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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Energiegewinnungssystem mit
flachen Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt, wobei ein Brenngas, wie
Kohlengas, Wasserstoffgas oder Erdgas, eingesetzt wird.
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Der Stand der Technik wird anhand der beigefügten Figuren 9 bis 11 erklärt, die
ein vor kurzem vorgestelltes Energiegewinnungssystem einer selbsterhaltenden
Brennstoffzelle mit äußerer Sammelleitung und aus festem Elektrolyt darstellt
(SOFC; Japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 54628/1989), wobei Fig. 9 ein
vertikaler Schnitt des Systems und die Figuren 10 und 11 horizontale Schnitte
entlang der Linien A-A bzw. B-B in Fig. 9 sind.
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Das System aus Fig. 9 weist eine Brennstoffzelle 101 aus festem Elektrolyt
auf, deren Aufbau in den beigefügten Figuren 12 oder 13 in perspektivischer
Darstellung gezeigt ist, wobei die Brennstoffwege 138 und die Wege 137 für das
Oxidationsmittel so angeordnet sind, daß sie rechtwinklig zueinander verlaufen.
Die äußeren Sammelleitungen 102a, 102b, 102c und 102d sind gasdicht an den
äußeren Seiten der Brennstoffzelle 101 in zwei Paaren auf eine Weise angeordnet,
daß das Brenngas, das aus einer Zuleitung 103 zugeführt wird, über ein
Einlaßrohr 104 in die Sammelleitung 102a eintritt und durch die Brennstoffzelle
101 in die Sammelleitung 102b strömt, um einerseits in die Ablaßleitung 107
auszuströmen, und daß andererseits ein entsprechender Strömungsweg
(109-102c-101-102d-110) für das andere Sammelleitungspaar für das Oxidationsgas
existiert. Das Brenngas reagiert mit dem Oxidationsgas, das durch das feste
Elektrolyt auf den porösen Elektroden getreten ist, wodurch Elektronen
freigesetzt werden, die über ein externes Leitungsnetz zur Anode wandern. Der
auf diese Weise erzeugte elektrische Strom wird durch Sammelplatten 113a, 113b
aufgefangen, die an den Elekroden befestigt sind, und wird über Leitungsdrähte
114a, 114b abgeführt, um als elektrische Energie genutzt zu werden.
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Die Brennstoffzelle 101 ist in einer Kammer 115 untergebracht, die durch
Rückführung (116) mit nicht oxidierendem Gas (d.h. einem inerten Gas, wie
Stickstoff, oder einem Reduktionsgas, wie dem zugeführten Brenngas) gefüllt
ist, um jeglichen oxidativen Angriff auf die Elektroden, die Sammelplatten, die
aus Metall-Kramik-Verbundmaterial bestehen, Anschlüsse und Metalldrähte zu
vermeiden, die bei der höheren Temperatur eingesetzt werden.
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In dem obigen, dem Stand der Technik entsprechenden System ist unter der
Brennstoffzellenkammer 115, von dieser durch eine Trennwand 117 getrennt,
eine Nachbrennkammer 118 vorgesehen die mit dem "eingesetzten" Oxidationsgas
versorgt wird, das durch die Brennstoffzelle 101 geströmt ist, um
Verbrennungswärme zu erzeugen, die für das Vorheizen des durch die
Brennstoffzelle geleiteten Speisegases genutzt werden kann, damit ein Teil des
"eingesetzten" Gases verbrannt wird, das durch die Brennstoffzelle 101 geströmt
ist. Die Einlaßrohre 104 und 109, die durch die Nachbrennkammer 118 führen.
sind so angebracht, daß sie die Speisegase, nämlich das Brenngas und das
Oxidationsgas, in die Brennstoffzelle leiten, zusammen mit den Ablaßrohren 105
und 110 für das eingesetzte Brenngas bzw. für das eingesetzte Oxidationsgas.
Jedes von ihnen ist mit vielen Auslaßdüsen 122, 123 versehen, um in die
Nachbrennkammer die Menge des jeweiligen eingesetzten Gases einzuspritzen,
die für das Vorheizen des zugeführten Gases erforderlich ist, wobei die
Steuerung durch sachdienliche Bedienung der entsprechenden Regelventile 106
und 111 in den Ablaßleitungen erfolgt. In der Nachbrennkammer 118 ist poröses
Füllmaterial 119 zur Beschleunigung des Strahiungsübergangs um die Einlaßrohre
104 und 109 aufgeschichtet, damit der radiale Wärmeübergang auf die Einlaßrohre
erleichtert wird, um so ein wirkungsvolles Vorheizen (bis zu 1000ºC) des
Speisegases zu realisieren. Nachdem das Verbrennungsgas durch Wärmeübergang auf
das Speisegas abgekühlt worden ist, wird es aus der Nachbrennkammer 118
durch die Ablaßöffnung 125 abgelassen.
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Die Brennstoffzelle 101 hat einen Schichtaufbau, wie er in den Figuren 12 und 13
dargestellt ist. Die Brennstoffzelle aus Fig. 12 weist eine aus zwei Lagen
bestehende Schicht aus Elementarzellen auf, von denen jede aus einer dünnen
Platte 131 aus keramischem, festen Elektrolyt besteht, wie mit Yttriumoxid
stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ), das eine Dicke von 50 bis 200 µm hat. Die
Schichten befinden sich zwischen zwei porösen Elektrodenplatten 133 und 134,
die zwischen zwei Lagen aus einem keramischen Verbindungsstück 135
angeordnet sind. Die dünne Platte aus keramischem, festem Elektrolyt kann
zum Beispiel hergestellt werden, indem eine dichte Platte aus einer
Aufschlämmung aus YSZ-Fasern (die einen durchschnittlichen Durchmesser von
3-6 µm und eine durchschnittliche Länge von 1-2 mm haben können) mit einer
Konzentration von 10 - 90 Gew.% durch ein sogenanntes Schaberverfahren oder
ein Kaltpreßverfahren geformt werden. Die Elektrodenplatte 133 auf der
Brennstoffseite und die Elektrodenplatte 134 auf der Sauerstoffseite sind beide
aus einem porösen Nickeloxid (NiO) gefertigt die auf ähnliche Weise wie die
dünne Platte aus festem Elektrolyt hergestellt werden, indem sie aus einer
Aufschlämmung aus Nickeloxid mit einer Zugabe von 10 - 50% einer
Löschsubstanz gegossen werden, um in einem Ofen vollständig gebrannt zu
werden, wie Naphthalin oder ähnliches. Die Verbindungsschicht 135 ist aus
hitzebeständiger Keramik, wie LaMgCrO&sub3; oder LaCaCrO&sub3; gefertigt und kann
auf eine ähnliche Weise wie die keramische Platte aus festem Elektrolyt
gefertigt sein, indem sie aus einer Aufschlämmung des hitzebeständigen,
keramischen Materials mit einer eventuellen Zugabe einer Faserverstärkung aus
einem Material wie YSZ-Whiskerkristall oder Al&sub2;O&sub3;-Whiskerkristall mit
Durchmessern von zum Beispiel 3-6 µm und einer Länge von zum Beispiel 1-2 mm mit
einem Gehalt von 10 - 70 Gew.% geformt sein. Die auf diese Weise geformte
Verbindungsschicht 135 mit einer Dicke von 2-10 mm besitzt eine ausreichende
Zahl paralleler Rinnen 137, um das Oxidationsgas, wie Sauerstoff oder Luft, zu
leiten, die an der Seite angebracht sind, die der Elektrode 133 auf der
Sauerstoffseite gegenüberliegt, und/oder eine ausreichende Anzahl paralleler Rinnen
138, um das Brenngas, wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid zu leiten, die an
der Seite angebracht sind, die der Elektrode 134 auf der Brennstoffseite
gegenüberliegt, so daß sie sich im rechten Winkel zu den Rinnen 137 zur
Führung des Oxidationsgases befinden.
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Eine alternative Ausführungsform der Brennstoffzelle hat ebenfalls einen wie in
Fig. 13 dargestellten Schichtaufbau, der vorgeschlagen worden ist, um durch
eine spezielle Ausgestaltung der Verbindungsschjcht 135 ein geringes Gewicht
der Brennstoffzelle zu erreichen. Daher wird die Verbindungsschicht in eine
Schicht 135a, die den Sauerstoffweg festlegt, eine Schicht 135c, die den
Brennstoffweg
festlegt und eine dichte Trennschicht 135b, die die Speisegase
vollständig voneinander trennt, unterteilt. Diese geschichtete Brennstoffzelle kann
auf eine Weise hergestellt werden, bei der die Materialschichten, die
übereinandergeschichtet werden sollen (135a, 135b und 135c, 131, 132, 133 und 134)
eine über die andere im unfertigen Produktionszustand, d.h. in nicht vollständig
trockenem Zustand, aufeinandergelegt werden, um eine vollständige Struktur des
endgültigen Aufbaus aufzubauen, der dann getrocknet und gebrannt wird.
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Eine dem Stand der Technik entsprechende Brennstoffzelle großer Bauart ist
schwierig herzustellen, da alle Baumaterialien zur Herstellung der SOFC aus
Keramik bestehen. Daher ist versucht worden, eine Energiegewinnungsanlage
großer Bauart aus Brennstoffzellen zu konstruieren, indem eine große Anzahl
von Systemeinheiten, wie sie in Fig. 9 gezeigt sind, in Reihen angebracht
werden, wobei eine Kostenerhöhung und eine beträchtlichen Komplexität der
Ausgestaltung unvermeidbar ist, was dazu führt, daß die Realisierung einer
Anlage mit großer Kapazität schwierig war.
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In den oben beschriebenen, dem Stand der Technik entsprechenden Systemen
wird ein hoher Wirkungsgrad für die Energiegewinnung nur schwer erreicht,
was auf dem nicht ausreichenden Maß der Ausnutzung des Brenngases beruht,
da die Abmessungen der SOFC nicht groß sind (ungefähr 1 kWA pro
Systemeinheit, die eine Größe von 15 × 15 × 15 cm hat).
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Außerdem gibt es in den Energiegewinnungssystemen nach dem Stand der
Technik noch ungelöste Probleme, wie folgende:
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(1) Es ist notwendig, die Schwierigkeit zu bewältigen, eine zuverlässige Dichtung
sowohl zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas als auch zwischen der
Sammelleitung und den Leitungen hei einer hohen Temperatur von ungefähr
1000ºC zu erlangen.
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(2) Ein derartiges Energiegewinnungssystem mit Brennstoffzellen sollte als ein
selbsterhaltendes thermisches System konstruiert sein.
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(3) Jeder Gasaustritt muß in dem gesamten System auf einen möglichst
niedrigen Wert gebracht werden.
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(4) Es ist erforderlich, eine kompakte Bauart des gesamten Systems zu
realisieren, sogar, wenn die Energiegewinnungskapazität erhöht wird.
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Bisher sind gasundurchlässige Dichtungen zwischen den Gasbereichen bei einer
hohen Temperatur wie 1000ºC realisiert worden, indem eine haftfähige Verbindung
eingesetzt wird, wobei unterschiedliche Arten von keramischem Material für
die haftfähigen Schichten eingesetzt wird. Dies führt jedoch zu
unbefriedigenden Ergebnissen, die auf einer übermäßig großen thermischen Expansion
und Kontraktion beruhen, die durch die unterschiedlichen Expansionskoeffizienten
der verwendeten Materialien verursacht werden. Daher ist es schwierig, das
Auftreten von Rißbildungen, Schäden, Brüchen und den Zusammenbruch der
Dichtungsschicht zu vermeiden, was von einer lokalen Überhitzung, die auf dem
Mischvorgang des Brenngases mit dem Oxidationsgas beruht, begleitet wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, indem die oben beschriebenen
Umstände in Betracht gezogen worden sind, wobei es die Aufgabe ist, ein
Energiegewinnungssystem zu schaffen, das Brennstoffzellen aus festem
Elektrolyt verwendet, um einen hohen Wirkungsgrad der Energiegewinnung zu
realisieren, und es erlaubt, mit einem einfachen Aufbau eine große
Energiegewinnungskapazität und eine bessere Dichtungscharakteristik zwischen den
Gasbereichen zu erreichen.
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Daher betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein
Energiegewinnungssystem mit flachen Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt,
aufweisend,
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eine Vielzahl Säuleneinheiten aus flachen Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt,
die in einer sich waagerecht erstreckenden Brenngasleitung angeordnet sind, die
geeignet ist, diese Vielzahl Säuleneinheiten aus flachen Brennstoffzellen mit
Brenngas zu versorgen;
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wobei jede dieser Säuleneinheiten aus flachen Brennstoffzellen einerseits
waagerechte, flache Strömungswege für das Brenngas aufweist, die jeweils über
jeder porösen Elektrodenplatte auf der Brenngasseite angeordnet sind und sich
frei an beiden Wegenden an entgegengesetzten Seitenflächen der Säuleneinheiten
öffnen, und andererseits waagerechte, flache Strömungswege für das
Oxidationsgas aufweist, die jeweils unter jeder porösen Elektrodenplatte auf der
Sauerstoffseite getrennt von den Strömungswegen von dem Brenngas angeordnet
sind und an beiden Enden entweder an eine Zuleitung oder eine Ablaßleitung
für das Oxidationsgas angeschlossen sind,
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einen Nachbrennbereich, der stromab dieser Vielzahl von Säuleneinheiten aus
flachen Brennstoffzellen angebracht ist, um zumindest einen Teil des
eingesetzten Brenngases zu verbrennen, das durch die Brennstoffzelle
durchgeströmt ist, wobei zumindest ein Teil des Oxidationsgases, das durch die
Brennstoffzelle geströmt ist, eingesetzt wird, um Verbrennungswärme zu
erzeugen, um damit zumindest eines der Speisegase, das der Brennstoffzelle
zugeführt wird, vorzuheizen, und
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eine Vorrichtung für den Ausgang von elektrischem Strom für jede Säuleneinheit
aus den Brennstoffzellen, die in dem Brenngasstrom angebracht ist.
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Durch das Energiegewinnungssystem gemäß der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird eine kompakte und einfache Konstruktion realisiert,
die darauf beruht, daß die Leitungsanordnung für die Brenngaszufuhr außerhalb
jeder Brennstoffzelle angebracht ist, und es demzufolge erlaubt, ein System
großer Bauart ohne Schwierigkeiten aufzubauen.
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Bei der Anordnung der Säuleneinheitenreihe aus Brennstoffzellen in einem
begrenzten Raum in Form einer Leitung zur Förderung des Brenngases kann ein
gewisses Austreten des Brenngases aus der Zelle toleriert werden, so daß auf
eine gasundurchlässige Dichtung daher verzichtet werden kann.
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Damit zumindest ein Teil des eingesetzten Brenngases unter Verwendung des
eingesetzten Oxidationsgases verbrannt wird, wird durch die Installation des
Nachbrennbereichs hinter der Säuleneinheitenreihe der Brennstoffzellen ein
größeres Maß der Ausnutzungs der freien Energie des Brenngases ermöglicht,
indem es als Verbrennungswärme zum Vorheizen des zugeführten Gases auf die
erforderliche Temperatur wiedergewonnen wird.
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Wenn eine Vorrichtung für die Rückführung des übriggebliebenen, eingesetzten
Gases in die die Brennstoffzelle, zum Beispiel ein Gebläse mit entsprechender
Anordnung eines Leitungskreisiaufs, hinter dem Ausgang der Brenngasleitung
angebracht wird, kann eine weitere Verbesserung der Energieausnutzung des
Brenngases realisiert werden.
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Wenn eine geeignete Vorrichtung zur Wärmewiedergewinnung durch die Verbrennung
des Verbrennungsgases aus dem Nachbrennbereich, zum Beispiel ein Wärmetauscher,
zum Vorheizen der Brenngaszufuhr und/oder der Oxidationsgaszufuhr, in einen
Ausströmkanal für Gas eingebaut wird, der hinter der Brenngasleitung und der
Ablaßleitung für das Oxidationsgas angebracht ist, kann die Temperatur des
zugeführten Gases auf einen beabsichtigten Wert erhöht werden, um dadurch
die optimale Reaktionsgeschwindigkeit für die Elektroden beizubehalten und die
nutzlose Inbetriebnahme zu reduzieren.
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Indem einerseits der Bereich der Brenngasleitung für die Säuleneinheitenreihen der
Brennstoffzellen von dem Bereich des Gasausströmkanals getrennt wird und
andererseits der Bereich der Brenngasleitung von dem Bereich der Ablaßleitung
für das eingesetzte Oxidationsgas abgetrennt ist, jeweils durch eine dichte,
undurchlässige Trennwand, wird jeglicher Austritt des Brenngases, das sich in
dem porösen Wärmeisolierungsmaterial anreichert, das in dem Brennstoffzellen
gehäuse eingesetzt wird, in den Ausströmkanal und in die Ablaßleitung für das
eingesetzte Oxidationsgas vermieden.
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Um die Dichtigkeit an der Dichtung der Säuleneinheit aus Brennstoffzellen zu
verbessern, ist es zweckdienlich, daß eine Gewichtsvorrichtung auf der oberen
Fläche der Säuleneinheit eingebaut wird, um der erwarteten thermischen
Expansion und Kontraktion entgegenzutreten und den erforderlichen
Dichtungsdruck beizubehalten. Dies kann weiter dazu beitragen, daß eine bessere
Dichtigkeit zwischen der Umgebung der Brenngasleitung und der Säuleneinheit
der Brennstoffzellen beibehalten wird.
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Um die Inbetriebnahme eines Routinelaufs des Energiegewinnungssystems zu
erleichtern, ist es möglich, einen Nachbrenner in einer Zuleitung des
zugespeisten Brenngases einzubauen, um dem Brenngas Staub zuzuführen, oder
in der Zuleitung für das Oxidationsgas einzubauen, um das Speisegas
aufzuheizen.
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Fig. 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des
Energiegewinnungssystems gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des Energiegewinnungssystems aus Fig. 1
von oben.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Energiegewinnungssystems gemäß
der vorliegenden Erfindung in einem vertikalen, schematischen Schnitt.
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Fig. 4 ist ein senkrechter Schnitt des Energiegewinnungssystems aus Fig. 3
entlang der Linie II-II in Fig. 3.
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Fig. 5 ist ein senkrechter Schnitt des Energiegewinnungssystems aus Fig. 3
entlang der Linie III-III in Fig.3.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Säuleneinheit von Brennstoffzelle der
vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Darstellung.
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Fig. 7 ist ein senkrechter Schnitt der Säuleneinheit aus Fig. 6 entlang der Linie
V-V in Fig. 6.
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Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Energiegewinnungssystems der
vorliegenden Erfindung im senkrechten Schnitt.
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Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines Energiegewinnungssystems mit Brennstoffzellen
aus festem Elektrolyt nach dem Stand der Technik im senkrechten Schnitt.
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Fig. 10 ist ein waagerechter Schnitt des Energiegewinnungssystems aus Fig. 9
entlang der Linie A-A in Fig. 9.
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Fig. 11 ist ein waagerechter Schnitt des Energiegewinnungssystems aus Fig. 9
entlang der Linie B-B in Fig. 9.
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Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform der Säuleneinheit aus Brennstoffzellen nach
dem Stand der Technik in einer perspektivischen Darstellung.
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Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform der Säuleneinheit aus Brennstoffzellen
nach dem Stand der Technik ebenfalls in einer perspektivischen Darstellung.
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Unten wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Beispiels anhand
der Figuren 1 und 2 beschrieben, wobei die Bauteile, die denen in der
vorangegangenen Beschreibung des Stands der Technik gemäß der Figuren 9 bis 13
entsprechen, mit der gleichen Bezugszahl gekennzeichnet sind wie diejenigen, die
dem Stand der Technik entsprechen.
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In einer Brenngasleitung 1 ist eine Vielzahl von flachen Brennstoffzellen 101 aus
dem vorher beschriebenen, festen Elektrolyt in einer Reihe angeordnet. Ein
Gebläse 2 zur Rückführung von Brenngas, der mit einer Leitung 3 für das
rückgeführte Gas verbunden ist, ist mit der Brenngasleitung 1 verbunden. Das
Brenngas 4, das durch das Gebläse 2 rückgeführt wird, wird in jede Säuleneinheit
der Brennstoffzellen 101 aus deren Einlaßleitung über eine Leitung für das
rückgeführte Gas als rückgeführter Gasfluß 5 eingeführt. Unter der
Brenngasleitung 1 ist eine Gasleitung 6 für eingesetztes Oxidationsmittel angebracht,
durch die das zurückgeführte Oxidationsgas 108 fließt. Die Bezugszahl 7
bezeichnet eine Hochtemperatur-Dichtung und 8 einen Nachbrenner, der in der
Leitung 6 für das eingesetzte Gas angebracht ist, um das eingesetzte Brenngas
125 zu verbrennen, wobei das eingesetzte Oxidationsgas 112 eingesetzt wird. Die
Funktionsweise des Energiegewinnungssystems aus den Figuren 1 und 2 ist
folgende:
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Das zugespeiste Brenngas 103 fließt nachdem das rückgeführte Brenngas 5
zugemischt worden ist, durch die Reihe der Säuleneinheiten aus Brennstoffzellen
101, die hintereinander in der Brenngasleitung angebracht sind. Andererseits
wird das Oxidationsgas 108 jeder Säuleneinheit über die Leitung 109 für das
Oxidationsgas und einen Einlaßkrümmer 102a zugeführt und fließt durch jede
Brennstoffzelle 101 zu einem Auslaßkrümmer 102b, aus dem es in die Leitung 6
für das eingesetzte Oxidationsgas abgelassen wird. Hier wird die
Elektrodenreaktion der Brennstoffzellen initiiert, um elektrischen Strom zu erzeugen,
indem Brenngas und das Oxidationsgas an ihren Elektrodenplatten umgesetzt
werden. Der elektrische Strom wird durch eine Sammelplatte aufgefangen, die
an jeder Säuleneinheit in der Brenngasatmosphäre (reduzierende Atmosphäre)
befestigt sind.
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Der größte Teil des eingesetzten Gases 107, das durch die Brennstoffzelle 101
geflossen ist, fließt in die Leitung 6 für eingesetztes Oxidationsgas und durch
die Düse 8 des Nachbrenners, wo das eingesetzte Brenngas durch das
Oxidationsgas, das hineingeleitet worden ist, verbrannt wird. Das auf diese
Weise hergestellte Verbrennungsgas 124 hoher Temperatur fließt in eine nicht
dargestellte Wärmewiedergewinnungsanlage.
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Ein Teil des eingesetzten Brenngases 107 wird durch ein Rückführgebläse 2
abgesaugt und wieder in die Brenngasleitung 1 aus jeder Ablaßleitung 5, die vor
jeder Säuleneinheit angebracht ist, in den Kreislauf gebracht. Die Rückführung
des eingesetzten Brenngases trägt zu einem gewissen Umsatz des Brenngases
(Umsatz von Methan in Wasserstoffgas) und zu einem Abkühlen der
Brennstoffzellen 101 bei (die Menge des Gases, das durch die Brennstoffzelle fließt ist die
Summe der Menge des Brenngases 103 aus der Zuleitung und der Menge des
Gases 4, das rückgeführt wird, so daß eine Temperaturerhöhung, die durch
Wärmeerzeugung durch die elektrochemische Reaktion an den
Brennstoffzellenelektroden hervorgerufen wird, unterdrückt werden kann).
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Durch diese Ausführungs form des Energiegewinnungs Systems werden vorteilhafte
Auswirkungen realisiert, die unten angeführt sind:
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(1) Energiegewinnungssysteme mit einer größeren Kapazität können mit einem
vereinfachten Aufbau realisiert werden.
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(2) Indem das übriggebliebene, eingesetzte Brenngas in die Brennstoffzelle
geleitet wird, kann eine weitere Verbesserung der Ausnutzung der Energie des
Brenngases realisiert werden, wobei gleichzeitig ein Abkühlen der
Brennstoffzelle erzielt werden kann.
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(3) Durch die Anordnung des Einlaß- und Auslaßkrümmers 102a und 102b für
das Oxidationsgas am oberen Ende und am Boden der Säuleneinheit ist es
möglich, der thermischen Expansion und Kontraktion entgegenzuwirken und den
erforderlichen Dichtungsdruck beizubehalten, wobei ein Ausströmen des
Oxidationsgases verhindert werden kann.
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(4) Durch die Reihenanordnung der Säuleneinheiten aus Brennstoffzellen in
einem begrenzten Raum in Form einer Leitung zur Führung des Brenngases
kann ein gewisses Ausströmen des Brenngases aus der Zelle toleriert werden, so
daß auf eine fest sitzende Dichtung daher verzichtet werden kann.
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(5) Durch die Anpassung der Stromsammelplatte 113 in der Brenngasatmosphäre
(reduzierende Atmosphäre) kann jegliche oxidative Zerstörung der Sammelplatte
vermieden werden.
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Nun wird eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
anhand der Figuren 3 bis 7 beschrieben.
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Diese Ausführungform umfaßt einen großen Ausströmkanal 51, der als Raum
für die Wärmewiedergewinnung aus der Verbrennung des eingesetzten Gases
verwendet wird. Er ist eine Erweiterung der Brenngasleitung, die am oberen Ende
und am Boden von hitzebeständigen Wänden 52, 52 und hitzebeständigen
Seitenwänden 53, 53 begrenzt ist. In dieser Brenngasleitung befindet sich ein
Gehäuse 54, das eine Reihe Säuleneinheiten aus Brennstoffzellen aufnimmt und
von dem Ausströmkanal 51 durch eine gasundurchlässige Trennwand 55 abgetrennt
ist. Der Boden dieses Gehäuses 54 für die Säuleneinheitenreihe besteht aus einer
aus Schichten bestehenden hitzebetändigen Platte 56, die eine
dazwischenliegende, gasundurchlässige Schicht 57 besitzt. Zwischen den hitzebeständigen
Bodenwänden 52 der Leitung und der Bodenplatte 56 des Gehäuses befindet sich
ein Durchgang für den Strom des eingesetzten Oxidationsgases 6, in dem
mehrere Abstandhalter 60 angebracht sind, von denen jeder ein offenes Loch 59
besitzt.
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Das Gehäuse 54 der Säuleneinheitenreihe ist an seiner abschließenden Wand, die
sich benachbart zu dem Ausströmkanal 51 befindet, mit einem Nachbrenner 8
versehen. In der vorderen abschließenden Wand des Gehäuses 54 für die
Säuleneinheitenreihe ist ein Abstandhalter 63 vorgesehen, in den ein Einlaßrohr 62 für
das Brenngas eingelassen ist. Auf dem Abstandhalter 63 und auf dem Nachbrenner
8 liegt als obere Abdeckung des Gehäuses 54 ein Block aus hitzebeständigem
Material 64, der mit ausgestanzten Löchern versehen ist, um jeweils ein
Gewichtsstück einzuführen, um die Säuleneinheit zu beschweren. Auf dem
Gehäuseboden 56 ist eine Reihe Säuleneinheiten aus flachen Brennstoffzellen aus
festem Elektrolyt 101 angebracht. Auf jeder Säuleneinheit 101 befindet sich ein
Gewichtsstück 66, um die Dichtung, die in das dazugehörige ausgestanzte Loch
des Abdeckblocks 64 eingefügt ist, zu beschweren und auf die Säuleneinheit
Druck auszuüben. Auf jedem Gewichtsstück 66 befindet sich eine
wärmeisolierende Platte 67 aus einer hitzebeständigen Faser, um die thermische
Expansion und Kontraktion aufzufangen.
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Der Abdeckblock 64 aus hitzebeständigem Material, der die Gewichte 66 und die
Platten zur Wärmeisolierung 67 beinhaltet, ist in eine Verkleidung 68 aus
hitzebeständigem Material eingebettet. Demzufolge umgibt das Gehäuse für die
Säuleneinheitenreihe, die aus der Verkleidung 68, dem Nachbrenner 8, dem
Abstandhalter 63 und der hitzebeständigen Bodenplatte 56 besteht, darin eine
Brenngasleitung 1. Durch jedes Gewichtsteil 66 wird eine Zweigleitung 70, die
aus nicht-leitendem, keramischem Materiai gefertigt ist, geführt, um das
Oxidationsgas zuzuführen, das aus einer Hauptzuführung 77 für das oxidierende
Gas abgezweigt worden ist. Durch den Gehäuseboden 56 führen entsprechende
Auslaßrohre 112, um das eingesetzte Oxidationsgas zu der Leitung 6 für das
eingesetzte Gas zuzuführen. Innerhalb der Leitung 6 für das eingesetzte.
Oxidationsgas ist ein Heizgerät 72 vorgesehen, das ein elektrisches Leitungsnetz
73 besitzt, um die Temperatur des eingesetzten, oxidierenden Gases zu steuern,
wie in Fig. 4 gezeigt ist. Innerhalb des Ausströmkanals 51 ist ein Wärmetauscher
74 zum Vorheizen des Oxidationsgases vorgesehen, der aus einem in Schlaufen
gelegtem Rohr besteht. Ein Ende des Wärmetauschers 74 ist mit einer
Hauptzuführung 77 für das Oxidationsgas verbunden. Das andere Ende des
Wärmetauschers steht dem Nachbrennbereich des Brenners 8 gegenüber und ist mit
einer externen Zuleitung 75, die durch die Seitenwand 53 führt, verbunden, wie
in Fig. 5 gezeigt ist. Ein hitzebeständiger Prallblock 76 ist gegenüber der
Leitung 6 für das eingesetzte Gas angeordnet, um das eingesetzte Gas in
Richtung des Nachbrennbereichs zu lenken. Die Hauptzuführung 77 für das
Oxidationsgas, die mit dem Wärmetauscher 74 verbunden ist, ist aus nicht
leitendem, keramischem Material gefertigt und mit der abzweigenden Leitung 70
verbunden, wie oben erwähnt worden ist. Das andere Ende der Hauptzuführung
77 für das Oxidationsgas ist mit einem Brenner 78 für die Inbetriebnahme
versehen, der mit einer Befeuerungsvorrichtung 80, einem Beschickungsrohr 81
für Brenngas und einem Beschickungsrohr 82 für das Oxidationsgas versehen
ist. Die Hauptzuführung 77 für das Oxidationsgas ist zusammen mit den
Zweigleitungen 70 und einem Erhitzer für die Inbetriebnahme mit einem
Isolator 79 isoliert. Ein Ablaßleitung 83 ist mit dem Ausströmkanal 51 durch
dessen hitzebeständige, abschließende Wand verbunden.
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Die Säuleneinheit aus flachen Brennstoffzellen 101 hat waagerechte, flache
Strömungswege 56 für das Brenngas, wobei sich jeder über der jeweiligen
porösen Elektrodenplatte befindet, die durch einen Halterahmen 55 getragen
wird. Unter jeder porösen Elektrodenplatte auf der Sauerstoffseite ist ein
waagerechter, flacher Strömungsweg 87 für das Oxidationsgas vorgesehen. Der
Strömungsweg für das Brenngas und der Strömungsweg für das Oxidationsgas
sind durch eine dazwischenliegende Verbindung 84 getrennt. Die Platten aus
festem Elektrolyt, die die Elektrodenplatten aufweisen, werden durch einen
Halterahmen 85 gestützt. Der waagerechte Strömungsweg 86 für das Brenngas
besitzt an beiden Streckenenden auf den gegenüberliegenden Seitenflächen der
Säuleneinheit freie Öffnungen. Die waagerechten Strömungswege 87 für das
Oxidationsgas sind an beiden Enden entweder über eine Sammelleitung 90 und
das Zweigrohr 70 mit einer Zuleitung 108 für das Oxidationsgas oder über
eine Sammelleitung 91 für das Oxidationsgas und ein Ablaßrohr 71 mit dem
Auslaßrohr 112 für das eingesetzte Oxidationsgas verbunden. Das obere Ende
und der Boden der Säuleneinheit sind entweder mit einem Verbindungsflansch
88, der an der Zweigleitung 70 für das Oxidationsgas oder mit einem
Verbindungsflansch 88, der an dem Ablaßrohr 71 befestigt ist, versehen.
Zwischen dem Verbindungsfiansch 88, der Verbindung 84 und dem Halterahmen
85 ist jeweils eine unduchlässige Dichtung 89 eingefügt.
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Die Zweigleitung 70 für das Oxidationsgas und die Strömungswege 87 für das
Oxidationsgas sind durch eine Sammelleitung 90 für das Oxidationsgas verbunden,
damit das Oxidationsgas in die Strömungswege 87 verteilt werden kann. Der
Strömungsweg 87 für das Oxidationsgas und die Ablaßieitung 71 für das
Oxidationsgas sind durch eine Sammelleitung 91 für das Oxidationsgas verbunden.
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Alle wärmedämmenden Materialien und hitzebeständigen Materialien, die in dem
oben beschriebenen Energiegewinnungssystem verwendet werden, sind aus
keramischem Material gefertigt, das gegenüber Temperaturen von 1000ºC und
mehr beständig ist. Der feste Elektrolyt der Brennstoffzellen besteht ebenfalls
aus keramischem Material.
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Unten wird die Funktionsweise des obigen Energiegewinnungssystems beschrieben.
(1) Nach der Inbetriebnahme
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Das Brenngas 103, das aus der Zuleitung (62) für das Brenngas geleitet wird,
wird einer Säuleneinheit 101 aus flachen Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt
durch die Brenngasleitung 1 zugeführt.
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Das Oxidationsgas 108 (Luft), das aus der Zuleitung 75 für das Oxidationsgas
geleitet wird, die durch die Seitenwand 53 des hitzebeständigen Materials des
Ausströmkanals 51 führt, wird der Säuleneinbeit 101 aus flachen Brennstoffzellen
durch den Wärmetauscher 74 zum Vorheizen des Oxidationsgases, der
Hauptzuführung 77 für das Oxidationsgas und einer Vielzahl von Zweigleitungen 70
zugeführt.
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Nachdem das Oxidationsgas 112 durch die Säuleneinheit 101 geströmt ist, wird
es aus dieser durch die Ablaßleitungen 71 und die Gasleitung 6 für das eingesetzte
Oxidationsgas in den Ausströmkanal 51 geleitet. Das eingesetzte Oxidationsgas
112 wird hier durch den hitzebeständigen Prallblock 76 nach oben in Richtung
Nachbrennbereich abgelenkt.
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Das eingesetzte Brenngas 125, das durch die Säuleneinheit 101 geleitet worden ist,
wird aus dieser durch die Brenngasleitung 1 in den Ausströmkanal 51 abgelassen.
Das eingesetzte Brenngas 125 wird an dem Nachbrenner 8 mit dem eingesetzten
Oxidationsgas 112 verbrannt. Die Verbrennungswärme wird mit dem Schlaufen-
Wärmetauscher 24 zum Vorheizen des Oxidationsgases zurückgewonnen. Das
Verbrennungsgas wird über die Abiaßleitung 83 in einen Kamin abgelassen.
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Nach der Inbetriebnahme des oben beschriebenen Energiegewinnungssystems ist
Zeit erforderlich, um die Temperatur des Routinelaufs von 1000ºC zu erreichen.
Daher wird bei der Inbetriebnahme der Brenner 78 für die Inbetriebnahme
betrieben. Indem der Brenner 78 für die Inbetriebnahme in Gang gesetzt wird,
wird das Oxidationsgas 108, das den Zweigleitungen 70 zugeführt wird, erhitzt.
Indem die Reaktion des auf diese Weise erhitzten Oxidationsgases 108 mit dem
Brenngas 103 initiiert wird, kann die Temperatur der Säuleneinheit aus flachen
Brennstoffzellen 101 die angestrebte Temperatur erreichen. Indem das eingesetzte
Brenngas 125 an dem Nachbrenner entzündet wird, wobei wie oben beschrieben
das eingesetzte Oxidationsgas 112 eingesetzt wird, wird das Oxidationsgas
erhitzt, das durch den vorheizenden Wärmetauscher 74 strömt, der in dem
Ausströmkanal 51 angebracht ist. Das auf diese Weise vorgeheizte Gas, das
durch den Wärmetauscher 74 geströmt ist, wird darauf der Säuleneinheit 101
durch die Hauptzuführung 77 für das Oxidationsgas und der Vielzahl von
Zweigrohren 70 zugeführt.
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Auf diese Weise wird die Elektrodenreaktion an den Brennstoffzellen weiter
beschleunigt, um die angestrebte Temperatur zu erreichen, wobei die Phase der
Inbetriebnahme verkürzt werden kann.
(2) Routinelauf
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Wenn die angestrebte Temperatur der Säuleneinheit erreicht worden ist, wird
der Brenner 78 für die Inbetriebnahme abgestellt und das
Energiegewinnungssystem als selbsterhaltendes Energiegewinnungssystem in Betrieb genommen,
wobei das normale Oxidationsgas und das Brenngas eingesetzt werden. Hier ist
es möglich, wenn es erforderlich ist, den Erhitzer, der die Temperatur steuert,
in Gang zu setzen, um die obige, angestrebte Temperatur zu erreichen.
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Nun wird das Prinzip der Energiegewinnung kurz anhand der Figuren 7 und 8
beschrieben.
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Das Brenngas 103 aus der Brenngasleitung 1 wird jedem der waagerechten, flachen
Strömungswege 86 zugeführt und fließt über der Elektrodenplatte auf der
Brenngasseite. Das Oxidationsgas 108, das aus den Zweigleitungen 70 eingelassen
wird, wird über die Sammelleitung 90 in jeden Strömungsweg 87 für das
Oxidationsgas geleitet und fließt unter der Elektrodenplatte auf der
Sauerstoffseite. Der auf diese Weise produzierte elektrische Strom wird über die
Leitungsdrähte gesammelt, die mit den oberen und sich am Boden befindenden
Verbindungsflanschen 88 verbunden sind.
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Während der Brenner 78 für die Inbetriebnahme und der Wärmetauscher 74 zum
Vorheizen des Oxidationsgases in der oben beschriebenen Ausführungsform in
der Zuführungsleitung für das Oxidationsgas vorgesehen sind, kann der gleiche
Zweck erreicht werden, indem ein Wärmetauscher zum Vorheizen des Brenngases
und ein Brenner für die Inbetriebnahme in der Zuleitung 62 für das Brenngas
vorgesehen sind.
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Der Wärmetauscher zum Vorheizen des Oxidationsgases oder der zum Vorheizen
des Brenngases können gerippt sein.
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Das Energiegewinnungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung sollte nicht
auf die spezifischen Ausführungsformen in den Figuren 1 bis 3 beschränkt sein.
Es ist zum Beispiel möglich, daß das vollständige System in einem Gehäuse aus
hitzebeständigem Material 92 untergebracht ist und das Gehäuse für die
Säuleneinheitenreihe von gasundurchlässigen Trennwänden 93a-93c umgeben ist, wie in
Fig. 8 gezeigt ist. So ist es möglich, die Gehäusewände auf einer oder beiden
Seiten der gasundurchlässigen Trennwände mit Kühlvorrichtungen zu versehen,
wie mit mit Luft kühlenden Rohre 94 (oder Kühlwasserrohren). Leitungen 95 für
das Oxidationsgas sind dann innerhalb der Wand 92 aus hitzebeständigem
Material angebracht, und ein Brenner 97 für die Inbetriebnahme ist an einer
Außenfläche der Seitenwand angebracht, so daß er mit der Leitung 95 für das
Oxidationsgas verbunden ist.
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In dieser Ausführungsform in Fig. 8 werden alle anderen Bauelemete, die denen
in Fig. 3 entsprechen, mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 3 bezeichnet,
und die Erklärung wird daher weggelassen.
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Durch den Aufbau in Fig. 8 ist es möglich, durch mit Luft kühlende Rohre 94
(oder Kühlwasserrohre) eine Wärmewiedergewinnung zu realisieren, und es kann
eine im Vergleich zu der in Fig. 3 gezeigten kompaktere Bauart des gesamten
Systems erzielt werden, indem die Bauelemente, einschließlich der Leitungen für
das Oxidationsgas innerhalb der Wände aus hitzebeständigem Material angeordnet
sind.