DE4217892C2

DE4217892C2 - Energieerzeugungsmodul mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung und einer Dichtanordnung sowie ein Energieerzeugungssystem

Info

Publication number: DE4217892C2
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: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2012-05-30
Also published as: US5330858A; JPH0541241A; DE4217892A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieerzeugungsmodul mit einer Brennstoffzellenanordnung mit einem Festelektrolyt (etwa Zirkoniumoxid). Die Erfindung betrifft ferner das Energieerzeugungssystem, das das Energieerzeugungsmodul mit einer planaren Fest elektrolyt-Brennstoffzellenanordnung umfaßt.

Brennstoffzellen mit einem Festelektrolyt wie Zirkoniumoxid arbeiten bei hohen Temperaturen bis hin zu beispielsweise 800-1000°C, weisen daher einen hohen Wirkungsgrad der Energieerzeugung auf und erfordern keinen Edelmetallkatalysator. Da der Elektrolyt fest ist, erfordern solche Brennstoffzellen nicht die Handhabung von (flüssigen) Elektrolyten, was bei anderen Arten von Brennstoffzellen unvermeidlich ist. Infolgedessen sind Festelektrolyt-Brennstoffzellen leicht zu handhaben und werden als Brennstoffzellen der dritten Generation angesehen.

Festelektrolyt-Brennstoffzellen verwenden jedoch Keramiken als Hauptbestandteile und unterliegen daher leicht thermischen Beschädigungen infolge thermischer Spannungen. Wenn die gesamte Brennstoffzellenanordnung dieses Typs mit einem Keramikklebstoff oder ähnlichem zur Abdichtung gegen Gase fixiert werden sollen, können thermische Spannungen auftreten, was es in der Praxis schwierig macht, solche Brennstoffzellenanordnungen zu realisieren. Diese Schwierigkeit wurde durch Vorsehen einer zylindrischen Zellenanordnung 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 niedrige 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 Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung zeigt, wie sie in der US-Patentschrift 4,910,100 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 Zellenstapel 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 Oxidationsgasspeiseverteiler 4 und ein Brenngasspeiseverteiler 5. Um den mittleren Bereich ist eine Vielzahl von Führungslamellen 6 angeordnet. Reaktionsgase, das heißt ein Oxidationsgas und ein Brenngas, werden über den Oxidationsgasspeiseverteiler 4 bzw. den Brenngasspeiseverteiler 5 zugeführt und von den Führungslamellen 6 zu den Umfangsteilen des Zellenstapels 1 geführt. Die Reaktionsgase werden im Außenrandbereich 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 Zellenstapels vermischt und auf einmal verbrannt. Dies führt zu einem außerordentlichen Anstieg der Temperatur des Zellenstapels, so daß es schwierig wird, die Brennstoffzellenanordnung stabil zu betreiben. Dieses Problem wird insbesondere dann noch gravierender, wenn eine Vielzahl von Stapeln 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 entsprechend 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.

Die Druckschrift EP-A 0 361 383 betrifft eine Brennstoffzelle, die mindestens zwei in Schichten angeordnete Zellenelemente mit einem flachen, plattenförmigen Separator, einer Luftelektrode, einem Festelektrolyten und einer Brennstoffelektrode umfaßt, wobei der plattenförmige Separator aus Metall mit Rillen unter der Luftelektroden-Schicht angeordnet ist, der in Form eines Films vorliegende Festelektrolyt auf der Luftelektrode ausgebildet ist und der Brennstoffelektrolyt schichtmäßig auf dem Festelektrolyt gebildet ist.

In der Druckschrift US-A 4,490,445 ist eine Brennstoffzelle zur Umwandlung von Gasen in chemische Energie offenbart, die alternierende Schichten von Festelektrolyten eines oxidischen Materials und elektrisch leitende Platten umfaßt. Jede Festelektrolytplatte umfaßt dabei eine Schicht aus einem porösen Oxidator-Elektrodenmaterial auf einer Seite und eine Schicht aus einem porösen Brennstoffelektrodenmaterial auf der anderen Seite.

Die Druckschrift US-A 4,350,747 betrifft ein elektrochemisches Zellsystem, das in einem verschlossenen Gehäuse untergebracht ist und das einen mit einem Deckel verschlossenen Behälter umfaßt. Der Deckel umfaßt Anschlüsse, die gegenüber dem Gehäuse elektrisch und chemisch isoliert sind mit einer Isolationsschicht, die mit einem haftenden, nichtleitenden, wasserbeständigen Schutzpolymer beschichtet ist.

Die Druckschrift "Patent Abstracts of Japan E-1033 vom 14. Februar 1991, Band 15, Nr. 62" zitiert die Druckschrift JP-A 2-288,071, in der ebenfalls eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle offenbart wird. Um einer durch die Erwärmung beim Betrieb bedingten Rißbildung an der Zelle und einer infolge der thermischen Belastung auftretenden Qualitätsverschlechterung der beim Bau der Zelle verwendeten Materialien vorzubeugen, werden eine Gaszufuhr-Einrichtung, die einen Reaktionsgas-Zufuhrgang und einen Leitflügel zum Ablassen des Reaktionsgases umfaßt, und eine Trennplatte vorgesehen, die ein Mischen von Abgas und Brennstoffgas verhindern.

Keines der offenbarten Systeme legt das Energieerzeugungsmodul und das Energieerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung nahe oder nimmt diese vorweg.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energieerzeugungsmodul mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung sowie ein dieses umfassendes Energieerzeugungssystem, das sehr zuverlässig und stabil ist, dadurch zu schaffen, daß die Verbrennung von Abgasen und der Wärmeaustausch rationalisiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Energieerzeugungsmodul mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, in der eine große Anzahl von Zellenstapeln kleiner bis mittlerer Kapazität angeordnet werden kann, so daß eine Energieerzeugung hoher Kapazität ermöglicht wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energieerzeugungsmodul mit einer Dichtanordnung zu schaffen, etwa eine Klemmvorrichtung, zum Klemmen von Zellenstapeln, mit ausreichendem Adaptionsvermögen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Energieerzeugungsmodul mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung gemäß Patentanspruch 1, und ein dieses umfassendes Energieerzeugungssystem gemäß Patentanspruch 16 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Darüber hinaus ergeben sich folgende vorteilhafte Weiterbildungen:

1. Der Oxidationsgasspeiseverteiler, der Brenngasspeiseverteiler und der Stromausgangsleiter können in der Brenngasauslaßkammer angeordnet werden.
2. Die Dichtanordnung kann einen außerhalb des Energieerzeugungsmoduls vorgesehenen Klemmzylinder, eine mit dem Zylinder verbundene und durch ihn betätigte Klemmstange und ein Dichtelement enthalten, wobei die Klemmstange das Dichtelement spannt. Dabei kann die Klemmstange in der Brenngasauslaßkammer angeordnet sein. Der Klemmzylinder kann ein Hydraulikzylinder oder Gaszylinder sein.
3. Die Dichtanordnung kann eine Zwischenausfütterungsanordnung oder Zwischen-Kissenanordnung und eine obere Ausfütterungsanordnung oder obere Kissenanordnung umfassen, wobei die Zwischenausfütterungsanordnung eine Vielzahl von Zwischenausfütterungen enthält, die zwischen den Zellenstapeln, 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 Zwischenausfütterungen vorgesehen ist. Die Zwischenausfütterungen können 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 Durchgangsloch versehene Klemmplatten, einen mit den Durchgangslöchern 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 vorgesehen sein.

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

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das die Hauptbestandteile eines Energieerzeugungssystems mit einer Festelek trolyt-Brennstoffzellenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 2 eine Horizontalschnittansicht einer herkömmlichen planaren Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung mit einem Zellenstapel;

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

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Energieerzeugungsmoduls mit einer Festelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Vertikalschnittansicht des Energieerzeugungsmoduls von Fig. 4;

Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine Zwischenausfütterung zur Verwendung in einem Energieerzeugungsmodul mit einer Festelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine obere Ausfütterung zur Verwendung in einem Energieerzeugungsmodul mit einer Festelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 8 eine Horizontalschnittansicht eines Energieerzeugungsmoduls mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung gemäß einem vierten Beispiel der Erfindung; und

Fig. 9 eine Vertikalschnittansicht des Energieerzeugungsmoduls 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 Festelektrolyt- 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 Energieerzeugungssystem 10 gemäß der Erfindung ein Energieerzeugungsmodul 11 mit einer Festelektrolyt-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 Verbrennungskammer 13 zur Verbrennung von Abgas aus der Stapelkammer 12, eine Wärmetauscherkammer 14 mit einem Wärmetauscher (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 einer Brenngasquelle (nicht gezeigt) zu den Zellenstapeln, eine Oxidationsgasspeiserohrleitung 16 zur Lieferung eines Oxidationsgases von einer Oxidationsquelle (nicht gezeigt) zu den Zellenstapeln, und eine Abgasleitung 17 zur Abführung des Verbrennungsgases nach dem Wärmetauscher. Das Energieerzeugungssystem enthält ferner einen Wechselrichter 18 zur Umwandlung des von der Brennstoffzellenanordnung erzeugten Gleichstroms 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 Stapelkammer 12 einen oder mehrere Zellenstapel, je mit einer Vielzahl einzelner Zellen. Abgas von den einzelnen Zellen wird in die Abgasverbrennungskammer 13 eingeleitet und dort verbrannt. Das Verbrennungsgas wird in die Wärmetauscherkammer 14 eingeleitet und kommt dort in Kontakt mit dem Wärmetauscher, 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 Oxidationsgas, 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 Wechselstrom 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 eingeschlossenen Zellenstapeln enthält, von denen jeder etliche Einzelzellen aufweist. Die das Modul ausmachende abtrennbare Komponente enthält ferner die Abgasverbrennungskammer 13, die Wärmetauscherkammer 14 und ähnliches. Das Energieerzeugungsmodul 11 mit der Stapelkammer 12, der Verbrennungskammer 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 Festelektrolyt- Brennstoffzellenanordnung gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 5 ist eine Vertikalschnittansicht 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 (entsprechend der Bezugszahl 13 in Fig. 1) und eine Wärmetauscherkammer 26 (entsprechend der Bezugszahl 14 in Fig. 1) vorgesehen sind. Die Stapelkammer 22 ist von der Verbrennungskammer 24 mittels einer Trennwand oder Wärmeisolationswand 28 isoliert. Andererseits ist die Wärmetauscherkammer 26 von der Verbrennungskammer 24 mit Hilfe einer Trennwand oder Wärmeisolationswand 30 abgetrennt. Die Trennwand 28 ist mit einer Vielzahl erster Abgasdurchlässe 32 versehen, die die Stapelkammer 22 mit der Verbrennungskammer 24 verbinden. Die Trennwand 30 ist mit einem zweiten Abgasdurchlaß 34 versehen, der die Verbrennungskammer 24 mit der Wärmetauscherkammer 26 verbindet.

In der Stapelkammer 22 sind beispielsweise acht Zellenstapel 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 Oxidationsgasspeiseverteiler 38, der mit einer Oxidationsgaseinlaßöffnung 38A an der Oberseite des Zellenstapels in Verbindung steht, und einen Brenngasspeiseverteiler40, der mit einer Brenngaseinlaßöffnung 40A an der Oberseite des Zellenstapels verbunden ist, auf. Der wärmeisolierte Behälter 20 weist eine obere Wand oder Decke 20A auf, die von einer Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 42 (entsprechend der Bezugszahl 15 in Fig. 1) und einer Brenngaseinlaßrohrleitung 44 (entsprechend der Bezugszahl 16 in Fig. 1) durchsetzt werden. Diese Rohrleitungen 42 und 44 sind mit der Oxidationsgaseinlaßöffnung 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 elektrisch angeschlossen wird. Ein (nicht gezeigter) Schaltmechanismus ist dazu vorgesehen, jede beliebige Serien- oder Parallelschaltung 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 untere Spalte (zwischenliegende Spalte) schließen die Spalte zwischen den Zellenstapeln selbst (d. h. zwischen den jeweiligen Elementen) in den beiden Reihen ein. Außerdem schließen die untere Spalte die Spalte zwischen der Trennwand 28 und jenen Zellenstapeln, die sich in der der Trennwand 28 näherliegenden Reihe befinden, sowie Spalte zwischen einer der Seitenwände 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 auszufüllen. Die Zwischenausfütterungen zur Ausfüllung der Zwischenstapelspalte können als Zwischenstapelausfütterungen bezeichnet werden. Die Zwischenausfütterungen sind ferner zwischen den Zellenstapeln und der Trennwand 28 sowie zwischen den Zellenstapeln und der Seitenwand 20E der Stapelkammer 22 zur Ausfüllung oder Abdichtung dieser Spalte vorgesehen. Die Zwischenausfütterungsanordnung, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfaßt also eine Ausfütterung, die mit einem Zellenstapel und einer Seiteninnenfläche 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 Behälters 20 bzw. der Stapelkammer 22 und jeweiligen oberen Teilen aller Zellenstapel 36 und oberen Teilen der Zwischenausfütterungen 48 übrig. Zweite oder obere Ausfütterungen 50 sind zwischen den jeweiligen oberen Teilen der Zellenstapel 36 und der Innenfläche der oberen Wand 20A sowie zwischen den jeweiligen oberen Teilen der Zwischenausfütterungen 48 und der oberen Wand 20A vorgesehen, um diese obere Spalte auszufüllen oder abzudichten. Als Folge davon werden Oxidationsgasauslaßkammern 52 und Brenngasauslaßkammern 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 parallel zu den Innenflächen der Seitenwände 20C bzw. 20D des Behälters 20 (oder der Stapelkammer 22) angeordnet.

Das Energieerzeugungssystem dieser Ausführungsform der vorliegenden 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 Verbrennungskammer 24 erstreckt und zur Verbrennungskammer 24 öffnet. 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 Klemmzylinder 62 verbunden. Der Klemmzylinder betätigt die Klemmstange 60 pneumatisch oder hydraulisch, um sie vor- und zurückzubewegen und dadurch die Klemmung der Zellenstapel 36 mittels der Klemmstange 60 zu justieren. Der Klemmzylinder kann ein Gaszylinder oder ein hydraulischer Zylinder (Ölzylinder) sein.

In der Wärmetauscherkammer 26 ist ein Wärmetauscher oder Regenerator 64 vorgesehen, der an seinem einen Ende mit einer Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 42 und der Brenngaseinlaßrohrleitung 44 verbunden ist und an seinem anderen Ende mit der Oxidationsgaseinlaßöffnung 38A und der Brenngaseinlaßöffnung 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 Zellenstapel 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 Startbrenner 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 Energieerzeugung aufhört und die Temperatur der Zellenstapel abnimmt.

Als nächstes soll der stationäre Betrieb des Energieerzeugungssystems gemäß der Erfindung erläutert werden. Nachdem sie den Wärmetauscher 64 durchlaufen haben und auf Temperaturen 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 Oxidationsgaseinlaßöffnungen 38A bzw. die Brenngaseinlaßöffnungen 40A, die im mittleren Teil der Zellenstapel und an ihrer Oberseite vorgesehen sind, und durch den Oxidationsgasspeiseverteiler 38 bzw. den Brenngasspeiseverteiler 40 geliefert. Das Oxidationsabgas und das Brennabgas von den Zellenstapeln 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 Reaktionsgase 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 Zwischenausfütterungen 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 metallischen Teil des Wärmetauschers nicht direkt berührt, so daß die Trennwand 30 nicht allzu stark sein muß und feuerfeste Ziegel für die Trennwand 30 verwendet werden können.

Die Größe des Zellenstapels 36 kann abhängig davon variieren, wieviel Energie der Energieerzeuger abgeben soll. Eine Leistung von 25 kW kann unter Verwendung eines Zellenstapels 36 mit 40 cm Durchmesser und 90 cm Höhe erzielt werden. Ein 200-kW-Energieerzeugungsmodul kann durch Anordnung von acht solchen Zellenstapeln erhalten werden. Die Zellenstapel 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 parallel benötigt. An den oberen Teilen der Zellenstapel sind flexible Leiter aus einer hitzebeständigen Legierung angebracht, 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 positioniert, um seine Beeinträchtigung durch Oxidation zu verringern. 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 oxidierender 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. Deshalb ist es günstig, die Gaseinlaßleitungen unter reduzierender Atmosphäre, wie in der Brenngasauslaßkammer, anzuordnen, um einen langen Betrieb des Energieerzeugungssystems 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 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.

Beispiel 2

Fig. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Zwischenausfütterung für die Verwendung bei einem Energieerzeugungsmodul mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung 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 ausreichende Dichteigenschaft erwarten läßt, kann ihre Gasabdichtfähigkeit 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 Zwischenausfütterung 49 von außerhalb des Behälters 20 zwischen der Wand 20E des Behälters 20 und der Wärmeisolationswand 28 justiert werden. Wenn eine Tonerdefaser für das Dichtelement 66 verwendet wird, besteht die Möglichkeit, daß sie mit dem Zellenstapel 36 reagiert, weshalb es günstig 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 Seitenwand 20E des Behälters 20 und dem Zellenstapel 36. Die Zwischenausfütterungen zwischen den Zellenstapeln 36 haben den gleichen Aufbau wie die dargestellte mit der Ausnahme, daß die Form ihrer seitlichen Enden an die Gestalt (zylindrische 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 Energieerzeugungsmodul mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung 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 Oberseite 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 Durchgangslöcher 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 abgewandten Enden der vertikal abgewinkelten Teile 76b abstehen. Die horizontal abgewinkelten Teile 76c sind jeweils mit einem Gewindeloch 76d versehen, in das ein Bolzen 78 eingeschraubt 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 Dichtelement 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 Flächen der Zellenstapel 36 und der oberen Wand bzw. Decke 20A des Behälters 20 abzudichten. Zur Sicherstellung einer ausreichenden 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 ausreichende Gasdichtfähigkeit ungeachtet der Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Zellenstapel 36 aufrechterhalten werden. Die Klemmplatten 68, der Bolzen 70 und die Mutter 72 können vorzugsweise aus einer oxidationsbeständigen Legierung hergestellt werden, um der Atmosphäre hoher Temperatur zu widerstehen.

Beispiel 4

Fig. 8 ist eine Horizontalquerschnittsansicht eines Energieerzeugungsmoduls mit einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß einem vierten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 9 ist eine Vertikalquerschnittsansicht dieses Energieerzeugungsmoduls.

Das in den Fig. 8 und 9 dargestellte Energieerzeugungsmodul 11 enthält einen zylindrischen, wärmeisolierten Behälter 120 mit einer im Querschnitt kreisförmigen Seitenwand 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 vorgesehen. Eine Wärmetauscherkammer 126 ist auf der Verbrennungskammer 124 angeordnet. Die Stapelkammer 122 ist also durch eine Trennwand (Wärmeisolationswand) 128 von der Verbrennungskammer 124 und der auf der Verbrennungskammer 124 angeordneten Wärmetauscherkammer 126 abgeteilt. Die Verbrennungskammer 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 Wärmetauscherkammer 126 stehen über die ersten Abgasdurchlässe 132 miteinander in Verbindung. In der Trennwand 130 ist ein zweiter Abgasdurchlaß 134 ausgebildet, über den die Verbrennungskammer 124 und die Wärmetauscherkammer 126 miteinander in Verbindung stehen.

In der Stapelkammer 122 sind beispielsweise acht Zellenstapel 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 Oxidationsgasspeiseverteiler 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 Brenngasspeiseverteiler 140 steht mit einer Brenngaseinlaßöffnung 140A im mittleren Bereich und am Boden des Zellenstapels 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 Oxidationsgaseinlaßöffnung 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 ähnliches elektrisch an eine leitende Platte 146 als einen Stromausgangsleiter angeschlossen sein. Die leitende Platte 146 kann in Form eines Kreises, eines Kreisrings oder in irgendeiner anderen geeigneten Form ausgebildet sein. Die leitende Platte kann mit der Bodenplatte integriert sein.

Die konzentrisch in der Stapelkammer 122 angeordneten Zellenstapel 136 weisen zwischen sich selbst sowie zwischen sich und der zylindrischen Seitenwand 120A und der Trennwand 128 Spalte auf. Diese Spalte sind mit Zwischenausfütterungen 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 Spalten 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 Ausfütterungen 150 abgetrennt oder abgedichtet sind. Wenn eine Gasauslaßkammer, die von zwei benachbarten Zellenstapeln 136 zusammen mit den Zwischenausfütterungen 148 und den oberen Ausfütterungen 150 gebildet wird, eine Oxidationsgasauslaßkammer 152 ist, wird die Oxidationsgasströmung, die einzelne Zellen 137 in jedem der beiden benachbarten Zellenstapel 136 passiert, in der durch Pfeile angegebenen Richtung abgeführt. Die Brenngasströmung, die die einzelnen Zellen 137 durchsetzt, wird andererseits in die Brenngasauslaßkammer 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 (entsprechend der Bezugszahl 17 in Fig. 1) ist an die Abgasauslaßöffnung 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 aufwärts und abwärts bewegt, um den Grad der Spannung des Zellenstapels 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 Brenngaseinlaßrohrleitung 144 und mit dem anderen Ende an die Oxidationsgaseinlaßöffnung 138A und die Brenngaseinlaßöffnung 140A angeschlossen.

Bei der Brennstoffzellenanordnung mit dem vorgenannten Aufbau wird zuerst der Startbrenner 156 gezündet und ein Brenngas und ein Oxidationsgas in der Verbrennungskammer 124 verbrannt. Während dieser Verbrennung wird der Wärmetauscher 164 aufgeheizt. Bei dieser Gelegenheit strömt N₂- Gas in die Brenngaseinlaßrohrleitung 144 und die Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 142 und erreicht den Wärmetauscher 164, wo das N₂-Gas erhitzt wird. Das erhitzte N₂-Gas wird den Zellenstapeln 136 geliefert, um deren Temperatur anzuheben. Wenn die Temperaturen der Zellenstapel 136 einen vorbestimmten Wert erreichen, wird der Oxidationsgaseinlaßrohrleitung 142 Luft zugeführt und der Brenngaseinlaßrohrleitung 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 Energieerzeugung beendet werden soll, wird die Last abgetrennt und gleichzeitig die Gaszufuhr von Oxidationsgas und Brenngas 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 Energieerzeugungssystems dieses Beispiels der vorliegenden Erfindung beschrieben 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 Oxidationsgaseinlaßöffnungen 138A bzw. Brenngaseinlaßöffnungen 140A und durch den Oxidationsgasspeiseverteiler 138 bzw. den Brenngasspeiseverteiler 140, die im mittleren Bereich der Zellenstapel vorgesehen sind, geliefert. Das Oxidationsgas und das Brenngas von den Zellenstapeln 136 wird in die Oxidationsgasauslaßkammern 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 Reaktionsabgase werden über die ersten Abgasdurchlässe 132 in der Trennwand 128 in die Verbrennungskammer 124 geleitet. In der Verbrennungskammer 124 werden die Reaktionsgase vermischt 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 Wärmetauscher 164 von der Abgasauslaßöffnung 158 und durch die Abgasleitung 159 abgeführt.

Der äußere Umfang des wärmeisolierten Behälters 120 besteht aus einem metallischen Bauelement oder einem Element, das eine mechanische Festigkeit aufweist, die hoch genug ist, um der Klemmung der Zellenstapel 136, der Zwischenausfütterungen 148 und der oberen Ausfütterungen 150 zu widerstehen. An der Innenfläche des Behälters 120 ist ein Isoliermaterial vorgesehen, um einen Anstieg der Temperatur des metalischen Bauelements zu verhindern. Da die Trennwand 128 von ihren beiden Seiten her aufgeheizt wird, ist ein hitzebeständiges Metall mit einer hohen mechanischen Festigkeit bei hoher Temperatur in die Trennwand 128 als Ausfütterung eingebettet. Zum Verhindern der Rückfeuerung 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 Trennwaand 130 nicht besonders stark zu sein und kann aus feuerfesten Ziegeln hergestellt werden.

Die Größe der Zellenstapel 136 kann abhängig von der zu erzeugenden Ausgangsleitung des Energieerzeugungssystems variieren. Eine Leistung von 25 kW kann mit einem Zellenstapel von 40 cm Durchmesser und 90 cm Höhe erreicht werden. Ein 200-kW-Energieerzeugungsmodul kann durch Anordnung von acht solchen Zellenstapeln erhalten werden. Die Zellenstapel 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 Verteilerleitungen (nicht gezeigt) verbunden. Wenn der elektrische Leiter in der Stapelkammer 122 angeordnet wird, wird er vorzugsweise 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 überhauupt, die unter oxidierender 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. Deshalb ist es günstig, die Gaseinlaßleitungen unter reduzierender Atmosphäre, wie in der Brenngasauslaßkammer, anzuordnen, um einen langen Betrieb des Energieerzeugungssystems 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 symmetrisch 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 Wärmetauscher 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 Wärmetauscherkammer an die Umgebung abgegebene Wärmemenge reduziert, was eine effiziente Ausnutzung der erzeugten Energie erlaubt.

Wegen seiner symmetrischen Anordnung ist die Temperaturverteilung 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 ebenfalls 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 Spannmechanismus 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 einschließen 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 Spannmechanismus 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 Klemmplatten 68, die das Dichtelement 66 sandwichartig zwischen sich einschließen und je mit einem Durchgangsloch 68A versehen 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 Spannplatte 74 eingesetzt. Das obere Ende der Klemm- oder Spannplatte 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 Teilen der Zellenstapel 136 zusammen. Das komprimierte Dichtelement 66 steht einerseits mit dem oberen Teil der Zellenstapel 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 Zellenstapeln 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 Energieerzeugungsmodul kann mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Stabilität betrieben werden, wobei die Dichtfähigkeit der Zwischenausfütterungen gesteuert werden kann.

Claims

1. Energieerzeugungsmodul für ein Energieerzeugungssystem mit Festelektrolyt-Brennstoffzellen, 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 Abgasdurchlaßanordnung (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 und Decke 20A);
(e) eine Verbrennungskammer (24; 124), die in dem Behälter (20; 120), durch die erste Trennwand (28; 128) von der Stapelkammer (22; 122) getrennt, neben dieser angeordnet ist, durch die erste und die zweite Trennwand (28, 30; 128, 130) abgeteilt ist und mit der Stapelkammer über die erste Abgasdurchlaßanordnung (32; 132) in Verbindung steht;
(f) eine Wärmetauscherkammer (26; 126), die in dem Behälter (20; 120) neben der Verbrennungskammer (24; 124), durch die zweite Trennwand (30; 130) abgetrennt, angeordnet 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 der zweiten Innenfläche (20E, 20A) der Stapelkammer angeordneten 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 einzelnen 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 Elekrizität auszugeben;
(h) eine in der Stapelkammer (22; 122) im Kontakt mit dem Zellenstapel und der ersten oder der zweiten Innenfläche der Stapelkammer vorgesehene Dichtanordnung (48, 50; 49; 51; 148; 150);
(i) eine Oxidationsgasauslaßkammer (52; 152), die ein von dem Zellenstapel abgeführte Oxidationsabgas sammelt, in der Stapelkammer vorgesehen und mittels der Dichtanordnung 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 Zellenstapel abgegebenes Brenngas sammelt, in der Stapelkammer vorgesehen und mittels der Dichtanordnung und des Zellenstapels abgeteilt ist sowie mit der Verbrennungskammer über die erste Abgasdurchlaßanordnung in Verbindung steht;
(k) einen Wärmetauscher (64; 164) in der Wärmetauscherkammer (26; 126) zum Vorheizen des Brenngases oder des Oxidationsgases, die an den Zellenstapel geliefert werden;
(l) eine Brenngasspeiseleitung (24; 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 (36; 136) abgegebene Oxidationsabgas und Brennabgas die erste Abgasdurchlaßanordnung (32; 132) durchströmen und in der Verbrennungskammer (24; 124) unter Bildung eines Verbrennungsgases verbrennen und das Verbrennungsgas in die Wärmetauscherkammer (26; 126) einströmt.

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

3. Energieerzeugungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtanordnung eine Zwischenausfütterung (48; 49; 148) und eine obere Ausfütterung (50; 51; 150) umfaßt, wobei die Zwischenausfütterung 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. Energieerzeugungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenstapel (136) symmetrisch in bezug auf einen Mittelpunkt angeordnet sind.

5. Energieerzeugungsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es die Verbrennungskammer (124) in seinem mittleren Bereich aufweist und daß die Stapelkammer (122) die Verbrennungskammer umgibt.

6. Energieerzeugungsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es die Wärmetauscherkammer (126) in seinem mittleren Bereich aufweist.

7. Energieerzeugungsmodul nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsgasspeiseverteiler (38; 138), der Brenngasspeiseverteiler (40; 140) und der Stromausgangsleiter in der Brenngasauslaßkammer (54; 154) angeordnet sind.

8. Energieerzeugungsmodul nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtanordnung einen außerhalb des Energieerzeugungsmoduls (11) vorgesehenen Klemmzylinder (62; 162), eine mit diesem verbundene und durch ihn betätigte Klemmstange (60; 160) und ein Dichtelement (66) aufweist, wobei die Klemmstange (60; 160) das Dichtelement (66) spannt.

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

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

11. Energieerzeugungsmodul nach Anspurch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtanordnung 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 Zellenstapeln (36; 136), zwischen einem der Zellenstapel und der ersten Innenfläche (20E) der Stapelkammer (22; 122) oder zwischen dem Zellenstapel und der ersten Trennwand (28; 128) vorgesehen sind und von denen die obere Ausfütterungsanordnung zwischen der zweiten Innenfläche (20A) der Stapelkammer und jeweiligen Oberseiten der Zellenstapel sowie jeweiligen Oberseiten der Zwischenausfütterungen vorgesehen ist.

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

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

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

15. Energieerzeugungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einer Dichtanordnung, umfassend:

(a) eine Zwischenausfütterung (49) zwischen dem Zellenstapel und der Innenseitenwandfläche (20E) der Stapelkammer 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 Durchgangslöchern 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 Durchgangslöchern 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 Innenwandfläche 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.

16. Energieerzeugungssystem mit einer Fest elektrolyt-Brennstoffzellenanordnung, umfassend:

(A) ein Energieerzeugungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 15;
(B) einen mit dem Zellenstapel in der Stapelkammer verbundenen Wechselrichter (18) zur Umwandlung des von den einzelnen Zellen erzeugten Gleichstroms in einen Wechselstrom; und
(C) eine mit dem Energieerzeugungsmodul verbundene Steuervorrichtung (19) zur Steuerung des Betriebs des Energieerzeugungssystems, die die Zufuhr des von dem Zellenstapel abgegebenen Oxidationsabgases und Brennabgases nach Durchströmen der ersten Abgasdurchlaßanordnung in die Verbrennungskammer, in der durch Verbrennung ein Verbrennungsgas entsteht, regelt und das Verbrennungsgas der Wärmetauscherkammer zuleitet.