DE69103455T2 - Energiegewinnungssystem mit flachen Brennstoffzellen aus festen Elektrolyten. - Google Patents

Energiegewinnungssystem mit flachen Brennstoffzellen aus festen Elektrolyten.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Energiegewinnungssystem mit flachen Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt, wobei ein Brenngas, wie Kohlengas, Wasserstoffgas oder Erdgas, eingesetzt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Außerdem gibt es in den Energiegewinnungssystemen nach dem Stand der Technik noch ungelöste Probleme, wie folgende:
  • (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.
  • (2) Ein derartiges Energiegewinnungssystem mit Brennstoffzellen sollte als ein selbsterhaltendes thermisches System konstruiert sein.
  • (3) Jeder Gasaustritt muß in dem gesamten System auf einen möglichst niedrigen Wert gebracht werden.
  • (4) Es ist erforderlich, eine kompakte Bauart des gesamten Systems zu realisieren, sogar, wenn die Energiegewinnungskapazität erhöht wird.
  • 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.
  • 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.
  • Daher betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Energiegewinnungssystem mit flachen Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt, aufweisend,
  • 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;
  • 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,
  • 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
  • eine Vorrichtung für den Ausgang von elektrischem Strom für jede Säuleneinheit aus den Brennstoffzellen, die in dem Brenngasstrom angebracht ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Energiegewinnungssystems gemäß der Erfindung.
  • Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des Energiegewinnungssystems aus Fig. 1 von oben.
  • Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Energiegewinnungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung in einem vertikalen, schematischen Schnitt.
  • Fig. 4 ist ein senkrechter Schnitt des Energiegewinnungssystems aus Fig. 3 entlang der Linie II-II in Fig. 3.
  • Fig. 5 ist ein senkrechter Schnitt des Energiegewinnungssystems aus Fig. 3 entlang der Linie III-III in Fig.3.
  • Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Säuleneinheit von Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Darstellung.
  • Fig. 7 ist ein senkrechter Schnitt der Säuleneinheit aus Fig. 6 entlang der Linie V-V in Fig. 6.
  • Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Energiegewinnungssystems der vorliegenden Erfindung im senkrechten Schnitt.
  • Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines Energiegewinnungssystems mit Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt nach dem Stand der Technik im senkrechten Schnitt.
  • Fig. 10 ist ein waagerechter Schnitt des Energiegewinnungssystems aus Fig. 9 entlang der Linie A-A in Fig. 9.
  • Fig. 11 ist ein waagerechter Schnitt des Energiegewinnungssystems aus Fig. 9 entlang der Linie B-B in Fig. 9.
  • Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform der Säuleneinheit aus Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Darstellung.
  • Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform der Säuleneinheit aus Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik ebenfalls in einer perspektivischen Darstellung.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Durch diese Ausführungs form des Energiegewinnungs Systems werden vorteilhafte Auswirkungen realisiert, die unten angeführt sind:
  • (1) Energiegewinnungssysteme mit einer größeren Kapazität können mit einem vereinfachten Aufbau realisiert werden.
  • (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.
  • (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.
  • (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.
  • (5) Durch die Anpassung der Stromsammelplatte 113 in der Brenngasatmosphäre (reduzierende Atmosphäre) kann jegliche oxidative Zerstörung der Sammelplatte vermieden werden.
  • Nun wird eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren 3 bis 7 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Unten wird die Funktionsweise des obigen Energiegewinnungssystems beschrieben.
  • (1) Nach der Inbetriebnahme
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • Nun wird das Prinzip der Energiegewinnung kurz anhand der Figuren 7 und 8 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • Der Wärmetauscher zum Vorheizen des Oxidationsgases oder der zum Vorheizen des Brenngases können gerippt sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

1. Energiegewinnungssystem mit flachen Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt aufweisend
eine Vielzahl von Säuleneinheiten aus flachen Brennstoffzellen aus festem Elektrolyt, die in einer sich waagerecht erstreckenden Brenngasleitung angeordnet sind, die geeignet ist, diese Vielzahl von Säuleneinheiten aus flachen Brennstoffzellen mit Brenngas zu versorgen;
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 Säuleneinheit 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,
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
eine Vorrichtung für den Ausgang von elektrischem Strom für jede Säuieneinheit der Brennstoffzelle, die in dem Brenngasstrom angebracht ist.
2. Energiegewinnungssystem nach Anspruch 1, in dem eine Vorrichtung für die Rückführung des eingesetzten Brenngases, das durch die Brennstoffzelle geströmt ist, zur Brennstoffzelle eingebaut ist, wobei die Rückführungsvorrichtung aus einem Gebläse und einer Rückführleitung besteht.
3. Energiegewinnungssystem nach Anspruch 1, in dem eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung stromab einer Förderleitung, die von der Brenngasleitung wegführt, und stromab einer Ablaßleitung für das eingesetzte Oxidationsgas vorgesehen ist, um die Verbrennungswärme, die in dem Nachbrennbereich erzeugt worden ist, wiederzugewinnen.
4. Energiegewinnungssystem nach Anspruch 3, in dem das Energiegewinnungssystem in eine Wärmewiedergewinnungsvorrichtung und ein Gehäuse geteilt ist, das die Brennstoffzelle aufnimmt und in der Brenngasleitung angebracht ist, und in die Ablaßleitung für das Oxidationsgas und die Leitung für das Brenngas geteilt ist, wobei jeweils eine gasundurchlässige Wand verwendet wird.
5. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, in dem auf der Säuleneinheit eine Vorrichtung vorgesehen ist, um die Säuleneinheit der Brennstoffzelle zu beschweren.
6. Energiegewinnungssystem nach Anspruch 1, in dem ein Gasbrenner in der Zuleitung für das zugespeiste Brenngas, die zur Brenngasleitung führt, oder in der Zuleitung für das zugespeiste Oxidationsgas vorgesehen ist, um das Speisegas zu erwärmen und damit die Inbetriebnahme des Routinelaufs zu erleichtern.
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