-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme, die eine Vielzahl
von Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen verwenden, die eine
Festoxid-Elektrolytschicht
besitzen, die eine Anodenschicht von einer Kathodenschicht trennt;
insbesondere auf ein solches Brennstoffzellensystem, bei dem eine
Vielzahl von Zellen in einem Stapel mit einem Stromkollektor mit
positivem Anschluss und mit einem Stromkollektor mit negativem Anschluss
elektrisch in Reihe zusammengesetzt sind, um sie mit einer elektrischen
Last zu verbinden; und vor allem auf ein solches Brennstoffzellensystem,
bei dem der Stapel durch eine Abdeckung mit einem Wärmemantel versehen
ist und die Stromkollektoren von den Zellen unter einem Rand der
Abdeckung verlaufen.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Brennstoffzellen,
die durch die elektrochemische Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen
Strom erzeugen, sind wohl bekannt. In einer Form einer solchen Brennstoffzelle
sind eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht durch einen aus
einem Keramikfestoxid gebildeten Elektrolyten getrennt. Eine solche
Brennstoffzelle ist im Gebiet als eine "Festoxid-Brennstoffzelle" (SOFC) bekannt.
Entlang der Außenoberfläche der
Anode wird entweder reiner oder aus Kohlenwasserstoffen reformierter
Wasserstoff fließen
gelassen, der in die Anode diffundiert. Entlang der Außenoberfläche der
Kathode wird Sauerstoff, typisch aus der Luft, fließen gelassen,
der in die Kathode diffundiert. Jedes O2-Molekül wird aufgespalten
und durch die Kathode katalytisch in zwei O–2-Anionen
reduziert. Die Sauerstoffanionen werden durch den Elektrolyten transportiert
und ver binden sich an der Anode/Elektrolyt-Grenzfläche mit
vier Wasserstoffionen, um zwei Wassermoleküle zu bilden. Die Anode und
die Kathode sind extern über
eine Last verbunden, um den Stromkreis zu schließen, wodurch vier Elektronen von
der Anode zur Kathode übertragen
werden. Wenn durch "Reformieren" von Kohlenwasserstoffen wie
etwa Benzin in Anwesenheit von beschränktem Sauerstoff Wasserstoff
abgeleitet wird, enthält
das "Reformat"-Gas CO, das an der
Anode über
einen ähnlichen
Oxidationsprozess wie den, der an dem Wasserstoff ausgeführt wird,
in CO2 umgewandelt wird. In Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenanwendungen ist
ein üblicherweise
verwendeter Brennstoff reformiertes Benzin.
-
Eine
einzelne Zelle kann je nach Last eine verhältnismäßig kleine Spannung und elektrische Leistung,
typisch zwischen etwa 0,5 Volt und etwa 1,0 Volt je nach Last und
weniger als etwa 2 Watt pro cm2 Zellenoberfläche, erzeugen.
Somit ist es in der Praxis bekannt, eine Vielzahl von Zellen miteinander elektrisch
in Reihe zu stapeln. Da jede Anode und Kathode einen freien Raum
für den
Durchgang von Gas über
ihre Oberfläche
haben muss, sind die Zellen durch Umfangsabstandshalter getrennt,
die wahlweise wie gewünscht
entlüftet
werden, um den Fluss von Gas zu den Anoden und Kathoden zu ermöglichen,
während
sie an ihren axialen Oberflächen Dichtungen
bilden, um einen Gasleckverlust aus den Seiten des Stapels zu verhindern.
Die Umfangsabstandshalter können
dielektrische Schichten enthalten, um die Verdrahtungen voreinander
zu isolieren. Angrenzende Zellen sind durch "Verdrahtungs"-Elemente in dem Stapel elektrisch verbunden,
wobei die Außenoberflächen der
Anoden und Kathoden durch elektrische Kontakte, die in dem Gasflussraum
angeordnet sind, typisch durch einen Metallschaum, der leicht gasdurchlässig ist,
oder durch leitende Fäden mit
ihren jeweiligen Verdrahtungen elektrisch verbunden sind. Die äußersten
Verdrahtungen oder Endverdrahtungen des Stapels definieren elektrische
Anschlüsse
oder "Stromkollektoren", die über eine
Last verbunden werden können.
-
Ein
vollständiges
SOFC-System enthält
typisch Hilfsteilsysteme, unter anderem für die Anforderungen, durch
Reformieren von Kohlenwasserstoffen Brennstoff zu erzeugen; den
Reformatbrennstoff und die in den Stapel eintretende Luft zu temperieren;
Luft an den Kohlenwasserstoffreformer zu liefern; Luft zur Reaktion
mit Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel an die Kathoden zu
liefern; Luft zur Kühlung
des Brennstoffzellenstapels zu liefern; Verbrennungsluft an einen
Nachbrenner für
nicht verbrauchten Brennstoff zu liefern, der den Stapel verlässt; und
Kühlluft
an den Nachbrenner und an den Stapel zu liefern.
-
In
einem SOFC-System sind die Brennstoffzellenstapel typisch durch
eine Metallabdeckung eingeschlossen, die eine Wärmesperre und einen Kühlluftverteiler
um den Stapel bildet. Die Stromkollektoren an den gegenüberliegenden
elektrischen Enden des Stapels müssen
zum Verbinden mit einer Last zugänglich
sein, wobei die Elektrozuführungen
von den Stromkollektoren typisch durch Öffnungen in der Abdeckung geführt werden.
Da die Öffnungen
dann zuverlässig
und dauerhaft abgedichtet werden müssen, um das Stapelkühlgas einzuschließen, stellt
diese Vorgehensweise aber Probleme bei der Herstellung eines Brennstoffzellensystems.
Ferner muss das Verbinden der Stromzuführungen mit dem Stapel typisch
erfolgen, nachdem die Abdeckung an ihrer Stelle ist. Diese beiden
Aufgaben können
kompliziert und schwierig sein und zu einem Vollausfall des Brennstoffzellensystems
führen,
falls sie falsch oder unvollständig
erfolgen.
-
Benötigt wird
eine Anordnung der Stapel, Stromkollektoren, Stapelabdeckung und
Stromzuführungen,
die es ermöglichen,
den abgedeckten Sta pel zusammenzusetzen, ohne dass es erforderlich
ist, dass sich Elektrozuführungen
durch die Abdeckung erstrecken.
-
Es
ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Konstruktion
eines Festoxid-Brennstoffzellensystems zu vereinfachen, seine Kosten und
Größe zu verringern
und seine Gesamtintegrität als
eine Einzel-APU zu verbessern.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Zuverlässigkeit
und Sicherheit des Betriebs eines solchen Brennstoffzellensystems
zu erhöhen.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Kurz
beschrieben hat in einem Festoxid-Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellenstapel
eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die als zwei Stapel, die Seite
an Seite in einer hintereinander angeordneten Konfiguration angeordnet
sind, in Reihe geschaltet sind, wobei sie über ein Ende in Reihe geschaltet
sind und an dem anderen Ende Kathoden- und Anodenstromkollektoren
besitzen, die Seite an Seite an einer Stapelbasis angeordnet sind,
wobei der Kathodenstromkollektor ein Ende zu einem Stapel bildet,
während
der Anodenstromkollektor ein Ende zu dem anderen Stapel bildet.
Jeder Stromkollektor ist eine flache Platte, die größer als
die Grundfläche
ihres jeweiligen Stapels ist und sich von der Stapelgrundfläche erstreckt.
Die Stapel umgibt ein Abdeckdichtungsflansch, der so gebildet ist,
dass um die Stapel ein Wärmemantel
gebildet ist, wenn die Abdeckung an ihrer Stelle ist. Die Stromkollektoren sind
vor dem Abdeckflansch und vor der Abdeckung elektrisch isoliert
und erstrecken sich von dem Flansch zum elektrischen Anschluss an
eine Last nach außen.
Vorzugsweise ist eine Stromzuführung etwa
durch Löten
oder Schweißen
metallurgisch an jedem Stromkollektor befestigt. Diese Anordnung
ermög licht,
dass die Stapel vollständig
zusammengesetzt werden und die Stapelabdeckung an ihrer Stelle befestigt
und abgedichtet wird, ohne dass Elektrozuführungen durch die Öffnungen
in der Abdeckung geführt
werden müssen,
die nachfolgend abgedichtet werden müssen.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden umfassender
aus der folgenden Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen
der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verständlich und
klar, in denen:
-
1 eine
schematische Querschnittsansicht eines Zweizellenstapels von Festoxid-Brennstoffzellen
ist;
-
2 ein
schematisches Mechanisierungsdiagramm eines SOFC-Systems in Übereinstimmung mit
der Erfindung ist;
-
3 eine
isometrische Ansicht von oben einer Zweistapel-Brennstoffzellen-Baueinheit
ist, die zwischen zwei Stromkollektoren elektrisch in Reihe geschaltet
gezeigt ist;
-
4 eine
isometrische Ansicht wie die in 3 mit einer
Abdeckung, die die Stapel umschließt, ist;
-
5 eine
Aufrissquerschnittsansicht längs der
Linie 5-5 in 4 ist;
-
6 eine
Aufrissquerschnittsansicht längs der
Linie 6-6 in 4 ist;
-
7 eine äquatoriale
Querschnittsansicht längs
der Linie 7-7 in 4 ist;
-
8 eine
isometrische Ansicht von oben ist, die eine Brennstoffzellenbaueinheit
zeigt, die die Vorrichtung aus 4 angebracht
an einem Verteiler in Übereinstimmung
mit der Erfindung gemeinsam mit einer Reformierungs-, Verbrennungs-
und Wärmetauscherbaueinheit
zur Bedienung der Brennstoffzellenstapel umfasst;
-
9 eine
isometrische Ansicht von oben ist, die die Brennstoffzellenbaueinheit
aus 8 angebracht in dem unteren Element einer Wärmehülle zeigt;
-
10 eine
isometrische Ansicht von oben einer Luftzufuhrbaueinheit zum steuerbaren
Liefern von Luft an die in den 8 und 9 gezeigte Brennstoffzellenbaueinheit
ist;
-
11 eine
isometrische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems
in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist, die die Luftzufuhrbaueinheit aus 10 angeordnet
in einer Bauhülle
zeigt und die die Brennstoffzellenbaueinheit aus 9 sowohl
durch das obere als auch durch das untere Element einer Wärmehülle vollständig umschlossen zeigt;
-
12 eine
isometrische Ansicht von oben eines vollständig zusammengesetzten Brennstoffzellensystems
in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist;
-
13 eine
isometrische Explosionsdarstellung von vorn ist, die einen Mehrelement-Grundflächenverteiler
in Übereinstimmung
mit der Erfin dung zum Verteilen von Luft und Reformatbrennstoff
sowie Abgasprodukten durch und um die Brennstoffzellenstapel wie
in 8 gezeigt zeigt;
-
14 eine
isometrische Ansicht von hinten ist, die den Verteiler aus 13 teilweise
zusammengesetzt zeigt;
-
15 eine
isometrische Ansicht von hinten ist, die den Verteiler aus 13 weiter
zusammengesetzt zeigt;
-
16 eine
Draufsicht der unteren Ebene der Kammern ist, die durch die in 13 gezeigten zwei
unteren Elemente gebildet sind;
-
17 eine
Draufsicht der oberen Ebene der Kammern ist, die durch das dritte
und vierte Element, die in 13 gezeigt
sind, gebildet sind; und
-
18 eine
Draufsicht des in 13 gezeigten obersten Elements
ist, die die Befestigungsfläche für die in 8 gezeigte
Vorrichtung zeigt.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Wie
in 1 gezeigt ist, enthält ein Brennstoffzellenstapel 10 Elemente,
die im Gebiet von Festoxid-Brennstoffzellenstapeln, die mehr als
eine Brennstoffzelle umfassen, bekannt sind. Das gezeigte Beispiel
enthält
zwei gleiche Brennstoffzellen 11, die in Reihe geschaltet
sind, und gehört
dadurch, dass die Anode ein Bauelement ist, auf dem der Elektrolyt
und die Kathode abgelagert sind, zu einer Klasse solcher Brennstoffzellen,
die "anodengestützt" genannt werden.
Die wie gezeigten Elementdicken sind nicht maßstabsgerecht.
-
Jede
Brennstoffzelle 11 enthält
ein Elektrolytelement 14, das ein Anodenelement 16 und
ein Kathodenelement 18 trennt. Jede Anode und Kathode ist
in direktem chemischen Kontakt mit ihrer jeweiligen Oberfläche des
Elektrolyten und jede Anode und Kathode besitzt eine jeweilige freie
Oberfläche 20, 22,
die eine Wand eines jeweiligen Durchgangs 24, 26 für den Fluss
von Gas durch die Oberfläche
bildet. Die Anode 16 einer Brennstoffzelle 11 ist
durch Fäden
bzw. Filamente 30, die durch den Durchgang 24 verlaufen,
ihn aber nicht versperren, einer Verdrahtung 28 zugewandt
und elektrisch mit ihr verbunden. Ähnlich ist die Kathode 18 der
Brennstoffzelle 11 durch Fäden 30, die durch
den Durchgang 26 verlaufen, ihn aber nicht versperren,
der Verdrahtung 28 zugewandt und elektrisch mit ihr verbunden. Ähnlich ist die
Kathode 18 einer zweiten Brennstoffzelle 11 durch
Fäden 30,
die durch den Durchgang 26 verlaufen, ihn aber nicht versperren,
einem Kathodenstromkollektor 32 zugewandt und mit ihm elektrisch verbunden
und ist die Anode 16 der Brennstoffzelle 11 durch
Fäden 30,
die durch den Durchgang 24 verlaufen, ihn aber nicht versperren,
einem Anodenstromkollektor 34 zugewandt und elektrisch
mit ihm verbunden. Die Stromkollektoren 32, 34 können über eine
Last 35 verbunden sein, damit der Brennstoffzellenstapel 10 elektrische
Arbeit verrichtet. Durch Anodenabstandshalter 36 sind zwischen
dem Umfang der Anode 16 und entweder der Verdrahtung 28 oder dem
Anodenstromkollektor 34 Durchgänge 24 gebildet. Durch
Kathodenabstandshalter 38 sind zwischen dem Umfang des
Elektrolyten 14 und entweder der Verdrahtung 28 oder
dem Kathodenstromkollektor 32 Durchgänge 26 gebildet. Der
Anodenabstandshalter 36 und der Kathodenabstandshalter 38 sind
in der Weise aus Blechmaterial gebildet, dass sie die gewünschte Höhe der Anodendurchgänge 24 und
der Kathodendurchgänge 26 liefern.
-
Die
Verdrahtung und die Stromkollektoren sind vorzugsweise aus einer
Legierung, typisch aus einer "Superlegierung", die bei den erhöhten Temperaturen,
die für
den Brennstoffzellenbetrieb notwendig sind, allgemein etwa 750°C oder höher, chemisch stabil
und dimensionsstabil ist, z. B. aus Hastelloy, Haynes 230 oder rostfreiem
Stahl, gebildet. Der Elektrolyt ist aus einem Keramikoxid gebildet
und enthält vorzugsweise
mit Yttriumoxid (Yttria) stabilisiertes Zirkoniumdioxid, das im
Gebiet als YSZ bekannt ist. Die Kathode ist z. B. aus porösem Lanthanstrontiummanganat
oder Lanthanstrontiumeisen gebildet, während die Anode z. B. aus einem
Gemisch von Nickel und YSZ gebildet ist.
-
Im
Betrieb (1) wird an die Durchgänge 24 an
einem ersten Rand 25 der freien Anodenoberfläche 20 Reformatgas 21 geliefert,
das parallel zu der Oberfläche
der Anode in einer ersten Richtung über die Anode fließt und an
einem zweiten und gegenüberliegenden
Rand 29 der Anodenoberfläche 20 entfernt wird.
Wasserstoff und CO diffundieren zu der Grenzfläche mit dem Elektrolyten in
die Anode. An einem ersten Rand 39 der freien Kathodenoberfläche 22 wird
den Durchgängen 26 Sauerstoff 31,
typisch in Luft, zugeführt,
der parallel zu der Oberfläche
der Kathode in einer zweiten Richtung, die orthogonal zu der ersten
Richtung des Reformats sein kann (wobei in 1 zur Klarheit
die zweite Richtung in der gleichen Richtung wie die erste gezeigt
ist), fließt
und an einem zweiten und gegenüberliegenden
Rand 43 der Kathodenoberfläche 22 entfernt wird.
Molekulares Sauerstoffgas (O2) diffundiert
in die Kathode und wird katalytisch zu zwei O–2-Anionen
reduziert, indem es über
die Fäden 30 vier
Elektronen aus der Kathode und aus dem Kathodenstromkollektor 32 oder
aus der Verdrahtung 28 aufnimmt. Der Elektrolyt leitet oder
transportiert ionisch O–2-Anionen an die Anodenelektrolytinnenseite,
wo sie mit vier Wasserstoffionen kombinieren, um zwei Wassermoleküle zu bilden,
wobei er über
die Fäden 30 vier Elektronen
an die Anode und an den Anodenstromkollektor 34 oder an
die Verdrahtung 28 abgibt. Somit sind die Zellen 11 zwischen
den zwei Stromkollektoren elektrisch in Reihe geschaltet, wobei
die Gesamtspannung und elektrische Gesamtleistung zwischen den Stromkollektoren
die Summe der Spannung und der elektrischen Leistung der einzelnen
Zellen in einem Brennstoffzellenstapel ist.
-
Wie
in 2 gezeigt ist, enthält ein schematisches Mechanisierungsdiagramm
eines Festoxid-Brennstoffzellensystems 12 in Übereinstimmung mit
der Erfindung Zusatzausrüstung
und -steuerungen.
-
Eine
herkömmliche
Hochgeschwindigkeits-Lufteinlasspumpe 48 saugt Einlassluft 50 durch ein
Luftfilter 52 an einem ersten MAF-Sensor 54 vorbei,
durch einen Schalldämpfer 56 und
durch ein Kühlabdeckblech 58,
das die Pumpe 48 umgibt.
-
Die
Luftabgabe 60 von der Pumpe 48 mit einem durch
einen Drucksensor 61 abgetasteten Druck wird zunächst zwischen
einer Zufuhr 62 und einer Zufuhr 72 in Zweigrohre
getrennt. Die Zufuhr 62 geht als Brennerkühlluft 64 über einen
zweiten MAF-Sensor 68 und ein Brennerkühlluft-Steuerventil 70 zu
einem Abgasnachbrenner 66 mit einem Zünder 67.
-
Die
Zufuhr 72 wird zwischen einer Anodenluftzufuhr 74 und
einer Kathodenluftzufuhr 75 weiter in Zweigleitungen geteilt.
Die Anodenzufuhr 74 geht über einen dritten MAF-Sensor 78 und
ein Reformer-Luftsteuerventil 80 zu
einem Kohlenwasserstoff-Brennstoffverdampfer 76. Ein Teil
der Anodenluftzufuhr 74 kann durch das Steuerventil 82 über die Kühlseite 83 des
Reformat-Vorheizungs-Wärmetauschers 84 steuerbar
umgeleitet und daraufhin mit dem nicht temperierten Teil wiedervereinigt
werden, so dass die Zufuhr 74 auf ihrem Weg zum Verdampfer 76 auf
eine gewünschte
Temperatur temperiert wird. Unterstromig vom Verdampfer 76 befindet
sich ein Startbrenner 77 mit einem Zünder 79. Wenn der Reformer
während
des Starts kalt oder weit unterhalb der Betriebstemperatur ist,
wird verdampfter Brennstoff im Brenner 77 gezündet und
das verbrannte Gas direkt durch den Reformer geleitet, um die Platten
darin schneller zu erwärmen.
Offensichtlich ist der Startbrenner während des normalen Betriebs
des Systems deaktiviert.
-
Die
Kathodenluftzufuhr 75 wird durch das Kathodenluftsteuerventil 86 gesteuert
und kann durch das Kathodenluft-Vorheizungs-Umgehungsventil 88 über die
Kühlseite 90 des
Kathodenluft-Vorheizungs-Wärmetauschers 92 auf
seinem Weg zu den Stapeln 44, 46 steuerbar umgeleitet
werden. Nachdem die teilweise verbrauchte, erwärmte Luft 93 über die
Kathodenseiten der Zellen in den Stapeln 44, 46 geleitet
wurde, wird sie dem Brenner 66 zugeführt.
-
Eine
Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Zufuhrpumpe 94 saugt Brennstoff
aus einem Lagertank 96 und liefert den Brennstoff über einen
Druckregler 98 und einen Filter 100 an eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 102,
die den Brennstoff in den Verdampfer 76 einspritzt. Der
eingespritzte Brennstoff wird mit der Luftzufuhr 74 vereinigt,
verdampft und einem Reformerkatalysator 104 im Hauptbrennstoffreformer 106 zugeführt, der
den Brennstoff hauptsächlich
zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert. Das Reformat 108 vom
Katalysator 104 wird den Anoden in den Stapeln 44, 46 zugeführt. Nicht
verbrauchter Brennstoff 110 von den Anoden wird dem Nachbrenner 66 zugeführt, wo
er mit Luftzufuhren 64 und 93 vereinigt und verbrannt
wird. Wenn die Gase unter der Selbstzündungstemperatur sind, werden
sie durch den Zünder 67 gezündet. Die
heißen
Brennergase 112 werden durch einen Reinigungskatalysator 114 im
Hauptreformer 106 geleitet. Der Abfluss 115 aus
dem Katalysator 114 wird durch die heißen Seiten 116, 118 der
Wärmetauscher 84 bzw. 92 geleitet, um
die ankommende Kathoden- und Anodenluft zu erwärmen. Der teilweise abgekühlte Abfluss 115 wird einem
Verteiler 120 zugeführt,
der die Stapel 44, 46 umgibt, von wo er schließlich entleert
wird 122.
-
Noch
weiter anhand von 2 sind in dem Rohr, das den
Anoden (nicht sichtbar) in den Stapeln 44, 46 das
Reformat 108 zuführt,
ein erstes Rückschlagventil 150 und
eine erste Sauerstoffgettervorrichtung 124 vorgesehen. Ähnlich sind
in dem Rohr, das dem Nachbrenner 66 das verbrauchte Reformat 110 von
den Anoden zuführt,
ein zweites Rückschlagventil 152 und
eine zweite Sauerstoffgettervorrichtung 126 vorgesehen.
Wie oben beschrieben wurde, ist es während des Abkühlens der
Brennstoffzellenstapel nach dem Herunterfahren der Baueinheit wichtig,
eine Wanderung von Sauerstoff in die Anodendurchgänge 24 zu
verhindern, wobei die Anodenoberfläche 20, die metallisches
Nickel umfasst, einer schädigenden
Oxidation ausgesetzt wäre.
Jedes Rückschlagventil
enthält
einen typischen kegelstumpfförmigen
Ventilsitz 154, der eine Ventilkugel 156 aufnimmt.
Vorzugsweise ist jedes Ventil 150, 152 in dem
Durchgang 12 so ausgerichtet, dass die Kugel durch die
Schwerkraft in dem Sitz gehalten wird, wenn das Reformat in Vorwärtsrichtung
durch das System fließt.
Somit öffnet
der Brennstofffluss das Ventil ausreichend, damit der Brennstoff
in der Vorwärtsrichtung
durchgeht. Wenn die Baueinheit 12 heruntergefahren wird,
wird jedes Ventil durch die Schwerkraft geschlossen. Da der Sauerstoff
im Ventil 152 entgegengesetzt zum Reformat, im Ventil 150 aber
in der gleichen Richtung wie das Reformat fließt, brauchen die Ventile nicht
völlig
gleich zu sein; somit können
die Kugeln und Sitze andere Gewichte und/oder Größen erfordern, damit sie wie
beabsichtigt funktionieren. Jeder Getter 124, 126 enthält einen Durchgang 128 mit
einem Einlass 130 und einem Auslass 132, durch
den das Reformat während
des Betriebs der Brennstoffzellenbaueinheit geleitet wird. In dem
Durchgang befindet sich ein leicht oxidierbares Material 134 (ein
Sauerstoffreduktionsmittel), z. B. Nickelmetallschaum, Nickeldraht
oder ein Nickelnetz, das durch die Reaktion damit Sauerstoff gettern kann,
für den
Fluss des Reformats durch die Kammer aber ein kein erhebliches Hindernis
darstellt. Wenn die Baueinheit heruntergefahren wird, reagiert das Nickel
in dem Getter mit Sauerstoff, um Nickeloxid NiO zu erzeugen, und
schützt
somit die nickelhaltigen Anoden vor der Oxidation. Wenn die Baueinheit wieder
eingeschaltet wird, wird wieder Reformat erzeugt, das beim Durchgang
durch die Getter das NiO zurück
zu metallischem Nickel reduziert, was es ermöglicht, die Getter wiederholt
zu verwenden.
-
Zur
Klarheit der Darstellung und um das Verständnis des Lesers zu verbessern,
sind die Bezugszeichen der Elemente der Erfindung, wie sie weiter unten
dargestellt werden, je nach der Funktionsbaueinheit, in der die
Elemente auftreten, in Hunderterreihen gruppiert; somit können die
oben erwähnten
und in den 1 und 2 gezeigten
Elemente verschiedene Bezugszeichen haben, wenn sie im Folgenden
gezeigt und diskutiert werden, wobei z. B. die Stapel 44, 46 zu
den Stapeln 344, 346 werden.
-
Wie
in den 3 bis 7 gezeigt ist, sind die Zellen 311 in
einer Brennstoffzellenstapel-Baueinheit 300 in Übereinstimmung
mit der Erfindung Seite an Seite angeordnet und können jeweils
mehrere Zellen 311 umfassen, so dass sowohl der erste Stapel 344 als
auch der zweite Stapel 346 ein Stapel gleicher Brennstoffzellen 311 ist.
Die Vielzahl der Zellen ist vorzugsweise in jedem der zwei Stapel
etwa 30. Die Zellen 311 im Stapel 344 und im Stapel 346 sind
durch die Verdrahtung 347 elektrisch in Reihe geschaltet
und die Stapel sind mit dem Kathodenstromkollektor 332 und
mit dem Anodenstromkollektor 334 an der Unterseite der
Stapel in Reihe geschaltet. Die Stromkollektoren sind so bemessen, dass
sie eine "Grundfläche" haben, die sehr
nahe die gleiche Abmessung wie ein Abdeckdichtungs flansch 340 haben.
Vorzugsweise werden die Stromkollektoren haftend mit einer Stapelbefestigungsplatte 338 abgedichtet,
während
die Stapel vorzugsweise ihrerseits mit den Stromkollektoren haftend
abgedichtet werden. Daraufhin werden der Dichtungsflansch 340 für die Abdeckung 342 und
die Kappe 343 angebracht und mit den Stromkollektorplatten
abgedichtet. Eine Dichtung 341 zwischen dem Flansch 340 und
den Stromkollektoren ist ein Dielektrikum, so dass der Flansch 340 keinen
Kurzschluss zwischen den Stromkollektoren verursacht. An den Stromkollektoren 332 bzw. 334 sind
durch feste, zuverlässige und
hochleitende metallurgische Verbindungen wie etwa Lötungen Stromzuführungen 350, 352 befestigt. Auf
diese Weise können
die Stromkollektoren unter dem Abdeckbefestigungsflansch 340 geführt werden,
wobei keine zusätzliche
Abdeckung oder Stromzuführungsbefestigung
erforderlich ist und wobei sie nicht wie in einigen Stapelbaueinheiten
des Standes der Technik unerwünscht
durch die Abdeckung selbst geführt
zu werden brauchen. Das Führen
der Zuführungen
durch die Abdeckung macht die Baueinheit komplizierter und weniger
zuverlässig.
-
Wie
in 8 gezeigt ist, umfasst eine Brennstoffzellenbaueinheit 400 in Übereinstimmung
mit der Erfindung eine Stapelbaueinheit 300, die funktional an
einer integrierten Brennstoff/Luft-Verteilerbaueinheit 500 angebracht
ist, die außerdem
einen ersten und einen zweiten Kathodenluft-Wärmetauscher 600 und
eine integrierte Brennstoffreformer- und Energieüberschuss-Wiedergewinnungseinheit
("reforWER") 1100 unterstützt. Wie
im Folgenden beschrieben wird, empfängt die Baueinheit 400 Luft
vom Luftzufuhrsystem 900 (10–12)
und heizt die zu dem Reformer gehende Luft wahlweise vor. Der reforWER 1100 reformiert
Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie etwa Benzin zu Reformatbrennstoff,
der hauptsächlich
Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe mit niedrigem
Molekulargewicht umfasst, temperiert die Luft und das Reformat,
die in die Stapel eintreten, verbrennt wahlweise in dem Stapel nicht
verbrauchten Brennstoff, gewinnt in verschiedenen inneren Prozessen
erzeugte Wärmeenergie
wieder, die ansonsten verschwendet würde, und entleert verbrauchte
Luft und verbrauchtes Wasser, wobei er dies alles tut, um über die
(in 8 nicht sichtbaren) Stromzuführungen 350, 352 effizient
ein elektrisches Gleichspannungspotential zu erzeugen.
-
Wie
in den 9 und 11 gezeigt ist, umfasst die
Hülle der
Brennstoffzellenbaueinheit zwei verschachtelte Hüllen: eine Wärmehülle 700 und eine
Bauhülle 800.
Zunächst
wird die Brennstoffzellenbaueinheit 400 in einer "zweischaligen" Wärmehülle 700 angeordnet,
die einen unteren Abschnitt 702 und einen oberen Abschnitt 704 umfasst,
die wiederum in einer Bauhülle 800 angeordnet
sind. Die Trennlinie 706 zwischen dem unteren Abschnitt 702 und
dem oberen Abschnitt 704 wird leicht so angeordnet, dass
alle Rohre, Verteiler, Wellen, Stromzuführungen usw., die zwischen
der "heißen Zone" 716 in
der Wärmehülle und
der "kühlen Zone" 816 in
der Bauhülle
geführt
werden müssen,
dies in der Mitte der Trennlinie 706 tun. Dies sichert
eine leichte Montage der heißen
Komponenten in dem Wärmegehäuse. Zunächst werden
alle Komponenten der heißen Zone,
die in der Baueinheit 400 enthalten sind, in den unteren
Abschnitt 702 niedergelassen, der mit einer angepassten
Wand 708 versehen sein kann, um die Baueinheit 400 wie
in 9 gezeigt festzuhalten und zu dämpfen. Die
Berührungsfläche 710 des
unteren Abschnitts 702 ist entlang der Trennlinie 706 so
konfiguriert, wie es erforderlich ist, um die unteren Hälften der
durch die Hülle 700 verlaufenden
Komponenten unterzubringen. Der obere Abschnitt 704 ist
so konfiguriert, dass er mit dem unteren Abschnitt 702 passend
in Eingriff ist. Der obere Abschnitt 704 wird auf dem unteren
Abschnitt 704 angeordnet und kann auf Wunsch entlang der
Linie 706 damit abgedichtet werden. Die Wärmehülle 700 kann
aus irgendeinem geeigneten hochwirksam abdichtenden Hochtemperaturisoliermaterial sein,
wie es im Gebiet der Isolation bekannt ist, und kann ein Verbundwerkstoff
einschließlich
eines Leichtmetallgehäuses
sein. Der Bereich geeigneter Isoliermaterialien wird dadurch erweitert,
dass die durch Bereitstellung einer getrennten Bauhülle 800 hervorgebrachte
Beschränkung
der Gesamtbaufestigkeit beseitigt wird.
-
Die
Bauhülle 800 wird
vorzugsweise z. B. aus einem dickeren Metall, um Baufestigkeit zu schaffen,
und in einer einfachen Form wie etwa einem Kasten mit entfernbarem
Deckel zur Erleichterung der Herstellung hergestellt. Merkmale wie
etwa Klammern, Zapfen, elektrische Verbinder, Zapfen, Schweißmuttern,
Lufteinlasskanäle
und Auslasskanäle
können
z. B. Teil des Baugehäuses
sein, um Innenkomponenten daran anzubringen und das System mit Außenstrukturen
zu verbinden. Außerdem können bei
der Hülle
Merkmale zur Schwingungs- und Stoßisolation (nicht gezeigt)
vorgesehen sein.
-
Die
Luftsteuerbaueinheit 900 wird mit den durch die Trennlinie 706 vorstehenden
Elementen der Brennstoffzellenbaueinheit 400 verbunden,
woraufhin die Baueinheiten 700, 900 wie in 12 gezeigt
in die Bauhülle 800 eingebaut
werden, um ein Brennstoffzellensystem 1000 in Übereinstimmung mit
der Erfindung zu bilden. Vorzugsweise wird das Steuersystem 200 (das
in 2 schematisch als Leistungsanpasseinheit 202,
Schaltungsschutz-E/A 204, Treiber 206 und elektronische
Steuereinheit 208 gezeigt ist, in 12 aber
nicht sichtbar ist) ebenfalls integriert in das System mit der Kühlzone 816 eingebaut,
um die Anzahl diskreter Signale 210 zu minimieren, die über den
Verbinder 820 durch die Hülle 800 geführt werden
müssen.
Außerdem
wird angemerkt, dass die Hochstromkapazitäts-Stromzuführungen über die Doppelverbinder 821 ebenfalls
durch die Hülle 800 geführt werden.
-
Wie
in den 13 bis 18 gezeigt
ist, empfängt
eine integrierte Brennstoff/ Luft-Verteilerbaueinheit 500 über biegsame
Balgelemente Luft von der Luftzufuhrbaueinheit 900 und
reformierten Brennstoff von der Reformerbaueinheit 1100 und
befördert
Heißluft,
Abgas und wasserstoffreichen Reformatbrennstoff zu und von den Kernkomponenten
des Systems. Die Grundflächenverteilerbaueinheit 500 ist
in 13 in der Weise gezeigt, dass sie eine dreidimensionale
Baueinheit aus drei durchlochten Platten und zwei unterteilten Elementen
umfasst, die leicht und preiswert gebildet werden können und
ein Zweiebenennetz aus Durchlässen
umfassen, die die Anbringung, die enge Kopplung und den Einbau entscheidender
Brennstoffzellen-Systemkomponenten einschließlich Wärmetauschern, Brennern, Brennstoffreformern,
Festoxid-Brennstoffzellenstapeln, Rückschlagventilen, Gewindeeinsätzen und
Katalysator- und Nichtkatalysatorfiltern ermöglichen. Obgleich der Einfachheit
halber ein Fünfkomponentenverteiler
gezeigt ist, können
im Umfang der Erfindung natürlich
irgend zwei der durchlochten Platten offensichtlich durch geeignete
und offensichtliche Gieß- oder
Formprozesse in die unterteilten Elemente integriert werden, so
dass der Verteiler nur drei Elemente umfasst.
-
Es
wird angemerkt, dass der Verteiler 500 tatsächlich zwei
spiegelbildliche Verteiler 500-1, 500-2 umfasst,
die einige gemeinsame Merkmale, z. B. die Kathodenluftrückgabe von
den Stapeln, besitzen. Somit fließt der Reformatbrennstoff von
der reforWER-Einheit 1100 in zwei parallelen Strömen zu den
Stapeln 344 und 346 und wird in zwei parallelen Strömen zum
reforWER 1100 zurückgegeben. Gleichfalls
ist der Kathodenluftfluss von der Luftzufuhrbaueinheit 900 in
zwei parallele Ströme
geteilt und tritt über
spiegelbildliche Kupplungen 902-1 und 902-2 (8–10 und 13)
in jeden Verteiler 500-1, 500-2 ein. Somit ist
zu sehen, dass die Brennstoffzellenstapel 344, 346 der
Brennstoffzellenbaueinheit 400 elektrisch in Reihe geschaltet
sind, jedoch durch parallele Gasflüsse bedient werden.
-
Der
Einfachheit der Darstellung und Diskussion halber sind die folgende
Konstruktion und Funktion außer
dort, wo die Funktionen eindeutig sind, auf den Verteiler 500-1 gerichtet,
wobei sie aber auf den spiegelbildlichen Verteiler 500-2 selbstverständlich gleichfalls
anwendbar sein sollten.
-
Die
untere Platte 502 ist die Grundplatte für den Verteiler und bildet
die Unterseite für
verschiedene durch Kombination der Platte 502 mit dem unteren unterteilten
Element 504 gebildete Kammern, wobei sie wie in 16 gezeigt
ein unteres Verteilungselement 505 definiert. Die Zwischenplatte 506 vervollständigt die
Kammern im Element 504 und bildet die untere Platte für das obere
unterteilte Element 508, das ein oberes Verteilungselement 509 definiert.
Die oberste Platte 510 vervollständigt die Kammern im Element 508 und
bildet die Montagebasis für
die Brennstoffzellenbaueinheit 300, für die Wärmetauscher 600 und
für die
reforWER-Einheit 1100,
wie sie oben beschrieben wurden.
-
Im
Betrieb tritt Luft über
die Kupplung 902-1 in die erste untere Kammer 512 ein,
strömt
durch die Schlitze 514-1, 514-2, 514-3 in
den Wärmetauscher 600-1 nach
oben, durch den Wärmetauscher,
wo die Luft herkömmlich
wie im Folgenden beschrieben erwärmt
wird, durch den Schlitz 516-3 in eine erste obere Kammer 518 nach
unten, von dort durch die Öffnung 520 in
der Platte 506 in eine zweite untere Kammer 522.
In der Kammer 518 wird die erwärmte Luft steuerbar mit Kühlluft gemischt,
die über
die Umgehungsverbindung 904-1 von der Luftzufuhrbaueinheit 900 in
die Kammer eintritt. Die temperierte Luft strömt aus der Kammer 522 durch
die Öffnung 524 in der
Platte 506 nach oben in eine Kammer 526, die eine
Kathodenzufuhr-Sammelkammer definiert, um Reaktions- und Kühlluft durch
die Schlitzöffnungen 528 nach
oben zu den Kathodenluftfluss-Durchlässen im Stapel 344 zuzuführen. Die
verbrauchte Luft wird von den Kathoden durch Schlitzöffnungen 530 in eine
Kathodenrückgabe-Sammelkammer 532 zurückgegeben
und fließt
durch eine Öffnung 534 in
der Platte 506 in einen gemeinsamen Kathodenluft-Rückhauptkanal 536,
der in einen Abgasbrenner 1102 im reforWER 1100 führt, nach
unten.
-
Das
heiße
Reformat vom reforWER 1100 tritt durch die Öffnung 538 in
der obersten Platte 510 in den Verteiler 500-1 ein
und fließt
in die Kammer 540, von dort durch eine Öffnung 542 in einen
Zufuhrhauptkanal 544 nach unten und durch eine Öffnung 546 in
eine Kammer 548, die eine Anodenzufuhr-Sammelkammer für den Stapel 344 definiert, nach
oben.
-
Vorzugsweise
definiert die Öffnung 546 einen
Sitz für
ein Ventil mit einer Kugel 550 (14), die
vorzugsweise durch Schwerkraft an ihrer Stelle gehalten wird, um
den Fluss von Reformat während des
Betriebs zu ermöglichen,
jedoch den Fluss von Sauerstoff in die Anoden zu verhindern, wenn
das System heruntergefahren wird. Ferner enthalten die Kammern 544 und/oder 548 vorzugsweise
ein mit Sauerstoff reaktionsfähiges
Material (in 2 nicht gezeigt, aber als 134 angegeben)
wie etwa Nickelwolle, durch das das Reformat leicht geführt werden kann,
das aber von irgendeinem Sauerstoff, der auf seinem Weg zu den Anoden
an der Kugel 550 vorbeigeht, reinigen kann.
-
Vorzugsweise
sind die Kathodenzufuhrkammer 522 und die Anodenzufuhrkammer 544 so
konfiguriert, dass sie die Fläche
der gemeinsamen Wand zwischen ihnen maximieren, so dass die Kammern 522, 544 einen
Wärmetauscher
mit gemeinsamem Fluss definieren, der dazu neigt, die Temperaturdifferenz
zwischen der Kathodenzufuhrluft und dem Anodenzufuhrreformat zu
verringern.
-
Das
Reformat fließt
aus der Kammer 548 durch die Schlitze 552 in die
Anodenflussdurchgänge im
Stapel 344 nach oben. Das verbrauchte Reformat ("Abgas") fließt durch
die Schlitze 544 in eine Anodenrückgabe-Sammelkammer 556 nach unten
und von dort durch eine Öffnung 558 in
einen Reformatrückgabe-Hauptkanal 560 nach
unten. Aus dem Hauptkanal 560 fließt das verbrauchte Reformat durch
die Öffnung 562 in
die lang gestreckte Kammer 564, die gemeinsam mit dem Verteiler 500-2 ist,
nach oben und von dort durch Öffnungen 566 in
den Abgasbrenner im reforWER 1100. Vorzugsweise ist die Öffnung 562 ebenfalls
als eine rückschlagventilsitzartige Öffnung 546 zur
Aufnahme einer Rückschlagkugel 563 gebildet,
die vorzugsweise durch die Schwerkraft an ihrer Stelle gehalten
wird, um den Rückfluss von
Wasserstoff in die Anoden zu verhindern, wenn das System heruntergefahren
wird. Ferner enthalten die Kammern 556 und/oder 560 vorzugsweise
wie die Kammer 548 ein mit Sauerstoff reaktionsfähiges Material
(nicht gezeigt, in 2 aber als 134 angegeben)
wie etwa Nickelwolle, durch das das Abgas leicht geführt werden
kann, das aber von irgendeinem Sauerstoff, der auf seinem Weg zu
den Anoden an der Kugel 563 vorbeigeht, reinigen kann.
-
Das
verbrannte Abgas von dem Brenner tritt über den Schlitz 568-3 in
den Verteiler 500-1 ein und fließt über die Schlitze 568-2, 568-1 in
die untere Kammer 570 und von dort durch die Öffnung 572 in die
Kammer 574, die als eine Zufuhrsammelkammer für den Kathodenluft-Wärmetauscher 600-1 wirkt. Das
verbrannte Abgas strömt
aus der Kammer 574 durch die Öffnungen 576 und durch
den Wärmetauscher 600-1 nach
oben und erwärmt
somit ankommende Kathodenluft, wobei es durch die Öffnungen 578 in
die Kammer 580 und von dort über die Öffnungen 582 in einen
Temperierungsmantelraum 354 (7) zurückkehrt,
der den Stapel 344 zwischen den Brennstoffzellen 311 und
der Abdeckung 342 umgibt. Somit wird der Stapel durch das
Abgas temperiert. Das verbrannte Abgas kehrt aus dem Mantel 354 über die Öffnungen 584 in
eine Abgassammelkammer zurück,
die die Öffnungen 586-3, 586-2, 586-1 umfasst
und durch das Abgasrohr 588 und den Rohrflansch 590 zur
Atmosphäre
entlüftet
ist.
-
Ein
SOFC-System 1000 in Übereinstimmung mit
der Erfindung ist besonders nützlich
als eine Zusatzenergieeinheit (APU) für Fahrzeuge 136 (12),
in die eine APU eingebaut werden kann, wie etwa Auto, Transporter,
Lastkraftwagen, Boote bzw. Schiffe und Flugzeuge, bei denen die
Antriebskraft durch einen herkömmlichen
Motor geliefert wird, während
die Zusatzanforderungen an elektrische Energie durch ein SOFC-System
erfüllt
werden.
-
Eine
SOFC-Baueinheit in Übereinstimmung mit
der Erfindung ist außerdem
nützlich
als ein stationäres
Kraftwerk wie etwa z. B. in einem Haushalt oder zur kommerziellen
Nutzung.
-
Obgleich
die Erfindung mit Bezug auf verschiedene spezifische Ausführungsformen
beschrieben wurde, soll die Erfindung selbstverständlich nicht auf
die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
sein.