DE102016203792A1 - Brennstoffzellenmodul - Google Patents

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Abstract

Eine Brennstoffzelleneinheit (12) eines Brennstoffzellenmoduls (10) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (16), einen Reformer (18), einen Verdampfer (20), eine Abgasbrennkammer (22), eine Anlaufbrennkammer (24) und einen Luftvorwärmer (26). Das Brennstoffzellenmodul (10) umfasst ferner einen Luftzufuhrkanal (38), einen ersten Brennstoffzufuhrkanal (40a), einen zweiten Brennstoffzufuhrkanal (40b), ein Umschaltventil (42) und einen Abgaskanal (48). Die Anlaufbrennkammer (24) und der Luftvorwärmer (26) sind in der genannten Reihenfolge in Richtung der stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung eines Verbrennungsabgases in dem Abgaskanal (48) angeordnet.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, umfassend einen Brennstoffzellenstapel, welcher durch Stapeln einer Mehrzahl an Brennstoffzellen zum Erzeugen elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases gebildet ist.
  • Beschreibung des Stands der Technik:
  • In der Regel nutzt eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) einen Festelektrolyten. Der Festelektrolyt ist ein Oxidionenleiter, wie zum Beispiel stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Der Festelektrolyt ist zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet, um eine Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (MEA) zu bilden. Die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung ist zwischen Separatoren (Bipolarplatten) sandwichartig angeordnet. Im Einsatz werden in der Regel vorbestimmte Anzahlen der Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen und der Separatoren zusammengesteckt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
  • Der Brennstoffzellenstapel ist zum Beispiel zusammen mit einem in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2012-219008 offenbarten Wärmeverarbeitungssystem in einem Brennstoffzellensystem integriert. Dieses Wärmeverarbeitungssystem umfasst einen Reformer, einen Evaporator, einen Wärmetauscher, eine Abgasbrennkammer und eine Anlaufbrennkammer. Zu dem Zeitpunkt des Betriebsbeginns des Systems werden Rohbrennstoff und Luft (sauerstoffhaltiges Gas) in der Anlaufbrennkammer verbrannt, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen, und das Verbrennungsgas wird verwendet, um den Brennstoffzellenstapel und andere Bauelemente zu erwärmen.
  • Dann wird durch den Erwärmungsvorgang der Anlaufbrennkammer die Verbrennung durch die Luft und das Brenngas in der Abgasbrennkammer gestartet, wenn die Temperatur in der Abgasbrennkammer die Selbstentzündungstemperatur des Brenngases überschreitet. Ferner verbrennt die Abgasbrennkammer das von dem Brennstoffzellenstapel als ein Brennstoffabgas abgeführte Brenngas und ein von dem Brennstoffzellenstapel als ein sauerstoffhaltiges Abgas abgeführtes sauerstoffhaltiges Gas, um dadurch ein Verbrennungsabgas zu erzeugen, wenn Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels beginnt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In dieser Hinsicht können umliegende Komponenten der Abgasbrennkammer übermäßig erhitzt werden, wenn die Heizdauer durch Verbrennung der Abgasbrennkammer lang wird. Daher werden die umliegenden Komponenten in manchen Fällen durch die Hitze beschädigt.
  • Die vorliegende Erfindung ist vorgenommen worden, um das Problem dieser Art zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellenmodul bereitzustellen, in welchem umliegende Komponenten nicht übermäßig erhitzt werden und es möglich ist, den Erwärmungsprozess effizient durchzuführen.
  • Ein Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Reformer, einen Verdampfer, eine Abgasbrennkammer, eine Anlaufbrennkammer und einen Luftvorwärmer. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzellen dazu eingerichtet sind, durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases elektrische Energie zu erzeugen. Der Reformer reformiert hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthaltenden Rohbrennstoff, um dadurch das Brenngas zu erzeugen, welches dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
  • Der Verdampfer verdampft Wasser und führt dem Reformer Wasserdampf zu. Die Abgasbrennkammer verbrennt das von dem Brennstoffzellenstapel als ein Brennstoffabgas abgeführte Brenngas sowie das von dem Brennstoffzellenstapel als ein sauerstoffhaltiges Abgas abgeführte sauerstoffhaltige Gas, um dadurch ein Verbrennungsabgas zu erzeugen. Die Anlaufbrennkammer verbrennt den Rohbrennstoff sowie das sauerstoffhaltige Gas, um dadurch ein Verbrennungsgas zu erzeugen. Der Luftvorwärmer erwärmt das sauerstoffhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit einem aus dem Verbrennungsgas und dem Verbrennungsabgas und führt das erwärmte sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel zu.
  • Das Brennstoffzellenmodul umfasst ferner einen Zufuhrkanal des sauerstoffhaltigen Gases, welcher dazu eingerichtet ist, das sauerstoffhaltige Gas dem Luftvorwärmer zuzuführen und anschließend das sauerstoffhaltige Gas von dem Luftvorwärmer an den Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Das Brennstoffzellenmodul umfasst ferner einen ersten Brennstoffzufuhrkanal, einen zweiten Brennstoffzufuhrkanal und eine Kanalumschalteinheit. Der erste Brennstoffzufuhrkanal führt den Rohbrennstoff der Anlaufbrennkammer zu. Der zweite Brennstoffzufuhrkanal führt den Rohbrennstoff dem Verdampfer zu und führt anschließend den Rohbrennstoff von dem Verdampfer an den Reformer zu. Die Kanalumschalteinheit weist eine Kanalumschaltstruktur auf, welche dazu eingerichtet ist, den Rohbrennstoff selektiv entweder dem ersten Brennstoffzufuhrkanal oder dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal zuzuführen.
  • Das Brennstoffzellenmodul umfasst ferner einen Reaktantabgaskanal und einen Abgaskanal. Der Reaktantabgaskanal führt das von dem Brennstoffzellenstapel abgeführte Brennstoffabgas und das von dem Brennstoffzellenstapel abgeführte sauerstoffhaltige Abgas der Abgasbrennkammer zu. Der Abgaskanal erstreckt sich von einem Verbrennungsabgasauslass der Abgasbrennkammer. Die Anlaufbrennkammer und der Luftvorwärmer sind in dem Abgaskanal in einer Reihenfolge von Anlaufbrennkammer und dann Luftvorwärmer in Richtung der stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases angeordnet.
  • In der vorliegenden Erfindung wird der Rohbrennstoff der Anlaufbrennkammer zugeführt, wenn der erste Brennstoffzufuhrkanal ausgewählt ist, und Verbrennungsgas wird erzeugt. Dieses Verbrennungsgas wird dem Luftvorwärmer zugeführt. Dagegen wird der Rohbrennstoff von dem Verdampfer an den Reformer zugeführt, wenn der zweite Brennstoffzufuhrkanal ausgewählt ist. Dann strömt der Rohbrennstoff in den Brennstoffzellenstapel und wird der Abgasbrennkammer zugeführt. Ferner wird der Rohbrennstoff der Anlaufbrennkammer zugeführt, um dadurch das Verbrennungsabgas zu erzeugen. Das Verbrennungsgas oder das von der Abgasbrennkammer erzeugte Verbrennungsabgas wird dem Luftvorwärmer zugeführt.
  • Daher kann das Verbrennungsgas dem Luftvorwärmer durch den Betrieb der Anlaufbrennkammer auch in dem Fall zugeführt werden, dass die Abgasbrennkammer nicht genutzt wird. Somit wird die Abgasbrennkammer nicht über einen langen Zeitraum verwendet und als ein Ergebnis ist es möglich, übermäßiges Erhitzen der umliegenden Komponenten zuverlässig zu unterbinden und den Heizprozess entsprechend effizient durchzuführen.
  • Ferner ist es möglich, den Rohbrennstoff ausschließlich dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal zuzuführen, wenn der Brennstoffzellenstapel eine hohe Temperatur aufweist. Daher ist es möglich, die Situation zu vermeiden, dass ausschließlich das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel eine hohe Temperatur aufweist. Folglich wird es durch das von dem Reformer zugeführte Brenngas (Reduktionsgas) möglich, Oxidation des Brennstoffzellenstapels zuverlässig zu unterbinden.
  • Obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt wird, offensichtlicher werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 ist eine Ansicht, welche schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein Flussdiagramm des Brennstoffzellenmoduls;
  • 3 ist ein Flussdiagramm zu dem Zeitpunkt des Betriebsbeginns des Brennstoffzellenmoduls; und
  • 4 ist ein Flussdiagramm während des Betriebs des Brennstoffzellenmoduls.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein Brennstoffzellenmodul 10 gemäß einer in 1 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einer stationären Anwendung eingesetzt werden. Zusätzlich kann das Brennstoffzellenmodul 10 in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Das Brennstoffzellenmodul 10 ist zum Beispiel an ein Fahrzeug montiert. Das Brennstoffzellenmodul 10 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 12. Die Brennstoffzelleneinheit 12 ist in einem Gehäuse 14 untergebracht.
  • Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst die Brennstoffzelleneinheit 12 einen Brennstoffzellenstapel 16, einen Reformer 18, einen Verdampfer 20, eine Abgasbrennkammer 22, eine Anlaufbrennkammer 24 und einen Luftvorwärmer 26. Die Brennstoffzelleneinheit 12 umfasst ferner ein Abgaskatalysatorheizgerät 28 und einen Abgaskatalysator 30. Ein Brennstoffvorwärmabschnitt 32 ist zum Erwärmen des Rohbrennstoffs, welcher dem Reformer 18 zuzuführen ist, auf eine vorbestimmte Temperatur an den Reformer 18 angrenzend bereitgestellt.
  • Der Brennstoffzellenstapel erzeugt elektrische Energie durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases (Gasgemisch aus einem Wasserstoffgas, Methan und Kohlenmonoxid) und des sauerstoffhaltigen Gases (Luft). Wie in 1 gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 16 eine Mehrzahl flach geformter Festoxid-Brennstoffzellen 34, welche in einer vertikalen, durch einen Pfeil A angezeigten Richtung oder einer horizontalen, durch einen Pfeil B angezeigten Richtung zusammengesteckt sind.
  • Die Brennstoffzelle 34 umfasst eine Elektrolyt-Elektroden-Anordnung (MEA). Die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung umfasst eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyten. Der Elektrolyt ist zum Beispiel aus einem Oxidionenleiter, wie zum Beispiel stabilisiertem Zirkoniumdioxid, gebildet. Die Elektrolyt-Elektroden-Anordnung ist zwischen einem Kathodenseparator und einem Anodenseparator sandwichartig angeordnet. Ein Strömungsfeld sauerstoffhaltigen Gases zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases an die Kathode ist an dem Kathodenseparator gebildet und ein Brenngasströmungsfeld zum Zuführen eines Brenngases an die Anode ist an dem Anodenseparator gebildet.
  • Der Reformer 18 ist im Wesentlichen in einer U-Form an den Brennstoffzellenstapel 16 angrenzend bereitgestellt. Die Abgasbrennkammer 22 ist in dem Reformer 18 bereitgestellt. Der Reformer 18 reformiert ein Gasgemisch aus einem hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthaltenden Rohbrennstoff (z. B. Stadtgas 13A) und Wasserdampf durch Dampfreformierung, um dadurch ein dem Brennstoffzellenstapel 16 zugeführtes Brenngas zu erzeugen.
  • Der Verdampfer 20 verdampft durch einen Wasserzufuhrkanal 35 zugeführtes Wasser und führt dem Reformer 18 Wasserdampf zu. Die Abgasbrennkammer 22 verbrennt das Brennstoffabgas als ein von dem Brennstoffzellenstapel 16 abgeführtes Brenngas und ein sauerstoffhaltiges Abgas als ein von dem Brennstoffzellenstapel 16 abgeführtes sauerstoffhaltiges Gas, um dadurch ein Verbrennungsabgas zu erzeugen.
  • Wie in 1 gezeigt, sind der Luftvorwärmer 26 und die Anlaufbrennkammer 24 in dem Reformer 18 an einer dem Brennstoffzellenstapel 16 entgegengesetzten Seite bereitgestellt. Der Verdampfer 20 ist auf den Luftvorwärmer 26 gesteckt. Die Anlaufbrennkammer 24 verbrennt den Rohbrennstoff und das sauerstoffhaltige Gas, um dadurch ein Verbrennungsgas zu erzeugen. Der Luftvorwärmer 26 erwärmt das sauerstoffhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit einem aus dem Verbrennungsgas und dem Verbrennungsabgas und führt das erwärmte sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel 16 zu.
  • Wie in 2 gezeigt, ist eine erste Glühkerze (Zündelement) 36a in der Abgasbrennkammer 22 bereitgestellt und eine zweite Glühkerze (Zündelement) 36b ist in der Anlaufbrennkammer 24 bereitgestellt. Die erste Glühkerze 36a entzündet das Gasgemisch aus dem Brennstoffabgas und dem sauerstoffhaltigen Abgas. Die zweite Glühkerze 36b entzündet das Gasgemisch aus dem Rohbrennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas.
  • Das Brennstoffzellenmodul 10 umfasst einen Luftzufuhrkanal (Zufuhrkanal des sauerstoffhaltigen Gases) 38, um das sauerstoffhaltige Gas dem Luftvorwärmer 26 zuzuführen und dann das sauerstoffhaltige Gas von dem Luftvorwärmer 26 an den Systemströmungskanal des sauerstoffhaltigen Gases (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 16 zuzuführen. Das Brennstoffzellenmodul 10 umfasst einen ersten Brennstoffzufuhrkanal 40a, einen zweiten Brennstoffzufuhrkanal 40b und ein Umschaltventil (Kanalumschalteinheit) 42.
  • Der erste Brennstoffzufuhrkanal 40a führt den Rohbrennstoff der Anlaufbrennkammer 24 zu. Der zweite Brennstoffzufuhrkanal 40b führt den Rohbrennstoff dem Verdampfer 20 zu und führt den Rohbrennstoff (und den Wasserdampf) dann durch den Brennstoffvorwärmabschnitt 32 von dem Verdampfer 20 an den Reformer 18 zu. Ein Brenngaszufuhrkanal 43 zum Zuführen des durch Dampfreformierung hergestellten Brenngases (reformiertes Gas) an einen Brenngaseinlass des Brennstoffzellenstapels 16 ist mit dem Reformer 18 verbunden.
  • Das Umschaltventil 42 weist eine Kanalumschaltstruktur zum selektiven Zuführen des Rohbrennstoffs an entweder den ersten Brennstoffzufuhrkanal 40a oder den zweiten Brennstoffzufuhrkanal 40b auf. Der erste Brennstoffzufuhrkanal 40a und der zweite Brennstoffzufuhrkanal 40b sind durch das Umschaltventil 42 mit einem Rohbrennstoffzufuhrkanal 44 verbunden.
  • Ein Brennstoffabgasauslass des Brennstoffzellenstapels 16 ist durch einen Brennstoffabgaskanal (Reaktantabgaskanal) 46a mit der Abgasbrennkammer 22 verbunden. Ein Auslass des sauerstoffhaltigen Abgases des Brennstoffzellenstapels 16 ist durch einen Kanal des sauerstoffhaltigen Abgases (Reaktantabgaskanal) 46b mit der Abgasbrennkammer 22 verbunden.
  • Ein Abgaskanal 48 erstreckt sich von dem Verbrennungsabgasauslass der Abgasbrennkammer 22. Das von der Abgasbrennkammer 22 erzeugte Verbrennungsabgas wird dem Reformer 18 und Bauelementen in den nachfolgenden Stufen in dem Abgaskanal 48 zugeführt. Ferner wird das von der Anlaufbrennkammer 24 erzeugte Verbrennungsgas dem Luftvorwärmer 26 und Bauelementen in den nachfolgenden Stufen in dem Abgaskanal 48 zugeführt.
  • Der Reformer 18, der Brennstoffvorwärmabschnitt 32, die Anlaufbrennkammer 24, der Luftvorwärmer 26, das Abgaskatalysatorheizgerät 28, der Abgaskatalysator 30 und der Verdampfer 20 sind in der genannten Reihenfolge in Richtung der stromabwärts gelegenen Seite in der Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases in dem Abgaskanal 48 angeordnet. Der Verdampfer 20 ist an dem stromabwärts gelegenen Ende (am weitesten stromabwärts gelegene Position) in der Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases in dem Abgaskanal 48 bereitgestellt.
  • Wie in 1 gezeigt, weist das Gehäuse 14 innerhalb wenigstens eines Oberflächenelements 14a einen Raum 50a auf, um eine Abwärmerückgewinnungseinheit 50 zu bilden. Wie in 2 gezeigt, ist die Abwärmerückgewinnungseinheit 50 mit dem Luftzufuhrkanal 38 und durch eine Lufteinlassleitung 52 mit einer Luftzufuhrquelle (nicht gezeigt) verbunden. Die Abwärmerückgewinnungseinheit 50 kann innerhalb zweier oder mehrerer Oberflächen der Oberflächenelemente (sechs Oberflächen) des Gehäuses 14 bereitgestellt sein.
  • Der Luftvorwärmer 26 und die Anlaufbrennkammer 24 sind aneinander angrenzend oder integral bereitgestellt. Der Reformer 18 und der Brennstoffvorwärmabschnitt 32 sind angrenzend an die oder integral mit der Abgasbrennkammer 22 bereitgestellt. Der Ausdruck „integral” bedeutet hierin zum Beispiel einen Zustand, in welchem ein Bauelement in das andere Bauelement integriert ist oder ein Bauelement und das andere Bauelement ohne Verwendung einer Leitung etc. direkt miteinander verbunden sind.
  • Wie in 1 gezeigt, ist das Gehäuse 14 mit wärmeisolierendem Granulatmaterial 54 gefüllt, um wenigstens zwischen dem Reformer 18, dem Verdampfer 20 und dem Luftvorwärmer 26 Wärmeübertragung zu unterbinden.
  • Der Betrieb dieses Brennstoffzellenmoduls 10 wird unten beschrieben.
  • Zu dem Zeitpunkt des Betriebsstarts des Brennstoffzellenmoduls 10 wird, wie in 3 gezeigt, die Luft durch die Lufteinlassleitung 52 in die Abwärmerückgewinnungseinheit 50 zugeführt und die Luft wird dem Luftvorwärmer 26 zugeführt. Dann wird die zweite Glühkerze 36b der Anlaufbrennkammer 24 eingeschaltet und das Abgaskatalysatorheizgerät 28 wird eingeschaltet.
  • Die dem Luftvorwärmer 26 zugeführte Luft wird durch das später beschriebene Verbrennungsgas von der Anlaufbrennkammer 24 erwärmt und strömt anschließend durch den Luftzufuhrkanal 38 zu dem Systemströmungskanal des sauerstoffhaltigen Gases des Brennstoffzellenstapels 16. Die Luft von dem Brennstoffzellenstapel 16 strömt durch den Abgaskanal des sauerstoffhaltigen Gases 46b zu der Abgasbrennkammer 22. Dann strömt die Luft durch den Reformer 18 sowie den Brennstoffvorwärmabschnitt 32 und die Luft wird der Anlaufbrennkammer 24 zugeführt.
  • Der Rohbrennstoff wird der Anlaufbrennkammer 24 zugeführt. Insbesondere wird der Rohbrennstoff, wie zum Beispiel das Stadtgas (enthaltend CH4, C2H6, C3H8, C4H10) wird durch einen Umschaltvorgang des Umschaltventils 42 von dem Rohbrennstoffzufuhrkanal 44 an den ersten Brennstoffzufuhrkanal 40a zugeführt.
  • Daher werden die Luft und der Rohbrennstoff der Anlaufbrennkammer 24 zugeführt und das Gasgemisch aus dem Rohbrennstoff und der Luft wird durch den Betrieb der zweiten Glühkerze 36b entzündet. Folglich wird die Verbrennung in der Anlaufbrennkammer 24 gestartet und das Verbrennungsgas wird erzeugt. Das Verbrennungsgas strömt entlang dem Abgaskanal 48. Das Verbrennungsgas wird dem Luftvorwärmer 26, dem Abgaskatalysatorheizgerät 28, dem Abgaskatalysator 30 und dem Verdampfer 20 in der genannten Reihenfolge zugeführt und die Erwärmung dieser Bauelemente wird gestartet.
  • Das von der Anlaufbrennkammer 24 zugeführte Verbrennungsgas wird in dem Luftvorwärmer 26 als eine Wärmequelle verwendet und die durch den Luftzufuhrkanal 38 zugeführte Luft wird erwärmt. Die erwärmte Luft wird dem Systemströmungskanal des sauerstoffhaltigen Gases des Brennstoffzellenstapels 16 zugeführt, um den Brennstoffzellenstapel 16 zu erwärmen.
  • Dann, wenn der Reformer 18 auf eine Temperatur erwärmt ist, bei welcher der Reformer 18 Dampfreformierung durchführen kann, wird der Rohbrennstoffzufuhrkanal 44 durch einen Umschaltvorgang des Umschaltventils 42 in Fluidverbindung mit dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal 40b gebracht. Somit wird der Rohbrennstoff von dem Rohbrennstoffzufuhrkanal 44 ausschließlich an den zweiten Brennstoffzufuhrkanal 40b zugeführt.
  • Wie in 4 gezeigt, wird dem Verdampfer 20 durch den Wasserzufuhrkanal 35 Wasser zugeführt. Daher wird der durch den zweiten Brennstoffzufuhrkanal 40b strömende Rohbrennstoff in dem Verdampfer 20 mit dem Wasserdampf gemischt. In diesem Zustand wird der Rohbrennstoff durch den Brennstoffvorwärmabschnitt 32 dem Reformer 18 zugeführt. In dem Reformer 18 wird Dampfreformierung des Rohbrennstoffs durchgeführt, wobei Kohlenwasserstoff aus C2+ entfernt (reformiert) wird und dann ein reformiertes Gas, welches hauptsächlich Methan enthält, erhalten wird. Das reformierte Gas strömt durch den Brenngaszufuhrkanal 43 und das reformierte Gas wird dem Systemströmungskanal des Brenngases des Brennstoffzellenstapels 16 zugeführt.
  • Die Luft, welche eine relativ hohe Temperatur aufweist, wird von dem Auslass des sauerstoffhaltigen Abgases des Brennstoffzellenstapels 16 durch den Kanal des sauerstoffhaltigen Abgases 46b an die Abgasbrennkammer 22 zugeführt. In der Zwischenzeit wird das Brenngas, welches eine relativ hohe Temperatur aufweist, von dem Brennstoffabgasauslass des Brennstoffzellenstapels 16 durch den Brennstoffabgaskanal 46a an die Abgasbrennkammer zugeführt.
  • Die heiße Luft und das heiße Brenngas werden von dem Reformer 18 und dem Brennstoffvorwärmabschnitt durch den Abgaskanal 48 an die Anlaufbrennkammer 24 zugeführt und das Verbrennungsgas wird erzeugt. Das Verbrennungsgas strömt entlang dem Abgaskanal 48. Das Verbrennungsgas wird dem Luftvorwärmer 26, dem Abgaskatalysatorheizgerät 28, dem Abgaskatalysator 30 und dem Verdampfer in der genannten Reihenfolge zugeführt und diese Bauelemente werden erwärmt.
  • Der Brennstoffzellenstapel 16 wird erwärmt und wenn dieser Brennstoffzellenstapel 16 auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher der Brennstoffzellenstapel 16 Energieerzeugung durchführen kann, wird der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 16 gestartet. In jeder der Brennstoffzellen 34 des Brennstoffzellenstapels 16 wird Energieerzeugung durch chemische Reaktionen des Brenngases und der Luft durchgeführt. Das von dem Brennstoffzellenstapel 16 durch eine Energieerzeugungsreaktion als das Brennstoffabgas abgeführte Brenngas wird in den Brennstoffabgaskanal 46a abgeführt. Gleichermaßen wird das von dem Brennstoffzellenstapel 16 durch eine Energieerzeugungsreaktion als das sauerstoffhaltige Abgas abgeführte sauerstoffhaltige Gas in den Kanal des sauerstoffhaltigen Abgases 46b abgeführt.
  • Das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas strömen in die Abgasbrennkammer 22. Somit werden das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas in der Abgasbrennkammer 22 gemischt und verbrannt, um dadurch das Verbrennungsabgas zu erzeugen. Dieses Verbrennungsabgas strömt entlang dem Abgaskanal 48. Das Verbrennungsgas wird dem Reformer 18, dem Brennstoffvorwärmabschnitt 32, der Anlaufbrennkammer 24, dem Luftvorwärmer 26, dem Abgaskatalysatorheizgerät 28, dem Abgaskatalysator 30 und dem Verdampfer 20 in der genannten Reihenfolge zugeführt und diese Bauelemente werden erwärmt. Es ist anzumerken, dass die erste Glückkerze 36a der Abgasbrennkammer 22 wenn notwendig eingeschaltet wird und es ist nicht notwendig, die erste Glückkerze 36a einzuschalten, wenn das Brennstoffabgas und das sauerstoffhaltige Abgas selbstentzündet werden.
  • In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wie in 3 gezeigt, der Rohbrennstoff der Anlaufbrennkammer 24 zugeführt, wenn der erste Brennstoffzufuhrkanal 40a ausgewählt ist, und das Verbrennungsgas wird erzeugt. Dieses Verbrennungsgas wird dem Luftvorwärmer 26 zugeführt.
  • Andererseits wird, wie in 4 gezeigt, der Rohbrennstoff von dem Verdampfer 20 an den Reformer 18 zugeführt, wenn der zweite Brennstoffzufuhrkanal 40b ausgewählt ist, und Dampfreformierung wird in dem Reformer 18 durchgeführt. Danach strömt der Rohbrennstoff als das Brenngas in den Brennstoffzellenstapel 16 und der Rohbrennstoff wird der Abgasbrennkammer 22 zugeführt. Ferner wird das Brenngas der Anlaufbrennkammer 24 zugeführt und die dem Brennstoffzellenstapel 16 durch den Luftzufuhrkanal 38 zugeführte Luft wird der Anlaufbrennkammer 24 durch den Abgaskanal 48 zugeführt. Somit liegt in der Anlaufbrennkammer 24 ein Gasgemisch aus dem Brenngas und der Luft vor und das Gasgemisch wird entzündet, um das Verbrennungsgas zu erzeugen. Dieses Verbrennungsgas wird dem Luftvorwärmer 26 zugeführt.
  • Daher kann das Verbrennungsgas auch in dem Fall, in welchem die Abgasbrennkammer 22 nicht verwendet wird, dem Luftvorwärmer 26 durch Betrieb der Anlaufbrennkammer 24 zugeführt werden. Somit wird die Abgasbrennkammer 22 nicht über einen langen Zeitraum verwendet und demzufolge ist es möglich, übermäßiges Erhitzen der umliegenden Komponenten zuverlässig zu unterbinden und den Heizprozess entsprechend effizient durchzuführen.
  • Ferner ist es möglich, den Rohbrennstoff ausschließlich dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal 40b zuzuführen, wenn der Brennstoffzellenstapel 16 eine hohe Temperatur aufweist. Daher ist es möglich, die Situation zu vermeiden, dass ausschließlich das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel 16 zugeführt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 16 eine hohe Temperatur aufweist. Folglich wird es durch das von dem Reformer 18 zugeführte Brenngas (Reduktionsgas) möglich, Oxidation des Brennstoffzellenstapels 16 zuverlässig zu unterbinden.
  • Ferner sind der Luftvorwärmer 26 und die Anlaufbrennkammer 24 in dem Brennstoffzellenmodul 10 aneinander angrenzend oder integral bereitgestellt. Das in der Anlaufbrennkammer 24 erzeugte Verbrennungsgas oder das in der Abgasbrennkammer 22 erzeugte und dann der Anlaufbrennkammer 24 zugeführte Verbrennungsabgas kann in dem Aufbau dem Luftvorwärmer 26 effizient zugeführt werden.
  • Ferner ist der Verdampfer 20 in dem Abgaskanal 48 des Brennstoffzellenmoduls 10 an dem stromabwärts gelegenen Ende (am weitesten stromabwärts gelegene Position) in der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases bereitgestellt. Daher können das Verbrennungsgas und das durch den Abgaskanal 48 strömende Verbrennungsabgas ohne Verlust genutzt werden.
  • Darüber hinaus ist der Brennstoffvorwärmabschnitt 32 zwischen dem Verdampfer 20 und dem Reformer 18 in dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal 40b bereitgestellt. Der Brennstoffvorwärmabschnitt 32 erwärmt den dem Reformer 18 zugeführten Rohbrennstoff im Voraus auf eine vorbestimmte Temperatur. Demzufolge findet eine Reformierungsreaktion effizient statt und eine Verbesserung der Energieerzeugungseffizienz wird einfach erreicht.
  • Ferner sind der Reformer 18 und der Brennstoffvorwärmabschnitt 32 angrenzend an die oder integral mit der Abgasbrennkammer 22 bereitgestellt. Daher findet die Reformierungsreaktion in dem Reformer 18 effizient und schnell statt und der Erwärmungsprozess des Rohbrennstoffs in dem Brennstoffvorwärmabschnitt 32 kann effizient und schnell durchgeführt werden.
  • Ferner ist das Gehäuse 14 des Brennstoffzellenmoduls 10, wie in 1 gezeigt, mit wärmeisolierendem Granulatmaterial 54 gefüllt, um Wärmeübertragung zwischen wenigstens dem Reformer 18, dem Verdampfer 20 und dem Luftvorwärmer 26 zu unterbinden. Daher ist es möglich, Wärmeübertragung zwischen den umliegenden Komponenten zu unterbinden und einen unerwarteten Mangel oder Überschuss an Wärme zu unterbinden.
  • Darüber hinaus ist die Abwärmerückgewinnungseinheit 50 in dem Gehäuse 14 bereitgestellt und die Abwärmerückgewinnungseinheit 50, der Luftvorwärmer 26 und dann der Brennstoffzellenstapel 16 sind in Reihe in der genannten Reihenfolge in Richtung der stromabwärts gelegenen Seite in der Strömungsrichtung des sauerstoffhaltigen Gases mit dem Luftzufuhrkanal 38 verbunden. Daher kann von dem Brennstoffzellenmodul zehn abgeführte Abwärme als eine Energie zum Erwärmen des sauerstoffhaltigen Gases verwendet werden, bevor das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel 16 zugeführt wird und ein sich thermisch selbsterhaltender Betrieb kann erleichtert werden. Der Ausdruck „sich thermisch selbsterhaltender Betrieb” bedeutet hierin einen Betrieb, in welchem die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 34 unter Verwendung ausschließlich von in der Brennstoffzelle 34 selbst erzeugter Wärmeenergie ohne zuvor zusätzlicher Wärme von dem Äußeren beibehalten wird.
  • Eine Brennstoffzelleneinheit (12) eines Brennstoffzellenmoduls (10) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (16), einen Reformer (18), einen Verdampfer (20), eine Abgasbrennkammer (22), eine Anlaufbrennkammer (24) und einen Luftvorwärmer (26). Das Brennstoffzellenmodul (10) umfasst ferner einen Luftzufuhrkanal (38), einen ersten Brennstoffzufuhrkanal (40a), einen zweiten Brennstoffzufuhrkanal (40b), ein Umschaltventil (42) und einen Abgaskanal (48). Die Anlaufbrennkammer (24) und der Luftvorwärmer (26) sind in der genannten Reihenfolge in Richtung der stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung eines Verbrennungsabgases in dem Abgaskanal (48) angeordnet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2012-219008 [0003]

Claims (7)

  1. Brennstoffzellenmodul (10), umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (16), umfassend eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzellen (34), wobei die Brennstoffzellen dazu eingerichtet sind, durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases elektrische Energie zu erzeugen; einen Reformer (18), welcher dazu eingerichtet ist, hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthaltenden Rohbrennstoff zu reformieren, um dadurch das Brenngas zu erzeugen, welches dem Brennstoffzellenstapel (16) zugeführt wird; einen Verdampfer (20), welcher dazu eingerichtet ist, Wasser zu verdampfen und dem Reformer (18) Wasserdampf zuzuführen; eine Abgasbrennkammer (22), welche dazu eingerichtet ist, das von dem Brennstoffzellenstapel (16) als ein Brennstoffabgas abgeführte Brenngas sowie das von dem Brennstoffzellenstapel (16) als ein sauerstoffhaltiges Abgas abgeführte sauerstoffhaltige Gas zu verbrennen, um dadurch ein Verbrennungsabgas zu erzeugen; eine Anlaufbrennkammer (24), welche dazu eingerichtet ist, den Rohbrennstoff sowie das sauerstoffhaltige Gas zu verbrennen, um dadurch ein Verbrennungsgas zu erzeugen; und einen Luftvorwärmer (26), welcher dazu eingerichtet ist, das sauerstoffhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit einem aus dem Verbrennungsgas und dem Verbrennungsabgas zu erwärmen und das erwärmte sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel (16) zuzuführen, wobei das Brennstoffzellenmodul (10) ferner umfasst: einen Zufuhrkanal des sauerstoffhaltigen Gases (38), welcher dazu eingerichtet ist, das sauerstoffhaltige Gas dem Luftvorwärmer (26) zuzuführen und anschließend das sauerstoffhaltige Gas von dem Luftvorwärmer (26) an den Brennstoffzellenstapel (16) zuzuführen; einen ersten Brennstoffzufuhrkanal (40a), welcher dazu eingerichtet ist, den Rohbrennstoff der Anlaufbrennkammer (24) zuzuführen; einen zweiten Brennstoffzufuhrkanal (40b), welcher dazu eingerichtet ist, den Rohbrennstoff dem Verdampfer (20) zuzuführen und anschließend den Rohbrennstoff von dem Verdampfer (20) an den Reformer (18) zuzuführen; eine Kanalumschalteinheit (42), welche dazu eingerichtet ist, den Rohbrennstoff entweder dem ersten Brennstoffzufuhrkanal (40a) oder dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal (40b) zuzuführen; einen Reaktantabgaskanal (46a), welcher dazu eingerichtet ist, das von dem Brennstoffzellenstapel (16) abgeführte Brennstoffabgas und das von dem Brennstoffzellenstapel (16) abgeführte sauerstoffhaltige Abgas der Abgasbrennkammer (22) zuzuführen; und einen Abgaskanal (48), welcher sich von einem Verbrennungsabgasauslass der Abgasbrennkammer (22) erstreckt, wobei die Anlaufbrennkammer (24) und der Luftvorwärmer (26) in dem Abgaskanal (48) in einer Reihenfolge von Anlaufbrennkammer (24) und dann Luftvorwärmer (26) in Richtung der stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases angeordnet sind.
  2. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, wobei der Luftvorwärmer (26) und die Anlaufbrennkammer (24) aneinander angrenzend oder integral zueinander bereitgestellt sind.
  3. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verdampfer (20) an einer am weitesten stromabwärts gelegenen Position in einer Strömungsrichtung des Verbrennungsgases in dem Abgaskanal (48) bereitgestellt ist.
  4. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Brennstoffvorwärmabschnitt (32) zwischen dem Verdampfer (20) und dem Reformer (18) in dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal (40b) bereitgestellt ist, wobei der Brennstoffvorwärmabschnitt (32) dazu eingerichtet ist, den Rohbrennstoff, welcher dem Reformer (18) zuzuführen ist, im Voraus auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen.
  5. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 4, wobei der Reformer (18) und der Brennstoffvorwärmabschnitt (32) angrenzend an die oder integral mit der Abgasbrennkammer (22) bereitgestellt sind.
  6. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Brennstoffzellenmodul (10) mit wärmeisolierendem Granulatmaterial (54) gefüllt ist, welches dazu eingerichtet ist, Wärmeübertragung zwischen wenigstens dem Reformer (18), dem Verdampfer (20) und dem Luftvorwärmer (26) zu unterbinden.
  7. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Abwärmerückgewinnungseinheit (50) um das Brennstoffzellenmodul (10) herum bereitgestellt ist; und die Abwärmerückgewinnungseinheit (50), der Luftvorwärmer (26) und der Brennstoffzellenstapel (16) in dem Zufuhrkanal des sauerstoffhaltigen Gases (38) in einer Reihenfolge von Abwärmerückgewinnungseinheit (50), Luftvorwärmer (26) und dann Brennstoffzellenstapel (16) in Richtung der stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung des sauerstoffhaltigen Gases verbunden sind.
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