DE112019006687T5

DE112019006687T5 - Brennstoffzellenmodul, Stromerzeugungssystem und Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellenmodul

Info

Publication number: DE112019006687T5
Application number: DE112019006687.0T
Authority: DE
Inventors: Kimi Kodo; Hiroki Irie; Kazuo Tomida; Yasutaka Urashita; Norihisa MATAKE; Ryutaro Mori
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-11-04
Also published as: JP2020136229A; US20220123333A1; CN113424345A; JP6943904B2; WO2020174825A1; KR20210114035A

Abstract

Ein Brennstoffzellenmodul umfasst: eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, von denen jeder eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode beinhaltet; ein Brennstoffgas-Zuführrohr zum Zuführen eines Brennstoffgases zur Anode; ein Oxidans-Zufuhrrohr zum Zuführen eines oxigenierten Gases zur Kathode der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, wobei das Oxidans-Zufuhrrohr eine erste Leitung und eine Vielzahl von zweiten Leitungen beinhaltet, von denen jede von einem Verzweigungspunkt an einem stromabwärtigen Ende der ersten Leitung abzweigt und mit einer oder mehrerer Brennstoffzellen verbunden ist; und zumindest ein Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr, das mit der zweiten Leitung stromabwärts des Verzweigungspunktes verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenmodul, ein Stromerzeugungssystem, welches das Brennstoffzellenmodul beinhaltet, und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellenmoduls.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen sind bekannt, Strom durch chemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas, das einer Anode zugeführt wird, und einem einer Kathode zugeführten oxigenierten Gas zu erzeugen, wobei eine einzelne Brennstoffzelle als kleinste Einheit aus der Anode, dem Elektrolyt und der Kathode aufgebaut ist. Von diesen verwendet beispielsweise eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ein Festoxid, wie etwa Keramik, als das Elektrolyt, ein Gas wie etwa Leuchtgas und Erdgas als Brennstoffgas, und Sauerstoff enthaltende Luft als das oxidisierte Gas. Solch eine SOFC ist als eine hoch effiziente Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einem breiten Bereich von Anwendungen bekannt, aufgrund einer hohen Betriebstemperatur von etwa 700 bis 1000 °C, um die Ionen-Leitfähigkeit zu erhöhen. Die SOFC kann mit einer Rotationsvorrichtung wie etwa beispielsweise einer Gasturbine, einer Mikro-Gasturbine oder einem Turbolader kombiniert werden, um den Betriebsdruck für eine effizientere Stromerzeugung zu steigern. In diesem unter Druck gesetzten Stromerzeugungssystem wird aus einem Kompressor abgegebene Druckluft der Kathode der SOFC als oxigeniertes Gas zugeführt und wird aus der SOFC abgegebenes heißes Auslassbrennstoffgas einem Brenner am Einlass der Rotationsvorrichtung, wie etwa einer Gasturbine, zur Verbrennung des Brennstoffgases zugeführt. Das in dem Brenner erzeugte heiße Verbrennungsgas wird verwendet, um die Rotationsvorrichtung zu rotieren, um so den Strom wiederzugewinnen.
Im Allgemeinen ist die Brennstoffzelle als ein Brennstoffzellenmodul mit einer Vielzahl von Kartuschen oder Zellstapeln konfiguriert, die eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen aufnehmen.
Die SOFC erfordert, dass die einzelnen Brennstoffzellen während des Starts auf eine hohe Temperatur erhitzt werden. Zum Heizen der einzelnen Brennstoffzellen offenbaren Patentdokumente 1 bis 3 das Verfahren, in welchem die Kathode mit einem Oxidations-Katalysator beladen ist, um eine katalytische Funktion zu ergeben, und wenn die Kathode auf einer Temperatur für katalytische Verbrennung ist, wird das Brennstoffgas mit einer Konzentration unter dem Brenngrenzwert dem oxigenierten Gas für katalytische Verbrennung hinzugefügt, um die Temperatur der einzelnen Brennstoffzellen anzuheben.
Zitateliste
Patentliteratur

Patentdokument 1: JP 5601945 B
Patentdokument 2: JP 2018-6004 A
Patentdokument 3: US 9874158 B

ZUSAMMENFASSUNG
Zu lösende Probleme
In den letzten Jahren steigt die Anzahl von Kartuschen oder Zellstapeln in einem Modul aufgrund des Trends zu höheren Kapazitäten hin an. Entsprechend gibt es die Befürchtung, dass die Temperatur-Variation zwischen den Kartuschen oder Zellstapeln ansteigt. Wenn die Temperatur variiert, sinkt die durch die einzelnen Brennstoffzellen erzeugte Strommenge. Somit ist es notwendig, die Temperaturvariation zu verbessern. Beim Verfahren zum Erhitzen einzelner Brennstoffzellen, das in Patentdokumenten 1 bis 3 offenbart ist, wird das Brennstoffgas von außerhalb des Brennstoffzellenmoduls zum stromaufwärtigen Hauptrohr zum Zuführen des oxigenierten Gases zum Brennstoffzellenmodul hinzugefügt. Daher kann die Flussrate und Konzentration des Brennstoffgases nicht für jede der Kartuschen, die im Modul angeordnet sind, justiert werden. Daher kann die Temperatur nicht für jede Kartusche justiert werden.
Eine Aufgabe der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es, die Variation bei der Temperaturverteilung einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, die in einem Modul untergebracht sind, zu unterdrücken.
Lösung der Probleme
(1) Ein Brennstoffzellenmodul gemäß einer Ausführungsform umfasst: eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, von denen jede eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode beinhaltet; ein Brennstoffgas-Zuführrohr zum Zuführen eines Brennstoffgases an die Anode; ein Oxidans-Zuführrohr zum Zuführen eines oxigenierten Gases an die Kathode der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, wobei das Oxidantien-Zufuhrrohr eine erste Leitung und eine Vielzahl von zweiten Leitungen beinhaltet, von denen jede von einem Verzweigungspunkt an einem stromabwärtigen Ende der ersten Leitung abzweigt und mit einer oder mehreren einzelner Brennstoffzellen verbunden ist; und zumindest ein Heizbrennstoffgas-Zufuhrrohr, welches mit der zweiten Leitung stromabwärts des Verzweigungspunktes verbunden ist.
Hier bedeutet „stromabwärtiges Ende“ das stromabwärtige Ende in der Flussrichtung des oxigenierten Gases und bedeutet „stromabwärts“ die stromabwärtige Seite in der Flussrichtung des oxigenierten Gases. Weiter ist das oxigenierte Gas ein Gas, das über 15% bis 30% Sauerstoff enthält, typischerweise ist Luft geeignet, aber auch andere Gase können verwendet werden, wie etwa eine Mischung von Rauchgas und Luft oder eine Mischung von Sauerstoff und Luft.
In der obigen Konfiguration (1) wird das Brennstoffgas aus dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr zur zweiten Leitung während des Betriebs hinzugefügt und wird das Brennstoffgas an der Kathode jeder einzelnen Brennstoffzelle eingeführt, die im Modul angeordnet ist, um die einzelne Brennstoffzelle durch Verbrennung von Brennstoffgas zu erhitzen. Da jede der zweiten Leitungen mit ein oder mehreren einzelnen Brennstoffzellen verbunden ist, wird das Heiz-Brennstoffgas zu den einzelnen Brennstoffzellen in einer balancierten Weise zugeführt. Somit ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, die im Modul angeordnet sind, zu reduzieren. Als Ergebnis ist es möglich, die Variation bei der Leistungserzeugungs-Leistungsfähigkeit der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen zu reduzieren und die Stromerzeugungsleistung zu verbessern.
(2) In einer Ausführungsform umfasst in der obigen Konfiguration (1) das Brennstoffzellenmodul ein Brennstoffgas-Abgasrohr zum Abgeben eines Abgas-Brennstoffgases aus den einzelnen Brennstoffzellen. Ein stromaufwärtiges Ende des Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohrs ist mit dem Brennstoffgas-Abgasrohr verbunden und zumindest ein Teil des an das Brennstoffgas-Abgasrohr abgegebenen Abgas-Brennstoffgases wird den einzelnen Brennstoffzellen durch das Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr und die zweite Leitung zugeführt.
Mit der obigen Konfiguration (2), indem das nicht verbrannte Brennstoffgas, das aus dem Brennstoffgas-Abgasrohr den einzelnen Brennstoffzellen zugeführt wird, kann das aus den einzelnen Brennstoffzellen einmal abgegebene, unverbrannte Brennstoffgas wieder verwendet werden. Weiter, indem das verdünnte verbrannte Brennstoffgas zum Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr zugeführt wird, kann die Konzentration des Brennstoffgases in mehreren Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohren, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind, justiert werden.
(3) In einer Ausführungsform umfasst in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (2) das Brennstoffzellenmodul ein oder mehrere Kartuschen, die alle zwei oder mehr einzelne Brennstoffzellen aufnehmen. Jede der zweiten Leitungen ist mit einer oder mehrerer Kartuschen verbunden.
Mit der obigen Konfiguration (3), da das oxigenierte Gas den einzelnen Brennstoffzellen, die in einer Kartusche untergebracht sind, durch ein oder weniger Rohre, welche die zweiten Leitungen bilden, zugeführt werden kann, können die zweiten Leitungen vereinfacht werden.
(4) In einer Ausführungsform sind in der obigen Konfiguration (3) eine Vielzahl der Kartuschen in einer Reihe angeordnet. Die zweiten Leitungen beinhalten zumindest ein Gabelungsrohr, das längs einer Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen angeordnet ist und Zweigrohre, die von dem zumindest einen Gabelungsrohr abzweigen, und jeweils mit der Vielzahl von Kartuschen verbunden sind. Das zumindest eine Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr beinhaltet ein Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr, das mit dem einen Gabelungsrohr verbunden ist, das an einem zentralen Bereich in der Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen angeordnet ist.
Mit der obigen Konfiguration (4), da das Heiz-Brennstoffgas dem einen Gabelungsrohr zugeführt wird, das auf einen zentralen Bereich in der Kartuschen-Reihenrichtung angeordnet ist, kann das Heiz-Brennstoffgas zu den stromabwärtigen Kartuschen in einer ausgeglichenen Weise distributiert werden.
(5) In einer Ausführungsform sind in der obigen Konfiguration (3) oder (4) eine Vielzahl der Kartuschen in einer Reihe angeordnet. Die zweiten Leitungen beinhalten zumindest ein Gabelungsrohr, das entlang einer Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen angeordnet ist, und Zweigrohre, die von dem zumindest einen Gabelungsrohr abzweigen und jeweils mit der Vielzahl von Kartuschen verbunden sind. Das zumindest eine Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr beinhaltet ein Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr, welches mit dem Zweigrohr verbunden ist, das mit der Kartusche verbunden ist, die an zumindest einem von beiden Enden in der Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen angeordnet ist.
Wenn das oxigenierte Gas aus einer oder wenigen zweiten Leitungen der Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Kartuschen zugeführt wird, tendiert die Temperatur der Kartusche am Ende der Reihenrichtung dazu, abzusinken. Jedoch kann mit der obigen Konfiguration (5) das Heiz-Brennstoffgas direkt der individuellen Kartusche am Ende in der Reihenrichtung ohne jegliche Verknappung zugeführt werden.
(6) In einer Ausführungsform beinhaltet in der obigen Konfiguration (4) oder (5) jede der zweiten Leitungen einen geraden Rohrbereich, der auf einer Seite einer Kartuschenreihe angeordnet ist, und sind die jeweiligen geraden Rohrbereiche der zweiten Leitungen auf entgegengesetzten Seiten der Kartuschenreihe mit der dazwischen eingefügten Kartuschenreihe angeordnet.
Mit der obigen Konfiguration (6), da die geraden Rohrbereiche der zweiten Leitungen auf entgegengesetzten Seiten der Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Kartuschen ausgelegt sind, können die zweiten Leitungen kompakt gehalten werden. Wenn eine gemeinsame Passage oxigenierten Gases für die einzelnen Brennstoffzellen, die in einer Kartusche aufgenommen sind, gebildet wird, da das Heiz-Brennstoffgas aus beiden Seiten jeder Kartusche zugeführt werden kann, kann die Flussrate des zu den einzelnen Brennstoffzellen, die in jeder Kartusche untergebracht sind, zugeführten Heiz-Brennstoffgases justiert werden.
(7) In einer Ausführungsform umfasst in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (6) das Brennstoffzellenmodul ein in dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr angeordnetes Ventil.
Mit der obigen Konfiguration (7), da die Flussrate des aus dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr zur zweiten Leitung zugeführten Brennstoffgases durch das Ventil gesteuert werden kann, ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der einzelnen Brennstoffzellen in dem Modul weiter zu reduzieren.
(8) In einer Ausführungsform umfasst in der obigen Konfiguration (7) das Brennstoffzellenmodul ein oder mehrere Temperatursensoren zum Detektieren einer Temperatur der einzelnen Brennstoffzellen.
Mit der obigen Konfiguration (8), indem der Öffnungsgrad des Ventils durch den Bediener justiert wird, basierend auf einem detektierten Wert des Temperatursensors, ist es möglich, weiter die Variation bei der Temperaturverteilung der einzelnen Brennstoffzellen im Modul zu reduzieren. Weiter kann der Öffnungsgrad des Ventils automatisch justiert werden, basierend auf einem detektierten Wert des Temperatursensors.
(9) In einer Ausführungsform umfasst in einer der obigen Konfigurationen (1) bis (8) das Brennstoffzellenmodul ein Druckgefäß, welches die Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen aufnimmt. Das Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr penetriert das Druckgefäß und beinhaltet einen außerhalb des Druckgefäßes angeordneten externen Rohrbereich und einen innerhalb des Druckgefäßes angeordneten internen Rohrbereich.
Mit der obigen Konfiguration 9, da ein Teil des Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohrs außerhalb des Druckgefäßes angeordnet ist, kann ein Druckgefäß verkleinert werden.
(10) In einer Ausführungsform umfasst in der obigen Konfiguration (9) das Brennstoffzellenmodul ein in dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr angeordnetes Ventil und ist das Ventil außerhalb des Druckgefäßes angeordnet.
Mit der obigen Konfiguration (10), wenn das Brennstoffzellenmodul das Druckgefäß beinhaltet, da der Wert außerhalb des Druckgefäßes angeordnet ist, kann der Bediener direkt das Ventil betätigen.
(11) Ein Stromerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform umfasst: das Brennstoffzellenmodul, welches eine der obigen Konfigurationen (1) bis (10) aufweist; und eine Rotationsvorrichtung, die konfiguriert ist, eine Rotationskraft unter Verwendung eines Abgas-Brennstoffgases und eines aus dem Brennstoffzellenmodul abgegebenen oxigenierten Abgases zu erzeugen. Das Brennstoffzellenmodul wird mit dem unter Verwendung der Rotationskraft komprimierten oxigenierten Gas versorgt und das Brennstoffzellenmodul erzeugt Strom unter Verwendung des Brennstoffzellengases und des komprimierten, oxigenierten Gases.
Mit der obigen Konfiguration (11), während die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung gelöst wird, kann die Stromerzeugungs-Effizienz verbessert werden, indem komprimiertes oxigeniertes Gas dem Brennstoffzellenmodul zugeführt wird und kann die für das Stromerzeugungssystem erforderliche Leistung mit verbesserter Stromerzeugungs-Effizienz reduziert werden, indem die Rotationskraft unter Verwendung des Abgas-Brennstoffgases und des oxigenierten Abgases aus dem Brennstoffzellenmodul erzeugt wird.
(12) In einer Ausführungsform umfasst in der obigen Konfiguration 11 die Rotationsvorrichtung eine Gasturbine oder einen Turbolader.
Mit der obigen Konfiguration (12), zusätzlich zum Verbessern der Stromerzeugungs-Effizienz und Reduzieren der für das Stromerzeugungssystem erforderlichen Leistung, da die Rotationsvorrichtung eine Gasturbine ist, kann eine kombinierte Stromerzeugung mit dem Brennstoffzellenmodul und der Gasturbine erzielt werden.
(13) Ein Verfahren des Betreibens des Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellenmoduls mit einer der obigen Konfigurationen (1) bis (10), umfassend einen Heizschritt des Erhitzens des oxigenierten Gases durch Hinzufügen des Brennstoffgases aus dem zumindest einen Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr zu dem durch die zweite Leitung fließenden oxigenierten Gas.
Mit dem obigen Verfahren (13), da jede zweite Leitung mit einem oder mehreren einzelnen Brennstoffzellen verbunden ist, ist es, durch Durchführen des Heizschrittes, möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der Vielzahl von einzelnen in dem Modul angeordneten Brennstoffzellen zu reduzieren. Als Ergebnis ist es möglich, die Variation bei der Stromerzeugungsleistung der einzelnen Brennstoffzellen zu reduzieren und die Stromerzeugungsleistung zu verbessern.
(14) In einer Ausführungsform beinhaltet im obigen Verfahren (13) das Hinzufügen zumindest eines aus den einzelnen Brennstoffzellen abgegebenen Brennstoffgases zu dem durch die zweite Leitung fließenden oxigenierten Gas.
Mit dem obigen Verfahren (14) kann das aus den einzelnen Brennstoffzellen angegebene Abgas-Brennstoffgas als das Heiz-Brennstoffgas wiederverwendet werden und durch Zuführen des verdünnten Abgas-Brennstoffgases zu dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr kann die Konzentration des Brennstoffgases in mehreren Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohren, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind, justiert werden.
(15) In einer Ausführungsform wird in dem obigen Verfahren (13) oder (14) der Heizschritt durchgeführt, wenn das Brennstoffzellenmodul bei Nennstrom-Erzeugung oder bei einer partiellen Last gestartet wird.
Mit dem obigen Verfahren (15), weil der Heizschritt durchgeführt wird, wenn das Brennstoffzellenmodul bei Nennstrom-Erzeugung oder einer partiellen Last gestartet wird, ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen im Modul zu unterdrücken.
Vorteilhafte Effekte
Gemäß einigen Ausführungsformen ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenmodul während des Betriebs zu unterdrücken. Somit ist es möglich, die Variation bei der Stromerzeugungsleistung von der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen zu reduzieren und die Stromerzeugungsleistung zu verbessern.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist eine Perspektivansicht eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform.
3 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, welches eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform zeigt.
4 ist eine Perspektivansicht eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform.
5 ist eine transverse Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform.
6 ist eine longitudinale Querschnittsansicht eines Zellenstapels gemäß einer Ausführungsform.
7 ist ein schematisches Diagramm eines Oxidans-Zufuhrrohrs eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform.
8 ist ein schematisches Diagramm eines Oxidans-Zufuhrrohrs eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform.
9 ist ein schematisches Diagramm eines Oxidans-Zufuhrrohrs eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform.
10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform.
11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform.
12 ist ein Systemdiagramm eines Stromerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform.
13 ist ein Systemdiagramm eines Stromerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass, wenn nicht anders besonders identifiziert, Abmessungen, Materialien, Formen, Relativpositionen und dergleichen von in den Ausführungsformen beschriebenen Komponenten nur als illustrativ interpretiert werden sollen und nicht intendiert sind, den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken.
Beispielsweise sollte ein Ausdruck von relativer oder absoluter Anordnung wie etwa „in einer Richtung“, „längs einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht betrachtet werden als nur die Anordnung in strikt wörtlichem Sinne angebend, sondern auch einen Zustand beinhalten, bei dem die Anordnung relativ um eine Toleranz oder um einen Winkel oder eine Distanz versetzt ist, bei denen es möglich ist, dieselbe Funktion zu erzielen.
Beispielsweise soll ein Ausdruck eines gleichen Zustands wie etwa „derselbe“ „das gleiche“, und „gleichförmig“ nicht betrachtet werden als nur den Zustand angebend, in welchem das Merkmal strikt gleich ist, sondern auch einen Zustand beinhalten, bei dem es eine Toleranz oder eine Differenz gibt, die immer noch dieselbe Funktion erzielen kann.
Weiter soll beispielsweise ein Ausdruck einer Form, wie etwa einer rechtwinkligen Form oder einer zylindrischen Form, nicht als nur die geometrisch strikte Form seiend aufgefasst werden, sondern auch eine Form beinhalten, mit Unregelmäßigkeiten oder zulaufenden Ecken innerhalb des Bereichs, in welchem derselbe Effekt erzielt werden kann.
Andererseits ist es nicht beabsichtigt, dass ein Ausdruck wie etwa „umfassen“, „beinhalten“, „aufweisen“, „enthalten“ und „aufbauen“ andere Komponenten ausschließen soll.
1 bis 4 zeigen ein Brennstoffzellenmodul 10 (10A, 10B, 10C, 10D) anhand einigen Ausführungsformen und Komponenten derselben. In 1 bis 4 nimmt das Modul 10 (10A, 10B) eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen auf, von denen jede eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode beinhaltet. Falls die Stromerzeugungs-Kapazität des Moduls 10 groß ist, ist die Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen riesig und werden die riesige Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen in einer oder mehreren Kartuschen 11 untergebracht. Alternativ kann ein Zellstapel mit einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen gebildet werden und kann jeweils eine Vielzahl von Zellstapeln in einer oder mehrerer Kartuschen 11 untergebracht werden. Weiter wird das Brennstoffgas 11 aus einem Brennstoffgas-Zuführrohr 30 zur Anode jeder einzelnen Brennstoffzelle 10 zugeführt und ist das oxigenierte Gas a aus einem oxigenierten Gas-Zufuhrsystem 20 zur Kathode zugeführt. Als Ergebnis wird Strom in der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen erzeugt.
In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet das oxigenierte Gas-Zufuhrsystem 20 ein Oxidans-Zufuhrhauptrohr 21 (erste Leitung), das auf der stromaufwärtigen Seite in der Flussrichtung des oxigenierten Gases a angeordnet ist, eine Vielzahl von Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohren 23 (23a, 23b) und Oxidans-Zufuhr-Zweigrohren 24 (24a, 24b) (zweite Leitungen), die von einem Verzweigungspunkt 22 auf dem stromabwärtigen Ende des Oxidans-Zufuhrhauptrohrs 21 abzweigen und mit jeder der Kartuschen 11 verbunden sind. Weiter ist zumindest ein Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr 42 (42a, 42b) oder 43 (43a, 43b) mit dem Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 oder dem Oxidans-Zufuhr-Zweigrohr 24 verbunden.
In der obigen Konfiguration wird während des Betriebs, beispielsweise wenn das Brennstoffzellenmodul 10 gestartet wird, das Brennstoffgas f aus dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr 42 oder 43 zu dem Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 oder dem Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 hinzugefügt. Da das zugeführte Brennstoffgas f an der Kathode der einzelnen Brennstoffzelle verbrannt wird, um die einzelne Brennstoffzelle zu heizen, kann die Startzeit verkürzt werden. Als Verfahren des Verbrennens des Brennstoffgases f wird beispielsweise ein Oxidations-Katalysator an die Kathode geladen und wenn das oxigenierte Gas eine Temperatur erreicht, in welcher eine katalytische Verbrennung möglich ist (zum Beispiel 400°C oder höher), wird das Brennstoffgas f durch die katalytische Wirkung der Kathode verbrannt. Da jedes der Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohren 23 oder der Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 mit einer oder mehreren Kartuschen 11 verbunden ist, wird das Heiz-Brennstoffgas f den Kartuschen 11 in einer ausgeglichen Weise zugeführt. Als Ergebnis ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der Vielzahl von Kartuschen 11 im Modul 10 zu reduzieren. Somit ist es möglich, die Variation bei der Stromerzeugungsleistung der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen zu reduzieren und die Stromerzeugungs-Leistung zu verbessern.
5 ist eine transverse Querschnittsansicht des Moduls 10, wobei die Kartusche 11 eine Vielzahl von Zellstapeln 12 aufnimmt, um eine Stromerzeugungskammer 55 zu bilden. Die Isolationen 56, 57, 58 und 59 sind so angeordnet, dass sie die von der Vielzahl von Zellenstapeln 12 gebildete Stromerzeugungskammer 55 umgeben. Die Isolationen isolieren die Stromerzeugungskammer 55 vor dem Äußeren, um zu verhindern, dass in der Stromerzeugungskammer 55 erzeugte Wärme nach außen entweicht.
6 ist eine Longitudinal-Querschnittsansicht des Lenk-Zellstapels 12, der in der Kartusche 11 aufgenommen ist, wobei der Zellstapel 12 eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 beinhaltet. Die einzelne Brennstoffzelle 14 beinhaltet eine Anode 15, ein Elektrolyt 16 und eine Kathode 17. Im Zellstapel 12 ist die Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 auf einem Substrat gebildet und wird Strom durch die Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 erzeugt. Nachfolgend wird ein zylindrischer Zellstapel 12 als ein Beispiel beschrieben, aber der Zellstapel könnte beispielsweise ein flach-zylindrischer oder flacher Plattenzellstapel sein.
Wie in 6 gezeigt, beinhaltet der Zellstapel 12 eine zylindrische Substratröhre 13, eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14, die auf der Außen-Peripherie-Oberfläche der Substrate 13 gebildeten, und einen Verbinder 18, der zwischen den angrenzenden einzelnen Brennstoffzellen 14 gebildet ist. Die einzelne Brennstoffzelle 14 wird durch Laminieren der Anode 15, des Elektrolyts 16 und der Kathode 17 gebildet. Weiter beinhaltet des Zellstapel einen Anschlussfilm 19, welcher die Kathode 17 der einzelnen Brennstoffzelle 14, die an einem Ende in der Axialrichtung der Substratröhre 13 gebildet ist, und elektrisch verbunden ist, und einen Anschlussfilm (nicht gezeigt), welcher mit der Anode 15 der einzelnen Brennstoffzelle 14 elektrisch verbunden ist, die am anderen Ende in der Axialrichtung der Substratröhre 13 gebildet ist, aus der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14.
Der Verbinder 18 ist elektrisch leitfähig und verbindet angrenzende einzelne Brennstoffzellen 14, spezifisch die Kathode 17, von einer einzelnen Brennstoffzelle 14 und die Anode der anderen einzelnen Brennstoffzelle 14 elektrisch, um die angrenzenden einzelnen Brennstoffzellen in Reihe zu schalten. Der Anschlussfilm 19 ist elektrisch leitfähig und leitet den in der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14, die in Reihe durch den Verbinder 18 verbunden sind, zur Nähe des Endes des Zellstapels 12.
In einer Ausführungsform wird, wie in 5 gezeigt, das Brennstoffgas-Zuführrohr 30 über der Vielzahl von Kartuschen 11 vorgesehen und ist mit jeder Kartusche 11 über eine Vielzahl von Brennstoffgas-Zufuhrzweigrohren 31 verbunden. Das Brennstoffgas f wird jeder Kartusche 11 aus dem Brennstoffgas-Zuführrohr 30 zu einem Brennstoffgas-Zuführkopf 32, welcher innerhalb der Isolation 57 angeordnet ist, zugeführt. Das Brennstoffgas f, welches dem Brennstoffgas-Zuführkopf 32 zugeführt ist, passiert die Substratröhre 13, welche den Zellstapel 12 aufbaut, und wird verwendet, um Strom in den einzelnen Brennstoffzellen 14 zu erzeugen. Das Abgas-Brennstoffgas f' fließt, nachdem es zur Stromerzeugung verwendet ist, in einen Brennstoffgas-Abgaskopf 33, welcher unter der Stromerzeugungskammer 55 gebildet ist und wird aus dem Brennstoffgas-Abgaskopf 33 nach außerhalb des Moduls 10 über ein Brennstoffgas-Abgas-Zweigrohr 34 und ein Brennstoffgas-Abgasrohr 35 abgelassen.
In einer Ausführungsform wird ein Oxidans-Zufuhrkopf 25 innerhalb der Kartusche 11 und unter der Stromerzeugungskammer 55 angeordnet. Das oxigenierte Gas a wird dem Oxidans-Zufuhrkopf 25 über die Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohre 23 (23a, 23b) und die Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 (24a, 24b) zugeführt. Das oxigenierte Gas a, das dem Oxidans-Zufuhrkopf 25 zugeführt wird, fließt in die Stromerzeugungskammer 55 über einen (nicht gezeigten) Spalt, der zwischen dem Zellstapel 12 und der Isolation 56 gebildet ist, und wird verwendet, um Strom in den einzelnen Brennstoffzellen 14 zu erzeugen. Das oxigenierte Abgas a', nachdem es zur Stromerzeugung verwendet ist, fließt in einen Oxidans-Abgaskopf 26, der über der Stromerzeugungskammer 55 gebildet ist, durch den Spalt und wird weiter aus dem Oxidans-Abgaskopf 26 zu einem Oxidans-Abgasrohr 28 durch ein Oxidans-Abgas-Zweigrohr 27 abgegeben.
In 2 und 4 ist das Abgassystem für das oxigenierte Abgas a' nicht illustriert.
In einer Ausführungsform, wie in 1 bis 4 gezeigt, ist ein Verbindungsrohr 40 zwischen dem Brennstoffgas-Zuführrohr 30 und dem Oxidans-Zufuhrhauptrohr 21 verbunden. Das Verbindungsrohr 40 ist mit einem Ventil 50 versehen. Ein Teil des Brennstoffgases f, welches durch das Brennstoffgas-Zuführrohr 30 fließt, wird den Kartuschen 11 über das Oxidans-Zufuhrhauptrohr 21, das Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 und das Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 als das Heiz-Brennstoffgas f zugeführt, wenn gewünscht. Jedoch, wenn dieses Zufuhrsystem verwendet wird, um das Heiz-Brennstoffgas den Kartuschen 11 zuzuführen, kann die Flussrate und Konzentration des jeder Kartusche 11 zugeführten Brennstoffgases f nicht justiert werden. Daher kann die Temperatur nicht für jede Kartusche 11 justiert werden.
Aus diesem Grund ist in den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ein Heiz-Brennstoffgaszufuhr-Hauptrohr 41 vorgesehen, um das Verbindungsrohr 40 und das Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr 42 (42a, 42b) oder 43 (43a, 43b) so zu verbinden, dass das Heiz-Brennstoffgas f aus dem Verbindungsrohr 40 zu den Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohren 42 oder 43 über das Heiz-Brennstoffgaszufuhr-Hauptrohr 41 zugeführt wird. Als Ergebnis kann das Heiz-Brennstoffgas der Vielzahl von Kartuschen 11 in einer ausgeglichenen Weise zugeführt werden, so dass es möglich ist, die Variation bei der Temperaturverteilung der Vielzahl von Kartuschen 11 zu unterdrücken.
In einer Ausführungsform, wie in 1 bis 4 gezeigt, beinhaltet das Modul ein oder mehrere Kartuschen 11. Jede Kartusche 11 nimmt eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 auf. Beispielsweise, wie in 5 und 6 gezeigt, ist die Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 als der Zellstapel 12 untergebracht. Das Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohren 23 ist mit einer oder mehreren Kartuschen 11 über die Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 verbunden. Somit, da das oxigenierte Gas a den einzelnen Brennstoffzellen 14, die in einer Kartusche 11 untergebracht sind, durch ein oder wenige Rohre zugeführt werden kann, welche die Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohre 23 und die Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 bilden, kann die Anzahl von Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohren 23 und Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 reduziert werden, so dass die Rohre vereinfacht werden können.
In einer Ausführungsform, wie in 1 und 2 gezeigt, ist das Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr 42 oder 43 mit einem Ventil 51 versehen. Da die Flussrate des aus den Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohren 42 und 43 dem Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 und dem Oxidans-Zufuhr-Zweigrohr 24 zugeführten Brennstoffgases f durch das Ventil 51 justiert werden kann, ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der einzelnen Brennstoffzellen 14 im Modul 10 weiter zu reduzieren.
Das Ventil 51 kann ein Öffnen-/Schließventil sein, das nur zu Öffnen- und Schließ-Operationen in der Lage ist, oder kann ein Flussraten-Justierventil sein, das fähig ist, die Flussrate zu justieren.
In einer Ausführungsform, wie in 2 und 4 gezeigt, beinhaltet das Modul einen Temperatursensor 53 zum Detektieren der Temperatur der einzelnen Brennstoffzellen 14. Gemäß dieser Ausführungsform, indem das Öffnen und Schließen des Ventils 51 durch den Bediener betätigt wird, basierend auf einem detektierten Wert des Temperatursensors 53, ist es möglich, weiter die Variation bei der Temperaturverteilung der einzelnen Brennstoffzellen 14 im Modul 10 zu reduzieren.
In dieser Ausführungsform kann eine Vielzahl von Temperatursensoren 53 für jede Kartusche 11 vorgesehen sein. Weiter kann der Öffnungsgrad des Ventils 51 auf Basis eines detektierten Werts des Temperatursensors 53 automatisch justiert werden.
In einer Ausführungsform, wie in 1 bis 4 gezeigt, wird ein Druckgefäß 54 vorgesehen, und die Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 ist in dem Druckgefäß 54 untergebracht. Andererseits ist das Ventil 51 außerhalb des Druckgefäßes 54 angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform, da das Ventil 51 außerhalb des Druckgefäßes 54 angeordnet ist, kann der Bediener direkt das Ventil 51 betätigen. Weiter, da die einzelnen Brennstoffzellen 14 in dem Druckgefäß 54 untergebracht sind, ist es sicher, unter Druck stehendes Brennstoffgas f und oxigeniertes Gas a den einzelnen Brennstoffzellen 14 zuzuführen. Durch Zuführen des Druck-Brennstoffgases f und oxigenierten Gases a kann die Stromerzeugungsleistung des Moduls 10 verbessert werden.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist eine Isolation 60 auf der inneren Oberfläche des Druckgefäßes 54 angeordnet. Dies verhindert, dass die Wärme im Druckgefäß 54 nach außerhalb des Druckgefäßes 54 entweicht.
In einer Ausführungsform, wie in 1 bis 5 gezeigt, penetrieren die Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohre 42 und 43 das Druckgefäß 54 und beinhalten einen externen Rohrbereich 44a, der außerhalb des Druckgefäßes 54 angeordnet ist, und einen internen Rohrbereich 44b, der innerhalb des Druckgefäßes 54 angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform, da Teile der Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohre 42 und 43 außerhalb des Druckgefäßes 54 angeordnet sind, kann das Druckgefäß 54 verkleinert werden.
In einer Ausführungsform, wie in 3 und 4 gezeigt, wird ein Re-Zirkulationsrohr 45, das vom Brennstoffgas-Abgasrohr 35 abzweigt und mit dem Brennstoffgas-Zuführrohr 30 verbunden ist, vorgesehen. Zumindest ein Teil des an das Brennstoffgas-Abgasrohr 35 abgegebenen Heiz-Brennstoffgases f', nachdem es zur Stromerzeugung der einzelnen Brennstoffzellen 14 verwendet wird, wird den einzelnen Brennstoffzellen 14 wieder durch ein Re-Zirkulationsgebläse 52, das im Re-Zirkulationsrohr 45 angeordnet ist, zugeführt.
In einer Ausführungsform, wie in 3 und 4 gezeigt, ist das stromaufwärtige Ende des Vorsprungsbereichs 41 (41a, 41b) mit dem Re-Zirkulationsrohr 45 verbunden. Zumindest ein Teil des Heiz-Brennstoffgases f' wird zu den Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohren 23 (23a, 23b) und den Oxidans-Zufuhr-Zweigrohren 24 (24a, 24b) über die Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohre 42 (42a, 42b) oder 43 (43a, 43b) hinzugefügt und wird zur Luftseite der einzelnen Brennstoffzellen 14 zugeführt. Mit dieser Konfiguration kann das einmal aus den einzelnen Brennstoffzellen 14 abgegebene Heiz-Brennstoffgas f' als Heiz-Brennstoffgas f wieder verwendet werden und indem das verdünnte Heiz-Brennstoffgas f' dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohre 42 oder 43 zugeführt wird, kann die Konzentration des Heiz-Brennstoffgases f in mehreren, an verschiedenen Positionen angeordneten Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohren justiert werden.
In einer Ausführungsform ist die Vielzahl von Kartuschen 11 in einer Reihe angeordnet. In den in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen sind sie in einer Reihe angeordnet. Weiter beinhalten das Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 und das Oxidans-Zufuhr-Zweigrohr 24 zumindest ein Gabelungsrohr 23, (23a, 23b), das entlang der Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen 11 angeordnet ist, und Zweigrohre 24 (24a, 24b), die von dem Gabelungsrohr 23 abzweigen und mit jeder Kartusche 11 verbunden sind. Weiter sind ein oder mehrere Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohre 42 mit dem Gabelungsrohr 23 verbunden, das in einem Zentralbereich in der Kartuschen-Reihenrichtung angeordnet ist.
Gemäß dieser Ausführungsform, da das Heiz-Brennstoffgas f dem Gabelungsrohr 23 (22a, 23b), das an einem Zentralbereich in der Kartuschen-Reihenrichtung angeordnet ist, zugeführt wird, kann das Heiz-Brennstoffgas f den stromabwärtigen Kartuschen 11 in einer ausgewogenen Weise zugeführt werden.
In einer Ausführungsform, wie in 1 und 2 gezeigt, sind die Vielzahl von Kartuschen 11 in einer Reihe angeordnet. Das Gabelungsrohr 23 beinhaltet zumindest ein Gabelungsrohr 23, das entlang der Reihen der Vielzahl von Kartuschen 11 angeordnet ist, und Zweigrohre 24, die vom Gabelungsrohr 23 abzweigen und mit jeder Kartusche 11 verbunden sind. Weiter sind ein oder mehrere individuelle Kartuschen-Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohre 43 (43a, 43b) mit einem oder mehreren Zweigrohren 24 verbunden, die an zumindest einem von beiden Enden in der Kartuschen-Reihenrichtung angeordnet sind.
Wenn das oxigenierte Gas a aus einer oder wenigen Leitungen der Vielzahl von Kartuschen 11, die in einer Reihe angeordnet sind, zugeführt wird, tendiert die Temperatur an der Kartusche 11 am Ende in der Reihenrichtung dazu, abzusinken. Jedoch kann gemäß dieser Ausführungsform das Heiz-Brennstoffgas f direkt der individuellen Kartusche 11 am Ende der in der Reihenrichtung ohne jegliche Verknappung zugeführt werden.
In einer Ausführungsform, wie in 2 und 4 gezeigt, verzweigt eine Vielzahl von Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohren 23 (23a, 23b) vom Oxidans-Zufuhrhauptrohr 21 am Verzweigungspunkt 22 ab und jedes Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 (23a, 23b) beinhaltet einen geraden Rohrbereich, der auf einer Seite der Kartuschenreihe angeordnet ist. Die geraden Rohrbereiche sind auf entgegengesetzten Seiten der Kartuschenreihe mit der dazwischen eingefügten Kartusche angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform, da die geraden Rohrbereiche auf entgegengesetzten Seiten der Vielzahl von Kartuschen, die in einer Reihe angeordnet sind, ausgelegt sind, können die Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohre 23 und die Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 kompakt gemacht werden. Wenn eine übliche Oxigeniertgas-Passage für die einzelnen Brennstoffzellen 14, die in der Heiz-Brennstoffgas f untergebracht sind, gebildet wird, da das Heiz-Brennstoffgas f von beiden Seiten jeder Kartusche 11 zugeführt werden kann, kann die Flussrate des Heiz-Brennstoffgases f, die in der Kartusche 11 untergebrachten Brennstoffzellen 14 zugeführt wird, in Rechts-Links-Richtung in Bezug auf die Kartuschen-Reihenrichtung justiert werden.
7 bis 9 zeigen das Oxigeniertgas-Zufuhrsystem 20 gemäß anderen Ausführungsformen. Das in 7 gezeigte Brennstoffzellenmodul beinhaltet eine, eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 unterbringende Kartusche 11. Das Oxigeniert-Gas-Zufuhrsystem 20 beinhaltet ein Oxidans-Zufuhrhauptrohr 21, das auf der stromaufwärtigen Seite in der Flussrichtung des oxigenierten Gases a angeordnet ist, und zwei Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohre 23 (23a, 23b), die vom Oxidans-Zufuhrhauptrohr 21 am Verzweigungspunkt 22 abzweigen, der am stromabwärtigen Ende des Oxidans-Zufuhrhauptrohrs 21 positioniert ist. Die zwei Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohre 23 sind mit entgegengesetzten Enden der Kartusche 11 verbunden und das oxigenierte Gas a wird von beiden Enden der Kartusche 11 der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14, die in der Kartusche 11 untergebracht sind, zugeführt.
Das in 8 gezeigte Brennstoffzellenmodul beinhaltet eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Kartuschen 11. Das Oxigeniert-Gas-Zufuhrsystem 20 beinhaltet ein Oxidans-Zufuhrhauptrohr 21, das auf der stromaufwärtigen Seite in der Flussrichtung des oxigenierten Gases a angeordnet ist, ein Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 (23a), das am Verzweigungspunkt 22 abzweigt, und ein Oxidans-Zufuhr-Zweigrohr 24 (24a), das stromabwärts des Verzweigungspunkts 22 vom Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 abzweigt. Das Oxidans-Zufuhr-Zweigrohr 24 (24a) ist ein Zweigrohr, das mit einem Ende jeder Kartusche 11 zum Zuführen des oxigenierten Gases a zu jeder Kartusche 11 verbunden ist.
Das in 9 gezeigte Brennstoffzellenmodul beinhaltet eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneter Kartuschen 11. Das Oxigeniert-Gas-Zufuhrsystem 20 beinhaltet ein auf der stromaufwärtigen Seite in der Flussrichtung des oxigenierten Gases a angeordnetes Oxidans-Zufuhrhauptrohr 21, ein am Verzweigungspunkt 22 abzweigendes Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 (23a), und Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 (24a, 24b), die stromabwärts des Verzweigungspunkts 22 abzweigen. Die Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 (24a, 24b) sind von dem Gabelungsrohr 23 (23a) für jede Kartusche 11 abzweigende Zweigrohre. Die Oxidans-Zufuhr-Zweigrohre 24 (24a, 24b) sind mit entgegengesetzten Enden jeder Kartusche 11 zum Zuführen des oxigenierten Gases a an jede Kartusche 11 verbunden.
Das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellenmoduls gemäß einer Ausführungsform wird durchgeführt, wenn das Modul 10 gestartet wird. Wie in 10 gezeigt, wird das Brennstoffgas f aus zumindest einem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr 42 oder 43 zum oxigenierten Gas a hinzugefügt, welches durch das Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 und das Oxidans-Zufuhr-Zweigrohr 24 fließt (Schritt S10). Dieses Brennstoffgas f wird an der Kathode 17 verbrannt, um die einzelne Brennstoffzelle 14 zu erhitzen (Heizschritt S12). Als Verfahren des Verbrennens des Brennstoffgases f wird beispielsweise ein Oxidations-Katalysator auf der Kathode 17 geladen und wenn die Kathode 17 auf einer Temperatur für katalytische Verbrennung (zum Beispiel 400°C oder höher) ist, wird das Brennstoffgas f selbst dann verbrannt, wenn das Brennstoffgas f eine Konzentration unter der brennbaren Grenze aufweist. Im Schritt S10 kann das Heiz-Brennstoffgas f zum oxigenierten Gas a in verschiedenen Regionen von Kartuschen 11 in dem Brennstoffzellenmodul 10 zugeführt werden, so dass die einzelnen Brennstoffzellen 14 im Modul 10 justiert werden können, um eine gewünschte Temperaturverteilung aufzuweisen. Somit ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der einzelnen Brennstoffzellen im Modul 10 zu unterdrücken (Schritt S14). Weiter, da das hinzugefügte Brennstoffgas f an der Kathode 17 der einzelnen Brennstoffzelle 14 verbrannt wird, um die einzelne Brennstoffzelle 14 zu heizen, kann die Startzeit verkürzt werden.
In einer Ausführungsform wird im Schritt S10 zumindest ein Teil des aus den einzelnen Brennstoffzellen 14 abgegebenen Brennstoffgases f zum durch das Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 fließenden oxigenierten Gas a hinzugefügt (Verwendungsschritt S10a). gemäß dieser Ausführungsform kann das aus den einzelnen Brennstoffzellen 14 abgegebene Abgas-Brennstoffgas f' als das Heiz-Brennstoffgas f wiederverwendet werden und kann durch Zuführen des verdünnten Abgas-Brennstoffgases f' zu dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr 42 oder 43 die Konzentration des Brennstoffgases f in mehreren Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohren 42 und 43, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind, justiert werden.
Das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellenmoduls 10 gemäß einer Ausführungsform wird bei Nennstromerzeugung oder partieller Last durchgeführt. Wie in 11 gezeigt, wird das Brennstoffgas f aus zumindest einem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr 42 oder 43 zum durch das Oxidans-Zufuhr-Gabelungsrohr 23 oder das Oxidans-Zufuhr-Zweigrohr 24 fließenden, oxigenierten Gas a hinzugefügt (Schritt S20). Dieses Brennstoffgas f wird an der Kathode 17 verbrannt, um die einzelne Brennstoffzelle 14 zu halten (Temperaturausgleichsschritt S22). Somit ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der Kartusche 11 im Modul 10 bei Nennstromerzeugung oder einer partiellen Last des Moduls 10 zu reduzieren (Schritt S24). Beispielsweise kann bei Nennstromerzeugung die Nicht-Gleichförmigkeit der Temperatur der Kartuschen 11 gelindert werden, um die Stromerzeugungsleistung zu verbessern. Bei einer partiellen Last tendiert die Temperatur der einzelnen Brennstoffzelle 14 dazu, exzessiv unter die eingestellte Temperatur abzufallen. Jedoch, indem die Kartuschen, deren Temperaturen schwierig durch die Stromerzeugung im Schritt S20 und den Temperaturausgleichsschritt 22 zu halten ist, ist es möglich, den Betriebsbereich der partiellen Last zu expandieren.
In einer Ausführungsform wird im Schritt S20 zumindest ein Teil des aus den einzelnen Brennstoffzellen 14 abgegebenen Brennstoffgases f zum oxigenierten Gas a, welches durch das Gabelungsrohr 23 fließt, hinzugefügt (Wiederverwendungsschritt S20a).
Das Betriebsverfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen kann auch während anderen Operationen als Starten, Nennstrom-Erzeugung oder partieller Last des Moduls 10, beispielsweise während Lastfluktuation, angewendet werden.
In einer Ausführungsform ist sie beispielsweise geeignet für SOFC und Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), bei dem die einzelnen Brennstoffzellen 14 hohe Temperatur aufweisen. Diese Brennstoffzellen erfordern, dass die einzelnen Brennstoffzellen auf eine hohe Temperatur erhitzt werden, um Betrieb zu ermöglichen, und brauchen eine lange Zeit, die Stromerzeugung zu starten, aber die zum Starten der Stromerzeugung erforderliche Zeit kann durch Anwenden der oben beschriebenen Ausführungsformen verkürzt werden.
Das Brennstoffzellenmodul 10 kann auf ein kombiniertes Zyklus-Stromerzeugungssystem angewendet werden, welches in Kombination mit einem Gasturbinen-kombinierten Zyklus (GTCC), einer Mikro-Gasturbine (MGT) oder einem Turbolader verwendet wird.
12 ist ein Systemdiagramm eines Stromerzeugungssystems 70 (70A) gemäß einer Ausführungsform. In 12 beinhaltet das Stromerzeugungssystem 70 (70A) ein Brennstoffzellenmodul 10 gemäß einer Ausführungsform mit der obigen Konfiguration und eine Gasturbine 72 (Rotationsvorrichtung). Das oxigenierte Gas a wird einem Kompressor 74, welcher die Gasturbine 72 bildet, zugeführt. Nachdem es durch den Kompressor 74 verdichtet wurde, wird das oxigenierte Gas a dem Brennstoffzellenmodul 10 durch das oxigenierte Gas-Zufuhrsystem 20 zugeführt. Das oxigenierte Abgas a' und das Abgas-Brennstoffgas f', die in chemischer Reaktion zur Stromerzeugung in dem Brennstoffzellenmodul 10 verwendet werden, werden einem Brenner 78 zugeführt, der die Gasturbine 72 bildet, durch das Oxidans-Abgasrohr 28 und das Brennstoffgas-Abgasrohr 35, um ein heißes Verbrennungsgas im Brenner 78 zu erzeugen. Die durch die adiabatische Ausdehnung dieses Verbrennungsgases in einer Turbine 76 erzeugte Rotationsleistung erzeugt Strom in einem Generator 80 und treibt auch den Kompressor 74 an, um ein Druckgas zu erzeugen. Das Druckgas wird als oxigeniertes Gas dem Oxigeniert-Gas-Zufuhrsystem 20 des Brennstoffzellenmoduls 10 zugeführt. Das Brennstoffzellenmodul 10 erzeugt Strom unter Verwendung des komprimierten oxigenierten Gases a und des Brennstoffgases f.
Mit der obigen Konfiguration, da das Brennstoffzellenmodul 10 gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen beinhaltet ist, ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 im Modul 10 zu reduzieren. Somit ist es möglich, die Variation bei der Stromerzeugungsleistung der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 zu reduzieren und die Stromerzeugungsleistung zu verbessern. Weiter, da das komprimierte oxigenierte Gas a dem Brennstoffzellenmodul 10 zugeführt werden kann, kann die Stromerzeugungs-Effizienz verbessert werden. Weiter, da der Verbrenner 78 durch das oxigenierte Abgas a' und das Abgas-Brennstoffgas f', das aus dem Brennstoffzellenmodul 10 abgegeben wird, um Rotationsleistung zu erzeugen, angetrieben wird, kann die erforderliche Leistung des Stromerzeugungssystems 70 (70A) reduziert werden. Weiterhin, da sowohl das Brennstoffzellenmodul 10 als auch die Gasturbine 72 Strom in einer kombinierten Weise erzeugen können, kann der Stromerzeugungsbetrag vergrößert werden.
13 ist ein Systemdiagramm eines Stromerzeugungssystems 70 (70B) gemäß einer Ausführungsform. Im Stromerzeugungssystem 70 (70B) wird ein Turbolader 82 als Rotationsvorrichtung verwendet. In 13 wird oxigeniertes Gas einem, den Turbolader 82 bildenden Kompressor 84 zugeführt, um das oxigenierte Gas zu komprimieren und wird das oxigenierte Druckgas a dem Brennstoffzellenmodul 10 zugeführt. Das oxigenierte Abgas a' und das Abgas-Brennstoffgas f', die bei der chemischen Reaktion für die Stromerzeugung im Brennstoffzellenmodul 10 verwendet werden, werden einer Turbine 86 zugeführt, die den Turbolader 82 bildet, durch das Oxidans-Abgasrohr 28 und das Brennstoffgas-Abgasrohr 35, und rotiert die Turbine 86, um eine Rotationskraft zu erzeugen. Diese Rotationskraft treibt den Kompressor 84 an, um ein komprimiertes Gas zu erzeugen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, die Variation bei der Temperaturverteilung der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 im Modul 10 zu reduzieren. Somit ist es möglich, die Variation bei der Stromerzeugungsleistung der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 14 zu reduzieren und die Stromerzeugungsleistung zu verbessern. Entsprechend kann die Stromerzeugungs-Effizienz des Stromerzeugungssystems 70 (70B) verbessert werden und kann die erforderliche Leistung reduziert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß einigen Ausführungsformen ist es möglich, die Temperaturverteilung der Kartuschen und der in dem Brennstoffzellenmodul aufgenommenen Stromerzeugungszellen auf eine gewünschte Temperaturverteilung zu justieren. Somit ist es möglich, die Stromerzeugungsleistung des Moduls zu verbessern.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenmodul
11: Kartusche
12: Zellstapel
13: Substratröhre
14: Einzelne Brennstoffzelle
15: Anode
16: Elektrolyt
17: Kathode
18: Zwischenverbinder
19: Anschlussfilm
20: Oxigeniert-Gas-Zufuhrsystem
21: Oxidans-Zufuhrhauptrohr (erste Leitung)
22: Verzweigungspunkt
23 (23a, 23b): Oxidanszufuhr-Gabelungsrohr (zweite Leitung)
24 (24a, 24b): Oxidanszufuhr-Zweigrohr (zweite Leitung)
25: Oxidans-Zufuhrkopf
26: Oxidans-Abgaskopf
27: Oxidans-Abgaszweigrohr
28: Oxidans-Abgasrohr
30: Brennstoffgas-Zuführrohr
31: Brennstoffgaszufuhr-Zweigrohr
32: Brennstoffgas-Zufuhrkopf
33: Brennstoffgas-Abgaskopf
34: Brennstoffgas-Abgas-Zweigrohr
35: Brennstoffgas-Abgasrohr
40: Verbindungsrohr
41 (41a, 41b): Heiz-Brennstoffgaszufuhr-Hauptrohr
43 (43a, 43b): individuelles Kartuschen-Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr
44a: Externer Rohrbereich
44b: Interner Rohrbereich
45: Re-Zirkulationsrohr
50,: 51 Ventil
52: Re-Zirkulationsgebläse
53: Temperatursensor
54: Druckgefäß
55: Stromerzeugungskammer
56, 57, 58, 59, 60: Isolation
70 (70A, 70B): Stromerzeugungssystem
72: Gasturbine
74,: 84 Kompressor
76, 86: Turbine
82: Turbolader
78: Brenner
80: Generator
a: Oxigeniertes Gas
a': Oxigeniertes Abgas
f: Brennstoffgas
f`: Abgas-Brennstoffgas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5601945 B [0004]
JP 2018006004 A [0004]
US 9874158 [0004]

Claims

Brennstoffzellenmodul, umfassend: eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, von denen jede eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode beinhaltet; ein Brennstoffgas-Zuführrohr zum Zuführen eines Brennstoffgases an die Anode; ein Oxidans-Zuführrohr zum Zuführen eines oxigenierten Gases an die Kathode der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, wobei das Oxidantien-Zufuhrrohr eine erste Leitung und eine Vielzahl von zweiten Leitungen beinhaltet, von denen jede von einem Verzweigungspunkt an einem stromabwärtigen Ende der ersten Leitung abzweigt und mit einer oder mehreren einzelner Brennstoffzellen verbunden ist; und zumindest ein Heizbrennstoffgas-Zufuhrrohr, welches mit der zweiten Leitung stromabwärts des Verzweigungspunktes verbunden ist.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 1, umfassend ein Brennstoffgas-Abgasrohr zum Abgeben eines Abgas-Brennstoffgases aus den einzelnen Brennstoffzellen, wobei ein stromaufwärtiges Ende des Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohrs mit dem Brennstoffgas-Abgasrohr verbunden ist und zumindest ein Teil des an das Brennstoffgas-Abgasrohr abgegebenen Abgas-Brennstoffgases den einzelnen Brennstoffzellen durch das Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr und die zweite Leitung zugeführt wird.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 1 oder 2, umfassend ein oder mehrere Kartuschen, die alle zwei oder mehr einzelne Brennstoffzellen aufnehmen, wobei jede der zweiten Leitungen mit einer oder mehrerer Kartuschen verbunden ist.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 3, wobei eine Vielzahl der Kartuschen in einer Reihe angeordnet sind, wobei die zweiten Leitungen zumindest ein Gabelungsrohr, das längs einer Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen angeordnet ist und Zweigrohre, die von dem zumindest einen Gabelungsrohr abzweigen, und jeweils mit der Vielzahl von Kartuschen verbunden sind, beinhalten, und wobei das zumindest eine Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr ein Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr beinhaltet, das mit dem einen Gabelungsrohr verbunden ist, das an einem zentralen Bereich in der Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen angeordnet ist.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei eine Vielzahl der Kartuschen in einer Reihe angeordnet ist, wobei die zweiten Leitungen zumindest ein Gabelungsrohr, das entlang einer Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen angeordnet ist, und Zweigrohre, die von dem zumindest einen Gabelungsrohr abzweigen und jeweils mit der Vielzahl von Kartuschen verbunden sind, beinhalten, und wobei das zumindest eine Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr ein Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr beinhaltet, welches mit dem Zweigrohr verbunden ist, das mit der Kartusche verbunden ist, die an zumindest einem von beiden Enden in der Reihenrichtung der Vielzahl von Kartuschen angeordnet ist.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei jede der zweiten Leitungen einen geraden Rohrbereich beinhaltet, der auf einer Seite einer Kartuschenreihe angeordnet ist, und die jeweiligen geraden Rohrbereiche der zweiten Leitungen auf entgegengesetzten Seiten der Kartuschenreihe mit der dazwischen eingefügten Kartuschenreihe angeordnet sind.
Brennstoffzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend ein in dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr angeordnetes Ventil.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 7, umfassend ein oder mehrere Temperatursensoren zum Detektieren einer Temperatur der einzelnen Brennstoffzellen.
Brennstoffzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend ein Druckgefäß, welches die Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen aufnimmt, wobei das Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr das Druckgefäß penetriert und einen außerhalb des Druckgefäßes angeordneten externen Rohrbereich und einen innerhalb des Druckgefäßes angeordneten internen Rohrbereich beinhaltet.
Brennstoffzellenmodul gemäß Anspruch 9, umfassend ein in dem Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr angeordnetes Ventil, wobei das Ventil außerhalb des Druckgefäßes angeordnet ist.
Stromerzeugungssystem, umfassend: das Brennstoffzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; und eine Rotationsvorrichtung, die konfiguriert ist, eine Rotationskraft unter Verwendung eines Abgas-Brennstoffgases und eines aus dem Brennstoffzellenmodul abgegebenen oxigenierten Abgases zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellenmodul mit dem unter Verwendung der Rotationskraft komprimierten oxigenierten Gas versorgt wird und das Brennstoffzellenmodul Strom unter Verwendung des Brennstoffzellengases und des komprimierten, oxigenierten Gases erzeugt.
Stromerzeugungssystem gemäß Anspruch 11, wobei die Rotationsvorrichtung eine Gasturbine oder einen Turbolader umfasst.
Verfahren des Betreibens des Brennstoffzellenmoduls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren umfasst einen Heizschritt des Erhitzens des oxigenierten Gases durch Hinzufügen des Brennstoffgases aus dem zumindest einen Heiz-Brennstoffgas-Zufuhrrohr zu dem durch die zweite Leitung fließenden oxigenierten Gas.
Verfahren des Betreibens des Brennstoffzellenmoduls gemäß Anspruch 13, wobei der Heizschritt beinhaltet das Hinzufügen zumindest eines aus den einzelnen Brennstoffzellen abgegebenen Brennstoffgases zu dem durch die zweite Leitung fließenden oxigenierten Gas.
Verfahren des Betreibens des Brennstoffzellenmoduls gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der Heizschritt durchgeführt wird, wenn das Brennstoffzellenmodul bei Nennstrom-Erzeugung oder bei einer partiellen Last gestartet wird.