DE4330623A1

DE4330623A1 - Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung

Info

Publication number: DE4330623A1
Application number: DE4330623A
Authority: DE
Inventors: Mitsuie Matsumura; Chika Hirai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: JPH0696782A; US5426002A; JP3098871B2; DE4330623C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung, die eine Karbonatschmelze verwendet, und ein Betriebsverfahren für die Brennstoffzellenvor richtung, und ist insbesondere darauf gerichtet, die Desaktivierung eines Reformier-Katalysators zu verhindern.

Fig. 7 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht einer Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung, die als Stand der Technik in der JP-OS 61-13576 angegeben ist. Gemäß Fig. 7 sind eine Brennstoffgaselektrode 1 und eine Oxidationsgaselektrode 2 einander durch eine Elektro lytschicht 3 gegenüberstehend angeordnet, wodurch eine Ein zelzelle 4 gebildet wird. Ein Brennstoffgaskanal 5 ist der Brennstoffgaselektrode 1 gegenüberliegend angeordnet, und ein Oxidationsgaskanal 6 ist der Oxidationsgaselektrode 2 gegenüberliegend angeordnet. Der Brennstoffgaskanal 5 ist durch ein Brennstoffgaskanalelement 7 gebildet, und der Oxi dationsgaskanal 6 ist durch ein Oxidationsgaskanalelement 8 gebildet. Wenn eine Vielzahl von Einzelzellen 4 aneinander gestapelt ist, dient eine Trennplatte 9 dazu, den Brenn stoffgaskanal 5 von dem Oxidationsgaskanal 6 zu trennen und die Vielzahl von Einzelzellen 4 elektrisch in Reihe zu ver binden. Ein Brennstoffzellen-Stapelkörper 10 ist aufgebaut durch Aneinanderschichten der Vielzahl von Einzelzellen 4 über die zwischen jeweils zwei Einzelzellen angeordneten Trennplatten 9. Ein Reformier-Katalysator 11 ist im Inneren des Brennstoffgaskanals 5 angeordnet. In Fig. 7 sind der Brennstoffgaskanal 5 und der Oxidationsgaskanal 6 so ange ordnet, daß sie orthogonal zueinander verlaufen (Kreuzstrom- Typ). Das Brennstoffgas und das Oxidationsgas werden durch einen Gasverteiler 12 zu- und abgeführt.

Fig. 8 ist ein Systemblockbild einer Brennstoffzelle und einer peripheren Vorrichtung zur Durchführung der Tempera tursteuerung der Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellen- Stromerzeugungssystem vom Karbonatschmelze-Typ, veröffent licht in US-GRI-Bericht Nr. FCR-3522-2. In Fig. 8 erfolgt mit einer Luftzufuhreinrichtung 23 die Rückgewinnung von Energie aus Abgas F, das aus dem Brennstoffzellen-Strom erzeugungssystem austritt, und die Zufuhr von Luft E von außen nach Erhöhung des Drucks der Luft. Ein Umwälzgebläse 24 wälzt einen Teil des Oxidationsgases D um, um eine Tem peratursteuerung einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 durchzuführen. Ein Wärmetauscher 25 führt die Temperatur steuerung von Kreislaufgas als Oxidationsgas, das von dem Umwälzgebläse 24 umgewälzt wird, durch. Pfeile A, B be zeichnen Brennstoff ströme, die der Brennstoffzellenvor richtung zu- bzw. davon abgeführt werden, und Pfeile C, D bezeichnen Oxidationsgasströme.

Nachstehend wird der Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben. Wenn dem Brennstoffgaskanal ein Brennstoff wie Kohlenwasserstoff und Dampf zugeführt wird, reagiert der Kohlenwasserstoff mit dem Dampf durch eine Kontaktreaktion mit dem Reformier-Katalysator 11 und wird zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgewandelt. Wenn der Koh lenwasserstoff Methan ist, läuft die Reaktion gemäß der nachstehenden Gleichung (1) ab:
CH₄ + H₂O → Co + 3H₂ (1).

Der erzeugte Wasserstoff und das Kohlenmonoxid durchsetzen Öffnungen in dem den Brennstoffgaskanal bildenden Element 7 und treten durch feine Öffnungen der porösen Brennstoffgas elektrode 1. Andererseits wird ein Gasgemisch von Luft und Kohlendioxid dem Oxidationsgaskanal 6 zugeführt zur Vertei lung in feine Öffnungen der porösen Oxidationsgaselektrode 2. Das Reaktionsgas wird durch eine elektrochemische Reak tion verbraucht, die zwischen einem Karbonat, mit dem die Elektrolytschicht 3 getränkt ist und das auf nahezu 650°C als Betriebstemperatur in einem Schmelzezustand gehalten wird, den Elektroden 1, 2 und dem Reaktionsgas, das im we sentlichen aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht, abläuft, wodurch zwischen Stromabnehmern (nicht gezeigt) ein Poten tial erzeugt wird, so daß elektrische Energie nach außen entnommen wird. Außerdem ist eine Reformierungsreaktion, die an dem Reformier-Katalysator 11 abläuft, eine endotherme Reaktion, und die Wärmemenge, die notwendig ist, um die endothermie Reaktion zu unterhalten, wird durch die Wärme geliefert, die durch die vorstehende elektrochemische Reaktion erzeugt wird.

Zum gleichmäßigen Betrieb einer Brennstoffzelle muß die Wärme abgeführt werden, die durch die Zellenreaktion unter Kühlung erzeugt wird. Dazu verwendet eine Brennstoffzelle mit innerer Reformierung normalerweise eine Kombination von Kühlung aufgrund der fühlbaren Wärme des Oxidationsgases und Kühlung aufgrund der inneren Reformierungsreaktion. Bei einer Brennstoffzelle vom Karbonatschmelze-Typ erfolgt die Temperatursteuerung normalerweise auf eine mittlere Tempe ratur von nahezu 650°C, wobei auf ein Gleichgewicht zwi schen einer Verringerung der Korrosion von Zellenkomponenten durch eine niedrigere Betriebstemperatur und einer Verbesse rung der Zellenleistung durch eine höhere Betriebstemperatur zu achten ist (siehe Handbook of Fuel Cell Performance; US DOE Report Contract Nr. EC-77-C-03-l545 (Mai 1980)).

Im Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung muß diese etwa auf der vorgenannten Betriebstemperatur gehalten werden, indem die Temperatursteuerung richtig durchgeführt wird. Insbesondere wird unter Betriebsbedingungen mit Dauerbe lastung die gleichzeitig erzeugte Wärmeenergie durch Kühlung entfernt, um die Brennstoffzellenvorrichtung auf einer kon stanten Temperatur zu halten. Umgekehrt wird unter Betriebs bedingungen ohne Belastung oder mit geringer Belastung die Brennstoffzellenvorrichtung aufgeheizt, um ein Absinken der Temperatur durch Wärmeabstrahlung zu verhindern.

Als Temperatursteuermethode für eine Brennstoffzellenvor richtung, die mit solcher Kühlung und Aufheizung arbeitet, wird allgemein ein Gasphasen-Wärmemedium im Fall einer Brennstoffzelle vom Karbonatschmelze-Typ umgewälzt. In der Praxis wird gemäß Fig. 8 ein Teil des Oxidationsgases als Reaktionsgas für die Brennstoffzelle durch den Wärmetauscher 25, der außerhalb des Systems vorgesehen ist, umgewälzt, um die Temperatursteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 100 durchzuführen. Außerdem wird in Fig. 8 auch ein Teil des Oxidationsgases D zu der Brennstoffzellenvorrichtung 100 durch das Umwälzgebläse 24 umgewälzt, um nicht nur als Re aktionsgas, sondern auch als Kühlgas zu wirken. Die Tempe ratursteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 100 erfolgt durch Einstellen einer Durchflußrate und Temperatur des Oxidationsgases C durch das Umwälzgebläse 24 und den Wärme tauscher 25, so daß die aktuelle Temperatur der Brennstoff zellenvorrichtung 100 vorbestimmten Temperaturbedingungen entspricht.

Konventionelle Temperatureinstellbedingungen sind im all gemeinen wie folgt. Normalerweise besteht eine große Tem peraturverteilung in einer Einzelzellenebene der Brennstoff zellenvorrichtung, so daß die Temperatur, obwohl die mitt lere Temperatur beispielsweise ca. 650°C beträgt, zwischen einer Minimaltemperatur von ca. 570°C und einer Maximaltem peratur von ca. 680°C schwankt. Daher wird die Temperatur steuerung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer so gro ßen Temperaturverteilung im allgemeinen nach der Methode durchgeführt, daß beispielsweise drei Referenztemperaturen vorgegeben werden, d. h. eine obere und eine untere Grenz temperatur und eine mittlere Temperatur, wie nachstehend ausgeführt ist:

1. Obere Grenzbetriebstemperatur - diese wird bestimmt unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung von Korrosion der Zellen komponenten (mit Ausnahme des Reformier-Katalysators);

2. untere Grenzbetriebstemperatur - diese wird bestimmt unter den Gesichtspunkten der Verhinderung einer Verfestigung des Elektrolyten und einer Verbesserung der Zellencharak teristiken; und

3. mittlere Betriebstemperatur - dies ist eine mittlere Ziel-Betriebstemperatur für die gesamte Brennstoffzellenvor richtung.

Temperatursteuerungsparameter wie eine Durchflußrate und eine Temperatur des Oxidationsgases C werden eingestellt, um die Temperatursteuerung so durchzuführen, daß Temperaturen an mehreren Bereichen der Brennstoffzellenvorrichtung, die von Temperaturmeßeinrichtungen wie etwa Thermoelementen gemessen werden, der oberen und der unteren Grenzbetriebs temperatur genügen. Ferner wird eine mittlere Betriebstem peratur der Brennstoffzellenvorrichtung aus den an den mehreren Bereichen gemessenen Temperaturen bestimmt, und die Temperatursteuerung erfolgt so, daß die ermittelte mittlere Betriebstemperatur an die mittlere Ziel-Betriebstemperatur herangeführt wird. Bei einer Brennstoffzellenvorrichtung vom Karbonatschmelze-Typ ist es üblich, die mittlere Ziel-Be triebstemperatur beispielsweise mit 650°C, die obere Grenz betriebstemperatur im Bereich von 680-700°C und die untere Grenzbetriebstemperatur im Bereich von 500-540°C einzu stellen.

Der Reformier-Katalysator 11 wird in dem Brennstoffgaskanal 5 der Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung gehalten, er ist jedoch weniger hitzebeständig als die übrigen Zellenkomponenten. Die Hitzebeständigkeit eines Reformier-Katalysators hängt weitgehend von der Zusammen setzung und der Art des Reformier-Katalysators, der Menge eines aufgebrachten Elektrolyten, der Zusammensetzung des Brennstoffgases usw. ab. Im Fall eines Ni/MgO-Katalysators tritt beispielsweise eine erhebliche Desaktivierung des Katalysators nach mehr als 5000 h unter Temperaturbedin gungen von nicht weniger als 650°C in einer Brennstoffgas atmosphäre, die Elektrolytdämpfe enthält, auf. Somit wird die obere Grenzbetriebstemperatur für den Reformier-Kata lysator vorteilhaft auf 630°C oder darunter gehalten.

Bei einem konventionellen Betriebsverfahren werden die gleichen oberen und unteren Grenztemperaturen vorgegeben und auf sämtliche Betriebsbereiche der Brennstoffzellenvor richtung angewandt. Wenn daher eine obere Grenzbetriebs temperatur (z. B. 630°C), die unter der vorher vorgegebenen oberen Grenzbetriebstemperatur liegt, für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung neu eingeführt wird, muß der Vorgang durchgeführt werden, indem die Betriebstemperatur insgesamt um 50-70°C verringert wird. Infolgedessen wird die mittlere Stapelspannung in der Größenordnung von 50-100 mV pro Einzelzelle verringert, und der Stromerzeu gungs-Wirkungsgrad wird in der Größenordnung von 3,5-7% verringert. In der Praxis ist es jedoch schwierig, eine so große Abnahme der Zellenspannung und des Stromerzeugungs- Wirkungsgrads zuzulassen. Daher wird das Konzept der Ver ringerung der oberen Grenzbetriebstemperatur für den Re formier-Katalysator in der Praxis nicht angewandt, und die Zelle mit innerer Reformierung wird ebenfalls nahezu bei der mittleren Betriebstemperatur von 650°C betrieben.

Bei dem konventionellen Betriebsverfahren befindet sich also der Reformier-Katalysator zwangsläufig unter der hohen Tem peratur von mindestens 650°C. Insbesondere bei Betrieb über einen langen Zeitraum wird die Aktivität des Katalysators, der in einem so hohen Temperaturbereich liegt, ganz wesent lich verschlechtert. Somit tritt also der Nachteil auf, daß Methan im Brennstoffgas, das durch den Brennstoffgaskanal im Betriebsbereich mit hoher Temperatur strömt, durch den Re formier-Katalysator nicht abgebaut wird und dann aus der Brennstoffzellenvorrichtung zur Außenseite des Systems ab gegeben wird, während es gleichzeitig nicht abgebaut ist, und unter Bedingungen genutzt wird, bei denen die Aktivität des Reformier-Katalysators nach Langzeitbetrieb verschlech tert ist. Das ist bisher ein Hauptfaktor für die Abnahme des Wirkungsgrads der Zelle mit innerer Reformierung und be stimmt ihre Betriebslebensdauer.

Bei der konventionellen Brennstoffzellenvorrichtung, die wie vorstehend erläutert aufgebaut ist und betrieben wird, führt also die Verschlechterung des Reformier-Katalysators, der im Brennstoffgaskanal angeordnet ist, der zum Hochtemperaturbe reich in der Zellenebene gehört, zu dem Problem, daß die Menge an nichtabgebautem Methangas in dem abgeführten Brenn stoffgas zwangsläufig ansteigt und die Betriebslebensdauer des inneren Reformier-Katalysators verkürzt wird. Außerdem wird, wenn die mittlere Betriebstemperatur der Brennstoff zellenvorrichtung zum Schutz des Reformier-Katalysators gesenkt wird, die Zellenspannung so stark verringert, daß ein Problem hinsichtlich des Stromerzeugungs-Wirkungsgrads auftritt.

Im Hinblick auf die Lösung der vorstehenden Probleme ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung und ein Betriebsverfahren für die Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, wobei ein Reformier- Katalysator verlängerte Betriebslebensdauer hat und über lange Zeit stabile Charakteristiken ohne eine Verschlech terung der Brennstoffzellen-Charakteristiken erhalten werden können.

Zur Lösung der angegebenen Aufgabe wird gemäß der Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung angegeben, die folgendes aufweist: einen Brennstoffzellen- Stapelkörper, der aufgebaut ist durch Aneinanderstapeln einer Vielzahl von Einzelzellen über Trennplatten, wobei jede Einzelzelle gebildet ist von einer Brennstoffgaselek trode und einer Oxidationsgaselektrode, die einander durch eine Elektrolytschicht gegenüberstehen, einen Brennstoffgas kanal, der zwischen der Brennstoffgaselektrode und der Trennplatte auf jeweils einer Seite der Brennstoffelektrode und der Trennplatte gebildet ist, einen Oxidationsgaskanal, der zwischen der Oxidationsgaselektrode und der Trennplatte auf jeweils einer Seite der Oxidationsgaselektrode und der Trennplatte gebildet ist, Gasverteiler zum Zuführen, Ver teilen und Abführen von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die beide von außen zugeführt werden, in bezug auf den Brenn stoffgaskanal und den Oxidationsgaskanal, und einen Refor mier-Katalysator, der in einem Niedertemperatur-Betriebs bereich des Brennstoffgaskanals angeordnet ist, wobei dieser Niedertemperatur-Betriebsbereich infolge der Temperaturver teilung in der Einzelzelle gebildet ist.

Bevorzugt weist die Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung außerdem einen Temperatursteuerungsmechanismus auf, um den Niedertemperatur-Betriebsbereich in der Einzel zellenebene zu bilden und zu unterhalten.

Bei dieser Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Refor mierung kann der Reformier-Katalysator in dem Niedertempe ratur-Betriebsbereich angeordnet sein, in dem keine Elek trodenreaktion stattfindet.

Bei dieser Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Refor mierung kann das Brennstoffgas im Gegenstrom oder im Gleich strom geführt werden.

Gemäß der Erfindung wird außerdem ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung angegeben, die folgendes aufweist: einen Brennstoffzellen- Stapelkörper, der aufgebaut ist durch Aneinanderstapeln einer Vielzahl von Einzelzellen über Trennplatten, wobei jede Einzelzelle gebildet ist von einer Brennstoffgas elektrode und einer Oxidationsgaselektrode, die einander durch eine Elektrolytschicht gegenüberstehen, einen Brenn stoffgaskanal, der zwischen der Brennstoffgaselektrode und der Trennplatte auf jeweils einer Seite der Brennstoffelek trode und der Trennplatte gebildet ist, einen Oxidationsgas kanal, der zwischen der Oxidationsgaselektrode und der Trennplatte auf jeweils einer Seite der Oxidationsgaselek trode und der Trennplatte gebildet ist, Gasverteiler zum Zuführen, Verteilen und Abführen von Brennstoffgas und Oxi dationsgas, die beide von außen zugeführt werden, in bezug auf den Brennstoffgaskanal und den Oxidationsgaskanal, und einen Reformier-Katalysator, der in einem Niedertemperatur- Betriebsbereich des Brennstoffgaskanals angeordnet ist, wo bei dieser Niedertemperatur-Betriebsbereich durch die Tem peraturverteilung in der Einzelzelle gebildet ist, wobei das Betriebsverfahren folgende Schritte aufweist: Einleiten von Brennstoffgas und Oxidationsgas aus den Gasverteilern in den Brennstoffgaskanal und den Oxidationsgaskanal, um Elektro denreaktionen an der Brennstoffgaselektrode und der Oxida tionsgaselektrode zu bewirken, und die Durchführung der Tem peratursteuerung derart, daß die Temperatur des Niedertempe ratur-Betriebsbereichs des Brennstoffgaskanals, der aufgrund der Temperaturverteilung in der Einzelzelle gebildet ist, eine Desaktivierungs-Grenztemperatur des Reformier-Katalysa tors nicht überschreitet.

Bei der Erfindung wird die Temperaturverteilung, die in der Brennstoffzellenvorrichtung während ihres Betriebs zwangs läufig entsteht, genutzt, um den Reformier-Katalysator in dem Brennstoffgaskanal anzuordnen, der zu dem Niedertempera tur-Betriebsbereich gehört, wodurch die Aktivität des Re formier-Katalysators über einen langen Zeitraum ohne eine Verschlechterung der Zellencharakteristiken erhalten bleibt. Außerdem wird das zugeführte Brennstoffgas mit dem einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Reformier-Katalysator, der in dem Niedertemperatur-Betriebsbereich angeordnet ist, ausreichend in Kontakt gebracht, so daß Kohlenwasserstoff über einen langen Zeitraum auf stabile Weise hinreichend reformiert wird, um eine Brennstoffzelle mit guten inneren Reformier-Charakteristiken zu erhalten.

Da ferner bei dieser Vorrichtung der Temperatursteuerungs mechanismus in den Stapelkörper eingesetzt ist, um den Nie dertemperatur-Betriebsbereich in der Einzelzellenebene zu bilden, kann der Niedertemperatur-Betriebsbereich in bezug auf seine Temperatur präzise gesteuert werden, der Frei heitsgrad der Betriebsbedingungen kann verbessert werden im Vergleich mit der Nutzung der Temperaturverteilung, die in der Brennstoffzellenvorrichtung zwangsläufig während ihres Betriebs vorhanden ist, und außerdem kann die Position des Niedertemperatur-Betriebsbereichs in der Einzelzellenebene relativ frei bestimmt werden.

Bei einer solchen Anordnung, bei der der Niedertemperatur- Betriebsbereich in einer Zone gebildet ist, die der Elektro denreaktion nicht ausgesetzt ist, wird ferner die Gefahr einer nachteiligen Auswirkung auf die Zellencharakteristik verringert, und die Temperatur des Bereichs, in dem der Re formier-Katalysator angeordnet ist, kann auf einen niedri geren Wert eingestellt werden.

Da die Temperatursteuerung so erfolgt, daß die Temperatur des Niedertemperatur-Betriebsbereichs die Desaktivierungs- Grenztemperatur des Reformier-Katalysators nicht überschrei tet, kann die Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Re formierung außerdem über einen langen Zeitraum stabil be trieben werden, ohne daß die Aktivität des Reformier-Kata lysators verschlechtert wird.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines primären Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel der Temperaturverteilung in einer Einzelzellenebene der Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Refor mierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm von Temperaturen an einem Oxidations gaseinlaß und von Temperaturverteilungen im Inne ren der Brennstoffzellenvorrichtung in Durchfluß richtung des Oxidationsgases bei verschiedenen Stromdichten der Brennstoffzellenvorrichtung, die nach einem Betriebsverfahren gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung betrieben wird;

Fig. 4 einen schematischen Schnitt eines wesentlichen Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Perspektivansicht eines wesent lichen Teils eines Temperatursteuerungsmechanismus gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 einen schematischen Schnitt eines wesentlichen Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Perspektivansicht einer bekannten Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung; und

Fig. 8 ein Systemblockbild zur Erläuterung eines Tempe ratursteuerungsverfahrens für die bekannte Brenn stoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung.

Ausführungsform 1

Nachstehend wird eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Stapelaufbau von Brennstoffzellen, in einer Einzelzellenebene geschnitten, gemäß einer Ausfüh rungsform. In den Zeichnungen sind gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 1 bezeichnen die schraffierten Bereiche 13a, 13b Niedertemperatur-Be triebsbereiche, die auf der Basis der Temperaturverteilung in der Zellenebene gebildet sind. Ein Reformier-Katalysator (nicht gezeigt) wird in einem Brennstoffgaskanal gehalten, der in den Niedertemperatur-Betriebsbereichen 13a, 13b an geordnet ist. Eine Trennwand 14 ist in dem Brennstoffgas kanal angeordnet. Ein Einlaß/Auslaß-Gasverteiler 12a, ein Rückführgasverteiler 12b und die Trennwand 14 definieren gemeinsam einen Brennstoffgasdurchfluß vom Gegenstromtyp, wie durch Pfeile in Fig. 1 gezeigt ist.

Nachstehend wird der Betrieb dieser Ausführungsform be schrieben. Im Fall einer Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung wird die Vorrichtung primär durch eine Kombination des endothermen Effekts, der mit einer Reformie rungsreaktion von Rohbrennstoff wie etwa Kohlenwasserstoff oder Alkoholen einhergeht, und des Kühleffekts infolge der fühlbaren Wärme von Reaktionsgas (im allgemeinen des Oxi dationsgases) gekühlt. Die Wärmemenge, die durch die Re formierungsreaktion absorbiert wird, wird in Abhängigkeit von der zugeführten Menge von Rohbrennstoff bestimmt, aber die zugeführte Menge von Rohbrennstoff wird wiederum nahezu ausschließlich in Abhängigkeit von der Strommenge (d. h. dem Betrag der elektrochemischen Reaktion) bestimmt, die aus der Brennstoffzellenvorrichtung entnommen wird. Es ist daher schwer, eine endotherme Aktion durch die Reformierungsreak tion als einen Betriebsparameter zur Einstellung einer mittleren Betriebstemperatur und Temperaturverteilung der Brennstoffzellenvorrichtung zu nutzen. Die Temperaturein stellung der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgt norma lerweise durch Einstellen einer Einlaßtemperatur des Oxi dationsgases und einer Menge des der Brennstoffzellenvor richtung zuzuführenden Oxidationsgases. Bei der Brennstoff zellenvorrichtung mit innerer Reformierung werden ein Brenn stoffgaseinlaßbereich des Brennstoffzellen-Stapelkörpers in Strömungsrichtung des Brennstoffgases und ein Oxidationsgas einlaßbereich in Strömungsrichtung des Oxidationsgases zu Niedertemperatur-Betriebsbereichen in der Zellenebene unter Betriebsbedingungen mit Dauerlast. Diese beiden Bereiche sind als die Niedertemperatur-Betriebsbereiche 13a, 13b definiert, und eine Brennstoffzellenvorrichtung 100A wurde so betrieben, daß eine obere Grenzbetriebstemperatur der Niedertemperatur-Betriebsbereiche 13a, 13b nicht höher als die obere Grenzbetriebstemperatur (in diesem Fall mit 630°C vorgegeben) für den Reformier-Katalysator gehalten wird. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Temperaturverteilung in der Einzelzellenebene der Brennstoffzellenvorrichtung mit inne rer Reformierung während des Dauerlastbetriebs (150 mA/cm²). Wie Fig. 2 zeigt, liegt zwar die mittlere Temperatur bei 630°C, und die Maximaltemperatur in der Zellenebene liegt bei 675°C, aber die Maximaltemperatur in den Niedertem peratur-Betriebsbereichen 13a, 13b liegt bei 620°C und wird ausreichend weit unter der oberen Grenzbetriebstemperatur für den Reformier-Katalysator gehalten. Infolgedessen bleibt die Aktivität des Reformier-Katalysators, der in dem Brenn stoffgaskanal in den Niedertemperatur-Betriebsbereichen 13a, 13b angeordnet ist, über einen langen Zeitraum stabil er halten. Daher können die Niedertemperatur-Betriebsbereiche 13a, 13b jeweils mit einem Temperaturbereich von ca. 590-630°C in dem Brennstoffgas-Einlaßbereich und dem Oxi dationsgas-Einlaßbereich eingestellt werden durch Nutzung der bestehenden Temperaturverteilung, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ohne daß die mittlere Betriebstemperatur gesenkt wird.

Wenn andererseits die obere Grenzbetriebstemperatur (630°C) für den Reformier-Katalysator bei der Brennstoffzellenvor richtung 100A, die gemäß dem konventionellen Verfahren be trieben wird, angewandt würde, so würde sich folgendes Re sultat einstellen. Bei dem konventionellen Betriebsverfahren wird die gleiche obere Grenzbetriebstemperatur für die ge samte Zellenebene angewandt. Um die Maximaltemperatur nicht höher als die obere Grenzbetriebstemperatur (z. B. 630°C) für den Reformier-Katalysator über die gesamte Zellenebene zu halten, müßte also die mittlere Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung um ca. 50°C gesenkt werden. Aber eine so starke Verringerung der mittleren Betriebstem peratur würde die Charakteristiken der Brennstoffzellen- Vorrichtung verschlechtern, und das vorstehende Betriebs verfahren könnte in der Praxis nicht angewandt werden.

Die Hitzefestigkeit eines Reformier-Katalysators hängt weit gehend von der Zusammensetzung und der Art des Reformier- Katalysators, der Menge an aufgebrachtem Elektrolyten, der Zusammensetzung des Brennstoffgases usw. ab. Nachdem ein Ni/MgO-Katalysator für 8000-10 000 h in seiner Lage gehalten wurde, wurde die verbliebene Aktivitätsrate nach dem Betrieb (d. h. das Aktivitätsverhältnis zwischen dem benutzten Katalysator und einem frischen Katalysator) von 5-10% auf 60% verbessert durch Verringern der Betriebstemperatur von 650°C auf 600°C. Somit kann der in den Niedertemperatur- Betriebsbereichen gehaltene Reformier-Katalysator auch nach einer langen Betriebsperiode von mehr als 10 000 h ein aus reichendes Maß an Aktivität behalten. Da die obere Grenzbe triebstemperatur für den Reformier-Katalysator beim Betrieb über einen so langen Zeitraum wie beispielsweise mehr als 10 000 h in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen ver schieden ist, wird die obere Grenzbetriebstemperatur in der Praxis dadurch bestimmt, daß ein Lebensdauertest der Zelle mit innerer Reformierung und eine Aktivitätsbewertung des Reformier-Katalysators mit der Temperatur als einem Para meter durchgeführt werden. Nach den bei diesem Ausführungs beispiel erhaltenen Resultaten ist es im Fall eines Ni/MgO- Katalysators vorteilhaft, daß die obere Grenzbetriebstempe ratur nicht höher als 630°C gehalten wird, um eine Be triebsdauer von mehr als 10 000 h zu erzielen.

Die Temperaturverteilung im Inneren der Brennstoffzellenvor richtung ist ebenfalls in Abhängigkeit von den Lastbedin gungen der Zelle stark veränderlich. Fig. 3 zeigt Ergeb nisse, die erhalten wurden durch Untersuchungen von Tem peraturverteilungen in Durchflußrichtung des Oxidationsgases bei verschiedenen Stromdichten, und zwar bei dieser Aus führungsform, die der angegebenen Temperatursteuerung unter worfen wurde. Da die Temperaturverteilung sich in starker Abhängigkeit von der Stromdichte ändert, wie Fig. 3 zeigt, ist es notwendig, die Temperatursteuerungsbedingungen ange messen so einzustellen, daß die Maximaltemperatur in den Niedertemperatur-Betriebsbereichen 13a, 13b so gesteuert wird, daß sie auf einem Wert nicht höher als die obere Grenzbetriebstemperatur für den Reformier-Katalysator ge halten wird.

Außerdem ist bei Anwendung des Brennstoffgasdurchflusses im Gegenstrom diese Ausführungsform so ausgelegt, daß die ge samte zugeführte Brennstoffgasmenge durch die Niedertempe ratur-Betriebsbereiche 13a und 13b strömt und den Brenn stoffgaskanal abdeckt. Infolgedessen kann das Brennstoffgas in ausreichenden Kontakt mit dem Reformier-Katalysator ge bracht werden, der in den Niedertemperatur-Betriebsbereichen 13a, 13b gehalten wird und einen hohen Aktivitätsgrad hat, wodurch über einen langen Zeitraum eine stabile innere Re formierungsreaktion ermöglicht wird.

Es ist wichtig, den Strömungstyp und den Durchgang des Brennstoffgases zu bestimmen, so daß die gesamte zugeführte Brennstoffgasmenge tatsächlich durch die Niedertemperatur- Betriebsbereiche strömt. Die Trennwand 14 definiert bei der Ausführungsform von Fig. 1 die Niedertemperatur-Betriebs bereiche 13a, 13b, aber wenn die Trennwand 14 beispielsweise in Richtung zu einem Gasverteiler an der Oxidationsgas-Aus laßseite verlagert würde, würde der Niedertemperatur-Be triebsbereich 13b einen Hochtemperatur-Betriebsbereich als Teil davon enthalten. In diesem Fall wäre die Desaktivierung des in diesem Hochtemperatur-Betriebsbereich befindlichen Reformier-Katalysators stärker als die des Reformier-Kataly sators in den übrigen Niedertemperatur-Betriebsbereichen. Daher würde ein Teil des Brennstoffgases durch-den Brenn stoffgaskanal gehen, der den Reformier-Katalysator mit geringerer Aktivität enthält, und Kohlenwasserstoff würde zur Außenseite der Brennstoffzellenvorrichtung austreten, ohne ausreichend reformiert zu sein. Somit könnte in diesem Fall eine ausreichende innere Reformierungsreaktion nicht über lange Zeit fortgesetzt werden.

Ausführungsform 2

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird für das Brenn stoffgas der Gegenstromdurchfluß und für das Oxidationsgas der Gleichstromdurchfluß angewandt, es können aber auch andere Kombinationen von Durchflußarten angewandt werden. Fig. 4 zeigt ein Beispiel weiterer Kombinationen von Durch flußarten sowie die Niedertemperatur-Betriebsbereiche 13a, 13b in einem solchen Fall. Dabei werden das Brennstoffgas und das Oxidationsgas in zueinander entgegengesetzten Rich tungen zugeführt. Somit sind verschiedene Kombinationen von Gasdurchflußarten und der daraus resultierenden Niedertempe ratur-Betriebsbereiche denkbar. Wichtig ist dabei, einen Niedertemperatur-Betriebsbereich vorzugeben aufgrund einer genau bekannten Temperaturverteilung in einer Zellenebene, die aus Durchflußarten des Brennstoff- und des Oxidations gases resultiert, den Reformier-Katalysator in dem Brenn stoffgaskanal zu halten, der zu dem Niedertemperatur-Be triebsbereich gehört, und außerdem Durchflußarten des Brennstoffgases und des Oxidationsgases so auszubilden, daß das Brennstoffgas ausreichend mit dem Reformier-Katalysator in dem Niedertemperatur-Betriebsbereich in Kontakt gebracht werden kann.

Ausführungsform 3

Gemäß einem weiteren Aspekt ist in der Brennstoffzellenvor richtung ein Temperatursteuerungsmechanismus vorgesehen, um den Niedertemperatur-Betriebsbereich 13 zu gewährleisten. Fig. 5 zeigt einen Hauptteil dieser Ausführungsform. Gemäß Fig. 5 ist eine Temperatursteuerungsplatte 15 als ein Bei spiel des Temperatursteuerungsmechanismus zur Verwendung mit der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen. Dabei hat die Temperatursteuerungsplatte 15 die Form einer ebenen Platte, und im Gebrauch werden ein oder mehrere Temperatursteue rungsplatten in den Brennstoffzellen-Stapelkörper 10, der durch Aneinanderstapeln der Einzelzellen 4 gebildet ist, eingesetzt. Ein schraffierter Bereich 16 stellt einen Be reich dar, der dem Niedertemperatur-Betriebsbereich 13 in der Einzelzellenebene von Fig. 1 entspricht oder ein Bei spiel eines dem Niedertemperatur-Betriebsbereich entspre chenden Bereichs ist. Pfeile zeigen die Richtungen an, in denen der Temperatursteuerungsplatte 15 ein Wärmemedium zugeführt bzw. davon abgeführt wird. Das Wärmemedium wird der Temperatursteuerungsplatte 15 von außen zugeführt und nach außen abgeführt, um die Steuerung auf solche Weise durchzuführen, daß ein vorbestimmter Bereich der Brenn stoffzellenvorrichtung auf einer niedrigeren als der oberen Grenzbetriebstemperatur gehalten wird, um zu dem Niedertem peratur-Betriebsbereich 16 zu werden. Anordnung und Aufbau von Wärmemediumkanälen in der Temperatursteuerungsplatte 15 sowie die Betriebsbedingungen wie etwa Temperatur und Durch flußrate werden so festgelegt, daß die Temperatur des dem Niedertemperaturbetrieb entsprechenden Bereichs 16 mit dem besten Wirkungsgrad gesteuert werden kann. Die Ausführungs form von Fig. 1 ist ausgelegt, um einen Niedertemperatur bereich der Brennstoffzellenvorrichtung auf der Basis der darin auftretenden Temperaturverteilung als den Niedertem peratur-Betriebsbereich vorzugeben und den Reformier-Kata lysator in diesem Bereich zu halten, und dabei hängt die Temperaturverteilung strukturell zum größten Teil von den Betriebsbedingungen wie etwa Stromdichte und Durchflußrate des Reaktionsgases ab. Bei der Ausführungsform von Fig. 1 müssen daher die Betriebsbedingungen sorgfältig vorgegeben werden, so daß der Niedertemperatur-Betriebsbereich auf einer Temperatur gehalten wird, die nicht höher als die obere Grenzbetriebstemperatur ist. Bei der Ausführungsform von Fig. 5 dagegen kann die Temperatursteuerung des Nie dertemperatur-Betriebsbereichs 16 unmittelbar durch die Funktion des Temperatursteuerungsmechanismus durchgeführt werden, und somit ist es möglich, die Temperatur des Nie dertemperatur-Betriebsbereichs 16 genauer zu steuern und einen größeren Freiheitsgrad bei der Vorgabe der Betriebsbe dingungen im Lastbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung vorzusehen als bei der Ausführungsform von Fig. 1. Außerdem kann bei der Ausführungsform von Fig. 5 die Position des Niedertemperatur-Betriebsbereichs 16 in der Einzelzellen ebene relativ frei gewählt werden unter Berücksichtigung der Position des dem Niedertemperaturbetrieb entsprechenden Be reichs 16 in dem Temperatursteuerungsmechanismus 15. Mit anderen Worten kann der Temperatursteuerungsmechanismus im Bedarfsfall so ausgelegt und installiert werden, daß der Niedertemperatur-Betriebsbereich an einer vorbestimmten Position erhalten wird.

Abgesehen von dem Temperatursteuerungsmechanismus 15 zur Steuerung der Temperatur mittels Übertragung von fühlbarer Wärme des Wärmemediums in die Temperatursteuerungsplatte 15 kann die Temperatursteuerung auch mittels Übertragung von Reaktionswärme in der Temperatursteuerungsplatte 15 erfol gen. Wenn beispielsweise der Reformier-Katalysator in der Temperatursteuerungsplatte 15 gehalten ist und Kohlenwasser stoff und Dampf als Wärmemedium zugeführt werden, kann die Temperatursteuerung wirksam mit einer geringen Menge von Wärmemedium durchgeführt werden, indem die durch die Refor mierungsreaktion erzeugte Wärme genutzt wird. Außerdem kann auch brennbares Gas, das im wesentlichen aus Wasserstoff nach der Reformierung besteht, als das Brennstoffgas für die Brennstoffzellenvorrichtung genutzt werden.

Ausführungsform 4

Von den vorstehenden Ausführungsformen wurde gesagt, daß sie den Niedertemperatur-Betriebsbereich in einer Zone vorsehen, in der die elektrochemisch aktive Brennstoffzellenreaktion in der Brennstoffzellenvorrichtung abläuft, aber der Nieder temperatur-Betriebsbereich kann auch in einer Zone vorge sehen sein, in der die Brennstoffzellenreaktion nicht ab läuft. In diesem Fall ist die Gefahr einer nachteiligen Auswirkung auf die Zellencharakteristiken beseitigt, und die Temperatur des Niedertemperatur-Betriebsbereichs kann niedriger eingestellt werden. Das ist vom Standpunkt der Verlängerung der Betriebslebensdauer des Katalysators vor teilhafter. Die obigen Ausführungsformen wurden in Verbin dung mit einer Brennstoffzellenvorrichtung vom äußeren Gas verteilertyp beschrieben, wobei die Gasverteiler an der Außenseite des Brennstoffzellen-Stapelkörpers 10 vorgesehen sind; die vorliegende Ausführungsform wird in Verbindung mit einem Fall beschrieben, bei dem es sich um eine Brennstoff zellenvorrichtung vom inneren Gasverteilertyp handelt.

Fig. 6 ist ein Schnitt durch den Brennstoffzellen-Stapel körper, der in Stapelrichtung entlang einem Durchfluß des Brennstoffgases zur Verwendung in der Brennstoffzellenvor richtung vom inneren Gasverteilertyp geschnitten ist. In Fig. 6 definiert und trennt ein Gasabdichtelement 17 den Brennstoffgaskanal 6 und den Oxidationsgaskanal 6 vonein ander. Brennstoffgasleitkanäle 13a, 13b leiten das Brenn stoffgas so, daß es durch den Brennstoffgaskanal 5 angren zend an die Brennstoffgaselektrode 1 von und zu Gasver teilern 12 strömt. Bei dieser Ausführungsform sind die jenigen Bereiche, die den Brennstoffgasleitkanälen 13a, 13b auf der Oxidationsgasseite entsprechen, normalerweise von den dort und nicht angrenzend an die Elektrode eingesetzten Gasabdichtelementen 17 umschlossen, wodurch Zonen gebildet sind, die elektrochemisch inaktiv sind, so daß sie die Brennstoffzellenreaktion nicht entwickeln und somit die Niedertemperatur-Betriebsbereiche bilden, in denen der Reformier-Katalysator 11 gehalten wird. Ferner können die Gasabdichtelemente 17 mit der Trennplatte 9 im Bedarfsfall integral sein. Die Gasverteiler 12, die in Fig. 6 mit Vollinien bezeichnet sind, sind Öffnungen, die den Brenn stoffzellen-Stapelkörper 10 in Stapelungsrichtung durchdrin gen, und durch diese Öffnungen wird das von außen zugeführte Brennstoffgas zu den jeweiligen Einzelzellen 4 verteilt bzw. davon abgeführt. Vollineinpfeile in der Zeichnung deuten Brennstoffgasströme an. Ein Teil eines Gasverteilers für das Oxidationsgas ist mit Strichlinien bezeichnet.

Der Betrieb dieser Ausführungsform wird nachstehend be schrieben. Das von außen zugeführte Brennstoffgas, das Kohlenwasserstoff oder Alkohole enthält, wird in dem Brenn stoffgasleitkanal (Niedertemperatur-Betriebsbereich) 13a reformiert und dann dem Brennstoffgaskanal 5 zugeführt. Nach Verbrauch bei der Elektrodenreaktion an der Brennstoffgas elektrode 1 benachbart dem Brennstoffgaskanal 5 wird das Brennstoffgas dem Brennstoffgasleitkanal (Niedertemperatur- Betriebsbereich) 13b zugeführt. In dem Brennstoffgasleit kanal (Niedertemperatur-Betriebsbereich) 13b wird der Koh lenwasserstoff im Brennstoffgas, der noch nicht abgebaut ist, nahezu vollständig durch die Funktion des Reformier- Katalysators 11 abgebaut. Nach dem Abbau wird das Brenn stoffgas zur Außenseite des Brennstoffzellen-Stapelkörpers 10 durch den Gasverteiler 12 abgeführt. Bevorzugt wird das abgeführte Brennstoffgas als Brennstoffgas für eine weitere Brennstoffzellenvorrichtung genutzt, die separat an der Ab stromseite des Brennstoffgassystems vorgesehen ist.

Diese Ausführungsform wurde zwar in Verbindung mit dem Fall der Anwendung bei einer Brennstoffzellenvorrichtung vom inneren Gasverteilertyp beschrieben, aber sie ist auch bei der Brennstoffzellenvorrichtung vom äußeren Gasverteilertyp anwendbar. In diesem Fall können die Gasabdichtbereiche um die Außenränder der Elektroden herum beispielsweise als die Niedertemperatur-Betriebsbereiche genutzt werden, in denen der Reformier-Katalysator gehalten wird.

Ferner wurden die obigen Ausführungsformen so beschrieben, daß sie der Brennstoffzellenvorrichtung ein Brennstoffgas zuführen, das im wesentlichen aus Kohlenwasserstoff besteht, aber die Erfindung ist auch anwendbar im Fall der Zuführung von Brennstoffgas, das im wesentlichen aus Wasserstoff und einer geringen Menge von Kohlenwasserstoff besteht. In die sem Fall ist jedoch die Temperaturverteilung in der Einzel zellenebene von dem Fall verschieden, in dem ein Brennstoff gas verwendet wird, das hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff besteht. Wenn beispielsweise der Anteil an Kohlenwasserstoff in dem Brennstoffgas in der Kanalkonfiguration von Fig. 1 niedrig ist, wird die Temperatur des Niedertemperatur-Be triebsbereichs 13a von Fig. 1 nicht so herabgesetzt. Infol gedessen muß der Niedertemperatur-Betriebsbereich in Abhän gigkeit von den Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung der Komponenten des Brennstoffgases neu vorgegeben werden.

Wie oben beschrieben, ist die Erfindung so aufgebaut, daß der Reformier-Katalysator in dem Brennstoffgaskanal ange ordnet ist, der zu dem Niedertemperatur-Betriebsbereich ge hört, der auf der Basis der Temperaturverteilung in der Einzelzellenebene bestimmt ist, und das Brennstoffgas wird mit dem Reformier-Katalysator in Kontakt gebracht, der in dem Niedertemperatur-Betriebsbereich angeordnet ist. Da also die Temperaturverteilung, die in der Brennstoffzellenvor richtung während ihres Betriebs strukturbedingt zwangsläufig auftritt, genutzt wird, um den Reformier-Katalysator in dem Brennstoffgaskanal anzuordnen, der zu dem Niedertemperatur- Betriebsbereich gehört, kann die Aktivität des Reformier- Katalysators über einen langen Zeitraum erhalten bleiben, ohne daß die Zellencharakteristiken verschlechtert werden. Da ferner das zugeführte Brennstoffgas mit dem hochaktiven Reformier-Katalysator, der in dem Niedertemperatur-Betriebs bereich angeordnet ist, in ausreichenden Kontakt gelangen kann, wird Kohlenwasserstoff über einen langen Zeitraum auf stabile Weise ausreichend reformiert, um eine Brennstoff zelle mit guten inneren Reformierungscharakteristiken zu ergeben.

Da die Erfindung ferner so aufgebaut ist, daß der Tempera tursteuerungsmechanismus in den Stapelkörper eingebaut ist, um den Niedertemperatur-Betriebsbereich in der Einzelzellen ebene zu bilden, ist der Reformier-Katalysator in den Brenn stoffgaskanal eingebracht, der zu dem Niedertemperatur- Betriebsbereich gehört, und außerdem wird das Brennstoffgas mit dem Reformier-Katalysator in Kontakt gebracht, der in dem Niedertemperatur-Betriebsbereich angeordnet ist, der Niedertemperatur-Betriebsbereich kann hinsichtlich seiner Temperatur exakt gesteuert werden, der Freiheitsgrad be züglich der Betriebsbedingungen kann gegenüber dem Fall der Nutzung der Temperaturverteilung, die in der Brennstoffzel lenvorrichtung beim Betrieb zwangsläufig entsteht, vergrö ßert werden, und ferner kann die Position des Niedertempera tur-Betriebsbereichs in der Einzelzellenebene relativ frei vorgegeben werden.

Da die Erfindung außerdem so aufgebaut ist, daß der Refor mier-Katalysator in dem Niedertemperatur-Betriebsbereich angeordnet ist, der in einer Zone gebildet ist, die der Elektrodenreaktion nicht ausgesetzt ist, und das Brennstoff gas mit dem Reformier-Katalysator in Kontakt gebracht wird, der in dem Niedertemperatur-Betriebsbereich angeordnet ist, wird die Gefahr einer nachteiligen Auswirkung auf die Zel lencharakteristiken vermindert, und die Temperatur des Bereichs, in dem der Reformier-Katalysator angeordnet ist, kann niedriger eingestellt werden.

Da die Temperatursteuerung außerdem so erfolgt, daß die Temperatur des Niedertemperatur-Betriebsbereichs eine Desaktivierungs-Grenztemperatur des Reformier-Katalysators nicht überschreitet, kann die Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden, ohne daß die Aktivität des Reformier- Katalysators verringert wird.

Claims

1. Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung, gekennzeichnet durch
einen Brennstoffzellen-Stapelkörper (10), der durch An einanderstapeln einer Vielzahl von Einzelzellen (4) über Trennplatten aufgebaut ist, wobei jede Einzelle von einer Brennstoffgaselektrode (1) und einer Oxidationsgaselektrode (2) gebildet ist, die einander durch eine Elektrolytschicht (3) gegenüberstehen,
einen Brennstoffgaskanal (5), der zwischen der Brenn stoffgaselektrode (1) und der Trennplatte auf einer Seite der Brennstoffgaselektrode und der Trennplatte gebildet ist,
einen Oxidationsgaskanal (6), der zwischen der Oxida tionsgaselektrode (2) und der Trennplatte auf einer Seite der Oxidationsgaselektrode und der Trennplatte gebildet ist,
Gasverteiler zum Zuführen, Verteilen und Abführen von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die beide von außen zuge führt werden, in bezug auf den Brennstoffgaskanal (5) und den Oxidationsgaskanal (6), und
einen Reformier-Katalysator, der in einem Niedertempera tur-Betriebsbereich (13a, 13b) des Brennstoffgaskanals ange ordnet ist, wobei dieser Niedertemperatur-Betriebsbereich infolge der Temperaturverteilung in der Einzelzelle (4) gebildet ist.

2. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Temperatursteuerungsmechanismus (15), um den Nieder temperatur-Betriebsbereich in der Einzelzellenebene zu bil den und zu unterhalten.

3. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformier-Katalysator in dem Niedertemperatur- Betriebsbereich (13a, 13b) angeordnet ist, in dem keine Elektrodenreaktion abläuft.

4. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffgasdurchfluß vom Gegenstromdurchflußtyp ist.

5. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffgasdurchfluß vom Gleichstromdurchflußtyp ist.

6. Betriebsverfahren für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit innerer Reformierung, die folgendes aufweist: einen Brennstoffzellen-Stapelkörper, der durch Aneinanderstapeln einer Vielzahl von Einzelzellen über Trennplatten aufgebaut ist, wobei jede Einzelzelle von einer Brennstoffgaselektrode und einer Oxidationsgaselektrode gebildet ist, die einander durch eine Elektrolytschicht gegenüberstehen, einen Brenn stoffgaskanal, der zwischen der Brennstoffgaselektrode und der Trennplatte auf einer Seite der Brennstoffelektrode und der Trennplatte gebildet ist, einen Oxidationsgaskanal, der zwischen der Oxidationsgaselektrode und der Trennplatte auf einer Seite der Oxidationsgaselektrode und der Trennplatte gebildet ist, Gasverteiler zum Zuführen, Verteilen und Ab führen von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die beide von außen zugeführt werden, in bezug auf den Brennstoffgaskanal und den Oxidationsgaskanal, und einen Reformier-Katalysator, der in einem Niedertemperatur-Betriebsbereich des Brenn stoffgaskanals angeordnet ist, wobei der Niedertemperatur- Betriebsbereich infolge der Temperaturverteilung in der Ein zelzelle gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Betriebsverfahren folgende Schritte aufweist:
Einleiten von Brennstoffgas und Oxidationsgas aus den Gasverteilern in den Brennstoffgaskanal bzw. den Oxidations gaskanal, um Elektrodenreaktionen an der Brennstoffgas elektrode und der Oxidationsgaselektrode zu bewirken, und
Durchführen einer Temperatursteuerung, so daß die Tempe ratur des Niedertemperatur-Betriebsbereichs des Brennstoff gaskanals, der infolge der Temperaturverteilung in der Ein zelzelle gebildet ist, eine Desaktivierungs-Grenztemperatur des Reformier-Katalysators nicht überschreitet.