DE102019208893A1 - FUEL CELL SYSTEM - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (10) enthält: einen ersten Brennstoffzellenstapel (18); und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (20), der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels (18) mit einem Abstand von einem ersten Brennstoffzellenstapel (18) umgibt. Jeder des ersten Brennstoffzellenstapels (18) und des zweiten Brennstoffzellenstapels (20) enthält Festoxid-Brennstoffzellen. Der erste Brennstoffzellenstapel (18) gibt Abgas in einen ersten Zwischenraum (S1) ab.A fuel cell system (10) includes: a first fuel cell stack (18); and a second fuel cell stack (20) arranged to surround an outer periphery of the first fuel cell stack (18) at a distance from a first fuel cell stack (18). Each of the first fuel cell stack (18) and the second fuel cell stack (20) contains solid oxide fuel cells. The first fuel cell stack (18) releases exhaust gas into a first intermediate space (S1).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der Erfindung:Field of the Invention:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches Festoxid-Brennstoffzellen aufweist.The present invention relates to a fuel cell system which has solid oxide fuel cells.

Beschreibung der verwandten Technik:Description of the related art:

Allgemein haben Festoxid-Brennstoffzellen relativ hohe Betriebstemperaturen und daher relativ lange Hochfahr-Zeiten. Um die Hochfahr-Zeit einer solchen Festoxid-Brennstoffzelle zu verkürzen, offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2015-207510 A ein Brennstoffzellensystem mit einem Stapelheizer, um die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels anzuheben, der aus einer Mehrzahl von Festoxid-Brennstoffzellen zusammengesetzt ist. Der Stapelheizer ist an einer Endplatte befestigt, die an einem Ende der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.In general, solid oxide fuel cells have relatively high operating temperatures and therefore relatively long start-up times. In order to shorten the start-up time of such a solid oxide fuel cell, Japanese Patent Laid-Open No. JP 2015-207510 A a fuel cell system with a stack heater to raise the temperature of a fuel cell stack composed of a plurality of solid oxide fuel cells. The stack heater is attached to an end plate that is disposed at one end of the stacking direction of the fuel cell stack.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Festoxid-Brennstoffzellen müssen ihre Betriebstemperaturen hoch halten, und daher die Brennstoffzellen-Nutzungsrate verringern, was tendenziell die Stromerzeugungseffizienz im Teillastbetrieb (bei relativ kleinen Lasten) verringert.Solid oxide fuel cells must keep their operating temperatures high, and therefore reduce the fuel cell utilization rate, which tends to reduce power generation efficiency at part load (at relatively low loads).

Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung dieses Problems avisiert worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das die Hochfahr-Zeit effizient verkürzen und eine Minderung in der Stromerzeugungseffizienz während eines Teillastbetriebs vermeiden kann.The present invention has been proposed in view of this problem, and the object of the present invention is to provide a fuel cell system which can efficiently shorten the start-up time and avoid a decrease in the power generation efficiency during a part-load operation.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem: einen ersten Brennstoffzellenstapel; und einen zweiten Brennstoffzellenstapel, der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels mit Abstand von dem ersten Brennstoffzellenstapel umgibt. Jeder des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels enthält Festoxid-Brennstoffzellen.According to one aspect of the present invention, a fuel cell system includes: a first fuel cell stack; and a second fuel cell stack that is arranged to surround an outer periphery of the first fuel cell stack at a distance from the first fuel cell stack. Each of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack contains solid oxide fuel cells.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, zuerst nur den ersten Brennstoffzellenstapel zu starten, wenn das Brennstoffzellensystem gestartet wird, und daher kann die Wärmekapazität kleiner sein als im Falle des Startens des gesamten Brennstoffzellenstapels (sowohl des ersten Brennstoffzellenstapels als auch des zweiten Brennstoffzellenstapels). Wenn der erste Brennstoffzellenstapel gestartet wird, ist es auch möglich, die vom ersten Brennstoffzellenstapel abgestrahlte Wärme zu nutzen, um die Temperatur des zweiten Brennstoffzellenstapels anzuheben. Dies verkürzt effizient die Hochfahr-Zeit des Brennstoffzellensystems. Es ist ferner möglich, im Teillastbetrieb nur einen des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels zu betreiben, was eine Minderung der Brennstoffzellen-Nutzungsrate vermeidet. Dies vermeidet wiederum eine Minderung der Stromerzeugungseffizienz während eines Teillastbetriebs.According to the present invention, it is possible to start only the first fuel cell stack when the fuel cell system is started, and therefore the heat capacity can be smaller than in the case of starting the entire fuel cell stack (both the first fuel cell stack and the second fuel cell stack). When the first fuel cell stack is started, it is also possible to use the heat radiated from the first fuel cell stack to raise the temperature of the second fuel cell stack. This efficiently shortens the startup time of the fuel cell system. It is also possible to operate only one of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack in partial load operation, which avoids a reduction in the fuel cell utilization rate. This in turn avoids a reduction in power generation efficiency during part load operation.

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 eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung als illustratives Beispiel gezeigt ist.The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which a preferred embodiment of the present invention is shown as an illustrative example.

Figurenlistelist of figures

  • 1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; 1 10 is a schematic configuration diagram of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention;
  • 2 ist ein Transversalquerschnitt des Systemkörpers; 2 is a transverse cross section of the system body;
  • 3 ist ein teilweise weggelassener Längsquerschnitt eines ersten Brennstoffzellenstapels; 3 12 is a partially omitted longitudinal cross section of a first fuel cell stack;
  • 4 ist ein teilweise weggelassener Längsquerschnitt eines zweiten Brennstoffzellenstapels; 4 12 is a partially omitted longitudinal cross section of a second fuel cell stack;
  • 5A ist ein schematisches Diagramm eines ersten Brennstoffzellenstapels gemäß einer Modifikation; 5B ist ein schematisches Diagramm eines ersten Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Modifikation, und 5C ist ein schematisches Diagramm eines zweiten Brennstoffzellenstapels gemäß einer Modifikation. 5A 10 is a schematic diagram of a first fuel cell stack according to a modification; 5B 12 is a schematic diagram of a first fuel cell stack according to another modification, and 5C 10 is a schematic diagram of a second fuel cell stack according to a modification.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGENDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungen in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.The fuel cell system according to the present invention will now be described in connection with the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

Ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung dient für verschiedene Anwendungen von stationärem Gebrauch bis mobilem Gebrauch. Das Brennstoffzellensystem 10 kann auch als sogenannter tragbarer Stromgenerator verwendet werden.A fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention is used for various applications from stationary use to mobile use. The fuel cell system 10 can also be used as a so-called portable power generator.

Wie in 1 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 10 einen Systemkörper 12, eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases zu dem Systemkörper 12, eine Brenngas-Zuführvorrichtung 16 zum Zuführen eines Brenngases zu dem Systemkörper 12 sowie eine Steuereinheit 17.As in 1 shown contains the fuel cell system 10 a system body 12 , an oxygen-containing gas supply device 14 to the Supplying an oxygen-containing gas to the system body 12 , a fuel gas supply device 16 for supplying a fuel gas to the system body 12 as well as a control unit 17 ,

Wie in den 1 und 2 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 10 einen ersten Brennstoffzellenstapel 18, einen zweiten Brennstoffzellenstapel 20, eine erste Heizvorrichtung 22 (Heizvorrichtung), eine zweite Heizvorrichtung 24 (äußere Heizvorrichtung) sowie ein Gehäuse 26. Der ersten Brennstoffzellenstapel 18 enthält eine Mehrzahl von aneinander gestapelten ersten Einheitszellen 28, sowie einen Satz von ersten Endplatten 30, 32, die an beiden Enden der Richtung angeordnet sind, in der die Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 gestapelt sind (der in 1 mit Pfeil A gezeigten Richtung).As in the 1 and 2 shown contains the fuel cell system 10 a first fuel cell stack 18 , a second fuel cell stack 20 , a first heater 22 (Heater), a second heater 24 (outer heater) and a housing 26 , The first fuel cell stack 18 contains a plurality of first unit cells stacked together 28 , as well as a set of first end plates 30 . 32 arranged at both ends of the direction in which the plurality of first unit cells 28 are stacked (the in 1 direction shown by arrow A).

Jede erste Einheitszelle 28 ist als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) konfiguriert, die durch eine elektrochemische Reaktion des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases Strom erzeugt. Der erste Brennstoffzellenstapel 18 ist, in Draufsicht in der Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 in einer runden Form ausgebildet (siehe 2). Jedoch kann, in Draufsicht bei Betrachtung in der Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28, der erste Brennstoffzellenstapel 18 auch verschiedene andere Formen haben, einschließlich polygonaler Form, elliptischer Form, halbrunder Form, etc..Every first unit cell 28 is configured as a solid oxide fuel cell (SOFC), which generates electricity through an electrochemical reaction of the fuel gas and the oxygen-containing gas. The first fuel cell stack 18 is, in plan view in the stacking direction of the plurality of first unit cells 28 formed in a round shape (see 2 ). However, when viewed in the stacking direction, the plurality of first unit cells can be viewed in plan view 28 , the first fuel cell stack 18 also have various other shapes, including polygonal, elliptical, semicircular, etc.

In 1 ist der Satz von ersten Endplatten 30, 32 mit einem Verbindungselement (nicht gezeigt) versehen, um auf die Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 in der Stapelrichtung eine Dichtziehkraft auszuüben. Auf einer ersten Endplatte 30 sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34 und ein erster Brenngas-Einlass 36 ausgebildet.In 1 is the set of first end plates 30 . 32 provided with a connector (not shown) to connect to the plurality of first unit cells 28 exert a sealing pulling force in the stacking direction. On a first end plate 30 are an oxygen-containing gas inlet 34 and a first fuel gas inlet 36 educated.

In dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 und ein erster Brenngas-Zuführkanal 40 ausgebildet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 erstreckt sich in der Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28, sodass er durch jede erste Einheitszelle 28 hindurch geht. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 geht durch die eine erste Endplatte 30 hindurch, sodass er mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34 in Verbindung steht. Der erste Brenngas-Zuführkanal 40 erstreckt sich in der Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28, sodass er durch jede erste Einheitszelle 28 hindurch geht. Der erste Brenngas-Zuführkanal 40 geht durch die eine erste Endplatte 30 hindurch, sodass er mit dem ersten Brenngas-Einlass 36 in Verbindung steht.In the first fuel cell stack 18 are an oxygen-containing gas supply channel 38 and a first fuel gas supply channel 40 educated. The oxygen-containing gas feed channel 38 extends in the stacking direction of the plurality of first unit cells 28 so that it passes through every first unit cell 28 goes through. The oxygen-containing gas feed channel 38 goes through the first end plate 30 through so that it connects to the oxygen-containing gas inlet 34 communicates. The first fuel gas feed channel 40 extends in the stacking direction of the plurality of first unit cells 28 so that it passes through every first unit cell 28 goes through. The first fuel gas feed channel 40 goes through the first end plate 30 through so that it connects to the first fuel gas inlet 36 communicates.

Wie in 3 gezeigt, enthält jede erste Einheitszelle 28 eine erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42, sowie einen ersten Kathoden-Separator 44 und einen ersten Anoden-Separator 46, die die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 zwischen sich aufnehmen. Der erste Kathoden-Separator 44 und der erste Anoden-Separator 46 können als zweiseitiger Bipolar-Separator strukturiert sein. Die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 enthält eine schichtartige erste Elektrode 48, eine Kathode 50, die auf einer Oberfläche des ersten Elektrolyten 48 angeordnet ist, sowie eine erste Anode 52, die auf der anderen Oberfläche des ersten Elektrolyten 48 angeordnet ist. Der erste Elektrolyt 48 ist aus einem Oxidionen-Leiter hergestellt, wie etwa zum Beispiel stabilisiertem Zirkoniumoxid.As in 3 shown contains every first unit cell 28 a first electrolyte electrode arrangement 42 , and a first cathode separator 44 and a first anode separator 46 that the first electrolyte electrode assembly 42 record between them. The first cathode separator 44 and the first anode separator 46 can be structured as a bilateral bipolar separator. The first electrolyte electrode arrangement 42 contains a layered first electrode 48 , a cathode 50 that are on a surface of the first electrolyte 48 is arranged, and a first anode 52 that are on the other surface of the first electrolyte 48 is arranged. The first electrolyte 48 is made of an oxide ion conductor, such as stabilized zirconium oxide.

Eine Barriereschicht (nicht gezeigt) ist an einem Außenumfangsabschnitt der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 ausgebildet, um einen Eintritt und Austritt des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu verhindern. Eine Barriereschicht (nicht gezeigt), um den Eintritt und Austritt des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu verhindern, ist an Teilen der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 ausgebildet, die den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 und den ersten Brenngas-Zuführkanal 40 bilden.A barrier layer (not shown) is on an outer peripheral portion of the first electrolyte electrode assembly 42 designed to prevent entry and exit of the oxygen-containing gas and the fuel gas. A barrier layer (not shown) to prevent entry and exit of the oxygen-containing gas and the fuel gas is on parts of the first electrolyte electrode arrangement 42 formed the oxygen-containing gas supply channel 38 and the first fuel gas supply channel 40 form.

Der erste Kathoden-Separator 44 und der erste Anoden-Separator 46 sind zum Beispiel aus Stahlblechen, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumblechen, galvanisierten Stahlblechen oder Metallblechen hergestellt, die antikorrosiv oberflächenbehandelte Metalloberflächen aufweisen. Der erste Kathoden-Separator 44 und der erste Anoden-Separator 46 sind durch Löten, Diffusionskleben, Laserschweißen oder dergleichen miteinander verbunden.The first cathode separator 44 and the first anode separator 46 are made, for example, of steel sheets, stainless steel sheets, aluminum sheets, galvanized steel sheets or metal sheets which have metal surfaces which have been treated with an anti-corrosive agent. The first cathode separator 44 and the first anode separator 46 are connected to each other by soldering, diffusion bonding, laser welding or the like.

Der erste Kathoden-Separator 44 hat im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung. Auf der Oberfläche des ersten Kathodenseparators 44, die zu der ersten Kathode 50 weist, ist eine Mehrzahl von ersten Vorsprüngen 56 ausgebildet, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und zu der ersten Kathode 50 hin vorstehen. In anderen Worten, die Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von ersten Vorsprüngen 56 bilden eines erstes Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 auf der Oberfläche des ersten Kathoden-Separators 44, die zu der ersten Kathode 50 weist.The first cathode separator 44 has essentially the same dimensions as the first electrolyte electrode arrangement. On the surface of the first cathode separator 44 leading to the first cathode 50 has a plurality of first protrusions 56 formed, which are arranged at a distance from each other and to the first cathode 50 stick out. In other words, the spaces between the plurality of first protrusions 56 form a first oxygen-containing gas flow field 58 on the surface of the first cathode separator 44 leading to the first cathode 50 has.

Das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 steht mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 in Verbindung. Der erste Kathoden-Separator 44 ist derart strukturiert, dass das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 und der erste Brenngas-Zuführkanal 48 nicht miteinander in Verbindung stehen. An einem Außenumfangsabschnitt des ersten Kathoden-Separators 44 ist ein erster Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 60 ausgebildet, der mit einem Zwischenraum (ersten Zwischenraum S1 an der Außenumfangsseite des ersten Brennstoffzellenstapels 18 in Verbindung steht. Der erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 60 führt überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas, das bei der Stromerzeugung durch die erste Brennstoffzelle 28 nicht verbraucht wurde, als Abgas von dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 in den ersten Zwischenraum S1 ab.The first oxygen-containing gas flow field 58 stands with the oxygen-containing gas supply channel 38 in connection. The first cathode separator 44 is structured in such a way that the first oxygen-containing gas flow field 58 and the first fuel gas supply channel 48 are not connected. On an outer peripheral portion of the first cathode separator 44 is a first oxygen-containing gas discharge channel 60 formed with a space (first space S1 on the outer peripheral side of the first fuel cell stack 18 communicates. The first oxygen-containing gas discharge channel 60 carries excess oxygen-containing gas, which is used to generate electricity through the first fuel cell 28 was not consumed as exhaust gas from the first oxygen-containing gas flow field 58 in the first space S1 from.

Der erste Anoden-Separator 46 hat im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 (im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie der erste Kathoden-Separator 44). Auf der Oberfläche des ersten Anoden-Separators 46, die zu der ersten Anode 52 weist, sind eine Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen 62 ausgebildet, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und zu der ersten Anode 52 hin vorstehen. In anderen Worten, die Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen 62 bilden ein erstes Brenngas-Fließfeld 64 auf der Oberfläche des ersten Anoden-Separators 46, die zu der ersten Anode 52 weist.The first anode separator 46 has essentially the same dimensions as the first electrolyte electrode arrangement 42 (essentially the same dimensions as the first cathode separator 44 ). On the surface of the first anode separator 46 leading to the first anode 52 points are a plurality of second protrusions 62 formed, which are arranged at a distance from each other and to the first anode 52 stick out. In other words, the spaces between the plurality of second protrusions 62 form a first fuel gas flow field 64 on the surface of the first anode separator 46 leading to the first anode 52 has.

Das erste Brenngas-Fließfeld 64 steht mit dem ersten Brenngas-Zuführkanal 40 in Verbindung. Der erste Anoden-Separator 46 ist derart strukturiert, dass das erste Brenngas-Fließfeld 64 und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 nicht miteinander in Verbindung stehen. Ein erster Brenngas-Abführkanal 66, der das erste Brenngas-Fließfeld 64 mit dem ersten Zwischenraum 61 verbindet, ist an einem Außenumfangsabschnitt des ersten Anoden-Separators 46 ausgebildet. Der erste Brenngas-Abführkanal 66 führt überschüssiges Brenngas, das bei der Stromerzeugung durch die erste Brennstoffzelle 28 nicht verbraucht wurde, als Abgas von dem ersten Brenngas-Fließfeld 64 in den ersten Zwischenraum S1 ab. Das heißt, der erste Brennstoffzellenstapel 18 entlädt Abgas, das sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas enthält, in den ersten Zwischenraum S1.The first fuel gas flow field 64 stands with the first fuel gas feed channel 40 in connection. The first anode separator 46 is structured in such a way that the first fuel gas flow field 64 and the oxygen-containing gas supply channel 38 are not connected. A first fuel gas discharge channel 66 which is the first fuel gas flow field 64 with the first space 61 connects is on an outer peripheral portion of the first anode separator 46 educated. The first fuel gas discharge duct 66 carries excess fuel gas that is generated when the electricity is generated by the first fuel cell 28 was not consumed as exhaust gas from the first fuel gas flow field 64 in the first space S1 from. That is, the first fuel cell stack 18 discharges exhaust gas containing oxygen-containing gas and fuel gas into the first space S1 ,

Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist der zweite Brennstoffzellenstapel 20 so angeordnet, dass er den Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels 18 mit Abstand von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 umgibt. Das heißt, der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist in Form eines runden Rings ausgebildet. Jedoch ist der zweite Brennstoffzellenstapel 20 nicht auf das Beispiel einer runden Ringform beschränkt, sondern kann auch in der Form wie ein polygonaler Ring ausgebildet sein. In anderen Worten, der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist als äußerer Stapel konfiguriert, der mit Abstand von und an der Außenumfangsseite des ersten Brennstoffzellenstapels 18 als innerem Stapel angeordnet ist.As in the 1 and 2 shown is the second fuel cell stack 20 arranged so that it the outer periphery of the first fuel cell stack 18 at a distance from the first fuel cell stack 18 surrounds. That is, the second fuel cell stack 20 is designed in the form of a round ring. However, the second fuel cell stack is 20 not limited to the example of a round ring shape, but can also be shaped like a polygonal ring. In other words, the second fuel cell stack 20 is configured as an outer stack that is spaced from and on the outer peripheral side of the first fuel cell stack 18 is arranged as an inner stack.

Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 enthält eine Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68, die aufeinander gestapelt sind, sowie einen Satz von zweiten Endplatten 70, 72, die an beiden Enden der Stapelrichtung der Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68 angeordnet sind (der in 1 mit Pfeil A angegebenen Richtung). Die Stapelrichtung der Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68 ist die gleiche wie die Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28. Die zweiten Einheitszellen 68 sind als Festoxid-Brennstoffzellen konfiguriert, die durch eine elektrochemische Reaktion des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases Strom erzeugen. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt Strom mittels des sauerstoffhaltigen Gases in dem Abgas, das von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 in den ersten Zwischenraum S1 abgegeben wird.The second fuel cell stack 20 contains a plurality of second unit cells 68 stacked on top of each other and a set of second end plates 70 . 72 that are at both ends of the stacking direction of the plurality of second unit cells 68 are arranged (the in 1 direction indicated by arrow A). The stacking direction of the plurality of second unit cells 68 is the same as the stacking direction of the plurality of first unit cells 28 , The second unit cells 68 are configured as solid oxide fuel cells that generate electricity through an electrochemical reaction of the fuel gas and the oxygen-containing gas. The second fuel cell stack 20 generates electricity using the oxygen-containing gas in the exhaust gas from the first fuel cell stack 18 in the first space S1 is delivered.

Der Satz von runden ringförmigen Endplatten 70, 72 ist mit einem Verbindungselement (nicht gezeigt) versehen, um auf die Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68 in der Stapelrichtung eine Dichtziehkraft auszuüben. An der einen zweiten Endplatte 70 ist ein zweiter Brenngas-Einlass 74 ausgebildet.The set of round annular end plates 70 . 72 is provided with a connector (not shown) to connect to the plurality of second unit cells 68 exert a sealing pulling force in the stacking direction. On the second end plate 70 is a second fuel gas inlet 74 educated.

In dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 ist ein zweiter Brenngas-Zuführkanal 76 ausgebildet. Der zweite Brenngas-Zuführkanal 76 erstreckt sich in der Stapelrichtung der Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68, sodass er durch jede zweite Einheitszelle 68 hindurch geht. Der zweite Brenngas-Zuführkanal 76 geht durch die eine zweite Endplatte 70 hindurch, sodass er mit dem zweiten Brenngas-Einlass 74 in Verbindung steht.In the second fuel cell stack 20 is a second fuel gas feed channel 76 educated. The second fuel gas feed channel 76 extends in the stacking direction of the plurality of second unit cells 68 so that it passes through every second unit cell 68 goes through. The second fuel gas feed channel 76 goes through the second end plate 70 through so that it connects to the second fuel gas inlet 74 communicates.

Wie in 4 gezeigt, enthält jede zweite Einheitszelle 68 eine zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78, sowie einen zweiten Kathoden-Separator 80 und einen zweiten Anoden-Separator 82, die die zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 zwischen sich aufnehmen. Der zweite Kathoden-Separator 80 und der zweite Anoden-Separator 82 können als zweiseitiger Bipolar-Separator strukturiert sein. Die zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 enthält einen schichtartigen zweiten Elektrolyten 84, eine zweite Elektrode 86, die auf einer Oberfläche des zweiten Elektrolyten 84 angeordnet ist, sowie eine zweite Anode 88, die auf der anderen Oberfläche des zweiten Elektrolyten 84 angeordnet ist.As in 4 shown contains every other unit cell 68 a second electrolyte electrode arrangement 78 , and a second cathode separator 80 and a second anode separator 82 that the second electrolyte electrode assembly 78 record between them. The second cathode separator 80 and the second anode separator 82 can be structured as a bilateral bipolar separator. The second electrolyte electrode arrangement 78 contains a layered second electrolyte 84 , a second electrode 86 that are on a surface of the second electrolyte 84 is arranged, and a second anode 88 that are on the other surface of the second electrolyte 84 is arranged.

Der zweite Elektrolyt 84 ist in der gleichen Weise wie der erste Elektrolyt 48 strukturiert. Eine Barriereschicht (nicht gezeigt) ist an einem Außenumfangsabschnitt und einem Innenumfangsabschnitt der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 ausgebildet, um den Eintritt und Austritt des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu verhindern. Eine Barriereschicht (nicht gezeigt), um den Eintritt und den Austritt des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu verhindern, ist an einem Teil der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 ausgebildet, die den zweiten Brenngas-Zuführkanal 76 bildet.The second electrolyte 84 is in the same way as the first electrolyte 48 structured. A barrier layer (not shown) is on an outer peripheral portion and an inner peripheral portion of the second electrolyte electrode assembly 78 designed to prevent the entry and exit of the oxygen-containing gas and the fuel gas. A barrier layer (not shown) to prevent entry and exit of the oxygen-containing gas and the fuel gas is on part of the second electrolyte electrode assembly 78 formed the second fuel gas supply channel 76 forms.

Der zweite Kathoden-Separator 80 und der zweite Anoden-Separator 82 sind zum Beispiel aus Stahlblechen, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumstahlblechen, galvanisierten Stahlblechen oder Metallblechen mit antikorrosiv oberflächenbehandelten Metalloberflächen gebildet. Der zweite Kathoden-Separator 80 und der zweite Anoden-Separator 82 sind durch Löten, Diffusionskleben, Laserschweißen oder dergleichen miteinander verbunden. The second cathode separator 80 and the second anode separator 82 are formed, for example, from steel sheets, stainless steel sheets, aluminum steel sheets, galvanized steel sheets or metal sheets with anti-corrosive surface-treated metal surfaces. The second cathode separator 80 and the second anode separator 82 are connected to each other by soldering, diffusion bonding, laser welding or the like.

Der zweite Kathoden-Separator 80 hat im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78. Auf der Oberfläche des zweiten Kathoden-Separators 80, die zu der zweiten Kathode 86 weist, ist eine Mehrzahl von dritten Vorsprüngen 92 ausgebildet, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und zu der zweiten Kathode 86 hin vorstehen. In anderen Worten, die Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von dritten Vorsprüngen 92 bilden ein zweites Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 94 auf der Oberfläche des zweiten Kathoden-Separators 80, die zu der zweiten Kathode 86 weist.The second cathode separator 80 has essentially the same dimensions as the second electrolyte electrode arrangement 78 , On the surface of the second cathode separator 80 leading to the second cathode 86 has a plurality of third protrusions 92 formed, which are arranged at a distance from each other and to the second cathode 86 stick out. In other words, the spaces between the plurality of third protrusions 92 form a second oxygen-containing gas flow field 94 on the surface of the second cathode separator 80 leading to the second cathode 86 has.

Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Einströmkanal 96 zur Verbindung des ersten Zwischenraums S1 mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld ist an einem Innenumfangsabschnitt des zweiten Kathoden-Separators 80 ausgebildet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einströmkanal 96 führt das Abgas (sauerstoffhaltiges Gas), das sich in dem ersten Zwischenraum S1 befindet, in das zweite Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 94. Ein zweiter Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 98, der mit einem Zwischenraum (zweiten Zwischenraum S2) an der Außenumfangsseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 in Verbindung steht, ist an einem Außenumfangsabschnitt des zweiten Kathoden-Separators 80 ausgebildet.An oxygen-containing gas inflow channel 96 to connect the first space S1 with the oxygen-containing gas flow field is on an inner peripheral portion of the second cathode separator 80 educated. The oxygen-containing gas inflow channel 96 leads the exhaust gas (oxygen-containing gas), which is in the first space S1 located in the second oxygen-containing gas flow field 94 , A second oxygen-containing gas discharge channel 98 with a space (second space S2 ) on the outer peripheral side of the second fuel cell stack 20 communicates is on an outer peripheral portion of the second cathode separator 80 educated.

Der zweite Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 98 für überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas, das bei der Stromerzeugung durch die zweite Einheitszelle 78 nicht verbraucht wurde, als Abgas in den zweiten Zwischenraum S2 ab. Der zweite Kathoden-Separator 80 ist derart strukturiert, dass das zweite Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 94 und der zweite Brenngas-Zuführkanal 76 nicht miteinander in Verbindung stehen.The second oxygen-containing gas discharge duct 98 for excess oxygen-containing gas, which is generated by the second unit cell when generating electricity 78 was not consumed as exhaust gas in the second space S2 from. The second cathode separator 80 is structured such that the second oxygen-containing gas flow field 94 and the second fuel gas supply channel 76 are not connected.

Der zweite Anoden-Separator 82 hat im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 (im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie der zweite Kathoden-Separator 80). Auf der Oberfläche des zweiten Anoden-Separators 82, die zu der zweiten Anode 88 weist, sind eine Mehrzahl von vierten Vorsprüngen 100 ausgebildet, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und zu der zweiten Anode 88 hin vorstehen. In anderen Worten, die Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von vierten Vorsprüngen 100 bilden ein zweites Brenngas-Fließfeld 102 auf der Oberfläche des zweiten Anoden-Separators 82, die zu der zweiten Anode 88 weist.The second anode separator 82 has essentially the same dimensions as the second electrolyte electrode arrangement 78 (essentially the same dimensions as the second cathode separator 80 ). On the surface of the second anode separator 82 leading to the second anode 88 points are a plurality of fourth protrusions 100 formed, which are arranged at a distance from each other and to the second anode 88 stick out. In other words, the spaces between the plurality of fourth protrusions 100 form a second fuel gas flow field 102 on the surface of the second anode separator 82 leading to the second anode 88 has.

Das zweite Brenngas-Fließfeld 102 steht mit dem zweiten Brenngas-Zuführkanal 76 in Verbindung. Der zweite Anoden-Separator 82 ist derart strukturiert, dass das zweite Brenngas-Fließfeld 102 und der erste Zwischenraum S1 nicht miteinander in Verbindung stehen.The second fuel gas flow field 102 stands with the second fuel gas supply channel 76 in connection. The second anode separator 82 is structured such that the second fuel gas flow field 102 and the first space S1 are not connected.

An einem Außenumfangs-Abschnitt des zweiten Anoden-Separators 82 ist ein zweiter Brenngas-Abführkanal 104 ausgebildet, der das zweite Brenngas-Fließfeld 102 mit dem zweiten Zwischenraum S2 verbindet. Der zweite Brenngas-Abführkanal 104 führt überschüssiges Brenngas, das bei der Stromerzeugung durch die zweite Einheitszelle 68 nicht verbraucht wurde, als Abgas von dem zweiten Brenngas-Fließfeld 102 in den zweiten Zwischenraum S2 ab. Das heißt, der zweite Brennstoffzellenstapel 20 führt Abgas, das sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas enthält, in den zweiten Zwischenraum S2 ab.On an outer peripheral portion of the second anode separator 82 is a second fuel gas discharge duct 104 formed the second fuel gas flow field 102 with the second space S2 combines. The second fuel gas discharge duct 104 carries excess fuel gas that is generated by the second unit cell during power generation 68 was not consumed as exhaust gas from the second fuel gas flow field 102 in the second space S2 from. That is, the second fuel cell stack 20 leads exhaust gas containing oxygen-containing gas and fuel gas into the second space S2 from.

In den 1 und 2 ist die erste Heizvorrichtung 22 in dem ersten Zwischenraum S1 angeordnet, der ein Zwischenraum zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel 18 und den zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zu erwärmen. Die erste Heizvorrichtung 22 enthält einen ersten Brenner 106 als Brenner, der das vom ersten Brennstoffzellenstapel 108 in den ersten Zwischenraum S1 abgegebene Abgas (sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas) verbrennt. Der erste Brenner 106 enthält einen runden ringförmigen ersten Brennerkörper 108 und erste Verbrennerabschnitte 110, die in dem ersten Brennerkörper 108 mit gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung vorgesehen sind. Der erste Brennerkörper 108 ist an dem Gehäuse 26 befestigt, sodass er die erste Endplatte 30 umgibt.In the 1 and 2 is the first heater 22 in the first space S1 arranged, the space between the first fuel cell stack 18 and the second fuel cell stack 20 is to the first fuel cell stack 18 and the second fuel cell stack 20 to warm up. The first heater 22 contains a first burner 106 as a burner that from the first fuel cell stack 108 in the first space S1 emitted exhaust gas (oxygen-containing gas and fuel gas) burns. The first burner 106 contains a round annular first burner body 108 and first combustor sections 110 that in the first burner body 108 are provided at equal intervals in the circumferential direction. The first burner body 108 is on the case 26 attached so that it is the first end plate 30 surrounds.

Die zweite Heizvorrichtung 24 ist in dem zweiten Zwischenraum S2 angeordnet, der ein Zwischenraum zwischen dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 und einer Seitenwand des Gehäuses 26 ist, um den zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zu erwärmen. Die zweite Heizvorrichtung 24 enthält einen zweiten Brenner 112 als Brenner, der das vom zweiten Brennstoffzellenstapel 20 in den zweiten Zwischenraum S2 abgegebene Abgas (sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas) verbrennt. Der zweite Brenner 112 enthält einen runden ringförmigen zweiten Brennerkörper 114 und zweite Verbrennerabschnitte 116, die in dem zweiten Brennerkörper 114 mit gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung vorgesehen sind. Der zweite Brennerkörper 114 ist an dem Gehäuse 26 befestigt, sodass er die zweite Endplatte 70 umgibt.The second heater 24 is in the second space S2 arranged, the space between the second fuel cell stack 20 and a side wall of the housing 26 is to the second fuel cell stack 20 to warm up. The second heater 24 contains a second burner 112 as a burner that from the second fuel cell stack 20 in the second space S2 emitted exhaust gas (oxygen-containing gas and fuel gas) burns. The second burner 112 contains a round annular second burner body 114 and second combustor sections 116 that in the second burner body 114 are provided at equal intervals in the circumferential direction. The second burner body 114 is on the case 26 attached so that it has the second end plate 70 surrounds.

Die erste Heizvorrichtung 22 und die zweite Heizvorrichtung 24 brauchen nicht notwendigerweise als Brenner konfiguriert zu sein. Insbesondere können die erste Heizvorrichtung 22 und die zweite Heizvorrichtung 24 auch einen elektrischen Heizer und/oder eine Induktionsheizwicklung enthalten. Bevorzugt sind der elektrische Heizer und die Induktionsheizwicklung als erste Heizvorrichtung 22 spiralig in dem ersten Zwischenraum S1 angeordnet, sodass die den ersten Brennstoffzellenstapel 18 zum Beispiel über die volle Länge der Stapelrichtung des ersten Brennstoffzellenstapels 18 umgeben. Dies ist so, weil er dann den ersten Brennstoffzellenstapel 18 insgesamt gleichmäßig und effizient erwärmen kann. Bevorzugt sind der elektrische Heizer und die Induktionsheizwicklung als die zweite Heizvorrichtung 24 spiralig in dem zweiten Zwischenraum S2 angeordnet, sodass sie den zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zum Beispiel über die volle Länge der Stapelrichtung des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 umgeben. Dies ist so, weil er dann den gesamten zweiten Brennstoffzellenstapel 20 gleichmäßig und effizient erwärmen kann. The first heater 22 and the second heater 24 need not necessarily be configured as a burner. In particular, the first heating device 22 and the second heater 24 also include an electric heater and / or an induction heating coil. The electric heater and the induction heating winding are preferred as the first heating device 22 spiral in the first space S1 arranged so that the first fuel cell stack 18 for example over the full length of the stacking direction of the first fuel cell stack 18 surround. This is because it is the first fuel cell stack 18 overall can heat evenly and efficiently. The electric heater and the induction heating winding are preferred as the second heating device 24 spiral in the second space S2 arranged so that the second fuel cell stack 20 for example over the full length of the stacking direction of the second fuel cell stack 20 surround. This is because it then covers the entire second fuel cell stack 20 can heat evenly and efficiently.

Das Gehäuse 26 nimmt den ersten Brennstoffzellenstapel 18, den zweiten Brennstoffzellenstapel 20, die erste Heizvorrichtung 22 und die zweite Heizvorrichtung 24 auf. Das Gehäuse hat eine Auslassöffnung (nicht gezeigt), um das Abgas aus dem zweiten Zwischenraum S2 abzuführen.The housing 26 takes the first fuel cell stack 18 , the second fuel cell stack 20 , the first heater 22 and the second heater 24 on. The housing has an exhaust port (not shown) for exhaust gas from the second space S2 dissipate.

Wie in 1 gezeigt, enthält die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführweg 118 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34. Zum Beispiel wird Luft als das sauerstoffhaltige Gas verwendet. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 enthält eine Luftpumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases (der Luft) zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführweg 118. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 enthält ferner einen Wärmetauscher (nicht gezeigt) zum Erwärmen des dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34 zugeführten sauerstoffhaltigen Gases mittels des von dem System körper 12 abgegebenen Abgases.As in 1 shown contains the oxygen-containing gas supply device 14 an oxygen-containing gas supply path 118 for supplying the oxygen-containing gas to the oxygen-containing gas inlet 34 , For example, air is used as the oxygen-containing gas. The oxygen-containing gas supply device 14 includes an air pump (not shown) for supplying the oxygen-containing gas (air) to the oxygen-containing gas supply path 118 , The oxygen-containing gas supply device 14 also includes a heat exchanger (not shown) for heating the oxygen-containing gas inlet 34 supplied oxygen-containing gas by means of the exhaust gas emitted from the system body 12.

Die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 enthält einen ersten Brenngas-Zuführweg 120, ein erstes Öffnungs-/Schließventil 122, einen zweiten Brenngas-Zuführweg 124 sowie ein zweites Öffnungs-/Schließventil 126. Der erste Brenngas-Zuführweg führt Brenngas dem ersten Brenngas-Einlass 36 zu. Das erste Öffnungs-/Schließventil 122 ist auf dem ersten Brenngas-Zuführweg 120 angeordnet, um den ersten Brenngas-Zuführweg 120 zu öffnen und zu schließen. Der zweite Brenngas-Zuführweg 124 führt das Brenngas dem zweiten Brenngas-Einlass 74 zu. Der zweite Brenngas-Zuführweg 124 zweigt von dem ersten Brenngas-Zuführweg 120 ab. Das zweite Öffnungs-/Schließventil 126 ist auf dem zweiten Brenngas-Zuführweg 124 angeordnet, um den zweiten Brenngas-Zuführweg 124 zu öffnen und zu schließen.The fuel gas supply device 16 contains a first fuel gas supply path 120 , a first opening / closing valve 122 , a second fuel gas supply path 124 and a second opening / closing valve 126 , The first fuel gas supply path leads fuel gas to the first fuel gas inlet 36 to. The first opening / closing valve 122 is on the first fuel gas supply path 120 arranged around the first fuel gas supply path 120 to open and close. The second fuel gas supply route 124 leads the fuel gas to the second fuel gas inlet 74 to. The second fuel gas supply route 124 branches from the first fuel gas supply path 120 from. The second opening / closing valve 126 is on the second fuel gas supply path 124 arranged around the second fuel gas supply path 124 to open and close.

Die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 enthält einen Teiloxidationsreformer (nicht gezeigt), der konfiguriert ist, um durch Reformieren von hauptsächlich Kohlenwasserstoff (zum Beispiel Stadtgas) enthaltendem Rohbrennstoff durch eine Teiloxidationsreaktion mit dem Rohbrennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas ein Brenngas (zum Beispiel Wasserstoffgas) zu erzeugen, das dem Systemkörper 12 zugeführt wird. Die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 kann ferner einen Dampfreformer (nicht gezeigt) enthalten, der konfiguriert ist, um durch Reformieren eines Mischgases von Rohbrennstoff und Dampf Brenngas zu erzeugen, das dem Systemkörper 12 zugeführt wird. In diesem Fall sind der Dampfreformer und der Teiloxidationsreformer seriell verbunden. Die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 enthält ferner eine Rohbrennstoffpumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen des Rohbrennstoffs.The fuel gas supply device 16 includes a partial oxidation reformer (not shown) configured to generate a fuel gas (e.g., hydrogen gas) that reforms the system body by reforming raw fuel containing mainly hydrocarbon (e.g., city gas) through a partial oxidation reaction with the raw fuel and the oxygen-containing gas 12 is fed. The fuel gas supply device 16 may further include a steam reformer (not shown) configured to generate fuel gas that reforms the system body by reforming a mixed gas of raw fuel and steam 12 is fed. In this case, the steam reformer and the partial oxidation reformer are connected in series. The fuel gas supply device 16 also includes a raw fuel pump (not shown) for supplying the raw fuel.

Die Steuereinheit 17 steuert die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 (Luftpumpe) und die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 (Rohbrennstoffpumpe). Die Steuereinheit 17 steuert ferner den Antrieb des ersten Öffnungs-/Schließventils 122 und des zweiten Öffnungs-/Schließventils 126. Die Steuereinheit 17 sorgt für eine derartige Steuerung, dass der erste Brennstoffzellenstapel 18 vor dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 gestartet wird.The control unit 17 controls the oxygen-containing gas supply device 14 (Air pump) and the fuel gas supply device 16 (Rohbrennstoffpumpe). The control unit 17 also controls the drive of the first opening / closing valve 122 and the second opening / closing valve 126 , The control unit 17 ensures such control that the first fuel cell stack 18 before the second fuel cell stack 20 is started.

Nachfolgend wird der Betrieb des auf diese Weise konfigurierten Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.The following is the operation of the fuel cell system configured in this way 10 described.

Beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems 10 wird in diesem zuerst nur der erste Brennstoffzellenstapel 18 gestartet. Das heißt, wie in 1 gezeigt, die Steuereinheit 17 treibt die Luftpumpe (nicht gezeigt) der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 an, um das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführweg 118 den ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeldern 58 durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34 zuzuführen. Das in die ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelder 58 eingeführte sauerstoffhaltige Gas bewegt sich entlang den ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeldern 58, sodass es den ersten Kathoden 50 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen 42 zugeführt wird.When starting up the fuel cell system 10 only the first fuel cell stack 18 started. That is, as in 1 shown the control unit 17 drives the air pump (not shown) of the oxygen-containing gas supply device 14 to the oxygen-containing gas from the oxygen-containing gas supply path 118 the first oxygen-containing gas flow fields 58 through the oxygen-containing gas inlet 34 supply. That in the first oxygen-containing gas flow fields 58 imported oxygen-containing gas moves along the first oxygen-containing gas flow fields 58 , making it the first cathode 50 of the first electrolyte electrode arrangements 42 is fed.

Beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems öffnet, in der Brenngas-Zuführvorrichtung 16, die Steuereinheit 17 das erste Öffnungs-/Schließventil 122 und schließt das zweite Öffnungs-/Schließventil 126. Dann treibt die Steuereinheit 16 die Rohbrennstoffpumpe (nicht gezeigt) der Brenngas-Zuführvorrichtung 16 an, um das Brenngas von dem ersten Brenngas-Zuführweg 120 den ersten Brenngas-Fließfeldern 64 durch den ersten Brenngas-Einlass 36 zuzuführen. Das in die ersten Brenngas-Fließfelder 64 eingeführte Brenngas bewegt sich entlang den ersten Brenngas-Fließfeldern 64, sodass es den ersten Anoden 52 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen 42 zugeführt wird.When the fuel cell system starts up, it opens in the fuel gas supply device 16 , the control unit 17 the first opening / closing valve 122 and closes the second opening / closing valve 126 , Then the control unit drives 16 the raw fuel pump (not shown) of the fuel gas feeder 16 to the fuel gas from the first fuel gas supply path 120 the first fuel gas flow fields 64 through the first fuel gas inlet 36 supply. That into the first fuel gas flow fields 64 Introduced fuel gas moves along the first fuel gas flow fields 64 so it's the first anode 52 of the first electrolyte electrode arrangements 42 is fed.

Dementsprechend werden in jeder ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 das der ersten Anode 52 zugeführte Brenngas und das der ersten Kathode 50 zugeführte sauerstoffhaltige Gas durch elektrochemische Reaktionen verbraucht, um Strom zu erzeugen. Die Mengen des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases, die dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 zugeführt werden, sind größer als die Mengen des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases, die bei der Stromerzeugung in dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 verbraucht werden. Auch wird dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 mehr überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas als das Brenngas zugeführt.Accordingly, in every first electrolyte electrode arrangement 42 that of the first anode 52 supplied fuel gas and that of the first cathode 50 supplied oxygen-containing gas consumed by electrochemical reactions to generate electricity. The amounts of the oxygen-containing gas and the fuel gas that make up the first fuel cell stack 18 are supplied are larger than the amounts of the oxygen-containing gas and the fuel gas which are generated during the generation of electricity in the first fuel cell stack 18 be consumed. Also the first fuel cell stack 18 more excess oxygen-containing gas than the fuel gas supplied.

Überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas in dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 wird als Abgas von dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 60 in den ersten Zwischenraum S1 abgeführt. Überschüssiges Brenngas in dem ersten Brenngas-Fließfeld 64 wird als Abgas von dem ersten Brenngas-Abführkanal 66 in den ersten Zwischenraum S1 abgeführt.Excess oxygen-containing gas in the first oxygen-containing gas flow field 58 is used as exhaust gas from the first oxygen-containing gas discharge duct 60 in the first space S1 dissipated. Excess fuel gas in the first fuel gas flow field 64 is used as exhaust gas from the first fuel gas discharge duct 66 in the first space S1 dissipated.

Das Abgas (Abgas, das sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas enthält), das von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 in den ersten Zwischenraum S1 abgeführt wird, wird als Brennstoff für den ersten Brenner 106 genutzt. Das heißt, der erste Brenner 106 verbrennt das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas in dem Abgas, das von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 in den ersten Zwischenraum S1 abgegeben wird. Der erste Brennstoffzellenstapel 18 und der zweite Brennstoffzellenstapel 20 werden somit erwärmt. Der erste Brennstoffzellenstapel 18 wird somit rasch gestartet.The exhaust gas (exhaust gas containing oxygen-containing gas and fuel gas) from the first fuel cell stack 18 in the first space S1 dissipated is used as fuel for the first burner 106 used. That is, the first burner 106 combusts the oxygen-containing gas and the fuel gas in the exhaust gas from the first fuel cell stack 18 in the first space S1 is delivered. The first fuel cell stack 18 and the second fuel cell stack 20 are thus heated. The first fuel cell stack 18 is thus started quickly.

Wenn die Last des Brennstoffzellenstapels 10 relativ gering ist, wird nur der erste Brennstoffzellenstapel 18 betrieben und wird der zweite Brennstoffzellenstapel 20 nicht betrieben. Wenn andererseits die Last des Brennstoffzellensystems 10 zunimmt, werden sowohl der erste Brennstoffzellenstapel 18 als auch der zweite Brennstoffzellenstapel 20 betrieben.When the load of the fuel cell stack 10 is relatively small, only the first fuel cell stack 18 operated and becomes the second fuel cell stack 20 not operated. On the other hand, when the load of the fuel cell system 10 increases, both the first fuel cell stack 18 as well as the second fuel cell stack 20 operated.

In diesem Fall öffnet die Steuereinheit 17 das zweite Öffnungs-/Schließventil 26, während es das erste Öffnungs-/Schließventil 22 offen hält. Das Brenngas wird dann von dem zweiten Brenngas-Zuführweg 124 den zweiten Brenngas-Fließfeldern 102 durch den zweiten Brenngas-Einlass 74 zugeführt. In dem Brennstoffzellensystem 10 wird dem zweiten Brenngas-Einlass 74 eine größere Brenngasmenge als die in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 verbrauchte Brenngasmenge zugeführt. Das in die zweiten Brenngas-Fließfelder 102 eingeführte Brenngas bewegt sich entlang den zweiten Brenngas-Fließfeldern 102, sodass es den zweiten Anoden 88 der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 zugeführt wird.In this case, the control unit opens 17 the second opening / closing valve 26 while it is the first opening / closing valve 22 keeps open. The fuel gas is then from the second fuel gas supply path 124 the second fuel gas flow fields 102 through the second fuel gas inlet 74 fed. In the fuel cell system 10 becomes the second fuel gas inlet 74 a larger amount of fuel gas than that in the second fuel cell stack 20 amount of fuel gas supplied. That into the second fuel gas flow fields 102 Introduced fuel gas moves along the second fuel gas flow fields 102 so it's the second anode 88 the second electrolyte electrode arrangement 78 is fed.

Andererseits wird das in dem ersten Brenner 106 teilweise verbrauchte Abgas zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 geführt. Insbesondere wird das überschüssige sauerstoffhaltiges Gas enthaltende Abgas in die zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelder 94 durch die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einströmkanäle 96 des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 eingeführt und bewegt sich entlang den zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeldern 94, sodass es den zweiten Kathoden 86 der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen 78 zugeführt wird.On the other hand, it will be in the first burner 106 partially used exhaust gas to the second fuel cell stack 20 guided. In particular, the excess oxygen-containing gas is exhausted into the second oxygen-containing gas flow fields 94 through the oxygen-containing gas inflow channels 96 of the second fuel cell stack 20 introduced and moving along the second oxygen-containing gas flow fields 94 so it's the second cathode 86 of the second electrolyte electrode arrangements 78 is fed.

Somit werden in jeder zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 das der zweiten Anode 88 zugeführte Brenngas und das der zweiten Kathode 86 zugeführte sauerstoffhaltige Gas durch elektrochemische Reaktionen verbraucht, um Strom zu erzeugen. Dann wird das überschüssige sauerstoffhaltige Gas in dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 94 als Abgas von dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 98 in den zweiten Zwischenraum S2 abgeführt. Überschüssiges Brenngas in dem zweiten Brenngas-Fließfeld 102 wird als Abgas von dem zweiten Brenngas-Abführkanal 104 in den zweiten Zwischenraum S2 abgeführt.Thus, in every second electrolyte electrode arrangement 78 that of the second anode 88 supplied fuel gas and that of the second cathode 86 supplied oxygen-containing gas consumed by electrochemical reactions to generate electricity. Then the excess oxygen-containing gas in the second oxygen-containing gas flow field 94 as exhaust gas from the second oxygen-containing gas discharge duct 98 in the second space S2 dissipated. Excess fuel gas in the second fuel gas flow field 102 is used as exhaust gas from the second fuel gas discharge duct 104 in the second space S2 dissipated.

Das Abgas (Abgas, das sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas enthält), das von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 in den zweiten Zwischenraum S2 abgeführt wird, wird als Brennstoff für den zweiten Brenner 112 genutzt. Das heißt, der zweite Brenner 112 verbrennt das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas in dem Abgas, das von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 ab in den zweiten Zwischenraum S2 abgegeben wird. Somit wird der zweite Brennstoffzellenstapel 20 rasch gestartet.The exhaust gas (exhaust gas containing oxygen-containing gas and fuel gas) from the second fuel cell stack 20 in the second space S2 dissipated is used as fuel for the second burner 112 used. That is, the second burner 112 combusts the oxygen-containing gas and the fuel gas in the exhaust gas from the second fuel cell stack 20 off into the second space S2 is delivered. Thus, the second fuel cell stack 20 started quickly.

In diesem Fall bietet das Brennstoffzellensystem 10 gemäß dieser Ausführung die folgenden Effekte:

  • Ein Brennstoffzellensystem 10 enthält einen ersten Brennstoffzellenstapel 18; und einen zweiten Brennstoffzellenstapel 20, der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels 18 mit einem Zwischenraum von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 umgibt. Jeder des ersten Brennstoffzellenstapels 18 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 enthält Festoxid-Brennstoffzellen.
In this case, the fuel cell system offers 10 According to this version, the following effects:
  • A fuel cell system 10 contains a first fuel cell stack 18 ; and a second fuel cell stack 20 that is arranged to have an outer periphery of the first fuel cell stack 18 with a gap from the first fuel cell stack 18 surrounds. Each of the first fuel cell stack 18 and the second fuel cell stack 20 contains solid oxide fuel cells.

Somit ist es möglich, nur den ersten Brennstoffzellenstapel 18 zu starten, wenn das Brennstoffzellensystem 10 gestartet wird, und daher kann die Wärmekapazität kleiner gemacht werden als im Falle des Startens des gesamten Brennstoffzellenstapels (sowohl des ersten Brennstoffzellenstapels 18 als auch des zweiten Brennstoffzellenstapels 20). Wenn der erste Brennstoffzellenstapel 18 gestartet wird, ist es auch möglich, die von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgestrahlte Wärme zu nutzen, um die Temperatur des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 anzuheben. Dies verkürzt effizient die Hochfahrzeit des Brennstoffzellensystems 10. Es ist weiter möglich, im Teillastbetrieb nur einen des ersten Brennstoffzellenstapels 18 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 zu betreiben, was eine Minderung der Brennstoff-Nutzungsrate vermeidet. Dies wiederum vermeidet eine Minderung der Stromerzeugungseffizienz während Teillastbetrieb. It is thus possible to only use the first fuel cell stack 18 to start when the fuel cell system 10 is started, and therefore the heat capacity can be made smaller than in the case of starting the entire fuel cell stack (both the first fuel cell stack 18 as well as the second fuel cell stack 20 ). When the first fuel cell stack 18 is started, it is also possible that from the first fuel cell stack 18 radiated heat to use to the temperature of the second fuel cell stack 20 to raise. This efficiently shortens the startup time of the fuel cell system 10 , It is also possible, in part-load operation, only one of the first fuel cell stacks 18 and the second fuel cell stack 20 to operate, which avoids a reduction in the fuel use rate. This in turn avoids a reduction in power generation efficiency during part-load operation.

Der erste Brennstoffzellenstapel 18 entlädt Abgas in einen Zwischenraum (ersten Zwischenraum S1) zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20. Das von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgeführte Abgas kann dann dazu genutzt werden, die Temperatur des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 anzuheben. Das heißt, der zweite Brennstoffzellenstapel 20 kann in einem warmen Zustand gehalten werden, sodass der zweite Brennstoffzellenstapel 20 rasch in Betrieb genommen werden kann, wenn die Last des Brennstoffzellensystems 10 zugenommen hat.The first fuel cell stack 18 discharges exhaust gas into a space (first space S1 ) between the first fuel cell stack 18 and the second fuel cell stack 20 , That from the first fuel cell stack 18 The exhaust gas that is removed can then be used to determine the temperature of the second fuel cell stack 20 to raise. That is, the second fuel cell stack 20 can be kept warm so that the second fuel cell stack 20 can be put into operation quickly when the load on the fuel cell system 10 has increased.

Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt Strom mittels des vom ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgegebenen Abgases. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 kann somit effizient betrieben werden.The second fuel cell stack 20 generates electricity using that from the first fuel cell stack 18 emitted exhaust gas. The second fuel cell stack 20 can thus be operated efficiently.

Eine Heizvorrichtung (erste Heizvorrichtung 22), die konfiguriert ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel 18 zu erwärmen, ist in dem Zwischenraum (ersten Zwischenraum S1) zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet. Die Heizvorrichtung (erste Heizvorrichtung 22) kann somit die Temperatur des ersten Brennstoffzellenstapels 18 effizient anheben.A heater (first heater 22 ), which is configured to the first fuel cell stack 18 is to be heated in the space (first space S1 ) between the first fuel cell stack 18 and the second fuel cell stack 20 arranged. The heater (first heater 22 ) can thus the temperature of the first fuel cell stack 18 lift efficiently.

Die Heizvorrichtung (erste Heizvorrichtung 22) enthält einen Brenner (ersten Brenner 106), der das vom ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgegebene Abgas verbrennt. Dies verkürzt effizient die Hochfahrzeit des ersten Brennstoffzellenstapels 18.The heater (first heater 22 ) contains a burner (first burner 106 ) that of the first fuel cell stack 18 exhaust gas burns. This efficiently shortens the startup time of the first fuel cell stack 18 ,

Der Brenner (erste Brenner 106) enthält eine Mehrzahl von Brennerabschnitten (ersten Brennerabschnitten 110), die in Umfangsrichtung des ersten Brennstoffzellenstapels 18 mit Abstand voneinander angeordnet sind. Dies macht es möglich, die Temperatur des gesamten ersten Brennstoffzellenstapels 18 gleichmäßig anzuheben.The burner (first burner 106 ) contains a plurality of burner sections (first burner sections 110 ) in the circumferential direction of the first fuel cell stack 18 are spaced apart. This makes it possible to control the temperature of the entire first fuel cell stack 18 lift evenly.

Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist in einer ringartigen Form konfiguriert. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 unterdrückt somit effizient eine Wärmeabstrahlung des ersten Brennstoffzellenstapels 18.The second fuel cell stack 20 is configured in a ring-like shape. The second fuel cell stack 20 thus efficiently suppresses heat radiation from the first fuel cell stack 18 ,

Das Brennstoffzellensystem 10 enthält ferner eine Steuereinheit 17, die konfiguriert ist, um für eine solche Steuerung zu sorgen, dass der erste Brennstoffzellenstapel 18 vor dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 gestartet wird. Die Steuereinheit 17 braucht somit zuerst nur den ersten Brennstoffzellenstapel 18 starten.The fuel cell system 10 also contains a control unit 17 configured to provide such control that the first fuel cell stack 18 before the second fuel cell stack 20 is started. The control unit 17 thus only needs the first fuel cell stack first 18 start.

Das Brennstoffzellensystem 10 enthält ferner: eine Brenngas-Zuführvorrichtung 16, die konfiguriert ist, um ein Brenngas dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen; sowie eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14, die konfiguriert ist, um ein sauerstoffhaltiges Gas dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 zuzuführen. Der zweite Brennstoffzellenstapel erzeugt Strom mittels des Abgases, das das vom ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgegebene sauerstoffhaltige Gas und das von der Brenngas-Zuführvorrichtung 16 zugeführte Brenngas enthält. Es ist dann möglich, nur einen des ersten Brennstoffzellenstapels 18 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 zu betreiben, wenn das Brennstoffzellensystem 10 bei Teillast oder niedriger Last Strom erzeugt. Dies vermeidet eine Verminderung der Stromerzeugungseffizienz.The fuel cell system 10 further includes: a fuel gas supply device 16 that is configured to deliver a fuel gas to the first fuel cell stack 18 and the second fuel cell stack 20 supply; and an oxygen-containing gas supply device 14 that is configured to supply an oxygen-containing gas to the first fuel cell stack 18 supply. The second fuel cell stack generates electricity using the exhaust gas that is from the first fuel cell stack 18 discharged oxygen-containing gas and that from the fuel gas supply device 16 contains supplied fuel gas. It is then possible to use only one of the first fuel cell stacks 18 and the second fuel cell stack 20 operate when the fuel cell system 10 generates electricity at partial load or low load. This avoids a reduction in the power generation efficiency.

Eine äußere Heizvorrichtung (zweite Heizvorrichtung 24), die konfiguriert ist, um den zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zu erwärmen, ist an einer Außenumfangsseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 kann somit von der äußeren Heizvorrichtung (zweiten Heizvorrichtung 24) erwärmt werden. Dies verkürzt effizient die Hochfahrzeit des zweiten Brennstoffzellenstapels 20.An external heater (second heater 24 ), which is configured to the second fuel cell stack 20 is to be heated on an outer circumferential side of the second fuel cell stack 20 arranged. The second fuel cell stack 20 can thus from the outer heater (second heater 24 ) are heated. This efficiently shortens the startup time of the second fuel cell stack 20 ,

Der erste Brennstoffzellenstapel 18 ist aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten ersten Einheitszellen 28 gebildet. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist aus einer Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68 gebildet, die in der gleichen Richtung wie die Mehrzahl der ersten Einheitszellen 28 aufeinander gestapelt sind. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 10 kann somit kompakt gemacht werden.The first fuel cell stack 18 is made up of a plurality of first unit cells stacked one on top of the other 28 educated. The second fuel cell stack 20 is made up of a plurality of second unit cells 68 formed in the same direction as the majority of the first unit cells 28 are stacked on top of each other. The second fuel cell stack 20 is orthogonal to the stacking direction of the plurality of first unit cells 28 arranged. The fuel cell system 10 can thus be made compact.

Nun wird ein erster Brennstoffzellenstapel 18 gemäß einer Modifikation in Bezug auf 5A beschrieben. Für den ersten Brennstoffzellenstapel 18a dieser Modifikation sind gleiche Bauelemente wie jene des oben beschriebenen ersten Brennstoffzellenstapels 18 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und detaillierte Beschreibungen davon werden nicht wiederholt. Das gleiche gilt für einen ersten Brennstoffzellenstapel 18b gemäß einer später beschriebenen anderen Modifikation.Now a first fuel cell stack 18 according to a modification with respect to 5A described. For the first fuel cell stack 18a This modification has the same components as those of the first fuel cell stack described above 18 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are not repeated. The same applies to a first fuel cell stack 18b according to another modification described later.

Wie in 5A gezeigt, enthält eine erste Brennstoffzelle 28a des ersten Brennstoffzellenstapels 18 einen Zellkörper 130, einen Gaseinführabschnitt 132 sowie einen Verbindungsabschnitt 134. Der Zellkörper 130 enthält eine erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42. In dem rund geformten Zellkörper 130 ist ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 ausgebildet. In dem rund geformten Gaseinfuhrabschnitt 132 ist ein erster Brenngas-Zuführkanal 140 ausgebildet, der sich entlang der Richtung erstreckt, in der eine Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 gestapelt sind (der Richtung senkrecht zum Blatt von 5A). Der Verbindungsabschnitt 134 verbindet den Gaseinführabschnitt 132 mit den Zellkörper 130. In dem Verbindungsabschnitt 134 ist ein Gaseinführweg 136 ausgebildet, um das Brenngas in dem ersten Brenngas-Zuführkanal 140 in die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 des Zellkörpers 130 zu führen.As in 5A shown contains a first fuel cell 28a of the first fuel cell stack 18 a cell body 130 , a gas introduction section 132 as well as a connecting section 134 , The cell body 130 contains a first electrolyte electrode arrangement 42 , In the round cell body 130 is an oxygen-containing gas feed channel 38 educated. In the round gas inlet section 132 is a first fuel gas feed channel 140 formed extending along the direction in which a plurality of first unit cells 28 are stacked (the direction perpendicular to the sheet of 5A) , The connecting section 134 connects the gas introduction section 132 with the cell body 130 , In the connection section 134 is a gas inlet path 136 formed to the fuel gas in the first fuel gas supply channel 140 into the first electrolyte electrode arrangement 42 of the cell body 130 respectively.

Gemäß dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 wird das Brenngas von dem ersten Brenngas-Zuführkanal 40 der ersten Anode 52 durch den Gaseinführweg 136 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 zugeführt. Der auf diese Weise konfigurierte ersten Brennstoffzellenstapel 18a bietet die gleichen Effekte wie der oben beschriebenen erste Brennstoffzellenstapel 18.According to the first fuel cell stack 18 the fuel gas from the first fuel gas supply channel 40 the first anode 52 through the gas inlet path 136 the first electrolyte electrode arrangement 42 fed. The first fuel cell stack configured in this way 18a offers the same effects as the first fuel cell stack described above 18 ,

In dem ersten Brennstoffzellenstapel 18a kann der erste Brenngas-Zuführkanal 40 in dem Zellkörper 130 ausgebildet werden, und kann der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 in dem Gaseinführabschnitt 132 ausgebildet werden.In the first fuel cell stack 18a can the first fuel gas supply channel 40 in the cell body 130 can be formed, and the oxygen-containing gas supply channel 38 in the gas introduction section 132 be formed.

Nun wird ein erster Brennstoffzellenstapel 18b gemäß einer anderen Modifikation in Bezug auf 5B beschrieben. Wie in 5B gezeigt, enthält eine erste Einheitszelle 28b des ersten Brennstoffzellenstapels 18b einen Zellkörper 140, einen ersten Gaseinführabschnitt 142, einen ersten Verbindungsabschnitt 144, einen zweiten Gaseinführabschnitt 146 sowie einen zweiten Verbindungsabschnitt 148.Now a first fuel cell stack 18b according to another modification with respect to 5B described. As in 5B shown contains a first unit cell 28b of the first fuel cell stack 18b a cell body 140 , a first gas introduction section 142 , a first connection section 144 , a second gas introduction section 146 and a second connection section 148 ,

Der rund geformte Zellkörper 140 enthält eine erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42. In dem rund geformten ersten Gaseinführabschnitt 142 ist ein erster Brenngas-Zuführkanal 140 ausgebildet, der sich entlang der Stapelrichtung einer Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28b erstreckt (der Richtung senkrecht zum Blatt von 5B). Der erste Verbindungsabschnitt 144 verbindet den ersten Gaseinführabschnitt 142 mit dem Zellkörper 140. In dem ersten Verbindungsabschnitt 144 ist ein erster Gaseinführweg 150 ausgebildet, um das Brenngas in dem ersten Brenngas-Zuführkanal 140 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 des Zellkörpers 140 zu leiten.The round-shaped cell body 140 contains a first electrolyte electrode arrangement 42 , In the round shaped first gas introduction section 142 is a first fuel gas feed channel 140 formed which extends along the stacking direction of a plurality of first unit cells 28b extends (the direction perpendicular to the sheet of 5B) , The first connection section 144 connects the first gas introduction section 142 with the cell body 140 , In the first connection section 144 is a first gas introduction route 150 formed to the fuel gas in the first fuel gas supply channel 140 the first electrolyte electrode arrangement 42 of the cell body 140 to lead.

In dem rund geformten zweiten Gaseinführabschnitt 146 ist ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 ausgebildet, der sich in der Stapelrichtung einer Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28b erstreckt (der Richtung senkrecht zum Blatt von 5B). Der zweite Verbindungsabschnitt 148 verbindet den zweiten Gaseinführabschnitt 146 mit dem Zellkörper 140. In dem zweiten Verbindungsabschnitt 148 ist ein zweiter Gaseinführweg 152 ausgebildet, um das sauerstoffhaltige Gas in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 zur ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 des Zellkörpers 140 zu leiten. Der erste Gaseinführabschnitt 142 und der zweite Gaseinführabschnitt 146 sind an entgegengesetzten Seiten, mit dem dazwischen angeordneten Zellkörper 140, angeordnet. Jedoch können der erste Gaseinführabschnitt 142 und der zweite Gaseinführabschnitt 146 auch an beliebigen Positionen angeordnet werden.In the round shaped second gas introduction section 146 is an oxygen-containing gas feed channel 38 formed in the stacking direction of a plurality of first unit cells 28b extends (the direction perpendicular to the sheet of 5B) , The second connection section 148 connects the second gas introduction section 146 with the cell body 140 , In the second connection section 148 is a second gas inlet path 152 formed to the oxygen-containing gas in the oxygen-containing gas supply channel 38 to the first electrolyte electrode arrangement 42 of the cell body 140 to lead. The first gas introduction section 142 and the second gas introduction section 146 are on opposite sides, with the cell body arranged between them 140 , arranged. However, the first gas introduction section 142 and the second gas introduction section 146 can also be arranged at any position.

Gemäß dem ersten Brennstoffzellenstapel 18b wird das Brenngas der ersten Anode 52 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 von dem ersten Brenngas-Zuführkanal 40 durch den ersten Gaseinführweg 150 zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas wird der ersten Kathode 50 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 durch den zweiten Gaseinführweg 152 zugeführt. Der erste Brennstoffzellenstapel 18b bietet auch die gleichen Effekte wie der oben beschriebene erste Brennstoffzellenstapel 18.According to the first fuel cell stack 18b becomes the fuel gas of the first anode 52 the first electrolyte electrode arrangement 42 from the first fuel gas supply channel 40 through the first gas inlet path 150 fed. The oxygen-containing gas becomes the first cathode 50 the first electrolyte electrode arrangement 42 from the oxygen-containing gas supply channel 38 through the second gas introduction path 152 fed. The first fuel cell stack 18b also offers the same effects as the first fuel cell stack described above 18 ,

Nun wird ein zweiter Brennstoffzellenstapel 20a gemäß einer Modifikation in Bezug auf 5C beschrieben. Für den zweiten Brennstoffzellenstapel 20a dieser Modifikation werden die gleichen Bauelemente wie jene des oben beschriebenen zweiten Brennstoffzellenstapels 20 mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und detaillierte Beschreibungen davon werden nicht wiederholt.Now a second fuel cell stack 20a according to a modification with respect to 5C described. For the second fuel cell stack 20a This modification becomes the same components as those of the second fuel cell stack described above 20 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are not repeated.

Wie in 5C gezeigt, enthält eine zweite Einheitszelle 68a des zweiten Brennstoffzellenstapels 20a einen Zellkörper 160, einen Gaseinführabschnitt 162 sowie einen Verbindungsabschnitt 164. Der runde ringförmige Zellkörper 160 enthält eine zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78. In dem rund geformten Gaseinführabschnitt 162 ist ein zweiter Brenngas-Zuführkanal 76 ausgebildet, der sich in der Stapelrichtung einer Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68a erstreckt (der Richtung senkrecht zum Blatt von 5C). Der Verbindungsabschnitt 164 verbindet den Gaseinführabschnitt 162 mit dem Zellkörper 160. In dem Verbindungsabschnitt 164 ist ein Gaseinführweg 166 ausgebildet, um das Brenngas in dem zweiten Brenngas-Zuführkanal 76 zum Zellkörper 160 zu leiten.As in 5C shown contains a second unit cell 68a of the second fuel cell stack 20a a cell body 160 , a gas introduction section 162 as well as a connecting section 164 , The round ring-shaped cell body 160 contains a second electrolyte electrode arrangement 78 , In the round shaped gas introduction section 162 is a second fuel gas feed channel 76 formed in the stacking direction of a plurality of second unit cells 68a extends (the direction perpendicular to the sheet of 5C ). The connecting section 164 connects the gas introduction section 162 with the cell body 160 , In the connection section 164 is a gas inlet path 166 formed to the fuel gas in the second fuel gas supply channel 76 to the cell body 160 to lead.

Gemäß dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20a wird Brenngas der zweiten Anode 88 der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 von dem zweiten Brenngas-Zuführkanal 67 durch den Gaseinführweg 166 zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas, das in dem Abgas des ersten Brennstoffzellenstapels 18 enthalten ist, wird von dem ersten Zwischenraum S1 der zweiten Kathode 86 der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 des Zellkörpers 160 zugeführt. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20a bietet die gleichen Effekte wie der oben beschriebene Brennstoffzellenstapel 20. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20a kann mit dem oben beschriebenen ersten Brennstoffzellenstapeln 18, 18a, 18b geeignet kombiniert werden.According to the second fuel cell stack 20a becomes the second anode's fuel gas 88 the second electrolyte electrode arrangement 78 from the second fuel gas supply channel 67 through the gas inlet path 166 fed. The oxygen-containing gas that is in the exhaust gas of the first fuel cell stack 18 is contained by the first space S1 the second cathode 86 the second electrolyte electrode arrangement 78 of the cell body 160 fed. The second fuel cell stack 20a offers the same effects as the fuel cell stack described above 20 , The second fuel cell stack 20a can stack with the first fuel cell described above 18 . 18a . 18b be combined appropriately.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben gezeigten Konfigurationen beschränkt. In dem Brennstoffzellensystem 10 kann ein oder können mehrere ringförmige Brennstoffzellen in radialer Richtung an der Außenumfangsseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 20, 20a nebeneinander angeordnet werden. Das heißt, in dem Brennstoffzellensystem 10 können drei oder mehr Brennstoffzellen in der radialen Richtung nebeneinander vorgesehen sein.The present invention is not limited to the configurations shown above. In the fuel cell system 10 may one or more annular fuel cells in the radial direction on the outer peripheral side of the second fuel cell stack 20 . 20a be arranged side by side. That is, in the fuel cell system 10 three or more fuel cells may be provided side by side in the radial direction.

Zwei oder mehr erste Brennstoffzellenstapel 18, 18a, 18b können innerhalb des zweiten Brennstoffzellenstapels 20, 20a (in dem ersten Zwischenraum S1) vorgesehen sein. In diesem Fall kann die Stromerzeugungsmenge leicht geändert werden, indem die Anzahl des oder der zu betreibenden ersten Brennstoffzellenstapel 18, 18a, 18b geändert wird.Two or more first fuel cell stacks 18 . 18a . 18b can within the second fuel cell stack 20 . 20a (in the first space S1 ) be provided. In this case, the amount of electricity generation can be easily changed by the number of the first fuel cell stack (s) to be operated 18 . 18a . 18b will be changed.

Der zweite Brennstoffzellenstapel kann sich, in Draufsicht von der Stapelrichtung einer Mehrzahl zweiter Einheitszellen, in einer bogenartigen Form erstrecken. In diesem Fall können eine Mehrzahl solcher zweiten Brennstoffzellenstapel in einer runden ringartigen Form vorgesehen und angeordnet werden. Eine überschüssige Menge von Brenngas, im Vergleich zum sauerstoffhaltigen Gas, kann dem ersten Brennstoffzellenstapel 18, 18a, 18b zugeführt werden, und das überschüssige Brenngas kann von dem ersten Zwischenraum S1 dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20, 20a zugeführt werden. In diesem Fall ist der zweite Brennstoffzellenstapel 20, 20a mit einem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas versehen, anstelle des zweiten Brenngas-Zuführkanals 76.The second fuel cell stack can extend in an arcuate shape in a plan view from the stacking direction of a plurality of second unit cells. In this case, a plurality of such second fuel cell stacks can be provided and arranged in a round ring-like shape. An excess amount of fuel gas, compared to the oxygen-containing gas, can be the first fuel cell stack 18 . 18a . 18b can be supplied, and the excess fuel gas can from the first space S1 the second fuel cell stack 20 . 20a be fed. In this case, the second fuel cell stack 20 . 20a provided with an oxygen-containing gas supply channel for supplying oxygen-containing gas instead of the second fuel gas supply channel 76 ,

Ein Brennstoffzellensystem (10) enthält: einen ersten Brennstoffzellenstapel (18); und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (20), der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels (18) mit einem Abstand von einem ersten Brennstoffzellenstapel (18) umgibt. Jeder des ersten Brennstoffzellenstapels (18) und des zweiten Brennstoffzellenstapels (20) enthält Festoxid-Brennstoffzellen. Der erste Brennstoffzellenstapel (18) gibt Abgas in einen ersten Zwischenraum (S1) ab.A fuel cell system ( 10 ) contains: a first fuel cell stack ( 18 ); and a second fuel cell stack ( 20 ) arranged to have an outer periphery of the first fuel cell stack ( 18 ) at a distance from a first fuel cell stack ( 18 ) surrounds. Each of the first fuel cell stack ( 18 ) and the second fuel cell stack ( 20 ) contains solid oxide fuel cells. The first fuel cell stack ( 18 ) emits exhaust gas into a first space ( S1 ).

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Claims (10)

Brennstoffzellensystem (10), welches aufweist: einen ersten Brennstoffzellenstapel (18, 18a, 18b); und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (20, 20a), der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels mit einem Abstand von dem ersten Brennstoffzellenstapel umgibt, wobei jeder des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels Festoxid-Brennstoffzellen enthält.Fuel cell system (10), which has: a first fuel cell stack (18, 18a, 18b); and a second fuel cell stack (20, 20a) arranged so that it surrounds an outer circumference of the first fuel cell stack at a distance from the first fuel cell stack, wherein each of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack contains solid oxide fuel cells. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Brennstoffzellenstapel Abgas in einen Zwischenraum (S1) zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel abführt.The fuel cell system after Claim 1 , wherein the first fuel cell stack discharges exhaust gas into a space (S1) between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der zweite Brennstoffzellenstapel unter Verwendung des von dem ersten Brennstoffzellenstapel abgegebenen Abgases Strom erzeugt.The fuel cell system after Claim 2 wherein the second fuel cell stack generates electricity using the exhaust gas discharged from the first fuel cell stack. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-3, wobei eine Heizvorrichtung (22), die konfiguriert ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.The fuel cell system according to one of the Claims 1 - 3 wherein a heater (22) configured to heat the first fuel cell stack is disposed in the space between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Heizvorrichtung einen Brenner (106) enthält, der zur Verbrennung das Abgas nutzt.The fuel cell system after Claim 4 The heater includes a burner (106) that uses the exhaust gas for combustion. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei der Brenner eine Mehrzahl von Brennerabschnitten (110) enthält, die in Umfangsrichtung des ersten Brennstoffzellenstapels mit Abstand voneinander angeordnet sind.The fuel cell system after Claim 5 wherein the burner includes a plurality of burner sections (110) spaced apart in the circumferential direction of the first fuel cell stack. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-6, wobei der zweite Brennstoffzellenstapel in einer ringartigen Form konfiguriert ist.The fuel cell system according to one of the Claims 1 - 6 wherein the second fuel cell stack is configured in a ring-like shape. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-7, das ferner eine Steuereinheit (17) aufweist, die konfiguriert ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel so zu steuern, dass er vor dem zweiten Brennstoffzellenstapel startet.The fuel cell system according to one of the Claims 1 - 7 further comprising a control unit (17) configured to control the first fuel cell stack to start before the second fuel cell stack. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-8, das ferner aufweist: eine Brenngas-Zuführvorrichtung (16), die konfiguriert ist, um dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel ein Brenngas zuzuführen; und Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung (14), die konfiguriert ist, um dem ersten Brennstoffzellenstapel ein sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen, wobei der zweite Brennstoffzellenstapel unter Verwendung des Abgases, das das vom ersten Brennstoffzellenstapel abgegebene sauerstoffhaltige Gas enthält, und des von der Brenngas-Zuführvorrichtung zugeführten Brenngases Strom erzeugt.The fuel cell system according to one of the Claims 1 - 8th further comprising: a fuel gas supply device (16) configured to supply a fuel gas to the first fuel cell stack and the second fuel cell stack; and an oxygen-containing gas supply device (14) configured to supply an oxygen-containing gas to the first fuel cell stack, the second fuel cell stack using the exhaust gas containing the oxygen-containing gas discharged from the first fuel cell stack and the one supplied by the fuel gas supply device Fuel gas generates electricity. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-9, wobei eine äußere Heizvorrichtung (24), die konfiguriert ist, um den zweiten Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, an einer Außenumfangsseite des zweiten Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.The fuel cell system according to one of the Claims 1 - 9 wherein an outer heater (24) configured to heat the second fuel cell stack is disposed on an outer peripheral side of the second fuel cell stack.
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