DE102015216257B4

DE102015216257B4 - Brennstoffzellenmodul

Info

Publication number: DE102015216257B4
Application number: DE102015216257.5A
Authority: DE
Inventors: Keiji Tsukamoto; Shigeru Toda; Hiroki Homma; Hideichi Yamamura
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: JP2016051574A; JP6280470B2; DE102015216257A1; US20160064747A1; US9614233B2

Abstract

Brennstoffzellenmodul (10), welches aufweist:
einen Brennstoffzellenstapel (12), der eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen (44) enthält, die konfiguriert sind, um durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas elektrische Energie zu erzeugen;
ein erstes Gehäuse (64), das den Brennstoffzellenstapel (12) enthält;
einen Abgasverbrenner (18), der konfiguriert ist, um das Brenngas, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) als Brenn-Abgas abgegeben wird, und das sauerstoffhaltige Gas, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) als sauerstoffhaltiges Abgas abgegeben wird, zu verbrennen, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen;
einen Wärmetauscher (20), der konfiguriert ist, um eine Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas anzuheben und das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel (12) zuzuführen;
einen Reformer (14), der konfiguriert ist, um hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthaltenden Rohbrennstoff zu reformieren, um das Brenngas zu erzeugen, das dem Brennstoffzellenstapel (12) zugeführt wird; und
einen Wasserstoff-Entschwefler (16), der konfiguriert ist, um eine in dem Rohbrennstoff enthaltene Schwefelkomponente zu beseitigen,
wobei das Brennstoffzellenmodul (10) ein zweites Gehäuse (66) enthält, das zumindest das erste Gehäuse (64), den Abgasverbrenner (18) und den Wärmetauscher (20) enthält; und
der Abgasverbrenner (18) eine Verbrennungsgas-Abführöffnung (80) aufweist, die sich zu einer Verbrennungsgaskammer (68) öffnet, die zwischen dem ersten Gehäuse (64) und dem zweiten Gehäuse (66) ausgebildet ist,
wobei der Reformer (14) und der Wasserstoff-Entschwefler (16) außerhalb und unterhalb des zweiten Gehäuses (66) vorgesehen sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, das einen Brennstoffzellenstapel enthält, der durch Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildet ist, um durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas elektrische Energie zu erzeugen.
Beschreibung der verwandten Technik:
Allgemein verwendet eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) einen Festelektrolyten. Der Festelektrolyt ist ein Oxidionenleiter, wie etwa stabilisiertes Zirkoniumoxid. Der Festelektrolyt ist zwischen eine Anode und eine Kathode eingefügt, um eine Elektrolytelektrodenanordnung (auch als MEA bezeichnet) zu bilden. Die Elektrolytelektrodenanordnung ist zwischen Separatoren (Bipolarplatten) geschichtet. Im Gebrauch sind vorbestimmte Anzahlen der Elektrolytelektrodenanordnungen und der Separatoren zusammengestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Wenn das Brenngas der Brennstoffzelle zugeführt wird, ist normalerweise ein Wasserstoffgas verwendet worden, das aus Kohlenwasserstoff-Rohmaterial von einem Reformer erzeugt wird. Allgemein erhält man in dem Reformer ein Reform-Rohgas aus Kohlenwasserstoff-Rohbrennstoff aus fossilem Brennstoff oder dergleichen, wie etwa Methan oder LNG, und danach wird das Reform-Rohgas einer partiellen Oxidationsreformierung, Dampfreformierung oder autothermen Reformierung, etc., unterzogen, um ein reformiertes Gas (Brenngas) zu erzeugen.
Es ist wünschenswert, dass diese Brennstoffzelle bei relativ hoher Temperatur arbeitet, und dass die Brennstoffzelle Wärmeisoliereigenschaften hat, um die Wärmeeffizienz zu verbessern. Ein Brennstoffzellensystem, das auf diesen Punkt abgestellt ist, ist in der JP 2012-182032 A vorgeschlagen worden. Dieses Brennstoffzellensystem hat eine einfache und kompakte Struktur mit Wärmeisoliereigenschaften, während erlaubt wird, dass der Brennstoffzellenstapel gleichmäßig erwärmt wird.
Dieses Brennstoffzellensystem enthält einen Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen enthält, einen Reformer, einen Wärmetauscher sowie ein Brennstoffzellenstapel-Halterungselement zum Anbringen des Brennstoffzellenstapels. Ferner enthält das Brennstoffzellensystem eine Fluideinheit, ausgestattet mit einem Rahmenelement zum Halten des Reformers, dem Wärmetauscher und dem Brennstoffzellenstapel-Halterungselement. Der Brennstoffzellenstapel ist an einer Seite der Fluideinheit vorgesehen, und ein Verbrenner ist benachbart der anderen Seite der Fluideinheit vorgesehen. Der Verbrenner wärmt den Reformer und den Wärmetauscher durch das bei der Verbrennung erzeugte Verbrennungsgas.
Ferner ist ein erstes Gehäuseelement, das den Brennstoffzellenstapel enthält, mit dem Brennstoffzellenstapel-Halterungselement verbunden. Ein zweites Gehäuseelement, das das erste Gehäuseelement enthält, und die Fluideinheit sind mit dem Rahmenelement verbunden.
Ferner sind beide Enden eines Kanalelements mit dem Brennstoffzellenstapel-Halterungselement und dem Wärmetauscher verbunden. Abgas, das in der Stromerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenstapels partiell verbraucht worden ist, wird vom Innenraum des ersten Gehäuseelements dem Wärmetauscher als Heizmedium durch das Kanalelement zugeführt. Nach dem Wärmeaustauch am Wärmetauscher wird das vom Wärmetauscher abgegebene Abgas durch einen Abgaskanal abgeführt, der zwischen dem ersten Gehäuseelement und dem zweiten Gehäuseelement ausgebildet ist.
Wie oben beschrieben, fließt das Abgas, das nach partiellem Verbrauch bei der Stromerzeugungsreaktion abgegeben wird, in den Wärmetauscher als Heizmedium zum Wärmeaustausch mit einem sauerstoffhaltigen Gas, bevor das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Gemäß der Offenbarung kann mit dieser Struktur die Abwärme des Abgases effizient gesammelt werden, und wird eine Verbesserung in der Wärmeeffizienz erreicht. Insbesondere wird es möglich, Abwärme beim direkten Heizen der Brennstoffzellen zu nutzen und Abwärme als Wärmeenergie zum Wärmen des sauerstoffhaltigen Gases durch den Wärmetauscher effizient zu nutzen.
Die EP 0 818 840 A1 zeigt ein Brennstoffzellensystem, welches einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen (a), einen Reformer zur Reformation des Rohbrennstoffs (e) und einen Schwefelabsorber zur Entfernung der im Rohbrennstoff enthaltenen Schwefelverbindungen (f) enthält. Das Brennstoffzellensystem weist zudem einen Gasbrenner auf, in welchem die Abgase der Brennstoffzelle verbrannt werden und somit ein Verbrennungsgas erzeugt wird. Das Brennstoffzellensystem weist ein Kanalsystem auf, in welchem das Kathodengas vorgewärmt wird. Das Kathoden- bzw. Anodengas wird dem Brennstoffzellenstapel über eine Leitung, welche durch einen Nachverbrennungsraum führen, direkt eingespeist. Der Brennstoffzellenstapel ist in dem Nachverbrennungsraum angeordnet, durch welchen die Brennerabgase geleitet werden. Das Brennstoffzellensystem weist zwei getrennte Gehäuse auf, wobei sich im äußeren (zweiten) Gehäuse (Nachverbrennungsraum bzw. Kanalsystem) der Brennstoffzellenstapel (mit dem ersten Gehäuse), der Wärmetauscher, der Reformer und der Schwefelabsorber befinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist in Bezug auf die obige Technik gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenmodul mit einer kompakten Struktur anzugeben, womit es möglich wird, die Wärmeabstrahlung vom Brennstoffzellenstapel soweit wie möglich zu unterdrücken und die Startleistung und Wärmeeffizienz zu verbessern.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 1 angegeben.
Das Brennstoffzellenmodul enthält einen Brennstoffzellenstapel, ein erstes Gehäuse, einen Abgasverbrenner, einen Wärmetauscher, einen Reformer und einen Wasserstoff-Entschwefler. Der Brennstoffzellenstapel enthält eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen, um durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas elektrische Energie zu erzeugen.
Das erste Gehäuse enthält den Brennstoffzellenstapel. Der Abgasverbrenner ist konfiguriert, um das Brenngas, das vom Brennstoffzellenstapel als Brenn-Abgas abgegeben wird, und das sauerstoffhaltige Gas, das vom Brennstoffzellenstapel als sauerstoffhaltiges Abgas abgegeben wird, zu verbrennen, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen. Der Wärmetauscher ist konfiguriert, um die Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas anzuheben und das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Der Reformer ist konfiguriert, um den hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthaltenden Rohbrennstoff zu reformieren, um das dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Brenngas zu erzeugen. Der Wasserstoff-Entschwefler ist konfiguriert, um eine in dem Rohbrennstoff enthaltene Schwefelkomponente zu beseitigen.
Das Brennstoffzellenmodul enthält ein zweites Gehäuse, das zumindest das erste Gehäuse, den Abgasverbrenner und den Wärmetauscher enthält. Der Abgasverbrenner hat eine Verbrennungsgas-Abführöffnung, die sich zu einer Verbrennungsgaskammer hin öffnet, die zwischen dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse ausgebildet ist.
In der vorliegenden Erfindung enthält das zweite Gehäuse zumindest das erste Gehäuse (das den Brennstoffzellenstapel enthält), den Abgasverbrenner und den Wärmetauscher. Ferner hat der Abgasverbrenner die Verbrennungsgas-Abführöffnung, die sich zu der Verbrennungsgaskammer öffnet, die zwischen dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse ausgebildet ist. In der Struktur fließt das heiße Verbrennungsgas um das erste Gehäuse herum, d.h. fließt um den Brennstoffzellenstapel herum und kann als Wärmeisolierschicht des Brennstoffzellenstapels fungieren. Daher wird es möglich, die Wärmeabstrahlung von dem Brennstoffzellenstapel so weit wie möglich zu unterdrücken. Somit werden die gewünschte Startleistung und hohe Wärmeeffizienz erreicht.
Da der Reformer und der Wasserstoff-Entschwefler außerhalb und unterhalb des Gehäuses vorgesehen sind, werden diese nicht der heißen Atmosphäre in dem zweiten Gehäuse ausgesetzt. Demzufolge wird es möglich, die gewünschte Reformierungseffizienz und Entschwefelungseffizienz geeignet zu erreichen.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung als illustratives Beispiel gezeigt sind.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine partielle Querschnitts-Vorderansicht, die das Brennstoffzellenmodul zeigt;
3 ist eine Perspektivansicht, die das Brennstoffzellenmodul zeigt;
4 ist eine Explosions-Perspektivansicht, die Hauptkomponenten des Brennstoffzellenmoduls zeigt;
5 ist eine Perspektivansicht, die einen Abgasverbrenner und einen Wärmetauscher des Brennstoffzellenmoduls zeigt;
6 ist eine Perspektivansicht, die einen Reformer und einen Wasserstoff-Entschwefler des Brennstoffzellenmoduls zeigt; und
7 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Ein Brennstoffzellenmodul 10 gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung, in 1 gezeigt, wird in verschiedenen Anwendungen genutzt, einschließlich stationären, fahrzeugeigenen und mobilen Anwendungen.
Das Brennstoffzellenmodul 10 enthält einen Brennstoffzellenstapel 12, einen Reformer 14, einen Wasserstoff-Entschwefler (Hydroentschwefler) 16, einen Abgasverbrenner 18 und einen Wärmetauscher 20. Eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 22 zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas und eine Rohbrennstoff-Zuführvorrichtung 24 zum Zuführen von Rohbrennstoff (zum Beispiel Stadtgas) sind mit dem Brennstoffzellenmodul 10 verbunden.
Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 22 ist mit dem Reformer 14 durch einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 26 verbunden, und die Rohbrennstoff-Zuführvorrichtung 24 ist mit dem Reformer 14 durch einen Brenngas-Zuführkanal 28 verbunden. In der dargestellten Ausführung ist der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 26 in einer Position irgendwo in dem Brenngas-Zuführkanal 28 angeschlossen. Alternativ kann der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 26 auch direkt mit dem Reformer 14 verbunden werden. Der Reformer 14 führt eine partielle Oxidationsreformierung oder Dampfreformierung von Rohbrennstoff durch, der hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthält, um ein Brenngas zu erzeugen, das dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird.
Der Wasserstoff-Entschwefler 16 ist für den Brenngas-Zuführkanal 28 an einer Position stromab des Reformers 14 vorgesehen. Der Wasserstoff-Entschwefler 16 beseitigt Schwefelkomponenten, die in dem Rohbrennstoff enthalten sind. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist stromab des Wasserstoff-Entschweflers 16 durch einen Brenngas-Zuführkanal 28a vorgesehen.
Ein Brenn-Abgas-Kanal 30 zum Abführen des Brenngases, das partiell in der Stromerzeugungsreaktion verbraucht wurde, als Brenn-Abgas, sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abgaskanal 32 zum Abgeben des sauerstoffhaltigen Abgases, das partiell bei der Stromerzeugungsreaktion verbraucht wurde, als sauerstoffhaltiges Gas, sind mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden. Der Brenn-Abgas-Kanal 30 und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abgaskanal 32 sind mit einer Einlassseite des Abgasverbrenners 18 verbunden, und eine Einlassseite des Wärmetauschers 20 ist mit einer Auslassseite des Abgasverbrenners 18 verbunden.
Das sauerstoffhaltige Gas (Luft) wird von der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 22 dem Wärmetauscher 20 durch einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 26a zugeführt. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanäle 26, 26a verzweigen sich durch ein Steuerventil 34, das in der Lage ist, die Strömungsrate des sauerstoffhaltigen Gases zu steuern. Nachdem der Wärmetauscher 20 das sauerstoffhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit einem Verbrennungsgas erhitzt hat, führt der Wärmetauscher 20 das erhitzte sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 36 zu.
Ein Rückführkanal 38 ist an einer Position irgendwo in dem Brenn-Abgas-Kanal 30 angeschlossen. Der Rückführkanal 38 wälzt ein Teil des Brenn-Abgases um, sodass es zu einer Position des Brenngas-Zuführkanals 28 zurückkehrt, wobei die Position stromauf des Reformers 14 und des Wasserstoff-Entschweflers 16 vorgesehen ist. Ein Steuerventil 40 ist an einem Verzweigungsabschnitt des Rückführkanals 38 und des Brennabgaskanals 30 vorgesehen, zum Steuern/Regeln der Strömungsrate des Brenn-Abgases, das durch den Rückführkanal 38 fließt. Ein Injektor 42 ist an einem Vereinigungsabschnitt des Rückführkanals 38 und des Brenngas-Zuführkanals 28 vorgesehen, zum Steuern/Regeln der Strömungsrate des Brenn-Abgases, das durch den Rückführkanal 38 fließt, durch den Unterdruck, der aus der Zufuhr des Rohbrennstoffs zum Reformer 14 resultiert.
Der Brennstoffzellenstapel 12 enthält eine Vielzahl von Festoxid-Brennstoffzellen 44 zum Erzeugen von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen vom Brenngas (Mischgas von Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid) und vom sauerstoffhaltigen Gas (Luft). Die Brennstoffzellen 44 sind in vertikaler Richtung oder horizontaler Richtung gestapelt. Zum Beispiel enthält jede der Brennstoffzellen 44 eine Elektrolytelektrodenanordnung (MEA) 51. Die Elektrolytelektrodenanordnung 51 enthält eine Kathode 48, eine Anode 50 und einen Elektrolyten 46, der zwischen die Kathode 48 und die Anode 50 eingefügt ist. Die Elektrode 46 ist ein Ionenoxidleiter, der zum Beispiel aus stabilisiertem Zirkoniumoxid hergestellt ist.
Ein kathodenseitiger Separator 52 und ein anodenseitiger Separator 54 sind auf beiden Seiten der Elektrolytelektrodenanordnung 51 vorgesehen. Der kathodenseitige Separator 52 hat ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 56 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zur Kathode 48, und der anodenseitige Separator 54 hat ein Brenngasfließfeld 58 zum Zuführen des Brenngases zur Anode 50. Als die Brennstoffzelle 44 können verschiedene Typen von herkömmlichen SOFCs verwendet werden.
Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 44 ist hoch, bei mehreren 100°C. Methan im Brenngas wird von der Anode 50 reformiert, um Wasserstoff und CO zu erzeugen, und der Wasserstoff und das CO werden einem der Anode 50 benachbarten Abschnitt des Elektrolyten 46 zugeführt.
Der Brennstoffzellenstapel 12 hat einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhr-Durchgang 60a, der mit einer Einlassseite jedes Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 56 verbunden ist, und einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführ-Durchgang 60b, der mit einer Auslassseite jedes Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 56 verbunden ist. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 36 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführ-Durchgang 60a verbunden, und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abgaskanal 32 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführ-Durchgang 60b verbunden.
Ferner hat der Brennstoffzellenstapel 12 einen Brenngas-Zuführ-Durchgang 62a, der mit einer Einlassseite jedes Brenngas-Fließfelds 58 verbunden ist, und einen Brenngas-Abführ-Durchgang 62b, der mit einer Auslassseite jedes Brenngas-Fließfelds 58 verbunden ist. Der Brenngas-Zuführkanal 28a ist mit dem Brenngas-Zuführ-Durchgang 62a verbunden, und der Brenn-Abgas-Kanal 30 ist mit dem Brenngas-Abführ-Durchgang 62b verbunden.
Grundliegend fungiert der Reformer 14 während des Startbetriebs als partieller Oxidationsreformer (POX), und fungiert während des Nennbetriebs als autothermer Reformer (AR). Bei der partiellen Oxidationsreformierung wird durch partielle Oxidationsreformierungsreaktion des sauerstoffhaltigen Gases und des hauptsächlich Kohlenwasserstoff (zum Beispiel Stadtgas) enthaltenden Rohrbrennstoffs der Rohbrennstoff reformiert, um das Brenngas zu erzeugen.
Insbesondere ist der partielle Oxidationsreformer ein Vor-Reformer zum Reformieren von höheren Kohlenwasserstoffen (C₂₊), wie etwa Ethan (C₂H₆), Propan (C₃H₈) und Butan (C₄H₁₀) in dem Rohbrennstoff, um das hauptsächlich Wasserstoff enthaltende Brenngas und CO durch partielle Oxidationsreformierung zu erzeugen. Die partielle Oxidationsreformierung wird bei der Betriebstemperatur im Bereich von etwa 500°C bis 1000°C durchgeführt. Die partielle Oxidationsreformierung verwendet zumindest ein katalytisches Metall, ausgewählt aus Pt (Platin), Rh (Rhodium) und Pd (Palladium).
Bei der autothermen Reformierung werden die partielle Oxidationsreformierung und Dampfreformierung in Kombination durchgeführt. Bei dieser Dampfreformierung wird das Mischgas des Rohbrennstoffs und des Wasserdampfs reformiert, um das Brenngas zu erzeugen. Die Dampfreformierung verwendet zumindest ein katalytisches Metall, ausgewählt aus Ru (Ruthenium), Ni (Nickel), Pt (Platin), Rh (Rhodium), Pd (Palladium), Ir (Iridium) und Fe (Eisen). In dem Reformer 14 wird zumindest ein katalytisches Metall, ausgewählt aus Pt (Platin), Rh (Rhodium) und Pd (Palladium), als einzelnes Katalysatormetall verwendet, um die partielle Oxidationsreformierung und Dampfreformierung durchzuführen.
Der Wasserstoff-Entschwefler 16 induziert eine Reaktion einer Schwefelverbindung mit Wasserstoff auf dem Katalysator (Ni-Mo-basierter Katalysator, Co-Mo-basierter Katalysator), um diese in Wasserstoffsulfid umzuwandeln, und nimmt das Wasserstoffsulfid in Zinkoxid zur Beseitigung auf. Zum Beispiel findet die folgende Reaktion statt. H₃C-S-CH₃ + 2H₂ → 2CH₄ + H₂S H₂S + ZnO → H₂O + ZnS
Der Abgasverbrenner 18 verbrennt das vom Brennstoffzellenstapel 12 abgegebene Brenngas als das Brenn-Abgas und das vom Brennstoffzellenstapel abgegebene sauerstoffhaltige Gas als das sauerstoffhaltige Abgas, um das Verbrennungsgas zu erzeugen, und führt das Verbrennungsgas dem Wärmetauscher 20 zu. Der Wärmetauscher 20 erhitzt das sauerstoffhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas und führt das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel 12 zu.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, enthält das Brennstoffzellenmodul 10 ein erstes Gehäuse 64, das den Brennstoffzellenstapel 12 enthält, sowie ein zweites Gehäuse 66, das zumindest den Brennstoffzellenstapel 12, den Abgasverbrenner 18 und den Wärmetauscher 20 enthält. Eine Verbrennungsgaskammer 68 ist zwischen dem ersten Gehäuse 64 und dem zweiten Gehäuse 66 gebildet.
In dem zweiten Gehäuse 66 sind der Abgasverbrenner 18 und der Wärmetauscher 20 integral unterhalb des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen. Ein Verbrennungsgas-Abführ-Durchgang 70 ist an einer oberen Position des zweiten Gehäuses 66 vorgesehen, um das Verbrennungsgas in der Verbrennungsgaskammer 68 nach außen abzuführen.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, ist der Abgasverbrenner 18 mit einem Ende des Wärmetauschers 20 gekoppelt. Der Abgasverbrenner 18 hat die Form eines rechteckigen Parallelepipeds und hat eine interne Verbrennungskammer 72. Die Verbrennungskammer 72 ist mit dem Brenn-Abgas-Kanal 30 und dem Sauerstoffhaltiges-Abgas-Kanal 32 verbunden. Das sauerstoffhaltige Abgas und das Brennabgas werden in der Verbrennungskammer 72 zur Verbrennung in der Verbrennungskammer 72 zugeführt.
Zum Beispiel ist in der Verbrennungskammer 72 ein Verbrennungskatalysator angeordnet, der Metall- oder Aluminiumträger aufweist, die Pt (Platin), Rh (Rhodium) oder Pd (Palladium) tragen. Eine Zündvorrichtung 74a ist in der Verbrennungskammer 72 vorgesehen, um von der Außenseite her Wärme zuzuführen, wenn die Abgastemperatur die Verbrennungstemperatur nicht erreicht.
Der Wärmetauscher 20 hat eine rechteckige Form und enthält eine Mehrzahl von Verbrennungsgas-Strömungskanälen 76. Der Abgasverbrenner 18 ist mit einem Ende des Wärmetauschers 20 verbunden. Die Verbrennungsgas-Strömungskanäle 76 sind mit der Verbrennungskammer 72 des Abgasverbrenners 18 verbunden. Das Verbrennungsgas fließt entlang jedem der Verbrennungsgas-Strömungskanäle 76 in der mit Pfeil A angegebenen Richtung. Die Verbrennungsgas-Strömungskanäle 76 sind mit einer Verbrennungsgas-Abführkammer 78 verbunden.
Eine Mehrzahl von Verbrennungsgas-Abführöffnungen 80 sind an oberen Positionen der Verbrennungsgas-Abführkammer 78 ausgebildet, und die Verbrennungsgas-Abführöffnungen 80 öffnen sich in den Innenraum der Verbrennungsgaskammer 68. Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind in der Verbrennungsgaskammer 68 die Verbrennungsgas-Abführöffnungen 80 und der Verbrennungsgas-Abführ-Durchgang 70 an diagonalen Positionen vorgesehen. Eine Zündvorrichtung 74b ist in der Verbrennungsgas-Abführkammer 78 vorgesehen, um eine gewünschte Temperatur des Verbrennungsgases zu erreichen, das an die Verbrennungsgaskammer 68 abgegeben wird (siehe 4 und 5).
Wie in 5 gezeigt, sind in dem Wärmetauscher 20 eine Mehrzahl von Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungskanälen 82 vorgesehen, um zu erlauben, dass das sauerstoffhaltige Gas in der mit Pfeil B angegebenen Richtung fließt (entgegengesetzt zur mit Pfeil A angegebenen Richtung). Die Verbrennungsgas-Strömungskanäle 76 und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungskanäle 82 sind abwechselnd vorgesehen. Die Enden Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungskanäle 82 an der Einlassseite sind mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrkanal 26a verbunden, und die Enden der Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungskanäle 82 an der Auslassseite sind mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 36 verbunden.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind sowohl der Reformer 14 als auch der Wasserstoff-Entschwefler 16 integral außerhalb der Verbrennungsgaskammer 68 am Boden des zweiten Gehäuses 66 vorgesehen. Wie in den 4 und 6 gezeigt, ist der Reformer 14 innerhalb des Wasserstoff-Entschweflers 16 vorgesehen. Der Reformer 14 hat die Form eines rechteckigen Parallelepipeds. Der Brenngas-Zuführkanal 28 ist mit einem Boden des Reformers 14 in der Nähe von einem Ende davon verbunden. Katalytisches Metall (nicht gezeigt) füllt den Reformer 14, und eine Öffnung 84 ist an einem Seitenabschnitt am anderen Ende des Reformers 18 ausgebildet. Eine Zündvorrichtung 74c ist im Reformer 14 vorgesehen, um die Temperatur des Reformers 14 anzuheben.
Die Öffnung 84 des Reformers 14 ist mit einem Innenende des Wasserstoff-Entschweflers 16 verbunden. Der Reformer 14 ist an einer angenähert mittigen Position in dem Wasserstoff-Entschwefler 16 vorgesehen, und eine Wasserstoff-Entschwefelungskammer 86 ist um den Reformer 14 herum vorgesehen. Obwohl nicht gezeigt, füllt der Katalysator die Wasserstoff-Entschwefelungskammer 86. Der Brenngas-Zuführkanal 28a ist mit dem anderen Innenende des Wasserstoff-Entschweflers 16 durch eine Öffnung 88 verbunden.
Nachfolgend wird der Betrieb dieses Brennstoffzellenmoduls 10 beschrieben.
Während des Startbetriebs des Brennstoffzellenmoduls 10 wird, wie in 1 gezeigt, Luft als das sauerstoffhaltige Gas von der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 22 den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanälen 26, 26a zugeführt. Ein Teil der Luft wird in den Brenngas-Zuführkanal 28 abgezweigt und dem Reformer 14 zugeführt. Die verbleibende Luft wird dem Wärmetauscher 20 zugeführt.
Unterdessen wird Rohbrennstoff, wie etwa das Stadtgas (das CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀ enthält) von der Rohbrennstoff-Zuführvorrichtung 24 dem Brenngas-Zuführkanal 28 zugeführt. Der Rohbrennstoff wird in den Reformer 14 geleitet. Daher wird das Mischgas aus dem Rohbrennstoff und der Luft in den Reformer 14 geleitet, und das Mischgas wird durch die Zündvorrichtung 74c gezündet, um die partielle Oxidationsreformierung zu starten.
Wenn zum Beispiel O₂/C = 0,5, wird eine partielle Oxidationsreaktion (2CH₄ + O₂ → 4H₂ + 2CO) induziert. Diese partielle Oxidationsreaktion ist eine exotherme Reaktion. Von dem Reformer 14 wird ein Reduktionsgas (Brenngas) mit hoher Temperatur (etwa 500°C bis 1000°C) erzeugt. Das heiße Reduktionsgas wird dem Wasserstoff-Entschwefler 16 zugeführt. Insbesondere fließt, wie in 6 gezeigt, nachdem das Reduktionsgas in der Längsrichtung des Reformers 14 geflossen ist, das Reduktionsgas durch die Öffnung 84 in die Wasserstoff-Entschwefelungskammer 86. Daher wird die im Reduktionsgas enthaltene Schwefelkomponente in Wasserstoffsulfid umgewandelt, und dann wird das Wasserstoffsulfid in Zinkoxid zur Beseitigung aufgenommen.
Nachdem die Schwefelverbindung von dem Reduktionsgas entfernt ist, fließt das Reduktionsgas durch den Brenngas-Zuführkanal 28a, und wird das Reduktionsgas dem Brenngas-Zuführ-Durchgang 62a des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt. Wie in 1 gezeigt, wird in dem Brennstoffzellenstapel 12, nachdem das heiße Reduktionsgas durch jedes Brenngas-Fließfeld 58 geflossen ist, das Reduktionsgas von dem Brenngas-Abführ-Durchgang 62b zu dem Brenn-Abgas-Kanal 30 abgeführt. Ein Teil des Reduktionsgases wird in den Rückführkanal 38 abgezweigt, und das restliche Reduktionsgas fließt in den Abgasverbrenner 18, der mit dem Brenn-Abgas-Kanal 30 verbunden ist.
Wie in 5 gezeigt, wird, wie später beschrieben, Luft (sauerstoffhaltiges Abgas) der Verbrennungskammer 72 des Abgasverbrenners 18 zugeführt, wobei die Luft und das Reduktionsgas selbst zünden oder durch die Zündvorrichtung 74a gezündet werden und verbrannt werden. Das in der Verbrennungskammer 72 erzeugte Verbrennungsgas fließt durch die Mehrzahl von Verbrennungsgas-Strömungskanälen 76 des Wärmetauschers 20, und dann wird das Verbrennungsgas in die Verbrennungsgas-Abführkammer 78 abgeführt. Ferner fließt das Verbrennungsgas von den Verbrennungsgas-Abführöffnungen 80 in die Verbrennungsgaskammer 68.
In dem Wärmetauscher 20 wird die Luft von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 26a den Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungskanälen 82 zugeführt. Wenn die Luft entlang jedem der Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungskanäle 82 fließt, wird die Luft durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas erhitzt. Wie in 1 gezeigt, wird die erhitzte Luft dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 60a des Brennstoffzellenstapels 12 durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 36 zugeführt, und wird das Brenngas zur Außenseite des Brennstoffzellenmoduls 10 als Abgas abgegeben.
Danach fließt die Luft durch jedes Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 56, und die Luft wird von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführ-Durchgang 60b zu dem Sauerstoffhaltiges-Abgas-Kanal 32 abgegeben. Ferner fließt die Luft in den Abgasverbrenner 18, und die Luft wird in dem Verbrennungsprozess genutzt. Daher wird, durch die Verbrennung in dem Abgasverbrenner 18, der Brennstoffzellenstapel 12 durch die abgestrahlte Wärme oder übertragene Wärme erhitzt.
Unterdessen fließt das in den Rückführkanal 38 abgezweigte Brenn-Abgas in den Brenngas-Zuführkanal 28 unter dem Unterdruckbetrieb des Ejektors 42, und wird das Brenn-Abgas dem Reformer 14 zugeführt. Das Brenn-Abgas enthält Wasserstoff und Wasserdampf, und der Wasserdampf wird in den Reformer 14 geschickt, um Dampfreformierung durchzuführen. Da somit die Luft und der Wasserdampf dem Reformer 14 zugeführt werden, werden eine partielle Oxidationsreformierung und Dampfreformierung in dem Reformer 14 durchgeführt, wobei der Reformer 14 auch eine autotherme Reformierungsfunktion übernimmt.
Während des Stromerzeugungsbetriebs des Brennstoffzellenstapels 12 fließt, wie im Falle des Startbetriebs des Brennstoffzellenstapels 12, die Luft durch das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 56, und fließt das Brenngas durch das Brenngas-Fließfeld 58. Somit wird die Luft der Kathode 48 jeder Brennstoffzelle 44 zugeführt, und wird das Brenngas der Anode 50 jeder Brennstoffzelle 44 zugeführt, um durch chemische Reaktionen elektrische Energie zu erzeugen.
In der ersten Ausführung ist, wie in den 2 und 3 gezeigt, der Brennstoffzellenstapel 12 in dem ersten Gehäuse 64 angeordnet, und das zweite Gehäuse 66 enthält das erste Gehäuse 64, den Abgasverbrenner 18 und den Wärmetauscher 20. Ferner hat der Abgasverbrenner 18 die Verbrennungsgas-Abführöffnungen 80, die sich zu der Verbrennungsgaskammer 68 hin öffnen, die zwischen dem ersten Gehäuse 64 und dem zweiten Gehäuse 66 ausgebildet ist.
In der Struktur fließt das heiße Verbrennungsgas, das von den Verbrennungsgas-Abführöffnungen 80 des Abgasverbrenners 18 zu der Verbrennungsgaskammer 68 abgegeben wird, um das erste Gehäuse 64 herum, das heißt, fließt um den Brennstoffzellenstapel 12 herum, und fungiert als Wärmeisolierschicht des Brennstoffzellenstapels 12. Ferner wird es möglich, die Wärmeabstrahlung von dem Brennstoffzellenstapel 12 so weit wie möglich zu unterdrücken. Somit werden die gewünschte Startleistung und die hohe Effizienz erreicht.
Ferner sind der Abgasverbrenner 18 und der Wärmetauscher 20 unter dem ersten Gehäuse 64 vorgesehen, und ist der Verbrennungsgas-Abführdurchgang 70 an dem oberen Abschnitt des zweiten Gehäuses 66 ausgebildet, um das Verbrennungsgas abzugeben, das durch die Verbrennungsgaskammer 68 fließt. In dieser Hinsicht sind der Verbrennungsgas-Abführdurchgang 70 und die Verbrennungsgas-Abführöffnungen 80 an diagonalen Positionen quer zum ersten Gehäuse 64 vorgesehen.
In der Struktur fließt das Verbrennungsgas von der unteren Position des ersten Gehäuses 64 und fließt um das erste Gehäuse 64 herum. Dann wird das Verbrennungsgas von der oberen Position des zweiten Gehäuses 66 abgegeben. Somit fließt das heiße Verbrennungsgas um den Brennstoffzellenstapel herum und fungiert als Wärmeisolierschicht des Brennstoffzellenstapels 12. Daher wird es möglich, die Wärmeabstrahlung von dem Brennstoffzellenstapel 12 so weit wie möglich zu unterdrücken. Demzufolge wird eine Verbesserung in der Startleistung und die hohe Effizienz erzielt.
Ferner sind der Reformer 14 und der Wasserstoff-Entschwefier 16 außerhalb und unterhalb des Gehäuses 66 vorgesehen. In der Struktur sind der Reformer 14 und der Wasserstoff-Entschwefler nicht der heißen Atmosphäre in dem zweiten Gehäuse 66 ausgesetzt. Demzufolge wird es möglich, die gewünschte Reformierungseffizienz und Entschwefelungseffienz geeignet zu erreichen.
Ferner enthält, wie in 1 gezeigt, das Brennstoffzellenmodul 10 den Brenngaszuführkanal 28 mit dem Reformer 14 und dem Wasserstoff-Entschwefler 16 zum Zuführen des Brenngases zum Brennstoffzellenstapel 12. In dieser Hinsicht wird das Brenn-Abgas von dem Brennstoffzellenstapel 12 in den Brenn-Abgas-Kanal 30 abgeführt, und ist der Rückführkanal 38 mit dem Brenn-Abgas-Kanal 30 verbunden, um einen Teil des Brenn-Abgases umzuwälzen, um es zu einer stromaufwärtigen Position des Reformers 14 in dem Brenngas-Zuführkanal 28 zurückzubringen.
Demzufolge wird eine Verbesserung des Brennstoffnutzungsverhältnisses und der Stromerzeugungseffizienz erreicht. Ferner enthält das Brenn-Abgas hauptsächlich Wasserstoff als nicht verbrauchtes Brenngas, sowie den Wasserdampf. Somit wird es durch Umwälzung des unverbrauchten Wasserstoffs möglich, eine Wasserstoff-Entschwefelung in dem Wasserstoff-Entschwefler 16 durchzuführen. Darüber hinaus wird es durch die Umwälzung des Wasserdampfs in dem Reformer 14 möglich, eine autotherme Reformierung durchzuführen, die die partielle Oxidationsreformierung und die Dampfreformierung in Kombination nutzt. Somit werden die gewünschte Startleistung der partiellen Oxidationsreformierung und die hohe Effizienz der Dampfreformierung erreicht.
Ferner ist der Ejektor 42 an dem Mündungsabschnitt des Rückführkanals 38 und des Brenngas-Zuführkanals 28 vorgesehen, um die Strömungsrate des Brenn-Abgases zu steuern, das durch den Rückführkanal 38 fließt, durch den Unterdruck, der aus der Zufuhr des Rohbrennstoffs zum Reformer 14 resultiert. Daher wird es möglich, die Rückfuhr des Brenn-Abgases entsprechend der elektrischen Energiemenge einzustellen, die bei der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 44 erzeugt wird. Daher werden eine Verbesserung des Brennstoffnutzungsverhältnisses und eine Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz erreicht.
Ferner ist das Steuerventil 40 an dem Verzweigungsabschnitt des Rückführkanals 38 und des Brenn-Abgas-Kanals 30 vorgesehen, um die Strömungsrate des durch den Rückführkanal 38 fließenden Brenn-Abgases zu steuern/zu regeln. Daher wird es möglich, die Rückführung des Brenn-Abgases entsprechend der elektrischen Energiemenge, die bei der Stromerzeugung der Brennstoffzellen 44 erzeugt wird, fein zu justieren. Somit werden eine Verbesserung vom Kraftstoffnutzungsverhältnis und eine Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz erreicht.
Ferner ist das Brennstoffzellenmodul 10 ein Festoxid-Brennstoffzellenmodul. Daher ist das Brennstoffzellenmodul 10 optimal auf Hochtemperatur-Brennstoffzellen anwendbar, wie etwa SOFC.
7 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellenmoduls 90 gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bauelemente, die mit jenen des Brennstoffzellenmoduls 10 gemäß der ersten Ausführung identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
Das Brennstoffzellenmodul 90 hat einen Reformer 14a und einen Wasserstoff-Entschwefler 16a, und der Reformer 14a ist für den Brenngas-Zuführkanal 28 stromab des Wasserstoff-Entschweflers 16a vorgesehen.
In der zweiten Ausführung erhält man die gleichen Vorteile wie im Falle der ersten Ausführung.
Ein Brennstoffzellenmodul (10) enthält ein erstes Gehäuse (64), das einen Brennstoffzellenstapel (12) enthält, und ein zweites Gehäuse (66), das das erste Gehäuse (64), einen Abgasverbrenner (18) und einen Wärmetauscher (20) enthält. Der Abgasverbrenner (18) hat eine Verbrennungsgas-Abführöffnung (80), die sich zu einer Verbrennungsgaskammer (68) hin öffnet, die zwischen dem ersten Gehäuse (64) und dem zweiten Gehäuse (66) vorgesehen ist.

Claims

Brennstoffzellenmodul (10), welches aufweist: einen Brennstoffzellenstapel (12), der eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen (44) enthält, die konfiguriert sind, um durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas elektrische Energie zu erzeugen; ein erstes Gehäuse (64), das den Brennstoffzellenstapel (12) enthält; einen Abgasverbrenner (18), der konfiguriert ist, um das Brenngas, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) als Brenn-Abgas abgegeben wird, und das sauerstoffhaltige Gas, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) als sauerstoffhaltiges Abgas abgegeben wird, zu verbrennen, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen; einen Wärmetauscher (20), der konfiguriert ist, um eine Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas anzuheben und das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel (12) zuzuführen; einen Reformer (14), der konfiguriert ist, um hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthaltenden Rohbrennstoff zu reformieren, um das Brenngas zu erzeugen, das dem Brennstoffzellenstapel (12) zugeführt wird; und einen Wasserstoff-Entschwefler (16), der konfiguriert ist, um eine in dem Rohbrennstoff enthaltene Schwefelkomponente zu beseitigen, wobei das Brennstoffzellenmodul (10) ein zweites Gehäuse (66) enthält, das zumindest das erste Gehäuse (64), den Abgasverbrenner (18) und den Wärmetauscher (20) enthält; und der Abgasverbrenner (18) eine Verbrennungsgas-Abführöffnung (80) aufweist, die sich zu einer Verbrennungsgaskammer (68) öffnet, die zwischen dem ersten Gehäuse (64) und dem zweiten Gehäuse (66) ausgebildet ist, wobei der Reformer (14) und der Wasserstoff-Entschwefler (16) außerhalb und unterhalb des zweiten Gehäuses (66) vorgesehen sind.
Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, wobei der Abgasverbrenner (18) und der Wärmetauscher (20) unter dem ersten Gehäuse (64) vorgesehen sind; ein Verbrennungsgas-Abführdurchgang (70) an einer oberen Position des zweiten Gehäuses (66) ausgebildet ist und konfiguriert ist, um das durch die Verbrennungsgaskammer (68) fließende Verbrennungsgas abzuführen; und der Verbrennungsgas-Abführdurchgang (70) und die Verbrennungsgas-Abführöffnung (80) an über das erste Gehäuse (64) diagonalen Positionen vorgesehen sind.
Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, das ferner einen Brenngas-Zuführkanal (28) aufweist, der den Reformer (14) und den Wasserstoff-Entschwefler (16) aufweist, und konfiguriert ist, um das Brenngas dem Brennstoffzellenstapel (12) zuzuführen; wobei das Brenn-Abgas von dem Brennstoffzellenstapel (12) in einen Brenn-Abgas-Kanal (30) abgeführt wird, und ein Rückführkanal (38) mit dem Brenn-Abgas-Kanal (30) verbunden ist und konfiguriert ist, um einen Teil des Brenn-Abgases umzuwälzen, um zu einer Position des Brenngas-Zuführkanals (28) zurückzukehren, wobei die Position stromauf des Reformers (14) und des Wasserstoff-Entschweflers (16) vorgesehen ist.
Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 3, wobei ein Ejektor (42) an einem Vereinigungsabschnitt des Rückführkanals (38) und des Brenngas-Zuführkanals (28) vorgesehen ist und konfiguriert ist, um eine Strömungsrate des durch den Rückführkanal (38) fließenden Brenn-Abgases durch Unterdruck zu steuern/zu regeln, der von der Zufuhr des Rohbrennstoffs zu dem Reformer (14) oder dem Wasserstoff-Entschwefler (16) resultiert.
Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Steuerventil (40) an einem Verzweigungsabschnitt des Rückführkanals (38) und des Brenn-Abgas-Kanals (30) vorgesehen ist und konfiguriert ist, um eine Strömungsrate des durch den Rückführkanal (38) fließenden Brenn-Abgases zu steuern/zu regeln.
Das Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Brennstoffzellenmodul (10) ein Festoxid-Brennstoffzellenmodul ist.