DE112020004184T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben - Google Patents

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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben bereit, die Dampf erzeugen können, unmittelbar nachdem eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle aufgehört hat zu arbeiten. Ein Brennstoffzellensystem (1) gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Anodengas-Strömungskanal (4), einen Kathodengas-Strömungskanal (5), eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle (2), die vom Anodengas-Strömungskanal mit einem Brenngas und vom Kathodengas-Strömungskanal mit Luft versorgt wird, um über eine elektrochemische Reaktion elektrischen Strom zu erzeugen, und einen Dampferzeuger (3), der Dampf erzeugt, der mit dem Brenngas vermischt wird, wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle aufhört zu arbeiten, wobei der Dampferzeuger so angeordnet ist, dass Wärme mit einem Gas, das durch den Anodengas-Strömungskanal oder den Kathodengas-Strömungskanal fließt, ausgetauscht werden kann.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben.
  • Stand der Technik
  • Bei der in Patentliteratur 1 beschriebenen Erfindung wird beim Anhalten einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle durch Erhitzen eines Wasserverdampfers mit einem keramischen Heizer Dampf erzeugt, um ein Brenngas zu reformieren.
  • Zitationsliste
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2011-119055
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • Bei der in Patentliteratur 1 beschriebenen Erfindung dauert es jedoch eine gewisse Zeit, bis die Wärme des Heizers die Temperatur des Wasserverdampfers so weit erhöht, dass der Wasserverdampfer eine Temperatur erreicht, bei der Dampf erzeugt werden kann. Aus diesem Grund wird der Dampf erst mit einer Verzögerung nach dem Abschalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle erzeugt. Folglich gibt es nach dem Abschalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle eine Zeit, in der kein Dampf geliefert wird, und während dieser Zeit wird das Brenngas weiterhin in den Brennstoffzellenstapel eingespeist. Bei dieser Ausgestaltung wird das Dampf-Kohlenstoff-Verhältnis (S/C) gesenkt, Kohlenstoff lagert sich auf dem Katalysator im Reformer und im Brennstoffzellenstapel ab, und der Katalysator wird durch einen Effekt zersetzt, der auch als Verkokung bezeichnet wird.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die im Lichte dieser Punkte gemacht wurde, ist es, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben zur Verfügung zu stellen, das fähig ist, unmittelbar nach dem Abschalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle Dampf zu erzeugen.
  • Lösung der Aufgabe
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Anodengas-Strömungskanal, einen Kathodengas-Strömungskanal, eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle, die vom Anodengas-Strömungskanal mit einem Brenngas und vom Kathodengas-Strömungskanal mit Luft versorgt wird, um über eine elektrochemische Reaktion elektrischen Strom zu erzeugen, und einen Dampferzeuger, der Dampf erzeugt, der mit dem Brenngas vermischt wird, wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle aufhört zu arbeiten, wobei der Dampferzeuger so angeordnet ist, dass Wärme mit einem Gas, das durch den Anodengas-Strömungskanal oder den Kathodengas-Strömungskanal fließt, ausgetauscht werden kann.
  • Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das Dampf mit einem Brenngas mischt, wenn eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle, die von einem Anodengas-Strömungskanal mit einem Brenngas und von einem Kathodengas-Strömungskanal mit Luft versorgt wird, um über eine elektrochemische Reaktion elektrischen Strom zu erzeugen, aufhört zu arbeiten, wobei das Verfahren umfasst Anordnen eines Dampferzeugers, so dass Wärme mit einem Gas, das durch den Anodengas-Strömungskanal oder den Kathodengas-Strömungskanal fließt, ausgetauscht werden kann, und Halten des Dampferzeugers bei einer Temperatur, die ausreicht, um Dampf durch Wärmetausch mit dem Gas zu erzeugen, während die Feststoffoxid-Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugt, und Veranlassen, dass der Dampferzeuger Dampf erzeugt, wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle aufhört, elektrischen Strom zu erzeugen.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann Dampf erzeugt werden, unmittelbar nachdem die Feststoffoxid-Brennstoffzelle aufhört zu arbeiten. Dadurch ist es möglich, die Zeit zu verkürzen, in der nach dem Abschalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle kein Dampf zugeführt wird, und so die Zersetzung des Katalysators im Reformer und im Brennstoffzellenstapel zu verhindern.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Konzeptdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Dampferzeugers gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
    • 3 ist ein schematischer Querschnitt, der den Dampferzeuger und einen Gasströmungskanal illustriert.
    • 4 illustriert ein Temperaturprofil von Stromerzeugung bis zur Unterbrechung in der Feststoffoxid-Brennstoffzelle in einem Vergleichsbeispiel, bei dem der Dampferzeuger nicht den Gasströmungskanal berührt.
    • 5 illustriert ein Temperaturprofil von Starten bis Stromerzeugung und bis Unterbrechung in der Feststoffoxid-Brennstoffzelle im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem der Dampferzeuger den Gasströmungskanal berührt.
    • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Betreiben illustriert, wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aufhört zu arbeiten.
    • 7 ist ein Konzeptdiagramm eines Brennstoffzellensystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
    • 8 ist ein Konzeptdiagramm eines Brennstoffzellensystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
    • 9 ist ein Konzeptdiagramm eines Brennstoffzellensystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
    • 10 illustriert einen Querschnitt eines Gasströmungskanals mit der Funktion eines Dampferzeugers.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt, und kann, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen, abgewandelt werden.
  • <Erstes Ausführungsbeispiel>
  • 1 ist ein Konzeptdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle („Solid Oxide Fuel Cell“, SOFC) 2, einen Dampferzeuger 3, einen Anodengas-Strömungskanal 4 und einen Kathodengas-Strömungskanal 5. Man beachte, dass der Anodengas-Strömungskanal 4 und der Kathodengas-Strömungskanal 5 als „Gasströmungskanal/kanäle“ bezeichnet werden können, wenn sie nicht einzeln unterschieden werden.
  • Die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 umfasst einen Zellenstapel, der als Aufschichtung oder Sammlung einer Vielzahl von Zellen aufgebaut ist. Jede Zelle hat eine grundlegende Ausgestaltung, bei der ein Elektrolyt zwischen einer Luftelektrode und einer Brennstoffelektrode angeordnet ist und eine Trenneinrichtung zwischen den Zellen liegt. Die Zellen des Zellenstapels sind elektrisch in Reihe geschaltet. Die Feststoffoxid-Brennstoffzelle ist ein Stromerzeugungsmechanismus, bei dem elektrische Energie erzeugt wird, indem Oxidionen, die von einer Luftelektrode erzeugt werden, durch einen Elektrolyten zu einer Brennstoffelektrode wandern, so dass die Oxidionen mit Wasserstoff oder Kohlenmonoxid an der Brennstoffelektrode reagieren.
  • Der Anodengas-Strömungskanal 4 umfasst einen Anodengas-Einlasskanal L1 auf der Einlassseite aus Sicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 und einen Anodengas-Auslasskanal L2 auf der Auslasskanal aus Sicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2.
  • Der Anodengas-Einlasskanal L1 dient als Brenngas-Zuführkanal, welcher der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 ein Brenngas zuführt. Die Flussrate des Brenngases wird durch ein nicht dargestelltes Brennstoff-Zuführgebläse eingestellt. Der Anodengas-Auslasskanal L2 dient als ein Abgaskanal, der einen Anodenabgas abführt. Außerdem weist der Anodengas-Auslasskanal L2 einen Rückführkanal L3 auf, der nach einer Teilstrecke abzweigt und das Anodenabgas zum Anodengas-Einlasskanal L1 zurückführt. Wie in 1 dargestellt ist ein Rückführgebläse 6 im Rückführkanal L3 angeordnet, um die Flussrate des zurückgeführten Abgases einzustellen.
  • Beim ersten in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dampfgenerator 3 so angeordnet, dass er einen Wärmetausch mit dem Brenngas erlaubt, das durch den Anodengas-Einlasskanal L1 fließt. Der Dampferzeuger 3 ist beispielsweise auf dem Abschnitt des Anodengas-Einlasskanals L1 zwischen der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 und dem Rückführkanal L3 angeordnet. Wie in 1 dargestellt ist ein Wasser-Zuführkanal L5 auf der Einlassseite des Dampferzeugers 3 angeordnet. Außerdem ist ein Dampf-Zuführkanal L6 auf der Auslassseite des Dampferzeugers 3 angeordnet und vom Dampferzeuger 3 erzeugter Dampf geht durch den Dampf-Zuführkanal L6 und wird mit dem Brenngas, das durch den Anodengas-Einlasskanal L1 fließt, vermischt.
  • Wie in 1 dargestellt, umfasst der Anodengas-Strömungskanal 5 einen Kathodengas-Einlasskanal L7 auf der Einlassseite aus Sicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 und einen Kathodengas-Auslasskanal L8 auf der Auslasskanal aus Sicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2.
  • Luft wird der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 vom Kathodengas-Einlasskanal L7 durch ein Luftgebläse 7 zugeführt. Ein regenerativer Wärmetauscher 8 ist im Kathodengas-Einlasskanal L7 angeordnet.
  • Wie in 1 dargestellt ist der Kathodengas-Auslasskanal L8, der als Abgaskanal für das Kathodenabgas dient, mit dem regenerativen Wärmetauscher 8 verbunden, um einen Strömungskanal zu bilden, der das Kathodenabgas zurückführt. Im regenerativen Wärmetauscher 8 tauscht die durch den Kathodengas-Einlasskanal L7 fließende Luft Wärme mit dem Kathodenabgas aus und die Temperatur steigt an.
  • Als nächstes wird der Dampferzeuger 3 beschrieben. Wie in 2 und 3 dargestellt, umfasst der Dampferzeuger 3 ein Gehäuse 10, ein auf der Frontfläche (die der Einlassseite zugewandte Fläche) des Gehäuses 10 angeordnetes Rohrteil 11, ein auf einer Seitenfläche des Gehäuses 10 angeordnetes Dampfablassrohr 12, eine auf der Unterseite des Gehäuses 10 angeordnete Heizeinrichtung 13 und eine Halterung 14 zum Befestigen des Dampferzeugers 3 an einer vorgegebenen Position des Brennstoffzellensystems 1. Die Anordnung des Rohrteils 11 und des Dampfablassrohrs 12 kann sich auch von 2 unterscheiden.
  • Das Rohrteil 11 und das Dampfablassrohr 12 führen ins Gehäuse 10. Das Rohrteil 11 ist mit dem in 5 dargestellten Wasser-Zuführkanal L5 verbunden. Das Dampfablassrohr 12 bildet ganz oder teilweise den in 1 dargestellten Dampf-Zuführkanal L6. Falls das Dampfablassrohr 12 den gesamten Dampf-Zuführkanal L6 bildet, ist das Dampfablassrohr 12 direkt mit dem Anodengas-Einlasskanal L1 verbunden.
  • Wie in 3 dargestellt, berührt der Dampferzeuger 3 den Anodengas-Einlasskanal L1. Aus diesem Grund kann der Dampferzeuger 3 Wärme mit dem Brenngas austauschen, das durch den Anodengas-Einlasskanal L1 fließt und wird in einem Hochtemperaturzustand gehalten (beispielsweise bei 300°C oder mehr). Man beachte, dass die Temperatur des Dampferzeugers 3 über einen Temperaturfühler 3a (siehe 1) gemessen wird.
  • Wenn dem Dampferzeuger 3 durch den Wasser-Zuführer L5 Wasser zugeführt wird, kann folglich sofort Dampf erzeugt werden, und der Dampf kann aus dem Dampfablassrohr 12 dem Brenngas zugeführt werden, das durch den Anodengas-Einlasskanal L1 strömt.
  • Wie in 3 dargestellt, ist die Heizeinrichtung 13 beabstandet vom Anodengas-Einlasskanal L1 angeordnet. Falls die Heizeinrichtung 13 den Anodengas-Einlasskanal L1 direkt berührt, kommt es aufgrund von plötzlichen Temperaturschwankungen des Gases oder dergleichen zu einem Temperaturschock, der zu einer Beschädigung der Heizeinrichtung 13 führt. Daher wird die Heizeinrichtung 13 vorzugsweise so angeordnet, dass sie den Anodengas-Einlasskanal L1 nicht berührt, und kann auch an einer anderen Stelle als der Unterseite des Gehäuses 10 angeordnet sein.
  • Die Heizeinrichtung 13 hat die Aufgabe, beim Heizen zu helfen, um den Dampferzeuger 3 bei einer hohen Temperatur zu halten.
  • Im Folgenden werden 4 und 5 verwendet, um Temperaturprofile ab der Stromerzeugung bis zum Abschalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einem Vergleichsbeispiel und dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zu beschreiben.
  • 4 ist das Temperaturprofil des Vergleichsbeispiels. Im Vergleichsbeispiel berührt der Dampferzeuger 3 im Gegensatz zur vorliegenden Ausführungsform nicht den Anodengas-Einlasskanal L1.
  • Wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 wie in 4 dargestellt elektrischen Strom erzeugt, tauscht der Dampferzeuger 3 keine Wärme mit dem Gas aus, das durch den Anodengas-Einlasskanal L1 fließt, und bleibt bei einer normalen Temperatur. Wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2, wie in 4 dargestellt aufhört, elektrischen Strom zu erzeugen, wird die Heizeinrichtung 13 des Dampferzeuger 3 aktiviert, um die Temperatur des Dampferzeugers 3 zu erhöhen. Die Temperatur des Dampferzeugers 3 wird letztendlich auf ungefähr 300°C angehoben. Wie in 4 dargestellt wird dem Dampferzeuger 3 Wasser zugeführt, und falls die Temperatur des Dampferzeugers 3 zu diesem Zeitpunkt100°C oder mehr beträgt, wird Dampf erzeugt. Die Erzeugung von Dampf wird jedoch, wie in 4 dargestellt ab dem Zeitpunkt, dass die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 aufhört zu arbeiten, um einen Zeitraum t verzögert.
  • Andererseits ist 5 das Temperaturprofil des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Wie in 1 und 3 dargestellt, berührt der Dampferzeuger 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel den Anodengas-Einlasskanal L1. Man beachte, dass 5 verwendet wird, um ein Temperaturprofil ab Starten der Stromerzeugung bis Anhalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 zu beschreiben.
  • Die Temperatur des Dampferzeugers 3 steigt, wie in 5 dargestellt, ab dem Starten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 bis zu einem Zeitpunkt (1), aufgrund eines Wärmeübertrags vom Brenngas. Während dem Zeitraum zwischen Zeitpunkt (1) und Zeitpunkt (2), wird die Heizeinrichtung 3 im Dampferzeuger 3 aktiviert, um die Temperatur des Dampferzeugers 3 weiter zu erhöhen. Auf diese Weise wird die Temperatur des Dampferzeugers auf ungefähr 300°C angehoben durch den Wärmeübertrag vom Brenngas und durch das Heizen der Heizeinrichtung.
  • Wie in 5 dargestellt, wird beim Erreichen des Zeitpunkts (2) Dampf erzeugt und mit dem Brenngas vermischt. Mit dieser Anordnung kann Dampf-Reformieren des Brenngases durchgeführt werden.
  • Während die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 elektrischen Strom erzeugt (ab Zeitpunkt (3) bis Zeitpunkt (4), wie in 5 dargestellt), wird die Dampfzufuhr unterbrochen, um eine Selbstversorgung mit Wasser zu erreichen. Während die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 elektrischen Strom erzeugt, kann der Dampferzeuger 3 wie in 5 dargestellt, durch Wärmeübertrag vom Brenngas bei ungefähr 300°C (heißer Standby-Betrieb) gehalten werden.
  • Zum Zeitpunkt (4) hört die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 auf, elektrischen Strom zu erzeugen und zur selben Zeit wird Wasser an den Dampferzeuger 3 geleitet. Da der Dampferzeuger 3 zu diesem Zeitpunkt bei einer Temperatur von ungefähr 300°C gehalten wird, kann unmittelbar nach dem Zuführen von Wasser Dampf erzeugt werden.
  • Während dem Zeitraum von Zeitpunkt (4) bis Zeitpunkt (5), fällt die Temperatur des Dampferzeugers 3 wie in 5 dargestellt aufgrund der Dampferzeugung kurz ab, aber durch Aktivieren der Heizeinrichtung 13 kann der Dampferzeuger 3 durch Heizen der Heizeinrichtung zurück auf eine Temperatur von ungefähr 300°C gebracht und dort gehalten werden.
  • Wie in 5 dargestellt, nimmt die Gastemperatur ab dem Zeitpunkt (4) kontinuierlich ab, wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 aufhört, elektrischen Strom zu erzeugen. Aufgrund der abfallenden Gastemperatur wird im Zeitraum von Zeitpunkt (5) bis Zeitpunkt (6) Dampf durch Heizen des Dampferzeugers 3 hauptsächlich mit Wärme von der Heizeinrichtung erzeugt.
  • Wie im Temperaturprofil gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, kann anders als im Vergleichsbeispiel der 4 Dampf erzeugt werden, sobald die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 aufhört zu arbeiten. Infolgedessen kann die Zersetzung des Katalysators im Reformer und im Brennstoffzellenstapel unterdrückt werden, nachdem die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 aufhört zu arbeiten und Verkokung kann wirksam verhindert werden.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Betreiben illustriert, wenn das Brennstoffzellensystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aufhört zu arbeiten.
  • In Schritt ST1 hört die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 auf, elektrischen Strom zu erzeugen (Zeitpunkt (4) in 5). Als nächstes wird dem Dampferzeuger im Schritt ST2 Wasser zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Dampferzeuger 3 bei einer Temperatur gehalten, die ausreicht, um Dampf zu erzeugen, so dass sofort Dampf durch den Dampferzeuger 3 erzeugt werden kann, indem Wasser zugeführt wird.
  • In Schritt ST3 wird die Temperatur des Dampferzeugers durch Temperaturfühler 3a (siehe 1) gemessen, und wenn die Temperatur des Dampferzeugers 3 unter 280°C fällt, wie beispielsweise im Zeitraum von Zeitpunkt (4) bis Zeitpunkt (5) in 5 dargestellt, geht der Prozess mit Schritt ST4 weiter. Zusätzlich wird die am Dampferzeuger 3 befestige Heizeinrichtung 13 aktiviert. Mit dieser Anordnung kann die Temperatur des Dampferzeugers 3 wieder auf bis zu 300°C angehoben werden.
  • Wie oben wird der Dampferzeuger 3 bei einer ausreichenden Temperatur zum Erzeugen von Dampf gehalten, so dass der Dampferzeuger 3 unmittelbar nachdem die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 aufhört zu arbeiten, Dampf erzeugen kann. Wenn ab dem Anhalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 eine bestimmte Zeit abläuft, fängt die Temperatur des Dampferzeugers 3 an zu fallen. Somit wird von der Heizeinrichtung 13 bereitgestellte Wärme verwendet, um den Dampferzeuger 3 bei einer vorgegebenen Temperatur zu halten, so dass es möglich ist, die Dampferzeugung für eine bestimmte Zeit fortzusetzen, um Verkokung unmittelbar nach dem Anhalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 zu spülen.
  • Beim ersten in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dampferzeuger 3 im Anodengas-Einlasskanal L1 des Anodengas-Strömungskanal 4 angeordnet. Mit dieser Anordnung kann der Dampf-Zuführkanal L6 verkürzt werden, Dampf kann mit dem Brenngas unmittelbar nach Anhalten der Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 vermischt werden und Verkokung kann effizient verhindert werden.
  • Auf diese Weise wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Dampferzeuger 3 vorzugsweise im Anodengas-Einlasskanal L1 des Anodengas-Strömungskanals 4 angeordnet, aber der Dampferzeuger 3 ist nicht hierauf beschränkt und kann auch an einem anderen Ort in einem Gasströmungskanal angeordnet werden. Im Folgenden werden Beispiele zum Anordnen des Dampferzeugers 3 an verschiedenen Orten in 1 beschrieben.
  • <Andere Ausführungsbeispiele>
  • 7 ist ein Konzeptdiagramm eines Brennstoffzellensystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 8 ist ein Konzeptdiagramm eines Brennstoffzellensystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und 9 ist ein Konzeptdiagramm eines Brennstoffzellensystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • In den Ausführungsbeispielen in 7 bis 9 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in 1 dieselben Abschnitte. Beim zweiten in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dampferzeuger 3 im Anodengas-Auslasskanal L2 auf der Auslassseite des Anodengas-Strömungskanals 4 angeordnet. Indem der Dampferzeuger 3 in Berührung mit dem Anodengas-Auslasskanal L2 gebracht wird, kann, ähnlich wie in 3, ein effektiver Wärmeaustausch mit dem durch den Anodengas-Auslasskanal L2 strömenden Abgas erfolgen. Man beachte, dass der Dampferzeuger 3 auch in Berührung mit dem Rückführkanal L3 angeordnet sein kann.
  • Beim dritten in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dampferzeuger 3 im Kathodengas-Auslasskanal L8 auf der Auslassseite des Kathodengas-Strömungskanals 5 angeordnet. Indem der Dampferzeuger 3 in Berührung mit dem Kathodengas-Auslasskanal L8 gebracht wird, kann, ähnlich wie in 3, ein effektiver Wärmeaustausch mit dem durch den Kathodengas-Auslasskanal L8 strömenden Abgas erfolgen. Vorzugsweise ist der Dampferzeuger 3 in Berührung mit dem Rückführkanal des Kathodengas-Auslasskanals L8 angeordnet.
  • Beim vierten in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dampferzeuger 3 im Kathodengas-Einlasskanal L7 auf der Einlassseite des Kathodengas-Strömungskanals 5 angeordnet. Indem der Dampferzeuger 3 in Berührung mit dem Kathodengas-Einlasskanal L7 gebracht wird, kann, ähnlich wie in 3, ein effektiver Wärmeaustausch mit dem durch den Kathodengas-Einlasskanal L7 strömenden Oxidationsgas erfolgen.
  • Zusätzlich kann in den Ausführungsbeispielen der 7 bis 9 Dampf durch Zuführen von Wasser an den Dampferzeuger 3 erzeugt werden, wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 aufhört zu arbeiten. Durch Leiten des Dampfs durch den Dampf-Zuführkanal L6, um ihn mit dem Brenngas zu mischen, das im Anodengas-Einlasskanal L1 fließt, kann Dampfreformieren des Brenngases durchgeführt werden, unmittelbar nachdem die Feststoffoxid-Brennstoffzelle 2 aufhört zu arbeiten. Mit diesem Aufbau kann Zersetzung des Katalysators im Reformer und im Brennstoffzellenstapel unterdrückt werden und Verkokung kann wirksam verhindert werden.
  • Außerdem kann der Dampferzeuger gemäß den Ausführungsbeispiel auch wie in 10 dargestellt in einem Abschnitt eines Gasströmungskanals integriert sein. In 10 weist der Gasströmungskanal einen doppelwandigen Rohraufbau mit einer Heizschicht 21 am äußeren Umfang eines Rohrs 20 auf. Ein Raum, der den Durchgang von Wasser vom Wasser-Zuführkanal L5 erlaubt, ist zwischen der Heizschicht 21 und dem Rohr 20 angeordnet. Mit dieser Anordnung kann Dampf durch Wärmetausch mit einem Gas erzeugt werden, das im Rohr 20 fließt. Der Raum zwischen der Heizschicht 21 und der Rohr 20 führt zum Dampf-Zuführkanal L6 an einem Ort, der sich vom Wasser-Zuführkanal L5 unterscheidet. Außerdem wird der Dampf durch denselben Dampf-Zuführkanal L6 mit dem Brenngas, das durch den Anodengas-Einlasskanal L1 fließt, vermischt. Auf diese Weise kann durch Ausbilden des Gasströmungskanals als doppelwandige Rohrstruktur, der Gasströmungskanal selbst eine Funktion als Dampferzeuger mit hohem Wärmetauschverhältnis erhalten, so dass es möglich wird, Dampf effizient bereitzustellen. Außerdem ist es möglich, eine stabile Zufuhr von Dampf bereitzustellen, selbst mit einer Heizeinrichtung niedriger Kapazität.
  • Man beachte, dass obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, können die obigen Ausführungsbeispiele und deren Abwandlungen auch teilweise oder ganz kombiniert und als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrachtet werden.
  • Außerdem sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und verschiedene Abwandlungen, Ersetzungen und Änderungen sind möglich, ohne vom Geltungsbereich der technischen Idee gemäß der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Falls die technische Idee gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein anderes Verfahren mittels Weiterentwicklung der Technologie oder eine andere abgeleitete Technologie erreicht werden kann, kann die technische Idee unter Verwendung des Verfahrens implementiert werden. Folglich decken die Ansprüche alle Ausführungsformen ab, die in den Anwendungsbereich der technischen Idee gemäß der vorliegenden Erfindung einbezogen werden können.
  • Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele auch einen Aufbau haben, bei dem die Heizeinrichtung 13 nicht im Dampferzeuger 3 angeordnet ist. Wenn in diesem Fall die Temperatur des Dampferzeugers 3 sinkt, wie im Zeitraum zwischen Zeitpunkt (4) und Zeitpunkt (5) in 5 dargestellt, kann die Dampferzeugung über einen längeren Zeitraum erfolgen, indem Faktoren wie die Verringerung der zuzuführenden Dampfmenge geregelt werden. Durch Bereitstellen der Heizeinrichtung 13 als externe Stromquelle im Dampferzeuger 3 kann jedoch, wenn die Temperatur des Dampferzeugers 3 sinkt, durch die Heizeinrichtung 13 geheizt werden, um die Temperatur des Dampferzeugers 3 auf einem bestimmten Wert zu halten, wodurch es möglich ist, kontinuierlich eine feste Dampfmenge zu liefern. Mit diesem Aufbau kann ein hohes S/C aufrechterhalten werden und die Gefahr der Beschädigung von Brennstoffzellen kann reduziert werden.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen ist der Dampferzeuger 3 so aufgebaut, dass er einen Gasströmungskanal berührt, aber der Dampferzeuger 3 muss den Gasströmungskanal nicht berühren, sofern ein Wärmeaustausch mit dem durch den Gasströmungskanal strömenden Gas möglich ist. So kann beispielsweise eine Zwischenschicht zwischen dem Dampferzeuger 3 und dem Gasströmungskanal vorhanden sein, oder es kann ein Zwischenraum zwischen dem Dampferzeuger 3 und dem Gasströmungskanal vorgesehen werden.
  • Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Anmeldung Nr. 2019-234465 , eingereicht am 25. Dezember 2019, deren Offenbarung hiermit durch Verweis in Gänze hierin einbezogen wird.
  • 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 2011119055 [0003]
    • JP 2019234465 [0051]

Claims (5)

  1. Brennstoffzellensystem umfassend: einen Anodengas-Strömungskanal; einen Kathodengas-Strömungskanal; eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle, die vom Anodengas-Strömungskanal mit einem Brenngas und vom Kathodengas-Strömungskanal mit Luft versorgt wird, um über eine elektrochemische Reaktion elektrischen Strom zu erzeugen; und einen Dampferzeuger, der Dampf erzeugt, der mit dem Brenngas vermischt wird, wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle aufhört zu arbeiten, wobei der Dampferzeuger so angeordnet ist, dass Wärme mit einem Gas, das durch den Anodengas-Strömungskanal oder den Kathodengas-Strömungskanal fließt, ausgetauscht werden kann.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Dampferzeuger auf einer Einlassseite des Anodengas-Strömungskanals angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Heizeinrichtung angeordnet ist, die einen Temperaturabfall im Dampferzeuger nach der Feststoffoxid-Brennstoffzelle unterdrückt.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das Dampf mit einem Brenngas mischt, wenn eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle, die von einem Anodengas-Strömungskanal mit einem Brenngas und von einem Kathodengas-Strömungskanal mit Luft versorgt wird, um über eine elektrochemische Reaktion elektrischen Strom zu erzeugen, aufhört zu arbeiten, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen eines Dampferzeugers, so dass Wärme mit einem Gas, das durch den Anodengas-Strömungskanal oder den Kathodengas-Strömungskanal fließt, ausgetauscht werden kann; und Halten des Dampferzeugers bei einer Temperatur, die ausreicht, um den Dampf durch Wärmetausch mit dem Gas zu erzeugen, während die Feststoffoxid-Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugt, und Veranlassen, dass der Dampferzeuger Dampf erzeugt, wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle aufhört, elektrischen Strom zu erzeugen.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 4, ferner umfassend: Heizen des Dampferzeugers mit einer Heizeinrichtung, um einen Temperaturabfall im Dampferzeuger zu unterdrücken, nachdem die Feststoffoxid-Brennstoffzelle aufgehört hat zu arbeiten.
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