DE4217892A1

DE4217892A1 - Energieerzeugungssystem mit einer festkoerperelektrolyt-brennstoffzellenanordnung sowie energieerzeugungsmodul und dichtvorrichtung fuer ein solches system

Info

Publication number: DE4217892A1
Application number: DE4217892A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Shundou; Tsuneo Nakanishi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1991-05-30
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2012-05-30
Also published as: DE4217892C2; US5330858A; JPH0541241A

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem mit einem Energieerzeugungssmodul, das eine Brennstoffzellenan ordnung mit einem Oxidfestkörperelektrolyt (etwa Zirkono xid) als Elektrolyt enthält. Die Erfindung betrifft ferner das Energieerzeugungsmodul mit einer planaren Festkörper elektrolyt-Brennstoffzellenanordnung selbst sowie eine Dichtvorrichtung zur Verwendung in einem solchen Energieer zeugungsmodul.

Brennstoffzellen mit einem Oxidfestkörperelektrolyt wie Zirkonoxid arbeiten bei hohen Temperaturen bis hin zu bei spielsweise 800-1000°C, weisen daher einen hohen Wir kungsgrad der Energieerzeugung auf und erfordern keinen Edelmetallkatalysator. Da das Elektrolyt fest ist, erfor dern solche Brennstoffzellen nicht die Handhabung von (flüssigen) Elektrolyten, was bei anderen Arten von Brenn stoffzellen unvermeidlich ist. Infolgedessen sind Oxidfest körperelektrolyt-Brennstoffzellen leicht zu handhaben und werden als Brennstoffzellen der dritten Generation angese hen.

Oxidfestkörperelektrolyt-Brennstoffzellen verwenden jedoch Keramiken als Hauptbestandteile und unterliegen daher leicht thermischen Beschädigungen infolge thermischer Span nungen. Wenn die gesamte Brennstoffzellenanordnung dieses Typs mit einem Keramikklebstoff oder ähnlichem zur Abdich tung gegen Gase fixiert werden soll, können thermische Spannungen auftreten, was es in der Praxis schwierig macht, solche Brennstoffzellenanordnungen zu realiseren. Diese Schwierigkeit wurde durch Vorsehen einer zylindrischen Zel lenanordnung überwunden, die nicht mit den Problemen des Auftretens einer thermischen Spannung und der Notwendigkeit einer Gasabdichtung behaftet ist. In einigen Fällen sind Betriebstests mit solchen zylindrischen Brennstoffzellen erfolgreich gewesen. Sie weisen jedoch eine relativ nied rige Energieerzeugungsdichte pro Volumeneinheit der Zelle auf, und im Moment besteht kein Grund zur Erwartung, daß sich aus ihnen wirtschaftlich vertretbare Brennstoffzellen entwickeln. Zur Erhöhung der Energieerzeugungsdichte müssen Brennstoffzellen planar sein.

Fig. 2 ist eine horizontale Querschnittsansicht, die eine herkömmliche planare Festkörperelektrolyt-Brennstoffzellen anordnung zeigt, wie sie in der US-Patentschrift 40 10 100 beschrieben wird. Fig. 3 ist eine vertikale Schnittansicht dieser Brennstoffzellenanordnung längs der Linie II-II in Fig. 2.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, enthält ein Zellensta pel 1 eine Vielzahl einzelner Zellen 2 und eine Vielzahl von Trennplatten 3, die abwechselnd übereinander angeordnet sind. Eine Trennplatte 3A ist jeweils an der Oberseite und der Unterseite des Stapels 1 vorgesehen. Im mittleren Bereich des Zellenstapels 1 befinden sich ein Oxidations gasspeiseverteiler 4 und ein Brenngasspeiseverteiler 5. Um den mittleren Bereich ist eine Vielzahl von Führungslamel len 6 angeordnet. Reaktionsgase, das heißt ein Oxidations gas und ein Brenngas, werden über den Oxidationsgasspeise verteiler 4 bzw. den Brenngasspeiseverteiler 5 zugeführt und von den Führungslamellen 6 zu den Umfangsteilen des Zellenstapels 1 geführt. Die Reaktionsgase werden im Außen randbereich des Zellenstapels verbrannt und über eine (nicht gezeigte) Rohrleitung in einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher eingeführt.

Bei dieser Brennstoffzellenanordnung werden das Brennabgas und das Oxidationsabgas im äußeren Umfangsbereich des Zel lenstapels vermischt und auf einmal verbrannt. Dies führt zu einem außerordentlichen Anstieg der Temperatur des Zel lenstapels, so daß es schwierig wird, die Brennstoffzellen anordnung stabil zu betreiben. Dieses Problem wird insbe sondere dann noch gravierender, wenn eine Vielzahl von Sta peln vorhanden ist. Ein weiteres Problem liegt darin, daß Metallrohre, Leiter und ähnliches in einer oxidierenden Atmosphäre bei hohen Temperaturen leicht oxidieren und die Lebensdauer der Brennstoffzellenanordnung dadurch entspre chend verringert wird. Wenn die Rohrleitung, die dazu dient, erzeugte Wärme zu dem Wärmetauscher zu führen, lang ist, dann tritt nicht nur das Problem eines Wärmeverlusts auf, sondern auch das Problem einer verkürzten Haltbarkeit der Rohrleitung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energieerzeugungssystem mit einer Festkörperelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung sowie ein dafür geeignetes Energieerzeugungsmodul, das sehr zuverlässig und stabil ist, dadurch zu schaffen, daß die Verbrennung von Abgasen und der Wärmeaustausch rationali sert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Energieerzeugungs system mit einer Festkörperelektrolyt-Brennstoffzellenan ordnung zu schaffen, in der eine große Anzahl von Zellen stapeln kleiner bis mittlerer Kapazität angeordnet werden kann, so daß eine Energieerzeugung hoher Kapazität ermög licht wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dichtvor richtung zu schaffen, etwa eine Klemmvorrichtung, zum Klem men von Zellenstapeln, mit ausreichendem Adaptionsvermögen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Energieer zeugungssystem mit einer Festkörperelektrolyt-Brennstoff zellenanordnung gemäß Patentanspruch 1, ein Energieerzeu gungsmodul gemäß Patentanspruch 15 bzw. eine Dichtvorrich tung gemäß Patentanspruch 16 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Darüber hinaus ergeben sich folgende vorteilhafte Weiterbil dungen:

1. Der Oxidationsgasspeiseverteiler, der Brenngasspeisever teiler und der Stromausgangsleiter können in der Brenngas auslaßkammer angeordnet werden.
2. Die Dichtanordnung kann einen außerhalb des Energieer zeugungsmoduls vorgesehenen Klemmzylinder, eine mit dem Zylinder verbundene und durch ihn betätigte Klemmstange und ein Dichtelement enthalten, daß mittels der Klemmstange gespannt wird. Dabei kann die Klemmstange in der Brenngas auslaßkammer angeordnet sein. Der Klemmzylinder kann ein Hydraulikzylinder oder Gaszylinder sein.
3. Die Dichtanordnung kann eine Zwischenausfütterungsanord nung oder Zwischen-Kissenanordnung und eine obere Ausfütte rungsanordnung oder obere Kissenanordnung umfassen, wobei die Zwischenausfütterungsanordnung eine Vielzahl von Zwi schenausfütterungen enthält, die zwischen den Zellensta peln, zwischen jeweils einem der Zellenstapel und der ersten Innenfläche der Stapelkammer bzw. zwischen jeweils einem der Zellenstapel und der ersten Trennwand angeordnet sind, während die obere Ausfütterungsanordnung zwischen der zweiten Innenfläche der Stapelkammer und jeweiligen oberen Teilen der Zellenstapel und oberen Teilen der Zwischenaus fütterungen vorgesehen ist. Die Zwischenausfütterungen kön nen ein Dichtelement aus einem Fasermaterial, zwei jeweils mit Durchgangslöchern versehene Metallklemmplatten, die das Dichtelement zwischen sich einschließen, und einen mit den Durchgangslöchern der Klemmplatten in Eingriff stehenden Bolzen aufweisen. Die obere Ausfütterungsanordnung kann zwei, jeweils mit einem Durchgangloch versehene Klemmplat ten, einen mit den Durchgangslöchen im Eingriff stehenden Bolzen, ein zwischen den Klemmplatten eingeschlossenes Dichtelement aus einem Fasermaterial, ein auf der zweiten Innenfläche der Stapelkammer vorgesehenes Spannglied und eine, das Spannglied und das Dichtelement berührende, Spann- oder Druckplatte aufweisen.
4. Ein Startbrenner kann in der Verbrennungskammer vorgese hen sein.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das die Hauptbestandteile eines Energieerzeugungssystems mit einer Festkörperelek trolyt-Brennstoffzellenanordnung gemäß einer Aufüh rungsform der Erfindung darstellt,

Fig. 2 eine Horizontalschnittansicht einer herkömmlichen planaren Festkörperelektrolyt-Brennstoffzellenan ordnung mit einem Zellenstapel,

Fig. 3 eine Vertikalschnittansicht der Brennstoffzellenan ordnung von Fig. 2, gesehen in der durch die Pfeile II-II in Fig. 2 angegebenen Richtung,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Ener gieerzeugungsmoduls mit einer Festkörperelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einem ersten Bei spiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine Vertikalschnittansicht des Energieerzeugungs moduls von Fig. 4,

Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine Zwi schenausfütterung zur Verwendung in einem Energie erzeugungsmodul mit einer Festkörperelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einem zweiten Bei spiel der Erfindung zeigt,

Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine obere Ausfütterung zur Verwendung in einem Energie erzeugungsmodul mit einer Festkörperelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einem dritten Bei spiel der Erfindung zeigt,

Fig. 8 eine Horizontalschnittansicht eines Energieerzeu gungsmoduls mit einer Festkörperelektrolyt-Brenn stoffzellenanordnung gemäß einem vierten Beispiel der Erfindung, und

Fig. 9 eine Vertikalschnittansicht des Energieerzeugungs moduls von Fig. 8 gesehen in der durch die Pfeile IX-IX in Fig. 8 angegebenen Richtung.

Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 1 soll zunächst ein Energieerzeugungssystem mit einer Festkörperelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Hauptkomponenten eines solchen Energieerzeugungssystems gemäß einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, enthält das Energieerzeugungs system 10 gemäß der Erfindung ein Energieerzeugungsmodul 11 mit einer Festkörperelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung, das aufweist: eine Stapelkammer 12, die einen oder mehrere Zellenstapel einschließt, die je eine Vielzahl einzelner Zellen (37 in Fig. 5; 137 in Fig. 9) beinhalten, eine Ver brennungskammer 13 zur Verbrennung von Abgas aus der Sta pelkammer 12, eine Wärmetauscherkammer 14 mit einem Wärme tauscher (64 in Fig. 4; 146 in Fig. 9) zum Austausch der durch die Verbrennung erzeugten und von dem Verbrennungsgas mitgeführten Wärme, eine Brenngasspeiserohrleitung 15 zur Lieferung eines Brenngases von eine Brenngasquelle (nicht gezeigt) zu den Zellenstapeln, eine Oxidationsgasspeise rohrleitung 16 zur Lieferung eines Oxidationsgases von einer Oxidationsgasquelle (nicht gezeigt) zu den Zellensta peln, und eine Abgasleitung 17 zur Abführung des Verbren nungsgases nach dem Wärmetauscher. Das Energieerzeugungssy stem enhält ferner einen Wechselrichter 18 zur Umwandlung des von der Brennstoffzellenanordnung erzeugten Gleich stroms in einen Wechselstrom und eine Steuervorrichtung 19 zur Steuerung des Betriebs des Energieerzeugungssystems 10. Der Wechselrichter 18 bzw. die Steuervorrichtung 19 können herkömmlich sein.

Das Energieerzeugungsmodul 11 enthält in seiner Stapelkam mer 12 einen oder mehrere Zellenstapel, je mit einer Viel zahl einzelner Zellen. Abgas von den einzelnen Zellen wird in die Abgasverbrennungskammer 13 eingeleitet und dort ver brannt. Das Verbrennungsgas wird in die Wärmetauscherkammer 14 eingeleitet und kommt dort in Kontakt mit dem Wärmetau scher, um die als Folge der Verbrennung erzeugte Wärme abzugeben. Das Abgas wird dann über die Abgasleitung 17 abgeführt. Reaktionsgase, d. h. ein Brenngas und ein Oxida tionsgas, werden über die Brenngasspeiserohrleitung 15 bzw. die Oxidationsgasspeiserohrleitung 16 in den Wärmetauscher in der Wärmetauscherkammer 14 eingeleitet, dort vorgeheizt und dann zu den einzelnen Zellen geliefert. Der erzeugte Gleichstrom wird mittels des Wechselrichters 18 in Wechsel strom umgesetzt und an Verteilerleitungen geliefert. Die Steuervorrichtung 19 steuert das Modul 11, so daß es gut betrieben werden kann.

In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung bezieht sich der hier verwendete Begriff "Modul" auf eine abtrennbare Komponente, die eine Vielzahl von in der Stapelkammer 12 eingeschlosse nen Zellenstapeln enthält, von denen jeder etliche Einzel zellen aufweist. Die das Modul ausmachende abtrennbare Kom ponente enthält ferner die Abgasverbrennungskammer 13, die Wärmetauscherkammer 14 und ähnliches. Das Energieerzeu gungsmodul 11 mit der Stapelkammer 12, der Verbrennungskam mer 13 und der Wärmetauscherkammer 14 kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie es aus den nachfolgend beschriebenen Beispielen hervorgeht.

Beispiele

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 9 soll die Erfindung mehr im einzelnen anhand von Beispielen erläutert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.

Beispiel 1

Fig. 4 ist eine schematische Horizontalschnittansicht, die ein Energieerzeugungsmodul mit einer Festkörperelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 5 ist eine Vertikal schnittansicht des Energieerzeugungsmoduls von Fig. 4.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Energieerzeugungsmodul 11 enthält einen allgemein quaderförmigen, wärmeisolierten Behälter 20, in dem eine Stapelkammer 22 (entsprechend der Bezugszahl 12 in Fig. 1), eine Verbrennungskammer 24 (ent sprechend der Bezugszahl 13 in Fig. 1) und eine Wärmetau scherkammer 26 (entsprechend der Bezugszahl 14 in Fig. 1) vorgesehen sind. Die Stapelkammer 22 ist von der Verbren nungskammer 24 mittels einer Trennwand oder Wärmeisolati onswand 28 isoliert. Andererseits ist die Wärmetauscherkam mer 26 von der Verbrennungskammer 24 mit Hilfe einer Trenn wand oder Wärmeisolationswand 30 abgetrennt. Die Trennwand 28 ist mit einer Vielzahl erster Abgasdurchlässe 32 verse hen, die die Stapelkammer 22 mit der Verbrennungskammer 24 verbinden. Die Trennwand 30 ist mit einem zweiten Abgas durchlaß 34 versehen, der die Verbrennungskammer 24 mit der Wärmetauscherkammer 26 verbindet.

In der Stapelkammer 22 sind beispielsweise acht Zellensta pel 36, z. B. in zwei Reihen gemäß Darstellung in Fig. 4 angeordnet. Jeder Zellenstapel 36 enthält eine Vielzahl einzelner Zellen 37, die aufeinander gestapelt sind, und weist in seinem mittleren Abschnitt einen Oxidationsgas speiseverteiler 38, der mit einer Oxidationsgaseinlaßöff nung 38A an der Oberseite des Zellenstapels in Verbindung steht, und einen Brenngasspeiseverteiler 40, der mit einer Brenngaseinlaßöffnung 40A an der Oberseite des Zellensta pels verbunden ist, auf. Der wärmeisolierte Behälter 20 weist eine obere Wand oder Decke 20A auf, die von einer Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 42 (entsprechend der Bezugs zahl 15 in Fig. 1) und einer Brenngaseinlaßrohrleitung 44 (entsprechend der Bezugszahl 16 in Fig. 1) durchsetzt wer den. Diese Rohrleitungen 42 und 44 sind mit der Oxidations gaseinlaßöffnung 38A bzw. der Brenngaseinlaßöffnung 40A verbunden. Die in zwei Reihen angeordneten und voneinander beabstandeten Zellenstapel 36 sind auf einer leitenden Platte 46 montiert, wodurch jeder Zellenstapel 36 elek trisch angeschlossen wird. Ein (nicht gezeigter) Schaltme chanismus ist dazu vorgesehen, jede beliebige Serien- oder Parallellschaltung der Zellenstapel zu bewirken.

In der Stapelkammer 22, in der die Zellenstapel 36 in zwei Reihen angeordnet sind, befinden sich zwischenliegende (oder untere) Spalte und obere Spalte. Die unteren Spalte (zwischenliegende Spalte) schließen die Spalte zwischen den Zellenstapeln selbst (d. h. zwischen den jeweiligen Elemen ten) in den beiden Reihen ein. Außerdem schließen die unte ren Spalte die Spalte zwischen der Trennwand 28 und jenen Zellenstapeln, die sich in der der Trennwand 28 näherlie genden Reihe befinden, sowie Spalte zwischen einer der Sei tenwände des Behälters 20, nämlich der zur Trennwand 28 parallelen Seitenwand 20E (d. h. einer seitlichen Innenfläche der Stapelkammer 22) und jenen Zellenstapeln 36, die in der der Seitenwand 20E der Stapelkammer näherliegenden Reihe angeordnet sind. Erste oder Zwischenausfütterungen (oder untere Ausfütterungen) 48 sind zwischen den Zellenstapeln 36 vorgesehen, um die Spalte zwischen den Stapeln auszufül len. Die Zwischenausfütterungen zur Ausfüllung der Zwi schenstapelspalte können als Zwischenstapelausfütterungen bezeichnet werden. Die Zwischenausfütterungen sind ferner zwischen den Zellenstapeln und der Trennwand 28 sowie zwi schen den Zellenstapeln und der Seitenwand 20E der Stapel kammer 22 zur Ausfüllung oder Abdichtung dieser Spalte vor gesehen. Die Zwischenausfütterungsanordnung, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfaßt also eine Ausfütterung, die mit einem Zellenstapel und einer Sei teninnenfläche der Stapelkammer in Verbindung steht, eine Ausfütterung, die mit zwei Zellenstapeln in Verbindung steht (Zwischenstapelausfütterung) oder beide Arten von Ausfütterungen. Nachdem die Zwischenausfütterungen in die Spalte eingepaßt wurden, bleiben immer noch Spalte zwischen der Innenfläche der oberen Wand oder Decke 20A des Behäl ters 20, bzw. der Stapelkammer 22 und jeweiligen oberen Teilen aller Zellenstapel 36 und oberen Teilen der Zwi schenausfütterungen 48 übrig. Zweite oder obere Ausfütte rungen 50 sind zwischen den jeweiligen oberen Teilen der Zellenstapel 36 und der Innenfläche der oberen Wand 20A sowie zwischen den jeweiligen oberen Teilen der Zwischen ausfütterungen 48 und der oberen Wand 20A vorgesehen, um diese oberen Spalte auszufüllen oder abzudichten. Als Folge davon werden Oxidationsgasauslaßkammern 52 und Brenngasaus laßkammern 54 in der Stapelkammer 22 gebildet, und zwar von den Zellenstapeln 36, den Zwischenausfütterungen 48 und den oberen Ausfütterungen 50. Die Oxidationsgasauslaßkammern 52 und die Brenngasauslaßkammern 54 sind abwechselnd und par allel zu den Innenflächen der Seitenwände 20C bzw. 20D des Behälters 20 (oder der Stapelkammer 22) angeordnet.

Das Energieerzeugungssystem dieser Ausführungsform der vor liegenden Erfindung weist ferner einen Startbrenner 56 auf. Der Startbrenner 56 hat eine Düsenöffnung 56A, die sich durch einen Teil der Seitenwand 20C im Bereich der Verbren nungskammer 24 erstreckt und zur Verbrennungskammer 24 öff net. Eine Abgasauslaßöffnung 58 ist in der Seitenwand 20F des Behälters 20 ausgebildet. Eine Abgasleitung ähnlich der Abgasleitung 17 in Fig. 1 kann mit der Abgasauslaßöffnung 58 in der Seitenwand 20F verbunden werden.

Eine jeweilige Klemmstange 60 stößt an das obere Ende jedes Zellenstapels 36. Jede Klemmstange 60 ist mit einem Klemm zylinder 62 verbunden. Der Klemmzylinder betätigt die Klemmstange 60 pneumatisch oder hydraulisch, um sie vor- und zurückzubewegen und dadurch die Klemmung der Zellensta pel 36 mittels der Klemmstange 60 zu justieren. Der Klemm zylinder kann ein Gaszylinder oder ein hydraulischer Zylin der (Ölzylinder) sein.

In der Wärmetauscherkammer 26 ist ein Wärmetauscher oder Regenerator 64 vorgesehen, der an seinem einen Ende mit einer Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 42 und der Brenn gaseinlaßrohrleitung 44 verbunden ist und an seinem anderen Ende mit der Oxidationsgaseinlaßöffnung 38A und der Brenn gaseinlaßöffnung 40A.

Bei dem Energieerzeugungssystem mit dem vorerwähnten Aufbau wird der Startbrenner 56 gezündet, und ein Brenngas und ein Oxidationsgas werden in der Verbrennungskammer 24 unter Aufheizung des Wärmetauschers 64 verbrannt. Bei dieser Gelegenheit strömt N₂ Gas in der Brenngaseinlaßrohrleitung 44 und der Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 42 und erreicht den Wärmetauscher 64, wo das N₂ Gas erhitzt wird und dann den Zellenstapeln 36 zugeführt wird, um die Temperatur der Zellenstapel anzuheben. Wenn die Temperatur der Zellensta pel 36 einen vorbestimmten Wert erreicht hat, wird Luft der Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 42 und ein Brenngas (etwa Erdgas) der Brenngaseinlaßrohrleitung 44 zur Einleitung der Energieerzeugung zugeführt. Wenn der Zustand erreicht, ist, daß die Energieerzeugung stabil abläuft, wird der Start brenner 56 abgeschaltet. Wenn die Energieerzeugung beendet werden soll, wird die Last abgetrennt und gleichzeitig die Zufuhr des Oxidationsgases und des Brenngases unterbrochen und statt dessen N₂ zugeführt.

Als Folge davon gibt es keine Wärmequelle mehr, so daß die Energierzeugung aufhört und die Temperatur der Zellenstapel abnimmt.

Als nächstes soll der stationäre Betrieb des Energieerzeu gungssystems gemäß der Erfindung erläutert werden. Nachdem sie den Wärmetauscher 64 durchlaufen haben und auf Tempera turen in der Größenordnung innerhalb des Bereichs von 700 bis 900°C erhitzt wurden, werden das Oxidationsgas und das Brenngas den Zellenstapeln 36 über die jeweiligen Oxidati onsgaseinlaßöffnungen 38A bzw. die Brenngaseinlaßöffnungen 40A, die im mittleren Teil der Zellenstapel und an ihrer Oberseite vorgesehen sind, und durch den Oxidationsgasspei severteiler 38 bzw. den Brenngasspeiseverteiler 40 gelie fert. Das Oxidationsabgas und das Brennabgas von den Zel lenstapeln 36 werden in die Oxidationsgasauslaßkammern 52 bzw. die Brenngasauslaßkammern 54 abgeführt, die von den oberen Ausfütterungen 50 und den Zwischenausfütterungen 48 sowie den Zellenstapeln 36 selbst abgeteilt sind. Diese Reaktionsabgase werden der Verbrennungskammer 24 über die in der Trennwand 28 vorgesehenen ersten Abgasdurchlässe 32 zugeführt. In der Verbrennungskammer 24 werden die Reakti onsgase vermischt und verbrannt. Das Verbrennungsgas strömt zum Wärmetauscher 64 und wird nach Abkühlung auf 400°C oder weniger über die Abgasauslaßöffnung 58 abgeführt.

Der wärmeisolierte Behälter 20 besteht am äußeren Umfang aus einem metallischen Bauelement bzw. einem Element, das eine mechanische Festigkeit aufweist, die ausreicht, der Klemmkraft durch die Zellenstapel 36, die Zwischenausfütte rungen 48 und die oberen Ausfütterungen 50 zu widerstehen. An der Innenfläche des Behälters 20 ist ein Isoliermaterial vorgesehen, um einen Temperaturanstieg des metallischen Bauelements zu verhindern. Da die Trennwand 28 von beiden Seiten her aufgeheizt wird, ist ein wärmefestes Metall mit hoher mechanischer Festigkeit bei hoher Temperatur in die Trennwand 28 als Ausfütterung eingebettet. Zur Verhinderung einer Rückfeuerung sind die ersten Abgasdurchlässe 32 mit einer porösen Keramik ausgefüllt. Die Trennwand 30, die die Wärmetauscherkammer 26 von der Verbrennungskammer 24 abtrennt, ist so angeordnet, daß die Brennflamme den metal lischen Teil des Wärmetauschers nicht direkt berührt, so daß die Trennwand 30 nicht allzu stark sein muß und feuer feste Ziegel für die Trennwand 30 verwendet werden können.

Die Größe des Zellenstapels 36 kann abhängig davon variie ren, wieviel Energie der Energieerzeuger abgeben soll. Eine Leistung von 25 kW kann unter Verwendung eines Zellensta pels 36 mit 40 cm Durchmesser und 90 cm Höhe erzielt wer den. Ein 200 kW Energieerzeugungsmodul kann durch Anordnung von acht solchen Zellenstapeln erhalten werden. Die Zellen stapel 36 werden mit Hilfe der jeweiligen Klemmzylinder 62 festgeklemmt oder befestigt. Der Klemmgrad der Zellenstapel 36 kann jeweils abhängig von den Bedingungen des Betriebs des einzelnen Zellenstapels justiert werden.

Die leitende Platte 46 wird für die elektrische Verbindung der Zellenstapel untereinander entweder in Reihe oder par allel benötigt. An den oberen Teilen der Zellenstapel sind flexible Leiter aus einer hitzebeständigen Legierung ange bracht, um die jeweiligen Zellenstapel im oberen Teil des Behälters 20 elektrisch anzuschließen. Der Leiter ist mit Verteilerleitungen (nicht gezeigt) verbunden. Wenn der elektrische Leiter in der Stapelkammer 22 angeordnet wird, wird er vorzugsweise in der Brenngasauslaßkammer 54 posi tioniert, um seine Beeinträchtigung durch Oxidation zu ver ringern. Gaseinlaßleitungen zur Lieferung der Reaktionsgase sind ebenfalls in der Brenngasauslaßkammer 54 angeordnet, um ihre Beeinträchtigung durch Oxidation zu vermindern. Es gibt nur wenige Metalle, wenn überhaupt, die unter oxidie render Atmosphäre bei einer so hohen Temperatur wie 1000°C haltbar sind, und solche haltbaren Metalle, soweit es sie gibt, haben im allgemeinen eine schlechte Dehnbarkeit. Des halb ist es günstig, die Gaseinlaßleitungen unter reduzie render Atmosphäre, wie in der Brenngasauslaßkammer, anzu ordnen, um einen langen Betrieb des Energieerzeugungssy stems sicherzustellen.

Der in der Verbrennungskammer 24 angeordnete Startbrenner 56 ist zur Anhebung der Temperatur der Zellenstapel und des Wärmetauschers erforderlich. Der Startbrenner kann auch zusätzlich immer dann eingesetzt werden, wenn die Wärme menge der Abgase im stationären Betrieb des Energieerzeu gungssystems unzureichend ist. Brennstoff kann durch den Startbrenner nachgefüllt werden, wenn in der Verbrennungs kammer Brennstoffmangel herrscht, was manchmal vorkommen kann, wenn überschüssige Luft zur Kühlung der Zellenstapel einströmt.

Beispiel 2

Fig. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Zwi schenausfütterung für die Verwendung bei einem Energieer zeugungsmodul mit einer Festkörperelektrolyt-Brennstoffzel lenanordnung gemäß einem zweiten Beispiel der Erfindung.

Eine Zwischenausfütterung 49 umfaßt ein Dichtelement 66, zwei Klemmplatten 68, die das Dichtelement 66 sandwichartig zwischen sich einschließen und je ein Durchgangsloch 68A aufweisen, einen Bolzen 70, der die Durchgangslöcher 68A in den Klemmplatten 68 durchsetzt, und eine auf den Bolzen 70 aufgeschraubte Mutter 72. Da die Betriebstemperatur bis zu 1000°C reicht, ist das Dichtelement 66 vorzugsweise aus Keramikfasermaterial, beispielsweise einer Kaolinfaser oder Tonerdefaser hergestellt. Obwohl die Keramikfaser selbst eine hohe Gasdurchlässigkeit aufweist und allein keine aus reichende Dichteigenschaft erwarten läßt, kann ihre Gasab dichtfähigkeit durch Klemmen des Dichtelements 66 mit Hilfe der Klemmplatten 68, des Bolzens 70 und der Mutter 72 erhöht werden. Es ist nicht immer notwendig, zu versuchen, eine vollständige Gasabdichtung zwischen den Zellenstapeln 36 herzustellen. Vielmehr darf in gewissem Ausmaß eine Kreuzleckströmung und damit ein Verbrennen in geringem Maße auftreten, was zu keinen praktischen Problemen führt, da die Betriebstemperatur hoch genug ist. Die Dichtfähigkeit kann durch Vorsehen einer Zwischenausfütterung 49 zwischen zwei benachbarten Zellenstapeln 36 und Klemmen der Zwi schenausfütterung 49 von außerhalb des Behälters 20 zwi schen der Wand 20E des Behälters 20 und der Wärmeisolati onswand 28 justiert werden. Wenn eine Tonerdefaser für das Dichtelement 66 verwendet wird, besteht die Möglichkeit, daß sie mit dem Zellenstapel 36 reagiert, weshalb es gün stig ist, ein hitzebeständiges Blatt oder ähnliches (nicht gezeigt) zwischen dem Zellenstapel und der Tonerdefaser vorzusehen um eine solche Reaktion zu verhindern.

Fig. 6 zeigt die Zwischenausfütterung zwischen der Seiten wand 20E des Behälters 20 und dem Zellenstapel 36. Die Zwi schenausfütterungen zwischen den Zellenstapeln 36 haben den gleichen Aufbau wie die dargestellte mit der Ausnahme, daß die Form ihrer seitlichen Enden an die Gestalt (zylindri sche Oberfläche) des Zellenstapels anstelle der Seitenwand 20E (flache Oberfläche) der Stapelkammer 22 angepaßt ist.

Beispiel 3

Fig. 7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine obere Ausfütterung zur Verwendung bei einem Energieerzeu gungsmodul mit einer Festkörperelektrolyt-Brennstoffzellen anordnung gemäß einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel umfaßt die obere Ausfütterung 51 das Dichtelement 66, das zwischen die Ober seite des Stapels 36 und die obere Wand 20A des Behälters 20 gesetzt ist, zwei Klemmplatten 68, die je mit einem Durchgangsloch 68A versehen sind, einen die Durchgangslö cher 68A der Klemmplatten 68 durchsetzenden Bolzen 70 und eine auf den Bolzen 70 aufgeschraubte Mutter 72. Die obere Ausfütterung 51 enthält ferner eine Befestigungs- oder Spannplatte 74 und ein Spannglied 76. Das Spannglied 76 weist in seinem mittleren Teil eine Basis 76a, vertikal abgewinkelte Teile 76b, die von beiden Enden der Basis 76a vertikal (senkrecht) abstehen und horizontal abgewinkelte Teile 76c, die von den jeweiligen, der Basis 76a abgewand ten Enden der vertikal abgewinkelten Teile 76b abstehen. Die horizontal abgewinkelten Teile 76c sind jeweils mit einem Gewindeloch 76d versehen, in das ein Bolzen 78 einge schraubt ist. Die obere Wand 20A des Behälters 20 weist andererseits einen in Richtung der Dicke der oberen Wand ausgebildeten Schlitz 80 auf, dessen Dicke geringer als die des Dichtelements 66 ist. Die Spannplatte 74 ist durch den Schlitz 80 eingeführt, drückt mit einem Ende auf das Dicht element 66 und stößt mit dem anderen Ende an die Basis 76a des Spannglieds 76 an. Durch Drehen der Bolzen 78 in einem (nicht gezeigten) Gewindeloch in der oberen Wand 20A des Behälters 20 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, werden die Bolzen 78 nach oben oder unten bewegt, was eine Justierung des Grades des Spannens des Dichtelements 66 erlaubt.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Anordnung wird das Dichtelement 66 mit Hilfe der Klemmplatten 68, des Bolzens 70 und der Mutter 72 gespannt, um den Spalt zwischen den oberen Flä chen der Zellenstapel 36 und der oberen Wand bzw. Decke 20A des Behälters 20 abzudichten. Zur Sicherstellung einer aus reichenden Dichtfähigkeit wird die Spannplatte 74 in den in der oberen Wand des Behälters 20 ausgebildeten Schlitz 80 eingeführt und mit Hilfe des Spannglieds 76 und der Bolzen 78 in das Dichtelement 66 gedrückt. Da das Dichtelement 66 eine hohe elastische Festigkeit aufweist, kann eine ausrei chende Gasdichtfähigkeit ungeachtet der Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Zellenstapel 36 aufrechterhalten wer den. Die Klemmplatten 68, der Bolzen 70 und die Mutter 72 können vorzugsweise aus einer oxidationsbeständigen Legie rung hergestellt werden, um der Atmosphäre hoher Temperatur zu widerstehen.

Beispiel 4

Fig. 8 ist eine Horizontalquerschnittsansicht eines Ener gieerzeugungsmoduls mit einer Festkörperelektrolyt-Brenn stoffzelle gemäß einem vierten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 9 ist eine Vertikalquerschnittsansicht die ses Energieerzeugungsmoduls.

Das in den Fig. 8 und 9 dargestellte Energieerzeugungs modul 11 enthält einen zylindrischen, wärmeisolierten Behälter 120 mit einer im Querschnitt kreisförmigen Seiten wand 120A. In dem Behälter 120 befindet sich eine von der Seitenwand 120A gebildete Stapelkammer 122. Im mittleren Bereich der Stapelkammer 122 ist eine zylindrische, zur Stapelkammer 122 konzentrische Verbrennungskammer 124 vor gesehen. Eine Wärmetauscherkammer 126 ist auf der Verbren nungskammer 124 angeordnet. Die Stapelkammer 122 ist also durch eine Trennwand (Wärmeisolationswand) 128 von der Ver brennungskammer 124 und der auf der Verbrennungskammer 124 angeordneten Wärmetauscherkammer 126 abgeteilt. Die Ver brennungskammer 124 und die Wärmetauscherkammer 126 sind mittels einer Trennwand 130 voneinander getrennt. In der Trennwand 128 ist eine Vielzahl erster Abgasdurchlässe 132 in einem Abschnitt entsprechend der Verbrennungskammer 124 ausgebildet. Die Verbrennungskammer 124 und die Wärmetau scherkammer 126 stehen über die ersten Abgasdurchlässe 132 miteinander in Verbindung. In der Trennwand 130 ist ein zweiter Abgasdurchlaß 134 ausgebildet, über den die Ver brennungskammer 124 und die Wärmetauscherkammer 126 mitein ander in Verbindung stehen.

In der Stapelkammer 122 sind beispielsweise acht Zellensta pel 136 auf einem konzentrischen Kreis angeordnet. Jeder Zellenstapel 136 weist eine Bodenplatte 136A auf, auf der eine Vielzahl einzelner Zellen 137 übereinander gestapelt ist. Jeder Zellenstapel 136 weist ferner einen Oxidations gasspeiseverteiler 138 und einen Brenngasspeiseverteiler 140 auf. Der Oxidationsgasspeiseverteiler 138 steht mit einer Oxidationsgaseinlaßöffnung 138A, die am Boden des Zellenstapels 136 vorgesehen ist, in Verbindung. Der Brenn gasspeiseverteiler 140 steht mit einer Brenngaseinlaßöff nung 140A im mittleren Bereich und am Boden des Zellensta pels in Verbindung. Eine Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 142 und eine Brenngaseinlaßrohrleitung 144 durchsetzen eine obere Seitenwand 126A des Behälters 120 und sind über einen später beschriebenen Wärmetauscher mit der Oxidations gaseinlaßöffnung 138A bzw. der Brenngaseinlaßöffnung 140A verbunden. Die Bodenplatte 136A jedes Stapels 136 ist mit einem Durchgangsloch versehen, durch das sich ein Ende des Wärmetauschers erstreckt, um mit den Gaseinlaßöffnungen 138A und 140A bzw. den Verteilern 138 und 140 in Verbindung zu stehen.

Die Bodenplatte 136A kann aus einem elektrisch leitenden Material, etwa Aluminium hergestellt sein, oder der Stapel kann über einen leitungsdraht (nicht gezeigt) oder ähnli ches elektrisch an eine leitende Platte 146 als einen Stromausgangsleiter angeschlossen sein. Die leitenden Platte 146 kann in Form eines Kreises, eines Kreisrings oder in irgendeiner anderen geeigneten Form ausgebildet sein. Die leitende Platte kann mit der Bodenplatte inte griert sein.

Die konzentrisch in der Stapelkammer 122 angeordneten Zel lenstapel 136 weisen zwischen sich selbst sowie zwischen sich und der zylindrischen Seitenwand 120A und der Trenn wand 128 Spalte auf. Diese Spalte sind mit Zwischenausfüt terungen 148 aufgefüllt oder abgedichtet. Außerdem gibt es Spalte zwischen den Zellenstapeln 136 und der oberen Wand 120B sowie zwischen den Zwischenausfütterungen 148 und der oberen Wand 120B des Behälters 120. Diese Spalte sind mit oberen Ausfütterungen 150 ausgefüllt oder abgedichtet. Damit wird eine Vielzahl von Oxidationsgasauslaßkammern 152 und eine Vielzahl von Brenngasauslaßkammern 154 gebildet, die abwechselnd angeordnet und von den Zellenstapeln 136 und den Zwischenausfütterungen 148 und den oberen Ausfütte rungen 150 abgetrennt oder abgedichtet sind. Wenn eine Gas auslaßkammer, die von zwei benachbarten Zellenstapeln 136 zusammen mit den Zwischenausfütterungen 148 und den oberen Ausfütterungen 150 gebildet wird, eine Oxidationsgasauslaß kammer 152 ist, wird die Oxidationsgasströmung, die ein zelne Zellen 137 in jedem der beiden benachbarten Zellen stapel 136 passiert, in der durch Pfeile angegebenen Rich tung abgeführt. Die Brenngasströmung, die die einzelnen Zellen 137 durchsetzt, wird andererseits in die Brenngas auslaßkammer 154 neben der Oxidationsgasauslaßkammer 152 abgeführt.

Ein Startbrenner 156 ist am Boden 120C des Behälters 120, genauer gesagt in der Verbrennungskammer 124 angeordnet.

Eine Abgasauslaßöffnung 158 ist in der oberen Wand 120D des Behälters 120 vorgesehen. Eine Abgasleitung 159 (entspre chend der Bezugszahl 17 in Fig. 1) ist an die Abgasauslaß öffnung 158 angeschlossen.

Eine jeweilige Klemmstange 160 stößt gegen die Oberseite jedes Zellenstapels 136. Jede Klemmstange 160 ist mit einem Klemmzylinder 162 verbunden, der die Klemmstange 160 auf wärts und abwärts bewegt, um den Grad der Spannung des Zel lenstapels 136 zu steuern.

Ein Wärmetauscher 164 ist in der Wärmetauscherkammer 126 angeordnet. Der Wärmetauscher 164 ist mit seinem einen Ende an die Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 142 und die Brenn gaseinlaßrohrleitung 144 und mit dem anderen Ende an die Oxidationsgaseinlaßöffnung 138A und die Brenngaseinlaßöff nung 140A angeschlossen.

Bei der Brennstoffzellenanordnung mit dem vorgenannten Auf bau wird zuerst der Startbrenner 156 gezündet und ein Brenngas und ein Oxidationsgas in der Verbrennungskammer 124 verbrannt. Während dieser Verbrennung wird der Wärme tauscher 164 aufgeheizt. Bei dieser Gelegenheit strömt N₂- Gas in die Brenngaseinlaßrohrleitung 144 und die Oxidati onsgaseinlaßrohrleitung 142 und erreicht den Wärmetauscher 164, wo das N₂-Gas erhitzt wird. Das erhitzte N₂-Gas wird den Zellenstapeln 136 geliefert, um deren Temperatur anzu heben. Wenn die Temperaturen der Zellenstapel 136 einen vorbestimmten Wert erreichen, wird der Oxidationsgaseinlaß rohrleitung 142 Luft zugeführt und der Brenngaseinlaßrohr leitung 144 ein Brenngas, etwa Erdgas, zugeführt, um die Energieerzeugung einzuleiten. Wenn ein Zustand erreicht ist, wo das Energieerzeugungssystem stabil arbeitet, wird der Betrieb des Startbrenners 156 beendet. Wenn die Ener gieerzeugung beendet werden soll, wird die Last abgetrennt und gleichzeitig die Gaszufuhr von Oxidationsgas und Brenn gas auf N₂ umgeschaltet. Dies führt zur Entfernung der Wärmequelle, woraufhin die Energieerzeugung aufhört und die Temperatur der Zellenstapel abnimmt.

Es soll nun der stationäre Betrieb des Energieerzeugungssy stems dieses Beispiels der vorliegenden Erfindung beschrie ben werden.

Nachdem sie den Wärmetauscher 164 passiert haben und auf Temperaturen einer Größenordnung im Bereich von 700-900°C erhitzt wurden, werden das Oxidationsgas und das Brenngas den Zellenstapeln 136 über die jeweiligen Oxidationsgasein laßöffnungen 138A bzw. Brenngaseinlaßöffnungen 140A und durch den Oxidationsgasspeiseverteiler 138 bzw den Brenn gasspeiseverteiler 140, die im mittleren Bereich der Zel lenstapel vorgesehen sind, geliefert. Das Oxidationsgas und das Brenngas von den Zellenstapeln 136 wird in die Oxidati onsgasauslaßkammern 152 bzw. die Brenngasauslaßkammern 154 abgeführt. Diese Kammern 152 und 154 sind durch die oberen Ausfütterungen 150 und die Zwischenausfütterungen 148 sowie die Zellenstapel 136 selbst abgeteilt. Diese Reaktionsab gase werden über die ersten Abgasdurchlässe 132 in der Trennwand 128 in die Verbrennungskammer 124 geleitet. In der Verbrennungskammer 124 werden die Reakionsgase ver mischt und verbrannt. Das Verbrennungsgas strömt durch den Wärmetauscher 164 nach oben und wird nach Abkühlung auf 400°C oder weniger aufgrund des Kontakts mit dem Wärmetau scher 164 von der Abgasauslaßöffnung 158 und durch die Abgasleitung 159 abgeführt.

Der äußerer Umfang des wärmeisolierten Behälters 120 besteht aus einem metallischen Bauelement oder einem Ele ment, das eine mechanische Festigkeit aufweist, die hoch genug ist, um der Klemmung der Zellenstapel 136, der Zwi schenausfütterungen 148 und der oberen Ausfütterungen 150 zu widerstehen. An der Innenfläche des Behälters 120 ist ein Isoliermaterial vorgesehen, um einen Anstieg der Tempe ratur des metallischen Bauelements zu verhindern. Da die Trennwand 128 von ihren beiden Seiten her aufgeheizt wird, ist ein hitzebeständiges Metall mit einer hohen mechani schen Festigkeit bei hoher Temperatur in die Trennwand 128 als Ausfütterung eingebettet. Zum Verhindern der Rückfeue rung sind die ersten Abgasdurchlässe 132 vorzugsweise mit einer porösen Keramik ausgefüllt. Die Trennwand 130, die die Wärmetauscherkammer 126 von der Verbrennungskammer 124 trennt, ist so angeordnet, daß die Brennflamme nicht direkt den metallischen Teil des Wärmetauschers berührt. Daher braucht die Trennwand 130 nicht besonders stark zu sein und kann aus feuerfesten Ziegeln hergestellt werden.

Die Größe der Zellenstapel 136 kann abhängig von der zu erzeugenden Ausgangsleistung des Energieerzeugungssystems variieren. Eine Leistung von 25 kW kann mit einem Zellen stapel von 40 cm Durchmesser und 90 cm Höhe erreicht wer den. Ein 200 kW Energieerzeugungsmodul kann durch Anordnung von acht solchen Zellenstapeln erhalten werden. Die Zellen stapel 136 werden mit Hilfe der jeweiligen Klemmzylinder 162 festgeklemmt oder befestigt. Das Ausmaß der Klemmung der Zellenstapel 136 kann also jeweils abhängig von den Betriebsbedingungen jedes einzelnen Zellenstapels justiert werden.

Wie in Fig. 9 dargestellt, ist eine leitende Platte 146 am Boden der Stapelkammer 122 vorgesehen, um die Zellenstapel 136 untereinander in Reihe oder parallel zu verbinden. An den oberen Teilen der Zellenstapel 136 sind flexible Leiter aus einer hitzebeständigen Legierung angebracht, um die jeweiligen Zellenstapel im oberen Teil des Behälters 120 elektrisch anzuschließen. Der Leiter ist mit Verteilerlei tungen (nicht gezeigt) verbunden. Wenn der elektrische Lei ter in der Stapelkammer 122 angeordnet wird, wird er vor zugsweise in der Brenngasauslaßkammer 154 positioniert, um seine Beeinträchtigung durch Oxidation zu verringern. Gaseinlaßleitungen zur Lieferung der Reaktionsgase sind ebenfalls in der Brenngasauslaßkammer 154 angeordnet, um ihre Beeinträchtigung durch Oxidation zu vermindern. Es gibt nur wenige Metalle, wenn überhaupt, die unter oxidie render Atmosphäre bei einer so hohen Temperatur wie 1000°C haltbar sind, und solche haltbaren Metalle, soweit es sie gibt, haben im allgemeinen eine schlechte Dehnbarkeit. Des halb ist es günstig, die Gaseinlaßleitungen unter reduzie render Atmosphäre, wie in der Brenngasauslaßkammer, anzu ordnen, um einen langen Betrieb des Energieerzeugungssy stems sicherzustellen.

Der in der Verbrennungskammer 124 angeordnete Startbrenner 156 ist zur Anhebung der Temperatur der Zellenstapel und des Wärmetauschers erforderlich. Der Startbrenner 156 kann auch zusätzlich immer dann eingesetzt werden, wenn die Wärmemenge der Abgase im stationären Betrieb des Energieerzeugungssystems unzureichend ist. Brennstoff kann durch den Startbrenner nachgefüllt werden, wenn in der Verbrennungskammer Brennstoffmangel herrscht, was manchmal vorkommen kann, wenn überschüssige Luft zur Kühlung der Zellenstapel einströmt.

Bei der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Anordnung sind acht Zellenstapel in der Stapelkammer 122 symetrisch in bezug auf die Mitte der kreisförmigen oder zylindrischen Stapelkammer 122 angeordnet, und die Verbrennungskammer 124 mit dem Startbrenner 156 auf dem Boden ist im zentralen Bereich der Verbrennungskammer 124 oder des Behälters 120 angeordnet. Die Wärmetauscherkammer 126 mit dem Wärmetau scher 164 ist auf der Verbrennungskammer 124 angeordnet, wobei das Oxidationsgas und das Brenngas vom Boden jedes Zellenstapels hier eingeführt werden. Bei dieser Anordnung wird die von der Verbrennungskammer und der Wärmetauscher kammer an die Umgebung abgegebene Wärmemenge reduziert, was eine effiziente Ausnutzung der erzeugten Energie erlaubt.

Wegen seiner symmetrischen Anordnung ist die Temperaturver teilung in dem Energieerzeugungsmodul im wesentlichen gleichförmig. Dies macht Leistungsvariationen unter den Zellenstapeln minimal und stabilisiert die Leistung des Moduls insgesamt. Die Anzahl der Stapel ist nicht auf acht beschränkt, und vier oder sechs Zellenstapel können eben falls verwendet werden.

Beispiel 5

Das Energieerzeugungsmodul dieses Beispiels ist in gleicher Weise wie das des Beispiels 4, das in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, mit der Ausnahme aufgebaut, daß die in Fig. 8 gezeigte Zwischenausfütterung 148 durch den Spannmechanis mus ersetzt ist, wie er in Beispiel 2 beschrieben und in Fig. 6 dargestellt ist, d. h. die Zwischenausfütterung 49 mit dem Dichtelement 66, dem Paar von Klemmplatten 68, die das Dichtelement 66 zwischen sich sandwichartig ein schließen und je mit einem Durchgangsloch 68A versehen sind, dem Bolzen 70, der durch die Durchgangslöcher 68A der Klemmplatten 68 geführt ist, und der Mutter 72, die auf den Bolzen 70 aufgeschraubt ist.

Das das so erhaltene Energieerzeugungsmodul einschließende Energieerzeugungssystem kann mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Stabilität betrieben werden, wobei es erlaubt, die Dichtfähigkeit der Zwischenausfütterungen zu kontrollieren, in gleicher Weise wie bei dem Energieerzeugungssystem des obigen Beispiels 4.

Beispiel 6

Das Energieerzeugungsmodul dieses Beispiels ist in gleicher Weise wie das des Beispiels 4, das in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, aufgebaut, mit der Ausnahme, daß der Spannme chanismus mit der Klemmstange 160 und dem Klemmzylinder 162 der in Fig. 9 gezeigt ist, durch den Spannmechanismus, der in Verbindung mit dem Beispiel 3 beschrieben wurde und in Fig. 7 gezeigt ist, ausgetauscht ist, d. h. er umfaßt die obere Ausfütterung 51 mit dem Dichtelement 66, den Klemm platten 68, die das Dichtelement 66 sandwichartig zwischen sich einschließen und je mit einem Durchgangsloch 68A ver sehen sind, dem Bolzen 70, der durch die Durchgangslöcher 68A der Klemmplatten 68 gesteckt ist und der Mutter 72, die auf den Bolzen 70 aufgeschraubt ist.

Bei der Anordnung dieses Beispiels ist der Schlitz 80 (siehe Fig. 7) in der oberen Wand 120B des in Fig. 9 gezeigten wärmeisolierten Behälters 120 vorgesehen. In den Schlitz 80 sind das Dichtelement 66 und außerdem die Spann platte 74 eingesetzt. Das obere Ende der Klemm- oder Spann platte 74 kontaktiert das Spannglied 76 mit der Basis 76a, den vertikal abgewinkelten Teilen 76b und den horizontal abgewinkelten Teilen 76c, das verstellbar mit Hilfe der Bolzen 78 an der oberen Wand 120B fixiert ist. Die Bolzen 78 sind in Gewindelöcher 76d eingeschraubt, die in den horizontal abgewinkelten Teilen 76c vorgesehen sind. Auf diese Weise wird auf die Spannplatte 74 von dem Spannglied 76 Druck ausgeübt. Als Folge davon drückt das andere oder untere Ende der Spannplatte 74 das Dichtelement 66 zwischen der oberen Wand 120B des Behälters 120 und den oberen Tei len der Zellenstapel 136 zusammen. Das komprimierte Dichte lement 66 steht einerseits mit dem oberen Teil der Zellen stapel und andererseits mit der Unterseite der oberen Wand 120B (Decke der Stapelkammer) in innigem Kontakt und reicht teilweise in den Schlitz 80. Diese Konstruktion liefert eine gute Abdichtung für die Spalte zwischen den Zellensta peln und der oberen Wand 120B und außerdem zwischen den Zwischenausfütterungen 148 und der oberen Wand 120B.

Die Zwischenausfütterungen 148 können durch die in Fig. 6 gezeigte Anordnung ersetzt werden.

Das Energieerzeugungssystem mit dem so gestalteten Energie erzeugungsmodul kann mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Stabilität betrieben werden, wobei die Dichtfähigkeit der Zwischenausfütterungen gesteuert werden kann.

Claims

1. Energieerzeugungssystem mit einer Festkörperelek trolyt-Brennstoffzellenanordnung, mit:

A) einem Energieerzeugunsgmodul (11) umfassend:
- a) einen wärmeisolierten Behälter (20; 120),
- b) eine erste Trennwand (28; 128), die in dem Behälter (20; 120) angeordnet ist und eine erste Abgasdurchlaßanordnung (32; 132) aufweist,
- c) eine zweite Trennwand (30; 130), die in dem Behälter (20; 120) angeordnet ist und eine zweite Abgasdurch laßanordnung (34; 134) aufweist,
- d) eine in dem Behälter vorgesehene und durch die erste Trennwand (28; 128) abgeteilte Stapelkammer (22; 122) mit einer ersten und einer zweiten Innenfläche (von Seitenwand 20E bzw. Decke 20A),
- e) eine Verbrennungskammer (24; 124), die in dem Behäl ter (20; 120), durch die erste Trennwand (28; 128) von der Stapelkammer (22; 122) getrennt, neben dieser ange ordnet ist, durch die erste und die zweite Trennwand (28, 30; 128, 130) abgeteilt ist und mit der Stapelkam mer über die erste Abgasdurchlaßanordnung (32; 132) in Verbindung steht,
- f) eine Wärmetauscherkammer (26; 126), die in dem Behäl ter (20; 120) neben der Verbrennungskammer (24; 124) durch die zweite Trennwand (30; 130) abgetrennt an geordnet ist und mit der Verbrennungskammer über die zweite Abgasdurchlaßanordnung (34; 134) in Verbindung steht,
- g) wenigstens einen, in der Stapelkammer (22; 122) mit Spalten zwischen sich und der ersten bzw. der zwei ten Innenfläche (20E, 20A) der Stapelkammer angeordne ten Zellenstapel (36; 136), der aufweist:
  - g-1) eine Vielzahl einzelner Zellen (37; 137), die übereinander gestapelt sind,
  - g-2) einen Oxidationsgasspeiseverteiler (38; 138), der sich zur Lieferung eines Oxidationsgases an die einzelnen Zellen durch eine Vielzahl dieser einzelnen Zellen erstreckt,
  - g-3) einen Brenngasspeiseverteiler (40; 140), der sich zur Lieferung eines Brenngases an die ein zelnen Zellen durch die Vielzahl der einzelnen Zellen erstreckt, und
  - g-4) einen Stromausgangsleiter (46; 146), der mit dem Zellenstapel (36; 136) verbunden ist, um die von den einzelnen Zellen erzeugte Elektrizität auszugeben,
- h) eine in der Stapelkammer (22; 122) im Kontakt mit dem Zellenstapel und der ersten bzw. der zweiten Innenflä che der Stapelkammer vorgesehene Dichtanordnung (48, 50; 49; 51; 148; 150),
- i) eine Oxidationsgasauslaßkammer (52; 152), die ein von dem Zellenstapel abgeführtes Oxidationsabgas sammelt, in der Stapelkammer vorgesehen und mittels der Dicht- anordnung und des Zellenstapels abgeteilt ist sowie über die erste Abgasdurchlaßanordnung (32; 132) mit der Verbrennungskammer (24; 124) in Verbindung steht,
- j) eine Brenngasauslaßkammer (54; 154), die von dem Zel lenstapel abgegebenes Brennabgas sammelt, in der Sta pelkammer vorgesehen und mittels der Dichtanordnung und des Zellenstapels abgeteilt ist sowie mit der Verbren nungskammer über die erste Abgasdurchlaßanordnung in Verbindung steht,
- k) einen Wärmetauscher (64; 164) in der Wärmetauscher kammer (26; 126) zum Vorheizen des Brenngases bzw. des Oxidationsgases, die an den Zellenstapel geliefert wer den,
- l) eine Brenngasspeiseleitung (44; 144), die mit dem Wärmetauscher (64; 164) in Verbindung steht, und
- m) eine Oxidationsgasspeiseleitung (42; 142), die mit dem Wärmetauscher in Verbindung steht,
B) einen mit dem Zellenstapel in der Stapelkammer verbun denen Wechselrichter (18) zur Umwandlung des von den ein zelnen Zellen erzeugten Gleichstroms in einen Wechselstrom, und
C) eine mit dem Energieerzeugungsmodul verbundene Steuer vorrichtung (19) zur Steuerung des Betriebs des Energieerzeugungssystems, wobei das von dem Zellenstapel abgegebene Oxidationsabgas und Brennabgas nach Durchströmen der ersten Abgasdurchlaßanordnung in der Verbrennungskammer zur Bil dung eines Verbrennungsgases verbrannt werden und das Ver brennungsgas in die Wärmetauscherkammer eingeleitet wird.

2. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelkammer (22; 122) eine Vielzahl von Zellenstapeln enthält.

3. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtanordnung eine Zwischenausfütterung (48; 49; 148) und eine obere Ausfütterung (50; 51; 150) umfaßt, wobei die Zwischen ausfütterung zwischen dem Zellenstapel (36; 136) und der ersten Innenfläche (20E) der Stapelkammer (22; 122) sowie zwischen der Stapelkammer und der ersten Trennwand (28; 128) vorgesehen ist.

4. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenstapel (136) symmetrisch in bezug auf einen Mittelpunkt angeordnet sind.

5. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieerzeugungsmo dul (11) die Verbrennungskammer (124) in seinem mittleren Bereich aufweist, und daß die Stapelkammer (122) die Ver brennungskammer umgibt.

6. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieerzeugungsmo dul (11) die Wärmetauscherkammer (126) in seinem mittleren Bereich aufweist.

7. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidations gasspeiseverteiler (38; 138), der Brenngasspeiseverteiler (40; 140) und der Stromausgangsleiter in der Brenngasaus laßkammer (54; 154) angeordnet sind.

8. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtanord nung einen außerhalb des Energieerzeugungsmoduls (11) vor gesehenen Klemmzylinder (62; 162), eine mit diesem verbun dene und durch ihn betätigte Klemmstange (60; 160), und ein Dichtelement (66) aufweist, das durch die Klemmstange gespannt wird.

9. Energierzeugungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmstange (60; 160) in der Brenngasauslaßkammer (54; 154) vorgesehen ist.

10. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmzylinder (62; 162) ein Hydraulikzylinder oder ein Gaszylinder ist.

11. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtanord nung eine Zwischenausfütterungsanordnung (48; 49; 148) und eine obere Ausfütterungsanordnung (50; 51; 150) umfaßt, von denen die Zwischenausfütterungsanordnung eine Vielzahl von Zwischenausfütterungen aufweist, die zwischen den Zellen stapeln (36; 136), zwischen einem der Zellenstapel und der ersten Innenfläche (20E) der Stapelkammer (22; 122) bzw. zwischen dem Zellenstapel und der ersten Trennwand (28; 128) vorgesehen sind, und von denen die obere Ausfütte rungsanordnung zwischen der zweiten Innenfläche (20A) der Stapelkammer und jeweiligen Oberseiten der Zellenstapel sowie jeweiligen Oberseiten der Zwischenausfütterungen vor gesehen ist.

12. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenausfütte rungsanordnung (49) ein faseriges Dichtelement (66), ein Paar von metallischen Klemmplatten (68), die jeweils mit einem Durchgangsloch (68A) versehen sind und das Dichtele ment (66) sandwichartig zwischen sich einschließen, und einen Bolzen (70) umfaßt, der mit den Durchgangslöchern der Klemmplatten im Eingriff steht.

13. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Ausfütterungs anordnung (51) ein Paar von Klemmplatten (68), die jeweils mit einem Durchgangsloch (68A) versehen sind, ein faseriges Dichtelement (66), das sandwichartig zwischen den Klemm platten eingeschlossen ist, ein Spannglied (76), das an der zweiten Innenfläche (20A) der Stapelkammer (22; 122) vorge sehen ist, und eine Spannplatte (74) umfaßt, die mit dem Spannglied (76) und dem Dichtelement (66) in Kontakt ist.

14. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbren nungskammer (24; 124) ein Startbrenner (56; 156) vorgesehen ist.

15. Energieerzeugungsmodul für ein Energieerzeugungs system mit Festkörperelektrolyt-Brennstoffzellen, umfas send:

a) einen wärmeisolierten Behälter (20; 120),
b) eine erste Trennwand (28; 128), die in dem Behälter (20; 120) angeordnet ist und eine erste Abgasdurchlaßanordnung (32; 132) aufweist,
c) eine zweite Trennwand (30; 130), die in dem Behälter (20; 120) angeordnet ist und eine zweite Abgasdurch laßanordnung (34; 134) aufweist,
d) eine in dem Behälter vorgesehene und durch die erste Trennwand (28; 128) abgeteilte Stapelkammer (22; 122) mit einer ersten und einer zweiten Innenfläche (von Seitenwand 20E bzw. Decke 20A),
e) eine Verbrennungskammer (24; 124), die in dem Behäl ter (20; 120), durch die erste Trennwand (28; 128) von der Stapelkammer (22; 122) getrennt, neben dieser ange ordnet ist, durch die erste und die zweite Trennwand (28, 30; 128, 130) abgeteilt ist und mit der Stapelkam mer über die erste Abgasdurchlaßanordnung (32; 132) in Verbindung steht,
f) eine Wärmetauscherkammer (26; 126), die in dem Behäl ter (20; 120) neben der Verbrennungskammer (24; 124), durch die zweite Trennwand (30; 130) abgetrennt, an geordnet ist und mit der Verbrennungskammer über die zweite Abgasdurchlaßanordnung (34; 134) in Verbindung steht,
g) wenigstens einen, in der Stapelkammer (22; 122) mit Spalten zwischen sich und der ersten und bzw. der zwei ten Innenfläche (20E, 20A) der Stapelkammer angeordne ten Zellenstapel (36; 136), der aufweist:
- g-1) eine Vielzahl einzelner Zellen (37; 137), die übereinander gestapelt sind,
- g-2) einen Oxidationsgasspeiseverteiler (38; 138), der sich zur Lieferung eines Oxidationsgases an die einzelnen Zellen durch die Vielzahl dieser einzelnen Zellen erstreckt,
- g-3) einen Brenngasspeiseverteiler (40; 140), der sich zur Lieferung eines Brenngases an die ein zelnen Zellen durch die Vielzahl der einzelnen Zellen erstreckt, und
- g-4) einen Stromausgangsleiter (46; 146), der mit dem Zellenstapel (36; 136) verbunden ist, um die von den einzelnen Zellen erzeugte Elektrizität auszugeben,
h) eine in der Stapelkammer (22; 122) im Kontakt mit dem Zellenstapel und der ersten bzw. der zweiten Innenflä che der Stapelkammer vorgesehene Dichtanordnung (48, 50; 49; 51; 148, 150),
i) eine Oxidationsgasauslaßkammer (52; 152), die ein von dem Zellenstapel abgeführtes Oxidationsabgas sammelt, in der Stapelkammer vorgesehen und mittels der Dichtan ordnung und des Zellenstapels abgeteilt ist sowie über die erste Abgasdurchlaßanordnung (32; 132) mit der Verbrennungskammer (24; 124) in Verbindung steht,
j) eine Brenngasauslaßkammer (54; 154), die von dem Zel lenstapel abgegebenes Brennabgas sammelt, in der Sta pelkammer vorgesehen und mittels der Dichtanordnung und des Zellenstapels abgeteilt ist sowie mit der Verbren nungskammer über die erste Abgasdurchlaßanordnung in Verbindung steht,
k) einen Wärmetauscher (64; 164) in der Wärmetauscher kammer (26; 126) zum Vorheizen des Brenngases bzw. des Oxidationsgases, die an den Zellenstapel geliefert wer den,
l) eine Brenngasspeiseleitung (44; 144), die mit dem Wärmetauscher (64; 164) in Verbindung steht und,
m) eine Oxidationsgasspeiseleitung (42; 142), die mit dem Wärmetauscher in Verbindung steht, wobei das von dem Zellenstapel abgegebene Oxidationsabgas und Brennabgas nach Durchströmen der ersten Abgasdurchlaßanordnung in der Verbrennungskammer zur Bil dung eines Verbrennungsgases verbrannt werden und das Ver brennungsgas in die Wärmetauscherkammer eingeleitet wird.

16. Dichtvorrichtung zur Abdichtung einer Stapelkam mer in einem Energieerzeugungsmodul für ein Energieerzeu gungssystem mit Festkörperelektrolyt-Brennstoffzellen, bei dem das Energieerzeugungsmodul aufweist:

i) einen wärmeisolierten Behälter (20; 120) mit einer Außenfläche, einen Innenwandfläche (20E) und einer Decke (20A),
ii) eine erste Trennwand (28; 128), die in dem Behälter vorgesehen ist und in der eine erste Abgasdurch laßanordnung (32; 132) ausgebildet ist,
iii) eine zweite Trennwand (30; 130), die in dem Behälter vorgesehen ist und in der eine zweite Abgasdurch laßanordnung (34; 134) ausgebildet ist,
iv) eine Stapelkammer (22; 122), die in dem Behälter vorgesehen ist und durch die erste Trennwand (28; 128) ab geteilt ist und die wenigstens einen Zellenstapel (36; 136) mit einer Vielzahl einzelner Zellen, die übereinander gestapelt sind, einen Oxidationsgasspeiseverteiler (38; 138), der sich durch die Vielzahl einzelner Zellen erstreckt, und einen Brenngasspeiseverteiler (40; 140), der sich durch die Vielzahl einzelner Zellen erstreckt, auf weist,
v) eine Verbrennungskammer (24; 124), die in dem Behälter (20; 120) neben der Stapelkammer durch die erste Trennwnd getrennt vorgesehen und mittels der ersten und der zweiten Trennwand abgeteilt ist, wobei die Verbren nungskammer mit der Stapelkammer über die erste Abgasdurch laßanordnung in Verbindung steht, und wobei ein Stromaus gangsleiter mit dem Zellenstapel verbunden ist, und
vi) eine Wärmetauscherkammer (26; 126), die in dem Behälter neben der Verbrennungskammer durch die zweite Trennwand (30; 130) abgetrennt vorgesehen ist und mit der Verbrennungskammer über die zweite Abgasdurchlaßanordnung in Verbindung steht,
wobei die Decke (20A) des Behälters mit einem Schlitz (80) versehen ist und,
wobei die Dichtvorrichtung umfaßt:
- a) eine Zwischenausfütterung (49) zwischen dem Zellenstapel und der Innenseitenwandfläche (20E) der Sta pelkammer oder zwischen dem Zellenstapel und der ersten Trennwand (28; 128) zur Abdichtung der dazwischenliegenden Spalte, wobei die Zwischenausfütterung aufweist:
  - a-1) ein faseriges Dichtelement (66),
  - a-2) ein Paar von metallischen Klemmplatten (68), je mit einem Durchgangsloch (68A), die das Dichtelement (66) sandwichartig zwischen sich einschließen, und
  - a-3) einen in Schraubeingriff mit den Durchgangslö chern der Klemmplatten stehenden Bolzen (70),
- b) eine obere Ausfütterung (51) zwischen der Decke des Behälters und dem Zellenstapel und zwischen der Decke des Behälters und der Zwischenausfütterung zur Abdichtung der dazwischenliegenden Spalte, wobei die obere Ausfütterung aufweist:
  - b-1) ein faseriges Dichtelement (66),
  - b-2) ein Paar von metallischen Klemmplatten (68), je mit einem Durchgangsloch (68A), die das Dichtelement (66) sandwichartig zwischen sich einschließen,
  - b-3) einen in Schraubeingriff mit den Durchgangslö chern der Klemmplatten stehenden Bolzen (70),
  - b-4)eine Spannplatte mit einem ersten und einem zweiten Ende, die in den Schlitz (80) in der Decke (20A) des Behälters eingesetzt ist, wobei das erste Ende das Dichtelement (66) berührt und das zweite Ende außerhalb des Behälters liegt, und
  - b-5) ein Spannglied (76), das außerhalb der Innen wandfläche des Behälters angeordnet ist und die Außenfläche des Behälters berührt, wobei das Spannglied einen mittleren Abschnitt (76a) und zwei Enden (76b) aufweist, der mittlere Abschnitt mit dem zweiten Ende der Spannplatte in Berührung steht und das Spannglied an beiden Enden an der Außenfläche des Behälters angebracht ist, und zwar so, daß es in bezug auf die Außenfläche des Behälters vor- und zurückbewegbar ist.