DE19734051A1 - Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem und zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromerzeugungssystem, welches eine Brennstoffzellenvorrichtung verwendet, und ein zugehöriges Betriebsverfahren. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Lehre, welche das Kühlverfahren einer Brennstoffzellenvorrichtung verbessert, wodurch ein Stromerzeugungssystem vereinfacht wird, die Verläßlichkeit erhöht wird, und ein Betrieb mit einer hohen Leistungsdichte ermöglicht wird.

Fig. 5 zeigt schematisch, in einem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, welches in der japanischen Veröffentlichung eines ungeprüften Patents Nr. HO 4-79,166 beschrieben ist, den Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung und eines Peripheriegerätes für die Temperaturregelung bei dieser Brennstoffzellenvorrichtung. In Fig. 5 bezeichnet (1) eine Brennstoffzellenvorrichtung, und (2) einen Brennstoffzellenabschnitt mit Laminataufbau, der einen Hauptabschnitt der Brennstoffzellenvorrichtung (1) darstellt, die eine Brennstoffzelleneinheit (3) aufweist, die mit einer Brenngaselektrode und einer Oxidationsgaselektrode (nicht dargestellt) versehen ist, einen Brenngaskanal (4) zum Zuführen eines Brenngases (A) zur Brenngaselektrode, und einen Oxidationsgaskanal (5) zum Liefern eines Oxidationsgases (B) an die Oxidationsgaselektrode, als Hauptbestandteile. Weiterhin ist in Fig. 5 (6) ein Reformierungsreaktionsabschnitt bezeichnet, der thermisch mit dem Brennstoffzellenabschnitt (2) so vereinigt ist, daß der Reformierungsreaktionsabschnitt neben dem Brennstoffzellenabschnitt (2) angeordnet ist. Bei einem Beispiel ist die Brennstoffzellenvorrichtung (1) so aufgebaut, daß Brennstoffzellenabschnitte (2) in Form flacher Tafeln und Reformierungsreaktionsabschnitte (6) in Form flacher Tafeln abwechselnd zusammenlaminiert sind.

In Fig. 5 ist (7) eine Luftzufuhrvorrichtung bezeichnet, welche Energie aus Abgas (C) zurückgewinnt, welches von dem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem ausgestoßen wird, und Luft (D) von außen durch Druckerhöhung liefert, und ist mit (8) ein Umlaufgebläse bezeichnet, welches das reformierte Gas, welches einen Kohlenwasserstoff enthält, zur Temperaturregelung der Brennstoffzellenvorrichtung (1) im Umlauf hält. Weiterhin ist in dieser Figur mit (9) eine Methanerzeugungsvorrichtung bezeichnet, die eine Methanerzeugung mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid durchführt, die in dem reformierten Gas enthalten sind, welches durch das Umlaufgebläse (8) im Umlauf gehalten wird.

Als nächstes wird nachstehend der Betrieb bei diesem herkömmlichen Fall beschrieben. In Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit konstanter Last muß die erzeugte Abwärme, die beispielsweise 30 bis 70% der Ausgangsleistung entspricht, wirksam abgeführt werden. Bei dem in Fig. 5 gezeigten konventionellen Fall wird der Brennstoffzellenabschnitt (2) dadurch gekühlt, daß das Reformierungsgas, welches einen Kohlenwasserstoff oder einen Alkohol und Dampf enthält, in den Reformierungsreaktionsabschnitt (6) eingebracht wird, in dessen Inneren ein Reformierungskatalysator vorgesehen ist, und eine Reformierungsreaktion hervorgerufen wird, die eine endotherme Reaktion darstellt, in diesem Reformierungsreaktionsabschnitt (6). Beim vorliegenden Beispiel ist die Brennstoffzellenvorrichtung (1) laminiert aufgebaut, wobei beispielsweise mehrere Brennstoffzellenabschnitte (2), die mehrere Brennstoffzellen in Form laminierter flacher Platten aufweisen, und Reformierungsreaktionsabschnitte (6) in Form flacher Platten abwechselnd zusammenlaminiert sind. Wenn es sich bei der Brennstoffzelle um eine des Typs mit geschmolzenem Karbonat handelt, gehen Reformierungsreaktionen, die durch die folgenden Formeln (1) bis (3) angegeben sind, zur rechten Seite hin vor, bei einer Temperatur innerhalb eines Temperaturbetriebsbereiches von 600 bis 700°C in den Reformierungsreaktionsabschnitten (6)

C_nH_m + nH₂O → nCO + (2n + m)/2H₂ (1)

Alkohol + H₂O → CO, CO₂, H₂ (2)

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (3)

Das reformierte Gas, welches Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthält, und durch die Reformierungsreaktionen erzeugt wird, die in den voranstehenden Formeln (1) bis (3) angegeben sind, als Hauptbestandteile, wird einer Methanerzeugungsvorrichtung (9) durch die Wirkung eines Umlaufgebläses (8) zugeführt. Die Methanerzeugungsvorrichtung (9) ist normalerweise ein Reaktor des Wärmeaustauschertyps, in welchem ein Methanerzeugungskatalysator vorgesehen ist, und der einen reaktionsseitigen Raum aufweist, in welchem der Methanerzeugungskatalysator in einem Zustand vorhanden ist, in welchem er in Kontakt mit dem reformierten Gas (F) gelangen kann, sowie einen kühlseitigen Raum, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem reaktionsseitigen Raum steht, und durch welchen ein Kühlmittel (G) fließt. Bei diesem konventionellen Fall wird die Methanerzeugungsvorrichtung (9) bei einer Betriebstemperatur betrieben (beispielsweise etwa 250 bis 500°C), die niedriger ist als die Betriebstemperatur (600 bis 700°C) des Reformierungsreaktionsabschnitts (6).

Die durch die Formel (3) ausgedrückte Reformierungsreaktion ist eine reversible Reaktion. Die Methanerzeugungsreaktion nach links in Formel (3) wird bevorzugt, wenn die Betriebstemperatur niedriger wird, und führt gleichzeitig zur Abgabe von Reaktionswärme. Genauer gesagt wird die Reaktionswärme, die bei der Zellenreaktion in dem Brennstoffzellenabschnitt (2) erzeugt wird, nach außerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung (1) durch den Fortgang der Reformierungsreaktion (einer endothermen Reaktion) von Kohlenwasserstoff (Methan) in dem Reaktionsgas durch die Einwirkung des Reformierungsreaktionsabschnitts (6) abgegeben. Die Abwärme der Brennstoffzelle, die nach außen abgegeben wird, wird in das Kühlmittel (G) abgegeben, welches an der Kühlseite der Methanerzeugungsvorrichtung (9) fließt, entsprechend dem Fortgang der Methanerzeugungsreaktion (einer exothermen Reaktion) des Reaktionsgases (F) in der Methanerzeugungsvorrichtung (9).

Wie voranstehend geschildert wird bei dem voranstehend erwähnten, konventionellen Fall das reformierte Gas (F) zum Umlauf zwischen dem Reformierungsreaktionsabschnitt (6) und der Methanerzeugungsvorrichtung (9) veranlaßt. Eine endotherme Reaktion geht in dem Reformierungsreaktionsabschnitt (6) vor sich, und der Brennstoffzellenabschnitt (2) wird dadurch gekühlt, daß eine exotherme Reaktion in der Methanerzeugungsvorrichtung (9) hervorgerufen wird.

Wenn ein Brennstoffzellenstapel des Typs mit geschmolzenem Karbonat, der bei einer hohen Temperatur der Größenordnung von 600 bis 700°C arbeitet, gekühlt wird, so ist es schwierig, eine Flüssigkeitskühlung oder eine Heißwasserkühlung einzusetzen, die wirksame Kühlverfahren darstellen, und daher wurde allgemein in der Praxis eine Gaskühlung eingesetzt, unter Verwendung eines Reaktionsgases, beispielsweise eines oxidierenden Gases. Bei der Gaskühlung sind jedoch Schwierigkeiten in Bezug auf den Wirkungsgrad des Stromerzeugungssystems aufgetreten, auf die Leistung der Brennstoffzellenvorrichtung, und auf die Handhabbarkeit, beispielsweise in Bezug auf eine große Temperaturverteilung (beispielsweise etwa 100°C), die in Flußrichtung des Kühlgases erzeugt wird, das Erfordernis, ausreichend viel Hilfsleistung für den Umlauf des Kühlgases zur Verfügung zu stellen, eine große Menge an Oxidationsgas, die durch den Oxidationsgaskanal neben der Oxidationsgaselektrode fließt, was zu hohem Druckverlust führt, eine Erhöhung der Druckdifferenz zwischen der Brenngasseite und dem Oxidationsgas in der Brennstoffzelle, die zu einem höherem Risiko eines Lecks in Querrichtung führt, und das Erfordernis, daß ein Oxidationsgaskanal eine große Querschnittsfläche aufweisen muß. Diese Nachteile waren dann besonders ernst, wenn eine Brennstoffzelle kontinuierlich mit höherer Leistungsdichte betrieben wurde, also die Brennstoffzelle im Zustand hoher Stromdichte betrieben wurde (beispielsweise bei einer Stromdichte von 200 bis 300 mA/cm²).

Der in Fig. 5 gezeigte, konventionelle Fall wurde dazu entwickelt, die voranstehend geschilderten Schwierigkeiten zu lösen. In folge des Kühlsystems auf der Grundlage von Reformierungsreaktionswärme bei dem in Fig. 5 gezeigten konventionellen Fall ist die abgeführte Wärmemenge pro Einheitsmenge von Gas 100 bis 150 mal so groß wie bei der einfachen Gaskühlung, und war es möglich, den Stapel mit einer kleinen Kühlgasflußrate zu kühlen. Da die Kühlung auf der Reaktionswärme reformierten Gases beruht, anders als bei der Gaskühlung, die auf der ungebundenen Wärme beruht, war es darüber hinaus möglich, Kühlung bei gleichmäßiger Temperatur über die Gesamtoberfläche der Brennstoffzelle zu erzielen, jedenfalls im Prinzip, und selbst beim Betrieb mit hoher Stromdichte einen stabilen Betrieb mit gleichförmiger Temperaturverteilung sicherzustellen, ohne das Auftreten derartiger Probleme wie die Erzeugung eines heißen Punktes.

Bei dem konventionellen Stromerzeugungssystem mit dem voranstehend geschilderten Aufbau ist es allerdings erforderlich, einen Kreislauf des reformierten Gases sicherzustellen, welches ein brennbares, feuchtes Gas auf hoher Temperatur darstellt, über einen Umlaufkanal mit Hilfe eines Umlaufgebläses (8), als Kühlmittel zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels. Daher ist es schwierig, eine gute Gasabdichtung an der Antriebswelle des Umlaufgebläses (8) zur Verfügung zu stellen, was in der Praxis zu technischen Problemen führt, einschließlich dem Erfordernis, ein teures Umlaufgebläse (8) einsetzen zu müssen. Hilfsenergie ist immer noch für den Umlauf des reformierten Gases erforderlich. Darüber hinaus ist eine Rohrleitung für das reformierte Gas erforderlich, welches zum Kühlen dient, zusätzlich zu den Rohrleitungen für das Brenngas und das Oxidationsgas, die an den Zellenreaktionen teilnehmen, als Auslaß von der Brennstoffzelle. Dies führt zu einem anderen Problem, nämlich der erhöhten Anzahl an Rohrsystemen, und dem erhöhten Ausmaß an Strahlungswärme von den Rohren.

Abgesehen davon, daß eine teure Hochtemperaturumlaufeinrichtung und Hochtemperaturrohre zum Aufbau eines Kühlsystems erforderlich sind, ist eine Hilfsenergie erforderlich, und gibt es eine Erhöhung des Ausmaßes der Strahlungswärme von den Rohren, was zu Schwierigkeiten bezüglich der Kosten, dem Stromerzeugungswirkungsgrad und der Verläßlichkeit des Stromerzeugungssystems führt.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung dieser voranstehend angegebenen Schwierigkeiten entwickelt, und ihr Ziel besteht in der Bereitstellung eines kostengünstigen Brennstoffzellenstromerzeugungssystems, welches eine hohe Verläßlichkeit und einen hohen Stromerzeugungswirkungsgrad aufweist, und hervorragend handhabbar ist, wobei es nicht mehr erforderlich ist, ein Brenngasumlaufgebläse oder eine übermäßige Anzahl an Rohren für das Brenngas zum Kühlen vorzusehen.

Bei den Brennstoffzellenstromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung sind zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen mit interner Reformierung in Reihe in Flußrichtung des Brenngases über eine Methanerzeugungsvorrichtung geschaltet.

Bei den voranstehend geschilderten Aufbau, bei welchem mehrere Brennstoffzellenvorrichtungen mit interner Reformierung in Reihe in Flußrichtung des Brenngases geschaltet sind, ist es möglich, das Brenngas, welches als Reaktionsgas für die Brennstoffzelle und als Kühlgas der Brennstoffzelle dient, in ausreichender Menge zuzuführen, um mit den Anforderungen bezüglich der wärmeabfuhr der Brennstoffzellenvorrichtungen fertig zu werden. Die Methanerzeugungsvorrichtung, die zwischen den Brennstoffzellenvorrichtungen angeordnet ist, führt eine Methanerzeugung aus dem Brenngas nach der Reformierungsreaktion durch, welches von der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung abgegeben wird, und regeneriert dieses als Brenngas, welches Kühleigenschaften hat, und Methan enthält. Dies gestattet eine wiederholte, wirksame Nutzung des Brenngases für die Reaktion und ebenso zum Kühlen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen mit interner Reformierung in Reihe in Flußrichtung des Brenngases über eine Methanerzeugungsvorrichtung geschaltet; die voranstehende Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung weist einen Brennstoffzellenabschnitt auf, der mehrere Brennstoffzellen enthält, und einen Reformierungsreaktionsabschnitt, welcher thermisch vereinigt mit dem voranstehenden Brennstoffzellenabschnitt vorgesehen ist; und das Brenngas, welches von außerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt wird, wird nach Liefern an den Reformierungsreaktionsabschnitt dem Brenngas für den Brennstoffzellenabschnitt zugeführt.

Bei dem voranstehend geschilderten Aufbau sind mehrere Brennstoffzellenvorrichtungen mit interner Reformierung in Reihe in Flußrichtung des Brenngases über die Methanerzeugungsvorrichtung geschaltet, und weist die voranstehende Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung einen solchen Aufbau auf, daß der Brennstoffzellenabschnitt und der Reformierungsreaktionsabschnitt getrennt in der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen sind. Dieser Aufbau und die Methanerzeugungsvorrichtung dienen daher dazu, eine wiederholte, wirksame Nutzung des Brenngases für die Reaktion und ebenso für die Kühlung zu gestatten. Der Reformierungsreaktionsabschnitt dient dazu, eine gleichförmige Betriebstemperatur zu erzielen, und die Erzeugung eines heißen Punktes zu verhindern, als Kühleinrichtung für den Brennstoffzellenabschnitt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Methanerzeugungsvorrichtung getrennt auf der stromaufwärtigen Seite der Brenngasseite der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen, die am weitesten stromaufwärts in Flußrichtung des Brenngases angeordnet ist.

Bei dem voranstehend geschildertem Aufbau ermöglicht es die Methanerzeugungsvorrichtung, die getrennt auf der stromaufwärtigen Seite der Brenngasseite der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist, die am weitesten in Flußrichtung des Brenngases liegt, wie erforderlich das Auftreten einer Methanerzeugungsvorrichtung des Brenngases zu veranlassen, und das Ausmaß der Kühlung in Folge der Reformierungsreaktion in der Brennstoffzellenvorrichtung stromaufwärts einzustellen. Insbesondere verringert die Methanerzeugungsvorrichtung das Risiko eines Kohlenstoffniederschlages, durch Vorreformierung eines höheren Kohlenwasserstoffs in dem Rohbrennstoff, und verringert das Risiko einer Schwefelvergiftung des Reformierungskatalysators der Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung stromabwärts.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hier, soweit erforderlich, ein Rohr vorgesehen, durch welches ein Teil des Brenngases die Brennstoffzelle umgeht.

Bei dem voranstehend geschildertem Aufbau kann infolge des erwähnten Bypassrohres ein Teil des Brenngases, soweit erforderlich, die Brennstoffzelle in einem Zustand umgehen, in welchem die Flußrate eingestellt werden kann, um so eine einfache Einstellung der Wärmemenge bei der Reformierungsreaktion in der Brennstoffzellenvorrichtung zu ermöglichen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen in Reihe in Flußrichtung des reformierten Gases über eine Methanerzeugungsvorrichtung geschaltet, und wird das reformierte Gas, welches von dem Reformierungsreaktionsabschnitt abgegeben wird, der am weitesten stromabwärts in Flußrichtung des reformierten Gases liegt, als Brenngas dem Brennstoffzellenabschnitt zugeführt.

Bei dem voranstehend geschilderten Aufbau dient die Methanerzeugungsvorrichtung, die zwischen mehreren Reformierungsreaktionsabschnitten vorgesehen ist, die in Reihe geschaltet sind, dazu, eine wirksame Kühlung durch eine Reformierungsreaktion zu erreichen, und stellt eine wiederholte wirksame Nutzung des reformierten Gases als Kühlgas in mehreren Brennstoffzellenvorrichtung sicher, ohne daß ein Umlaufgebläse verwendet wird. Da das reformierte Gas in dem erfindungsgemäßen System keine Beziehung zur Zellenreaktion hat, bis die Rolle des reformierten Gases als Kühlgas beendet ist, weist das reformierte Gas in dem erfindungsgemäßen System keine Änderung der Zusammensetzung bezüglich der Anzahl an Atomen auf, und läßt sich die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung unter Verwendung des reformierten Gases einfach mit hoher Verläßlichkeit konstruieren. Darüber hinaus wird das reformierte Gas, welches aus dem Reformierungsreaktionsabschnitt am weitesten stromabwärts ausgestoßen wird, dem Brennstoffzellenabschnitt zugeführt, und kann das reformierte Gas für die Kühlung wirksam als Brenngas verwendet werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Brennstoffzellenvorrichtung als Laminataufbau ausgebildet, der durch abwechselndes Laminieren von Reformierungsreaktionsabschnitten in Form flacher Platten und von Brennstoffzellenabschnitten in Form flacher Platten ausgebildet wird. Die mehreren Reformierungsreaktionsabschnitte sind gruppenweise stromaufwärts/stromabwärts in Flußrichtung des reformierten Gases vorgesehen, und sind so laminiert aufgebaut, daß zwei benachbarte Reformierungsreaktionsabschnitte mit einem dazwischen angeordneten Brennstoffzellenabschnitt zu unterschiedlichen Gruppen gehören, wodurch zwei oder mehr Brennstoffzellenvorrichtungen zu einer vereinigten Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet werden.

Bei dem voranstehend geschilderten Aufbau führt die vereinigt aufgebaut Brennstoffzellenvorrichtung dazu, daß die erforderliche Länge für Hochtemperaturgasrohre verringert wird, und so das Ausmaß an Strahlungswärme verringert wird. Weiterhin gibt es bei den Brennstoffzellenvorrichtungen keinen Unterschied bezüglich der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Seiten, und wird die Betriebssteuerung vereinfacht.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Methanerzeugungsvorrichtung getrennt stromaufwärts des Reformierungsreaktionsabschnitts der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen, und zwar am weitesten stromaufwärts in Flußrichtung des reformierten Gases.

Bei dem voranstehend geschilderten Aufbau ermöglicht es die Methanerzeugungsvorrichtung, die weiter stromaufwärts der Brenngasseite der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist, die am weitesten stromaufwärts in Flußrichtung des Brenngases angeordnet ist, wie erforderlich die Methanerzeugungsreaktion des reformierten Gases zu veranlassen, und das Ausmaß der Kühlung durch die Reformierungsreaktion in der Brennstoffzellenvorrichtung stromaufwärts einzustellen. Insbesondere vermindert eine Vorreformierung höherer Kohlenwasserstoffe in dem Rohbrennstoff das Risiko eines Kohlenstoffniederschlages, und verringert das Risiko einer Schwefelvergiftung des Reformierungskatalysators des Reformierungsreaktionsabschnitts stromabwärts.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Methanerzeugungsvorrichtung ein Wärmeaustauschreaktor, und wird die sich bei der Methanerzeugungsreaktion ergebende Wärme wirksam in dem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem verwendet.

Bei dem voranstehend geschilderten Aufbau verbessert die Methanerzeugungsvorrichtung des Wärmeaustauschertyps den Rückgewinnungswirkungsgrad für Wärme, die bei der Methanerzeugungsreaktion erzeugt wird, in einem Raum auf der Kühlseite der Methanerzeugungsvorrichtung, und gestattet eine wirksame Nutzung der erzeugten Wärme innerhalb des Brennstoffzellenstromerzeugungssystems
Bei einer weiteren bevorzugten Form der Erfindung ist je nach Erfordernis ein Rohr für einen Teil des reformierten Gases zum Umgehen des Reformierungsreaktionsabschnitts oder des Reformierungsreaktionsabschnitts und des folgenden Methanerzeugungsabschnitts vorgesehen.

Bei dem voranstehenden Aufbau ermöglicht es das voranstehend erwähnte Bypassrohr, daß ein Teil des reformierten Gases je nach Erfordernis den Reformierungsreaktionsabschnitt oder der Reformierungsreaktionsabschnitt und die folgende Methanerzeugungsvorrichtung umgeht, in einem Zustand, in welchem die Flußrate eingestellt werden kann, um so eine einfache Einstellung der Wärmeenergie für die Kühlung zu gestatten, die durch die Reformierungsreaktion in dem Reformierungsreaktionsabschnitt der Brennstoffzellenvorrichtung hervorgerufen wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, welches zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen mit interner Reformierung aufweist, die in Reihe in Flußrichtung des Brenngases über eine Methanerzeugungsvorrichtung geschaltet sind, das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem so betrieben, das die Methanerzeugungsreaktionstemperatur am Austrittsabschnitt des Brenngases der Methanerzeugungsvorrichtung eingestellt wird, wodurch die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung eingestellt wird.

Bei dem voranstehend geschilderten Betriebsverfahren ist es möglich, die Methanflußrate in dem Brenngas am Austritt der Methanerzeugungsvorrichtung in einem Zustand einzustellen, der vorher ermittelt werden kann, durch Einstellung der Methanerzeugungsreaktionstemperatur der Methanerzeugungsvorrichtung, und ist es daher möglich, die Flußrate des Methans einzustellen, welches den Brennstoffzellenvorrichtungen zugeführt wird, die stromabwärts des Brenngases angeordnet sind, und so das Ausmaß der Wärmemenge für die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtungen einzustellen, die durch die Reformierungsreaktion von Methan hervorgerufen wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in einem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, welches zwei oder mehr Brennstoffzellenvorrichtungen aufweist, die jeweils mit Brennstoffzellenabschnitten und Reformierungsreaktionsabschnitten versehen sind, die in Reihe in Flußrichtung des reformierten Gases über eine Methanerzeugungsvorrichtung geschaltet sind, das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem so betrieben, daß die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung dadurch eingestellt wird, daß die Methanerzeugungsreaktionstemperatur am Auslaßabschnitt des reformierten Gases der Methanerzeugungsvorrichtung eingestellt wird. Bei dem voranstehend geschilderten Betriebsverfahren ist es möglich, die Flußrate von Methan in dem reformierten Gas am Auslaß der Methanerzeugungsvorrichtung dadurch einzustellen, daß die Methanerzeugungsreaktionstemperatur der Methanerzeugungsvorrichtung eingestellt wird, und ist es daher möglich, die Flußrate von Methan einzustellen, welches dem Reformierungsreaktor jener Brennstoffzellenvorrichtungen zugeführt wird, die stromabwärts des reformierten Gases angeordnet sind, wodurch eine Einstellung der Wärmemenge für die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht wird, welche durch die Methanreformierungsreaktion hervorgerufen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform 2 der Erfindung;

Fig. 3 den Verbindungsaufbau von reformiertem Gas bzw. Brenngas der Brennstoffzellenvorrichtung und deren Peripheriegeräten in dem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform 3 der Erfindung;

Fig. 4 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Methanerzeugungsreaktionstemperatur und der Reformierungsumwandlung von Methan angibt, wobei diese wesentliche Basisdaten zur Einstellung des Betriebszustandes des Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß der Erfindung darstellen; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines konventionellen Brennstoffzellenstromerzeugungssystems

Ausführungsform 1

Fig. 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 sind zwei Brennstoffzellenvorrichtungen (1a) und (1b) mit interner Reformierung in Reihe in Flußrichtung eines Brenngases geschaltet, wodurch eine stromaufwärtige Brennstoffzellenvorrichtung und eine stromabwärtige Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet werden. Eine Methanerzeugungsvorrichtung (9), die ähnlich wie eine konventionelle Vorrichtung aufgebaut ist, weist einen reaktionsseitigen Raum (9a) auf, in welchem ein Katalysator für die Methanerzeugung vorgesehen ist, sowie einen kühlseitigen Raum (9b), in welchem ein Kühlmittel (G) fließen kann, um das Innere zu kühlen. Ein Brenner (10) verbrennt brennbare Bestandteile, die nicht in den Brennstoffzellenabschnitten verbraucht wurden, und aus einem Brenngaskanal (4) der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1b) ausgestoßen werden. Ein Wärmetauscher (11) stellt auf geeignete Weise ein Reaktionsgas in diesem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem auf eine vorbestimmte Temperatur ein. Die anderen Bezugszeichen, welche die selben oder entsprechende Teile wie bei dem voranstehend geschildertem konventionellen Fall bezeichnen, werden hier nicht erneut beschrieben.

Nachstehend wird der Betrieb bei der Ausführungsform 1 geschildert. Bei dem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem gemäß der Erfindung wird das Brenngas (ein Brenngas, weiches durch Mischung von hauptsächlich einem Kohlenwasserstoff oder einem Alkohol und Dampf gebildet wird), welches dem Brenngaskanal (4) der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden soll, zuerst einem Reformierungsreaktionsabschnitt (6a) der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) zugeführt. Zur Vereinfachung beruht die nachstehende Beschreibung auf einem Brenngas, welches eine Gasmischung nur aus Methan und Dampf ist (der Hauptbestandteil von Erdgas, welches am häufigsten als Brenngas verwendet wird, ist normalerweise Methan). Methan in dem Brenngas reagiert mit Dampf unter der Einwirkung des Reformierungsreaktionsabschnitts (6a) und wird in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid über eine Stromreformierungsreaktion zerlegt. Die Reformierungsumwandlung von Methan kann mit ausreichender Genauigkeit dadurch bestimmt werden, daß eine Gleichgewichtsgaszusammensetzung unter Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck und Dampf/Methanverhältnis) des Reformierungsreaktionsabschnitts (6) berechnet wird. Im einzelnen wird beispielsweise die Berechnung so durchgeführt, daß eine Korrekturtemperatur eingeführt wird, die als die Annäherungstemperatur bekannt ist, und die man durch Umwandeln der Differenz zwischen der Gleichgewichtsgaszusammensetzung und der beobachteten Gaszusammensetzung bezüglich der Temperatur erhält. Das reformierte Reaktionsgas wird dem Brenngaskanal (4) eines benachbarten Brennstoffzellenstapels (2) zugeführt, und mit ihm wird eine Brennstoffzellenreaktion an einer Brenngaselektrode durchgeführt, die in der Nähe des Brenngaskanals (4) liegt. Verfügbare Arten von Brennstoffzellenvorrichtungen (1) umfassen eine fortgeschrittene Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung, bei welcher ein Reformierungskatalysator im Inneren des Brenngaskanals (4) vorgesehen ist, und eine indirekte Brennstoffzellenstromerzeugungsvorrichtung mit interner Reformierung, bei welcher in dem Brenngaskanal (4) kein Reformierungskatalysator vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist bei allen dieser Arten einsetzbar. Bei der fortgeschrittenen Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung wird Wasserstoff in dem Brenngas verbraucht, und wird das übrigbleibende Methan in dem Brenngas weiter in dem Brenngaskanal (4) unter der Einwirkung von Dampf zersetzt, der bei der Zellenreaktion entsteht, und unter der Einwirkung des Reformierungskatalysators.

Das in der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) verbrauchte Brenngas wird je nach Erfordernis auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Regenerativ-Wärmetauscher (11a) gekühlt, und dann einer Methanerzeugungsvorrichtung (9) zugeführt. Die Methanerzeugungsvorrichtung (9) ist bei einer Temperatur von etwa 250 bis 500°C betreibbar, wie in dem voranstehend geschilderten konventionellen Fall; Wasserstoff und Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid in dem Brenngas reagieren in dem reaktionsseitigem Raum (9a) zur Erzeugung von Methan. Gleichzeitig wird die bei der Methanerzeugungsreaktion entstehende Wärme in das Kühlmittel (G) abgegeben, welches durch den kühlseitigen Raum (9b) fließt. Das Kühlmittel ist beispielsweise Wasser, und es wird Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck durch den Wärmeaustausch innerhalb der Methanerzeugungsvorrichtung (9) erzeugt. Der erzeugte Dampf wird der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) zugeführt, indem er geeignet mit Erdgas (Methan) für derartige Zwecke wie die Verwendung als Rohbrenngas (A0) gemischt wird, oder innerhalb oder außerhalb des Stromerzeugungssystems als Antriebsquelle beispielsweise für eine Dampfturbine verwendet wird.

Das Brenngas, welches durch die Einwirkung der Methanerzeugungsvorrichtung (9) einen erhöhten Methangehalt aufweist, wird dann dem Reformierungsreaktionsabschnitt (6b) der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1b) zugeführt, und dient zuerst als Kühlgas für die stromabwärtige Brennstoffzellenvorrichtung (1b). Das Brenngas, welches einen durch die Reformierungsreaktionen erhöhten Wasserstoffgehalt aufweist, wird dem Brenngaskanal (4) in den Brennstoffzellenabschnitt (2) der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1b) zugeführt, und dort als Brenngas für Brennstoffzellenreaktionen verwendet.

Das Brenngas, welches nach dem Einsatz in den Brennstoffzellenvorrichtungen übrig bleibt, ist eine Gasmischung, die hauptsächlich Kohlendioxid enthält, gewöhnlich mit brennbaren restlichen Gasbestandteilen. Die brennbaren Gasbestandteile werden in dem Brenner (10) verbrannt, unter Luftzufuhr durch eine getrennte Luftzufuhrvorrichtung (7). Das Rauchgas (H), welches nach der Verbrennung hauptsächlich Kohlendioxid enthält, wird einem Oxidationsgaskanal (5) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zusammen mit getrennt zugeführter Luft zugeführt, und hiermit werden Zellenreaktionen durchgeführt.

Auf der Grundlage des Aufbaus und der Grundsätze für den Betrieb des voranstehend geschilderten Stromerzeugungssystems sind bei der vorliegenden Ausführungsform hauptsächlich folgende Merkmale erhältlich:

• 1. Da das Brenngas sowohl für Brennstoffzellenreaktionen als auch für die Kühlung der Brennstoffzelle bei diesem Stromerzeugungssystem verwendet wird, ist es nicht erforderlich, teure Hochtemperaturrohrleitungen für die Kühlung vorzusehen, so daß sich eine einfache und kostengünstige Rohranordnung erreichen läßt, was zu einer Verringerung von Strahlungsverlusten von Hochtemperaturrohren führt.
• 2. Damit der Hauptanteil der Kühlung der Brennstoffzelle unter Verwendung der aufgenommenen Wärme über die Reformierungsreaktionen bei diesen Stromerzeugungssystem erzielt wird, sind die Brennstoffzellenvorrichtungen in Reihe in Zufuhrrichtung des Brenngases geschaltet, um so die Menge an zugeführtem Brenngas pro Brennstoffzellenvorrichtung zu erhöhen, und die erforderlichen Kohlenwasserstoffe (Methan) sicherzustellen. Daher ist es nicht erforderlich, ein Umlaufgebläse ((8) in Fig. 5) für ein Hochtemperaturbrenngas vorzusehen, welches bislang im konventionellen Fall erforderlich war. Wenn das Stromerzeugungssystem unter hohem Druck betrieben wird, ist dieser Vorteil unter Sicherheitsgesichtspunkten in Bezug auf Brenngaslecks wesentlich, an einem Gasabdichtungsabschnitt in der Nähe der Gebläsedrehwelle, und in Bezug auf Gebläsekosten. Auch beim vorliegenden System kann eine Druckerhöhungsvorrichtung dazu erforderlich sein, das Brenngas zu liefern, abhängig von den Zufuhrbedingungen des Rohbrenngases (Erdgases). Allerdings ist in diesem Fall auch bei dem in Fig. 5 gezeigten, konventionellen Fall eine Druckerhöhungsvorrichtung erforderlich. Das Druckerhöhungsgebläße im vorliegenden Fall kann ein kostengünstiges Gebläse sein, welches zum Arbeiten in Zimmertemperaturbereich ausgelegt ist, und bei einem derartigen Gebläse tritt keine Mischung mit Dampf auf, und gibt es keine Kondensationsprobleme.

Der Betriebsablauf der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) und (1b) unter typischen Betriebsbedingungen der in Fig. 1 gezeigten Systemanordnung wird nachstehend beschrieben.

Typische chemische Zusammensetzungen für Brenngase (A0), (A1), (A2) und (A3) in Fig. 1, die durch Berechnungen erhalten wurden, sind in Tabelle 1 angegeben. Die Betriebsbedingungen umfassen einen Betriebsdruck von 5 Atmosphären, ein Dampf-Methanverhältnis von 3,5, eine mittlere Stromdichte der Brennstoffzellenvorrichtung (erste und zweite Stufe) von 240 mA/cm², und ein Brenngasnutzungsverhältnis von 80%, bei einer typischen Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung von 650°C, und einer Methanerzeugungstemperatur von 300°C an dem Brenngasauslaß der Methanerzeugungsvorrichtung.

Tabelle 1

Brenngaszusammensetzungen an verschiedenen Positionen (mol-%)

Das Brenngas (A2), welches der Brennstoffzellenvorrichtung (1b) in der zweiten Stufe zugeführt wird, die in Reihe geschaltet ist, unterscheidet sich von dem Brenngas (A0), welches der Brennstoffzellenvorrichtung (1a) der ersten Stufe zugeführt wird, in Bezug auf das Verhältnis der Anzahl an Atomen C/H/O entsprechend Mengen, die dem Brenngas entsprechen, welches bei einer Brennstoffzellenreaktion (auf der Brenngasseite: die nachstehende Formel (4)) in dem Brennstoffzellenabschnitt der Brennstoffzellenvorrichtung (1a) der ersten Stufe verbraucht wird. Als Ergebnis des Verbrauchs von Wasserstoff durch die Brennstoffzellenreaktion und die sich daraus ergebende Erzeugung von Dampf (vgl. die nachstehende Formel (4)), verschiebt sich das Gleichgewicht der Reformierungsreaktion zur Seite der Methanzerlegung hin, und selbst am Ausgang Methanerzeugungsvorrichtung (9) beträgt das Verhältnis des reformierten Methans 46,6% auf der Grundlage des zugeführten Methans (in Abwesenheit einer Zellenreaktion in der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) wird ein Reformierungsverhältnis von 4,0% an der Auslaßseite der Methanerzeugungsvorrichtung (9) unter den selben Bedingungen erhalten, was im wesentlichen zu selben Gaszusammensetzung für (A0) und (A2) führt):

H₂ + CO₃^2- → H₂O + CO₂ + 2e⁻ (4)

Unter den hier betrachteten Bedingungen weist daher Methan in dem Brenngas, welches der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) zugeführt wird, eine hohe Flußrate auf, und gibt es ein großes Ausmaß an abgeführter Wärme, welches durch die interne Reformierungsreaktion hervorgerufen wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform macht daher das Ausmaß der Kühlung in Folge der Reformierungsreaktion in der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) etwa 92% der durch die Zelle erzeugten Wärme aus, und bei der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1b) etwa 67%. Bei der Ausführungsform 1 ist es in der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) möglich, die Brennstoffzelle im wesentlichen allein durch die Reformierungsreaktion zu kühlen, und eine Minimalmenge zugeführten Oxidationsgases zu verwenden, also soweit dieses für die Zellenreaktionen erforderlich ist. Andererseits ist es bei der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1b) erforderlich, die verbleibenden etwa 33% erzeugter Zellenwärme durch Oxidationsgaskühlung abzukühlen. Dies ist ausreichend kleiner als die Kühllast von 40 bis 50% mit einem Oxidationsgas in dem konventionellen System, so daß eine wirksame Kühlung hauptsächlich auf der Grundlage der Reformierungsreaktionen erreicht wird.

Die Ausführungsform 1 wurde voranstehend in Bezug auf ein System beschrieben, welches durch Einsatz der vorliegenden Erfindung bei einer Brennstoffzelle des fortgeschrittenen Typs mit interner Reformierung oder des indirekten Typs mit interner Reformierung erreicht wird, wobei Kühlreformierungsvorrichtungen in Form flacher Platten (Reformierungsreaktionsabschnitte) in einen Laminataufbau aus Brennstoffzelleneinheiten in Form flacher Platten als Brennstoffzelle des Typs mit interner Reformierung eingefügt sind. Bei der Brennstoffzelle mit interner Reformierung, die mit Reformierungsreaktionsabschnitten in Form flacher Platten versehen ist, kann ein optimales thermisches Gleichgewicht zwischen der Verteilung exothermer Wärme der Brennstoffzellenabschnitte und der Verteilung endothermer Wärme der Reformierungsreaktionsabschnitte einfach dadurch erzielt werden, daß die Reformierungsvorrichtung optimal in Bezug auf den Vorgang der in ihr stattfindenden Reformierungsreaktion ausgelegt wird. Dies führt zur Verbesserung der Zellenleistung der Brennstoffzelle durch Erhöhung der mittleren Betriebstemperatur der Brennstoffzellenabschnitte, und zur Erzielung einer längeren Lebensdauer der Zellenteile durch Ausschaltung von Abschnitten mit hoher Temperatur (vergleiche The 4th Power/Energy Techn. Symposium Proceedings, A29 (1994), oder 1995 IEEE/PES Winter Meeting (New York, N.Y.) Nr. 95 WM 084-4 EC). Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Brennstoffzellenabschnitte hauptsächlich durch Reformierungsreaktionskühlung gekühlt. Ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, welches eine hervorragende Kühlung der Brennstoffzelle aufweist, und eine hervorragende Systemkonstruktion hat, kann dadurch erreicht werden, daß die Erfindung bei einem Stromerzeugungssystem eingesetzt wird, welches Brennstoffzellen des Typs mit interner Reformierung verwendet, die Reformierungsreaktionsabschnitte aufweisen, die unabhängig gegenüber den Brennstoffzellenabschnitten abgeteilt sind. Bei einer Brennstoffzelle mit direkter interner Reformierung, bei welcher ein Reformierungskatalysator in dem Brenngaskanal vorgesehen ist, ist es jedoch bekannt, daß ein zulässiger wärmeausgleich zwischen der Wärmeerzeugung der Brennstoffzellenreaktion und der Wärmeaufnahme der Reformierungsreaktion beispielsweise durch Optimieren der Brenngasflußanordnung erzielt werden kann (beispielsweise Bereitstellung eines Rückwärtsflusses des Brenngases). Daher ist die vorliegende Erfindung selbst bei einer Brennstoffzelle des Typs mit direkter Reformierung einsetzbar, bei welcher ein Reformierungskatalysator in dem Brenngaskanal vorgesehen ist.

Ausführungsform 2

Fig. 2 zeigt schematisch ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform 2 stellt ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystems dar, bei welchem zwei Brennstoffzellenvorrichtungen (1a) und (1b) des Typs mit interner Reformierung vorgesehen sind, welche Reformierungsreaktionsabschnitte (6a) und (6b) aufweisen, die räumlich getrennt von einer Brennstoffzelle (2) vorgesehen sind, und in Reihe in Flußrichtung der reformierten Gase (A1), (A2), (A3) und (A4) über eine Methanerzeugungsvorrichtung (9) geschaltet sind. Bei der Ausführungsform 2 ist eine getrennte Eingangsseitenmethanerzeugungsvorrichtung (12) stromaufwärts des Reformierungsreaktionsabschnitts (6a) vorgesehen, welchem ein Rohbrenngas (A0) zugeführt wird, nachdem dessen Temperatur geeignet eingestellt wurde. Das reformierte Gase welches aus dem Reformierungsreaktionsabschnitt (6b) der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1b) ausgestoßen wird, wird daraufhin dem Brennstoffzellenabschnitt (2) zugeführt, und dient als Brenngas für die Brennstoffzellenreaktion.

Der Betrieb bei den anderen Teilen ist ebenso wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform (1).

Als nächstes wird der Betrieb der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a) bzw. (1b) nachstehend unter typischen Betriebsbedingungen der in Fig. 2 dargestellten Systemanordnung beschrieben.

Typische chemische Zusammensetzungen der reformierten Gase (A0), (A1), (A2), (A3) und (A4) sowie des Brenngases (A5) in Fig. 2 auf der Grundlage von Berechnungen sind in Tabelle 2 angegeben. Die Betriebsbedingungen umfassen einen Betriebsdruck von 5 Atmosphären (506, 625 Pa), ein Dampf/Methanverhältnis von 3,5, eine mittlere Stromdichte der Brennstoffzellenvorrichtungen von 240 mA/cm², und ein Brenngasnutzungsverhältnis von 80%, wobei die typische Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung 650°C beträgt, und die Methanerzeugungsreaktionstemperatur an dem Auslaß des reformierten Gases der Methanerzeugungsvorrichtung 300°C beträgt.

Tabelle 2

Brenngaszusammensetzungen an verschiedenen Positionen (mol-%)

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform 2 fließt das reformierte Gas durch die beiden Reformierungsreaktionsabschnitte (6a) und (6b), die über die Methanerzeugungsvorrichtung (9) in Flußrichtung des reformierten Gases in Reihe geschaltet sind, ohne daß es an der Brennstoffzellenreaktion teilnimmt. Dies führt dazu, daß das C/H/O-Atomzahlverhältnis ständig konstant gehalten wird, während das Gas durch die Reformierungsreaktionsabschnitte (6a) und (6b) fließt. Das Ausmaß der Reformierungsreaktion, also das Ausmaß der Wärme für die Kühlung, welches durch die Reformierungsreaktionen hervorgerufen wird, in den Reformierungsreaktionsabschnitten (6a) und (6b) ist daher im wesentlichen konstant, unabhängig von der Anordnungsposition stromaufwärts oder stromabwärts der Brennstoffzellenvorrichtung. Bei dieser Ausbildung des Systems kann daher praktisch die gleiche Kühlkonstruktion bei sämtlichen Stapeln eingesetzt werden, was eine Vereinfachung der Konstruktion im Hinblick auf thermische Belange ermöglicht, sowie eine Vereinfachung des Betriebsregelverfahrens. Einzelheiten sind nachstehend angegeben.

Das in Fig. 2 gezeigte Berechnungsbeispiel beruht auf einer Brennstoffzellenvorrichtung des fortgeschrittenen Typs mit interner Reformierung, bei welcher ein Reformierungskatalysator nicht nur in dem Reformierungsreaktionsabschnitt vorgesehen ist, sondern auch in dem Brenngaskanal des Brennstoffzellenabschnitts. Bei diesem Stromerzeugungssystem weisen beide Reformierungsreaktionsabschnitte (6a) und (6b) jeweils eine Methanerzeugungsvorrichtung (12) bzw. (9) auf, die beinahe unter den selben Bedingungen arbeiten, so daß reformierte Gase mit praktisch derselben Zusammensetzung beiden Reformierungsreaktionsabschnitten zugeführt werden. Die einzelnen Brennstoffzellenvorrichtungen (1a) und (1b) geben daher dieselbe Kühlwirkungsmenge ab, welche durch die Reformierungsreaktionen erzeugt wird (Summe der Ausmaße der Reformierungsreaktionen in dem Reformierungsreaktionsabschnitt und dem Brenngaskanal). Wie voranstehend beschrieben ist es bei diesem Stromerzeugungssystem möglich, beide Brennstoffzellenvorrichtungen unter identischen Kühlbedingungen zu betreiben, wodurch eine Vereinfachung der Handhabbarkeit und der Steuer- oder Regelbarkeit erzielt wird.

Das Wärmegleichgewicht in Abwesenheit einer Methanerzeugungsvorrichtung (12) an der Eingangsseite ist andererseits folgendermaßen. Das Ausmaß der Kühlung, welches durch die Reformierungsreaktion hervorgerufen wird, beträgt etwa 91% des Ausmaßes der durch die Zelle erzeugten Wärme in der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1a), und etwa 87% bei der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung (1b). Dieser Unterschied zwischen stromaufwärts und stromabwärts wird durch den Unterschied des Reformierungsverhältnisses zwischen dem Rohbrennstoff (reformiertes Gas (A0)) und dem reformierten Gas (A1) hervorgerufen. Wenn der Unterschied im Ausmaß der Kühlung in dieser Größenordnung liegt, so ist es möglich, den Unterschied des Ausmaßes der aufgenommenen Wärme zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitt dadurch einzustellen, daß die Kühlbedingungen des Oxidationsgases geeignet eingestellt werden. Genauer gesagt ist eine Kühlung von etwa 20% der durch die Zelle erzeugten Wärme auch mit Hilfe des Oxidationsgases möglich, von welchem eine bestimmte minimale Menge für die Zellenreaktion ohnehin erforderlich ist. Der Unterschied im Ausmaß der aufgenommenen Wärme zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitt kann gut durch geeignete Feineinstellung eines Kühlzustandes eines Oxidationsgases eingestellt werden, beispielsweise durch Einstellung der Oxidationsgas-Einlaßtemperatur oder Oxidationsgas-Flußrate.

Zusätzliche Vorteile der Methanerzeugungsvorrichtung (12) an der Eingangsseite sind jedoch insbesondere die beiden nachfolgend angegebenen. Erstens führt die Methanerzeugungsvorrichtung (12) eine Vorreformierung höherer Kohlenwasserstoffe (Ethan, Propan, Butan usw.) durch, die in einem Anteil von etwa 5 bis 20% in Erdgas bei einer niedrigen Temperatur innerhalb des Bereichs von etwa 300 bis 400°C vorhanden sind, also eine Vorreformierung in eine Gasmischung aus Methan, Wasserstoff, CO und CO₂. Die Methanerzeugungsvorrichtung (12) vermindert daher das Risiko eines Kohlenstoffniederschlages infolge einer Pyrolyse höherer Kohlenwasserstoffe in den nachfolgenden Hochtemperaturrohren oder in dem Reformierungsabschnitt. Infolge des Zustands des Niedertemperaturbetriebs der Methanerzeugungsvorrichtung (12) ist es zweitens möglich, Schwefel praktisch vollständig einzufangen, selbst wenn Schwefel eine Entschwefelungsvorrichtung (nicht gezeigt) überwindet. Die stromaufwärtige Brennstoffzellenvorrichtung ist daher gegen Vergiftung durch Schwefel geschützt. Der Reformierungskatalysator in der Brennstoffzellenvorrichtung ist empfindlich auf Schwefelvergiftung, und ein Austausch des Katalysators ist praktisch unmöglich. Der Schutz des Reformierungskatalysators gegen Schwefelvergiftung stellt daher eine äußerst wesentliche Aufgabe zur Erzielung eines Langzeitbetriebs dieses Stromerzeugungssystems dar. Der Methanerzeugungskatalysator, der in der Methanerzeugungsvorrichtung (12) verwendet wird, ist kostengünstig, und die Methanerzeugungsvorrichtung (12) ist so aufgebaut, daß der Methanerzeugungskatalysator einfach ausgetauscht werden kann. In dieser Hinsicht sorgt die Methanerzeugungsvorrichtung (12) an der Eingangsseite für den wesentlichen Vorteil, daß sie als Schutz gegen Schwefel dient.

Die Methanerzeugungsvorrichtung (12) an der Einlaßseite kann den Aufbau eines Wärmetauscherreaktors aufweisen, wie voranstehend beschrieben, ebenso wie die Methanerzeugungsvorrichtung (9). In diesem Fall kann jedoch eine noch einfachere Anordnung eines Reaktors eingesetzt werden. Wenn das reformierte Gas (A0) auf eine Temperatur vorerwärmt wird, beispielsweise innerhalb eines Bereichs von etwa 400 bis 500°C mit Hilfe eine Wärmetauschers (11) oder dergleichen, kann eine Zerlegung und Methanerzeugung höherer Kohlenwasserstoffe in dem reformierten Gas durch die eigene ungebundene Wärme erzielt werden, und zwar durch Einsatz eines adiabatischen Reaktors als Methanerzeugungsvorrichtung (12). In dem Reaktor ist es ausreichend, einen im Handel erhältlichen Methanerzeugungskatalysator einzuführen, oder einen Katalysator für einleitende Reformierungsreaktionen bei niedrigen Temperaturen (diese Katalysatoren können aus Nickel oder einem Edelmetall bestehen, welches in einem keramischen Träger wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid gehalten ist).

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform 2 wird, wie voranstehend erwähnt, das reformierte Gas daran gehindert, durch den Brennstoffzellenabschnitt zu fließen, während das reformierte Gas durch den Reformierungsreaktionsabschnitt fließt. Ein ausreichendes Ausmaß an Reformierungsreaktion, im wesentlichem gleich jenem in dem stromaufwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitt (1a), ist daher selbst in dem stromabwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitt (1b) verfügbar, was es ermöglicht, die Brennstoffzellenvorrichtungen hauptsächlich mit Hilfe der Reformierungsreaktionen zu kühlen. Daher kann beinahe die gleiche Kühlkonstruktion eingesetzt werden, unabhängig von der Stapelanordnung, so daß ein einfacheres System zur Verfügung gestellt wird, sowohl bezüglich der Konstruktion als auch im Hinblick auf die Steuerung oder Regelung.

Bei den voranstehend geschilderten Ausführungsformen 1 und 2 wurden Stromerzeugungssysteme vorgestellt, die so aufgebaut sind, daß voneinander unabhängige Brennstoffzellenvorrichtungen mit Laminataufbau in Reihe in Flußrichtung des Brenngases oder des reformierten Gases über die Methanerzeugungsvorrichtung geschaltet sind. Bei den mehreren Brennstoffzellenvorrichtungen ist es nicht unbedingt erforderlich, daß sie voneinander unabhängig sind.

Ausführungsform 3

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform 3 der Erfindung; in Fig. 3 ist schematisch der Gasverbindungsaufbau und der Gasfluß (reformiertes Gas, Brenngas) einer Brennstoffzellenvorrichtung gezeigt, die so aufgebaut ist, daß ein stromaufwärtiger Reformierungsreaktionsabschnitt (6a) und ein stromabwärtiger Reformierungsreaktionsabschnitt (6b) zu einer Brennstoffzellenvorrichtung vereinigt sind, welche eine vereinigte Anordnung bildet. In Fig. 3 ist mit (13a) und (13b) eine Brenngasumkehrrohrverzweigung und eine Brenngasausgangsrohrverzweigung bezeichnet, die als Durchlässe in einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) vorgesehen sind. In Fig. 3 geben die durchgezogenen Pfeile den Fluß des reformierten Gases bzw. Brenngases an, und die gestrichelten Pfeile den Fluß des Brenngases in beiden Gasrohrverzweigungen. Ein Rohbrennstoff (reformiertes Gas (A0)), welches von außen zugeführt wird, wird dem stromaufwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitt (6a) zugeführt, der in der Brennstoffzellenvorrichtung (1) vorgesehen ist, und während Reformierungsreaktionen in diesem Reformierungsreaktionsabschnitt (6a) durchgeführt werden, führt das Gas eine Kühlung des benachbarten Brennstoffzellenabschnitts (2) mit Hilfe der Absorption der von dort stammenden Wärme durch. Reformiertes Gas (A1) nach der Reformierung wird einem reaktionsseitigem Raum (9a) der Methanerzeugungsvorrichtung (9) zugeführt, wo es in ein reformiertes Gas (A2) umgewandelt wird, welches hauptsächlich Methan enthält, und dann erneut dem stromaufwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitt (6b) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zugeführt wird. Auch in dem stromabwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitt (6b) werden mit dem Gas Reformierungsreaktionen durchgeführt, und kühlt es den benachbarten Brennstoffzellenabschnitt (2) durch Absorption der dort auftretenden Wärme. Bei der Brennstoffzellenvorrichtung (1) gemäß dieser Ausführungsform (3) sind der stromaufwärtige Reformierungsreaktionsabschnitt (6a) und der stromabwärtige Reformierungsreaktionsabschnitt (6b) alternierend über dem Brennstoffzellenabschnitt (2) angeordnet. Zufuhr- und Ausstoßeinrichtungen für oxidierendes Gas, eine Anordnung zur Stapelverdichtung, ein Endaufbau und andere allgemeine Aufbauten, die zur Ausbildung einer Brennstoffzellenvorrichtung erforderlich sind, sind in Fig. 3 weggelassen. Durch eine Zellenreaktion in dem Brennstoffzellenabschnitt (2) erzeugte Wärme wird hauptsächlich durch die benachbarten Reformierungsreaktionsabschnitte (6a) und (6b) abgekühlt. Der stromabwärtige Reformierungsreaktionsabschnitt (6b) weist eine Auslaßöffnung auf, die mit der Brenngasumkehrrohrverzweigung (13a) in Verbindung steht. Das reformierte Gas (A3) wird von dem stromabwärtigen Reformierungsabschnitt (6b) durch die Brenngasumkehrgasrohrverzweigung (13a) einem Brenngaskanal (4) der Brennstoffzelleneinheit (3) zugeführt, welche den Brennstoffzellenabschnitt (2) bildet. Der Brennstoffzellenabschnitt (2) wird so ausgebildet, daß mehrere (beispielsweise vier bis zehn) Brennstoffzelleneinheiten (3) in Form einer flachen Platte zusammenlaminiert werden, und mit dem benachbarten Brenngaskanal (4) und dem Oxidationsgaskanal (5). Das Brenngas (A3), welches dem Brenngaskanal (4) zugeführt wird, führt eine Brennstoffzellenreaktion an einer Brenngaselektrode der benachbarten Brennstoffzelleneinheit (3) durch, wodurch Energie erzeugt wird. Ein Reformierungskatalysator wird je nach Erfordernis in dem Brenngaskanal (4) gehalten. Methan, welches in den Reformierungsreaktionsabschnitten (6a) und (6b) nicht reagiert hat, wird weiter zerlegt, und in Wasserstoff umgewandelt (im Falle einer fortgeschrittenen Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung).

Das Brenngas (A4) nach der Zellenreaktion wird in der Brenngasauslaßgasrohrverzweigung (13b) gesammelt und nach außerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung abgegeben. Die übrigen Flüsse des Gases und der oxidierenden Gase von der Brennstoffzellenvorrichtung (1) sind ebenso wie bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen 1 und 2.

Die Anordnung der Geräte der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform 3 ist grundsätzlich ebenso wie in Fig. 2. Allerdings werden zusätzliche Vorteile dadurch erzielt, daß die stromaufwärtigen und die stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtungen als vereinigte Anordnung ausgebildet sind. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform 3 ist ein Gasrohr für das reformierte Gas (A3) nicht erforderlich, was eine Vereinfachung des Systems gestattet, und eine Verringerung des Ausmaßes der Strahlungswärme. Bei der Ausführungsform 3 sind die stromaufwärtigen und die stromabwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitte zu einer vereinigten Brennstoffzellenvorrichtung vereinigt, wodurch es unnötig ist, eine komplizierte Einstellung von Betriebsbedingungen zum Kühlen der einzelnen Brennstoffzellenvorrichtungen durchzuführen, auf der Grundlage des Unterschieds des Ausmaßes von Reformierungsreaktionen zwischen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtungen, was bezüglich der Betriebssteuerung eine weitere Vereinfachung ermöglicht. Insbesondere erfordert die Ausführungsform 3 keine Unterscheidung der Brennstoffzellenvorrichtungen in der Hinsicht, ob sie stromaufwärts oder stromabwärts angeordnet sind, und ist daher für Anwendungen bei einem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem mit relativ kleiner Kapazität geeignet.

Es ist auch eine weitere Ausführungsform möglich, bei welcher die stromaufwärtige und die stromabwärtige Brennstoffzellenvorrichtung als vereinigte Anordnung ausgebildet sind, wobei beispielsweise die stromaufwärtige und die stromabwärtige Brennstoffzellenvorrichtung so zusammenlaminiert sein können, daß die eine auf der anderen liegt, um eine vereinigte laminierte Anordnung auszubilden, und es können die Brenngasumkehrgasrohrverzweigung und die Brenngasauslaßgasrohrverzweigung so angeordnet sein, daß sie durch den oberen und den unteren Abschnitt der Brennstoffzellenvorrichtungen gehen, um eine vereinigte Anordnung auszubilden.

Ausführungsform 4

Als nächstes wird das Betriebsverfahren des Energie- oder Stromerzeugungssystems gemäß der Erfindung anhand der Wärmesteuerung oder Wärmeregelung der Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben. Bei der Erfindung wird, wie voranstehend erläutert wurde, in der Brennstoffzellenvorrichtung erzeugte Wärme durch Wärmeabsorption gekühlt, welche bei den Reformierungsreaktionen in dem Reformierungsreaktionsabschnitt auftritt. Wenn sich die Menge an erzeugter Wärme ändert, in Folge eines Teillastbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung oder einer Änderung der Zelleneigenschaften im Verlauf der Zeit, so ist es erforderlich, das Ausmaß der Wärmeabsorption in dem Reformierungsreaktionsabschnitt einzustellen, also das Ausmaß der Reformierungsreaktionen, in Reaktion auf die Menge erzeugter Wärme.

Die Zusammensetzung des reformierten Gases am Auslaßabschnitt der Methanerzeugungsvorrichtung liegt normalerweise in der Nähe der Gleichgewichtsgaszusammensetzung, abhängig von den Betriebsbedingungen. Darüberhinaus hängt, wie in Fig. 4 gezeigt, das Methanreformierungsverhältnis in der Gleichgewichtsgaszusammensetzung stark von der Methanerzeugungsreaktionstemperatur am Auslaßabschnitt für das reformierte Gas ab. Es ist daher möglich, die Methanerzeugungsreaktionstemperatur am Auslaßabschnitt für das reformierte Gas zu kontrollieren, und das Reformierungsverhältnis des reformierten Gases entsprechend einzustellen, welches dem Reformierungsreaktionsabschnitt zugeführt wird, durch Einstellung der Betriebsbedingungen (beispielsweise der Menge an zugeführtem Kühlmittel, und der Temperatur) des kühlungsseitigen Raums der Methanerzeugungsvorrichtung. Das Reformierungsverhältnis am Auslaß des Reformierungsreaktionsabschnitts wird auf der Grundlage der Betriebsbedingungen bei der Konstruktion der Anlage berechnet: Der Unterschied des Reformierungsverhältnisses zwischen Einlaß und Auslaß des Reformierungsreaktionsabschnitts ist bekannt, auf der Grundlage von Informationen der Methanerzeugungsreaktionstemperatur, wodurch die Einstellung und Anpassung der Wärmemenge für die Kühlung in dem Reformierungsreaktionsabschnitt ermöglicht werden.

Ausführungsform 5

Als weiteres Betriebsverfahren ist es möglich, das Ausmaß der Kühlung in dem Reformierungsreaktionsabschnitt dadurch einzustellen, daß getrennt eine Bypassleitung für einen Teil des reformierten Gases vorgesehen wird, um den Reformierungsreaktionsabschnitt zu umgehen, und die Flußrate des reformierten Gases eingestellt wird, welches durch diese Bypassleitung hindurchgeht (oder dem Reformierungsreaktionsabschnitt zugeführt wird).

Bei den voranstehenden Ausführungsformen 1 und 2 wurden Beispiele dargestellt, bei welchen zwei Brennstoffzellenvorrichtungen in Flußrichtung des Brenngases oder des reformierten Gases in Reihe geschaltet waren. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dies Ausführungsformen 1 und 2 beschränkt, sondern es können auch drei oder noch mehr Brennstoffzellenvorrichtungen in Reihe geschaltet sein. In diesem Fall gibt es eine ansteigende Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen, die in Reihe geschaltet sind, und gibt es eine erhöhte Flußrate des Brenngases, welches pro Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden kann. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, Methan im Überschuß den Brennstoffzellenvorrichtungen zuzuführen, angesichts des Wärmeausgleichs in jeder der Brennstoffzellenvorrichtungen, sondern ist es im Gegensatz hierzu sogar erforderlich, die Methanflußrate so zu begrenzen oder einzuschränken, daß das Wärmegleichgewicht erfüllt ist. Genauer gesagt ist es möglich, die Methanerzeugungsreaktionstemperatur in den einzelnen Methanerzeugungsvorrichtungen auf einen höheren Wert einzustellen als in einem Fall, in welchem zwei Stufen in Reihe geschaltet sind, was zu einem höheren Temperaturniveau von Abwärme führt, die von der Methanerzeugungsvorrichtung abgegeben wird. Daher kann der Energieerzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenenergieerzeugungssystems verbessert werden. Da jedoch das Energie- oder Stromerzeugungssystem bezüglich der Anordnung von Geräten und der Steuerung oder Regelung komplizierter wird, ist in diesem Zusammenhang eine geeignete Auswahl erforderlich.

Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen 1 und 2 weist die vorliegende Anordnung die stromaufwärtige und die stromabwärtige Brennstoffzellenvorrichtung auf, die jeweils eine Brennstoffzellenvorrichtung enthalten. Eine einzelne Brennstoffzellenvorrichtung erzeugt eine Ausgangsleistung von etwa 0,5 bis 1,0 MW. Wenn ein Stromerzeugungswerk mit höherer Kapazität gebaut wird, kann jeder der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtungen als Gruppe aus mehreren Brennstoffzellenvorrichtungen ausgebildet sein, wobei diese Gruppen von Brennstoffzellenvorrichtungen in Reihe in Flußrichtung des Gases geschaltet sind.

Bei den Ausführungsformen 1 und 2 gemäß Fig. 1 und 2 wurde als Verfahren zum Zuführen des oxidierenden Gases für die beiden Brennstoffzellenvorrichtungen eine parallele Anordnung der beiden Oxidationsgaskanäle vorgeschlagen. Allerdings ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern es kann ein Verfahren zum Liefern von oxidierendem Gas ausgewählt werden, bei welchem eine maximale elektrische Ausgangsleistung beider Zellenvorrichtungen erzielt wird, während das Wärmegleichgewicht für die einzelnen Brennstoffzellenvorrichtungen beibehalten wird. Es ist beispielsweise möglich, das gesamte oder einen Teil des oxidierenden Gases hintereinander zu liefern.

Wie aus den voranstehenden Anmerkungen deutlich wird, sind bei der vorliegenden Erfindung folgende, hervorragende Vorteile erzielbar.

Bei dem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem gemäß der Erfindung, bei welchem mehrere Brennstoffzellenvorrichtungen mit interner Reformierung in Reihe in Flußrichtung des Brenngases geschaltet sind, ist es möglich, das Brenngas, welches als Reaktionsgas für die Brennstoffzelle dient, und als Kühlgas für die Brennstoffzelle, in einer Menge zu liefern, welche dazu ausreicht, mit den Anforderungen bezüglich des Abführens von Wärme der Brennstoffzellenvorrichtungen fertig zu werden. Die Methanerzeugungsvorrichtung, die zwischen den Brennstoffzellenvorrichtungen vorgesehen ist, führt eine Methanerzeugung bei dem Brenngas nach den Reformierungsreaktionen durch, welches von der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung abgegeben wird, und regeneriert dieses als Brenngas, welches Kühleigenschaften hat und Methan enthält. Dies gestattet, eine wiederholte, wirksame Nutzung des Brenngases sowohl für die Reaktion als auch zum Kühlen, ohne ein Umlaufgebläse zu verwenden, welches hohen Temperaturen standhält. Da das Brenngas für die Brennstoffzellenreaktion und zum Kühlen der Brennstoffzellen verwendet wird, sind darüberhinaus spezielle Rohre für die Kühlung nicht erforderlich, wodurch ein Stromerzeugungssystem mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt wird, welches eine einfache Rohranordnung aufweist, mit begrenzten Strahlungswärmeverlusten.

Bei einer Ausführungsform sind mehrere Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung in Reihe in Flußrichtung des Brenngases über die Methanerzeugungsvorrichtung geschaltet, und weist die genannte Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung einen Aufbau auf, bei welchem der Brennstoffzellenabschnitt und der Reformierungsreaktionsabschnitt getrennt in der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen sind. Daher wird ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem mit hohem Wirkungsgrad mit einfachem Aufbau zur Verfügung gestellt, und ist es möglich, eine optimale Konstruktion des Reformierungsreaktionsabschnitts als Kühleinrichtung zu erzielen, wodurch ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem erreicht wird, welches ein hervorragendes Kühlvermögen für Brennstoffzellen aufweist, und hervorragende Zelleneigenschaften aufweist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ermöglicht es die Methanerzeugungsvorrichtung, die getrennt an der stromaufwärtigen Seite der Brenngasseite der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist, die am weitesten stromaufwärts in Flußrichtung des Brenngases angeordnet ist, je nach Erfordernis den Fortgang der Methanerzeugungsreaktion des Brenngases zu veranlassen, und das Ausmaß der Kühlung einzustellen, die sich aus der Reformierungsreaktion in der stromaufwärtigen Brennstoffzellenvorrichtung ergibt. Insbesondere vermindert die Methanerzeugungsvorrichtung das Risiko eines Kohlenstoffniederschlags durch Vorreformierung höherer Kohlenwasserstoffe in dem Rohbrennstoff, und verringert das Risiko einer Schwefelvergiftung des Reformierungskatalysators der Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung stromabwärts.

Bei einer weiteren Ausführungsform gestattet es das Bypassrohr, daß ein Teil des Brenngases je nach Erfordernis die Brennstoffzelle in einem Zustand umgeht, in welchem die Flußrate eingestellt werden kann, um eine einfache Einstellung der Wärmemenge bei der Reformierungsreaktion in der Brennstoffzellenvorrichtung zu ermöglichen, wodurch ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem zur Verfügung gestellt wird, bei welchem die Wärme in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen gut gesteuert werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform dient die Methanerzeugungsvorrichtung, die zwischen mehreren Reformierungsreaktionsabschnitten vorgesehen ist, die in Reihe geschaltet sind, dazu, eine wirksame Kühlung durch Reformierungsreaktionen zu gestatten, und sichert eine wiederholte wirksame Nutzung des reformierten Gases als Kühlgas in mehreren Brennstoffzellenvorrichtungen ohne Verwendung eines Umlaufgebläses. Da das reformierte Gas in dem erfindungsgemäßen System keine Beziehung zur Zellenreaktion aufweist, bis die Rolle des reformierten Gases als Kühlgas beendet ist, weist das reformierte Gas in dem erfindungsgemäßen System keine Änderung der Zusammensetzung auf dem Niveau der Anzahl an Atomen auf, und kann die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung unter Verwendung des reformierten Gases einfach mit hoher Verläßlichkeit erzielt werden. Weiterhin wird das reformierte Gas, welches aus dem Reformierungsreaktionsabschnitt am weitesten stromabwärts abgegeben wird, dem Brennstoffzellenabschnitt zugeführt, und kann das reformierte Gas für die Kühlung wirksam als Brenngas genutzt werden, so daß es nicht erforderlich ist, überschüssiges Gas als reformiertes Gas zum Kühlen einzulassen, und daher wird ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem zur Verfügung gestellt, welches einen hohen Systemwirkungsgrad sicherstellt, und eine Kühlung mit hoher Leistung.

Bei einer weiteren Ausführungsform ermöglicht es die Anordnung mehrerer Brennstoffzellenvorrichtungen in einer vereinigten Anordnung, die stromaufwärtigen und die stromabwärtigen Brennstoffzellenvorrichtungen als einzelne Brennstoffzellenvorrichtung zu betreiben, wodurch die Betriebssteuerung vereinfacht wird, und die Anzahl an Hochtemperaturrohrsystemen verringert wird, wodurch wiederum die Strahlungswärme abnimmt.

Bei einer weiteren Ausführungsform ermöglicht es die Methanerzeugungsvorrichtung, die weiter stromaufwärts an der Brenngasseite der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist, die am weitesten stromaufwärts in Flußrichtung des Brenngases liegt, je nach Erfordernis den Fortgang der Reformierungsreaktion des reformierten Gases voranzutreiben, und das Ausmaß der Kühlung durch die Reformierungsreaktion in der Brennstoffzellenvorrichtung stromaufwärts einzustellen. Insbesondere vermindert eine Vorreformierung höherer Kohlenwasserstoffe in dem Rohbrennstoff das Risiko eines Kohlenstoffniederschlags, und verringert das Risiko einer Schwefelvergiftung des Reformierungskatalysators in dem stromaufwärtigen Reformierungsreaktionsabschnitt.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Reaktionswärme, die bei Methanerzeugungsreaktionen erzeugt wird, wirksam innerhalb des Brennstoffzellenstromerzeugungssystems mit Hilfe der Wärmetauscher-Methanerzeugungsvorrichtung genutzt, wodurch der Stromerzeugungswirkungsgrad verbessert werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform ermöglicht es das Bypassrohr, daß ein Teil des reformierten Gases je nach Erfordernis den Reformierungsreaktionsabschnitt oder den Reformierungsreaktionsabschnitt und die folgende Methanerzeugungsvorrichtung umgeht, in einem Zustand, im welchem die Flußrate eingestellt werden kann, um so eine einfache Einstellung der Wärmemenge für die Kühlung zu gestatten, die durch die Reformierungsreaktion in dem Reformierungsreaktionsabschnitt der Brennstoffzellenvorrichtung erzeugt wird, wodurch ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem zur Verfügung gestellt wird, welches in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen eine hervorragende Wärmesteuerfähigkeit aufweist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, die Methanflußrate in dem Brenngas am Auslaß der Methanerzeugungsvorrichtung in einem Zustand einzustellen, der voraussehbar ist, durch eine Einstellung der Methanerzeugungsreaktionstemperatur der Methanerzeugungsvorrichtung, und ist es daher möglich, die Flußrate des Methans einzustellen, welches der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt wird, die stromaufwärts des Brenngases angeordnet ist, und daher möglich, die Wärmemenge für die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung einzustellen, welche durch die Reformierungsreaktion des Methans erzeugt wird, so daß eine wirksame Einstellung der Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Methanflußrate in dem reformierten Gas am Auslaß der Methanerzeugungsvorrichtung dadurch vorbestimmt und eingestellt werden, daß die Methanerzeugungsreaktionstemperatur in der Methanerzeugungsvorrichtung eingestellt wird, und ist es daher möglich, die Flußrate des Methans einzustellen, welches dem Reformierungsreaktionsabschnitt der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt wird, die stromaufwärts des reformierten Gases angeordnet ist, so daß eine ordnungsgemäße Einstellung der Wärmemenge für die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgen kann, die durch die Reformierungsreaktion des Methans erzeugt wird, wodurch die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung wirksam eingestellt werden kann.

Claims (11)

1. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, welches ein Brenngas verwendet, welches einen Kohlenwasserstoff oder einen Alkohol sowie Dampf enthält, und eine Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung verwendet, die mit einem zugeführten oxidierenden Gas arbeitet, wobei zumindest zwei derartige Brennstoffzellenvorrichtungen (1a, 1b) in Reihe in Flußrichtung des Brenngases über einen Methanerzeugungsreaktor (9) geschaltet sind.

2. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenvorrichtung mit interner Reformierung aufweist:
einen Brennstoffzellenabschnitt (2), der mehrere Brennstoffzelleneinheiten (3) aufweist, die jeweils mit einer Brenngaselektrode versehen sind, die mit dem zugeführten Brenngas betrieben wird, und eine Elektrode für oxidierendes Gas aufweisen, die mit zugeführtem oxidierendem Gas arbeitet; und
einen Reformierungsreaktionsabschnitt (6), der in thermischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenabschnitt angeordnet ist, und welcher das Brenngas, welches einen Kohlenwasserstoff enthält, in ein Brenngas umwandelt, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, über eine Reformierungsreaktion;
wobei das von außerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführte Brenngas, nachdem es dem Reformierungsreaktionsabschnitt zugeführt wurde, der Brenngaselektrode des Brennstoffzellenabschnitts zugeführt wird.

3. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohgas, welches einen Kohlenwasserstoff oder einen Alkohol und Dampf enthält, der Brennstoffzellenvorrichtung (1a) zugeführt wird, die am weitesten stromaufwärts in Flußrichtung des Brenngases liegt, über einen Methanerzeugungsreaktor (9), der getrennt vorgesehen ist.

4. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohrleitung vorgesehen ist, durch welche ein Teil des Brenngases die Brennstoffzellenvorrichtung umgeht.

5. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, welches mehrere Brennstoffzellenvorrichtungen (1a, 1b) aufweist, die jeweils einen Brennstoffzellenabschnitt (2) aufweisen, der mehrere Brennstoffzelleneinheiten (3) aufweist, die jeweils mit einer Brenngaselektrode versehen sind, die mit einem zugeführten Brenngas arbeitet, und mit einer Elektrode für oxidierendes Gas, die mit dem zugeführten oxidierendem Gas arbeitet; und mit einem Reformierungsreaktionsabschnitt (6), der so angeordnet ist, daß er thermisch mit dem Brennstoffzellenabschnitt vereinigt ist, und welcher das einen Kohlenwasserstoff enthaltende Brenngas in ein Brenngas umwandelt, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, über eine Reformierungsreaktion;
wobei zumindest zwei der Brennstoffzellenvorrichtungen (1a, 1b) in Reihe in Flußrichtung des reformierten Gases über einen Methanerzeugungsreaktor (9) geschaltet sind, und das reformierte Gas, welches von dem Reformierungsreaktionsabschnitt abgegeben wird, der am weitesten stromabwärts in Flußrichtung des reformierten Gases liegt, als Brenngas der Brenngaselektrode des Brennstoffzellenabschnitts zugeführt wird.

6. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, welches eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweist, die eine Anordnung enthält, die durch abwechselndes Zusammenlaminieren eines Brennstoffzellenabschnitts (2), der mehrere Brennstoffzelleneinheiten (3) in Form einer flachen Platte enthält, die jeweils mit einer Brenngaselektrode versehen sind, die mit einem zugeführten Brenngas arbeitet, und mit einer Elektrode für oxidierendes Gas, die mit einem zugeführten oxidierendem Gas arbeitet, und eines Reformierungsreaktionsabschnitts (6) in Form einer flachen Platte gebildet wird, der so angeordnet ist, daß er thermisch mit dem Brennstoffzellenabschnitt vereinigt ist, und welcher das Brenngas, welches einen Kohlenwasserstoff enthält, in ein Brenngas umwandelt, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, über eine Reformierungsreaktion; und einen Methanerzeugungsreaktor (9) aufweist;
wobei die Brennstoffzellenvorrichtung so ausgebildet ist, daß mehrere Reformierungsreaktionsabschnitte in zumindest zwei Gruppen von Anordnungen gruppiert werden, so daß das reformierte Gas, welches durch den Reformierungsreaktionsabschnitt einer Gruppe der Anordnung hindurch gegangen ist, durch die Methanerzeugungsvorrichtung fließt, die außen getrennt vorgesehen ist, und dann dem Reformierungsreaktionsabschnitt einer anderen Gruppe der Anordnung zugeführt wird, und das reformierte Gas, welches von dem Reformierungsreaktionsabschnitt einer Gruppe der Anordnung abgegeben wird, die am weitesten stromaufwärts in Flußrichtung des reformierten Gases angeordnet ist, als Brenngas der Brenngaselektrode des Brennstoffzellenabschnitts zugeführt wird; und
wobei die Reformierungsreaktionsabschnitte, die einander benachbart über den Brennstoffzellenabschnitt angeordnet sind, so ausgewählt sind, daß sie zu gegenseitig unterschiedlichen Gruppen von Anordnungen gehören.

7. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohgas, welches einen Kohlenwasserstoff oder einen Alkohol und Dampf enthält, dem Reformierungsreaktionsabschnitt (16) der Brennstoffzellenvorrichtung (1a) zugeführt wird, die am weitesten stromaufwärts in Flußrichtung des reformierten Gases angeordnet ist, und zwar über einen getrennt vorgesehenen Methanerzeugungsreaktor (9).

8. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Methanerzeugungsvorrichtung ein Wärmetauscherreaktor (9) ist, in welchem ein Katalysator vorhanden ist, und welcher einen reaktionsseitigen Raum (9a) aufweist, in welchem die Methanerzeugungsreaktion in dem fließenden Gas vor sich geht, sowie einen kühlseitigen Raum (9b), der durch thermische Vereinigung mit dem reaktionsseitigen Raum gebildet wird, und in welchem ein Kühlmittel fließen kann; und
Reaktionswärme, die von der Methanerzeugungsreaktion herrührt, und in dem kühlseitigen Raum verfügbar ist, in dem Brennstoffzellenstromerzeugungssystem verwendet wird.

9. Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr für einen Teil des reformierten Gases vorgesehen ist, um den Reformierungsreaktionsabschnitt oder den Reformierungsreaktionsabschnitt und die folgende Methanerzeugungsvorrichtung zu umgehen.

10. Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem (1), welches zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen (1a, 1b) mit interner Reformierung aufweist, die mit einem Brenngas arbeiten, welches einen Kohlenwasserstoff oder einen Alkohol und Dampf sowie ein oxidierendes Gas enthält, und die in Reihe in Flußrichtung des Brenngases über einen Methanerzeugungsreaktor (9) geschaltet sind, mit folgendem Schritt:
Einstellung der Methanerzeugungsreaktionstemperatur am Auslaßabschnitt des Brenngases der Methanerzeugungsvorrichtung, wodurch die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtungen eingestellt wird.

11. Betriebsverfahren eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems (1), welches zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen (1a, 1b) aufweist, die jeweils mit einem Brennstoffzellenabschnitt (2) versehen sind, der mehrere Brennstoffzelleneinheiten enthält, die jeweils mit einer Brenngaselektrode versehen sind, die mit einem zugeführten Brenngas arbeitet, und mit einer Elektrode für oxidierendes Gas, die mit einem zugeführten oxidierenden Gas arbeitet, und welches einen Reformierungsreaktionsabschnitt (6) aufweist, der durch thermische Verbindung mit dem Brennstoffzellenabschnitt gebildet wird, und ein Reformierungsgas, welches einen Kohlenwasserstoff enthält, in ein reformiertes Gas umwandelt, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält, über eine Reformierungsreaktion, wobei die beiden Brennstoffzellenvorrichtungen in Reihe in Flußrichtung des reformierten Gases über Methanerzeugungsreaktoren (9) geschaltet sind, mit folgendem Schritt:
Einstellung der Methanerzeugungsreaktionstemperatur am Auslaßabschnitt für das Brenngas der Methanerzeugungsvorrichtung, wodurch die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtungen eingestellt wird.