DE4100579C2 - Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mit geschmolzenem Karbonat zur inneren Reformierung von Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mit geschmolzenem Karbonat zur inneren Reformierung von Brennstoff, die einen Zellenreaktionsbereich mit einer Brennstoffelektrode, einer Oxidationselektrode und einer dazwischen angeordneten Elektrolytmatrix umfaßt, wobei die Zuführung des Brennstoffgases zur Brennstoffelektrode und die Zuführung des Oxidationsgases zur Oxidationselektrode erfolgt.

Eine derartige Brennstoffzelle ist aus der EP 03 24 479 A1 bekannt, wobei es dort um das Problem geht, daß Anoden in solchen Brennstoffzellen einer beträchtlichen Korrosion unterliegen und daß aus diesem Grunde die Lebensdauer der Brennstoffzelle verkürzt wird. In der genannten Druckschrift wird zur Lösung dieser Schwierigkeiten vorgeschlagen, eine ternäre Anode zu verwenden, die als Hauptkomponente Nickel und zusätzlich Kobalt und Chromoxid enthält. Weiterhin werden in diesem Zusammenhang bestimmte Gewichtsanteile und Verfahrensmaßnahmen angegeben, wie eine derartige Anode herzustellen ist, um deren Korrosion im Betrieb zu vermeiden.

Eine Brennstoffzelle ist eine Zelle, die in der Lage ist, einen Gleichstrom zu liefern, 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 Brennstoffzellen 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 Brennstoffzelle von dem Typ mit geschmolzenem Karbonat wird nachstehend näher erläutert:
Die Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat weist einen Brennstoffzellenstapel auf, in welchem eine Vielzahl von ein­ zelnen Zellen aufgestapelt ist, zwischen denen jeweils Separatoren vorgesehen sind, wobei die Separatoren von Brenn­ 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 Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat werden auf diese Weise unter Anwendung eines herkömmlichen Verfahrens H₂ und CO aus Rohbrennstoff 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 Brennstoffzellen 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 Brennstoffzelle als Rohbrennstoff verbraucht werden soll, außerhalb des Brennstoffzellenstapels aus Kohlenwasser­ stoff erzeugt.

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

Verglichen mit einem herkömmlichen Energieerzeugungssystem, das mit einem Brennstoffzellentyp 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 brennstoffgasseitigen 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 Brennstoffgaskanal getrennt ist und thermisch an diesen angrenzt. Eine derartige Anordnung kann es ermöglichen, die Wärmebildung in der Brennstoffzelle 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 Brennstoffgaskanal 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 Brennstoffgaselektrode 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 Brennstoff­ zelle mit geschmolzenem Karbonat zum indirekten inneren Refor­ mieren, wobei diese Brennstoffzelle 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 Rohbrennstoffes 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 Brennstoffzellen­ stapel 3 zu bilden.

Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Brennstoffzellenstapels 3, wobei die Verteiler 11 und 12 ent­ fernt sind; diese Verteiler werden verwendet, um Rohbrennstoff­ gase 6a bis 6d oder oxidierendes Gas 9 in den Brennstoffzellen­ körper einzuleiten, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Bei die­ ser Darstellung ist die Brennstoffseite (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 Brennstoffzellenstapel 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 Brennstoffgasseite (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. Rohbrennstoffgas 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 Rohbrennstoffgas 6, das aus einem Roh­ brennstoffgaskanal 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 Rohbrennstoffgaskanal 8a gegenüber­ liegt. Der Reformierungsreaktionsbereich 8b ist ebenfalls mit einem Verteiler 12a versehen, der das Rohbrennstoffgas 6 dem Rohbrennstoffgaskanal 8a zuführt. Aus dem Reformierungsreak­ tionsbereich 8b austretendes Brennstoffgas 7 wird durch einen Verteiler 12b in die Brennstoffgaskanäle der jeweiligen ein­ zelnen Zellen verteilt.

Der Reformer 8 ist durch eine Trennwand 16 aufgeteilt in den Rohbrennstoffgaskanal 8a und den Reformierungsreaktionsbereich 8b. Der Reformer 8 ist außerdem mit einem Rohbrennstoffgas- Rückführungsbereich 17 versehen, um das Rohbrennstoffgas 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 Brennstoffgas nach einer Brennstoffzellenreaktion. Ein Rohbrennstoffverteiler 12 besteht aus einem Rohbrennstoffgas-Zuführungsverteiler 12a und einem Brennstoffgasverteiler 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 Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum indirekten inneren Reformieren näher erläutert. Das Rohbrennstoffgas 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 Rohbrennstoffgas zu dem Rohbrenn­ stoffgas-Rückführungsbereich 17 durch den Rohbrennstoffgaska­ nal 8a, der keinen Reformierungskatalysator 5 enthält.

Die Strömungsrichtung des Rohbrennstoffgases 6 wird dann geän­ dert, und das Rohbrennstoffgas 6 wird dann in den Reformie­ rungsreaktionsbereich 8b eingeleitet, der den Reformierungska­ talysator 5 enthält. Dadurch wird ein wasserstoffreiches Refor­ mierungsgas, nämlich ein Brennstoffgas 7 erzeugt. Das gebilde­ te Brennstoffgas 7 wird den jeweiligen Kanälen auf der Anoden­ seite der Zellen des Zellenkörpers durch den Brennstoffgasver­ 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 Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zum indirekten inneren Reformieren hat einen Aufbau, bei dem die Reaktion, die sich in der Strömungsrichtung des Rohbrennstoffgases 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 Brennstoffzelle bei früheren Brennstoffzellen 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 brennstoffgas, 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 Brennstoffzellen 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat zur inneren Reformierung von Brennstoff anzugeben, mit der es möglich ist, die Temperaturdifferenz zwischen Reformer und Zellenkörper während des Betriebes zu verringern, ohne daß sich diese Verringerung der Temperaturdifferenz nachteilig auf die Stabilität des Zellenbetriebes auswirkt.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Brennstoffzelle einen Reformierungsbereich zur Reformierung eines Rohbrennstoffgases in Brennstoffgas, in welchem die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion des Rohbrennstoffgases im Reformierungsreaktionsbereich im von der Strömung des Oxidationsgases im Zellenreaktionsbereich gebildeten Gegenstrom liegt, und eine Einrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung des zugeführten Rohbrennstoffgases aufweist.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist vorgesehen, daß die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion des Rohbrennstoffgases senkrecht zu der Strömungsrichtung des Brennstoffgases in dem Zellenreaktionsbereich liegt.

Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung des Rohbrennstoffgases als Gasverteilungsbereich ausgebildet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle breitet sich die Reformie­ rungsreaktion, die eine Kühlwirkung ausübt, entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des Oxidationsgases aus und unterdrückt dadurch Temperaturdifferenzen im Inneren der Brennstoffzelle.

Wenn die Brennstoffgasströmung senkrecht zur Ausbreitungsrich­ tung der Reformierungsreaktion verläuft, kann ein Verteiler für die Zuführung der jeweiligen Gase ohne weiteres an der Brennstoffzelle montiert werden. Außerdem darf die Ausbrei­ tungsrichtung der exothermen Zellenreaktion 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 Rohbrenn­ stoffgases kann eine Wärmeerzeugung auftreten durch die Reak­ tion des Brennstoffgases, welches die gleiche Konzentration besitzt. Dementsprechend kann die Temperaturverteilung der je­ weiligen Bereiche gleichmäßig gemacht werden, verglichen mit der Temperaturverteilung, bei der ein Brennstoffgas 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 Brennstoffgas 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 Brennstoffgasströmung ändert.

Die Erfindung wird nachstehend 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 Brennstoffzelle 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 Brennstoffzelle;

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 Rohbrennstoffgas und Oxidationsgas, und zwar für den Fall, daß nur Rohbrenn­ stoffgas und Oxidationsgas der Brennstoffzelle 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 Brennstoffzelle, erhalten durch Computersimulation;

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

Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoff­ 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 Brennstoffzelle zeigt. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 20 einen Rohbrennstoffgas-Verteilungsbereich, der während der Montage der Brennstoffzelle zwischen den einzelnen Zellen 1a und 1b eingesetzt wird. Das Rohbrennstoffgas 6, das von einer Seite senkrecht zu einer Strömung aus Oxidationsgas 9 zuge­ führt wird, ändert seine Richtung in dem Rohbrennstoffgas-Ver­ teilungsbereich 20 und strömt entgegengesetzt zu der Strömung des Oxidationsgases durch den Reformierungskatalysator 5 hin­ durch. Das Rohbrennstoffgas 6 wird durch eine Reformierungs­ reaktion in das Brennstoffgas 7 reformiert. Das Brennstoffgas 7 wird den einzelnen Zellen 1a und 1b so zugeführt, daß es 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 Brennstoffzelle 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 Brennstoffzelle.

Fig. 4 zeigt die Temperaturverteilung der Zelle zwischen dem Einlaß und dem Auslaß für Oxidationsgas der Brennstoffzelle. 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 × 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 Brennstoffgases, 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 Rohbrennstoffgas und das Oxidationsgas der Brennstoff­ zelle zugeführt werden, ohne die Zellenreaktion durchzuführen, so nimmt die Temperatur, wie in Fig. 5 dargestellt, in der Nähe der Einlässe für Rohbrennstoffgas 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 Brennstoffgas senk­ recht zu dem Rohbrennstoffgas sowie zum Oxidationsgas strömen. Daher tritt eine Wärmeerzeugung durch die Reaktion des Brenn­ stoffgases auf, das die gleiche Konzentration in der Nähe der beiden Einlässe besitzt, und die Temperaturverteilung kann gleichmäßig gemacht werden.

Bei der früheren Brennstoffzelle 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 Brennstoffgases 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 Brennstoffgas erzeugt wird.

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

(1) durchschnittliche elektrische Stromdichte
150 mA/cm²
(2) Brennstoffverwertung	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 Brennstoffzelle gemäß der Erfindung im Vergleich mit der früheren Brennstoffzelle. Es ist zu erwarten, daß die durchschnittliche Zellenspannung groß wird.

Tabelle

Temperaturverteilungen

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

Claims (3)

1. Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mit geschmolzenem Karbonat zur inneren Reformierung von Brennstoff, die einen Zellenreaktionsbereich (1a, 1b) mit einer Brennstoffelektrode, einer Oxidationselektrode und einer dazwischen angeordneten Elektrolytmatrix umfaßt, wobei die Zuführung des Brennstoffgases (7) zur Brennstoffelektrode und die Zuführung des Oxidationsgases (9) zur Oxidationselektrode erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle einen Reformierungsbereich zur Reformierung eines Rohbrennstoffgases (6) in Brennstoffgas (7), in welchem die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion des Rohbrennstoffgases (6) im Reformierungsreaktionsbereich im von der Strömung des Oxidationsgases (9) im Zellenreaktionsbereich gebildeten Gegenstrom liegt, und eine Einrichtung (20) zur Änderung der Strömungsrichtung des zugeführten Rohbrennstoffgases (6) aufweist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung der Reformierungsreaktion des Rohbrennstoffgases (6) senkrecht zu der Strömungsrichtung des Brennstoffgases (7) in dem Zellenreaktionsbereich (1a, 1b) ist.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zur Änderung der Strömungsrichtung des Rohbrennstoffgases (6) als Gasverteilungsbereich ausgebildet ist.