DE3872377T2

DE3872377T2 - Elektrochemische generatoren von rechteckiger form mit heizung in den eckbereichen.

Info

Publication number: DE3872377T2
Application number: DE8888309681T
Authority: DE
Inventors: Philip Reichner
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1988-02-16
Filing date: 1988-10-14
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2008-10-15
Also published as: JPH01248479A; NO884457D0; EP0328812A1; EP0328812B1; DE3872377D1; JP2876126B2; NO884457L; US4808491A; CA1309455C

Description

Diese Erfindung betrifft einen rechteckigen elektrochemischen Generator, in dem zugeführter Brennstoff verbrannt wird, um Elektrizität und heiße Auslaßgase zu bilden, und bei dem zumindest ein Teil der heißen Auslaßgase nahe den Ecken des Generators strömen.
Bei einer typischen Festoxidbrennstoffzellengeneratoranordnung ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem quadratischen Muster vertikal montiert, und sind elektrisch in den Reihen in Serie und in den Spalten parallel miteinander verbunden. Gasförmiger Brennstoff wird über der Außenseite der Zellen geleitet, und ein sauerstoffhaltiges Gas wird durch die Innenseite der Zellen hindurchgeführt. Der Sauerstoff wandert durch die Zellen in Form von Sauerstoffionen und verbrennt den Brennstoff, wobei Elektrizität und Wärme erzeugt werden.
Zwar wird die meiste Wärme durch die Strömung der Gase entfernt, jedoch geht einige Wärme durch die Wände des Generators verloren, was bewirkt, daß die Temperatur im Zentrum des Generators höher ist als die Temperatur an der Peripherie des Generators, speziell an den Ecken. Die Anwesenheit eines großen Temperaturgradienten zwischen dem Zentrum des Generators und der Peripherie macht es schwieriger, den Generator innerhalb des optimalen Temperaturbereiches von etwa 800ºC bis etwa 1100ºC zu betreiben. Infolgedessen kann die Temperatur am Zentrum den optimalen Wert überschreiten, was zu einer kürzeren Zellenlebensdauer und zu einer Verschlechterung des Materials führt, und die Temperaturen an der Peripherie können unterhalb des optimalen Wertes abfallen, was zu einer ineffizienten Zellenbetriebsweise und zum Verlust von Elektrizität führt. Bemühungen, dieses Problem durch die Verwendung von zusätzlichen Isolierungen zu lösen, haben sich als unpraktisch oder sogar als kontraproduktiv erwiesen.
Es ist ein Hauptziel der Erfindung, den Temperaturgradienten zwischen dem Zentrum des Generators und der Peripherie des Generators abzusenken.
Entsprechend besteht die Erfindung aus einem elektrochemischen Festoxidzellengenerator von rechteckigem Design, der vier Seiten aufweist, die an vier Ecken sich treffen, und der eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen elektrochemischen Zellen enthält, wobei ein Brennstoffgas über eine Seite der Zellen geführt ist, ein sauerstoffhaltiges Gas in die Zelle hineingeführt ist, und brennstoff- und sauerstoffhaltiges Gas miteinander reagiert werden, um ein Auslaßgas zu erzeugen, wobei die Verbesserung charakterisiert ist durch die Lieferung von Kanälen zum Hindurchführen von zumindest einem Teil des Auslaßgases über die Außenseite der Peripherie der Vielzahl von Zellen, wobei die Kanäle so angeordnet sind, daß mehr von der Hitze des Auslaßgases an den Ecken des Generators strömt als über den Rest der Seiten des Generators.
Desweiteren besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Betrieb eines Festoxidbrennstoffzellengenerators mit rechteckförmigen Design, mit vier Seiten, die an Ecken sich treffen, und enthaltend eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen, rohrförmigen Festoxidbrennstoffzellen, wobei ein Brennstoffgas über eine Seite der Zellen strömt, ein sauerstoffhaltiges Gas in die Zellen hineingeführt ist, und brennstoff- und sauerstoffhaltiges Gas miteinander reagiert werden, um ein Auslaßgas zu bilden, einem verbesserten Verfahren zur Reduzierung des thermischen Gradienten zwischen den Zellen an der Innenseite des Generators und den Zellen an der Peripherie des Generators, gekennzeichnet durch Vorbeiführen des Auslaßgases über den Seiten des Generators, wobei ein größerer Teil der Auslaßgase über die Ecken des Generators geführt wird, als über den Rest der Seiten des Generators.
Ein stärker gleichförmiger Temperaturgradient kann in einem elektrochemischen Festoxidzellengenerator erreicht werden, wenn die Auslaßgase über der Außenseite der Peripherie der Zellen geführt wird, wobei mehr der Auslaßgase an den Ecken des Generators strömen. Auf diese Weise werden die Temperaturen an der Peripherie des Generators angehoben und der Temperaturgradient innerhalb des Generators reduziert. Infolgedessen ist es viel einfacher, den Generator innerhalb des optimalen Temperaturbereiches zu betreiben, und Temperaturabweichungen oberhalb dieses Bereiches und unterhalb dieses Bereiches treten mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf.
Zusätzlich können die Auslaßgase benutzt werden, um den einströmenden Brennstoff am Boden des Generators zu erhitzen, was die Möglichkeit gibt, den Brennstoff intern zu reformieren, ohne daß ein Kühleffekt auftritt. Durch internes Erhitzen des Brennstoffes wird die Reformierung vereinfacht und Energieverluste werden reduziert.
Um die Erfindung noch deutlicher verständlich zu machen, werden passende Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1A in einer Seitenansicht einen Schnitt einer bestimmten gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festoxidbrennstoffzellengenerators.
Fig. 1A ist ein Schnitt durch die Linien I-I in Fig. 2; Fig. 1B zeigt den Bodenteil des in Fig. 1A dargestellten Generators; und
Fig. 2, welche am besten die Erfindung erläutert, ist eine Draufsicht im Schnitt durch die Linien II-II in Fig. 1A.
In den Fig. 1A, 1B und 2 besteht ein elektrochemischer Zellengenerator, wie beispielsweise ein Festoxidbrennstoffzellengenerator 1 , aus einem äußeren isolierenden Behälter 2, typischerweise hergestellt aus Stahl mit einer Dicke von 0,127 cm, welcher verschiedene Schichten von Isolation umschließt. Isolation 3 besteht typischerweise aus Alumina-Faser-Isolationsplatten, mit einer ungefähren Gesamtisolationsdicke von 12,7 cm. Kleinere Alumina-Faser- Isolationsplatten 4 können benutzt werden, wo nötig, wie auch Alumina-Faser-Abdeckungs-Isolation. Ein innerer Kanister 6 (auch als Auslaßpassagenwand bezeichnet) stützt die Isolation und umgibt den Brennstoffzellenstapel, typischerweise hergestellt aus 0,094 cm dickem Inconel (Nickel-Chrom-Legierung) . Der Generator kann von einem rechteckigem (einschließlich quadratischem) Design sein, das vier Seiten aufweist, die sich an vier Ecken treffen, wie dargestellt, und die eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen Brennstoffzellen enthalten.
Im Betrieb wird ein sauerstoffhaltiges Gas dem Generator über ein Reaktionsmitteleinlaß 7 zugeführt, wo es zur Reaktionsgasverteilungsverzweigung 8 strömt, dann zu Reaktionsgaseinlaßhohlräumen 9. Das Gas strömt dann durch Reaktionsgaszufuhrröhren 10, die das Gas in die Vielzahl von rohrförmigen Brennstoffzellen 10 bringen. In Fig. 1B strömt ein Brennstoffgas F durch Brennstoffgaseinlaßröhren 12, um Leistungszuführungen 15 herum, und in die Brennstoffgasverzweigung 13 hinein. Die Gasverzweigung, die durch das Auslaßgas E erhitzt wird, welches das Rohr 18 betritt, kann eine internes Brennstoffreformierungsmedium enthalten, wie beispielsweise einen Nickelkatalysator, wodurch die Verzweigung 13 zu einer Reformierungseinrichtung gemacht wird. Das Brennstoffgas strömt dann durch die Brennstoffgasverteilungsplatte 14 und um die Außenseite der Brennstoffzellen 11 , in Fig. 1B dargestellt. Sauerstoff von dem sauerstoffhaltigem Gas wandert durch die Komponentenwände der Brennstoffzellen 11 , wo er mit dem Brennstoffgas reagiert und Wärme und Elektrizität erzeugt. Die Elektrizität wird von dem Generator durch elektrische Leistungsleitungen 15 abgezogen, und durch eine Leitung, die normalerweise senkrecht zur Leitung 15 liegt, aber in den Fig. 1A oder 1B nicht dargestellt ist. Elektrische Anschlüsse zu den Leistungsleitungen werden hergestellt durch elektrische Bündelverbindungen 16 und durch Serienverbindungsplatte 17. Die Auslaßgase E, die nach der Reaktion des sauerstoffhaltigen Gases mit dem Brennstoffgas gebildet werden, verlassen den Brennstoffzellengenerator durch das Auslaßgasrohr 18.
Mit Bezug nunmher auf Fig. 2 ist zu erkennen, daß es vier Auslaßgaspassagen oder -kanäle 19 gibt, eine an jeder Ecke des Brennstoffzellengenerators. Da die Auslaßgase sehr heiß sind, hält die Passage der Auslaßgase über den Ecken des Generators die Ecken des Generators auf einer Temperatur, die höher ist als sie ansonsten wäre. Die Kanäle sind so angeordnet, daß sie mehr der Hitze des Auslaßgases über den Ecken der Vielzahl von Zellen strömen lassen, als über den Rest der Seiten der Vielzahl von Zellen. Dies reduziert ebenfalls den thermischen Gradienten zwischen den Zellen an der Innenseite des Generators und den Zellen an der Peripherie des Generators.
In einer alternativen Anordnung strömen die Auslaßgase über die gesamte Peripherie des Brennstoffzellengenerators, jedoch strömt eine größere Menge der Auslaßgase über die Ecken des Generators. Auf diese Weise wird die Peripherie des Generators auf der gleichen Temperatur gehalten, wie die Zellen im Zentrum des Generators, selbst wenn die Zellen an der Peripherie nicht an einer Ecke sind.

Claims

1. Ein elektrochemische Zellen umfassender Festoxidgenerator (1) von rechtwinkligem Design, der vier Seiten aufweist, die sich an vier Ecken treffen, und der eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen elektrochemischen Zellen (11) enthält, wobei ein Brennstoffgas über eine Seite der Zellen geleitet wird, ein sauerstoffhaltiges Gas in die Zellen hinein geleitet wird, und brennstoff- und sauerstoffhaltiges Gas miteinander reagiert werden, um ein Auslaßgas zu bilden, wobei die Verbesserung gekennzeichnet ist durch Schaffung von Kanälen (19) zum Überleiten zumindest eines Teils des Auslaßgases über die Außenseite der Peripherie der Vielzahl von Zellen (11), wobei die Kanäle derart angeordnet sind, daß mehr der Hitze in den Auslaßgasen an den Ecken des Generators als über den Rest der Seiten des Generators fließt.

2. Der Festoxidgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffgas innerhalb des Generators unterhalb der Vielzahl von elektrochemischen Zellen reformiert wird, wo die Kanäle in Reformierungseinrichtungen hineinführen, wobei Hitze in den Auslaßgasen benutzt wird, um das Brennstoffgas zu reformieren.

3. Der Festoxidgenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in Isolation um die Vielzahl von elektrochemischen Zellen herum hineingeschnitten sind.

4. Der Festoxidgenerator von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemischen Zellen Brennstoffzellen sind.

5. Der Festoxidgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungseinrichtungen Reformierungskatalysator enthalten.

6. Ein Verfahren zum Betrieb eines Festoxidbrennstoffzellengenerators, der ein rechtwinkliges Design hat, mit vier Seiten, die sich an den Ecken treffen, und eine Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen, rohrförmigen Festoxidbrennstoffzellen enthält, wo ein Brennstoffgas über eine Seite der Zellen strömt, ein sauerstoffhaltiges Gas in die Zelle hineingeleitet wird, und brennstoff- und sauerstoffhaltiges Gas miteinander reagiert werden, um ein Auslaßgas zu bilden, ein verbessertes Verfahren zur Reduzierung des thermischen Gradienten zwischen den Zellen an der Innenseite des Generators und den Zellen an der Peripherie des Generators, gekennzeichnet durch Vorbeileiten des Auslaßgases über die Seiten des Generators, wo die größere Menge des Auslaßgases über die Ecken des Generators als über den Rest der Seiten des Generators geleitet wird.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitze der Auslaßgase über die Seiten so verteilt wird, daß eine gleichförmige Temperatur entlang der Seiten erreicht wird.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßgase durch Kanäle in der Isolation, die die Peripherie der Vielzahl von Brennstoffzellen umgibt, hindurchgeführt wird.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffgas innerhalb des Generators unterhalb der Vielzahl von Brennstoffzellen reformiert wird, wo die Kanale in eine Reformierungseinrichtung hineinführen, wobei Hitze in den Auslaßgasen benutzt wird, um das Brennstoffgas zu reformieren.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungseinrichtungen Reformierungskatalysator enthalten.