DE69713337T2

DE69713337T2 - Festoxidbrennstoffzellengenerator mit auswechselbarem brennstoffzellenstapel von modularem aufbau

Info

Publication number: DE69713337T2
Application number: DE69713337T
Authority: DE
Inventors: C. Collie; T. Dederer; E. Gillett; R. Zafred
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2017-03-05
Also published as: WO1997033333A1; CA2256730C; EP0914687A1; EP0914687B1; HUP9903954A2; US5741605A; NO990108L; AU718146B2; AU2069297A; CA2256730A1; DE69713337D1; CZ380298A3; NO990108D0

Description

1. REGIERUNGSVERTRAG

Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika besitzt Rechte an dieser Erfindung gemäß Vertrag Nr. DE-FC21-91MC28055, gewährt vom United States Department of Energy.

2. TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft elektrochemische Generatoren für Elektroenergie, wie z. B. Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoren, und insbesondere selbsttragende auswechselbare, modulare Brennstoffzellenstapelkonfigurationen für Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoren. Erfindungsgemäß ist der Stapel so strukturiert, daß er sowohl außerhalb als auch innerhalb des Generatorgehäuses montiert werden kann, um die Montage, Installation, den Ausbau und die Wartung des Brennstoffzellenstapels zu erleichtern. Ferner ist der auswechselbare modulare Stapel im eingebauten Zustand durch eine größere innere konstruktive Tragfähigkeit als in einer herkömmlichen Anordnung gekennzeichnet und eignet sich daher für Generatoren mit mehreren hundert Kilowatt und mehreren Megawatt Leistung.

3. TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Stromgeneratoren ("Generatoren") auf der Basis von Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellen sind allgemein bekannt und können mehrere langgestreckte Feststoffoxidbrennstoffzellen ("SOFC"s) in elektrischer Reihen-/Parallelschaltungskonfiguration aufweisen, die von einer Wärmeisolierung umgeben und in einem Gehäuse angeordnet sind. Beispiele von röhrenförmigen SOFCs und Generatoren, die sie enthalten, werden z. B. durch US-A-4395468 (Isenberg), US-A-4490444 (Isenberg) und die Veröffentlichung "Solid Oxide Fuel Cell", Westinghouse Electric Corporation, Okt. 1992, gelehrt. US-A- 4476196 (Poppel et al.) lehrt Flachplatten-SOFCs und -Generatoren; US-A-4476198 (Ackerman et al.) lehrt gerippte SOFCs, usw. Diese Offenbarungen werden hiermit insgesamt einbezogen.
Eine röhrenartige SOFC kann eine langgestreckte Röhre mit offenem oder geschlossenem Ende aus porösem keramischem Luftelektrodenmaterial (der Kathode) aufweisen, wie z. B. mit Calcium dotiertem Lanthanmanganit. Die Elektrode kann selbsttragend sein oder wahlweise auf ein Keramikträgerrohr aufgebracht werden. Die Luftelektrodenröhre ist weitgehend mit einem dichten, gasundurchlässigen, keramischen Dünnschicht-Feststoffoxidelektrolytmaterial bedeckt, wie z. B. mit durch Yttrium stabilisiertem Zirconiumdioxid. Die Oberfläche des Elektrolyten ist weitgehend mit einem porösen Cetmet- bzw. Kerametall-Brennstoffelektroderunaterial (der Anode) bedeckt, wie z. B. Nickel- Zirconiumdioxid-Cermet. Der Elektrolyt und die Brennstoffelektrode sind beide in einem ausgewählten radialen Abschnitt in Längsrichtung unterbrochen, gewöhnlich entlang der gesamten aktiven Länge der Brennstoffzelle, und an dieser Unterbrechung ist ein dichtes, gasundurchlässiges, dünnes Verbindungsmaterial vorgesehen, wie z. B. mit Calcium dotiertes Lanthanchromit. Das Verbindungsmaterial ist gewöhnlich mit einer elektrisch leitenden Deckschicht bedeckt, wie z. B. Nickel- Zirconiumdioxid-Cermet, um einen Bereich für elektrische Verbindungen zwischen benachbarten Brennstoffzellen bereitzustellen.
Eine SOFC-Anordnung vom Flachplattentyp kann eine flache Zellenanordnung mit Elektrolytwänden und Verbindungswänden aufweisen. Die Elektrolytwände enthalten dünne, flache Schichten aus Kathoden- und Anodenmaterialien, die schichtweise mit dem Elektrolyten angeordnet sind. Eine SOFC-Anordnung vom gerippten Plattentyp kann dreieckige oder gerippte wabenförmige aktive Anoden-, Kathoden-, Elektrolyt- und Verbindungsmaterialien aufweisen. Brennstoffzellen ohne Feststoffelektrolyt, wie z. B. Brennstoffzellen mit geschmolzenem Carbonat, sind auch möglich. Generatoren, in denen irgendeine dieser besonderen Brennstoffzellenkonstruktionen verwendet wird, können unter Verwendung der erfindungsgemäßen auswechselbaren, modularen Brennstoffzellenstapelkonfigurationen konstruiert werden.
Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoren, z. B. mit röhrenförmigen Brennstoffzellen, weisen ein gasdichtes, wärmeisoliertes Generatorgehäuse auf, das einzelne wärmeisolierte Kammern umgibt, einschließlich einer Generatorkammer und einer Verbrennungskammer. In der Generatorkammer ist eine Brennstoffzellenstapelkonfiguration untergebracht, die mehrere langgestreckte, im allgemeinen röhrenförmige ringförmige Feststoffoxidbrennstoffzellen aufweist, die elektrisch in Reihe und parallel geschaltet sind. Die Zellen sind physisch mit zueinander parallelen Achsen in einer rechteckigen oder kreisförmigen Gruppierung angeordnet. Beispielsweise ist in einer rechteckigen Konfiguration jede Brennstoffzelle über Zellenverbindungen, die sich über die Axiallänge jeder Zelle erstrecken, mit einer benachbarten Zelle in einer Spalte in Reihe geschaltet. Durch diese Reihenschaltung wird die Luftelektrode einer Zelle mit der Brennstoffelektrode einer benachbarten Zelle gekoppelt, nämlich durch eine Metallschicht und einen Fasermetallfilz, um ihre erzeugten Spannungen zu summieren. Die Brennstoffzellen oder in Reihe geschalteten Zellengruppen können, z. B. in einer Zeile, durch Zellenverbindungen, die sich gleichfalls entlang der Axiallänge jeder Zelle erstrecken, mit einer benachbarten Zelle oder Zellengruppe elektrisch parallelgeschaltet werden. Auf diese Weise kann die Konfiguration der Brennstoffzellen so eingerichtet werden, daß durch die Reihen- bzw. Parallelschaltungen die gewünschten Spannungs- und Stromstärkebedingungen für eine gegebene Anwendung erfüllt werden.
Herkömmlicherweise weisen Brennstoffzellenstapel in SOFC-Generatoren eine Anzahl individueller Komponenten auf, die in dem Gehäuse montiert und nicht als vormontierte selbsttragende Anordnung bereitgestellt werden. Die Brennstoffzellenstapelstruktur weist verschiedene Strukturen zum Unterstützen der Anordnung von Feststoffoxidbrennstoffzellen, für die Brennstoffzufuhr, den Auslaß, elektrische Anschlüsse und dergleichen auf, die in dem Generatorbehälter montiert sind. Zum Bau des Generators muß jede Komponente einzeln montiert und angeschlossen werden. Zum Beispiel wird jede Komponente bei der Installation individuell eingebracht und elektrisch in den Stromkreis eingeschaltet, einschließlich des Anbringens und Lötens der Metallfilze und Zuleitungsdrähte sowie der individuellen Montage der erforderlichen und im allgemeinen komplizierten Anordnung von Stützen, Armaturen, Rohrleitungen, Bälgen und dazugehörigen Generatorteilen und -baugruppen. Die verschiedenen Teile können zum Beispiel Brennstoffzellenträgerblöcke, Brennstoffzellentrennplatten, Brennstoffzuflußrohre, Brennstoffvorbehandlungseinrichtungen (d. h. Brennstoffreformer), Brennstoffverteilertafeln, Luftzuflußrohre, Luftverteilerrohre, Auslaßrohre, Rückführungsrohre, Stromkabel und dergleichen einschließen.
Das Fehlen einer selbsttragenden Konstruktion, besonders für die langgestreckten Brennstoffzellen im Stapel, führt zu einem großen Handhabungsaufwand und zu Schwierigkeiten beim Einbau der Brennstoffzellen in die Generatorkammer. Dies führt zur Beschädigung der Zellen während der Montage und zu der daraus folgenden Gefahr von Funktionsstörungen der Brennstoffzellenstapel sowie zu erheblichen Montagekosten.
Die konstruktiven Grundanforderungen einer brennstoffeffizienten Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratorkonstruktion sind durch Feldversuche und technische Untersuchungen ermittelt worden. Maßstäblich vergrößerte Generatoren mit einer Leistungsfähigkeit von mehreren hundert kW und großtechnische SOFC-Generatoren mit mehreren MW Leistung sind geplant, zum Beispiel von der Westinghouse Electric Corporation für praktische Anwendungen in naher Zukunft. Es wird jedoch Effizienz bezüglich der Montagekosten und der Zuverlässigkeit benötigt. Einzelne Generatormodule mit einer Leistung von beispielsweise 200 kW wären vorteilhaft für Anwendungen mit paralleler Energieerzeugung an Ort und Stelle. Einzelne SOFC-Generatormodule können in Energieerzeugungsblöcken angeordnet werden. Um gegebene Anforderungen für große Kraftwerke zu erfüllen, kann eine beliebige Anzahl von Energieerzeugungsblöcken installiert werden.
Die maßstäbliche Vergrößerung der Energieerzeugungskapazität eines SOFC-Generators erfordert den Einsatz von mehr und/oder dichter montierten Zellen. Existierende SOFC-Generatorkonstruktionen haben den Nachteil, daß der Brennstoffzellenstapel und dazugehörige Stapelkomponenten direkt innerhalb des Generators installiert und montiert werden müssen, was in größeren Einheiten weiter erschwert wird. Der Generator muß groß genug sein, um Zwischenraum innerhalb des Generatorgehäuses zu lassen, um die Handmontage des Brennstoffzellenstapels und der dazugehörigen Stapelkomponenten zu ermöglichen. Nach der Montage können Zwischenräume innerhalb des Generatorgehäuses mit Wärmeisolierung gefüllt werden, um einen zu hohen Wärmeverlust vom Generator zu verhindern, wodurch der Spielraum für manuelle Arbeiten im Fall einer später erforderlichen Reparatur und Instandhaltung weiter verringert wird.
Mit zunehmender Größe und Leistung des Generators werden die langgestreckten Brennstoffzellenstapel im allgemeinen mit weniger Abstützung als in kleineren Einheiten versehen. Die Zubehörkomponenten, wie z. B. Brennstoff und Luftverteilerrohre, dazugehörige Bälge und Stromkabel sind ebenfalls nicht in vergleichbarem Maße selbsttragend, wenn der Generator auf großtechnische Abmessungen vergrößert wird. Dadurch erhöht sich die Gefahr eines Brennstoffzellenbruchs und einer Funktionsstörung des Stapels infolge selbst verursachter Transportlasten, die Notwendigkeit von ausgedehnten Haltevorrichtungen, um die Handhabung bzw. den Transport und die Montage des Brennstoffzellenstapels zu erleichtern, des Abbaus von zeitweiligen Trag- oder Transporthaltevorrichtungen nach der Montage oder dem Zusammenbau usw. Das Auswechseln oder die Reparatur des Brennstoffzellenstapels und seiner einzelnen Brennstoffzellen ist in einem herkömmlichen Generator dem Wesen nach unzweckmäßig, da der Brennstoffzellenstapel direkt innerhalb des Generatorgehäuses auseinandergenommen werden muß, um ein Auswechseln oder eine Reparatur zu ermöglichen. Zeit und Kosten der Ausführung solcher Austausch- oder Reparaturarbeiten sind bestenfalls ökonomisch unzweckmäßig und können bei großtechnischen Anwendungen untragbar sein.
Was benötigt wird, ist ein bezüglich der Montage- und Demontageverfahren rationellerer und kosteneffektiver Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator. Gemäß der vorliegenden Erfindung bietet ein vormontierter, selbsttragender, auswechselbarer Brennstoffzellenstapelmodul eine leichtere und rationellere Montage, um den Bau, die Installation und Instandhaltung des Feststoffoxidbrennstoffzellenstapels zu erleichtern. Die selbsttragende modulare Konstruktion des SOFC-Generators verringert die Möglichkeit eines Brennstoffzellenbruchs und einer Funktionsstörung des Stapels infolge der auf die Stapelkomponenten wirkenden Eigenlasten und infolge von Handhabungsschritten und dem Ein- und Ausbau von ausgedehnten Haltevorrichtungen für die Montage von Brennstoffzellenstapeln, gleichgültig ob diese Haltevorrichtungen permanent sind oder vor Beendigung der Montage schließlich entfernt werden müssen. Die SOFC-Generatorkonstruktion ermöglicht ein schnelleres und rationelleres Auswechseln von Brennstoffzellenstapeln und/oder Stapelkomponenten, ohne längere Abschaltzeiten des Generators zu erfordern.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung einen Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator mit einer auswechselbaren, konstruktiv selbsttragenden Brennstoffzellenstapelbaugruppe bereit, das eine im wesentlichen vollständige Montage des Feststoffoxidbrennstoffrellenstapels als eine Einheit außerhalb des Generatorbehälters auf einer gemeinsamen konstruktiven Grundplatte ermöglicht. Die selbsttragende konstruktive Brennstoffzellenstapelbaugruppe schließt die Brennstoffzellenstapelanordnung ein und kann auch Zubehörkomponenten aufweisen, wie z. B. das Brennstoffvorbehandlungssystem, das Brennstoffverteilungssystem, das Luftverteilungssystem und andere Zubehöreinrichtungen, die gleichfalls auf der Konstruktionsbaugruppe aufgenommen werden. Auf diese Weise sind die inneren Komponenten des Feststoffoxidbrennstoffzellenstapels während des Zusammenbaus und vor dem Einbau in einen im wesentlichen vollständig abgeschlossenen Generatorbehälter von allen Seiten zugänglich. Außerdem kann eine vertikale Anordnung der Brennstoffzellen während der externen Montageschritte außerhalb des Generators erreicht werden, wodurch eine sonst auftretende Belastung der Brennstoffzellen und anderer Ausrüstungen vermieden wird.
Die Erfindung vermindert die Gefahr eines Brennstoffzellenbruchs und anderer Beschädigungen während der Montage erheblich. Die Erfindung ermöglicht die Verwendung eines kleineren Generatorbehälters, als er sonst nötig wäre, wodurch die Wärmeverluste verringert werden können, da kein zusätzlicher Raum im Generatorbehälter reserviert zu werden braucht, um den Zugang zu Komponenten im Behälter zu ermöglichen. Zur Unterstützung der Montage sind weniger Haltevorrichtungen und Zubehörteile erforderlich. Die einheitliche Brennstoffzellenstapelbaugruppe erleichtert Einbau, Ausbau, Handhabung und den Zugang zum gesamten Brennstoffzellenstapel. Dies ermöglicht nötigenfalls eine leichte Reparatur und Auswechslung des Feststoffoxidbrennstoffzellenstapels ohne wesentliche Stillstandszeit der Generators. So kann ein alter Brennstoffzellenstapel als Einheit aus der Generatorkammer und dem Gehäuse ausgebaut und durch einen neuen und leistungsfähigen Stapelmodul mit neuen oder wiederaufgearbeiteten Brennstoffzellen ersetzt werden. Ebenso wird der Stapel durch Ausbau aus dem Generator für Routinewartungsarbeiten von allen Seiten leicht zugänglich.

4. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator bereitzustellen, in dem der Brennstoffzellenstapel auf einer gemeinsamen Stapelgrundplatte montiert ist und eine konstruktiv einheitliche, selbsttragende und auswechselbare Baugruppe bildet, die leicht aufgebaut, transportiert, installiert und aus dem Generator ausgebaut werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapel gemäß der obigen Beschreibung bereitzustellen, der mehrere elektrisch zusammengeschaltete Feststoffoxidbrennstoffzellen enthält, die auf einer gemeinsamen Konstruktionsgrundplatte angeordnet sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, auf der einheitlichen, auswechselbaren, modularen Baugruppe eine Einrichtung bereitzustellen, um zusätzlich zu den Feststoffoxidbrennstoffzellen weitere Komponenten aufzunehmen, zu denen beispielsweise eine Brennstoffvorbehandlungseinrichtung, eine Brennstoffzellenstapelvorbehandlungseinrichtung, ein Brennstoffzuflußsystem, ein Brennstoffverteilungssystem, ein Luftzuflußsystem, ein Luftverteilungssystem, ein Auslaßsystem, Stromkabel und andere, dazugehörige Generatorkomponenten gehören.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen konstruktiven selbsttragenden, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der in einem Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator betriebsfähig ist, der entweder bei Atmosphärendruck oder bei Überdruck arbeitet (d. h. oberhalb des Atmosphärendrucks in einem Druckgefäß).
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratorbehälter bereitzustellen, der ein Generatorgehäuse mit einer darin enthaltenen Brennstoffzellenstapelkammer einschließt, die einen auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapel aufnehmen kann, wobei das Gehäuse außerdem weitere Generatorkomponenten aufweist, zu denen eine Brennstoffvorbehandlungseinrichtung, eine Brennstoffzellenstapelvorbehandlungseinrichtung, ein Brennstoffzuflußsystem, ein Brennstoffverteilungssystem, ein Luftzuflußsystem, ein Luftverteilungssystem und Stromkabel gehören, die wahlweise mit dem auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapel integriert sind und dadurch eine einheitliche Baugruppe bilden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratorbehälter bereitzustellen, der mehrere Kammern aufweist, die mehrere konstruktive, selbsttragende, auswechselbare modulare Brennstoffzellenstapel enthalten, um beispielsweise die maßstäbliche Vergrößerung von Generatorkapazitäten, erhöhte Zellendichten und dergleichen zu erleichtern.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß sie die Montage des Feststoffoxidbrennstoffzellenstapels außerhalb des Generatorbehälters ermöglicht und dadurch während der Montage Zugang zum Stapel von allen Seiten gewährt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie schließlich das Einbringen des vormontierten Feststoffoxidbrennstoffzellenstapels in den Generatorbehälter ermöglicht und dabei die Einwirkung von potentiell zerstörenden Belastungen auf die einzelnen Brennstoffzellen und optionale andere Ausrüstungen minimiert, die bei anderen Montagearbeiten und/oder Wartungsschritten auftreten können. Dies ist wesentlich, da Brennstoffzellenstapel von kommerzieller Größe unter Umständen nicht in allen Richtungen selbsttragend oder stoßfest sind. Ferner sind optionale Zubehörkomponenten, wie z. B. Brennstoff und Luftverteilungsrohre, dazugehörige Bälge und Stromkabel gleichfalls nicht selbsttragend. Mit zunehmender Größe der Brennstoffzellenstapel und Zubehörkomponenten zur Erfüllung großtechnischer Anforderungen bei den bisher existierenden Generatorkonstruktionen nehmen dementsprechend die Möglichkeit eines Zellenbruchs, die Wahrscheinlichkeit einer Funktionsstörung des Stapels infolge selbstverursachter Handhabungs- bzw. Transportlasten und die Notwendigkeit von ausgedehnten Transporthaltevorrichtungen für die Montage des Brennstoffzellenstapels, die schließlich vor Beendigung der Montage entfernt werden müssen, in gleichem Maße zu.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie kompaktere Generatorkonstruktionen zuläßt, indem die Notwendigkeit entfällt, freien Raum für den Zugang zu Komponenten aus einer bestimmten Richtung zu reservieren, wie z. B. am oberen Ende des Generatorgehäuses, und daß dadurch der Wärmeverlust und Anforderungen zum Ausfüllen von Hohlräumen mit Wärmeisolierung vermindert werden und im allgemeinen die Größe des Generators verringert wird. Die Stapelkammer im Behälter braucht nur groß genug zu sein, um Spielraum für den Einbau des auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels als eine Einheit zu bieten. Auf diese Weise erfordert die erfindungsgemäße Generatorkonstruktion weniger Isolierung und Aufstellungsfläche als bekannte Generatorkonstruktionen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie einen leichten Zugang zum Brennstoffzellenstapel für Routinewartungs- und Reparaturarbeiten bietet. Erfindungsgemäß kann der auswechselbare modulare Stapel aus dem Generatorbehälter entfernt werden, wodurch der Zugang zu dem Feststoffoxidbrennstoffzellenstapel aus allen Richtungen erleichtert wird, um eine leichtere Wartung und Reparatur der Brennstoffzellen und der dazugehörigen Komponenten zu ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Stillstandszeit verkürzt wird, die zur Reparatur oder zum Auswechseln der Feststoffoxidbrennstoffzellen und dazugehörigen Komponenten benötigt wird. Erfindungsgemäß kann, wenn der Brennstoffzellenstapel ausgewechselt werden muß, der alte auswechselbare modulare Stapel einfach aus dem Generatorbehälter entfernt und durch einen neuen ersetzt werden. Auf diese Weise wird die Stillstandszeit erheblich verkürzt, die mit vorhandenen Systemen verbunden ist, wo der Brennstoffzellenstapel und die dazugehörige Ausrüstung innerhalb des Generatorbehälters auseinandergenommen und wieder zusammengesetzt werden müssen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellengenerator, der durch die folgenden Komponenten gekennzeichnet ist: ein Generatorgehäuse mit einer darin enthaltenen Generatorkammer (oder Brennstoffzellenstapelkammer) und einem in der Generatorkammer angeordneten, konstruktiv einheitlichen, vormontierten, selbsttragenden, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapel, wobei die auswechselbare modulare Brennstoffzellenstapelbaugruppe durch die folgenden Komponenten gekennzeichnet ist: eine konstruktive Grundplatte und mehrere elektrisch miteinander verbundene, axial langgestreckte, röhrenförmige Brennstoffzellen, die auf der Grundplatte angeordnet sind, und die ferner optionale Zubehöreinrichtungen aufweist, wie z. B. eine Brennstoffvorbehandlungseinrichtung (Reformer), eine Brennstoffzellenstapelvorbehandlungseinrichtung, (Reformer), ein Brennstoffverteilungssystem, ein Luftverteilungssystem, Stromkabel, ein Verbrennungssystem, ein Lufteinlaßsystem, ein Brennstoffeinlaßsystem, ein Rückführungssystem für verbrauchten Brennstoff, ein Auslaßsystem usw., die direkt oder indirekt entweder an der Grundplatte oder an den auf der Grundplatte angeordneten Brennstoffzellen befestigt sind und eine einheitliche, selbsttragende und auswechselbare Brennstoffzellenstapelbaugruppe bilden.
Genauer gesagt, dieser erste Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellengenerator, der gekennzeichnet ist durch: eine einheitliche selbsttragende Brennstoffzellenstapelbaugruppe mit den Brennstoffzellen und gewissen Zubehöreinrichtungen für einen Brennstoffzellengenerator, die alle auf einer gemeinsamen Grundplatte installiert sind und eine auswechselbare Baugruppe bilden, die innerhalb eines Generatorgehäuses in einer Brennstoffzellenstapelkammer zur Aufnahme des auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator, der durch die folgenden Komponenten gekennzeichnet ist: ein Generatorgehäuse mit einer darin enthaltenen Brennstoffzellenstapelkammer zur Aufnahme eines vormontierten, selbsttragenden, auswechselbaren modularen Feststoffoxidbrennstoffzellenstapels, wobei der Stapel durch die folgenden Komponenten gekennzeichnet ist: einen Feststoffoxidbrennstoffzellenstapel mit mehreren, elektrisch verbundenen Brennstoffzellen, die zwischen Elektrolyten angeordnete Elektroden (Anode und Kathode) enthalten, die auf einer gemeinsamen Grundplatte montiert sind, wobei die Brennstoffzellen vorzugsweise röhrenförmige, axial langgestreckte Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellen sind, wobei jede Brennstoffzelle eine innere Luftelektrode (Kathode), deren Innenseite in Verbindung mit einer Luftzufuhr steht, einen Feststoffoxidelektrolyten, der den äußeren Umfang der Luftelektrode im wesentlichen umgibt, und eine äußere Brennstoffelektrode (Anode) aufweist, die den äußeren Umfang des Feststoffoxidelektrolyten im wesentlichen umgibt und deren Außenseite in Verbindung mit einer Brennstoffzufuhr steht, wobei der Feststoffoxidelektrolyt und die Brennstoffelektrode in einem ausgewählten Abschnitt in Längsrichtung unterbrochen sind und an der Unterbrechung ein Anschluß an die Luftelektrode für die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Brennstoffzellen angeordnet ist, und wobei der auswechselbare modulare Brennstoffzellenstapel ferner wahlweise gekennzeichnet ist durch: Generatorzubehöreinrichtungen, die, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Brennstoffvorbehandlungseinrichtung, eine Brennstoffzellenstapelvorbehandlungseinrichtung, ein Brennstoffzuflußsystem, ein Brennstoffverteilungssystem, ein Luftzuflußsystem, ein Luftverteilungssystem, Stromkabel, eine Verbrennungskammer, ein Rückführungssystem für verbrauchten Brennstoff und ein Auslaßsystem aufweisen, die entweder direkt oder indirekt auf der gemeinsamen Stapelgrundplatte montiert sind.
Dieser zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator, der gekennzeichnet ist durch: eine vormontierte, selbsttragende Baugruppe mit dem auf einer gemeinsamen Grundplatte installierten Brennstoffzellenstapel, um eine einheitliche, auswechselbare modulare Brennstoffzellenstapelbaugruppe zu bilden, und einen Generatorbehälter mit einer Stapelkammer zur Aufnahme des auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels und gewisser Zubehöreinrichtungen für einen Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator, die entweder einstückig mit der auswechselbaren selbsttragenden Brennstoffzellenstapelbaugruppe installiert oder davon getrennt mit dem Generatorbehälter verbunden sind.

5. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen besser ersichtlich werden, die lediglich als Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellengenerators, wie z. B. eines Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellengenerators, wobei die Zeichnung einen im Generatorbehälter angeordneten auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapel darstellt;
Fig. 2 eine perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen, teilweise zusammengebauten, rechteckigen, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels;
Fig. 3 eine perspektivische Schnittansicht eines bei Atmosphärendruck zu betreibenden Generatorbehälters, der für die Aufnahme von zwei in Fig. 2 dargestellten rechteckigen, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapeln konstruiert ist;
Fig. 4 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen, teilweise zusammengebauten, runden auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels;
Fig. 5 eine perspektivische Schnittansicht eines in Fig. 4 dargestellten, vollständiger zusammengebauten, runden, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines in Fig. 5 dargestellten, vollständig zusammengebauten, runden, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels;
Fig. 7 eine perspektivische Schnittansicht eines Generatordruckbehälters, der für die Aufnahme eines in Fig. 6 dargestellten runden, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels konstruiert ist; und
Fig. 8 eine perspektivische Schnittansicht des in Fig. 7 dargestellten Generatordruckbehälters, der einen in Fig. 6 dargestellten runden, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapel enthält.

6. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG:

Ein Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator weist ein gasdichtes wärmeisoliertes Generatorgehäuse auf, das einzelne wärmeisolierte Kammern umgibt, zu denen, ohne Beschränkung darauf, eine Generatorkammer und eine Verbrennungskammer gehören. Die Generatorkammer, in der die Energieerzeugung erfolgt, weist einen Feststoffoxidbrennstoffzellenstapel auf, der mehrere, typischerweise röhrenförmige, axial langgestreckte, elektrisch miteinander verbundene Feststoffoxidbrennstoffzellen enthält, die aus Keramikelektroden und Elektrolyten bestehen, zusammen mit bestimmten dazugehörigen Brennstoff und Oxidationsmittelzufluß- und -verteilungseinrichtungen. Wie oben diskutiert, kann ein Brennstoffzellengenerator Brennstoffzellen von beliebigem Typ oder beliebiger Konfiguration mit Feststoffoxidelektrolyt oder mit geschmolzenem Carbonatelektrolyt aufweisen. Der Einfachheit halber und ohne Beschränkung darauf werden jedoch röhrenförmige Feststoffoxidelektrolyt-Brennstoffzellen als beispielhafter, in der vorliegenden Erfindung verwendbarer Brennstoffzellentyp diskutiert, und die nachstehende Beschreibung wird sich allgemein auf diesen Typ beziehen. Man wird jedoch erkennen, daß die Erfindung ebenso auf andere Zellentypen anwendbar ist.
Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoren weisen bei der Umwandlung von chemischer Energie, im allgemeinen in Form von gasförmigen Kohlenwasserstoffen und Luft, in elektrische Energie einen hohen Wirkungsgrad auf. Sie können bei leichtem Überdruck oder im "Druckbetrieb" bei erhöhten Drücken bis zu 15,51 kg/cm² (etwa 220 psi oder etwa 15 Atmosphären) arbeiten, gewöhnlich in einem Bereich von etwa 9,52 kg/cm² (etwa 135 psi oder etwa 9 Atmosphären) bis zu etwa 15,51 kg/cm² (etwa 220 psi). Die Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoren arbeiten typischerweise bei Temperaturen oberhalb etwa 650ºC, gewöhnlich im Bereich von etwa 650ºC bis zu etwa 1250ºC, und erzeugen Elektroenergie aus irgendeinem von einer Vielzahl fossiler Brennstoffe. Beispiele sind unter anderem aus Kohle gewonnenes Brenngas. Erdgas, das hauptsächlich Methan enthält, oder Destillatbrennstoff, oder vorbehandelter Brennstoff, wie z. B. Wasserstoffgas oder Kohlenmonoxidgas, die alle elektrochemisch mit Luft oder Sauerstoffgas reagieren, um das Brenngas zu oxidieren und einen Elektronenfluß und damit einen elektrischen Strom zum Speisen eines äußeren Stromkreises zu erzeugen. Die Temperatur der Abgase von den Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoren liegt zwischen 500ºC und 850ºC, eine Temperatur, die für gekoppelte Energieerzeugungsanwendungen oder für die Verwendung in Kreisläufen zum Konstanthalten der Ausgangsspannung in rein elektrischen zentralen Kraftwerken attraktiv ist.
Jede im Generator angeordnete Feststoffoxidbrennstoffzelle leitet ohne weiters Sauerstoffionen, die im Oxidationsmittelgas, wie z. B. Luft oder Sauerstoff (02), enthalten sind, von einer Luftelektrode (der Kathode), wo sie gebildet werden, durch einen Feststoffoxidelektrolyten zu einer Brennstoffelektrode (der Anode). Dort reagieren die Sauerstoffionen mit Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoffgas (H&sub2;), die in dem Brenngas enthalten sind, um Elektronen abzugeben und Elektrizität zu erzeugen. Die röhrenförmige Feststoffoxidbrennstoffzellenkonstruktion weist eine röhrenförmige, axial langgestreckte (etwa 50 bis 230 cm lange) poröse Luftelektrode auf, vorzugsweise selbsttragend, hergestellt aus einem dotierten Perovskit- Keramikwerkstoff, z. B. aus Lanthanmanganit, das mit Calcium, Strontium oder Cerium dotiert ist (etwa 1 bis 3 mm dick). Ein dünner, dichter, gasundurchlässiger Feststoffoxidelektrolyt, hergestellt aus einem Keramikwerkstoff, z. B. aus mit Yttrium stabilisiertem Zirconiumdioxid (etwa 0,001 bis 0,1 mm dick), bedeckt den größten Teil des äußeren Umfangs der Luftelektrode, mit Ausnahme eines radialen Streifens (etwa 9 mm breit), der sich typischerweise über die gesamte aktive Zellenlänge erstreckt. Dieser freiliegende Luftelektrodenstreifen ist von einer dünnen, dichten, gasundurchlässigen Schicht aus einem elektrisch leitenden Keramikwerkstoff bedeckt, z. B. aus Lanthanchromit, das mit Calcium oder Strontium dotiert ist (etwa 0,03 bis 0,1 mm dick), mit annähernd gleicher Dicke wie der Feststoffoxidelektrolyt. Diese Schicht, die als Zellenverbindung bezeichnet wird, dient als elektrische Kontaktfläche und ist durch einen Leiter mit einer benachbarten Zelle oder mit einem Stromentnahmekontakt verbunden. Eine poröse Brennstoffelektrode aus einem Cermet- bzw. Kerametallwerkstoff, zum Beispiel Nickel-Zirconiumdioxid- Cermet, bedeckt den äußeren Umfang der Feststoffoxidelektrolytfläche (etwa 0,03 bis 0,1 mm dick), außer in der Nähe der Verbindungsstelle, wobei sowohl der Feststoffoxidelektrolyt als auch die Brennstoffelektrode von der Verbindungsstelle beabstandet sind, um eine direkte elektrische Verbindung zu vermeiden. Eine elektrisch leitende, getrennte Deckschicht aus Cermet-Material, z. B. Nickel- Zirconiumdioxid-Cermet, bedeckt außerdem den äußeren Umfang der Verbindungsstelle (etwa 0,03 bis 0,1 mm dick), mit einer ähnlichen Dicke wie derjenigen der Brennstoffelektrode. Ein optionaler, poröser, mit Calciumoxid stabilisierter Zirconiumdioxid-Träger zum Abstützen des inneren Umfangs der Luftelektrode kann nötigenfalls auch verwendet werden, um die Luftelektrode konstruktiv besser abzustützen. Wegen einer ausführlichen Beschreibung von typischen Materialien und Konstruktionsdetails einer röhrenförmigen Feststoffoxidbrennstoffzelle und eines Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellengenerators von röhrenförmiger Konfiguration kann auf US-A-4490444 (Isenberg) verwiesen werden, die hiermit insgesamt einbezogen wird.
Zum Betrieb wird Luft oder Sauerstoff, typischerweise Luft, in den Ring der röhrenförmigen Feststoffoxidbrennstoffzelle eingeleitet, typischerweise durch ein Lufteinblasrohr, das sich innerhalb des Rings bis in Bodennähe der Brennstoffzellenröhre erstreckt, und auf annähernd 1000ºC vorgewärmt. Die Luft, die in der Nähe des geschlossenen Bodenendes der Brennstoffzelle austritt, kehrt ihre Richtung um und strömt durch den ringförmigen Raum, der durch die Innenseite der Luftelektrode der Brennstoffzelle und ihr koaxiales Einblasrohr gebildet wird, nach oben. Typischerweise werden im aktiven Brennstoffzellenabschnitt 25% der Luft elektrochemisch verwertet (d. h. umgesetzt). Die Luft wird, während sie entlang der inneren aktiven Länge der Brennstoffzelle über die innere Luftelektrode fließt, elektrochemisch reduziert und erschöpft ihren Sauerstoffgehalt, während sie sich dem ringförmigen, offenen oberen Ende der Brennstoffzelle nähert. Gleichzeitig fließt Brennstoff über die Außenseite der Brennstoffzelle vom geschlossenen unteren Ende zum offenen oberen Ende im Kontakt mit der äußeren Brennstoffelektrode und wird auf annähernd 1000ºC vorgewärmt. Typischerweise werden im aktiven Brennstoffzellenabschnitt 85% des Brennstoffs elektrochemisch verwertet (umgesetzt). Der Brennstoff wird entlang der äußeren aktiven Länge der Brennstoffzelle an der äußeren Brennstoffelektrode elektrochemisch oxidiert und erschöpft seinen Brennstoffgehalt, während er sich dem ringförmigen, offenen oberen Ende der Brennstoffzelle nähert. Der gasundurchlässige Feststoffoxidelektrolyt verhindert eine Vermischung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel und läßt außerdem keinen Stickstoff von der Luftseite zur Brennstoffseite gelangen. Daher wird der Brennstoff in einer stickstofffreien Umgebung oxidiert, um eine NOX-Bildung abzuwenden. Am offenen Zellenende wird der restliche oder verbrauchte Brennstoffstrom durch Verbrennung mit dem aus der Zelle austretenden restlichen oder verbrauchten Luftstrom in einer Verbrennungskammer zur Reaktion gebracht, die über dem offenen Ende der Brennstoffzellen angeordnet ist, wodurch ein verbranntes Abgas entsteht, das zusätzliche Nutzwärme für den Generatorbetrieb liefert.
Die Reformation von Erdgas und anderen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen kann, wenn dies gewünscht wird, innerhalb des Generators zur Vorbehandlung des Brennstoffs ausgeführt werden. Eintretender Brennstoff kann innerhalb des Generators zu H&sub2;, und CO reformiert werden, wodurch die Notwendigkeit eines externen Reformers entfällt. Alle Gasströme und Reaktionen werden innerhalb der Generatoreinrichtung gesteuert. Wegen einer vollständigeren Beschreibung von röhrenförmigen Feststoffoxidbrennstoffzellen und ihrer Arbeitsweise in einer Generatoreinrichtung kann auf US-A-4395468 (Isenberg) verwiesen werden, die hiermit insgesamt einbezogen wird.
Zur Konstruktion eines elektrischen Feststoffoxidbrennstoffzellengenerators werden einzelne Feststoffoxidbrennstoffzellenröhren zu einer Anordnung von Brennstoffzellen in elektrischer Reihenparallelschaltung "gebündelt" und bilden eine halbstarre Struktur, die ein Grundbaustein für einen Generator ist. Die einzelnen Bündel werden in Reihe oder parallel geschaltet, um ihre Spannungen bzw. Ströme zu addieren, wodurch "Submodule" oder Teilbausteine gebildet werden. Der jeweilige Spannungspegel und die verwendete Strombelastbarkeit sind von der Anwendung abhängig. Eine elektrische Parallelschaltung der Zellen innerhalb eines Bündels erhöht die Zuverlässigkeit des Generators. Submodule werden weiter entweder in Parallel- oder Serienschaltung kombiniert, um den "Generatotmodul" zu bilden, der auch als "Brennstoffzellenstapel" bekannt ist.
Diese Konstruktionen müssen herkömmlicherweise aus einzelnen Teilen zusammengesetzt werden, normalerweise innerhalb des Generatorbehälters, was neben anderen, weiter oben beschriebenen Nachteilen zuviel Handhabungs- bzw. Transportoperationen der Brennstoffzellen und die Bereitstellung von zusätzlichem Raum im Generatorbehälter erfordert, um Freiraum für die Montage zu schaffen. Derartige Konstruktionen werden mit zunehmender Zellenlänge instabiler und weniger starr, besonders wenn die Vorrichtung maßstäblich zu einem großen Mehrzellengenerator vergrößert wird.
Die Submodule oder Generatorbausteine werden durch direkte oder indirekte funktionelle Verbindung zu Generatorzubehöreinrichtungen weiter kompliziert. Die Zubehöreinrichtungen können z. B. Stapeltrennplatten, (wie z. B. in US-A-4876163 (Reichner) und US-A-4808491 (Reichner) dargestellt), Stapekeformerplatten (wie z. B. in US-A-5082751 (Reichner) dargestellt), Oxidationsmittelzufluß- und -verteilerrohre, Brennstoffzufluß- und -verteilerrohre, Brennstoffverteilungsblöcke, Zellenträgerblöcke, poröse und gasdichte Generatorwände, Rückflußrohre, Auslaßrohre und Verbrennungskammern (wie z. B. in US-A-4395468 (Isenberg) dargestellt) sowie katalytische Brennstoffreformerbetten einschließen (wie z. B. in US-A-5143800 (George et al.) dargestellt). Früher wurde herkömmlicherweise jede einzelne Feststoffoxidbrennstoffzelle oder jeder Submodul des Brennstoffzellenstapels einzeln transportiert, angeordnet und innerhalb des Generatorbehälters mit geeigneten Stützen, Annaturen und Anschlüssen an diesen Zubehörkomponenten montiert, wodurch die weiter oben beschriebenen Probleme verursacht wurden. Bei der vorliegenden Erfindung werden mit dem Brennstoffzellenstapel verbundene Handhabungs- und Konstruktionsprobleme vermieden, indem ein vormontierter, konstruktiv selbsttragender und auswechselbarer Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der leicht im Brennstoffzellengenerator montiert und mit Generatorzubehörkomponenten verbunden werden kann.
Fig. 1 der Zeichnungen zeigt einen Typ eines Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellengenerators 10 zusammen mit einer schematischen Darstellung seiner Arbeitsweise. Ein Außengehäuse 12 umgibt den gesamten Generatorbehälter 10. Das Außengehäuse kann ein oder mehrere dünne Bleche aus hochtemperaturfestem Metall aufweisen, wie z. B. Eisen, Stahl, rostfreiem Stahl, Nickellegierung, oder Beton oder ein anderes geeignetes, haltbares Material. In dem Außengehäuse 12 ist eine äußere Wärmeisolierung 14 enthalten. Die äußere Isolierung kann aus einer oder mehreren Schichten Aluminiumoxid von geringer Dichte bestehen, wie z. B. aus porösen Aluminiumoxidfasern. Die äußere Isolierung 14 umgibt mindestens die Seiten 16 einer Generatorkammer 18 (hier auch als Brennstoffzellenstapelkammer bezeichnet) und bedeckt gewöhnlich auch das obere Ende 20 der Generatorkammer. Die Generatorkammer kann aus einem oder mehreren dünnen Blechen aus hochtemperaturfestem Metall bestehen, wie z. B. Eisen, Stahl, rostfreiem Stahl, Nickellegierung, oder anderen geeigneten Materialien. In der Generatorkammer 18 ist eine innere Wärmeisolierung 22 enthalten. Die innere Isolierung kann aus einer oder mehreren Schichten Aluminiumoxid von geringer Dichte bestehen. In dieser Ausführungsform enthält das Innere der Generatorkammer 18 zwei Brennstoffzellenstapel 24, 26, die mehrere, elektrisch miteinander verbundene, röhrenförmige Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellen enthalten, die von der inneren Isolierung umgeben sind. Der Brennstoffzellenstapel kann auch dazugehörige Stromkabel, Zufluß- und Verteilerrohre für die Oxidationsmittelzufuhr, Zufluß- und Verteilerrohre für die Brennstoffzufuhr, Verbrennungskammern und dergleichen einschließen. Erfindungsgemäß sind die in der Generatorkammer 18 enthaltenen Brennstoffzellenstapel 24, 26 so konstruiert, daß sie leicht aus dem Außengehäuse 12 entnommen werden können und starre, einheitliche, selbsttragende Bauelemente bilden.
Wie dargestellt, enthält jeder Brennstoffzellenstapel 24, 26 Feststoffoxidbrennstoffzellenbündel 28, 30. Jedes Bündel enthält mehrere axial langgestreckte, röhrenförmige Feststoffoxidbrennstoffzellen 32, die elektrisch miteinander verbunden sind, vorzugsweise in Reihenparallelschaltung. Jede Brennstoffzelle weist auf: eine ihre Oberfläche bedeckende poröse äußere Brennstoffelektrode 34 (die Elektrode, die mit dem Brennstoff in Kontakt kommt), eine selbsttragende poröse innere Luftelektrode 36 (die Elektrode, die mit dem Oxidationsmittel in Kontakt kommt), und einen dichten, gasundurchlässigen Feststoffoxidelektrolyten 38, der die Oberfläche der Luftelektrode bedeckt, außer in einem Streifen entlang der gesamten aktiven Länge der Brennstoffzelle. Dieser freiliegende Luftelektrodenstreifen ist mit einem dichten, gasundurchlässigen Verbindungsmaterial (nicht dargestellt) bedeckt, an dem eine elektrische Kontaktfläche zur Kopplung der Zelle mit einer benachbarten Zelle oder für einen Stromkontakt über einen Leiter vorgesehen ist. Das Verbindungsmaterial ist mit einer leitfähigen Deckschicht (nicht dargestellt) bedeckt. Die poröse Luftelektrode 36 ist im allgemeinen eine mit Strontium dotierte Lanthanchromitkeramik, der Feststoffoxidelektrolyt 34 ist im allgemeinen eine mit Yttrium stabilisierte Zirkoniumdioxidkeramik, die Brennstoffelektrode 30 und die Deckschicht sind im allgemeinen beide ein Nickel-Zirconiumdioxid-Cermet (Kerametall), und das Verbindungsmaterial ist im allgemeinen eine dotierte Lanthanchromitkeramik. Wegen einer Beschreibung der Materialien und der Konstruktion von Beispielen röhrenförmiger Feststoffoxidbrennstoffzellen kann auf US-A-4395468 (Isenberg) und US-A- 4490444 (Isenberg) verwiesen werden.
Eine bei annähernd 1000ºC arbeitende Feststoffoxidbrennstoffzelle 32 leitet ohne weiteres Sauerstoffionen von der Luftelektrode 36 (oder Kathode), wo sie aus Luft oder Sauerstoff gebildet werden, dargestellt als O, die an der Luftelektrode vorbeifließen und mit dieser in Kontakt kommen, durch den Feststoffoxidelektrolyten 38 zur Brennstoffelektrode 34 (oder Anode). Dort reagieren die Sauerstoffionen mit Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgasen, die im Brenngas enthalten sind, dargestellt als F, geben Elektronen an die Luftelektrode ab und erzeugen ein elektrisches Potential, um in einem äußeren Stromkreis (nicht dargestellt) einen Stromfluß hervorzurufen. Für den Betrieb wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, wie z. B. Luft, durch den Oxidationsmitteleinlaß 40 zugeführt, der durch das Außengehäuse 12 und die äußere Isolierung 14 hindurchgeht, und tritt in das Oxidationsmittelzuflußrohr 42 ein, wo das Oxidationsmittel durch eine Verbrennungskammer 44 fließt und in die Generatorkammer 18 gelangt, wobei es durch die während des Generatorbetriebs erzeugte latente Wärme auf eine Temperatur von annähernd 1000ºC vorgewärmt wird. Das Oxidationsmittel wird im allgemeinen durch die Oxidationsmittelzuflußrohre 42, die sich innerhalb der Brennstoffzellen abwärts in den inneren ringförmigen Raum erstrecken, in die Brennstoffzellen 32 eingeleitet. Das Oxidationsmittel strömt in der Nähe des geschlossenen unteren Endes der Brennstoffzellen aus, tritt aus dem Rohr aus und fließt in umgekehrter Richtung in dem ringförmigen Raum zwischen dem Oxidationsmittelzuflußrohr und der Innenwand der Brennstoffzellen entlang deren aktiver Länge nach oben, wo das Oxidationsmittel an der inneren Luftelektrode 32 elektrochemisch reagiert und sein Sauerstoffgehalt abgereichert wird, während es zum offenen Ende der Brennstoffzelle fließt und daraus austritt. Das abgereicherte Oxidationsmittel wird dann durch das offene obere Ende der Brennstoffzellen als erschöpftes oder verbrauchtes Oxidationsmittel in die Verbrennungskammer 44 ausgetragen.
Ein Kohlenwasserstoffbrenngas, wie z. B. Erdgas, wird durch einen Brennstoffzufluß 46, der durch das Außengehäuse 12 und die äußere Isolierung 14 hindurchgeht, eingeleitet und tritt in eine Saugstrahleinrichtung 48 ein, wo es sich mit heißem abgereicherten oder verbrauchten Brenngas vermischt, das entlang der axialen Länge der Außenseite der Brennstoffzellen an der äußeren Brennstoffelektrode 34 gebildet wurde und durch ein Rückflußrohr 50 in die Saugstrahleinrichtung gelangt ist. Der gemischte Brennstoffstrom, der auf etwa 1000ºC erhitzt ist, bildet ein brauchbares reformierbares Gemisch für die Brennstoffaufbereitung. Das reformierbare Gemisch fließt durch eine Reformerkammer 52, die einen Reformerkatalysator enthält, wie z. B. Nickel, und tritt als Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgas in einen Brennstoffsammelraum 54 aus und gelangt dann durch eine Brennstoffrohrleitung 56 in die Generatorkammer 18 und wird am geschlossenen unteren Ende der Brennstoffzellen nach oben über die Außenseite der Brennstoffzellen geleitet, wobei der Brennstoff entlang der äußeren Brennstoffelektrodenfläche an der aktiven Länge der Brennstoffzellen elektrochemisch reagiert und sein Brennstoffgehalt bei der Annäherung an das offene obere Ende der Brennstoffzellen ein wenig abgereichert wird. Ein Teil des heißen, gasförmigen verbrauchten Brennstoffs wird der Rückführungsleitung 50 zugeführt, und der Rest gelangt aus der Generatorkammer durch eine poröse Wand 58 in die Verbrennungskammer 44, um sich mit dem verbrauchten Oxidationsmittel zu vereinigen und zu einem heißen Abgas zu verbrennen, das durch eine Auslaßleitung 60 aus dem Generator austreten kann. Durch die an der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode der Brennstoffzellen auftretenden elektrochemischen Reaktionen wird ein stetiger Fluß von Sauerstoffionen und von Elektronen in einem äußeren Stromkreis (nicht dargestellt) erzeugt, um nutzbare Elektroenergie zu erzeugen. Eine ausführlichere Diskussion der Arbeitsweise eines Feststoffoxidbrennstoffzellengenerators findet sich in US-A-5169730 (Reichner) und US-A-5143800 (George), die hiermit insgesamt einbezogen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Anbringen der Feststoffoxidbrennstoffzellen auf einer gemeinsamen Konstruktionsgrundplatte zur Bildung eines vormontierten, auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels. Der auswechselbare modulare Brennstoffzellenstapel als einheitliche Baugruppe läßt sich leicht installieren und aus dem Gehäuse des Feststoffoxidbrennstoffzellengenerators ausbauen. Die Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoreinrichtung bietet in der Generatorkammer Raum zur Aufnahme dieses auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels. Diese Generatorkammer ist so bemessen, daß sie Spielraum zum Einsetzen des auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels bietet. Vorzugsweise beträgt dieser Spielraum 7,6 cm (drei Zoll) auf jeder Seite des auswechselbaren modularen Stapels. Vor der Installation des auswechselbaren modularen Stapels kann vorzugsweise eine innere Isolierschicht am Boden im Inneren der Stapelkammer des modularen Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratorbehälters eingebracht werden. Dann kann auf dieser inneren Isolierschicht der auswechselbare modulare Stapel installiert werden. Nach der Installation wird inneres Isoliermaterial in loser Form in den Spalt zwischen dem auswechselbaren modularen Stapel und der Innenfläche der Generatorkammer eingebracht. Bestimmte Zubehöreinrichtungen von Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoren, z. B. Verbrennungskammern, Reformer, Rückführungskanäle, Auslaßkanäle, Oxidationsmittel- und Brennstoffrohrleitungen usw., können in dem auswechselbaren modularen Stapel enthalten sein oder können als Einrichtungen vorgesehen werden, die einen Teil des Behälters des Feststoffoxidbrennstoffzellengenerators bilden. Außerdem kann die gemeinsame Stapelgrundplatte zusätzlich zu ihrer Funktion als konstruktiver Unterbau für die Komponenten des auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels den in der Grundplatte ausgebildeten Brennstoffsammelraum enthalten. Alternativ kann dieser Sammelraum in der Grundplatte als Oxidationsmittel-Sammelraum dienen.
Um die vorliegende Erfindung weiter zu erklären und zu veranschaulichen, werden nachstehend einige konkrete Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen auswechselbaren modularen Feststoffoxidbrennstoffzellenstapels anhand von nicht einschränkenden Beispielen diskutiert. In Fig. 2 der Zeichnungen ist eine perspektivische Schnittansicht eines teilweise zusammengesetzten, rechteckigen, auswechselbaren modularen Stapels (RMS) 100 dargestellt. Die im allgemeinen rechteckige Form der Stapelgrundplatte macht den RMS besonders gut verwendbar für den Einbau in einen bei Atmosphärendruck arbeitenden SOFC-Generator 200, wie den in Fig. 3 dargestellten. Ferner sind in den Fig. 4 und 5 der Zeichnungen perspektivische Schnittansichten eines teilweise zusammengesetzten runden RMS 300 dargestellt. Ein vollständig zusammengesetzter runder RMS 300 ist in Fig. 6 dargestellt. Durch die im allgemeinen runde Form der Stapelgrundplatte wird der RMS besonders gut verwendbar für den Einbau in einen SOFC-Druckgenerator 400, wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt. In jeder der beiden Konfigurationen enthält der RMS mehrere Brennstoffzellen, die verschiedene Konfigurationen aufweisen können, z. B. flache, gerippte oder röhrenförmige Konfigurationen, wobei die verschiedensten Elektrolyte eingesetzt werden, die bei relativ hohen Temperaturen funktionsfähig sind, z. B. eine Phosphorsäurematrix oder eine Feststoffoxidkeramik, angeordnet zwischen Elektroden, wie z. B. Luftelektroden (der Elektrode, die mit Oxidationsmittel wie z. B. Luft in Kontakt kommt) und Brennstoffelektroden (der Elektrode, die mit Brennstoff in Kontakt kommt, wie z. B. mit reformiertem Leuchtgas oder mit reformiertem Erdgas). Die Brennstoffzellen weisen dazugehörige Verbindungen und Stromkabel, Zufluß- und Verteilerrohre für die Oxidationsmittelzufuhr, Zufluß- und Verteilerrohre für die Brennstoffzufuhr und dergleichen auf.
In Fig. 2 der Zeichnungen ist ein teilweise zusammengesetzter, rechteckiger, auswechselbarer modularer Brennstoffzellenstapel 100 dargestellt. Der auswechselbare modulare Brennstoffzellenstapel enthält eine im allgemeinen rechteckige Brennstoffzellenstapelgrundplatte 102, die sich in horizontaler Richtung erstreckt. Die Stapelgrundplatte besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl oder anderen hochtemperaturfesten Metallen oder Keramiken. Die Stapelgrundplatte 102 weist Öffnungen 104 auf, die durch die Grundplatte 102 hindurchgehen. Wie dargestellt, sind die Öffnungen 104 voneinander beabstandet und in Spalten und Zeilen angeordnet, um die gewünschte Anordnung von Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels aufzunehmen. Über den Öffnungen sind Brennstoffsteigrohre 106 angeordnet, die sich senkrecht nach oben in das Innere des Brennstoffzellenstapels erstrecken. Über jedem Brennstoffsteigrohr 106 ist eine Brennstoffzellenstapel-Trennplatte oder -Reformerplatte 108 angeordnet. In dieser Ausführungsform sind Stapelreforterplatten 108 dargestellt, die zwischen jedem Brennstoffzellenbündel angeordnet sind und zwei Hauptfunktionen erfüllen, d. h. als innere Brennstoffreformer und als konstruktiver Träger für den Brennstoffzellenstapel. Die Stapelreformerplatten 108 erstrecken sich im Brennstoffzellenstapel senkrecht nach oben, vorzugsweise über die gesamte aktive Länge der Brennstoffzellen. Stapelreformer- oder -trennplatten 108 bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxid von niedriger Dichte. Die Stapelreformer- oder -trennplatten 108 weisen einen ausgehöhlten inneren Mittelkanal (nicht dargestellt) auf, und für die Stapelreformerplatten ist dieser Hohlraum auf seiner gesamten Länge mit katalytischem Nickel- oder Platinreformermaterial imprägniert.
Die Brennstoffsteigrohre 106 sind innerhalb der hohlen Trennplatten angeordnet, um das Einleiten von Brennstoff in den Hohlraum der Stapekeformetplatten 108 in der Nähe des oberen geschlossenen Endes der Platten zu erleichtern. Dadurch kann der Brennstoff durch die Brennstoffsteigrohre nach oben fließen, nahe dem oberen Ende des inneren Kanals aus dem Brennstoffsteigrohr austreten und dann seine Richtung umkehren und durch den inneren Kanal im Axialraum zwischen dem Brennstoffsteigrohr und den Wänden des inneren Hohlraums nach unten fließen, wobei er bei seinem Austritt aus der Stapelrefotmerplatte am offenen unteren Ende mit dem katalytischen Reformermaterial in Kontakt kommt, bevor er mit den Brennstoffelektroden der Feststoffoxidbrennstoffzellen in Kontakt kommt. Wegen einer vollständigeren Beschreibung der Verwendung von Stapeltretmplatten oder Stapelreformerplatten im Brennstoffzellenstapel kann auf US-A-5082751 (Reichner) verwiesen werden, die hiermit insgesamt einbezogen wird.
Auf der Stapelgrundplatte 102 sind zwischen benachbarten, voneinander beabstandeten Brennstoffsteigrohren 106 innere Isolierblöcke 110 angeordnet. Die inneren Isolierblöcke 110 bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxidplatten von geringer Dichte und bilden eine vollständige wärmeisolierende Abdeckung über der Stapelgrundplatte. Wie in den Zeichnungen dargestellt, weisen die inneren Isolierblöcke 110 mehrere im allgemeinen rechteckige Blöcke auf, die nebeneinander so ausgerichtet sind, daß sie Spalten und Zeilen bilden, die sich quer über die gesamte Breite und Länge der Stapelgrundplatte erstrecken. Auf die Isolierblöcke 110 werden Brennstoffverteilungsblöcke 112 aufgesetzt. Die Brennstoffverteilungsblöcke bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxidplatten. Jeder Brennstoffverteilungsblock enthält mehrere Brennstoffeinlaßkanäle 114 in Strömungsverbindung mit dem Austrittskanal der Stapekeformerplatten 108. Die Brennstoffeinlaßkanäle 114 lassen den am offenen unteren Ende der Stapelreformerplatten 108 austretenden reformierten Brennstoff über die äußere Brennstoffelektrode der Brennstoffzellen fließen.
Über den Brennstoffverteilungsblöcken 112 sind Brennstoffzellenträgerblöcke 116 angeordnet. Brennstoffzellenträgerblöcke bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxidplatten von geringer Dichte. Jeder Brennstoffzellenträgerblock 116 enthält Brennstoffeinlaßkanäle 118 für den Durchfluß von Brennstoff von den Brennstoffverteilungsblöcken 112 zu den Brennstoffzellen. Auf die Zellenträgerblöcke 116 werden Brennstoffzellenbündel 120 aufgesetzt. Jedes Bündel 120 enthält mehrere parallele, voneinander beabstandete, axial langgestreckte, röhrenförmige Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellen 122, die sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Brennstoffzellenstapels erstrecken. Jede Brennstoffzelle 122 weist eine ihre Oberfläche bedeckende äußere Brennstoffelektrode (nicht dargestellt), eine innere Luftelektrode (nicht dargestellt) und zwischen den Elektroden einen Feststoffoxidelektrolyten (nicht dargestellt) auf, wie dem Fachmann bekannt ist. Die Brennstoffelektrode kann aus einem porösen Cermet- Material (Kerametall) bestehen, wie z. B. aus Nickel-Zirkoniumdioxid-Cermet, die Luftelektrode kann aus einem porösen dotierten Keramikwerkstoff bestehen, wie z. B. aus dotiertem Lanthanmanganit, und der Feststoffelektrolyt kann aus einem dichten, gasundurchlässigen Keramikwerkstoff bestehen, wie z. B. aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid, wie dem Fachmann bekannt ist. Jede Brennstoffzelle 122 ist vorzugsweise über Brennstoffzellenverbindungen (nicht dargestellt) und Metallfilze (nicht dargestellt) in Reihenparallelschaltung mit benachbarten Brennstoffzellen im Bündel 120 zusammengeschaltet, und die Bündel sind ferner vorzugsweise durch Reihenplatten 124 in Reihenparallelschaltung miteinander verbunden und durch Anschlußstäbe 126 mit einem äußeren Stromkreis (nicht dargestellt) verbunden, wie dem Fachmann bekannt ist.
Jede Brennstoffzelle 122 in dem Bündel 120 ruht an ihrem geschlossenen unteren Ende auf den Zellenträgerblöcken 116 in Strömungsverbindung mit den Brennstoffeinlaßkanälen 118 in den Zellenträgerblöcken. Auf diese Weise kann der durch die Brennstoffverteilungskanäle 114 fließende reformierte Brennstoff weiter durch die Brennstoffeinlaßkanäle 118 und über die Außenseite der Brennstoffzellen 122 in den Zellenbündeln 120 im Kontakt mit der äußeren Brennstoffelektrode aufwärts fließen. Wie dargestellt, sind die Brennstoffzellenbündel 120 innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu Spalten und Zeilen gruppiert. Die Spalten der Brennstoffzellenbündel sind durch die Stapelreformerplatten 108 voneinander getrennt. Jede Brennstoffzelle steht ferner in Strömungsverbindung mit Oxidationsmittelsteigrohren (nicht dargestellt), die sich innerhalb des offenen Oberteils der Brennstoffzellen erstrecken und Oxidationsmittel in dem inneren Ring der Brennstoffzellen im Kontakt mit der inneren Luftelektrode fließen lassen, wie dem Fachmann bekannt ist.
Wie ferner in Fig. 2 dargestellt, enthält die Stapelgrundplatte 102 einen Brennstoffsammelraum 128, der sich innerhalb des Grundplattenhohlraums erstreckt. Der Brennstoffsammelraum 128 bildet einen Kanal für die Strömungsverbindung zwischen dem frisch eingeleiteten Brennstoff und den Brennstoffzellen in den Zellenbündeln. Der Brennstoffsammelraum kann zwar in einigen Ausführungsformen als getrennte Konstruktion vorgesehen werden, aber die gemeinsame Stapelgrundplatte des auswechselbaren modularen Stapels bietet einen zweckmäßigen Ort für die Unterbringung des Brennstoffsammelraums. Die Brennstoffsteigrohre 106 sind an der Stapelgrundplatte 102 so montiert, daß sie in Fluidströmungsverbindung mit dem in die Stapelgrundplatte 102 eingebauten Brennstoffsammelraum 128 stehen. Ferner ist auf der Stapelgrundplatte 102 ein Außengehäuse 130 montiert, das sich vertikal nach oben erstreckt und im allgemeinen den zusammengebauten auswechselbaren modularen Stapel umgibt und auf diese Weise den Stapel einschließende Seitenwände bildet. Das Außengehäuse besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxidplatten von hoher Reinheit und hoher Dichte. Der eigengekapselte modulare Brennstoffzellenstapelbehälter 100 kann dann innerhalb der Feststoffoxidbrennstoffzellengeneratoreinrichtung in der Generatorstapelkammer angeordnet werden. Außerdem ist an der Stapelgrundplatte 102 eine Hubschiene 132 befestigt, die sich über die Länge der Grundplatte erstreckt, vorzugsweise an beiden Seiten der Grundplatte, um die Installation des rechteckigen, auswechselbaren modularen Stapels in der Generatorstapelkammer zu erleichtern und einen bei Atmosphärendruck arbeitenden Hochtemperatur- Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator wie den in Fig. 3 dargestellten zu bilden.
In Fig. 3 ist ein bei Atmosphärendruck arbeitender Feststoffoxidbrennstoffzellengenerator 200 dargestellt. Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält der bei Atmosphärendruck arbeitende Generator 200 zwei rechteckige, vormontierte, auswechselbare modulare Stapel 100 von dem in Fig. 2 dargestellten Typ (der Deutlichkeit wegen ist nur ein auswechselbarer modularer Stapel dargestellt) die im äußeren Generatorgehäuse 202 angeordnet sind, das von der äußeren Wärmeisolierung 204 umgeben ist. In dem Generatorgehäuse befindet sich eine Stapelkammer 206, in der die auswechselbaren modularen Stapel 100 untergebracht sind. Jeder auswechselbare modulare Brennstoffzellenstapel 100 ist von einer inneren Isolierung 208 umgeben. In Fig. 3 ist dargestellt, daß die auswechselbaren modularen Stapel 100 außerdem eine am oberen Ende der Brennstoffzellenbündel angeordnete Oxidationsmittelverteilungseinheit 210 enthalten, die aufweist: einen Oxidationsmitteleinlaßkanal 212, einen am Oxidationsmitteleinlaßkanal 212 angebrachten Oxidationsmittelsammelraum 214, am Oxidationsmittelsammelraum 214 angebrachte Oxidationsmittelsteigrohre (nicht dargestellt), die sich ins Innere der Brennstoffzellen erstrecken, eine Verbrennungskammer (nicht dargestellt), einen zwischen der Verbrennungskammer und einer Auslaßöffnung 216 in die Atmosphäre angebrachten Auslaßkanal (nicht dargestellt) und einen zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer Saugstrahleinrichning 220 angebrachten Rückführungskanal (nicht dargestellt), wie dem Fachmann bekannt ist. In dem Generator von Fig. 3 ist außerdem eine zentral angeordnete Reformerkammer 218 dargestellt, die eine Saugstrahleinrichtung 220 aufweist, in der frisch zugeführter Brennstoff von einem Frischbrennstoffeinlaß 222 mit verbrauchtem Brennstoff aus einem Rückführungskanal (nicht dargestellt) vermischt und dieses reformierbare Brennstoffgemisch in den Reformer 218 geleitet wird, der ein Reformerkatalysatorbett enthält. Der Reformerauslaß ist über die Stapelgrundplatte mit einem Stapelbrennstoffzuflußkanal 224 verbunden, der in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffsammelraum 226 in der Stapelgrundplatte steht, um dem auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapel 100 gasförmigen Brennstoff zuzuführen. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Reformer 218 nicht innerhalb des auswechselbaren modularen Stapels vorgesehen. Bei anderen Ausführungsformen des auswechselbaren modularen Stapels, wie weiter unten diskutiert, ist jedoch der Reformer im Stapel enthalten.
In den Fig. 4 und 5 sind zwei perspektivische Schnittansichten eines teilweise zusammengesetzten, im allgemeinen runden auswechselbaren modularen Stapels (RMS) 300 dargestellt. Die röhrenförmigen, axial langgestreckten Hochtemperatur-Feststoffoxidbrennstoffzellen 302 des oben beschriebenen Typs in elektrischer Reihenparallelschaltung sind in Zellenbündeln 304 angeordnet und bilden eine integrierte Bündelbaugruppe. Die Zellenbündel 304 sind durch Stapelreformerplatten 306 getrennt, die sich von der Stapelgrundplatte 308 vorzugsweise über die gesamte aktive Länge der Brennstoffzellenbündel nach oben erstrecken. Die Stapelreformerplatten 306 sind auf inneren Isolierblöcken 310 montiert und über vertikal verlaufenden Brennstoffsteigrohren 312 angeordnet, die in Öffnungen 314 montiert sind, die durch die Stapelgrundplatte 308 hindurchgehen. Wie weiter oben beschrieben, ragen die Brennstoffsteigrohre in Hohlräume in den Stapelreformerplatten hinein und ermöglichen, daß der Brennstoff vor dem Kontakt mit den Brennstoffzellen in Kontakt mit den katalysatorimprägnierten Wänden der Stapelreformerplatten kommt. In der Mitte der Stapelgrundplatte ist eine Brennstoffeintrittsöffnung 316 angeordnet, die eine große, durch die Stapelgrundplatte hindurchgehende Bohrung aufweist und in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffsammelraum 318 steht, der in der Grundplatte ausgebildet ist. Auf der Brennstoffeintrittsöffnung und in Strömungsverbindung damit ist der Austrittskanal eines Reformers 320 montiert, der ein Reformerkatalysatorbett enthält, das, wenn es verbraucht ist, leicht durch die Katalysatoraustauschöffnungen 322 ausgetauscht werden kann, wie in Fig. 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der Reformer 320 direkt innerhalb des auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels 300 angeordnet. Wie gleichfalls dargestellt, ist der Reformer in einer von den Brennstoffzellenbündeln getrennten Kammer angeordnet, die durch eine zwischen den Brennstoffzellenbündeln 304 und dem Reformer 320 angebrachte Innenwand 324 von den Brennstoffzellenbündeln getrennt ist. Auf dem Reformereinlaß und in Strömungsverbindung damit ist eine Saugstrahleinrichtung 326 montiert, die ein Frischbrennstoffgemisch vom Frischbrennstoffeinlaßkanal 328 ansaugt, mit einem Teil des im Rückführungskanal 330 enthaltenen verbrauchten Brennstoffs vermischt und dieses reformierbare Brennstoffgemisch in den Reformer einleitet, um es zu Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgas zu reformieren.
Auf den Brennstoffzellenbündeln sind in der Nähe der offenen Enden der Brennstoffzellen poröse Sperrschichten 332 angeordnet. Die porösen Sperrschichten sind im allgemeinen horizontale Schichten, die vorzugsweise aus Aluminiumoxidplatten bestehen und durch im allgemeinen vertikale Zwischenwände, die gleichfalls vorzugsweise aus Aluminiumoxidplatten bestehen, auf Abstand voneinander gehalten werden. Die porösen Sperrschichten sind so konstruiert, daß sie einen Teil des verbrauchten Brennstoffgasstroms aus der Stapelkammer durch den Rückführungskanal 330 fließen lassen und an der Saugstrahleinrichtung 326 mit dem frisch zugeführten Brennstoff vereinigen. Die porösen Sperrschichten sind ferner so konstruiert, daß sie den übrigen Teil des verbrauchten Brennstoffs aus der Stapelkammer durch die poröse Sperrschicht in eine Verbrennungskammer 334 durchlassen und mit verbrauchtem Oxidationsmittel vereinigen, das ein Abgas bildet, welches durch den Auslaßkanal 336 und die Auslaßöffnung 338 in die Atmosphäre austritt. Oxidationsmittelkanäle 340 erstrecken sich von einem Einlaß 342 für frisches Oxidationsmittel durch die Verbrennungskammer 334 und enden in Oxidationsmittelsteigrohren (nicht dargestellt), die sich entlang der inneren Länge jeder Brennstoffzelle nach unten erstrecken und das Oxidationsmittel nahe dem geschlossenen unteren Ende der Brennstoffzellen im Kontakt mit der inneren Luftelektrode austreten lassen. An der Stapelgrundplatte sind Außenwände 344 montiert, die den auswechselbaren modularen Stapel im allgemeinen umgeben. Die Außenwände bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxidplatten. Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des zusammengesetzten auswechselbaren modularen Brennstoffzellenstapels 300 der Fig. 4 und 5.
Durch die runde Form der Stapelgrundplatte 308 ist der RMS 300 besonders gut verwendbar für den Einbau in einen SOFC-Druckgenerator 400, wie z. B. den in den Fig. 7 und 8 dargestellten Generator. Die Stapelgrundplatte weist ferner Hubgriffe 346 an mindestens zwei Seiten auf, um das Einbringen des vormontierten RMS 300 in die Generatoreinrichtung 400 zu erleichtern. Wie aus Fig. 7 erkennbar, weist der SOFC-Druckgenerator 400 ein Außengehäuse 402 auf. Das Außengehäuse ist vorzugsweise im allgemeinen zylinderförmig und besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl. Rund um die Innenseite des Außengehäuses ist eine äußere Wärmeisolierung 404 angebracht. Innerhalb der äußeren Wärmeisolierung ist ein Generatorbehälter 406 angeordnet, der für den Einbau des in den Fig. 4-6 dargestellten auswechselbaren modularen Stapels 300 innerhalb seiner Behälterseitenwände konfiguriert ist. Das Außengehäuse weist außerdem eine Einlaßöffnung 408 für frisches Oxidationsmittel, eine Auslaßöffnung 410 und eine Einlaßöffnung 412 für frischen Brennstoff auf, die alle durch das Außengehäuse und die äußere Isolierung hindurchgehen und mit den entsprechenden Strömungskanälen im auswechselbaren modularen Stapel verbunden sind. Nach der Installation des auswechselbaren modularen Stapels im Generatorgehäuse 406, wie in Fig. 8 dargestellt, wird das obere Ende des Außengehäuses 402 mit einem druckdichten Deckel 414 abgedeckt, um den Generator zu verschließen und die Generatoreinrichtung für einen Betrieb unter Überdruck abzudichten.
Da an der offenbarten Vorrichtung zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen, ist das in der vorstehenden Beschreibung und den Zeichnungen enthaltene Material als erläuternd und nicht im einschränkenden Sinne aufzufassen.

Claims

1. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung, die aufweist:

einen vormontierten, selbsttragenden, auswechselbaren, modularen Brennstoffzellenstapel, der aufweist:

eine im allgemeinen ebene Grundplatte;

einen auf der Grundplatte montierten Brennstoffzellenstapel; und

ein Außengehäuse des Brennstoffzellenstapels, das auf der Grundplatte montiert ist und sich von deren Seiten nach oben erstreckt und eine Kammer bildet, die im allgemeinen die Seiten des Brennstoffzellenstapels einschließt, und einen Brennstoffzellengeneratorbehälter mit einem Generatoraußengehäuse, das mindestens ein Brennstoffzellenstapelfach innerhalb des Generatoraußengehäuses zur Aufnahme des enthält vormontierten, selbsttragenden, auswechselbaren, modularen Brennstoffzellenstapels enthält.

2. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel aufweist:

mehrere elektrisch zusammengeschaltete Brennstoffzellen, die auf der Grundplatte montiert sind, wobei jede Brennstoffzelle eine Luftelektrode, eine Brennstoffelektrode und einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten Elektrolyten aufweist;

einen mit den Brennstoffzellen verbundenen Sauerstoffträger- bzw. Oxidationsmittelverteilungskanal, der in Fluidströmungsverbindung mit den Luftelektroden der Brennstoffzellen steht, um Oxidationsmittel zu den Luftelektroden zu transportieren; und

einen mit den Brennstoffzellen verbundenen Brennstoffverteilungskanal, der in Fluidströmungsverbindung mit den Brennstoffelektroden der Brennstoffzellen steht, um Brennstoff zu den Brennstoffelektroden zu transportieren.

3. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Brennstoffzellenstapel ferner aufweist:

eine Brennstoffvorkammer, die in Fluidströmungsverbindung mit dem Brennstoffverteilungskanal steht; und

einen Einlaßkanal für frischen Brennstoff, der in Fluidströmungsverbindung mit der Brennstoffvorkammer steht.

4. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei der Brennstoffzellenstapel ferner aufweist:

eine Oxidationsmittelvorkammer, die in Fluidströmungsverbindung mit dem Oxidationsmittelverteilungskanal steht; und

einen Einlaßkanal für frisches Oxidationsmittel, der in Fluidströmungsverbindung mit der Oxidationsmittelvorkammer steht.

5. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Brennstoffzellenstapel ferner aufweist:

einen Brennstoffreformer, der auf der Grundplatte montiert ist und in Fluidströmungsverbindung zwischen dem Einlaßkanal für frischen Brennstoff und der Brennstoffvorkammer angeschlossen ist.

6. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Brennstoffzellengenerator ferner aufweist:

einen Brennstoffreformer, der in einem Reformerfach im Generatorgehäuse außerhalb des Brennstoffzellenstapelfachs angeordnet und in Fluidströmungsverbindung zwischen dem Einlaßkanal für frischen Brennstoff und der Brennstoffvorkammer angeschlossen ist.

7. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Brennstoffzellenstapel ferner aufweist:

eine Verbrennungskammer in Fluidströmungsverbindung mit den Brennstoffzellen zum Verbrennen eines ersten Anteils eines verbrauchten Brennstoffs zusammen mit einem verbrauchten Oxidationsmittel, die beide aus den Brennstoffzellen austreten;

einen Abgaskanal in Fluidströmungsverbindung mit der Verbrennungskammer, um ein in der Verbrennungskammer erzeugtes, verbranntes Gas aus der Generatoreinrichtung nach außen abzuführen;

und

einen Rückführungskanal, der mit den Brennstoffzellen verbunden und in Fluidströmungsverbindung zwischen den Brennstoffzellen und dem Einlaßkanal für frischen Brennstoff angeschlossen ist, um einen zweiten Anteil eines aus den Brennstoffzellen austretenden verbrauchten Brennstoffs zurückzuführen und mit frisch zugeführtem Brennstoff zu vereinigen.

8. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Oxidationsmittelvorkammer auf dem Brennstoffzellenstapelgehäuse montiert ist.

9. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Brennstoffvorkammer in einem inneren Hohlraum innerhalb der Grundplatte und in Fluidströmungsverbindung zwischen dem Einlaßkanal für frischen Brennstoff und dem Brennstoffverteilungskanal angeordnet ist.

10. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellengeneratorbehälter zwei oder mehrere Brennstoffzellenstapelfächer zur Aufnahme von zwei oder mehreren vormontierten, selbsttragenden, auswechselbaren, modularen Brennstoffzellenstapeln aufweist.

11. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffzellen Plattenbrennstoffzellen mit Feststoffelektrolyt sind.

12. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffzellen gerippte monolithische Brennstoffzellen mit Feststoffelektrolyt sind.

13. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffzellen langgestreckte röhrenförmige Brennstoffzellen mit Feststoffelektrolyt sind.

14. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei in der Grundplatte des Brennstoffzellenstapels ein innerer Hohlraum angeordnet ist, der eine Vorkammer mit Einlaß und Auslaß aufweist.

15. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Grundplatte eine Hebevorrichtung zum Anheben und Positionieren des vormontierten, selbsttragenden, auswechselbaren, modularen Brennstoffzellenstapels im Stapelfach des Generators aufweist.

16. Brennstoffzellengenerator nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellengeneratorbehälter ein Druckbehälter ist, der für den Betrieb mit Innendrücken über dem Atmosphärendruck ausgelegt ist.

17. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffzellen zu mehreren Zellenbündeln gruppiert sind, die in dem Brennstoffzellenstapel zu Säulen und Reihen zusammengefaßt sind.

18. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei zwischen benachbarten Säulen von Brennstoffzellenbündeln Trennplatten angeordnet sind.

19. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung mit Feststoffelektrolyt, die aufweist:

einen Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellengeneratorbehälter mit einem Generatorgehäuse, das mindestens ein Fach für einen Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellenstapel innerhalb des Gehäuses zur Aufnahme einer vormontierten, selbsttragenden, auswechselbaren, modularen Brennstroffzellenstapelbaugruppe aufweist; und

eine vormontierte, selbsttragende, auswechselbare, modulare Brennstroffzellenstapelbaugruppe, die innerhalb des Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellenstapelfachs angeordnet ist, wobei die vormontierte, selbsttragende, auswechselbare, modulare Brennstroffzellenstapelbaugruppe aufweist:

eine im allgemeinen ebene Grundplatte mit einem inneren Hohlraum, der eine Brennstoffvorkammer abgrenzt, und einer Oberseite, die einen Brennstoffvorkammereinlaß, der in Fluidströmungsverbindung mit einem Brenngaszufluß steht, sowie mehrere Brennstoffvorkammerauslässe enthält;

ein Brennstoffzellenstapelgehäuse, das auf der Grundplatte montiert ist und sich von den Seiten der Grundplatte nach oben erstreckt und eine Kammer bildet, die im allgemeinen die Grundplatte einschließt;

mehrere Brennstoffsteigrohre, wobei jedes Brennstoffsteigrohr für sich in Fluidströmungsverbindung mit einem einzelnen Brennstoffvorkammerauslaß steht und sich von der Oberseite der Grundplatte nach oben erstreckt;

mehrere Säulen und Reihen von Brennstoffzellenstapel-Reformerplatten, wobei jede Brennstoffzellenstapel-Reformerplatte für sich auf der Oberseite der Grundplatte montiert ist und sich über ein einzelnes Brennstoffsteigrohr erstreckt, wobei jede Brennstoffzellenstapel-Reformerplatte einen inneren Kanal mit Reformerkatalysator in Fluidströmungsverbindung mit dem darin verlaufenden Brennstoffsteigrohr aufweist;

mehrere Reihen und Säulen von elektrisch zusammengeschalteten, langgestreckten röhrenförmigen Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen, wobei jede Reihe eine Säule von Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen aufweist, die zwischen benachbarten Säulen der Brennstoffzellenstapel-Reformerplatten beabstandet sind,

wobei jede Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle für sich auf der Oberseite der Grundplatte montiert ist und sich von der Grundplatte nach oben erstreckt, und wobei jede Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellenröhre eine innere Luftelektrode in Fluidströmungsverbindung mit einem Oxidationsmittelgaszufluß, eine äußere Brennstoffelektrode in Fluidströmungsverbindung mit der Reformerplatte des Stapels und einen zwischen die beiden Elektroden geschichteten Feststoffoxid-Elektrolyten aufweist.

20. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung mit Feststoffelektrolyt nach Anspruch 19, wobei der Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ferner aufweist:

einen Einlaßkanal für frischen Brennstoff in Fluidströmungsverbindung mit dem Brennstoffvorkammereinlaß.

21. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung mit Feststoffelektrolyt nach Anspruch 20, wobei der Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ferner aufweist:

eine auf dem Brennstoffzellenstapelgehäuse montierte Oxidationsmittelvorkammer, wobei die Oxidationsmittelvorkammer einen Oxidationsmittelvorkammereinlaß in Fluidströmungsverbindung mit dem Oxidationsmittelgaszufluß und einen Oxidationsmittelvorkammerauslaß in Fluidströmungsverbindung mit den Luftelektroden aufweist; und

einen Einlaßkanal für frisches Oxidationsmittel in Fluidströmungsverbindung mit dem Oxidationsmittelvorkammereinlaß.

22. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung mit Feststoffelektrolyt nach Anspruch 21, wobei der Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ferner aufweist:

eine unterhalb der Oxidationsmittelvorkammer montierte Verbrennungskammer in Fluidströmungsverbindung mit den Brennstoffzellen zur Verbrennung eines ersten Anteils eines verbrauchten Brenngases zusammen mit einem verbrauchten Oxidationsmittelgas, wobei beide Gase aus den Brennstoffzellen austreten;

einen Abgaskanal in Fluidströmungsverbindung mit der Verbrennungskammer, um ein verbranntes Gas als Abgas aus der Generatoreinrichtung nach außen abzuführen; und

einen Rückführungskanal, der in Fluidströmungsverbindung zwischen den Brennstoffzellen und dem Einlaßkanal für frischen Brennstoff angeschlossen ist, um einen zweiten Anteil eines aus den Brennstoffzellen austretenden verbrauchten Brenngases zusammen mit frischem Brenngas zu den Brennstoffelektroden der Brennstoffzellen zurückzuführen.

23. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung mit Feststoffelektrolyt nach Anspruch 22, wobei der Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ferner aufweist:

einen Brennstoffreformer, der an der Grundplatte montiert und in Fluidströmungsverbindung zwischen dem Einlaß für frischen Brennstoff und dem Brennstoffvorkammereinlaß angeschlossen ist.

24. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung mit Feststoffelektrolyt nach Anspruch 19, wobei das Brennstoffzellenstapelgehäuse ein mit Wärmeisoliermaterial ausgekleidetes Metallgehäuse ist.

25. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung mit Feststoffelektrolyt nach Anspruch 19, wobei jede Luftelektrode eine poröse Schicht aus mit Strontium dotiertem Lanthanmanganit-Keramikmaterial ist,

wobei jede Brennstoffelektrode eine poröse Schicht aus Nickel-Zirconiumdioxid-Kerametallmaterial ist, und wobei jeder Feststoffelektrolyt eine gasdichte Schicht aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumdioxid-Keramikmaterial ist.

26. Brennstoffzellengeneratoreinrichtung mit Feststoffelektrolyt nach Anspruch 25, wobei der Brennstoff-Frischgaszufluß Erdgas und der Oxidationsmittel-Frischgaszufluß Luft ist.