DE112013006536B4 - Brennstoffzellenmodul - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellenmodul (12), welches aufweist:einen Brennstoffzellenstapel (24), der durch Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen (22) gebildet ist, um durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas Elektrizität zu erzeugen;einen Reformer (46) zum Reformieren eines Mischgases von Rohbrennstoff,der hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthält, und Wasserdampf zum Erzeugen des Brenngases, das dem Brennstoffzellenstapel (24) zugeführt wird;einen Verdampfer (48) zum Verdampfen von Wasser und Zuführen des Wasserdampfs zum Reformer (46);einen Wärmetauscher (50) zum Anheben einer Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases durch Wärmeaustausch mit einem Verbrennungsgas, und Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel (24);einen Abgasverbrenner (52) zum Verbrennen des vom Brennstoffzellenstapel (24) abgegebenen Brenngases als Brennabgas und des vom Brennstoffzellenstapel (24) abgegebenen sauerstoffhaltigen Gases als sauerstoffhaltiges Abgas, um das Verbrennungsgas zu erzeugen; undeinen Startverbrenner (54) zum Verbrennen des Rohbrennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases, um das Verbrennungsgas zu erzeugen,wobei das Brennstoffzellenmodul enthält:einen ersten Bereich (R1), wo der Abgasverbrenner (52) und der Startverbrenner (54) vorgesehen sind;einen ringförmigen zweiten Bereich (R2) um den ersten Bereich (R1) herum und wo der Reformer (46) und der Wärmetauscher (50) vorgesehen sind; undeinen ringförmigen dritten Bereich (R3) um den zweiten Bereich (R2) herum und wo der Verdampfer (48) vorgesehen ist,wobei der erste Bereich (R1) und der ringförmige zweite Bereich (R2) in derselben Kammer angeordnet sind, wodurch der Abgasverbrenner (52), der Startverbrenner (54), der Reformer (46) und der Wärmetauscher (50) in derselben Kammer angeordnet sind, undder zweite Bereich (R2) und der dritte Bereich (R3) durch ein zylindrisches Element (70) getrennt sind.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, das einen Brennstoffzellenstapel enthält, der durch Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen ausgebildet ist, um durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas Elektrizität zu erzeugen.
  • Technischer Hintergrund
  • Typischerweise verwendet eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) einen Festelektrolyten aus ionenleitfähigem Festoxid, wie etwa stabilisiertem Zirkoniumoxid. Der Festelektrolyt ist zwischen eine Anode und eine Kathode eingefügt, um eine Elektrolytelektrodenanordnung (nachfolgend auch als MEA bezeichnet) zu bilden. Die Elektrolytelektrodenanordnung ist zwischen Separatoren (Bipolarplatten) geschichtet. Im Gebrauch sind allgemein vorbestimmte Anzahlen der Elektrolytelektrodenanordnungen und der Separatoren zusammengestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
  • Als ein System, das diesen Brennstoffzellenstapel enthält, ist zum Beispiel eine Brennstoffzellenbatterie bekannt, die in der JP 2001-236 980 A offenbart ist. Wie in 11 gezeigt, enthält die Brennstoffzellenbatterie einen Brennstoffzellenstapel 1a, und eine Wärmeisolierhülse 2a ist am einen Ende des Brennstoffzellenstapels 1a vorgesehen. Eine Reaktionsvorrichtung 4a ist in der Wärmeisolierhülse 2a vorgesehen. Die Reaktionsvorrichtung 4a enthält einen Wärmetauscher 3a.
  • In der Reaktionsvorrichtung 4a wird, als Behandlung von Flüssigbrennstoff, eine Teiloxidations-Reformierung durchgeführt, die kein Wasser braucht. Nachdem der Flüssigbrennstoff durch Abgas verdampft ist, tritt der Flüssigbrennstoff durch einen Speisepunkt 5a, der Teil des Wärmetauschers 3a ist. Der Brennstoff kontaktiert ein durch das Abgas erhitztes Sauerstoffträgergas, um hierdurch eine Teiloxidations-Reformierung zu induzieren, und dann wird der Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 1a zugeführt.
  • Ferner hat, wie in 12 gezeigt, eine Festoxidbrennstoffzelle, die in der JP 2010 - 504 607 A offenbart ist (nachfolgend als konventionelle Technik 2 bezeichnet), einen Wärmetauscher 2b, der ein Zellenkern 1b enthält. Der Wärmetauscher 2b erwärmt die Kathodenluft unter Verwendung von Abwärme.
  • Ferner enthält, wie in 13 gezeigt, ein Brennstoffzellensystem, das in der JP 2004-288 434 A offenbart ist (nachfolgend als konventionelle Technik 3 bezeichnet), einen ersten Bereich 1c mit einer sich vertikal erstreckenden kreiszylindrischen Gestalt, und einen ringförmigen zweiten Bereichen 2c um den ersten Bereich 1c herum, einen ringförmigen dritten Bereich 3c um den zweiten Bereich 2c herum und einen ringförmigen vierten Bereich 4c um den dritten Bereich 3c herum.
  • Ein Brenner 5c ist in dem ersten Bereich 1c vorgesehen, und ein Reformierrohr 6c ist in dem zweiten Bereich 2c vorgesehen. Ein Wasserverdampfer 7c ist in dem dritten Bereich 3c vorgesehen, und ein CO-Verschiebungskonverter 8c ist in dem vierten Bereich 4c vorgesehen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In JP 2001-236 980 A wird, während des Reformierens durch Teiloxidation in der Reaktionsvorrichtung 4a, die Wärme vom Abgas dazu benutzt, um den Flüssigbrennstoff und das Sauerstoffträgergas zu erhitzen. Daher ist die Wärmeenergiemenge zum Anheben der Temperatur des dem Brennstoffzellenstapel 1a zugeführten sauerstoffhaltigen Gases tendenziell ineffizient, und ist die Effizienz niedrig.
  • Ferner werden in der JP 2010 504 607 A , um die Wärmeeffizienz zu erhöhen, lange Strömungsdurchgänge verwendet, um eine ausreichend große Wärmeübertragungsfläche zu bekommen. Daher entstehen tendenziell beträchtlich große Druckverluste.
  • Ferner wird in der JP 2004-288 434 A Wärmestrahlung von dem Mittelbereich, der die höchste Temperatur hat, mittels Wärmeisoliermaterial (Trennwand) unterdrückt. Daher kann Wärme nicht wiedergewonnen werden und ist die Effizienz niedrig.
  • Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um Probleme dieser Art zu lösen, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenmodul mit einer einfachen und kompakten Struktur anzugeben, mit der es möglich ist, eine Verbesserung in der Wärmeeffizienz und eine Erleichterung des thermisch selbsterhaltenden Betriebs zu erreichen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 1.
  • In der vorliegenden Erfindung wird der erste Bereich, der den Abgasverbrenner und den Startverbrenner enthält, zentral angeordnet. Der ringförmige zweite Bereich ist aufeinanderfolgend um den ersten Bereich herum vorgesehen, und der ringförmige dritte Bereich ist dann um den zweiten Bereich herum vorgesehen. Der Reformer und der Wärmetauscher sind in dem zweiten Bereich vorgesehen, und der Verdampfer ist in dem dritten Bereich vorgesehen.
  • In der Struktur werden Wärmeverlust und Wärmeabstrahlung zuverlässig unterdrückt. Daher wird eine Verbesserung in der Wärmeeffizienz erreicht und wird der thermisch selbsterhaltende Betrieb erleichtert. Ferner wird eine einfache und kompakte Struktur des Brennstoffzellenmoduls insgesamt erreicht.
  • Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung als Illustrationsbeispiele gezeigt sind.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellensystems zeigt, das ein Brennstoffzellenmodul gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält;
    • 2 ist eine Perspektivansicht, die FC-Peripherieausstattung des Brennstoffzellenmoduls zeigt;
    • 3 ist eine Querschnittsansicht, die die FC-Peripherieausstattung zeigt;
    • 4 ist eine Perspektivansicht mit partieller Weglassung, die die FC-Peripherieausstattung zeigt;
    • 5 ist eine Explosionsperspektivansicht, die Hauptkomponenten der FC-Peripherieausstattung zeigt;
    • 6 ist eine Querschnittsansicht, die die FC-Peripherieausstattung zeigt;
    • 7 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellensystems zeigt, das ein Brennstoffzellenmodul gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält;
    • 8 ist eine Querschnittsansicht, die FC-Peripherieausstattung des Brennstoffzellenmoduls zeigt;
    • 9 ist eine Querschnittsansicht, die FC-Peripherieausstattung eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 10 ist eine Querschnittsansicht, die die FC-Peripherieausstattung zeigt;
    • 11 ist eine Ansicht, die schematisch eine Brennstoffzellenbatterie zeigt, die in JP 2001-236 980 A offenbart ist;
    • 12 ist eine Perspektivansicht mit einem partiellen Ausschnitt, die eine Festoxidbrennstoffzelle zeigt, die in JP 2010 504 607 A offenbart ist; und
    • 13 ist eine Ansicht, die schematisch ein Brennstoffzellensystem zeigt, das JP 2004-288 434 A offenbart ist.
  • Beschreibung von Ausführungen
  • Wie in 1 gezeigt, enthält ein Brennstoffzellensystem 10 ein Brennstoffzellenmodul 12 gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung, und das Brennstoffzellensystem 10 wird in verschiedenen Anwendungen benutzt, einschließlich stationären und mobilen Anwendungen. Zum Beispiel ist das Brennstoffzellensystem 10 an einem Fahrzeug angebracht.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 enthält das Brennstoffzellenmodul (SOFC-Modul) 12 zum Erzeugen von elektrischer Energie bei Stromerzeugung durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas (Gas, hergestellt durch Mischen von Wasserstoffgas, Methan und Kohlenmonoxid) und sauerstoffhaltigem Gas (Luft), eine Rohbrennstoffzuführvorrichtung (einschließlich einer Brenngaspumpe) 14 zum Zuführen von Rohbrennstoff (zum Beispiel Stadtgas) zu dem Brennstoffzellenmodul 12, eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung (einschließlich einer Luftpumpe) 16 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenmodul 12, eine Wasserzuführvorrichtung (einschließlich einer Wasserpumpe) 18 zum Zuführen von Wasser zu dem Brennstoffzellenmodul 12, sowie eine Steuervorrichtung 20 zum Steuern/Regeln der in dem Brennstoffzellenmodul 12 erzeugten elektrischen Energiemenge.
  • Das Brennstoffzellenmodul 12 enthält einen Festoxidbrennstoffzellenstapel 24, der durch Stapeln einer Vielzahl von Festoxidbrennstoffzellen 12 in vertikaler Richtung (oder horizontalen Richtung) gebildet ist. Die Brennstoffzelle 12 enthält eine Elektrolytelektrodenanordnung (MEA) 32. Die Elektrolytelektrodenanordnung 32 enthält eine Kathode 28, eine Anode 30 und einen zwischen die Kathode 28 und die Anode 30 eingefügten Elektrolyten 26. Zum Beispiel ist der Elektrolyt 26 aus einem ionenleitfähigen Festoxid gebildet, wie etwa stabilisiertem Zirkoniumoxid.
  • Ein kathodenseitiger Separator 34 und ein anodenseitiger Separator 36 sind an beiden Seiten der Elektrolytelektrodenanordnung 32 vorgesehen. Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 38 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zur Kathode 28 ist in dem kathodenseitigen Separator 34 ausgebildet, und ein Brenngasfließfeld 40 zum Zuführen des Brenngases zur Anode 30 ist in dem anodenseitigen Separator 36 ausgebildet. Als die Brennstoffzelle 22 können verschiedene Typen von konventionellen SOFCs angewendet werden.
  • Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 22 ist hoch, d.h. bei mehreren hundert °C. Methan im Brenngas wird an der Anode 30 reformiert, um Wasserstoff und CO zu erhalten, und der Wasserstoff und das CO werden einem der Anode 30 benachbarten Abschnitt des Elektrolyten 26 zugeführt.
  • Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b, ein Brenngaszuführdurchgang 44a und ein Brenngasabführdurchgang 44b erstrecken sich durch den Brennstoffzellenstapel 24. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a ist mit einem Einlass jedes Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 38 verbunden, der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b ist mit einem Auslass jedes Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelds 38 verbunden, der Brenngaszuführdurchgang 44a ist mit einem Einlass jedes Brenngasfließfelds 40 verbunden, und der Brenngasabführdurchgang 44b ist mit einem Auslass jedes Brenngasfließfelds 44 verbunden.
  • Das Brennstoffzellenmodul 12 enthält einen Reformer 46 zum Reformieren eines Mischgases von hauptsächlich Kohlenwasserstoff (zum Beispiel Stadtgas) enthaltendem Rohbrennstoff und Wasserdampf zum Erzeugen eines Brenngases, das dem Brennstoffzellenstapel 24 zugeführt wird, einen Verdampfer 48 zum Verdampfen von Wasser und Zuführen des Wasserdampfs zu dem Reformer 46, einen Wärmetauscher 50 zum Anheben der Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases durch Wärmeaustausch mit einem Verbrennungsgas und Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel 24, einen Abgasverbrenner 52 zum Verbrennen des vom Brennstoffzellenstapel 24 abgeführten Brenngases als Brennabgas und des vom Brennstoffzellenstapel 24 abgegebenen sauerstoffhaltigen Gases als sauerstoffhaltiges Abgas, zum Erzeugen des Verbrennungsgases, sowie einen Startverbrenner 54 zum Verbrennen des Rohbrennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases zum Erzeugen des Verbrennungsgases.
  • Grundliegend ist das Brennstoffzellenmodul 12 aus dem Brennstoffzellenstapel 24 und FC-(Brennstoffzellen)-Peripherieausstattung (BOP) 56 aufgebaut (s. 1 und 2). Die FC-Peripherieausstattung 56 enthält den Reformer 46, den Verdampfer 48, den Wärmetauscher 50, den Abgasverbrenner 52 und den Startverbrenner 54.
  • Wie in den 3 bis 5 gezeigt, enthält die FC-Peripherieausstattung 56 einen ersten Bereich R1, wo der Abgasverbrenner 52 und der Startverbrenner 54 vorgesehen sind, einen ringförmigen zweiten Bereich R2, der um den ersten Bereich R1 herum ausgebildet ist und wo der Reformer 46 und der Wärmetauscher 50 vorgesehen sind, und einen ringförmigen dritten Bereich R3, der um den zweiten Bereich R2 herum ausgebildet ist und wo der Verdampfer 48 vorgesehen ist. Ein zylindrisches Außenelement 55, das eine Außenwand darstellt, ist an der Außenumfangsseite des dritten Bereichs R3 vorgesehen.
  • Der Startverbrenner 54 enthält ein Luftzuführrohr 57 und ein Rohbrennstoffzuführrohr 58. Der Startverbrenner 54 hat eine Ejektorfunktion und erzeugt einen Unterdruck in dem Rohbrennstoffzuführrohr 58 durch die Strömung der von dem Luftzuführrohr 57 zugeführten Luft zum Ansaugen des Rohbrennstoffs.
  • Der Abgasverbrenner 52 ist mit Abstand von dem Startverbrenner 54 angeordnet und enthält einen Verbrennungstopf 60 in der Form eines mit Boden versehenen Zylinders. Eine Mehrzahl von Löchern (zum Beispiel kreisförmigen Löchern oder rechteckigen Löchern) 60a sind entlang dem Außenumfang vom Endrand des Verbrennungstopfs 60 an der Bodenseite ausgebildet. Eine Stapelbefestigungsplatte 62 steht mit dem anderen Ende des Verbrennungstopfs 60 an der offenen Seite in Eingriff. Der Brennstoffzellenstapel 24 ist an der Stapelbefestigungsplatte 62 angebracht.
  • Ein Ende eines Sauerstoffhaltiges-Abgaskanals 63a und ein Ende eines Brennabgaskanals 63b sind an dem Verbrennungstopf 60 vorgesehen. Das Verbrennungsgas wird innerhalb des Verbrennungstopfs 60 durch Verbrennungsreaktion des Brenngases (insbesondere des Brennabgases) und des sauerstoffhaltigen Gases (insbesondere des sauerstoffhaltigen Abgases) erzeugt.
  • Wie in 1 gezeigt, ist das andere Ende des Sauerstoffhaltiges-AbgasKanals 63a mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b des Brennstoffzellenstapels 54 verbunden, und ist das andere Ende des Brennabgaskanals 63b mit dem Brenngasabführdurchgang 44b des Brennstoffzellenstapels 24 verbunden.
  • Wie in den 3 bis 5 gezeigt, ist der Reformer 46 ein vorläufiger Reformer zum Reformieren von höheren Kohlenwasserstoffen (C2+), wie etwa Ethan (C2H6), Propan (C3H8) und Butan (C4H10) im Stadtgas (Rohbrennstoff), zum Erzeugen eines Brenngases, das hauptsächlich Methan (CH4), Wasserstoff und CO enthält, durch Dampf-Reformierung. Die Betriebstemperatur des Reformers 46 ist auf mehrere hundert °C eingestellt.
  • Der Reformer 46 enthält eine Mehrzahl von Reformierungsrohren (Wärmeübertragungsrohren) 66, die um den Abgasverbrenner 52 und den Startverbrenner 54 herum vorgesehen sind. Jedes der Reformierungsrohre 66 ist mit Reformierungskatalysatorpellets (nicht gezeigt) gefüllt. Jedes der Reformierungsrohre hat ein Ende (unteres Ende), das an einem ersten unteren Ringelement (68a) befestigt ist, und ein anderes Ende (oberes Ende), das an einem ersten oberen Ringelement 68b befestigt ist.
  • Die Außenumfangsabschnitte des ersten unteren Ringelements 68a und des ersten oberen Ringelements 68b sind durch Verschweißung oder dergleichen an dem Innenumfangsabschnitt eines zylindrischen Elements 70 befestigt. Die Innenumfangsabschnitte des ersten unteren Ringelements 68a und des ersten oberen Ringelements 68b sind durch Verschweißung oder dergleichen an den Außenumfangsabschnitten des Abgasverbrenners 52 und des Startverbrenners 54 befestigt. Das zylindrische Element 70 erstreckt sich in axialer Richtung, die mit Pfeil L angegeben ist, und ein Ende des zylindrischen Elements 70 benachbart dem Brennstoffzellenstapel 24 ist an der Stapelbefestigungsplatte 62 befestigt. Eine Mehrzahl von Öffnungen 72 sind in dem Außenumfang eines zylindrischen Elements 70 in Umfangsrichtung an vorbestimmten Höhenpositionen ausgebildet.
  • Der Wärmetauscher 50 hat Wärmeaustauschrohre (Wärmeübertragungsrohre) 74, die benachbart und außerhalb der Reformierungsrohre 66 des Reformers 46 vorgesehen sind (d.h. radial auswärts des Reformers 46). Wie in 6 gezeigt, sind die Reformierungsrohre 66 mit gleichen Intervallen auf einem virtuellen Kreis angeordnet, konzentrisch um den ersten Bereich R1 herum. Die Wärmeaustauschrohre 74 sind mit gleichen Intervallen auf zwei inneren und äußeren virtuellen Kreisen angeordnet, konzentrisch um den ersten Bereich R1 außerhalb der Reformierungsrohre 66 herum. Die Wärmeaustauschrohre 74, die auf dem inneren virtuellen Kreis angeordnet sind, und die Wärmeaustauschrohre 74, die auf dem äußeren virtuellen Kreis angeordnet sind, sind voneinander versetzt (d.h. in einem Zickzackmuster angeordnet).
  • Wie in den 3 und 4 gezeigt, hat jedes der Wärmeaustauschrohre 74 ein Ende (unteres Ende), das durch Verschweißen oder dergleichen an einem zweiten unteren Ringelement 76a befestigt ist, und ein anderes Ende (obere Ende), das durch Verschweißen oder dergleichen an einem zweiten oberen Ringelement 76b befestigt ist. Die Außenumfangsabschnitte des zweiten unteren Ringelements 76a und des zweiten oberen Ringelements 76b sind durch Verschweißen oder dergleichen an dem Innenumfangsabschnitt des zylindrischen Elements 70 befestigt. Die Innenumfangsabschnitte des zweiten unteren Ringelements 76a und des zweiten oberen Ringelements 76b sind durch Verschweißen oder dergleichen an den Außenumfangsabschnitten des Abgasverbrenners 52 und des Startverbrenners 54 befestigt.
  • Das zweite untere Ringelement 76a ist unterhalb des ersten unteren Ringelements 68a angeordnet (d.h. außerhalb des ersten unteren Ringelements 68a in der axialen Richtung), und das zweite obere Ringelement 76b ist oberhalb des ersten oberen Ringelements 68b angeordnet (d.h. außerhalb des ersten oberen Ringelements 68b in der axialen Richtung).
  • Eine ringförmige Mischgaszuführkammer 78a ist zwischen dem ersten unteren Ringelement 68a und dem zweiten unteren Ringelement 76a ausgebildet, und ein Mischgas von Rohbrennstoff und Wasserdampf wird der Mischgaszuführkammer 78a zugeführt. Ferner ist eine ringförmige Brenngasabführkammer 78b zwischen dem ersten oberen Ringelement 68b und dem zweiten oberen Ringelement 76b ausgebildet, und das erzeugte Brenngas (reformierte Gas) wird zu der Brenngasabführkammer 78b abgeführt. Beide Enden an jedem der Reformierungsrohre 66 sind zu der Mischgaszuführkammer 78a und der Brenngasabführkammer 78b hin offen.
  • Ein ringförmiges Endringelement 80 ist an einem Ende des zylindrischen Elements 70 an der Seite des Startverbrenners 54 durch Verschweißen oder dergleichen befestigt. Eine ringförmige Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a ist zwischen dem Endringelement 80 und dem zweiten unteren Ringelement 76a ausgebildet, und das sauerstoffhaltige Gas wird der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a zugeführt. Eine ringförmige Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b ist zwischen dem zweiten oberen Ringelement 76b und der Stapelbefestigungsplatte 62 ausgebildet, und das erhitzte sauerstoffhaltige Gas wird zu der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b abgeführt. Beide Enden von jedem der Wärmeaustauscherrohre 74 öffnen sich zu der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b.
  • Die Brenngas-Abführkammer 78b und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b sind doppeldeckartig vorgesehen, und die Brenngasabführkammer 78b ist an der Innenseite in Bezug auf die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b in der axialen Richtung vorgesehen (d.h. unter der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b). Die Mischgaszuführkammer 78a und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a sind doppeldeckartig vorgesehen, und die Mischgaszuführkammer 78a ist an der Innenseite in Bezug auf die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a in der axialen Richtung vorgesehen (d.h. oberhalb der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a).
  • Ein Rohbrennstoffzuführkanal 84 öffnet sich zu der Mischgaszuführkammer 78a, und ein Verdampfungsrücklaufrohr 103, das später beschrieben wird, ist an einer Position in der Mitte des Rohbrennstoffzuführkanals 84 angeschlossen (s. 1). Der Rohbrennstoffzuführkanal 84 hat eine Ejektorfunktion und erzeugt einen Unterdruck durch die Strömung des Rohbrennstoffs zum Ansaugen des Wasserdampfs.
  • Der Rohbrennstoffzuführkanal 84 ist an dem zweiten unteren Ringelement 76a und dem Endringelement 80 durch Verschweißen oder dergleichen befestigt. Ein Ende eines Brenngaskanals 86 ist mit der Brenngasabführkammer 78b verbunden, und das andere Ende des Brenngaskanals 86 ist mit dem Brenngaszuführdurchgang 44a des Brennstoffzellenstapels 24 verbunden (s. 1). Der Brenngaskanal 86 ist an dem zweiten oberen Ringelement 76b durch Verschweißen oder dergleichen befestigt und erstreckt sich durch die Stapelbefestigungsplatte 62 hindurch (s. 2).
  • Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 88 ist mit der Saustoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82 verbunden. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 88 ist an dem Endringelement 80 durch Verschweißen oder dergleichen befestigt. Ein Ende von jedem, zum Beispiel zwei, Sauerstoffhaltiges-Gas-Rohren 90 ist in der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b vorgesehen, und das andere Ende von jedem der zwei Sauerstoffhaltiges-Gas-Rohre 90 erstreckt sich durch die Stapelbefestigungsplatte 62 hindurch und ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 42a des Brennstoffzellenstapels 24 verbunden (s. 1).
  • Wie in den 3 und 4 gezeigt, hat der Verdampfer 48 eine Mehrzahl von Verdampferrohren (Wärmeübertragungsrohren) 96, die entlang und um den Außenumfang des zylindrischen Elements 70 vorgesehen sind. Jedes der Verdampferrohre 96 hat ein Ende (unteres Ende), das an einem unteren Ringelement 98a befestigt ist, und ein anderes Ende (oberes Ende), das an dem oberen Ringelement 98b befestigt ist.
  • Ein unteres Endringelement 100a ist unter dem unteren Ringelement 98a vorgesehen, und ein oberes Endringelement 100b ist über dem oberen Ringelement 98b vorgesehen. Das untere Endringelement 100a und das obere Endringelement 100b sind am Außenumfang des zylindrischen Elements 70 und am Innenumfang des äußeren Elements 55 durch Verschweißen oder dergleichen befestigt.
  • Eine ringförmige Wasserzuführkammer 102a ist zwischen dem unteren Ringelement 98a und dem unteren Endringelement 100a ausgebildet, und der Wasserzuführkammer 102a wird Wasser zugeführt. Eine ringförmige Wasserdampfabführkammer 102b ist zwischen dem oberen Ringelement 98b und dem oberen Endringelement 100b ausgebildet, und Wasserdampf wird zu der Wasserdampfabführkammer 102b abgeführt. Beide Enden von jedem der Verdampferrohre 96 sind an dem unteren Ringelement 98a und dem oberen Ringelement 98b durch Verschweißen oder dergleichen befestigt, und öffnen sich zu der Wasserzuführkammer 102a und der Wasserdampfabführkammer 102b.
  • Die Mischgaszuführkammer 78a und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a sind innerhalb des Innenumfangsabschnitts der Wasserzuführkammer 102a angeordnet. Die Wasserdampfabführkammer 102b ist außerhalb der Brenngasabführkammer 78b an einer Position vorgesehen, die von der Brenngasabführkammer 78b in der axialen Richtung nach unten versetzt ist (abwärts in der Rohrlängsrichtung). Ein Ende des Verdampferrücklaufrohrs 103, einschließlich zumindest einem der Verdampferrohre 96, ist in der Wasserdampfabführkammer 102b vorgesehen, und das andere Ende des Verdampferrücklaufrohrs 103 ist an einer Position in der Mitte des Rohbrennstoffzuführkanals 84 angeschlossen (s. 1).
  • Ein zylindrisches Abdeckelement 104 ist an dem Außenumfangsabschnitt des äußeren Elements 55 befestigt. Die Mittelposition des zylindrischen Abdeckelements 104 ist nach unten verschoben. Beide oberen und unteren Enden (beide axialen Enden) des Abdeckelements 104 sind an dem äußeren Element 55 durch Verschweißung oder dergleichen befestigt, und ein Wärmewiedergewinnungsbereich (Kammer) 106 ist zwischen dem Abdeckelement 104 und dem Außenumfangsabschnitt des äußeren Elements 55 ausgebildet.
  • Eine Mehrzahl von Löchern 108 sind an den Umfang in einem unteren Randendabschnitt des äußeren Elements 55 der Wasserzuführkammer 102a ausgebildet, und die Wasserzuführkammer 102a steht mit dem Wärmewiedergewinnungsbereich 106 durch die Löcher 108 in Verbindung. Ein Wasserzuführrohr 110, das mit dem Wärmewiedergewinnungsbereich 106 in Verbindung steht, ist mit dem Abdeckelement 104 verbunden. Ein Abgasrohr 112, das mit dem dritten Bereich R3 in Verbindung steht, ist mit einem oberen Abschnitt des äußeren Elements 55 verbunden.
  • Wie in 3 gezeigt, ist ein erster Verbrennungsgaskanal 116a als Durchgang des Verbrennungsgases in dem ersten Bereich R1 ausgebildet, und ist ein zweiter Verbrennungsgaskanal 116b als Durchgang des Verbrennungsgases, das durch die Löcher 60a hindurchgetreten ist, in dem zweiten Bereich R2 ausgebildet. Ein dritter Verbrennungsgaskanal 116c als Durchgang des Verbrennungsgases, das durch die Öffnungen 72 hindurchgetreten ist, ist in dem dritten Bereich R3 ausgebildet. Ferner ist ein vierter Verbrennungsgaskanal 116d als Durchgang nach dem Abgasrohr 112 ausgebildet. Der zweite Verbrennungsgaskanal 116b bildet den Reformer 46 und den Wärmetauscher 50, und der dritte Verbrennungsgaskanal 116c bildet den Verdampfer 48.
  • Wie in 1 gezeigt, enthält die Rohbrennstoffzuführvorrichtung 14 einen Rohbrennstoffkanal 118. Der Rohbrennstoffkanal 118 ist durch ein Rohbrennstoffregulierventil 120 in den Rohbrennstoffzuführkanal 84 und das Rohbrennstoffzuführrohr 58 verzweigt. Ein Entschwefler 122 zum Beseitigen von Schwefelverbindungen im Stadtgas (Rohbrennstoff) ist in dem Rohbrennstoffzuführkanal 84 vorgesehen.
  • Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 16 enthält einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanal 124. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Kanal 124 ist durch ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Regulierventil 126 in das Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 88 und das Luftzuführrohr 57 verzweigt. Die Wasserzuführvorrichtung 18 ist mit dem Verdampfer 48 durch das Wasserzuführrohr 110 verbunden.
  • Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.
  • Während des Startbetriebs des Brennstoffzellensystems 10 werden die Luft (Sauerstoffhaltiges-Gas) und der Rohbrennstoff dem Startverbrenner 54 zugeführt. Insbesondere wird in der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 16 durch Betrieb der Luftpumpe die Luft dem Sauerstoffhaltiges-Gaskanal 124 zugeführt. Durch Einstellen vom Öffnungsgrad des Sauerstoffhaltiges-Gas-Regulierventils 126 wird die Luft dem Luftzuführrohr 57 zugeführt.
  • Unterdessen wird in der Rohbrennstoffzuführvorrichtung 14, durch Betrieb der Brenngaspumpe, zum Beispiel Rohbrennstoff wie etwa das Stadtgas (das CH4, C2H6, C3H8, C4H10 enthält) dem Rohbrennstoffkanal 118 zugeführt. Durch Regulieren vom Öffnungsgrad des Rohbrennstoffregulierventils 120 wird der Rohbrennstoff in das Rohbrennstoffzuführrohr 58 geleitet. Rohbrennstoff wird mit der Luft vermischt und in den Startverbrenner 54 geleitet (s. 3 und 4).
  • Somit wird das Mischgas aus dem Rohbrennstoff und der Luft dem Startverbrenner zugeführt, und wird das Mischgas gezündet, um die Verbrennung zu starten. Daher fließt das bei der Verbrennung erzeugte Verbrennungsgas von dem ersten Bereich R1 zu dem zweiten Bereich R2. Ferner wird das Verbrennungsgas dem dritten Bereich R3 zugeführt, und dann wird das Verbrennungsgas durch das Abgasrohr 112 zur Außenseite des Brennstoffzellenmoduls 12 abgeführt.
  • Wie in den 3 und 4 gezeigt, sind der Reformer 46 und der Wärmetauscher 50 in dem zweiten Bereich R2 vorgesehen, und ist der Verdampfer 48 in dem dritten Bereich R3 vorgesehen. Somit heizt das von dem ersten Bereich R1 abgeführte Verbrennungsgas den Reformer 46, heizt als nächstes den Wärmetauscher 50 und heizt dann den Verdampfer 48.
  • Dann wird, nachdem die Temperatur des Brennstoffzellenmoduls 12 auf eine vorbestimmte Temperatur angehoben worden ist, die Luft (sauerstoffhaltiges Gas) dem Wärmetauscher 50 zugeführt, und wird das Mischgas aus dem Rohbrennstoff und dem Wasserdampf dem Reformer 46 zugeführt.
  • Insbesondere wird, wie in 1 gezeigt, der Öffnungsgrad des Sauerstoffhaltiges-Gasregulierventils 126 so eingestellt, dass die Strömungsrate der dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 88 zugeführten Luft erhöht wird, und wird der Öffnungsgrad des Rohbrennstoffregulierventils 120 so eingestellt, dass die Strömungsrate des dem Rohbrennstoffzuführkanal 84 zugeführten Rohbrennstoffs erhöht wird. Ferner wird durch den Betrieb der Wasserzuführvorrichtung 80 das Wasser dem Wasserzuführrohr 110 zugeführt. Die Luft fließt von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführrohr 88 zu der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a.
  • Wenn daher, wie in den 3 und 4 gezeigt, die Luft in den Wärmetauscher 50 fließt, wird die Luft zuerst der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a zugeführt, danach wird, während sich die Luft innerhalb der Wärmetauscherrohre 74 bewegt, die Luft durch Wärmeaustausch mit dem Verbrennungsgas erhitzt, das in den zweiten Bereich R2 geleitet wird. Nachdem die erhitzte Luft vorübergehend der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b zugeführt worden ist, wird die Luft dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a des Brennstoffzellenstapels 24 durch das Sauerstoffhaltiges-Gas-Rohr 90 zugeführt (s. 1). In dem Brennstoffzellenstapel 24 fließt die erhitzt Luft entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 38, und wird die Luft der Kathode 28 zugeführt.
  • Nachdem die Luft durch das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 38 geflossen ist, wird die Luft von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b in den Sauerstoffhaltiges-Abgas-Kanal 63 abgeführt. Der Sauerstoffhaltiges-Abgas-Kanal 63a öffnet sich in den Verbrennungstopf 60 des Abgasverbrenners 52, und das sauerstoffhaltige Abgas wird in den Verbrennungstopf 60 geleitet.
  • Ferner wird, wie in 1 gezeigt, das Wasser von der Wasserzuführvorrichtung 18 dem Verdampfer 48 zugeführt. Nachdem der Rohbrennstoff in dem Entschwefler 122 entschwefelt worden ist, fließt der Rohbrennstoff durch den Rohbrennstoffzuführkanal 84 und bewegt sich zu dem Reformer 46.
  • In dem Verdampfer 48 wird das Wasser von dem Wasserzuführrohr 110 dem Wärmewiedergewinnungsbereich 106 des äußeren Elements 55 zugeführt. Daher wird das Wasser der Wasserzuführkammer 102a durch die Löcher 108 vorübergehend zugeführt, und danach wird, während sich das Wasser innerhalb der Verdampferrohre 96 bewegt, das Wasser durch das Verbrennungsgas erhitzt, das durch den dritten Bereich R3 fließt, und wird dann verdampft.
  • Nachdem der Wasserdampf vorübergehend in die Wasserdampfabführkammer 102b geflossen ist, wird der Wasserdampf dem Verdampferrücklaufrohr 103 zugeführt, das mit der Wasserdampfabführkammer 102b verbunden ist. Somit fließt der Wasserdampf innerhalb des Verdampferrücklaufrohrs 103 und fließt in den Rohbrennstoffzuführkanal 84. Dann wird der Wasserdampf mit dem Rohbrennstoff vermischt, der an der Rohbrennstoffzuführvorrichtung 14 zugeführt wird, um das Mischgas zu erzeugen.
  • Das Mischgas von dem Rohbrennstoffzuführkanal 84 wird der Mischgaszuführkammer 78a des Reformers 46 vorübergehend zugeführt. Das Mischgas bewegt sich innerhalb der Reformerrohre 66. Unterdessen wird das Mischgas durch das Verbrennungsgas erhitzt, das durch den zweiten Bereich R2 fließt, und wird dann Dampf-reformiert. Nach Entfernung (Reformierung) von C2+-Kohlenwasserstoff erhält man ein reformiertes Gas, das hauptsächlich Methan enthält.
  • Nachdem dieses reformierte Gas erhitzt ist, wird das reformierte Gas vorübergehend der Brenngasabführkammer 78b als das Brenngas zugeführt. Danach wird das Brenngas dem Brenngaszuführdurchgang 44a des Brennstoffzellenstapels 24 durch den Brenngaskanal 86 zugeführt (s. 1). In dem Brennstoffzellenstapel 24 fließt das erhitzte Brenngas entlang dem Brenngasfließfeld 40, und wird das Brenngas der Anode 30 zugeführt. Unterdessen wird die Luft der Kathode 28 zugeführt. Somit wird in der Elektrolytelektrodenanordnung 32 Elektrizität erzeugt.
  • Nachdem das Brenngas durch das Brenngasfließfeld 40 geflossen ist, wird das Brenngas von dem Brenngasabführdurchgang 44b zum Brennabgaskanal 63b abgeführt. Der Brennabgaskanal 63b öffnet sich zur Innenseite des Verbrennungstopfs 60 des Abgasverbrenners 52, und das Brennabgas wird in den Verbrennungstopf 60 geleitet.
  • Wenn unter dem Heizbetrieb durch den Startverbrenner 54 die Temperatur des Brenngases in dem Abgasverbrenner 52 die Selbstzündtemperatur überschreitet, wird die Verbrennung des sauerstoffhaltigen Abgases und des Brennabgases innerhalb des Verbrennungstopfs 60 gestartet. Unterdessen wird der Verbrennungsbetrieb durch den Startverbrenner 54 gestoppt.
  • Der Verbrennungstopf 60 hat die Löcher 60a. Daher fließt, wie in 3 gezeigt, das in den Verbrennungstopf 60 geleitete Verbrennungsgas durch die Löcher 60a von dem ersten Bereich R1 in den zweiten Bereich R2. Dann wird, nachdem das Verbrennungsgas dem dritten Bereich R3 zugeführt wurde, das Verbrennungsgas zur Außenseite des Brennstoffzellenmoduls 12 abgeführt.
  • In der ersten Ausführung enthält die FC-Peripherieausstattung 56 den ersten Bereich R1, wo der Abgasverbrenner 52 und der Startverbrenner 54 vorgesehen sind, den ringförmigen zweiten Bereich R2 um den ersten Bereich R1 herum und wo der Reformer 46 und der Wärmetauscher 50 vorgesehen sind, und den ringförmigen dritten Bereich R3 um den zweiten Bereich R2 herum und wo der Verdampfer 48 vorgesehen ist.
  • D.h., der erste Bereich R1 ist in der Mitte vorgesehen, der ringförmige zweite Bereich R2 ist um den ersten Bereich R1 herum vorgesehen, und der ringförmige dritte Bereich R3 ist um den zweiten Bereich R2 herum vorgesehen. In der Struktur können Wärmeverlust und Wärmeabstrahlung geeignet unterdrückt werden. Somit wird eine Verbesserung in der Wärmeeffizienz erreicht, wird der thermisch selbsterhaltende Betrieb erleichtert und wird insgesamt eine einfache und kompakte Struktur des Brennstoffzellenmoduls 12 erreicht. Thermisch selbsterhaltender Betrieb bedeutet hierin den Betrieb, wo die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 12 allein mittels in der Brennstoffzelle 22 selbst erzeugter Wärmeenergie beibehalten wird, ohne dass zusätzliche Wärme von außen zugeführt wird.
  • Ferner enthält, in der ersten Ausführung, wie in 3 gezeigt, der Reformer 46 die ringförmige Mischgaszuführkammer 78a, die ringförmige Brenngasabführkammer 78b, die Reformerrohre 66 und den zweiten Verbrennungsgaskanal 116b. Das Mischgas wird der Mischgaszuführkammer 78a zugeführt, und das so erzeugte Brenngas wird in die Brenngasabführkammer 78b abgeführt. Jedes der Reformerrohre 66 hat ein Ende, das mit der Mischgaszuführkammer 78a verbunden ist, und ein anderes Ende, das mit der Brenngasabführkammer 78b verbunden ist. Der zweite Verbrennungsgaskanal 116b führt das Verbrennungsgas dem Raum zwischen den Reformerrohren 66 zu.
  • Der Wärmetauscher 50 enthält die ringförmige Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a, die ringförmige Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b, die Wärmeaustauschrohre 74 und den zweiten Verbrennungsgaskanal 116b. Das sauerstoffhaltige Gas wird der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a zugeführt, und das erhitzte sauerstoffhaltige Gas wird in die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b abgeführt. Jedes der Wärmeaustauschrohre 74 hat ein Ende, das mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82b verbunden ist, und ein anderes Ende, das mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b verbunden ist. Der zweite Verbrennungsgaskanal 116b führt das Verbrennungsgas dem Raum zwischen den Wärmetauscherrohren 74 zu.
  • Der Verdampfer 48 enthält die ringförmige Wasserzuführkammer 102a, die ringförmige Wasserdampfabführkammer 102b, die Verdampferrohre 96 und den dritten Verbrennungsgaskanal 116c. Das Wasser wird der Wasserzuführkammer 102a zugeführt, und der Wasserdampf wird in die Wasserdampfabführkammer 102b abgeführt. Jedes der Verdampferrohre 96 hat ein Ende, das mit der Wasserzuführkammer 102a verbunden ist, und das andere Ende, das mit der Wasserdampfabführkammer 102b verbunden ist. Der dritte Verbrennungsgaskanal 116c führt das Verbrennungsgas dem Raum zwischen den Verdampferrohren 96 zu.
  • Wie oben beschrieben, sind die ringförmigen Zuführkammern (Mischgaszuführkammer 78a, Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a und Wasserzuführkammer 102a), die ringförmigen Abführkammern (Brenngasabführkammer 78b, Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b und Wasserdampfabführkammer 102b) und die Rohre (Reformerrohre 66, Wärmeaustauschrohre 74 und Verdampferrohre 96) als Grundstruktur vorgesehen. Somit erhält man auf leichte Weise eine einfache Struktur. Demzufolge werden die Herstellungskosten des Brennstoffzellenmoduls 12 insgesamt effizient reduziert. Ferner kann durch Verändern der Volumina der Zuführkammern und der Abführkammern, der Länge, des Durchmessers und der Anzahl der Rohre, ein geeigneter Betrieb in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen erreicht werden, und kann die konstruktive Flexibilität des Brennstoffzellenmoduls verbessert werden.
  • Ferner sind die Brenngasabführkammer 78b, die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b und die Wasserdampfabführkammer 102b an der Seite des einen Endes benachbart dem Brennstoffzellenstapel 24 vorgesehen, und sind die Mischgaszuführkammer 78a, die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a und die Wasserzuführkammer 102a an der Seite des anderen Endes mit Abstand von dem Brennstoffzellenstapel 24 vorgesehen.
  • In der Struktur können das Reaktionsgas unmittelbar nach dem Erhitzen und das Reaktionsgas unmittelbar nach dem Reformieren (Brenngas und sauerstoffhaltiges Gas) dem Brennstoffzellenstapel 24 rasch zugeführt werden. Ferner kann das Abgas von dem Brennstoffzellenstapel 24 dem Abgasverbrenner 52, dem Reformer 46, dem Wärmetauscher 50 und dem Verdampfer 48 der FC-Peripherieausstattung 56 zugeführt werden, während die Temperatur des Abgases von dem Brennstoffzellenstapel 24 aufgrund von Wärmeabstrahlung so weit wie möglich unterdrückt wird. Somit wird eine Verbesserung in der Wärmeeffizienz erzielt und wird der thermisch selbsterhaltende Betrieb erleichtert.
  • Ferner sind die Brenngasabführkammer 78b und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b doppeldeckartig vorgesehen, und ist die Brenngasabführkammer 78b an der Innenseite in Bezug auf die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b in der axialen Richtung vorgesehen. Die Mischgaszuführkammer 78a und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a sind doppeldeckartig vorgesehen, und die Mischgaszuführkammer 78a ist an der Innenseite in Bezug auf die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer 82a in der axialen Richtung vorgesehen.
  • In der Struktur können der Reformer 46 und der Wärmetauscher 50 kompakt und effizient in dem zweiten Bereich R2 vorgesehen werden und wird die Reduktion der Gesamtabmessung der FC-Peripherieausstattung 56 auf leichte Weise erzielt. Ferner ist die Brenngasabführkammer 78b, die im Vergleich zu der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b auf hoher Temperatur gehalten werden muss, an der Innenseite in Bezug auf die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b in der axialen Richtung vorgesehen. Daher wird die Brenngasabführkammer 78b zuverlässig auf einer gewünschten Temperatur gehalten.
  • Ferner sind, wie in 6 gezeigt, in dem Wärmetauscher 50 die Wärmeaustauschrohre 74 außerhalb der Reformerrohre 66 in den Strömungsrichtungen des Brenngases in dem zweiten Verbrennungsgaskanal 116b vorgesehen. In der Struktur kann die Reformierung bei höherer Temperatur erfolgen, während der Einfluss auf den Temperaturanstieg des sauerstoffhaltigen Gases unterdrückt wird. Ferner wird es möglich, die H2-Konversionsrate zu verbessern und die Produktion von C2+ oder höheren Komponenten zu unterdrücken.
  • Ferner bildet zumindest eines der Verdampferrohre 96 das Verdampferrücklaufrohr 103, das die Wasserdampfabführkammer 102b mit der Mischgaszuführkammer 78a verbindet. In der Struktur wird der Wasserdampf, der durch das Verdampferrücklaufrohr 103 fließt, auf hoher Temperatur gehalten und mit dem Rohbrennstoff in der Mischgaszuführkammer 78a des Reformers 46 vermischt, um das Mischgas zu erzeugen. Daher wird eine Verbesserung im Reformierungsbetrieb erzielt.
  • Ferner ist die Wasserdampfabführkammer 102b an einer, in der Rohrlängsrichtung, von der Brenngasabführkammer 78b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer 82b unterschiedlichen Position vorgesehen. Daher wird es möglich, das Brennstoffzellenmodul 12 leicht und effizient herzustellen.
  • Ferner fließt, wie in 3 gezeigt, das Verbrennungsgas von dem ersten Bereich R1 zu dem zweiten Bereich R2, und fließt dann von dem zweiten Bereich R2 zu dem dritten Bereich R3. Danach wird das Verbrennungsgas zur Außenseite des Brennstoffzellenmoduls 12 abgegeben. In der Struktur kann die Wärme dem Abgasverbrenner 52, dem Reformer 46, dem Wärmetauscher 50 und dem Verdampfer 48 der FC-Peripherieausstattung 56 effizient zugeführt werden. Somit wird eine Verbesserung in der Wärmeeffizienz erreicht und wird der thermisch selbsterhaltende Betrieb erleichtert.
  • Ferner ist das Brennstoffzellenmodul 12 ein Festoxidbrennstoffzellenmodul. Daher ist das Brennstoffzellenmodul 12 insbesondere für Hochtemperaturbrennstoffzellen wie etwa SOFC geeignet.
  • 7 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellensystems 132 zeigt, das ein Brennstoffzellenmodul 130 gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält.
  • Die Bauelemente des Brennstoffzellenmoduls, einschließlich des Brennstoffzellenmoduls gemäß der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung, die mit jenen des Brennstoffzellensystems 10, einschließlich des Brennstoffzellenmoduls 12 gemäß der ersten Ausführung, identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und die Beschreibungen davon werden weggelassen. Das gleiche gilt für eine später beschriebene dritte Ausführung, und daher werden die Beschreibungen davon weggelassen.
  • Wie in den 7 und 8 gezeigt, enthält die FC-Peripherieausstattung 134 des Brennstoffzellenmoduls 130 einen Wärmewiedergewinnungsbereich 136 um den dritten Bereich R3 herum. Wie in 8 gezeigt, ist der Wärmewiedergewinnungsbereich 136 unabhängig von einer Wasserzuführkammer 102a ausgebildet, (d.h. derart, dass der Wärmewiedergewinnungsbereich 136 nicht mit der Wasserzuführkammer 102a in Verbindung steht). D.h. die Löcher 108 sind in dem unteren Randendabschnitt des äußeren Elements 55 nicht vorgesehen.
  • Das Wasserzuführrohr 110a der Wasserzuführvorrichtung 18 ist direkt mit der Wasserzuführkammer 102a verbunden. Ein Heißwassertank 140 ist mit dem Wärmewiedergewinnungsbereich 136 durch einen Wasserzuführkanal 138a und einen Wasserabführkanal 138b verbunden. Zum Beispiel wird der Heißwassertank 140 als Heißwasserzufuhr für häuslichen Gebrauch verwendet. Wasser wird dem Wärmewiedergewinnungsbereich 136 als Flüssigkeit zugeführt.
  • In der zweiten Ausführung wird das Wasser in dem Heißwassertank 140 dem Wärmewiedergewinnungsbereich 136 zugeführt. Nachdem das Wasser durch das dem dritten Bereich R3 zugeführte Verbrennungsgas erhitzt ist, fließt das Wasser durch den Wasserabführkanal 138b, und das Wasser kehrt zu dem Heißwassertank 140 zurück. Daher wird das auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzte Heißwasser in dem Heißwassertank 140 gespeichert, und wird das Heißwasser bei Bedarf aus dem Heißwassertank 140 entnommen.
  • In der zweiten Ausführung wird Wasser von der Außenseite des Brennstoffzellenmoduls 130 dem Wärmewiedergewinnungsbereich zugeführt. Daher wird es möglich, eine Wärmeisolierung zu erzielen, um Wärmeabstrahlung und Wärmeverlust von dem Brennstoffzellenmodul 130 zu unterdrücken. Da ferner das Wasser (zum Beispiel Heißwasser), das von der Außenseite des Brennstoffzellenmoduls 130 zugeführt wird, geeignet erhitzt wird, wird auf leichte Weise eine Verbesserung in der Wärmeeffizienz erreicht.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht, die FC-Peripherieausstattung 152 eines Brennstoffzellenmoduls 150 gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wie in den 9 und 10 gezeigt, ist in der FC-Peripherieausstattung 152, in dem zweiten Bereich R2, der Reformer 46 radial außerhalb in Bezug auf den Wärmetauscher 50 vorgesehen. Der Wärmetauscher 50 enthält Wärmeaustauschrohre 74, die auf zwei virtuellen Kreisen konzentrisch um den ersten Bereich R1 herum in einem Zickzackmuster angeordnet sind. Der Reformer 46 enthält Reformerrohre 66, die auf einem virtuellen Kreis außerhalb der Wärmeaustauschrohre 74 und konzentrisch um den ersten Bereich R1 herum angeordnet sind.
  • In der dritten Ausführung erhält man die gleichen Vorteile wie im Falle der ersten Ausführung. Die dritte Ausführung kann die gleiche Struktur wie die Struktur der zweiten Ausführung anwenden.

Claims (9)

  1. Brennstoffzellenmodul (12), welches aufweist: einen Brennstoffzellenstapel (24), der durch Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen (22) gebildet ist, um durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas Elektrizität zu erzeugen; einen Reformer (46) zum Reformieren eines Mischgases von Rohbrennstoff, der hauptsächlich Kohlenwasserstoff enthält, und Wasserdampf zum Erzeugen des Brenngases, das dem Brennstoffzellenstapel (24) zugeführt wird; einen Verdampfer (48) zum Verdampfen von Wasser und Zuführen des Wasserdampfs zum Reformer (46); einen Wärmetauscher (50) zum Anheben einer Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases durch Wärmeaustausch mit einem Verbrennungsgas, und Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel (24); einen Abgasverbrenner (52) zum Verbrennen des vom Brennstoffzellenstapel (24) abgegebenen Brenngases als Brennabgas und des vom Brennstoffzellenstapel (24) abgegebenen sauerstoffhaltigen Gases als sauerstoffhaltiges Abgas, um das Verbrennungsgas zu erzeugen; und einen Startverbrenner (54) zum Verbrennen des Rohbrennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases, um das Verbrennungsgas zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellenmodul enthält: einen ersten Bereich (R1), wo der Abgasverbrenner (52) und der Startverbrenner (54) vorgesehen sind; einen ringförmigen zweiten Bereich (R2) um den ersten Bereich (R1) herum und wo der Reformer (46) und der Wärmetauscher (50) vorgesehen sind; und einen ringförmigen dritten Bereich (R3) um den zweiten Bereich (R2) herum und wo der Verdampfer (48) vorgesehen ist, wobei der erste Bereich (R1) und der ringförmige zweite Bereich (R2) in derselben Kammer angeordnet sind, wodurch der Abgasverbrenner (52), der Startverbrenner (54), der Reformer (46) und der Wärmetauscher (50) in derselben Kammer angeordnet sind, und der zweite Bereich (R2) und der dritte Bereich (R3) durch ein zylindrisches Element (70) getrennt sind.
  2. Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, wobei der Reformer (46) enthält: eine ringförmige Mischgaszuführkammer (78a), der das Mischgas zugeführt wird, eine ringförmige Brenngasabführkammer (78b), zu der das erzeugte Brenngas abgeführt wird, eine Mehrzahl von Reformerrohren (66), deren jeweiliges eines Ende mit der Mischgaszuführkammer (78a) verbunden ist und deren anderes Ende mit der Brenngasabführkammer (78b) verbunden ist, sowie einen Verbrennungsgaskanal (116b) zum Zuführen des Verbrennungsgases zu Zwischenräumen zwischen den Reformerrohren (66); der Verdampfer (48) enthält: eine ringförmige Wasserzuführkammer (102a), der das Wasser zugeführt wird, eine ringförmige Wasserdampfabführkammer (102b), zu der der Wasserdampf abgeführt wird, eine Mehrzahl von Verdampferrohren (96), deren jeweiliges eines Ende mit der Wasserzuführkammer (102a) verbunden ist und deren anderes Ende mit der Wasserdampfabführkammer (102b) verbunden ist, sowie einen Verbrennungsgaskanal (116c) zum Führen des Verbrennungsgases zu Zwischenräumen zwischen den Verdampferrohren (96); und der Wärmetauscher (50) enthält: eine ringförmige Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer (82a), der das sauerstoffhaltige Gas zugeführt wird, eine ringförmige Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer (82b), zu der das erhitzte sauerstoffhaltige Gas abgeführt wird, eine Mehrzahl von Wärmeaustauschrohren (74), deren jeweiliges eines Ende mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer (82a) verbunden ist und deren anderes Ende mit der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer (82b) verbunden ist, sowie einen Verbrennungsgaskanal (116b) zum Zuführen des Verbrennungsgases zu Zwischenräumen zwischen den Wärmetauscherrohren (74).
  3. Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 2, wobei die Brenngasabführkammer (78b), die Wasserdampfabführkammer (102b) und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer (82b) an einer dem Brennstoffzellenstapel (24) benachbarten Endseite vorgesehen sind; und die Mischgaszuführkammer (78a), die Wasserzuführkammer (102a) und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer (82a) mit Abstand von dem Brennstoffzellenstapel (24) an der anderen Endseite vorgesehen sind.
  4. Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 2, wobei die Brenngasabführkammer (78b) und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer (82b) doppeldeckartig vorgesehen sind, und die Brenngasabführkammer (78b) in axialer Richtung an einer Innenseite in Bezug auf die Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer (82b) vorgesehen ist; und die Mischgaszuführkammer (78a) und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer (82a) doppeldeckartig vorgesehen sind, und die Mischgaszuführkammer (78a) in axialer Richtung an einer Innenseite in Bezug auf die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkammer (82a) vorgesehen ist.
  5. Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 2, wobei in dem Wärmetauscher (50) die Wärmeaustauschrohre (74), in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases in dem Verbrennungsgaskanal (116b), außerhalb der Reformerrohre (66) vorgesehen sind.
  6. Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 2, wobei zumindest eines der Verdampferrohre (96) ein Verdampferrücklaufrohr (103) bildet, um die Wasserdampfabführkammer (102b) mit der Mischgaszuführkammer (78a) zu verbinden.
  7. Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 2, wobei die Wasserdampfabführkammer (102b), in Rohrlängsrichtung, an einer von der Brenngasabführkammer (78b) und das Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkammer (82b) verschiedenen Position vorgesehen ist.
  8. Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, wobei das Verbrennungsgas zuerst von dem ersten Bereich (R1) zu dem zweiten Bereich (R2) fließt, als nächstes von dem zweiten Bereich (R2) zu dem dritten Bereich (R3) fließt, und dann das Verbrennungsgas zur Außenseite des Brennstoffzellenmoduls (12) abgegeben wird.
  9. Das Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellenmodul (12) ein Festoxidbrennstoffzellenmodul ist.
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