DE69105891T2

DE69105891T2 - Energiegewinnungssystem mit Anwendung von Brennstoffzellen.

Info

Publication number: DE69105891T2
Application number: DE69105891T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Hatori; Tomoji Hikita; Kazunori Kobayashi; Hiromasa Morimoto; Shigeto Nakagawa; Kenichi Shinozaki; Hiroyoshi Uematsu
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd; Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2011-09-19
Also published as: EP0476610A3; DK0476610T3; US5221586A; CA2051284C; EP0476610B1; ES2068452T3; EP0476610A2; DE69105891D1; CA2051284A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem unter Verwendung von Brennstoffzellen, welche chemische Energie des Brennstoffes direkt in elektrische Energie umwandeln, und insbesondere ein Energieerzeugungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es wurden zahlreiche Energieerzeugungssysteme unter Verwendung von Brennstoffzellen entwickelt. Eines solcher herkömmlichen Energieerzeugungssysteme ist in Figur 6 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Dieses Energieerzeugungssystem verwendet Erdgas als Rohmaterial, das zu Brennstoffgas reformiert werden soll. Ein Brennstoffzellenstapel 1 umfaßt im allgemeinen eine Mehrzahl von Brennstoffzellenelementen, die unter Zwischenlegen von nicht dargestellten Separatoren aufeinandergestapelt werden. In Figur 6 ist nur ein Brennstoffzellenelement zu Erläuterungszwecken dargestellt. Das Brennstoffzellenelement umfaßt eine Elektrolytplatte 601, eine Kathode 602 und eine Anode 603, wobei die Elektrolytplatte 601 sandwichartig zwischen der Kathode 602 und der Anode 603 eingeschlossen ist. Luft A wird mittels eines Kompressors 604 komprimiert, durch eine Kühleinrichtung 605 gekühlt, durch einen weiteren Kompressor 606 weiter komprimiert und durch einen Luftvorheizer 607 vorgewärmt, bevor sie in die Kathode 602 des Brennstoffzellenstapels I über eine Luftzufuhrleitung 608 eingeführt wird. Ein Teil der Luft A wird einer Brennkammer eines Reformers 610 über eine Zweigleitung 609 zugeführt. Von der Kathode 602 abgegebene Gase ("Kathodengas" genannt) werden zwangsweise in eine Turbine 612 über eine Kathodengasleitung 611 geleitet, dann in den Luftvorheizer 607 geführt und an die Atmosphäre abgegeben. Auf der anderen Seite wird Brennstoffgas, das durch Reformieren von Erdgas (CH&sub4;) NG erhalten wurde, der Anode 603 des Brennstoffzellenstapels I zugeführt. Erdgas NG strömt durch die Erdgasvorheizer 613, 614 und eine Entschwefelungseinrichtung 615, bevor es den Reformer 610 erreicht. Erdgas wird durch den Reformer 610 zu Brennstoffgas reformiert und über eine Brennstoffzufuhrleitung 616 der Anode 603 zugeführt. Von der Anode 603 abgegebene Gase ("Anodengas" genannt) werden zwangsweise in einen Wärmetauscher 617, den Erdgasvorheizer 614, einen Dampfgenerator 618, einen weiteren Erdgasvorheizer 613, einen Kondensator 619 und einen Gas-Flüssigkeit-Separator 620 geleitet. In dem Gas-Flüssigkeit-Separator 620 wird H&sub2;O von dem Anodengas getrennt. Das von H&sub2;O befreite Anodengas wird mittels eines Gebläses 621 komprimiert und dann einer Brennkammer des Reformers 610 über eine Leitung 622 zugeführt, die sich durch den Wärmetauscher 617 erstreckt. Von dem Reformer 610 abgegebene Gase werden in die Kathode 602 geleitet. Von dem Gas- Flüssigkeit-Separator 620 abgetrenntes H&sub2;O (in der Zeichnung links unten) wird mittels einer Pumpe 623 (in der Zeichnung rechts) unter Druck gesetzt und einem Wassererhitzer 624 zugeführt. H&sub2;O wird in dem Erhitzer 624 zu Dampf erhitzt und durch eine Leitung 625 über den Dampfgenerator 618 transportiert, um es mit Erdgas NG zu vermischen, bevor es in den Reformer 610 gelangt. Das Bezugszeichen 626 bezeichnet ein Gebläse für die Kathodenrezirkulation.
Wenn der Brennstoffzellenstapel I zur Energieerzeugung betrieben wird, findet in dem Reformer 610 folgende Reaktion statt:
CH&sub4; + H&sub2;O ---> CO + 3H&sub2;
Auf der anderen Seite findet an der Kathode 602 des Brennstoffzellenstapels 1 die folgende Reaktion statt:
CO&sub2; + 1/20&sub2; + 2e&supmin; ---> CO&sub3;&supmin;&supmin;
Bei dieser Reaktion wird, wie man in der obigen Gleichung sieht, ein Carbonat-Ion CO3&supmin;&supmin; erzeugt. Das Carbonat-Ion CO3&supmin;&supmin; wandert in der Elektrolytplatte 601 und erreicht die Anode 603. Da das Brennstoffgas FG, das von dem Reformer 610 erzeugt wird, der Anode 603 zugeführt wird und das Brennstoffgas FG das Carbonat-Ion CO3&supmin;&supmin; kontaktiert, laufen folgende Reaktionen ab:
CO&sub3;&supmin;&supmin; + H&sub2; ---> CO&sub2; + H&sub2;O + 2e&supmin;
CO&sub3;&supmin;&supmin; + CO ---> 2CO&sub2; + 2e&supmin;
Infolgedessen werden 5CO&sub2; und 3H&sub2;O von der Anode als Anodengas abgegeben.
Das herkömmliche Energieerzeugungssystem hat jedoch folgende Probleme:
Die Gasdurchflußraten durch die Zellenelemente sind in der Höhenrichtung (vertikalen Richtung) des in Figur 7 dargestellten Brennstoffzellenstapels nicht immer homogen und die Gasdurchflußraten in jedem Zellenelement sind in der Breitenrichtung (horizontalen Richtung) des Brennstoffzellenstapels nicht homogen, wenn die Breite des Zellenelementes (oder Brennstoffzellenstapels) groß ist, wie dies in Figur 8 dargestellt ist. Wegen der inhomogenen Durchflußraten leiden manche Brennstoffzellen an einer ungenügenden Brennstoffversorgung, wenn ein hoher Brennstoffnutzfaktor für das Brennstoffzellenproblem gefordert wird. Dies resultiert in einer Unterspannung (die Ausgangsspannung des Systems ist niedriger als ein vorgesehener oder gewünschter Wert). Wenn ein stabiler Betrieb des Brennstoffzellenstapels gewünscht wird, d.h. wenn die Unterspannung vermieden werden sollte, muß der Brennstoffnutzfaktor gesenkt werden. Dies wird in den Figuren 7 und 8 durch die Bezeichnung "Grenzwert" angezeigt. Da ferner das herkömmliche Energieerzeugungssystem den Brennstoffzellenstapel I mit deutlicher Wärmeabgabe der Kathode kühlt, kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapel-Eingangs nicht auf einen hohen Wert gesetzt werden. Infolgedessen kann das S/C-Verhältnis (Dampf/Kohlenstoff-Verhältnis) nicht niedrig gehalten werden (wenn das S/C-Verhältnis niedrig ist, wird die Ablagerung oder Ausfällung von Kohlenstoffen nicht verhindert). Im allgemeinen wird der Brennstoffzellenstapel mit einer Eingangstemperatur von ungefähr 570º C und einem S/C- Verhältnis von ungefähr 3 betrieben.
Ein weiteres Beispiel eines herkömmlichen Energieerzeugungssystems unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapels ist in Figur 9 dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel I umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffzellenelementen, die unter Zwischenschalten von nicht dargestellten Separatoren aufeinandergestapelt sind. Jedes Brennstoffzellenelement umfaßt eine Anode 903, eine Kathode 902 und eine Elektrolytplatte 901. Die Elektrolytplatte 901 ist eine poröse Substanz, die mit Carbonat getränkt ist. Daher wird diese Brennstoffzelle als Carbonatschmelzen-Brennstoffzelle bezeichnet. In Figur 9 ist ein Brennstoffzellenelement zu Erläuterungszwecken dargestellt. Luft A (oxydierendes Gas) wird der Kathode 902 des Brennstoffzellenstapels I zugeführt, während Brennstoffgas FG der Anode 903 desselben zugeleitet wird. Eine Leitung 905 ist mit einem Eingang der Anode 903 des Brennstoffzellenstapels I so verbunden, daß das von einem Reformer 904 erzeugte Brennstoffgas FG die Anode 903 erreicht. Erdgas NG (das zu reformierende Rohmaterialgas) wird mittels eines Entschwefelers 907 in einer Erdgaszufuhrleitung 906 entschwefelt, mittels eines Erdgasvorerhitzers 908 vorgewärmt und in eine Reformierkammer 904a des Reformers 904 eingeleitet. In der Reformierkammer 904a wird Erdgas NG zu Brennstoffgas FG reformiert und in die Anode 903 eingeleitet. Auf der Anderen Seite wird die Luft A in einen Filter 909 eingeführt, mittels eines Gebläses 911 in der Luftzufuhrleitung 910 unter Druck gesetzt, mittels eines Lufterhitzers 912 erwärmt und dem Eingang der Kathode 902 des Brennstoffzellenstapels I zugeleitet.
Von der Anode 903 abgegebene Gase ("Anodengas" genannt) strömen durch eine Anodengasleitung 913 in eine Katalysatorbrennkammer 914. Brennbare Reststoffe in dem Anodengas (nicht alle Stoffe werden in der Reaktion an der Anode 903 umgesetzt) werden in der Katalysatorbrennkammer 914 verbrannt unter Verwendung des Kathodengases (von der Kathode 902 abgegebene Gase), das über eine Zweigleitung von der Kathodengasleitung 915 in die Brennkammer 914 eingeleitet wird. Um die bei dieser Verbrennung erzeugte Wärme einer Heizkammer 904b des Reformers 904 zuzuleiten, um so diese Wärme für die Reformier- Reaktion in der Reformierkammer 904a zu nutzen, sind die Katalysatorbrennkammer 914 und die Heizkammer 904b über eine Verbrennungs-Abgasleitung 916 miteinander verbunden. Ein weiterer Teil des Kathodengases wird über die Kathodengasleitung 915 einem Luftvorwärmer 912 zugeleitet, bevor es an die Atmosphäre abgegeben wird. Ein Kathodenrezirkulationsgebläse 918 leitet einen Teil des Kathodengases zu dem Eingang der Kathode 902 über eine Rezirkulationsleitung 917 zurück. Um einen wesentlichen Teil der Wärme der von der Heizkammer 904b des Reformers 904 abgegebenen Gase für die Erzeugung von Dampf zu verwenden, werden diese Gase einem Dampfüberhitzer 920, einem Dampferzeuger 921 und einem weiteren Dampferzeuger 922 zugeleitet. Die Gase strömen dann durch einen Kondensator 923 und einen Gas-Flüssigkeitsseparator 924. Der Dampfgenerator 922 erzeugt Dampf für die Verwendung bei der Reformierreaktion in dem Reformer 904. Reines Wasser H&sub2;O, das von einem Wasserprozessor 925 verarbeitet wird, strömt in den Gasflüssigkeitsseparator 924. Das von dem Gasflüssigkeitsseparator 924 abgetrennte Wasser wird zusammen mit dem reinen Wasser H&sub2;O von einer Wasserförderpumpe 926 unter Druck gesetzt und den Dampfgeneratoren 921 und 922 zugeleitet. Der von dem Dampfgenerator 921 erzeugte Dampf wird mittels einer Dampfsammelleitung 927 gesammelt. Der von dem Dampfgenerator 922 erzeugte Dampf wird durch einen Dampfüberhitzer 920 überhitzt und über eine Dampfleitung 928 in die Erdgaszufuhrleitung 906 eingeleitet. Die von dem Gasflüssigkeitsseparator 924 abgetrennten Gase strömen zu dem Luftgebläse 911 in der Luft zufuhrleitung 910.
Wenn die Energieerzeugung unter Verwendung des Systems mit der vorstehend beschriebenen Struktur beginnt, wird das Erdgas NG in die Reformierkammer 904a des Reformers 904 über den Erdgasvorerhitzer 908 eingeleitet, wobei die folgende Reaktion in der Reformierkammer 904 abläuft;
CH&sub4; + H&sub2;O ---> CO + 3H&sub2;
CO und 3H&sub2; werden als Brennstoffgas zu der Anode 903 des Brennstoffzellenstapels I geleitet. Auf der anderen Seite wird durch den Luftvorwärmer 912 vorgewärmte Luft A der Kathode 902 des Brennstoffzellenstapels I zugeführt, wobei an der Kathode 902 die folgende Reaktion stattfindet:
CO&sub2; + 1/20&sub2; + 2e&supmin; ---> CO&sub3;&supmin;&supmin;
Das Carbonat-Ion CO&sub3;&supmin;&supmin; erreicht die Anode 903 über die Elektrolytplatte 901. Da das Brennstoffgas FG der Anode 903 zugeführt wurde, werden folgende Reaktionen an der Anode 903 ausgelöst:
CO&sub3;&supmin;&supmin; + H&sub2; ---> CO&sub2; + H&sub2;O + 2e&supmin;
CO&sub3;&supmin;&supmin; + CO ---> 2CO&sub2; + 2e&supmin;
Auf diese Weise fließt ein Strom, wenn ein bestimmter elektrischer Verbraucher zwischen die Kathode 902 und die Anode 903 geschaltet wird.
Diese Art von Energieerzeugungssystem hat jedoch auch Nachteile. Da das Energieerzeugungssystem nur einen Reformer 904 und nur einen Brennstoffzellenstapel I hat, sollte der Reformer 904 einen hohen Reformierwirkungsgrad oder eine hohe Reformierrate haben. Infolgedessen sollte die Reformiertemperatur hoch sein. Der Reformer 904 kann im allgemeinen im Hinblick auf seine strukturelle Festigkeit eine hohe Temperatur nicht aushalten und die Lebensdauer des reformierenden Katalysators in der Reformierkammer 904a wird verkürzt, wenn die Reformiertemperatur ansteigt. Wenn die Temperatur in dem Reformer 904 gesenkt wird, um eine angemessene Lebensdauer des reformierenden Katalysators und des Reformers zu gewährleisten, kann kein hoher Reformierwirkungsgrad erwartet werden und die Konzentration von der Anode 903 zugeführtem Wasserstoff wird niedrig. Daher kann man keine hohe Ausgangsspannung von dem Energieerzeugungssystem erhalten.
Die JP-A-59-149663 zeigt ein Energieerzeugungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die EP-A-17 277 und die US- A-4 080 487 zeigen die Zufuhr von Gasen von einer Verbrennungseinrichtung zu der ersten Kathode.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den gesamten Brennstoffnutzungsfaktor des Energieerzeugungssystems zu erhöhen, wodurch die Ausgangsleistung am Energieabgabeende erhöht wird, selbst wenn ein Brennstoffnutzungsfaktor in einer einzelnen Stufe gering ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Dampfmenge zu verringern, die von außen zum Reformieren eines Rohmaterialgases zugeführt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem Reformer verbrennbare Reststoffe in dem Anodengas zu verbrennen und die bei der Verbrennung der verbrennbaren Stoffe erzeugte Wärme zur Erzeugung von Dampf zu verwende und damit die Menge an wiedergewinnbarem Dampf zu erhöhen.
Schließlich ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Lebensdauer eines Reformers und eines reformierenden Katalysators in dem Reformer zu verlängern.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Energieerzeugungssystem unter Verwendung einer Brennstoffzelle und eines Reformers mit einer Reformierkammer und einer Brennkammer vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe hintereinander ein Reformer, eine erste Brennstoffzelle und eine zweite Brennstoffzelle vorgesehen sind, daß die Reformierkammer des Reformers mit einem Anodeneingang der stromaufwärts gelegenen Brennstoffzelle verbunden ist und daß der Anodenausgang und der Kathodenausgang der stromabwärts gelegenen Brennstoffzelle mit der Brennkammer des Reformers verbunden sind.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Energieerzeugungssystem vorgesehen unter Verwendung einer Brennstoffzelle und eines Reformers, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe hintereinander ein erster (stromaufwärts gelegener) Reformer, eine erste (stromaufwärts gelegene) Brennstoffzelle, ein zweiter (stromabwärts gelegener) Reformer und eine zweite (stromabwärts gelegene) Brennstoffzelle vorgesehen sind, daß eine Reformierkammer des ersten Reformers, eine Anode der ersten Brennstoffzelle, eine Reformierkammer des zweiten Reformers und eine Anode der zweiten Brennstoffzelle in Reihe geschaltet sind, daß der Anodenausgang und Kathodenausgang der stromabwärts gelegenen Brennstoffzelle mit einer Brennkammer des zweiten Reformers verbunden sind.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Stromerzeugungssystem vorgesehen unter Verwendung einer Brennstoffzelle und eines Reformers, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (stromaufwärts gelegener) Reformer, eine erste (stromaufwärts gelegene) Brennstoffzelle, ein zweiter (stromabwärts gelegener) Reformer und eine zweite (stromabwärts gelegene) Brennstoffzelle in Reihe geschaltet sind, daß eine Reformierkammer des ersten Reformers, eine Anode der ersten Brennstoffzelle, eine Reformierkammer des zweiten Reformers und eine Anode der zweiten Brennstoffzelle in Reihe geschaltet sind, daß Kathodengas von der ersten Brennstoffzelle direkt in eine Brennkammer des ersten Reformers geleitet wird, daß Verbrennungsabgas aus der Brennkammer des ersten Reformers zu einer Kathode der zweiten Brennstoffzelle geleitet wird und daß der Anodenausgang und der Kathodenausgang der zweiten Brennstoffzelle mit einer Brennkammer des zweiten Reformers verbunden sind. In einem solchen System können die aus der Brennkammer des zweiten Reformers abgegebenen Gase als Wärmequelle zur Erzeugung von Dampf verwendet werden und ein Teil des so erzeugten Dampfes kann dem zu reformierenden Rohmaterialgas zugeführt werden, bevor dieses den ersten Reformer erreicht.
Das Rohmaterialgas wird in den ersten Reformer eingeführt und dort zur Brennstoffgas umgeformt. Das Brennstoffgas wird dann zu der Anode der ersten Brennstoffzelle geleitet. Wenn ein Brennstoffnutzungsfaktor der ersten Brennstoffzelle niedrig ist, d.h. wenn irgendeiner oder ein beträchtlicher Teil des Brennstoffgases in der Anode der ersten Brennstoffzelle nicht genutzt wird, wird das restliche Brennstoffgas in der nächsten Anode (der Anode der zweiten Brennstoffzelle) genutzt. Infolgedessen wird der Gesamtbrennstoffnutzungsfaktor gegenüber einem Energieerzeugungssystem mit einer einzigen Brennstoffzelle verbessert. Ferner werden die Gasdurchflußratenverteilungen über die Anode der ersten (stromaufwärts gelegenen) Brennstoffzelle und der zweiten (stromabwärts gelegenen) Brennstoffzelle verbessert, da die Gasdurchflußrate durch jede Anode höher ist als bei einem herkömmlichen Energieerzeugungssystem, das zwei parallel angeordnete Brennstoffzellen hat. Dieser Vorteil wird auch aus der Serienschaltung der Brennstoffzellen abgeleitet. Insbesondere, wenn die Brennstoffzellen in Reihe geschaltet sind, wird die Durchflußrate durch die Anode jeder Brennstoffzelle verglichen mit einem Fall, in dem die Brennstoffzellen parallel zueinander angeordnet sind, erhöht. Auch wenn die Durchflußratenverteilung des Gases an dem Ausgang der stromabwärts gelegenen Anode eine wellenförmige Struktur hat, wird die Verteilung flacher, wenn das Gas die stromabwärts gelegene Anode erreicht. In anderen Worten ist die Gasdurchflußratenverteilung der stromaufwärts gelegenen Anode ähnlich zu der der stromabwärts gelegenen Anode. Daher werden sowohl die Gasdurchflußratenverteilung der stromaufwärts gelegenen Anode als auch die der stromabwärts gelegenen Anode verbessert im Vergleich zu einem herkömmlichen parallelen System.
Eine Reaktion an der Anode der ersten Brennstoffzelle verbraucht Wasserstoff des Brennstoffgases und Dampf, der bei dieser Reaktion erzeugt wird, wird der Reformierkammer des zweiten Reformers zugeführt. So wird die Reformierrate des zweiten Reformers verbessert. Infolgedessen wird die Dampfmenge für die Reformierung reduziert. Dies führt zu einer Reduktion des S/C-Verhältnisses. Darüber hinaus wird eine wesentliche Wärmemenge des von der ersten Brennstoffzelle gelieferten Kathodengases als Wärme für die Reformierung in dem ersten Reformer benutzt. Somit dient der erste Reformer als Zwischenkühlungseinrichtung zum Kühlen des Kathodengases. Dies führt zu einer Eliminierung einer Kühlungseinrichtung für die erste Brennstoffzelle (sonst müßte eine Kühleinrichtung stromabwärts der Kathode der ersten Brennstoffzelle angeordnet werden). Da ferner Wärme, die bei der Verbrennung des restlichen Brennstoffgases in der Anode der zweiten Brennstoffzelle erzeugt wird, bei der Dampferzeugung verwendet wird, wird die Menge an wiedergewonnenem Dampf erhöht.
Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Figuren und den beigefügten Ansprüchen.
Figuren 1 bis 5 zeigen jeweils ein schematisches Blockdiagramm eines Energieerzeugungssystems unter Verwendung von Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines herkömmlichen Energieerzeugungssystems;
Figur 7 zeigt eine Durchflußratenverteilung eines Brennstoffzellenstapels;
Figur 8 zeigt eine Durchflußratenverteilung einer einzelnen Brennstoffzelle und
Figur 9 zeigt ein weiteres herkömmliches Energieerzeugungssystem.
Bevorzugte Ausführungsformen nun anhand der Figuren 1 bis 5 der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Zunächst wird auf Figur 1 Bezug genommen. Darin ist ein Energieerzeugungssystem mit zwei Brennstoffzellenstapeln I und II dargestellt, die in Reihe geschaltet sind. Jeder Brennstoffzellenstapel umfaßt eine Mehrzahl von Brennstoffzellenelementen, die unter Zwischenschaltung von Separatoren aufeinandergestapelt sind (zu Erläuterungszwecken ist nur ein Brennstoffzellenelement dargestellt). Jedes Brennstoffzellenelement umfaßt eine Elektrolytplatte 101, eine Kathode 102 und eine Anode 103. Die Elektrolytplatte 101 ist sandwichartig zwischen der Kathode 102 und der Anode 103 eingeschlossen. Luft A (ein oxydierendes Gas) wird zu der Anode 102 des Brennstoffzellenstapels I zugeführt, während der Anode 103 Brennstoffgas FG zugeleitet wird. Die Anode 103 der ersten Brennstoffzelle I ist in Reihe mit der Anode 103 der zweiten Brennstoffzelle 11 geschaltet. Eine Brennstoffgaszufuhrleitung 131 ist mit einem Eingang der Anode 103 der ersten Brennstoffzelle I verbunden, so daß das in einem Reformer 130 erzeugte Brennstoffgas FG in die Anode 103 eingeführt wird. Erdgas NG (ein Rohmaterialgas) wird in einem Entschwefeler 133 entschwefelt, der in einer Erdgaszufuhrleitung 132 angeordnet ist, und zu einem Erdgasvorerhitzer 134 geleitet, bevor es einer Reformierkammer 130a des Reformers 130 zugeführt wird. Das Erdgas NG wird in der Reformierkammer 130a zu Brennstoffgas FG umgeformt. Das Brennstoffgas FG wird zunächst in der Anode 103 der ersten Brennstoffzelle I und dann in der Anode 103 der zweiten Brennstoffzelle II genutzt. Die von der Anode 103 abgegebenen Gase ("Anodengase" genannt) der zweiten Brennstoffzelle 11 fließen durch eine Anodengasleitung 135 in eine katalytische Verbrennungseinrichtung 161, bevor sie eine Brennkammer 130b des Reformers 130 erreichen. Auf der anderen Seite wird die Luft A (oxydierendes Gas) in einen Filter 136 eingeführt, durch ein Luftgebläse 138 in der Luftzufuhrleitung 137 unter Druck gesetzt, durch einen Luftvorerhitzer 139 vorerhitzt, bevor sie der Kathode 102 des ersten Brennstoffzellenstapels I zugeleitet wird. Von der Kathode 102 des ersten Brennstoffzellenstapels I abgegebene Gase ("Kathodengas" genannt) werden durch eine Kühleinrichtung 140 gekühlt, bevor sie die Kathode 102 des zweiten Brennstoffzellenstapels 11 zugeleitet werden. Das Kathodengas aus der Kathode 102 des zweiten Brennstoffzellenstapels 11 ist ein Gas hoher Temperatur und ein Teil desselben wird durch eine Kathodengasleitung 141 abgezweigt. Einen Teil des Gases in der Kathodengasleitung 141 wird an die Atmosphäre über den Luftvorerhitzer 139 abgegeben und der Rest zu der Kathode 102 durch die Luftzufuhrleitung 137 mittels eines Kathodengasgebläses 143 zurückgeführt. Das Kathodengas, das nicht über die Kathodengasleitung 141 abgezweigt wird, wird der Brennkammer 130b des Reformers 130 über die katalytische Verbrennungseinrichtung 161 zugeleitet. Aus der Brennkammer 130b des Reformers 130 abgegebene Gase fließen in eine Abgasleitung 144 und durchströmen einen Dampfüberhitzer 145, einen Dampfgenerator 146, einen weiteren Dampfgenerator 147, einen Kondensator 148 und einen Gas-Flüssigkeit-Separator 149. Der Dampfgenerator 147 wird zum Erzeugen von Dampf für die Reformierung in dem Reformer 130 verwendet. Reines Wasser H&sub2;O, das von einer Wasseraufbereitungsmaschine 150 aufbereitet wird, wird ebenfalls dem Gas-Flüssigkeit-Separator 149 zugeleitet. Von dem Gas- Flüssigkeit-Separator 149 abgetrenntes Wasser wird mittels einer Wasserzufuhrpumpe 151 zusammen mit dem reinen Wasser H&sub2;O unter Druck gesetzt und den Dampfgeneratoren 146 und 147 zugeführt. In dem Dampferzeuger 146 erzeugter Dampf wird mittels einer Dampfsammelleitung 152 gesammelt. In dem anderen Dampferzeuger 147 erzeugter Dampf wird durch den Dampfüberhitzer 145 überhitzt und durch die Dampfleitung 153 in die Erdgasförderleitung 132 eingeleitet. Überschüssiger Dampf (nicht aller Dampf, der von dem Dampfgenerator 147 erzeugt wird, wird der Erdgasförderleitung 132 zugeführt) kehrt zu dem Kondensator 148 zurück. Ein oberes Ende des Gas-Flüssigkeit-Separators 149 und ein Eingang des Luftgebläses 138 in der Luftzufuhrleitung 137 sind miteinander verbunden, so daß von dem Gas-Flüssigkeit-Separator 149 abgetrennte Gase in die Luftzufuhrleitung 137 eingeleitet werden. In der Zwischenzeit kann es sein, daß keine Verbrennung in der Brennkammer 130b des Reformers 130 stattfindet und daß in bestimmten Fällen Gase lediglich durchgeleitet werden.
Das der Anode 103 des ersten Brennstoffzellenstapels I zugeführte Brennstoffgas FG reagiert mit Carbonat-Ionen CO&sub3;&supmin;&supmin; , welche bei der Reaktion an der Kathode 102 erzeugt wurden und durch die Elektrolytplatte 101 zu der Anode 103 gewandert sind. Dadurch wird Brennstoffgas an der Anode 103 verbraucht. Das Anodengas aus der Anode 103 des ersten Brennstoffzellenstapels I wird direkt in die Anode 103 des zweiten Brennstoffzellenstapels II eingeführt, so daß das verbleibende Brennstoffgas (in der stromaufwärts gelegenen Anode 103 wird nicht das gesamte Brennstoffgas genutzt) in der Reaktion an der stromabwärts gelegenen Anode verwendet wird. Daher ist der Gesamtbrennstoffnutzungsfaktor hoch, selbst wenn ein Brennstoffnutzungsfaktor an jeder Anode gering ist. In einem Fall, in dem beispielsweise der Brennstoffnutzungsfaktor Vf der ersten und zweiten Brennstoffzellen I bzw. II jeweils 70% beträgt, ist der Brennstoffnutzungsfaktor des ersten Brennstoffzellenstapels I 70% (= 100% x 0,7) und der Brennstoffnutzungsfaktor des zweiten Brennstoffzellenstapels II ist 21% (= (100-70)% x 0,7). Daher beträgt der Gesamtbrennstoffnutzungsfaktor 91% (= 70% + 21%). Dieser Wert wird in der einschlägigen Technik als sehr hoch angesehen. Infolgedessen ist ein Energieerzeugungswirkungsgrad an einem Abgabeende hoch. Da in diesem Falle die Brennstoffnutzungsfaktoren des Brennstoffzellenstapels I und II jeweils sehr niedrig eingestellt werden können, tritt nicht ein teilweiser Brennstoffmangel auf und die Ausgangsspannung des Systems wird nicht niedriger als ein vorgesehener Wert, selbst wenn eine Gasdurchflußratenverteilung in dem Brennstoffzellenstapel in der Höhenrichtung des Stapels und eine Gasdurchflußratenverteilung in jedem Brennstoffzellenelement nicht homogen sind, wie dies in den Figuren 7 und 8 dargestellt ist.
Die Durchflußrate des in die Anode der Brennstoffzelle eingeleiteten Gases ist im allgemeinen kleiner als die der Kathode. Daher ist die Gasdurchflußratenverteilung der Anode inhomogener als die der Kathode. Wenn jedoch zwei Brennstoffzellen in Reihe geschaltet sind wie bei dieser Ausführungsform, wird die Gasdurchflußrate über die Anode erhöht (wenn zwei Brennstoffzellen parallel geschaltet sind, ist die Gasdurchflußrate über die Anode ebenfalls erhöht, jedoch kann die Serienschaltung die Durchflußrate mehr erhöhen). Infolgedessen wird die Gasdurchflußratenverteilung über die Anode bei dieser Ausführungsform verbessert. Da ferner die Kühleinrichtung 140 zwischen der Kathode 102 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I und der Kathode 102 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II vorgesehen ist, wird das Kathodengas aus der stromaufwärts gelegenen Kathode gekühlt, bevor es in die stromabwärts gelegene Kathode eingeführt wird. Dies bedeutet, daß das Kathodengas aus der stromaufwärts gelegenen Kathode direkt in die stromabwärts gelegene Kathode eingeleitet werden kann. Daher kann die Gesamtmenge an Kathodengas des Systems gegenüber einem Fall reduziert werden, in dem die Brennstoffzellenstapel I und II parallel zueinander angeordnet sind. Diese Kathodengasreduktion resultiert in einer Steigerung der CO&sub2;-Konzentration in dem Kathodengas, wodurch die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapelsystems erhöht und die Energie für das Kathodengas- Rezirkulationsgebläse verringert wird. Wenn dieselbe Menge an Kathodengas wie bei dem Brennstoffzellensystem mit Parallelschaltung dem Brennstoffzellensystem mit Serienschaltung zugeführt wird, ist die Menge an Kathodengas, welche jede Kathode der in Reihe geschaltetenen Brennstoffzellen durchströmt, größer als bei dem Brennstoffzellensystem mit Parallelschaltung, so daß man eine Temperaturdifferenz zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Brennstoffzellensystems verringern kann. Wenn die Ausgangstemperatur des Brennstoffzellensystems mit Reihenschaltung gleich der Ausgangstemperatur des Brennstoffzellensystems mit Parallelschaltung aufgrund eines elektrolytischen Verlustes ist, ist die Eingangstemperatur des Brennstoffzellensystems mit Reihenschaltung höher als bei dem Brennstoffzellensystem mit Parallelschaltung, da die Menge des das Brennstoffzellensystem mit Serienschaltung durchströmenden Gases größer ist als bei dem Brennstoffzellensystem mit Parallelschaltung und die Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Brennstoffzellensystems mit Serienschaltung ist geringer als bei dem Brennstoffzellensystem mit Parallelschaltung. Infolgedessen ist die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems mit Serienschaltung höher als bei dem Brennstoffzellensystem mit Parallelschaltung und die Ausgangsspannung des erstgenannten Brennstoffzellensystems ist höher als bei dem letztgenannten Brennstoffzellensystem. Darüber hinaus kann das S/C-Verhältnis gesenkt werden, da die Möglichkeit einer Kohlenstoffablagerungs- (Fällungs-) Reaktion (2CO ---> CO&sub2; + C) an dem Anodeneingang um so geringer ist, je höher die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems ist. Folglich tritt keine Kohlenstoffausfällung an dem Anodeneingang auf, selbst wenn eine Dampfmenge für die Reformierung reduziert und das S/C- Verhältnis kleiner gemacht wird. Daher wird die Brennstoffkonzentration an der Anode höher und die Dampfmenge für die Reformierung kann reduziert werden. Dies verbessert den Systemwirkungsgrad.
Die wesentliche Wärmemenge der aus der Brennkammer 130b des Reformers 130 abgegebenen Gase wird für die Dampferzeugung in dem Dampfüberhitzer 145 und den Dampfgeneratoren 146 und 147 verwendet. Der erzeugte Dampf wird dem Erdgas NG mittels der Dampfleitung 153 hinzugefügt.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist ein weiterer Reformer 254 zusätzlich zu dem Reformer 230 vorgesehen, welcher dem Reformer 153 (Figur 1) entspricht. Die Reformierkammer 230a des stromaufwärts gelegenen Reformers 230, die Anode 203 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I, die Reformierkammer 254a des stromabwärts gelegenen Reformers und die Anode 203 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II sind in Reihe geschaltet. Insbesondere ist ein Ausgang der Reformierkammer 230a des stromaufwärts gelegenen Reformers 230 mit einem Eingang der Anode 203 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I mittels einer Brennstoffgaszufuhrleitung 231 verbunden. Ein Ausgang der Anode 203 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I ist mit dem Eingang der Reformierkammer 254a des stromabwärts gelegenen Reformers 254 mittels einer Anodengasleitung 255 verbunden. Ein Carbonatwäscher 265 ist in der Anodengasleitung 255 angeordnet. Ein Ausgang der Reformierkammer 254a des stromabwärts gelegenen Reformers 254 ist mit einem Eingang der Anode 203 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II über eine Brennstoffgaszufuhrleitung 257 verbunden. Um die Verbrennungswärme des stromabwärts gelegenen Reformers 254 als Wärmequelle für den stromaufwärts gelegenen Reformer 230 zu nutzen, sind die Brennkammern 230b und 254b der beiden Reformer 230 und 254 über eine Leitung 258 verbunden. Um eine wesentliche Wärmemenge der aus dem stromaufwärts gelegenen Reformer 230 abgegebenen Gase für Dampferzeugung zu nutzen, ist eine Abgasleitung 244 vorgesehen. Die übrige Struktur ist die gleiche wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 und gleiche Bezugszeichen (plus 100) sind den gleichen Elementen zugeordnet.
Bei der Ausführungsform der Figur 2 strömt Rohmaterialgas NG durch den stromaufwärts gelegenen 230, die Anode 203 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I und den stromabwärts gelegenen Reformer 254. Daher können zusätzlich zu den bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 zu erwartenden Vorteilen folgende Vorteile erwartet werden: (i) Da der Reformierwirkungsgrad des stromaufwärts gelegenen Reformers 230 niedriger gesetzt werden kann als der des stromabwärts gelegenen Reformers 254, kann andere Wärme als die Verbrennungswärme des stromabwärts gelegenen Reformers 254 als Wärmequelle für den stromaufwärts gelegenen Reformer 230 verwendet werden; (ii) bei einer Reaktion an der Anode 203 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I wird Wasserstoff verbraucht und bei dieser Reaktion erzeugter Dampf wird der Reformierkammer 254a des stromabwärts gelegenen Reformers 254 zugeführt. Ferner werden verbrennbare Stoffe in dem aus der Anode 203 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II abgegebenen Anodengas in dem zweiten Reformer 254 verbrannt und bei dieser Verbrennung entstandene Wärme wird als Wärmequelle für den zweiten Reformer 254 verwendet. Daher wird die Reformiertemperatur des zweiten Reformers 254 hoch und die Reformierrate oder der Wirkungsgrad des zweiten Reformers 254 wird erhöht; und (iii) da der Dampf für die Reformierung in dem zweiten Reformer 254 von der Anode 203 des ersten Brennstoffzellenstapels I zugeführt wird, wird die Dampfmenge reduziert, die dem Rohmaterialgas hinzugeführt werden muß. Infolgedessen wird das S/C-Verhältnis gesenkt. Wenn das S/C-Verhältnis niedriger wird, kann Kohlenstoff ausfallen. Die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems ist jedoch auf einen hohen Wert gesetzt, um so die Kohlenstoffausfällung bei der erfindungsgemäßen Lösung zu verhindern.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ebenso wie bei dem in Figur 2 dargestellten System sind ein erster (stromaufwärts gelegener) Reformer 330 und ein erster (stromaufwärts gelegener) Brennstoffzellenstapel I, ein zweiter stromabwärts gelegener Reformer 354 und zweiter (stromabwärts gelegener) Brennstoffzellenstapel II in Reihe geschaltet. Insbesondere sind eine Reformierkammer 330a des stromaufwärts gelegenen Reformers 330, eine Anode 303 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I, eine Reformierkammer 354a des stromabwärts gelegenen Reformers 354 und eine Anode 303 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II in Reihe geschaltet. Bei dieser Ausführungsform erreicht eine sich von einer Kathode 302 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I ausgehende Kathodengasleitung 359 eine Brennkammer 330b des stromaufwärts gelegenen Reformers 330. Ferner ist der Ausgang der Brennkammer 330b des stromaufwärts gelegenen Reformers 330 mit dem Eingang der Kathode 202 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II über eine Abgasleitung 360 verbunden. Die übrige Struktur ist die gleiche wie bei dem in Figur 2 dargestellten System und gleiche Bezugszeichen (vermehrt um 100) bezeichnen gleiche Elemente.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 werden folgende zusätzliche Vorteile erhalten: (i) Da die Reformierrate des stromaufwärts gelegenen Reformers 330 niedriger eingestellt werden kann als die des stromabwärts gelegenen Reformers 354, kann man eine wesentliche Wärmemenge des Kathodengases des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I direkt als Wärmequelle für die Reformierung in dem stromaufwärts gelegenen Reformer 330 verwenden. Infolgedessen wird die zur Erzeugung von Wärme für die Reformierung benötigte Brennstoffmenge verringert; (ii) da das Kathodengas des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I durch den stromaufwärts gelegenen Reformer 330 gekühlt wird, dient der stromaufwärts gelegene Reformer 330 als eine Zwischenkühleinrichtung, so daß das Abgas aus dem stromaufwärts gelegenen Reformer 330 direkt in die Kathode 302 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II eingeleitet werden kann. Selbst wenn daher die Kühleinrichtung 140 (Figur 1) oder 240 (Figur 2) nicht vorgesehen ist, erhält man beinahe dasselbe Resultat wie bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 und 2; und (iii) da die für die Reformierung in dem stromabwärts gelegenen Reformer 354 benötigte Wärmemenge gering ist, kann die Wärme des Systems für andere Zwecke wie beispielsweise die Dampferzeugung genutzt werden. In einem solchen Fall kann eine große Dampfmenge erzeugt werden und die Menge an wiedergewonnenem Dampf steigt.
Figur 4 zeigt ein weiteres Energieerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie das System gemäß Figur 9 umfaßt ein erster (stromaufwärts gelegener) Brennstoffzellenstapel I eine Vielzahl von Brennstoffzellenelementen (von denen zu Erläuterungszwecken nur ein Brennstoffzellenelement dargestellt ist). Jedes Brennstoffzellenelement umfaßt eine Elektrolytplatte 401, eine Kathode 402 und eine Anode 403. Die Brennstoffzellenelemente sind unter Zwischenschalten von (nicht dargestellten) Separatoren aufeinandergestapelt. Luft A (oxydierendes Gas) wird der Kathode 402 des Brennstoffzellenstapels I zugeführt, während Brennstoffgas FG zu der Anode 403 zugeführt wird. Ein erster Reformer 404 ist stromaufwärts von dem ersten Brennstoffzellenstapel I angeordnet. Rohmaterialgas (beispielsweise Erdgas) wird in den Reformer 404 eingeleitet und in Brennstoffgas umgeformt. Eine Reformierkammer (erste Reformierkammer) 404a des Reformers 404 ist mit einem Eingang des ersten Brennstoffzellenstapels I über eine Brennstoffgaszufuhrleitung 405 verbunden. Verbrennbare Stoffe in dem Anodengas werden in einer katalytischen Brenneinrichtung 414 verbrannt, welche einen Teil des Kathodengases benutzt. Um die bei dieser Verbrennung erzeugte Wärme als Wärmequelle für den Reformer 404 zu nutzen, ist eine Heizkammer 404b des Reformers 404 mit der katalytischen Verbrennungseinrichtung 414 über eine Verbrennungsabgasleitung 416 verbunden. Ein zweiter Brennstoffzellenstapel II ist stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels I angeordnet. Der zweite Brennstoffzellenstapel II hat eine Struktur ähnlich der des ersten Brennstoffzellenstapels I. Eine zweite Reformierkammer 429 ist zwischen dem Ausgang der Anode 403 des ersten Brennstoffzellenstapels I und dem Eingang der Anode 403 des zweiten Brennstoffzellenstapels II angeordnet. Der Ausgang der Kathode 402 des ersten Brennstoffzellenstapels I ist direkt mit der Kathode 402 des zweiten Brennstoffzellenstapels II verbunden. Die zweite Reformierkammer 429 verwendet eine wesentliche Wärmemenge des Anodengases aus dem ersten Brennstoffzellenstapel I. Die erste Reformierkammer 404 des Reformers 404, die Anode 403 des ersten Brennstoffzellenstapels I, die zweite Reformierkammer 429 und die Anode 403 des zweiten Brennstoffzellenstapels II sind in Reihe geschaltet. Die Luft A wird durch einen Luftvorerhitzer 412 vorerhitzt, bevor sie in die Kathode 402 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I eingeleitet wird. Eine Luftzweigleitung 403 ist mit einer Kathodenausgangsleitung 414 verbunden, so daß ein Teil der Luft A, die nicht vorerhitzt wurde, von der Luftzufuhrleitung 410 abgezweigt wird und dem Eingang der Kathode 402 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II zugeleitet wird. Bezugszeichen 431 bezeichnet ein Heißwassererzeuger und 432 bezeichnet eine Kathodengaskühleinrichtung. Die übrige Struktur des in Figur 4 dargestellten Systems ist gleich jener des in Figur 9 dargestellten Systems und gleiche Bezugszeichen (500 abgezogen) sind gleichen Elementen zugeordnet.
Erdgas wird zu Brennstoffgas durch die erste Reformierkammer 404a des Reformers 404 umgeformt und das Brennstoffgas wird der Anode 403 des ersten Brennstoffzellenstapels I über eine Brennstoffgaszufuhrleitung 405 zugeleitet. Bei der Reaktion an der Anode 402 wird Wasserstoff des Brennstoffgases verbraucht. Von der Anode abgegebene Gase (Anodengas) werden in die zweite Reformierkammer 429 eingeleitet. In der Reformierkammer 429 wird verbliebenes Rohmaterialgas (nicht alles Rohmaterialgas wird in der ersten Reformierkammer zu Brennstoffgas umgeformt) wird dann unter Verwendung einer wesentlichen Wärmemenge des Anodengases und unter Verwendung von Dampf, der bei der Reaktion an der stromaufwärts gelegenen Anode 403 erzeugt wurde, reformiert. Das bei dieser Reformierung erzeugte Brennstoffgas wird der stromabwärts gelegenen Anode zugeleitet. Auf diese Weise wird das Rohmaterialgas (Erdgas) zweimal reformiert, nämlich in der ersten Reformierkammer 404a und in der zweiten Reformierkammer 429. Daher schließt der Dampf, der für die Reformierung in der zweiten Reformierkammer 429 verwendet wird, Dampf ein, der bei der Reaktion an der Anode 403 des ersten Brennstoffzellenstapels I zusätzlich zu dem Dampf erzeugt wurde, der für die Reformierung in dem ersten Reformer 404 zugefügt wurde. Da Wasserstoff an der Anode 403 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I verbraucht wird, wird darüber hinaus die Reformierrate (der Reformierwirkungsgrad) merklich erhöht. Infolgedessen wird die Gesamtreformierrate des Systems hoch, selbst wenn die Reformierrate des ersten Reformers nicht sehr hoch eingestellt ist, verglichen mit einem herkömmlichen System, das nur einen Reformer verwendet. Ferner wird die Konzentration an Wasserstoff, welcher in die Anode 403 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II eintritt, angehoben und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems steigt.
Da bei dieser Ausführungsform die Reformierrate des ersten Reformers 404 keinen hohen Wert zu haben braucht, braucht die Reformiertemperatur nicht hoch zu sein. Infolgedessen wird die Lebensdauer des Reformierkatalysators in der Reformierkammer 404a nicht verkürzt und der Reformer 404 leidet nicht an einer thermischen Strukturschädigung. Wenn jedoch die Reformiertemperatur zu gering wäre, würde die Reformierrate außerordentlich abgesenkt. Bei dieser Ausführungsform wird die bei der Verbrennung in der katalytischen Verbrennungseinrichtung 414 erzeugte Wärme als Wärmequelle für den stromaufwärts gelegenen Reformer 404 verwendet (in dem Anodengas aus dem stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapel II verbliebene brennbare Stoffe werden in der katalytischen Verbrennungseinrichtung 414 verbrannt). Daher kann die Heiztemperatur in der Heizkammer 404b des Reformers 404 auf über 700ºC gehalten werden. Infolgedessen ist es möglich, das Brennstoffzellensystem in einer Weise auszubilden, so daß der größte Teil des Erdgases NG in der stromaufwärts gelegenen Reformierkammer 404a reformiert wird und ein kleiner Anteil des Erdgases NG in der stromabwärts gelegenen Reformierkammer 429 reformiert wird. Deshalb kann die stromabwärts gelegenen Reformierkammer 429 klein gemacht werden und eine Menge des in der Reformierkammer 429 angeordneten Katalysators wird klein. Dies ist ein Vorteil, da der Katalysator sehr einfach ersetzt werden kann, wenn er durch das Carbonat der Brennstoffzelle vergiftet ist.
Da bei dieser Ausführungsform ein relativ kleines S/C-Verhältnis (Dampf/Kohlenstoff-Verhältnis) eingestellt werden kann - natürlich wird das S/C-Verhältnis in einem Bereich bestimmt, in dem die Kohlenstoffausfällung nicht auftritt - kann die für die Reformierung erforderliche Dampfmenge reduziert werden. Daher kann der infolge der Abgaswärmewiedergewinnung wiedergewonnene Dampf für andere Zwecke außerhalb des Systems genutzt werden. Da ferner die an dem Anodeneingang erforderliche Dampfmenge reduziert wird, wird der Partialdruck des Wasserstoffes angehoben und die Ausgangsspannung (oder der Energieerzeugungswirkungsgrad) des Brennstoffzellensystems wird erhöht.
Im allgemeinen besteht eine Möglichkeit, daß Kohlenstoff ausgefällt wird, da die Anodeneingangstemperatur des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels niedrig ist. Eine Kohlenstoffausfällung wird jedoch nicht auftreten, da das Anodengas aus dem stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapel I eine hohe Menge an Dampf erhält.
Da die zweite Reformierkammer 429 als Wärme für die Reformierung die wesentliche Wärme des Anodengases verwendet, wird die Temperatur des in die Anode 403 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II eingeführten Anodengases niedriger als die des aus der Anode 403 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I abgegebenen Anodengases. Infolgedessen kann man das in die Anode 403 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II eingeleitete Anodengas zum Kühlen des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II verwenden. Folglich kann eine Menge an Kühlgas, das in die Kathode 402 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II eingeleitet wird, reduziert werden.
Figur 5 zeigt eine Abwandlung des in Figur 4 dargestellten Systems. Anstelle der zweiten Reformierkammer 429 gemäß Figur 4 ist ein zweiter Reformer 533 zwischen dem ersten und dem zweiten Brennstoffzellenstapel I und II angeordnet. Das von der Anode 503 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I abgegebene Anodengas strömt durch die Reformierkammer 533a des zweiten Reformers 533 und erreicht die Anode 503 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II. Das Kathodengas aus der Kathode 502 des stromaufwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels I strömt durch eine Heizkammer 533b des zweiten Reformers 533 und erreicht die Kathode 502 des stromabwärts gelegenen Brennstoffzellenstapels II. Bei dieser Ausführungsform wird die wesentliche Wärme des Kathodengases des ersten Brennstoffzellenstapels I als Wärme für das Reformieren in dem zweiten Reformer 533 verwendet. Ferner werden die von der Heizkammer 533b des zweiten Reformers 533 abgegebenen Gase der Kathode 502 des zweiten Brennstoffzellenstapels II zugeleitet. Infolgedessen wird das Kathodengas des ersten Brennstoffzellenstapels I durch den zweiten Reformer 533 gekühlt und die gekühlte Kathode wird zum Kühlen des zweiten Brennstoffzellenstapels II genutzt.
Es ist zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Obwohl beispielsweise alle Darstellungen die Systeme mit zwei Brennstoffzellenstapeln I und II zeigen, kann das Energieerzeugungssystem drei oder mehr Brennstoffzellenstapeln enthalten. Ferner können mehr als zwei Reformer vorgesehen sein. Ferner kann in dem System gemäß Figur 2 (oder gemäß Figur 3) Wärme aus einer anderen Wärmequelle der Brennkammer 230b (330b) zugeführt werden und die Abgasleitung 244 (344) kann mit dem Ausgang der Brennkammer 254b (354b) verbunden sein.

Claims

1. Energieerzeugungssystem, welches Brennstoffzellen (I, II) verwendet, umfassend:

einen ersten Reformer (130) mit einer ersten Reformerkammer (130a) und einer ersten Verbrennungskammer (130b), wobei Rohgas (NG) von der Reformerkammer (130a) in Brenngas (FG) umgesetzt wird;

eine erste Brennstoffzelle (I) mit einer ersten Anode (103) und einer ersten Kathode (102);

eine Brenngasleitung zum Einleiten von Brenngas (FG) in die erste Anode (103) von der ersten Reformerkammer (103a);

eine zweite Brennstoffzelle (II) mit einer zweiten Anode (103) und einer zweiten Kathode (102);

eine erste Leitung zum Einleiten von von der ersten Anode (103) abgegebenen Gasen in die zweite Anode (103); und

eine zweite Leitung zum Einleiten von von der ersten Kathode (102) abgebebenen Gasen in die zweite Kathode (102);

wobei dieses System ferner gekennzeichnet ist durch eine dritte Leitung (144, 137) zum Einleiten von von der ersten Verbrennungskammer (130b) abgegebenen Gasen in die erste Kathode (102); und

einen katalytischen Brenner (161), wobei die von der zweiten Anode (103) abgegebenen Gase in den katalytischen Brenner (161) und dann in die erste Verbrennungskammer eingeführt werden, und ein Teil der von der zweiten Kathode (102) abgegebenen Gase dem katalytischen Brenner (161) zugeführt werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anode (103) durch die erste Leitung direkt mit der zweiten Anode (103) verbunden ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der zweiten Anode (103) abgegebene Gase der ersten Verbrennungskammer (130b) zugeführt werden.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner ein Filter (136), ein Gebläse (138) und einen Vorwärmer (139) umfaßt, und daß das Oxidationsgas vom Filter (136) gereinigt wird, vom Gebläse (138) unter Druck gesetzt wird und vom Vorwärmer (139) vorgewärmt wird ehe es der ersten Kathode (102) zugeführt wird.

5. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner eine Kühlvorrichtung (140) umfaßt, und daß von der ersten Kathode (102) abgegebene Gase von der Kühlvorrichtung (140) gekühlt werden und dann der zweiten Kathode (102) zugeführt werden.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der von der zweiten Kathode (102) abgegebenen Gase dem Oxidationsgas-Vorwärmer (139) zugeführt werden.

7. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der von der zweiten Kathode (102) abgegebenen Gase in die erste Kathode (102) zurückgeführt wird.

8. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der zweiten Anode (103) abgegebene Gase und von der zweiten Kathode (102) abgegebene Gase der ersten Verbrennungskammer (130b) zugeführt werden.

9. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner einen Dampfgenerator (146) umfaßt, und daß von der ersten Verbrennungskammer (130b) abgegebene Gase dem Dampfgenerator (146) zugeführt werden, und der im Dampfgenerator (146) erzeugte Dampf dem Rohgas (NG) beigefügt wird.

10. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner einen zweiten Reformer (254) mit einer zweiten Reformerkammer (254a) und einer zweiten Verbrennungskammer (254b) umfaßt, und daß die erste Reformerkammer (130a; 230a), die erste Anode (103, 203), die zweite Reformerkammer (254a) und die zweite Anode (103; 203) in Reihe geschalten sind.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß von der zweiten Anode (103; 203) und von der zweiten Kathode (102; 202) abgegebene Gase der zweiten Reformerkammer (254b) und dann der ersten Verbrennungskammer (130b; 230b) zugeführt werden.

12. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungsrate des ersten Reformers (130; 230) niedriger ist als die Umsetzungsrate des zweiten Reformers (254).

13. System nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Kathode (302) abgegebene Gase der ersten Verbrennungskammer (330b) zugeführt werden.

14. System nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Verbrennungskammer (330b) abgegebene Gase der zweiten Kathode (302) und dann der ersten Kathode (302) zugeführt werden.

15. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner eine zweite Reformerkammer (354) enthält, und daß die erste Anode (303), die zweite Reformerkammer (354) und die zweite Anode (303) in Reihe geschalten sind, und die erste Kathode (302) und die zweite Kathode in Reihe geschalten sind.

16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner einen katalytischen Brenner (414) umfaßt, und daß von der zweiten Anode (403) abgegebene Gase und von der zweiten Kathode (402) abgegebene Gase dem katalytischen Brenner (414) und dann der ersten Verbrennungskammer (404b) zugeführt werden.

17. System nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner einen Luftvorwärmer (412) umfaßt, und daß die vom Luftvorwärmer (412) vorgewärmte Luft der ersten Kathode (402) zugeführt wird und die nicht vom Luftvorwärmer (412) vorgewärmte Luft der zweiten Kathode (402) zugeführt wird.

18. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner einen zweiten Reformer (533) mit einer zweiten Reformerkammer (533a) und einer zweiten Verbrennungskammer (533b) umfaßt, und daß von der ersten Anode (503) abgegebene Gase der zweiten Reformerkammer (533a) und dann der zweiten Anode (503) zugeführt werden, und daß von der ersten Kathode (502) abgegebene Gase der zweiten Verbrennungskammer (533b) und dann der zweiten Kathode (502) zugeführt werden.