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Technisches
Gebiet
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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 aus Brennstoffzellenstapeln, die mehrere einzelne Zellen
umfassen, wobei durch eine einzige Luftversorgungspumpe Luft zugeführt wird;
und ganz besonders auf solche Brennstoffzellenanordnungen und -systeme,
bei denen die ankommende Luft in zwei Ströme geteilt wird, einen, um
eine Reformer/Anoden-Schleife des Systems zu versorgen, und den
anderen, um die Schleife für
Kathodenluft zu versorgen, wobei jeder Strom durch eine unabhängige Verdrängerluftpumpe zugeführt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Brennstoffzellen,
welche durch elektrochemische Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen
Strom erzeugen, sind gut bekannt. Beispielsweise ist in US-A-6093502
eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran offenbart. In
einer anderen Form einer derartigen Brennstoffzelle sind eine Anodenschicht
und eine Kathodenschicht durch einen aus einem Keramikfestoxid bestehenden
Elektrolyt getrennt. Eine solche Brennstoffzelle ist in der Technik
als "Festoxid-Brennstoffzelle" (SOFC, engl. "Solid Oxide Fuel
Cell") bekannt.
Entweder reinen oder aus Kohlenwasserstoffen reformierten Wasserstoff
lässt man
entlang der Außenfläche der
Anode strömen
und in die Anode diffundieren. Sauerstoff, typischerweise aus Luft,
lässt man
entlang der Außenfläche der
Kathode strömen
und in die Kathode diffundieren. Jedes O2-Molekül wird gespalten
und durch die Kathode zu zwei O–2-Anionen
katalytisch reduziert. Die Sauerstoffanionen gelangen durch den Elektrolyten
und kombinieren an der Anoden/Elektrolytgrenzfläche mit vier Wasserstoffionen,
so dass sie zwei Moleküle
Wasser bilden. Die Anode und die Kathode sind über eine Last extern verbunden,
um den Schaltkreis zu vervollständigen,
wodurch vier Elektronen von der Anode zur Kathode übertragen
werden. Wenn Wasserstoff aus "reformierten" Kohlenwasserstoffen
abgeleitet wird, enthält
das "Reformat"-Gas CO, was an der
Anode über
einen Oxidationsprozess ähnlich
dem an Wasserstoff durchgeführten
in CO2 umgewandelt wird. Das Reformat ist üblich genutzter
Brennstoff in Brennstoffzellenanwendungen von Kraftfahrzeugen.
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Eine
einzige Zelle kann eine verhältnismäßig kleine
Spannung und Wattleistung, typischerweise etwa zwischen 0,5 Volt
und etwa 1,0 Volt je nach Last und weniger als etwa 2 Watt pro cm2 Zellenoberfläche, erzeugen. Daher ist es
in der Praxis üblich,
mehrere Zellen in elektrischer Reihenschaltung zusammenzustapeln.
Da jede Anode und Kathode einen freien Raum für den Durchgang von Gas über ihrer Oberfläche aufweisen
muss, sind die Zellen durch Umfangsabstandhalter getrennt, die belüftet werden, um
nach Wunsch einen Gasstrom zu den Anoden und Kathoden zu gestatten,
welche aber auf ihren axialen Oberflächen Dichtungen bilden, um
eine Gasleckage aus den Seiten des Stapels zu verhindern. Die Umfangsabstandhalter
weisen dielektrische Schichten auf, 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 Gasstromraum angeordnete
elektrische Kontakte, typischerweise durch einen Metallschaum, der
leicht gasdurchlässig
ist, oder durch leitfähige
Filamente, elektrisch verbunden. Die äußersten oder am Ende gelegenen
In terkonnektoren des Stapels definieren elektrische Anschlüsse oder "Stromkollektoren", die über eine
Last verbunden werden können.
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Ein
vollständiges
SOFC-System enthält
typischerweise Zusatzteilsysteme, um neben anderen Forderungen Brennstoff
zu erzeugen, indem Kohlenwasserstoffe reformiert werden; der Reformat-Brennstoff
und Luft, die in den Stapel eintritt, temperiert wird; Luft an den
Kohlenwasserstoff-Reformer
geliefert wird; Luft zur Reaktion mit Wasserstoff im Brennstoffzellenstapel
an die Kathoden geliefert wird; Luft zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels
geliefert wird; Verbrennungsluft an einen Nachbrenner für den Stapel
verlassenden nicht verbrauchten Brennstoff geliefert wird und Kühlluft an
den Nachbrenner und den Stapel geliefert wird. Eine vollständige SOFC-Anordnung
enthält
auch eine geeignete Rohr- und Ventilanordnung sowie eine programmierbare elektronische
Steuereinheit (ECU), um die Aktivitäten der Teilsysteme gleichzeitig
zu verwalten.
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Zu
Steuerungszwecken ist es wichtig, den gesamten Luftmassenstrom in
die Anordnung zu kennen. In einer typischen Anordnung nach dem Stand
der Technik fördert
eine Luftpumpe mit hohem Fördervolumen
Luft an zumindest einem Luftmassenstromsensor (MAF) vorbei, der
ein Luftsteuerventil reguliert, um einen vorbestimmten Massenstrom an
Luft in einen oder mehrere funktionale Bereiche der Anordnung und
durch die verschiedenen Teilsystemzweige zu liefern. Wo verschiedene
Ströme
in verschiedenen Bereichen benötigt
werden, sind für jeden
Zweig zusätzliche
MAF-Sensoren und Ventile parallel erforderlich, was die Kosten und
Komplexität der
Anordnung signifikant erhöht.
Ferner muss die gesamte Luft beim höchsten Druck, der von einer
der Teilanordnungen benötigt
wird, gepumpt werden, was einen parasitären Energieverbrauch durch
die Anordnung erhöht.
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Es
ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufbau zu
vereinfachen und die Kosten einer Festoxid-Brennstoffzellenanordnung
zu reduzieren.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den parasitären Energieverbrauch
einer solchen Festoxid-Brennstoffzellenanordnung zu reduzieren.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich in ihren verschiedenen Gesichtspunkten
wie in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt dar.
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Kurz
gesagt führt
in einer Festoxid-Brennstoffzellenanordnung eine Verdrängerluftversorgungspumpe
(PDAS) zumindest einen Teil der erforderlichen Luft zu. Der Luftmassenstrom
durch eine PDAS-Pumpe wird leicht auf einen vorbestimmten Strom
gesteuert, indem die Drehzahl der Pumpe gesteuert wird, was den
Bedarf an einem MAF-Sensor und Steuerventil vermeidet. Jeder unterschiedliche Luftstrom
durch die Anordnung wird vorzugsweise mittels seiner eigenen PDAS-Pumpe
gesteuert, was ermöglicht,
dass jede bei seinem optimalen Druck arbeitet, wodurch die parasitären elektrischen
Kosten der Lieferung von Luft an die SOFC-Anordnung minimiert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
vollständiger
verstanden und erkannt, die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen
vorgenommen wird, in welchen:
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1 eine
schematische Querschnittansicht eines Stapels aus zwei Zellen von
Festoxid-Brennstoffzellen ist;
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2 eine
schematische Aufrissansicht von zwei elektrisch in Reihe geschalteten
Brennstoffzellenstapeln ist;
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3 ein
schematisches Diagramm einer mechanischen Ausführung einer typischen SOFC-Anordnung
ist;
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4 ein
Teil eines Diagramms zur mechanischen Ausführung wie 3 ist,
das eine Teilung der Luftversorgung in eine Vielzahl von Teilsystemen zeigt,
von denen jedes von einer PDAS-Pumpe versorgt wird; und
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5 eine
isometrische Ansicht der in 2 gezeigten
Brennstoffzellenstapeln ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Bezugnehmend
nun auf 1 enthält ein Brennstoffzellenstapel 10 Elemente,
die in der Technik der Festoxid-Brennstoffzellenstapel mit mehr
als einer Brennstoffzelle bekannt sind. Das gezeigte Beispiel umfasst
zwei identische Brennstoffzellen 11, die in Reihe geschaltet
sind, und ist von einer Klasse derartiger Brennstoffzellen, die
man insofern als "auf
der Anode abgestützt" bezeichnet, als
die Anode ein strukturelles Element ist, auf dem der Elektrolyt
und die Kathode angeordnet sind. Die Elementdicken sind nicht maßstabgerecht
dargestellt.
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Jede
Brennstoffzelle 11 umfasst ein Elektrolytelement 14,
das ein Anodenelement 16 und ein Kathodenelement 18 trennt.
Jede Anode und Kathode steht in direktem chemischem Kontakt mit
ihrer jeweiligen Oberfläche
des Elektrolyten, und jede Anode und Kathode hat eine jeweilige
freie Oberfläche 20, 22,
die eine Wand eines jeweiligen Durchgangs 24, 26 für einen
Gasstrom über
der Oberfläche
bildet. Die Anode 16 einer ersten Brennstoffzelle 11 ist
einem Interkonnektor 28 zugewandt und mit ihm durch Filamente 30 elektrisch
verbunden, die sich über
den Durchgang 24 erstrecken, diesen aber nicht blockieren.
Entsprechend ist die Kathode 18 einer zweiten 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 der ersten Brennstoffzelle 11 ist ähnlich einem
Kathodenstromkollektor 32 zugewandt und mit ihm durch Filamente 30 elektrisch
verbunden, die sich über
den Durchgang 26 erstrecken, diesen aber nicht blockieren, und
die Anode 16 der zweiten 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
sein, damit der Brennstoffzellenstapel 10 elektrische Arbeit
leistet. Die Durchgänge 24 werden
durch Anodenabstandhalter 36 zwischen dem Umfang der Anode 16 und
entweder einem Interkonnektor 28 oder dem Anodenstromkollektor 32 gebildet.
Die Durchgänge 26 werden durch
Kathodenabstandhalter 38 zwischen dem Umfang des Elektrolyten 14 und
entweder einem Interkonnektor 28 oder dem Kathodenstromkollektor 32 gebildet.
Der Anodenabstandhalter 36 und der Kathodenabstandhalter 38 sind
auf solch eine Weise aus Blech geschaffen, dass die gewünschte Höhe der Anodendurchgänge 24 und
Kathodendurchgänge 26 erreicht
wird.
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Der
Interkonnektor und die Stromkollektoren sind aus einer Legierung,
typischerweise einer "Superlegierung", hergestellt, welche
chemisch stabil und bei den erhöhten
Temperaturen maßhaltig
ist, die für
einen Brennstoffzellenbetrieb notwendig sind, im Allgemeinen über 750°C oder höher, beispielsweise Hastelloy,
Haynes 230 oder rostfreiem Stahl. Der Elektrolyt besteht aus einem
Keramikoxid und enthält vorzugsweise
Zirkoniumoxid, das mit Yttriumoxid (Yttria) stabilisiert ist, in
der Technik als YSZ bekannt. Die Kathode besteht zum Beispiel aus
porösem
Lanthanstrontiummanganat oder Lanthanstrontiumeisen, und die Anode
besteht beispielsweise aus einer Mischung von Nickel und YSZ.
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Im
Betrieb (1) wird Reformatgas 21 an die
Durchgänge 24 an
einem ersten Rand 25 der freien Oberfläche 20 der Anode geliefert,
strömt
parallel zur Oberfläche
der Anode über
die Anode in einer ersten Richtung und wird an einem zweiten und
gegenüberliegenden
Rand 29 der Anodenoberfläche 20 entfernt. Wasserstoff
und CO diffundieren in die Anode zur Grenzfläche mit dem Elektrolyten. Sauerstoff 31,
typischerweise in Luft, wird an die Durchgänge 26 an einem ersten
Rand 39 der freien Oberfläche 22 der Kathode
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 die gleiche Richtung wie die erste in 1) 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-Ionen
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 Anodenstromkol lektor 34 oder
den Interkonnektor 28 über
die Filamente 30 abgeben. Folglich sind die Zellen A und
B zwischen den beiden Stromkollektoren elektrisch in Reihe geschaltet,
und die gesamte Spannung und Wattleistung zwischen den Stromkollektoren
ist die Summe der Spannung und der Wattleistung der einzelnen Zellen
in einem Brennstoffzellenstapel.
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Bezugnehmend
auf die 2 und 5 sind die
Zellen 11 nebeneinander statt in einer überlappenden Anordnung wie
in 1 gezeigt angeordnet. Ferner kann die Anordnung
nebeneinander jeweils mehrere Zellen 11 umfassen, so dass
sowohl der erste Stapel 44 als auch der zweite Stapel 46,
die in 2 dargestellt sind, ein Stapel identischer Brennstoffzellen 11 ist.
Die Zellen 11 im Stapel 44 und Stapel 46 sind
durch einen Interkonnektor 47 elektrisch in Reihe geschaltet,
und die Stapel sind in Reihe geschaltet.
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Bezugnehmend
auf 3 enthält
das Diagramm einer Festoxid-Brennstoffzellenanordnung eine Zusatzanlage
und Steuerungen für
die Stapel 44, 46, die wie in 2 elektrisch
verbunden sind.
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Eine
herkömmliche
Einlassluftpumpe 48 mit hoher Drehzahl saugt Einlassluft 50 durch
einen Luftfilter 52, an einem ersten MAF-Sensor 54 vorbei, durch
einen Schalldämpfer 56 und
einen die Pumpe 48 umgebenden Kühlmantel 58.
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Ein
Luftausgang 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 über einen
zweiten MAF-Sensor 68 und ein Steuerventil 70 für Brennerkühlluft als
Brennerkühlluft 64 zu
einem Nachbrenner 66 des Stapels.
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Die
Zuleitung 72 wird weiter in verzweigte Leitungen zwischen
einer Anodenluftzuleitung 74 und einer Kathodenluftzuleitung 75 geteilt.
Die Anodenzuleitung 74 geht über einen dritten MAF-Sensor 78 und
ein Steuerventil 80 für
Reformerluft an einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffverdampfer 76.
Ein Teil der Anodenluftzuleitung 74 kann durch ein Steuerventil 82 über die
kühle Seite 83 des
Wärmetauschers 84 zur
Reformat-Vorheizung
steuerbar umgeleitet, 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.
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Die
Kathodenluftzuleitung 75 wird durch ein Steuerventil 86 für Kathodenluft
gesteuert und kann auf ihrem Weg zu den Stapeln 44, 46 durch
ein Umgehungsventil 88 zur Kathodenluft-Vorheizung über die
kalte Seite 90 des Wärmetauschers 92 zur
Kathodenluft-Vorheizung steuerbar umgeleitet werden. Nach Durchgang
durch die Kathodenseiten der Zellen in den Stapeln 44, 46 wird
teilweise verbrauchte erhitzte Luft 93 dem Brenner 66 zugeleitet.
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Eine
Pumpe 94 für
die Zuleitung von Kohlenwasserstoffbrennstoff saugt Brennstoff aus
dem Speichertank 96 und liefert den Brennstoff über einen Druckregler 98 und
Filter 100 an einen Brennstoffeinspritzer 102,
der den Brennstoff in den Verdampfer 76 einspritzt. Der
eingespritzte Brennstoff wird mit der Luftzuleitung 74 kombiniert,
verdampft und einem Reformer-Katalysator 104 im
Haupt-Brennstoffreformer 106 zugeleitet, der den Brennstoff
in hauptsächlich
Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert. Das Reformat 108 vom
Katalysator 104 wird den Anoden in den Stapeln 44, 46 zugeleitet.
Nicht verbrauchter Brennstoff 110 von den Anoden wird dem
Nachbrenner 66 zugeleitet, wo er mit Luftzuleitungen 64 und 93 kombiniert
und verbrannt wird. Die heißen
Brennergase 112 werden durch einen Reinigungskatalysator 114 im
Hauptreformer 106 geleitet.
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Das
Abgas 115 vom Katalysator 114 wird durch 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 120 zugeleitet, der die Stapel 44, 46 umgibt,
von wo es letztendlich ausgestoßen
wird 122.
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Bezugnehmend
auf 4 ist die durch die Erfindung gelieferte Verbesserung
durch ein Oval 124 hervorgehoben (andere Anordnungselemente wie
in 3 gezeigt sind der Klarheit halber weggelassen,
werden aber als vorhanden angenommen). In einer Festoxid-Brennstoffzellenanordnung 13 gemäß der Erfindung
sind die einzelne Luftpumpe 48 und der Mantel 58 nach
dem Stand der Technik, die in 3 dargestellt
sind, durch eine erste Verdrängerluftpumpe 126 mit
einer hohen Ausgangskapazität
zum Liefern von Luft über
eine erste verzweigte Leitung 74' an die Kathodenluftfunktionsbereiche
mit hohem Volumen und eine zweite Verdrängerluftpumpe 128 mit
einer bescheideneren Ausgangskapazität zum Liefern von Luft über eine
zweite verzweigte Leitung 74'' an die Anodenluftfunktionsbereiche
mit niedrigem Volumen ersetzt. Solche Pumpen, bei denen ihre Drehzahl
gesteuert werden kann, um zu veranlassen, dass sie einen vorbestimmten
abgemessenen Luftstrom liefern, sind zum Beispiel als "Roots-Mikrogebläse" bekannt. Andere
Arten von Verdrängerpumpen
sind Schaufel- oder Kolbentypen. Weggelassen sind auch der erste
MAF-Sensor 54, zweite MAF-Sensor 68 und dritte
MAF-Sensor 78 nach dem Stand der Technik. Ein einziger
MAF-Sensor 130 kann wahlweise zur Steuerung der Drehzahl und
daher des Ausgangsstroms und -drucks der Pumpe 126 mit
hoher Ausgangsleistung genutzt werden. Auch beseitigt ist ein Schalldämpfer 56,
da die beiden kleineren Gebläse
insgesamt weniger laut als eine einzige große Luftpumpe mit hoher Kapazität sind.
In der Anordnung nach dem Stand der Technik liefert ferner das einzelne
Gebläse
Luft an einen (in der schematischen Zeichnung nicht dargestellten) zentralen
Ver teilerraum, von dem die einzelnen Zweige abgehen, während die
einzelnen Gebläse
ohne einen Verteilerraum in direkte Rohrleitungen zuleiten. Ein
Verteilerraum unterdrückt
nicht das Pumpengeräusch,
wohingegen die einzelnen Rohrleitungen ausgezeichnete Schalldämpfer sind.
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Natürlich ist
die Verwendung von nur zwei derartigen Verdrängerluftpumpen nur beispielhaft. Die
Verwendung einer größeren Vielzahl
liegt innerhalb des Umfangs der Erfindung; jede beliebige Zahl kann
in Kombination genutzt werden, um zusätzliche Gasstromanforderungen
in jeder spezifischen SOFC-Anordnung zu erfüllen, um beispielsweise Kühlluft 64 dem
Brenner 66 zuzuführen,
wie oben für die
im Diagramm 12 dargestellte Anordnung beschrieben, in der
beispielhaften 4 aber nicht dargestellt wurde.
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Eine
SOFC-Anordnung gemäß der Erfindung
ist besonders nützlich
als eine Zusatzenergieeinheit (APU) für Fahrzeuge 132, an
denen die APU wie in 4 gezeigt montiert werden kann,
wie zum Beispiel Personenkraftwagen und Lastwagen, Schiffe bzw.
Boote und Flugzeuge, wobei die Antriebskraft von einem herkömmlichen
Motor geliefert wird und den zusätzlichen
Bedarf an elektrischer Energie von der SOFC-Anordnung erfüllt wird.
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Eine
SOFC-Anordnung gemäß der Erfindung
ist auch nützlich
als stationäres
Kraftwerk wie zum Beispiel in einem Haushalt oder zur kommerziellen
Nutzung.
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Obgleich
die Erfindung unter 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 beschriebene Ausführungsform beschränkt sein,
sondern hat den vollen Umfang, der durch die folgenden Ansprüche definiert
ist.