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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Festoxid-Brennstoffzellen-Generatormodule, die
in einem gemeinsamen Druckbehälter
angeordnet sind, der der gemeinsamen Nutzung mit einer Reihe unterschiedlicher
Nebenkomponenten in einem Energieerzeugungssystem dient, das entweder
in einem Normal- oder
einem Hochdruckmodus arbeitet.
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STAND DER TECHNIK
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Brennstoffzellengestützte Stromerzeugungssysteme,
die Festoxid-Brennstoffzellen(„SOFC") verwenden, die
in einem Gehäuse
angeordnet und von einer Isolierung umhüllt sind, sind wohlbekannt
und werden beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4,395,468 (Isenberg)
und „Solid
Oxide Fuel Cell", Westinghouse
Electric Corporation, Oktober 1992, offenbart. Die röhrenförmigen Brennstoffzellen
können
ein an den Enden offenes oder geschlossenes, in Achsenrichtung längliches,
selbsttragendes Keramikrohr-Kathodenmaterial beinhalten, das vollständig mit
einem keramischen Dünnschicht-Festelektrolytmaterial
beschichtet ist. Die Elektrolytschicht ist von einem Cermet-Anodenmaterial
beschichtet – mit Ausnahme
eines dünnwandigen,
in Achsenrichtung länglichen
Zusammenschaltungsmaterials. Flache plattenförmige Brennstoffzellen können eine
flache Anordnung von Elektrolyt- und
Zusammenschaltungswänden
beinhalten, bei denen die Elektrolytwände dünne, flache Schichten von Kathoden-
und Anodenmaterialien beinhalten, die sandwichartig ein Elektrolyt
umschließen.
Diese „wellblechartigen" Brennstoffzellen
können
eine dreieckige oder gewellte Wabenmatrix aus aktiven Anoden-, Kathoden-, Elektrolyt-
und Zusammenschaltungsmaterialien beinhalten. Andere Brennstoffzellen,
die kein Festelektrolyt aufweisen, z.B. Carbonatschmelzen-Brennstoffzellen,
sind ebenfalls allgemein bekannt und können beim Gegenstand und Verfahren
dieser Erfindung Anwendung finden. Entwicklungsstudien zu SOFC-Kraftwerksystemen
haben ergeben, dass in vielen Fällen
der Betrieb dieser Anlagen unter Hochdruck wünschenswert ist. Dies würde den
Betrieb zusammen mit einem Kohlevergaser als Brennstoffquelle und/oder
den Einsatz eines Gasturbinengenerators als Nachschaltprozess erlauben.
Die Integration ist auf Grund der eng angepassten thermodynamischen
Bedingungen des Auslassstroms des SOFC-Moduls und des Einlassstroms der Gasturbine wirtschaftlich
machbar.
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Die
herkömmliche
Brennkammer in einem Gasturbinensystem weist typischerweise hohe
Stickoxidemissionen (NOx), verbrennungsprozessbedingte
Schwingungen und Instabilitäten
sowie exzessive Geräuschemissionen
und geringe Effizienzen auf. Obwohl signifikante Fortschritte gemacht
wurden, um diese Probleme zu beheben, hat es sich auf Grund der
schlechten Flammenstabilitätseigenschaften
als schwierig erwiesen, eine praktische Brennkammer mit extrem geringen
NOx-Emissionen und hohem Regelbereich zu
konstruieren. Die Kombination aller oben genannten Faktoren resultiert
in einer Hochdruck-SOFC-Generatormodul-Konstruktion,
die geeignet ist, eine herkömmliche
Gasturbinen-Brennkammer zu ersetzen, und die für effizientere Heizkraftwerke
anwendbar ist, die immer strengere Emissionssollwerte erfüllen müssen.
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Eine
Vielzahl von Brennstoffzellenanwendungen in Kraftwerksystemen wird
in der Literatur beschrieben. US-Patentanmeldung
Nr. 09/784,610, eingereicht am 15. Februar 2001, (Aktenzeichen 00E 7684;
283139-01093, Holmes und andere) sowie das entsprechende veröffentlichte
Dokument WO 02/67345A offenbaren ein preislich günstiges Normaldruck-SOFC-Energieerzeugungssystem,
das ein einfacheres, signifikant preisgünstigeres Oxidans-/Luftversorgungsrohr-Supportsystem
sowie eine verbesserte Konstruktion der Stromleiter bietet. Die
preisgünstige
Konstruktion minimiert den Kühlbedarf,
die äußere Verrohrung
zu Zusatzgeräten
wie Gebläsen,
Luftvorheizern und Rekuperatoren und ermöglicht eine bessere Nutzung
der Innenisolierung. In der US-Patentschrift Nr. 3,972,731 (Bloomfeld u.a.)
wird ein Hochdruck-Brennstoffzellen-Kraftwerk beschrieben.
Dabei wird Luft durch eine Kompressorvorrichtung verdichtet, z.B.
durch einen Kompressor und eine Turbine, die operativ miteinander
gekoppelt sind, wobei der Kompressor durch Leerlaufenergie angetrieben
wird, die vom Kraftwerk in Form eines warmen gasförmigen Hockdruckmediums
produziert wird, z.B. Brennstoffzellen-Abgasen. Diese Abgase werden
in die Turbine geleitet, die den Kompressor zwecks Verdichtung der
Luft antreibt, die in die Brennstoffzellen gespeist wird. In der
US-Patentschrift 5,413,879 (Domeracki u.a.) wird eine SOFC ebenfalls
in ein Gasturbinensystem integriert. Dort wird vorgeheizte, verdichtete
Luft zusammen mit Brennstoff in eine SOFC geleitet, um elektrische
Energie und Heißgas
zu erzeugen, wobei dieses Gas weiter durch Verbrennung von Brennstoff
und Sauerstoff, die nicht reagiert haben und weiter im warmen Gas
vorhanden sind, erwärmt
wird. Dieses Gas mit höherer
Temperatur wird an eine Vorschaltbrennkammer geleitet, die durch
einen zweiten Brennstoffstrom versorgt wird, um ein noch stärker erwärmtes Gas
zu erzeugen, das dann in einer Turbine expandiert wird. Gillett
und andere offenbarten in der US-Patentschrift
5,750,278 eine selbstkühlende Brennstoffzellenkonstruktion
in Blockbauweise mit integrierten Kühlkanälen, die sowohl für Normaldruck-
als auch Hochdruckbetrieb geeignet ist. Die Normaldruck- und die
Hochdruckkonstruktion würden
jedoch in unterschiedlichen Behältern
untergebracht. In der US-Patentschrift 5,573,867 (Zafred u.a.) wurde
ein Hochdruck-SOCF-Generator in Modulbauweise in einem transportfähigen, horizontal angeordneten
Druckbehälter
mit niedrigem Schwerpunkt untergebracht, der auch das Hindurchströmen von
Spülgas
zwischen der Innenseite des Druckbehälters und der Außenseite
der SOFC-Module erlaubte. Diese Konstruktion beinhaltete sechs gesonderte
Gaseinlass-/-auslasskanäle,
die nur auf einer Seite des Behälters
angeordnet waren, was zu den erheblich höheren Kosten von Hochdrucksystemen gegenüber Normaldrucksystemen
beitrug, die in der Regel eine weniger komplizierte äußere Sicherheitshüllenkonstruktion
aufweisen.
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Die
Beaufschlagung von Brennstoffzellen mit Druck, die zwar vorteilhaft
für die
Systemleistung ist, stellt den Konstrukteur eines SOFC-Generators
vor mehrere praktische Schwierigkeiten, darunter die drei folgenden:
(1) Die Druckgrenzfläche
muss einem Druck von bis zu 20 Atmosphären widerstehen können. Die
Druckgrenzfläche
der vorhandenen Generatoren, die bei einem Druck von 1 Atmosphäre arbeiten,
ist die äußere Wand
des SOFC-Generators, der typischerweise bei Temperaturen von 600° bis 800°C betrieben
wird. Die Konstruktion einer Druckgrenzfläche, die bei 20 Atmosphären und
800°C betrieben wird,
ist schwierig und teuer; daher ist eine Druckgrenzfläche mit
einer reduzierten Wandtemperatur erforderlich. (2) Da Brennstoff
und Luft im SOFC-Generator zusammengebracht werden, muss noch sorgfältiger darauf
geachtet werden, dass ein möglicher
instabiler Zustand während
des Hochfahrens und Betriebs einer Hochdruck-SOFC vermieden wird.
Bei einem Druck von 1 Atmosphäre
ist dies nur ein sekundäres
Problem. Bei Normaldruckbetrieb würde der erwartete explosive Überdruck
ca. 792 kPa (115 psi) betragen, den vorhandene Konstruktionen alleine
durch mechanische Kraft auffangen können. Der erwartete explosive Überdruck
bei 20 Atmosphären
beträgt
jedoch ca. 15.950 kPa (2315 psi). Ein Schutzhüllensystem zur Vermeidung der
Konzentration einer explosiven Gasmischung ist also erforderlich;
(3) die Hochdruck-Schutzhüllenkonstruktion
ist in der Regel wesentlich komplizierter und teurer als bei Normaldrucksystemen.
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Benötigt wird
also ein neuer Gruppierungsansatz für die Gesamtkonfiguration einer
SOFC-Energieerzeugungsanlage, indem ein standardisiertes Generatormodul
angeboten wird, das sich problemlos umkonfigurieren lässt, was
die Verlegung von Einlass- und Auslassrohren betrifft, so dass es
sich mit einem Rekuperator-/Kanalbrenner-Modul koppeln lässt, um
als Normaldruckeinheit zu arbeiten, oder an eine Gasturbine, um
in einem Hochdruckmodus zu arbeiten.
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Auf
der Basis dieser Ausführungen
besteht das Hauptziel der Erfindung darin: (1) eine Standard-Stapelkonfiguration
sowohl für
Normaldruck- als auch Hochdruck-SOFC-Module bereitzustellen, (2)
eine allgemeine Behälterkonstruktion
für beide Systeme
bereitzustellen, (3) die Montagezeit des Generatorstapels durch
Verringerung der Zahl der installierten Bauteile zu reduzieren,
(4) die Bauteil-Lagerbestände
zu reduzieren, (5) die Funktionalität des Systems zu verbessern,
(6) die Service-/Wartungsprobleme im Zusammenhang mit dem Generator
zu optimieren durch Bereitstellung einfacher Mittel für das Einsetzen/Herausziehen
des Stapels in den/aus dem Behälter,
(7) die technische Verfügbarkeit
des Brennstoffzellen-Generators zu erhöhen, (8) die Gesamteffizienz
und -leistung des Stromerzeugungssystems zu verbessern und (9) schließlich eine
kostengünstige
Lösung
für den
drängenden
Bedarf an kompakten, standardmäßigen, preisgünstigen SOFC-Systemen
anzubieten.
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ZUSAMENNFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
oben genannten Notwendigkeiten und Ziele werden erfüllt durch
die Bereitstellung einer Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass sie mindestens ein Brennstoffzellen-Baugruppenmodul enthält, das
aus mindestens zwei nebeneinander liegenden Unterbaugruppen besteht,
die jeweils eine Mehrzahl von Brennstoffzellen enthalten, wobei
jede Brennstoffzelle ein Elektrolyt zwischen einer Oxidans-Elektrode (Kathode)
und einer Brennstoffelektrode (Anode) aufweist; und wobei die Unterbaugruppen
jeweils an ihrer Basis über
eine Common-Rail-Brennstoffeinspritzdüse mit Brennstoff
versorgt werden, die an einen Brennstoffzufuhr-Vorreformer angeschlossen
ist, der wiederum an integrierte Brennstoffverteiler angeschlossen
ist; ein Modulgehäuse,
das Temperaturen von über
600°C widerstehen kann
und das Brennstoffzellen-Baugruppenmodul umhüllt; ein in Achsenrichtung
länglicher,
dünnwandiger
Behälter,
der das Modulgehäuse
umschließt,
wobei dieser Behälter zwei
Enden hat; ein Spülgasraum
zwischen dem Modulgehäuse
und dem Druckbehälter;
mindestens ein Brennstoffgas-Speiseeinlass, der durch den Behälter führt und
an die Brennstoffeinspritzdüsen
angeschlossen ist; ein gemeinsamer Speiseeinlass für das gasförmige Oxidans
und das Spülgas;
ein Abgasauslass, der durch den Behälter führt und über ein halbflexibles Rohr
an eine Auslasskammer für das
verbrannte Gas angeschlossen ist; eine Isolierung, die die Innenseite
des Behälters
innerhalb von mindestens einem Teil des Spülgasraums berührt; wobei
der Behälter
so angepasst ist, dass er entweder für Normaldruck-Gasspeisung oder
Hochdruck-Gasspeisung verwendet werden kann. Die Brennstoffzellen
werden in der Regel bei Temperaturen von gewöhnlich über 650°C und bis zu ca. 1100°C betrieben.
Das Modulgehäuse
und die Brennstoffzellen können
im „Hochdruck"-Modus betrieben werden, der mindestens über ca.
2 Atmosphären
(28,5 psi oder 196,4 kPa) liegt, vorzugsweise zwischen ca. 2 bis
10 Atmosphären.
während
des Betriebs wird der gesamte Spülbereich
mit dem gasförmigen
Oxidans geflutet, das um das Modulgehäuse herum fließt, um eine
gleichförmige
Temperaturverteilung zu erreichen und die Notwendigkeit komplizierter
integrierter Kühlkanäle zu beseitigen.
Der das Modulgehäuse
umgebende Behälter
ist vorzugsweise zylinderförmig.
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Die
Erfindung besteht auch in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung,
die durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: (1) Beförderung
eines gemeinsamen gasförmigen
Oxidans/Spülgases
und eines Brennstoffgases durch Einlässe und in mindestens ein Brennstoffzellen-Baugruppenmodul,
das mindestens zwei nebeneinander liegende Unterbaugruppen beinhaltet,
die jeweils eine Mehrzahl von Brennstoffzellen enthalten, wobei
jede Brennstoffzelle ein Elektrolyt zwischen einer Oxidans-Elektrode (Kathode)
und einer Brennstoffelektrode (Anode) hat und wobei jedes der Module
von einem Modulgehäuse
umschlossen ist, das Temperaturen von über 600°C widerstehen kann, wobei die
Modulgehäuse
von einem in Achsenrichtung länglichen
Behälter
umgeben sind, der zwei Enden hat, so dass ein Spülgasraum zwischen den Modulgehäusen und
dem Behälter
entsteht; (2) Beförderung
des gemeinsamen gasförmigen
Oxidans/Spülgases
durch den Druckbehälter, um
im Spülgasraum
zu zirkulieren, wo das Gas vom Modul einströmendes Brennstoffgas, das ggf.
nicht reagiert hat, verdünnt;
und (3) Beförderung
von Abgas und zirkuliertem Spülgas
sowie von Brennstoffgas, das ggf. nicht reagiert hat, aus dem Druckbehälter heraus,
wobei der Druckbehälter
so angepasst ist, dass er sowohl für Normaldruck- als auch Hochdruck-Gasspeisung benutzt
werden kann.
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Mit
der Generatorvorrichtung hängen
wohlbekannte Zubehörelemente
zusammen, die mit ihr zusammenarbeiten, z.B. Regelelemente; ein
Sauerstoff- oder Luftvorheizer; ein Brennstoffgaskompressor; eine
Brennstoff-Entschwefelungsanlage;
ein Sauerstoff- oder Luftkompressor, der operativ mit einer Nutzleistungsturbine
verbunden ist, die wiederum mit einem elektrischen Generator gekoppelt
ist; ein Spülgaskompressor,
bei dem es sich um denselben wie den Luftkompressor handeln kann;
eine Brennstoffgas- und Spülgasquelle;
Wärmetauscher;
eine Wärmerückgewinnungseinheit,
um Wärme
aus den warmen Brennstoffzellen-Abgasen zurückgewinnen zu können; und
eine Vorschaltbrennkammer, um so ein Stromerzeugungssystem zu erhalten.
Ein Kraftwerksystem dieser Art könnte
im Hochdruckmodus beispielsweise Bestandteil eines integrierten
Kohlevergaser-/Brennstoffzellen-Dampfturbinen-Kombikraftwerks
sein, das eine Mehrzahl von Kohlevergaser- und Brennstoffzellengenerator-Arrays
oder Kraftwerksblöcken
mit dazugehörigen
Wechselrichtergeräten
aufweist, oder es könnte
auch Bestandteil eines erdgasbetriebenen Gasturbinensystems oder dergleichen
sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zur
besseren Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung kann auf die
bevorzugte, nicht exklusive Ausführungsform
der Erfindung, die in den beigefügten
Zeichnungen gezeigt wird, Bezug genommen werden, wobei:
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1 die
dreidimensionale Ansicht eines Brennstoffzellenstapel-Baugruppenmoduls
in einem dieses umhüllenden
Modulgehäuse
von oben zeigt, wobei Brennstoff-Vorreformer
zwischen den Baugruppenmodulen vorhanden sind;
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2 schematische
Darstellung des Gasflusses einer Ausführungsform einer Brennstoffzellengenerator-Vorrichtung
zeigt;
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3 die Querschnittansicht mehrerer Brennstoffzellenstapel-Baugruppenmodule
in einem Druckbehälter
zeigt;
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4 die
dreidimensionale Schnittansicht einer Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung
zeigt, die zwei Brennstoffzellen- Baugruppenmodulen beinhaltet,
die für
Normaldruckbetrieb angepasst sind; und
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5 eine
Querschnittansicht einer Brennstoffzellengenerator-Vorrichtung zeigt,
die ein Brennstoffzellen-Baugruppenmodul beinhaltet, das für Hochdruckbetrieb
angepasst ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Bei
den in der Generatorvorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzten
Brennstoffzellen kann es sich um Festoxidelektrolyt- oder Carbonatschmelze-Brennstoffzellen
jedweder Art oder Konfiguration handeln. Zu Zwecken der Vereinfachung
werden jedoch lediglich röhrenförmige Festoxidelektrolyt-Brennstoffzellen
als beispielhafter für
diese Erfindung nutzbarer Typ besprochen, und die hier angegebene
Beschreibung bezieht sich grundsätzlich
auf diesen Typ, der keineswegs als den Schutzbereich der Erfindung
beschränkend
angesehen werden sollte.
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Festoxidelektrolyt-Brennstoffzellen
(SOFC) sind hocheffiziente Geräte,
die chemische Energie in Elektrizität umwandeln. Sie werden mit
Normal- oder Hochdruck bei einer Temperatur von ca. 1000°C betrieben,
um Elektrizität
unter Einsatz unterschiedlicher fossiler Brennstoffe, z.B. Steinkohlengas,
Erdgas oder Destillatöl,
zu erzeugen. Die Temperatur der Abgase von Brennstoffzellen liegt
zwischen 850°C und
950°C, womit
dies eine Temperatur ist, die für kombinierte
Heizkraftwerkanwendungen oder für
die Verwendung in Nachschaltprozessen reiner E-Werke geeignet ist.
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Eine
arbeitende SOFC leitet selbständig Sauerstoffionen
von einer „Luft"-Elektrode (Elektrode mit
Luft oder Sauerstoffkontakt – Kathode),
an der sie gebildet werden, durch ein Festelektrolyt zu einer „Brennstoff"-Elektrode (Elektrode
mit Brennstoffkontakt – Anode).
Dort reagieren sie mit Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2), die im Brennstoffgas enthalten sind,
um Elektronen abzugeben und Elektrizität zu erzeugen. Die röhrenförmige SOFC
weist eine poröse
Kathode auf, die aus dotiertem Lanthanmanganit besteht. Eine gasdichte
Elektrode aus yttriumstabilisiertem Zirkonium (ca. 40 μ dick) bedeckt
die Kathode, außer
auf einem ca. 9 mm breiten Streifen längs der gesamten aktiven Zelle.
Dieser exponierte Kathodenstreifen ist von einer dünnen, dichten,
gasdichten Schicht aus dotiertem Lanthanchromit bedeckt. Diese Schicht – Zellenzusammenschaltung genannt – dient
als elektrischer Kontaktbereich mit einer daneben liegenden Zelle
oder einem Spannungskontakt. Die Anode besteht aus einem Nickel-Zirkonium-Cermet
und bedeckt die Elektrolytfläche – außer in der
Nachbarschaft der Zusammenschaltung.
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Zu
Betriebszwecken wird ein gasförmiges Oxidans,
typischerweise Luft, in die Brennstoffzelle gespeist – in der
Regel über
einen Luftspeisekanal. Die Luft, die in der Nähe des geschlossenen Endes der
Zelle eingeleitet wird, strömt
durch den ringförmigen
Raum, der durch die Zelle und ihren koaxialen Speisekanal gebildet
wird. Der gasförmige
Brennstoff fließt
auf der Außenseite
der Zelle. Typischerweise werden 85% des Brennstoffs elektrochemisch
im aktiven Brennstoffzellenabschnitt verbraucht (Reaktion). Das
gasundurchlässige
Elektrolyt lässt
keinen Stickstoff von der Luftseite zur Brennstoffseite gelangen,
so dass der Brennstoff in einer stickstofffreien Umgebung oxidiert
wird, wodurch die Bildung von NOx verhindert
wird. Am offenen Ende der Zelle reagiert der restliche Brennstoff
mit dem die Zelle verlassenden Luftstrom, so dass zusätzlich Nutzwärme geliefert
wird. Die Spaltung von Erdgas und sonstigen kohlenwasserstoffhaltigen
Brennstoffen kann bei Bedarf extern oder im Generator selbst durchgeführt werden.
Einströmender
Brennstoff kann zu H2 und CO im Generator
reformiert werden, so dass kein Bedarf für einen externen Reformer mehr
besteht. Alle Gasströme
und Reaktionen werden in der Generatorvorrichtung gesteuert.
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Um
einen elektrischen SOFC-Generator zu konstruieren, werden einzelne
Zellen in einer Matrix seriell-parallel elektrisch verbundener Brennstoffzellen
zusammengeschaltet, die eine Struktur bilden, die einen Basisgeneratorblock
darstellt. Die einzelnen Bündel
werden in Reihe geschaltet, um so eine Generatorspannung zu erzeugen
und Untermodule zu bilden. Die parallele elektrische Zusammenschaltung
der Zellen in einem Bündel
optimiert die Zuverlässigkeit
des Generators. Die Untermodule werden weiter entweder in Parallel-
oder Reihenschaltungen miteinander verbunden, um so das Generatormodul zu
bilden. Eine ausführlichere
Beschreibung der röhrenförmigen Brennstoffzellen
und ihres Betriebs in einer Generatorvorrichtung ist der US-Patentschrift
Nr. 4,395,468 (Isenberg) zu entnehmen.
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Bezugnehmend
auf 1 der Zeichnungen wird eine Ausführungsform
von zwei Brennstoffzellenstapel-Unterbaugruppenmodulen 10 und 12 im Brennstoffzellen-Baugruppenmodul 11,
die zu einem Brennstoffzellen-/Vorreformer-Abschnitt
führen,
mit den Brennstoff- Speisekanälen 14 gezeigt.
Das Modulgehäuse 18 kann
eine oder mehrere Unterbaugruppenmodule mit dazugehörigen Rückführungskammern
und Vorreformer-Baugruppen enthalten. Das Modulgehäuse muss
Brennstoffzellen-Betriebstemperaturen von 800°C bis 1100°C standhalten und aus einem
Material, in der Regel Metall, hergestellt sein, das Temperaturen
von 600°C
widerstehen kann, z.B. Eisen, Stahl, Edelstahl oder Nickellegierungen.
Das Gehäuse 18 wird
mit Kühlrippen
dargestellt, kann aber auch andere Konfigurationen haben. Außerdem ist
ein Beispiel für
einen Abgasauslass für das
Brennstoffzellen-Baugruppenmodul dargestellt, um das Abgas 56 abzuleiten.
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2 ist
ein schematisches Gasflussdiagramm der Ausführungsform einer möglichen
Konstruktion einer Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung 110,
die aus Gründen
der Klarheit vereinfacht dargestellt ist. Der Oxidans-Haupteinlass 24 für Luft/Spülgas 15 wird
an der Seite des Behälters 64 für die Zwecke
der Darstellung des Gasstroms dargestellt, doch befindet er sich
am Ende (nicht dargestellt) des Druckbehälters oder am Boden des Behälters 64,
bei dem es sich um einen zylinderförmigen Druckkessel handeln
kann. Der Oxidans-Einlass in das Modulgehäuse kann sich an den Seiten,
an der Oberseite oder an der Unterseite befinden. In jedem Fall
kann – wie
zu sehen ist – das
Oxidans mit Druck beaufschlagt werden und ist nicht innerhalb der
Verrohrung oder Kanäle
wie etwa Einlasskanal 14 eingeschlossen, sondern fließt in den
und füllt
den Spülgasraum 62,
ehe es in das Modul 18 gelangt. Obwohl ein Typ des Oxidans-Einlasses
vom Modul-Oxidans-Einlass 24 zu den Brennstoffzellen 36 gezeigt wird,
entspricht jede geeignete Kanalisierung dem Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung.
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2 zeigt
auch Brennstoffzellen-Bündel, wobei
jedes Bündel
eine Mehrzahl von zusammengeschalteten Brennstoffzellenbündeln 36 beinhaltet, die
hier als röhrenförmiger SOFC-Typ
mit Elektroden und dazwischengepacktem Elektrolyt dargestellt werden.
Das Gehäuse 18 muss
eine Innenisolierung beinhalten und kann eine Außenisolierung haben, die teilweise
zwischen dem Gehäuse
und dem umgebenden Behälter 64 liegt,
um die Verwendung der weiter oben als Gehäusematerialien beschriebenen Metalle
zu erlauben. Die Außenisolierung
kann Kühlkanäle rund
um den Umfang beinhalten. Eine ggf. verwendete, in 3 dargestellte
Isolierung 66 wäre
gasdurchlässig
und zu ca. 40 Vol.% bis 90 Vol.% porös und bestünde vorzugsweise aus Tonerde-Kieselerde-Faserplatten.
Der Brennstoff würde
in den Brennstoffeinlasskanal oder die Brennstoffeinlassverrohrung 14 gelangen,
vorzugsweise zu einem oder mehreren Ejektoren 40, wo sich
die zurückgeführten Gase
mit dem Speisebrennstoff beim Einspritzen vermischen können, um
einen für
den Brennstoffkonditionier- oder Vorreformerabschnitt 42,
wo er zumindest teilweise reformiert wird, nutzbaren Strom zu ergeben,
und ansonsten optimale Betriebsbedingungen zu schaffen. Der Brennstoffstrom 44 verlässt dann
den Vorreformer 42 und fließt durch eine Brennstoffkammer
oder einen Brennstoffverteiler 46 in die Brennstoffspeiseleitungen,
die zumindest teilweise reformierten Brennstoff zur Außenseite
der Brennstoffzellen 36 – wie in 2 dargestellt – transferieren
bzw. fließen
lassen, wo der Brennstoff längs
der Oberfläche
der länglichen
Anode auf der Außenseite
der röhrenförmigen Brennstoffzellen 36 reagiert.
Der Brennstoff kann noch vollständiger
innerhalb der Brennstoffzellenbündel
reformiert werden.
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Wie
in 2 dargestellt, gelangt Normaldruck- oder Hochdruck-Oxidans
in einen Luft-/Spülgasverteiler,
der zahlreiche geeignete Konfigurationen aufweisen kann, dann zu
einer Verteilkammer und fließt
danach nach unten über
einzelne Oxidans-Speiserohre 51 (siehe 2)
in den unteren Innenbereich jeder Brennstoffzelle 36, wo
das Oxidans – wie
in diesem Fachgebiet wohl bekannt ist – seine Fließrichtung
umkehrt und in den ringförmigen Raum
zwischen dem Oxidans-Speiserohr
und der inneren Kathode fließt,
wo es längs
der Innenfläche
der Kathode reagiert. Nach der Reaktion gelangt das Oxidans schließlich als
verbrauchtes Oxidans in eine Brennkammer 54. Das verbrauchte
Oxidans verbrennt dann mit dem verbrauchten Brennstoff und ein wenig
restlichem Speisebrennstoff, der nicht reagiert hat, um dann das
Abgas 56 zu ergeben, das durch eine Verbrennungsgas- oder
Abgaskammer 53 zum Abgaskanal 52 fließt, der
hier zwecks Vereinfachung als durch die Oberseite des Druckbehälters führend dargestellt
ist, während
der Abgasstrom in 1 genauer dargestellt ist. Ein
Teil des verbrauchten Brennstoffes kann auch – wie in 2 dargestellt – zum Ejektor 40 zurückgeführt werden.
Ein Stromleiter 84 wird auch in 2 dargestellt.
Weitere Einzelheiten zu diesen Fließmustern sowie zur Anwendung eines
Ejektorsystems sind in US-Patentschrift Nr. 5,169,730 (Reicher)
zu finden.
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Unbedingt
zu beachten ist, dass es – insbesondere
im Hockdruckbetrieb – möglich ist,
dass etwas Brennstoff nicht verbraucht wird und dass kleine Mengen
Brennstoff, der nicht reagiert hat, Gelegenheit haben, in den Gasraum 62 außerhalb
der Brennstoffzellen-Baugruppenmodule und des Modulgehäuses zu
diffundieren oder zu lecken. Brennstoff, der nicht reagiert hat
und sich außerhalb
der Modulgehäusewand 18 befindet,
kann sich unter bestimmten Umständen
entzünden,
da die Selbstzündungstemperatur
des Speisebrennstoffs, z.B. Wasserstoff, bei ca. 520°C liegt.
Wie zuvor bereits beschrieben, könnte
das Lecken von Brennstoff in das Volumen bzw. den Raum 62,
der einen Temperaturgradienten von 25°C bis 600°C hat, möglicherweise ein Problem in
Bezug auf Instabilität/Verbrennung
darstellen. Die Verwendung des Oxidans als Spülgas bietet ein Mittel, die
Gefahr einer derartigen Verbrennung und eine noch dramatischere
Situation zu kontrollieren, wenn die Sauerstoffquelle abgeschnitten
wird, z.B. beim Herunterfahren des Kompressors eines mit dem System
verbundenen Turbinengenerators.
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Wie
in 3 dargestellt, wird die Kontrolle von
unerwünschtem, überschüssigem Brennstoff, der
nicht reagiert hat, im Gasraumvolumen 62 außerhalb
des Modulgehäuses 18 oder
im Behälter
um die Brennstoffzellen-Unterbaugruppenmodule 10 und 12 herum
bereitgestellt. Die Generatorbrennstoffzellen-Stapelmodule werden in einem Niedrigtemperaturbehälter 64 gekapselt,
das als Hochdruck-Sicherheitsbehälter
genutzt werden kann. Das Modulgehäuse bzw. der Modulbehälter 18 um
den Zellenstapel herum trennt den Speisebrennstoff vom Spülgas. Die
vorliegende Erfindung schafft auch Bedingungen im Hochdruckbetrieb
dafür,
dass – wenn
Brennstoff in das Spülgas
leckt – dieser örtlich entzündet wird,
statt sich in Form einer explosiven Mischung anzusammeln. Der Spülgasdruck
wird jedoch höher
als der Druck des gasförmigen
Brennstoffs gehalten, so dass unter den meisten Hochdruckbedingungen
das Spülgas
den gasförmigen
Brennstoff aus dem Spülgasraum 62 heraushält.
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3 zeigt SOFC-Module innerhalb des Modulgehäuses 18,
das teilweise von einer Wärmeisolierung 66 umgeben
ist, die beispielsweise ca. 12 bis 15 cm dick sein kann und vom
Behälter 64 umhüllt ist.
Die Isolierung 66 würde
eine große
Zahl winziger Durchgänge
innerhalb des Massevolumens enthalten, wobei – selbst wenn das gesamte Spülvolumen mit
Isolierung gefüllt
wäre – diese
Isolierung immer noch als Akkumulationsraum für das Oxidans fungieren würde. Wie
bereits erwähnt,
basiert die Isolierung in der Regel auf Tonerde-Kieselerde und hat vorzugsweise eine
Porosität
von 70 Vol.% bis 90 vol.%, d.h. eine theoretische Dichte von 10%
bis 30%. Da die SOFCs bei Temperaturen nahe 1000°C arbeiten, ist normalerweise
eine Wärmeisolierung 66 zwischen dem
Innenbehälter,
d.h. dem Modulgehäuse 18,
und der Wand des Behälters 64 erforderlich,
um hohe Temperaturen an der Behälterwand
zu verhindern. Mit Hilfe einer keramischen Faserplatte oder Mattenisolierung
in Verbindung mit dem Spülgasvolumen 62 und
möglicher
Luftkühlung
des Modulgehäuses 18 sind
Behälterwandtemperaturen
von 25°C
bis 150°C erreichbar,
so dass der Behälter
aus Kohlenstoffstahl hergestellt werden kann, bei dem es sich um
einen relativ preisgünstigen
Werkstoff handelt. Luft wird in das Innere der SOFCs, beispielsweise über einen Durchflusssensor
und Luftspeiserohre (beide nicht dargestellt) gespeist, die von
einem Kompressor kommen. Ein Teil des Brennstoff-Prozessluft-Gemischs wird in
den SOFCs elektrochemisch verbunden, um so Gleichstrom, Wärme und
Brennstoffoxidationsprodukte zu erzeugen. Der nicht verbrauchte Brennstoff
wird in der Luft in der Brennkammer oberhalb der Zellen verbrannt.
Dargestellt sind zudem die Stromleiter 84.
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Im
Betrieb werden Brennstoff und Oxidans/Spülgas wie oben beschrieben beide
mit Druck beaufschlagt. In der vorliegenden Erfindung hat das Oxidans/Spülgas einen
höheren
Druck als der Brennstoff. Das Oxidans/Spülgas gelangt in das Spülgasvolumen 62 und
zirkuliert um die Brennstoffzellenstapel-Unterbaugruppenmodule, z.B. 10 und 12,
herum zwischen dem Modulgehäuse 18 und
dem Behälter 64.
Diese zirkulation der Kombination Oxidans/Spülgas verdünnt den Speisebrennstoff, der ggf.
nicht reagiert hat und aus den Modulen entwichen/geleckt ist oder
normalerweise in den Brennstoff leckt. Die Durchflussrate des Oxidans/Spülgases hat
einen Wert, der wirksam ist, um den SOFC-Betrieb zu gewährleisten
und auch eine explosive Mischung von Spülgas und Brennstoffgas zu vermeiden. 3 zeigt auch die Modulsupporte 90 und 92 sowie
die Druckbehälter-Hebebohrungen 94.
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4 und 5 illustrieren
den Druckbehälter
und die Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung 110, die
so angepasst sind, dass sie für
Gaseinspeisung mit Normaldruck oder mit Hochdruck nutzbar sind. 4 zeigt
zwei Brennstoffzellen-Baugruppenmodule 11, und 5 zeigt
ein Brennstoffzellen-Baugruppenmodul, die jeweils zwei nebeneinander
liegende Brennstoffzellenstapel-Unterbaugruppen 10 und 12 im
Modulhgehäuse 18 haben,
das die Brennstoffzellen umhüllt
(nicht dargestellt). Die Module sind umgeben von einem in Achsenrichtung länglichen
dünnwandigen
Behälter 64,
der in der in 5 gezeigten Anwendung hohen
Drücken
widerstehen kann. Der Behälter
ist ca. 0,5 cm bis ca. 1,0 cm dick und hat die beiden Enden 65,
so dass ein Spülgasraum 62 zwischen
dem Gehäuse 18 und dem
Druckbehälter 64 entsteht.
Der Behälter 64 hat mindestens
einen Brennstoffgas-Speiseeinlass 14, und zwar vorzugsweise
an der Oberseite des Behälters 64,
der mit den Brennstoffspeisegas-Düsen und dem Vorreformer (nicht
dargestellt) im Brennstoffzellen-Baugruppenmodul 11 verbunden
ist. Der gemeinsame Oxidans/Luft-Gasspeiseeinlass 24, der
vorzugsweise durch ein Ende 65 des Behälters 64 führt, speist
Oxidans zum Spülgasraum 62.
Der Hauptbehälter-Abgasauslass 59 der
Generatorvorrichtung wird ebenfalls teilweise dargestellt und ist
mit einer Verbrennungsgas-Auslasskammer 53 sowie
einem Abgasauslass 58 für
das Brennstoffzellen-Baugruppenmodul verbunden (in 2 vereinfacht
dargestellt), jedoch über
einen halbflexiblen Kanal. Der Hauptbehälter-Abgasauslass 59 führt durch
ein Ende 65 des Behälters 64.
Die als „66" in 3 dargestellte
Isolierung berührt
die Innenseite des Druckbehälters
innerhalb des Spülgasbereichs.
Supporte 90 und 92 und Hebebohrungen 94 sind
ebenfalls dargestellt. Das System 120 beherbergt ein Luftversorgungssystem
(Gebläse
und Rekuperator) in 4 sowie eine Mikroturbine (Kompressor
und Vergaser) in 5. Und das System 125 beherbergt
Regelelemente, ein Spannungsanpassungsgerät (Wechselrichter) und Instrumentenschränke. Die
Standard-Brennstoffzellen-Generatorvorrichtungskonfiguration 110 in 4 und 5 stellt
einen wesentlichen Kosteneinsparungsansatz dar, der durch konstruktive
Vereinfachungen, innovative Luft-/Abgasverteilsystem-Lösungen sowie
Umgruppierung der BOP-Komponenten
erreicht wird. In Folge dessen werden die Erstentwicklungskosten,
die normalerweise den für
eine herkömmliche
Konstruktion typischen Normaldruck- und Hochdrucksystemen zugeschrieben
werden, drastisch reduziert. Weiterhin werden die Herstellungskosten
durch Gemeinsamkeiten bei den Komponenten der beiden Angebote erheblich
reduziert. zudem wird das gewerbliche Produkt-Image durch die Tatsache
verbessert, dass eine Standardkonstruktion verschiedene Kundenbedürfnisse
abdeckt, d.h. hohe Effizienz bei einem Hochdrucksystem (5)
bei geringeren Kosten/kWh bei einem Normaldrucksystem (4).
Auf Grund der modularen Stapelkonstruktion ist das vorgeschlagene
Generatorvorrichtungskonzept skalierbar und kann auf Großgeräte der MW-Klasse
angewandt werden, so dass erhebliche Skaleneffekte erzielbar sind.
Dieser Ansatz lässt
sich produktlinienunabhängig
anwenden.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein modular aufgebauter Standard-SOFC-Generator,
der mindestens ein Standard-Brennstoffzellen-Baugruppenmodul
besitzt, das in der Regel zwei Unterbaugruppen von nebeneinander
liegenden Unterstapeln umfasst, die jeweils an der Basis ihrer Brennstoffzellen
durch einen gemeinsamen Brennstoff-Vorreformer, der mit integrierten
Brennstoffverteilern und einer gemeinsamen Rückführungskammer ausgerüstet ist,
mit Brennstoff versorgt werden. Jede der Unterbaugruppen 10 und 12 enthält normalerweise
36 Bündel,
die in 12 Bündelreihen
mit jeweils 3 Bündeln
angeordnet sind, was 864 röhrenförmige Zellen
ergibt.
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Typischerweise
hat ein Normaldruck-Generatorkraftwerk (4) zwei
Standard-Brennstoffzellen-Baugruppenmodule mit insgesamt 3456 Zellen, was
drei Stapeln der Konfiguration in der aktuellen „100kW"-Klasse entspricht. Ein Hochdruck-Generatorkraftwerk
(5) hat normalerweise ein Standard-Brennstoffzellen-Baugruppenmodul
mit insgesamt 1728 Zellen. Beide Kraftwerkkonfigurationen benutzen
einen waagerechten Standardbehälter oder
-tank 64, vorzugsweise in röhrenförmiger Konstruktionsweise,
der von einem durchgehenden Supportgestell getragen wird, das auf
den Transportkufen verankert ist. Bei dem Behälter handelt es sich um eine
zylinderförmige
dünnwandige
Stahlhülle
mit zwei ellipsenförmigen
Behälterköpfen oder
-enden 65, die aus dem gleichen Werkstoff wie die Hülle kalt umgeformt
sind, wobei dieser auf einer Seite zusammen mit einer galvanischen
Schutzanodenerweiterung angeschweißt ist. In Folge dessen sind
keine schweren Flansche, Dichtungsringe oder Verschraubungen erforderlich,
so dass sich das Gewicht und die Behälterfertigungskosten reduzieren
und die Gefahr von Leckagen beseitigt wird.
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Eine
einfache, kostengünstige,
automatische Lichtbogen-Schweißmaschine
mit integriertem Schneide-/Abfaswerkzeug könnte benutzt werden, um das
Behälterende
zu schließen,
wenn das Brennstoffzellen-Baugruppenmodul fertig installiert worden ist,
oder zu öffnen,
wenn der Stapel gewartet/ausgetauscht werden muss. Auf Grund der
dünnen
Wände des
Behälters
ließe
sich dieser Vorgang innerhalb von weniger als 2 Stunden bewerkstelligen,
einschließlich
Schienen- und Werkzeugeinrichtung.
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Die
Innenwand des Behälters 64 ist
durch eine Reihe von Hochleistungsisolierplatten wärmeisoliert,
die durch an die Wand geschweißte
Stehbolzen verankert sind. Dieses Isolierungssystem soll drei wesentliche
Anforderungen erfüllen:
die Außenwandtemperatur
des Behälters
auf einen sicheren Wert senken, d.h. ca. 60°C, der hohen Luftgeschwindigkeitserosion
am Einlass widerstehen und den Stößen beim Ablassen des Drucks
in einem Hochdrucksystem widerstehen. Während des Betriebs wird das gesamte
Innenvolumen des Behälters
durch einströmende
Prozessluft geflutet, die um die Außenfläche des Stapel-Metallbehälters herumgeleitet
wird, um eine gleichförmige
Temperaturverteilung über
die gesamte Struktur hinweg zu erzielen und – was noch wichtiger ist – um ggf.
vorhandene Brennstoffleckagen aus den Stapeln zu schwemmen, so dass
der gesamte Raum bzw. Hohlraum 62 gespült wird. Das Abgas wird von
jeder Unterstapel-Verbrennungszone
zu den Seitenkanälen
umgeleitet, die nachfolgend in Verteiler münden und über einen halbflexiblen Kanal aus
keramischem Hochtemperaturwerkstoff oder ähnlichem mit dem/der Hauptbehälter-Abgasauslass bzw.
-düse 59 verbunden
sind.
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Entschwefeltes
Erdgas wird über
jede Ejektordüse
(drei je Standardstapel) eingespritzt, so dass verdünntes Brennstoffgas,
das aus dem oberen Bereich des Zellenstapels extrahiert wurde, mitgerissen wird.
Diese Brennstoffmischung wird dann zur Vorreformerkammer 42 (siehe 2 und 3) geleitet, wo in einem Katalysatorbett
höhere Kohlenwasserstoffe reformiert
werden. Der teilweise reformierte Brennstoffstrom verlässt dann
den Vorreformer und wird gleichmäßig an ein
Netz waagerechter Kanäle
verteilt, die an der Basis des Zellenstapels montiert sind. Jeder
Verteiler beinhaltet eine Reihe senkrechter Rohre, die die Brennstoffmischung
zur Oberseite der Reformertasche im Stapel transportieren. Die restliche
Brennstoffreformierung erfolgt in diesem Bereich, und ein kohlenwasserreicher
Brennstoffstrom wird in ein Netz von Kanälen gespeist, die sich unterhalb
des Zellenstapels befinden. Der Brennstoff wird gleichmäßig über eine
Brennstoffverteilertafel, die den Brennstoffstrom nach oben längs der
Anodenfläche
jeder Zelle 36 in 2 leitet,
auf den gesamten Zellenstapel verteilt. Jede Unterbaugruppe 10, 12 hat einen
positiven und einen negativen Stromleiter 84 in 2,
der durch die Oberseite des Behälters 64 führt. Die
Reihenschaltung der Unterbaugruppen erfolgt extern durch eine Gleichstrom-Sammelschiene, die
die einander gegenüberliegenden
Spannungsklemmen verbindet. Diese Stromleiter berücksichtigen
den unterschiedlichen Temperaturanstieg zwischen den Unterstapel-Sammelschienen
und dem Behälter
und sind elektrisch isoliert, um dielektrische Festigkeit zwischen
den Hochspannungsleitern und dem geerdeten Metallbehälter zu
gewährleisten.
Alternativ könnte
eine interne elektrische Überbrückung zwecks
Zusammenschaltung der Stapel angewandt werden.
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Eine
interne Supportstruktur ist so ausgelegt, dass sie das waagerechte
Einsetzen/Herausnehmen der Brennstoffzellen-Baugruppe in den/aus dem Behälter erlaubt.
Dies erleichtert den von den Leistungsmodulen gesonderten Versand
der Brennstoffzellen-Baugruppe und ermöglicht einen raschen Austausch
bei einer Stapelsanierung. Die Baugruppenkonstruktion, die Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist, ist ein flexibles System, das Marktangebote für duale
Konfigurationen berücksichtigt,
ohne unangemessen teuer zu sein. Das Brennstoffzellen-Baugruppenmodul 11 in 1 ist
für Normaldruck-
und Hochdrucksysteme gleich, was auch für das Brennstoff-Speisesystem
und das Gerätesteuermodul
gilt, wobei der einzige Unterschied in der Benutzung einer Rekuperator-/Kanalbrenner-/Gebläsebaugruppe
für die
Normaldruckeinheit in 4 bzw. einer Gasturbine für die Hochdruckeinheit
in 5 besteht. Weitere Vorteile der vorgeschlagenen
Standard-Generatorbaugruppenkonstruktion sind neben anderen die leichte
Montage sowie die Anpassbarkeit an den Versorgungsquellenbehälter, die
Transportkufen und Komponenten im Land der Aufstellung des Systems sowie
die bessere Wartbarkeit und Austauschbarkeit der Stapel.
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Obwohl
die Erfindung am Beispiel bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde,
lassen sich verschiedene Änderungen,
Hinzufügungen
und Modifikationen durchführen,
ohne dass vom Schutzbereich der Erfindung abgewichen wird, wie er
in den folgenden Patentansprüchen
festgelegt wird.