DE69113707T2

DE69113707T2 - Elektrochemische Zelle enthaltender Apparat mit einer aussenliegenden Brennstoffmischdüse.

Info

Publication number: DE69113707T2
Application number: DE69113707T
Authority: DE
Inventors: Vinod Babulal Doshi; Philip Reichner
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1991-07-18
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2011-07-19
Also published as: US5169730A; CA2041726A1; JP2965272B2; CA2041726C; ES2080258T3; KR100264296B1; NO912471D0; NO912471L; NO306008B1; JPH04253166A; EP0468698A1; DE69113707D1; EP0468698B1; KR920003572A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen enthält, wobei jede eine äußere Brennstoffelektrode hat, die von einer gasförmigen Mischung aus frischem Zufuhrbrennstoff und rezirkuliertem verbrauchtem Brennstoff berührt werden kann, wobei die Mischung Wasserdampf enthält, und durch ein Reformierungsmaterial gehen kann, bevor sie die Brennstoffelektroden berhrt; wo sie rezirkuliert wird, erwärmt heißer verbrauchter Brennstoff das Reformierungsmaterial und die gasförmige Mischung, und frischer Zufuhrbrennstoff und rezirkulierter verbrauchter Brennstoff an einer Auswurfvorrichtung außerhalb des Körpers der Vorrichtung gemischt werden können, wobei die Temperaturen der Auswurfvorrichtung und des frischen Zufuhrbrennstoffs 400ºC nicht überschreiten.
Hochtemperaturfestoxidelektrolytenbrennstoffzellengeneratorvorrichtungen und -brennstoffzellenaufbauten sind wohlbekannt. Zufuhrbrennstoff, entweder H&sub2;+CO, oder vorher reformiertes Erdgas wird an einem Ende in die Vorrichtung gebracht und fließt parallel zu Oberflächen von äußeren Brennstoffelektroden der langgestreckten Brennstoffzellen. Verbrauchter Brennstoff wird mit verbrauchtem Oxidationsmittel in einer getrennten Kammer verbrannt, und tritt dann aus der Vorrichtung aus.
Andere Gestaltungen von Hochtemperaturbrennstoffzellengeneratorvorrichtungen sind bekannt, bei denen verbrauchter Brennstoff rezirkuliert wird und in frischen, vorgewärmten Zufuhrbrennstoff in der Mitte der Vorrichtung bei offensichtlichen Temperaturen von ungefähr 600ºC bis 800ºC abgesaugt wird, wobei die Mischung durch die Brennstoffzellen gebracht wird, wie von U.S. Patent Nr. 3718506 (Fischer et al.) gelehrt wird. Dort wird von den Brennstoffzellen austretender verbrauchter Brennstoff mit frischem Zufuhrbrennstoff wie Propan an einer Strahlpumpendüse gemischt, um von einem zum anderen Ende der in Reihe geschlossenen Brennstoffzellen zu fließen. Diese Kombination von verbrauchtem Brennstoff mit frischem Brennstoff verhindert Rußbildung in den Zellen. Zusätzlicher verbrauchter Brennstoff mischt sich mit verbrauchter Luft und fließt um und durch eine katalytische Nachbrennerstruktur, die die Brennstoffzellen umgibt zur vollständigen Verbrennung, die die Brennstoffzellen erwärmt, was wirkungsvollen Betrieb bei ungefähr 800ºC gestattet. In U.S. Patent Nr. 4729931 (Grimble) werden verbrauchter Brennstoff und verbrannter Brennstoff gemischt, und dann an einer Auswurfdüse in frischen Zufuhrbrennstoff in eine äußere Kammer der Generatorvorrichtung gezogen. Die ganze Mischung geht dann durch ein Reformierungsmaterial, das in derselben Kammer wie die Auswurfvorrichtung angeordnet ist, um ein reformiertes Gas zu bilden, das zugeführt wird, um Brennstoffzellen in der Vorrichtung zu berühren.
BBC Nachricten, Vol. 54, Nr. 1/2, Januar 1972, pp. 4-12 High Temperature Fuell Cell Battery for The Conversion of (Fischer et al) beschreibt eine axial langgestreckte Brennstoffzellenvorrichtung, wo verarmter Brennstoff, der aus H&sub2;O-Dampf und CO&sub2; besteht, von der Batteriekammer direkt an einer Mischdüse mit frischem Zufuhrbrennstoff gemischt wird, und die Mischung wird durch axial langgestreckte Rohre gegeben, die einen Katalysator zur Reformierung der Mischung enthalten, wobei die Rohre, die den Katalysator enthalten, von dem Austrittsrohr für verarmten Brennstoff beabstandet sind. Oxidationsmittel wird durch Zufuhrrohre in das Innere der Brennstoffzellen gegeben, wo es verarmt wird, bevor es in den Wärmetauschteil der Vorrichtung geht und dann austritt. Die Batteriekamer ist an dem Ende der Vorrichtung angeordnet, entfernt von der Wärmetauschkammer und den Katalysatorreformierungsrohren.
Proceedings Electrochemical Society (Symposium on Fuel Cells, 6- 7 November 1989), Vol. 89, Nr. 14, pp. 106-117, 'Developments of a Commercially Practical Natural Gas Fueled SOFC Generator' (Shockling et al) beschreibt äußere und interne Reformierer für Brennstoffzellengeneratoren, wo Wasserdampf für die Reformierungssreaktion wesentlich ist. In einer Ausführungsform für einen internen Reformierer wird verarmter Brennstoff, der Wasserdampf enthält, mit 56% des Erdgases zum Reformierer rezirkuliert, was dem Bedürfnis nach einem getrennten Dampfgenerator vorbeugt. Die verbleibenden 44% des verarmten Brennstoffs werden mit Oxidationsmittel reagiert, und treten aus dem System aus. Der Wärmegehalt des rezirkulierten Gases deckt den Wärmebedarf der Reformierung. Der Mischer und die Auswurfvorrichtung liegen in der Vorrichtung.
Eine andere Generatorgestaltung, um Abkühlung der Brennstoffzelle zu verhindern, wird in U.S. Patent Nr. 4808491 (Reichner) gelehrt, wo ein verbrannter Auslaßbrennstoff oder verbrauchter Brennstoff und verbrauchtes Oxidationsmittel Eckerwärmung in der Generatorvorrichtung liefert. Frischer Zufuhrbrennstoff wird dort in ein Verteilerstück an dem Unterteil der Vorrichtung eingebracht, wobei das Unterteil des Verteilerstücks einen reformierenden Katalysator enthalten kann, und von dem verbrannten Auslaßgas erwärmt werden kann. Der Zufuhrbrennstoff fließt dann parallel zu den Oberflächen der äußeren Brennstoffzellen der langgestreckten Brennstoffzellen. Der frische Zufuhrbrennstoff wird nicht mit irgendwelchen verbrauchten Gasen in der Vorrichtung gemischt.
Erdgas (Methan plus Ethan, Propan, Butan und Stickstoff) ist ein geeigneter Brennstoff für viele dieser Brennstoffzellenvorrichtungen. Dieses Erdgas muß reformiert werden, das heißt, durch Benutzung eines Katalysators und überschüssigen Wasserdampfes in Kohlenmonoxid und Wasserdampf umgewandelt werden, bevor es in der Brennstoffzelle benutzt wird. Die Reformierungsreaktion ist endotherm, sie benötigt einen Wärmevorrat, und sie wird am besten bei Temperaturen in der Nähe von 990ºC durchgeführt. Die zur Reformierung benötigte Wärme ist ein bedeutender Bruchteil der überschüssigen Wärme, die sich von dem Brennstoffzellenbetrieb ergibt.
Daher besteht die Erfindung aus einer elektrochemischen Vorrichtung mit einem Einlaß für frischen gasförmigen Zufuhrbrennstoff, einem Einlaß für gasförmiges Zufuhroxidationsmittel, einem Rezirkulationskanal für heißen gasförmigen verbrauchten Brennstoff, einem getrennten Austrittskanal für verbranntes Auslaßgas, einer Generatorkammer, die eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen enthält, wobei jede Zelle eine äußere Brennstoffelektrode und eine innere Luftelektrode hat, einer Verbrennungskammer, und einer getrennten Reformierungskammer, die ein Reformierungsmaterial enthält, wobei eine Mischdüse (50) an dem Eingang zur Mischkammer angeordnet ist, wo der Mischkammerausgang sich mit der getrennten Reformierungskammer (54) verbindet, und die Eingangsöffnungen für reformierten Brennstoff die Reformierungskammer mit der Generatorkammer verbindet, und wo die Mischkammer (52) und die Mischdüse (50) außerhalb des Hauptkörpers der Vorrichtung liegen, im wesentlichen von der Verbrennungskammer (24) und der Generatorkammer (22) beabstandet, um Wärmeübertragung von dem Rezirkulationskanal für heißen verbrauchten Brennstoff zur Reformierungskammer zu gestatten, während die Mischdüse (50) unter 400ºC bleibt, was Kohlenstoffablagerung an der Mischdüse (50) beseitigt, dadurch gekennzeichnet, da der Rezirkulationskanal (46) für heißen verbrauchten Brennstoff, von dem ein Teil in Wärmekontakt mit der Außenseite der Mischkammer (52) und ein Teil auch in Kontakt mit der getrennten Reformierungskammer (54) ist, bevor er Wärmekontakt mit der Mischkammer hat, von der Generatorkammer (22) geht, um sich mit dem Einlaß für frischen Zufuhrbrennstoff an dem Eingang zur Mischkammer zu kombinieren, und die Mischkammer (52) und die Mischdüse (50) in Gestalt einer ersetzbaren Unteranordnungskassetteneinheit sind.
Benutzung von rezirkuliertem verbrauchtem Brennstoff, um Wasserdampf und CO&sub2; für frischen Zufuhrbrennstoff mittels einer Auswurfvorrichtung zu liefern, die von dem Druck des frischen Einlaßbrennstoffs angetrieben wird, kann mehrere Probleme ergeben. Die Auswurfvorrichtung in der typischen Brennstoffzellenvorrichtung ist direkt in der Umgebung der heißen Brennstoffzelle angeordnet, und wird von dem heißen Rezirkulationsgasstrom gebadet, und die Düse muß isoliert oder gekühlt werden, um Kohlenstoffablagerung von Ergaszufuhrbrennstoff wegen "Kracken", das bei Temperaturen über ungefähr 400ºC stattfindet, zu verhindern.
Verunreinigungen wie Quarz von der thermischen Isolierung der Düse oder von einer anderen Generatorisolierung, die von dem verbrauchten Brennstoffstrom aufgenommen und getragen wird, kann auch Deaktivierung des Reformierungskatalysators verursachen. Die wegen der Auswurfvorrichtungs- und der Reformierungsvorrichtungsanordnung in dem heißen Rezirkulationsgasstrom vorliegende hohe Temperatur erfordert auch eine dauerhaft geschweißte Anordnung der Auswurfvorrichtung in der Rezirkulationskanalisierung, um ausreichende Dichtung zu liefern, was Schwierigkeiten bei der Herstellung erhöht, und Zugang für Wartung behindert. Daher sind Kohlenstoffablagerung, Quarztransport und Hochtemperaturdichtung Sorgengebiete für wirksame Reformierung mit Rezirkulation.
Man benötigt eine Vorrichtung, die Sorgen betreffs Kohlenstoffablagerung an dem Mischpunkt für frischen Zufuhrbrennstoff-Rezirkulationsgas beseitigt, und die das Bedürfnis nach Hochtemperaturdichtung beseitigt, die aber auch Wärmetausch mit einem Reformierungsabteil oder -material gestattet. Es ist eine der Hauptaufgaben dieser Erfindung, eine solche Vorrichtung zu liefern.
Die Mischdüse arbeitet bei einer tiefen Temperatur unter 400ºC. Die Erfindung besteht auch darin, da ein Teil des verbrannten Auslaßgaskanals auch die Reformierungsungskammer berührt, was Wärmeübertragung zwischen dem Kanal und der Reformierungskammer gestattet.
Der hier benutzte Ausdruck "Brennstoffelektrode" meint die Elektrode in Kontakt mit Brennstoff, der hier benutzte Ausdruck "Luftelektrode" meint die Elektrode in Kontakt mit Luft oder Sauerstoff, und der hier benutzte Ausdruck "verbrauchter" Brennstoff, Oxidationsmittel, oder Luft meint teilweise reagierten, geringen BTU-Brennstoff, oder teilweise reagiertes, verarmtes gasförmiges Oxidationsmittel, oder verarmte Luft, die ungefähr 5% bis 15% Sauerstoff enthält. Der Ausdruck "verbrauchter" Brennstoff schließt nicht die Mischung von verbrauchtem Brennstoff ein, der mit verbrauchtem Oxidationsmittel oder Luft verbrannt wird, diese Mischung wird hier als "verbranntes Auslaßgas" definiert.
Die Wiederanordnung des Mischers und der Mischdüse (Auswurfdüse) in eine Tieftemperaturstellung beseitigt das Bedürfnis nach gezwungener Abkühlung der Düse. Die Röhren, die den rezirkulierenden verbrauchten Brennstoff tragen, und die in Kontakt mit der Reformierungskammer sind, und die Röhren, die die Brennstoffmischung durch das Reformierungsmaterial tragen, können konzentrisch sein, mit Wärmeleitungsrippen, die optimalen Wärmetausch zwischen den beiden Gasströmen liefern. Dieser Wärmetausch hält Energieverlust von dem Wärmefassungsvermögen des heißen entzogen verbrauchten Brennstoffs gering, während er gestattet, da die Düsentemperatur der Auswurfvorrichtung, und daher des frischen Brennstoffs unter der Grenze von 400ºC bleibt, über welcher Kohlenstoffablagerung beobachtet worden ist.
Zum deutlicheren Verständnis der Erfindung werden nun konventionelle Ausführungsformen davon mit einem Beispiel mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen: Figur 1, die die Erfindung am besten zeigt, eine Schnittseitenansicht einer Ausführungsform einer elektrochemischen Zellenvorrichtung nach dieser Erfindung ist, die Entzug von rezirkuliertem verbrauchtem Brennstoff zeigt, Mischung von diesem verbrauchten Brennstoff mit einkommendem frischem Zufuhrbrennstoff über eine äußere Auswurfvorrichtung, und Übergang zu einem Reformierer, von dem der reformierte Brennstoff in die Vorrichtung geht, und
Figur 2 eine Schnittseitenansicht einer Vorrichtung ähnlich zu der von Figur 1 ist, aber mit einem verschieden Gasflußmuster.
Wenn man nun auf Figur 1 Bezug nimmt, dann wird eine elektrochemische Zellenvorrichtung oder ein Generator 10 gezeigt, die zwei Zellenbündel 12 und 14 enthält, wobei jedes Zellenbündel eine Vielzahl von parallelen, axial langgestreckten elektrochemischen Zellen 16 wie Festoxidbrennstoffzellen enthält. Die Zellen sind in dem Generatorabteil oder -abschnitt 22 angeordnet. Jede Zelle hat eine äußere Brennstoffelektrode 18, die ihre Oberfläche bedeckt, klarheitshalber punktiert gezeigt, eine innere Luftelektrode, und einen Festoxidelektrolyten zwischen den Elektroden (Luftelektrode und Elektrolyt nicht gezeigt). DIe Luftelektrode ist im allgemeinen ein dotiertes keramisches Material der Perowskitfamilie, zum Beispiel dotiertes LaMnO&sub3;, der Elektrolyt ist im allgemeinen mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumdioxid, und die Brennstoffelektrode ist im allgemeinen ein Zirconiumdioxidnickelcermetmaterial. Es kann auch ein mit Calciumoxid stabilisierter Zirconiumdioxidträger für die Luftelektrode benutzt werden.
Die elektrochemische Zellenvorrichtung 10 wird mit einer internen Temperatur in einem Bereich von ungefähr 600ºC bis ungefähr 1200ºC arbeiten. Ein äußeres Gehäuse 20 umgibt die ganze Vorrichtung. Das Gehäuse umfasst vorzugsweise ein Metall wie Inconel, das hohen Temperaturen widersteht. Thermische Isolierung 26, wie Aluminiumoxid geringer Dichte ist wie gezeigt in dem äußeren Gehäuse enthalten. Durch das Gehäuse 20 und die Isolierung 26 dringt der Einlaß 28 für frischen Zufuhrbrennstoff, der frische Zufuhrbrennstoff, gezeigt als F, und gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft oder Sauerstoff, Zufuhr 30, als auch Offnungen für elektrische Leitungen und dergleichen, nicht gezeigt. Die Generatorkammer 22 erstreckt sich zwischen Wand 32 und einer porösen Schranke 34. Die poröse Schranke 34 muß nicht eine abgedichtete Struktur sein. Die poröse Schranke 34 ist insbesonders gestaltet, um verbrauchten Brennstoffgasfluß, angezeigt durch Pfeile 36, von der Generatorkammer 22, die bei einem Druck arbeitet, der etwas über dem atmosphärischen Druck liegt, zur Verbrennungskammer 24, die bei einem etwas geringeren Druck arbeitet, zu gestatten, wo sich das verbrauchte Gas mit verbrauchtem Oxidationsmittel 33 mischt, was ein Auslaßgas bildet, das durch Kanal 45 geht.
Langgestreckte Hochtemperaturfestoxidelektrolytzellen 16 erstrecken sich zwischen der Verbrennungskammer 24 und der Wand 32. Die Zellen haben offene Enden 44 in der Verbrennungskammer 24, und geschlossene Enden in der Generatorkammer 22 in der Nähe der Wand 32. Jede individuelle Zelle erzeugt ungefähr ein Volt auf einem offenen Kreis, und eine Vielzahl von Zellen sind elektrisch durch Leitungsfilze 40 miteinander verbunden, normalerweise Nickelfasermetall, vorzugsweise in einer Reihen- Parallel-Anordnung.

BEISPIEL

Beispielsweise wird während des Betriebs ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft durch den Oxidationsmittelzufuhreinlaß 30 gegeben, und es tritt in die Oxidationsmittelzufuhrleitungen 42 bei einer Temperatur von ungefähr 500ºC bis 700ºC ein, und bei einem Druck über dem atmpsphärischen Druck, es wird wahlweise vor dem Eintritt in das Gehäuse durch ein konventionelles Mittel erhitzt, wie einen an ein Gebläse angeschlossenen Wärmetauscher. Das Oxidationsmitel in den Leitungen wird durch die Verbrennungskammer 24 gegeben, wo es weiterhin von dem verbrannten Auslaßgas auf eine Temperatur von ungefähr 800ºC bis 900ºC erwärmt wird. Das Oxidationsmittel fließt dann durch die Länge des Oxidationsmittelkreises, durch die Leitungen 42, die sich die innere Länge der Brennstoffzellen herunter erstrecken, es wird weiterhin durch Absorbierung der meisten Wärme, die während der elektrochemischen Reaktion erzeugt wird, auf ungefähr 1000ºC erwärmt. Ein kleinerer Bruchteil der Wärme wird von dem Brennstoff absorbiert.
Das Oxidationsmittel wird in das Unterteil mit geschlossenem Ende der Brennstoffzellen 16 entlassen. Das Oxidationsmittel in den Brennstoffzelllen kehrt seine Richtung um, und reagiert an der inneren Luftelektrode entlang der inneren aktiven Länge der Zellen elektrochemisch, verarmt ziemlich an Sauerstoffgehalt, während es sich den offenen Enden 44 der Zellen nähert. Das verarmte Oxidationsmittel wird dann durch die offenen Zellenenden 44 in die Verbrennungskammer 24 entlassen, und wird als verbrauchte Oxidationsmittelströme 35 gezeigt. Dieses verbrauchte Oxidationsmittel verbrennt mit verarmtem Brennstoff, wo ein Teil des gesamten verarmten Brennstoffs durch die poröse Schranke 34 geht, wie durch Pfeile 36 gezeigt, um verbranntes Auslaßgas 47 zu bilden, das durch Austrittskanäle 45 für verbranntes Ablaßgas aus der Vorrichtung austritt, schließlich als Auslaßgas E austritt. Die Kanäle 45 können aus einem Metall oder einer Legierung hergestellt sein, die hohen Temperaturen widerstehen.
In dieser Erfindung kann ein gasförmiger Brennstoff, der noch nicht reformiert worden ist, benutzt werden, wie gasförmiger Kohlenwasserstoff, einschlielich Kohlenwasserstoffen wie Methan (CH&sub4;), Ethan (C&sub2;H&sub6;), Propan (C&sub3;H&sub8;), und dergleichen, verdampfte Petroleumbruchteile wie Naphtha, und Alkohole wie Ethylalkohol (C&sub2;H&sub5;OH), und dergleichen, und Erdgas, typischerweise eine Mischung von 85% Methan und 10% Ethan mit einem Propan- Butan- und Stickstoffgleichgewicht. Diese reformierbaren Brennstoffmedien F werden durch den Einlaß 28 für frischen Zufuhrbrennstoff in den Generator gebracht.
In dieser Erfindung geht ein großer Teil des heißen gasförmigen verbrauchten Brennstoffs, der entlang der axialen Länge der Zellen 16 gebildet wird, zu wenigstens einem Rezirkulationskanal 46 für heißen verbrauchten Brennstoff, der aus einem Metall oder einer Legierung hergestellt werden kann, die hohen Temperaturen widerstehen. Ein anderer Teil des heißen verbrauchten Brennstoffs geht in die Verbrennungskammer 24, gezeigt als Pfeile 36, wie schon beschrieben wurde, um mit verbrauchter Luft, gezeigt als Pfeil 35, zu verbrennen, und die frische Oxidationsmittelzufuhr vorzuwärmen.
Der Austrittskanal 46 für heißen verbrauchten Brennstoff geht von der Generatorkammer 22, um in den Einlaß für frischen Zufuhrbrennstoff an dem Eingang zu dem Mischermittel oder der Kammer 52 an einer Mischdüse 50 einzugehen, und sich mit ihm zu kombinieren, wobei die Mischdüse irgendeine beim Stand der Technik bekannte Düse sein kann, zum Beispiel eine Auswurfvorrichtung, eine Strahlpumpe, ein Sauggerät, oder dergleichen. Diese Mischdüse 50 ist an dem Eingang zu der Mischer-Verbreitungskammer 52 angeordnet. Dieses gestattet Rezirkulation des Teils des verbrauchten Brennstoffs, der in den Kanal 46 gegeben wird, um sich mit dem frischen Zufuhrbrennstoff an der Mischdüse 50 zu mischen, um eine reformierbare Brennstoffmischung der beiden Gase zu liefern, gezeigt von Pfeilen 51. Die Geometrie der Auswurfvorrichtung/Mischers ist weiterhin derart gestaltet, da die dynamische Energie des Brennstoffs an der Düse 50 wirkungsvoll in einen erhöhten Druck an dem Eingang zur Reformierungskammer 54 umgewandelt wird. Dieses wird vorzugsweise durch ein Verbreitungsmittel vervollständigt, dessen Querschnittsgebiet größer wird, während es von seinem Eingang in der Nähe der Düse 50 zur Reformierungskammer 54 in einer gezeigten Weise fortschreitet.
Die reformierbare Brennstoffmischung 51 wird wenigstens Wasserdampf (Dampf) enthalten, und normalerweise auch H&sub2;, CO, und CO&sub2;, die alle von dem verbrauchten Brennstoff beigetragen werden, der in die Mischer-Verbreitungskammer 52 eintritt. Das Volumenverhältnis von verbrauchtem Brennstoff zu frischem Zufuhrbrennstoff wird von der Geschwindigkeit der Eingabe des frischen Zufuhrbrennstoffs eingestellt werden, so da ungefähr 2 Volumen bis 5 Volumen Wasserdampf und CO&sub2; jedem Volumen von frischem Zufuhrbrennstoff zugegeben werden. Gegenwart von Wasserdampf plus eines Reformierungskatalysators, gewöhnlicherweise Ni, gestattet Umwandlung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen zu CO+H&sub2; durch die Reaktion: endotherme Reaktion Nickelkatalysator
Eine ähnliche Brennstoffumwandlungsreaktion zu H&sub2; und CO wird mit CO&sub2; statt Wasserdampf vervollständigt.
Die reformierbare Brennstoffmischung 51 geht dann von dem Mischkammerausgang in und durch ein zylindrisches Reformierungsmittel oder Kammer 54, das Reformierungsmaterial 56 wie Nickel oder dergleichen enthält, oder ein anderes wohlbekanntes nützliches Reformierungsmaterial für Brennstoffgas. Die in Figur 2 gezeigte Gestaltung für die Reformierungskammer 54 ist ein ringförmiger, konzentrischer umgibt. Dieser Aufbau wird im allgemeinen benutzt, wenn verbranntes Auslaßgas von Kanal 45 geführt wird, um die Reformierungskammer zu berühren, und bringt eine Überkreuzung von Gasen von Kammern 46' und 52 mit sich. In beiden in Figur 1 und Figur 2 gezeigten Ausführungsformen geht die reformierte Brennstoffmischung, die von Pfeilen 58 gezeigt wird, nachdem sie gerade von der Mischer-Verbreitungskammer 52 nach oben in die Reformierungskammer 54 und durch das Reformierungsmaterial 56 gegangen ist, direkt nach oben durch eine Reihe von Eingangsöffnungen 59 für reformierten Brennstoff, die die Reformierungskammer an die Generatorkammer 22 anschließen, und dann in die Generatorkammer der Vorrichtung.
Heißer verbrauchter Brennstoff von Kanal 46 erreicht den Kanal 46' an der Reformierungskammer 54 bei einer Temperatur von ungefähr 1000ºC. Kanal 46' in Kontakt mit der Reformierungskammer 54 gestattet ein Mittel der Wärmeübertragung zwischen heißem Gas in dem Kanal und der Kammer 54. Dieses verringert die Temperatur des verbrauchten Brennstoffs und liefert Wärme für die endotherme Reformierungsreaktion. Betreffs des Reformierers 54 ist vollständige Reformierung des Brennstoffs nicht notwendig, da ein wenig interne Reformierung der reformierbaren Brennstoffmischung durch die Nickelfaserfilze 40, oder auf der Nickelcermetoberfläche 18 der Brennstoffzellen in der Generatorkammer 22 benutzt werden kann, um die Menge des Reformierungsmaterials 56 relativ klein zu halten, und inneren Reformierereinschluß 54 in der Vorrichtung 10 zu gestatten, falls dieses erwünscht ist.
Zusätzlich geht verbrauchter Brennstoff von Kanal 46' nach unten, rundherum und in Kontakt mit der Außenseite der Mischer- Verbreitungskammer 52 mit einem weiteren Verlust der Wärme, die zur reformierbaren Brennstoffmischung 51 übertragen wird, während sie sich dem Reformierer 56 nähert. Wie in Figuren 1 und 2 gezeigt wird, wird der verbrauchte Brennstoff in dem Düsenzufuhrkanal 60, der eine Verlängerung des Kanals 46' ist, zugegeben, um die Mischer-Verbreitungskammer 52 zu berühren, wobei die Kammer eine nach oben fließende, reformierbare Brennstoffmischung 51 darin hat, was Wärmeübertragung von dem Kanal 60 gestattet, und heißen verbrauchten Brennstoff zur Mischkammer und dem Gas darin. Diese reformierbare Brennstoffmischung 52 geht weiterhin nach oben auf die Reformierungskammer und die Generatorkammer hinzu. In den gezeigten Ausführungsformen fällt die Temperatur von dem verbrauchten Brennstoff von ungefähr 1000ºC an dem Eingang zu Kanal 46 auf eine ausreichend tiefe Temperatur, während er sich der Düse 50 nähert, so da der frische Brennstoff in der Mischkammer 52 nicht 400ºC überschreiten wird. Das verbrannte Auslaßgas E in getrennten Kanälen 45, wie in der Zeichnung gezeigt ist, geht bei ungefähr 800ºC aus der Vorrichtung heraus; oder, falls das verbrannte Auslaßgas zuerst benutzt wird, um zusätzliche Wärme für den Reformierer zu liefern, wie in Figur 2 gezeigt, würde es bei ungefähr 650º austreten.
Wie aus beiden Zeichnungen ersichtlich ist, ist die ganze Mischdüsenmischkammerunteranordnung 62 im wesentlichen außen auf die elektrochemische Vorrichtung 10 festgeschraubt. Daher liegen die Mischer-Verbreitungskammer 52 und die Mischdüse 50 außerhalb des Hauptkörpers der Vorrichtung, während sie ein Teil der elektrochemischen Vorrichtung sind, und sind wesentlich von dem Rest der Vorrichtung beabstandet, und von der Verbrennungskammer 24 und der Generatorkammer 22. Die Mischdüse 50 kann daher unter ungefähr 400ºC arbeiten, was die ungefähre Temperatur an der Mischdüse und an dem Eingang zur Mischkammer 52 wäre.
Daher wird die Mischdüse durch Röhren oder Kanäle für gasförmige Komponenten zu einer Stellung erweitert, die von dem aktiven Hochtemperaturerzeugungs- und -verbrennungsgebiet der Vorrichtung entfernt liegt, und sie kann bei einer ausreichend tiefen Temperatur arbeiten, um Kohlenstoffablagerung zu verhindern. Die Röhren oder Kanäle für gasförmigen Komponenten sind auch in einer solchen Weise gekuppelt oder angeordnet, um Wärmetausch von heißem verbrauchtem Brennstoff zu einer reformierbaren Brennstoffmischung zu ermöglichen, was einen großen Teil der thermischen Energie des rezirkulierenden Brennstoffgases konserviert, während eine tiefe Düsentemperatur beibehalten wird, um Kohlenstoffablagerung zu verhindern. Diese Kombination, gekuppelt mit Reformiererkontakt, gestattet Benutzung des verbrauchten Brennstoffgases hoher Temperatur, um die endotherme Energieforderungen der reformierenden Reaktion zu liefern. Schlielich können die Primärgasdichtungen erweitert werden und in in einem kälteren Gebiet angeordnet werden, und Leichtigkeit des Abbaus und Ersatz der Unteranordnung 62 als eine Kassetteneinheit gestatten.

Claims

1. Elektrochemische Vorrichtung mit einem Einlaß für frischen gasförmigen Zufuhrbrennstoff, einem Einlaß für gasförmiges Zufuhroxidationsmittel, einem Rezirkulationskanal für heißen gasförmigen verbrauchten Brennstoff, einem getrennten Austrittskanal für verbranntes Auslaßgas, einer Generatorkammer, die eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen enthält, wobei jede Zelle eine äußere Brennstoffelektrode und eine innere Luftelektrode hat, einer Verbrennungskammer, und einer getrennten Reformierungskammer, die ein Reformierungsmaterial enthält, wobei eine Mischdüse (50) an dem Eingang zur Mischkammer angeordnet ist, wo der Mischkammerausgang sich mit der getrennten Reformierungskammer (54) verbindet, und die Eingangsöffnungen für reformierten Brennstoff die Reformierungskammer mit der Generatorkammer verbindet, und wo die Mischkammer (52) und die Mischdüse (50) außerhalb des Hauptkörpers der Vorrichtung liegen, im wesentlichen von der Verbrennungskammer (24) und der Generatorkammer (22) beabstandet, um Wärmeübertragung von dem Rezirkulationskanal für heißen verbrauchten Brennstoff zur Reformierungskammer zu gestatten, während die Mischdüse (50) unter 400ºC bleibt, was Kohlenstoffablagerung an der Mischdüse (50) beseitigt, dadurch gekennzeichnet, da der Rezirkulationskanal (46) für heißen verbrauchten Brennstoff, von dem ein Teil in Wärmekontakt mit der Außenseite der Mischkammer (52) und ein Teil auch in Kontakt mit der getrennten Reformierungskammer (54) ist, bevor er Wärmekontakt mit der Mischkammer hat, von der Generatorkammer (22) geht, um sich mit dem Einlaß für frischen Zufuhrbrennstoff an dem Eingang zur Mischkammer zu kombinieren, und die Mischkammer (52) und die Mischdüse (50) in Gestalt einer ersetzbaren Unteranordnungskassetteneinheit sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da die Kammern in einem Metallgehäuse liegen, das mit Isoliermaterial ausgekleidet ist, und wo die Mischkammer in Gestalt eines Verbreitungsmittels zwischen der Düse und der Reformierungskammer ist, wobei das Querschnittsgebiet des Verbreitungsmittels größer wird, während es vom Eingang in der Nähe der Düse zur Reformierungskammer fortschreitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemischen Zellen Brennstoffzellen sind, der frische gasförmige Zufuhrbrennstoff Erdgas ist, die Luftelektrode dotiertes LaMnO&sub3; enthält, der Elektrolyt ein mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumdioxid ist, und die Brennstoffelektrode ein Zirconiumdioxid-Nickelcermetmaterial enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da die Mischdüse ein Auswurfmechanismus ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da auch ein katalytisches Reformierungsmaterial auf den Zellen liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da ein Teil des Austrittskanal für verbranntes Auslaßgas die Außenseite der Reformierungskammer berührt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da sie mit einem gasförmigen Oxidationsmittel und einem frischen gasförmigen Zufuhrbrennstoff arbeitet.