DE60132987T2

DE60132987T2 - Festpolymer-brennstoffzelle

Info

Publication number: DE60132987T2
Application number: DE60132987T
Authority: DE
Inventors: Osamu Ora-gun TAJIMA; Akira Hamada
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Eneos Celltech Co Ltd
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2021-03-24
Also published as: WO2001071837A1; US7507487B2; US20030129470A1; KR20020084225A; DE60132987D1; EP1276163B1; CN1430798A; CA2403125A1; TW496010B; EP1276163A1; EP1276163A4; CN1311581C; KR100482709B1; CA2403125C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festpolymer-Brennstoffzelle für die Befeuchtung von Reaktionsluft (Luft), die einer Luftelektrode der Festpolymer-Brennstoffzelle zugeführt wird.
Seit Kurzem gibt es ein Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem, bei dem eine elektrochemische Reaktion von Brennstoffbeschleunigt wird und elektrische Energie direkt durch den Elektronenstrom aufgenommen wird, der zum Zeitpunkt der elektrochemischen Reaktion erzeugt wird. Das Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem wandelt die chemische Energie des Brennstoffs, wie beispielsweise Erdgas, Stadtgas, Methanol, Propangas oder dergleichen (im Nachfolgenden als Brennstoffgas bezeichnet), in elektrische Energie um und hat einen Brennstoffzellen-Hauptkörper, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff aus Brennstoff, eine Vorrichtung zum Umwandeln der in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper erzeugten Gleichstromausgabe in Wechselstrom, einen Wärmetauscher zum Halten der Temperatur der Reaktionsluft auf einer für den Betrieb des Brennstoffzellen-Hauptkörpers und das Auftreten von Wasserstoff etc. geeigneten Temperatur.
In einem derartigen Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem wird Brennstoffgas wie beispielsweise Erdgas, Stadtgas, Methanol oder dergleichen einer Dampfreformierung (chemische Reaktion) unter Einwirkung des Reformierkatalysators, der in eine Reformieranlage eingefüllt ist, unterzogen, um Reformgas, das Wasserstoff als Hauptkomponente enthält, zu erzeugen. Das Reformgas wird einem CO-Verschiebekonverter zugeleitet, um das in dem Reformgas enthaltene Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umzu wandeln, und dann wird die Konzentration des restlichen Kohlenmonoxids in einem CO-Entferner auf einen vorbestimmten Konzentrationswert oder darunter reduziert. Der so erzielte Wasserstoff führt mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff eine elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper durch, um Energie zu erzeugen. Als Brennstoffzelle, die in einem derartigen Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem verwendet wird, wurde eine Festpolymer-Brennstoffzelle vorgeschlagen.
Der Brennstoffzellen-Hauptkörper der Festpolymer-Brennstoffzelle hat eine Brennstoffelektrode, der Reformgas zugeführt wird, eine Luftelektrode, der Reaktionsluft (Luft) zugeführt wird, und eine Elektrolytmembran (Ionenaustauschmembran). An der Brennstoffelektrodenseite der so aufgebauten Festpolymer-Brennstoffzelle besteht die Gefahr, dass die Brennstoffelektrodenseite der Membran trocknet, weil Wassermoleküle durch die Ionenaustauschmembran mittels eines Elektroosmoseeffekts nach und nach hindurchgehen, wenn ionisierter Wasserstoff durch die Ionenelektrolytmembran (Ionenaustauschmembran) geht. Um dies zu verhindern, wird dem Reform-(Wasserstoff)-gas Wasser zugesetzt und der Elektrode zugeleitet, um die Ionenaustauschmembran zu befeuchten.
Ferner wird an der Luftelektrodenseite der Membran zusätzlich zu dem Auslaufen von Wasser infolge von Elektroosmose, durch die Reaktion zwischen den die Membran passierenden Wasserstoffionen und dem Sauerstoff Wasser erzeugt, und die Elektrode wird mit dem so erzeugten Wasser benetzt, um die Diffusion von Sauerstoff zu behindern, so dass die Tendenz besteht, dass die Energieerzeugungsleistung verringert wird. Derartiges Wasser kann durch Gas für die Elektrodenreaktion (im nachfolgenden als Reaktionsluft bezeichnet) entfernt werden, das der Luftelektrode zugeführt wird, die Verdampfungsmenge des Wassers wird jedoch infolge des Strömens einer großen Luftmenge erhöht und somit wird die Ionenaustauschmembran getrocknet. Um dies zu verhindern, ist die Brennstoffzelle mit einem speziell dafür vorgesehenen Befeuchter ausgerüstet, um die Luft mit Feuchtigkeit zu versehen und die befeuchtete Luft dann der Luftelektrode zuzuleiten, um dadurch zu verhindern, dass die Ionenaustauschmembran trocknet.
Wie vorstehend beschrieben ist es notwendig, eine Feuchtigkeitsbearbeitung des Reformgases und der Reaktionsluft (Luft), die in der Festpolymer-Brennstoffzelle verwendet werden, durchzuführen. Um daher ein derartiges Gas für die Elektrodenreaktion zu liefern, war bisher ein für diesen Zweck vorgesehener externer Befeuchter notwendig, der einen Mechanismus zum Erwärmen von Wasser in einer Heizvorrichtung hat, um Dampf oder dergleichen und eine große Menge Prozesswasser für die Befeuchtung zu erzeugen, und es war auch ein Wärmetauscher zum Abziehen von Wasser für den Befeuchter und eine für diesen Zweck ausgewiesene Wasserrückführungsvorrichtung zum sukzessiven Rückführen von Prozesswasser zum Befeuchter notwendig.
Demgemäß wurde die vorliegende Erfindung implementiert, um das Problem des vorstehend beschriebenen Standes der Technik zu überwinden und hat die Aufgabe, eine Festpolymer-Brennstoffzelle zu schaffen, bei der mit einem einfachen Mechanismus unter Verwendung einer in der Brennstoffzelle bereits bestehenden Ausrüstung in einer Elektrode verwendetes Reaktionsgas befeuchtet und dann der Elektrode zugeleitet wird.
In der US-A-5,360,679 ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie offenbart. Ein Kraftwerkssystem erzeugt aus gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapels, der Ionenaustauschmembranen enthält, eine elektrische Wechselstromenergie in Energieversorgungsqualität. Der Brennstoff wird entschwefelt, mit Wasser gemischt, erhitzt und verdampft, bevor er in einen Reformierer eingeleitet wird. Der Reformierer erzeugt ein wasserstoffreiches Gas, das dann durch eine Reihe von Wärmetauschern, Schiebekonvertern und selektiven Oxidierern geleitet wird. Der behandelte Brennstoffdampf wird in dem Brennstoffzellenstapel mit einem unter Druck gesetzten oxidierenden Strom kombiniert, um Gleichstromenergie zu erzeugen. Der Oxidansdruck wird durch Kompressoren zugeleitet, die durch Turbinen unter Verwendung von Heizsystemabgasen betrieben werden. Die Gleichstromenergie wird unter Verwendung eines Inverters in eine Wechselstromenergie von Energieerzeugerqualität umgewandelt, der durch eine Batterieverstärkungseinheit für schnelle Ladefolgen verbessert ist. Das in dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Wasser wird recycelt und dazu verwendet, den Brennstoffzel lenstapel zu kühlen und den Brennstoffstrom und den Oxidansstrom vor ihrem Einleiten in den Brennstoffzellenstapel zu befeuchten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine Brennstoffzelle gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind weitere vorteilhafte Entwicklungen der vorliegenden Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine systematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Energieerzeugungssystems, das mit einer Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;
2 ist eine systematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Energieerzeugungssystems, das mit der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;
3 ist eine systematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Energieerzeugungssystems, das mit der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;
4 ist eine systematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Energieerzeugungssystems, das mit der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;
5 ist eine systematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Energieerzeugungssystems, das mit der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist; und
6 ist eine systematische Darstellung, die das Abziehen von Prozesswasser und die Konstruktion des Hauptteils der Rückführungsvorrichtung in der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESTE ARTEN FÜR DIE IMPLEMENTIERUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Einzelnen anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die folgenden Ausführungsformen werden unter Fokussierung auf einen Fall beschrieben, bei dem eine Festpolymer-Brennstoffzelle (in der folgenden Beschreibung werden ein Wasserstoff erzeugendes System, ein elektrochemisches Reaktionssystem (Brennstoffzellen-Hauptkörper), ein Kühlsystem etc. gemeinsam als Brennstoffzelle berechnet) in einem Energieerzeugungssystem für eine kompakte Hausenergiequelle oder dergleichen verwendet wird. Ferner erfolgt der Einfachheit halber die Beschreibung eines Falls, bei dem Reformgas, das Wasserstoff enthält, und Luft, die Sauerstoff enthält, als Gas für die Elektrodenreaktion verwendet werden, die dem Hauptkörper einer Brennstoffzelle zugeleitet werden, wobei die einer Elektrode zugeleitete Luft insbesondere als Reaktionsluft bezeichnet wird, und die Elektrode, zu der die Reaktionsluft geleitet wird, wird als eine Luftelektrode bezeichnet. Ferner ist in der vorliegenden Erfindung das Elektrodenreaktionsgas nicht notwendigerweise auf die vorstehend genannten Materialien begrenzt.
Anhand der 1 wird eine erste Ausführungsform einer Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in der 1 gezeigt, ist ein Energieerzeugungssystem GS, das die Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform verwendet, beispielsweise zusätzlich zu der Brennstoffzelle mit einer Wärmewiedergewinnungsvorrichtung RD ausgerüstet. Die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung RD und die Brennstoffzelle sind miteinander durch einen Wasser- oder Wärmemedium-Umlaufpfad verbunden, der einen Heißwasservorratstank 50 und eine Wasserbehandlungsvorrichtung 51 unter Verwendung eines Ionentauschharzes oder dergleichen etc. aufweist.
Die Wasserbehandlungsvorrichtung 51 wird mit Trinkwasser gespeist. Trinkwasser wird beispielsweise zu Prozesswasser mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit reformiert (das in der vorliegenden Erfindung als Prozesswasser bezeichnet wird), so dass es die Isolation der Brennstoffzelle in der Wasserbehandlungsvorrichtung 51 nicht beeinträchtigt, und das Prozesswasser wird durch eine Prozesswasserleitung 152 in einen später beschriebenen Wassertank 21 geleitet.
Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einer Vorrichtung zum Zuführen von Reformgas für die Elektrodenreaktion (im Nachfolgenden als Reformgas bezeichnet), die einen Entschwefler 2, eine Reformiereinrichtung 3, einen CO-Schiebekonverter 4, einen CO-Entferner 5 etc. aufweist, einem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 mit einer Brennstoffelektrode, einer Luftelektrode und einer zwischen diesen angeordneten Ionenaustauschmembran, einer Reaktionsluft-(Luft)-Zuführvorrichtung mit einer Luftpumpe 11, einem Wassertank 21 etc. und einer Brennstoffzellenkühlvorrichtung mit dem Wassertank 21, einer Pumpe 48, einem Kühlteil 6c etc.
Die in der Brennstoffzelle erzeugte Energie wird durch einen DC/DC-Wandler (nicht gezeigt) verstärkt und ist über einen mit dem Energieverteilungssystem verbundenen Inverter (nicht gezeigt) mit einer kommerziellen Energiequelle verbunden. Andererseits wird die Energie von der kommerziellen Energiequelle als Energie für die Beleuchtung, Klimaanlagen oder andere elektronische Ausrüstung in Haushalten, Büros etc. zugeführt.
In einem Energieerzeugungssystem GS, das eine derartige Brennstoffzelle verwendet, wird die effektive Nutzung der Energie, die in dem in einer Brennstoffzelle verwendeten Brennstoff steckt, unterstützt, indem beispielsweise Heißwasser aus dem Trinkwasser mit Wärme, die zum Zeitpunkt der Energieerzeugung der Brennstoffzelle erzeugt wird, abgezogen wird, das heiße Wasser in einem Heißwasservorratstank 50 gelagert wird und Bad, Küche etc. mit heißem Wasser gespeist werden.
In der Reformgasversorgungsvorrichtung der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle wird Rohbrennstoffgas, wie beispielsweise Erdgas, Stadtgas, Methanol, LPG, Butan oder dergleichen über eine Brennstoffleitung 1 dem Entschwefler 2 zugeführt, um Schwefelkomponenten aus dem Rohbrennstoffgas zu entfernen. Wenn das Rohbrennstoffgas den Entschwefler 2 passiert hat, wird sein Druck in einer Verstärkerpumpe 10 verstärkt, und dieses wird der Reformiervorrichtung 3 zugeführt, das Rohbrennstoffgas fließt mit Dampf zusammen, was durch Hindurchführen von Wasser aus dem Wassertank 21 durch die Wasserpumpe 22 und nachfolgendem Erhitzen des Wassers in einem Wärmetauscher 17 erzielt wird, und wird dann der Reformiervorrichtung 3 zugeführt.
In der Reformiervorrichtung 3 wird Reformgas erzeugt, das Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid enthält. Das Gas, welches die Reformiereinrichtung 3 passiert hat, wird zum CO-Schiebekonverter 4 geleitet, und das in dem Reformgas enthaltene Monoxid wird im CO-Schiebekonverter 4 in Kohlendioxid umgewandelt. Das Gas, welches den CO-Schiebekonverter 4 passiert hat, wird zum CO-Entferner 5 geleitet, und nicht umgewandeltes Kohlenmonoxid, welches in dem Gas, das den CO-Schiebekonverter 4 passiert hat, noch enthalten ist, wird im CO-Entferner 5 oxidiert und in Kohlendioxid umgewandelt. Das durch den CO-Entferner 5 hindurchgegangene Gas (Reformgas), in welchem die Kohlenmonoxidkonzentration auf 10 ppm oder darunter reduziert worden ist und das eine hohe Wasserstoffkonzentration hat, wird zu der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 geleitet.
In der Brennstoffzelle mit dieser Konstruktion wird die Energieerzeugung durch die chemische Reaktion zwischen dem hochkonzentrierten Wasserstoff, der in dem Reformgas enthalten ist, und dem Sauerstoff in der Luft durchgeführt, die über die Luftpumpe 11, den Wassertank 21 etc. zugeleitet und dann zur Luftelektrode 6k geleitet werden, und basierend auf der elektrochemischen Reaktion tritt Wärme auf. Die Kühlvorrichtung der Brennstoffzelle ist neben der Brennstoffelektrode 6a und der Luftelekt rode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 angeordnet, und das Prozesswasser im Wassertank 21 wird als Kühlwasser im Kühlteil 6c unter Verwendung der Pumpe 48 umgewälzt, um die Temperatur in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 mit dem Kühlwasser so zu steuern, dass die Temperatur auf einer für die Energieerzeugung geeigneten Temperatur gehalten bleibt.
Da die chemische Reaktion in der Reformiervorrichtung 3 eine endotherme Reaktion ist, ist es notwendig, die chemische Reaktion unter ständiger Erwärmung durch einen Brenner 12 durchzuführen. Der Brenner 12 ist mit einer Heizeinrichtung ausgerüstet. Der Brenner 12 wird durch eine Brennstoffleitung 13 mit Rohbrennstoffgas gespeist und wird ferner über ein Gebläse 14 mit einer Verbrennungsluft gespeist. Zusätzlich wird der Brenner 12 mit einem nicht reaktionsfähigen Wasserstoffgas (Abgas) gespeist, das von der Brennstoffelektrode 6a über eine Leitung 15 ausgegeben wird. In der 1 wird der zum Brenner 12 geleitete Rohbrennstoff direkt von der Brennstoffleitung 1 gespeist, er kann jedoch auch durch den Entschwefler 2 zum Brenner 12 geleitet werden.
Zum Startzeitpunkt des Systems GS wird der Brenner 12 durch die Brennstoffleitung 13 mit Brennstoffgas gespeist, und Verbrennungsluft wird durch das Gebläse 14 zugeführt, um dadurch die Verbrennung durchzuführen. Wenn sich der Betrieb des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 nach dem Start stabilisiert hat, wird die Zufuhr des Brennstoffgases von der Brennstoffleitung 13 unterbrochen, und es wird Abgas als Brennstoffgas durch die Leitung 15 zum Brenner 12 geleitet.
Da andererseits die chemische Reaktion in dem CO-Schiebekonverter 4, dem CO-Entferner 5 eine exotherme Reaktion ist, induziert in dem CO-Entferner 5 ein Brenner (nicht gezeigt) die Verbrennung nur zu dem Zeitpunkt, zu welchem das System gestartet wird, wodurch Verbrennungsgas erzeugt wird, und zu diesem Zeitpunkt steigt die Temperatur des CO-Entferners 5 durch die Wärme des so erzeugten Verbrennungsgases auf die exotherme Reaktionstemperatur. Danach wird die Reaktionstemperatur durch die Wärme der in dem CO-Entferner 5 erfolgenden exothermen Reaktion gehalten. Bei ge legentlichen Anforderungen werden der CO-Schiebekonverter und der CO-Entferner 5 so gesteuert, dass sie von außen gekühlt werden, um zu verhindern, dass ihre Temperatur auf die Reaktionstemperatur oder darüber steigt. Wenn die Temperatur einmal auf die Reaktionstemperatur gestiegen ist, wird die Kühlsteuerung so ausgeführt, dass verhindert wird, dass die Temperatur die Reaktionstemperatur infolge der Wärme der exothermen Reaktion überschreitet.
Wie vorstehend beschrieben wird die Reaktionstemperatur in der Reformiereinrichtung 3, dem CO-Schiebekonverter 4, dem CO-Entferner und dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 so gehalten, dass die vorgeschriebenen chemischen Reaktionen und die Energieerzeugung fortgesetzt werden können.
In der Reaktionsluftzuführvorrichtung wird die Reaktionsluft, die durch die Pumpe 11 in den Wassertank 21 geleitet worden ist, im Wassertank 21 befeuchtet, bevor sie zur Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 geleitet wird. Die Bezugsziffer 29 bezeichnet eine Hilfspumpe, wenn eine derartige Reaktionsluft zur Luftelektrode 6k geleitet wird. Die Hilfspumpe 29 kann weggelassen werden.
Wie später beschrieben, wird die Befeuchtung der Reaktionsluft durch Ausbilden eines Dampfphasenteils 53, Leiten der Luft von der Luftpumpe 11 in das Wasser im Wassertank 21, in welchem die Wassertemperatur innerhalb eines eingestellten Temperaturbereichs gehalten wird, und Ausleiten von Blasen im Wasser zum Dampfphasenteil 53 während des Brodelns des Wassers durchgeführt. Wie vorstehend beschrieben, wird die mit Feuchtigkeit versehene Reaktionsluft von dem Wassertank 21 zur Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 geleitet, so dass die Reaktion in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper korrekt beibehalten werden kann.
Das Zusetzen von Wasser zu dem Reformgas, das der Brennstoffelektrode 6a des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 der vorliegenden Erfindung zugeleitet wird, wird durch Einstellen der Menge des Prozesswassers eingestellt, das von dem Wassertank 21 durch die Pumpe 22 und den Wärmetauscher 17 zur Reformiereinrichtung 3 fließt. Da das dem Wärmetauscher 17 zugeleitete Prozesswasser zu Dampf verdampft wird, wird, wenn das Verhältnis (S/C-Verhältnis) zwischen der Dampfmenge und der Rohbrennstoffgasmenge, die der Reformiereinrichtung 3 zugeleitet werden, auf einen höheren Wert als das herkömmliche S/C-Verhältnis von beispielsweise 2 bis 3 eingestellt ist, auf das S/C-Verhältnis von 3 bis 4 gesetzt, um dadurch die Wassermenge, welche in dem von der Reformiereinrichtung 3 ausgegebenen Reformgas enthalten ist, zu erhöhen, und das von dem CO-Entferner 5 ausgegebene Reformgas wird auch direkt zu dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 geleitet, ohne dass aus dem Reformgas Feuchtigkeit entfernt worden ist, so dass keine Feuchtigkeit aus dem hochkonzentrierten Wasserstoffgas, aus dem CO entfernt worden ist, verloren geht (das heißt, das S/C-Verhältnis ist auf einen hohen Wert gesetzt), wobei dem Reformgas, welches der Brennstoffelektrode 6a des Brennstoffzellen-Hauptkörpers zugeleitet wird, ohne Vorsehen einer unabhängigen Befeuchtungsvorrichtung für die Befeuchtung des Brennstoffgases für die Reaktion eine korrekte Feuchtigkeit verliehen werden kann.
Wenn das Risiko besteht, dass das Reformgas zum Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 mit einer Temperatur geleitet wird, die im Wesentlichen gleich der Temperatur des vom CO-Entferner 5 ausgegebenen Gases ist, wie im Fall einer Zelle, die eine Struktur hat, bei der die Rohrlänge zwischen dem CO-Entferner 5 und dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 kurz ist, und wobei somit die Temperatur des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 übermäßig erhöht wird, so dass die Energieerzeugungsfunktion gesenkt wird und der Elektrodenteil etc. der Zelle zerstört werden, ist es vorzuziehen, dass in einer Leitung 70 zwischen dem CO-Entferner 5 und dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 ein Wärmetauscher (nicht dargestellt) vorgesehen ist und Wasser vom Wassertank 21 oder dergleichen in den Wärmetauscher fließt, um zwischen dem Wasser und dem Reformgas einen Wärmeaustausch durchzuführen, um dadurch die Temperatur des Reformgases einzustellen.
Wenn die Temperatur des in den Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 fließenden Reformgases auf beispielsweise 80°C oder weniger gehalten wird, indem ein derartiger Wärmetauscher wie vorstehend beschrieben verwendet wird, könnte das Reformgas dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 in einem Zustand zugeleitet werden, in welchem die Feuchtigkeit des Reformgases so gesetzt ist, dass der Sättigungsdampfdruck bei dieser Temperatur im Wesentlichen gehalten wird. Daher kann die Befeuchtung des Reformgases (Einstellung der Feuchtigkeit) an verschiedenen Arten von Brennstoffzellen mit verschiedenen Strukturen ohne thermische Zerstörung implementiert werden.
Das in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 zirkulierende Kühlwasser fließt nicht nur durch die Wasserleitung in den Wassertank 21, sondern es wird auch Wasser oder dergleichen, das von der Brennstoffelektrode 6a und der Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 ausgegeben wird, im Wassertank 21 gespeichert. Die zum Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 geleitete Reaktionsluft kann mit einem solchen Wasser befeuchtet werden und dann zur Luftelektrode 6k geleitet werden oder kann in dem Kühlteil 6c umgewälzt werden, um den Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 zu kühlen.
Das in den Wassertank 21 wie vorstehend beschrieben rückgeführte Wasser ist nicht notwendigerweise auf Wasser von dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 begrenzt. Wenn Wasser im Wesentlichen nahe dem Prozesswasser ist, das von dem Energieerzeugungssystem, das diese Brennstoffzelle hat, erzeugt wird, wird das Wasser in den Wassertank 21 zurückgeführt, um wieder als Wasser für die Befeuchtung recycelt zu werden und zur Luftelektrode geleitet zu werden.
Daher ist der Wassertank 21 mit einer Flüssigkeitspegelsteuerung LC, um den Wasserpegel des Prozesswassers so zu halten, dass immer im oberen Teil des Tanks ein Luftteil (Dampfphasenteil) 53 ausgebildet ist und mit einer Temperatureinstelleinrichtung TC ausgerüstet, um die Wassertemperatur in dem Wassertank 21 innerhalb eines gesetzten Temperaturbereichs zu halten.
Die Flüssigkeitspegelsteuerung LC ist mit einer Steuerung für ein Wassermessinstrument 54 und einem motorbetriebenen Ventil 56 ausgerüstet und dient zur Steuerung der Menge des Prozesswassers in dem Wassertank 21, um das Prozesswasser im Wassertank 21 zu lagern und den Dampfphasenteil 53 am oberen Teil des Wassertanks zu bil den, wobei die Wassermenge im Wassertank 21 immer so überwacht wird, dass die Reaktionsluft korrekt befeuchtet wird, während sie durch den Wassertank 21 strömt und dann zum Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 geleitet wird. Die Flüssigkeitspegelsteuerung LC hält den Wasserpegel auf einem eingestellten Wert, indem die Pumpe für das Umwälzen des Wassers in der Brennstoffzelle oder der Wärmetauscher der Energieerzeugungsvorrichtung GS, die die Brennstoffzelle verwendet, zusammen mit der Temperatureinstelleinrichtung TC gesteuert wird. Wenn der Wasserpegel in dem Wassertank unter einem solchen Steuerungsvorgang nicht auf dem eingestellten Wert gehalten werden kann, wird Trinkwasser, das von einem Wasserhahn oder dergleichen über eine Wasserleitung 52 zugeleitet wird, durch eine Ionenaustauschvorrichtung der Prozessvorrichtung 51 behandelt, um Prozesswasser zu erzielen, und das so erzielte Prozesswasser wird in den Wassertank 21 durch Einstellen des Öffnungsgrads eines motorbetriebenen Ventils 56 so eingestellt, dass der Wasserpegel in dem Wassertank 21 innerhalb eines eingestellten Bereichs gehalten wird.
Die Bezugsziffer 55 bezeichnet eine Wellendämpfplatte, durch die verhindert wird, dass das Erfassen des Wasserpegels durch das Wassermessinstrument 54, welches im Wassertank 21 montiert ist, infolge von Schwankungen der Wasseroberfläche unstabil wird, was durch Einleiten der von der Pumpe 11 zugeleiteten Luft in das Wasser im Wassertank 21 verursacht wird.
Die Temperatureinstellmittel TC dienen dazu, die Temperatur des Prozesswassers im Wassertank 21 so einzustellen, dass der obere Grenzwert der Temperatur in Übereinstimmung mit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle variiert wird, wodurch die Reaktionsluft im Wassertank 21 während des Hindurchführens derselben durch den Wassertank 21 korrekt befeuchtet wird, wenn die Reaktionsluft zur Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 geleitet wird. Beispielsweise wird das Prozesswasser in einem Temperaturbereich (eingestellte Temperatur) von 60°C bis 80°C gehalten. Diese Wassertemperatursteuerung wird durch Steuern einer Heizvorrichtung 63, wie beispielsweise einer elektrischen Heizvorrichtung oder dergleichen, mit der der Wassertank 21 ausgerüstet ist, nach Bedarf durchgeführt. Die Wassertemperatursteuerung wird durch die Temperatureinstellvorrichtung TC so ausgeführt, dass die Wassertemperatur auf einen hohen Wert gesetzt ist, wenn es notwendig ist, die Reaktionsluft mit einer großen Wassermenge zu versehen, oder sie wird auf einen niedrigen Wert gesetzt, wenn die Zelle sogar mit einer kleinen Wassermenge arbeiten kann, das heißt, die Temperatur des Prozesswassers wird so gesteuert, dass die Reaktionsluft mit der für die in der Brennstoffzelle verwendeten Elektrodenstruktur oder Zellenstruktur geeigneten Feuchtigkeit versehen wird.
Zwischen die Reformiereinrichtung 3 und den CO-Schiebekonverter 4 ist ein Wärmetauscher 18 geschaltet, und zwischen den CO-Schiebekonverter 4 und den CO-Entferner 5 ist ein Wärmetauscher 19 geschaltet, und das Prozesswasser im Wassertank 21 wird in den Wärmetauschern 18, 19 durch die Pumpen 23 bzw. 24 umgewälzt, um das den Reformer 3 und den CO-Schiebekonverter 4 passierende Gas jeweils mit Wasser zu kühlen.
An ein Abzugssystem 31 der Reformiereinrichtung 3 ist ein Wärmetauscher 17 angeschlossen, und das Wasser vom Wassertank 21 wird durch den Wärmetauscher 17 zu Dampfverdampft, und der so erzielte Dampf wird mit dem Rohbrennstoffgas vermischt, welches durch eine Pumpe 10 strömt, und das Gemisch wird dann zur Reformiereinrichtung 3 geleitet. Ferner ist zusätzlich zum Wärmetauscher 17 ein weiterer Wärmetauscher 32 mit dem Abzugssystem 31 verbunden, und Wasser vom Heißwassertank 50 wird in dem Wärmetauscher 32 durch eine Pumpe 33 umgewälzt, um eine Abwärmewiedergewinnung durchzuführen.
Die Bezugsziffer 34 bezeichnet einen Prozessgas-(PG)-Brenner. Wenn der Betrieb des Energieerzeugungssystems mit der Brennstoffzelle gestartet wird, verbrennt der PG-Brenner 34 das Reformgas, welches die Reformiereinrichtung 3, den CO-Schiebekonverter 4 und den CO-Entferner 5 passiert hat, bis das Reformgas dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 als ein Gas zugeleitet werden kann, welches eine stabile und geeignete Zusammensetzung für den Betrieb des Brennstoffzellen-Hauptkörpers hat, und der Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 wird mit dem Reformgas gespeist, um die Energieer zeugung durchzuführen, nachdem der Betrieb jeder Reaktionseinrichtung sich stabilisiert hat. Am Anfang wird dem PG-Brenner 34 Abgas, welches für die Energieerzeugung in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 nicht zur Verfügung steht, zugeleitet, um verbrannt zu werden. Nachdem die Temperatur des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 sich stabilisiert hat, geht Abgas vom Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 durch eine Leitung 15 und wird in den Brenner 12 der Reformiereinrichtung 3 eingeleitet, um verbrannt zu werden.
Es wird nun das Steuersystem für den PG-Brenner 34 beschrieben.
Nach dem Start des Energieerzeugungssystems dieser Ausführungsform wird ein Öffnen/Schließ-Ventil 91 geschlossen, und ein Öffnen/Schließ-Ventil 36 wird geöffnet, bis sich die Temperatur in jedem Reaktor stabilisiert hat. Demgemäß wird Reformgas durch eine Leitung 35 und das Öffnen/Schließ-Ventil 36 in den PG-Brenner 34 geleitet. Wenn sich die Temperatur in jedem Reaktor stabilisiert hat, werden die Öffnen/Schließ-Ventile 91 und 39 geöffnet, und die Öffnen/Schließ-Ventile 36 und 92 geschlossen, bis sich die Temperatur des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 stabilisiert hat, so dass der Brenner 34 über eine Leitung 38 und das Öffnen/Schließ-Ventil 39 mit zu verbrennendem Reformgas gespeist wird. Wenn die Temperatur in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 auf eine vorbestimmte Temperatur (beispielsweise 60°C) oder darüber angestiegen ist und in der Reformiereinrichtung 3, dem CO-Schiebekonverter 4, dem CO-Entferner 5 etc. sich die Temperatur stabilisiert hat, sind die Öffnen/Schließ-Ventile 91, 39 geöffnet und die Öffnen/Schließ-Ventile 36, 91 geschlossen, bis sich die Temperatur in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 in einem Temperaturbereich in der Nähe der Betriebstemperatur (beispielsweise 70°C bis 80°C) stabilisiert hat, so dass der PG-Brenner 34 über die Leitung 38 und das Öffnen/Schließ-Ventil 39 mit dem zu verbrennenden Brennstoffgas gespeist wird.
Wenn sich die Temperatur der Brennstoffzelle 6 auf der Betriebstemperatur stabilisiert hat und die kontinuierliche Ausführung der Energieerzeugung möglich ist, sind die Öffnen/Schließ-Ventile 91, 92 geöffnet, während die Öffnen/Schließ-Ventile 36, 39 ge schlossen sind, und die Energieerzeugung wird in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 ausgeührt. Abgas, welches nicht zur der Reaktion in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 beiträgt, wird durch die Leitung 15 geleitet und für die Verbrennung zum Brenner 12 geleitet.
In das Abgassystem 45 des PG-Brenners 34 ist ein Wärmetauscher 46 geschaltet, und Wasser vom Heißwassertank 50 wird in dem Wärmetauscher 46 durch eine Pumpe 47 umgewälzt, um eine Abgaswärmerückgewinnung durchzuführen.
Durch eine Wasserleitung 61 wird Trinkwasser in den Heißwassertank 50 gespeist. Das in den Heißwassertank 50 eingespeiste Trinkwasser wird durch die wiedergewonnene Abgaswärme des Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems (des Energieerzeugungssystems, welches die Festpolymer-Brennstoffzelle verwendet) erwärmt, so dass dessen Temperatur auf eine vorgeschriebene Temperatur erhöht wird, und das so erwärmte heiße Wasser wird durch eine Heißwasserversorgungsleitung 62 nach außen geleitet.
2 ist ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Energieerzeugungssystems unter Verwendung der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform dadurch, dass sie mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung (Wärmetauscher 27) zur Rückgewinnung der Wärme aus der von der Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 ausgegebenen Reaktionsluft und einem Wärmetauscher 41 ausgerüstet ist, der zwischen Wassertank 21 und Heißwassertank 50 angeordnet ist, um zwischen dem Wassertank 21 und dem Heißwassertank 50 einen gegenseitigen Wärmeaustausch durchzuführen. Da die anderen Elemente die gleichen wie in der 1 gezeigten sind, sind diese Elemente mit den gleichen Bezugsziffern und Symbolen bezeichnet, und deren Beschreibung wird weggelassen.
Eine Abgaswärmerückgewinnung hat die Wärmetauscher 18, 19, 27, 32, 41 und 46 und die Pumpen 23, 24, 28, 33, 42, 43, 47 etc., und die Abgaswärmerückgewinnung wird durch Umwälzen des Prozesswassers des Wassertanks 21 und des Heißwassers des Heißwassertanks 50 durch diese Pumpen in die Wärmetauscher durchgeführt.
Die Bezugsziffer 27 bezeichnet einen Abgaswärmerückgewinnungs-Wärmetauscher, der mit einem Reaktionsluftabgassystem 26 des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 ausgerüstet ist. Trinkwasser aus dem Heißwassertank 50 wird durch die Pumpe 28 in dem Wärmetauscher 27 umgewälzt, um die Wärme des von der Luftelektrode 6k ausgegebenen Gases von 70°C bis 80°C rückzugewinnen und das so wärmegetauschte heiße Trinkwasser wird in dem Heißwassertank 50 gelagert. Gleichzeitig wird das von dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 ausgegebene Gas gekühlt.
Die Bezugsziffer 41 bezeichnet den Wärmetauscher, mit dem der Wassertank 21 ausgerüstet ist, und Prozesswasser des Wassertanks 21 wird durch die Pumpe 42 im Wärmetauscher umgewälzt, und Trinkwasser vom Heißwassertank 50 wird durch die Pumpe 43 ebenfalls im Wärmetauscher 41 umgewälzt, so dass das Prozesswasser und das Trinkwasser nicht miteinander vermischt werden. Das Trinkwasser des Heißwassertanks und das Prozesswasser des Wassertanks 21 tauschen ihre Wärme im Wärmetauscher 41 ordnungsgemäß aus. Die Temperatur des Prozesswassers des Wassertanks 21 kann durch den Wärmetausch des Wärmetauschers 41 eingestellt werden. In diesem Fall sind die in der 1 gezeigten Temperatureinstellmittel TC weggelassen.
In der in der 2 gezeigten Ausführungsform wird der Wassertank 21 dazu verwendet, die Reaktionsluft, mit der die Elektrode gespeist wird, zu befeuchten. Daher hat es Priorität, die Wassertemperatur in dem Wassertank innerhalb eines gesetzten Temperaturbereichs zu halten, so dass die der Luftelektrode 6k zugeleitete Luft durch den Wassertank 21 ordnungsgemäß befeuchtet bleibt. Wenn die Temperatur in dem Wassertank 21 extrem hoch ist, wird die Pumpe 42 angetrieben, und die Pumpe 42, die Pumpe 43 etc. werden so gesteuert, dass die Wärmeübertragung auf den Heißwassertank 50 ermöglicht ist.
3 ist ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform gemäß dem Energieerzeugungssystem unter Verwendung der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die dritte Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform dadurch, dass eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung für das an der Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 auszugebende Gas vorgesehen ist und ein Kühlmedium, wie beispielsweise ein Kältemittel, ein organisches Lösungsmittel oder dergleichen, zur Verfügung steht, um den Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 zu kühlen. Die anderen Elemente sind die gleichen wie in der 1 gezeigt. Daher sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern und Symbolen bezeichnet, und deren Beschreibung wird weggelassen.
Eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform hat die Wärmetauscher 18, 19, 32, 46, 58 und 64 und die Pumpen 23, 24, 33, 47, 59, 66 etc. und führt die Abgaswärmerückgewinnung durch Umwälzen des Prozesswassers des Wassertanks 21 und des Heißwassers des Heißwassertanks 50 in den Wärmetauschern mittels der Pumpen durch.
Die Bezugsziffer 58 bezeichnet einen Wärmetauscher, mit dem der Kühlteil 6c ausgerüstet ist. Ein organisches Kühlmedium, wie beispielsweise Ethylenglykol oder dergleichen, wird im Wärmetauscher 58 durch eine Pumpe 57 umgewälzt, um das Innere des Brennstoffzellen-Hauptkörpers zu kühlen. Ferner wird das Prozesswasser des Wassertanks 21 im Wärmetauscher 58 durch die Pumpe 59 umgewälzt, so dass das Prozesswasser nicht mit dem organischen Kühlmedium vermischt wird, und somit wird die Wärme des Kühlteils 6c der Brennstoffzelle für den Wassertank 21 zurückgewonnen.
Durch die Verwendung eines derartigen organischen Kühlmediums zum Kühlen der Brennstoffzelle können die Elektroden der Zelle effizient gekühlt werden, und die Betriebstemperatur der Zelle kann unterhalb eines Hochleistungserzeugungseffizienzstatus gehalten werden. Zusätzlich kann die Temperatur des Wassers des Wassertanks 21, das zur Befeuchtung des Gases (der Luft) verwendet wird, welches der Elektrode zugeleitet wird, durch die Temperatureinstellvorrichtung TC gesteuert werden, so dass die Temperatur innerhalb eines gesetzten Temperaturbereichs gehalten wird.
Die Bezugsziffer 64 bezeichnet einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Wärme aus dem an der Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 ausgegebenen Ausgangsgases. Das Prozesswasser des Wassertanks 21 wird im Wärmetauscher 64 durch die Leitung 65 mittels der Pumpe 66 umgewälzt, um die Wärme des Ausgangsgases für den Wassertank 21 zurückzugewinnen.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des Energieerzeugungssystems unter Verwendung der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. In der in der 4 gezeigten Ausführungsform sind die gleichen Teile wie die in der in 1 gezeigten Ausführungsform mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die doppelte Beschreibung derselben Teile wird weggelassen, und es werden nur die unterschiedlichen Teile beschrieben.
Die folgende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Festpolymer-Brennstoffzelle jeder der ersten bis dritten vorstehend beschriebenen Ausführungsformen mit einem Mechanismus ausgerüstet ist, der Wasser, welches in der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode des Brennstoffzellen-Hauptkörpers erzeugt worden ist, verwendet.
In der Brennstoffzelle gemäß der in der 4 gezeigten vierten Ausführungsform wird das Wasser, mit dem die Wärmetauscher 18, 19 durch die Pumpen 23, 24 gespeist und das durch diese durchgeleitet worden ist, in den Prozesswassertank 21 zurückgeleitet, und Kühlwasser, welches in dem Kühlteil 6c des Brennstoffzellen-Hauptkörpers durch die Pumpe 48 umgewälzt wird und durch die Wasserleitung 73 geleitet wird, fließt in den Prozesswassertank 21. Ferner ist der Prozesswassertank 21 mit der Prozesswasser-Rückspeisungsvorrichtung 68 zum Zurückleiten von Wasser in den Prozesswassertank 21 verbunden. Die Prozesswasser-Rückleitungsvorrichtung 68 hat ein motorbetätigtes Ventil 56, einen Wasserversorgungstank 67, eine Pumpe 74 etc.
Der Wasserversorgungstank 67 ist ein Tank zum zeitweiligen Speichern von Wasser, das in einer Trinkwasserrückführvorrichtung 69 und dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 erzeugt worden ist, und speist den Prozesswassertank 21 mit dem Wasser.
Das von dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 erzeugte Wasser ist abgezogenes Abwasser, das durch Einleiten des dampfhaltigen Gases, ausgegeben von der Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 in einen Wärmetauscher 71 und dann Kühlen des Wärmetauschers 71 mit dem zwischen dem Wärmetauscher 71 und dem Heißwassertank 50 durch eine Pumpe 72 umgewälzten Wassers erzielt wird, und auch Wasser, das in dem von der Brennstoffelektrode 6a ausgegebenen Gas enthalten ist.
Das in dem Wasserversorgungstank 67 abgezogene Wasser ist nicht notwendigerweise auf Wasser begrenzt, welches vom Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 erzeugt worden ist, und kann Abwasser sein, das von dem Energieerzeugungssystem GS mit der Brennstoffzelle erzeugt worden ist. Jegliches Wasser wird zeitweilig in dem Wasserversorgungstank 67 gespeichert und dann zu dem Prozesswassertank 21 geleitet.
Die Trinkwasser-Rückführvorrichtung 69 ist über eine Wasserleitung 52 mit einem motorbetätigten Ventil 76 mit einer Wasser-(Trinkwasser)-Versorgung 78 verbunden. Wenn ein Wasserpegelmessinstrument 79 das Sinken des Wasserpegels detektiert, weil die Wassermenge in dem Wasserversorgungstank 67 verringert ist, wie im Fall, bei dem die vom Wasserversorgungstank 67 in den Prozesswassertank 21 geleitete Wassermenge größer als die Wassermenge ist, die von dem Brennstoffzellen-Hauptkörper 6 etc. wie vorstehend beschrieben, in den Wasserversorgungstank 67 fließt, öffnet eine Flüssigkeitspegelsteuerung 77 der Trinkwasser-Rückführvorrichtung 69 das motorbetätigte Ventil 76, um Trinkwasser durch die Wasserleitung 52 und die Wasserbehandlungsvorrichtung 51 in den Wasserversorgungstank 67 unter Verwendung des Wasserdrucks der Wasserversorgung 78 zu leiten, wodurch die Wassermenge erhalten bleibt, bei der die Wasserversorgung des Prozesswassertanks 21 nicht behindert ist.
In dieser Ausführungsform hat die Flüssigkeitspegelsteuerung LC eine Steuerung für das Wasserpegelmessinstrument 54 und das motorbetätigte Ventil 76, um die Wassermenge im Wassertank 21 immer zu überwachen. Um die Reaktionsluft ordentlich zu befeuchten, wenn die Reaktionsluft durch den Wassertank 21 strömt und dann die so befeuchtete Reaktionsluft zur Brennstoffzelle 6 zu leiten, wird die Menge des Prozesswassers gesteuert, um das Prozesswasser im Tank 21 zu speichern und im oberen Teil des Tanks den Dampfphasenteil 53 zu bilden. Wenn der eingestellte Wasserpegel im Wassertank nicht aufrechterhalten werden kann, wird der Antrieb der Pumpe 74 gestartet, und der Öffnungsgrad des motorbetätigten Ventils 56 wird so eingestellt, dass das Prozesswasser vom Wasserversorgungstank 67 eingeleitet wird, wodurch der eingestellte Bereich des Wasserpegels im Wassertank 21 aufrechterhalten wird.
5 ist ein Schaltbild einer fünften Ausführungsform des Energieerzeugungssystems unter Verwendung der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Ausführungsform der 5 unterscheidet sich von der in der 4 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass Kältemittel, organisches Lösungsmittel oder dergleichen als Kühlmedium zum Kühlen des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 verwendet werden kann und dass die Wasserbehandlungsvorrichtung 51 zwischen dem Wasserversorgungstank 67 und dem Prozesswassertank 21 angeordnet ist. Die Konstruktion der übrigen Teile ist die gleiche wie in der 1 gezeigt. Daher sind diese Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und deren Beschreibung ist weggelassen.
In der Festpolymer-Brennstoffzelle mit der Prozesswasser-Rückführvorrichtung 68 gemäß der Ausführungsform von 5 bezeichnet die Bezugsziffer 58 einen Wärmetauscher, mit dem der Kühlteil 6c des Brennstoffzellen-Hauptkörpers 6 ausgerüstet ist, und ein organisches Kühlmedium, wie beispielsweise Ethylenglykol oder dergleichen wird im Wärmetauscher 58 durch die Pumpe 57 umgewälzt, um das Innere der Brennstoffzelle zu kühlen.
Ferner wird das Prozesswasser des Prozesswassertanks 21 im Wärmetauscher 58 durch die Pumpe 59 umgewälzt, so dass das Prozesswasser nicht mit dem organischen Kühlmedium vermischt wird, wodurch Wärme des Kühlteils 6c der Brennstoffzelle für den Prozesswassertank 21 rückgewonnen wird.
Unter Verwendung des organischen Kühlmediums zum Kühlen der Brennstoffzelle können die Elektroden der Zelle wirksam gekühlt werden, um die Betriebstemperatur der Zelle auf einem Hochleistungserzeugungseffizienzstatus zu halten.
Die Bezugsziffer 71 bezeichnet einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Wärme und zum Abziehen von Wasser aus dem von der Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers ausgegebenen Gas. Wasser des Heißwassertanks 50 wird in dem Wärmetauscher 71 durch eine Pumpe 72 umgewälzt, und Wärme, die aus dem umgewälzten Wasser erzielt wird, wird im Heißwassertank 50 gelagert. Zusätzlich wird Abwasser, das aus dem gekühlten Ausgangsgas kondensiert ist, durch eine Leitung 170 geleitet und in den Wasserversorgungstank 67 abgezogen.
In der Prozesswasser-Rückführvorrichtung 68 der in der 5 gezeigten Ausführungsform ist die Wasserbehandlungsvorrichtung 51 zwischen dem Wasserversorgungstank 67 und dem Prozesswassertank 21, im Einzelnen zwischen der Pumpe 74 und dem motorbetätigten Ventil 56 angeordnet. Wenn daher die Flüssigkeitspegelsteuerung LC einen Verlust der Wassermenge in dem Prozesswassertank 21 durch das Wasserpegelmessinstrument 54 detektiert, um das motorbetätigte Ventil 56 zu öffnen und das Antreiben der Pumpe 74 zu starten, ist das gesamte Wasser, welches in den Wasserversorgungstank 67 rückgeführt wird, notwendigerweise in seiner Wasserqualität durch die Wasserbehandlungsvorrichtung 51 verbessert und wird dann zum Prozesswassertank 21 geleitet.
Gemäß der Prozesswasser-Rückführvorrichtung 68, die für die Zelle gemäß der Ausführungsform der 5 verwendet wird, kann unter der Annahme, dass die Brennstoffzelle eine solche Struktur hat, dass durch den Betrieb der Brennstoffzelle keine große Wassermenge verloren geht, ausreichend Wasser von der Zelle abgezogen werden, und der größte Teil des so abgezogenen Wassers ist nicht verunreinigt, das gesamte rückgeführte Wasser, welches zum Prozesswassertank 21 geleitet wird, geht durch die Wasserbehandlungsvorrichtung 51, und die Prozesswasserversorgungsvorrichtung zum Abziehen und Rückführen von Wasser ist durch die einfachste Konstruktion aufgebaut.
Wenn die Menge des Wassers von der Brennstoffzelle oder dem Energieerzeugungssystem oder des abgezogenen Abwassers infolge des Treibens der Brennstoffzelle 6 verringert ist, steuert die Flüssigkeitspegelsteuerung 77 des Wasserversorgungstank 67 die motorbetriebene Einrichtung, um Trinkwasser von der Wasserversorgung 78 in den Wasserversorgungstank 67 zurückzuführen, wie dies bei der in der 4 gezeigten Ausführungsform der Fall ist, und Trinkwasser wird zusammen mit dem Trinkwasser zur Beseitigung des Wassermangels der Zelle etc. zum Prozesswassertank 21 geleitet.
6 ist ein Schaltbild, das den Hauptteil für Wasserabzug und Versorgung einer sechsten Ausführungsform des Energieerzeugungssystems unter Verwendung der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Ausführungsform gemäß 6 unterscheidet sich von den in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen dadurch, dass ein Wasserversorgungstank zum temporären Speichern von Wasser, das in der Brennstoffzelle etc. erzeugt worden ist, über eine Leitung 170 versorgt wird und dass Wasser nur dann durch die Wasserbehandlungsvorrichtung 51 geleitet wird, wenn die Wasserqualität des vom Wasserversorgungstank 67 zum Prozesswassertank 21 geleiteten Wassers gesenkt ist. Die anderen Teile sind die gleichen wie die in den 4 und 5 gezeigte Konstruktion. Daher sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern und Symbolen bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
In der Festpolymer-Brennstoffzelle mit der Prozesswasser-Rückführvorrichtung 68 gemäß der in der 6 gezeigten Ausführungsform bezeichnet die Bezugsziffer 80 einen Wasserqualitätssensor, der an einer Wasserausgangsleitung 81 des Wasserversorgungstanks befestigt ist, die Bezugsziffer 82 bezeichnet ein motorbetätigtes Ventil zur Steuerung des Wasserdurchgangs durch die Wasserbehandlungsvorrichtung 51, die das motorbetätigte Ventil 56 umgeht, und die Bezugsziffer 83 bezeichnet ein Rückschlagventil, um einen Gegenstrom von Wasser von einer Wasserversorgungsleitung 84 an der Seite des Prozesswassertanks 21 zur Seite der Wasserbehandlungsvorrichtung 51 zu verhindern. Die Flüssigkeitspegelsteuerung LC des Prozesswassertanks 21 empfängt von dem Wasserpegelmessinstrument 54 und dem Wasserqualitätssensor 80 Signale und steuert den Betrieb der Pumpe 74 und der motorbetriebenen Ventile 56 und 82 so, dass Wasser mit der für die Brennstoffzelle etc. erforderlichen Qualität von dem Wasserversorgungstank 67 zugeführt wird.
In der in der 6 gezeigten Ausführungsform behindert die Wasserqualität des von dem Wasserversorgungstank 67 zum Prozesswassertank 21 rückgeführten Wassers nicht den Betrieb der Brennstoffzelle etc., die Flüssigkeitspegelsteuerung LC empfängt von dem Wasserpegelmessinstrument 54 ein Signal, um die Pumpe 74 und das motorbetriebene Ventil 56 zu betätigen und leitet Wasser mit der benötigten Wasserqualität vom Wasserversorgungstank 67 zum Tank 21 unter Umgehung der Wasserbehandlungsvorrichtung 51.
Wenn im Gegensatz hierzu die Wasserqualität des rückzuführenden Wassers auf ein solches Ausmaß gesenkt ist, dass sie die Funktion der Brennstoffzelle etc. beeinflussen kann, empfängt die Flüssigkeitspegelsteuerung LC ein Signal von dem Wasserpegelmessinstrument 54, um die Pumpe 74 und das motorbetriebene Ventil 82 zu betätigen (das motorbetriebene Ventil 56 ist geschlossen), und steuert die Ausrüstung so, dass Wasser mit der benötigten Wasserqualität nach der Durchführung der Wasserbehandlung in der Wasserbehandlungsvorrichtung 51 zu dem Prozesswassertank 21 geleitet wird.
Die Beurteilung der Wasserqualität kann unter Verwendung einer Leitfähigkeitsmessvorrichtung (nicht dargestellt) oder des Wasserqualitätssensors 80 jedes Mal dann durchgeführt werden, wenn Wasser vom Wasserversorgungstank 67 zugeleitet wird. Wenn jedoch die Konstruktion der Ausrüstung vereinfacht wird, kann anstatt der Verwendung eines Sensors, wie beispielsweise einer Leitfähigkeitsmessvorrichtung oder dergleichen, ein Verfahren zur Bestimmung eines geschätzten Zeitzyklus verwendet werden, der für die Behandlung zur Verbesserung der Wasserqualität benötigt wird, basierend auf der Betriebszeit der Brennstoffzelle 6 und anderen Steuerdaten, wobei die Betriebszeit für jeden Zeitzyklus bestimmt wird und das motorbetriebene Ventil 82 geöffnet wird, um Wasser durch die Wasserbehandlungsvorrichtung 51 zu leiten.
In der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform wird unter der Annahme, dass in der Zelle erzeugtes Abwasser etc. bis zu einem solchen Ausmaß eine gute Wasserqualität hat, dass es direkt rückgeleitet und für die Befeuchtung der Luft, die Reformierung des Brennstoffgases und Kühlen der Zelle recycelt werden kann, wenn eine Wasserbehandlung während einiger Zyklen der Wasserversorgung und des Umwälzvorgangs zum Leiten von Wasser vom Wasserversorgungstank 67 zum Prozesswassertank 21 erforderlich ist, das Abwasser etc. durch die Wasserbehandlungsvorrichtung 51 geleitet und dann zum Prozesswassertank 21 geleitet.
Demgemäß sind die Nutzungshäufigkeit der Wasserbehandlungsvorrichtung, die in der Festpolymer-Brennstoffzelle verwendet wird und die Wasserdurchlaufzeit durch das Ionenaustauschharz maximal verringert, um dessen Lebensdauer zu erhöhen, so dass die Arbeit, welche für das Austauschen des Ionenaustauschharzes etc., und die Arbeit, die für die Wartung des Festpolymer-Brennstoffzelle erforderlich ist, verringert werden kann.
Wie vorstehend bei der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, ist der Wassertank zur Lagerung von Kühlwasser, das zum Kühlen der Brennstoffzelle und des Energieerzeugungssystems mit der Brennstoffzelle verwendet wird, zusätzlich mit der Temperatureinstellvorrichtung und der Flüssigkeitspegelsteue rung versehen, und die Reaktionsluft wird durch den vorstehend beschriebenen Wassertank hindurchgeleitet. Demgemäß kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Reaktionsluft mit Feuchtigkeit versetzt werden (d. h. befeuchtet werden) und wird dann den Elektroden der Brennstoffzelle ohne irgendeinen unabhängigen und dafür zugewiesenen Befeuchter zur Befeuchtung der Reaktionsluft geleitet.
Ferner können gemäß der vorliegenden Erfindung eine Wasserumwälzvorrichtung und eine Wasserabzugsvorrichtung zur Kühlung und Wärmewiedergewinnung, die bei dieser Art von herkömmlichem Wassertank verwendet werden, weitgehend direkt für die Prozesswasserrückführung für die Befeuchtung von Gas verwendet werden. Daher kann, anders als eine Dampf/Wasser-Trennvorrichtung für die Erzeugung von Dampf, eine Festpolymer-Brennstoffzelle mit einer Befeuchtungsvorrichtung, die die Reaktionsluft einfach befeuchten kann, bereitgestellt werden.
In der so konstruierten Festpolymer-Brennstoffzelle und dem Energieerzeugungssystem mit der so aufgebauten Festpolymer-Brennstoffzelle kann ein Co-Erzeugungssystem für die Energieerzeugung und Wärmeanwendung einfach errichtet werden. Daher kann nicht nur die Effizienz der Energieerzeugung allein verbessert werden, sondern es kann auch eine hocheffiziente Nutzung der Energie des Brennstoffs, der diesem System zugeleitet wird, begünstigt werden. Daher kann eine hohe Gesamtwärmeeffizienz erzielt werden, so dass die Verbrauchsmenge von Rohmaterial reduziert werden kann und die Ausgangsmenge von Kohlendioxid ebenfalls verringert werden kann.
Insbesondere wenn Tanks die Funktion zur Bevorratung von Wärme wie beispielsweise der Heißwassertank haben und der Wassertank für eine gegenseitige Annahme/Abgabe von Wärme gestaltet ist, kann ein Mechanismus zum Erwärmen des Wassers des Wassertanks mit Wärme, die in dem Energieerzeugungssystem mit der Brennstoffzelle auftritt, konstruiert werden. Daher kann das Reaktionsgas, das zu den Elektroden des Brennstoffzellen-Hauptkörpers geleitet wird, einfach befeuchtet werden, während die Wärme des Gesamtsystems effektiv genutzt wird, beispielsweise indem die Wärme des Systems mit der Brennstoffzelle zur Erwärmung des Wassertanks verwendet wird, Ext rawärme des Wassertanks wird an den Heißwassertank abgegeben, wenn der Wassertank zu heiß ist, etc.
In der Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung führt ferner die Vorrichtung zum Abziehen von in dem Brennstoffzellen-Hauptkörper erzeugtem Wasser und Recyceln des so abgezogenen Wassers für die Brennstoffzelle die Wasserbehandlung und Zufuhr des so behandelten Wassers zur Brennstoffzelle durch, wobei die Wasserqualität des so abgezogenen Wassers gemäß gelegentlichen Anforderungen überwacht wird. Daher kann die Nutzungshäufigkeit der Wasserbehandlungsvorrichtung, die den Ionenaustauscher etc. enthält, auf einem Mindestniveau gehalten werden.
Weiterhin kann eine Festpolymer-Brennstoffzelle geschaffen werden, bei der die Wasserbehandlung in der Brennstoffzelle durch Recyceln des in der Brennstoffzelle erzeugten Wassers auf maximalem Niveau vereinfacht werden kann und somit die mühselige Arbeit zur Wartung reduziert wird.
In dem Energieerzeugungssystem mit der so aufgebauten Festpolymer-Brennstoffzelle und dem Energieerzeugungssystem mit der Zelle ist die Wartung der Brennstoffzelle vereinfacht, so dass die Co-Erzeugung von Energieerzeugung und Wärmenutzung einfach errichtet werden kann. Daher kann eine Festpolymer-Brennstoffzelle bereitgestellt werden, die nicht nur zur Verbesserung der Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle allein beiträgt, sondern auch zum effektiven Recycling des in diesem System benutzten Wassers und zur effektiven Nutzung der dieser Brennstoffzelle zugeleiteten Energie.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird das gesamte Prozesswasser vom Wassertank 21 direkt gespeist und als Befeuchtungswasser für die Reformiereinrichtung 3 und für die Reaktionsluft, die der Luftelektrode 6k des Brennstoffzellen-Hauptkörpers zugeführt wird, verwendet. Das Prozesswasser kann jedoch auch nur teilweise zum Brennstoffzellen-Hauptkörper (beispielsweise der Brennstoffelektrode oder der Luftelektrode) oder nur zur Reformiereinrichtung geleitet werden, oder es kann wie im Fall der Leitung von Kühlwasser zum Wärmetauscher 58 bei der in den 2, 5 gezeigten Ausführungsform indirekt zugeleitet werden.
INDUSTRIELLE NUTZUNG
Wie vorstehend beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Ausrüstung, wie beispielsweise eine Flüssigkeitspegelsteuerung oder dergleichen in dem Wassertank des Prozesswassers installiert, das in der Festpolymer-Brennstoffzelle verwendet wird, um die Festpolymer-Brennstoffzelle mit dem Befeuchtungsmechanismus zu versehen, wodurch die Reaktionsluft befeuchtet wird. Daher ist die vorliegende Erfindung geeignet bei einer Brennstoffzelle anzuwenden, die keine speziell zugewiesene Befeuchtungsvorrichtung zur Befeuchtung der Reaktionsluft hat, und auch bei einem Energieerzeugungssystem, das die Brennstoffzelle hat, anzuwenden. Ferner ist der Wassertank, in welchem Prozesswasser, das für die Brennstoffzelle verwendet wird, vorrätig gehalten wird, organisch an die Brennstoffzelle oder das Energieerzeugungssystem mit der Brennstoffzelle gekoppelt, um die Wärme der Brennstoffzelle effektiv zu nutzen, so dass die Wassertemperatur in dem Wassertank auf einer Temperatur gehalten wird, die für die Befeuchtung geeignet ist. Daher kann der Energieverbrauch für die Befeuchtung auf das maximale Niveau reduziert werden, und die Feuchtigkeit kann Gas, wie beispielsweise Reaktionsgas etc., welches zu Elektroden der Brennstoffzelle geleitet wird, zugesetzt werden, während gleichzeitig die Energieeffizienz der Brennstoffzelle und des gesamten Energieerzeugungssystems, das mit der Brennstoffzelle kombiniert ist, verbessert wird.

Claims

Festpolymer-Brennstoffzelle mit: einem Brennstoffzellenhauptkörper (6) zum Durchführen von Energieerzeugung durch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff in Reformgas und Sauerstoff in Reaktionsluft; einem Reaktionsluftversorgungsteil zum Zuführen der Reaktionsluft zu dem Brennstoffzellenhauptkörper (6); einem Reformgaszuführungsteil zum Zuführen des Reformgases zu dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) und einem Prozesswasserzuführungsteil zum Zuführen von aufbereitetem Wasser, wobei der Prozesswasserzuführungsteil das aufbereitete Wasser zu dem Reformgaszuführungsteil leitet, um das Reformgas zu befeuchten, die von dem Reaktionsluftzuführungsteil zugeführte Reaktionsluft unter Verwendung des aufbereiteten Wassers befeuchtet und dann die befeuchtete Reaktionsluft zu dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) leitet, wobei der Prozesswasserzuführungsteil aufweist: einen Prozesswassertank (21) zum Vorrätighalten von aufbereitetem Wasser, eine Ionenaustauscheinheit, um Trinkwasser einer vorbestimmten Aufbereitung zu unterziehen, um Prozesswasser mit geringer elektrischer Leitfähigkeit zu erzeugen und zum Zuführen des so erzeugten Prozesswassers zu dem Prozesswassertank (21), und Temperatureinstellmittel (TC), um die Temperatur des Prozesswassers in dem Prozesswassertank (21) in einem vorbestimmten Bereich zu halten, wobei der Grad der Befeuchtung durch eine eingestellte Temperatur eingestellt wird, wenn die Reaktionsluft aus dem Reaktionsluftzuführungsteil befeuchtet wird, während sie durch den Prozesswassertank (21) geführt wird.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Kühlteil (6c) zum Umwälzen des Prozesswassers von dem Prozesswasserzuführungsteil zu dem Brennstoffzellenhauptkörper (6), um den Brennstoffzellenhauptkörper (6) zu kühlen.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Prozesswasserzuführungsteil einen Flüssigkeitspegelsteuerteil (LC) aufweist, um den Wasserpegel des Prozesswassers in einem vorbestimmten Bereich zu halten, so dass ein Gasphasenteil (53) in dem Wassertank (21) zu allen Zeiten ausgebildet ist, die Reaktionsluft von dem Reaktionsluftzuführungsteil befeuchtet wird, während sie durch den Wassertank (21) geführt wird und dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) zugeführt wird.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei der Flüssigkeitspegelsteuerteil (LC) ein Wassermessinstrument (54) aufweist, um den Wasserpegel des Prozesswassers zu erfassen und ein motorbetriebenes Ventil (56) aufweist, um das Zuführen des Prozesswassers von einer Prozesswasserquelle in den Prozesswassertank (21) zu steuern.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der obere Grenzwert des durch die Temperatureinstellmittel (TC) einzustellenden vorbestimmten Bereiches des Prozesswassers in Übereinstimmung mit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle variiert wird.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die durch die Temperatureinstellmittel (TC) einzustellenden vorbestimmten Temperaturbereiche des Prozesswassers im Bereich von 60°C bis 80°C liegen.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Temperatureinstellmittel eine elektrische Heizvorrichtung (63) haben.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Dampfversorgungsteil (17) zum Verdampfen des Prozesswassers aus dem Prozesswasserzuführungsteil zu Dampf und Zufügen des Dampfes zu Rohmaterial (1), das dem Reformgaszuführungsteil (3) zugeführt wird, wobei der Dampfversorgungsteil (17) die Zusatzmenge des Wassers so einstellt, dass das Verhältnis (S/C-Verhältnis) zwischen der Menge zugeführten Wassers und der Menge des Rohbrennstoffgases (1) im Bereich von 3 zu 4 liegt.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Reformgaszuführungsteil einen CO-Entferner (5) hat, um die Konzentration von Kohlenmonoxid in dem Reformgas zu reduzieren und das am CO-Entferner (5) ausgegebene Reformgas dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) ohne Entfernung von Feuchtigkeit zugeführt wird.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Abwärme-Rückgewinnungsteil (27, 41), der mit dem Hochtemperaturgas gespeist wird, welches vom Brennstoffzellenhauptkörper (6) ausgegeben wird, und in dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) erzeugte Wärme mittels elektrochemischer Reaktion zwischen Wasserstoff in dem Reformgas und Sauerstoff in der Reaktionsluft wiedergewinnt.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei der Abwärme-Rückgewinnungsteil einen Wärmetauscher (41), in welchem Wasser für den Wärmetausch mit dem Hochtemperaturgas, das am Brennstoffzellenhauptkörper (6) ausgegebenen wird, umgewälzt wird, und einen Heißwassertank (50) aufweist, um Heißwasser von dem Wärmetauscher (41) vorrätig zu halten und Wasser dem Wärmetauscher (41) zuzuführen.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 11, weiterhin mit einem Wärmetauscher, der an dem Prozesswasserzuführungsteil befestigt ist und den Wärmetausch zwischen dem Prozesswasser und dem Wasser durchführt, während das Prozesswasser und das Wasser in dem Wärmetauscher so umgewälzt werden, dass sie nicht miteinander vermischt werden.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei der Abwärme-Rückgewinnungsteil einen Wärmetauscher (27) aufweist, in dem Prozesswasser von dem Prozesswasserzuführungsteil für den Wärmetausch mit dem Hochtemperaturgas, das am Brennstoffzellenhauptkörper (6) ausgegeben wird, umgewälzt wird, wodurch eine Abwärmerückgewinnung durchgeführt wird.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Kühlteil (6c), in dem kühlendes Kältemittel umgewälzt wird, wobei der Kühlteil an dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) befestigt ist und mit dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) einen Wärmetausch durchführt, um den Brennstoffzellenhauptkörper (6) zu kühlen, wobei der Wärmetausch zwischen dem Prozesswasser von den Prozesswasserzuführmitteln und dem kühlenden Kältemittel von dem Kühlteil (6c) durchgeführt wird, während das Prozesswasser und das kühlende Kältemittel umgewälzt werden, ohne dass sie miteinander vermischt werden, wodurch in dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) erzeugte Wärme für den Prozesswasserversorgungsteil gewonnen wird.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Wasserabzugsteil (67) zum Abziehen von in dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) erzeugtem Wasser.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei der Wasserabzugsteil (67) einen Wärmetauscher (71) aufweist, um den Wärmetausch zwischen dem Ausgangsgas vom Brennstoffzellenhauptkörper (6) und dem darin umgewälzten Wasser durchzuführen, um Wasser aus dem Ausgangsgas zu verflüssigen und abzuziehen, und einen Wasserrückführteil (68) aufweist, um das durch den Wärmetauscher abgezogene Wasser und Trinkwasser vorrätig zu halten.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei der Wasserrückführungsteil (68) das Vorratswasser zu dem Prozesswasserversorgungsteil in Übereinstimmung mit dessen Wasserpegel leitet.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Wasserrückführungsteil (68) ein Wasserpegelmessinstrument (79) zum Detektieren des Wasserpegels aufweist und die Zufuhr von Trinkwasser zu dem Wasserrückführungsteil (68) steuert und das Vorratswasser zu dem Prozesswasserteil in Übereinstimmung mit dem Detektionsergebnis des Wasserpegelmessinstrumentes (79) leitet.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 16, weiterhin mit einem Wasseraufbereitungsteil, der an einer Vorstufe des Wasserrückführungsteils (68) oder zwischen dem Wasserrückführungsteil (68) und dem Prozesswasserzuführungsteil angeordnet ist, wobei der Wasseraufbereitungsteil eine vorbestimmte Aufbereitung am Trinkwasser durchführt, um Prozesswasser mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit zu erzeugen und das so erzeugte Prozesswasser zu dem Wasserrückführungsteil oder dem Prozesswasserzuführungsteil zu leiten.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 15, weiterhin mit einem Kühlteil (6c), der an dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) befestigt ist, und in dem kühlendes Kältemittel für den Wärmetausch mit dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) umgewälzt wird, um den Brennstoffzellenhauptkörper (6) zu kühlen, wobei das Prozesswasser von den Prozesswassermitteln und das kühlende Kältemittel von dem Kühlteil (6c) einen Wärmetausch durchführen, während das Prozesswasser und das kühlende Kältemittel so umgewälzt werden, dass sie nicht miteinander vermischt werden, wodurch in dem Brennstoffzellenhauptkörper (6) erzeugte Wärme für den Prozesswasserzuführungsteil rückgewonnen wird.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 16, weiterhin mit: einem ersten Prozesswasserzuführpfad zum direkten Zuführen des Vorratswassers des Wasserrückführungsteils (68) zu dem Prozesswasserzuführungsteil; einem zweiten Prozesswasserzuführungsteil, um durch eine Wasseraufbereitungsvorrichtung zum Durchführen einer vorbestimmten Aufbereitung an dem Vorratswasser des Wasserrückführungsteils (68) zum Erzeugen von Prozesswasser mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit, das aufbereitete Wasser zu dem Prozesswasserzuführungsteil (68) zu leiten; einem Wasserqualitätsdetektor (80) zum Detektieren der Wasserqualität des Vorratswassers des Wasserrückführungsteils; und einem Prozesswasserpfadschaltteil zum Wählen eines Pfades des ersten Prozesswasserzuführungspfades und des zweiten Prozesswasserzuführungspfades und zum Zuführen des Prozesswassers zu dem Prozesswasserteil, die zwischen dem Wasserrückführungsteil und dem Prozesswasserzuführungsteil angeordnet sind.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 21, wobei der Wasserqualitätsdetektor (80) ein Leitfähigkeitsmessgerät für Wasser oder einen Wasserqualitätssensor aufweist.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 16, weiterhin mit: einem ersten Prozesswasserzuführpfad zum direkten Zuführen des Vorratswassers des Wasserrückführungsteils zu dem Prozesswasserteil; einem zweiten Prozesswasserzuführungsteil, um durch eine Wasseraufbereitungsvorrichtung zum Durchführen einer vorbestimmten Aufbereitung an dem Vorratswasser des Wasserrückführungsteils durchzuführen, um Prozesswasser mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit zu erzeugen, das Prozesswasser zu dem Prozesswasserzuführungsteil zu leiten; und einem Prozesswasserpfadschaltteil zum Wählen eines Pfades des ersten Prozesswasserzuführungspfades und des zweiten Prozesswasserzuführungspfades in einem vorbestimmten Zeitzyklus und Zuführen des Prozesswassers zu dem Prozesswasserteil; die zwischen dem Wasserrückführungsteil und dem Prozesswasserzuführungsteil angeordnet sind.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Wasseraufbereitungsteil ferner einen Mechanismus zum Erwärmen des aufbereiteten Wassers des Prozesswasserzuführungsteils mittels Wärme aufweist, die von dem Energieerzeugungssystem (GS), das die Brennstoffzelle aufweist, erzeugt worden ist.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei der Mechanismus einen Wärmetauscher zum Einstellen der Temperatur des Prozesswassers des Prozesswasserzuführungsteils mittels Wärmetausch unter Verwendung der in dem Energieerzeugungssystem (GS) erzeugten Wärme aufweist.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Wärmetauscher, der an dem Prozesswasserzuführungsteil befestigt ist und in welchem das Prozesswasser in dem Prozesswasserzuführungsteil umgewälzt wird, wobei die Temperatur des Prozesswassers in dem Prozesswasserzuführungsteil durch den Wärmetausch im Wärmetauscher eingestellt wird.
Festpolymer-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Prozesswasser sowohl aus Trinkwasser als auch von aus dem Ausgangsgas kondensiertem Abzugswasser erhalten wird.
Befeuchtungsverfahren für eine Festpolymer-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1.