DE4100579A1 - Kraftstoffzelle mit geschmolzenem karbonat zum inneren reformieren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum inneren Reformieren, insbesondere eine verbesser­ te Kraftstoffzelle, die ein Verfahren für die Zuführung von Kraftstoffgas zu einem Zellenstapel verbessert.

Eine Kraftstoffzelle ist eine Zelle, die in der Lage ist, einen Gleichstrom zu erhalten, der erzeugt wird durch die Reaktion eines leicht oxidierbaren Gases, wie z. B. Wasserstoff, mit einem oxidierenden Gas, beispielsweise Sauerstoff, durch einen elektrochemischen Prozeß.

Die Kraftstoffzellen werden ganz allgemein in Abhängigkeit von ihrem Elektrolyten eingeteilt in einen Typ mit Phosphorsäure, einen Typ mit geschmolzenem Karbonat und einen Typ mit festem Elektrolyten.

Der Aufbau einer Kraftstoffzelle von dem Typ mit geschmolzenem Karbonat wird nachstehend näher erläutert: Die Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat weist einen Kraftstoffzellenstapel auf, in welchem eine Vielzahl von ein­ zelnen Zellen aufgestapelt ist, zwischen denen jeweils Separatoren vorgesehen sind, wobei die Separatoren von Kraft­ stoffgaspassagen und Oxidationsgaspassagen gebildet werden, die einander unter rechten Winkeln auf den jeweiligen Oberflä­ chen kreuzen. Die einzelne Zelle weist ein Paar von Gasdiffu­ sionselektroden und eine Elektrolytschicht aus geschmolzenem Karbonat auf, die zwischen den Elektroden dazwischengesetzt ist.

In der Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat werden auf diese Weise unter Anwendung eines herkömmlichen Verfahrens H₂ und CO aus Rohkraftstoff hergestellt, beispielsweise aus ver­ schiedenen Kohlenwasserstoffen, primär Methan, und sie werden durch eine elektrochemische Reaktion an der Anode aktiviert. Die herkömmlichen Bauformen werden im allgemeinen in zwei Ty­ pen von Kraftstoffzellen eingeteilt, nämlich einen Typ zum in­ neren Reformieren und einen Typ zum äußeren Reformieren. Bei dem Zellentyp zum äußeren Reformieren wird der Wasserstoff, der in der Kraftstoffzelle als Rohkraftstoff verbraucht werden soll, außerhalb des Kraftstoffzellenstapels aus Kohlenwasser­ stoff erzeugt.

Der Zellentyp zum inneren Reformieren ist ein Typ der Kraft­ stoffzelle, der in der Lage ist, eine Reformierungsreaktion und eine elektrochemische Reaktion gleichzeitig innerhalb des Kraftstoffzellenstapels durchzuführen. Die Reformierungsreak­ tion dient zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus dem Kohlenwasserstoff für den Verbrauch als Rohkraftstoff in der Kraftstoffzelle. Der Zellentyp zum inneren Reformieren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus einer en­ dothermen Reformierungsreaktion und einer exothermen Kraft­ stoffzellenreaktion verwendet wird, um einen Überschuß oder einen Mangel an Wärmemenge auszugleichen.

Verglichen mit einem herkömmlichen Energieerzeugungssystem, das mit einem Kraftstoffzellentyp zum äußeren Reformieren ver­ sehen ist, ist dementsprechend ein Energieerzeugungssystem mit einem Zellentyp zum inneren Reformieren ohne weiteres in der Lage, eine höhere Effizienz bei der Energieerzeugung sowie eine effizientere Verwendung der Wärme zu erreichen. Die Zellen zum inneren Reformieren werden im wesentlichen in einen Typ zum direkten inneren Reformieren und einen Typ zum indirekten inne­ ren Reformieren eingeteilt, und zwar gemäß ihrer Struktur und ihren Eigenschaften. Bei dem Zellentyp zum direkten Reformie­ ren wird der Reformierungskatalysator in einem Gaskanal bei einer kraftstoffgasseitigen Elektrode (Anode) angeordnet, und eine Reformierungsreaktion und eine Elektrodenreaktion laufen gleichzeitig ab.

Andererseits ist ein Zellentyp zum indirekten inneren Reformie­ ren mit einem Reformierungsbereich in einem Bereich versehen, der von dem Kraftstoffgaskanal getrennt ist und thermisch an diesen angrenzt. Eine derartige Anordnung kann es ermöglichen, die Wärmebildung in der Kraftstoffzelle als Reaktionswärme zum Reformieren zu verwenden, so daß die Reformierungs- und Elek­ trodenreaktionen unabhängig voneinander ablaufen können.

Bei dem Zellentyp zum direkten inneren Reformieren enthält ein Kraftstoffgaskanal einen Reformierungskatalysator, und eine Reformierungsreaktion findet direkt in der Zelle statt. Das schwierigste Problem bei einem Zellenaufbau dieses Typs ist die Vergiftung des Reformierungskatalysators, die durch einen Elektrolyten verursacht wird, der in der Kraftstoffgaselektrode enthalten ist.

Um eine solche nachteilige Wirkung zu vermeiden, ist ein Zel­ lentyp zum indirekten inneren Reformieren vorgesehen, wobei die Reformierungsreaktion von der Elektrodenreaktion getrennt ist. Bei diesem Zellentyp sind indirekte Reformer mit Zellen­ einheiten aus mehreren einzelnen Zellen, die jeweils dazwischen angeordnet sind, aufeinandergestapelt, um einen Zellenstapel zu bilden.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen eine frühere Bauform einer Kraftstoff­ zelle mit geschmolzenem Karbonat zum indirekten inneren Refor­ mieren, wobei diese Kraftstoffzelle in der japanischen Patent­ anmeldung Nr. 01-1 85 256 der Anmelder beschrieben ist. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung, teilweise mit Wegbre­ chungen, eines Verteilers, der insbesondere für die Zuführung eines Rohkraftstoffes 6 verwendet wird, beispielsweise von Erdgas, beispielsweise von Methan. Bei diesem Zellentyp sind indirekte Reformer 8 zwischen den verschiedenen einzelnen Zellen 1a und 1b dazwischengesetzt, um einen Kraftstoffzeilen­ stapel 3 zu bilden.

Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Kraftstoffzellenstapels 3, wobei die Verteiler 11 und 12 ent­ fernt sind; diese Verteiler werden verwendet, um Rohkraftstoff­ gase 6a bis 6d oder oxidierendes Gas 9 in den Kraftstoffzellen­ körper einzuleiten, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Bei die­ ser Darstellung ist die Kraftstoffseite (Anodenseite) des Se­ parators 2, in die ein indirekter Reformer 8 eingebaut ist, teilweise weggeschnitten. Der flächig ausgebildete indirekte Reformer 8 ist in dem Separator 2 angeordnet und mit den ein­ zelnen Zellen 1a bis 1c sowie 1d und 1e auf den beiden Ober­ flächen aufeinandergestapelt, um den Kraftstoffzellenstapel 3 zu bilden. Die einzelnen Zellen enthalten entsprechende Kom­ ponenten, wie z. B. Elektroden und dergleichen.

Wie in Fig. 8 und 9 dargestellt, werden Gase von der Oxida­ tionsmittelseite (Kathodenseite) und der Kraftstoffgasseite (Anodenseite) dem Zellenkörper durch den Verteiler 11 auf der Kathodenseite und den Verteiler 12 auf der Anodenseite zuge­ führt. Diese Verteiler 11 und 12 sind an dem Zellenkörper mit Schraubenfedern 13 montiert. Der Zellenkörper wird mit einem flachen Heizkörper 14 auf konstanter Temperatur gehalten.

Der Reformierungskatalysator in dem indirekten Reformer 8 wird mit einer wellenförmigen Platte, nämlich einem wellenförmigen Rippenteil gehalten. Rohkraftstoffgas oder Kohlenwasserstoff­ gas 6, wie z. B. Methan, wird in den Reformer 8 durch eine Öff­ nung 80a eingeleitet, die an der einen Seite des Zellenstapels 3 ausgebildet ist. Das Rohkraftstoffgas 6, das aus einem Roh­ kraftstoffgaskanal 8a zugeführt wird, wird in einem Reformie­ rungsreaktionsbereich 8b reformiert und aus einer nicht darge­ stellten Öffnung abgelassen, die in derselben Ebene ausgebildet ist, in der sich die Öffnung 80a befindet.

Fig. 10 zeigt einen horizontalen Querschnitt des indirekten Reformers 8 gemäß Fig. 8 und 9. Gemäß Fig. 10 ist der Refor­ mierungsreaktionsbereich 8b mit einer Öffnung 80b versehen, die der Öffnung 80a in dem Rohkraftstoffgaskanal 8a gegenüber­ liegt. Der Reformierungsreaktionsbereich 8b ist ebenfalls mit einem Verteiler 12a versehen, der das Rohkraftstoffgas 6 dem Rohkraftstoffgaskanal 8a zuführt. Aus dem Reformierungsreak­ tionsbereich 8b austretendes Kraftstoffgas 7 wird durch einen Verteiler 12b in die Kraftstoffgaskanäle der jeweiligen ein­ zelnen Zellen verteilt.

Der Reformer 8 ist durch eine Trennwand 16 aufgeteilt in den Rohkraftstoffgaskanal 8a und den Reformierungsreaktionsbereich 8b. Der Reformer 8 ist außerdem mit einem Rohkraftstoffgas- Rückführungsbereich 17 versehen, um das Rohkraftstoffgas 6 in einen Bereich einzuleiten, der mit einem Katalysator gefüllt ist, um wasserstoffreiches Reformierungsgas zu erzeugen. Die Bezugszeichen 18a und 18b bezeichnen feuchte Dichtungen, die durch Schraffierungen angedeutet sind, wobei es sich um Gas­ dichtungen handelt, die zwischen den Zellenschichten dazwischen­ gesetzt sind. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet ein Kraftstoffgas nach einer Kraftstoffzellenreaktion. Ein Rohkraftstoffverteiler 12 besteht aus einem Rohkraftstoffgas-Zuführungsverteiler 12a und einem Kraftstoffgasverteiler 12b, die auf einer Seite des Zellenstapels über einer Vielzahl von einzelnen Zellen ange­ ordnet sind.

Unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird die Gasströmung bei der frühe­ ren Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum indirekten inneren Reformieren näher erläutert. Das Rohkraftstoffgas 6, das einem Zellenstapel von außen zuzuführen ist, wird von dem Verteiler 12a der auf der Seite des Zellenkörpers montiert ist, dem indirekten Reformer 8 zugeführt. In dem Innenraum des Reformers 8 fließt das Rohkraftstoffgas zu dem Rohkraft­ stoffgas-Rückführungsbereich 17 durch den Rohkraftstoffgaska­ nal 8a, der keinen Reformierungskatalysator 5 enthält.

Die Strömungsrichtung des Rohkraftstoffgases 6 wird dann geän­ dert, und das Rohkraftstoffgas 6 wird dann in den Reformie­ rungsreaktionsbereich 8b eingeleitet, der den Reformierungska­ talysator 5 enthält. Dadurch wird ein wasserstoffreiches Refor­ mierungsgas, nämlich ein Kraftstoffgas 7 erzeugt. Das gebilde­ te Kraftstoffgas 7 wird den jeweiligen Kanälen auf der Anoden­ seite der Zellen des Zellenkörpers durch den Kraftstoffgasver­ teiler 12b zugeführt, und die Zellenreaktion findet dann statt, wenn ein Oxidationsgas 9, wie z. B. Luft, den Kanälen auf der Kathodenseite zugeführt wird.

Die Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum indirekten inneren Reformieren hat einen Aufbau, bei dem die Reaktion, die sich in der Strömungsrichtung des Rohkraftstoffgases 6 in der Reformierungsreaktionsebene ausbreitet, eine Querströmung zu der Strömung des Oxidationsgases 9 in dem Bereich der Zellen­ reaktionsebene ist.

Die Fig. 11 und 12 zeigen experimentelle Meßergebnisse der Temperaturverteilung im Inneren des indirekten Reformers und der Kraftstoffzelle bei früheren Kraftstoffzellen mit geschmol­ zenem Karbonat zum indirekten inneren Reformieren, und zwar bei Betrieb im stabilen Zustand. Im Inneren des indirekten Refor­ mers beträgt die durchschnittliche Temperatur 622°C, die maxi­ male Temperatur 678°C und die minimale Temperatur 493°C. Im Inneren der Zelle betragen die durchschnittliche Temperatur 643°C, die maximale Temperatur 682°C und die minimale Tempera­ tur 566°C.

Die Reformierungsreaktion zur Bildung von Wasserstoff aus Roh­ kraftstoffgas, beispielsweise Methan, durch die Verwendung des Reformierungskatalysators ist eine endotherme Reaktion, während die Zellenreaktion in dem Zellenkörper eine exotherme Reaktion ist. Als Oxidationsgas wird im allgemeinen Luft verwendet, die etwa 15% des Oxidationsgases enthalten darf, wobei seine Tem­ peratur auf ungefähr 550°C abgekühlt ist, was niedriger ist als die Temperatur im Innenraum der Zelle. Dementsprechend ist die Temperaturverteilung im Innenraum der Zelle wie folgt: un­ gefähr 200°C bei dem Reformer und ungefähr 120°C beim Zellen­ körper.

Bei den früheren Kraftstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat zum inneren Reformieren mit einem Aufbau der oben beschriebe­ nen Art wird die Ausbreitungsrichtung der endothermen Refor­ mierungsreaktion unter einem rechten Winkel gekreuzt von der Strömungsrichtung des Oxidationsgases, um die Zellenreaktions­ fläche in wirksamer Weise zu kühlen, was eine große Tempera­ turdifferenz an der Zellenreaktionsoberfläche hervorruft, so daß eine nachteilige Wirkung auf die Stabilität des Zellenbe­ triebes ausgeübt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum inneren Reformieren anzugeben, mit der es möglich ist, die Temperaturdifferenz während des Be­ triebes im stabilen Zustand zu verringern, und die eine ausge­ zeichnete Stabilität während des Zellenbetriebes hat.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise erreicht. Die erfindungsgemäße Kraftstoffzelle mit ge­ schmolzenem Karbonat zum inneren Reformieren weist folgendes auf: einen Zellenreaktionsbereich mit einer Kraftstoffelektro­ de, einer Oxidationsmittelelektrode und einer dazwischenge­ setzten Elektrolytmatrix, um Elektrizität zu erzeugen, wobei man ein Kraftstoffgas bzw. ein Oxidationsgas der Kraftstoff­ elektrode bzw. der Oxidationsmittelelektrode zuführt; und einen Reformierungsreaktionsbereich zum Reformieren eines Roh­ kraftstoffgases in das Kraftstoffgas, wobei die Ausbreitungs­ richtung der Reformierungsreaktion des Rohkraftstoffgases in dem Reformierungsreaktionsbereich im Gegenstrom zu der Strö­ mungsrichtung des Oxidationsgases in dem Zellenreaktionsbereich liegt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Kraftstoffzelle mit ge­ schmolzenem Karbonat zum inneren Reformieren gemäß der Erfin­ dung liegt die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion eines Rohkraftstoffgases im Reformierungsreaktionsbereich im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung eines Oxidationsgases im Zellenreaktionsbereich.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Kraftstoffzelle gemäß der Erfindung liegt die Ausbreitungsrichtung der Reformierungs­ reaktion des Rohkraftstoffgases im Reformierungsreaktionsbereich im Gegenstrom zur Strömungsrichtung eines Oxidationsgases im Zellenreaktionsbereich. Zur gleichen Zeit verläuft die Ausbrei­ tungsrichtung der Reformierungsreaktion des Rohkraftstoffgases senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kraftstoffgases in dem Reformierungsreaktionsbereich.

Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum inneren Reformieren breitet sich die Reformie­ rungsreaktion, die eine Kühlwirkung ausübt, entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Oxidationsgases aus und unterdrückt dadurch Temperaturdifferenzen im Inneren der Kraftstoffzelle.

Wenn die Kraftstoffgasströmung senkrecht zur Ausbreitungsrich­ tung der Reformierungsreaktion verläuft, kann ein Verteiler für die Zuführung der jeweiligen Gase ohne weiteres an der Kraftstoffzelle montiert werden. Außerdem darf die Ausbrei­ tungsrichtung der exothermen Zellenreaktion orthogonal bzw. rechtwinklig sowohl zur Ausbreitungsrichtung der Reformierungs­ reaktion als auch zur Strömungsrichtung des Oxidationsgases liegen, die beide Kühlwirkungen haben. In der Nähe eines Ein­ lasses des Oxidationsgases und eines Einlasses des Rohkraft­ stoffgases kann eine Wärmeerzeugung auftreten durch die Reak­ tion des Kraftstoffgases, welches die gleiche Konzentration besitzt. Dementsprechend kann die Temperaturverteilung der je­ weiligen Bereiche gleichmäßig gemacht werden, verglichen mit der Temperaturverteilung, bei der ein Kraftstoffgas mit unter­ schiedlicher Konzentration reagiert.

Als Oxidationsgas wird Luft mit einem Sauerstoffgehalt von 15% verwendet, und sein Sauerstoffverbrauch ist extrem nie­ drig, so daß der Sauerstoffgehalt sich nicht ändert und unge­ fähr bei 12% auch in der Nähe eines Sauerstoffgasauslasses gehalten wird. Andererseits hat das Kraftstoffgas einen höhe­ ren Wasserstoffverbrauch. Wenn der Wasserstoffgehalt hoch ist und beispielsweise etwa 80% in der Nähe des Oxidationsgasein­ lasses beträgt, nimmt er im allgemeinen auf 16% in der Nähe des Oxidationsgasauslasses ab. Dementsprechend ist zu berück­ sichtigen, daß das Ausmaß der Zellenreaktion, also das Ausmaß der exothermen Reaktion nicht so sehr durch die Oxidationsgas­ strömung beeinträchtigt wird und sich allmählich entsprechend der Kraftstoffgasströmung ändert.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung, teilweise mit Wegbrechungen, einer Kraftstoffzelle mit geschmol­ zenem Karbonat zum inneren Reformieren gemäß einer er­ sten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2A und 2B schematische Darstellungen zur Erläuterung der jewei­ ligen Gasströmungen bei der ersten Ausführungsform ge­ mäß der Erfindung und einer früheren Kraftstoffzelle;

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Änderungen der endothermen Werte eines Oxidationsgases und einer Re­ formierungsreaktion bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Temperaturvertei­ lung zwischen Einlaß und Auslaß für ein Oxidationsgas bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Temperaturvertei­ lung zwischen den Einlässen für Rohkraftstoffgas und Oxidationsgas, und zwar für den Fall, daß nur Rohkraft­ stoffgas und Oxidationsgas der Kraftstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform zugeführt werden;

Fig. 6 und 7 Darstellungen zur Erläuterung der Temperaturverteilun­ gen im Inneren der Reformer bei der ersten Ausführungs­ form und einer früheren Kraftstoffzelle, erhalten durch Computersimulation;

Fig. 8 eine schematische perspektivische Darstellung einer früheren Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum inneren Reformieren, mit teilweiser Wegbrechung eines Verteilers;

Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung eines Kraftstoffzellenstapels gemäß Fig. 8;

Fig. 10 eine Schnittansicht eines indirekten Reformers gemäß Fig. 8; und in

Fig. 11 und 12 Darstellungen zur Erläuterung von experimentellen Meß­ ergebnissen von Temperaturverteilungen im Inneren des Reformers bzw. der Zelle bei einer früheren Kraftstoff­ zelle während eines Betriebes im stabilen Zustand.

Nachstehend wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, die in perspektivischer Explosionsdarstellung und teilweise mit Weg­ brechungen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffzelle zeigt. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 20 einen Rohkraftstoffgas-Verteilungsbereich, der während der Montage der Kraftstoffzelle zwischen den einzelnen Zellen 1a und 1b eingesetzt wird. Das Rohkraftstoffgas 6, das von einer Seite senkrecht zu einer Strömung aus Oxidationsgas 9 zuge­ führt wird, ändert seine Richtung in dem Rohkraftstoffgas-Ver­ teilungsbereich 20 und strömt entgegengesetzt zu der Strömung des Oxidationsgases durch den Reformierungskatalysator 5 hin­ durch. Das Rohkraftstoffgas 6 wird durch eine Reformierungs­ reaktion in das Kraftstoffgas 7 reformiert. Das Kraftstoffgas 7 wird den einzelnen Zellen 1a und 1b so zugeführt, daß es orthogonal bzw. senkrecht sowohl zur Strömung des Oxidations­ gases 9 als auch der Ausbreitungsrichtung der Reformierungs­ reaktion strömt.

Fig. 2A zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der jeweiligen Gasströme bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt ist, während Fig. 2B eine schematische Darstellung zur Erläuterung der jeweiligen Gasströme einer früheren Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zur indirekten inneren Reformierung zeigt, die an­ hand von Fig. 10 erläutert worden ist.

Fig. 2A zeigt, daß die Ausbreitungsrichtung der Reformierungs­ reaktion im Gegenstrom zu der Strömung des Oxidationsgases liegt. Somit wird eine Kombination der endothermen Reformie­ rungsreaktion und der endothermen Oxidationswirkung verwendet, um die Zelle von entgegengesetzten Richtungen aus zu kühlen.

Fig. 3 zeigt Änderungen der endothermen Werte des Oxidations­ gases in der Kurve A sowie Änderungen der endothermen Werte der Reformierungsreaktion in der Kurve B zwischen dem Einlaß und dem Auslaß für Oxidationsgas der Kraftstoffzelle.

Fig. 4 zeigt die Temperaturverteilung der Zelle zwischen dem Einlaß und dem Auslaß für Oxidationsgas der Kraftstoffzelle. Dabei bezeichnen die Kurve C die Temperaturverteilung bei Kühlung nur durch die Reformierungsreaktion, die Kurve D die Kühlung nur durch Oxidationsgas und die Kurve E die Kühlung durch die Kombination der Wirkungen, die von dem Oxidations­ gas sowie der Reformierungsreaktion ausgehen.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, kann die Temperaturver­ teilung im Inneren der Zelle gleichmäßig ausgebildet werden. Ein Wärmeaustauschfeld, nämlich eine Wärmeaustauschmenge im Innenraum der Zelle läßt sich darstellen durch die nachstehen­ de Beziehung:

Q = α x ΔT,

wobei α die Wärmeleitfähigkeit bezeichnet und ΔT die Tempera­ turdifferenz angibt. Die Wärmeleitfähigkeit α muß erhöht wer­ den, um die Temperaturdifferenz ΔT durch die Kühlwirkung al­ lein durch das Oxidationsgas zu unterdrücken bzw. auszuglei­ chen. Infolgedessen muß die Menge an Oxidationsgas erhöht werden.

Gemäß der Erfindung verläuft jedoch die Strömung des Oxida­ tionsgases senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Reformie­ rungsreaktion. Es darf darauf hingewiesen werden, daß eine Kombination der Kühlwirkungen des Oxidationsgases und der Re­ formierungsreaktion verwendet wird, um die Wärmeaustauschmenge zu verringern, so daß dadurch die Menge an Oxidationsgas ver­ ringert wird. Wenn der Strom des Oxidationsgases nicht verrin­ gert wird, kann die Temperaturdifferenz ΔT klein werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verläuft die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion im Gegenstrom zu der Strömung des Oxidationsgases, und zur gleichen Zeit ist die Strömungsrichtung des Kraftstoffgases, also die Ausbrei­ tungsrichtung der Zellenreaktion, senkrecht zu den beiden oben genannten Richtungen, so daß der Verteiler ohne weiteren an einem Zellenkörper montiert werden kann und eine ungleichmäßi­ ge Temperaturverteilung unterdrückt werden kann.

Wenn das Rohkraftstoffgas und das Oxidationsgas der Kraftstoff­ zelle zugeführt werden, ohne die Zellenreaktion durchzuführen, so nimmt die Temperatur, wie in Fig. 5 dargestellt, in der Nähe der Einlässe für Rohkraftstoffgas und Oxidationsgas drastisch ab, da nur Wärmeabgabe und Wärmeabsorption durch die Umgebung stattfinden. Wenn daher die Zellenreaktion in der Nähe der bei­ den Einlässe nicht zumindest gleichmäßig durchgeführt wird, so kann die Temperatur im Zelleninnenraum nicht gut ausgeglichen werden.

Um diesen Nachteil zu beheben, läßt man das Kraftstoffgas senk­ recht zu dem Rohkraftstoffgas sowie zum Oxidationsgas strömen. Daher tritt eine Wärmeerzeugung durch die Reaktion des Kraft­ stoffgases auf, das die gleiche Konzentration in der Nähe der beiden Einlässe besitzt, und die Temperaturverteilung kann gleichmäßig gemacht werden.

Bei der früheren Kraftstoffzelle gemäß Fig. 2B ist aber die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion senkrecht zur Strömung des Oxidationsgases, so daß die Temperaturverteilung nicht gleichmäßig gemacht werden kann, und zwar wegen der nicht ausgeglichenen Kühlungsmengen innerhalb der Zellenoberflächen. Außerdem ist die Ausbreitungsrichtung der Zellenreaktion, also die Strömung des Kraftstoffgases im Gegenstrom zu der Ausbrei­ tungsrichtung der Reformierungsreaktion, wobei die Zellenreak­ tion exotherm ist und die Reformierungsreaktion eine Kühlwir­ kung ausübt. Daher ist zu berücksichtigen, daß eine große Tem­ peraturdifferenz zwischen den Bereichen von Einlaß und Auslaß für das Kraftstoffgas erzeugt wird.

Es wurde eine Computersimulation für den Betrieb der Zelle im stabilen Zustand bei den beiden Kraftstoffzellen gemäß Fig. 2A und 2B durchgeführt. Den Berechnungsbedingungen lagen folgende Werte zugrunde:

(1) durchschnittliche elektrische Stromdichte
150 mA/cm²
(2) Kraftstoffverwertung	60%
(3) Oxidationsmittelverwertung	20%
(4) wirksame Elektrodenfläche	5000 cm²
(5) Zellenanzahl	6 Zellen
(6) Reformer	auf den Ober- und Unterseiten der 6 Zellen angeordnet
(7) endotherme Menge des Reformers	3,2 MJ/h (770 kcal/h).

Die Resultate sind in der nachstehenden Tabelle sowie in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Die Temperaturdifferenzen im Inneren des Reformers und der Zellen sind vorteilhafterweise relativ kleiner in der Kraftstoffzelle gemäß der Erfindung im Vergleich mit der früheren Kraftstoffzelle. Es ist zu erwarten, daß die durchschnittliche Zellenspannung groß wird.

Tabelle

Temperaturverteilungen

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden Kraftstoff­ zellen zum indirekten inneren Reformieren erläutert, jedoch kann die Erfindung auch bei Kraftstoffzellen zum direkten inne­ ren Reformieren eingesetzt werden, wobei sich ähnliche Wirkun­ gen erzielen lassen.

Claims (3)

1. Kraftstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum inneren Refor­ mieren, gekennzeichnet durch

• - einen Zellenreaktionsbereich mit einer Kraftstoffelektrode, einer Oxidationselektrode und einer dazwischen angeordneten Elektrolytmatrix, um Elektrizität zu erzeugen, wobei eine Zuführung eines Kraftstoffgases (7) bzw. eines Oxidations­ gases (9) zu der Kraftstoffelektrode bzw. zu der Oxidations­ elektrode erfolgt, und
• - einen Reformierungsreaktionsbereich zum Reformieren eines Rohkraftstoffgases (6) in das Kraftstoffgas (7), wobei die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion des Rohkraft­ stoffgases (6) in dem Reformierungsreaktionsbereich im Ge­ genstrom zu der Strömungsrichtung des Oxidationsgases (9) in dem Zellenreaktionsbereich liegt.

2. Kraftstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion des Rohkraftstoffgases (6) senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kraftstoffgases (7) in dem Zellenreaktionsbereich ist.

3. Kraftstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gasverteilungsbereich (20) zur Anderung der Strömungs­ richtung des Rohkraftstoffgases (6).