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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Separator für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle und insbesondere auf einen Separator für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, der das Volumen der Brennstoffzelle im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen verringern kann, da der Separator in seinem Inneren mit einem Brenngas-Reformierungskanal ausgestattet ist, und der die Produktionskosten reduzieren kann, da der Separator einen einfachen Aufbau hat.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle ein Stromerzeuger, der dazu dient, durch die Oxidation und Reduktion von Reaktionspartnern chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Im Gegensatz zu anderen existierenden Arten von chemischer Energie verursacht die Brennstoffzelle kaum Schadstoffemissionen oder Lärm, da sie nur Wasser (H2O) als Nebenprodukt freisetzt und die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle einfach ist. Aus diesem Grund findet die Brennstoffzelle große Aufmerksamkeit als alternative Energiequelle für die nächste Generation.
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Unter Brennstoffzellen verwendet insbesondere eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) geschmolzene Karbonate als Elektrolyt und arbeitet bei etwa 650°C, und daher ist die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion in der MCFC hoch. Aus diesem Grund benötigt die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle keinen Edelmetallkatalysator, wie zum Beispiel ein Platinkatalysator, und kann einen hohen Wärmewirkungsgrad von 60% oder mehr aufweisen, wenn sie zusammen mit Elektrizität und einer hohen Temperatur verwendet wird, und daher kann sie für eine kombinierte Wärme- und Energieproduktion unter Verwendung der Vergasung von Kohle verwendet werden.
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Eine Elementarzelle einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle weist eine Anode und eine Kathode auf, in denen eine elektrochemische Reaktion ausgeführt wird, einen Separator zum Bilden eines Brenngaskanals und eines Oxidatorgaskanals, eine Ladungssammelplatte, eine Elektrolytplatte, die in der Form einer Blechtafel hergestellt ist, um den Vorteil des Stapelns nutzen zu können, und eine Matrix zum Speichern von geschmolzenem Karbonat. In der Elementarzelle der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle wird in jeder der Elektroden eine elektrochemische Reaktion ausgeführt, wenn einer Anode Brenngas und einer Kathode Oxidatorgas zugeführt wird, wodurch man eine Gleichspannung erhält.
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Da die Spannung, die man von der Elementarzelle erhält, zum Zeitpunkt der Nennentladung etwa 0,7~1,2 V beträgt, was niedrig ist, wird in der Praxis eine Vielzahl von Elementarzellen schichtweise angeordnet, so dass die Gesamtspannung der Brennstoffzelle erhöht wird und die Gesamtoberfläche der Elementarzellen ebenfalls erhöht wird, wodurch man eine hohe Leistung erhält. Die Struktur, in der eine Vielzahl von Elementarzellen schichtweise angeordnet ist, wird als ”Stapel” bezeichnet.
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Da ein solcher Stapel die Leistungsfähigkeit der Energieerzeugung, die Lebensdauer und die Leistung der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle bestimmt, sind die Form eines Separators, der den Stapel bildet, und das Verfahren des Zuführens von Brennstoff in den Separator sehr wichtig.
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Da eine Wasserdampf-Reformierungsreaktion zum Bilden eines reformierten Gases, das Wasserstoff enthält, unter Verwendung von Methangas und Wasserdampf, was eine endotherme Reaktion ist, zusammen mit einer elektrochemischen Reaktion ausgeführt wird (Anode: Oxidationsreaktion, Kathode: Reduktionsreaktion), was eine exotherme Reaktion ist, wird mittlerweile in der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle eine Brennstoff-Reformierungsvorrichtung verwendet, um der Wasserdampf-Reformierungsreaktion, die Wärme erfordert, Wärme, die durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, zuzuführen.
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Herkömmliche Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen sind jedoch insofern problematisch, als die vorstehend genannte Brennstoff-Reformierungsvorrichtung separat außerhalb der Brennstoffzelle bereitgestellt wird und mit einem Separator verbunden ist, und dadurch ihr Volumen vergrößert und ihr Aufbau komplizierter wird. Insbesondere wird in herkömmlichen Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen Brenngas durch die Brennstoff-Reformierungsvorrichtung, die außerhalb der Brennstoffzelle bereitgestellt wird, reformiert, und anschließend wird das reformierte Brenngas durch einen Separator, der mit der Brennstoff-Reformierungsvorrichtung verbunden ist, in einen Stapel geleitet. Aus diesem Grund sind die herkömmlichen Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen insofern problematisch, als ihr Volumen vergrößert wird und der Aufbau zum Verbinden der Brennstoff-Reformierungsvorrichtung mit dem Separator komplizierter wird, so dass ihre Installation nicht einfach ist, wodurch sich die Produktionskosten erhöhen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Probleme, die im Stand der Technik auftauchen, gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Separator für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle bereitzustellen, wobei die Brennstoffzelle einen Brenngas-Reformierungskanal zwischen einem Anodenkanal und einem Kathodenkanal ohne separates Bereitstellen einer Brenngas-Reformierungsvorrichtung enthält, was bewirkt, dass das Volumen der Brennstoffzelle verringert wird und sein Aufbau einfach ist, so dass sich seine Produktionskosten reduzieren.
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Um das vorstehend genannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen Separator für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle bereit, wobei der Separator vier Stahlbleche umfasst und die Kanten der vier Stahlbleche aneinander befestigt sind, so dass zwischen ihnen drei Räume entstehen, umfassend einen Kathodenkanal, der als Strömungskanal für Oxidatorgas dient und in dem ersten Raum ausgebildet ist; einen Anodenkanal, der als Strömungskanal für Brenngas dient und in dem zweiten Raum ausgebildet ist, so dass der Anodenkanal von dem Kathodenkanal getrennt ist; und einen Brenngas-Reformierungskanal, der in dem dritten Raum ausgebildet ist, der sich zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum befindet.
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Der Separator kann an seinem Rand mit einer Oxidatorgas-Einlassleitung zum Zuführen von Oxidatorgas, einer Oxidatorgas-Auslassleitung zum Abführen von Oxidatorgas, einer Brenngas-Einlassleitung zum Zuführen von Brenngas, einer Brenngas-Auslassleitung zum Abführen von Brenngas und einer Austauschleitung für reformiertes Gas, von der der Brenngas-Reformierungskanal und der Anodenkanal abzweigen, ausgestattet sein.
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Des Weiteren wird bevorzugt, dass reformiertes Brenngas, das durch den Brenngas-Reformierungskanal geströmt ist, von der Austauschleitung für reformiertes Gas zurückgeführt und anschließend in den Anodenkanal eingebracht wird.
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In diesem Fall kann der Brenngas-Reformierungskanal mit einer Katalysatorschicht zum Reformieren von Brenngas abgestützt sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehend genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich besser verstehen anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 bis 9 Separatoren für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei:
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1 eine schematische Ansicht ist, die den Oxidatorgasstrom zeigt;
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2 eine Querschnittsansicht einer Kathoden-Einlassleitung ist;
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3 eine Querschnittsansicht einer Kathoden-Auslassleitung ist;
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4 eine schematische Ansicht ist, die den Brenngasstrom zeigt;
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5 eine Querschnittsansicht einer Anoden-Einlassleitung ist;
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6 eine Querschnittsansicht einer Austauschleitung für reformiertes Brenngas ist;
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7 eine schematische Ansicht ist, die den Strom des reformierten Brenngases zeigt;
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8 eine Querschnittsansicht einer Brenngas-Auslassleitung ist; und
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9 eine Querschnittsansicht einer Leitung zum Schutz gegen Gasaustritt ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
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Die vorliegende Erfindung lässt sich durch das folgende bevorzugte Ausführungsbeispiel besser verstehen, das zur Veranschaulichung dargelegt wird, aber nicht dahin auszulegen ist, dass es die vorliegende Erfindung beschränkt.
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Nun soll auf die Zeichnungen Bezug genommen werden, in denen die selben Bezugszeichen verwendet werden, um in den verschiedenen Zeichnungen die selben oder ähnliche Komponenten zu bezeichnen.
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Die 1 bis 9 zeigen einen Separator für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 1 eine schematische Ansicht ist, die den Oxidatorgasstrom zeigt, 2 eine Querschnittsansicht einer Kathoden-Einlassleitung ist, 3 eine Querschnittsansicht einer Kathoden-Auslassleitung ist, 4 eine schematische Ansicht ist, die den Brenngasstrom zeigt, 5 eine Querschnittsansicht einer Anoden-Einlassleitung ist, 6 eine Querschnittsansicht einer Austauschleitung für reformiertes Gas ist, 7 eine schematische Ansicht ist, die den Strom des reformierten Brenngases zeigt, 8 eine Querschnittsansicht einer Brenngas-Auslassleitung ist, und 9 eine Querschnittsansicht einer Leitung zum Schutz gegen Gasaustritt ist.
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Der Separator 10, der in der erfindungsgemäßen Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle vorgesehen ist, weist vier Stahlbleche auf. Der Separator 10 ist in seinen Inneren mit drei Kanälen ausgestattet und ist an seinem Rand mit sechs Leitungen versehen. Der Separator 10 weist insbesondere vier Stahlbleche auf, und in ihnen sind durch Aneinanderfügen der Kanten der vier Stahlbleche drei Räume ausgebildet. In den Räumen, die sich in dem Separator 10 befinden, sind Gasströmungskanäle ausgebildet, die teilweise geschlossen und teilweise geöffnet sind. Dieser Separator 10 ist in seinem Inneren mit einem Kathodenkanal 100, einem Brenngas-Reformierungskanal 200 und einem Anodenkanal 300 ausgestattet, und an seinem Rand ist er mit einer Brenngas-Einlassleitung 2 zum Einführen von Brenngas, einer Brenngas-Auslassleitung 1 zum Abführen von Brenngas, einer Oxidatorgas-Einlassleitung 3 zum Einführen von Oxidatorgas, einer Oxidatorgas-Auslassleitung 4 zum Abführen von Oxidatorgas, einer Austauschleitung für reformiertes Gas 5 und einer Leitung zum Schutz gegen Gasaustritt 6 versehen.
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Die 1 bis 3 sind eine schematische Ansicht und eine Querschnittsansicht, die den Oxidatorgasstrom gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Wie in 1 gezeigt, wird das Oxidatorgas, das ein Mischgas aus Kohlendioxid (CO2) und Luft ist, in eine Oxidatorgas-Einlassleitung 3 eingeführt, an einer Kathode in einem Kathodenkanal 100 reduziert und anschließend durch eine Oxidatorgas-Auslassleitung 4 abgeführt.
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Insbesondere werden in der Oxidatorgas-Einlassleitung 3 (Abschnitt C-C), wie in 2 gezeigt, ein Brenngas-Reformierungskanal 200 und ein Anodenkanal 300 geschlossen, um zu verhindern, dass das eingeführte Oxidatorgas mit anderen Gasen vermischt wird, und deshalb strömt das eingeführte Oxidatorgas nur durch einen Kathodenkanal 100, der geöffnet ist. Wie 3 gezeigt, wird das Oxidatorgas, das durch den Kathodenkanal 100 strömt, an der Kathode im Kathodenkanal 100 reduziert und anschließend durch die Oxidatorgas-Auslassleitung 4 (Abschnitt D-D) abgeführt. In diesem Fall werden der Brenngas-Reformierungskanal 200 und der Anodenkanal 300 geschlossen, um das Einströmen des Oxidatorgases zu verhindern.
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Die 4 und 5 sind eine schematische Ansicht und eine Querschnittsansicht, die den Brenngasstrom gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Wie in 4 gezeigt, wird Brenngas durch eine Brenngas-Einlassleitung 2 in einen Brenngas-Reformierungskanal 200 eingeführt und anschließend zu einer Austauschleitung für reformiertes Brenngas 5 befördert. Insbesondere werden in der Brenngas-Einlassleitung 2 (Abschnitt B-B), wie in 5 gezeigt, ein Kathodenkanal 100 und ein Anodenkanal 300 geschlossen, um zu verhindern, dass das eingeführte Brenngas mit anderen Gasen vermischt wird, und deshalb strömt das eingeführte Brenngas in den Brenngas-Reformierungskanal 200, der geöffnet ist.
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Hier wird bevorzugt, dass das Brenngas ein Mischgas aus Methangas und Wasserdampf ist. Dieses Brenngas wird durch eine Wasserdampf-Reformierungsreaktion in dem Brenngas-Reformierungskanal 200 in ein reformiertes Gas umgewandelt, das Wasserstoff enthält. Der Brenngas-Reformierungskanal 200 ist mit Nickel-Katalysatorschichten (nicht dargestellt) abgestützt. Wenn die Katalysatorschichten geeignet in dem Brenngas-Reformierungskanal 200 verteilt sind, wird die Temperatur der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle einheitlich gesteuert, und die Temperaturbedingungen des Brennstoffzellenstapels können somit zweckmäßig gehalten werden. Insbesondere wird gleichzeitig das Brenngas an der Anode oxidiert und das Oxidatorgas an der Kathode reduziert, und somit werden die endotherme Reaktion und die exotherme Reaktion gleichzeitig ausgeführt, mit dem Ergebnis, dass die Temperatur des Stapels einheitlich gehalten wird und dadurch die Brennstoffzelle auf einer geeigneten Temperatur gehalten wird.
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Wie in 6 gezeigt, strömt das vorstehend genannte reformierte Gas durch den Gasreformierungskanal 200 und dann in einen Anodenkanal 300 in einer Austauschleitung für reformiertes Gas 5 (Abschnitt E-E). Insbesondere wird in einer Austauschleitung für reformiertes Gas 5 (Abschnitt E-E), wie in 6 gezeigt, ein Kathodenkanal 100 geschlossen, um zu verhindern, dass das reformierte Gas, das durch den Brenngas-Reformierungskanal 200 strömt, mit dem Oxidatorgas vermischt wird. Aus diesem Grund wird das reformierte Gas, das durch den Brenngas-Reformierungskanal 200 geströmt ist, zu einem Anodenkanal 300 zurückgeführt.
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Die 7 und 8 sind eine schematische Ansicht und eine Querschnittsansicht, die den reformierten Brenngasstrom gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Wie in 7 gezeigt, wird das reformierte Brenngas, das in einen Anodenkanal 300 geströmt ist, durch eine Brenngas-Auslassleitung 1 entlang des Anodenkanals 300 zu einer Anode abgeführt. Insbesondere werden in der Brenngas-Auslassleitung 1 (Abschnitt A-A), wie in 8 gezeigt, ein Brenngas-Reformierungskanal 200 und ein Kathodenkanal 100 geschlossen, um zu verhindern, dass das eingeführte reformierte Gas mit anderen Gasen vermischt wird. Das eingeführte reformierte Brenngas strömt durch den Anodenkanal 300, der geöffnet ist, wird an der Anode oxidiert, und wird dann durch eine Brenngas-Auslassleitung 1 abgeführt.
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9 ist eine Querschnittsansicht einer Leitung zum Schutz gegen Gasaustritt 6 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 gezeigt, werden in der Leitung zum Schutz gegen Gasaustritt 6 (Abschnitt F-F) der Kathodenkanal 100, der Brenngas-Reformierungskanal 200 und der Anodenkanal 300 geschlossen, um das Strömen von Gas zu verhindern.
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Wie vorstehend beschrieben, ist der Separator für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung insofern vorteilhaft, als Brenngas, das durch einen Anodenkanal in einen Brenngas-Reformierungskanal eingeführt worden ist, in einem Brenngas-Reformierungskanal reformiert wird und anschließend zu einer Anode abgeführt wird, und Oxidatorgas, das in einen Kathodenkanal eingeführt worden ist, an einer Kathode reagiert und anschließend abgeführt wird, so dass das Volumen der Brennstoffzelle verringert werden kann, obwohl eine Brenngas-Reformierungsvorrichtung, die außerhalb der Brennstoffzelle vorgesehen ist, nicht verwendet wird, und sein Aufbau einfach ist, was seine Produktionskosten reduziert.
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Gemäß dem Separator für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren, wenn in dem Separator für eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle ein Brenngas-Reformierungskanal ausgebildet ist, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels einheitlich gehalten, und somit kann der Stapel in einem stabilen Zustand gehalten werden. Das heißt, in der Brennstoffzelle wird an einer Anode eine Oxidationsreaktion ausgeführt, was eine exotherme Reaktion ist, und gleichzeitig wird an einer Kathode eine Reduzierungsreaktion ausgeführt, was eine endotherme Reaktion ist. Da die Menge der durch elektrochemische Reaktionen erzeugten Wärme viel größer ist als die Menge der Wärme, die durch Konvektion vom Stapel abgezogen wird, ist in diesem Fall die Temperatur des Stapels hoch und nicht einheitlich, und der Stapel ist daher in einem instabilen Zustand. Wenn jedoch in dem Separator der Brenngas-Reformierungskanal ausgebildet ist, wird ein exzessiver Anstieg der Temperatur des Stapels verhindert, da ein Teil der Wärme des Stapels als Wärme einer Brenngas-Reformierungsreaktion verwendet werden kann, was eine endotherme Reaktion ist, so dass die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht werden kann und ihre Leistung verbessert werden kann.
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Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden zwar zum Zwecke der Erläuterung offenbart, doch der Fachmann wird verstehen, dass verschiedene Änderungen, Zusätze und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Schutzumfang und dem Grundgedanken der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart sind, abzuweichen.
