DE60215834T2 - Normal- und hochdruck-sofc-brennstoffzellensysteme zur energieerzeugung - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • 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.
  • STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMENNFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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:
  • 1 die dreidimensionale Ansicht eines Brennstoffzellenstapel-Baugruppenmoduls in einem dieses umhüllenden Modulgehäuse von oben zeigt, wobei Brennstoff-Vorreformer zwischen den Baugruppenmodulen vorhanden sind;
  • 2 schematische Darstellung des Gasflusses einer Ausführungsform einer Brennstoffzellengenerator-Vorrichtung zeigt;
  • 3 die Querschnittansicht mehrerer Brennstoffzellenstapel-Baugruppenmodule in einem Druckbehälter zeigt;
  • 4 die dreidimensionale Schnittansicht einer Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung zeigt, die zwei Brennstoffzellen- Baugruppenmodulen beinhaltet, die für Normaldruckbetrieb angepasst sind; und
  • 5 eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellengenerator-Vorrichtung zeigt, die ein Brennstoffzellen-Baugruppenmodul beinhaltet, das für Hochdruckbetrieb angepasst ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (19)

  1. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung (110), die Folgendes beinhaltet: mindestens ein Brennstoffzellen-Baugruppenmodul (11), das aus mindestens zwei nebeneinander liegenden Unterbaugruppen (10, 12) besteht, die jeweils eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (36) 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 Brennstoffeinspritzdüse (40) mit Brennstoff versorgt werden, die an einen Brennstoffzufuhr-Vorreformer (42) angeschlossen ist, der wiederum an Brennstoffverteiler (46) angeschlossen ist; ein Modulgehäuse (18), das Temperaturen von über 600°C widerstehen kann und das Brennstoffzellen-Baugruppenmodul umhüllt; einen in Achsenrichtung länglichen, dünnwandigen Behälter (64), der das Modulgehäuse umschließt, wobei dieser Behälter zwei Enden hat; einen Spülgasraum (62) zwischen dem Modulgehäuse und dem Druckbehälter; mindestens einen Brennstoffgas-Speiseeinlasskanal (14), der durch den Behälter führt und an die Brennstoffeinspritzdüse angeschlossen ist; einen gemeinsamen Speiseeinlassweg für das gasförmige Oxidans durch den Spülgasraum; einen Abgasauslass (59), der durch den Behälter führt und an eine Kammer für das verbrannte Gas (53) angeschlossen ist, die über einen halbflexiblen Kanal mit dem Brennstoffzellen-Baugruppenmodul verbunden ist; eine Isolierung (66), die die Innenseite des Behälters innerhalb von mindestens einem Teil des Spülgasraums berührt, wobei der Behälter so angepasst ist, dass er sowohl für Normaldruck- als auch Hochdruck-Gasspeisung nutzbar ist.
  2. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der sowohl das Oxidans/Spülgas als auch das Brennstoffgas unter Hockdruck stehen, wobei das Oxidans/Spülgas im Wesentlichen aus Luft besteht und der Behälter röhrenförmig ist.
  3. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Spülgasraum eine Isolierung (66) beinhaltet, die eine Porosität von ca. 70 Vol.% bis 90 Vol.% hat.
  4. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Brennstoffzellen röhrenförmige Festelektrolyt-Brennstoffzellen sind.
  5. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Brennstoff-Gasspeiseeinlass durch die Oberseite des Behälters führt.
  6. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Gasspeiseeinlass für das Oxidans/Spülgas und der Abgasauslass durch ein Ende des Behälters führen.
  7. Verfahren für den Betrieb einer Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung, das Folgendes beinhaltet: (1) Beförderung eines gemeinsamen gasförmigen Oxidans/Spülgases (15) und eines Speisebrennstoffgases (44) durch Einlässe und in mindestens ein Brennstoffzellen-Baugruppenmodul (18), wobei jedes Modul zwei nebeneinander liegende Unterbaugruppen (10, 12) beinhaltet, die jeweils eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (36) enthalten, wobei jede Brennstoffzelle ein Elektrolyt zwischen einer Kathode und einer Anode hat und wobei jedes der Module von einem Modulgehäuse (18) umschlossen ist, das Temperaturen von über 600°C widerstehen kann, wobei die Modulgehäuse von einem in Achsenrichtung länglichen, dünnwandigen Behälter (64) umgeben sind, der zwei Enden hat, so dass ein Spülgasraum (62) 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 Behälter heraus, wobei der Behälter so angepasst ist, dass er sowohl für Normaldruck- als auch Hochdruck-Gasspeisung benutzt werden kann.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Oxidans/Spülgas mit Brennstoffgas, das ggf. nicht reagiert hat und in den Spülgasraum strömt, reagiert.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem sowohl das Oxidans/Spülgas als auch das Brennstoffgas unter Hochdruck stehen und das Oxidans/Spülgas im Wesentlichen aus Luft besteht.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem sowohl das Oxidans/Spülgas als auch das Brennstoffgas mit einem Druck von mehr als 196,4 kPa beaufschlagt sind und der Behälter röhrenförmig ist.
  11. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung (110), die Folgendes beinhaltet: mindestens ein Brennstoffzellen-Baugruppenmodul (11), das eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (36) beinhaltet, wobei die Brennstoffzellen über eine Brennstoffeinspritzdüse (40), die an einen Brennstoffzufuhr-Vorreformer (42) angeschlossen ist, der wiederum an Brennstoffverteiler (46) angeschlossen ist, mit Brennstoff versorgt werden; ein Modulgehäuse (18), das Temperaturen von über 600°C widerstehen kann und das Brennstoffzellen-Baugruppenmodul umhüllt; einen Behälter (64), der das Modulgehäuse umschließt und einen Spülgasraum (62) zwischen dem Modulgehäuse und dem Druckbehälter bildet; mindestens einen Brennstoffgas-Speiseeinlasskanal (14), der an die Brennstoffeinspritzdüse angeschlossen ist; einen Speiseeinlass (24) für das gasförmige Oxidans/Spülgas; einen Abgasauslass (58), der an eine Kammer für das verbrannte Gas (53) angeschlossen ist, die mit dem Brennstoffzellen-Baugruppenmodul verbunden ist; wobei der Behälter so angepasst ist, dass er sowohl für Normaldruck- als auch Hochdruck-Gasspeisung nutzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Speiseeinlass für das gasförmige Oxidans/Spülgas so angeordnet ist, dass er das gasförmige Oxidans/Spülgas (15) in den Spülgasraum befördert, so dass der Spülgasraum gefüllt wird, bevor das gasförmige Oxidans/Spülgas in das Modul (18) gelangt (22).
  12. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 11, bei der das Brennstoffzellen-Baugruppenmodul mindestens zwei nebeneinander liegende Unterbaugruppen (10, 12) beinhaltet, die jeweils eine Mehrzahl von Brennstoffzellen enthalten.
  13. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 12, bei der jede Brennstoffzelle ein Elektrolyt zwischen Kathode und Anode beinhaltet.
  14. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Unterbaugruppen jeweils an ihrer Basis durch die Brennstoffeinspritzdüse mit Brennstoff versorgt werden.
  15. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 11, bei der sich der Brennstoffgas-Speiseeingangskanal (14) vollständig durch den Behälter erstreckt.
  16. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 11, bei der sich der Abgasauslass vollständig durch den Behälter erstreckt.
  17. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 11, bei der der halbflexible Kanal mit der Kammer für das verbrannte Gas verbunden ist.
  18. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Isolierung die Innenseite des Behälters berührt.
  19. Brennstoffzellen-Generatorvorrichtung nach Anspruch 18, bei der sich mindestens ein Anteil der Isolierung innerhalb des Spülgasraums befindet.
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