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WO2018189368A1 - Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten hilfsvorrichtungen - Google Patents

Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten hilfsvorrichtungen Download PDF

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WO2018189368A1
WO2018189368A1 PCT/EP2018/059519 EP2018059519W WO2018189368A1 WO 2018189368 A1 WO2018189368 A1 WO 2018189368A1 EP 2018059519 W EP2018059519 W EP 2018059519W WO 2018189368 A1 WO2018189368 A1 WO 2018189368A1
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WO
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fuel cell
exhaust gas
stack
cell stack
cell unit
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/059519
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vincent Lawlor
Michael Reissig
Jürgen RECHBERGER
Julian MAKINSON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to CN201880024671.8A priority patent/CN110495031A/zh
Priority to US16/605,007 priority patent/US20200161681A1/en
Priority to JP2019555827A priority patent/JP2020517068A/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell unit for a fuel cell system, in particular a SOFC system.
  • the invention further relates to a motor vehicle with a fuel cell system.
  • SOFC systems with a fuel cell stack for converting chemical energy into electrical energy are known.
  • Such SOFC systems typically include an anode gas supply line for supplying anode gas to the fuel cell stack, and an anode exhaust line for removing anode exhaust gas from the fuel cell stack.
  • SOFC systems further include a cathode gas supply line for supplying cathode gas to the fuel cell stack, and a cathode exhaust gas line for discharging cathode exhaust gas from the fuel cell stack.
  • BOP devices so-called BOP devices (BOP) are known.
  • BOP devices are understood as meaning all auxiliary devices in the fuel cell system which contribute to ensuring the functionality of the fuel cell system.
  • Systems, BOP devices may be heat exchangers, valves, fluid reservoirs, reformers, exhaust burners, starting burners, evaporators, fuel pumps, blowers, and the like.
  • the respective BOP devices occupy an essential part of the available installation space in the fuel cell system. In mobile applications in particular, it is important to keep them small or to use them as efficiently as possible.
  • Object of the present invention is to at least partially take into account the problem described above.
  • a fuel cell unit for a fuel cell system.
  • the fuel cell unit includes at least a first fuel cell stack, at least a second fuel cell stack, an anode gas supply line for supplying anode gas to the at least one first fuel cell stack and the at least one second fuel cell stack, an anode exhaust line for discharging anode off gas from the at least one first fuel cell stack and at least one second fuel cell stack a cathode gas supply line for supplying cathode gas to the at least one first fuel cell stack and the at least one second fuel cell stack, a cathode exhaust gas line for discharging cathode exhaust gas from the at least one first fuel cell stack and the at least one second fuel cell stack, and at least one BOP device for ensuring the operability of the Fuel cell system, on.
  • the anode gas supply line, the anode exhaust gas line, the cathode gas supply line, and / or the cathode exhaust gas line are sandwiched in at least one stacking section between the at least one first fuel cell stack and the at least one second fuel cell stack.
  • the at least one BOP device is disposed in the at least one stack section within the anode gas supply line, the anode exhaust gas line, the cathode gas supply line, and / or the cathode exhaust gas line.
  • the compact arrangement of the at least one BOP device according to the invention within the stack section between the fuel cell stacks can shorten the line paths between BOP devices and fuel cell stacks. This in turn leads to a low material consumption and correspondingly low costs. In addition, this weight optimization can be made, which is always to achieve, especially in the mobile use of fuel cell systems.
  • a line is to be understood as meaning, in particular, a line system having a plurality of line sections.
  • the anode gas supply line may include an anode gas supply line section upstream of a BOP device and downstream of this BOP device.
  • this BOP device may be considered to be within the anode gas supply line, that is, between the anode gas supply line section upstream of the BOP device and the anode gas supply line section downstream of the BOP device.
  • anode gas intake manifold, cathode gas intake manifold, anode exhaust manifold, and cathode exhaust manifold are each to be understood as corresponding conduit sections. Basically, all the line sections to the respective electrode are to be understood under the supply and exhaust pipes.
  • BOP devices are all auxiliary devices in a fuel cell system that contribute to ensuring the functionality of the fuel cell system.
  • such BOP devices may include, for example, heat exchangers, valves, fluid reservoirs, reformers, exhaust burners, starting burners, evaporators, fuel pumps and blowers.
  • a BOP device can be understood to mean a gas preparation device for the electrochemical reaction at the fuel cell stacks.
  • a BOP device can be understood as meaning an exhaust gas aftertreatment device for exhaust aftertreatment of exhaust gases of the fuel cell stacks. The exhaust aftertreatment is to be understood in particular as a mechanical, catalytic and / or chemical exhaust aftertreatment.
  • the at least one first fuel cell stack and the at least one second fuel cell stack each have an anode section and a cathode section for an electrochemical power generation and / or in a regeneration operation an electrochemical fuel gas generation.
  • the fuel cell unit is preferably configured for use in a SOFC system and / or in an SOEC system.
  • the at least one BOP device has a reformer, which is arranged in the stack section within the anode gas supply line.
  • the reformer can be installed in a particularly space-saving manner with respect to the fuel cell system in which the fuel cell unit is arranged.
  • anode gas supply pipe sections can be kept particularly short. This allows the reformer to operate efficiently. Short line sections also mean a low weight and a low degree of complexity with respect to the structure of a fuel cell system.
  • Another advantage of the inventive arrangement of the reformer has been found with respect to the endothermic reaction that takes place in a reforming of fuel gas in the reformer.
  • the reformer Through targeted operation of the reformer, it is possible to cool the fuel cell stack or the environment of the reformer. This can be advantageous in particular in the case of a switch-off process of the fuel cell unit or of a fuel cell system with the fuel cell unit and / or in the event of an imminent overheating of the fuel cell unit. Furthermore, in the case of a fuel cell unit according to the invention, it is possible for the reformer to have a reforming catalyst or at least essentially to be configured as such. A reforming catalyst can be particularly space-saving be installed. In this case, no or hardly any auxiliary devices are needed, which would require further line sections, cables, or the like.
  • the reforming catalyst can be configured as a combustion catalyst, for example as an oxidation catalyst.
  • anode gas can be burned and the correspondingly heated fluids can be used for heating the fuel cell stacks.
  • the arrangement of the reformer directly between the fuel cell stacks this can be implemented in a particularly efficient and effective manner.
  • the heated fluid may be passed directly to the electrodes of the fuel cell stacks.
  • the electrodes can be heated particularly efficiently.
  • the heated fluid may also be used to heat the fuel cell stacks from outside. As a result, possible, disadvantageous chemical and / or thermal interactions between the heated fluid and the electrodes can be avoided.
  • a fuel cell unit it is possible to arrange an exhaust passage for discharging a gas mixture having the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas from the anode exhaust gas line and the cathode exhaust gas line into the vicinity of the fuel cell unit, with the exhaust gas passage sandwiching in the at least one stacked section between the at least one first fuel cell stack and the at least one second fuel cell stack is arranged, and wherein the at least one BOP device comprises an exhaust gas burner, which is arranged in the stack section within the exhaust pipe.
  • the exhaust gas burner can be arranged in a fuel cell system in a particularly space-saving manner in this way.
  • the pipe sections required for the exhaust gas burner can be installed correspondingly short and therefore cost and weight saving. Likewise, this can reduce the degree of complexity of the fuel cell unit.
  • Another advantage of the arrangement of the exhaust gas burner according to the invention has been found with respect to the exothermic reaction that takes place in a combustion of anode and cathode exhaust gas in the exhaust gas burner. By a targeted operation of the exhaust gas burner, it is possible to heat the fuel cell stack or the environment of the exhaust gas burner. This can be advantageous in particular during a starting process of the fuel cell unit or of a fuel cell system with the fuel cell unit.
  • the exhaust gas burner has an oxidation catalytic converter or is at least essentially configured as such.
  • An oxidation catalyst or a catalyst in general can be installed in a particularly space-saving manner.
  • the sandwich-type arrangement is preferably an arrangement in which a first reformer section is arranged directly or essentially directly above the exhaust gas burner and a second reformer section is arranged directly or substantially directly under the exhaust gas burner.
  • the sandwich-type arrangement furthermore preferably includes an arrangement in which a first exhaust gas burner section is arranged directly or essentially directly above the reformer and a second exhaust gas burner section is arranged directly or substantially directly under the reformer.
  • the exhaust gas burner is at least partially annularly arranged around the reformer around. That is, at least part of the exhaust gas burner is arranged in a ring around at least part of the reformer.
  • a ring shape has proven to be particularly space-saving and easy to use in experiments in the context of the invention in the fuel cell unit.
  • the reformer in which the exhaust gas burner is at least partially sandwiched in the reformer, it is possible that the reformer is arranged at least partially annularly around the exhaust gas burner. This also represents a particularly space-saving design variant of the present invention. Moreover, in this embodiment, it is form possible to effectively cool the fuel cell unit by taking place in the reformer endothermic reaction, for example, in a shutdown of the fuel cell unit.
  • the cathode gas supply line in the case of a fuel cell unit according to the invention, it is possible for the cathode gas supply line to have a tempering fluid line section which, at least in sections, adjoins the exhaust gas burner in the stack section. This makes it possible to temper the cathode gas supply line within the stack section in a simple and effective manner and thus contribute to an efficient operation of the fuel cell unit or of a corresponding fuel cell system.
  • the fuel cell unit can be tempered in a simple and effective manner if the exhaust gas burner in this cross section is sandwiched by two tempering fluid Section of the pipe or a ring around the exhaust gas burner designed around tempering fluid line section is sandwiched in cross section.
  • the exhaust gas burner is at least in cross-section and at least partially sandwiched in the reformer and / or enclosed by this annular, it has been found to be advantageous in terms of a simple and effective temperature control of the exhaust gas burner when the Temperierfluid-line section sandwiched in the exhaust gas burner and / or is enclosed by this ring.
  • Cathodic gas, for example air, for cooling the fuel cell unit can be conducted through the tempering fluid line section. Additionally or alternatively, other hot or cold fluid for heating or cooling the fuel cell unit may be passed through the Temperierfluid-line section.
  • the at least one BOP device has a starting burner for heating the exhaust gas burner.
  • a starting burner for heating the afterburner is also advantageously used internally. can be arranged half of the stack section.
  • the heat generated by the starting burner for the exhaust gas burner can also be used to heat the fuel cell stack relatively directly and effectively and efficiently.
  • a heat transfer section in particular in the form of a solid, for heat transfer from the at least one BOP device to the at least one first fuel cell stack and / or the at least one second fuel cell stack, is arranged.
  • the heat transport section may be designed as an intermediate wall between the at least one BOP device and one of the electrodes of the fuel cell unit. Through the heat transport section, direct heat transfer from a heating or cooling BOP device to at least one of the electrodes of the fuel cell unit can be realized.
  • a motor vehicle in particular an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, is provided with a fuel cell system for supplying energy to at least one drive unit of the motor vehicle, the fuel cell system having a fuel cell unit as explained in detail above.
  • a motor vehicle according to the invention brings with it the same advantages as have been described in detail with reference to the fuel cell unit according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell unit according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a fuel cell unit according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a fuel cell unit according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a fuel cell unit according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a fuel cell unit according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a fuel cell unit according to a sixth embodiment of the present invention
  • FIG. 7 shows a fuel cell unit according to a seventh embodiment of the present invention
  • FIG. 8 shows a fuel cell unit according to an eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 9 shows a motor vehicle with a fuel cell unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell unit 100a for a fuel cell system 1100.
  • 1 has a first fuel cell stack 3.1 and a second fuel cell stack 4.1.
  • the fuel cell unit 100a further comprises a BOP device in the form of a reformer 1 and a BOP device in the form of an exhaust gas burner 2.
  • the reformer 1 is disposed in an anode gas supply pipe 6 (explained later in detail), and the exhaust gas burner is disposed in an exhaust pipe 10 or a merging of an anode exhaust pipe 7 and a cathode exhaust pipe 9 (explained later in detail).
  • the reformer 1 and the exhaust gas burner 2 are sections in a stack section A (area between the dashed lines) within the anode gas supply line 6 and the exhaust pipe 10 is sandwiched between the first fuel cell stack 3.1 and the second fuel cell stack 4.1.
  • the reformer 1 and the exhaust gas burner 2 can also be arranged completely within the stacking section A.
  • the reformer 1 has a reforming catalyst.
  • the exhaust gas burner 2 has an oxidation catalytic converter.
  • the reformer 1 and the exhaust gas burner 2 are sandwiched with each other as viewed in a cross section. More specifically, the exhaust gas burner 2 is arranged annularly around the reformer 1 around.
  • FIG. 2 shows a fuel cell unit 100b according to a second embodiment. According to the second embodiment, the reformer 1 is arranged annularly around the exhaust gas burner 2 around. Otherwise, the second embodiment substantially corresponds to the first embodiment.
  • FIG. 3 shows a fuel cell unit 100 c according to a third embodiment.
  • a cathode gas supply line 8 has a tempering fluid line section 5 which adjoins the exhaust gas burner 2 in the stack section A for temperature transport, in particular direct temperature transport, between the exhaust gas burner 2 and the temperature fluid line section 5. More specifically, the tempering fluid conduit section 5 sandwiches the exhaust gas burner in a cross section.
  • the tempering fluid line section 5 is configured in a ring around the exhaust gas burner 2. Otherwise, the third embodiment substantially corresponds to the first embodiment.
  • the cathode gas supply line 8 has a tempering fluid line section 5 which adjoins the exhaust gas burner 2 in the stack section A for temperature transport, in particular direct temperature transport, between the exhaust gas burner 2 and the temperature fluid line section 5. More specifically, the exhaust gas burner 2 sandwiches the temperature control fluid conduit section 5 in a cross section.
  • the exhaust gas burner 2 is designed in the form of a ring around the tempering fluid line section 5. Otherwise, the fourth embodiment substantially corresponds to the second embodiment.
  • transition sections between the reformer 1, the starting burner, the fluid line sections 5, 6, 7, 8, 9, 10 and the fuel cell stacks 3.1, 3.2, 4.1, 4.2, which are configured for example as partitions, are each as a heat transport section for heat transfer designed between the respective components.
  • FIG. 5 shows a fuel cell unit 100e according to a fifth embodiment.
  • the fuel cell unit 10Oe is shown in a plan view, and a BOP unit having a reformer 1 and an exhaust gas burner 2 annularly arranged therearound is rotated by 90 degrees compared to the first four embodiments.
  • an anode gas supply line 6 for supplying anode gas to a first fuel cell stack 3.1 and a second fuel cell stack 4.1
  • an anode exhaust line 7 for discharging anode exhaust gas from the first fuel cell stack 3.1 and the second fuel cell stack 4.1
  • a cathode gas supply line 8 for supplying cathode gas to the first fuel cell stack 3.1 and the second fuel cell stack 4.1
  • a cathode exhaust line 9 for discharging cathode exhaust gas from the first fuel cell stack 3.1 and from the second fuel cell stack 4.1.
  • the fifth embodiment substantially corresponds to the first embodiment.
  • FIG. 6 shows a plan view of a fuel cell unit 10Of according to a sixth embodiment.
  • the sixth embodiment substantially corresponds to the fourth embodiment, wherein the BOP unit, which has the reformer 1 and the exhaust gas burner 2 in which the tempering fluid conduit section is arranged, is disposed rotated by 90 °.
  • FIG. 7 shows a fuel cell unit 100g according to a seventh embodiment.
  • the fuel cell unit 100g according to the seventh embodiment is not symmetrical compared to the first six embodiments.
  • the fuel cell unit 100g according to the seventh embodiment is shown in more detail than the first six fuel cell units.
  • the embodiment illustrated in FIG. 7 can more clearly read the arrangement of the reformer 1 within the anode gas supply line 6 and the arrangement of the exhaust gas burner 2 within the exhaust line 10, which is a combination of the anode exhaust line 7 and the cathode exhaust line 9. As shown in FIG.
  • the exhaust pipe 10 is configured and arranged to discharge a mixed gas comprising the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas from the anode exhaust pipe 7 and the cathode exhaust pipe 9 to the vicinity of the fuel cell unit 100 g.
  • the exhaust pipe 10 is sandwiched between the first fuel cell stack 3.1 and the second fuel cell stack 4.1 in the stacking section A (not directly shown in FIG. 7).
  • the exhaust gas burner 2 may be disposed within the exhaust pipe 10 further comprises a starting burner.
  • FIG. 8 shows a perspective view of a fuel cell unit 100h according to an eighth embodiment.
  • the fuel cell unit 100h according to the eighth embodiment substantially corresponds to the fuel cell unit 100g according to the seventh embodiment.
  • the fuel cell unit 100h according to the eighth embodiment has two first fuel cell stacks 3.1, 3.2 and two second fuel cell stacks 4.1, 4.2, wherein a first stack section A is configured between the fuel cell stack 3.1 and the fuel cell stack 4.1 and between the fuel cell stack 3.2 and the fuel cell stack 4.2 second stack section B is configured.
  • the number of fuel cell stacks is not limited to the embodiments shown in the figures.
  • FIG. 9 shows a motor vehicle 1000 in the form of an electric vehicle with a fuel cell system 1100 for supplying energy to an electric motor (drive unit) 1200 of the motor vehicle 1000, the fuel cell system 1100 having a fuel cell unit 100a as explained above in detail.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h) für ein Brennstoffzellensystem (1100), aufweisend wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1, 3.2), wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1, 4.2), eine Anodengas-Zuführleitung (6), eine Anodenabgasleitung (7), eine Kathodengas-Zuführleitung (8), eine Kathodenabgasleitung (9), und wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1, 2) zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems (1100), wobei die Anodengas-Zuführleitung (6), die Anodenabgasleitung (7), die Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder die Kathodenabgasleitung (9) bereichsweise in wenigstens einem Stapelabschnitt (A, B) sandwichartig zwischen wenigstens einem ersten Brennstoffzellenstapel (3.1, 3.2) und wenigstens einem zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1, 4.2) angeordnet sind, wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1, 2) in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (A, B) innerhalb der Anodengas-Zuführleitung (6), der Anodenabgasleitung (7), der Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder der Kathodenabgasleitung (9) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (1000) mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h).

Description

Brennstoffzelleneinheit mit gestapelten Hilfsvorrichtungen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. Im Stand der Technik sind SOFC-Systeme mit einem Brennstoffzellenstapel zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie bekannt. Solche SOFC- Systeme weisen in der Regel eine Anodengas-Zuführleitung zum Zuführen von Anodengas zum Brennstoffzellenstapel sowie eine Anodenabgasleitung zum Abführen von Anodenabgas vom Brennstoffzellenstapel auf. Diese SOFC-Systeme weisen fer- ner eine Kathodengas-Zuführleitung zum Zuführen von Kathodengas zum Brennstoffzellenstapel sowie eine Kathodenabgasleitung zum Abführen von Kathodenabgas vom Brennstoffzellenstapel auf. Weiterhin sind bei SOFC-Systemen sogenannte BOP-Vorrichtungen (BOP, englisch für„balance of plant") bekannt. Unter BOP-Vorrichtungen sind all diejenigen Hilfsvorrichtungen im Brennstoffzellensystem zu ver- stehen, welche zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems beitragen. Bei SOFC-Systemen können BOP-Vorrichtungen Wärmetauscher, Ventile, Fluidspeicher, Reformer, Abgasbrenner, Startbrenner, Verdampfer, Kraftstoffpumpen, Gebläse und dergleichen sein.
Die jeweiligen BOP-Vorrichtungen nehmen im Brennstoffzellensystem einen wesent- liehen Bestandteil des zur Verfügung stehenden Bauraums ein. Insbesondere bei mobilen Anwendungen gilt es diesen stets klein zu halten bzw. möglichst effizient auszunutzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vor- liegenden Erfindung, eine Brennstoffzelleneinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit der Brennstoffzelleneinheit zur Verfügung zu stellen, bei welchen die BOP-Vorrichtungen möglichst platzsparend angeordnet sind.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß Anspruch 1 sowie das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Brennstoffzelleneinheit beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenba- rung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzelleneinheit für ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelleneinheit weist wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel, wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Anodengas-Zuführleitung zum Zuführen von Anodengas zum wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und zum wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Anodenabgasleitung zum Abführen von Anodenabgas vom wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und vom wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Kathodengas-Zuführleitung zum Zuführen von Kathodengas zum wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und zum wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Kathodenabgasleitung zum Abführen von Kathodenabgas vom wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und vom wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, und wenigstens eine BOP-Vorrichtung zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems, auf. Die Anodengas-Zuführleitung, die Anodenabgasleitung, die Kathodengas- Zuführleitung und/oder die Kathodenabgasleitung sind bereichsweise in wenigstens einem Stapelabschnitt sandwichartig zwischen dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel angeordnet. Außerdem ist die wenigstens eine BOP-Vorrichtung in dem wenigstens einen Stapelabschnitt innerhalb der Anodengas-Zuführleitung, der Anodenabgasleitung, der Kathodengas-Zuführleitung und/oder der Kathodenabgasleitung angeordnet.
Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass es auf vorteilhafte Weise möglich ist, BOP-Vorrichtungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels bzw. zwischen mehreren Brennstoffzellenstapeln ent- sprechend platzsparend anzuordnen. Bei entsprechender Anordnung der verschiedenen Bauteile lässt sich bisher ungenutzter Bauraum zwischen den Brennstoffzellenstapeln für die Anordnung von BOP-Vorrichtungen nutzen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Anordnen von BOP-Vorrichtungen zwischen Brennstoffzellenstapeln nicht oder kaum zu negativen, sondern vielmehr zu positiven Wechselwirkungen zwischen den BOP-Vorrichtungen und den Brennstoffzellenstapeln führt.
Durch die erfindungsgemäße kompakte Anordnung der wenigstens einen BOP-Vor- richtung innerhalb des Stapelabschnitts zwischen den Brennstoffzellenstapeln können Leitungswege zwischen BOP-Vorrichtungen und Brennstoffzellenstapeln verkürzt werden. Dies führt wiederum zu einem niedrigen Materialverbrauch und entsprechend geringen Kosten. Außerdem kann dadurch eine Gewichtoptimierung vorgenommen werden, die es insbesondere im mobilen Einsatz von Brennstoffzellen- Systemen stets zu erzielen gilt.
Unter einer Leitung ist vorliegend insbesondere ein Leitungssystem mit mehreren Leitungsabschnitten zu verstehen. Die Anodengas-Zuführleitung kann beispielsweise einen Anodengas-Zuführleitungsabschnitt stromaufwärts einer BOP-Vorrichtung sowie stromabwärts dieser BOP-Vorrichtung aufweisen. Außerdem kann diese BOP- Vorrichtung als sich innerhalb der Anodengas-Zuführleitung befindlich, also zwischen dem Anodengas-Zuführleitungsabschnitt stromaufwärts der BOP-Vorrichtung und dem Anodengas-Zuführleitungsabschnitt stromabwärts der BOP-Vorrichtung, betrachtet werden kann.
Unter den Zuführ- und Abgasleitungen sind nicht nur Leitungsabschnitte zu den Brennstoffzellenstapeln hin, sondern insbesondere auch Leitungsabschnitte zwischen und innerhalb der Brennstoffzellenstapel zu verstehen. So sind beispielsweise auch Anodengas-Einlasskrümmer, Kathodengas-Einlasskrümmer, Anodenabgaskrümmer sowie Kathodenabgaskrümmer jeweils als entsprechende Leitungsabschnitte zu verstehen. Grundsätzlich sind unter den Zuführ- und Abgasleitungen sämtliche Leitungsabschnitte bis zur jeweiligen Elektrode hin zu verstehen.
Wie vorstehend bereits erwähnt, sind unter BOP-Vorrichtungen all diejenigen Hilfsvorrichtungen in einem Brennstoffzellensystem zu verstehen, welche zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems beitragen. Bei SOFC-Syste- men können solche BOP-Vorrichtungen beispielsweise Wärmetauscher, Ventile, Flu- idspeicher, Reformer, Abgasbrenner, Startbrenner, Verdampfer, Kraftstoffpumpen und Gebläse sein. So kann unter einer BOP-Vorrichtung eine Gasvorbereitungsvorrichtung für die elektrochemische Reaktion an den Brennstoffzellenstapeln verstanden werden. Außerdem kann unter einer BOP-Vorrichtung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Abgasnachbehandlung von Abgasen der Brennstoffzellen- Stapel verstanden werden. Unter der Abgasnachbehandlung ist insbesondere eine mechanische, katalytische und/oder chemische Abgasnachbehandlung zu verstehen.
Der wenigstens eine erste Brennstoffzellenstapel und der wenigstens eine zweite Brennstoffzellenstapel weisen jeweils einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt für eine elektrochemische Stromerzeugung und/oder in einem Regenerations- betrieb eine elektrochemische Brenngaserzeugung auf. Die Brennstoffzelleneinheit ist vorzugsweise zur Verwendung in einem SOFC-System und/oder in einem SOEC- System konfiguriert.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Brennstoffzelleneinheit die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Reformer auf- weist, der im Stapelabschnitt innerhalb der Anodengas-Zuführleitung angeordnet ist. Dadurch kann der Reformer mit Bezug auf das Brennstoffzellensystem, in welchem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist bzw. wird, besonders platzsparend verbaut werden. Aufgrund der Anordnung des Reformers zwischen den Brennstoffzellenstapeln können außerdem Anodengas-Zuführleitungsabschnitte besonders kurz gehal- ten werden. Dadurch kann der Reformer effizient betrieben werden. Kurze Leitungsabschnitte bedeuten weiterhin ein geringes Gewicht sowie einen niedrigen Komplexitätsgrad bezüglich des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des Reformers hat sich bezüglich der endothermen Reaktion herausgestellt, die bei einer Reformierung von Brenngas im Reformer stattfindet. Durch gezielten Betrieb des Reformers ist es möglich, die Brennstoffzellenstapel bzw. die Umgebung des Reformers zu kühlen. Dies kann insbesondere bei einem Abschaltvorgang der Brennstoffzelleneinheit bzw. eines Brennstoffzellensystems mit der Brennstoffzelleneinheit und/oder im Falle einer bevorstehenden Überhitzung der Brennstoffzelleneinheit von Vorteil sein. Ferner ist es möglich, dass bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit der Reformer einen Reformerkatalysator aufweist oder zumindest im Wesentlichen als ein solcher ausgestaltet ist. Ein Reformerkatalysator kann besonders platzsparend verbaut werden. Hierbei sind keinerlei oder kaum Hilfsvorrichtungen nötig, die weitere Leitungsabschnitte, Kabel, oder dergleichen benötigen würden. Der Reformerkatalysator kann als Verbrennungskatalysator, beispielsweise als Oxidationskatalysa- tor, ausgestaltet sein. Dadurch kann Anodengas verbrannt und die entsprechend er- hitzen Fluide können zum Aufheizen der Brennstoffzellenstapel verwendet werden. Durch die Anordnung des Reformers direkt zwischen den Brennstoffzellenstapeln kann dies auf eine besonders effiziente sowie effektive Weise umgesetzt werden. Das erhitzte Fluid kann direkt zu den Elektroden der Brennstoffzellenstapel geführt werden. Dadurch können die Elektroden besonders effizient erhitzt werden. Alterna- tiv oder zusätzlich kann das erhitzte Fluid auch zum Erhitzen der Brennstoffzellenstapel von außerhalb genutzt werden. Dadurch können mögliche, nachteilige chemische und/oder thermische Wechselwirkungen zwischen dem erhitzten Fluid und den Elektroden vermieden werden.
Außerdem ist es bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit möglich, dass eine Abgasleitung zum Abführen eines Gasgemisches, welches das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufweist, von der Anodenabgasleitung und der Kathodenabgasleitung in die Umgebung der Brennstoffzelleneinheit, angeordnet ist, wobei die Abgasleitung bereichsweise in dem wenigstens einen Stapelabschnitt sandwichartig zwischen dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, und wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Abgasbrenner aufweist, der im Stapelabschnitt innerhalb der Abgasleitung angeordnet ist. Wie schon zum Reformer ausgeführt, kann auf diese Weise auch der Abgasbrenner auf besonders platzsparende Weise in einem Brennstoffzellensystem angeordnet werden. Dadurch können auch die für den Abgasbren- ner erforderlichen Leitungsabschnitte entsprechend kurz und damit kosten- und gewichtssparend verbaut werden. Ebenso lässt sich dadurch der Komplexitätsgrad der Brennstoffzelleneinheit reduzieren. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasbrenners hat sich bezüglich der exothermen Reaktion herausgestellt, die bei einer Verbrennung von Anoden- und Kathodenabgas im Abgasbrenner stattfindet. Durch einen gezielten Betrieb des Abgasbrenners ist es möglich, die Brennstoffzellenstapel bzw. die Umgebung des Abgasbrenners zu erhitzen. Dies kann insbesondere bei einem Startvorgang der Brennstoffzelleneinheit bzw. eines Brennstoffzellensystems mit der Brennstoffzelleneinheit von Vorteil sein. Zudem kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit der Abgasbrenner einen Oxidationskatalysator aufweist oder zumindest im Wesentlichen als ein solcher ausgestaltet ist. Ein Oxidationskatalysator bzw. ein Katalysator im Allgemeinen kann besonders platzsparend verbaut werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich weiterhin herausgestellt, dass es bei einer Brennstoffzelleneinheit von Vorteil ist, wenn der Reformer und der Abgasbrenner zumindest in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig angeordnet sind.
Dadurch können der Kompaktheitsgrad der Brennstoffzelleneinheit gesteigert und ein zugehöriges Brennstoffzellensystem entsprechend bauraumoptimiert bereitgestellt werden. Unter der sandwichartigen Anordnung ist vorzugsweise eine Anordnung zu verstehen, bei welcher ein erster Reformerabschnitt direkt oder im Wesentlichen direkt über dem Abgasbrenner angeordnet ist und ein zweiter Reformerabschnitt direkt oder im Wesentlichen direkt unter dem Abgasbrenner angeordnet ist. Unter der sandwichartigen Anordnung ist weiterhin vorzugsweise eine Anordnung zu verste- hen, bei welcher ein erster Abgasbrennerabschnitt direkt oder im Wesentlichen direkt über dem Reformer angeordnet ist und ein zweiter Abgasbrennerabschnitt direkt o- der im Wesentlichen direkt unter dem Reformer angeordnet ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist es möglich, dass der Abgasbrenner zumindest abschnittsweise ringförmig um den Reformer herum angeordnet ist. D.h., zumindest ein Teil des Abgasbrenners ist um zumindest einen Teil des Reformers ringförmig angeordnet. Eine solche Ringform hat sich bei Versuchen im Rahmen der Erfindung als besonders platzsparend und gut in die Brennstoffzelleneinheit einsetzbar gezeigt. Zudem ist es bei dieser Ausführungsform möglich, die Brennstoffzelleneinheit durch die im Abgasbrenner stattfindende exotherme Reaktion effektiv zu heizen, beispielsweise bei einem Startvorgang der Brennstoffzelleneinheit.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Abgasbrenner zumindest bereichsweise sandwichartig im Reformer ausgestaltet ist, ist es möglich, dass der Reformer zumindest abschnittsweise ringförmig um den Abgasbrenner herum angeordnet ist. Auch dies stellt eine besonders platzsparende Ausgestal- tungsvariante der vorliegenden Erfindung dar. Zudem ist es bei dieser Ausführungs- form möglich, die Brennstoffzelleneinheit durch die im Reformer stattfindende endotherme Reaktion effektiv zu kühlen, beispielsweise bei einem Abschaltvorgang der Brennstoffzelleneinheit.
Darüber hinaus ist es bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit möglich, dass die Kathodengas-Zuführleitung einen Temperierfluid-Leitungsabschnitt aufweist, der im Stapelabschnitt zumindest abschnittsweise am Abgasbrenner angrenzt. Dadurch ist es möglich, die Kathodengas-Zuführleitung innerhalb des Stapelabschnitts auf einfache und effektive Weise zu temperieren und somit zu einer effizienten Betriebsweise der Brennstoffzelleneinheit bzw. eines entsprechenden Brennstoff- zellensystems beizutragen. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass die Brennstoffzelleneinheit bei einer Ausführungsform, bei welcher der Reformer im Querschnitt sandwichartig im Abgasbrenner angeordnet ist, auf einfache und effektive Weise temperiert werden kann, wenn der Abgasbrenner in diesem Querschnitt sandwichartig von zwei Temperierfluid-Leitungsabschnit- ten oder einem ringförmig um den Abgasbrenner herum ausgestalteten Temperier- fluid-Leitungsabschnitt im Querschnitt sandwichartig umgeben ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Abgasbrenner zumindest im Querschnitt und wenigstens bereichsweise sandwichartig im Reformer aufgenommen und/oder von diesem ringförmig umschlossen ist, hat es sich bezüglich einer einfachen und effektiven Temperierung des Abgasbrenners als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Temperierfluid-Leitungsabschnitt sandwichartig im Abgasbrenner angeordnet und/oder von diesem ringförmig umschlossen ist. Durch den Temperier- fluid-Leitungsabschnitt kann Kathodengas, beispielsweise Luft, zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit geleitet werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch anderes heißes oder kaltes Fluid zum Heizen bzw. Kühlen der Brennstoffzelleneinheit durch den Temperierfluid-Leitungsabschnitt geleitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Brennstoffzelleneinheit die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Startbrenner zum Erhitzen des Abgasbrenners aufweist. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass auch ein Startbrenner zum Erhitzen des Nachbrenners auf vorteilhafte Weise inner- halb des Stapelabschnitts angeordnet werden kann. Neben der platzsparenden Anordnung des Abgasbrenners kann zudem die vom Startbrenner erzeugte Hitze für den Abgasbrenner genutzt werden, um auch die Brennstoffzellenstapel relativ direkt und entsprechend effektiv und effizient zu erhitzen. Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einer Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in dem wenigstens einen Stapelabschnitt ein Wärmetransportabschnitt, insbesondere in Form eines Festkörpers, für einen Wärmetransport von der wenigstens einen BOP-Vorrichtung zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel und/oder dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel, ange- ordnet ist. Der Wärmetransportabschnitt kann als Zwischenwandung zwischen der wenigstens einen BOP-Vorrichtung und einer der Elektroden der Brennstoffzelleneinheit, ausgestaltet sein. Durch den Wärmetransportabschnitt kann ein direkter Wärmetransport von einer heizenden oder kühlenden BOP-Vorrichtung auf wenigstens eine der Elektroden der Brennstoffzelleneinheit realisiert werden. Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridelektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem zur Energieversorgung wenigstens einer Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt, wobei das Brennstoffzellensystem eine wie vorstehend im Detail erläuterte Brennstoffzelleneinheit aufweist. Damit bringt ein erfin- dungsgemäßes Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Be- Schreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vor- liegenden Erfindung, Figur 2 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 4 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 6 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer sechsen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 7 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 8 eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Figur 9 ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 9 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennstoffzelleneinheit 100a für ein Brennstoffzellen- System 1 100 dargestellt. Die in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzelleneinheit 100a weist einen ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und einen zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 100a weist ferner eine BOP-Vorrichtung in Form eines Reformers 1 sowie eine BOP-Vorrichtung in Form eines Abgasbrenners 2 auf. Der Reformer 1 ist in einer Anodengas-Zuführleitung 6 (später im Detail erläutert) an- geordnet und der Abgasbrenner ist in einer Abgasleitung 10 bzw. einer Zusammenführung einer Anodenabgasleitung 7 und einer Kathodenabgasleitung 9 (später im Detail erläutert) angeordnet. Der Reformer 1 und der Abgasbrenner 2 sind abschnittsweise in einem Stapelabschnitt A (Bereich zwischen den gestrichelten Linien) innerhalb der Anodengas-Zuführleitung 6 bzw. der Abgasleitung 10 sandwichartig zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 angeordnet. Der Reformer 1 und der Abgasbrenner 2 können auch vollständig innerhalb des Stapelabschnitts A angeordnet sein. Der Reformer 1 weist einen Reformerkatalysator auf. Der Abgasbrenner 2 weist einen Oxidationskatalysator auf. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind der Reformer 1 und der Abgasbrenner 2 in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig zueinander angeordnet. Genauer gesagt ist der Abgasbrenner 2 ringförmig um den Reformer 1 herum angeordnet. In Fig. 2 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Reformer 1 ringförmig um den Abgasbrenner 2 herum angeordnet. Ansonsten entspricht die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform.
In Fig. 3 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100c gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Gemäß der dritten Ausführungsform weist eine Kathodengas-Zuführleitung 8 einen Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 auf, der im Stapelabschnitt A für einen Temperaturtransport, insbesondere einen direkten Temperaturtransport, zwischen dem Abgasbrenner 2 und dem Temperaturfluid-Leitungsabschnitt 5, am Abgasbrenner 2 angrenzt. Genauer gesagt nimmt der Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 den Abgasbrenner in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig auf. In der konkreten Ausführungsform ist der Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 ringförmig um den Abgasbrenner 2 herum ausgestaltet. Ansonsten entspricht die dritte Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform.
In Fig. 4 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100d gemäß einer vierten Ausführungsform dargestellt. Gemäß der vierten Ausführungsform weist die Kathodengas-Zuführleitung 8 einen Temperierfluid-Leitungsabschnitt 5 auf, der im Stapelabschnitt A für einen Temperaturtransport, insbesondere einen direkten Temperaturtransport, zwischen dem Abgasbrenner 2 und dem Temperaturfluid-Leitungsabschnitt 5, am Abgasbrenner 2 angrenzt. Genauer gesagt nimmt der Abgasbrenner 2 den Temperier- fluid-Leitungsabschnitt 5 in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig auf. In der konkreten Ausführungsform ist der Abgasbrenner 2 ringförmig um den Temperier- fluid-Leitungsabschnitt 5 herum ausgestaltet. Ansonsten entspricht die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform.
Die Übergangsabschnitte zwischen dem Reformer 1 , dem Startbrenner, den Fluid- Leitungsabschnitten 5, 6, 7, 8, 9, 10 und den Brennstoffzellenstapeln 3.1 , 3.2, 4.1 , 4.2, welche beispielsweise als Trennwände ausgestaltet sind, sind jeweils als Wärmetransportabschnitt für einen Wärmetransport zwischen den jeweiligen Bauteilen ausgestaltet.
In Fig. 5 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100e gemäß einer fünften Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinheit 10Oe in einer Draufsicht dargestellt und eine BOP-Einheit, die einen Reformer 1 und einen ringförmig um diesen herum angeordneten Abgasbrenner 2 aufweist, ist im Vergleich zu den ersten vier Ausführungsformen um 90° gedreht angeordnet. Aufgrund der Darstellung als Draufsicht sind in Fig. 5 ferner eine Anodengas-Zuführleitung 6 zum Zu- führen von Anodengas zu einem ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und zu einem zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 , eine Anodenabgasleitung 7 zum Abführen von Anodenabgas vom ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und vom zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 , eine Kathodengas-Zuführleitung 8 zum Zuführen von Kathodengas zum ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und zum zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 , sowie eine Kathodenabgasleitung 9 zum Abführen von Kathodenabgas vom ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und vom zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 ., dargestellt. Ansonsten entspricht die fünfte Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform.
In Fig. 6 ist eine Brennstoffzelleneinheit 10Of gemäß einer sechsten Ausführungsform in einer Draufsicht dargestellt. Die sechste Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der vierten Ausführungsform, wobei die BOP-Einheit, welche den Reformer 1 und den Abgasbrenner 2, in welchem der Temperierfluid-Leitungsabschnitt angeordnet ist, aufweist, um 90° gedreht angeordnet ist.
In Fig. 7 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100g gemäß einer siebten Ausführungsform dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 100g gemäß der siebten Ausführungsform ist im Vergleich zu den ersten sechs Ausführungsformen nicht symmetrisch ausgestaltet. Zum Erläutern der Anordnung der BOP-Vorrichtungen in den Fluidkanälen einer Brennstoffzelleneinheit ist die Brennstoffzelleneinheit 100g gemäß der siebten Ausführungsform detaillierter als die ersten sechs Brennstoffzelleneinheiten dargestellt. Insbesondere können der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform die Anordnung des Reformers 1 innerhalb der Anodengas-Zuführleitung 6 und die Anordnung des Ab- gasbrenners 2 innerhalb der Abgasleitung 10, welche eine Zusammenführung der Anodenabgasleitung 7 und der Kathodenabgasleitung 9 ist, deutlicher entnommen werden. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, ist die Abgasleitung 10 zum Abführen eines Gas- gemisches, welches das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufweist, von der Anodenabgasleitung 7 und der Kathodenabgasleitung 9 in die Umgebung der Brennstoffzelleneinheit 100g, ausgestaltet und angeordnet. Die Abgasleitung 10 ist im Stapelabschnitt A sandwichartig zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 3.1 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 4.1 angeordnet (in Fig. 7 nicht direkt dargestellt). Zum Erhitzen des Abgasbrenners 2 kann innerhalb der Abgasleitung 10 ferner ein Startbrenner angeordnet sein.
In Fig. 8 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100h gemäß einer achten Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Brennstoffzelleneinheit 100h gemäß der achten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Brennstoffzellen- einheit 100g gemäß der siebten Ausführungsform. Die Brennstoffzelleneinheit 100h gemäß der achten Ausführungsform weist zwei erste Brennstoffzellenstapel 3.1 , 3.2 und zwei zweite Brennstoffzellenstapel 4.1 , 4.2 auf, wobei zwischen dem Brennstoffzellenstapel 3.1 und dem Brennstoffzellenstapel 4.1 ein erster Stapelabschnitt A ausgestaltet ist und zwischen dem Brennstoffzellenstapel 3.2 und dem Brennstoffzellen- Stapel 4.2 ein zweiter Stapelabschnitt B ausgestaltet ist. Die Anzahl der Brennstoffzellenstapel ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt.
In Fig. 9 ist ein Kraftfahrzeug 1000 in Form eines Elektrofahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem 1 100 zur Energieversorgung eines Elektromotors (Antriebsein- heit) 1200 des Kraftfahrzeugs 1000 dargestellt, wobei das Brennstoffzellensystem 1 100 eine wie vorstehend im Detail erläuterte Brennstoffzelleneinheit 100a aufweist. Bezugszeichenliste
Reformer (BOP-Vorrichtung)
Abgasbrenner (BOP-Vorrichtung)
Brennstoffzellenstapel
Brennstoffzellenstapel
Brennstoffzellenstapel
Brennstoffzellenstapel
Temperierfluid-Leitungsabschnitt
Anodengas-Zuführleitung
Anodenabgasleitung
Kathodengas-Zuführleitung
Kathodenabgasleitung
Abgasleitung
100a - 100h Brennstoffzelleneinheit
1000 Kraftfahrzeug
1 100 Brennstoffzellensystem
1200 Elektromotor (Antriebseinheit)
A Stapel abschnitt
B Stapelabschnitt

Claims

Patentansprüche
1 . Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of ; 100g; 100h) für ein Brennstoffzellensystem (1 100), aufweisend wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1 , 3.2), wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1 , 4.2), eine Anodengas-Zuführleitung (6) zum Zuführen von Anodengas zum wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1 , 3.2) und zum wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1 , 4.2), eine Anodenabgasleitung (7) zum Abführen von Anodenabgas vom wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1 , 3.2) und vom wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1 , 4.2), eine Kathodengas-Zuführleitung (8) zum Zuführen von Kathodengas zum wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1 , 3.2) und zum wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1 , 4.2), eine Kathodenabgasleitung (9) zum Abführen von Kathodenabgas vom wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1 , 3.2) und vom wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1 , 4.2), und wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1 , 2) zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems (1 100), dadurch gekennzeichnet, dass
die Anodengas-Zuführleitung (6), die Anodenabgasleitung (7), die Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder die Kathodenabgasleitung (9) bereichsweise in wenigstens einem Stapelabschnitt (A, B) sandwichartig zwischen dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1 , 3.2) und dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1 , 4.2) angeordnet sind, wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1 , 2) in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (A, B) innerhalb der Anodengas-Zuführleitung (6), der Anodenabgasleitung (7), der Kathodengas-Zuführleitung (8) und/oder der Kathodenabgasleitung (9) angeordnet ist.
2. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of ; 100g; 100h) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Reformer (1 ) aufweist, der im Stapelabschnitt (A, B) innerhalb der Anodengas-Zuführleitung (6) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Reformer (1 ) einen Reformerkatalysator aufweist oder zumindest im Wesentlichen als ein solcher ausgestaltet ist.
3. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of ; 100g; 100h) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abgasleitung (10) zum Abführen eines Gasgemisches, welches das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufweist, von der Anodenabgasleitung (7) und der Kathodenabgasleitung (9) in die Umgebung der Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 100d; 100e; 100f; 100g; 100h), angeordnet ist, wobei die Abgasleitung (10) bereichsweise in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (A, B) sandwichartig zwischen dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1 , 3.2) und dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1 , 4.2) angeordnet ist, und wobei die wenigstens eine BOP-Vorrichtung (1 , 2) einen Abgasbrenner (20) aufweist, der im Stapelabschnitt (A, B) innerhalb der Abgasleitung (10) angeordnet ist.
4. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of ; 100g; 100h) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abgasbrenner (2) einen Oxidationskatalysator aufweist oder zumindest im Wesentlichen als ein solcher ausgestaltet ist.
5. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Reformer (1 ) und der Abgasbrenner (2) zumindest in einem Querschnitt betrachtet sandwichartig angeordnet sind.
6. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100c; 10Oe) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Abgasbrenner (2) zumindest abschnittsweise ringförmig um den Reformer (1 ) herum angeordnet ist oder dass der Reformer (1 ) zumindest abschnittsweise ringförmig um den Abgasbrenner (2) herum angeordnet ist.
7. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kathodengas-Zuführleitung (8) einen Temperierfluid-Leitungsabschnitt (5) aufweist, der im Stapelabschnitt (A, B) zumindest abschnittsweise am Abgas- brenner (2) angrenzt.
8. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of ; 100g; 100h) nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine BOP-Vorrichtung einen Startbrenner zum Erhitzen des Ab- gasbrenners (2) aufweist.
9. Brennstoffzelleneinheit (100a; 100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of ; 100g; 100h) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem wenigstens einen Stapelabschnitt (A, B) ein Wärmetransportabschnitt, insbesondere in Form eines Festkörpers, für einen Wärmetransport von der wenigstens einen BOP-Vorrichtung (1 , 2) zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellenstapel (3.1 , 3.2) und/oder dem wenigstens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (4.1 , 4.2) angeordnet ist.
10. Kraftfahrzeug (1000) mit einem Brennstoffzellensystem (1 100) zur Energieversorgung wenigstens einer Antriebseinheit (1200) des Kraftfahrzeugs (1000), wobei das Brennstoffzellensystem (1 100) eine Brennstoffzelleneinheit (100a;
100b; 100c; 10Od; 10Oe; 10Of ; 100g; 100h) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
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