DE112019006749T5 - Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem - Google Patents

Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem Download PDF

Info

Publication number
DE112019006749T5
DE112019006749T5 DE112019006749.4T DE112019006749T DE112019006749T5 DE 112019006749 T5 DE112019006749 T5 DE 112019006749T5 DE 112019006749 T DE112019006749 T DE 112019006749T DE 112019006749 T5 DE112019006749 T5 DE 112019006749T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
oxidizing gas
fuel
supply line
gas supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE112019006749.4T
Other languages
English (en)
Inventor
Norihisa MATAKE
Yasushi Iwai
Ryutaro Mori
Takahiro JOJIMA
Daigo Kobayashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Power Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Power Ltd filed Critical Mitsubishi Power Ltd
Publication of DE112019006749T5 publication Critical patent/DE112019006749T5/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem umfasst eine erste Brennstoffzelle und eine zweite Brennstoffzelle, die Strom unter Verwendung eines zweiten Brennstoffgases, das von der ersten Brennstoffzelle ausgegeben wird, erzeugt. Ein Regelventil wird verwendet, um eine Zufuhrmenge eines Oxidationsgases, das der zweiten Brennstoffzelle zugeführt werden soll, in der Weise zu regeln, dass eine Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle ein Referenzwert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem, das unter Verwendung mehrerer Brennstoffzellen Strom erzeugt.
  • STAND DER TECHNIK
  • Eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) ist als eine von Stromerzeugungsvorrichtungen bekannt. Die Festoxidbrennstoffzelle wird üblicherweise als kombiniertes Stromerzeugungssystem verwendet, indem diese mit einer anderen Stromerzeugungsvorrichtung wie einer Gasturbine oder einer Dampfturbine kombiniert wird. Bei dem kombinierten Stromerzeugungssystem werden der Festoxidbrennstoffzelle in einer vorgelagerten Stufe ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas (Luftgas) zugeführt, um Strom zu erzeugen. In Verbindung damit werden ein von der Festoxidbrennstoffzelle ausgegebenes Brennstoffgas (Abgasbrennstoffgas) und ein ausgegebenes Oxidationsgas (Abgasluftgas) miteinander vermischt, in einer Brennkammer verbrannt und in einer nachfolgenden Stufe in die Gasturbine oder die Dampfturbine eingeleitet, so dass ein mit diesen Turbinen gekoppelter Stromgenerator Strom erzeugt. Die Energie des aus der Turbine austretenden Abgases wird durch ein Abgassammelsystem weiter gesammelt.
  • Bei einem solchen kombinierten Stromerzeugungssystem ist der Wirkungsgrad der Gasturbine oder der Dampfturbine niedriger als der der Festoxidbrennstoffzelle. Als Reaktion darauf schlägt Patentdokument 1 ein hocheffizientes Stromerzeugungssystem mit einer Kaskadenschaltung mehrerer Festoxidbrennstoffzellen vor, das dadurch gebildet ist, dass anstelle einer Gasturbine oder einer Dampfturbine eine Festoxidbrennstoffzelle in einer nachfolgenden Stufe vorgesehen ist.
  • Zitierlist
  • Patentliteratur
  • Patentdokument 1: JP3 924243
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Technisches Problem
  • Bei einem System mit einer Kaskadenschaltung mehrerer Festoxidbrennstoffzellen, wie es im Patentdokument 1 dargestellt ist, wird ein Brennstoffgas, das in einer Festoxidbrennstoffzelle in einer vorhergehenden Stufe verwendet wurde, in einer Festoxidbrennstoffzelle in einer nachfolgenden Stufe verwendet. Dadurch verringert sich die Konzentration des in der Festoxidbrennstoffzelle in der nachfolgenden Stufe verwendeten Brennstoffgases im Vergleich zu einer Konzentration während der Verwendung der Festoxidbrennstoffzelle in der vorhergehenden Stufe. Infolgedessen wird in der Festoxidbrennstoffzelle in der nachfolgenden Stufe die Leistung unterdrückt, um einen Heizwert zu reduzieren, der sich aus der Stromerzeugung im Vergleich zur Festoxidbrennstoffzelle in der vorhergehenden Stufe ergibt. Dies kann zu Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung einer Temperatur für den ordnungsgemäßen Betrieb der Festoxidbrennstoffzelle führen. In diesem Fall wird eine Stromerzeugungsspannung an der Festoxidbrennstoffzelle in der nachfolgenden Stufe reduziert, wodurch die Gefahr einer Verringerung des Systemwirkungsgrads besteht, die insbesondere bei Teillastbetrieb auftritt.
  • Wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde in Anbetracht der vorgenannten Umstände gemacht und soll ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem mit einer Kaskadenschaltung mehrerer Festoxidbrennstoffzellen bereitstellen, das in der Lage ist, eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung zu unterdrücken und einen ausgezeichneten Systemwirkungsgrad zu realisieren, indem eine Temperatur an einer Festoxidbrennstoffzelle in einer nachfolgenden Stufe ordnungsgemäß aufrechterhalten wird.
  • Lösung des Problems
  • (1) Um das vorstehende Problem zu lösen, umfasst ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung:
    • eine erste Brennstoffzelle, die unter Verwendung eines ersten Brennstoffgases und eines ersten Oxidationsgases Strom erzeugt;
    • eine zweite Brennstoffzelle, die unter Verwendung eines zweiten Brennstoffgases, das von der ersten Brennstoffzelle ausgegeben wird, und eines zweiten Oxidationsgases, das von wenigstens einer Oxidationsgaszufuhrquelle und der ersten Brennstoffzelle zugeführt wird, Strom erzeugt; und
    • ein Regelventil, das eingerichtet ist, eine Zufuhrmenge des zweiten Oxidationsgases, das der zweiten Brennstoffzelle zugeführt werden soll, zu regeln,
    • das Regelventil in der Weise geregelt wird, dass eine Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle zu einem Referenzwert wird.
  • Gemäß der vorhergehenden Ausgestaltung (1) ist das der zweiten Brennstoffzelle in einer der ersten Brennstoffzelle nachgeschalteten Stufe zugeführte zweite Oxidationsgas mittels des Regelventils regelbar. Die Regelung mittels des Regelventils wird in der Weise geregelt, dass eine Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle zum Referenzwert wird. Dadurch kann die Temperatur an einem Festelektrolyten in einer nachfolgenden Stufe entsprechend gehalten werden, wodurch ein hocheffizientes Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem realisiert werden kann.
  • Das erste Oxidationsgas ist z.B. Luft. Das zweite Oxidationsgas ist z.B. Luft oder ein Gas mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration als Luft.
  • (2) Gemäß einigen Ausführungsformen werden in der vorhergehenden Konfiguration (1),
    das erste Oxidationsgas und das zweite Oxidationsgas der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle über eine erste Oxidationsgaszufuhrleitung und eine zweite Oxidationsgaszufuhrleitung zugeführt, die jeweils parallel zueinander in Bezug auf die Oxidationsgaszufuhrquelle angeordnet sind, die dem ersten Oxidationsgas und dem zweiten Oxidationsgas gemeinsam ist, und
    das Regelventil ist in wenigstens einer der ersten Oxidationsgaszufuhrleitung und der zweiten Oxidationsgaszufuhrleitung angeordnet.
  • Gemäß der vorhergehenden Konfiguration (2) sind die erste Brennstoffzelle und die zweite Brennstoffzelle über die erste Oxidationsgaszufuhrleitung und die zweite Oxidationsgaszufuhrleitung parallel zueinander in Bezug auf die Oxidationsgaszufuhrquelle verbunden. Das Vorsehen des Regelventils in wenigstens einer der ersten Oxidationsgaszufuhrleitung und der zweiten Oxidationsgaszufuhrleitung ermöglicht auf diese Weise die Regelung eines Zufuhrverhältnisses zwischen den der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsgasen. Dadurch kann eine Konfiguration zur Regelung einer Zufuhrmenge des einer Festoxidbrennstoffzelle in der nachfolgenden Stufe zuzuführenden Oxidationsgases in einer effizienten Anordnung realisiert werden.
  • (3) Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst die vorhergehende Konfiguration (1):
    • eine dritte Oxidationsgaszufuhrleitung, die zwischen der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle in der Weise angeordnet ist, dass das erste Oxidationsgas als das zweite Oxidationsgas der zweiten Brennstoffzelle zugeführt wird, nachdem dieses von der ersten Brennstoffzelle ausgegeben wurde; und
    • eine vierte Oxidationsgaszufuhrleitung, die von der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung in der Weise abzweigt, dass diese die zweite Brennstoffzelle umgeht, wobei
    • das Regelventil in wenigstens einer der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung und der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung angeordnet ist.
  • Gemäß der vorstehenden Konfiguration (3) wird das an der ersten Brennstoffzelle genutzte Oxidationsgas durch die dritte Oxidationsgaszufuhrleitung zur zweiten Brennstoffzelle der nachfolgenden Stufe geleitet und an der zweiten Brennstoffzelle verwendet. Auch in einem solchen Fall, in dem ein Versorgungspfad für das Oxidationsgas hintereinander über die erste Brennstoffzelle und die zweite Brennstoffzelle vorgesehen ist, ermöglicht das Vorsehen der von der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung abzweigenden vierten Oxidationsgaszufuhrleitung unter Umgehung der zweiten Brennstoffzelle und das Anordnen des Regelventils in wenigstens einer der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung und der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung die Regelung eines Zufuhrverhältnisses zwischen den der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsgasen. Dadurch kann eine Konfiguration zur Regelung einer Zufuhrmenge des der Festoxidbrennstoffzelle in der nachfolgenden Stufe zuzuführenden Oxidationsgases in einer effizienten Anordnung realisiert werden.
  • (4) Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst eine der vorhergehenden Konfigurationen (1) bis (3):
    • eine Brennkammer, welche die Verbrennung eines dritten Brennstoffgases bewirkt, das von der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben wird;
    • eine Turbine, die stromabwärtig zur Brennkammer angeordnet ist; und
    • einen Verdichter, der von der Turbine angetrieben wird, wobei
    • das zweite Oxidationsgas der Turbine ohne Eingreifen der Brennkammer zugeführt wird, nachdem dieses von der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben wurde.
  • Gemäß der vorstehenden Konfiguration (4) wird das von der zweiten Brennstoffzelle ausgegebene Oxidationsgas ohne Eingriff der Brennkammer direkt einem Turbolader zugeführt. Dies ermöglicht es, den Anstieg des Druckverlustes zu vermeiden, der bei einem Eingriff der Brennkammer auftritt, und dadurch das Unterdrücken der Sammelleistungsreduktion am Turbolader zu ermöglichen.
  • (5) Gemäß einigen Ausführungsformen wird in der vorstehenden Konfiguration (4), das erste Oxidationsgas der Brennkammer zugeführt, nachdem dieses von der ersten Brennstoffzelle ausgegeben wurde.
  • Gemäß der vorstehenden Konfiguration (5) wird das von der ersten Brennstoffzelle ausgegebene Oxidationsgas der Brennkammer zugeführt, ohne dass dieses der zweiten Brennstoffzelle zugeführt wird. Dieses Abgas wird mit dem dritten Brennstoffgas von der zweiten Brennstoffzelle gemischt, um eine Verbrennung in der Brennkammer zu bewirken, wodurch der Turbolader effizient angetrieben werden kann.
  • (6) Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst eine der vorhergehenden Konfigurationen (1) bis (3):
    • eine Brennkammer, welche die Verbrennung eines dritten Brennstoffgases bewirkt, das von der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben wird;
    • eine Turbine, die stromabwärts zur Brennkammer angeordnet ist; und
    • den Verdichter, der von der Turbine angetrieben wird, wobei
    • das erste Oxidationsgas und das zweite Oxidationsgas der Brennkammer zugeführt werden, nachdem diese jeweils aus der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben wurden.
  • Gemäß der vorstehenden Konfiguration (6) werden die Oxidationsgase, die entsprechend von der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben werden, der Brennkammer zugeführt. Diese Oxidationsgase werden mit dem dritten, von der zweiten Brennstoffzelle ausgegebenen Brennstoffgas gemischt, um eine Verbrennung in der Brennkammer zu bewirken, wodurch der Turbolader effizient angetrieben werden kann.
  • (7) Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst eine der vorhergehenden Konfigurationen (1) bis (6) ferner:
    • einen Druckbehälter, der die erste Brennstoffzelle und die zweite Brennstoffzelle aufnimmt, wobei
    • das Regelventil außerhalb des Druckbehälters angeordnet ist.
  • Gemäß der vorhergehenden Konfiguration (7) erleichtert die Anordnung des Regelventils außerhalb des Druckbehälters den Zugang zum Regelventil. Dies erleichtert die manuelle Betätigung des Regelventils durch einen Bediener, um beispielsweise eine Zufuhrmenge des der zweiten Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsgases zu regeln.
  • (8) Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst eine der vorhergehenden Konfigurationen (1) bis (7):
    • einen Feuchtigkeitssammler, der Feuchtigkeit im zweiten Brennstoffgas sammelt; und
    • eine Rezirkulationsleitung, die bewirkt, dass ein Teil des zweiten Brennstoffgases in die erste Brennstoffzelle rezirkuliert, nachdem die Feuchtigkeit durch den Feuchtigkeitssammler gesammelt wurde.
  • Gemäß der vorstehenden Konfiguration (8) wird Feuchtigkeit in dem zweiten Brennstoffgas, das der zweiten Brennstoffzelle zugeführt werden soll, durch den Feuchtigkeitssammler gesammelt, bevor das zweite Brennstoffgas der zweiten Brennstoffzelle zugeführt wird. Ein Teil des zweiten Brennstoffgases wird durch die Rezirkulationsleitung in die erste Brennstoffzelle zurückgeführt, nachdem die Feuchtigkeit gesammelt wurde. Auf diese Weise kann ein Heizwert des zweiten Brennstoffgases, das der zweiten Brennstoffzelle zugeführt wird, erhöht werden, wodurch eine Verringerung der Leistung der zweiten Brennstoffzelle unterdrückt werden kann.
  • (9) Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst eine der vorhergehenden Konfigurationen (1) bis (8):
    • wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit, bei der die zweite Brennstoffzelle zwischen mehreren ersten Brennstoffzellen angeordnet ist.
  • Gemäß der vorstehenden Konfiguration (9) ermöglicht die Anordnung der zweiten Brennstoffzelle zur Handhabung des Brennstoffgases mit niedrigem Heizwert zwischen den ersten Brennstoffzellen eine effektivere Unterdrückung des Temperaturabfalls an der zweiten Brennstoffzelle und die Realisierung eines ausgezeichneten Systemwirkungsgrads.
  • Vorteilhafte Effekte
  • Gemäß wenigstens einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem mit einer Kaskadenschaltung mehrerer Festoxidbrennstoffzellen bereitzustellen, das in der Lage ist, eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung zu unterdrücken und einen ausgezeichneten Systemwirkungsgrad zu realisieren, indem eine Temperatur an einer Festoxidbrennstoffzelle in einer nachfolgenden Stufe ordnungsgemäß aufrechterhalten wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 3 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
    • 4 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
    • 5 ist eine Modifikation von 4.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass, sofern nicht besonders spezifiziert, Abmessungen, Materialien, Formen, relative Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Ausführungsformen beschrieben werden, nur als beispielhaft und nicht beschränkend für den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verstehen sind.
  • <Erste Ausführungsform>
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 umfasst eine erste Brennstoffzelle 2 und eine zweite Brennstoffzelle 4. Die erste Brennstoffzelle 2 und die zweite Brennstoffzelle 4 sind jeweils eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) und erzeugen Strom durch eine elektrochemische Reaktion unter Verwendung eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases. Das Brennstoffgas ist z.B. Methangas (Erdgas) oder Propangas. Das Oxidationsgas ist beispielsweise Luft.
  • Die erste Brennstoffzelle 2 umfasst einen ersten Wechselrichter 52 zur Umwandlung von erzeugtem Gleichstrom in Wechselstrom in Abhängigkeit von einem ersten Energiesystem 50. Eine Temperatur an der ersten Brennstoffzelle 2 (Stromerzeugungskammertemperatur) wird von einem ersten Temperatursensor 54 überwacht und kann so gesteuert werden, dass ein vom ersten Temperatursensor 54 erfasster Wert zu einer vorbestimmten Temperatur wird, indem eine Strommenge im ersten Wechselrichter 52 geregelt wird.
  • Die zweite Brennstoffzelle 4 umfasst einen zweiten Wechselrichter 62 zur Umwandlung der erzeugten Gleichstromleistung in Wechselstromleistung in Abhängigkeit von einem zweiten Energiesystem 60. Die Strommenge im zweiten Wechselrichter 62 wird in Abhängigkeit von der Menge eines zweiten Brennstoffgases, das von der ersten Brennstoffzelle 2 ausgegeben wird, auf einen geeigneten Wert eingestellt. Eine Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle 4 (Energieerzeugungskammertemperatur) wird von einem zweiten Temperatursensor 64 überwacht und kann unter Verwendung einer Oxidationsgasdurchflussrate so gesteuert werden, dass ein vom zweiten Temperatursensor 64 erfasster Wert eine vorgegebene Temperatur wird.
  • Wie später im Detail beschrieben, wird, wenn ein von dem zweiten Temperatursensor 64 erfasster Wert gleich oder kleiner als ein Referenzwert wird, wird eine Zufuhrmenge eines Oxidationsgases, das der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt werden soll, unter Verwendung eines Regelventils 40 reduziert, um eine Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle 4 innerhalb eines geeigneten Bereichs zu regulieren.
  • Ein Brennstoffgas (erstes Brennstoffgas Gf1) wird von einer Brennstoffgaszufuhrquelle 6 über eine erste Brennstoffgaszufuhrleitung 8 der ersten Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die erste Brennstoffzelle 2 umfasst mehrere Einzelzellen (in den Zeichnungen nicht dargestellt). Die erste Brennstoffgaszufuhrleitung 8 verzweigt in die entsprechenden Einzelzellen, um das Brennstoffgas parallel zuzuführen.
  • Ein von jeder Einzelzelle der ersten Brennstoffzelle 2 ausgegebenes Brennstoffgas (zweites Brennstoffgas Gf2) wird der zweiten Brennstoffzelle 4 über eine zweite Brennstoffgaszufuhrleitung 10 zugeführt. Die zweite Brennstoffzelle 4 umfasst wenigstens eine Einzelzelle (in den Zeichnungen nicht dargestellt).
  • Ein Brennstoffgas (drittes Brennstoffgas Gf3), das von der zweiten Brennstoffzelle 4 ausgegeben wird, wird durch eine Brennstoffgasabgasleitung 12 ausgegeben. Die Brennstoffgasabgasleitung 12 ist mit einer Brennkammer 14 zur Verbrennung des Brennstoffgases und einer Turbine 16 vorgesehen, die mit dem von der Brennkammer 14 erzeugten Verbrennungsgas angetrieben werden kann. Die Brennkammer 14 kann eine katalytische Brennkammer sein. Wie später beschrieben, ist die Turbine 16 mit einem Verdichter 20 gekoppelt, der in einer Oxidationsgaszufuhrleitung 18 vorgesehen ist, und bildet zusammen mit dem Verdichter 20 einen Turbolader 22.
  • In der zweiten Brennstoffgaszufuhrleitung 10 kann ein Feuchtigkeitssammler 13 vorgesehen sein. Der Feuchtigkeitssammler 13 ist eine Vorrichtung zum Sammeln von Feuchtigkeit im Brennstoffgas (zweites Brennstoffgas Gf2), das von der ersten Brennstoffzelle 2 ausgegeben wird, und ist als Kondensator ausgebildet, der zum Kondensieren und Sammeln von Feuchtigkeit im Brennstoffgas (zweites Brennstoffgas Gf2) durch die zweite Brennstoffgaszufuhrleitung 10 zur Verfügung steht, indem dieser Wärme des Brennstoffgases (zweites Brennstoffgas Gf2) beispielsweise mit einem externen Kühlmedium austauscht. Dadurch wird die Feuchtigkeit im Brennstoffgas (zweites Brennstoffgas Gf2), das der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt wird, reduziert, um einen Heizwert des der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführten Brennstoffgases zu erhöhen. Dadurch wird es möglich, die Stromerzeugungsleistung der zweiten Brennstoffzelle 4 zu verbessern.
  • Eine Rezirkulationsleitung 24 zweigt von einem Teil der zweiten Brennstoffgaszufuhrleitung 10 stromabwärtig des Feuchtigkeitssammlers 13 ab. Die Rezirkulationsleitung 24 ist mit einem Gebläse 25 versehen, das eingerichtet ist, dass der Antrieb des Gebläses 25 bewirkt, dass ein Teil des Brennstoffgases (zweites Brennstoffgas Gf2), das durch die zweite Brennstoffgaszufuhrleitung 10 strömt, zu einem Eingang der ersten Brennstoffzelle 2 rezirkuliert. Die Rezirkulationsleitung 24 ist mit einem ersten regenerativen Wärmetauscher 26 versehen, der eingerichtet ist, dass dieser eine Temperaturerhöhung des durch die Rezirkulationsleitung 24 strömenden Brennstoffgases durch Wärmeaustausch dieses Brennstoffgases mit dem durch die zweite Brennstoffgaszufuhrleitung 10 strömenden Brennstoffgas ermöglicht.
  • Ein zweiter regenerativer Wärmetauscher 28 ist in einem Teil der Brennstoffgasabgasleitung 12 stromaufwärtig zu der Brennkammer 14 vorgesehen. Der zweite regenerative Wärmetauscher 28 ist eingerichtet, eine Temperaturerhöhung des von der zweiten Brennstoffzelle 4 ausgegebenen Brennstoffgases (drittes Brennstoffgas Gf3) zu ermöglichen, indem dieser die Wärme dieses Brennstoffgases mit der des durch die zweite Brennstoffgaszufuhrleitung 10 strömenden Brennstoffgases (zweites Brennstoffgas Gf2) austauscht. Auf diese Weise wird die Temperatur des der Brennkammer 14 zugeführten Brennstoffgases erhöht, um eine Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 14 zu ermöglichen.
  • Das Oxidationsgas wird von einer Oxidationsgaszufuhrquelle 30 über die Oxidationsgaszufuhrleitung 18 der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt. Die Oxidationsgaszufuhrleitung 18 ist mit dem Verdichter 20 versehen, der zur Verdichtung und Zuführung des Oxidationsgases dient und zusammen mit der oben beschriebenen Turbine 16 den Turbolader 22 bildet.
  • Eine erste Oxidationsgaszufuhrleitung 32 und eine zweite Oxidationsgaszufuhrleitung 34 zweigen von einem Teil der Oxidationsgaszufuhrleitung 18 stromabwärtig des Verdichters 20 ab. Die erste Oxidationsgaszufuhrleitung 32 ist mit der ersten Brennstoffzelle 2 und die zweite Oxidationsgaszufuhrleitung 34 mit der zweiten Brennstoffzelle 4 verbunden. Dadurch sind die erste Brennstoffzelle 2 und die zweite Brennstoffzelle 4 parallel zueinander relativ zur Oxidationsgaszufuhrquelle 30 geschaltet.
  • Wenigstens eine der ersten Oxidationsgaszufuhrleitung 32 und der zweiten Oxidationsgaszufuhrleitung 34 ist mit dem Regelventil 40 zur Regelung einer Zufuhrmenge des der zweiten Brennstoffzelle 4 zuzuführenden Oxidationsgases versehen. Im Beispiel von 1 ist das Regelventil 40 in der zweiten Oxidationsgaszufuhrleitung 34 vorgesehen, die mit der zweiten Brennstoffzelle 4 verbunden ist, und ist eingerichtet, die Regulierung einer Zufuhrmenge des Oxidationsgases (zweites Oxidationsgas Go2), das der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt werden soll, durch Regulierung eines Öffnungsgrades des Regelventils 40 zu ermöglichen.
  • Ein anfänglicher Öffnungsgrad des Regelventils 40 wird in der Weise eingestellt, dass ein vorbestimmtes Verhältnis relativ zu einer Zufuhrmenge des Oxidationsgases (erstes Oxidationsgas Go1), das der ersten Brennstoffzelle 2 zugeführt werden soll, realisiert wird. Wie später beschrieben, wird dieser anfängliche Öffnungsgrad in Abhängigkeit von einem vom zweiten Temperatursensor 64 erfassten Wert variabel gesteuert.
  • Als eine Variante der vorliegenden Ausführungsform kann eine der zweiten Brennstoffzelle 4 zuzuführende Zufuhrmenge des Oxidationsgases (zweites Oxidationsgas Go2) indirekt geregelt werden, indem das Regelventil 40 in der mit der ersten Brennstoffzelle 2 verbundenen ersten Oxidationsgaszufuhrleitung 32 vorgesehen wird und eine der ersten Brennstoffzelle 2 zuzuführende Zufuhrmenge des Oxidationsgases (erstes Oxidationsgas Go1) geregelt wird. Alternativ können die der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 zuzuführenden Zufuhrmengen der Oxidationsgase (erstes Oxidationsgas Go1 und zweites Oxidationsgas Go2) durch Vorsehen des Regelventils 40 in jeder der ersten Oxidationsgaszufuhrleitung 32 und der zweiten Oxidationsgaszufuhrleitung 34 und Regulieren eines Öffnungsgrades jedes der Regelventile 40 fein reguliert werden, was jedoch einen Kostennachteil verursacht.
  • Durch das Vorsehen des Regelventils 40 in wenigstens einer der ersten Oxidationsgaszufuhrleitung 32 und der zweiten Oxidationsgaszufuhrleitung 34 kann auf diese Weise ein Zufuhrverhältnis zwischen den der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 zuzuführenden Oxidationsgasen geregelt werden. Auf diese Weise kann eine Konfiguration zur Regelung einer Zufuhrmenge des der zweiten Brennstoffzelle 4 in einer nachfolgenden Stufe zuzuführenden Oxidationsgases (zweites Oxidationsgas Go2) in effizienter Weise realisiert werden.
  • Wie oben beschrieben, ist die zweite Brennstoffzelle 4 mit dem zweiten Temperatursensor 64 zur Erfassung einer Stromerzeugungskammertemperatur an der zweiten Brennstoffzelle 4 versehen. Das Regelventil 40 wird in der Weise geregelt, dass eine von dem zweiten Temperatursensor 64 erfasste Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle 4 zu einem vorab eingestellten Referenzwert wird. Der Referenzwert ist definiert als eine Temperatur (z.B. von 880 bis 930 Grad), die notwendig ist, um einen ordnungsgemäßen Betriebszustand der zweiten Brennstoffzelle 4 zu realisieren. Wenn eine von dem zweiten Temperatursensor 64 erfasste Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle 4 unter dem Referenzwert liegt, wird beispielsweise ein Öffnungsgrad des Regelventils 40 verringert, um eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases (zweites Oxidationsgas Go2) zu reduzieren, das der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt wird. Dadurch wird in der zweiten Brennstoffzelle 4 die mit dem Oxidationsgas (zweites Oxidationsgas Go2) bereitgestellte Kühlleistung begrenzt, um eine der Unterdrückung entsprechende Temperatur zu erhöhen. Infolgedessen wird eine Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle 4 in der nachfolgenden Stufe ordnungsgemäß auf dem Referenzwert gehalten, um ein hocheffizientes Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem zu realisieren.
  • Ein Öffnungsgrad des Regelventils 40 kann von einem Bediener auf der Grundlage eines vom zweiten Temperatursensor 64 erfassten Wertes manuell gesteuert werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Regelventil 40 außerhalb des Druckbehälters 44 angeordnet, während die erste Brennstoffzelle 2 und die zweite Brennstoffzelle 4 in einem Druckbehälter 44 aufgenommen sind. Dies ermöglicht dem Bediener einen einfachen Zugang zum Regelventil 40 und eine einfache Bedienung des Regelventils 40.
  • Die Steuerung eines Öffnungsgrades des Regelventils 40 auf der Grundlage eines vom zweiten Temperatursensor 64 erfassten Wertes kann als automatische Steuerung unter Verwendung einer elektronischen Recheneinheit, wie z.B. eines Computers, erfolgen. In diesem Fall wird das Regelventil 40 automatisch gesteuert, indem ein von dem zweiten Temperatursensor 64 erfasster Wert als elektrisches Signal in eine Steuereinheit eingegeben wird und ein Steuersignal in Abhängigkeit von einem dem erfassten Wert entsprechenden Öffnungsgrad von dem zweiten Temperatursensor 64 an das Regelventil 40 ausgegeben wird.
  • Das aus der ersten Brennstoffzelle 2 ausgegebene Oxidationsgas wird der Brennkammer 14 über eine erste Oxidationsgasabgasleitung 46 zugeführt. In der Brennkammer 14 werden das aus der ersten Oxidationsgasabgasleitung ausgegebene Oxidationsgas und das aus der Brennstoffgasabgasleitung 12 zugeführte dritte Brennstoffgas Gf3 miteinander vermischt, um eine Verbrennung zu bewirken.
  • Das aus der zweiten Brennstoffzelle 4 ausgegebene Oxidationsgas wird über eine zweite Oxidationsgasabgasleitung 48 zu einem Teil stromabwärtig von der Brennkammer 14 geleitet. Insbesondere ist die zweite Oxidationsgasabgasleitung 48 eingerichtet, das aus der zweiten Brennstoffzelle 4 ausgegebene Oxidationsgas der Turbine 16 ohne Eingriff der Brennkammer 14 zuzuführen, indem diese zwischen der Brennkammer 14 und der Turbine 16 in der Weise verbunden ist, dass diese die Brennkammer 14 umgeht. Auf diese Weise kann ein Anstieg des Druckverlusts vermieden werden, der bei Eingriffen der Brennkammer 14 auftritt, wodurch die Verringerung der Sammelleistung am Turbolader 22 unterdrückt werden kann.
  • Wenn der zulässige Druckverlust an der zweiten Oxidationsgasabgasleitung 48 ausreichend groß ist, kann die zweite Oxidationsgasabgasleitung 48 wie die erste Oxidationsgasabgasleitung 46 mit der Brennkammer 14 verbunden werden.
  • <Zweite Ausführungsform>
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Eine Struktur des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1', die der in der vorangehenden Ausführungsform beschriebenen Struktur entspricht, ist mit einem gemeinsamen Zeichen versehen, und eine Beschreibung, die sich zwischen solchen Strukturen überschneidet, wird gegebenenfalls weggelassen.
  • Während in der zweiten Ausführungsform das Brennstoffgas der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 unter Verwendung desselben Versorgungssystems wie das der oben beschriebenen ersten Ausführungsform zugeführt wird, wird das Oxidationsgas unter Verwendung eines anderen Versorgungssystems zugeführt. Genauer gesagt wird das vom Verdichter 20 zugeführte Oxidationsgas (erstes Oxidationsgas Go1) zunächst über die Oxidationsgaszufuhrleitung 18 zur ersten Brennstoffzelle 2 geführt (bei der zweiten Ausführungsform verzweigt sich die Oxidationsgaszufuhrleitung 18 im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nicht in die erste Oxidationsgaszufuhrleitung 32 und das zweite Oxidationsgas in die zweite Oxidationsgaszufuhrleitung 34, sondern ist nur mit der ersten Brennstoffzelle 2 verbunden).
  • Das der ersten Brennstoffzelle 2 zugeführte Oxidationsgas (erstes Oxidationsgas Go1) wird zur Stromerzeugung in der ersten Brennstoffzelle 2 verwendet und anschließend als zweites Oxidationsgas Go2 aus der ersten Brennstoffzelle 2 ausgegeben. Das aus der ersten Brennstoffzelle 2 ausgegeben Oxidationsgas (zweites Oxidationsgas Go2) wird der zweiten Brennstoffzelle 4 über eine dritte Oxidationsgaszufuhrleitung 70 zugeführt, die zwischen der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 vorgesehen ist. Auf diese Weise wird das an der ersten Brennstoffzelle 2 genutzte Oxidationsgas in der nachfolgenden Stufe über die dritte Oxidationsgaszufuhrleitung 70 der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt.
  • Die dritte Oxidationsgaszufuhrleitung 70 umfasst eine vierte Oxidationsgaszufuhrleitung 72, die in der Weise vorgesehen ist, dass diese von der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung 70 abzweigt und die zweite Brennstoffzelle 4 umgeht. Das Regelventil 40 ist in wenigstens einer der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung 70 und der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung 72 vorgesehen. Im Beispiel von 2 ist das Regelventil 40 in der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung 72 vorgesehen und eingerichtet, die Regulierung einer Zufuhrmenge des Oxidationsgases zu ermöglichen, die der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt werden soll, indem ein Öffnungsgrad des Regelventils 40 reguliert wird, um eine Durchflussrate des Oxidationsgases in der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung 72 zu regulieren.
  • Ein anfänglicher Öffnungsgrad des Regelventils 40 wird in der Weise eingestellt, dass ein vorbestimmtes Verhältnis einer Zufuhrmenge des Oxidationsgases (zweites Oxidationsgas Go2), das der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt werden soll, relativ zu einer Zufuhrmenge des Oxidationsgases (erstes Oxidationsgas Go1), das der ersten Brennstoffzelle 2 zugeführt werden soll, realisiert wird. Wie später beschrieben, wird dieser anfängliche Öffnungsgrad in Abhängigkeit von einem vom zweiten Temperatursensor 64 erfassten Wert variabel gesteuert.
  • Als eine Variante der vorliegenden Ausführungsform kann eine Zufuhrmenge des der zweiten Brennstoffzelle 4 zuzuführenden Oxidationsgases direkt durch Vorsehen des Regelventils 40 in der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung 70 geregelt werden. Alternativ können die Zufuhrmengen der der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 zuzuführenden Oxidationsgase fein reguliert werden, indem das Regelventil 40 in jeder der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung 70 und der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung 72 vorgesehen wird und ein Öffnungsgrad jedes der Regelventile 40 reguliert wird, was jedoch einen Kostennachteil verursacht.
  • Durch das Vorsehen des Regelventils 40 in wenigstens einer der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung 70 und der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung 72 kann ein Zufuhrverhältnis zwischen den der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 zuzuführenden Oxidationsgasen geregelt werden. Auf diese Weise kann eine Konfiguration zur Regelung einer Zufuhrmenge des der zweiten Brennstoffzelle 4 in der nachfolgenden Stufe zuzuführenden Oxidationsgases in einer effizienten Anordnung realisiert werden.
  • Die vierte Oxidationsgaszufuhrleitung 72 ist in der Weise eingerichtet, dass das Oxidationsgas, das die vierte Oxidationsgaszufuhrleitung 72 durchströmt hat, durch Verbinden eines stromabwärtigen Teils der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung 72 mit der Brennkammer 14 eine Verbrennung in der Brennkammer 14 zusammen mit einem Verbrennungsgas (drittes Brennstoffgas Gf3), das die Brennstoffgasabgasleitung 12 durchströmt hat, bewirkt. Diese Konfiguration kann durch eine Konfiguration wie in 1 ersetzt werden, bei welcher der stromabwärtige Teil der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung 72 zwischen der Brennkammer 14 und der Turbine 16 angeschlossen ist, um den in der Brennkammer 14 auftretenden Druckverlust zu verringern.
  • <Dritte Ausführungsform>
  • 3 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1" gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. Eine Struktur des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1", die der in den vorhergehenden Ausführungsformen beschriebenen Struktur entspricht, ist mit einem gemeinsamen Zeichen versehen, und eine Beschreibung, die sich zwischen solchen Strukturen überschneidet, wird gegebenenfalls weggelassen.
  • Während in der dritten Ausführungsform das Brennstoffgas der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 unter Verwendung desselben Zufuhrsystems wie das der oben beschriebenen ersten Ausführungsform zugeführt wird, wird das Oxidationsgas von der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 unter Verwendung eines anderen Versorgungssystems zugeführt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird das Oxidationsgas allen Einzelzellen der ersten Brennstoffzelle 2 von der Oxidationsgaszufuhrquelle 30 durch die Oxidationsgaszufuhrleitung 18 zugeführt. Eine fünfte Oxidationsgaszufuhrleitung 80 ist zur zweiten Brennstoffzelle 4 hin in der Weise abgeleitet, dass einige der Abzweigungen von der Oxidationsgaszufuhrleitung 18 zu den jeweiligen Einzelzellen herausgenommen werden, wodurch eine Konfiguration realisiert wird, bei der das der ersten Brennstoffzelle 2 zugeführte Oxidationsgas teilweise der zweiten Brennstoffzelle 4 zugeführt wird.
  • Das in der ersten Brennstoffzelle 2 genutzte Oxidationsgas wird durch eine dritte Oxidationsgasabgasleitung 82 in die Brennkammer 14 ausgegeben. Das an der zweiten Brennstoffzelle 4 genutzte Oxidationsgas wird durch eine vierte Oxidationsgasabgasleitung 84 ausgegeben. Die vierte Oxidationsgasabgasleitung 84 wird stromabwärtig mit der dritten Abgasleitung 82 zusammengeführt. Auf diese Weise werden die Oxidationsgase, die aus der entsprechenden ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4 ausgegeben werden, der Brennkammer 14 zugeführt, um eine Verbrennung zusammen mit dem Brennstoffgas (drittes Brennstoffgas Gf3) zu bewirken, das aus der Brennstoffgasabgasleitung 12 ausgegeben wird.
  • <Vierte Ausführungsform>
  • 4 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1''' gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt. Eine Struktur des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1''', die der in den vorhergehenden Ausführungsformen beschriebenen Struktur entspricht, ist mit einem gemeinsamen Zeichen versehen, und eine Beschreibung, die sich zwischen solchen Strukturen überschneidet, wird gegebenenfalls weggelassen.
  • Das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1''' umfasst wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit mit der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 4, die jeweils einer der vorstehenden Ausführungsformen entsprechen. Das in 4 dargestellte Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1''' umfasst eine erste Brennstoffzelleneinheit U1 und eine zweite Brennstoffzelleneinheit U2.
  • Ein Zufuhrsystem für das Brennstoffgas ist in 4 zwar schematisch dargestellt, hat aber die gleiche Konfiguration wie die der vorangehenden Ausführungsformen. Obwohl ein Zufuhrsystem für das Oxidationsgas in 4 weggelassen ist, weist es die gleiche Konfiguration wie die der vorangehenden Ausführungsformen auf oder kann eine Konfiguration aufweisen, die sich aus der Kombination der Konfigurationen der entsprechenden Ausführungsformen ergibt.
  • Jede Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1''' ist in der Weise eingerichtet, dass die zweite Brennstoffzelle 4 zwischen den beiden ersten Brennstoffzellen 2 angeordnet ist. Die zweite Brennstoffzelle 4 ist, wie oben beschrieben, in einer nachfolgenden Stufe zur ersten Brennstoffzelle 2 angeordnet und verwendet das in der ersten Brennstoffzelle 2 genutzte Brennstoffgas mit einem geringen Heizwert wieder. Durch die Anordnung der zweiten Brennstoffzelle 4 zum Handhaben des Brennstoffgases mit niedrigem Heizwert zwischen den ersten Brennstoffzellen 2 ist es möglich, den Temperaturabfall an der zweiten Brennstoffzelle 4 effektiver zu unterdrücken.
  • 5 ist eine Modifikation von 4. Gemäß dieser Modifikation umfasst jede Brennstoffzelleneinheit eine erste Brennstoffzelle 2 und eine zweite Brennstoffzelle 4. Bei mehreren Brennstoffzelleneinheiten, die in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet sind, sind die erste Brennstoffzelle 2 und die zweite Brennstoffzelle 4 abwechselnd angeordnet, um die zweite Brennstoffzelle 4 so zu positionieren, dass diese das Brennstoffgas mit einem niedrigen Heizwert zwischen den ersten Brennstoffzellen 2 der entsprechenden Brennstoffzelleneinheiten nebeneinander handhabt. Wie im Fall von 4 ermöglicht es diese Konfiguration, den Temperaturabfall an der zweiten Brennstoffzelle 4 effektiver zu unterdrücken.
  • Wie oben beschrieben, ist es gemäß jeder der vorstehenden Ausführungsformen möglich, ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem mit einer Kaskadenschaltung mehrerer Festoxidbrennstoffzellen bereitzustellen, das in der Lage ist, eine Verringerung der Energieerzeugungsleistung zu unterdrücken und einen ausgezeichneten Systemwirkungsgrad zu realisieren, indem eine Temperatur an einer Festoxidbrennstoffzelle in einer nachfolgenden Stufe ordnungsgemäß aufrechterhalten wird.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Wenigstens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem anwendbar, das Strom unter Verwendung mehrerer Brennstoffzellen erzeugt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem
    2
    Erste Brennstoffzelle
    4
    Zweite Brennstoffzelle
    6
    Brennstoffgaszufuhrquelle
    8
    Erste Brennstoffgaszufuhrleitung
    10
    Zweite Brennstoffgaszufuhrleitung
    12
    Brennstoffgasabgasleitung
    13
    Feuchtigkeitssammler
    14
    Brennkammer
    16
    Turbine
    18
    Oxidationsgaszufuhrleitung
    20
    Verdichter
    22
    Turbolader
    24
    Rezirkulationsleitung
    25
    Gebläse
    26
    Erster regenerativer Wärmetauscher
    28
    Zweiter regenerativer Wärmetauscher
    30
    Oxidationsgaszufuhrquelle
    32
    Erste Oxidationsgaszufuhrleitung
    34
    Zweite Oxidationsgaszufuhrleitung
    40
    Regelventil
    44
    Druckbehälter
    46
    Erste Oxidationsgasabgasleitung
    48
    Zweite Oxidationsgasabgasleitung
    50
    Erstes Energiesystem
    52
    Erster Wechselrichter
    54
    Erster Temperatursensor
    60
    Zweites Energiesystem
    62
    Zweiter Wechselrichter
    64
    Zweiter Temperatursensor
    70
    Dritte Oxidationsgaszufuhrleitung
    72
    Vierte Oxidationsgaszufuhrleitung
    80
    Fünfte Oxidationsgaszufuhrleitung
    82
    Dritte Oxidationsgasabgasleitung
    84
    Vierte Oxidationsgasabgasleitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 3924243 [0004]

Claims (9)

  1. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem, umfassend: eine erste Brennstoffzelle, die unter Verwendung eines ersten Brennstoffgases und eines ersten Oxidationsgases Strom erzeugt; eine zweite Brennstoffzelle, die unter Verwendung eines zweiten Brennstoffgases, das von der ersten Brennstoffzelle ausgegeben wird, und eines zweiten Oxidationsgases, das von wenigstens einer von einer Oxidationsgaszufuhrquelle und der ersten Brennstoffzelle zugeführt wird, Strom erzeugt; und ein Regelventil, das eingerichtet ist, eine Zufuhrmenge des zweiten Oxidationsgases, das der zweiten Brennstoffzelle zugeführt werden soll, zu regeln, das Regelventil in der Weise geregelt wird, dass eine Temperatur an der zweiten Brennstoffzelle zu einem Referenzwert wird.
  2. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Oxidationsgas und das zweite Oxidationsgas der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle über eine erste Oxidationsgaszufuhrleitung und eine zweite Oxidationsgaszufuhrleitung zugeführt werden, die jeweils parallel zueinander in Bezug auf die Oxidationsgaszufuhrquelle angeordnet sind, die dem ersten Oxidationsgas und dem zweiten Oxidationsgas gemeinsam ist, und das Regelventil in wenigstens einer der ersten Oxidationsgaszufuhrleitung und der zweiten Oxidationsgaszufuhrleitung angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1, aufweisend: eine dritte Oxidationsgaszufuhrleitung, die zwischen der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle in der Weise angeordnet ist, dass das erste Oxidationsgas als das zweite Oxidationsgas der zweiten Brennstoffzelle zugeführt wird, nachdem dieses von der ersten Brennstoffzelle ausgegeben wurde; und eine vierte Oxidationsgaszufuhrleitung, die von der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung in der Weise abzweigt, dass diese die zweite Brennstoffzelle umgeht, wobei das Regelventil in wenigstens einer der dritten Oxidationsgaszufuhrleitung und der vierten Oxidationsgaszufuhrleitung angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend: eine Brennkammer, welche die Verbrennung eines dritten Brennstoffgases bewirkt, das von der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben wird; eine Turbine, die stromabwärtig zur Brennkammer angeordnet ist; und einen Verdichter, der von der Turbine angetrieben wird, wobei das zweite Oxidationsgas der Turbine ohne Eingreifen der Brennkammer zugeführt wird, nachdem dieses von der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben wurde.
  5. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach Anspruch 4, wobei das erste Oxidationsgas der Brennkammer zugeführt wird, nachdem dieses von der ersten Brennstoffzelle ausgegeben wurde.
  6. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend: eine Brennkammer, welche die Verbrennung eines dritten Brennstoffgases bewirkt, das von der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben wird; eine Turbine, die stromabwärtig zur Brennkammer angeordnet ist; und einen Verdichter, der von der Turbine angetrieben wird, wobei das erste Oxidationsgas und das zweite Oxidationsgas der Brennkammer zugeführt werden, nachdem diese jeweils von der ersten Brennstoffzelle und der zweiten Brennstoffzelle ausgegeben wurden.
  7. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: einen Druckbehälter, der die erste Brennstoffzelle und die zweite Brennstoffzelle aufnimmt, wobei das Regelventil außerhalb des Druckbehälters angeordnet ist.
  8. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend: einen Feuchtigkeitssammler, der Feuchtigkeit im zweiten Brennstoffgas sammelt; und eine Rezirkulationsleitung, die bewirkt, dass ein Teil des zweiten Brennstoffgases in die erste Brennstoffzelle rezirkuliert, nachdem die Feuchtigkeit durch den Feuchtigkeitssammler gesammelt wurde.
  9. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit, wobei die zweite Brennstoffzelle zwischen mehreren ersten Brennstoffzellen angeordnet ist.
DE112019006749.4T 2019-02-27 2019-11-21 Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem Pending DE112019006749T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-033435 2019-02-27
JP2019033435A JP6806824B2 (ja) 2019-02-27 2019-02-27 燃料電池発電システム
PCT/JP2019/045527 WO2020174780A1 (ja) 2019-02-27 2019-11-21 燃料電池発電システム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112019006749T5 true DE112019006749T5 (de) 2021-10-14

Family

ID=72239995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112019006749.4T Pending DE112019006749T5 (de) 2019-02-27 2019-11-21 Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220190367A1 (de)
JP (1) JP6806824B2 (de)
KR (1) KR20210110720A (de)
CN (1) CN113491027A (de)
DE (1) DE112019006749T5 (de)
WO (1) WO2020174780A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022026993A (ja) * 2020-07-31 2022-02-10 株式会社東芝 燃料電池
JP7302560B2 (ja) * 2020-09-11 2023-07-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3924243B2 (ja) 2002-12-18 2007-06-06 三菱重工業株式会社 燃料電池複合発電システム

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3917838B2 (ja) * 2001-10-12 2007-05-23 三菱重工業株式会社 燃料電池システム及び複合発電システム
CA2448715C (en) * 2002-11-11 2011-07-05 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Fuel cell power generating system with two fuel cells of different types and method of controlling the same
JP2005108509A (ja) * 2003-09-29 2005-04-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 燃料電池発電システム
JP2006049140A (ja) * 2004-08-05 2006-02-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007059359A (ja) * 2005-08-26 2007-03-08 Tokyo Gas Co Ltd 固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法
JP2009048854A (ja) * 2007-08-20 2009-03-05 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 燃料電池発電装置およびその制御方法
JP5185659B2 (ja) * 2008-02-27 2013-04-17 三菱重工業株式会社 コンバインドシステム
JP4873105B2 (ja) * 2010-05-27 2012-02-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN103339776B (zh) * 2011-01-24 2015-08-26 日产自动车株式会社 燃料电池发电系统以及燃料电池发电系统的控制方法
JP5773931B2 (ja) * 2012-03-30 2015-09-02 東京瓦斯株式会社 高温型燃料電池システム及びその運転方法
JP6103624B2 (ja) * 2012-10-29 2017-03-29 一般財団法人電力中央研究所 熱電併給型調整用電源及び熱電併給システム
JP6100012B2 (ja) * 2013-02-06 2017-03-22 三菱日立パワーシステムズ株式会社 発電システム及び発電システムの運転方法
JP6012507B2 (ja) * 2013-02-25 2016-10-25 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池モジュール
JP2015015100A (ja) * 2013-07-03 2015-01-22 三菱重工業株式会社 ガス化燃料電池複合発電システム
JP6168028B2 (ja) * 2014-11-05 2017-07-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6126154B2 (ja) * 2015-03-26 2017-05-10 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム
JP6459063B2 (ja) * 2015-04-20 2019-01-30 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池システムの運転方法
JP2018088324A (ja) * 2016-11-28 2018-06-07 三菱日立パワーシステムズ株式会社 複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラム
JP2018169080A (ja) * 2017-03-29 2018-11-01 東京瓦斯株式会社 燃焼システム、及び燃焼装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3924243B2 (ja) 2002-12-18 2007-06-06 三菱重工業株式会社 燃料電池複合発電システム

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210110720A (ko) 2021-09-08
WO2020174780A1 (ja) 2020-09-03
JP2020140782A (ja) 2020-09-03
JP6806824B2 (ja) 2021-01-06
US20220190367A1 (en) 2022-06-16
CN113491027A (zh) 2021-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69105891T2 (de) Energiegewinnungssystem mit Anwendung von Brennstoffzellen.
DE10297320T5 (de) Verfahren zum Spülen eines Brennstoffzellensystems mit Inertgas, welches aus organischem Brennstoff hergestellt ist
EP2865045B1 (de) Kraftwerksanordnung mit hochtemperatur-speichereinheit
DE112019006749T5 (de) Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem
EP1705739A2 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
EP2399313B1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle
WO2001003217A1 (de) Anordnung zum beheizen/kühlen einer brennstoffzelle und brennstoffzellensystem
EP1616361A2 (de) Energieumwandlungsvorrichtung sowie reformereinrichtung und brennstoffzelleneinrichtung hierfür
DE102019111462A1 (de) Brennstoffzellensystem, stationäres Kraftwerk sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE112013006603T5 (de) Stromerzeugungssystem und Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugungssystems
DE10234263A1 (de) Verbundbrennstoffzellenanlage
DE102009057779A1 (de) Kathodenfilter-Austauschalgorithmus in einem Brennstoffzellensystem
DE10065458A1 (de) Brennstoffzellensystemabschaltung mit Anodendrucksteuerung
DE102004002337A1 (de) Energieumwandlungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Energieumwandlungsvorrichtung
DE102016203792A1 (de) Brennstoffzellenmodul
DE102018219069A1 (de) Brennstoffzellensystem
WO1993010567A1 (de) Verfahren zur auskopplung von wärme aus brennstoffzellen und wärmeauskopplungseinrichtung zur durchführung des verfahrens
DE102017001564A1 (de) Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanordnung und Brennstoffzellenanordnung
DE112019006687T5 (de) Brennstoffzellenmodul, Stromerzeugungssystem und Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellenmodul
DE10054050A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer HT-PEM-Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage
DE102015117055A1 (de) Stapelgehäuse-Belüftung, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug
DE19931063C2 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Kühlen und Heizen von Reaktorelementen
DE102006046725A1 (de) Wassermassenausgleichsschema für Brennstoffzellensysteme
DE102015220950A1 (de) Kathodenversorgung für eine Mehrfach-Brennstoffzelle sowie Verfahren zum Versorgen von Teilbrennstoffzellen mit einem Kathoden-Betriebsmedium
AT513911B1 (de) Energieerzeugungseinheit mit einem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD., JP

Free format text: FORMER OWNER: MITSUBISHI POWER, LTD., YOKOHAMA-SHI, KANAGAWA, JP