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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der am 31. Januar 2007
eingereichten vorläufigen
U.S.-Patentanmeldung Nr. 60/898,583.
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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere
die Konstruktion und den Betrieb von Brennstoffzellensystemen mit
Festoxidbrennstoffzellen.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Festoxidbrennstoffzellen
(SOFCs – Solid Oxide
Fuel Cells) sind elektrochemische Festkörper-Einrichtungen, die einen
festen keramischen Elektrolyten verwenden, um Sauerstoffionen von
einem oxidierenden Gasstrom an einem Kathodenende der Brennstoffzelle
zu einem reduzierenden Gasstrom an dem Anodenende der Brennstoffzelle
zu leiten. Der oxidierende Fluß kann
Luft sein, während der
Brennstofffluß ein
wasserstoffreiches Gas sein kann, das durch Reformieren einer Kohlenwasserstoffbrennstoffquelle
hergestellt wird.
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Die
Festoxidbrennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann eine Reihe
unterschiedlicher Konstruktionen und Chemien aufweisen, von denen
eine als eine Planare Festoxidbrennstoffzelle bezeichnet wird. Eine
Planare SOFC kann aus einem dünnen Elektrolyten
mit einer Kathodenelektrode auf einer Oberfläche und einer Anodenelektrode auf
der gegenüberliegenden
Oberfläche
konstruiert werden. Eine Zwischenverbindung kann verwendet werden, um
die Anode einer Brennstoffzelle elektrisch mit der Kathode der benachbarten
Zelle in dem Stapel zu verbinden. Ein Satz von Flußkanälen in der
Zwischenverbindung kann den Kraftstofffluß mit Zugang zu der Anode bereitstellen,
und ein anderer Satz von Flußkanälen in der
Zwischenverbindung kann den Luftfluß mit Zugang zu der Kathode
bereitstellen. Ein Fließverteiler
kann in den Brennstoffzellenstapel eingearbeitet sein, um den Brennstofffluß von dem
oxidierenden Fluß zu
isolieren und um den Brennstofffluß gleichmäßig zu den Anoden der mehreren
Zellen in dem Stapel zu verteilen. Bei einigen Brennstoffzellendesigns
der vorliegenden Erfindung kann eine ähnliche verteilende Struktur
bereitgestellt werden, um den Luftfluß zu den Kathoden der mehreren
Zellen in dem Stapel zu verteilen (als ein intern verteilter Stapel
bezeichnet), während
bei anderen Brennstoffzellendesigns die Kathodenflußkanäle in jeder
individuellen Zwischenverbindung Zugang zu einem Einlaß und einer
Auslaßfläche des
Stapels aufweisen können,
um einen Eingang und Ausgang für
den Kathodenluftfluß bereitzustellen
(als ein extern verteilter Stapel bezeichnet).
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Die
Brennstoffzelle, die bei einer Temperatur in der Regel zwischen
etwa 750°C
und etwa 1000°C arbeitet,
ermöglicht
den Transport eines negativ geladenen Ions (O–)
von der Kathodenelektrode zu der Anodenelektrode, wo sich das Ion
entweder mit freiem Wasserstoff oder Wasserstoff in einem Kohlenwasserstoffmolekül vereinigt,
um Wasserdampf zu bilden, oder mit Kohlenmonoxid, um Kohlendioxid
zu bilden. Die überschüssigen Elektronen
von dem negativ geladenen Ion werden zurück zur Kathodenseite der Brennstoffzelle
durch einen elektrischen Kreis geleitet, der extern zwischen Anode
und Kathode geschlossen ist, was zu einem elektrischen Stromfluß durch
den Kreis führt.
Bei einigen SOFC-Systemen sind mehrere derartige Zellen in einer
elektrischen Reihe als ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel plaziert,
um einen elektrischen Strom mit einer ausreichend hohen Spannung
zu liefern.
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Ein
derartiges Brennstoffzellensystem kann dazu verwendet werden, nützliche
elektrische Leistung durch Verbrauch von üblichen Kohlenwasserstoffbrennstoffen
herzustellen, wie etwa beispielsweise Erdgas, Propan, Flüssiggas
(LPG – Liquefied
Petroleum Gas), Benzin und Diesel. Dies ermöglicht die Verwendung eines
SOFC-Systems als Alternative zu herkömmlichen Stromerzeugungseinrichtungen
wie etwa Generatorsätzen
auf der Basis von Verbrennungsmotoren zur Verwendung in einem DPG-System
(Distributed Power Generation – verteilte
Stromerzeugung) oder in einer APU (Auxiliary Power Unit – Hilfsstromversorgung).
Ein auf einer Festoxidbrennstoffzelle basierendes DPG-System oder
eine APU bieten mehrere Vorteile gegenüber traditionellen Generatorsätzen, auf
daß unerwünschte Geräuschpegel
eliminiert werden, die im Betrieb des Verbrennungsmotors inhärent sind,
daß die
Emission von Verunreinigungen wie etwa Kohlenmonoxid, Oxide von
Stickstoff und unverbrannten Kohlenwasserstoffen reduziert oder
eliminiert wird und daß höhere Leistungsumwandlungseffizienzen
bereitgestellt werden.
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Beim
Herstellen von verteilten Stromerzeugungssystemen oder APUs auf
der Basis von Festoxidbrennstoffzellen gibt es substantielle Schwierigkeiten
auf einer Kostenebene, die mit der der traditionellen Systeme auf
der Basis eines Verbrennungsmotors vergleichbar ist. Eine der größten derartigen Schwierigkeiten
liegt darin, die Nebenanlagenbaugruppen herzustellen, die für den ordnungsgemäßen Betrieb
der Festoxidbrennstoffzellen erforderlich sind. Der ordnungsgemäße Betrieb
eines SOFC-Systems kann die Ausführung
von mehreren Verarbeitungsschritten erfordern, einschließlich eine oder
mehrere der folgenden: der rekuperative Transfer von Wärmeenergie
von den Abgasströmen;
das chemische Reformieren des Kohlenwasserstoffbrennstoffs in einen
Wasserstoff- und Kohlenmonoxidfließstrom mit minimalen Mengen
an höheren Kohlenwasserstoffen; Wasserrückgewinnung
aus Abgasströmen;
die strukturelle Stütze
der Brennstoffzellenstapel und das Verbrennen von verbleibenden verbrennbaren
Spezies in dem Anodenabgasstrom.
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Weil
die Brennstoffzellenstapel selbst bei einer erhöhten Temperatur arbeiten, sind
viele dieser Prozeßoperationen
sowie die Komponenten, die dazu dienen, die Gasströme zwischen
den verschiedenen Operationen und Komponenten zu liefern, auf ähnliche
Weise erhöhten
Temperaturen ausgesetzt. Dies erfordert, daß die Baumaterialien für diese
Nebenanlagenoperationen, wenn sie solchen Temperaturen ausgesetzt
werden, für
einen langfristigen Betrieb in der Lage sind. Die Materialien, die
im allgemeinen so angesehen werden, daß sie sowohl für eine langfristige
Exposition gegenüber
solchen Temperaturen in der Lage sind und geeignet sind, um die erforderlichen
Prozeßoperationen
auszuführen,
sind metallische „Superlegierungen” auf Nickel-Chrom-Basis,
die vorteilhafte Eigenschaften aufweisen wie etwa Hochtemperaturkriechfestigkeit, lange
Ermüdungslebensdauer,
Phasenstabilität
und ausgezeichnete Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit.
Der Einsatz von solchen Materialien erhöht jedoch die Kosten des Brennstoffzellensystems
dramatisch. Herkömmlichere
austenitische rostfreie Stähle,
die einen wesentlich niedrigeren Nickelgehalt aufweisen, sind zu
Kosten verfügbar,
die in der Regel weniger als 10% der Kosten einer gleichen Menge von
Superlegierungsmaterial betragen, aber die Eigenschaften von austenitischen
rostfreien Stählen macht
sie ungeeignet zum Einsatz bei einer Metalltemperatur von über etwa
600°C. Viele
der Nebenanlagenkomponenten weisen eine Wärmetauscherfunktionalität auf, die
erfordert, daß eine
erhebliche Menge an Wärmetransferoberfläche und
folglich eine wesentliche Menge an Superlegierungsmaterial verwendet
werden. Außerdem
erfordert die Beförderung der
Fluidflüsse
zwischen den verschiedenen verarbeitenden Komponenten Verbindungsrohrleitungen, die ähnlich aus
für hohe
Temperaturen geeigneten Superlegierungen konstruiert sind und die
alle unter Verwendung von arbeitsintensiven Schweißoperationen
und/oder aufwendigen Quetscharmaturverbindungen verbunden werden.
Dies erhöht
die Kosten eines SOFC-Systems. weiter.
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Bei
einigen Ausführungsformen
liefert die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum
Reduzieren der Kosten eines Festoxidbrennstoffzellensystems unter
anderem durch Minimieren der Menge an Superlegierungsmaterialien,
die bei der Konstruktion der Brennstoffzellennebenanlage erforderlich
ist.
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Bei
einigen Ausführungsformen
vereinfacht die vorliegende Erfindung die Konstruktion eines Festoxidbrennstoffzellensystems
und minimiert die Menge an Superlegierungsmaterialien, die erforderlich
ist, wodurch die Kosten eines verteilten Stromerzeugungssystems
auf der Basis von Festoxidbrennstoffzellen reduziert werden.
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Bei
einigen Ausführungsformen
enthält
ein Brennstoffzellensystem eine erste isolierte Umhüllung, deren
Inneres gegenüber
der Umgebung auf einer moderaten erhöhten Temperatur gehalten wird, wobei
die erhöhte
Temperatur ausreichend niedrig ist, um die langfristige Exposition
von austenitischen rostfreien Stahlmaterialien sowohl gegenüber oxidierenden
als auch reduzierenden Gasströmen
bei dieser Temperatur zu gestatten. Die erste isolierte Umhüllung kann
eine zweite isolierte Umhüllung
enthalten, deren Inneres auf einer Temperatur gehalten werden kann,
die etwa gleich der Betriebstemperatur der Festoxidbrennstoffzellen
ist.
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Bei
einigen Ausführungsformen
enthält
die erste isolierte Umhüllung
auch eine Struktur, die aus austenitischem rostfreiem Stahl oder ähnlichen
Konstruktionsmaterialien konstruiert ist, die die zweite isolierte
Umhüllung
strukturell trägt
und die Brennstoff zellenprozeßflüsse an die
zweite isolierte Umhüllung
liefert und Brennstoffzellenprozeßflüsse von dieser erhält. Bei
einigen Ausführungsformen
ermöglicht die
oben erwähnte
Struktur den für
den ordnungsgemäßen Betrieb
des Brennstoffzellensystems erforderlichen Wärmetransfer zwischen zwei oder
mehr der Brennstoffzellenprozeßflüsse darin.
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Bei
einigen Ausführungsformen
enthält
die erste isolierte Umhüllung
zusätzlich
Wärmetauschkomponenten,
die für
den ordnungsgemäßen Betrieb des
Brennstoffzellensystems erforderlich sind.
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Bei
einigen Ausführungsformen
enthält
die zweite isolierte Umhüllung
mehrere Festoxidbrennstoffzellenstapel. Bei einigen Ausführungsformen enthält die zweite
isolierte Umhüllung
einen brennstoffverarbeitenden Reformer. Bei einigen Ausführungsformen
enthält
die zweite isolierte Umhüllung eine
oder mehrere Hochtemperatur-Wärmetauscher. Bei
einigen Ausführungsformen
enthält
die zweite isolierte Umhüllung
eine Flußverteilerstruktur,
die eine strukturelle Stütze
für die
Festoxidbrennstoffzellenstapel liefert und die Flüsse zu den
Festoxidbrennstoffzellenstapeln, dem brennstoffverarbeitenden Reformer
und dem einen oder den mehreren Hochtemperatur-Wärmetauschern und von diesen
weg leitet.
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Bei
einigen Ausführungsformen
ist der Luftraum innerhalb der ersten isolierten Umhüllung mit einem
Gas gefüllt,
das aus Kathodenabgas und verbranntem Anodenabgas besteht. Bei einigen
Ausführungsformen
wird das Gas ständig
aus der ersten isolierten Umhüllung
abgelassen und wird durch mehr von dem gleichen Gas aus der zweiten
isolierten Umhüllung
während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems ersetzt.
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Weitere
Aspekte der Erfindung ergeben sich bei Betrachtung der ausführlichen Beschreibung
und beiliegenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise weggeschnittene Perspektivansicht eines Festoxidbrennstoffzellensystems
gemäß einigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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2A ist
eine schematische Teilschnittansicht, die bestimmte Merkmale der
Einheit von 1 zeigt, wobei eine Kathodenluftflußbewegung
innerhalb einer isolierten Umhüllung
gezeigt ist;
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2B ist
eine schematische Teilschnittansicht, die bestimmte Merkmale der
Einheit von 1 in einer Betrachtungsrichtung
senkrecht von der zu 2A zeigt, wobei eine Kathodenluftflußbewegung innerhalb
einer isolierten Umhüllung
gezeigt ist;
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3A ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 3A-3A in 2B;
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3B ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 3B-3B in 3A;
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4 ist
eine Perspektivansicht einer verteilenden Struktur und gewisser
anderer Komponenten zur Verwendung der in 1 gezeigten
Einheit;
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5A und 5B sind
Ansichten ähnlich 3A,
wobei 5A den Fluß des Anodenspeise- und -abgases
darstellt und 5B den Fluß des Kathodenspeise- und -abgases
darstellt;
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5C ist
eine Ansicht ähnlich 5B,
die eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist
eine vergrößerte Perspektivansicht, die
ausgewählte
Abschnitte der in 4 gezeigten Struktur zeigt;
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7 ist
eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer Wärmetauschstruktur
zur Verwendung in der in 1 gezeigten Einheit;
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8 ist
eine Perspektivansicht von Merkmalen, die sich auf einer unteren
Oberfläche
der in 4 gezeigten verteilenden Struktur befinden;
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9 ist
eine Perspektivansicht eines Flußverteilungs-/Wärmetausch-/Strukturstützmerkmals zur
Verwendung in der in 1 gezeigten Einheit;
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10 ist
eine Perspektivansicht ähnlich
der von 9, wobei aber einige Komponenten
der Übersichtlichkeit
halber entfernt sind;
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11 ist
ein Prozeßflußschema
eines die vorliegende Erfindung verkörpernden Festoxidbrennstoffzellensystems.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bevor
irgendwelche Ausführungsformen
der Erfindung ausführlich
erläutert
werden, ist zu verstehen, daß die
Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion
und der Anordnung von Komponenten beschränkt ist, die in der folgenden
Beschreibung dargelegt oder in den folgenden Zeichnungen dargestellt
sind. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen und zur Durchführung oder
Ausführung
auf unterschiedliche Weisen in der Lage. Außerdem versteht sich, daß die Phraseologie und
die Terminologie, die hierin verwendet wird, zum Zweck der Beschreibung
ist und nicht als beschränkend
angesehen werden sollte. Die Verwendung von „enthaltend”, „umfassend” oder „aufweisend” und Variationen
davon hierin soll die danach aufgeführten Punkte und Äquivalente
davon sowie zusätzliche Punkte
umfassen. Sofern nicht spezifiziert oder anderweitig beschränkt, werden
die Terme „montiert”, „verbunden”, „gestützt” und „gekoppelt” und Variationen
davon im breiten Sinne verwendet und umfassen sowohl direkte als
auch indirekte Armaturen, Verbindungen, Stützen und Kupplungen. Weiterhin
sind „verbunden” und „gekoppelt” nicht
auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kupplungen beschränkt.
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Die 1, 2A und 2B veranschaulichen
ein Hochtemperaturteilsystem 9 zur Verwendung in einem
verteilten Stromerzeugungssystem oder einer Hilfsstromversorgung
auf Brennstoffzellensystembasis. Das Teilsystem 9 enthält eine
isolierte äußere Umhüllung 10,
die ein mit Hot-Box-Teilsystem 100, ein Anodenspeiseinjektionssystem 17 und eine
Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützkomponente 20 enthält. Bei
einigen Ausführungsformen
dient die äußere Umhüllung 10 dazu,
die Umgebung darin auf einer moderat erhöhten Temperatur von etwa 300–450°C zu halten.
Bei einigen Ausführungsformen
enthält
die isolierte äußere Umhüllung 10 auch
zusätzliche
Komponenten, einschließlich
unter anderem: einen Anodenabgasoxidations-(ATO-)Reaktor 12,
der an das Hot-Box-Teilsystem 100 mit Rohrleitung 13 angeschlossen
ist, einen ATO-Luftvorerhitzer 14 und einen Reformerluftvorerhitzer 15.
Andere Komponenten, die innerhalb der isolierten äußeren Umhüllung 10 enthalten
sein können,
werden unten ausführlicher
erläutert.
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Unter
Bezugnahme auf die 2A und 2B tritt
ein Kathodenluftstrom, schematisch durch Pfeil 46 gezeigt,
in die Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützkomponente 20 durch
das Einlaßrohr 21 ein,
das durch die äußere Umhüllung 10 geht,
und wird als teilweise vorerhitzte Kathodenluft in das Hot-Box-Teilsystem 100 gelenkt,
schematisch durch die Pfeile 119 gezeigt. Ein Abgasfluß, schematisch
durch den Pfeil 124 gezeigt, einschließlich dem Kathodenabgas und
ATO-Abgas wird von dem Hot-Box-Teilsystem 100 durch
die Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützkomponente 20 und
in einen Luftraum 49 gelenkt, der sich unter der Komponente 20 befindet
und zu dem Luftraum innerhalb der äußeren isolierten Umhüllung 10 an
beiden Enden der Komponente 20 offen ist, wie in 1 dargestellt.
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Bei
einigen Ausführungsformen
befindet sich ein Wasserverdampfer-Wärmetauscher 16 innerhalb des
Luftraums 49, um Wärme
von dem Abgasfluß 124 zu
einem Wasserfluß zu übertragen
zur Verwendung für
einen Reformierungsprozeß innerhalb
des Hot-Box-Teilsystems 100. Abgasströme, schematisch durch Pfeile 41 gezeigt,
die den Abgasfluß 124 enthalten,
verlassen den Luftraum 49 und füllen den Hohlraum innerhalb
der isolierten äußeren Umhüllung 10.
Die isolierte äußere Umhüllung 10 wird durch
ein Abgasrohr 11 entlüftet,
das sich in dem oberen Gebiet der Umhüllung 10 befindet.
Der Ort des Abgasrohrs 11 bewirkt, daß sich der Abgasfluß 41 in
einer Richtung allgemein aufwärts
durch die Umhüllung 10 bewegt.
Während
der Abgasfluß 41 durch
die Umhüllung 10 fließt, wird
Wärme in
den Wärmetauschern 14 und 15 aus
dem Fluß entfernt. Der
Druck wird innerhalb der äußeren Umhüllung 10 durch
einen Fluß von
Abgas, schematisch durch Pfeil 42 gezeigt, von der Umhüllung durch
die Abgasrohrleitung 11 aufrechterhalten, wobei der Abgasfluß 42 aus
dem Abgasfluß 124 besteht.
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Bei
einigen Ausführungsformen
ist die äußere Umhüllung ausreichend
abgedichtet, so daß der Abgasfluß 42 aus
der äußeren Umhüllung 10 mit etwa
der gleichen Rate entfernt wird, wie der Abgasfluß 124 in
den Raum 49 eintritt. Bei einigen Ausführungsformen liegen alle Abgasflüsse 124, 41 und 42 in
einem Temperaturbereich von 300–450°C.
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Nun
ausführlicher
auf das Hot-Box-Teilsystem 100 Bezug nehmend, wie am besten
in 3A und 3B zu
sehen, enthält
das Hot-Box-Teilsystem 100 eine isolierende Umhüllung 102,
eine Flußverteilungsstruktur 101,
eine Anzahl von Festoxidbrennstoffzellenstapeln 106, einen
Reformer 105 und einen zylindrischen Kathodenrekuperatorwärmetauscher 107.
In der dargestellten Ausführungsform
ist der Reformer 105 ein zylindrischer, monolithischer katalytischer
Reaktortyp und befindet sich in der Mitte des Hot-Box-Teilsystems 100.
Das Anodenspeiseinjektionssystem 17 befindet sich an der
Oberseite der Hot-Box-Teilbaugruppe 100 in der dargestellten
Ausführungsform
und ist derart mit dem Reformer 105 verbunden, daß Fluide
von dem Injektionssystem 17 zu dem Reformer 105 fließen können. Ein
Zylinder 108, konzentrisch mit dem zylindrischen Reformer 105 und
von einem größeren Durchmesser
als dieser, ist vorgesehen, um Gasflüsse in dem Reformer von dem
Luftraum innerhalb der Umhüllung 102 zu isolieren.
Der Zylinder 108 erstreckt sich von dem Anodenspeiseinjektionssystem 17 zu
der Flußverteilungsstruktur 101 und
ist sowohl an die Flußverteilungsstruktur 101 als
auch an das Anodenspeiseinjektionssystem 17 angeschlossen,
um die Leckage eines Flusses zu verhindern. Die Verbindung zwischen
dem Zylinder 108 und der Flußverteilungsstruktur 101 ist
bevorzugt eine metallurgische Verbindung, wie sie etwa durch Schweißen oder
Hartlöten erreicht
werden kann, wenngleich auch oder alternativ andere Verfahren zur
Verbindung verwendet werden können.
Die Verbindung zwischen dem Zylinder 108 und dem Anodenspeiseinjektionssystem 17 kann
eine betriebsbereite Verbindungsstelle sein, wie etwa eine verschraubte
Flanschverbindung mit einem geeigneten Dichtungswerkstoff.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist der zylindrische Wärmetauscher 107 vom
Durchmesser her größer als
der Zylinder 108 und konzentrisch dazu angeordnet, so daß ein erster
ringförmiger Flußdurchgang
zwischen der inneren Oberfläche
des zylindrischen Wärmetauschers 107 und
der äußeren Oberfläche des
Zylinders 108 hergestellt wird. Die dargestellte Ausführungsform
kann auch oder alternativ einen Zylinder 109 aufnehmen,
der vom Durchmesser her größer ist
als der zylindrische Wärmetauscher 108 und
konzentrisch dazu angeordnet ist, so daß ein zweiter ringförmiger Flußdurchgang
zwischen der äußeren Oberfläche des
zylindrischen Wärmetauschers 107 und
der inneren Oberfläche des
Zylinders 109 hergestellt wird.
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Wie
am besten in den 3A, 3B und 4 zu
sehen, kann die dargestellte Ausführungsform auch oder alternativ
eine Deckplatte 129, ein erstes Paar parallele Seitenwände 110 und
ein zweites Paar parallele Seitenwände 125, senkrecht
zu dem ersten Paar Seitenwände 110 orientiert,
enthalten. Das erste Paar Seitenwände 110, das zweite Paar
Seitenwände 125,
die Deckplatte 129, der zylindrische Wärmetauscher 107 und
die Verteilungsstruktur 101 werden durch ein Verfahren
wie etwa beispielsweise Schweißen
und/oder Hartlöten
verbunden, so daß ein
Gasfluß in
dem oben erwähnten ersten
ringförmigen
Flußdurchgang
und ein Gasfluß in
dem oben erwähnten
zweiten ringförmigen
Flußdurchgang
voneinander isoliert gehalten werden.
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Unter
Bezugnahme auf 5A werden ein Kohlenwasserstoffbrennstofffluß, schematisch
durch Pfeil 113 gezeigt, ein Reformerluftfluß, schematisch durch
Pfeil 112 gezeigt und ein Dampffluß, schematisch durch Pfeil 114 gezeigt,
durch separate nicht gezeigte Rohrleitungen an das Anodenspeiseinjektionssystem 17 geliefert.
Bei einigen Ausführungsformen
ist der Kohlenwasserstoffbrennstofffluß 113 ein Dampf. Bei
anderen Ausführungsformen
ist der Kohlenwasserstoffbrennstofffluß 113 ein flüssiger Kohlenwasserstoff,
und das Anodenspeiseinjektionssystem 17 ist von einem Design,
das den Brennstofffluß versprühen kann,
einschließlich
einem gasunterstützten
Injektor, Mehrpunktaufprallinjektor, piezoelektrischem Injektor
oder einer anderen Art von Injektor, die dem Fachmann auf dem Gebiet
der Flüssigbrennstoffinjektion
bekannt ist. Die Flußströme 112, 113 und 114 umfassen
zusammen einen schematisch durch Pfeil 115 gezeigten Reformerspeisestrom.
Der Reformerspeisestrom 115 durchläuft den katalytischen Reformer 105,
wo der Kohlenwasserstoffbrennstoff durch katalytische Teiloxidation
und Dampfreformieren chemisch reformiert wird, um einen Reformatfluß zu erzeugen,
der in erster Linie aus Wasserstoff (H2),
Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2),
Wasserdampf (H2O) und Stickstoff (N2) besteht. Bei einigen Ausführungsformen
werden die Verhältnisse
aus Dampf und aus Sauerstoff in der zugeführten Luft zu dem Kohlenstoff
in dem Kohlenwasserstoffbrennstoff geregelt, um ein gewünschtes Gleichgewicht
zwischen der exothermen katalytischen Teiloxidationsreaktion und
der endothermen Dampfreformierungsreaktion zu liefern, so daß die Temperatur
des aus dem katalytischen Reformer 105 austretenden Reformats
innerhalb eines gewünschten
Temperaturbereichs gehalten wird. Als ein Beispiel für eine derartige
Ausführungsform
kann der Kohlenwasserstoffbrennstofffluß 113 flüssigen Dieselbrennstoff
enthalten, das Molverhältnis
von atomarem Sauerstoff zu Kohlenstoff kann bei etwa 1,0 gehalten
werden und das Molverhältnis
Dampf zu Kohlenstoff kann bei etwa 0,65 gehalten werden. Es sei
angemerkt, daß die
gewünschten
Dampf-zu-Kohlenstoff- und Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisse unter
anderen Faktoren stark von der Art des Kohlenwasserstoffbrennstoffs
und dem Katalysatortyp, der verwendet wird, abhängen können. Zudem ist in dieser Offenbarung
keine Beschränkung
auf die Bereiche oder Verhältnisse
von Dampf zu Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlenstoff beabsichtigt.
Bei bestimmten Ausführungs formen
kann die vorliegende Erfindung ohne irgendwelchen Dampffluß zu dem
Reformer betrieben werden.
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Der
Reformatfluß,
schematisch durch Pfeile 116 gezeigt, tritt in die Flußverteilungsstruktur 101 ein und
wird durch die Verteilerstruktur an die Brennstoffzellenstapel 106 verteilt.
Der Reformatfluß 116 tritt
in die Anodeneinlaßverteiler
in dem Brennstoffzellenstapel 106 ein, worin der Reformatfluß an die
Anodenseiten der individuellen Brennstoffzellen verteilt wird, die
die Brennstoffzellenstapel 106 umfassen. Das Anodenabgas,
schematisch durch Pfeile 118 gezeigt, wird über Anodenaustrittverteiler
innerhalb der Brennstoffzellenstapel 106 zu der Flußverteilungsstruktur 101 zurückgeführt und
innerhalb der Flußverteilungsstruktur 101 zu
zwei Anodenabgasports 28 gelenkt, durch die das Anodenabgas 118 aus
der Hot-Box-Teilbaugruppe 100 entfernt wird.
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Unter
Bezugnahme auf 5B tritt die teilweise vorerhitzte
Kathodenluft 119 in die Hot-Box-Teilbaugruppe 100 durch
mehrere Kathodenlufteinlaßports 32 ein,
die mit der Flußverteilungsstruktur 101 verbunden
sind. Die Flußverteilungsstruktur 101 lenkt
die teilweise vorerhitzte Kathodenluft 119 so, daß sie durch
den durch die äußere Oberfläche des
zylindrischen Wärmetauschers 107 und die
innere Oberfläche
des Zylinders 109 gebildeten, zuvor beschriebenen zweiten
ringförmigen
Flußdurchgang
fließt.
Während
des Betriebs der Brennstoffzellen wird substantielle Abwärme durch
die inneren elektrischen Widerstände
in den Brennstoffzellenstapeln erzeugt. Diese Wärme muß mit einer ausreichenden Rate
entfernt werden, um die Stapelbetriebstemperatur auf einem gewünschten
Niveau zu halten. Um diese Kühlung
zu bewerkstelligen, muß ausreichend
Kathodenluft den Brennstoffzellenstapeln 106 zugeführt werden
und muß auf
eine Temperatur vorerhitzt werden, die ausreichend hoch ist, um eine
Beschädigung
an den Stapeln aufgrund eines Wärmeschocks
zu verhindern, aber niedrig genug, um ein Überhitzen der Stapel zu verhindern.
Da der Luftfluß 119 entlang
der äußeren Oberfläche des
zylindrischen Wärmetauschers 107 fließt, wird
die Luft weiter auf eine für
die Brennstoffzellen angemessene Temperatur vorerhitzt.
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Ausreichend
Raum ist zwischen der Platte 129 und der Oberkante des
Zylinders 109 vorgesehen, damit der nun vollständig vorerhitzte
Luftfluß 120 hinunter
zur Verteilungsstruktur 101 durch einen Flußbereich
zurückkehren
kann, der von der äußeren Oberfläche des
Zylinders 109 und den inneren Oberflächen von Wänden 110 und 125 begrenzt
ist. Da sich der Luftfluß entlang
der Wände 110 bewegt,
bewerkstelligt er einen Teil der erforderlichen Stapelkühlung durch
Entfernen von Wärme,
die von den Stapeln 106 zu den Wänden 110 gestrahlt
wird, wodurch auch ein Verziehen der Struktur aufgrund einer Differenz
bei der Wärmeausdehnung
von Wänden 110 relativ
zu anderen Abschnitten der Struktur verhindert wird. Die Kathodenluft 120 wird
durch die Flußverteilungsstruktur 101 zu
den Brennstoffzellenstapeln 106 gelenkt. Da sich sowohl
die Kathodenluft 120 als auch das Reformat 116 durch
die Verteilungsstruktur 101 bewegen, wird Wärmeenergie
zwischen ihnen ausgetauscht, so daß etwaige Temperaturdifferenzen
zwischen den Flußströmen reduziert
wird, wodurch ein etwaiger Wärmestreß aufgrund
von Fluidtemperaturdifferenzen, die die Brennstoffzellenstapel 106 erfahren,
verringert wird.
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Bei
der in 5B dargestellten Ausführungsform
sind die Brennstoffzellenstapel 106 von einem Typ mit intern
verteilter Kathode. Die Kathodenluft 120 wird somit von
der Flußverteilungsstruktur 101 so
gelenkt, daß sie
in die Kathodeneinlaßverteiler
innerhalb der Brennstoffzellenstapel 106 eintritt, die
die Kathodenluft zu den Kathodenseiten der individuellen Brennstoffzellen
verteilen, die die Brennstoffzellenstapel 106 umfassen.
Das Kathodenabgas, schematisch durch Pfeile 122 gezeigt,
wird von den Kathodenaustrittsverteilern innerhalb der Brennstoffzellenstapel 106 an
den oberen Abschnitten der Stapel entfernt, wo es in den Luftraum
innerhalb der isolierten Umhüllung 102 eintritt.
Das Kathodenabgas 122 und der ATO-Abgasfluß 121 (11)
werden in einem Mischgebiet 111, am besten in 3A zu
sehen, kombiniert, das sich zwischen der Platte 129 und
der isolierten Umhüllung 102 befindet,
um einen schematisch durch Pfeile 123 gezeigten Abgasflur
zu umfassen. Das Abgas 123 fließt durch den durch die innere
Oberfläche
des zylindrischen Wärmetauschers 107 und
die äußere Oberfläche des
Zylinders 108 ausgebildeten, zuvor beschriebenen ersten
ringförmigen
Flurdurchgang, worin Hitze durch Konvektion durch den zylindrischen
Wärmetauscher 107 auf
die Kathodenluft 119 übertragen
wird. Das gekühlte
Abgas, schematisch durch Pfeile 124 gezeigt, wird aus der
Hot-Box-Teilbaugruppe 100 durch mehrere Abgasports 33 entfernt,
die mit der Flußverteilungsstruktur 101 verbunden
sind und durch die isolierte Umhüllung 102 gehen.
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Bei
einer weiteren, in 5C dargestellten Ausführungsform
sind die Brennstoffzellenstapel 106 von einem Typ mit extern
verteilter Kathode. Bei den Brennstoffzellen mit extern verteilter
Kathode sind alle Durchgänge,
die Luft zu den Kathoden der individuellen Brennstoffzellen liefern,
die den Brennstoffzellenstapel umfassen, zu einer Einlaßfläche des Stapels
und einer gegenüberliegenden
Austrittsfläche
des Stapels offen. Bei dieser Ausführungsform werden mehrere zusätzliche
Blöcke 140 aus
Keramik oder einem ähnlichen
Material verwendet, um einen Einlaßluftsammler 143 zwischen
Stapeleinlaßflächen 141 und
der inneren Endwand 117 der isolierten Umhüllung 102 an
beiden Enden der Hot-Box-Teilbaugruppe 100 herzustellen.
Kathodenluft 120 tritt von der Flußverteilungsstruktur 101 in
die Lufteinlaßsammler 143 ein
und fließt
durch die Kathodenkanäle in
den Brennstoffzellenstapeln 106. Das Kathodenabgas 122 verläßt die Brennstoffzellenstapel 106 und wird
in einen Ausgangssammler 144 zwischen Stapelausgangsflächen 142 und
Wänden 110 an
beiden Enden der Hot-Box-Teilbaugruppe 100 ausgetragen, von
wo das Kathodenabgas 122 in das Mischgebiet 111 fließen kann.
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Es
versteht sich, daß es
zwar wünschenswert
ist, die Menge an Luftleckage aus der isolierten Umhüllung 102 zu
minimieren, ein Vorteil der vorliegenden Erfindung aber darin besteht,
daß eine
kleine Menge an Luftleckage aus der isolierten Umhüllung 102 toleriert
werden kann, da die innere isolierte Umhüllung 102 innerhalb
der äußeren isolierten
Umhüllung 10 eingeschlossen
ist. Dies minimiert das Ausmaß,
in dem die innere Umhüllung 102 von
einer geschweißten
oder gleichwertig abgedichteten Konstruktion sein muß, was niedrigere
Konstruktionskosten gestattet. Es versteht sich weiterhin, daß die Struktur
wie beschrieben die Anzahl an Fluidverbindungen minimiert, die hergestellt
werden müssen, und
ein Design ohne thermische Beschränkungen gestattet, wodurch
die Notwendigkeit für
Wärmenausdehnungsbalge
oder ähnliche
Merkmale entfällt, wodurch
die Gesamtsystemkosten reduziert werden.
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Nun
ausführlicher
auf die Konstruktion der Flußverteilungsstruktur 101 Bezug
nehmend, wie am besten in 4 der dargestellten
Ausführungsform zu
sehen, enthält
die Flußverteilungsstruktur 101 ein Paar
Stapelmontierungsoberflächen 130,
auf denen die Brennstoffzellenstapel 106 gestützt sind.
Alle Stapelmontierungsoberflächen 130 weisen
einen oder mehrere Anodenspeiseausgangsports 127 auf, wodurch
das Anodeneinsatzgut 116 von der Flußverteilungsstruktur 101 in
die Anodeneinlaßverteiler
in den Brennstoffzellenstapeln 106 geliefert werden, und
einen oder mehrere Anodenabgaseinlaßports 128, wodurch
das Anodenabgas 118 von den Anodenabgasverteilern innerhalb
der Brennstoffzellenstapel 106 in die Flußverteilungsstruktur 101 geliefert
wird. Es versteht sich, daß zwar
zwei Ausgangsports 128 und zwei Einlaßports 127 für jeden
Brennstoffzellenstapel 106 gezeigt sind, die Anzahl von
solchen Ports je nach den Konstruktionsdetails der Brennstoffzellenstapel
aber mehr als zwei oder weniger als zwei betragen kann. Es versteht
sich weiterhin, daß sich
die Orte der Ports 128 und 127 an einem beliebigen
Ort innerhalb der Bodenfläche
der Brennstoffzellenstapel 106 befinden können. Bei
der dargestellten Ausführungsform
enthält
jede der Stapelmontierungsoberflächen 130 der
Flußverteilungsstruktur 101 weiterhin einen
oder mehrere Kathodenluftausgänge 126,
wobei die Kathodenluft 120 von der Flußverteilungsstruktur 101 in
die Kathodeneinlaßverteiler
in den Brennstoffzellenstapeln 106 oder extern verteilte Brennstoffzellenkathodenlufteinlaßsammler 143 geliefert
wird.
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Unter
Bezugnahme auf 6, die einige Aspekte der Konstruktion
der in 4 gezeigten Flußverteilungsstruktur 101 in
größerem Detail
zeigt, enthält
die Flußverteilungsstruktur 101 eine
laminierte Plattenbaugruppe 137, durch die die Anodenflüsse 116 und 118 auf
internen Schichten gelenkt werden, wobei die internen Durchgänge von
einer Deckplatte 138 der laminierten Plattenbaugruppe 137 und
einer Bodenplatte 139 der laminierten Plattenbaugruppe 137 verkappt
werden. Bei einigen Ausführungsformen
wird die laminierte Plattenbaugruppe 137 als eine leckfreie
Struktur durch einen Nickel-Vakuum-Hartlötprozeß hergestellt.
Die Verteilungsstruktur 101 besteht weiterhin aus einer
porösen
Kathodenluftflußstruktur 130,
die den Durchgang der Kathodenluft 120 mit minimalem Druckabfall
gestattet und gleichzeitig eine Strukturstütze für die Brennstoffzellenstapel 106 liefert.
Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform
enthält
die poröse
Kathodenluftflußstruktur 130 eine
gewellte Metallrippenstruktur 133 mit einer Deckplatte 131 und
einer Bodenplatte 132, metallurgisch an beide Seiten gebondet.
Die Verteilungsstruktur 101 kann auch oder alternativ eine
Anzahl von Röhren 134 enthalten,
die an die laminierte Plattenbaugruppe 137 gebondet sind
und durch die poröse
Kathodenluftflußstruktur 130 verlaufen.
Die Röhren 134 sind
fluidisch mit den inneren Durchgängen
innerhalb der laminierten Plattenbaugruppe 137 verbunden
und liefern die Anodenspeiseaustrittports 127 und die Anodenabgaseinlaßports 128 für die Flußverteilungsstruktur 101.
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Bei
einigen Ausführungsformen
sind Wärmeübertragungsoberflächenverbesserungsmerkmale
auf einer oder beiden Seiten des zylindrischen Wärmetauschers 107 integriert. 7 veranschaulicht
eine derartige Ausführungsform,
wobei eine erste gefaltete Rippenstruktur 146 metallurgisch an
die innere Oberfläche
des Zylinders 107 gebondet ist, um eine verbesserte konvektive
Wärmeübertragung
für das
Abgas 123 zu liefern, das dort hindurch fließt, und
mit einer zweiten gefalteten Rippenstruktur 145, die metallurgisch
an die äußere Oberfläche des Zylinders 107 gebondet
ist, um eine verbesserte konvektive Wärmeübertragung für die Kathodenluft 119 zu
liefern, die dort hindurch fließt.
Wenngleich die in 7 dargestellten Wärmeübertragungsoberflächenverbesserungsmerkmale
von einem mäanderförmigen einfachen
Rippentyp sind, versteht sich, daß auch oder alternativ eine
beliebige Vielfalt von dem Fachmann bekannten Wärmeübertragungsoberflächenverbesserungen
verwendet werden kann, wie etwa beispielsweise Rippen mit Lamellen,
Fischgrätenrippen
und eingestochene und versetzte Rippen.
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Nunmehr
unter Verweis auf die untere Oberfläche der Flußverteilungsstruktur 101,
wie in 8 veranschaulicht, ist zu sehen, daß die Bodenplatte 139 der
Flußverteilungsstruktur 101 eine
Anzahl von Lufteinlaßports 32 in
einer überwiegend
kreisförmigen
Anordnung enthält,
durch die die Kathodenluft 119 in die Hot-Box-Teilbaugruppe 100 eintritt,
und mehrere Abgasports 33 in einer vorwiegend kreisförmigen Anordnung,
die konzentrisch zu und radial nach innen von der Anordnung von
Lufteinlaßports 32 angeordnet
ist, durch die das Abgas 124 die Hot-Box-Teilbaugruppe 100 verläßt. Die
Bodenplatte 139 der Flußverteilungsstruktur 101 enthält weiterhin zwei
Anodenabgasports 28, durch die das Anodenabgas die Hot-Box-Teilbaugruppe 100 verläßt. Die Bodenplatte 139 der
Flußverteilungsstruktur 101 enthält weiterhin
mehrere aus gebogenem Blech ausgebildete Strukturstützen 147.
Bei einigen Ausführungsformen
befindet sich eine der Strukturstützen 147 mehr oder
weniger direkt unter jedem einzelnen der Brennstoffzellenstapel 106.
Bei einigen Ausführungsformen
liefern die Ports 28, 32 und 33 und die Strukturstützen 147 nur
einen minimalen Weg für
die unerwünschte
Wärmeleitung
aus der Hochtemperatur-Hot-Box-Teilbaugruppe 100 heraus.
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Es
sei angemerkt, daß die
dargestellten Ausführungsformen
zwar zwei Brennstoffzellenstapel 106 Seite an Seite an
beiden Ende der Hot-Box-Teilbaugruppe 100 zeigen, die Erfindung
jedoch nicht in dieser Hinsicht beschränkt ist und mehr oder weniger Brennstoffzellenstapel
implementiert werden können,
ohne die Vorzüge
der Erfindung zu beeinflussen.
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Die
Konstruktion der Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 wird
nun ausführlicher
beschrieben. Hauptaspekte der Komponente 20 werden unter
Bezugnahme auf 9 und 10 erläutert, die
die Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 zusammen mit
der laminierten Plattenbaugruppe 137 und dem Bodenabschnitt
der isolierten Umhüllung 102 in
einer mit der Orientierung von 8 übereinstimmenden, auf
dem Kopf stehenden Orientierung veranschaulichen. Die Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 kann
aus einer austenitischen rostfreien Stahlkonstruktion ausgebildet
sein und enthält
eine Deckplatte 50, eine Bodenplatte 40, zwei
Seitenwände 36 und
zwei Endwände 35.
Wenngleich nicht vollständig
dargestellt, ist zu verstehen, daß die Deckplatte 50 in
direktem Kontakt mit den Oberflächen 103 der
in 8 dargestellten Strukturstützen 147 steht. Die
Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 kann
auch oder alternativ zwei Stützschenkel 39 enthalten,
die den Luftraum 49 unter der Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 bereitstellen. Die
Bodenplatte 40 enthält
eine zentral angeordnete kreisförmige Öffnung 37,
durch die der Abgasfluß 124 in
den Luftraum 49 von einem zylindrischen Sammler 26 eintritt,
der von der Deckplatte 50 und einer zylindrischen Wand 34 begrenzt
wird. Die mehreren Röhren 33 sind
derart an der Deckplatte 50 angebracht, daß eine Leckage
verhindert wird, und um das Eintreten des Abgasflusses 124 in
den zylindrischen Sammler 26 von der Hot-Box-Teilbaugruppe 100 zu
gestatten.
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Die
Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 enthält ein Paar
Kathodenluftvorerhitzer-Wärmetauscher 23 zum
Vorerhitzen der Kathodenluft 46 durch Übertragen der Wärme von
dem Anodenabgasfluß 118.
Wenngleich zu verstehen ist, daß die
Wärmetauscher 23 von
vielen verschiedenen Arten von Wärmetauscherkonstruktion sein
können,
die dem Fachmann bekannt sind, ist eine Ausführungsform in 10 dargestellt.
Die dargestellte Ausführungsform
enthält
eine Anzahl von Röhren 31,
die der Kathodenluftfluß 46 passiert.
Die Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 enthält eine
Lufteinlaßöffnung 27,
um den Eintritt des Kathodenluftflusses 46 in die Struktur 20 von
dem Lufteinlaßrohr 21 bereitzustellen.
Der Kathodenluftfluß 46 füllt einen
Luftraum 24 um die innere Peripherie der Struktur 20,
die den Fluß 46 zu
den Einlässen
der Wärmetauschröhren 31 verteilt.
Der Anodenabgasfluß 118 tritt
in die Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 von
der Hot-Box-Teilbaugruppe 100 durch die beiden Anodenabgasröhren 28 ein.
Die beiden Anodenabgasröhren 28 sind
mit Einlaßtanks 29 an
den beiden Wärmetauschern 23 verbunden
und fließen über die Außenseiten
der Wärmetauschröhren 31,
wobei Wärme
auf die Kathodenluft 46 übertragen wird. Das Anodenabgas
verläßt die Wärmetauscher 23 als
ein gekühlter
Anodenabgasfluß 51 durch
Austrittstanks 30. Der gekühlte Anodenabgasfluß 51 fließt danach in
die Rohrleitung 22, die den Anodenabgasfluß 51 aus
der Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 und
aus dem Hochtemperaturteilsystem 9 durch die isolierende
Umhüllung 10 herausbringt.
Wenngleich der Anodenabgasfluß 118 in die
Struktur 20 bei einer Temperatur etwa gleich der Temperatur
der Brennstoffzellenstapel 106 eintritt, befinden sich
die Komponenten 28 und 29, die der Anodenabgasfluß 118 durchläuft, direkt
innerhalb des Luftraums 24, durch den die kalte Kathodenluft 46 läuft. Infolgedessen
kann die Temperatur von Komponenten 28, 29 und
der anderen metallischen Komponenten innerhalb der Struktur 20,
die dem Anodenabgasfluß 118 exponiert
sind, auf eine Temperatur unter der akzeptablen Temperaturgrenze
für austenitischen
rostfreien Stahl gehalten werden.
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Bei
einigen Ausführungsformen
enthalten die Wärmetauscher 23 Wärmeübertragungsoberflächenverbesserungsmerkmale,
die an den inneren Oberflächen
der Wärmeübertragungsröhren 31 angebracht
sind. Bei diesen und anderen Ausführungsformen können die
Wärmetauscher 23 Wärmeübertragungsoberflächenverbesserungsmerkmale
enthalten, die an den äußeren Oberflächen der
Wärmeübertragungsröhren 31 angebracht sind.
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Die
Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 enthält weiterhin
einen Luftaustrittsammler 25, der aus den Austrittsflächen der
Wärmetauscher 23,
ersten und zweiten Seitenwänden 37, 38,
die den Abstand zwischen den beiden Wärmetauschern 23 überspannen,
der Deckplatte 50 und der zylindrischen Wand 34 besteht.
Der teilweise vorerhitzte Kathodenluftfluß 119 fließt von den Wärmetauscherröhren 31 in
den Luftaustrittssammler 25. Die mehreren Lufteinlaßports 32 sind
derart an der Deckplatte 50 angebracht, daß eine Leckage
verhindert wird, und sorgen für
eine Fluidverbindung zu dem Luftaustrittssammler 25, wodurch
der teilweise vorerhitzte Kathodenluftfluß 119 die Wärmetausch-/Flußverteilungs-/Strukturstützenkomponente 20 verlassen
und in die Hot-Box-Teilbaugruppe 100 eintreten
kann.
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Bestimmte
Baugruppen, die für
den Betrieb des Brennstoffzellensystems erforder lich sind, wie etwa
die Fluidverbindungen zwischen einigen der Komponenten innerhalb
des Hochtemperaturteilsystems 9 und dem elektrischen Sammelschienenteil, der
die Brennstoffzellenstapel elektrisch mit dem Rest des Brennstoffzellensystems
verbindet, sind innerhalb dieser ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden
Zeichnungen nicht ausdrücklich
beschrieben worden, aber es versteht sich, daß diese und andere Elemente
auch oder alternativ innerhalb des Hochtemperaturteilsystems 9 von
einer oder mehreren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung enthalten sein können. Bei einigen Ausführungsformen
der Erfindung befinden sich alle oder im wesentlichen alle der erforderlichen
Fluid- und anderen Durchdringungen durch die isolierte äußere Umhüllung 10 auf
einer gemeinsamen Fläche
der Umhüllung 10,
um die Montage und das Abdichten des Hochtemperaturteilsystems 9 zu
erleichtern.
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11 ist
eine schematische Darstellung der zuvor beschriebenen Hochtemperaturteilbaugruppe 9 innerhalb
eines Brennstoffzellensystems 1 und zeigt dabei die verschiedenen
Flüsse
durch die Hochtemperaturteilbaugruppe 9 in Relation zu
jeder der Hauptkomponenten der Hochtemperaturteilbaugruppe 9. 11 zeigt
auch einen Anodenabgaskondensator 3 als eine zusätzliche
Komponente in dem Brennstoffzellensystem 1, der dazu eingesetzt
werden kann, Wasserdampf zu kondensieren und zu entfernen, der durch
die Brennstoffzellenanodenreaktionen aus dem Anodenabgasstrom 51 gebildet
wird, der aus der Hochtemperaturteilbaugruppe 9 austritt, wonach
der nun gekühlte
und kondensierte Anodenabgasfluß 47 zu
der Hochtemperaturteilbaugruppe 9 zurückgeführt wird, um in dem Anodenabgasoxidierer 12 verbrannt
zu werden. 11 zeigt auch ein Wasserreservoir 4 zum
Aufnehmen des kondensierten Wassers von dem Kondensator 3 und
eine Wasserpumpe 5 zum Liefern eines Wasserflusses 48 zu dem
Wasserverdampfer 16 von dem Wasserreservoir 4.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform übersteigt
die Rate, mit der Wasser aus dem Kondensator 3 zurückgewonnen
wird, die Flußrate,
mit der der Wasserfluß 48 dem
Verdampfer 16 zugeführt
wird, so daß das
Brennstoffzellensystem 1 in einem wasserneutralen Zustand
betrieben werden kann, d. h. einem Zustand, bei dem für den ordnungsgemäßen Betrieb
des Brennstoffzellensystems 1 ein Vorrat an Zusatzwasser
nicht erforderlich ist. 11 zeigt
auch einen optionalen Brennstofftank 7 und eine Brennstoffpumpe 2,
um einen Brennstofffluß 113 an
das Anodenspeiseinjektionssystem 17 in dem Hochtemperaturteilsystem 9 zu
liefern. Außerdem
ist in 11 eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 6 gezeigt,
die den Abgasfluß 42 von
dem Hochtemperaturteilsystem 9 empfängt und Produktwärme wie
etwa zur Raumheizung oder andere Heizverwendung extrahiert und einen
vollständig
gekühlten
Abgasfluß 43 erzeugt,
der aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgetragen wird.
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Die
oben beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen
werden lediglich beispielhaft vorgelegt und sind nicht als eine
Beschränkung
der Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung gedacht.
Als solches versteht der Durchschnittsfachmann, daß verschiedene Änderungen
möglich
sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem bereit,
das folgendes enthält:
eine erste isolierte Umhüllung,
die einen ersten Innenraum umschließt, der auf einer Temperatur über der der
Umgebung gehalten wird, mehrere Brennstoffzellen, die bei einer
erhöhten
Temperatur gehalten werden, um die Effizienz einer einen elektrischen
Strom erzeugenden Reaktion zu maximieren, und eine zweite isolierte
Umhüllung,
die innerhalb des ersten Innenraums positioniert ist und einen zweiten
Innenraum umschließt.
Der zweite Innenraum kann auf einer Temperatur über dem ersten Innenraum und
etwa gleich der erhöhten
Temperatur der Stapel gehalten werden. Das System kann metallische
Nicht-Superlegierungselemente
enthalten, die in der ersten isolierten Umhüllung angeordnet sind. Die
Temperatur des ersten Innenraums kann ausreichend niedrig sein,
so daß die
Exposition der metallischen Nicht-Superlegierungselemente gegenüber einem
eines oxidierenden Gasstroms und eines reduzierenden Gasstroms die
metallischen Nicht-Superlegierungselemente nicht zersetzt.