DE102016206157B4

DE102016206157B4 - Brennstoffzellenmodul

Info

Publication number: DE102016206157B4
Application number: DE102016206157.7A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Ichikawa; Tetsuya Ogawa; Yuki Yoshimine
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2036-04-14
Also published as: JP6093392B2; JP2016207342A; DE102016206157A1

Abstract

Brennstoffzellenmodul (10), welches aufweist:einen Brennstoffzellenstapel (12), der eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (26) enthält, um durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas elektrische Energie zu erzeugen;einen Reformer (14) zum Reformieren von hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthaltendem Rohbrennstoff, um hierdurch Brenngas zu erzeugen, das dem Brennstoffzellenstapel (12) zugeführt wird;einen Verdampfer (16) zum Verdampfen von Wasser und Zuführen des Wasserdampfs zum Reformer (14);einen Abgasverbrenner (18) zum Verbrennen des Brenngases, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) als Brenngas abgegeben wird, und eines sauerstoffhaltigen Gases, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) als sauerstoffhaltiges Abgas abgegeben wird, um hierdurch ein Verbrennungsabgas zu erzeugen;einen Startverbrenner (20) zum Verbrennen des Rohbrennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases, um hierdurch ein Verbrennungsgas zu erzeugen;eine Luftvorheizung (22) zum Heizen des sauerstoffhaltigen Gases durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas und/oder dem Verbrennungsabgas, und Zuführen des erhitzten sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel (12); undein Gehäuse (24), in dem der Brennstoffzellenstapel (12), der Reformer (14), der Verdampfer (16), der Abgasverbrenner (18), der Startverbrenner (20) und die Luftvorheizung (22) aufgenommen sind; wobeidas Gehäuse (24) aus einer Mehrzahl von Platten (24a bis 24e) gebildet ist;zumindest eine (24a) der Platten (24a bis 24e) einen Innenraum (32) aufweist, in dem das sauerstoffhaltige Gas fließen kann, bevor das sauerstoffhaltige Gas in die Luftvorheizung (22) fließt;ein Innenraum des Gehäuses (24) mit einem granulären Wärmeisoliermaterial (42) gefüllt ist; undeine Außenseite des Gehäuses (24) von einem blockförmigen Wärmeisoliermaterial (44) abgedeckt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul in einem Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von Brennstoffzellen enthält, um durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen 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 einer Anode und einer Kathode eingefügt, um eine Elektrolyt-Elektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die Elektrolyt-Elektrodenanordnung ist zwischen Separatoren (Bipolarplatten) geschichtet. Zum Gebrauch wird allgemein eine vorbestimmte Anzahl von Elektrolyt-Elektrodenanordnungen und Separatoren zusammengestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
In bestimmten Fällen kann der Brennstoffzellenstapel zusammen mit peripheren Vorrichtungen (Hilfsvorrichtungen) in einem Gehäuse angeordnet werden. In dieser Hinsicht arbeitet die SOFC, im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen, bei relativ hohen Temperaturen. Daher ist es erforderlich, innerhalb des Gehäuses die Temperatur hoch zu halten. Hierzu sind Versuche gemacht worden, innerhalb des Gehäuses eine Wärmeisolierstruktur vorzusehen.
Zum Beispiel ist eine Wärmeisolierstruktur in der JP 2008-016264 A bekannt. Bei dieser Wärmeisolierstruktur sind innerhalb des Gehäuses, von der Außenseite zur Innenseite eines Ofens, ein erstes Wärmeisoliermaterial, ein zweites Wärmeisoliermaterial und ein drittes Wärmeisoliermaterial vorgesehen.
Ferner ist aus der JP 2013-082603 A ein Wasserstoffgenerator bekannt. Ein solcher Wasserstoffgenerator enthält einen Reaktor mit einem Reformerabschnitt zum Reformieren von Kohlenwasserstoffe enthaltendem Brennstoff, um hierdurch ein reformiertes Gas zu erzeugen, das hauptsächlich Wasserstoff enthält. Der Reaktor ist in einem Außenbehälter aufgenommen. Ein Zwischenraum zwischen dem Außenbehälter und dem Reaktor ist mit granulärem Wärmeisoliermaterial gefüllt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In der JP 2008-016264 A werden das erste Wärmeisoliermaterial, das zweite Wärmeisoliermaterial und das dritte Wärmeisoliermaterial in der Form von Blöcken verwendet. Jedoch haben in den meisten Fällen der Brennstoffzellenstapel und die peripheren Vorrichtung komplizierte Formen. Daher könnte es nicht möglich sein, zuverlässig eine Wärmeisolierung bereitzustellen, die den Formen des Brennstoffzellenstapels und der peripheren Vorrichtungen entspricht. In diesem Fall wird der Wärmeisoliereffekt schlechter. Ferner tritt tendenziell eine Wärmeübertragung zwischen den peripheren Vorrichtungen auf, und es könnte ein unerwarteter Wärmemangel oder -überschuss auftreten.
Ferner ist in der obigen JP 2013-082603 A der Zwischenraum zwischen dem Außenbehälter und dem Reaktorbehälter nur mit dem granulären Wärmeisoliermaterial gefüllt. Daher kommt es leicht zu einer Wärmeabstrahlung von dem Außenbehälter, wodurch der Wärmeisoliereffekt schlechter wird.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die vorgenannten Probleme auf diese Art zu lösen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenmodul mit einer kompakten und wirtschaftlichen Struktur anzugeben, worin Wärmeabstrahlung vermieden wird, und mit der auf geeignete Weise eine Verbesserung in der Wärmeisolierwirkung erreicht wird.
Ein Brennstoffzellenmodul gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen Brennstoffzellenstapel, einen Reformer, einen Verdampfer, einen Abgasverbrenner, einen Startverbrenner, eine Luftvorheizung, und ein Gehäuse, in dem der Brennstoffzellenstapel, der Reformer, der Verdampfer, der Abgasverbrenner, der Startverbrenner und die Luftvorheizung aufgenommen sind. Der Brennstoffzellenstapel enthält eine Mehrzahl von Brennstoffzellen zum Erzeugen von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas. Der Reformer reformiert hauptsächlich Kohlenwasserstoffe enthaltenden Rohbrennstoff, um hierdurch das Brenngas zu erzeugen, das dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
Der Verdampfer verdampft Wasser und führt den Wasserdampf dem Reformer zu. Der Abgasverbrenner verbrennt das Brenngas, das in dem Brennstoffzellenstapel als Brennabgas abgegeben wird, sowie ein sauerstoffhaltiges Gas, das von dem Brennstoffzellenstapel als sauerstoffhaltiges Abgas abgegeben wird, um hierdurch ein Verbrennungsabgas zu erzeugen. Der Startverbrenner verbrennt den Rohbrennstoff und das sauerstoffhaltige Gas, um hierdurch ein Verbrennungsgas zu erzeugen. Die Luftvorheizung heizt das sauerstoffhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas und/oder dem Verbrennungsabgas, und führt das erhitzte sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel zu.
Das Gehäuse ist aus einer Mehrzahl von Platten gebildet. Zumindest eine der Platten hat einen Innenraum, in dem das sauerstoffhaltige Gas fließen kann, bevor das sauerstoffhaltige Gas in die Luftvorheizung fließt. Der Innenraum des Gehäuses ist mit granulärem Wärmeisoliermaterial gefüllt, und die Außenseite des Gehäuses ist von einem blockförmigen Wärmeisoliermaterial abgedeckt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Innenseite des Gehäuses mit dem granulären Wärmeisoliermaterial gefüllt, und der Innenraum, der als Durchgang für das sauerstoffhaltige Gas dient, ist in zumindest einer der Platten des Gehäuses ausgebildet. Ferner ist die Außenseite des Gehäuses von dem blockförmigen Wärmeisoliermaterial abgedeckt. In einer solchen Struktur wird eine externe Wärmeabstrahlung von dem Brennstoffzellenmodul zur Außenseite des Gehäuses so weit wie möglich unterdrückt, und es kann eine Verbesserung im thermischen Wirkungsgrad leicht erreicht werden.
Ferner wird es wegen des Wärmeisoliereffekts des granulären Wärmeisoliermaterials und des Innenraums möglich, die Menge des blockförmigen Wärmeisoliermaterials zu reduzieren, das an der äußersten Position verwendet wird, und es kann auf leichte Weise eine Reduktion der Gesamtgröße des Brennstoffzellenmoduls erreicht werden. Weil darüber hinaus das blockförmige Wärmeisoliermaterial, das ein schwierig zu bearbeitendes Material ist, außerhalb des Gehäuses vorgesehen ist, wird die Form des blockförmigen Wärmeisoliermaterials vereinfacht und auf leichte Weise eine Reduktion der Verarbeitungskosten erreicht.
Ferner kann das Brennstoffzellenmodul, im Hinblick auf die komplizierte Form des Brennstoffzellenmoduls, zuverlässig mit dem granulären Wärmeisoliermaterial gefüllt werden. Daher wird eine Verbesserung im Wärmeisoliereffekt erreicht, wird eine Wärmeübertragung zwischen den peripheren Vorrichtungen unterdrückt, und wird es möglich, einen unerwarteten Wärmemangel oder -überschuss zu vermeiden. Weil darüber hinaus das sauerstoffhaltige Gas durch den Innenraum fließt, bevor es in die Luftvorheizung fließt, wird es möglich, das sauerstoffhaltige Gas durch Abwärme von dem Brennstoffzellenmodul zu erwärmen, wodurch eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrad erreicht wird.
Somit ist es mit einer kompakten und wirtschaftlichen Struktur möglich, Wärmeabstrahlung zu vermeiden, und kann ferner die Wärmeisolierwirkung geeignet verbessert werden.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnung näher ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführung der Erfindung anhand eines Illustrationsbeispiels gezeigt ist.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine Struktur eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch eine Perspektivansicht des Brennstoffzellenmoduls;
3 zeigt in Perspektivansicht einen Querschnitt des Brennstoffzellenmoduls in einem Zustand, in dem Hauptkomponenten des Brennstoffzellenmoduls vergrößert sind; und
4 zeigt in einer Querschnittsseitenansicht Hauptkomponenten des in 3 gezeigten Brennstoffzellenmoduls.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Wie in 1 gezeigt, kann ein Brennstoffzellenmodul 10 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer stationären Anwendung benutzt werden. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellenmodul 10 auch in verschiedenen anderen Anwendungen benutzt werden. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellenmodul 10 in einem Fahrzeug angebracht sein. Das Brennstoffzellenmodul 10 enthält einen Brennstoffzellenstapel 12, einen Reformer 14, einen Verdampfer 16, einen Abgasverbrenner 18, einen Startverbrenner 20 und eine Luftvorheizung 22. Der Brennstoffzellenstapel 12, der Reformer 14, der Verdampfer 16, der Abgasverbrenner 18, der Startverbrenner 20 und die Luftvorheizung 22 sind innerhalb eines Gehäuses 24 angeordnet.
Der Brennstoffzellenstapel 12 ist in einer oberen Position im Gehäuse 24 vorgesehen, wohingegen der Reformer 14, der Verdampfer 16, der Abgasverbrenner 18, der Startverbrenner 20 und die Luftvorheizung 22 in unteren Positionen in dem Gehäuse 24 vorgesehen sind.
Der Brennstoffzellenstapel 12 enthält eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 26 zum Erzeugen von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brenngas (Gas, das durch Vermischen von Wasserstoffgas mit Methan und Kohlenmonoxid erhalten wird) und einem sauerstoffhaltigen Gas (Luft). Jede der Brennstoffzellen 26 ist eine Festoxid-Brennstoffzelle mit einer flachen plattenartigen Gestalt. Die Brennstoffzellen 26 sind in vertikaler Richtung gemäß Pfeil A oder in horizontaler Richtung gemäß Pfeil B gestapelt.
Die Brennstoffzelle 26 enthält eine Elektrolytelektrodenanordnung (MEA). Die Elektrolytelektrodenanordnung enthält eine Anode, eine Kathode, sowie einen zwischen die Anode und die Kathode eingefügten Elektrolyten. Der Elektrolyt ist ein Oxidionenleiter, der z.B. aus stabilisiertem Zirkoniumoxid hergestellt ist. Die Elektrolytelektrodenanordnung ist an beiden Seiten zwischen einem Kathodenseparator und einem Anodenseparator geschichtet. Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas zur Kathode ist auf dem Kathodenseparator ausgebildet, und ein Brenngasfließfeld zum Zuführen von Brenngas zur Anode ist auf dem Anodenseparator ausgebildet.
Der Brennstoffzellenstapel 12 enthält Elektrodenstangen 28a, 28b, die an beiden Enden der Brennstoffzellen 26 in der Stapelrichtung angeordnet sind. Die Elektrodenstangen 28a, 28b erstrecken sich von Seitenabschnitten des Brennstoffzellenstapels 12 gemäß Pfeil B nach außen, und Vorderenden der Elektrodenstangen 28a, 28b liegen zur Außenseite des Gehäuses 24 frei.
Der Reformer 14 ist im Wesentlichen U-förmig und ist benachbart dem Brennstoffzellenstapel 12 angeordnet. Ein Abgasverbrenner 18 ist innerhalb des Reformers 14 vorgesehen. Der Reformer 14 reformiert ein Mischgas, das aus hauptsächlich Kohlenwasserstoffe enthaltendem Rohbrennstoff, (z.B. Stadtgas) und Wasserdampf dargestellt ist, durch einen Dampfreformierprozess, um ein Brenngas zu erzeugen, das dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird.
Der Verdampfer 16 verdampft Wasser, und führt den erzeugten Wasserdampf dem Reformer 14 zu. Der Abgasverbrenner 18 verbrennt das vom Brennstoffzellenstapel 12 abgegebene Brenngas als Brennabgas, und das vom Brennstoffzellenstapel 12 angegebene sauerstoffhaltige Gas als sauerstoffhaltiges Abgas, um ein Verbrennungsabgas zu erzeugen.
In dem Reformer 14 sind ein Startverbrenner 20 und eine Luftvorheizung 22 an einer vom Brennstoffzellenstapel 12 entgegengesetzten Seite vorgesehen. Die Luftvorheizung 22 ist auf den Verdampfer 16 gestapelt. Der Startverbrenner 20 verbrennt den Rohbrennstoff und das sauerstoffhaltige Gas zur Erzeugung eines Verbrennungsgases. Die Luftvorheizung 22 heizt das sauerstoffhaltige Gas durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas und/oder dem Verbrennungsabgas und führt das erhitzte sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel 12 zu.
Eine erste Glühkerze (Zündelement) 30a ist in dem Abgasverbrenner 18 vorgesehen, und eine zweite Glühkerze (Zündelement) 30b ist in dem Startverbrenner 20 vorgesehen. Die erste Glühkerze 30a zündet ein Mischgas, das aus dem Brennabgas und dem sauerstoffhaltigen Abgas gebildet ist. Die zweite Glühkerze 30b zündet das Mischgas, das aus dem Rohbrennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas gebildet ist.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist das Gehäuse 24 aus einer Mehrzahl von z.B. sechs Platten 24a bis 24f gebildet. Die Platte 24f ist eine Deckplatte. In den anderen Platten 24a bis 24e ist ein Innenraum 32 definiert, durch den das sauerstoffhaltige Gas fließen kann, bevor das sauerstoffhaltige Gas in die Luftvorheizung 22 fließt. Ein Lufteinlassrohr 33 ist in einer oberen Position der Platte 24a vorgesehen, um das sauerstoffhaltige Gas (Luft) in den Innenraum 32 zu leiten. Es sollte angemerkt werden, dass der Innenraum 32 innerhalb von einer oder mehreren der sechs Platten, welche das Gehäuse 24 bilden, vorgesehen sein kann.
Jede der Platten 24a bis 24e enthält einen inneren Plattenabschnitt 34a und einen äußeren Plattenabschnitt 34b, die den Innenraum 32 bilden. In der Platte 24a sind der innere Plattenabschnitt 34a und der äußere Plattenabschnitt 34b in engem Kontakt miteinander angeordnet, um dünne Verschlussabschnitte 36a, 36b zu bilden (siehe 2).
Wie in den 2 und 3 gezeigt, hat der Verschlussabschnitt 36a einen im Wesentlichen seitlich langgestreckte rechteckige Gestalt, und der Verschlussabschnitt 36a enthält ein Durchgangsloch 38a mit einer seitlich langgestreckten rechteckigen Gestalt. Wie in den 3 und 4 gezeigt, ist die Elektrodenstange 28a in das Durchgangsloch 38a eingesetzt, und ist die Elektrodenstange 28a auf einer Durchgangsloch-Innenwandoberfläche 38af des Durchgangslochs 38a in einem kontaktfreien Zustand angeordnet, d.h. in einem Zustand, in dem die Elektrodenstange 28a mit der Durchgangsloch-Innenwandoberfläche 38af nicht in Kontakt kommt. In dem Zustand, in dem die Elektrodenstange 28a in das Durchgangsloch 38a eingesetzt ist, sind Lücken S1 und S2 zwischen der Durchgangsloch-Innenwandoberfläche 38af und der Elektrodenstange 28a in jeweils aufwärtiger und abwärtiger Richtung ausgebildet (siehe 4).
Wenn der Brennstoffzellenstapel 12 mit hohen Temperaturen betrieben wird, sind, da sich der Brennstoffzellenstapel 12 infolge der Hitzung vertikal ausdehnt, die Lücken S1 und S2 so ausgestaltet, dass sie einen Kontakt zwischen der Elektrodenstange 28a, die sich aufgrund der Wärmeausdehnung auf- und abbewegt, und der Durchgangsloch-Innenwandoberfläche 38af vermeiden.
Eine Isolierplatte, wie etwa eine Mica-Platte 40a, ist in der Platte 24a (in dem Gehäuse 24) an einer Position innerhalb des Durchgangslochs 38a vorgesehen. Die Mica-Platte 40a hat eine seitlich langgestreckte rechteckige Gestalt. Das Plattenseiten-Durchgangsloch 40ah ist an der Mitte der Mica-Platte 40a ausgebildet. Das Plattenseiten-Durchgangsloch 40ah ist ein seitlich langgestrecktes schlitzartiges Durchgangsloch. Die Elektrodenstange 28a ist in das Plattenseiten-Durchgangsloch 40ah eingesetzt. Die Elektrodenstange 28a ist in engem Kontakt mit dem Plattenseiten-Durchgangsloch 40ah angeordnet, derart, dass die Elektrodenstange 28a in Richtung des Pfeils B, in der sich die Elektrodenstange 28a erstreckt, bewegbar ist. Wie in 4 gezeigt, ist in einem Zustand, in dem die Elektrodenstange 28a in das Plattenseiten-Durchgangsloch 40ah der Mica-Platte 40a eingesetzt ist, die vertikale Abmessung h1 des Schlussabschnitts 36a größer als die vertikale Abmessung h2 der Mica-Platte 40a.
Wie in 1 gezeigt, ist die Innenseite des Gehäuses 24 mit einem granulärem Wärmeisoliermaterial 42 gefüllt, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Reformer 14, dem Verdampfer 16 und der Luftvorheizung 22 als periphere Komponente zu unterdrücken. Die Außenseite des Gehäuses 24 ist vom Wärmeisoliermaterial 44 abgedeckt, das in der Form eines Blocks vorliegt (nachfolgend als blockförmiges Wärmeisoliermaterial bezeichnet). Das blockförmige Wärmeisoliermaterial 44 wird im Hinblick auf seinen Temperaturbereich, seine Wärmeabstrahlungsmenge, Kosten etc. angewendet. Zum Beispiel kann ein Kunststoffwärmeisoliermaterial, ein Kalziumsilicatwärmeisoliermaterial oder ein bedampftes Nanowärmeisoliermaterial auf Silicabasis verwendet werden.
Wie in 4 gezeigt sind, in der Platte 24a, Glasbänder 46a, 46b jeweils in dem inneren Platteabschnitt 34a und dem äußeren Plattenabschnitt 34b angebracht, die den Verschlussabschnitt 36ah bilden. Ein Glasband 46c ist auch an dem blockförmigen Wärmeisoliermaterial 44 angebracht. Ein Schlitz zum Einsetzen der Elektrodenstange 28a ist in jedem der Glasbänder 46a, 46b und 46c ausgebildet. Wärmeisoliermaterial wie etwa Wolle 48 ist zwischen der Mica-Platte 40a und dem blockförmigen Wärmeisoliermaterial 44 vorgesehen, um den Verschlussabschnitt 36a abzudecken. In der Praxis wird die Wolle 48 vorgesehen, um einen Zwischenraum um die Elektrodenstange 28a herum zu füllen.
Es sollte angemerkt werden, dass das Durchgangsloch 38b und die Elektrodenstange 28b die gleiche Struktur wie das Durchgangsloch 38a und die Elektrodenstange 28a haben. Bauelemente des Durchgangslochs 38b und der Elektrodenstange 28b, die mit jenen des Durchgangslochs 38a und der Elektrodenstange 28a identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet (dem Suffix b anstatt vom Suffix a, und eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale ist weggelassen).
Nachfolgend sind die Funktionen des Brennstoffzellenmoduls 10 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, wird beim Betriebsstart des Brennstoffzellenmoduls 10 Luft durch das Lufteinlassrohr 33 in den Innneraum 32 innerhalb der Platte 24a zugeführt, und die Luft wird der Luftvorheizung 22 zugeführt. Darüber hinaus wird die zweite Glühkerze 30b des Startverbrenners 20 eingeschaltet.
Nachdem die Luft der Luftvorheizung 22 zugeführt worden ist, wird das Verbrennungsgas in dem Startverbrenner 20, der später beschrieben wird, erhitzt. Dann fließt das Verbrennungsgas durch das Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanalsystem des Brennstoffzellenstapels 12. Die Luft wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 dem Abgasverbrenner 18 zugeführt, und danach wird die Luft durch den Reformer 14 dem Startverbrenner 20 zugeführt.
Rohbrennstoff wird dem Startverbrenner 20 zugeführt. Insbesondere wird ihm als Rohbrennstoff, z.B. Stadtgas (das CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀ etc. enthält) zugeführt. Daher werden die Luft und der Rohbrennstoff dem Startverbrenner 20 zugeführt, und durch Betrieb der zweiten Glühkerze 30b wird ein Mischgas aus dem Rohbrennstoff und der Luft gezündet. Daher wird die Verbrennung des Startverbrenners 20 gestartet, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen. Das Verbrennungsgas wird der Luftvorheizung 22 und dem Verdampfer 60 zugeführt, wodurch das Erhitzen der Luftvorheizung 22 und des Verdampfers 16 eingeleitet wird.
In der Luftvorheizung 22 wird das vom Startverbrenner 20 zugeführte Verbrennungsgas als Wärmequelle zum Erhitzen der Luft verwendet. Die erhitzte Luft wird dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanalsystem des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt, um den Brennstoffzellenstapel 12 zu erwärmen.
Wenn dann der Reformer 14 auf eine Temperatur erhitzt ist, bei der Dampfreformierung durchgeführt werden kann, wird dem Verdampfer 16 Wasser zugeführt. Daher wird der Rohbrennstoff mit dem Wasserdampf im Verdampfer 16 vermischt. In diesem Zustand wird der Rohbrennstoff dem Reformer 14 zugeführt. In dem Reformer 14 wird eine Dampfreformierung des Rohbrennstoffs durchgeführt. Aus C₂₊ zusammengesetzter Kohlenwasserstoff wird beseitigt (reformiert), und man erhält reformiertes Gas, das hauptsächlich Methan enthält. Das reformierte Gas wird dem Brenngaskanalsystem des Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt.
Von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Auslass des Brennstoffzellenstapels 12 wird Luft mit relativ hoher Temperatur dem Abgasverbrenner 18 zugeführt. Unterdessen wird von dem Brennabgasauslass des Brennstoffzellenstapels 12 Brenngas mit relativ hoher Temperatur dem Abgasverbrenner 18 zugeführt. Die heiße Luft und das heiße Brenngas werden von dem Reformer 14 dem Startverbrenner 20 zugeführt, wodurch das Verbrennungsgas erzeugt wird.
Der Brennstoffzellenstapel 12 wird erhitzt, und wenn der Brennstoffzellenstapel 12 auf eine Temperatur erhitzt worden ist, bei der der Brennstoffzellenstapel 12 die Stromerzeugung durchführen kann, wird der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 gestartet. In jeder der Brennstoffzellen 26 des Brennstoffzellenstapels 12 wird eine Stromerzeugung durch chemische Reaktionen zwischen dem Brenngas und der Luft durchgeführt. Das Brenngas, das als Brennabgas von dem Brennstoffzellenstapel 12 infolge der Stromerzeugungsreaktion abgegeben wird, und das sauerstoffhaltige Gas, das als sauerstoffhaltiges Abgas von dem Brennstoffzellenstapel 12 als Folge der Stromerzeugungsreaktion abgegeben wird, fließen in den Abgasverbrenner 18.
Somit werden in dem Abgasverbrenner 18 das Brennabgas und das sauerstoffhaltige Abgas vermischt und verbrannt, um das Verbrennungsabgas zu erzeugen. Das Verbrennungsabgas wird dem Reformer 14, dem Startverbrenner 20, der Luftvorheizung 22 und dem Verdampfer 16 zugeführt, um hierdurch diese Vorrichtung zu erhitzen.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, wie in 1 gezeigt, der Innenraum des Gehäuses 24 mit dem granulären Wärmeisoliermaterial 42 gefüllt, und ist der Innenraum 32 als Durchgang für das sauerstoffhaltige Gas in den Platten 24 bis 24e des Gehäuses 24 ausgebildet. Ferner ist die Außenseite des Gehäuses 24 mit dem blockförmigen Wärmeisoliermaterial 44 abgedeckt. In dieser Struktur wird eine Wärmeabstrahlung von dem Brennstoffzellenmodul 10 zur Außenseite des Gehäuses 24 soweit wie möglich unterdrückt, und man erreicht auf leichte Weise eine Verbesserung im thermischen Wirkungsgrad.
Ferner ist es durch den Wärmeisoliereffekt des granulären Wärmeisoliermaterials 42 und des Innenraums 32 möglich, die Menge des blockförmigen Wärmeisoliermaterials 44 zu reduzieren, das an der äußersten Position verwendet wird, und man kann leicht eine Reduktion der Gesamtabmessung des Brennstoffzellenmoduls 10 erreichen. Weil darüber hinaus das blockförmige Wärmeisoliermaterial 44, das ein schwierig zu bearbeitendes Material ist, an der Außenseite des Gehäuses 24 vorgesehen ist, wird die Form des blockförmigen Wärmeisoliermaterials 44 vereinfacht, wodurch sich auf leichte Weise eine Reduktion der Bearbeitungskosten erreichen lässt.
Ferner kann das Brennstoffzellenmodul 10 mit dem granulären Wärmeisoliermaterial 42 in Anpassung an die komplizierten Formen der jeweiligen Vorrichtungen (peripheren Komponenten) des Brennstoffzellenmoduls 10 gefüllt werden. Daher wird eine Verbesserung im Wärmeisoliereffekt erreicht, wird die Wärmeübertragung zwischen den Vorrichtungen unterdrückt, und wird es möglich, einen unerwarteten Wärmemangel oder -überschuss zu vermeiden. Weil darüber hinaus das sauerstoffhaltige Gas durch den Innenraum 32 fließt, bevor es in die Luftvorheizung 22 fließt, ist es möglich, das sauerstoffhaltige Gas durch Abwärme von dem Brennstoffzellenmodul 10 zu erhitzen, und lässt sich eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads erreichen.
Somit ist in der Ausführung der vorliegenden Erfindung in dem Brennstoffzellenmodul 10 möglich, Wärmeabstrahlung zu unterdrücken und in geeigneter Weise die Wärmeisolierwirkung mit einer kompakten und wirtschaftlichen Struktur zu verbessern.
Ferner ist der Brennstoffzellenstapel 12 durch Stapeln der Festoxid-Brennstoffzellen 26 gebildet, deren jede eine flache plattenartige Gestalt hat. Der Brennstoffzellenstapel 12 enthält die Elektrodenstangen 28a, 28b zum Sammeln von elektrischer Energie. Ferner enthält zumindest eine Platte 24a die Durchgangslöcher 38a, 38b, um die Elektrodenstangen 28a, 28b nach außen frei zu setzen. Die Elektrodenstangen 28a, 28b sind in kontaktfreiem Zustand in die Durchgangslöcher 38a, 38b eingesetzt.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, sind in einem Zustand, in dem die Elektrodenstangen 28a, 28b in die Durchgangslöcher 38a, 38b eingesetzt sind, Lücken S1, S2 in dem Durchgangsloch-Innenwandoberflächen 38af, 38bf der Durchgangslöcher 38a, 38b und den Elektrodenstangen 28a, 28b, jeweils in aufwärtiger und abwärtiger Richtung, ausgebildet.
In dem Brennstoffzellenstapel 12, der durch Stapeln von SOFCs (Brennstoffzellen 26) gebildet ist, die jeweils eine flache plattenartige Gestalt haben, ist während seines Hochtemperaturbetriebs, die Wärmeausdehnung in der vertikalen Richtung vergleichsweise groß. Daher bewegen sich die Elektrodenstangen 28a, 28b, die sich von dem Brennstoffzellenstapel 12 erstrecken, tendenziell aufwärts und abwärts.
In dieser Hinsicht sind die Lücken S1, S2 zwischen den Elektrodenstangen 28a, 28b und den Durchgangsloch-Innenwandoberflächen 38af, 38bf in jeweils aufwärtiger und abwärtiger Richtung ausgebildet. Daher kommen die Elektrodenstangen 28a, 28b nicht mit den Durchgangsloch-Innenwandoberflächen 38af, 38bf in Kontakt. Dementsprechend wird es möglich, einen Kurzschluss etc. zwischen den Elektrodenstangen 28a, 28b und dem Gehäuse 24 so weit wie möglich zu vermeiden.
Ferner sind die Mica-Platten 40a, 40b in dem Gehäuse 24 an Positionen innerhalb der Durchgangslöcher 38a, 38b vorgesehen. In dieser Hinsicht enthalten die Mica-Platten 40a, 40b Plattenseitendurchgangslöcher 40ah, 40bh, und die Elektrodenstangen 28a, 28b sind in die Plattenseitendurchgangslöcher 40ah, 40bh eingesetzt. Die Elektrodenstangen 28a, 28b sind in engem Kontakt mit den Plattenseitendurchgangslöchern 40ah, 40bh angeordnet, derart, dass die Elektrodenstangen 28a, 28b in Richtung von Pfeil B, in der sich die Elektrodenstangen 28a, 28b erstrecken, bewegbar sind.
Da die Innenseite des Gehäuses 24 mit dem granulären Wärmeisoliermaterial 42 gefüllt ist, werden die Mica-Platten 40a, 40b durch das granuläre Wärmeisoliermaterial 42 zusammengepresst, und können in engem Kontakt mit dem inneren Plattenabschnitt 34a (der Platteninnenoberfläche) angeordnet werden. In dieser Struktur ist es möglich, einen Austrag des granulären Wärmeisoliermaterials 42 von den Durchgangslöchern 38a, 38b zur Außenseite des Gehäuses 24 zuverlässig zu unterdrücken.
Da ferner die Mica-Platten 40a, 40b als Isolierplatten dienen, lässt sich verhindern, dass in dem Gehäuse 24 ein Kurzschluss auftritt. Weil darüber hinaus die Mica-Platten 40a, 40b sich in Richtung von Pfeil B bewegen können, in denen sich die Elektrodenstangen 28a, 28b erstrecken, kann die Wärmeausdehnung in der Erstreckungsrichtung der Elektrodenstangen 28a, 28b geeignet gehandhabt werden.
Darüber hinaus enthält zumindest eine Platte 24a den inneren Plattenabschnitt 34a und den äußeren Plattenabschnitt 34b, die den Innenraum 32 bilden. Der innere Plattenabschnitt 34a und der äußere Plattenabschnitt 34b sind in engem Kontakt miteinander angeordnet, um die dünnen Verschlussabschnitte 36a, 36b zu bilden. Die Durchgangslöcher 38a, 38b sind in den Verschlussabschnitten 36a, 36b ausgebildet. Die vertikale Abmessung h1 der Verschlussabschnitte 36a, 36b ist größer als die vertikale Abmessung h2 der Mica-Platte 40a (siehe 4).
Wenn sich in dieser Struktur der Brennstoffzellenstapel 12 durch Wärme in der vertikalen Richtung ausdehnt, was eine vertikale Bewegung der Elektrodenstangen 28a, 28b hervorruft, kann sich die Mica-Platte 40a, zusammen mit den Elektrodenstangen 28a, 28b aufwärts und abwärts bewegen.
Ferner ist ein Wärmeisoliermaterial, wie etwa Wolle 48, zwischen der Mica-Platte 40a und dem blockförmigen Wärmeisoliermaterial 44 vorgesehen, um hierdurch einen Verschlussabschnitt 36a abzudecken. In der Praxis ist die Wolle 48 vorgesehen, um den Zwischenraum um die Elektrodenstange 28a herum zu füllen. Da die Wolle 48 vorgesehen ist, um die Verschlussabschnitte 36a, 36b abzudecken, ist kein Zwischenraum 42, der als Luftdurchgang dient, in den Verschlussabschnitten 36a, 36b vorhanden, wodurch es möglich gemacht wird, den Wärmeisoliereffekt beizubehalten.
Ferner ist der Brennstoffzellenstapel 12 in einer oberen Position in dem Gehäuse 24 vorgesehen, wohingegen der Reformer 14, der Verdampfer 16, der Abgasverbrenner 18, der Startverbrenner 20 und die Luftvorheizung 22 in den unteren Positionen im Gehäuse 24 vorgesehen sind. Da in dieser Struktur die Wärme von den Vorrichtungen an der unteren Seite zum Brennstoffzellenstapel 12 an der oberen Seite übertragen wird, ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel 12 auf einer hohen Temperatur zu halten. Ferner wird es möglich, den Fluss von Kondenswasser von dem Abgas zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu unterdrücken.
Ein Brennstoffzellenmodul (10) enthält einen Brennstoffzellenstapel (12), einen Reformer (14), einen Verdampfer (16), einen Abgasverbrenner (18), einen Startverbrenner (20) und eine Luftvorheizung (22). Ferner ist ein Gehäuse (24) vorgesehen, in dem der Brennstoffzellenstapel (12), der Reformer (14), der Verdampfer (16), der Abgasverbrenner (18), der Startverbrenner (20) und die Luftvorheizung (22) aufgenommen sind. Eine Platte (24a) des Gehäuses (24) enthält einen Innenraum (32). Sauerstoffhaltiges Gas fließt durch den Innenraum (32), bevor das sauerstoffhaltige Gas in die Luftvorheizung (22) fließt. Der Innenraum des Gehäuses (24) ist mit einem granulären Wärmeisoliermaterial (42) gefüllt, und die Außenseite des Gehäuses (24) ist mit einem blockförmigen Wärmeisoliermaterial (44) abgedeckt.

Claims

Brennstoffzellenmodul (10), welches aufweist: einen Brennstoffzellenstapel (12), der eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (26) enthält, um durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas elektrische Energie zu erzeugen; einen Reformer (14) zum Reformieren von hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthaltendem Rohbrennstoff, um hierdurch Brenngas zu erzeugen, das dem Brennstoffzellenstapel (12) zugeführt wird; einen Verdampfer (16) zum Verdampfen von Wasser und Zuführen des Wasserdampfs zum Reformer (14); einen Abgasverbrenner (18) zum Verbrennen des Brenngases, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) als Brenngas abgegeben wird, und eines sauerstoffhaltigen Gases, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) als sauerstoffhaltiges Abgas abgegeben wird, um hierdurch ein Verbrennungsabgas zu erzeugen; einen Startverbrenner (20) zum Verbrennen des Rohbrennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases, um hierdurch ein Verbrennungsgas zu erzeugen; eine Luftvorheizung (22) zum Heizen des sauerstoffhaltigen Gases durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas und/oder dem Verbrennungsabgas, und Zuführen des erhitzten sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel (12); und ein Gehäuse (24), in dem der Brennstoffzellenstapel (12), der Reformer (14), der Verdampfer (16), der Abgasverbrenner (18), der Startverbrenner (20) und die Luftvorheizung (22) aufgenommen sind; wobei das Gehäuse (24) aus einer Mehrzahl von Platten (24a bis 24e) gebildet ist; zumindest eine (24a) der Platten (24a bis 24e) einen Innenraum (32) aufweist, in dem das sauerstoffhaltige Gas fließen kann, bevor das sauerstoffhaltige Gas in die Luftvorheizung (22) fließt; ein Innenraum des Gehäuses (24) mit einem granulären Wärmeisoliermaterial (42) gefüllt ist; und eine Außenseite des Gehäuses (24) von einem blockförmigen Wärmeisoliermaterial (44) abgedeckt ist.
Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) durch Stapeln von Festoxid-Brennstoffzellen (26) gebildet ist, die jeweils eine flache Plattenform haben; der Brennstoffzellenstapel (12) eine Elektrodenstange (28a) zum Sammeln der elektrischen Energie enthält; die zumindest eine (24a) der Platten (24a bis 24e) ein Durchgangsloch (38a) enthält, in das die Elektrodenstange (28a) in kontaktfreiem Zustand eingesetzt ist, um die Elektrodenstange (28a) nach außen hin freizulegen; und Lücken (S1, S2) zwischen einer Durchgangsloch-Innenwandoberfläche (38af) des Durchgangslochs (38) und der Elektrodenstange (28a) in Aufwärts- und Abwärtsrichtungen ausgebildet sind, in einem Zustand, in dem die Elektrodenstange (28a) in das Durchgangsloch (38a) eingesetzt ist.
Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 2, das ferner eine Isolierplatte (40a) in dem Gehäuse (24) an einer Position innerhalb des Durchgangslochs (38a) aufweist; wobei die Isolierplatte (40a) ein Plattenseitendurchgangsloch (40ah) aufweist, in das die Elektrodenstange (28) eingesetzt ist; und die Elektrodenstange (28a) in engem Kontakt mit dem Plattenseitendurchgangsloch (40ah) steht, so dass die Elektrodenstange (28a) in einer Richtung bewegbar ist, in der sich die Elektrodenstange (28a) erstreckt.
Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 3, wobei die zumindest eine (24a) der Platten (24a bis 24e) einen inneren Plattenabschnitt (34a) und einen äußeren Plattenabschnitt (34b) enthält, die den Innenraum (32) bilden; der innere Plattenabschnitt (34a) und der äußere Plattenabschnitt (34b) in engem Kontakt miteinander angeordnet sind, um einen dünnen Verschlussabschnitt (36a) zu bilden; das Durchgangsloch (38a) in dem Verschlussabschnitt (36a) ausgebildet ist; und in einem Zustand, in dem die Elektrodenstange (28a) in das Plattenseitendurchgangsloch (40ah) der Isolierplatte (40a) eingesetzt ist, eine vertikale Abmessung (h1) des Verschlussabschnitts (36a) größer ist als eine vertikale Abmessung (h2) der Isolierplatte (40a).
Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 4, wobei ein Wärmeisoliermaterial (48), das den Verschlussabschnitt (36a) abdeckt, zwischen der Isolierplatte (40a) und dem blockförmigen Wärmeisoliermaterial (44) vorgesehen ist.
Das Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) an einer oberen Position in dem Gehäuse (24) vorgesehen ist; und der Reformer (14), der Verdampfer (16), der Abgasverbrenner (18), der Startverbrenner (20) und die Luftvorheizung (22) an unteren Positionen in dem Gehäuse (24) vorgesehen sind.