354 über Öffnungen 584 in
den Abgassammelraum mit Öffnungen 586-3, 586-2, 586-1 zurück, der
durch ein Abgasrohr 588 und einen Rohrflansch 590 in
die Atmosphäre
entlüftet
wird.
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Ein
SOFC-System 1000 gemäß der Erfindung
ist besonders nützlich
als eine Zusatzleistungseinheit (APU) für Fahrzeuge 136 (12),
an denen die APU montiert werden kann, wie z.B. Personenkraftwagen
und Lastkraftwagen, Schiffe und Boote sowie Flugzeuge, wobei Antriebsenergie
von einem herkömmlichen
Motor geliefert wird und die zusätzlichen
Forderungen nach elektrischer Energie durch ein SOFC-System erfüllt werden.
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Eine
SOFC-Anordnung gemäß der Erfindung
ist auch als stationäres
Kraftwerk wie z.B. in einem Haushalt oder zur kommerziellen Nutzung
nützlich.