DE69213917T2

DE69213917T2 - Kraftwerk mit Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE69213917T2
Application number: DE69213917T
Authority: DE
Inventors: Akiyoshi Masahiro; Takahashi Motohiro; Suzuki Satoshi; Amemiya Takashi; Funatsu Tetsuya; Nagata Yuji
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: US5248567A; ES2094273T3; EP0550892B1; EP0550892A1; DE69213917D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsanlage mit einer Brennstoffzelle und insbesondere eine Stromerzeugungsanlage, bei der ein Spülgas einem Sicherheitsbehälter, das eine Brennstoffzellen-Haupteinheit umschließt, zugeführt wird.
Im allgemeinen handelt es sich bei Brennstoffzellen- Stromanlagen um Stromerzeugungsanlagen, die auf direktem und elektrochemischem Wege die chemische Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie umwandeln, ohne daß eine Umwandlung in thermische Energie durch Verbrennung stattfindet. Derartige Anlagen haben in den letzten Jahren aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads der Energieumwandlung zunehmend Beachtung gefunden. Wasserstoff, Methan, Methanol, Hydrazin oder andere Kohlenwasserstoff-Chemikalien und dergl. werden als Brennstoff eingesetzt, während Sauerstoff und Luft als Oxidationsmittel und als Verbrennungsmittel eingesetzt werden. Die Betriebstemperatur variiert von Raumtemperatur bis zu hohen Werten von 500-1000ºC. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage zur Umwandlung in elektrische Energie beträgt, bezogen auf die Wärmeenergiezufuhr, 60-80%. In der vorliegenden Beschreibung finden sich zahlreiche Fälle, bei denen als Beispiel eine Brennstoffzelle unter Verwendung von an Wasserstoff reichem Gas als Brennstoff und von Luft als Oxidationsmittel eingesetzt wird; die Brennstoffzellen sind jedoch nicht auf Wasserstoff-Brennstoffzellen beschränkt.
Wie in einem ersten Beispiel in Fig. 1 gezeigt ist, kann in einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage ein zwischen (in der Figur nicht gezeigten) Kathodenelektroden und Anodenelektroden, die innerhalb einer Brennstoffzellen- Haupteinheit 1 vorgesehen sind, fließender Strom entnommen werden.
Mit der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 sind ein Oxidationsmittel-Zufuhrrohr 2a und ein Brennstoff-Zufuhrrohr 2b so verbunden, daß ein Oxidationsmittel und ein Brennstoff jeweils der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 zugeführt werden.
Ferner sind mit der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 ein Auslaßrohr 3a für verbrauchtes Oxidationsmittel und ein Auslaßrohr 3b für verbrauchten Brennstoff verbunden, so daß das verbrauchte Oxidationsmittel und der verbrauchte Brennstoff nach der chemischen Umsetzung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aus dem System abgeführt werden können.
Beim Oxidationsmittel, das der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 über das Oxidationsmittel-Zufuhrrohr 2a zugeführt wird, handelt es sich im allgemeinen um Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist.
Ferner wird ein Brennstoffreformer 4 mit dem Brennstoff- Zufuhrrohr 2b verbunden. Dieser Brennstoffreformer 4 reformiert das Methangas oder andere Kohlenwasserstoffbrennstoffe und erzeugt ein an Wasserstoff reiches Gas und führt dieses an Wasserstoff reiche Gas dann als Brennstoff der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 über das Brennstoff-Zufuhrrohr 2b zu.
Der Brennstoffreformer 4 ist mit einen Reformierraum 5 versehen, wo das Methangas oder dergl., das über ein Reformierbrennstoff-Zufuhrrohr 7a zugeführt wird, reformiert wird, wobei ein an Wasserstoff reiches Gas erzeugt wird. Ferner ist der Brennstoffreformer 4 mit einem Brenner 6 versehen, um die im Reformierraum 5 stattfindende Reformierungsreaktion mit Wärme zu versorgen.
Der Brenner 6 ist mit einem Oxidationsmittel-Zufuhrrohr 7b und einem Brennstoff-Zufuhrrohr 7c verbunden, die den Brenner 6 mit dem Brenner-Oxidationsmittel und dem Brenner-Brennstoff versorgen.
Eine herkömmliche Brennstoffzellen-Stromanlage ist mit einem Sicherheitsgefäß 8 versehen, das die Brennstoffzellen- Haupteinheit 1 in der Weise umgibt, daß das der Brenstoffzellen-Haupteinheit 1 zugeführte Oxidationsmittel und Brennstoff darin eingeschlossen sind und daß die erforderliche chemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 stattfindet.
Das Sicherheitsgefäß 8 schließt den Brennstoff oder das Oxidationsmittel innerhalb der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 auf die vorstehend beschriebene Weise ein. Daher ist es bei herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlagen erforderlich, ein inertes Gas, wie Stickstoff oder dergl. in das Sicherheitsgefäß einzuspritzen, um dieses auf einem höheren Druck als die Brennstoffzellen-Haupteinheit zu halten. Gemäß ausgestaltet, daß das Brennerabgas des Brenners 6 dazu verwendet wird, in wirtschaftlicher Weise ein Inertgas dem Sicherheitsgefäß 8 zuzuführen.
Insbesondere sind dabei bei einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage der Brenner 6 und das Sicherheitsgefäß 8 mit einem Abgas-Zufuhrrohr 2c so verbunden, daß das Brennerabgas aus dem Brenner 6 in das Sicherheitsgefäß 8 als Spülgas eingeführt wird.
Das eingeführte Brennerabgas wird durch ein Spülgas- Auslaßrohr 3c und über eine in der Figur nicht dargestellte Druckaufrecherhaltungseinrichtung aus dem System abgeführt.
Im allgemeinen sind ein Anodenraum, wo anodische Elektroden mit Brennstoffgas versorgt werden, und ein Kathodenraum, wo das Oxidationsgas den kathodischen Elektroden zugeführt wird, in luftdichter Bauweise innerhalb der Brennstoffzellen- Haupteinheit 1 vorgesehen, wobei es aber im Laufe der Zeit bei längerem Betrieb unvermeidlich ist, daß durch Leckagen geringe Mengen an Sauerstoff oder Brennstoff aus dem Kathodenraum oder Anodenraum in das Sicherheitsgefäß 8 gelangen. Somit wird bei der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung das Reformer-Brennerabgas entweder periodisch oder kontinuierlich über das Spülgas-Zufuhrrohr 2c in den Sicherheitsbehälter 8 als Spülgas eingeleitet, so daß es möglich ist, Brennstoff oder Sauerstoff, die im Sicherheitsgefäß 8 verbleiben, zu entfernen.
Jedoch unterliegen die Verbrennungsbedingungen im Brenner 6, nämlich die Verbrennungstemperatur und die Brennstoffmenge, bestimmten Variationen je nach den Betriebsanforderungen der Anlage, wie Laständerungen, so daß dann, wenn der Sauerstoff, der im Brenner über das Oxidationsmittel-Zufuhrrohr 7b zugeführt wird, nicht vollständig verbraucht wird, ein Sauerstoffüberschuß im Brennerabgas verbleibt.
Demzufolge sind im Brennerabgas neben dem als Hauptbestandteil vorhandenen Inertgaskomponenten, wie Stickstoff, nicht unbedeutende Mengen an Sauerstoff enthalten.
Wenn Brennstoff, der aus der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 in das Innere des Sicherheitsbehälters 8 austritt und wenn das Brennerabgas, das in das Sicherheitsgefäß 8 eingeführt wird, Sauerstoff enthält, so kann die Anwesenheit von Sauerstoff und Brennstoff insofern gefährlich sein, als innerhalb des Sicherheitsbehälters 8 eine unnormale chemische Reaktion, wie eine Verbrennung oder Explosion, stattfinden kann.
Wenn ferner Sauerstoff, der im Brennerabgas enthalten ist, in die Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 austritt, so kann die Gefahr auftreten, daß die normale elektrochemische Reaktion zwischen den Anodenelektroden und den Kathodenelektroden elektrischen Strom erzeugt, der das Innere der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 beeinträchtigt.
Die Figuren 2 bis 5 zeigen verschiedene weitere herkömmliche Technologien. Dabei entsprechen die Bezugszeichen den Angaben von Fig. 1.
Die Brennstoffzellen-Stromanlage ist normalerweise mit einer Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 versehen, die, wie in Fig. 2 gezeigt, Strom durch eine chemische Reaktion erzeugt. Ferner ist ein Reformer 4 vorgesehen, der ein Brennstoffgas erzeugt, das der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 zugeführt wird.
Der Brennstoffreformer 4 ist mit einem Reformerraum 5 aus einem oder mehreren Reformierrohren und einem einen Brenner aufweisenden Brennerraum 6 versehen, wobei Dampf und Reformierbrennstoff als ein Mischgas zugeführt werden, im Innern des Reformierraums 5 erwärmt werden und zu einem an Sauerstoff reichem Gas reformiert und über das Rohr 2b dem Anodenraum 1a der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 zugeführt werden.
Die Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 ist mit einem Anodenraum 1a, wo das Brennstoffgas den Anodenelektroden zugeführt wird, und einem Kathodenraum 1b versehen, wo das Oxidationsgas den Kathodenelektroden zugeführt wird. Die Brennstoffzellen- Haupteinheit 1 ist von der atmosphärischen Umgebung durch das Sicherheitsgefäß 8 abgetrennt, in dem die Brennstoffzellen- Haupteinheit 1 enthalten ist.
Das aus Sauerstoff oder Luft bestehende Oxidationsmittel wird dem Kathodenraum ib aus dem Oxidationsmittel-Zufuhrrohr 2a zugeführt. Das an Wasserstoff reiche Gas und der Sauerstoff reagieren im Inneren der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1. Der verbrauchte Wasserstoff und das verbrauchte Oxidationsmittel werden sodann über die Rohre 9a bzw. 9b abgeführt und dem Brenner 6 des Brennstoffreformers 4 zugeführt. Der verbrauchte Brennstoff und das verbrauchte Oxidationsmittel, die dem Brenner 6 zugeführt worden sind, werden im Brenner 6 verbrannt, der den Reformierraum mit Wärme versorgt. Das Brennerabgas wird sodann über das Rohr 2d aus dem System nach außen abgeleitet.
Ferner wird ein Teil des Abgases aus dem Brenner 6 als Spülgas über das Rohr 2c dem Sicherheitsgefäß 8 zugeführt. Das Spülgas, das dem Sicherheitsgefäß 8 zugeführt worden ist, wird über das Rohr 9, das eine Verbindung mit dem Rohr für das verbrauchte Oxidationsmittel aus dem Kathodenraum herstellt, abgeführt.
Im allgemeinen weisen der Anodenraum 1a und der Kathodenraum 1b der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 ein ausreichendes Gasabdichtvermögen auf, wobei es aber während längerer Betriebszeiten vorkommen kann, daß Oxidationsmittel und Brennstoff aus der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 in die Sicherheitsgefäße 8 austreten und dort verbleiben können. Dies kann die Gefahr einer unnormalen chemischen Reaktion, beispielsweise einer Verbrennung oder Explosion, im Sicherheitsgefäß 8 mit sich bringen. Um diese Gefahr auszuschließen, wird das Sicherheitsgefäß 8 periodisch oder kontinuierlich gespült.
Es ist wünschenswert, daß es sich beim Spülgas um ein Inertgas, wie Stickstoff oder dergl., handelt, das nicht mit dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel reagiert, jedoch ist es nicht einfach, eine große Menge an Stickstoff mit hohem Druck oder in Form von flüssigem Stickstoff zu lagern.
Es gibt ein bekanntes Verfahren (JP-A-226664-1990), bei dem das Abgas des Brenners 6 des Brennstoffreformers 4 als Spülgas verwendet wird.
Jedoch enthält das Abgas des Brenners 6 des Brennstoffreformers 4 als einen Bestandteil eine Sauerstoffkomponente sowie eine entflammbare Komponente, wie restlichen Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe. Da die Bedingungen und die Verbrennungsmengen des Reformerbrenners sehr stark in Abhängigkeit vom Beschickungsgrad der Anlage variieren können, unterliegen die Mengen des restlichen Sauerstoffs oder der entflammbaren Komponente im Brenner im allgemeinen je nach dem Beschickungsgrad erheblichen Schwankungen. Demgemäß kann je nach den Betriebsbedingungen der Anlage die Gefahr bestehen, daß die Sauerstoffkomponente und die entflammbare Komponente des Abgases in diesem Spülgas, die einen Teil des Brennerabgases im Sicherheitsgefäß darstellen, im Normalzustand oder zeitweilig die zulässigen Werte übersteigen, so daß es zu unnormalen Reaktionen mit Brennstoff und Sauerstoff, die aus dem Anodenraum oder dem Kathodenraum in das Sicherheitsgefäß 8 ausgetreten sind, kommen kann.
Fig. 3 ist ein Systemdiagramm zur Darstellung eines dritten Beispiels einer herkömmlichen Brennstoffzellen- Stromerzeugungsanlage. In dieser Figur haben Teile, die mit gleichen Bezugszeichen wie in den Ausgestaltungen der Figuren 1 und 2 bezeichnet sind, gleiche oder ähnliche Funktionen und werden daher nicht mehr beschrieben.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Stromerzeugungsanlage gemäß diesem dritten Beispiel mit einem Gebläse 2e im Spülgas-Zufuhrrohr 2c versehen. Dieses Rohr 2c stellt eine Abzweigung des Rohrs 2d dar und dient dazu, Spülgas in das Sicherheitsgefäß 8 zu leiten.
Diese Zufuhr von Spülgas in das Sicherheitsgefäß 8 erfüllt den bei Fig. 2 beschriebenen Zweck, d. h. die Vermeidung der Gefahr einer unnormalen chemischen Reaktion, z. B. einer Verbrennung oder Explosion, im Sicherheitsgefäß 8. Es gibt zahlreiche Fälle, bei denen Stickstoff oder andere Inertgase, die nicht mit dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel reagieren, als Spülgas verwendet werden. Derartige Inertgase verursachen aber erhebliche laufende Kosten und sind somit unwirtschaftlich. Um diese Situation zu verbessern, wird Brennerabgas als Spülgas wiederverwendet. Demgemäß wird das Gebläse 2e so betrieben, daß der Druck innerhalb des Sicherheitsgefäßes 8 auf einem bestimmten Wert gehalten wird, so daß das Spülgas in einem geeigneten Status in bezug auf den Anodenraum la und den Kathodenraum 1b zugeführt werden kann.
Nachstehend findet sich die Beschreibung einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einem vierten Beispiel. In Fig. 4 sind die Teile, die eine gleiche oder ähnliche Funktion wie die entsprechenden Teile der Ausgestaltungen der Figuren 1 bis 3 aufweisen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Eine Beschreibung dieser Teile unterbleibt.
Wie in Fig. 4 gezeigt, weist die Stromanlage dieses vierten Beispiels ferner die Brennstoffbearbeitungsvorrichtung 10 und die Luftbearbeitungsvorrichtung 13 auf. Die Brennstoffbearbeitungsvorrichtung 10 ist mit einem Hochtemperatur-Kohlenmonoxid-Konverter 11 und einem Niedertemperatur-Kohlenmonoxid-Konverter 12 ausgerüstet, die die Kohlenmonoxidkonzentration im an Wasserstoffreichen Gas, das aus dem Brennstoffreformer 4 zugeführt wird, verringern. Der Kohlenmonoxid-Hochtemperatur-Konverter 11 bedient sich einer Verschiebungsreaktion bei 400ºC, um die Konzentration an Kohlenmonoxid zu verringern und die Konzentration an Wasserstoff zu erhöhen. Ferner läuft im Niedertemperatur- Kohlenmonoxid-Konverter 12 eine Verschiebungsreaktion bei 200ºC ab, um die Wasserstoffkonzentration im an Wasserstoff reichen Gas weiter zu steigern.
Bei Verwendung von Luft als Oxidationsmittel der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 bewirkt die Luftverarbeitungsvorrichtung 13 eine Kompression der Luft der Atmosphäre, so daß deren Reaktionsfähigkeit als Oxidationsmittel gesteigert wird. Diese Luft wird dem Kathodenraum 1b zugeführt und stammt beispielsweise aus einer Luftkompressionsvorrichtung, wie einem Kompressor oder einem Gebläse.
Fig. 5 zeigt eine herkömmliche Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einem fünften Beispiel. In dieser Figur haben Teile, die mit gleichen Bezugszeichen wie in den Ausgestaltungen der Figuren 1 bis 4 bezeichnet sind, gleiche oder ähnliche Funktionen und werden daher nicht mehr beschrieben.
In Fig. 5 wird das Spülgas aus der Spülgas-Versorgungsquelle 15 in das Sicherheitsgefäß 8 der Brennstoffzellen- Haupteinheit 1 über das Spülgas-Zufuhrrohr 2c zugeführt. Die Gründe für die Zufuhr dieses Spülgases werden nicht mehr angegeben, da sich entsprechende Ausführungen bereits in der vorstehenden Beschreibung finden. Wenn ein Teil des Brennerabgases, das aus dem Brenner des Reformers abgegeben wird, als Spülgas verwendet wird, wird hierfür die gleiche Anordnung wie in den Figuren 1 bis 4 herangezogen.
Bei sämtlichen in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Beispielen tritt das Problem auf, daß die Gefahr einer unnormalen chemischen Reaktion, wie einer Verbrennung oder Explosion, im Innern des Sicherheitsgefäßes gegeben ist, wobei eine derartige unnormale chemische Reaktion bei Bildung eines Gemisches aus Brennstoff oder Oxidationsmittel, die aus dem Anodenraum oder Kathodenraum in das Sicherheitsgefäß 8 ausgetreten sind, mit der im Spülgas, das aus dem Brennerabgas abgezweigt worden ist, enthaltenen Sauerstoffkomponente und entflammbaren Komponente erfolgen kann.
Wenn ferner Sauerstoff, der im Brennerabgas enthalten ist, in die Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 austritt, besteht die Gefahr, daß die normale elektrochemische Reaktion zwischen den Anodenelektroden und den Kathodenelektroden abläuft, wodurch ein elektrischer Strom entsteht, der Störungen im Innern der Brennstoffzellen-Haupteinheit 1 verursacht.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellen-Stromanlage bereitzustellen, die die Schwierigkeiten der herkömmlichen Technologie beseitigt und eine eindeutige Entfernung von Sauerstoffkomponenten und entflammbaren Komponenten bewirkt, die im Spülgas, das einem Sicherheitsgefäß einer Brennstoffzellen-Haupteinheit zugeführt wird, enthalten sind. Dadurch soll eine sichere und wirksame Spülung des Sicherheitsgefäßes erreicht werden. In der vorliegenden Beschreibung haben die Ausdrücke "entflammbare Komponente" und "Sauerstoffkomponente" die Bedeutung von "Verbrennungselementen".
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ferner die Bereitstellung einer Brennstoffzellen-Stromanlage, die eine sichere Spülung des Sicherheitsgefäßes ermöglicht, wobei die einwandfreie Funktion der Brennstoffzelle, mit anderen Worten, die normale elektrochemische Reaktion unter Erzeugung von elektrischem Strom, erhalten bleibt.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellen-Stromanlage bereitgestellt, die folgendes umfaßt: eine Brennstoffzellen-Haupteinheit, die mit Brennstoff versorgt wird; ein Sicherheitsgefäß zur Aufnahme der Brennstoffzellen-Haupteinheit; einen Brennstoffreformer mit mindestens einem Reformierraum, in dem der Brennstoff unter Bildung eines reformierten Brennstoffgases reformiert wird, bevor dieses dem Anodenraum der Brennstoffzellenhaupteinheit zugeführt wird, und einem Brenner, der Wärme für eine Reformierreaktion im Reformierraum liefert; ein Gaszufuhrrohr zum Zuführen des reformierten Brennstoffgases aus dem Reformierraum in den Anodenraum der Brennstoffzellen-Haupteinheit; ein Spülgas- Zufuhrrohr zum Zuführen von Reformerbrenner-Abgas in das Sicherheitsgefäß, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen-Stromanlage ferner mit einer Verbrennungselement-Entfernungseinrichtung versehen ist, die mit der Spülgas-Zufuhrleitung versehen ist, um in wirksamer Weise Verbrennungselemente im Spülgas zu entfernen, bevor das Spülgas in das Sicherheitsgefäß eingeleitet wird.
Eine Stromanlage gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist mit einer Sauerstoffentfernungsvorrichtung versehen, die in wirksamer Weise Sauerstoff als das Verbrennungselement aus dem Spülgas entfernt und die entlang eines Spülgas- Zufuhrrohrs zwischen dem Reformerbrenner und dem Sicherheitsgefäß vorgesehen ist.
Bei einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung handelt es sich um eine Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zusätzlich eine Gastrennvorrichtung zur Abtrennung von Kohlendioxidgas aus dem reformierten Gas oder Abfallbrenngas, das aus der Brennstoffzellen- Haupteinheit abgegeben wird, aufweist, wobei das durch die Gastrennvorrichtung abgetrennte Kohlendioxidgas als Spülgas dem Sicherheitsgefäß zugeführt wird.
Bei einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung handelt es sich um eine Brennstoffzellen-Stromanlage, die mit einer Brennstoffzellen- Haupteinheit, einem Sicherheitsgefäß, in der sich die Brennstoffzellen-Haupteinheit befindet, und einer Verbesserungsvorrichtung, die reformiertes Gas erzeugt, das der Brennstoffzellen-Haupteinheit zugeführt wird, versehen ist und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mit einem katalytischen Brenner zum Verbrennen des Abgases aus dem Reformerbrenner mit dem reformierten Gas aus dem Reformerraum und einer Entfeuchtungsvorrichtung zum Entfeuchten des Abgases des katalytischen Brenners versehen ist, wobei dieses Abgas als Spülgas dem Sicherheitsbehälter zugeführt wird.
Bei einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung handelt es sich um eine Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zusätzlich mit einem katalytischen Brenner versehen ist, wobei das reformierte Gas und das Oxidationsmittel im katalytischen Brenner verbrannt werden und ein Abgas aus dem katalytischen Brenner als Spülgas dem Sicherheitsbehälter zugeführt wird.
Eine Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist mit einer Sauerstoffentfernungsvorrichtung entlang eines Spülgas-Zufuhrrohrs versehen. Diese Vorrichtung entfernt in wirksamer Weise Sauerstoff aus einem Spülgas, bevor das Spülgas in das Sicherheitsgefäß eingeleitet wird. Dies gewährleistet eine einwandfreie Funktion der Brennstoffzelle und eine sichere Spülung des Sicherheitsgefäßes.
Eine Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist neben den Merkmalen von Anspruch 1 eine Gastrennvorrichtung auf, mit der Kohlendioxidgas aus dem von der Brennstoffzellen-Haupteinheit abgeführten Abfallbrenngas oder aus einem reformierten Gas abgetrennt wird und das Kohlendioxidgas als Spülgas dem Sicherheitsgefäß zugeführt wird.
Eine Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bedient sich eines katalytischen Brenners zur Verbrennung eines reformierten Gases, das aus einem Reformierraum eines Reformers abgeführt wird, und eines Abgases, das aus dem Reformerbrenner abgeführt wird. Das aus dem katalytischen Brenner abgeführte Abgas wird einem Sicherheitsgefäß als Spülgas zugeführt, nachdem es durch eine Entfeuchtungsvorrichtung entfeuchtet worden ist.
Eine Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung verbrennt ein aus einem Reformerbrenner abgeführtes Abgas mit einem aus einem Reformierraum eines Reformers abgeführten reformierten Gas in einem katalytischen Brenner und führt ein aus dem katalytischen Brenner abgeführtes Abgas als Spülgas dem Sicherheitsbehälter zu.
Wie vorstehend beschrieben, handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage um eine Brennstoffzellen-Stromanlage, die so ausgebildet ist, daß ein Brennstoff einer Brennstoffzellen-Haupteinheit durch einen Brennstoffreformer zugeführt wird, wobei die Brennstoffzellen-Haupteinheit sich in einem Sicherheitsgefäß befindet, wobei das Sicherheitsgefäß und der Brennstoffreformer durch ein Spülgas-Zufuhrrohr verbunden sind, das das Abgas aus dem Brennstoff-Reformerbrenner als Spülgas in das Innere des Sicherheitsgefäßes leitet. Ferner ist eine Verbrennungselement-Entfernungseinrichtung entlang dem Spülgas-Zufuhrrohr vorgesehen, so daß Verbrennungselemente (Sauerstoff) in wirksamer Weise vor der Einführung des Spülgases in das Innere des Sicherheitsgefäßes entfernt werden, was eine einwandfreie Funktionsweise der Brennstoffzelle gewährleistet.
Ferner bedient sich eine Stromanlage gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung einer Gastrennvorrichtung. Kohlendioxid, das mit der Gastrennvorrichtung abgetrennt wird, wird als Spülgas verwendet, um dadurch die entflammbaren Komponenten und die Sauerstoffkomponenten im Spülgas, das dem Sicherheitsgefäß des Brennstoffzellen-Hauptkörpers zugeführt wird, zu entfernen. Dies ermöglicht eine sichere Spülung des Sicherheitsgefäßes.
Ferner ist die Brennstoffzellen-Stromanlage des dritten Aspekts der Erfindung mit einer Entfeuchtungsvorrichtung und einem katalytischen Brennerbereich innerhalb eines Spüleinlaßrohrs versehen. Wenn somit Verbrennungsluft in einer größeren Menge, als sie zur stabilen Verbrennung in einem Reformerbrenner erforderlich ist, zugeführt wird, ist es möglich, Abgas aus einem katalytischen Brennerbereich dem Sicherheitsgefäß als Spülgas zuzuführen, das keine Sauerstoffkomponente enthält oder das eine unbedenklich geringe Sauerstoffkonzentration aufweist.
Eine Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist zusätzlich mit einem katalytischen Brenner versehen, um Luft und ein an Wasserstoff reiches Gas aus dem reformierten Gas zu verbrennen. Das Verbrennungsabgas wird als Spülgas verwendet. Dabei handelt es sich um ein Spülgas mit einer Gaszusammensetzung, die ständig eine so geringe Sauerstoffkonzentration aufweist, daß diese für den Beschickungszustand und den Betriebszustand der Anlage unbedeutend ist. Dadurch wird eine sichere und ausreichende Spülung des Sicherheitsgefäßes bei jedem Betriebszustand der Anlage gewährleistet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines ersten Beispiels einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage;
Fig. 2 ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines zweiten Beispiels einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage;
Fig. 3 ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines dritten Beispiels einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage;
Fig. 4 ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines vierten Beispiels einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage;
Fig. 5 ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines fünften Beispiels einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage;
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage;
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage;
Fig. 8 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage;
Fig. 9 ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines Teils einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines Teils einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11 ein Systemdiagramm zur Erläuterung einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12 ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines Teils einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 13 ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines Teils einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
Figg. 14-19 Systemdiagramme zur Erläuterung von Brennstoffzellen-Stromanlagen mit einem katalytischen Brenner in der Spülgas-Zufuhrleitung, wobei es sich bei den in den
Figg. 14-19 gezeigten Ausführungsformen 9 bis 14 nicht um erfindungsgemäße Ausführungsformen handelt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nachstehend findet sich eine ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer Brennstoffzellen- Stromanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Auf die gleiche Weise wie bei der herkömmlichen Technologie weist die Brennstoffzellen-Stromanlage der ersten Ausführungsform eine Brennstoffzellen-Haupteinheit 21 auf, die mit einem Oxidationsmittel-Zufuhrrohr 22a und einem Brennstoff-Zufuhrrohr 22b verbunden ist, wobei über die Verbindung des Brennstoff-Zufuhrrohrs 22b mit dem Brennstoffreformer 24 Brennstoff aus dem Brennstoffreformer 24 über die Brennstoff-Zufuhrleitung 22b zugeführt wird.
Ferner ist in der Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung die Brennstoffzellen- Haupteinheit 21 im Sicherheitsgefäß 28 eingeschlossen. Dieses Sicherheitsgefäß 28 ist über ein Spülgas-Zufuhrrohr 22c mit einem Reformerbrenner 26 verbunden. Abgas aus dem Brenner 26 wird als Spülgas in das Innere des Sicherheitsgefäßes 28 auf solche Weise zugeführt, daß im Innern des Sicherheitsgefäßes 28 ein erforderlicher Druck aufrechterhalten wird.
Ferner ist die Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung entlang des Spülgas- Zufuhrrohrs 22c mit einer Sauerstoffentfernungseinrichtung 30 versehen, mit der in wirksamer Weise Sauerstoff aus dem Spülgas vor dessen Einleitung in das Sicherheitsgefäß 28 entfernt werden kann.
Die Sauerstoffentfernungseinrichtung 30 ist so ausgestaltet, daß der im Spülgas enthaltene Sauerstoff durch die Brennereinrichtung 31 entfernt wird.
Die Brennereinrichtung 31 ist im Spülgas-Zufuhrrohr 22c mit einem katalytischen Brenner 32 versehen.
Die Brennereinrichtung 31 ist so ausgestaltet, daß sie den Sauerstoff, der sich im Spülgas, das aus dem Reformerbrenner 26 über das Spülgas-Zufuhrrohr 22c geleitet wird, verbraucht, um den Brennstoff, der aus der Brennstoff-Zufuhrleitung 33 zugeführt wird, im katalytischen Brenner 32 zu verbrennen.
Ferner ist im Spülgas-Zufuhrrohr 22c der Brennereinrichtung 31 stromabwärts vom katalytischen Brenner 32 eine Meßeinrichtung 34 zur Messung der Sauerstoffkonzentration nach der Verbrennung vorgesehen.
Außerdem ist die Brennereinrichtung 31 mit einer Steuervorrichtung 35 versehen, die so ausgestaltet ist, daß sie das Steuerventil 36 betätigt und die Brennstoffmenge so einstellt, daß der Wert für die gemessene Sauerstoffkonzentration im wesentlichen auf Null gehalten wird.
Nachstehend wird der Spülvorgang im Innern des Sicherheitsgefäßes 28 unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.
Wie beim Stand der Technik erfordert die Brennstoffzellen- Haupteinheit 21 ein an Wasserstoff reiches Gas als Brennstoff. Dieses an Wasserstoff reiche Gas wird im Reformierraum 25 des Brennstoffreformers 24 durch Reformieren von Methangas oder anderen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen erzeugt. Dieses an Wasserstoff reiche Gas wird der Brennstoffzellen-Haupteinheit 21 über das Brennstoff- Zufuhrrohr 22b zugeführt.
Neben Wasserstoff benötigt die Brennstoffzellen-Haupteinheit 21 Sauerstoff als Oxidationsmittel. Dieser Sauerstoff wird beispielsweise in Form von Luft über das Oxidationsmittel- Zufuhrrohr 22a zugeführt.
Die Erzeugung des an Wasserstoffreichen Gases im Brennstoffreformer 24 beinhaltet das Durchführen von Methangas oder einem anderen Kohlenwasserstoff-Brenngas für den Reformiervorgang durch einen Reformierraum 25 über ein Reformier-Brennstoff-Zufuhrrohr 27a und die Zufuhr eines Brennstoff-Oxidationsmittels, wie Luft, und eines Brenner- Brennstoffs zum Reformerbrenner 26 über das Brenner- Brennstoff-Zufuhrrohr 27c. Die Brennerwärme wird der Reformierungsreaktion, die im Reformierraum 25 ablaufen soll, zugeführt.
Das aus dem Brenner 26 abgeführte Abgas wird teilweise entfernt und aus dem System nach außen abgeführt, während der Rest dem katalytischen Brenner 32 zugeführt wird.
Im katalytischen Brenner 32 wird der Brennstoff über das Brennstoff-Zufuhrrohr 33 zugeführt. Der Brennstoff wird im Innern des katalytischen Brenners 32 verbrannt. Der Sauerstoff, der im Reformerbrenner-Abgas enthalten ist, wird bei der Verbrennung verbraucht.
Die Steuervorrichtung 35 öffnet das Steuerventil 36, um die Menge an zugeführtem Brennstoff zu erhöhen, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas, das durch das Spülgas- Zufuhrrohr 22c fließt, nicht auf ein erforderliches Maß abgesunken ist, und erhöht die Menge an im katalytischen Brenner 32 verbrauchtem Sauerstoff.
Wenn umgekehrt die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf das erforderliche Maß abgesunken ist, hält die Steuervorrichtung 35 den Öffnungszustand des Steuerventils 36 aufrecht.
Auf diese Weise bewirkt die Steuervorrichtung die Steuerung des Steuerventils 36 in der Weise, daß die Sauerstoffkonzentration des Abgases, das durch das Spülgas- Zufuhrrohr 22c fließt, praktisch auf Null oder unter einer erforderlichen Konzentration gehalten wird.
Die Konzentration des Sauerstoffs, der im in das Sicherheitsgefäß 28 fließenden Abgas enthalten ist, liegt praktisch bei Null oder ist unter eine erforderliche Konzentration gefallen. Selbst wenn nun beispielsweise Brennstoff aus der Brennstoffzellen-Haupteinheit 21 durch eine Leckage in das Sicherheitsgefäß 28 ausgetreten ist, verursacht dieser ausgetretene Brennstoff keine unnormale Reaktion und kann in sicherer Weise aus dem Sicherheitsbehälter 28 gespült werden.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- Stromanlage. Die Teile, die die gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Teile in der ersten Ausführungsform tragen, sind entweder gleich oder identisch und bleiben in der folgenden Beschreibung unberücksichtigt.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage.
In der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage ist eine Sauerstoffentfernungsvorrichtung entlang des Spülgas- Zufuhrrohrs 22c in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform so vorgesehen, daß der Sauerstoff in wirksamer Weise aus dem Spülgas vor dessen Einführung in das Sicherheitsgefäß 28 entfernt wird.
Die Sauerstoffentfernungsvorrichtung 30 besteht in einer Brennereinrichtung 31, die den im Spülgas enthaltenen Sauerstoff entfernt.
Die Brennereinrichtung 31 weist einen katalytischen Brenner 32 auf, der im Spülgas-Zufuhrrohr 22c vorgesehen ist. Der katalytische Brenner 32 verwendet den Sauerstoff, der im Spülgas aus der Spülgas-Zufuhrleitung 22c enthalten ist, zur Verbrennung des Brennstoffs, der aus dem Brennstoff- Zufuhrrohr 53 zugeführt wird.
Ferner weist die Brennereinrichtung 31 ein Strömungsmeßgerät 37 und ein Gerät zur Messung der Sauerstoffkonzentration 34 auf, die im Spülgas-Zufuhrrohr 22c stromaufwärts vom katalytischen Brenner 32 vorgesehen sind und die Strömungsmenge und die Sauerstoffkonzentration des Brennerabgases messen, bevor die Verbrennung im katalytischen Brenner 32 erfolgt.
Die Brennereinrichtung 31 ist mit einer Steuervorrichtung 35 versehen, die die gemessenen Werte für die Sauerstoffkonzentration und die Strömungsmenge dazu verwendet, die Sauerstoffmenge im Abgas zu berechnen und das Steuerventil 36 zu betätigen, so daß praktisch die gesamte errechnete Sauerstoffmenge im katalytischen Brenner 32 verbraucht wird und demnach die Brennstoffmenge eingestellt wird.
Nachstehend folgt eine Beschreibung des Spülvorgangs im Innern des Sicherheitsgefäßes 28 in der Brennstoffzellen- Stromanlage gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, wird das aus dem Reformerbrenner 26 abgeführte Abgas aufgeteilt in einen Abgasteil, der entfernt und aus dem System nach außen abgeführt wird, und einen Rest, der in den katalytischen Brenner 32 geleitet wird, wobei aber in dieser zweiten Ausführungsform die durch das Strömungsmeßgerät 37 und das Meßgerät 34 zur Messung der Sauerstoffkonzentration gemessenen Werte für die Gasströmung und die Sauerstoffkonzentration dazu herangezogen werden, die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu messen, bevor dieses in den katalytischen Brenner 32 gelangt.
Die Steuervorrichtung 35 verwendet diese Werte für die Strömungsmenge und die Sauerstoffkonzentration zur Berechnung der Sauerstoffmenge und auch zur Berechnung der Brennstoffmenge, die zum Verbrauch der Sauerstoffmenge erforderlich ist.
Anschließend betätigt die Steuervorrichtung 35 das Steuerventil 36, so daß die Brennstoffmenge in den katalytischen Brenner 32 gelangt.
Demgemäß wird Brennstoff genau in der Menge, die für den im Spülgas-Zufuhrrohr 22c enthaltenen Sauerstoff erforderlich ist, dem katalytischen Brenner 32 über das Brennstoff- Zufuhrrohr 33 zugeführt. Somit wird ein Abgas abgeführt, aus dem praktisch der gesamte Sauerstoff entfernt worden ist.
Die Sauerstoffkonzentration im Abgas, das in das Sicherheitsgefäß 28 fließt, beträgt praktisch Null, so daß beispielsweise dann, wenn Brennstoff aus der Brennstoffzellen-Haupteinheit 21 in das Sicherheitsgefäß fließt, dieser durch eine Leckage ausgetretene Brennstoff nicht in unnormaler Weise reagiert und das Sicherheitsgefäß 28 in sicherer Weise gespült werden kann.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage. In dieser Figur haben Teile, die mit gleichen Bezugszeichen wie in den Ausgestaltungen der Figuren 1 und 2 bezeichnet sind, gleiche oder ähnliche Funktionen und werden daher nicht mehr beschrieben.
In der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stromanlage ist entlang des Spülgas- Zufuhrrohrs 22c auf die gleiche Weise wie in der ersten und zweiten Ausführungsform eine Sauerstoffentfernungsvorrichtung so vorgesehen, daß der Sauerstoff in wirksamer Weise aus dem Spülgas entfernt wird, bevor das Spülgas in das Sicherheitsgefäß 28 gelangt.
Die Sauerstoffentfernungseinrichtung 30 ist so ausgestaltet, daß der im Spülgas enthaltene Sauerstoff durch die Sauerstoffentfernungseinrichtung 31 entfernt wird.
Bei der Sauerstoffentfernungseinrichtung 31 kann es sich um ein Sauerstoffabsorptionsmittel, das Sauerstoff absorbiert, oder um ein mit Sauerstoff reaktives Mittel handeln, das eine chemische Reaktion mit dem Sauerstoff unter Verbrauch von Sauerstoff hervorruft.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung des Betriebs zur Spülung des Sicherheitsgefäßes 28 einer Brennstoffzellen- Stromanlage gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Wie für die erste und zweite Ausführungsform beschrieben, wird mit Ausnahme einer Teilmenge, die aus dem System nach außen abgegeben wird, das aus dem Reformerbrenner 26 abgeführte Abgas der Sauerstoffentfernungseinrichtung 31 zugeführt, wo der im Abgas enthaltene Sauerstoff eingefangen oder verbraucht wird, so daß die Menge an Sauerstoff, die im Abgas enthalten ist, am Auslaß der Sauerstoffentfernungseinrichtung 31 praktisch Null beträgt.
Die Sauerstoffkonzentration des in das Sicherheitsgefäß 28 eintretenden Abgases beträgt praktisch Null. So reagiert selbst dann, wenn Brennstoff aus der Brennstoffzellen- Haupteinheit 21 in das Sicherheitsgefäß gelangt, dieser durch Leckage ausgetretene Brennstoff nicht in unnormaler Weise, und das Sicherheitsgefäß 28 läßt sich in sicherer Weise spülen.
In dieser vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform sind das Strömungsmeßgerät 37 und das Meßgerät 34 zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Fließrichtung des Abgases angeordnet, wobei die Reihenfolge der Anordnung aber willkürlich ist.
Fig. 9 ist ein Systemdiagramm zur Erläuterung eines Teils einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 9 zeigt das Bezugszeichen 40 eine Brennstoffzellen- Haupteinheit 40, die Strom durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt. Diese Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 befindet sich im Innern eines Sicherheitsgefäßes 41. Die Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 ist so ausgebildet, daß ein Kathodenraum 43 und ein Anodenraum 42, die poröse Elektrodenmaterialien enthalten, sandwichartig einen Elektrolyten, der in der Fig. nicht abgebildet ist, einschließen. Ein an Wasserstoff reiches Gas, das durch Reformieren von Methangas oder dergl. erzeugt wird, wird als Brennstoff dem Anodenraum 42 zugeführt, nachdem es ein Außenrohr 44 durchlaufen hat. Sauerstoff oder Luft werden als Oxidationsmittel dem Kathodenraum 43 über ein Außenrohr 46 zugeführt.
Ferner reagieren der Brennstoff und das Oxidationsmittel in der Brennstoffzellen-Haupteinheit 40. Abfallbrennstoff und Abfalloxidationsmittel werden über die Rohre 48 und 49 abgeführt.
Ferner wird ein Teil des dem Rohr 44 zugeführten reformierten Gases über das Rohr 44a der Gastrennvorrichtung 50 als Quelle für das Spülgas zugeleitet, wo das Kohlendioxid daraus abgetrennt wird. Dieses abgetrennte Kohlendioxid wird dem Sicherheitsgefäß 41 über ein Rohr 45 als Spülgas zugeführt. Das Spülgas aus dem Sicherheitsgefäß 41 wird über das Spülgas-Abfallrohr 47, das mit dem Brennstoff-Abfallrohr 48 verbunden ist, abgeführt.
Außerdem kann sich die Gastrennvorrichtung 50 anderer Trennverfahren bedienen, beispielsweise eines chemischen oder physikalischen Verfahrens unter Verwendung eines Trennfilms.
Nachstehend wird eine vierte Ausführungsform beschrieben.
Aus einer Teilmenge des Gases, das durch das Rohr 44 des Reformiergassystems strömt, ist das Kohlendioxid mittels der Gastrennvorrichtung 50, bei der es sich um einen porösen Film oder dergl. handelt, abgetrennt worden. Das abgetrennte Kohlendioxid wird dem Sicherheitsgefäß 41 als Spülgas zugeführt. Mit diesem Kohlendioxid werden kontinuierlich oder absatzweise der Brennstoff oder das Oxidationsmittel, die möglicherweise im Innern des Sicherheitsgefäßes 41 verblieben sind, ausgespült. Das Spülgas wird über das Rohr 47, das mit dem Rohr 48 des Brennstoffabfallsystems verbunden ist, abgeführt.
Gemäß dieser Ausgestaltung der vierten Ausführungsform ist die Gastrennvorrichtung 50 vorgesehen, um das Kohlendioxid abzutrennen. Somit ist es möglich, das Kohlendioxid von einer Teilmenge des reformierten Gases mit dieser Gastrennvorrichtung 50 abzutrennen. Die Zufuhr dieses Kohlendioxids als Spülgas zum Sicherheitsbehälter 41 ermöglicht die Entfernung von entzündlichen Komponenten und der Sauerstoffkomponente im Spülgas, ohne daß es nachteilige Einflüsse gibt. Somit wird die Gefahr einer unnormalen Reaktion aufgrund eines Austritts von Brennstoff und Oxidationsmittel durch Leckage in das Sicherheitsgefäß 41 aus der Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 vermieden. Es ist möglich, eine sichere Spülung des Sicherheitsgefäßes 41 vorzunehmen.
Nachstehend wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben.
Gemäß Fig. 10 wird eine Teilmenge des Abfallbrennstoffs, der über den Anodenraum 42 der Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 abgeführt wird, über das Rohr 48 abgeführt und einem Gebläse 51 zugeführt. Nachdem der Druck durch dieses Gebläse 51 angestiegen ist, wird der Abfallbrennstoff über das Rohr 52 der Gastrennvorrichtung 50 zugeführt, wo das Kohlendioxid abgetrennt wird. Der Vorgang nach Durchlaufen der Gastrennvorrichtung 50 ist der gleiche wie bei der vierten Ausführungsform.
Gemäß dieser fünften Ausführungsform ist es möglich, das Kohlendioxid vom Abfallbrennstoff, der aus der Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 abgeführt wird, abzutrennen, wodurch in wirksamer Weise ein Spülgas erzeugt wird.
Außerdem durchläuft bei dieser vierten und fünften Ausführungsform das Spülgas, das aus dem Sicherheitsgefäß 41 abgeführt wird, das Rohr 47 und erreicht das Rohr 48 des Abfallbrennstoffsystems; es kann aber auch alternativ das Rohr 49 des Abfall-Luftsystems erreichen oder nach außen abgeführt werden.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung der sechsten bis achten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figg. 1 bis 13. Diese sechste bis achte Ausführungsform der Erfindung hat das Ziel, die nachstehend beschriebenen Probleme bei herkömmlicher Betriebsweise zu beseitigen.
Insbesondere weist das Abgas aus dem Reformerbrenner 56 im allgemeinen eine Wasserkomponente in einem hohen Anteil von 10-20% auf, da es sich bei der Hauptkomponente des Abfallbrennstoffs aus dem Anodenraum 42, die als Brennstoff dem Brenner 56 des Reformers 54 zugeführt wird, um Wasserstoff handelt. Wenn ein derartiges Reformerbrenner- Abgas als Spülgas für das Sicherheitsgefäß 41 der Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 verwendet wird, wird lokal Wärme im Sicherheitsgefäß 8 oder im Spülgas-Rohr 2c, wie in Fig. 3 gezeigt, abgeführt. Es besteht das Problem, daß die Wasserkomponente im Gas leicht kondensiert und abläuft.
Wenn beispielsweise der Betriebsdruck innerhalb des Systems in einer derartigen Anlage 5 ata beträgt, beträgt der Druck der Wasserkomponente in einem Anteil von 20% des Spülgases 1 ata, was einem Sättigungsdruck bei 100ºC entspricht. Dies bedeutet, daß an Stellen im Spülgas-Rohr 2c und im Sicherheitsgefäß 41, wo die lokale Temperatur unter 100ºC liegt, eine Kondensation erfolgt.
Die Kondensatbildung ist für das Spülgas-Zufuhrrohr 2c, das Gebläse 2e und das Sicherheitsgefäß 8 schädlich. Insbesondere kann es zu einer Blockierung des Spülgas-Zufuhrrohrs 2c durch Kondensat kommen, so daß Sicherheitsproblerne mit der Brennstoffzellen-Haupteinheit auftreten, sofern kein Spülgas mehr strömen kann.
Ferner besteht die Gefahr einer Schädigung des Gebläses durch einen Angriff des Kondensats auf das Flügelrad des Gefäßes. Außerdem beeinträchtigt das Kondensatwasser im Innern des Sicherheitsgefäßes 8 die Isolation zwischen dem Sicherheitsgefäß 8, das Erdpotential aufweist, und dem Kathodenraum 1b und dem Anodenraum 1a, die sich im allgemeinen auf einem hohen Potential befinden. Der Betrieb der Stromanlage kann nicht fortgesetzt werden, wenn ein unnormaler Strom fließt. Demzufolge besteht die Gefahr, daß die Zuverlässigkeit der Brennstoffzellen-Stromanlage beeinträchtigt wird, wenn es zur Kondensatbildung innerhalb des Spülgases kommt.
Nachstehend wird die sechste bis achte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.
Es folgt zunächst die Beschreibung der sechsten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 11.
In Fig. 11 ist die Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 mit einem Anodenraum 42 und einem Kathodenraum 43 versehen. Die Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 ist von der Umgebung durch das Sicherheitsgefäß 41 getrennt, in dem sich die Brennstoffzellen-Haupteinheit befindet. Findet eine Stromerzeugung in der Brennstoffzelle statt, so befindet sich die Brennstoffzellen-Haupteinheit 40, die im allgemeinen eine schichtförmige Struktur aufweist, auf einem hohen Potential in bezug zur Erde, während das Sicherheitsgefäß 41 aus Sicherheitsgründen geerdet ist und sich auf Erdpotential befindet. Somit besteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Anodenraum 42 und dem Kathodenraum 43.
Der Reformer 54 ist aus einem Reformierraum 55 und einem Brenner 56 gebildet. Reformierbrennstoff, wie Methanol oder Erdgas werden zusammen mit Dampf dem Reformierraum 55 über ein Rohr 57 zugeführt. Durch eine Dampfreformierreaktion wird ein an Wasserstoff reiches Gas gebildet. Dieses reformierte, an Wasserstoff reiche Gas wird sodann dem Anodenraum 42 über ein Rohr 44 zugeführt. Innerhalb der Brennstoffzellen- Haupteinheit 40 werden dieses reformierte Gas und Luft, die dem Kathodenraum 43 als Oxidationsmittel über das Rohr 46 zugeführt werden, umgesetzt. Die restlichen Komponenten, die nicht verbraucht werden, werden über die Rohre 48 und 49 als Abfallbrennstoff und Abfalluft abgeführt. Der Brenner 56 des Reformers 54 besitzt die Funktion, die durch Verbrennung erzeugte Wärme des Reformierraums 55 als Reformierwärme für die Dampfreformierreaktion zuzuführen. Um jedoch den Wirkungsgrad der Brennstoff zellen-Stromanlage zu erhöhen, wird der Abfallbrennstoff des Anodenraums 42 als Brennstoff dem Brenner 56 über das Rohr 48a zugeführt. Die Verbrennungsluft des Brenners 56 wird über das Rohr 46a zugeführt. Das Abgas, das im Brenner 56 durch Verbrennung entstanden ist, wird nach außen aus dem System über ein Rohr 58 abgeführt, wobei aber eine Teilmenge davon über das Gebläse im Spülgas-Rohr 59 dem Sicherheitsgefäß 41 der Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 zugeführt wird. Das Spülgas, das das Sicherheitsgefäß 41 durchläuft, wird durch das Rohr 47 abgeführt.
Bis hierher ist die Betriebsweise die gleiche wie bei der herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß Fig. 3.
Das Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß das Spülgas-Einlaßrohr 59 mit einer Entfeuchtungsvorrichtung 60 und stromaufwärts davon mit einem katalytischen Brenner 62 versehen ist.
Eine spezielle Ausgestaltung des Entfeuchters 60 kann so beschaffen sein, daß ein Wassertrennfilm, ein Wasserabsorptionsmittel oder ein chemisches Wasserabsorptionsmittel oder dergl. eingesetzt werden können.
Eine Teilmenge des Reformer-Abgases, das aus dem Brenner 56 des Reformers 54 abgeführt wird, wird über das Rohr 59 dem katalytischen Brenner 62 zugeführt. Ferner handelt es sich beim Brennstoff für die Verbrennung im katalytischen Brenner 62 um eine Teilmenge des reformierten Gases, das aus dem Reformierraum 55 des Reformers 54 abgeführt und dem katalytischen Brenner 62 über das Rohr 44a zugeführt wird. Die Sauerstoffkomponente, die im Abgas, das aus dem Reformerbrenner 56 abgeführt wird, verbleibt, reagiert im Innern des katalytischen Brenners 62 mit dem reformierten Gas, das aus dem Reformierraum 55 abgeführt wird und führt zur Bildung von Kohlendioxid und Wasser. Der Brennstoff für die Verbrennung im katalytischen Brenner 62 kann sich einer Teilmenge des Abfallbrennstoffs aus dem Anodenraum 42 der Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 bedienen.
Das Abgas, das aus dem katalytischen Brenner 62 abgeführt wird, wird als Spülgas dem Sicherheitsgefäß 41 der Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 und über den Entfeuchter 60 und das Gebläse 61 zugeführt.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung der Betriebsweise der sechsten Ausführungsform.
Im allgemeinen wird eine Teilmenge des Abgases, das aus dem Brenner 56 des Reformers 54 in einer Brennstoffzellen- Stromanlage abgeführt wird, als Spülgas für das Sicherheitsgefäß 41 verwendet. Es ist wünschenswert, daß dieses Abgas eine möglichst geringe Sauerstoffkonzentration aufweist.
Andererseits unterliegt der Verbrennungsanteil im Reformerbrenner 56 starken und vorübergehenden Anderungen je nach der Auslastung der Anlage. Aufgrund dieser Tatsache bringt der kontinuierliche Betrieb einer sicheren Verbrennung im Reformerbrenner 56 gelegentlich die Zufuhr von überschüssigen Luftmengen für die Verbrennung über das Rohr 46a mit sich.
In diesen Fällen muß die Konzentration an restlichem Sauerstoff im Abgas, das aus dem Reformerbrenner 56 abgeführt wird, einen geeignet niedrigen Wert aufweisen, da dieses Abgas als Spülgas verwendet wird.
In der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform ist ein katalytischer Brenner 62 am Spülgas-Einlaßrohr 59 vorgesehen. Die restliche Sauerstoffkomponente im Abgas, das aus dem Reformerbrenner 56 abgeführt wird, wird im katalytischen Brenner 62 verbraucht. Infolgedessen ist es möglich, daß Abgas, das aus dem katalytischen Brenner 62 abgeführt wird, dem Sicherheitsgefäß 41 als Spülgas zugeführt wird und entweder keinen Sauerstoffanteil enthält oder nur eine sehr geringe Sauerstoffkonzentration aufweist.
Außerdem wird bei dieser Ausführungsform eine gewisse Wassermenge im Verbrennungsreaktor im katalytischen Brenner 62 gebildet. Aufgrund dieser Tatsache ist der Anteil der Wasserkomponente im Abgas, das aus dem katalytischen Brenner 62 abgeführt wird, höher als der Anteil der Wasserkomponente des Abgases aus dem Reformerbrenner 56. Somit besteht eine erhöhte Gefahr, daß es zur Kondensatbildung kommt. Jedoch ist bei dieser Ausführungsforrn der Entfeuchter 60 stromabwärts vom katalytischen Brenner 62 angeordnet, so daß es möglich ist, den Anteil der Wasserkomponente im Spülgas zu verringern, nachdem das Spülgas den Entfeuchter 60 durchlaufen hat. Auf diese Weise ist es möglich, die Erzeugung von Kondensat im Spülgas zu verhindern.
Gemäß der Ausgestaltung dieser sechsten Ausführungsform ist ein katalytischer Brenner 62 am Spülgas-Einlaßrohr 59 vorgesehen. Ferner ist ein Entfeuchter 60 stromabwärts zum katalytischen Brenner 62 vorgesehen. Selbst wenn eine überschüssige Zufuhr von Verbrennungsluft über das Rohr 46a erfolgt und somit eine stabile Verbrennung im Brenner 56 des Reformers 54 durchgeführt werden kann, ist es möglich, daß das Abgas, das aus dem katalytischen Brenner 62 abgeführt wird, dem Sicherheitsgefäß 41 als Spülgas zuzuführen, da es entweder keinen Sauerstoffanteil oder eine ausreichend niedrige Sauerstoffkonzentration aufweist.
Da außerdem in diesem Fall der katalytische Brenner 62 am Spülgas-Einlaßrohr 59 und der Entfeuchter 60 stromabwärts vom katalytischen Brenner 62 vorgesehen sind, gibt es keine schädlichen Auswirkungen aufgrund von Kondensat im Innern des Sicherheitsgefäßes 41, des Gebläses 61 oder der Rohre. Somit ist es möglich, eine Brennstoffzellen-Stromanlage bereitzustellen, die mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung einer siebten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 12.
Zusätzlich zum Entfeuchter 60 zeigt Fig. 12 eine spezielle Ausgestaltung einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 12 durchströmt das Spülgas einen Kühler 63, eine Trennvorrichtung 64 für die Wasserkomponente und einen Wärmetauscher 65 in der Weise, daß die Wasserkomponente im Gas entfernt wird. Das Spülgas wird durch den Kühler 63 gekühlt. Das abgeschiedene Kondensat wird in der Trennvorrichtung 64 für die Wasserkomponente abgetrennt und sodann im Wärmetauscher 65 aufgeheizt und als überhitztes Gas abgeführt. Somit besteht keine Gefahr, daß stromabwarts eine Kondensatbildung erfolgt.
Bei Anwendung dieser Ausgestaltung des Entfeuchters 60 ist es möglich, die gleiche Wirkung wie bei der sechsten Ausführungsform zu erzielen.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 13 ist ein Systemdiagramm zur Darstellung einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Entfeuchter 60 vorgesehen ist. Bei dieser achten Ausführungsform ist ein Kontaktkühler 66 anstelle des Kühlers 63 und der Trennvorrichtung 64 für die Wasserkomponente gemäß Fig. 12 vorgesehen. In diesem Fall wird das Spülgas, aus dem das Kondensat durch den Kontaktkühler 66 abgetrennt ist, durch den Wärmeaustauscher 65 erneut aufgeheizt und als überhitztes Gas abgeführt.
Bei Anwendung dieser Ausgestaltung des Entfeuchters 60 ist es möglich, die gleiche Wirkung wie bei der sechsten Ausführungsform zu erzielen.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß der neunten bis vierzehnten Ausführungsform, die aber nicht unter die Erfindung fallen, unter Bezugnahme auf die Figg. 14 bis 19. Diese Brennstoffzellen-Stromanlagen gemäß der neunten bis fünfzehnten Ausführungsform dienen dazu, die nachstehend beschriebenen Schwierigkeiten herkömmlicher Verfahrensweisen zu beseitigen.
Insbesondere bestehen bei einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Stromanlage (vergl. Fig. 4), die sich des aus dem Brenner 6 des Reformers 4 abgeführten Brennerabgases als Spülgas für das Sicherheitsgefäß bedient, große Veränderungen in der Menge an Verbrennungswärme des Reformerbrenners 6 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Anlage. Somit ist die Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas nicht konstant. Insbesondere kommt es aufgrund von Veränderungen in der Belastung zu großen Schwankungen. Aufgrund dieser Tatsache kommt es auch zu großen Veränderungen der Sauerstoffkonzentration im Spülgas im Innern des Sicherheitsgefäßes 8. Wenn diese Veränderungen bewirken, daß die Sauerstoffkonzentration einen bestimmten Wert übersteigt, besteht die Schwierigkeit, daß es nicht mehr möglich ist, das Sicherheitsgefäß 8 in sicherer Weise zu spülen.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung der neunten bis vierzehnten Ausführungsform, wobei mit der neunten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 14 begonnen wird. In Fig. 14 sind der Anodenraum 42 und der Kathodenraum 43 mit einer schichtförmigen Struktur in der Brennstoffzellen- Haupteinheit 40 vorgesehen, die sich im Sicherheitsgefäß 41 befindet. Der Anodenraum 42 wird mit einem an Wasserstoff reichen Gas aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 70 versorgt. Der Kathodenraum 43 wird mit Oxidationsgas aus der Luftverarbeitungsvorrichtung versorgt. In dieser Brennstoffzellen-Haupteinheit 40 wird Strom durch elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und dem Oxidationsgas erzeugt.
Der Wasserstoff, der im Anodenraum 42 erforderlich ist, wird aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 70 zugeführt. Die Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 70 besteht aus einem Reformer 54, einem Hochtemperatur-Kohlenmonoxid-Konverter 71 und einem Niedertemperatur-Kohlenmonoxid-Konverter 72. Der Reformer 54 umfaßt einen Reformierraum 55, wo die Brennstoffquelle aus Erdgas oder dergl. auf eine Temperatur von 600-800ºC erwärmt wird und durch Dampfreformierreaktion ein an Wasserstoff reiches Gas erzeugt, und einen Brenner 56, der die für die Reformierreaktion erforderliche Wärme liefert.
Das an Wasserstoff reiche Gas, bei dem es sich um das reformierte Gas aus dem Reformer 54 handelt, weist aufgrund der Verschiebungsreaktion im Niedertemperatur-Kohlenmonoxid- Konverter 72 und dem stromabwärts angeordneten Hochtemperatur-Kohlenmonoxid-Konverter 71 eine erhöhte Wasserstoffkonzentration und eine verringerte Kohlenmonoxidkonzentration auf. Im Hochtemperatur- Kohlenmonoxid-Konverter 71 findet eine Verschiebungsreaktion bei einer Temperatur von 400ºC statt, während im Niedertemperatur-Kohlenmonoxid-Konverter 72 eine Verschiebungsreaktion bei etwa 200ºC stattfindet. Das an Wasserstoff reiche Gas, das aus dem Niedertemperatur- Kohlenmonoxid-Konverter 72 abgeführt wird, wird dem Anodenraum 42 zugeführt.
Der Abfallbrennstoff, der die nicht-umgesetzten Komponenten aus dem Anodenraum 42 enthält, wird in wirksamer Weise als Brennstoff zur Verbrennung im Brenner 56 des Reformers 54, der den Reformierraum 55 mit Wärme versorgt, eingesetzt.
Luft wird normalerweise als Oxidationsgas verwendet, das dem Kathodenraum 43 zugeführt wird. Somit wird Luft aus der Atmosphäre dem Kathodenraum 43 über die Luftverarbeitungsvorrichtung 73 zugeführt. Eine Luftkompressionsvorrichtung, wie ein Kompressor oder ein Gebläse oder dergl., können beispielsweise als Luftverarbeitungsvorrichtung 73 eingesetzt werden.
Das aus dem Niedertemperatur-Kohlenmonoxid-Konverter 72 abgeführte, an Wasserstoff reiche Gas wird aufgeteilt in eine Teilmenge, die dem katalytischen Brenner 74 über das Rohr 44a zugeführt wird, und eine Teilmenge, die aus der Luftverarbeitungsvorrichtung 73 dem katalytischen Brenner 74 zugeführt wird. Eine katalytische Verbrennung erfolgt mit dem an Wasserstoff reichen Gas, das dem katalytischen Brenner 74 zugeführt wird. Dabei erfolgt die Strömungseinstellung für die Luft und das an Wasserstoff reiche Gas durch eine Düseneinrichtung oder dergl. je nach den Erfordernissen der entsprechenden Leitungen. Das aus dem katalytischen Brenner 74 abgeführte Verbrennungsabgas wird dem Sicherheitsgefäß 41 als Spülgas über das Rohr 45 zugeführt.
Bei dieser neunten Ausführungsform wird beispielsweise ein katalytischer Brenner 74 verwendet. Jedoch ist es möglich, anstelle des katalytischen Brenners 74 eine Ausgestaltung mit einem normalen Brenner oder dergl zu verwenden. Dies gilt auch für die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung der Betriebsweise der neunten Ausführungsform.
Die Gaszusammensetzung des an Wasserstoff reichen Gases der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 70 ist im allgemeinen unabhängig von der Belastung und dem Betriebszustand der Anlage konstant. Es liegt eine konstante Sauerstoffkonzentration in der Zusammensetzung der atmosphärischen Luft vor. Demgemäß ermöglicht die kontinuierliche Verbrennung eines konstanten Anteils des an Wasserstoff reichen Gases und eines konstanten Anteils der Luft im katalytischen Brenner 74 die konstante Bildung eines Spülgases mit einer sehr geringen Sauerstoffkonzentration oder ohne Sauerstoffgehalt als Abgas des katalytischen Brenners 74.
Insbesondere ist die Wasserstoff-Gaskonzentration des an Wasserstoff reichen Gases aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 70 im allgemeinen konstant. Auch die Sauerstoffkonzentration in der Luft aus der Luftverarbeitungsvorrichtung ist praktisch konstant. Somit weist als Folge der Verbrennung von jeweils konstanten Mengen des an Wasserstoffreichen Gases und der Luft im katalytischen Brenner 74 das Abgas, das aus dem katalytischen Brenner 74 abgeführt wird, eine Gaszusammensetzung auf, die eine in stabiler Weise niedrige Sauerstoffkonzentration oder gar keinen Sauerstoff enthält, was unabhängig vom Belastungszustand und vom Betriebszustand der Anlage gilt&sub5; Demgemäß ermöglicht die Zufuhr des aus dem katalytischen Brenner 74 abgeführten Abgases als Spülgas zum Sicherheitsgefäß 41 eine Spülung des Sicherheitsgefäßes 41 in sicherer Weise.
Gemäß der Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist auch ein katalytischer Brenner 74 vorgesehen. Das aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 70 erhaltene, an Wasserstoffreiche Gas wird im katalytischen Brenner 74 zusammen mit Luft aus der Luftverarbeitungsvorrichtung 73 verbrannt, so daß das aus dem katalytischen Brenner 74 abgeführte Verbrennungsabgas als Spülgas dem Sicherheitsbehälter 41 zugeführt wird. Somit ist es möglich, eine sichere und klare Spülung bei sämtlichen Betriebszuständen mit einem Spülgas durchzuführen, das eine solche Gaszusammensetzung aufweist, daß es in stabiler Weise eine niedrige Sauerstoffkonzentration oder gar keinen Sauerstoffgehalt aufweist, unabhängig vom Belastungszustand und vom Betriebszustand der Anlage.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung einer zehnten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 15.
In Fig. 15 sind ein Kühler 75 und ein Dampfabscheider 76 zwischen dem katalytischen Brenner 74 und dem Sicherheitsgefäß 41 vorgesehen. Außerdem zeigt Fig. 15 den Fall, wo sowohl der Kühler 75 als auch der Dampfabscheider 76 vorgesehen sind, wobei aber dann, wenn nur der Kühler 75 vorgesehen ist, ein Kondensatorkühler vorgesehen sein kann, der den Kühler 75 und den Dampfabscheider 76 vereinigt.
Gemäß der Ausgestaltung dieser zehnten Ausführungsform wird die gleiche Wirkung wie bei der neunten Ausführungsform erreicht. Da zusätzlich der Kühler 75 oder der Dampfabscheider 76 vorgesehen sind, ist es möglich, die Temperatur des Verbrennungabgases aus dem katalytischen Brenner 74 so zu steuern, daß sie unter dem zulässigen Höchstwert für die Temperatur der Brennstoffzelle liegt. Ferner wird dieses Verbrennungsabgas durch den Kühler 75 und den Dampfabscheider 76 getrocknet, wodurch die Schwierigkeiten mit einer Kondensatbildung in der Spülleitung verhindert werden.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung einer elften Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 16.
Wie in Fig. 16 gezeigt, ist neben dem katalytischen Brenner 74, dem Kühler 75 und dem Dampfabscheider 76 in der elften Ausführungsform ein Kühler 77 stromabwärts vom Niedertemperatur-Kohlenmonoxid-Konverter 72 vorgesehen.
Das an Wasserstoffreiche Gas, das aus dem Kühler 77 abgeführt wird, wird in den Anodenraum 42 und den katalytischen Brenner 74 durch die Leitung 12e geleitet.
Gemäß der Ausgestaltung dieser elften Ausführungsform wird das an Wasserstoff reiche Gas stromabwärts vom Kühler 77 aufgeteilt, so daß der Wasseranteil im an Wasserstoff reichen Gas verringert wird. Infolgedessen ist es möglich, den Kühler 75 und den Dampfabscheider 76 kleiner zu machen. Im übrigen ist die Wirkung die gleiche wie bei der neunten Ausführungsform.
Ferner ist die Stelle, wo das an Wasserstoff reiche Gas aus der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung 70 entnommen wird, nicht auf die Stromabwärtsseite des Niedertemperatur- Kohlenmonoxid-Konverters 72 beschränkt, wie das bei der neunten und zehnten Ausführungsform der Fall ist. Vielmehr kann die Entnahme stromabwärts vom Kühler 77 wie im Fall der in Fig. 16 gezeigten zwölften Ausführungsform erfolgen. Außerdem kann die Entnahme auf der Stromabwärtsseite des Hochtemperatur-Kohlenmonoxid-Konverters 71 oder auf der Stromabwärtsseite des Reformierraums 55 des Reformers 54 erfolgen.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer zwölften Ausführungsform.
Wie in Fig. 17 gezeigt, ist die Ausgestaltung dieser zwölften Ausführungsform ähnlich der in Fig. 15 gezeigten zehnten Ausführungsform Jedoch ist die zwölfte Ausführungsform ferner mit einer Einrichtung versehen, die eine Teilmenge des in das Sicherheitsgefäß 41 geleiteten Spülgases durch ein Rohr 45a auf der Stromabwärtsseite des Dampfabscheiders 76 abtrennt. Diese abgezweigte Teilmenge des Spülgases wird stromaufwarts über das Gebläse 78 dem katalytischen Brenner 74 zugeführt und somit im Kreislauf geführt.
Gemäß der Ausgestaltung dieser zwölften Ausführungsform ist es möglich, die Verbrennungstemperatur des katalytischen Brenners 74 durch Kreislaufführung des Spülgases zu verringern. Somit ist es möglich, die Materialkosten für den katalytischen Brenner 74 zu senken. Es lassen sich die gleichen Wirkungen wie bei der neunten Ausführungsform erreichen.
In Fig. 18 ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der Spülgas, das aus dem Auslaß des Sicherheitsgefäßes 41 abgeführt wird, durch ein Rohr 47a abgezweigt wird. Eine Teilmenge davon wird der Stromaufwärtsseite des katalytischen Brenners 74 über das Gebläse 78 zugeführt und im Kreislauf geführt.
Gemäß dieser dreizehnten Ausführungsform ist es möglich, die Verbrennungstemperatur im katalytischen Brenner 74 durch Kreislaufführung des Spülgases zu verringern. Ferner ist es im Vergleich zu der in Fig. 17 gezeigten zwölften Ausführungsform möglich, die Spülgasmenge, die dem Sicherheitsgefäß 41 zugeführt wird, zu erhöhen. Im übrigen ergeben sich die gleichen Wirkungen wie bei der neunten Ausführungsform.
Nachstehend findet sich eine Beschreibung einer Brennstoffzellen-Stromanlage gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 19. In Fig. 19 ist die Leitung, die das an Wasserstoffreiche Gas auf der Stromabwärtsseite des Niedertemperatur-Kohlenmonoxid- Konverters 72 abzweigt, mit einer Strömungsmeßvorrichtung 79 und einem Steuerventil 80 versehen. Ferner ist die Leitung, die Luft aus der Luftverarbeitungsvorrichtung 73 in den katalytischen Brenner 74 leitet, mit einem Steuerventil 81 versehen, während die Leitung des Verbrennungsabgases, das aus dem katalytischen Brenner 74 abgeführt wird, mit einem Meßgerät 82 zur Messung der Gaskonzentration versehen ist. Die durch die Strömungsmeßvorrichtung 79 erfaßten Meßsignale werden der Steuervorrichtung 83 zugeführt. Das Steuerventil 80 wird geöffnet oder geschlossen, so daß die Nachweissignale mit einem vorher festgesetzten Strömungswert übereinstimmen. Ferner werden die Nachweissignale des Meßgeräts 82 für die Messung der Gaskonzentration der Steuervorrichtung 83 zugeführt. Das Steuerventil 81 wird aufgrund dieser Werte geöffnet oder geschlossen.
Gemäß der Ausgestaltung dieser Ausführungsform läßt sich die Strömungsmenge des Spülgases zum Sicherheitsbehälter 41 unter Erzielung des festgesetzten Werts steuern. Somit ist es möglich, das Sicherheitsgefäß 41 unter Einsatz einer geeigneten Strömungsmenge zu spülen. Ansonsten werden die gleichen Wirkungen wie bei der zehnten Ausführungsform erzielt.

Claims

1. Brennstoffzellen-Stromanlage, umfassend:

eine Brennstoffzellen-Haupteinheit, die mit Brennstoff versorgt wird;

ein Sicherheitsgefäß zur Aufnahme der Brennstoffzellen- Haupteinheit;

einen Brennstoffreformer mit mindestens einem Reformierraum, in dem der Brennstoff unter Bildung eines reformierten Brennstoffgases reformiert wird, bevor dieses dem Anodenraum der Brennstoffzellenhaupteinheit zugeführt wird, und einem Brenner, der Wärme für eine Reformierreaktion im Reformierraum liefert;

ein Gaszufuhrrohr zum Zuführen des reformierten Brennstoffgases aus dem Reformierraum in den Anodenraum der Brennstoffzellen-Haupteinheit;

ein Spülgas-Zufuhrrohr zum Zuführen von Reformerbrenner-Abgas in das Sicherheitsgefäß,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen-Stromanlage ferner mit einer Verbrennungselement-Entfernungseinrichtung versehen ist, die mit der Spülgas-Zufuhrleitung versehen ist, um in wirksamer Weise Verbrennungselemente im Spülgas zu entfernen, bevor das Spülgas in das Sicherheitsgefäß eingeleitet wird.

2. Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 1, wobei

die Verbrennungselement-Entfernungseinrichtung eine Gasabtrennvorrichtung umfaßt, die mit dem Brenngas-Zufuhrrohr versehen ist und das im reformierten Brenngas enthaltene Kohlendioxid abtrennt;

wobei das Kohlendioxid als Spülgas dem Sicherheitsgefäß zugeführt wird.

3. Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellen-Stromanlage ferner folgendes umfaßt:

ein Ableitungsrohr für verbrauchtes Brenngas, um aus der Brennstoffzellen-Haupteinheit ein verbrauchtes Brenngas abzuführen, das erzeugt wird, nachdem das reformierte Brenngas dem Anodenraum der Brennstoffzellen-Haupteinheit zugeführt und für die Stromerzeugung eingesetzt worden ist;

eine Gasabtrennvorrichtung, die mit dem Ableitungsrohr für verbrauchtes Brenngas versehen ist und im verbrauchten Brenngas enthaltenes Kohlendioxidgas abtrennt; und

ein Spülgas-Zufuhrrohr zur Verbindung der Gasabtrennvorrichtung und des Sicherheitsgefäßes, um als Spülgas das Kohlendioxidgas, das durch die Gastrennvorrichtung abgetrennt worden ist, in das Sicherheitsgefäß zu leiten.

4. Brennstoffzellen-Stromanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

wobei die Verbrennungselemente Sauerstoff umfassen und die Verbrennungselement-Entfernungseinrichtung eine Sauerstoffentfernungseinrichtung umfaßt, die entlang des Spülgas-Zufuhrrohrs vorgesehen ist.

5. Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 4,

wobei die Sauerstoffentfernungseinrichtung eine Sauerstoffadsorptionseinrichtung umfaßt, die ein Adsorptionsmittel zur Entfernung des Sauerstoffs durch Adsorption enthält.

6. Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 4 oder 5,

wobei die Sauerstoffentfernungseinrichtung eine Verbrennungseinrichtung zur Entfernung von Sauerstoff, der im Spülgas enthalten ist, zum Verbrauch des Sauerstoffs durch Verbrennung umfaßt.

7. Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 6,

wobei die Verbrennungseinrichtung einen katalytischen Brenner umfaßt, der einen Katalysator enthält, um die Umsetzung bei der Verbrennung zur Entfernung des im Spülgas enthaltenen Sauerstoffs zu beschleunigen.

8. Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 1,

wobei die Brennstoffzellen-Stromanlage ferner eine Gasabtrennvorrichtung zur Abtrennung von Kohlendioxidgas, das im Brennerabgas enthalten ist, umfaßt, und

wobei das Spülgas-Zufuhrrohr die Gasabtrennvorrichtung und das Sicherheitsgefäß verbindet, um als Spülgas das Kohlendioxidgas, das durch die Gasabtrennvorrichtung abgetrennt worden ist, dem Sicherheitsgefäß zuzuführen.

9. Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellen-Stromanlage ferner folgendes umfaßt:

einen katalytischen Brenner, der ein aus dem Brenner abgeführtes Brennerabgas und den aus dem Reformierraum zugeführten reformierten Brennstoff verbrennt, um als Spülgas ein Verbrennungsgas dem Spülgas-Zufuhrrohr zuzuführen.

10. Brennstoffzellen-Stromanlage nach Anspruch 1,

wobei die Brennstoffzellen-Stromanlage ferner folgendes umfaßt:

eine Oxidationsgas-Zufuhrquelle zum Zuführen eines Sauerstoffgases in die Brennstoffzellen-Stromanlage; und

einen katalytischen Brenner, der das reformierte Brenngas und das Oxidationsgas unter Erzeugung eines Spülgases verbrennt, das als Spülgas dem Spülgas-Zufuhrrohr zugeführt wird.

11. Brennstoffzellen-Stromanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Entfeuchter, der entlang des Spülgas-Zufuhrrohrs vorgesehen ist und das Spülgas entfeuchtet, um das entfeuchtete Spülgas dem Sicherheitsgefäß zuzuführen.