DE112021004409T5 - Brennstoffzellen-stromerzeugungssystem und verfahren zur steuerung eines brennstoffzellen-stromerzeugungssystems - Google Patents

Brennstoffzellen-stromerzeugungssystem und verfahren zur steuerung eines brennstoffzellen-stromerzeugungssystems Download PDF

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Takahiro Machida
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Abstract

Ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem umfasst: eine Brennstoffzelle; eine Peripherievorrichtung, die zum Betrieb der Brennstoffzelle verwendet wird; ein Ressourcenspeicherteil; und ein Ressourcenzufuhrteil. Das Ressourcenspeicherteil ist in der Lage, eine Ressource zu speichern, die in der Brennstoffzelle in einem Betriebs-/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle erzeugt wird. Das Ressourcenzufuhrteil ist in der Lage, die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung zuzuführen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem sowie ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems.
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-183304 , die am 30. Oktober 2020 eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • HINTERGRUND
  • Eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung vermittels chemischer Reaktion eines Brennstoffgases und eines oxidierenden Gases hat Eigenschaften wie eine ausgezeichnete Stromerzeugungseffizienz und Umweltfreundlichkeit. Eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) verwendet Keramik wie Zirkoniumdioxid-Keramik als Elektrolyt und erzeugt Strom bzw. Energie, indem sie als Brennstoffgas ein Gas wie ein Vergasungsgas zuführt, das durch die Herstellung von Reduktionsgas, Stadtgas, Erdgas, Erdöl, Methanol und einem kohlenstoffhaltigen Rohmaterial mit einer Vergasungsanlage erhalten wird, und eine Reaktion in einer Hochtemperaturatmosphäre von etwa 700 °C bis 1.000 °C bewirkt.
  • Als Stromerzeugungssystem, das eine solche Brennstoffzelle verwendet, ist zum Beispiel ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem bekannt, wie es im Patentdokument 1 offenbart ist. Patentdokument 1 offenbart ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem, bei dem die Stromerzeugungseffizienz des Systems als Ganzes verbessert wird, indem eine Vielzahl von Brennstoffzellen mit einer ersten Brennstoffzelle und einer zweiten Brennstoffzelle einbezogen wird und insbesondere Strom in der zweiten Brennstoffzelle mit einem aus der ersten Brennstoffzelle abgeleiteten Ausleitungsbrennstoffgas erzeugt wird.
  • Liste der Bezugnahmen
  • Patentliteratur
  • Patentdokument 1: JP3924243B
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Technisches Problem
  • Bei dieser Art von Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem ist unabhängig von der Art der verwendeten Brennstoffzelle (SOFC, PEFE, PAFC, MCFC usw.) zusätzlich zu einem Brennstoffzellenkörper eine für den Betrieb des Systems erforderliche Peripherievorrichtung vorgesehen. Eine solche Peripherievorrichtung umfasst zum Beispiel ein Mittel (Zylinder usw.) zur Zufuhr eines Inertgases, eines Anodenreduktionsgases usw. zur Verhinderung einer Verschlechterung in einem Zellenteil einer Brennstoffzelle unter einer Hochtemperaturumgebung während des Prozesses des Startens/Stoppens des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems, oder in einem Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem mit Druckbeaufschlagung, in dem ein Druckgas durch einen Turbolader (T/C) während des Dauerbetriebs, einen Luftverdichter, eine Druckverbrennungsanlage usw. zur Zufuhr des Druckgases anstelle des Turboladers beim Start zugeführt wird, wenn Luft nicht durch den Turbolader zugeführt werden kann,.
  • In den letzten Jahren hat sich mit zunehmender Kapazität des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems die Anzahl der für das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem erforderlichen Peripherievorrichtungen tendenziell erhöht. Die Zunahme der Anzahl der Peripherievorrichtungen erhöht nicht nur den Bauraum oder die anfänglichen Kosten des Systems, sondern verursacht auch einen Anstieg der Betriebskosten oder eine Verringerung der Stromerzeugungseffizienz aufgrund eines Anstiegs des Energieverbrauchs während des Systembetriebs.
  • Zumindest ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ergibt sich aus den obigen Ausführungen, und eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung liegt darin, ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem, das mit geringen Kosten betrieben werden kann, indem der Bauraum verkleinert wird und die Peripherievorrichtungen und das notwendige Zubehör verkleinert werden, sowie ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems bereitzustellen.
  • Lösung der Aufgabe
  • Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, weist ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem gemäß zumindest einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung auf: eine Brennstoffzelle; eine Peripherievorrichtung, die zum Betreiben der Brennstoffzelle verwendet wird; ein Ressourcenspeicherteil, das in der Lage ist, eine Ressource zu speichern, die in der Brennstoffzelle in einem Betriebs-/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle erzeugt wird; und ein Ressourcenzufuhrteil, das in der Lage ist, die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung zuzuführen.
  • Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, handelt es sich bei einem Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems um ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems, das eine Brennstoffzelle und eine Peripherievorrichtung aufweist, die zum Betreiben der Brennstoffzelle verwendet wird, umfassend: einem Schritt des Speicherns einer Ressource, die in der Brennstoffzelle in einem Betriebs/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle erzeugt wird; und einem Schritt des Zuführens der Ressource an zumindest entweder die Brennstoffzelle oder die Peripherievorrichtung.
  • Vorteilhafte Wirkungen
  • In zumindest einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem bereitzustellen, das durch Verringerung eines Bauraums und Verbesserung der Systemeffizienz mit geringen Kosten betrieben werden kann, sowie ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Ansicht eines SOFC-Moduls (Brennstoffzellenmodul) gemäß einer Ausführungsform.
    • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer SOFC-Kartusche (Brennstoffzellenkartusche), die das SOFC-Modul (Brennstoffzellenmodul) gemäß einer Ausführungsform bildet.
    • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Zellstapels, der das SOFC-Modul (Brennstoffzellenmodul) gemäß einer Ausführungsform bildet.
    • 4 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform.
    • 5 ist ein Zeitdiagramm, das eine Temperaturänderung von einem Stoppvorgang zu einem Startvorgang des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems zeigt.
    • 6A ist ein Diagramm, das einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in einem Zeitraum P1 von 5 zeigt.
    • 6B ist ein Diagramm, das einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in einem Zeitraum P2 von 5.
    • 6C ist ein Diagramm, das einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in einem Zeitraum P3 von 5 zeigt.
    • 6D ist ein Diagramm, das einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in einem Zeitraum P4 von 5.
    • 6E ist ein Diagramm, das einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in einem Zeitraum P5 von 5 zeigt.
    • 6F ist ein Diagramm, das einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in einem Zeitraum P7 von 5.
    • 6G ist ein Diagramm, das einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in einem Zeitraum P8 von 5 zeigt.
    • 6H ist ein Diagramm, das einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in einem Zeitraum P9 von 5 zeigt.
    • 7 ist eine Tabelle, welche Betriebszustände der jeweiligen Konfigurationen des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems in den jeweiligen Zeiträumen P1 bis P9 aus 5 zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass, sofern nicht konkret vorgegeben, Abmessungen, Materialien, Formen, relative Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Zeichnungen als die Ausführungsformen beschrieben oder gezeigt werden, lediglich als veranschaulichend ausgelegt werden und nicht beabsichtigen, den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
  • Im Folgenden werden zur Vereinfachung der Beschreibung die Positionsbeziehungen zwischen den jeweiligen Komponenten mit den Ausdrücken „oben“ und „unten“ in Bezug auf die Zeichnung beschrieben, um die vertikale obere Seite bzw. die vertikale untere Seite zu bezeichnen. Sofern in der vorliegenden Ausführungsform die gleiche Wirkung in der Richtung von oben nach unten und in der horizontalen Richtung erzielt wird, ist die Richtung von oben nach unten in der Zeichnung nicht notwendigerweise auf die vertikale Richtung von oben nach unten beschränkt, sondern kann zum Beispiel der horizontalen Richtung orthogonal zur vertikalen Richtung entsprechen.
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform beschrieben, bei der eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) als eine Brennstoffzelle verwendet wird, die ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem bildet. In manchen Ausführungsformen kann jedoch als Brennstoffzelle, die das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem bildet, eine Brennstoffzelle eines anderen Typs als die SOFC (zum Beispiel Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) usw.) verwendet werden.
  • (Konfiguration des Brennstoffzellenmoduls)
  • Zunächst wird ein Brennstoffzellenmodul, das ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem gemäß manchen Ausführungsformen bildet, unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben. 1 ist eine schematische Ansicht eines SOFC-Moduls (Brennstoffzellenmodul) gemäß einer Ausführungsform. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer SOFC-Kartusche (Brennstoffzellenkartusche), die das SOFC-Modul (Brennstoffzellenmodul) gemäß einer Ausführungsform enthält. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Zellstapels, der das SOFC-Modul (Brennstoffzellenmodul) gemäß einer Ausführungsform bildet.
  • Wie in 1 gezeigt, weist ein SOFC-Modul (Brennstoffzellenmodul) 201 zum Beispiel eine Vielzahl von SOFC-Kartuschen (Brennstoffzellenkartuschen) 203 sowie einen Druckbehälter 205 zur Aufnahme der Vielzahl von SOFC-Kartuschen 203 auf. Obwohl in 1 ein zylindrischer SOFCzellenstapel 101 dargestellt ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht notwendigerweise darauf beschränkt, und es kann zum Beispiel auch ein flacher Zellenstapel verwendet werden. Ferner weist das Brennstoffzellenmodul 201 Brennstoffgaszufuhrleitungen 207, eine Vielzahl von Brennstoffgaszufuhrzweigleitungen 207a, Brennstoffgasausleitungsleitungen 209 sowie eine Vielzahl von Brennstoffgasausleitungszweigleitungen 209a auf. Ferner weist das Brennstoffzellenmodul 201 eine Oxidationsmittelzufuhrleitung (nicht dargestellt) und eine Oxidationsmittelzufuhrzweigleitung (nicht dargestellt) sowie eine Oxidationsmittel-Ausleitungsleitung (nicht dargestellt) und eine Vielzahl von Oxidationsmittel-Ausleitungszweigleitungen (nicht dargestellt) auf.
  • Die Brennstoffgaszufuhrleitungen 207 sind außerhalb des Druckbehälters 205 angeordnet, sind mit einem Brennstoffgaszufuhrteil (nicht dargestellt) verbunden, um ein Brennstoffgas mit einer vorbestimmten Gaszusammensetzung und einer vorbestimmten Durchflussmenge gemäß einer Stromerzeugungsmenge des Brennstoffzellenmoduls 201 zuzuführen, und sind mit der Vielzahl von Brennstoffgaszufuhrzweigleitungen 207a verbunden. Die Brennstoffgaszufuhrleitungen 207 verzweigen sich und leiten die vorbestimmte Durchflussmenge des Brennstoffgases, das von dem oben beschriebenen Brennstoffgaszufuhrteil zugeführt wird, in die Vielzahl der Brennstoffgaszufuhrzweigleitungen 207a ein. Ferner sind die Brennstoffgaszufuhrzweigleitungen 207a mit den Brennstoffgaszufuhrleitungen 207 verbunden und mit der Vielzahl von SOFC-Kartuschen 203 verbunden. Die Brennstoffgaszufuhrzweigleitungen 207a leiten das von den Brennstoffgaszufuhrleitungen 207 zugeführte Brennstoffgas an die Vielzahl von SOFC-Kartuschen 203 mit einer im Wesentlichen gleichen Durchflussrate ein und vereinheitlichen im Wesentlichen eine Stromerzeugungsleistung der Vielzahl von SOFC-Kartuschen 203.
  • Die Brennstoffgasausleitungszweigleitungen 209a sind mit der Vielzahl der SOFC-Kartuschen 203 verbunden und mit den Brennstoffgasausleitungsleitungen 209 verbunden. Die Brennstoffgasausleitungszweigleitungen 209a leiten ein von den SOFC-Kartuschen 203 ausgeleitetes Ausleitungsbrennstoffgas in die Brennstoffgasausleitungsleitungen 209 ein. Ferner sind die Brennstoffgasausleitungsleitungen 209 mit der Vielzahl der Brennstoffgasausleitungszweigleitungen 209a verbunden, und ein Teil jeder der Brennstoffgasausleitungsleitungen 209 ist außerhalb des Druckbehälters 205 angeordnet. Die Brennstoffgasausleitungsleitungen 209 leiten das von den Brennstoffgasausleitungszweigleitungen 209a stammende Ausleitungsbrennstoffgas mit einer im Wesentlichen gleichen Durchflussrate aus dem Druckbehälter 205 heraus.
  • Der Druckbehälter 205 wird mit einem Innendruck von 0,1 MPa bis ca. 3 MPa und einer Innentemperatur von Atmosphärentemperatur bis ca. 550 °C betrieben, und daher wird ein Material verwendet, das Druckbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff in einem oxidierenden Gas aufweist. Geeignet ist zum Beispiel ein Werkstoff aus rostfreiem Stahl wie SUS304.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Modus beschrieben, bei dem die Vielzahl von SOFC-Kartuschen 203 montiert und in dem Druckbehälter 205 aufgenommen sind. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und zum Beispiel kann auch ein Modus verwendet werden, bei dem die SOFC-Kartuschen 203 in dem Druckbehälter 205 aufgenommen sind, ohne montiert zu werden.
  • Wie in 2 gezeigt, weist die SOFC-Kartusche 203 eine Vielzahl von Zellstapeln 101, eine Stromerzeugungskammer 215, einen Brennstoffgaszufuhrverteiler 217, einen Brennstoffgasausleitungsverteiler 219, einen Oxidationsgas-(Luft-)Zufuhrverteiler 221 sowie einen Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223 auf. Ferner weist die SOFC-Kartusche 203 eine obere Rohrplatte 225a, eine untere Rohrplatte 225b, einen oberen Wärmeisolationskörper 227a sowie einen unteren Wärmeisolationskörper 227b auf.
  • In der vorliegenden Ausführungsform sind der Brennstoffgaszufuhrverteiler 217, der Brennstoffgasausleitungsverteiler 219, der Oxidationsmittelzufuhrverteiler 221 und der Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223 wie in 2 gezeigt angeordnet, wobei die SOFC-Kartusche 203 derart aufgebaut ist, dass das Brennstoffgas und das oxidierende Gas auf der Innenseite und der Außenseite des Zellstapels 101 entgegengesetzt strömen. Dies ist jedoch nicht immer erforderlich. Zum Beispiel können das Brennstoffgas und das oxidierende Gas auf der Innenseite und der Außenseite des Zellstapels 101 parallel zueinander strömen, oder das oxidierende Gas kann in einer zu der Längsrichtung des Zellstapels 101 orthogonalen Richtung strömen.
  • Die Stromerzeugungskammer 215 ist ein Bereich, der zwischen dem oberen Wärmeisolationskörper 227a und dem unteren Wärmeisolationskörper 227b gebildet wird. Die Stromerzeugungskammer 215 ist ein Bereich, in dem eine einzelne Brennstoffzelle 105 des Zellstapels 101 angeordnet ist, und ist ein Bereich, in dem das Brennstoffgas und das oxidierende Gas elektrochemisch zur Stromerzeugung umgesetzt werden. Ferner wird eine Temperatur in der Nähe des zentralen Abschnitts der Stromerzeugungskammer 215 in der Längsrichtung des Zellstapels 101 durch ein Temperaturmessteil (einen Temperatursensor wie etwa ein Thermoelement) überwacht und wird zu einer Hochtemperaturatmosphäre von ungefähr 700 °C bis 1.000 °C während eines Dauerbetriebs des Brennstoffzellenmoduls 201.
  • Der Brennstoffgaszufuhrverteiler 217 ist ein Bereich, der von einem oberen Gehäuse 229a und der oberen Rohrplatte 225a der SOFC-Kartusche 203 umgeben ist, und steht mit der Brennstoffgaszufuhrzweigleitung 207a durch ein Brennstoffgaszufuhrloch 231a in Verbindung, das an der Oberseite des oberen Gehäuses 229a angeordnet ist. Ferner sind die Vielzahl von Zellstapel 101 mit der oberen Rohrplatte 225a durch eine Dichtungskomponente 237a verbunden, und der Brennstoffgaszufuhrverteiler 217 führt das Brennstoffgas, das von der Brennstoffgaszufuhrzweigleitung 207a über die Brennstoffgaszufuhrloch 231a zugeführt wird, in Substratrohre 103 der Vielzahl von Zellstapel 101 mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Strömungsrate ein und vereinheitlicht im Wesentlichen die Stromerzeugungsleistung der Vielzahl von Zellstapel 101.
  • Der Brennstoffgasausleitungsverteiler 219 ist ein Bereich, der von einem unteren Gehäuse 229b und der unteren Rohrplatte 225b der SOFC-Kartusche 203 umgeben ist, und steht mit der Brennstoffgasausleitungszweigleitung 209a (nicht dargestellt) durch ein Brennstoffgasausleitungsloch 231b in Verbindung, das in dem unteren Gehäuse 229b vorgesehen ist. Ferner sind die Vielzahl von Zellstapel 101 mit der unteren Rohrplatte 225b durch eine Dichtungskomponente 237b verbunden, und der Brennstoffgasausleitungsverteiler 219 sammelt das Ausleitungsbrennstoffgas, das dem Brennstoffgasausleitungsverteiler 219 durch das Innere der Substratrohre 103 der Vielzahl von Zellstapel 101 zugeführt wird, und leitet das gesammelte Ausleitungsbrennstoffgas über das Brennstoffgasausleitungsloch 231b in die Brennstoffgasausleitungszweigleitung 209a ein.
  • Das Oxidationsgas mit der vorbestimmten Gaszusammensetzung und der vorbestimmten Durchflussrate wird gemäß der Stromerzeugungsmenge des Brennstoffzellenmoduls 201 in die Oxidationsmittelzufuhrzweigleitung abgezweigt und der Vielzahl von SOFC-Kartuschen 203 zugeführt. Der Oxidationsmittelzufuhrverteiler 221 ist ein Bereich, der von dem unteren Gehäuse 229b, der unteren Rohrplatte 225b und dem unteren Wärmeisolationskörper (Träger) 227b der SOFC-Kartusche 203 umgeben ist, und steht mit dem Oxidationsmittelzufuhrzweigleitung (nicht gezeigt) durch ein Oxidationsmittelzufuhrloch 23a in Verbindung, das in einer Seitenfläche des unteren Gehäuses 229b angeordnet ist. Der Oxidationsmittelzufuhrverteiler 221 leitet die vorbestimmte Strömungsrate des Oxidationsgases, das von der Oxidationsmittelzufuhrzweigleitung (nicht dargestellt) über das Oxidationsmittelzufuhrloch 233a zugeführt wird, über einen später beschriebenen Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a in die Stromerzeugungskammer 215 ein.
  • Der Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223 ist ein Bereich, der von dem oberen Gehäuse 229a, der oberen Rohrplatte 225a und dem oberen Wärmeisolationskörper (Träger) 227a der SOFC-Kartusche 203 umgeben ist, und steht mit der Oxidationsmittelausleitungszweigleitung (nicht gezeigt) durch eine Oxidationsmittelausleitungsloch 233b in Verbindung, das in einer Seitenfläche des oberen Gehäuses 229a angeordnet ist. Der Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223 leitet das oxidierte Ausleitungsgas, das dem Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223 über einen später beschriebenen Oxidationsmittelausleitungsspalt 235b zugeführt wird, von der Stromerzeugungskammer 215 über das Oxidationsmittelausleitungsloch 233b in die Oxidationsmittelausleitungszweigleitung (nicht dargestellt) ein.
  • Die obere Rohrplatte 225a ist an den Seitenplatten des oberen Gehäuses 229a derart befestigt, dass die obere Rohrplatte 225a, eine obere Platte des oberen Gehäuses 229a und der obere Wärmeisolationskörper 227a im Wesentlichen parallel zueinander sind, und zwar zwischen der oberen Platte des oberen Gehäuses 229a und dem oberen Wärmeisolationskörper 227a. Ferner weist die obere Rohrplatte 225a eine Vielzahl von Löchern auf, die der Anzahl der in der SOFC-Kartusche 203 vorgesehenen Zellstapel 101 entsprechen, und die Zellstapel 101 werden jeweils in die Löcher eingeführt. Die obere Rohrplatte 225a stützt ein Ende jedes der Vielzahl von Zellstapeln 101 luftdicht über eine oder beide Dichtungskomponenten 237a und ein Klebematerial ab und isoliert den Brennstoffgaszufuhrverteiler 217 von dem Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223.
  • Der obere Wärmeisolationskörper 227a ist an einem unteren Ende des oberen Gehäuses 229a derart angeordnet, dass der obere Wärmeisolationskörper 227a, die obere Platte des oberen Gehäuses 229a und die obere Rohrplatte 225a im Wesentlichen parallel zueinander sind, und ist an den Seitenplatten des oberen Gehäuses 229a befestigt. Ferner weist der obere Wärmeisolationskörper 227a eine Vielzahl von Löchern auf, die der Anzahl der in der SOFC-Kartusche 203 vorgesehenen Zellstapel 101 entsprechen. Jedes der Löcher hat einen Durchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Zellstapels 101. Der obere Wärmeisolationskörper 227a weist den Oxidationsmittelausleitungsspalt 235b auf, der zwischen einer Innenfläche des Lochs und einer Außenfläche des durch den oberen Wärmeisolationskörper 227a eingeführten Zellstapels 101 gebildet ist.
  • Der obere Wärmeisolationskörper 227a trennt die Stromerzeugungskammer 215 und den Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223 und unterbindet eine Verringerung der Festigkeit oder eine Zunahme der Korrosion durch ein Oxidationsmittel, das in dem Oxidationsgas enthalten ist, aufgrund einer erhöhten Temperatur der Atmosphäre um die obere Rohrplatte 225a. Die obere Rohrplatte 225a oder dergleichen ist aus einem Metallmaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit, etwa Inconel, hergestellt, und eine wärmebedingte Verformung, die dadurch entsteht, dass die obere Rohrplatte 225a oder dergleichen einer hohen Temperatur in der Stromerzeugungskammer 215 ausgesetzt wird und eine Temperaturdifferenz in der oberen Rohrplatte 225a oder dergleichen erhöht, wird verhindert. Ferner leitet der obere Wärmeisolationskörper 227a ein oxidiertes Ausleitungsgas, das die Stromerzeugungskammer 215 durchlaufen hat und der hohen Temperatur ausgesetzt war, durch den Oxidationsmittelausleitungsspalt 235b in den Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223 ein.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform strömen aufgrund der oben beschriebenen Struktur der SOFC-Kartusche 203 das Brennstoffgas und das oxidierende Gas auf der Innenseite und der Außenseite des Zellstapels 101 entgegengesetzt. Folglich tauscht das oxidierte Ausleitungsbrennstoffgas Wärme mit dem Brennstoffgas, das der Stromerzeugungskammer 215 durch das Innere des Substratrohrs 103 zugeführt wird, wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der die obere Rohrplatte 225a oder dergleichen, die aus dem Metallmaterial hergestellt ist, keiner Verformung, wie etwa Knicken unterliegt und wird dem Oxidationsmittelausleitungsverteiler 223 zugeführt. Ferner wird die Temperatur des Brennstoffgases durch den Wärmetausch mit dem oxidierten Ausleitungsbrennstoffgas erhöht, das aus der Stromerzeugungskammer 215 ausgeleitet und der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt wird. Dadurch kann das Brennstoffgas, das vorgewärmt und auf eine zur Stromerzeugung geeignete Temperatur gebracht wurde, ohne dass eine Heizvorrichtung oder ähnliches verwendet werden muss, der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt werden.
  • Die untere Rohrplatte 225b ist an den Seitenplatten des unteren Gehäuses 229b derart befestigt, dass die untere Rohrplatte 225b, eine Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und der untere Wärmeisolationskörper 227b zwischen der Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und dem unteren Wärmeisolationskörper 227b im Wesentlichen parallel zueinander sind. Ferner weist die untere Rohrplatte 225b eine Vielzahl von Löchern auf, die der Anzahl der in der SOFC-Kartusche 203 vorgesehenen Zellstapel 101 entsprechen, und die Zellstapel 101 werden jeweils in die Löcher eingeführt. Die untere Rohrplatte 225b stützt ein anderes Ende jedes der Vielzahl von Zellstapeln 101 über die Dichtungskomponente 237b oder das Klebematerial luftdicht ab und isoliert den Brennstoffgasausleitungsverteiler 219 von dem Oxidationsmittelzufuhrverteiler 221.
  • Der untere Wärmeisolationskörper 227b ist an einem oberen Ende des unteren Gehäuses 229b derart angeordnet, dass der untere Wärmeisolationskörper 227b, die Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und die untere Rohrplatte 225b im Wesentlichen parallel zueinander sind, und ist an den Seitenplatten des unteren Gehäuses 229b befestigt. Ferner weist der untere Wärmeisolationskörper 227b eine Vielzahl von Löchern auf, die der Anzahl der in der SOFC-Kartusche 203 vorgesehenen Zellstapel 101 entsprechen. Jedes der Löcher hat einen Durchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Zellstapels 101. Der untere Wärmeisolationskörper 227b umfasst den Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a, der zwischen einer Innenfläche des Lochs und der Außenfläche des durch den unteren Wärmeisolationskörper 227b eingeführten Zellstapels 101 gebildet wird.
  • Der untere Wärmeisolationskörper 227b trennt die Stromerzeugungskammer 215 und den Oxidationsmittelzufuhrverteiler 221 und unterbindet die Verringerung der Festigkeit oder die Zunahme von Korrosion durch das in dem Oxidationsgas enthaltene Oxidationsmittel aufgrund einer erhöhten Temperatur der Atmosphäre um die untere Rohrplatte 225b herum. Die untere Rohrplatte 225b oder dergleichen ist aus einem Metallmaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit wie Inconel gebildet und eine wärmebedingte Verformung, die dadurch entsteht, dass die untere Rohrplatte 225b oder dergleichen einer hohen Temperatur unterliegt und eine Temperaturdifferenz in der unteren Rohrplatte 225b oder ähnlichem erhöht wird, wird verhindert. Ferner führt der untere Wärmeisolationskörper 227b das Oxidationsgas, das dem Oxidationsmittelzufuhrverteiler 221 zugeführt wird, durch den Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a in die Stromerzeugungskammer 215 ein.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform strömen aufgrund der oben beschriebenen Struktur der SOFC-Kartusche 203 das Brennstoffgas und das oxidierende Gas auf der Innenseite und der Außenseite des Zellstapels 101 entgegengesetzt. Folglich tauscht das Ausleitungsgas, das durch die Stromerzeugungskammer 215 durch das Innere des Substratrohrs 103 hindurchgetreten ist, Wärme mit dem oxidierenden Gas, das der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt wird, und wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der die untere Rohrplatte 225b oder dergleichen, die aus dem Metallmaterial hergestellt ist, keiner Verformung wie etwa Knicken unterliegt und wird dem Brennstoffgasausleitungsverteiler 219 zugeführt. Ferner wird die Temperatur des oxidierenden Gases durch den Wärmeaustausch mit dem Ausleitungsbrennstoffgas erhöht und der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt. Im Ergebnis kann das oxidierende Gas, das auf eine zur Stromerzeugung benötigte Temperatur erhöht wird, der Stromerzeugungskammer 215 ohne Verwendung der Heizvorrichtung oder dergleichen zugeführt werden.
  • Nach der Ableitung in die Nähe des Endes des Zellstapels 101 durch eine Bleischicht 115, die in der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 105 angeordnet ist und aus Ni/YSZ oder ähnlichem gebildet ist, wird in der Stromerzeugungskammer 215 erzeugte Gleichstromleistung über eine Stromkollektorplatte (nicht gezeigt) an einem Stromkollektorstab (nicht dargestellt) der SOFC-Kartusche 203 gesammelt und aus jeder SOFC-Kartusche 203 herausgeführt. Der Gleichstrom, der von dem Stromkollektorstab zur Außenseite der SOFC-Kartusche 203 abgeleitet wird, verbindet die erzeugten Ströme der jeweiligen SOFC-Kartuschen 203 durch eine vorbestimmte Reihenanzahl und Parallelanzahl und wird zur Außenseite des Brennstoffzellenmoduls 201 abgeleitet, durch eine Stromumwandlungsvorrichtung (einen Wechselrichter oder dergleichen), wie eine Strom-Konditionierungseinrichtung (nicht gezeigt), in einen vorbestimmten Wechselstrom umgewandelt und einem Stromzufuhrziel (zum Beispiel einem Verbrauchersystem oder einem Stromzufuhrsystem) zugeführt.
  • Wie in 3 gezeigt, weist der Zellstapel 101 das zylindrisch geformte Substratrohr 103 als Beispiel, die Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 105, die auf einer äußeren Umfangsfläche des Substratrohrs 103 ausgebildet sind, und einen Interkonnektor 107 auf, der zwischen den benachbarten einzelnen Brennstoffzellen 105 ausgebildet ist. Jede der einzelnen Brennstoffzellen 105 wird durch Laminieren einer brennstoffseitigen Elektrode 109, eines Elektrolyten 111 und einer sauerstoffseitigen Elektrode 113 gebildet. Ferner weist der Zellenstapel 101 die Bleischicht 115 auf, die über den Interkonnektor 107 elektrisch mit der sauerstoffseitigen Elektrode 113 der einzelnen Brennstoffzelle 105 verbunden ist, die an dem in axialer Richtung am weitesten entfernten Ende des Substratrohrs 103 ausgebildet ist, und weist die Bleischicht 115 auf, die elektrisch mit der brennstoffseitigen Elektrode 109 der einzelnen Brennstoffzelle 105 verbunden ist, die an dem am weitesten entfernten anderen Ende der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 105 ausgebildet ist, die an der äußeren Umfangsfläche des Substratrohrs 103 ausgebildet sind.
  • Das Substratrohr 103 ist aus einem porösen Material gebildet und enthält zum Beispiel CaO-stabilisiertes ZrO2 (CSZ), eine Mischung (CSZ+NiO) aus CSZ und Nickeloxid (NiO) oder Y2O3 stabilisiertes ZrO2 (YSZ), MgAl2O4 oder dergleichen als Hauptbestandteil. Das Substratrohr 103 trägt die einzelnen Brennstoffzellen 105, den Interkonnektor 107 und die Bleischicht 115 und leitet das einer inneren Umfangsfläche des Substratrohrs 103 zugeführte Brennstoffgas über eine Pore des Substratrohrs 103 zur brennstoffseitigen Elektrode 109, die an der äußeren Umfangsfläche des Substratrohrs 103 ausgebildet ist.
  • Die brennstoffseitige Elektrode 109 ist aus einem Oxid eines Verbundwerkstoffs aus Ni und einem Elektrolytmaterial auf Zirkoniumdioxidbasis gebildet, wobei zum Beispiel Ni/YSZ verwendet wird. Die brennstoffseitige Elektrode 109 hat eine Dicke von 50 µm bis 250 µm, und die brennstoffseitige Elektrode 109 kann durch Siebdrucken einer Aufschlämmung hergestellt werden. In diesem Fall wirkt das Ni, das Bestandteil der brennstoffseitigen Elektrode 109 ist, katalytisch auf das Brennstoffgas. Durch die Katalyse wird das über das Substratrohr 103 zugeführte Brennstoffgas, zum Beispiel ein Mischgas aus Methan (CH4) und Wasserdampf, zu Reduktionsgas (H2) und Kohlenmonoxid (CO) reformiert. Anschließend reagiert die brennstoffseitige Elektrode 109 elektrochemisch das durch die Reformierung gewonnene Reduktionsgas (H2) und Kohlenmonoxid (CO) mit den über den Elektrolyten 111 zugeführten Sauerstoffionen (O2-) in der Nähe der Grenzfläche zum Elektrolyten 111 zu Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2). Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die einzelne Brennstoffzelle 105 Strom durch Elektronen, die von Sauerstoffionen abgegeben werden.
  • Das Brennstoffgas, das der brennstoffseitigen Elektrode 109 der Festoxid-Brennstoffzelle zugeführt und für diese verwendet werden kann, umfasst zum Beispiel ein Vergasungsgas, das aus Erdöl, Methanol und einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff wie Kohle durch eine Vergasungsanlage hergestellt wird, zusätzlich zu Reduktionsgas (H2) und karbonisiertem Reduktionsgas auf der Basis von Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4) oder dergleichen, Stadtgas oder Naturgas.
  • Als Elektrolyt 111 wird hauptsächlich YSZ verwendet, das eine gasdichte Eigenschaft, die den Durchtritt von Gasen erschwert, und eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit bei hohen Temperaturen aufweist. Der Elektrolyt 111 transportiert die in der sauerstoffseitigen Elektrode erzeugten Sauerstoffionen (O2-) zur brennstoffseitigen Elektrode. Der Elektrolyt 111, der sich auf einer Oberfläche der brennstoffseitigen Elektrode 109 befindet, hat eine Schichtdicke von 10 µm bis 100 µm, und der Elektrolyt 111 kann durch Siebdruck der Aufschlämmung gebildet werden.
  • Die sauerstoffseitige Elektrode 113 ist zum Beispiel aus einem Oxid auf LaSrMnO3-Basis oder einem Oxid auf LaCoO3-Basis gebildet, und die sauerstoffseitige Elektrode 113 wird mit der Aufschlämmung durch Siebdruck oder einen Dispenser beschichtet. Die sauerstoffseitige Elektrode 113 dissoziiert den Sauerstoff in dem Oxidationsgas, wie zum Beispiel zugeführte Luft, um Sauerstoffionen (O2-) in der Nähe der Grenzfläche zu dem Elektrolyten 111 zu erzeugen.
  • Die sauerstoffseitige Elektrode 113 kann auch einen zweischichtigen Aufbau haben. In diesem Fall ist die sauerstoffseitige Elektrodenschicht (sauerstoffseitige Elektrodenzwischenschicht) auf der Seite des Elektrolyten 111 aus einem Material gebildet, das eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweist und eine ausgezeichnete katalytische Aktivität besitzt. Die sauerstoffseitige Elektrodenschicht (leitende Schicht der sauerstoffseitigen Elektrode) auf der Zwischenschicht der sauerstoffseitigen Elektrode kann aus einem Oxid von dem Perowskit-Typ gebildet sein, das durch Sr und Ca-dotiertes LaMnO3 dargestellt wird. Auf diese Weise lässt sich Stromerzeugungsleistung weiter verbessern.
  • Das oxidierende Gas ist ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 15 % bis 30 %, und Luft ist beispielhaft geeignet. Neben Luft kann jedoch auch ein Mischgas aus einem Verbrennungsausleitungsbrennstoffgas und Luft, ein Mischgas aus Sauerstoff und Luft oder dergleichen verwendet werden.
  • Der Interkonnektor 107 ist aus einem leitfähigen Oxid des Perowskit-Typs gebildet, dargestellt durch M1-xLxTiO3 (M ist ein Erdalkalimetallelement, L ist ein Lanthanoidelement), wie zum Beispiel das SrTiO3-System, und druckt die Aufschlämmung im Siebdruckverfahren. Der Interkonnektor 107 hat einen dichten Film, so dass sich das Brennstoffgas und das oxidierende Gas nicht miteinander vermischen. Ferner hat der Interkonnektor 107 eine stabile Beständigkeit und elektrische Leitfähigkeit sowohl unter einer oxidierenden als auch unter einer reduzierenden Atmosphäre. In den benachbarten einzelnen Brennstoffzellen 105 verbindet der Interkonnektor 107 die sauerstoffseitige Elektrode 113 der einen einzelnen Brennstoffzelle 105 und die brennstoffseitige Elektrode 109 einer anderen einzelnen Brennstoffzelle 105 elektrisch und verbindet die benachbarten einzelnen Brennstoffzellen 105 miteinander in Reihe.
  • Die Bleischicht 115 muss eine Elektronenleitfähigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die jenen eines anderen Materials, aus dem der Zellstapel 101 gebildet, nahe kommen, und ist daher aus einem Verbundmaterial aus einem Elektrolytmaterial auf Zirkoniumdioxid-Basis und Ni wie Ni/YSZ oder M1-xLxTiO3 (M ist ein Erdalkalimetallelement, L ist ein Lanthanoidelement) wie dem SrTiO3-System. Die Bleischicht 115 leitet den Gleichstrom ab, der in der Vielzahl der durch den Interkonnektor 107 in Reihe geschalteten einzelnen Brennstoffzellen 105 in der Nähe des Endes des Zellstapels 101 erzeugt wird.
  • In manchen Ausführungsformen können die brennstoffseitige Elektrode oder die sauerstoffseitige Elektrode und das Substratrohr, anstatt wie oben beschrieben getrennt voneinander vorgesehen zu sein, dick ausgebildet sein, um auch als Substratrohr zu dienen. Obwohl das Substratrohr in der vorliegenden Ausführungsform mit einer zylindrischen Form beschrieben wird, ist der Querschnitt des Substratrohrs nicht notwendigerweise auf eine kreisförmige Form beschränkt, sondern kann zum Beispiel eine elliptische Form haben, sofern das Substratrohr eine rohrförmige Form aufweist. Es kann ein Zellstapel verwendet werden, der zum Beispiel eine flache röhrenförmige Form hat, die durch vertikales Zusammendrücken einer Umfangsseitenfläche des Zylinders erhalten wird.
  • (Konfiguration eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems)
  • Als nächstes wird ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 beschrieben, das das Brennstoffzellenmodul 201 mit der oben beschriebenen Konfiguration verwendet. 4 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 gemäß einer Ausführungsform.
  • Das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 umfasst ein Brennstoffzellenmodul 201, das in der Lage ist, Strom zu erzeugen, ein Brennstoffgaszufuhrsystem 20 zum Zuführen eines Brennstoffgases zu dem Brennstoffzellenmodul 201, ein Brennstoffgasausleitungssystem 30 zum Ausleiten eines Ausleitungsbrennstoffgases aus dem Brennstoffzellenmodul 201, ein Oxidationsmittelzufuhrsystem 40 zum Zuführen eines Oxidationsgases zu dem Brennstoffzellenmodul 201, ein Oxidationsmittelausleitungssystem 50 zum Ausleiten eines oxidierten Ausleitungsbrennstoffgases aus dem Brennstoffzellenmodul 201 und ein Stromnetz 60 zum Zuführen von in dem Brennstoffzellenmodul 201 erzeugtem Strom an ein externes System 65.
  • Das Brennstoffgaszufuhrsystem 20 umfasst eine Brennstoffgaszufuhrquelle 21, die das Brennstoffgas zuführen kann. Die Brennstoffgaszufuhrquelle 21 ist über eine Brennstoffgaszufuhrleitung 22 mit dem Brennstoffzellenmodul 201 verbunden. An der Brennstoffgaszufuhrleitung 22 ist ein Brennstoffgas-Durchflussregelventil V1 vorgesehen, welcher derart eingerichtet ist, dass es die Durchflussmenge des durch die Brennstoffgaszufuhrleitung 22 strömenden Brennstoffgases steuert bzw. regelt. Das durch die Brennstoffgaszufuhrleitung 22 strömende Brennstoffgas wird durch einen in der Brennstoffgaszufuhrleitung 22 angeordneten Brennstoffvorwärmer 23 vorgewärmt und dann der brennstoffseitigen Elektrode 109 des Brennstoffzellenmoduls 201 zugeführt. Wie später beschrieben wird, ist der Brennstoffvorwärmer 23 derart eingerichtet, dass er das durch die Brennstoffgaszufuhrleitung 22 strömende Brennstoffgas durch Wärmeaustausch mit dem Hochtemperaturbrennstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenmodul 201 austritt, vorwärmt.
  • Das Brennstoffgasausleitungssystem 30 umfasst eine Brennstoffgasausleitungsleitung 31, durch die das aus dem Brennstoffzellenmodul 201 ausgeleitete Brennstoffgas strömt. Das durch die Brennstoffgasausleitungsleitung 31 strömende Ausleitungsgas wird in den Brennstoffvorwärmer 23 eingeleitet und durch Wärmetausch mit dem durch die Brennstoffgaszufuhrleitung 22 strömenden Brennstoffgas gekühlt. Nachdem das Ausleitungsbrennstoffgas den Brennstoffvorwärmer 23 passiert hat, wird es in einem Kühler 32 weiter abgekühlt und dann durch ein Rückführgebläse B1 stromabwärts geleitet.
  • Eine stromabwärtige Seite des Rückführgebläses B1 in der Brennstoffgasausleitungsleitung 31 ist mit einer Rückführleitung 33 verbunden, die mit der Brennstoffgaszufuhrleitung 22 in Verbindung steht. Die Rückführleitung 33 ist mit einem Rückführmengen-Regelventil V2 versehen, und eine Rückführmenge des Ausleitungsbrennstoffgases über die Rückführleitung 33 kann basierend auf dem Öffnungsgrad des Rückführmengen-Regelventils V2 gesteuert bzw. geregelt werden.
  • Ferner ist stromabwärts des Rückführgebläses B1 in der Ausleitungsbrennstoffgasleitung 31 ein Ausleitungsbrennstoffgas-Durchflussregelventil V3 bereitgestellt, das derart eingerichtet ist, dass es die Durchflussrate des Ausleitungsbrennstoffgases zu einer Verbrennungsvorrichtung B2 regelt. Das Ausleitungsbrennstoffgas, das das Ausleitungsbrennstoffgas-Durchflussregelventil V3 passiert hat, wird der Verbrennungsvorrichtung B2 zugeführt. In der Verbrennungsvorrichtung B2 wird das Ausleitungsbrennstoffgas zusammen mit einem später beschriebenen oxidierten Ausleitungsbrennstoffgas verbrannt, wodurch ein Ausleitungsbrennstoffgas erzeugt wird.
  • Die Verbrennungsvorrichtung B2 kann zusätzlich über eine zusätzliche Brennstoffgaszufuhrleitung 34 mit dem Brennstoffgas aus der Brennstoffgaszufuhrquelle 21 versorgt werden. An der zusätzlichen Brennstoffgaszufuhrleitung 34 ist ein zusätzliches Brennstoffgas-Durchflussregelventil V5 vorgesehen, das derart eingerichtet ist, dass es eine zusätzliche Zufuhrmenge des Brennstoffgases zu der Verbrennungsvorrichtung B2 regelt. Auf diese Weise wird der Verbrennungsvorrichtung B2 zusätzliches Brennstoffgas zugeführt, wenn die im Ausleitungsbrennstoffgas-Brennstoffgas enthaltene Menge an ungenutztem Brennstoff gering ist, so dass das Ausleitungsbrennstoffgas durch gute Verbrennung des Ausleitungsbrennstoffgas-Brennstoffgases und des oxidierten Ausleitungsbrennstoffgases erzeugt werden kann.
  • Das Oxidationsmittelzufuhrsystem 40 umfasst eine Oxidationsmittelzufuhrquelle 41, die das oxidierende Gas zuführen kann. Das Oxidationsgas aus der Oxidationsmittelzufuhrquelle 41 wird von einem Verdichter 42, der einen Turbolader T/C bildet, verdichtet und dann über eine Oxidationsmittelzufuhrleitung 43 der sauerstoffseitigen Elektrode 113 des Brennstoffzellenmoduls 201 zugeführt. Der Verdichter 42 ist mit einer Turbine 35 verbunden, die durch das Ausleitungsbrennstoffgas aus der Verbrennungsvorrichtung B2 angetrieben werden kann und somit durch Energierückgewinnung des durch eine Ausleitungsbrennstoffgasleitung 37 mit der Turbine 35 strömenden Ausleitungsbrennstoffgases angetrieben wird.
  • Das von dem Verdichter 42 komprimierte Oxidationsgas durchströmt den Rekuperator 36, wird dabei durch Wärmeaustausch mit dem durch die Ausleitungsbrennstoffgasleitung 37 strömenden Hochtemperatur-Ausleitungsbrennstoffgas auf eine höhere Temperatur gebracht und anschließend durch eine Heizvorrichtung 44 weiter erwärmt. Das von der Heizvorrichtung 44 erwärmte Oxidationsgas wird der sauerstoffseitigen Elektrode 113 des Brennstoffzellenmoduls 201 über ein Oxidationsgas-Durchflussregelventil V6 zugeführt. Die Menge des dem Brennstoffzellenmodul 201 zugeführten oxidierenden Gases kann durch den Öffnungsgrad des Oxidationsgas-Durchflussregelventils V6 gesteuert werden.
  • Ferner kann die Oxidationsmittelzufuhrleitung 43 das Brennstoffgas von der Brennstoffgaszufuhrquelle 21 über eine sauerstoffseitige Brennstoffgaszufuhrleitung 45 nach Bedarf an die sauerstoffseitige Elektrode 113 des Brennstoffzellenmoduls 201 zuführen. Eine solche Zuführung des Brennstoffgases an die sauerstoffseitige Elektrode 113 ermöglicht einen schnellen Wechsel in einen Stromerzeugungszustand, zum Beispiel durch Verbrennung des Brennstoffgases an der sauerstoffseitigen Elektrode 113, um das Brennstoffzellenmodul 201 in einem Hochtemperaturzustand (sog. Hot-Standby-Zustand) in einem Nicht-Stromerzeugungszustand zu halten. In der sauerstoffseitigen Brennstoffgaszufuhrleitung 45 ist ein sauerstoffseitiges Brennstoffgas-Durchflussregelventil V4 vorgesehen, das derart eingerichtet ist, dass es die Menge des der sauerstoffseitigen Elektrode 113 zugeführten Brennstoffgases regelt.
  • Ferner ist die Heizvorrichtung 44 über eine Heizvorrichtung-Brennstoffgaszufuhrleitung 46 mit einer zweiten Brennstoffgaszufuhrquelle 47 verbunden. An der Heizvorrichtung-Brennstoffgaszufuhrleitung 46 ist ein Heizvorrichtungs-Brennstoffgas-Durchflussregelventil V11 vorgesehen, das derart eingerichtet ist, dass es die Menge des von der zweiten Brennstoffgaszufuhrquelle 47 zugeführten Brennstoffgases steuert bzw. regelt. Auf diese Weise kann die Heizvorrichtung 44 die Temperatur des durch die Oxidationsmittelzufuhrleitung 43 strömenden Oxidationsgases erhöhen, indem es das Brennstoffgas aus der zweiten Brennstoffgaszufuhrquelle 47 verbrennt.
  • Das Oxidationsmittelausleitungssystem 50 umfasst eine Oxidationsmittel-Ausleitungsleitung 51, durch die das von der sauerstoffseitigen Elektrode 113 des Brennstoffzellenmoduls 201 ausgeleitete oxidierte Ausleitungsbrennstoffgas strömt. Die Oxidationsmittel-Ausleitungsleitung 51 ist mit der Verbrennungsvorrichtung B2 verbunden, in der das oxidierte Ausleitungsgas aus der Oxidationsmittel-Ausleitungsleitung 51 zusammen mit dem Brennstoffgas verbrannt wird, um ein Ausleitungsbrennstoffgas zu erzeugen.
  • Das in der Verbrennungsvorrichtung B2 erzeugte Ausleitungsbrennstoffgas treibt die Turbine 35 des an der Ausleitungsbrennstoffgasleitung 37 angeordneten Turboladers T/C an. Das Ausleitungsbrennstoffgas, das in der Turbine 35 seine Arbeit beendet hat, wird durch Wärmeaustausch mit dem Oxidationsgas in dem Rekuperator 36 abgekühlt und dann nach außen abgeleitet.
  • Die Betriebseffizienz der Turbine 35 nimmt ab, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Ausleitungsgasleitung 37 strömenden Ausleitungsgases gering ist, wie etwa beim Start des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1, und daher enthält der Turbolader T/C einen Elektromotor B3 zum Antrieb des Verdichters 42 in einem solchen Fall.
  • Das Stromnetz 60 umfasst einen Wechselrichter 61 zur Umwandlung des von dem Brennstoffzellenmodul 201 abgegebenen Gleichstroms in Wechselstrom mit einer vorgegebenen Frequenz. Der Wechselrichter 61 ist über eine Gleichstrom-Übertragungsleitung 62 mit einem Ausgang des Brennstoffzellenmoduls 201 und über eine Wechselstrom-Übertragungsleitung 63 mit dem externen System 65 verbunden, welches das Ziel der Energiezufuhr ist. Das externe System 65 ist zum Beispiel ein handelsübliches System mit einer handelsüblichen Frequenz. In diesem Fall wandelt der Wechselrichter 61 den von dem Brennstoffzellenmodul 201 über die Gleichstrom-Übertragungsleitung 62 eingespeisten Gleichstrom in Wechselstrom mit der Netzfrequenz um und führt den Wechselstrom über die Wechselstrom-Übertragungsleitung 63 an das externe System 65.
  • Das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 umfasst ein Ressourcenspeicherteil 70, das in der Lage ist, Ressourcen zu speichern, die zusammen mit dem Betrieb des Systems erzeugt werden, und ein Ressourcenzufuhrteil 80, das in der Lage ist, die in dem Ressourcenspeicherteil 70 gespeicherten Ressourcen zumindest entweder dem Brennstoffzellenmodul 201 oder der Peripherievorrichtung zuzuführen. Die Ressourcen, die von dem Ressourcenspeicherteil 70 und dem Ressourcenzufuhrteil 80 gehandhabt werden, können jede Substanz und Energie umfassen, die zusammen mit dem Betrieb des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 erzeugt werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem Strom, Wasser (H2O), Reduktionsgas (H2) und Kohlendioxid (CO2), die während des Betriebs des Brennstoffzellenmoduls 201 erzeugt werden, als Ressourcen behandelt werden. Als Reaktion darauf enthält das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 eine Zufuhreinrichtung (eine Reduktionsgas-Speichereinrichtung U1, eine Wasserspeichereinrichtung U2, eine Kohlendioxid-Speichereinrichtung U3 und eine Stromspeichereinrichtung U4) als das Ressourcenspeicherteil 70 und entsprechend ein Reduktionsgaszufuhrteil S1, ein Wasserzufuhrteil S2, ein Kohlendioxidzufuhrteil S3 und ein Stromzufuhrteil S4 als das Ressourcenzufuhrteil 80. Ferner kann die Peripherievorrichtung eine breite Spanne von anderen Elementen als das Brennstoffzellenmodul 201 unter den Elementen aufweisen, die das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 bilden. In der vorliegenden Ausführungsform sind Hilfsgeräte (das Rückführgebläse B1, die Verbrennungsvorrichtung B2, der Elektromotor B3 und eine Reformierungswasserzufuhrpumpe B4) ein Beispiel für die Peripherievorrichtung.
  • Die Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 ist ein Aspekt des Ressourcenspeicherteils 70, das in der Lage ist, das durch die Stromerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenmoduls 201 erzeugte Reduktionsgas als Ressource zu speichern. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 als ein Tank ausgebildet, der in der Lage ist, das Reduktionsgas zu speichern, das in dem durch die Brennstoffgasausleitungsleitung 31 strömenden Ausleitungsbrennstoffgas enthalten ist, indem er über eine Reduktionsgasspeicherleitung 72 verbunden ist, die zwischen dem Rückführgebläse B1 und dem Brennstoffgas-Durchflussregelventil V3 in der Brennstoffgasausleitungsleitung 31 abzweigt. An der Reduktionsgas-Speicherleitung 72 ist ein Reduktionsgas-Speichermengen-Regelventil V7 vorgesehen, das derart eingerichtet ist, dass es die Menge des in der Reduktionsgas-Speichereinrichtung U1 gespeicherten Reduktionsgases steuert bzw. regelt.
  • Das in der Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 gespeicherte Reduktionsgas kann dem Brennstoffzellenmodul 201 durch das Reduktionsgaszufuhrteil S1 zugeführt werden, der ein Aspekt des Ressourcenzufuhrteils 80 ist. Das Reduktionsgaszufuhrteil S 1 weist eine Reduktionsgaszufuhrleitung 82, welche die Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 mit der Brennstoffgaszufuhrleitung 22 verbindet, und ein Reduktionsgas-Zufuhrmengenregelventil V8 auf, das an der Reduktionsgaszufuhrleitung 82 angeordnet ist.
  • Die Wasserspeichereinrichtung U2 ist ein weiterer Aspekt des Ressourcenspeicherteils 70, der in der Lage ist, das durch die Stromerzeugungsreaktion des Brennstoffzellenmoduls 201 erzeugte Wasser als Ressource zu speichern. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Wasserspeichereinrichtung U2 mit einer Wasserrückgewinnungsvorrichtung 71 verbunden, die stromabwärts des Rekuperators 36 in der Ausleitungsbrennstoffgasleitung 37 angeordnet ist, und ist als ein Tank eingerichtet, der in der Lage ist, das Wasser zu speichern, das durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 71 aus dem durch die Ausleitungsbrennstoffgasleitung 37 strömenden Ausleitungsbrennstoffgas zurückgewonnen wird.
  • Dann kann das in der Wasserspeichereinrichtung U2 gespeicherte Wasser dem Brennstoffzellenmodul 201 durch das Wasserzufuhrteil S2 zugeführt werden, der ein Aspekt des Ressourcenzufuhrteils 80 ist. Das Wasserzufuhrteil S2 umfasst eine Wasserzufuhrleitung 81, welche die Wasserspeichereinrichtung U2 mit der Brennstoffgaszufuhrleitung 22 verbindet, ein an der Wasserzufuhrleitung 81 angeordnetes Wasserzufuhrmengen-Regelventil V10 und die Reformierwasserzufuhrpumpe B4 zum Pumpen von Wasser auf der Wasserzufuhrleitung 81.
  • Die Kohlendioxidspeichereinrichtung U3 ist ein weiterer Aspekt des Ressourcenspeicherteils 70, der in der Lage ist, Kohlendioxid, das durch die Reformierungsreaktion des Brennstoffgases im Brennstoffzellenmodul 201 erzeugt wird, als Ressource zu speichern. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Kohlendioxidspeichereinrichtung U3 mit einer Kohlendioxid-Rückgewinnungsvorrichtung 73 verbunden, die stromabwärts des Rekuperators 36 in der Ausleitungsbrennstoffgasleitung 37 angeordnet ist, und ist als ein Tank eingerichtet, der in der Lage ist, das Kohlendioxid zu speichern, das von der Kohlendioxid-Rückgewinnungsvorrichtung 73 aus dem durch die Ausleitungsbrennstoffgasleitung 37 strömenden Ausleitungsbrennstoffgas zurückgewonnen wird.
  • Dann kann das in der Kohlendioxidspeichereinrichtung U3 gespeicherte Kohlendioxid dem Brennstoffzellenmodul 201 durch das Kohlendioxidzufuhrteil S3 zugeführt werden, der ein Aspekt des Ressourcenzufuhrteils 80 ist. Der Kohlendioxidzufuhrteil S3 umfasst eine Kohlendioxidzufuhrleitung 83, die eine Verbindung zwischen der Kohlendioxid-Speichereinrichtung U3 und der Reduktionsgaszufuhrleitung 82 (im Wesentlichen die Brennstoffgaszufuhrleitung 22) herstellt, und ein Kohlendioxidzufuhrmengen-Regelventil V9, das an der Kohlendioxidzufuhrleitung 83 angeordnet ist.
  • Die Stromspeichereinrichtung U4 ist ein Aspekt des Ressourcenspeicherteils 70, das in der Lage ist, die von dem Brennstoffzellenmodul 201 erzeugte Energie als Ressource zu speichern. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Stromspeichereinrichtung U4 als eine Speicherbatterie ausgebildet, die in der Lage ist, den von dem Brennstoffzellenmodul 201 ausgeleiteten Gleichstrom zu speichern, indem sie mit der Gleichstromübertragungsleitung 62 verbunden ist.
  • Dann kann der in der Stromspeichereinrichtung U4 gespeicherte Strom durch das Energiezufuhrteil S4, das ein Aspekt des Ressourcenzufuhrteils 80 ist, an die Peripherievorrichtung (zum Beispiel Hilfsgeräte (BOP) wie das Rückführgebläse B1, den Elektromotor B3 und die Reformierwasserförderpumpe B4) des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 zugeführt werden.
  • Ferner umfasst das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 einen Controller 380 zur Steuerung jeder Komponente des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1. Der Controller 380 umfasst zum Beispiel eine Zentraleinheit (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), ein computerlesbares Speichermedium und dergleichen. Dann wird eine Reihe von Prozessen zur Realisierung verschiedener Funktionen in dem Speichermedium oder dergleichen in der Form eines Programms gespeichert, als Beispiel. Die CPU liest das Programm in den Arbeitsspeicher oder dergleichen und führt die Verarbeitung/Berechnung von Informationen aus, wodurch die verschiedenen Funktionen realisiert werden. Das Programm kann in einer Konfiguration angewendet werden, in der das Programm im ROM oder einem anderen Speichermedium vorab installiert ist, in einer Konfiguration, in der das Programm in einem Zustand bereitgestellt wird, in dem es in dem computerlesbaren Speichermedium gespeichert ist, in einer Konfiguration, in der das Programm über ein kabelgebundenes oder Drahtlos-Kommunikationsmittel verteilt wird, oder in einer ähnlichen Konfiguration. Das computerlesbare Speichermedium ist eine Magnetplatte, eine magneto-optische Platte, eine CD-ROM, eine DVD-ROM, ein Halbleiterspeicher oder dergleichen.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 mit der oben beschriebenen Konfiguration beschrieben. 5 ist ein Zeitdiagramm, das eine Temperaturänderung von einem Stoppvorgang zu einem Startvorgang des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 zeigt. 6A bis 6H sind Diagramme, die jeweils einen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 in den jeweiligen Zeiträumen P1 bis P9 von 5 zeigen. 7 ist eine Tabelle, die die Betriebszustände der jeweiligen Konfigurationen des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 in den jeweiligen Zeiträumen P1 bis P9 von 5 zeigt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird, wie in 5 gezeigt, eine Reihe von Abläufen beschrieben, bis in Bezug auf das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 im Nennbetriebszustand der Stoppvorgang zum Zeitpunkt t1 gestartet wird, ein gestoppter Zustand durch Beendigung des Stoppvorgangs zum Zeitpunkt t5 realisiert wird, danach der Startvorgang zum Zeitpunkt t6 gestartet wird und der Betrieb zum Zeitpunkt t9 in den ursprünglichen Nennbetriebszustand zurückgeführt wird. Eine solche Reihe von Abläufen wird auf der Grundlage einer Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls 201 in mehrere Zeiträume P1 bis P9 unterteilt. Im Folgenden wird der Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 in den jeweiligen Zeiträumen P1 bis P9 näher beschrieben.
  • Zunächst befindet sich das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 in dem ersten Zeitraum P1 (bis zum Zeitpunkt 11) im Nennbetriebszustand. Im Nennbetriebszustand, wie in 6A gezeigt, werden das Brennstoffgas-Durchflussregelventil V1, das Ausleitungsbrennstoffgas-Durchflussregelventil V3 und das Oxidationsgas-Durchflussregelventil V6 derart gesteuert, dass sie offen sind, wodurch die Stromerzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellenmodul 201 durchgeführt wird und das Stromnetz 60 mit Energie bei der Nennleistung versorgt wird. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Temperatur T der Brennstoffzelle eine erste Temperatur T1 (die Nennbetriebstemperatur beträgt zum Beispiel etwa 800 °C bis 900 °C).
  • In dem ersten Zeitraum P1 steuert der Controller 380 das Reduktionsgasspeichermengen-Regelventil V7 dahingehend, offen zu sein, wodurch das in dem Ausleitungsbrennstoffgas des Brennstoffzellenmoduls 201 enthaltene Reduktionsgas (das im Ausleitungsbrennstoffgas verbleibende Reduktionsgas, das nicht im Brennstoffzellenmodul 201 verbraucht wird, oder das durch die Reformierungsreaktion einer im Ausleitungsbrennstoffgas enthaltenen Kohlenstoffkomponente erzeugte Reduktionsgas) in der Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 als Ressource gespeichert wird. Ferner speichert der Controller 380 das von der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 71 aus dem durch die Ausleitungsbrennstoffgasleitung 37 strömenden Ausleitungsbrennstoffgas zurückgewonnene Wasser in der Wasserspeichereinrichtung U2 als Ressource und speichert das von der Kohlendioxidrückgewinnungsvorrichtung 73 zurückgewonnene Kohlendioxid in der Kohlendioxidspeichereinrichtung U3 als Ressource. Ferner speichert der Controller 380 den von dem Brennstoffzellenmodul 201 erzeugten Strom in der Stromspeichereinrichtung U4 als Ressource. Durch die Speicherung der in der Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 erzeugten Ressourcen im Nennbetriebszustand ist es möglich, die während des Stoppvorgangs oder des Startvorgangs verbrauchten Ressourcen sicher und effektiv zu nutzen.
  • In dem ersten Zeitraum P1 rezirkuliert der Controller 380 einen Teil des Ausleitungsbrennstoffgases von dem Brennstoffzellenmodul 201 zu dem Brennstoffzellenmodul 201, indem er das Rückführmengen-Regelventil V2 derart steuert, dass es offen ist, wodurch die Reformierungsreaktion des Brennstoffgases unter Verwendung des im Ausleitungsbrennstoffgas enthaltenen Wassers durchgeführt wird. In dem ersten Zeitraum P1 steuert der Controller 380 das sauerstoffseitige Brennstoffgas-Durchflussregelventil V4, das Reduktionsgaszufuhrmengen-Regelventil V8, das Kohlendioxidzufuhrmengen-Regelventil V9, das Wasserzufuhrmengen-Regelventil V10 und das Heizvorrichtungs-Brennstoffgas-Durchflussregelventil V11 geschlossen.
  • In dem zweiten Zeitraum P2 (Zeit t1 bis Zeit t2), wie in 5 gezeigt, sinkt die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls 201 allmählich von der ersten Temperatur T1 (Nennbetriebstemperatur von ca. 900°C bis 800°C) zu dem Zeitpunkt 11, wenn der Stoppvorgang beginnt, auf eine zweite Temperatur T2 (untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung = ca. 600°C) T2 zum Zeitpunkt t2. Wie in 6B gezeigt, stoppt der Controller 380 die Zufuhr von Brennstoffgas an das Brennstoffzellenmodul 201, indem er steuert, dass das Brennstoffgas-Durchflussregelventil V1 geschlossen wird, und stoppt die Stromzufuhr an das Stromzufuhrziel (d.h. er trennt die Verbindung zu dem Stromzufuhrziel). Bei diesem Vorgang befindet sich das Brennstoffzellenmodul 201 in einem Hochtemperaturzustand, der gleich oder höher ist als die untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung, so dass es möglich ist, mit dem verbleibenden aktiven Material Strom zu erzeugen (Selbstverbrauch). Daher speichert der Controller 380 den durch die Fortsetzung der Stromerzeugung im Brennstoffzellenmodul 201 gewonnenen Strom in der Stromspeichereinrichtung U4 als Ressource. Ferner speichert der Controller 380 das Reduktionsgas, das in dem bei der Stromerzeugung entstehenden Ausleitungsbrennstoffgas enthalten ist, in der Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 als Ressource. Ferner wird das Wasser, das in dem zusammen mit der Stromerzeugungsreaktion erzeugten Ausleitungsbrennstoffgas enthalten ist, durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 71 zurückgewonnen und in der Wasserspeichereinrichtung U2 als Ressource gespeichert, und das in dem Ausleitungsbrennstoffgas enthaltene Kohlendioxid wird durch die Kohlendioxidrückgewinnungsvorrichtung 73 zurückgewonnen und in der Kohlendioxidspeichereinrichtung U3 als Ressource gespeichert. Somit werden in der zweiten Zeitraum T2, wenn sich das Brennstoffzellenmodul 201 im Hochtemperaturzustand befindet, der in der Lage ist, Strom zu erzeugen, die Ressourcen, die durch den Selbstverbrauch des verbleibenden aktiven Materials erzeugt werden, gespeichert, um effektiv im nachfolgenden Stopp- oder Startprozess verwendet zu werden.
  • In dem zweiten Zeitraum P2 kann der Controller 380, um Strom durch Selbstverbrauch des aktiven Materials im Brennstoffzellenmodul 201 zu erzeugen, wenn das für die Reformierung der im Brennstoffgas enthaltenen Kohlenstoffkomponente erforderliche Reformierungswasser nicht ausreicht, das in der Wasserspeichereinrichtung U2 gespeicherte Wasser dem Brennstoffzellenmodul 201 als Reformierungswasser zuführen, indem er das Wasserzufuhrmengen-Regelventil V10 dahingehend ansteuert, offen zu sein.
  • In dem dritten Zeitraum P3 (Zeit t2 bis Zeit t3), wie in 5 gezeigt, sinkt die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls 201 allmählich von der zweiten Temperatur T2 (untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung = ca. 600°C) zum Zeitpunkt t2 auf eine dritte Temperatur T3 (untere Grenztemperatur für die katalytische Verbrennung = ca. 400°C) zum Zeitpunkt t3. Da die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls 201 zu diesem Zeitpunkt nicht höher ist als die zweite Temperatur T2, die die untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung ist, wird die Stromerzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellenmodul 201 gestoppt und der Zustand der Nicht-Stromerzeugung wird erreicht. Wie in 6C gezeigt, stoppt der Controller 380 die Speicherung des Reduktionsgases in der Reduktionsgasspeichereinrichtung U1, indem sie das Reduktionsgasspeichermengen-Regelventil V7 derart steuert, dass es geschlossen ist, während er das in der Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 gespeicherte Reduktionsgas dem Brennstoffzellenmodul 201 als Reduktionsgas zuführt, indem er das Reduktionsgaszufuhrmengen-Regelventil V8 derart steuert, dass es offen ist, und den Elektromotor B3 antreibt. So kann das Reduktionsgas dem Brennstoffzellenmodul 201 zugeführt werden, indem das Reduktionsgas verwendet wird, das im Voraus in der Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 gespeichert wurde. Zu diesem Zeitpunkt kann der unterstützende Antrieb des Elektromotors B3 auch unter Verwendung des zuvor in der Stromspeichereinrichtung U4 gespeicherten Stroms erfolgen, so dass keine Stromzufuhr von außen erforderlich ist und der Stromverbrauch gesenkt werden kann. Das Wasserzufuhrmengen-Regelventil V10 wird derart gesteuert, dass es in dem dritten Zeitraum P3 geschlossen ist. Neben dem bereits erwähnten Elektromotor B3 kann die Energiezufuhr aus der Stromspeichereinrichtung U4 auch für die zur Realisierung des Betriebszustands erforderlichen Hilfsaggregate erfolgen.
  • In dem vierten Zeitraum P4 (Zeit t3 bis Zeit t4), wie in 5 gezeigt, sinkt die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls 201 allmählich von der dritten Temperatur T3 (untere Grenztemperatur für die Katalysatorverbrennung = ca. 400°C) zum Zeitpunkt t3 in Richtung einer vierten Temperatur T4 (untere Grenztemperatur für die Drainageerzeugung = ca. 200°C) zum Zeitpunkt t4. Wie in 6D gezeigt, stoppt der Controller 380 die Zufuhr von Reduktionsgas zur Aufrechterhaltung des Reduktionszustands des Brennstoffsystems, indem er das Reduktionsgaszufuhrmengen-Regelventil V8 allmählich schließt, während er Kohlendioxid als Spülgas aus der Kohlendioxidspeichereinrichtung U3 der brennstoffseitigen Elektrode 109 des Brennstoffzellenmoduls 201 zuführt, indem er das Kohlendioxidzufuhrmengen-Regelventil V9 öffnet und den Elektromotor B3 antreibt. Auf diese Weise kann das Spülgas dem Brennstoffsystem des Brennstoffzellenmoduls 201 zugeführt werden, indem das vorab in der Kohlendioxidspeichereinrichtung U3 gespeicherte Kohlendioxid verwendet wird, ohne auf eine Peripherievorrichtung wie eine externe Spülgasflasche angewiesen zu sein.
  • Der Hilfsantrieb des Elektromotors B3 in dem vierten Zeitraum P4 kann auch unter Verwendung des im Vorfeld in der Stromspeichereinrichtung U4 gespeicherten Strom erfolgen. Neben dem bereits erwähnten Elektromotor B3 kann die Energiezufuhr aus der Stromspeichereinrichtung U4 gegebenenfalls auch für die zur Realisierung des Betriebszustandes notwendigen Hilfsaggregate erfolgen.
  • In dem fünften Zeitraum P5 (Zeit t4 bis Zeit t5), wie in 5 gezeigt, sinkt die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls allmählich von der vierten Temperatur T4 (untere Grenztemperatur für die Drainageerzeugung = ca. 200°C) zum Zeitpunkt t4 auf eine fünfte Temperatur T5 (Normaltemperatur = ca. 25°C) zum Zeitpunkt t5. Wie in 6E gezeigt, steuert der Controller 380 das Oxidationsgasstrom-Regelventil V6 und das Kohlendioxidzufuhr-Regelventil V9 derart, dass sie geschlossen werden, und steuert das Ausleitungsbrennstoffgas-Durchflussregelventil V3 derart, dass es nach Abschluss der Systemreinigung geschlossen wird. Dann wird der Stoppvorgang des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 durch Stoppen des Rückführungsgebläses B 1, des Turboladers T/C und des Elektromotors B3 abgeschlossen.
  • Das Spülen des Brennstoffzellenmoduls 201 in dem vierten Zeitraum P4 und dem fünften Zeitraum P5 kann durch Anschließen einer Vorrichtung, die einen Unterdruck, wie zum Beispiel eine Vakuumpumpe, erzeugen kann, an zumindest entweder die Brennstoffgaszufuhrleitung 22 oder die zu spülende Brennstoffgasabfuhrleitung erfolgen. In diesem Fall kann durch Anlegen des Unterdrucks an diese Leitungen das in den Leitungen verbliebene zu spülende Gas effektiv ausgeleitet werden. Der Antrieb der Vorrichtung, wie zum Beispiel der Vakuumpumpe, erfolgt ebenfalls mit Hilfe des in der Stromspeichereinrichtung U4 gespeicherten Stroms, wodurch eine externe Stromzufuhr überflüssig wird und eine gute Systemeffizienz erzielt werden kann.
  • In dem sechsten Zeitraum P6 (Zeit t5 bis Zeit t6) wird das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 in dem gestoppten Zustand gehalten, und wie in 5 gezeigt, wird die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls 201 auf der fünften Temperatur T5 (Normaltemperatur = ca. 25°C) gehalten.
  • In dem siebten Zeitraum P7 (Zeit t6 bis Zeit t7), wie in 5 gezeigt, steigt die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls 201 durch Starten des Startprozesses allmählich von der fünften Temperatur T5 (normale Temperatur = etwa 25°C) zum Zeitpunkt t6 auf die dritte Temperatur T3 (untere Grenztemperatur für die katalytische Verbrennung = etwa 400°C) zum Zeitpunkt t7. Wie in 6F gezeigt, steuert der Controller 380 das Rückführungsmengen-Regelventil V2, das Ausleitungsbrennstoffgas-Brennstoffgas-Durchflussregelventil V3, das Oxidationsgas-Durchflussregelventil V6, das Reduktionsgaszufuhrmengen-Regelventil V8 und das Heizbrennstoffgas-Durchflussregelventil V11 derart, dass sie offen sind, und startet die Verbrennung in der Stromerzeugungskammer, während er das im Voraus in der Reduktionsgas-Speichereinrichtung U1 gespeicherte Reduktionsgas dem Brennstoffzellenmodul 201 als Reduktionsgas zuführt, indem er das Rückführungsgebläse B1 und den Elektromotor B3 antreibt.
  • In dem achten Zeitraum P8 (Zeit t7 bis Zeit t8), wie in 5 gezeigt, steigt die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls allmählich von der dritten Temperatur T3 (untere Grenztemperatur für die Katalysatorverbrennung = ca. 400°C) zum Zeitpunkt t7 in Richtung der zweiten Temperatur T2 (untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung = ca. 600°C) zum Zeitpunkt t8. Wie in 6G dargestellt, steuert der Controller 380 das Brennstoffgas-Durchflussregelventil V1 derart, dass es offen ist, während er weiterhin das Reduktionsgas aus der Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 als Reduktionsgas zuführt, wodurch das Brennstoffgas dem Brennstoffzellenmodul 201 zugeführt wird, um die Stromerzeugung zu starten. Außerdem wird mit dem Beginn der Stromerzeugung im Brennstoffzellenmodul 201 der Elektromotor B3 angehalten und die Verbrennungsvorrichtung B2 gestartet. Folglich wird Kohlendioxid durch die Kohlendioxid-Rückgewinnungsvorrichtung 73 aus dem von der Verbrennungsanlage B2 erzeugten Ausleitungsbrennstoffgas zurückgewonnen und in der Kohlendioxid-Speichereinrichtung U3 als Ressource gespeichert.
  • In dem neunten Zeitraum P9 (Zeit t8 bis Zeit t9), wie in 5 gezeigt, steigt die Temperatur T des Brennstoffzellenmoduls 201 allmählich von der zweiten Temperatur T2 (untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung = ca. 600°C) zum Zeitpunkt t8 auf die erste Temperatur T1 (Nennbetriebstemperatur = ca. 800 °C bis 900 °C) zum Zeitpunkt t9. Wie in 6H gezeigt, steuert der Controller 380 das Wasserzufuhrmengen-Regelventil V10 derart, dass es offen ist, und aktiviert die Reformierungswasserzufuhrpumpe B4, wodurch das zur Stromerzeugung im Brennstoffzellenmodul 201 erforderliche Reformierungswasser aus der Wasserspeichereinrichtung U2 zugeführt wird. Weiterhin speichert der Controller 380 die von dem Brennstoffzellenmodul 201 erzeugte Leistung in der Stromspeichereinrichtung U4 als Ressource. Ferner steuert der Controller 380 das Reduktionsgaszufuhrmengen-Regelventil V8 derart, dass es geschlossen wird, und steuert das Reduktionsgasspeichermengen-Regelventil V7 derart, dass es geöffnet wird, wodurch das im Ausleitungsbrennstoffgas des Brennstoffzellenmoduls 201 enthaltene Reduktionsgas in der Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 als Ressource gespeichert wird. In dem neunten Zeitraum P9 werden das Brennstoffgas-Durchflussregelventil V4 der Stromerzeugungskammer und das T/C-Brennstoffgas-Durchflussregelventil V5 derart gesteuert, dass sie geschlossen werden.
  • Nachdem der Startvorgang somit zum Zeitpunkt t9 abgeschlossen ist, geht das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem in den Nennbetriebszustand wie in der vorgenannten ersten Zeitraum P1 über.
  • Wie oben beschrieben, werden im Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 die im Stopp-Prozess erzeugten Ressourcen in dem Ressourcenspeicherteil 70 gespeichert, und die Ressourcen werden dem Brennstoffzellenmodul 201 oder den Peripherievorrichtungen, wie zum Beispiel den Hilfseinrichtungen, durch das Ressourcenzufuhrteil 80 im Startprozess der Brennstoffzelle zugeführt. Da die Erzeugung der Ressourcen im Stopp-Prozess unter Verwendung der im System verbleibenden Energie im Stopp-Prozess durchgeführt wird, wird die im System verbleibende Energie in Form der Ressourcen gespeichert, wird nicht verschwendet und kann effektiv im Start-Prozess verwendet werden. Durch die Abdeckung der für den Betrieb des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 erforderlichen Ressourcen im System kann die Anzahl der im System vorgesehenen Peripherievorrichtungen verringert werden. Infolgedessen ist es möglich, den Bauraum oder die anfänglichen Kosten des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 1 zu unterbinden, und es ist auch möglich, die Betriebskosten durch Erhöhung der Systemeffizienz zu verringern, und es ist möglich, das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem zu realisieren, das mit niedrigen Kosten betrieben werden kann.
  • Die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Inhalte sind zum Beispiel wie folgt zu verstehen.
    • (1) Ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem (zum Beispiel das Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 1 der oben beschriebenen Ausführungsform) gemäß einem Aspekt umfasst: eine Brennstoffzelle (zum Beispiel das Brennstoffzellenmodul 201 der oben beschriebenen Ausführungsform); eine Peripherievorrichtung (zum Beispiel die Hilfseinrichtungen wie das Rückführgebläse B1, die Verbrennungsvorrichtung B2, den Elektromotor B3 und die Reformierungswasserzufuhrpumpe B4), die zum Betrieb der Brennstoffzelle verwendet wird; ein Ressourcenspeicherteil (zum Beispiel das Ressourcenspeicherteil 70 der oben beschriebenen Ausführungsform), das in der Lage ist, eine Ressource zu speichern, die in der Brennstoffzelle in einem Betriebs/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle erzeugt wird; und ein Ressourcenzufuhrteil (zum Beispiel das Ressourcenzufuhrteil 80 der oben beschriebenen Ausführungsform), das in der Lage ist, die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung zuzuführen.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (1) ist es derart eingerichtet, dass die im Betriebs-/Stoppvorgang der Brennstoffzelle erzeugte Ressource in dem Ressourcenspeicherteil gespeichert wird und die gespeicherte Ressource je nach Bedarf zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung zugeführt wird. Da die Erzeugung der Ressource im Stoppvorgang unter Verwendung der im System verbleibenden Energie durchgeführt wird, wird die im System verbleibende Energie in Form der Ressource gespeichert, nicht verschwendet und kann effektiv genutzt werden. Eine solche effektive Nutzung der Ressource kann die Systemeffizienz verbessern und die Anzahl der im System vorhandenen Peripherievorrichtungen verringern. Infolgedessen ist es möglich, den Bauraum oder die anfänglichen Kosten des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems zu unterbinden und die Betriebskosten zu senken, und es ist möglich, ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem zu realisieren, das mit niedrigen Kosten betrieben werden kann.
  • (2) In einem weiteren Aspekt des obigen Aspekts (1) führt das Ressourcenzufuhrteil die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource in einem Startprozess der Brennstoffzelle an zumindest entweder die Brennstoffzelle oder die Peripherievorrichtung zu.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (2) wird die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung im Startprozess der Brennstoffzelle zugeführt. Folglich wird die im Stopp-Prozess gespeicherte Ressource verwendet, um die für den Start-Prozess des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems benötigte Ressource zu decken, wodurch es möglich ist, die Systemeffizienz zu verbessern und die Anzahl der Peripherievorrichtungen zur Zufuhr der Ressourcen zu verringern.
  • (3) In einem anderen Aspekt des obigen Aspekts (1) oder (2) führt das Ressourcenzufuhrteil die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource an zumindest entweder die Brennstoffzelle oder die Peripherievorrichtung in dem Betriebs-/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle zu.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (3) wird die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung in dem Stoppvorgang der Brennstoffzelle zugeführt. Folglich wird die im Stoppvorgang gespeicherte Ressource verwendet, um die für den Stoppvorgang des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems erforderliche Ressource zu decken, wodurch es möglich ist, die Systemeffizienz zu verbessern und die Anzahl der Peripherievorrichtungen zur Zufuhr der Ressourcen zu verringern.
  • (4) In einem anderen Aspekt, in einem der obigen Aspekte (1) bis (3), weist das Ressourcenspeicherteil eine Stromspeichereinrichtung (zum Beispiel die Stromspeichereinrichtung U4 der oben beschriebenen Ausführungsform), die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugte Energie als die Ressource zu speichern, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger ist als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung (zum Beispiel die zweite Temperatur T2 der oben beschriebenen Ausführungsform), und das Ressourcenzufuhrteil ist derart eingerichtet, dass es die in der Stromspeichereinrichtung gespeicherte Energie an die Peripherievorrichtung zuführt.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (4) wird die durch die Stromerzeugungsreaktion unter Verwendung des in der Brennstoffzelle verbleibenden Brennstoffs erzeugte Energie in der Stromspeichereinrichtung als die Ressource gespeichert, falls die Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger als die untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung im Betriebs-/Stoppverfahren ist. Anschließend wird die in der Stromspeichereinrichtung gespeicherte Energie an die Peripherievorrichtung zugeführt, wodurch eine effektive Nutzung der Energie im System möglich ist.
  • (5) In einem weiteren Aspekt, in einem der obigen Aspekte (1) bis (4), umfasst das Ressourcenspeicherteil eine Wasserspeichereinrichtung (zum Beispiel die Wasserspeichereinrichtung U2 der oben beschriebenen Ausführungsform), die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser als die Ressource zu speichern, falls eine Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung ist (zum Beispiel, Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger ist als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung (zum Beispiel die zweite Temperatur T2 der oben beschriebenen Ausführungsform), und das Ressourcenzufuhrteil ist derart eingerichtet, dass er das in der Wasserspeichereinrichtung gespeicherte Wasser der Brennstoffzelle als Reformierungswasser zuführt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle die untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung erreicht oder überschreitet.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (5) wird das im Ausleitungsbrennstoffgas der Brennstoffzelle enthaltene Wasser (H2O) in dem Wasserspeicher als Ressource gespeichert, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger ist als die untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung im Betriebs-/Stopp-Prozess. Das in dem Wasserspeicher gespeicherte Wasser wird dann der Brennstoffzelle als Reformierungswasser zugeführt, wodurch die Anzahl der in der Brennstoffzelle benötigten Peripherievorrichtungen zur Zufuhr mit Reformierungswasser verringert werden kann.
  • (6) In einem weiteren Aspekt, in einem der obigen Aspekte (1) bis (5), umfasst das Ressourcenspeicherteil eine Reduktionsgasspeichereinrichtung (zum Beispiel die Reduktionsgasspeichereinrichtung U1 der oben beschriebenen Ausführungsform), die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugtes Reduktionsgas als die Ressource zu speichern, falls eine Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger ist als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung (zum Beispiel die zweite Temperatur T2 der oben beschriebenen Ausführungsform), und das Ressourcenspeicherteil ist derart eingerichtet, dass er das in dem Reduktionsgasspeicher gespeicherte Reduktionsgas der Brennstoffzelle als Reduktionsgas zuführt.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (6) wird das in der Brennstoffzelle erzeugte Reduktionsgas (H2 etc.) in dem Reduktionsgasspeicher als Ressource gespeichert, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle nicht unter der unteren Grenztemperatur zur Stromerzeugung in dem Stoppprozess ist. Das im Reduktionsgasspeicher gespeicherte Reduktionsgas wird dann der Brennstoffzelle als Reduktionsgas (Anodenreduktionsgas) zugeführt, wodurch die Anzahl der Peripherievorrichtungen zur Reduktionsgaszufuhr verringert werden kann.
  • (7) In einem weiteren Aspekt, in einem der obigen Aspekte (1) bis (6), umfasst das Ressourcenspeicherteil eine Kohlendioxidspeichereinrichtung (zum Beispiel die Kohlendioxidspeichereinrichtung U3 der oben beschriebenen Ausführungsform), die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugtes Kohlendioxid als die Ressource zu speichern, falls eine Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger ist als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung (zum Beispiel die zweite Temperatur T2 der oben beschriebenen Ausführungsform), und das Ressourcenspeicherteil ist derart eingerichtet, dass er das in dem Kohlendioxidspeicher gespeicherte Kohlendioxid der Brennstoffzelle als Spülgas zuführt.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (7) wird das im Ausleitungsbrennstoffgas der Brennstoffzelle enthaltene Kohlendioxid (CO2) in der Kohlendioxidspeichereinrichtung als die Ressource gespeichert, falls die Temperatur der Brennstoffzelle nicht unter der unteren Grenztemperatur zur Stromerzeugung in dem Stoppprozess ist. Anschließend wird das im Kohlendioxidspeicher gespeicherte Kohlendioxid der Brennstoffzelle als Spülgas (Inertgas) zugeführt, um eine Verschlechterung in der Zelleneinheit zu verhindern, wodurch die Anzahl der Peripherievorrichtungen zur Spülgaszufuhr verringert werden kann.
  • (8) In einem weiteren Aspekt des obigen Aspekts (7) ist das Ressourcenzufuhrteil derart eingerichtet, dass er der Brennstoffzelle das Kohlendioxid zuführt, so dass in der Brennstoffzelle kein Abfluss erzeugt wird.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (8) wird das Kohlendioxid, wenn es als Ressource im Startprozess gespeichert wird, der Brennstoffzelle zugeführt, so dass in der Brennstoffzelle kein Abfluss erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine Verschlechterung der Brennstoffzelle aufgrund des Abflusses wirksam zu verhindern.
  • (9) Ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems, das eine Brennstoffzelle und eine Peripherievorrichtung aufweist, die zum Betreiben der Brennstoffzelle verwendet wird, mit: einem Schritt des Speicherns einer Ressource, die in der Brennstoffzelle in einem Betriebs-/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle erzeugt wird; und einem Schritt des Zuführens der Ressource an zumindest entweder die Brennstoffzelle oder die Peripherievorrichtung.
  • Gemäß dem obigen Aspekt (9) ist es derart eingerichtet, dass die im Betriebs-/Stoppvorgang der Brennstoffzelle erzeugte Ressource in dem Ressourcenspeicherteil gespeichert wird und die gespeicherte Ressource je nach Bedarf zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung zugeführt wird. Da die Erzeugung der Ressource im Stoppvorgang unter Verwendung der im System verbleibenden Energie durchgeführt wird, wird die im System verbleibende Energie in Form der Ressource gespeichert, nicht verschwendet und kann effektiv genutzt werden. Eine solche effektive Nutzung der Ressource kann die Systemeffizienz verbessern und die Anzahl der im System vorhandenen Peripherievorrichtungen verringern. Infolgedessen ist es möglich, den Bauraum oder die anfänglichen Kosten des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems zu unterbinden sowie die Betriebskosten zu verringern, und es ist möglich, das Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems zu realisieren, das mit niedrigen Kosten betrieben werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem
    20
    Brennstoffgaszufuhrsystem
    21
    Brennstoffgaszufuhrquelle
    22
    Brennstoffgaszufuhrleitung
    23
    Kraftstoffvorwärmer
    30
    Brennstoffgas-Ausleitungssystem
    31
    Brennstoffgasausleitungsleitung
    32
    Kühler
    33
    Rückführungsleitung
    34
    zusätzliche Brennstoffgaszufuhrleitung
    35
    Turbine
    36
    Rekuperator
    37
    Ausleitungsbrennstoffgasleitung
    40
    Oxidationsmittelzufuhrsystem
    41
    Oxidationsmittelzufuhrquelle
    42
    Verdichter
    43
    Oxidationsmittelzufuhrleitung
    44
    Heizvorrichtung
    45
    sauerstoffseitige Brennstoffgaszufuhrleitung
    46
    Heizvorrichtungs-Brennstoffgaszufuhrleitung
    47
    zweite Brennstoffgaszufuhrquelle
    50
    Oxidationsmittel-Ausleitungssystem
    51
    Oxidationsmittel-Ausleitungsleitung
    60
    Stromnetz
    61
    Wechselrichter
    62
    Gleichstromübertragungsleitung
    63
    Wechselstromübertragungsleitung
    70
    Ressourcenspeicherteil
    71
    Wasserrückgewinnungsvorrichtung
    72
    Reduktionsgasspeicherleitung
    73
    Kohlendioxid-Rückgewinnungsanlage
    80
    Ressourcenzufuhrteil
    81
    Wasserzufuhrleitung
    82
    Reduktionsgaszufuhrleitung
    83
    Kohlendioxidzufuhrleitung
    101
    Zellenstapel
    103
    Substratrohr
    105
    einzelne Brennstoffzelle
    107
    Interkonnektor
    109
    kraftstoffseitige Elektrode
    111
    Elektrolyt
    113
    sauerstoffseitige Elektrode
    115
    Bleischicht
    201
    Brennstoffzellenmodul
    203
    Kartusche
    205
    Druckbehälter
    207
    Brennstoffgaszufuhrleitung
    207a
    Brennstoffgaszufuhrzweigleitung
    209
    Brennstoffgasausleitungsleitung
    209a
    Brennstoffgasausleitungszweigleitung
    215
    Stromerzeugungskammer
    217
    Brennstoffgaszufuhrleitung
    219
    Brennstoffgasausleitungsverteiler
    221
    Zufuhrverteiler
    221
    Oxidationsmittelzufuhrverteiler
    223
    Oxidationsmittelausleitungsverteiler
    225a
    Obere Rohrplatte
    225b
    Untere Rohrplatte
    227a
    Oberer Wärmeisolationskörper
    227b
    Unterer Wärmedämmkörper
    229a
    Oberes Gehäuse
    229b
    Unteres Gehäuse
    231a
    Brennstoffgaszufuhrloch
    231b
    Brennstoffgasausleitungsloch
    233a
    Oxidationsmittelzufuhrloch
    233b
    Oxidationsmittelausleitungsloch
    235a
    Oxidationsmittelzufuhrspalt
    235b
    Oxidationsmittelausleitungsspalt
    237a, 237b
    Dichtungsbauteil
    380
    Controller
    35
    Rückführgebläse
    4
    Verbrennungsvorrichtung
    B3
    Elektromotor
    B4
    Reformierungswasserzufuhrpumpe
  • 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 2020183304 [0002]
    • JP 3924243 B [0005]

Claims (9)

  1. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem, umfassend: eine Brennstoffzelle; eine Peripherievorrichtung, die zum Betrieb der Brennstoffzelle verwendet wird; ein Ressourcenspeicherteil, das in der Lage ist, eine Ressource zu speichern, die in der Brennstoffzelle in einem Betriebs-/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle erzeugt wird; und ein Ressourcenzufuhrteil, das in der Lage ist, die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung zuzuführen.
  2. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei das Ressourcenzufuhrteil die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource in einem Startprozess der Brennstoffzelle zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung zuführt.
  3. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ressourcenzufuhrteil die in dem Ressourcenspeicherteil gespeicherte Ressource zumindest entweder der Brennstoffzelle oder der Peripherievorrichtung in dem Betriebs/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle zuführt.
  4. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ressourcenspeicherteil eine Stromspeichereinrichtung aufweist, die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugten Strom als die Ressource zu speichern, falls eine Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung ist, und wobei das Ressourcenzufuhrteil derart eingerichtet ist, dass es die in der Stromspeichereinrichtung gespeicherte Energie an die Peripherievorrichtung zuführt.
  5. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ressourcenspeicherteil eine Wasserspeichereinrichtung aufweist, die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser als die Ressource zu speichern, falls eine Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung ist, und wobei das Ressourcenzufuhrteil derart eingerichtet ist, dass es das in der Wasserspeichereinrichtung gespeicherte Wasser der Brennstoffzelle als Reformierungswasser zuführt, falls die Temperatur der Brennstoffzelle die untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung erreicht oder überschreitet.
  6. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ressourcenspeicherteil eine Reduktionsgasspeichereinrichtung aufweist, die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugtes Reduktionsgas als die Ressource zu speichern, falls eine Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung ist, und wobei das Ressourcenzufuhrteil derart eingerichtet ist, dass es das in dem Reduktionsgasspeicher gespeicherte Reduktionsgas der Brennstoffzelle als Reduktionsgas zuführt.
  7. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ressourcenspeicherteil eine Kohlendioxidspeichereinrichtung aufweist, die in der Lage ist, in der Brennstoffzelle erzeugtes Kohlendioxid als die Ressource zu speichern, falls eine Temperatur der Brennstoffzelle nicht niedriger als eine untere Grenztemperatur zur Stromerzeugung ist, und wobei das Ressourcenzufuhrteil derart eingerichtet ist, dass es das in der Kohlendioxidspeichereinrichtung gespeicherte Kohlendioxid als Spülgas an die Brennstoffzelle zuführt.
  8. Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem nach Anspruch 7, wobei das Ressourcenzufuhrteil derart eingerichtet ist, dass es der Brennstoffzelle das Kohlendioxid derart zuführt, dass in der Brennstoffzelle kein Abfluss erzeugt wird.
  9. Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems, umfassend: eine Brennstoffzelle, und ein Peripherievorrichtung zum Betrieb der Brennstoffzelle, umfassend: einen Schritt des Speicherns einer in der Brennstoffzelle erzeugten Ressource in einem Betriebs/Stopp-Prozess der Brennstoffzelle; und einen Schritt des Zuführens der Ressource an zumindest entweder die Brennstoffzelle oder die Peripherievorrichtung.
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