DE60308787T2 - Vorrichtung zur Kontrolle der Verbrennungstemperatur eines Brennstoffzellenabgases einer Feststoffelektrolytzelle - Google Patents

Vorrichtung zur Kontrolle der Verbrennungstemperatur eines Brennstoffzellenabgases einer Feststoffelektrolytzelle Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen mit einer elektrolytischen Festoxidschicht, die eine Anodenschicht von einer Kathodenschicht trennt; insbesondere auf Anordnungen und Systeme von Brennstoffzellen, die einen Brenner zum Verbrennen eines Gemisches von Anodenrestgas und verbrauchter Kathodenluft enthalten, um nützliche Wärme rückzugewinnen; und ganz besonders auf solch ein Brennstoffzellensystem, worin die Brennertemperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gesteuert wird, indem das Verhältnis des Gemisches eingestellt wird: weniger verbrauchte Kathodenluft zugeführt wird, um das Gemisch reicher bzw. fetter zu machen und somit die Brennertemperatur zu erhöhen, oder mehr frische Luft zugeführt wird, um das Gemisch magerer zu machen und somit die Brennertemperatur zu verringern.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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 aus einem Keramikfestoxid bestehenden Elektrolyt getrennt. Eine solche Brennstoffzelle ist in der Technik als "Festoxidbrennstoffzelle" (SOFC) bekannt. Wasserstoff, entweder rein oder aus Kohlenwasserstoffen reformiert, lässt man entlang der Außenfläche der Anode strömen und diffundiert in die Anode. Sauerstoff, typischerweise aus Luft, läßt man entlang der Außenfläche der Kathode strömen und diffundiert in die Kathode. Jedes O2-Molekül wird gespalten und durch die Kathode zu zwei O-2 Anionen katalytisch reduziert. Die Sauerstoffanionen gelangen durch den Elektrolyt und kombinieren an der Grenzfläche Anode/Elektrolyt mit vier Wasserstoffionen, so dass sie zwei Moleküle Wasser bilden. Die Anode und die Kathode sind extern über eine Last verbunden, um den Schaltkreis zu vervollständigen, wodurch vier Elektronen von der Anode zur Kathode übertragen werden. Wenn Wasserstoff durch "Reformieren" von Kohlenwasserstoffen wie z.B. Benzin in Anwesenheit von beschränktem Sauerstoff abgeleitet wird, enthält das "Reformat"-Gas CO, das über einen Oxidationsprozess ähnlich dem an Wasserstoff durchgeführten an der Anode in CO2 umgewandelt wird. Reformiertes Benzin ist in kraftfahrzeugtechnischen Brennstoffzellenanwendungen ein gewöhnlich verwendeter Brennstoff.
  • Eine einzelne Zelle kann eine verhältnismäßig geringe Spannung und Wattleistung, typischerweise zwischen etwa 0,5 Volt und etwa 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 belüftet 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 über eine Last verbunden werden können.
  • Ein vollständiges SOFC-System enthält einen Brenner, der das Reformat-Anodenrestgas in Anwesenheit von verbrauchter Kathodenluft verbrennt, um Sauerstoffemissionen zu reduzieren und chemische Energie in Form von Wärme rückzugewinnen, die ansonsten verschwendet werden würde. Das heiße Brennerabgas wird dann genutzt, um in den Kraftstoff-Reformer eintretende Luft und Luft vorzuheizen, die an die Kathoden im Brennstoffzellenstapel geliefert wird, was den gesamten thermischen Wirkungsgrad des Systems signifikant verbessert. Da der brennbare Gehalt des Restgases in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzellen stark variieren kann, kann auch die Brenntemperatur variieren. Falls das Brennstoff/Luft-Gemisch verhältnismäßig brennstoffarm ist, kann die resultierende Brenntemperatur zu niedrig sein, um eine endotherme reformierende Reaktion zu unterstützen, oder kann einen reduzierten Wirkungsgrad im Wärmetauscher zur Vorheizung der Kathoden bewirken. Falls das Gemisch im Brenner verhältnismäßig brennstoffreich ist, wie es während einer Anfahrt auftreten kann, kann die Brenntemperatur hoch genug sein, um unerwünschte Stickoxide zu erzeugen und/oder die Brennerkomponenten zu beschädigen.
  • Benötigt wird ein einfaches Mittel, um eine Brenntemperatur im Restgasbrenner innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu regulieren.
  • Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, Schadstoffe im Abgas, die von einem Brennstoffzellensystem emittiert werden, zu minimieren.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine interne Beschädigung durch Überhitzen von Komponenten eines Festoxid-Brennstoffzellensystems zu verhindern.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, den Wirkungsgrad solch eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten ist mit den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
  • Kurz beschrieben enthält das Brennstoffzellen-Restgas in einem Festoxid-Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellen-Stapelanordnung zum Kombinieren von Sauerstoff aus Luft mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid in einem reformierten Brennstoff signifikante Restmengen von brennbaren Stoffen. Ein Brenner verbrennt das Restgas in Anwesenheit von verbrauchter Kathodenluft, um Systememissionen zu reduzieren und chemische Energie in Form von Wärme rückzugewinnen, die ansonsten verschwendet werden würde. Das heiße Brennerabgas wird genutzt, um in den Brennstoff-Reformer eintretende Luft und Luft vorzuheizen, die an die Kathoden im Brennstoffzellenstapel geliefert wird, was den gesamten thermischen Wirkungsgrad des Systems signifikant verbessert.
  • Da der Gehalt an brennbaren Stoffen des Abgases bzw. Restgases in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzellen stark variieren kann, kann auch die Brenntemperatur variieren. Falls das Brennstoff/Luft-Gemisch verhältnismäßig brennstoffarm ist, kann die resultierende Brenntemperatur zu niedrig sein, um eine endotherme reformierende Re aktion zu unterstützen, oder kann einen reduzierten Wirkungsgrad im Wärmetauscher zur Vorheizung der Kathode bewirken. Falls das Gemisch im Brenner verhältnismäßig brennstoffreich ist, wie es während einer Anfahrt auftreten kann, kann die Brenntemperatur hoch genug sein, um unerwünschte Stickoxide zu erzeugen und/oder die Brennerkomponenten zu beschädigen.
  • In einem Steuerungsmittel für das Brennstoffzellensystem wird die Temperatur im Brenner überwacht. Wenn die Temperatur unannehmbar niedrig wird, wird ein Steuerventil in einer Rückleitung für verbrauchte Kathodenluft durch die Steuerungsmittel eingestellt, um einen Teil der Luft um den Brenner zu leiten, was die Anreicherung des durch den Brenner gehenden Brennstoff/Luft-Gemischs erhöht. Wenn eine Temperatur unannehmbar hoch wird, wird ein Steuerventil in der Frischluftzufuhr für den Brenner durch das Steuerungsmittel eingestellt, um mehr Luft zu liefern, was somit bewirkt, dass das Gemisch magerer wird.
  • KURZE BSCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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, in welchen:
  • 1 eine schematische Querschnittansicht eines Stapels mit zwei Zellen von Festoxid-Brennstoffzellen ist;
  • 2 ein schematisches Diagramm einer mechanischen Ausführung eines SOFC-Systems gemäß der Erfindung ist;
  • 3 eine isometrische Draufsicht einer Brennstoffzellenanordnung mit zwei Stapeln ist, die zwischen zwei Stromkollektoren elektrisch in Reihe verbunden dargestellt ist;
  • 4 eine isometrische wie die in 3 gezeigte ist, wobei eine Abdeckung die Stapel umschließt;
  • 5 eine Aufrissansicht im Querschnitt ist, gelegt entlang einer Linie 5-5 in 4;
  • 6 eine Aufrissansicht im Querschnitt ist, gelegt entlang einer Linie 6-6 in 4;
  • 7 eine Äquatorschnittansicht ist, gelegt entlang einer Linie 7-7 in 4;
  • 8 eine isometrische Draufsicht ist, die eine Brennstoffzellenanordnung mit der Vorrichtung von 4 zeigt, die an einem Verteiler gemäß der Erfindung montiert ist, zusammen mit einer reformierenden, verbrennenden und wärmetauschenden Vorrichtung, um die Brennstoffzellenstapel zu versorgen;
  • 9 eine isometrische Draufsicht ist, die die Brennstoffzellenanordnung von 8 im unteren Element eines thermischen Gehäuses angebracht darstellt;
  • 10 eine isometrische Draufsicht eines integrierten Luftversorgungssystems ist, um Luft steuerbar an die in 8 und 9 gezeigte Brennstoffzellenanordnung zu liefern;
  • 11 eine auseinander gezogene isometrische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ist, die das Luftversorgungssystem von 10 in einen strukturellen Gehäuse angeordnet und die Brennstoffzellenanordnung von 9 durch sowohl obere als auch untere Elemente eines thermischen Gehäuses vollständig umschlossen zeigt;
  • 12 eine isometrische Draufsicht eines vollständig zusammengebauten Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ist;
  • 13 eine auseinander gezogene 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;
  • 14 eine isometrische Rückansicht ist, die den Verteiler von 13 teilweise zusammengebaut zeigt;
  • 15 eine isometrische Rückansicht ist, die den Verteiler von 13 weiter zusammengebaut zeigt;
  • 16 eine Draufsicht der unteren Ebene von Kammern ist, die durch die in 13 gezeigten beiden unteren Elemente gebildet werden;
  • 17 eine Draufsicht der unteren Ebene von Kammern ist, die durch die in 13 gezeigten dritten und vierten Elemente gebildet werden;
  • 18 eine Draufsicht des in 13 dargestellten obersten Elements ist, die die Montagefläche für die in 8 gezeigte Vorrichtung darstellt;
  • 19 eine isometrische Draufsicht eines Brennstoffreformer- und Restenergierückgewinnungs-Systems (reforWER) gemäß der Erfindung ist;
  • 20 eine isometrische Draufsicht eines Aufriss-Längsschnitts des in 19 gezeigten reforWER-Sytems ist;
  • 21 eine Draufsicht eines ersten horizontalen Schnitts des in 19 gezeigten reforWER-Systems ist, die in den Pfad der Brennstoffreformierung durch das System zeigt;
  • 22 eine Draufsicht eines zweiten horizontalen Schnitts des in 19 gezeigten reforWER-Systems ist, die den Pfad des Brennerabgases und Wärmeaustausch durch das System zeigt;
  • 23 eine detaillierte isometrische Draufsicht einer in 10 dargestellten Verteileranordnung zur Luftverteilung ist; und
  • 24 eine horizontale Quersichtansicht durch den in 23 gezeigten Verteiler ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nach 1 enthält ein Brennstoffzellenstapel 10 Elemente, die in der Technik der Festoxidbrennstoffzellenstapel mit mehr als einer Brennstoffzelle bekannt sind. Das gezeigte Beispiel umfasst zwei identische Brenn stoffzellen 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 Bauelement ist, auf dem der Elektrolyt und die Kathode angeordnet sind. Die Elementdicken sind nicht maßstabgerecht dargestellt.
  • 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 34, 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 Inter konnektor 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.
  • Der Interkonnektor und die Stromkollektoren sind vorzugsweise aus einer Legierung, typischerweise einer "Superlegierung" hergestellt, welche chemisch stabil und bei den erhöhten Temperaturen maßhaltig bzw. abmessungstreu ist, die für einen Brennstoffzellenbetrieb notwendig sind, im allgemeinen über 750 °C oder höher, 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.
  • 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 129 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.
  • Bezug nehmend auf 2 enthält eine schematische Darstellung einer mechanischen Ausführung eines Festoxidbrennstoffzellensystems 12 gemäß der Erfindung zusätzliche Einrichtungen und Steuerungen.
  • 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. In der Einlassluftzuleitung als bevorzugter Ort für ein elektronisches Steuerungssystem 200 ist vorzugsweise auch eine die Elektronik-Kühlleitung 51 (10) vorgesehen.
  • 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.
  • 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.
  • Die Kathodenluftzuleitung 75 wird durch ein Steuerventil 86 für Kathodenluft gesteuert und kann durch ein Umgehungsventil 88 für die Kathodenluft-Vorheizung durch die kühle Seite 90 des Wärmetauschers 92 zur Kathodenluft-Vorheizung auf seinem Weg zu den Stapeln 44, 46 steuerbar geleitet werden. Nach Durchgang durch die Kathodenseiten der Zellen in den Stapeln 44, 46 wird teilweise verbrauchte erhitzte Luft 93 dem Brenner 66 zugeleitet.
  • 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 Brenn stoff 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.
  • Noch 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 verbrauchtes 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. einen Nickelmetallschaum, einen 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 Auffangeinrichtungen das NiO zurück in metallisches Nickel reduziert, was ermöglicht, dass die Auffangeinrichtungen wiederholt genutzt werden.
  • Noch auf 2 verweisend kann, falls das Brennstoff/Luft-Gemisch in Restgasbrenner 1102 verhältnismäßig mager bzw. brennstoffarm ist, die resultierende Brenntemperatur zum Unterstützen einer endothermen reformierenden Reaktion zu niedrig sein oder kann einen reduzierten Wirkungsgrad im Wärmetauscher 92 zur Kathodenvorheizung bewirken.
  • Um die Brenntemperatur im Brenner 66 durch Steuern der dorthin geschickten Luftmenge zu steuern, kann ein Teil der verbrauchten Kathodenluft über ein Dreiwege-Ventil 160 (2) um den Brenner herum geleitet und in den Abgasstrom des Brenners stromabwärts des Wärmetauschers 84 geleitet bzw. geführt werden. Falls die Mischung im Brenner verhältnismäßig brennstoffreich ist, wie es während eines Anlaufens der Fall sein kann, kann die Brenntemperatur hoch genug sein, um unerwünschte Stickoxide zu erzeugen und/oder die Brennerkomponenten zu schädigen, worin ein Steuerventil 70 eingestellt werden kann, um zusätzliche Luft 64 zum Brenner zu liefern.
  • Der klaren Präsentation 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.
  • 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 "Auf standsfläche" 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 keinen Kurzschluss zwischen den Stromkollektoren hervorruft. 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.
  • 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. Die Struktur und die interne Funktionsweise des reforWER 1100 werden im folgenden in Detail diskutiert.
  • Bezug nehmend auf 9 bis 11 gibt es zwei Basisfunktionen für das Gehäuse eines Brennstoffzellensystems. Die erste ist, 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 bzw. bauliche 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.
  • 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 einen "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 wird 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. Biegsame Balgisolatoren 902-1, 902-2, 904-1, 904-2, 912 in Luftröhren verbinden das Luftversorgungssystem mit dem Verteilersystem und sind konkret innerhalb der Wand des thermischen Gehäuses wie in 10 gezeigt angeordnet, um die Wärmeübertragung aus der heißen Zone weiter zu minimieren.
  • 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 Isoliermateralien wird erweitert, indem man die Beschränkung einer allgemeinen strukturellen Integrität aufgibt, die durch Vorsehen eines separaten strukturellen Gehäuses 800 ermöglicht wird.
  • 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.
  • Die Luftsteuerungsanordnung 900 ist mit Elementen der Brennstoffzellenanordnung 400 verbunden, die sich durch die Trennlinie 706 erstrecken; 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. Das Steuerungssystem 200 ist vorzugsweise in entweder einer Lufteinlaßleitung 150, die die Luftpumpe 48 versorgt, oder in einem (nicht dargestellten) aktiven Luftströmungsraum in einem Verteiler 908 zur Verteilung von Luft (23-24) für maximale Kühlung elektronischer Kom ponenten sowie eine vorteilhafte Vorheizung der ankommenden Luft montiert.
  • 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, Festoxidbrennstoffzellenstapel, 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.
  • Es sollte besonders erwähnt werden, dass der Verteiler 500 tatsächlich zwei spiegelbildliche Verteiler 500-1, 500-2 umfasst, die sich einige gemeinsame Merkmale, z.B. eine Kathodenluftrückleitung von den Stapeln, teilen. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Luftversorgungsan ordnung 900 in die Kammer eintritt. Die temperierte Luft strömt nach oben von der Kammer 522 durch eine Öffnung 524 in der Platte 506 in eine Kammer 526, die einen Kathodenversorgungssammelraum definiert, um Reaktions- und Kühlluft nach oben durch geschlitzte Öffnungen 528 zu 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Restgasbrenner 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, das aber etwaigen, die Kugel 563 passierenden Sauerstoff auf dessen Weg zu den Anoden reinigen kann.
  • 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. Das verbrannte Restgas kehrt vom Mantel 354 über Öffnungen 584 in einen Abgassammelraum mit Öffnungen 586-3, 586-2, 586-1 zurück, der durch ein Abgasrohr 588 und einen Rohrflansch 590 in die Atmosphäre entlüftet wird.
  • Bezug nehmend auf 19 bis 22 ist ein reforWER 1100 gemäß dem System auf der Oberseite einer Platte 510 (18) über Öffnungen 566 und 568-3 in Teilen 500-1, 500-2 des Verteilers wie im folgenden beschrieben montiert. Der reforWER 1100 ist im allgemeinen mit einem ersten Teil 1104 zum Empfangen, Dosieren und Mischen von flüssigem Brennstoff und Luft, zum Verdampfen des Brennstoff/Luft-Gemisches und zum Durchleiten des verdampften Gemischs in einen zweiten Teil 1106 zum partiellen katalytischen Oxidieren des Brennstoffes im Gemisch und Durchleiten des reformierten Brennstoffs in die Verteileranordnung 500 ausgelegt. Die Teile 1104, 1106 sind vorzugsweise durch Bolzen 1108 verbunden. Der Teil 1106 beherbergt auch einen Restgasbrenner 1102, wie im folgenden beschrieben wird.
  • Der Klarheit in der folgenden Beschreibung halber werden die Elementnummern wie in 2 ursprünglich dargestellt, wo es zweckmäßig ist, in 19-22 beim Verweis der in 2 schematisch dargestellten Strömungspfade und Steuerungen auf die in 19-22 gezeigte tatsächliche Vorrichtung verwendet; ansonsten liegen die Zahlen, die sich auf den reforWER 700 beziehen, in der 7xx-Folge vor.
  • Verweisend auf den Teil 1104 hat ein Brennstoffeinspritzkopf 1109 eine axiale Bohrung 1110, um eine Brennstoffeinspritzeranordnung 1112 mit einem Brennstoffeinspritzer 102 aufzunehmen, der den auf herkömmlichen Verbrennungsmotoren vorgesehenen Brennstoffeinspritzern ähnlich sein kann. Die Anordnung 1112 umfasst ferner einen ringförmigen Wärmetauscher 1116. Der Brennstoff wird über eine Brennstoffpumpe 94 (2) einem Eintrittsanschlusstück 1108 zugeführt, das mit einem Wärmetauscher 1116 in Verbindung steht, worin der Brennstoff vorgeheizt wird, und wird dann durch einen Schlauch 1120 dem Einspritzer 102 zugeführt. Das Vorheizen des Brennstoffs dient auch dazu, den Brennstoffeinspritzer zu kühlen, und ist ein erstes Merkmal zur Rückgewinnung von Restenergie gemäß der Erfindung. Brennstoff wird ansprechend auf das Steuerungssystem periodisch in eine dem Kopf 1109 benachbarte Mischkammer 1122 eingespritzt.
  • Dem reforWER 1110 wird von einer Luftpumpe 48 über eine Leitung 74 am MAF 78 vorbei und durch das Steuerventil 80 Luft zugeführt, wobei sie über ein T-Anschlussstück 1124 (in 20 der Klarheit halber weggelassen, in 19 aber gezeigt) eintritt, wobei die Luftströmung in zwei Teile geteilt wird. Eine erste Luftströmung gelangt durch das Steuerventil 82 und direkt in ein Verteilungskopfstück 1126, das im Kopf 1108 für eine Einleitung in die Mischkammer 1122 ausgebildet ist. Eine zweite Luftströmung gelangt durch ein Zuleitungsrohr 1128 entlang der Länge des reforWER 1100, danach durch einen Wärmetauscher 84 zur Vorheizung, der im dem Brenner 1102 benachbarten Teil 1106 ausgebildet ist, und kehrt durch ein Rohr 1132 zum Kopfstück 1126 zurück, um in die Mischkammer 1122 eingeleitet zu werden. Eine Regulierung des Steuerventils 82 steuert eine Luftströmung durch den Wärmetauscher 84 und daher die durchschnittliche Temperatur der Luft, die in die Mischkammer eintritt.
  • Der Wärmetauscher 84 ist ein zweites Merkmal zur Rückgewinnung von Restenergie gemäß der Erfindung.
  • In der Mischkammer 1122 wird der eingespritzte Brennstoff verdampft und mit beiden Luftteilen turbulent gemischt. Der gemischte Dampf wird durch einen porösen "Mischschaum" 1134 in eine Startbrennerkammer 77 geleitet, die mit einem Zündmittel für den gemischten Dampf, vorzugsweise einem Zünder 79, versehen ist. Das Aufwärmen des Systems 1000 wird verkürzt, indem der gemischte Dampf ansprechend auf das Steuerungssystem 200 in der Kammer 77 zündet und die heißen Verbrennungsprodukte direkt durch die Platten im Reformer 106 und die Anoden in den Stapeln 44, 46 weitergeleitet werden. Der Zünder 79 wird im normalen Betrieb bei erhöhter Temperatur nicht genutzt, und eine poröse Flammensperre 1136 verhindert einen Durchschlag vom Reformer 106 in die Kammer 77.
  • Der reforWER-Teil 1106 ist im wesentlichen ein Plattenreformer 106 und ein Wärmetauscher, die in einem Metallgehäuse 1107 gehäust sind, die mit der Wand 1109 der Kammer 77 abdichtbar zusammenpasst. Der Teil 1106 enthält ferner vorzugsweise eine kräftige Bodenplatte 1111 zur Montage an der Platte 510 im Verteiler 500. Der Teil 1106 weist mehrere, vorzugsweise identische Reformerplatten 1138 auf, von denen jede auf einer Seite, hier der Klarheit halber als Seite A (21) bezeichnet, mit einem Kohlenwasserstoff reformierenden Katalysator beschichtet ist. Die Platten 1138 sind auf der gegenüberliegenden Seite B (22) mit einer katalytischen Grundierung für reduziertes CO und Kohlenwasserstoffemissionen vom Brenner 1102 beschichtet. Die Platten sind in abwechselnder Reihenfolge gestapelt, so dass jede Seite A einer anderen Seite A zugewandet ist und jede Seite B einer anderen Seite B zugewandt ist.
  • Die Seiten A sind durch abdichtende Reformer-Abstandhalter 1140 (21) getrennt, so dass ein reformierender Raum zwischen jedem Paar Seiten A erzeugt wird. Gemischter Dampf strömt über den Katalysator auf den Seiten A, wird zu Reformat-Brennstoff reformiert und gelangt durch Reformat-Leitungen 1142, die durch Zusammenwirken der Platten und Abstandhalter gebildet werden, wobei die Leitungen an einer Öffnung 538 im Verteiler 500 (13) anliegen, um das Reformat zu den Brennstoffzellenstapeln wie oben beschrieben zu befördern.
  • Die Seiten B sind durch abdichtende Brenner-Abstandhalter 1144 (22) getrennt, so dass ein Raum für Verbrennungsabgas zwischen jedem Paar Seiten B erzeugt wird. Die Abstandhalter 1144 verhindern eine Querkontamination von Reformat mit Abgas. Restgas von den Anoden in den Stapeln wird vom Verteiler 500 wie oben beschrieben dem Brenner 1102 zugeführt und durch einen Zünder 1145 periodisch gezündet, der im Kopfgehäuse 1147 angeordnet ist, das ein oberes Ende des Brenners 1102 definiert. Abgas vom Brenner 1102 strömt über die Seiten B, wobei die Platten 1138 von der Seite B geheizt und daher das Brennstoff reformierende Verfahren auf der Seite A gefördert wird, und gelangt über durch Zusammenwirken der Platten und Abstandhalter gebildete Abgasleitung 1146, welche an Öffnungen 568-3 im Verteiler 500 (13) anliegen, um Brennerabgas zu den Kathodenluft-Wärmetauschern 600-1, 600-2 wie oben beschrieben zu befördern. Der Austausch von Brennerwärme zwischen den Seiten B und A ist ein drittes Merkmal zur Rückgewinnung von Restenergie gemäß der Erfindung.
  • Der reforWER 1100 enthält vorzugsweise einen ersten, in der Kammer 77 angeordneten Temperatursensor 1148, um die Temperatur des in den Reformer eintretenden gemischten Dampfs abzufühlen, einen in einer der Abgasleitungen 1146 angeordneten zweiten Temperatursensor 1150, um die Temperatur des Brennerabgases nach Wärmeverlust an den Reformer abzufühlen; einen im Brenner 1102 angeordneten dritten Temperatursensor 1152, um die Brenntemperatur abzufühlen; und einen in einer der Reformat-Leitungen 1142 angeordneten vierten Temperatursensor 1154, um die Temperatur des die reformierende Einheit 1100 verlassenden Reformats abzufühlen.
  • Folglich erkennt man, dass der reforWER 1100 eine integrierte reformierenden Einheit ist mit einem Kohlenwasserstoff-Brennstoffreformer; einem integralen Restgas- und Kathodenluftbrenner und Reformer-Wärmetauscher; einem Brennstoff-Vorheizer und einem Kühler für den Brennstoffeinspritzer; einem Brennstoffeinspritzer und Brennstoff/Luftmischer und Verdampfer; einem Vorheizer für Reformierungsluft; einem Steuerventil und Mittel für die Temperatur der Reformierungsluft; und einem Anlaufbrenner des Vorreformers. Die Integration eines Plattenreformers, eines Restgasbrenners und eines Wärmetauschers für Brennergas ermöglicht effiziente Betriebsmodi des Reformers. Konkret kann der Reformer in einem endothermen Modus betrieben werden (Dampfreformierung, wie sie in der Technik bekannt ist, aber nicht dargestellt ist), worin der Wärmertauscher für Brennergas und der Brenner die Energie für die Reformierungsfunktion liefern. Im exothermen Reformierungsmodus, wie er hierin beschrieben wird, hilft der Wärmetauscher für Brennergas bei der Temperaturregulierung des Reformers und reduziert signifikante thermische Gradienten in der Einheit.
  • Bezug nehmend auf 2, 10, 23 und 24 ist ein Luftversorgungssystem 900 für das Brennstoffzellensystem 1000 dargestellt. Wie in der Beschreibung und in den Figuren oben für den reforWER werden Zahlen aus 2 verwendet, wo dies zweckmäßig ist; ansonsten sind Elemente des Systems 900 durch 9xx-Zahlen bezeichnet.
  • Eine herkömmliche Hochgeschwindigkeits-Einlassluftpumpe 48 saugt Einlassluft 50 durch einen Luftfilter 52, an einem ersten MAF-Sensor 54 vorbei, durch einen Schalldämpfer 56, der eine Resonanzkammer sein kann, und durch eine kühlende Ummantelung 58, die die Pumpe 48 umgibt.
  • Die Luftabgabe 60 von der Pumpe 48 wird bei einem durch einen Drucksensor 61 abgefühlten Druck über einen Einlass 906 in einen Verteilerblock 908 mit einem zentralen Sammelraum 910 befördert. Eine erste Zuleitung von dem Sammelraum 910 wird als den Brenner kühlende Luft 64 über einen zweiten MAF-Sensor 68 und ein Steuerventil 70 befördert, dass im Block 908 vorgesehen ist. Die kühlende Luft 64 tritt über einen biegsamen Verbinder 912 (13) in den Verteiler 500 ein und wird darin mit verbrauchter Kathodenluft in der Kathodenluftrückführung 536 (16) gemischt und wie oben beschrieben zum Brenner 1102 geleitet. Eine zweite Zuleitung vom Sammelraum 910 wird als Reformer-Luftzuleitung 74 über einen dritten MAF-Sensor 78 und ein Steuerventil 80 für Reformerluft zu einem Kohlenwasserstoff-Brennstoffverdampfer 76 befördert.
  • Die Kathodenluftzuleitung 75 vom Sammelraum 910 wird durch das Steuerventil 86 für Kathodenluft gesteuert, wird in Strömungen 75-1 und 75-2 geteilt und als die primären Kathodenluftströmungen über biegsame Verbinder 902-1, 902-2 zu Kathodenluft-Wärmetauschern 600-1 bzw. 600-2 wie oben beschrieben geschickt. Eine Luftzuleitung 87 der Kathodenumgehung vom Sammelraum 910 wird ebenfalls in zwei Strömungen 87-1, 87-2 geteilt und über biegsame Verbinder 904-1, 904-2 als die Umgehungs-Kathodenluftströmungen zur Kombination im Verteiler 500 mit erhitzten Kathodenluftströmungen von den Wärmetauschern 600-1, 600-2 wie oben beschrieben geschickt. Variieren des Volumens der durch das Steuerventil 88 geführten Luft ändert die Temperatur der an die Stapel geschickten Kathodenluft. Ein in der Luftzuleitung 75 nahe dem Eingang zu den Stapeln 44, 46 gelegener Temperatursensor liefert eine Rückkopplung zu der Steuereinheit, die das Umgehungs-Steuerventil 88 steuert.
  • Das integrierte Luftversorgungssystem 200 liefert folglich die gesamten, im System 1000 erforderlichen Luftströmungen und steuert diese.
  • Ein SOFC-System 1000 gemäß der Erfindung ist besonders nützlich als Zusatzenergieeinheit (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 elektrische Energie durch ein SOFC-System erfüllt werden.
  • Eine SOFC-Anordnung gemäß der Erfindung ist auch als stationäres Kraftwerk wie z.B. in einem Haushalt oder zur kommerziellen Nutzung nützlich.
  • Obgleich die Erfindung durch Verweis auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte es sich verstehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Umfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte vorgenommen werden können. Demgemäß soll die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern den durch die Ausführung bzw. Sprache der folgenden Ansprüche definierten Umfang aufweisen.

Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem zum Erzeugen elektrischer Leistung durch Kombination von Sauerstoff mit wasserstoffhaltigem Brennstoff, wobei das System einen Brenner zum Verbrennen eines Gemisches aus Anodenrestgas, verbrauchter Kathodenluft und frischer Luft und ein System zum Steuern einer Verbrennungstemperatur im Brenner aufweist, mit: a) einem Temperatur messenden Mittel innerhalb des Brenners; b) einem ersten Rohrleitungsmittel, um die verbrauchte Kathodenluft an den Brenner zu liefern, wobei das erste Rohrleitungsmittel ein Dreiwegeventil enthält, um einen Teil der verbrauchten Kathodenluft vor Eintreten in den Brenner steuerbar abzuleiten; c) einem zweiten Rohrleitungsmittel, um frische Luft an den Brenner zu liefern, wobei das zweite Rohrleitungsmittel ein Steuerventil enthält, um die Menge an zum Brenner strömender Luft steuerbar zu variieren; und d) einem Steuerungsmittel, um die Verbrennungstemperatur über das Temperatur messende Mittel zu überwachen und zu antworten, wenn die Verbrennungstemperatur außerhalb eines vorbestimmten Arbeitsbereichs liegt, wobei das Steuerungsmittel mit dem Dreiwegeventil wirksam verbunden ist, um weniger verbrauchte Kathodenluft an den Brenner zu liefern, wenn die Arbeitstemperatur unterhalb einer unteren Grenze des Bereichs liegt, und ferner mit dem Steuerventil wirksam verbunden ist, um mehr frische Luft an den Brenner zu liefern, wenn die Arbeitstemperatur oberhalb einer oberen Grenze des Bereichs liegt.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das System an einem Fahrzeug montiert ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Fahrzeug aus der aus einem Wagen, einem Lastwagen, einem Schiff und einem Flugzeug bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das System eine Hilfsleistungseinheit für das Fahrzeug ist.
  5. Verfahren zum Steuern der Verbrennungstemperatur im Brenner innerhalb eines vorbestimmten Arbeitsbereichs eines Brennstoffzellensystems mit einem Brenner zum gemeinsamen Verbrennen von Anodenrestgas, verbrauchter Kathodenluft und frischer Luft, um ein heißes Abgas zu erzeugen, mit den Schritten: a) Vorsehen eines Mittels, um eine Temperatur innerhalb des Brenners zu messen; b) Vorsehen eines ersten Rohrleitungsmittels, um die verbrauchte Kathodenluft zum Brenner zu befördern, wobei das erste Rohrleitungsmittel ein Dreiwegeventil enthält, um einen Teil der verbrauchten Kathodenluft vor Eintreten in den Brenner steuerbar abzuleiten; c) Vorsehen eines zweiten Rohrleitungsmittels, um frische Luft an den Brenner zu liefern, wobei das zweite Rohrleitungsmittel ein Steuerventil enthält, um die Menge an zum Brenner strömender Luft steuerbar zu variieren; d) Einstellen des Dreiwegeventils, um weniger verbrauchte Kathodenluft an den Brenner zu liefern, wenn die Arbeitstemperatur unterhalb einer unteren Grenze des Bereichs liegt; und e) Einstellen des Steuerventils, um mehr frische Luft an den Brenner zu liefern, wenn die Arbeitstemperatur oberhalb einer oberen Grenze des Bereichs liegt.
  6. Kraftfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von Hilfsleistung für das Fahrzeug, wobei das System enthält: einen Brenner, um ein Gemisch aus Anodenrestgas und Luft zu verbrennen, ein Temperatur messendes Mittel innerhalb des Brenners; ein erstes Rohrleitungsmittel, um verbrauchte Kathodenluft an den Brenner zu liefern, wobei das erste Rohrleitungsmittel ein Dreiwegeventil enthält, um einen Teil der verbrauchten Kathodenluft vor Eintreten in den Brenner steuerbar abzuleiten; ein zweites Rohrleitungsmittel, um frische Luft an den Brenner zu liefern, wobei das zweite Rohrleitungsmittel ein Steuerventil enthält, um die Menge an zum Brenner strömender Luft steuerbar zu variieren; und ein Steuerungsmittel, um die Verbrennungstemperatur über das Temperatur messende Mittel zu überwachen und zu antworten, wenn die Verbrennungstemperatur außerhalb eines vorbestimmten Arbeitsbereichs liegt, wobei das Steuerungsmittel mit dem Dreiwegeventil wirksam verbunden ist, um weniger verbrauchte Kathodenluft an den Brenner zu liefern, wenn die Arbeitstemperatur unterhalb einer unteren Grenze des Bereichs liegt, und ferner mit dem Steuerventil wirksam verbunden ist, um mehr frische Luft an den Brenner zu liefern, wenn die Arbeitstemperatur oberhalb einer oberen Grenze des Bereichs liegt.
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Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7169495B2 (en) * 2003-05-06 2007-01-30 Versa Power Systems, Ltd. Thermally integrated SOFC system
US7666539B2 (en) * 2003-06-27 2010-02-23 Ultracell Corporation Heat efficient portable fuel cell systems
US7655337B2 (en) 2003-06-27 2010-02-02 Ultracell Corporation Micro fuel cell thermal management
US20050014040A1 (en) * 2003-06-27 2005-01-20 Ultracell Corporation Fuel preheat in fuel cells and portable electronics
US8318368B2 (en) 2003-06-27 2012-11-27 UltraCell, L.L.C. Portable systems for engine block
CA2457609A1 (en) * 2004-02-13 2005-08-13 Alberta Research Council Inc. Heating solid oxide fuel cell stack
US7181329B2 (en) * 2004-12-14 2007-02-20 General Electric Company High temperature protection of fuel cell system combustor and other components via water or water vapor injection
DE102005001361A1 (de) * 2005-01-11 2006-07-20 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brennstoffzellensystem
DE102006031717A1 (de) * 2006-07-08 2008-01-10 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zum zumindest kurzzeitigen Stillsetzen einer Festoxid-Brennstoffzelle
DE102006048984A1 (de) * 2006-10-17 2008-04-24 Enerday Gmbh Verwendung einer Brennervorrichtung in einem Brennstoffzellensystem
US7923162B2 (en) * 2008-03-19 2011-04-12 Dana Canada Corporation Fuel cell assemblies with integrated reactant-conditioning heat exchangers
US8304122B2 (en) 2009-02-06 2012-11-06 Protonex Technology Corporation Solid oxide fuel cell systems with hot zones having improved reactant distribution
US8775846B2 (en) 2009-07-10 2014-07-08 Protonex Technology Corporation Portable power manager having one or more device ports for connecting with external power loads
AT510354B1 (de) * 2010-08-25 2014-06-15 Vaillant Group Austria Gmbh Brennstoffzellenanlage
US20110269032A1 (en) * 2010-12-10 2011-11-03 Delphi Technologies, Inc. Combustor for a fuel cell system
CN103236555B (zh) * 2012-11-05 2015-01-28 华中科技大学 一种固体氧化物燃料电池系统及热电协同控制方法
SG11201508091PA (en) 2013-04-01 2015-10-29 Protonex Technology Corp Power manager
US10109867B2 (en) 2013-06-26 2018-10-23 Upstart Power, Inc. Solid oxide fuel cell with flexible fuel rod support structure
AT514511B1 (de) * 2013-07-08 2016-06-15 Vaillant Group Austria Gmbh Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzelle
CN103969593B (zh) * 2014-05-05 2015-03-04 华中科技大学 一种确定固体氧化物燃料电池系统参数的方法
US10256496B2 (en) 2014-07-01 2019-04-09 General Electric Company Power generation systems and methods utilizing cascaded fuel cells
AU2014408260B2 (en) 2014-10-07 2020-12-17 Upstart Power Inc SCOFC-conduction
EP3218985B1 (de) 2014-11-11 2022-01-05 Galvion Soldier Power, LLC Steuermodul für gleichstromnetzwerk
EP3365934B1 (de) 2015-10-20 2022-12-21 Upstart Power, Inc. Verbesserter cpox-brennstoffreformer
US10790523B2 (en) 2015-10-20 2020-09-29 Upstart Power, Inc. CPOX reactor control system and method
US10848067B2 (en) 2015-11-20 2020-11-24 Galvion Soldier Power, Llc Power manager with reconfigurable power converting circuits
EP3377955B1 (de) 2015-11-20 2020-08-19 Galvion Soldier Power, LLC Leistungsmanager mit rekonfigurierbaren leistungsumwandlungsschaltungen
US11258366B2 (en) 2015-11-20 2022-02-22 Galvion Soldier Power, Llc Power manager with reconfigurable power converting circuits
JP6443405B2 (ja) * 2016-07-04 2018-12-26 トヨタ自動車株式会社 熱、水素生成装置
JP6443404B2 (ja) * 2016-07-04 2018-12-26 トヨタ自動車株式会社 熱、水素生成装置
EP3497741A4 (de) 2016-08-11 2020-04-01 Upstart Power, Inc. Planare festoxidbrennstoffeinheitenzelle und stapel
US10854899B2 (en) 2016-11-04 2020-12-01 Cummins Enterprise Llc Power generation system using cascaded fuel cells and associated methods thereof
EP3671926A4 (de) * 2017-08-14 2020-07-29 Nissan Motor Co., Ltd. Brennstoffzellensystem und verfahren zur erwärmung des brennstoffzellensystems
AT521838B1 (de) * 2018-10-22 2020-10-15 Avl List Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4038032A (en) * 1975-12-15 1977-07-26 Uop Inc. Method and means for controlling the incineration of waste
US6306531B1 (en) * 1999-07-06 2001-10-23 General Motors Corporation Combustor air flow control method for fuel cell apparatus
JP3956542B2 (ja) * 1999-07-09 2007-08-08 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US6485852B1 (en) 2000-01-07 2002-11-26 Delphi Technologies, Inc. Integrated fuel reformation and thermal management system for solid oxide fuel cell systems
US6365291B1 (en) * 2000-04-05 2002-04-02 Utc Fuel Cells, Llc Direct antifreeze solution concentration control system for a fuel cell power plant
US6627339B2 (en) 2000-04-19 2003-09-30 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell stack integrated with a waste energy recovery system
US6455185B2 (en) 2000-04-19 2002-09-24 Delphi Technologies, Inc. Reformate control valve assembly for a fuel cell
US6562496B2 (en) 2000-05-01 2003-05-13 Delphi Technologies, Inc. Integrated solid oxide fuel cell mechanization and method of using for transportation industry applications
US6630264B2 (en) 2000-05-01 2003-10-07 Delphi Technologies, Inc. Solid oxide fuel cell process gas sampling for analysis
DE10023578A1 (de) * 2000-05-13 2001-11-22 Buderus Heiztechnik Gmbh Brennstoffzelle
US6551734B1 (en) 2000-10-27 2003-04-22 Delphi Technologies, Inc. Solid oxide fuel cell having a monolithic heat exchanger and method for managing thermal energy flow of the fuel cell
DE10054842A1 (de) * 2000-11-04 2002-08-29 Xcellsis Gmbh Verfahren zur elektrischen Inbetriebnahme einer Brennstoffzelle
US6509113B2 (en) 2000-12-15 2003-01-21 Delphi Technologies, Inc. Fluid distribution surface for solid oxide fuel cells
US6613469B2 (en) 2000-12-22 2003-09-02 Delphi Technologies, Inc. Fluid distribution surface for solid oxide fuel cells
US6613468B2 (en) 2000-12-22 2003-09-02 Delphi Technologies, Inc. Gas diffusion mat for fuel cells
US6321145B1 (en) 2001-01-29 2001-11-20 Delphi Technologies, Inc. Method and apparatus for a fuel cell propulsion system
US6423896B1 (en) 2001-02-28 2002-07-23 Delphi Technologies, Inc. Thermophotovoltaic insulation for a solid oxide fuel cell system
US6608463B1 (en) 2002-06-24 2003-08-19 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having an integrated air supply system

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Publication number Publication date
EP1401042A1 (de) 2004-03-24
US7001682B2 (en) 2006-02-21
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EP1401042B1 (de) 2006-10-04
US20030235732A1 (en) 2003-12-25

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