DE10306802A1 - Feststoffoxidbrennstoffzellensystem und Verfahren zu seiner Steuerung - Google Patents

Feststoffoxidbrennstoffzellensystem und Verfahren zu seiner Steuerung

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DE10306802A1
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fuel cell
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Abstract

Ein Feststoffoxidbrennstoffzellensystem enthält eine elektrochemische Verarbeitungseinheit, und eine Feststoffoxidbrennstoffzelle hat eine Elektrizität erzeugende Einheit. Die elektrisch chemische Verarbeitungseinheit enthält einen ersten Feststoffoxidelektrolyt, eine erste Elektrode, einen ersten Brennstoffkanal, welcher Brennstoff zu der ersten Elektrode zuführt, eine zweite Elektrode, einen ersten Oxidationsmittelkanal, welcher Oxidationsmittel zu der zweiten Elektrode zuführt, und eine Energiequelleneinheit, die ein elektrisches Potential zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anlegen kann, um so die erste Elektrode positiv aufzuladen. Die Elektrizität erzeugende Einheit enthält einen zweiten Feststoffoxidelektrolyt, eine Anode, einen zweiten Brennstoffkanal, eine Kathode und einen zweiten Oxidationsmittelkanal. Der von dem ersten Brennstoffkanal abgegebene Brennstoff wird zu dem zweiten Brennstoffkanal zugeführt.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Feststoffoxidbrennstoffzellensystem und ein Verfahren zu seiner Steuerung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Feststoffbrennstoffzelle (hiernach als eine SOFC bezeichnet) ist vielversprechend in Bezug auf das Aufweisen einer hohen Wirksamkeit bei der Erzeugung von Elektrizität, kein Bedarf mit einem sehr teureren Edelmetall als einen Elektrodenkatalysator versehen zu werden, welches eine große Vielzahl von Brennstoffen nutzen kann. Die SOFC ist jedoch nicht vielfältig verwendet worden, aufgrund einiger zu lösender Herausforderungen, z. B. dass die SOFC bei einer relativ hohen Temperatur betrieben wird, so dass der Wärmeverlust vielleicht ansteigen kann, und es eine lange Zeit dauern kann die SOFC zu starten und sie abzustellen.
  • Das US-Patent-Nummer 6,033,794 (hiernach als erste herkömmliche Arbeit bezeichnet) von George et al. offenbart ein mehrstufiges Brennstoffzellensystem, in welchem eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, wie etwa eine Schmelzcarbonatbrennstoffzelle oder eine Niedertemperatur SOFC, mit einer Betriebstemperatur von etwa 500°C entlang einer Mitteltemperaturbrennstoffzelle oder einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, wie etwa die SOFC, angeordnet wird, um so den Wärmeverlust zu hemmen. Daher kann ein thermischer Entwurf, angewendet für die offenbarte Mehrstufenbrennstoffzelle, wirkungsvoll durchgeführt werden.
  • Eine japanische Patentoffenlegungsschrift veröffentlicht als Nummer 08(1996)-306369 (hiernach als eine zweite herkömmliche Arbeit bezeichnet), offenbart ein weiteres Brennstoffzellensystem, welches eine der Eigenschaften des SOFC optimiert, dass die Energie in dem Wasserstoffmoleküle und Kohlenmonoxid enthaltenen Brennstoff in Elektrizität umwandeln kann. Das offenbarte Brennstoffzellensystem enthält das SOFC, welches das Kohlenmonoxid verbraucht, und eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (hiernach als eine PEFC bezeichnet), welche hinter der SOFC angeordnet ist und die Wasserstoffmoleküle optimiert.
  • Ferner wurde ein System, das die Verkleinerung des SOFC und eine Verkürzung der Zeitspanne zum Starten des Systems ermöglicht, vor kurzem bei Bemühungen die SOFC an einen beweglichen Körper, wie ein Automobil, anzuwenden vorgeschlagen. Zum Beispiel die Seiten 530 bis 533 einer Veröffentlichung mit dem Titel "Developement of a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Automotive Auxillary Power Unit (APU) Fueled by Gasoline" (2000 Fuel Cell Seminar) (hiernach als eine dritte herkömmliche Arbeit bezeichnet) schlägt eine Hilfsstromleitung-SOFC für ein Automobil vor, welches Benzin durch Verwendung einer einfachen und kompakten Reformierungseinheit reformiert.
  • In der Zwischenzeit haben kürzlich Studien zu einer Brennstoffzelle geführt, welche ein internes Reformierungsverfahren zur direkten Reformierung von zugeführtem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff ohne Verwendung der Reformierungseinheit aufweist. Jedoch hat diese Art von Brennstoffzelle weiterhin einige Schwierigkeiten verwendet zu werden, bis ein Problem gelöst ist, dass Kohlenstoff um einen Kraftstoffeinlass einer Anode abgelagert wird. Das US-Patent Nr. 6,214,485 (hiernach als eine vierte herkömmliche Arbeit bezeichnet) offenbart eine direkte Kohlenwasserstoffbrennstoffzelle, welche direkt den kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff durch die SOFC reformiert, welcher direkt dazu zugeführt wurde. Die SOFC ist mit einem teilweise reformierenden Katalysator zur Hemmung der Ablagerung des Kohlenstoffs um den Kraftstoffeinlass der Anode versehen, wodurch das Problem gelöst ist, dass der Kohlenstoff abgelagert wird. Die offenbarte SOFC ohne eine Reformierungseinheit ist sehr vielversprechend, um gleichzeitig ein einfaches Brennstoffzellensystem und eine verkürzte Zeitspanne des Startens zu erreichen.
  • Obwohl die Brennstoffsysteme gemäß der ersten und zweiten herkömmlichen Arbeiten konfiguriert sind, um die Kennzeichen jeder Brennstoffzellenart zu optimieren, kann das System komplex und überdimensioniert sein, wodurch die offenbarten Brennstoffsysteme nicht in der Lage sein können die Start- und Abschaltleistung des Systems so wirkungsvoll zu steuern, wie ein System, welches eine einzelne Sorte der Brennstoffzelle aufweist. Die SOFC gemäß der dritten herkömmlichen Arbeit ist mit der Reformierungseinheit verbunden, welche von der SOFC getrennt ist, so dass die Brennstoffzelle arbeitet, selbst nach dem das Automobil gestoppt wird. Demgemäß kann eine lange Zeitspanne erforderlich sein, um den Start- und Abschaltvorgang in der gleichen Art und Weise wie in dem ersten und zweiten herkömmlichen Arbeiten zu steuern. Das direkt arbeitende SOFC gemäß der vierten herkömmlichen Arbeit reformiert den Brennstoff in der Brennstoffzelle ohne Verwendung der Reformierungseinheit, so dass die Zeitspanne des Starts verkürzt werden kann. Jedoch wird zur Hemmung der Ablagerung des Kohlenstoffs die SOFC mit dem teilweisen Reformierungskatalysator versehen, so dass die Beständigkeit der SOFC verschlechtert werden kann und die Herstellungskosten davon steigen können.
  • Die vorliegende Erfindung trachtet daher danach, ein verbessertes Feststoffoxidbrennstoffzellensystem, welches verkleinert und die Start- und Abstellzeitspannen verkürzen kann, und ein Verfahren zur Steuerung des verbesserten Feststoffoxidbrennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung enthält ein Feststoffoxidbrennstoffzellensystem eine elektrochemische Verarbeitungseinheit und eine Feststoffoxidbrennstoffzelle. Die elektrochemische Verarbeitungseinheit enthält ein erstes Feststoffoxidelektrolyt, eine erste Elektrode, abgegrenzt an einer Seite des ersten Feststoffoxidelektrolyts, einen ersten Brennstoffkanal, für die Zufuhr von Brennstoff zu der ersten Elektrode, eine zweite Elektrode, abgegrenzt an der anderen Seite des ersten Feststoffoxidelektrolyts, einem ersten Oxidationsmittelkanal, für die Zufuhr eines Oxidationsmittels zu der zweiten Elektrode, und einer Energiequelle, welche ein elektrisches Potential zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anlegen kann, um so die erste Elektrode positiv aufzuladen. Eine Feststoffoxidbrennstoffzelle, mit einer Elektrizität erzeugenden Einheit enthält ein zweites Feststoffoxidelektrolyt, eine Anode, abgegrenzt an einer Seite des zweiten Feststoffoxidelektrolyts, einen zweiten Brennstoffkanal, welcher den Brennstoff der Anode zuführt, eine Kathode, abgegrenzt an der anderen Seite des zweiten Feststoffoxidelektrolyts, und einen zweiten Oxidationsmittelkanal, für die Zufuhr des Oxidationsmittels zu der Kathode. Der aus dem ersten Brennstoffkanal strömende Brennstoff wird zu dem zweiten Brennstoffkanal zugeführt.
  • Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung, wird die Feststoffoxidbrennstoffzelle mit mehreren Elektrizität erzeugenden Einheiten versehen. Die an der Seite stromaufwärts der Brennstoffzufuhr angeordnete Elektrizität erzeugende Einheit wird bei einer niedrigen Temperatur betrieben als die an der Seite stromabwärts angeordnete für die Brennstoffzufuhr Elektrizität erzeugende Einheit.
  • Gemäß noch eines weiteren Gesichtspunkts der Erfindung, wird ein Mischabschnitt zwischen den mehreren Elektrizität erzeugenden Einheit zur Mischung von Gas angeordnet, welches von mehreren Zellen in der Elektrizität erzeugenden Einheit, angeordnet an der Seite stromabwärts, abgegeben wird, und für die Zufuhr des Mischgases zu der Elektrizität erzeugenden Einheit, angeordnet stromabwärts für die Brennstoffzelle.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
  • Die vorhergehenden und zusätzliche Merkmale und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung, berücksichtigt mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren, in denen:
  • Die Fig. 1 eine Entwurfsansicht ist, welche schematisch ein gesamtes Feststoffoxidbrennstoffzellen-(SOFC)System gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • die Fig. 2 eine Querschnittansicht ist, welche schematisch das SOFC-System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
  • die Fig. 3 eine erläuternde Ansicht ist, welche schematisch eine elektrochemische Prozesseinheit und eine Niedertemperatur-SOFC-Einheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
  • die Fig. 4 eine erläuternde Ansicht ist, welche schematisch eine Hochtemperatur-SOFC-Einheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
  • die Fig. 5 eine perspektivische Ansicht ist, welche schematisch das SOFC-System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt;
  • die Fig. 6 eine Ansicht ist, welche eine teilweise Querschnittansicht darstellt, genommen entlang der Linie orthogonal zu einer Brennstoffzufuhrrichtung einer Niedertemperatur-SOFC-Einheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
  • die Fig. 7 eine Querschnittansicht ist, welche schematisch einen ersten Gasmischabschnitt 88, einen zweiten Gasmischabschnitt 89 und dazu benachbarte Abschnitte gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt;
  • die Fig. 8 ein Ablaufplan ist, welcher den Startvorgang des SOFC-Systems gemäß des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels erläutert; und
  • die Fig. 9 ist ein Ablaufplan ist, welcher einen Abschaltvorgang des SOFC-Systems gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel erläutert.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung optimiert Eigenschaften einer Feststoffoxidbrennstoffzelle (hiernach als eine SOFC bezeichnet), so dass die SOFC mit hoher Wirkung Elektrizität erzeugen kann, intern eine große Vielfalt von Brennstoff reformieren und den reformierten Brennstoff nutzen kann. Das Brennstoffzellensystem enthält ein internes Reformierungsverfahren zur Reformierung des Brennstoffs ohne Verwendung einer Reformierungseinheit. Die gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Brennstoffe schließen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff, Alkoholbrennstoffe usw. ein.
  • Typische Reaktionen, die an einer Anodenseite der Brennstoffzelle mit zugeführten Methan als Brennstoff stattfinden, sind:

    CH4 → C + 2H2 (Crack-Reaktion) (1-1)

    CH4 + O2 → 2H2 + CO + 2e- (teilweise oxidierende Reaktion) (1-2)

    H2 + O2 → H2O + 2e- (Elektrizität erzeugende Reaktion) (1-3)

    CO + O2 → CO2 + 2e- (Elektrizität erzeugende Reaktion) (1-4)

    CH4 + H2O → 3H2 + CO (Reformierungsreaktion) (1-5)

    CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO (Reformierungsreaktion) (1-6).
  • Typische Reaktionen, an der Anodenseite einer Brennstoffzelle mit zugeführten Decalin als den Brennstoff stattfinden, sind:

    C10H18 → C10H8 + 5H2 (Crack-Reaktion) (2-1)

    C10H8 → C8H8 + 4C + 4H2 (Crack-Reaktion) (2-2)

    C6H6 → 6C + 3H2 (Crack-Reaktion) (2-3)

    C10H8 + 10O2- → 4H2 + 10CO + 2e- (teilweise oxidierende Reaktion) (2-4)

    H2 + O2- → CO2 + 2e- (Elektrizität erzeugende Reaktion) (2-5)

    CO + O2- → CO2 + 2e- (Elektrizität erzeugende Reaktion) (2-6)

    C10C18 + 10H2O → 19H2 + 10CO (Reformierungsreaktion) (2-7)

    C10H8 + 10H2O → 14H2 + 10CO (Reformierungsreaktion) (2-8)

    C10C18 + 10CO2 → 9H2 + 20CO (Reformierungsreaktion) (2-9)

    C10C18 + 10CO2 → 4H2 + 20CO (Reformierungsreaktion) (2-10).
  • Typische Reaktionen die an der Anodenseite der Brennstoffzelle mit Methanol als zugeführten Brennstoff stattfinden sind:

    CH3OH → CO + 2H2 (Crack-Reaktion) (3-1)

    2CH3OH → C + CO + H2O + 3H2 (Crack-Reaktion) (3-2)

    CH3OH + O2 → CO2 + H2O + H2 (teilweise oxidierende Reaktion) (3-3)

    H2 + O2- → H2O + 2e- (Elektrizität erzeugende Reaktion) (3-4)

    CO + O2- → CO2 + 2e- (Elektrizität erzeugende Reaktion) (3-5)

    CH3OH + CO2 → H2 + H2O + 2CO (Reformierungsreaktion) (3-6)

    CH3OH + 2H2O + CO → 4H2 + 2CO2 (Reformierungsreaktion) (3-7).

  • Typische Reaktionen, die an der Anodenseite der Brennstoffzelle mit zugeführten Dimethylether als dem Brennstoff stattfinden, sind:

    CH3OCH3 → C + CO + 6H2 (Crack-Reaktion) (4-1)

    C + CO + 6H2 + O2 → 5H2 + 2CO + H2O (teilweise oxidierende Reaktion) (4-2)

    H2 + O2- → H2O + 2e- (Elektrizität erzeugende Reaktion) (4-3)

    CO + O2- → CO2 + 2e- (Elektrizität erzeugende Reaktion) (4-4)

    CH3OCH3 + CO2 → 5H2 + H2O + 2CO (Reformierungsreaktion) (4-5)

    CH3OCH3 + H2O → 7H2 + 2CO (Reformierungsreaktion) (4-6).
  • Welcher Brennstoff auch zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, wie in den Reaktionsformeln (1-1), (2-2), (3-2), (4-1) erläutert, werden Wasserstoffbindungen in einem relativ niedrigen Temperaturbereich dissoziiert und Kohlenstoff wird in Übereinstimmung mit der Crack-Reaktion erzeugt. Der Kohlenstoff reagiert mit Feuchtigkeitsdampf (H2O) oder Sauerstoff (O2) und wird intern in einem relativ hohen Temperaturbereich reformiert, um so Wasserstoffmoleküle (H2) und Kohlensäuregas wie etwa Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) zu erzeugen. Die Brennstoff-Crack-Reaktion wird hauptsächlich um den Anodenbrennstoffeinlass bei relativ niedriger Temperatur aktiviert, so dass der gemäß der Crack- Reaktion erzeugte Kohlenstoff, auf der Anode abgelagert wird. Daher wird die Elektrizität erzeugende Reaktion an der Anode aufgrund der Kohlenstoffablagerung gehemmt, und die Elektrizitätserzeugungswirksamkeit der Brennstoffzelle kann verschlechtert werden.
  • Das Problem der Kohlenstoffablagerung auf der Anode wird durch die folgenden erfindungsgemäßen Verfahren gelöst. An einen Feststoffoxidelektrolyten in der Nähe eines Brennstoffzelleneinlasses, dessen Temperatur aufgrund der Brennstoff-Crack-Reaktion stark fällt, wird eine Spannung von außen angelegt, so dass die Brennstoffzelle intern aufgewärmt wird. Ferner fördert die an den Feststoffoxidelektrolyt angelegte Spannung die Diffusion des Sauerstoffions (O2-) auf die Anodenseite. Daher weist der Feststoffoxidelektrolyt gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Wirkung auf, den Kohlenstoff vor der Kohlenstoffablagerung auf dem Anodenbrennstoffeinlass zu oxidieren.
  • Der Feststoffoxidelektrolyt der SOFC enthält ein Oxid, welches die Eigenschaft aufweist, dass das Sauerstoffion darin diffundiert. Das Sauerstoffion diffundiert zu der Anode, falls der Feststoffoxidelektrolyt extern einem elektrischen Anregungsvorgang unterzogen wird. Der auf der Anodenseite abgelagerte Kohlenstoff (C) wird mit dem zu der Anode diffundierten Sauerstoffion (O2-) oxidiert und wird als Kohlenmonoxid (CO) abgegeben. Ferner erzeugt der Feststoffelektrolyt Wärme durch einen inneren Widerstand des Feststoffoxidelektrolyts in Antwort auf den elektrischen Anregungsvorgang davon, und wird leicht auf etwa 500°C oder mehr als das erwärmt. In diesem Fall erreicht die Temperatur des Feststoffoxidelektrolyts die Temperaturbedingungen eines Niedertemperatur-SOFC zu Erzeugung von Elektrizität. Die vorher erwähnte SOFC mit dem internen Reformierungsverfahren kann eine ausreichende Elektrizitätserzeugungswirksamkeit für die praktische Verwendung sicherstellen. Daher kann das SOFC- System gemäß der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll verkleinert werden, ohne mit Vorrichtungen wie einer derartigen Reformierungseinheit versehen zu werden. Ferner kann das SOFC-System gemäß der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Temperatur des Feststoffoxidelektrolyts zu einem Temperaturniveau anheben, bei dem die SOFC Elektrizität in einem frühen Stadium erzeugen kann, so dass eine Startzeitspanne wirkungsvoll verbessert werden kann. Weiterhin erfordert das SOFC-System keine getrennte Reformierungseinheit. Daher kann nur unverbrannter Brennstoff in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff über den Feststoffoxidelektrolyt zur Erzeugung von Elektrizität reagieren. Die SOFC kann nach der Elektrizitätserzeugung gestoppt werden, wodurch eine Abschaltzeitspanne wirkungsvoll verkürzt werden kann.
  • Wie vorher beschrieben, werden der Dampf und das Kohlensäuregas in einem relativ niedrigen Temperaturbereich abgegeben. Jedoch wie durch die Reaktionsformel (1-5), (1-6), (2-7) bis (2-10), (3-6), (3-7), (4-5) und (4-6) erläutert, werden Wasserstoffmoleküle (H2) und Kohlensäuregas in Übereinstimmung mit der Reformierungsreaktion gebildet, und die Wasserstoffmoleküle können für die Elektrizitätserzeugung genutzt werden, wodurch die Elektrizitätserzeugungswirksamkeit der SOFC weiter verbessert werden kann. Das heißt, das SOFC- System wird mit einer Niedertemperatur-SOFC-Einheit und einer Hochtemperatur-SOFC-Einheit versehen, in welche der Brennstoff zu der Niedertemperatur-SOFC-Einheit zugeführt wird, und von der Niedertemperatur-SOFC-Einheit abgegebenes Gas zu der Hochtemperatur-SOFC-Einheit zugeführt wird, wobei die Zeitspanne zum Start des Systems wirkungsvoll verkürzt werden kann, und die Elektrizitätserzeugungswirksamkeit wirkungsvoll verbessert werden kann.
  • Obwohl die Nieder- und Hochtemperaturbereiche in Abhängigkeit von den eingesetzten Brennstoffen schwanken, stellt der Niedertemperaturbereich einen Temperaturbereich dar, in welchem überwiegend die Crack-Reaktion aktiviert wird, und der Hochtemperaturbereich stellt einen Temperaturbereich dar, in welchem überwiegend die Reformierungsreaktion vornämlich aktiviert wird. Falls zum Beispiel die SOFC ein Brennstoff wie etwa Methan, Decalin, Dimethylether oder ähnliche zugeführt wird, stellt die Niedertemperatur eine Temperatur dar, welche etwa gleich oder weniger als 400°C ist, und die Hochtemperatur stellt eine Temperatur dar, welche etwa gleich oder größer als 500°C ist. Falls die SOFC Methanol als Brennstoff zugeführt wird, stellt die niedere Temperatur eine Temperatur dar, welche etwa gleich oder niedriger als 300°C ist, und die Hochtemperatur stellt eine Temperatur dar, welche etwa gleich oder größer als 350°C ist.
  • Wie besonders aus der Fig. 1 zu ersehen, wird das SOFC-System gemäß der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit einer Vorwärmeeinheit 1, einer elektrochemischen Verarbeitungseinheit 2, einer Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3, einer Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4, einem Abgasverbrenner 5, einer Stromquelleneinheit 6, einer Kohlenstoffablagerungsnachweiseinheit 26 und einer Steuerungseinheit 27 versehen.
  • Die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 bzw. die Hochtemperatur- SOFC-Einheit 4 sind Elektrizität erzeugende Einheiten einer Feststoffoxidbrennstoffzelle 10 (hiernach als eine SOFC bezeichnet). Die Niedertemperatur SOFC-Einheit 3 ist mit einem zweiten Feststoffoxidelektrolyt 31, einer Anode 32, einer Kathode 33, einem zweiten Brennstoffkanal 34 und einem zweiten Oxidationsmittelkanal 35 versehen. Die Hochtemperatur-SOFC- Einheit 4 ist mit einem zweiten Feststoffoxidelektrolyt 41, einer Anode 42, einer Kathode 43, einem zweiten Brennstoffkanal 44 und einem zweiten Oxidationsmittelkanal 45 versehen. Die Anode 32 ist an einer Seite des zweiten Feststoffoxidelektrolyts 31 abgegrenzt, und die Kathode 33 ist an der anderen Seite davon abgegrenzt. Der zweite Brennstoffkanal 34 führt den Brennstoff zu der Anode 32 und der zweite Oxidationsmittelkanal 35 dient der Zufuhr des Oxidationsmittels zu der Kathode 33. Die Anode 42 ist an der einen Seite des zweiten Feststoffoxidelektrolyts 41 abgegrenzt, und die Kathode 43 ist an der anderen Seite davon abgegrenzt. Der zweite Brennstoffkanal 44 führt Brennstoff zu der Anode 42 und der zweite Oxidationsmittelkanal 45 führt das Oxidationsmittel zu der Kathode 43.
  • Der zweite Feststoffoxidationsmittelelektrolyt 31 der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 ist aus einem Feststoffoxidmaterial hergestellt, welches Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist und in einem relativ niedrigen Temperaturbereich zwischen etwa 500°C und etwa 800°C arbeitet. Der typische Feststoffoxidelektrolyt enthält ein Ceroxid-Seltenerdemetalloxid (zum Beispiel (CeO2)0,8(SmO1,5)0,2), La0,9Sr0,1Mg0,2Ga0,8O3, Ce0,8Gd0,2O1,9-Membran, stabilisierte Zirconiumdioxidmembran und so weiter. Der zweite Feststoffoxidelektrolyt für die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4 ist aus einem Feststoffoxidmaterial hergestellt, welches Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist und schon in einem arbeitet. Das typische Feststoffoxidmaterial enthält stabilisiertes Zirconiumdioxid wie etwa Yttrium-stabilisiertes Zirconiumdioxid (YSZ) und Scandium-stabilisiertes Zirconiumdioxid (ScSZ), und so weiter.
  • Die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 ist mit einem ersten Feststoffoxidelektrolyt 21, einer ersten Elektrode 22, einer zweiten Elektrode 23, einem ersten Brennstoffkanal 24 und einem ersten Oxidationsmittelkanal 25 versehen. Die erste Elektrode 22 ist an einer Seite des ersten Feststoffoxidelektrolyts 21 abgegrenzt, und die zweite Elektrode 23 ist an der anderen Seite davon abgegrenzt. Der erste Brennstoffkanal 24 führt den Brennstoff zu der ersten Elektrode 22, und der erste Oxidationsmittelkanal 25 führt das Oxidationsmittel zu der zweiten Elektrode 23. Ein elektrisches Potential kann zwischen der ersten Elektrode 22 und der zweiten Elektrode 23 durch die Stromquelleneinheit 6 angelegt werden, um so die erste Elektrode 22 positiv aufzuladen. Der erste Feststoffoxidelektrolyt 21 ist aus einem Feststoffoxidmaterial hergestellt, welcher Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, und in einem relativ niedrigen Temperaturbereich arbeitet, wodurch er die Zeitspanne des Starts verkürzen kann.
  • Die Elektroden 22 bzw. 23 sind elektrisch mit der Steuerungseinheit 27 durch Signalleitungen verbunden. Die Steuerungseinheit 27 ist elektrisch mit der Stromquelleneinheit 6 über eine Signalleitung verbunden. Die Kohlenstoffablagerungsnachweiseinheit 26 weist die Kohlenstoffablagerung auf der ersten Elektrode 22 durch Abschalten des an die erste Elektrode 22 und die zweite Elektrode 23 angelegten Spannungen durch die Steuerungseinheit 27 nach, und durch Nachweis einer tatsächlichen Spannung unter einem konstanten Ladewiderstand, angelegt an die erste und die zweite Elektrode 22 und 23. Die Spannung wird an die Elektroden 22 und 23 durch die Stromquelleneinheit 6 angelegt.
  • Die Kohlenstoffablagerungsnachweiseinheit ist nicht auf die vorher beschriebene Konfiguration begrenzt, soweit sie die Kohlenstoffablagerung auf der ersten Elektrode 22 nachweisen kann. Die Steuerungseinheit 27 steuert ebenfalls das SOFC- System selbst.
  • Die elektrische Verarbeitungseinheit 2 ist in der Nähe zu der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 angeordnet, und der Brennstoff und das Oxidationsmittel kann zu der Niedertemperatur SOFC- Einheit 3 über die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 zugeführt werden. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel, zugeführt zu der Niedertemperatur SOFC-Einheit 3, wird zur Erzeugung von Elektrizität verbraucht, und noch restlicher Brennstoff und Oxidationsmittel werden zu der Hochtemperatur- SOFC-Einheit 4 zugeführt. Das heißt, dass die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 in der Nähe zu der SOFC 10 angeordnet ist, und das der Brennstoff und das Oxidationsmittel zu der SOFC 10 über die elektrochemischen Verarbeitungseinheit 2 zugeführt werden.
  • Die Vorwärmeinheit 1 ist ein Brenner zur Erwärmung des zu der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 2 zuzuführenden Brennstoffs und des Oxidationsmittels, welcher neben der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 2 angeordnet ist. Von der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4 abgegebenes Abgas wird zu dem Abgasverbrenner 5 zugeführt. Der in dem Abgas verbleibende Brennstoff wird durch den Abgasverbrenner 5 verbrannt, und zirkuliert zu beiden SOFC-Einheiten 3 und 4 als Abgas. Das Abgas erwärmt jede SOFC-Einheit 3 und 4, um so die Einheiten 3 und 4 bei einer bevorzugten Arbeitstemperatur zu halten.
  • Obwohl es nicht dargestellt ist, verbindet eine elektrische Leitung die Anode 32 bzw. die Kathode 33 der Niedertemperatur- SOFC-Einheit 3, um so die in der Niedertemperatur SOFC-Einheit erzeugte Elektrizität nach außen zu leiten. Die erste Elektrode 22 und die Anode 32 sind elektrisch isoliert und die zweite Elektrode 23 und die Kathode 33 sind ebenfalls elektrisch isoliert.
  • Zunächst wird die Vorwärmeinheit 1 gezündet. Der Brennstoff für die Verwendung für den Brenner kann für die Verwendung der Brennstoffzelle und ebenfalls für andere Verwendungen sein. Die Vorwärmeinheit 1 ermöglicht einen Wärmeaustauschmechanismus zur Vorwärmung des zu der SOFC 10 zuzuführenden Brennstoffs und des Oxidationsmittels, durch die Verbrennungswärme der Vorwärmeeinheit 1. Der Wärmeaustauschmechanismus der Vorwärmeeinheit 1 dient ferner dem Wärmeaustausch der Wärme des Abgases, abgegeben von dem Abgasverbrenner 5. Die Verbrennungswärme der Vorwärmeeinheit 1 kann ebenfalls die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 vorwärmen und die Temperatur davon erhöhen.
  • Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden beide durch die Vorwärmeeinheit 1 vorgewärmt und werden zu dem ersten Brennstoffkanal 24 bzw. zu dem ersten Oxidationsmittelkanal 25 zugeführt. Das elektrische Potential wird zwischen der ersten Elektrode 22 und der zweiten Elektrode 23 angelegt, um die erste Elektrode 22 positiv aufzuladen. Die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 wird mit der Wärme des Brennstoffs und des Oxidationsmittels, erwärmt wobei beide dazu zugeführt werden, und wird ebenfalls direkt durch die Verbrennungswärme der Vorwärmeeinheit 1 erwärmt. Die ionische Leitung wird über den ersten Feststoffoxidelektrolyt 21 mit dem angelegten elektrischen Potential aktiviert, und dann wird Wärme in Antwort auf die ionische Leitung und den Anstieg der Temperatur der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 2 erzeugt. Obwohl die innere Temperatur des ersten Feststoffoxidelektrolyts 21 in einem bevorzugten Stadium nicht erhöht werden kann, falls nur die Wärme des Brennstoffs und des Oxidationsmittels und der Wärme der Vorwärmeeinheit 1 zugeführt wird, kann die innere Temperatur davon zu einem frühen Stadium erhöht werden, falls die Joul-Wärme, erzeugt durch das Anlegen des elektrischen Potentials an den Elektrolyt 21, zugeführt wird. Das Sauerstoffion diffundiert über den ersten Feststoffoxidelektrolyt 21 von der zweiten Elektrode 23 zu der ersten Elektrode 22 durch Anlegen des elektrischen Potentials zwischen der ersten Elektrode 22 und der zweiten Elektrode 23, falls die tatsächliche Temperatur des ersten Feststoffelektrolyts 21 sich der Arbeitstemperatur davon annähert. Das Sauerstoffion (O2-), diffundiert zu der ersten Elektrode 22, reagiert mit dem Kohlenstoff (C), erzeugt durch die Brennstoff Crack-Reaktion in dem ersten Brennstoffkanal 24 und wandelt sich zu Kohlenmonoxidgas (CO). Das Kohlenmonoxidgas (CO) wird zu dem zweiten Brennstoffkanal 34 der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 mit durch die Crack- Reaktion erzeugten Wasserstoffmolekülen (H2) zugeführt. Obwohl die Crack-Reaktion bei der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 2 überwiegend aktiviert wird, wird die teilweise oxidierende Reaktion ebenfalls aktiviert. Insbesondere, falls das Sauerstoffion (O2-)mit dem Kohlenstoff (C) reagiert, wird die teilweise oxidierende Reaktion leicht aktiviert. Wie vorher beschrieben, ist es nicht erforderlich, dass das SOFC-System gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Reformierungseinheit aufweist, so dass das System verkleinert werden kann.
  • Die Elektrizität erzeugende Reaktion wird in der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 durch die Verwendung der Wasserstoffmoleküle und des Kohlenmonoxids enthalten in dem zu dem zweiten Brennstoffkanal 34 zugeführten Brennstoff und dem Sauerstoff in dem Oxidationsmittel (im Allgemeinen Luft), zugeführt zu dem zweiten Oxidationskanal 35, aktiviert. Die gemäß der Elektrizität erzeugenden Reaktion erzeugte Elektrizität wird zu einer externen Ausrüstung zugeführt. Die Crack-Reaktion, die teilweise oxidierende Reaktion und die Reformierungsreaktion werden gleichzeitig in dem zweiten Brennstoffkanal 34 aktiviert, so dass die Wasserstoffmoleküle und das Kohlenmonoxid aus dem Brennstoff erzeugt werden, welcher nicht in der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 2 reagieren konnte. Die Wasserstoffmoleküle und das Kohlenmonoxid werden teilweise in der Niedertemperatur-SOFC- Einheit 3 verbraucht, und werden ebenso teilweise in den zweiten Brennstoffkanal 44 der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4 zugeführt. Der durch die Crack-Reaktion erzeugte Kohlenstoff (C) wird an den Sauerstoff (O2) in Antwort auf die Sauerstoffionenleitung entsprechend der Elektrizitätserzeugung gebunden, und wird zu dem Kohlenmonoxid (CO) für die Verwendung in der Elektrizität erzeugenden Reaktion umgewandelt.
  • Die Elektrizität erzeugende Reaktion wird in der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4 durch die Verwendung der Wasserstoffmoleküle und des Kohlenmonoxids enthalten in dem zu dem zweiten Brennstoffkanal 44 zugeführten Brennstoff und dem Sauerstoff, enthalten in dem zu dem zweiten Oxidationsmittelkanal 45 zugeführten Oxidationsmittel aktiviert. Die erzeugte Elektrizität wird zu einer externen Ausrüstung zugeführt. Der zweite Brennstoffkanal 44 erhält nicht nur die Wasserstoffmoleküle und das Kohlenmonoxid, welche nicht in der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 verbraucht werden zugeführt, sondern ebenfalls Brennstoff, welcher nicht in der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 2 und der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 verbrannt werden konnte, Dampf und Kohlendioxidgas, welche beide durch die Elektrizität erzeugende Reaktion erzeugt wurden. Wie vorher beschrieben, wurde die Temperatur des zweiten Brennstoffkanals 44 ausreichend durch den internen Erwärmungsvorgang, in Übereinstimmung mit der Elektrizitätserzeugungsreaktion, und dem externen Erwärmungsvorgang, in Übereinstimmung mit der Abgasverbrennung, ausreichend erhöht, so dass der nicht reagierte Brennstoff mit dem Dampf oder mit dem Kohlensäuregas reagiert und als Wasserstoffmoleküle (H2) und Kohlenmonoxid (CO) in Übereinstimmung mit der Reformierungsreaktion reformiert wird. Die Wasserstoffmoleküle (H2) und das Kohlenmonoxid (CO) werden für die Elektrizität erzeugende Reaktion genutzt. Die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4 erhält als ein Ergebnis der Elektrizität erzeugenden Reaktion Wasser zugeführt, so dass keine Notwendigkeit der Zufuhr von Wasser aus einer externen Vorrichtung besteht.
  • Das aus dem zweiten Brennstoffkanal 44 abgegebene Brennstoffabgas, und das aus dem zweiten Oxidationsmittelkanal 45 abgegebene Oxidationsmittelabgas werden zu dem Abgasverbrenner 5 zugeführt. In dem Brennstoffabgas verbleibendes brennbares Gas wird in dem Abgasverbrenner 5 mit dem in dem Oxidationsmittelabgas verbleibenden Sauerstoff verbrannt, und das Abgas aus dem Abgasverbrenner 5 zirkuliert zu der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 und der Hochtemperatur- SOFC-Einheit 4, um so die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 und die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4 aufzuwärmen. In diesem Fall wird ein gut bekannter Wärmeaustauschmechanismus für die Erwärmung der Einheiten 3 und 4 durch das Abgas angewendet. Die Temperatur jeder SOFC-Einheit 3 und 4 wird bei einer bevorzugten Temperatur mittels einer nicht dargestellten Steuerungseinheit und einem nicht dargestellten Ventil erhalten. Insbesondere, falls das System gestartet wird, wird jede Temperatur der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 3 und der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4 zur Aktivierung der Reformierungsreaktion und der Elektrizität erzeugenden Reaktion nicht hoch genug sein. In diesem Fall wird nicht reagierter Brennstoff zu dem Abgasverbrenner 5 zugeführt, und wird bei einer hohen Verbrennungswärme verbrannt. Daher kann jede SOFC-Einheit 3 und 4 schnell erwärmt werden, und die Zeitspanne des Starts kann wirkungsvoll verkürzt werden. Insbesondere falls Methan als der Brennstoff verwendet wird, welcher bei einer relativ hohen Temperatur gecrackt wird, können große Mengen von nicht reagierten Methan zu der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 4 zugeführt werden.
  • Die tatsächliche Temperatur der elektrochemischen, Verarbeitungseinheit 2 erreicht in einem stationären Zustand eine vorbestimmte Temperatur. In diesem Fall gibt es keine große Beunruhigung, dass der durch die Crack-Reaktion erzeugte Kohlenstoff abgelagert wird. Daher kann der Verbrauch an Elektrizität wirkungsvoll durch Verzicht des Anlegens des elektrischen Potentials an die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 wirtschaftlichter gestaltet werden. Jedoch kann die Kohlenstoffablagerung auftreten, während die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 für eine lange Zeit betrieben wird. Falls die Kohlenstoffablagerung durch die Kohlenstoffablagerungsnachweiseinheit 26 nachgewiesen wird, wird das elektrische Potential an die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 durch die Stromerzeugungseinheit 6 in Antwort auf ein Befehlssignal der Steuerungseinheit 27 angelegt, so dass der Kohlenstoff (C) oxidiert und als das Kohlenmonoxid (CO) emittiert wird. Wie vorher beschrieben, kann die Kohlenstoffablagerung wirkungsvoll gehemmt werden. Ferner kann die Temperatur des SOFC-Systems in einem früheren Stadium zur Begünstigung der Wärmeerzeugung gemäß mit dieser oxidierenden Reaktion erhöht werden. Auf der anderen Seite, falls die Kohlenstoffablagerung nicht durch die Kohlenstoffablagerungsnachweiseinheit 26 nachgewiesen wird, wird auf das Anlegen des elektrischen Potentials an die elektrochemische Verarbeitungseinheit 2 verzichtet.
  • Wie in der Fig. 2 dargestellt, enthält das SOFC-System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Vorwärmeeinheit 51, eine elektrochemische Verarbeitungseinheit 52, eine Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53, eine Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 und einen Abgasverbrenner 55. Die elektrochemische Verarbeitungseinheit 52, die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 und die Hochtemperatur-SOFC- Einheit 54 werden mit in etwa zylindrischen Feststoffoxidelektrolyten entsprechend gebildet. Wie später beschrieben sind die elektrochemische Verarbeitungseinheit 52 und die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 mit einem herkömmlichen Niedertemperaturelektrolyt und die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 mit einem Hochtemperaturelektrolyt versehen. Die inneren und äußeren Durchmesser des Niedertemperaturelektrolyts sind im Wesentlichen die gleichen wie die inneren und äußeren Durchmesser des Hochtemperaturelektrolyts. Diese zwei Elektrolyte sind miteinander über einen Isolator verbunden.
  • Wie insbesondere aus der Fig. 2 ersichtlich, wird eine Brennstoffzelle 60 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Mehrzahl von zylindrischen Abschnitten 56 gebildet, wobei jeder davon aus der elektrochemischen Einheit 52, der Niedertemperatur-SOFC- Einheit 53 und der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 besteht. Ein Oxidationsmittelkanal 61 wird an einer inneren peripheren Seite des zylindrischen Abschnitts 56 abgegrenzt und dient als ein erster Oxidationsmittelkanal der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 52, ein zweiter Oxidationsmittelkanal der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 und ein zweiter Oxidationsmittelkanal der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54. Ein Brennstoffkanal 62 ist an einer äußeren peripheren Seite des zylindrischen Abschnitts 56 in der Brennstoffzelle 60 abgegrenzt, und dient als ein erster Brennstoffkanal der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 52, ein zweiter Brennstoffkanal der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 und ein zweiter Brennstoffkanal der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54.
  • Die Vorwärmeeinheit 51 ist neben der Niedertemperatur-SOFC- Einheit 53 angeordnet. Eine Oxidationsmittelzufuhrleitung 57 und eine Brennstoffzufuhrleitung 58 sind strukturell mit dem Oxidationskanal 61 bzw. dem Brennstoffkanal 62 über die Vorwärmeeinheit 51 verbunden. Ein Ausgang der Vorwärmeeinheit 51 ist strukturell mit einem Abgaskanal 59 verbunden, welcher an einer äußeren Oberfläche der Brennstoffzelle 60 angebracht ist. Die Ausgänge des Oxidationsmittelkanals 61 und des Brennstoffkanals 62 kommunizieren mit dem Abgasverbrenner 55, und ein Ausgang des Abgasverbrenners 55 kommuniziert mit dem Abgaskanal 59. Der Abgaskanal 59 dient auch als ein Abgaskanal der Vorwärmeeinheit 51, und ist mit einem Abgas abgebenden Abschnitt 63 an einer geeigneten Position davon versehen. Die Position des Anbringens des Abgas abgebenden Abschnitts 63wird auf Grundlage der Form des SOFC-Systems, den Arbeitsbedingungen des Systems oder Ähnlichem bestimmt. Wie in der Fig. 3 dargestellt, teilen sich die elektrochemische Verarbeitungseinheit 52 und die Niedertemperatur SOFC-Einheit 53 einen Niedertemperaturelektrolyten 64. Die Niedertemperatur-SOFC- Einheit 53 besteht aus einem Feststoffoxidmaterial wie etwa Ceroxid-Seltenerdemetalloxid (CeO2)0,8(SMO1,5)0,2. Die elektrochemische Verarbeitungseinheit 52 ist axial an einer Seite des Niedertemperaturelektrolyts 64, und die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 an der axial äußeren Seite davon angeordnet. Die erste Elektrode 66 ist an einer äußeren peripheren Seite des Niedertemperaturelektrolyts 64 an einer axialen Seite abgegrenzt, und eine zweite Elektrode 65 ist an einer inneren peripheren Seite davon abgegrenzt. Eine Anode 68 ist an einer äußeren peripheren Seite des Niedertemperaturelektrolyts 64 an der axial anderen Seite abgegrenzt, und eine Kathode 67 ist an einer inneren peripheren Seite davon abgegrenzt.
  • Dort sind Aussparungen zwischen der ersten Elektrode 66 und der Anode 68 bzw. zwischen der zweiten Elektrode 65 und der Kathode 67 abgegrenzt, um damit nicht elektrisch verbunden zu sein. Die erste Elektrode 66 und die Anode 68 sind aus Ni/Ceroxid-Cermet Ni/Ce0,8So0,2O3. Die zweite Elektrode 65 und die Kathode 67 bestehen aus Sm0,5Sr0,5O3.
  • Die erste und die zweite Elektrode 66 bzw. 65 sind elektrisch mit einer Stromquelleneinheit 69 über eine elektrische Leitung verbunden. Die Anode 68 bzw. die Kathode 67 sind elektrisch mit einer externen Ladung 70 über eine elektrische Leitung verbunden. Das elektrische Stromanschlussklemme der ersten Elektrode 66, der zweiten Elektrode 65, der Anode 68 bzw. der Kathode 67 sind aus einer Eisen-Chrom-Legierung hergestellt.
  • Wie insbesondere aus der Fig. 4 ersichtlich, wird die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 mit einem Hochtemperaturelektrolyt 71 versehen, welche aus einem Feststoffoxid aus Yttriumoxid-stabilisierten Zirconiumdioxid (YSZ) besteht. Eine Anode 72 ist an einer äußeren peripheren Seite des Hochtemperaturelektrolyts 71 abgegrenzt und eine Kathode 73 ist an einer inneren peripheren Seite davon abgegrenzt. Die Anode 72 ist aus Ni/Zirconiumdioxid-Cermet und die Kathode 93 ist aus Lanthancobaltoxid, La0,7Sr0,3MnO3, hergestellt.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ist der Niedertemperaturelektrolyt 64 mit dem Hochtemperaturelektrolyt 71 über glasige Keramiken verbunden, um so den zylindrischen Abschnitt 56 zu bilden. Alternativ kann der zylindrische Abschnitt 56 durch integrales Formen eines Niedertemperaturelektrolyts, eines Isolationsmaterials und eines Hochtemperaturelektrolyts durch Sintern von allen hergestellt werden.
  • Ein Mantelabschnitt jeder Vorwärmeeinheit 51, des Abgasverbrenners 55 und des Abgaskanals 59 ist aus rostfreiem Stahl oder Inconel hergestellt. Eine innere Oberfläche davon ist mit Nitrid oder Oxidantien, wie etwa Keramiken beschichtet, und eine äußere Oberfläche davon ist mit einer keramischen Wolle beschichtet.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wird Methan als der Brennstoff und Luft als das Oxidationsmittel eingesetzt. Das Methan wird zu der Vorwärmeeinheit 51 zugeführt und wird verbrannt, um die Vorwärmeeinheit 51 in einem bevorzugten Bereich zwischen etwa 300°C und etwa 400°C zu steuern. Das Abgas aus der Vorwärmeeinheit 51 wird aus dem Abgas abgebenden Abschnitt 63 über den Abgaskanal 59 abgegeben. In diesem Fall werden die elektrochemische Verarbeitungseinheit 52, die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 und die Hochtemperatur-SOFC- Einheit 54 durch die Wärme des Abgases erwärmt und die Temperatur davon erhöht.
  • Der Brennstoff wird durch die Wärme der Vorwärmeeinheit 51 verdampft, und wird in den Brennstoffkanal 62 der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 52 mit einer Temperatur größer oder gleich 400°C über die Brennstoffzufuhrleitung 58 zugeführt. Die Luft wird durch die Wärme der Vorwärmeeinheit 51 aufgewärmt, und wird zu dem Oxidationsmittelkanal 61 mit einer Temperatur in etwa gleich oder größer 400°C über die Oxidationsmittelzufuhrleitung 57 zugeführt. Die elektrochemische Verarbeitungseinheit 52 wird ferner mit einer Widerstandswärme erwärmt, erzeugt durch das zwischen der ersten Elektrode 66 und der zweiten Elektrode 65 durch die Energiequelle 69 angelegte elektrochemische Potential, um so die erste Elektrode 66 positiv aufzuladen. Daher erreicht die tatsächliche Temperatur des Niedertemperaturelektrolyts 64 in der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 52 die Verarbeitungstemperatur, welche etwa 500°C ist.
  • Falls der Niedertemperaturelektrolyt 64 bei der Betriebstemperatur arbeitet, diffundiert das Sauerstoffion von der zweiten Elektrode 65 zu der ersten Elektrode 66 in Antwort auf das Anlegen des elektrischen Potentials zwischen der ersten Elektrode 66 und der zweiten Elektrode 65. Der zu dem Brennstoffkanal 62 zugeführte Brennstoff der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 52 wird zu Wasserstoffmolekülen (H2) und Kohlenmonoxid (CO) in Übereinstimmung mit der Crack-Reaktion und der teilweise oxidierenden Reaktion reformiert, und wird zu der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 zugeführt. Spezifischer, wird der Kohlenstoff (C), erzeugt durch die Crack-Reaktion mit dem zu der ersten Elektrode 66 diffundierten Sauerstoffion (O2-) oxidiert, um so als das Kohlenmonoxid (CO) reformiert zu werden, und wird zu der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 zugeführt. Das Sauerstoffion (O2-) kann nachfolgend aus der Luft zugeführt werden.
  • Die Elektrizität erzeugende Reaktion wird in der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 aktiviert durch die Verwendung der Wasserstoffmoleküle und des Kohlenmonoxids, enthalten in dem zu dem Brennstoffkanal 62 zugeführten Brennstoff, und dem Sauerstoff, enthalten in der zu dem Oxidationsmittelkanal 61 zugeführten Luft. Die erzeugte Elektrizität wird zu der externen Ladung 70 zugeführt. Ferner werden die Crack-Reaktion und die teilweise oxidierende Reaktion gleichzeitig in der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 aktiviert, um so Wasserstoffmoleküle und Kohlenmonoxid aus dem in der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 52 nicht reagiertem Brennstoff zu erzeugen. Obwohl der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid in der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 verbraucht werden können, werden sie ebenfalls in den Brennstoffkanal 62 der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 zugeführt.
  • Die Elektrizität erzeugende Reaktion in der Hochtemperatur- SOFC-Einheit 54 wird aktiviert durch die Verwendung der Wasserstoffmoleküle und des Kohlenmonoxids, enthalten in dem Brennstoff zugeführt zu dem Brennstoffkanal 62, und dem Sauerstoff enthalten in der Luft, zugeführt zu dem Oxidationskanal 61. Die erzeugte Elektrizität wird zu der externen Ladung 74 zugeführt. Die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 erhält nicht nur die Wasserstoffmoleküle und das Kohlenmonoxid zugeführt, welche nicht in der Niedertemperatur- SOFC-Einheit 53 verbraucht werden, sondern ebenfalls nicht reagierten Brennstoff und den Dampf und das Kohlensäuregas, welche durch die Elektrizität erzeugende Reaktion erzeugt werden. Da die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 zu einer ausreichend hohen Temperatur aufgewärmt wurde, so dass der nicht reagierte Brennstoff mit dem Dampf oder dem Kohlensäuregas reagiert und wird als Wasserstoffmoleküle und Kohlenmonoxid reformiert, welche für die Elektrizität erzeugende Reaktion genutzt werden.
  • Das Brennstoffabgas und das Oxidationsmittelabgas werden zu dem Abgasverbrenner 55 aus dem Brennstoffkanal 62 der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 bzw. dem Oxidationsmittelkanal 61 davon zugeführt. Die brennbaren Bestandteile in dem Brennstoffabgas werden mit Sauerstoff, enthalten in dem Luftabgas, verbrannt. Das Abgas von dem Abgasverbrenner 55 kann von dem Abgas abgebenden Abschnitt 63 über den Abgaskanal 59 abgegeben werden. In diesem Fall wird die Hochtemperatur- SOFC-Einheit 54 mit dem Abgas erwärmt. Falls das System gestartet wird, haben beide tatsächlichen Temperaturen der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 und der Hochtemperatur-SOFC- Einheit 54 noch nicht die entsprechenden Betriebstemperaturen erreicht. In diesem Fall sind große Mengen von brennbaren Bestandteilen in dem Brennstoffabgas enthalten und die Verbrennungswärme des Abgasverbrenners 55 ist hoch. Daher steigt die tatsächliche Temperatur der Hochtemperatur-SOFC- Einheit 54 und erreicht die Betriebstemperatur, welche in etwa gleich oder größer 800°C ist, wodurch die Zeitspanne des Starts wirkungsvoll verringert werden kann. Das aus dem Abgas abgebenden Abschnitt 63 abgegebene Abgas wird zu einem Turbokompressor geleitet und kann wirkungsvoll verwendet werden.
  • Wie in der Fig. 5 dargestellt, enthält das SOFC-System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Vorwärmeeinheit 81, eine elektrochemische Verarbeitungseinheit 82, eine Niedertemperatur-SOFC-Einheit 83, eine Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 und einen Abgasverbrenner 85. Die elektrochemische Verarbeitungseinheit 82, die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 84 bzw. die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 85 haben im Wesentlichen Wabenstruktur, wie in der Fig. 6 dargestellt. Die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 83 wird mit Zwischenverbindungen 91 und einem zweiten Feststoffoxidelektrolyt 92 versehen, welche beide austauschbar angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Wabenstruktur der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 83 wird hauptsächlich mit den Zwischenverbindungen 91 und dem zweiten Feststoffoxidelektrolyten 92 gebildet. Ein zweiter Brennstoffkanal 95 ist zwischen der Zwischenverbindung 91 und dem zweiten Feststoffoxidelektrolyt 92, angeordnet an der einen Seite der Zwischenverbindung 91 abgegrenzt, und ein zweiter Oxidationsmittelkanal 96 ist zwischen der Zwischenverbindung 91 und dem an der anderen Seite angeordneten zweiten Feststoffoxidelektrolyt 92 abgegrenzt. Eine Anode 93 ist an Seitenoberflächen der Zwischenverbindung 91 und dem zweiten Feststoffoxidelektrolyt 92 abgegrenzt, welche den zweiten Brennstoffkanal 95 abgrenzen. Eine Kathode 94 ist an Seitenoberflächen der Zwischenverbindung 91 und des zweiten Feststoffoxidelektrolyts 92 abgegrenzt, welche den zweiten Oxidationsmittelkanal 96 abgrenzen. Eine Brennstoffzelle wird mit dem zweiten Feststoffoxidelektrolyt 92, den Paaren der Anode 93 und Kathode 94, dem zweiten Brennstoffkanal 95 und dem zweiten Oxidationsmittelkanal 96 konfiguriert. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist jede Brennstoffzelle seriell miteinander über die Zwischenverbindung 91 verbunden und in einer orthogonalen Richtung mit der seriellen Verbindungsrichtung angeordnet.
  • Die elektrochemische Verarbeitungseinrichtung 82 und die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 weisen im Wesentlichen die gleiche Struktur wie die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 83 auf. Die elektrochemische Verarbeitungseinheit 82 und die Niedertemperatur SOFC-Einheit 83 sind entsprechend mit einem elektrochemischen Material wie etwa (CeO2)0,8(SmO1,5)0,2 versehen, die Zwischenverbindungen 91 werden aus einer Eisen-Chrom- Legierung hergestellt, den ersten Elektroden der Anoden 93, welche entsprechend aus Ni/Ce0,8 Sm0,2O3 und den zweiten Elektroden der Kathoden 94, welche entsprechend aus Sm0,5Sr0,5CoO3 hergestellt werden. Die inneren Verbindungen 91 der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 bestehen aus Lanthanchromat, das elektrochemische Material davon ist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirconiumdioxid (YSZ), die ersten Elektroden der Anoden 93 sind entsprechend aus Ni/Zirconiumdioxid-Cermet hergestellt, und die zweiten Elektroden der Kathoden 94 sind entsprechend aus La0,7Sr0,3MnO3 hergestellt. Wie vorher beschrieben, kann das SOFC-System mit der Wabenstruktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem SOFC-System, wirkungsvoll die davon abgegebene Stromdichte mit zylindrischer Struktur verbessern.
  • Das SOFC-System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist versehen mit einer Oxidationsmittelzufuhrleitung 76, entsprechend der Oxidationsmittelzufuhrleitung 57 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, einer Brennstoffzufuhrleitung 75 entsprechend der Brennstoffzufuhrleitung 58, einem Abgaskanal 86 entsprechend dem Abgaskanal 59, und einem Abgas abgebenden Abschnitt 87, entsprechend zu dem Abgas abgebenden Abschnitt 63. Die Struktur jeder Einheit des SOFC-Systems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und die Funktion davon sind im Wesentlichen identisch zu dem SOFC-System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, außer dass die Niedertemperatur-SOFC- Einheit 83 strukturell mit der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 verbunden ist. Daher wird die Erläuterung der Strukturen und Funktionen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weggelassen. Eine Brennstoffzelleneinheit 80, welche eine elektrochemische Verarbeitungseinheit 82, die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 83 und die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 enthält, ist mit einer Vorwärmeeinheit 81 über eine Isolationsplatte mittels einer glasigen Dichtung verbunden.
  • Die Niedertemperatur-SOFC-Einheit 83 und die Hochtemperatur- SOFC-Einheit 84 sind miteinander über einen ersten Gasmischabschnitt 88 und einem zweiten Gasmischabschnitt 89 verbunden. Eine Querschnittansicht des ersten Gasmischabschnitts 88, des zweiten Gasmischabschnitts 89 und den benachbarten Abschnitten davon, sind in der Fig. 7 dargestellt. Die Anoden 93 und die Kathoden 94 werden zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt. Der erste Gasmischabschnitt 88, welcher mit der Niedertemperatur-SOFC- Einheit 83 verbunden ist, enthält mehrere erste Mischkanäle 98, wobei jeder mit den zweiten Oxidationsmittelkanälen 96 kommuniziert. Der erste Mischkanal 98 weist im Wesentlichen kubische Struktur auf, welche in einer vertikalen Richtung relativ zu einem Blatt, welches die Fig. 7 darin darstellt, verlängert, so dass die gesamte von den zweiten Oxidationskanälen 96 abgegebene Luft zu dem ersten Mischkanal 98 zugeführt werden kann. Der erste Gasmischabschnitt 88 ist mit einer Hüllwand 88a umgeben.
  • Eine Seite des zweiten Gasmischabschnitts 89 ist mit dem ersten Gasmischabschnitt 88 verbunden, und die andere Seite davon ist mit der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 verbunden. Der zweite Gasmischabschnitt 89 enthält mehrere zweite Mischkanäle 99, wobei jeder davon mit einem zweiten Brennstoffkanal 105, abgegrenzt in der Hochtemperatur-SOFC- Einheit 84, kommuniziert. Der zweite Mischkanal 99 weist im Wesentlichen eine kubische Struktur auf, welche in der vertikalen Richtung relativ zu dem Blatt, welches die Fig. 7 darstellt, verlängert ist. Der zweite Gasmischabschnitt 89 ist mit einer Hüllwand 89a umgeben.
  • Der erste Gasmischabschnitt 88 ist mit dem zweiten Gasmischabschnitt 89 über ein Element mit einem Wandabschnitt 97 verbunden. Der Wandabschnitt 97 ist mit dem ersten Mischkanal 98 und dem zweiten Mischkanal 99 verbunden, um dazwischen eine Aussparung zu schließen, wobei der Brennstoff und die Luft nicht in dem ersten Gasmischabschnitt 88 in dem zweiten Gasmischabschnitt 89 gemischt werden. Der Wandabschnitt 97 wird mit einer glasigen Dichtung ausgebildet, und die ersten und zweiten Mischkanäle 98 und 99 bestehen aus NiCr-Metall.
  • Die von der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 83 abgegebene Luft, d. h. die Luft abgegeben von den zweiten Oxidationsmittelkanälen 96 wird zu einer Mehrzahl von zweiten Oxidationsmittelkanälen 106 über den ersten Mischkanal 98 und einen Raum zugeführt, welcher nicht der zweite Mischkanal 99 ist. Die von den jeweils miteinander kommunizierenden zweiten Oxidationskanälen 96 abgegebene Luft wird miteinander gemischt. Die von den verschiedenen ersten Mischkanälen 98 abgegebene Luft wird in einem Umfangsabschnitt des zweiten Gasmischabschnitts 89 gemischt. Daher, selbst wenn die Bestandteile enthalten in der Luft abgegeben von jeder Brennstoffzelle in der Niedertemperatureinheit 83 nicht gleichmäßig sind, werden alle Bestandteile in den ersten und zweiten Gasmischabschnitten 88 und 89 gleichmäßig, und werden zu jeder Brennstoffzelle in der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 zugeführt. Daher können die Elektrizität erzeugenden Eigenschaften in der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 vereinheitlicht werden und die Wirksamkeit der gesamten Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann verbessert werden.
  • Das von der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 83 abgegebene Gas, d. h. das Brennstoffgas abgegeben von den zweiten Brennstoffkanälen 95, wird zu den zweiten Brennstoffkanälen 105 über einen Raum zugeführt, welcher nicht der erste Mischkanal 98 und der zweite Mischkanal 99 ist. Das von den zweiten Brennstoffkanälen 95 abgegebene Brennstoffgas wird um einen Umfangsabschnitt des ersten gasmischenden Abschnitts 88 herum gemischt. Das gemischte Brennstoffgas wird zu dem zweiten Brennstoffkanälen 105 über den zweiten Mischkanal 99 zugeführt. Daher, selbst wenn die in dem Brennstoffgas, abgegeben von jeder Zelle in der Niedertemperatureinheit 83, enthaltenen Bestandteile nicht gleichmäßig sind, werden alle die Bestandteile in dem ersten Gasmischabschnitt 88 und dem zweiten Gasmischabschnitt 89 gleichmäßig und werden zu jeder Brennstoffzelle in der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 zugeführt. Daher können die Elektrizität erzeugenden Eigenschaften der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 84 gleichmäßig werden, und die Wirksamkeit der gesamten Brennstoffzelle kann verbessert werden.
  • Als Nächstes wird die Startsteuerung des SOFC-Systems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hiernach mit Bezug auf die Fig. 8 beschrieben. Wenn ein Startschalter angeschaltet wird, wird ein Luftkompressor (nicht dargestellt) im Schritt S1 aktiviert (eine Oxidationsmittelzufuhreinrichtung). Die Luft wird zu der Vorwärmeeinheit 51 und der Oxidationsmittelzufuhrleitung 57 zugeführt. Das Programm schreitet dann zu Schritt S2 fort (eine Vorwärmeeinrichtung) für die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs für die Vorwärmeeinheit 51, so dass die Vorwärmeeinheit 51 gezündet wird. Im Schritt S3 (eine zweite Beurteilungseinrichtung) entscheidet die erfindungsgemäße Steuerungseinheit 27 ob die Temperatur der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 im Wesentlichen höher als 500°C ist (eine vorbestimmte Temperatur) oder nicht, und ob die Temperatur der Vorwärmeeinheit 51 im Wesentlichen höher als 300°C ist (eine vorbestimmte Temperatur) oder nicht, d. h. ob eine tatsächliche Temperatur des Oxidationsmittels und des Brennstoffs im Wesentlichen höher als eine vorbestimmte Temperatur sind oder nicht. Falls die Temperatur der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 im Wesentlichen höher als 500°C und die Temperatur der Vorwärmeeinheit 51 im Wesentlichen höher als 300°C ist, schreitet das Programm zu Schritt S4 fort (einer Brennstoffzufuhreinrichtung). Auf der anderen Seite, falls wenigstens eine der Temperaturen der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 und die Temperatur der Vorwärmeeinheit 51 im Wesentlichen höher als jede vorbestimmte Temperatur ist, schreitet das Programm zu Schritt S5 fort, wobei der Verbrennungsbrennstoff zusätzlich zu der Vorwärmeeinheit 51 zugeführt wird, und das Programm zu Schritt 53 zurückkehrt, zur Kontrolle jeder Temperatur der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 und der Vorwärmeeinheit 51, um das vorbestimmte Temperaturniveau zu erreichen.
  • Im Schritt S4, wird der Brennstoff zu der elektrochemischen Verarbeitungseinheit 52 über die Brennstoffzufuhrleitung 58 zugeführt. Im Schritt S6 (einer Einrichtung zur Anlegung eines elektrischen Potentials), wird das elektrische Potential an die elektrochemische Verarbeitungseinheit 52 angelegt. Im Schritt S7 (eine Niedertemperatur-SOFC-Einheit aktivierende Einrichtung), wird die Niedertemperatur-SOFC-Einheit aktiviert und gibt Elektrizität nach außen ab. Im Schritt S8 (einer Abgasverbrennungseinrichtung), wird der Abgasverbrenner 55 gezündet. Das Programm schreitet dann zu Schritt S9 weiter (eine erste Beurteilungseinrichtung) um zu beurteilen, ob die Temperatur der Hochtemperatur-SOFC-Einheit im Wesentlichen höher als 900°C ist oder nicht. Falls die Temperatur der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 im Wesentlichen gleich oder kleiner als 900°C ist, kehrt das Programm zu Schritt S4 zurück. Auf der anderen Seite, falls die Temperatur der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 im Wesentlichen höher als 900°C ist, schreitet das Programm zu Schritt S10 (einer die Hochtemperatur-SOFC-Einheit aktivierenden Einrichtung), um so die Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 zu aktivieren. Das SOFC- System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird dann unter der stationären Bedingung betrieben.
  • Eine Startsteuerung des SOFC-Systems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird in der gleichen Art und Weise wie das des vorher beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels durchgeführt. Daher wird die Beschreibung davon weggelassen, um die Beschreibung zu vereinfachen.
  • Als Nächstes wird eine Abschaltsteuerung des SOFC-Systems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hiernach mit Bezug auf die Fig. 9 beschrieben. Falls ein Abschaltsignal des SOFC- Systems eingegeben wird, wird die Brennstoffzufuhr im Schritt S11 (einer ersten Beendigungseinrichtung) beendet. Im Schritt S12 (einer zweiten Beendigungseinrichtung) wird der Aktivierungsvorgang der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 dann beendet. Im Schritt S13 (einer dritten Beendigungseinrichtung) wird der Aktivierungsvorgang der Niedertemperatur-SOFC-Einheit 53 dann beendet. Im Schritt S14 (einer vierten Beendigungseinrichtung), wird der Aktivierungsvorgang der Vorwärmeeinheit 51 beendet. Im Schritt S15 (einer fünften Beendigungseinrichtung) wird das Anlegen des elektrischen Potentials an die elektrochemische Verarbeitungseinheit 52 beendet. Im Schritt S16 (einem Reinigungsverfahren) wird Kohlensäuregas zu dem Brennstoffkanal 62 gegeben, um so den Brennstoffkanal 62 zu reinigen. Im Schritt S17 (einer sechsten Beendigungseinrichtung) wird der Aktivierungsvorgang des Luftkompressors beendet. Das Programm schreitet dann zum Schritt S18 fort (einer dritten Beurteilungseinrichtung), zur Beurteilung ob die Temperatur der Hochtemperatur-SOFC-Einheit 54 im Wesentlichen niedriger als 100°C ist oder nicht. Falls die Temperatur davon im Wesentlichen niedriger als 100°C ist schreitet das Programm zum Schritt S19 fort (einer Abkühleinrichtung), zum Abkühlen der gesamten Brennstoffzelle. Der Betrieb des SOFC-Systems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird dann beendet.
  • Die Abschaltsteuerung des SOFC-Systems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird in der gleichen Art und Weise wie in dem vorher beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt. Dabei wird die Beschreibung davon weggelassen, um die Beschreibung zu vereinfachen.
  • Die Prinzipien, bevorzugten Ausführungsformen und der Betriebsmodus der vorliegenden Erfindung wurde in der vorhergehenden Erläuterung beschrieben. Jedoch darf die Erfindung, von der beabsichtigt wird sie zu schützen, nicht als auf die speziellen offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt angesehen werden. Ferner sind die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele als darstellend, nicht als beschränkend anzusehen. Variationen und Änderungen können durch andere durchgeführt und Äquivalente eingesetzt werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß wird ausdrücklich beabsichtigt das alle Variationen, Änderungen und Äquivalente welche in den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie in den Ansprüchen definiert, dadurch umfasst werden.
  • Ein Feststoffoxidbrennstoffzellensystem enthält eine elektrochemische Verarbeitungseinheit, und eine Feststoffoxidbrennstoffzelle hat eine Elektrizität erzeugende Einheit. Die elektrisch chemische Verarbeitungseinheit enthält einen ersten Feststoffoxidelektrolyt, eine erste Elektrode, einen ersten Brennstoffkanal, welcher Brennstoff zu der ersten Elektrode zuführt, eine zweite Elektrode, einen ersten Oxidationsmittelkanal, welcher Oxidationsmittel zu der zweiten Elektrode zuführt, und eine Energiequelleneinheit, die ein elektrisches Potential zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anlegen kann, um so die erste Elektrode positiv aufzuladen. Die Elektrizität erzeugende Einheit enthält einen zweiten Feststoffoxidelektrolyt, eine Anode, einen zweiten Brennstoffkanal, eine Kathode und einen zweiten Oxidationsmittelkanal. Der von dem ersten Brennstoffkanal abgegebene Brennstoff wird zu dem zweiten Brennstoffkanal zugeführt.

Claims (16)

1. Ein Feststoffoxidbrennstoffzellensystem mit:
einer elektrochemischen Verarbeitungseinheit einschließlich:
einem ersten Feststoffoxidelektrolyt;
einer ersten Elektrode, abgegrenzt an einer Seite des ersten Feststoffoxidelektrolyts;
einem ersten Brennstoffkanal für die Zufuhr von Brennstoff zu der ersten Elektrode;
einer zweiten Elektrode, abgegrenzt an der anderen Seite des ersten Feststoffoxidelektrolyts;
einem ersten Oxidationsmittelkanal für die Zufuhr von Oxidationsmittel zu der zweiten Elektrode; und
einer Energiequelleneinheit, welche ein elektrisches Potential zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode anlegen kann, um so die erste Elektrode positiv aufzuladen; und
eine Feststoffoxidbrennstoffzelle mit einer Elektrizität erzeugenden Einheit einschließlich:
einem zweiten Feststoffoxidelektrolyt;
einer Anode, abgegrenzt an einer Seite des zweiten Feststoffoxidelektrolyts;
einem zweiten Brennstoffkanal, welche den Brennstoff zu der Anode zuführt;
einer Kathode, abgegrenzt an der anderen Seite des zweiten Feststoffoxidelektrolyts; und
einem zweiten Oxidationsmittelkanal für die Zufuhr des Oxidationsmittels zu der Kathode, wobei der von dem ersten Brennstoffkanal abgegebene Brennstoff zu dem zweiten Brennstoffkanal zugeführt wird.
2. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Feststoffoxidbrennstoffzelle mit mehreren Elektrizität erzeugenden Einheiten versehen ist, wobei die Elektrizität erzeugende Einheit, angeordnet an einer Seite stromaufwärts für die Brennstoffzufuhr, bei einer niederen Temperatur als die Elektrizität erzeugende Einheit, angeordnet an einer Seite stromabwärts für die Brennstoffzufuhr, betrieben wird.
3. Ein Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei ein Mischabschnitt zwischen den mehreren Elektrizität erzeugenden Einheiten zum Mischen von Gas abgegeben von mehreren Zellen in der Elektrizität erzeugenden Einheit angeordnet ist, positioniert an der Seite stromaufwärts, und für die Zufuhr des gemischten Gases zu der Elektrizität erzeugenden Einheit, positioniert an der Seite stromabwärts für die Brennstoffzelle.
4. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei ein Mischabschnitt zwischen den mehreren Elektrizität erzeugenden Einheiten zur Mischung des Brennstoffs abgegeben von den zweiten Brennstoffkanälen angeordnet ist, enthalten in entsprechenden mehreren Zellen der Elektrizität erzeugenden Einheit positioniert an der Seite stromaufwärts, und welche den gemischten Brennstoff zu der stromabwärts positionierten Elektrizität erzeugenden Einheit zuführen, und zum Mischen des Oxidationsmittels, abgegeben von den zweiten Oxidationsmittelkanälen enthalten in den entsprechenden mehreren Zellen, und Zufuhr des gemischten Oxidationsmittels zu der stromabwärts positionierten Elektrizität erzeugenden Einheit.
5. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angelegt wird, um die erste Elektrode der elektrochemischen Verarbeitungseinheit positiv aufzuladen, wenn das Feststoffoxidbrennstoffzellensystem gestartet wird.
6. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 5, ferner mit:
einer Kohlenstoffablagerungsnachweiseinheit zum Nachweis eines Kohlenstoffs abgelagert auf der ersten Elektrode,
wobei das elektrische Potential zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt wird, um die erste Elektrode positiv aufzuladen, falls die Kohlenstoffablagerung durch die Kohlenstoffablagerungsnachweiseinheit nachgewiesen wird.
7. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Elektrizität erzeugende Einheit, positioniert an der Seite stromaufwärts, vor der Elektrizität erzeugenden Einheit, positioniert an der Seite stromabwärts, betrieben wird.
8. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Feststoffoxidbrennstoffzelle mit mehreren Elektrizität erzeugenden Einheiten versehen ist, relativ in Reihe zueinander positioniert, wobei die Elektrizität erzeugende Einheit, welche stromaufwärts für die Brennstoffzufuhr positioniert ist, und in nächster Nähe zu der elektrochemischen Verarbeitungseinheit der mehreren Elektrizität erzeugenden Einheiten angeordnet ist, bei einer relativ niedrigen Temperatur betrieben wird, und die Betriebstemperaturen der entsprechenden mehreren Elektrizität erzeugenden Einheit in Übereinstimmung mit ihrer Entfernung von der Seite stromaufwärts für die Brennstoffzufuhr gesteigert werden.
9. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die relativ niedrige Temperatur eine Temperatur zur hauptsächlichen Aktivierung einer Crack-Reaktion ist, und eine Reformierungsreaktion in Übereinstimmung vom Abstand von der Seite stromaufwärts für die Brennstoffzufuhr verstärkter aktiviert wird.
10. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit:
einer Vorwärmeeinheit zum Vorwärmen des zu der elektrochemischen Verarbeitungseinheit zuzuführenden Brennstoffs und zu der elektrochemischen Verarbeitungseinheit zuzuführenden Oxidationsmittels.
11. Feststoffoxidbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit:
einen Abgasverbrenner zum Verbrennen eines brennbaren Brennstoffs, enthalten in einem Brennstoffgas abgegeben von der Feststoffoxidbrennstoffzelle, mit Sauerstoff, welcher in einem davon abgegebenen Oxidationsmittelgas verbleibt, wobei die Verbrennungswärme in dem Abgasverbrenner zu der Feststoffoxidbrennstoffzelle geleitet wird.
12. Verfahren zur Steuerung eines Feststoffoxidbrennstoffzellensystems mit:
einer Oxidationsmittelzufuhreinrichtung für die Zufuhr von Oxidationsmittel zu einer elektrochemischen Verarbeitungseinheit und einer Feststoffoxidbrennstoffzelle;
einer Brennstoffzufuhreinrichtung für die Zufuhr von Brennstoff zu der elektrochemischen Verarbeitungseinheit und der Feststoffoxidbrennstoffzelle;
eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die elektrochemische Verarbeitungseinheit, wobei das elektrische Potential zwischen einer ersten Elektrode der elektrochemischen Verarbeitungseinheit und einer zweiten Elektrode der elektrochemischen Verarbeitungseinheit angelegt wird, um so die erste Elektrode positiv aufzuladen;
eine Niedertemperatur-SOFC-Einheit aktivierende Einrichtung zur Aktivierung einer Niedertemperatur-SOFC-Einheit der Feststoffoxidbrennstoffzelle;
eine erste Beurteilungseinrichtung zur Beurteilung ob eine tatsächliche Temperatur einer Hochtemperatur-SOFC-Einheit der Feststoffoxidbrennstoffzelle im Wesentlichen größer als eine vorbestimmte Temperatur ist oder nicht; und
eine Hochtemperatur-SOFC-Einheit aktivierende Einrichtung zur Aktivierung der Hochtemperatur-SOFC-Einheit, falls die tatsächliche Temperatur der Hochtemperatur-SOFC-Einheit als im Wesentlichen höher als die vorbestimmte Temperatur beurteilt wird.
13. Verfahren zur Steuerung eines Feststoffoxidbrennstoffzellensystems nach Anspruch 12 ferner mit:
einer Vorwärmeeinrichtung zum Vorwärmen des zu der elektrochemischen Verarbeitungseinheit zuzuführenden Oxidationsmittels, und des zu der elektrochemischen Verarbeitungseinheit zuzuführenden Brennstoffs;
einer zweiten Beurteilungseinrichtung zur Beurteilung ob eine tatsächliche Temperatur der Niedertemperatur-SOFC- Einheit im Wesentlichen höher als eine vorbestimmte Temperatur ist oder nicht, und ob eine tatsächliche Temperatur des Oxidationsmittels und des Brennstoffs im Wesentlichen höher als eine vorbestimmte Temperatur ist oder nicht, wobei die Niedertemperatur-SOFC-Einheit aktiviert wird nachdem das elektrische Potential zwischen der ersten Elektrode der elektrochemischen Verarbeitungseinheit und der zweiten Elektrode davon angelegt wird, um so die erste Elektrode positiv aufzuladen, falls die tatsächliche Temperatur der Niedertemperatur-SOFC-Einheit als im Wesentlichen höher als die vorbestimmte Temperatur beurteilt wird, und die tatsächliche Temperatur des Oxidationsmittels und des Brennstoffs als im Wesentlichen höher als die vorbestimmte Temperatur beurteilt wird.
14. Verfahren zur Steuerung einer Feststoffoxidbrennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei der Brennstoff zur Steuerung der tatsächlichen Temperatur der Niedertemperatur-SOFC-Einheit zusätzlich zugeführt wird, um im Wesentlichen höher als die vorbestimmte Temperatur zu sein, und zur Steuerung der tatsächlichen Temperatur des Oxidationsmittels und des Brennstoffs, um im Wesentlichen höher als die vorbestimmte Temperatur zu sein, falls wenigstens einer der tatsächlichen Temperaturen der Niedertemperatur-SOFC- Einheit und des Brennstoffs und des Oxidationsmittels als im Wesentlichen nicht höher als die vorbestimmte Temperatur beurteilt wird.
15. Verfahren zur Steuerung einer Feststoffoxidbrennstoffzelle nach Anspruch 14, ferner mit:
einer Abgasverbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines verbrennbaren Brennstoffs, enthalten in einem von der Feststoffoxidbrennstoffzelle abgegebenen Brennstoffgas, mit in einem davon abgegebenen Oxidationsmittelgas verbleibenden Sauerstoff, wobei die durch die Verbrennung des brennbaren Brennstoffs mit dem Sauerstoff erzeugte Verbrennungswärme zu der Feststoffoxidbrennstoffzelle geleitet wird.
16. Verfahren zur Steuerung einer Feststoffoxidbrennstoffzelle nach Anspruch 15, ferner mit:
einer ersten Beendigungseinrichtung zur Beendigung der Brennstoffzufuhr, durchgeführt durch die Brennstoffzufuhreinrichtung;
einer zweiten Beendigungseinrichtung zur Beendigung des Aktivierungsvorgangs der Hochtemperatur-SOFC-Einheit, durchgeführt durch die Hochtemperatur-SOFC-Einheit aktivierende Einrichtung;
einer dritten Beendigungseinrichtung zur Beendigung des Aktivierungsvorgangs der Niedertemperatur-SOFC-Einheit, durchgeführt durch die Niedertemperatur-SOFC-Einheit aktivierende Einrichtung;
einer vierten Beendigungseinrichtung zur Beendigung der Brennstoff- und Oxidationsmittelverbrennung, durchgeführt durch die Abgasverbrennungseinrichtung;
einer fünften Beendigungseinrichtung zur Beendigung des Anlegens des elektrischen Potentials zwischen der ersten Elektrode der elektrochemischen Verarbeitungseinheit und der zweiten Elektrode davon, durchgeführt durch die Einrichtung zur Anlegung eines elektrischen Potentials;
einem Säuberungsverfahren zur Säuberung mit Kohlensäuregas;
einer sechsten Beendigungseinrichtung zur Beendigung der Oxidationsmittelzufuhr, durchgeführt durch die Oxidationsmittelzufuhreinrichtung;
einer dritten Beurteilungseinrichtung zur Beurteilung ob die tatsächliche Temperatur der Hochtemperatur-SOFC-Einheit im Wesentlichen niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist oder nicht; und
einer Abkühlungseinrichtung zur Abkühlung der Feststoffoxidbrennstoffzelle, falls die tatsächliche Temperatur der Hochtemperatur-SOFC-Einheit als im Wesentlichen niedriger als die vorbestimmte Temperatur beurteilt wird.
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