DE68904763T2 - Brennstoffzellenenergiegewinnungssystem. - Google Patents

Brennstoffzellenenergiegewinnungssystem.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem unter Verwendung von Brennstoffzellen mit aus Carbonatschmelze bestehenden Elektrolyten und insbesondere ein Energieerzeugungssystem, das einen Stapel von Brennstoffzellen und Reformiereinrichtungen zum Reformieren von Brenngas zu Anodengas umfaßt.
  • Das Prinzip der Brennstoffzelle ist die zur Elektrolyse von Wasser inverse Reaktion, d.h. eine chemische Reaktion von Wasserstoff des Anodengases mit Sauerstoff des Kathodengases wird begleitet von der Erzeugung von Elektrizität und Wasser. Ein Energieerzeugungssystem unter Verwendung von Brennstoffzellen besteht im allgemeinen aus einem Stapel von Brennstoffzellenelementen, einem Reformer zum Reformieren des natürlichen Gases mit Dampf zu einem Anodengas und einem Wärmetauscher. Jedes Zellenelement umfaßt eine poröse Elektrode als Anode, eine porose Elektrode als Kathode und eine Elektrolytplatte, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Die Anodengaskanäle und die Kathodengaskanäle sind jeweils auf beiden Seiten der Separatorplatten ausgebildet.
  • Das Brenngas wie Naturgas wird zusammen mit Dampf einer Reformerkammer der Reformiereinrichtung für das Brenngas zugeführt, um so das Brenngas zu einem wasserstoffreichen Anodengas zu reformieren. Das so erhaltene Anodengas wird dann dem Anodengaskanal zugeführt, der auf einer Seite der Separatorplatte ausgebildet ist. Andererseits erwärmen ein Abgas aus dem Anodengaskanal und frische Luft die Reformerkammer, um so die Reformiertemperatur aufrechtzuerhalten. Danach wird das Abgas mit Luft gemischt und dann als Kathodengas dem Kathodengaskanal zugeführt. Was die Elektrolytplatten betrifft, so sind verschiedene Typen erhältlich; beispielsweise sind eine Elektrolytplatte, die unter Verwendung von Phosphorsäure hergestellt wird und eine andere Elektrolytplatte, die unter Verwendung von Carbonatschmelze hergestellt wird, wohl bekannt. Reaktionen an der Anode und der Kathode bei Verwendung von Carbonatschmelze als Elektrolyt werden durch folgende Gleichungen wiedergegeben:
  • Kathode: 1/2 O &sub2; + C O &sub2; + 2 e - T C O 3 ² &supmin;
  • Anode: H &sub2; + C O &sub3; ² &supmin; T H &sub2; O + C O &sub2; + 2 e&supmin;
  • Andererseits finden bei der Reformierung folgende Reaktionen statt:
  • C H &sub4; + H &sub2; O T C O + 3 H &sub2;
  • C O + H &sub2; O T C O &sub2; + H &sub2;
  • In einem herkömmlichen Brennstoffzellen-Energiegewinnungssystem sind der Brennstoffzellenstapel und der Reformer so klein wie möglich gehalten, das heißt, sie haben eine Plattenform. Da aber die externen Leitungen und Rohre zum Zuführen/Abführen des Anodengases und des Kathodengases zu/von dem Brennstoffzellenstapel und dem Reformer kompiziert sind, kann das gesamte System nicht kompakt aufgebaut werden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellen-Energiegewinnungssystem anzugeben, das weniger komplizierte externe Kanäle hat und kompakt aufgebaut werden kann.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellen-Energiegewinnungsysstem anzugeben, das plattenförmige Separatorplatten und plattenförmige Reformiereinrichtungen hat, wobei die Gaskanäle als Teil ihrer selbst, der Separatorplatten und der Reformiereinrichtungen gebildet sind.
  • Die Lösung dieser Aufgaben wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
  • Diese und weitere Aufgaben, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Figuren und den beigefügten Ansprüchen erläutert.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines wesentlichen Teils eines Brennstoffzellen-Energiegewinnungssytems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß Figur 1;
  • Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Reformeranordnung gemäß Figur 1;
  • Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen plattenförmigen Wärmetauscher gemäß Figur 1 zeigt;
  • Figur 5 ist eine vergrößerte Teilansicht eines Zellenelementes nach Figur 1;
  • Figur 6 ist eine vergrößerte Teilansicht einer ersten Reformerplatte nach Figur 1;
  • Figur 7 zeigt verschiedene Kanäle, die in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet sind;
  • Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellen-Energiegewinnnungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Unter Bezugnahme auf Figur 1 der beigefügten Zeichnungen wird der grundsätzliche Aufbau eines Brennstoffzellen- Energiegewinnungssystems der vorliegenden Erfindung erläutert. Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Brennstoffzellenstapel bezeichnet, der eine Mehrzahl von Zellenelementen 11 und Separatorplatten 12 umfaßt. Die Zellenelemente 11 und die Separatorplatten 12 sind übereinandergestapelt. Ein Anodengaskanal 13 und ein Kathodengaskanal 14 sind an der Oberseite beziehungsweise Unterseite der Separatorplatte 12 gebildet. Eine erste Reformerplatte 15, die einen ersten Reformer bildet, ist zwischen beliebigen einander benachbarten Separatorplatten 12 an Stelle eines Zellenelementes 11 angeordnet. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine zweite Reformeranordnung. Jeder zweite Reformer umfaßt zweite Reformerkammern 17, 17, Verbrennungskammern 18, 18 und eine Dispersionskammer 19, wobei diese Kammern jeweils zwischen Platten 20, 20, 21, 21 und 22 gebildet sind. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet einen plattenförmigen Wärmetauscher, der eine Heizkammer 40 und eine Vorheizkammer 34 umfaßt. Der Wärmetauscher 23, die zweite Reformeranordnung 16 und der Zellenstapel 10 sind zu einer Einheit aufeinandergestapelt, wobei alle Gaskanäle durch die Einheit gebildet werden. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet einen weiteren Wärmetauscher, 25 eine Entschwefelungseinrichtung, 26 einen Kompressor, 27 einen Erhitzer, 28 einen Wasserenthärter, 29 einen Sammler, 30 und 31 bezeichnen Ejektorpumpen und 32 bezeichnet einen Wechselrichter.
  • Rohgas wie beispielsweise Stadtgas oder Erdgas wird durch die Entschwefelungseinrichtung 25 entschwefelt und anschließend der Vorheizkammer 34 des plattenförmigen Wärmetauschers 23 durch die Ejektorpumpe 30 über eine externe Leitung 33 zugeführt. Auf der anderen Seite wird Wasser (H&sub2;O) durch den Wasserenthärter 28 enthärtet und zu Dampf erhitzt und dann durch die Ejektorpumpe 30 über die externe Leitung 36 auch der Vorheizkammer 34 des plattenförmigen Wärmetauschers 23 zugeführt. Das so vorgewärmte Rohgas gelangt über eine externe Leitung 37 zu der ersten Reformerkammer der ersten Reformerplatte 15 im Zellenstapel 10, wo es zu annähernd 80 % zu Anodengas reformiert wird. Anschließend gelangt das Gas zu der zweiten Reformerkammer 17 der zweiten Reformerplatte 20 des zweiten Reformers 16 über eine externe Leitung 38 wobei der restliche Kohlenwasserstoff in dieser Reformerkammer zu Anodengas reformiert wird. Das so gebildete Anodengas strömt über eine externe Leitung 39 zu der Heizkammer 40, wobei das durch die Vorwärmkammer 34 strömende Rohgas vorgewärmt wird. Das Anodengas strömt weiter über eine externe Leitung 41 in die Anodengaskanäle 13 des Zellenstapels 10.
  • Über eine externe Leitung 42 wird Luft, die durch den Kompressor 26 komprimiert wurde, der Vorwärmkammer 43 des Wärmetauschers 24 zugeführt, in welcher sie vorgewärmt wird. Anschließend wird die Luft der Brennkammer 18 der Brennplatten 21 der zweiten Reformeranordnung 16 über eine externe Leitung 56 zugeführt. In der Zwischenzeit strömen die den unreagierten Wasserstoff enthaltenden Gase durch den Anodengaskanal zu der Dispersionskammer 19 der Dispersionsplatte 22 und von dort zu den Brennkammern 18, 18 jedes zweiten Reformers. In den Brennkammern 18 werden die den unreagierten Wasserstoff enthaltenden Gase mit der Luft verbrannt, welche ihnen zugeführt wird, und durch die Verbrennungswärme wird die Temperatur der zweiten Reformerkammer 17 gehalten. Das aus der Verbrennungskammer 18 abgeführte Gas wird durch eine externe Leitung 46 der Ejektorpumpe 31 zugeleitet. In dieser Ejektorpumpe wird es mit der Luft gemischt, die über die externe Leitung 35 von dem Sammler 29 herkommt. Hierauf wird die Mischung aus dem Abgas und der Luft den Kathodengaskanälen 14 über eine externe Leitung 47 und von dort der Heizkammer 50 des Wärmetauschers 24 über eine externe Leitung 49 sowie dem Boiler 27 zugeführt, wodurch das von dem Wasserenthärter 28 zugeführte Wasser erwärmt wird, bevor es über eine Leitung 51 ausgestoßen wird.
  • In dem Zellenstapel 10 werden inzwischen die jeweiligen Gase den Anodengas - bzw. Kathodengaskanälen zugeführt, welche jedes Zellenelement 11 zwischen sich einschließen, und die Energieerzeugung findet statt. Die in dem Zellenstapel erzeugte Elektrizität wird an den äußersten Anoden- bzw. Kathodenplatten abgegriffen und mittels des Wechselrichters 32 in einen Wechselstrom umgewandelt.
  • Anhand der Figuren 2 und 4 werden nun die Einzelheiten des Zellenstapels 10, der Reformeranordnung 16 und des plattenförmigen Wärmetauschers 23 erläutert.
  • Figur 2 zeigt einen Teil des Zellenstapels 10. Das Zellenelement 11 umfaßt eine Elektrolytplatte 60, die eine poröse, mit Elektrolyt gefüllte Keramikplatte umfaßt; eine Anode 61 und eine Kathode 62, welche die Elektrolytplatte zwischen sich einschließen, perforierte Platten 63 und 63, welche die Anode und die Kathode zwischen sich einschließen; und Maskenplatten 64, 64, die als Distanzstücke dienen, welche die Elektrode und die perforierte Platte umgeben. Das Zellenelement 11 und die Separatorplatten 12 werden in abwechselnder Folge aufeinandergestapelt, wobei die erste Reformerplatte 15 zwischen zwei willkürlichen Separatorplatten 12 und 12 anstelle des Zellenelementes 11 angeordnet wird, wodurch der Zellenstapel 10 gebildet wird. Öffnungen 65, 66 und 67 sind entlang dem Außenumfang des Zellenelementes 11, der Separatorplatte 12 und der ersten Reformerplatte ausgebildet, so daß die externen Leitungen oder Kanäle 37, 38, 41, 46, 47 und 56, die schon unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben wurden, beim Aufeinanderstapeln der Zellenelemente, Separatorplatten und der Reformerplatte 15 gebildet werden.
  • Gemäß Figur 5 ist die Separatorplatte 12 als gewellte Platte ausgebildet, so daß sie Anodengaskanäle 13 auf einer ihrer Seiten und Kathodengaskanäie auf ihrer anderen Seite bildet, wenn sie zwischen den Zellenelementen angeordnet wird.
  • Die erste Reformerplatte 15 besitzt, wie in Figur 6 fragmentarisch dargestellt ist, eine Reformerkammer 68 zylindrischer Form, die sich zwischen der Öffnung 65 des Kanals 37 und der Öffnung 65 des Kanals 38 (in Figur 6 nicht gezeigt) erstreckt. Ein Reformerkatalysator 70 ist in der Reformerkammer 68 angeordnet und Stopfen 69 verschließen beide Enden der Reformerkammer 68.
  • Es wird nun Bezug auf Figur 3 genommen, welche einen zweiten Reformer der Anordnung 16 zeigt, der zwischen zwei Endhaltern 85 eingeschlossen ist, wobei jeder zweite Reformer die Dispersionsplatte 80, die Dispersionsplatte zwischen sich einschließende perforierte Platten 81, die perforierten Platten 81 zwischen sich einschließende Verbrennungsplatten 82, die Verbrennungsplatten zwischen sich einschließende Wärmetauscherplatten 83 und zweite Reformerplatten 84 umfaßt, welche die Wärmetauscherplatten zwischen sich einschließen. Die Verbrennungsplatte 82 enthält einen Verbrennungskatalysator. Die zweite Reformerplatte 84 enthält einen Reformerkatalysator Die Dispersionsplatte 80 enthält die Dispersionskammer 19, die Verbrennungsplatte 82 enthält die Verbrennungskammer 18 und die zweite Reformerplatte 84 enthält die Reformerkammer 17. Die Platten 80, 81, 82, 83, 84 und 85 sind entlang ihrem Rand mit Bohrungen 65, 66, 67 versehen, wenn der Zellenstapel gebildet wird. Diese Bohrungen bilden Kanäle 37, 38, 39, 41, 44, 45 und 46 sowie Einlässe und nicht dargestellte Auslässe für die Kammern 17, 18 und 19.
  • Der plattenförmige Wärmetauscher 23 umfaßt gemäß der Darstellung in Figur 4 eine Mehrzahl von in alternierender Reihenfolge übereinander gestapelten gerippten Platten 90 und Maskenplatten 91, wobei Separatorplatten 92 auf der Oberseite und der Unterseite des Stapels von Rippenplatten und Maskenplatten vorgesehen sind. Der plattenförmige Wärmetauscher 23 ist ebenfalls an seinem Rand mit Bohrungen 65, 66 und 67 versehen, um so die Kanäle 37, 39, 41, 52, 53, 54 und 55 zu bilden.
  • Wie die perspektivische Darstellung in Figur 8 zeigt, sind der plattenförmige Wärmetauscher 23 die zweite Reformeranordnung 16 und der Zellenstapel 10 aufeinandergestapelt, wobei Halter 100, 101, 102 bzw. 103 zwischen ihnen angeordnet sind. Die Kanäle 37, 38, 39, 41, 45, 47, 49, 52, 53, 54, 55 und 56, die jeweils in dem Wärmetauscher der zweiten Reformeranordnung 16 und dem Zellenstapel 10 ausgebildet sind, sind miteinander über die Halter 100, 101, 102 und 103 verbunden. Die Details der Kanalverbindung werden anhand der Figur 7 erläutert, welche die Kanäle 13 und 14 sowie die Kammern 15, 17, 18, 19, 34 und 40 zeigt, die sowohl in Längsrichtung als auch Breitenrichtung beispielsweise der Separatorplatte gezeigt sind, um die Kanäle der Figuren 2, 3 und 4 in einer Darstellung zeigen zu können. Die Kanäle 37, 38, 39 und 55 werden durch die Öffnungen 65 gebildet, die entlang der kurzen Seite von beispielsweise der Separatorplatte gebohrt sind, während die Kanäle 45, 46, 52 und 53 runde Öffnungen 66 sind, die entlang der Längsseite gebohrt sind. Die Kanäle 41, 47, 49, 54 und 56 sind von ovalen Öffnungen 67 gebildet, die ebenfalls entlang der Längsseite gebohrt sind. Der untere Halter 100 hat eine Öffnung 71 zur Verbindung der Leitung 33 und des Kanales 52 des plattenförmigen Wärmetauschers 23, eine Öffnung 72 zur Verbindung des Kanales 55 und des Kanales 41 sowie eine Öffnung 73 zur Verbindung der Kanäle 53, 54 und des Kanales 37. Der untere Halter schließt ferner das unterste Ende 39a des Kanales 39.
  • Der Halter 101 zwischen dem plattenförmigen Wärmetauscher 23 und der zweiten Reformeranordnung 16 hat Öffnungen 74, 75 und 76 zur Verbindung des Wärmetauschers 23 mit den Kanälen 37, 39 und 41 der zweiten Reformeranordnung 16 und verschließt die oberen Enden 52b, 53b, 54b und 55b der Kanäle 52, 53, 54 und 55 sowie die unteren Enden 38a, 45a, 46a und 56a der Kanäle 38, 45, 46 bzw. 56.
  • Der Halter 102 zwischen der zweiten Reformeranordnung 16 und dem Zellenstapel 10 hat Öffnungen 93, 94, 95 und 96 zur Verbindung der Kanäle 37, 38, 41 und 45 der zweiten Reformeranordnung 16 und der Kanäle gleicher Nummer des Zellenstapels 10, eine Öffnung 97 zur Verbindung der externen Leitung 44 von der Vorheizkammer 43 des Wärmetauschers 24 mit dem Kanal 56 der Reformeranordnung 16, eine Öffnung 98 zur Verbindung des Kanales 45 des Zellenstapels 10 mit der externen Leitung 86 zu der Heizkammer 50 des Wärmetauschers 24, eine Öffnung 87 zum Verbinden des Ejektors 31 mit dem Kanal 47 des Zellenstapels 10 und eine Öffnung 88 zur Verbindung des Kanales 45 des zweiten Reformers 16 mit der Ejektorpumpe 31. Der Halter 102 schließt ferner das obere Ende 39b des Kanales 39 des Reformers 16.
  • Der obere Halter 103 verschließt die oberen Enden 37b, 38b, 41b, 45b, 47b und 49b der Kanäle 37, 38, 41, 45, 47 bzw. 49 des Zellenstapels 10.
  • Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, kann die Anzahl von Leitungen oder Rohren, die von außen her angeschlossen werden, reduziert werden, da die meisten Kanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels und seiner Peripherieelemente ausgebildet sind. Ferner sind diese Kanäle untereinander verbunden oder durch die Halter 100, 101, 102 und 103 verschlossen. Figur 8 zeigt das erfindungsgemäße Energiegewinnungssystem, bei dem Bezugszeichen 10 den Zellenstapel, 16 die zweite Reformeranordnung und 23 den plattenförmigen Wärmetauscher bezeichnet, wobei alle mit den jeweils zwischen ihnen angeordneten Haltern 100, 101, 102 und 103 aufeinandergestapelt sind und durch eine obere Druckplatte 110 und zugehörige Bolzen und Muttern 112 fest miteinander verspannt sind. 27 bezeichnet den Boiler, 24 den Wärmetauscher, 25 die Entschwefelungseinrichtung, 26 den Kompressor, 28 den Wasserenthärter, 29 den Sammler, 30 und 31 bezeichnen die Ejektorpumpen, 32 bezeichnet den Wechselrichter, 113 einen Wassertank, 114 eine Wasserpumpe, 115 einen Hilfs-Combustor, 116 eine Steuereinrichtung und 17 ein Gehäuse für das Energiegewinnungssystem.
  • Da, wie die obige Beschreibung zeigt, die erste Reformerplatte zwischen den Separatorplatten angeordnet ist, wird die Reformiertemperatur durch die Wärme des Zellenstapels gehalten. Ferner kann die äußere Leitungsanordnung vereinfacht werden, da die zweite Reformeranordnung und der Zellenstapel unter Zwischenschaltung der Halter gestapelt sind und da die Gaskanäle in dem Zellenstapel, der Reformeranordnung und den Haltern ausgebildet sind.
  • Man erkennt natürlich, daß Fachleute verschiedene Änderungen und Ergänzungen an dem vor stehend beschriebenen Ausführungsbeispiel vornehmen können, das zur Erläuterung der Erfindung ausgewählt wurde, ohne daß das Wesen und der Schutzbereich des vorliegenden Beitrages zu der technischen Entwicklung verlassen werden. Beispielsweise kann das Kathodengas im Gegenstrom in benachbarten Kanälen 14 und 14 fließen. Auch braucht der plattenförmige Wärmetauscher 23 nicht notwendigerweise unter der zweiten Reformeranordnung 16 angeordnet zu werden.

Claims (28)

1. Energieerzeugungssystem unter Verwendung einer Brennstoffzelle, umfassend einen Zellenstapel (10) mit abwechselnd aufeinandergestapelten Brennstoffzellenelementen (11) und Separatorplatten (12), wobei jedes Brennstoffzellenelement (11) eine als Anode dienende Elektrode (61), einen Elektrolyten (60) und eine als Kathode dienende Elektrode (62) hat, und Reformiereinrichtungen (15, 16) zum Reformieren von Brenngas zu Anodengas,
wobei die Reformiereinrichtungen umfassen:
einen ersten Reformer (15) zum teilweisen Reformieren von Brenngas zu Anodengas, der zwischen den Separatorplatten (12) und benachbart zu diesen anstelle des Zellenelementes (11) angeordnet ist und der eine erste Reformerplatte (15) und einen Reformerkatalysator umfaßt, der durch die Verwendung der von Nachbarzellen freigegebenen Wärme in Betrieb gesetzt wird; und
eine zweite Reformeranordnung (16) zum Reformieren des restlichen Brenngases zu Anodengas, wobei die zweite Reformeranordnung (16) eine Vielzahl von plattenförmigen zweiten Reformern (16) umfaßt und jeder zweite Reformer plattenförmige Elemente (80, 82, 84) umfaßt, die benachbart zu Brennkammern (18) angeordnet sind;
und wobei das Energieerzeugungssystem ferner umfaßt:
einen Zwischenhalter (102), der zwischen dem Zellenstapel (10) und der zweiten Reformeranordnung (16) beim Aufeinanderstapeln derselben angeordnet wird;
einen oberen und einen unteren Halter (103, 100), welche den Zellenstapel (10), den Zwischenhalter (102) und die zweite Reformeranordnung (16) zwischen sich einschließen, so daß sie eine Einheit bilden; und
Gaskanäle (37, 38, 47 bis 49), die innerhalb des Zellenstapels (10) der zweiten Reformeranordnung (16), des Zwischenhalters (102), des oberen Halters (103) und des unteren Halters (100) ausgebildet sind.
2. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zellenstapel (10) umfassend in alternierender Reihenfolge aufgeschichtete Brennstoffzellenelemente (11) und Separatorplatten (12), wobei jedes Brennstoffzellenelement (11) eine Anode (61), einen Elektrolyten (60) und eine Kathode (62) hat; und
Reformiereinrichtungen (15, 16) zum Reformieren von Brenngas zu Anodengas, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Reformiereinrichtungen umfassen:
einen ersten Reformer (15) zum teilweisen Reformieren von Brenngas zu Anodengas, der zwischen den Separatorplatten (12) anstelle des Zellenelementes (11) angeordnet ist, wobei der erste Reformer (15) eine erste Reformerplatte (15) umfaßt; und
eine zweite Reformeranordnung (16) zum Reformieren des restlichen Brenngases zu Anodengas, wobei die zweite Reformeranordnung (16) eine Vielzahl von plattenförmigen zweiten Reformern (16) umfaßt und jeder zweite Reformer eine Vielzahl von plattenförmigen Elementen (20, 21, 22) umfaßt; und wobei das Energieerzeugungssystem ferner umfaßt:
einen plattenförmigen Wärmetauscher (23) mit
einer Vorheizkammer (34), in welcher das Brenngas und der Dampf eingeführt werden, und
einer Heizkammer (40), in welche das Anodengas eingeführt wird;
einen ersten Zwischenhalter (102), der zwischen dem Zellenstapel (10) und der zweiten Reformeranordnung (16) beim Aufeinanderstapeln derselben angeordnet wird;
einen zweiten Zwischenhalter (101), der zwischen der zweiten Reformeranordnung (16) und dem plattenförmigen Wärmetauscher (23) beim Aufeinanderstapeln derselben angeordnet wird;
einen oberen und einen unteren Halter (103, 100), welche den Zellenstapel (10), den ersten und den zweiten Zwischenhalter (102, 101), die zweite Reformeranordnung (16) und den plattenförmigen Wärmetauscher (23) zwischen sich einschließen, so daß diese eine Einheit bilden; und
Gaskanäle (93, 94, 95, 96, 97, 73, 72, 74, 75), die innerhalb des Zellenstapels (10) der zweiten Reformeranordnung (16), dem plattenförmigen Wärmetauscher (23), dem ersten Zwischenhalter (102), dem zweiten Zwischenhalter (101), dem oberen Halter (103) und dem unteren Halter (100) ausgebildet sind.
3. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Spannvorrichtung (112) zum Zusammenhalten des oberen Halters (103), des Zellenstapels (10), des ersten Zwischenhalters (102), der zweiten Reformeranordnung (16), des zweiten Zwischenhalters (101), des plattenförmigen Wärmetauschers (23) und des unteren Halters (100).
4. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Zellenelement eine Elektrolytplatte (60) aus Carbonatschmelze, die Anode (61) und die Kathode (62) umfaßt, welche die Elektrolytplatte (20) zwischen sich einschließen.
5. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Seite der Separatorplatte (12), welche das Zellenelement (11) berührt, einen welligen Abschnitt besitzt, so daß ein Anodengaskanal (13) zwischen der Anodenplatte (61) und der Separatorplatte (12) sowie ein Kathodengaskanal (14) zwischen der Kathodenplatte (62) und der Separatorplatte (12) gebildet werden.
6. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Reformerplatte (15) eine erste Reformerkammer (68) hat, in welcher ein Reformierkatalysator (60) vorgesehen ist, so daß das der ersten Reformerkammer (68) zugeführte Brenngas zu Wasserstoff mit Hilfe von Dampf reformiert wird, der ebenfalls der ersten Reformerkammer (68) zugeführt wird.
7. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Reformeranordnung eine Vielzahl von plattenförmigen zweiten Reformern (16) umfaßt, die aufeinandergestapelt werden, wobei Endhalter (85) zwischen je zwei einander benachbarten zweiten Reformer (16) angeordnet werden, und wobei jeder zweite Reformer (16) umfaßt:
eine Dispersionsplatte (22) mit einer Dispersionskammer (19);
Verbrennungsplatten (21), welche die Dispersionsplatte (22) zwischen sich einschließen, wobei jede Verbrennungsplatte (21) eine Brennkammer (18) hat; und
zweite Reformerplatten (20), welche die Verbrennungsplatten (21) zwischen sich einschließen, wobei jede zweite Reformerplatte (20) eine zweite Reformerkammer (17) hat.
8. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 7, wobei dann, wenn das Brenngas der Dispersionskammer (19) der Dispersionsplatte (22) und Verbrennungsluft den Brennkammern (18) der Verbrennungsplatten (21) zugeführt wird, das die Dispersionsplatte (22) durchströmende Brenngas in die Brennkammern (18) strömt und dort verbrannt wird, so daß die Temperatur einer Reformierreaktion in jeder zweiten Reformerkammer (20) aufrechterhalten wird aufgrund der Verbrennungswärme in der Brennkammer (18).
9. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Reformierkatalysator in der zweiten Reformerkammer (17) der zweiten Reformerplatte (20) in der zweiten Reformeranordnung (16) vorgesehen ist und wobei das Gas aus der ersten Reformerkammer (15) des Zellenstapels (10) der zweiten Reformerkammer (17) zugeführt wird.
10. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die in dem Zellenstapel (10) ausgebildeten Gaskanäle (37, 38, 41, 45, 47, 49) umfassen:
Kanäle (37, 38) zum Zuführen/Abführen des Brenngases zu/von der ersten Reformerplatte (15);
Kanäle (41, 45) zum Zuführen/Abführen des Anodengases zu/von den Anodengaskanälen (13); und Kanäle (47, 49) zum Zuführen/Abführen des Kathodengases zu/von den Kathodengaskanälen (14),
wobei die Kanäle (37, 38, 41, 45, 47, 49) von Öffnungen (65, 66, 67) gebildet sind, die in den Zellenelementen (11), Separatorplatten (12) und der ersten Reformerplatte (15) entlang dem Umfang derselben gebildet werden, wenn diese in Flucht miteinander aufeinandergestapelt werden.
11. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Halter (102) zwischen dem Zellenstapel (10) und der zweiten Reformeranordnung (16) Anschlußöffnungen (94) zur Verbindung der Kanäle (37, 38) in dem Zellenstapel (10) und der Kanäle (38) in der zweiten Reformeranordnung (16) hat, so daß das der ersten Reformerplatte (15) über die Kanäle (37, 38) in dem Zellenstapel (10) zügeführte Brenngas der zweiten Reformerkammer (17) in der zweiten Reformeranordnung (16) über die Anschlußöffnungen (94) in dem genannten Halter (102) zugeführt wird.
12. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin die Gaskanäle in der zweiten Reformeranordnung (16) umfassen:
Kanäle (38, 39) zum Zuführen/Abführen des von der ersten Reformerplatte (15) reformierten Gases zu/von den zweiten Reformerplatten (18);
Kanäle (56, 46) zum Zuführen/Abführen der Verbrennungsluft zu/von den Brennkammern (18); und einen Kanal (45) zum Zuführen/Abführen des Brenngases zu/von den Dispersionskammern (19),
wobei alle die Kanäle (38, 39, 46, 45) von Öffnungen (65, 66, 67) gebildet werden, die in den zweiten Reformerplatten (20), den Verbrennungsplatten (21) und der Dispersionsplatte (22) entlang deren Umfang ausgebildet sind, wenn diese in Flucht miteinander aufeinandergestapelt werden.
13. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das mittels der zweiten Reformerkammer (17) der zweiten Reformeranordnung (16) reformierte Gas den Anodengaskanälen (13) in dem Zellenstapel (10) als Anodengas zugeführt wird.
14. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das aus den Brennkammern (18) abgeführte Gas mit Luft vermischt und anschließend den Kathodengaskanälen (14) in dem Zellenstapel (10) zugeführt wird.
15. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 14, wobei die erste Reformerplatte (15) eine erste Reformerkammer (68) hat, in welcher ein Reformierkatalysator (70) vorgesehen ist, so daß das durch die Vorheizkammer (34) des plattenförmigen Wärmetauschers (23) strömende Brenngas und Dampf der ersten Reformerkammer (68) zugeführt werden und das Brenngas im Beisein von Dampf zu Wasserstoff reformiert wird.
16. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 15, worin der plattenförmige Wärmetauscher (23) eine Vielzahl von aufeinandergestapelten Stegplatten (90) umfaßt, wobei die Vorheizkammer (34) und die Heizkammer (40) an der Oberseite bzw. Unterseite jeder Stegplatte (90) ausgebildet sind.
17. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 16, wobei die in dem plattenförmigen Wärmetauscher (23) ausgebildeten Gaskanälen (39, 41, 52, 53, 54, 55) umfassen:
Kanäle (52, 53, 54) zum Zuführen/Abführen des Brenngases und des Dampfes zu/von den Vorheizkammern (34);
Kanäle (39, 55, 41) zum Zuführen/Abführen des Anodengases zu/von den Heizkammern (40);
wobei alle die Kanale (39, 41, 42, 53, 54, 55) von Öffnungen (65, 66, 67) gebildet werden, die in den Stegplatten (90) entlang deren Umfang ausgebildet werden, wenn diese in Flucht miteinander aufeinandergestapelt werden.
18. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, worin der untere Halter (100) eine Anschlußöffnung (71) für das Brenngas und den Dampf hat, der Kanal (52) sich von der Anschlußöffnung (71) zu den Vorheizkammern (34) des plattenförmigen Wärmetauschers (23) erstreckt und das Brenngas und der Dampf, welche die Vorheizkammer (34) durchströmt haben, der ersten Reformerkammer (68) der ersten Reformerplatte (15) über Kanäle (73, 74, 37) zugeführt werden, die den unteren Halter (100), den plattenförmigen Wärmetauscher (23), den zweiten Zwischenhalter (101), die zweite Reformeranordnung (16), den ersten Zwischenhalter (102) und den Zellenstapel (10) durchsetzen.
19. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das beim Durchströmen der ersten Reformerkammer (68) der ersten Reformerplatte (15) reformierte Gas der zweiten Reformerkammer (17) der zweiten Reformerplatte (20) über Kanäle (38) in den Zellenstapel (10), Anschlußöffnungen (54) in dem ersten Zwischenhalter (102) und Kanälen (38) in der zweiten Reformeranordnung (16) zugeführt wird.
20. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, worin die zweite Reformeranordnung (16) der plattenförmige Wärmetauscher (23) und der zweite Zwischenhalter (101) jeweils Kanäle (39, 75) zur Zufuhr des von der zweiten Reformerkammer (17) reformierten Gases zu der Heizkammer (40) des plattenförmigen Wärmetauschers (23) als Anodengas haben.
21. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 20, worin das Gas, welche die Heizkammer (40) des plattenförmigen Wärmetauschers (23) durchströmt hat, den Anodengaskanälen (13) über Anschlußöffnungen (72) in den unteren Halter (100) den Kanälen (41) in den plattenförmigen Wärmetauscher (23), den Anschlußöffnungen (76) in dem zweiten Zwischenhalter (101), den Kanälen (41) in der zweiten Reformeranordnung (16), den Anschlußöffnungen (95), in dem ersten Zwischenhalter (102) und den Kanälen (41) in dem Zellenstapel (10) zugeführt wird.
22. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 21, worin das Gas, welches die Anodengaskanäle (13) durchströmt hat, der Dispersionskammer (19) über den in dem Zellenstapel (10) ausgebildeten Kanal (45), die Anschlußöffnungen (96) in dem ersten Zwischenhalter (102) und die Kanäle (45) in der zweiten Reformeranordnung (16) zugeführt wird.
23. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 22, worin der erste Zwischenhalter (102) eine Anschlußöffnung (97) hat, um die den Verbrennungskanal (44) durchströmende Verbrennungsluft der Brennkammer (18) zuzuleiten.
24. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 23, worin dem aus der Brennkammer (18) abgeführten Gas Luft zugeführt wird, wobei die erhaltene Mischung über die in dem Zellenstapel (10) ausgebildeten Kanäle (47) dem Kathodengaskanal (14) zugeführt wird.
25. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 24, worin der erste Zwischenhalter (102) mit einem Ausstoßer (31) versehen ist, der dazu dient, das aus der Brennkammer (18) austretende Gas mit der Luft zu mischen.
26. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 25, worin der erste Zwischenhalter (102) eine Anschlußöffnung (97), die mit dem Kanal (49) verbunden ist, durch welchen das aus dem Kathodengaskanal (14) abgegebene Gas strömt, um so das Kathodengas aus dem Zellenstapel 810) auszutreiben.
27. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 26, worin eine Wärmeübertragungsplatte (83) zwischen der Verbrennungsplatte (82) und der zweiten Reformerplatte (84) angeordnet ist, um die Wärmeübertragung zwischen diesen Teilen zu fördern.
28. Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 27, worin das Zellenelement eine Elektrolytplatte (60) aus geschmolzenem Carbonat, eine Anode (61) und eine Kathode (62), welche die Platte (60) einschließen, und eine perforierte Anodenplatte (63) und eine perforierte Kathodenplatte (63) umfaßt, welche die Anode und die Kathode (61, 62) zwischen sich einschließen, und wobei die Separatorplatte (12) einen welligen Abschnitt hat, so daß ein Anodengaskanal (13) zwischen der perforierten Anodenplatte (63) und der Separatorplatte (12) sowie ein Kathodengaskanal (14) zwischen der perforierten Kathodenplatte (63) und der Separatorplatte (12) gebildet wird.
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