DE102017106900A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE102017106900A1
DE102017106900A1 DE102017106900.3A DE102017106900A DE102017106900A1 DE 102017106900 A1 DE102017106900 A1 DE 102017106900A1 DE 102017106900 A DE102017106900 A DE 102017106900A DE 102017106900 A1 DE102017106900 A1 DE 102017106900A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
exhaust gas
fuel
shift reactor
cell system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102017106900.3A
Other languages
English (en)
Inventor
Jun Mizuno
Shigeru Toda
Keiji Tsukamoto
Hiroki Homma
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Publication of DE102017106900A1 publication Critical patent/DE102017106900A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/386—Catalytic partial combustion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/148—Details of the flowsheet involving a recycle stream to the feed of the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems zum Verhindern der Kohlenstoffablagerung in einem Brennstoffzellenstapel, dem Reformgas zugeführt wird. Ein Brennstoffzellensystem 10A der vorliegenden Erfindung enthält einen Teiloxidationsreformer 22 zum teilweisen Oxidieren von Rohbrennstoff, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen, einen Shiftreaktor 23 für eine Shiftreaktion des Kohlenmonoxids mit Dampf, um Kohlendioxid und Wasserstoff zu erzeugen, einen Brennstoffzellenstapel 20 zum Erzeugen elektrischer Leistung durch elektrochemische Reaktion zwischen Oxidationsmittelgas und dem Wasserstoff, der in dem Teiloxidationsreformer 22 und/oder in dem Shiftreaktor 23 erzeugt wird, und ein Abgasrückführungsrohr P6, um den Dampf, der in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels 20 enthalten ist, dem Shiftreaktor 23 zuzuführen.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
  • [Stand der Technik]
  • Herkömmlich ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das Reformgas als Brennstoffgas verwendet (siehe z. B. die Patentdokumente 1, 2). Als das Reformgas gibt es ein Gas, das durch eine Dampfreformierungsreaktion erhalten wird, die durch die folgende Gleichung (1) dargestellt ist, die Kohlenwasserstoff als Rohgas verwendet, oder ein Gas, das durch eine Teiloxidationsreaktion erhalten wird, die durch die folgende Gleichung (2) dargestellt ist. -CH2- + H2O → CO + 2H2 (1) -CH2- + 1/2O2 → CO + H2 (2)
  • In einem solchen Brennstoffzellensystem weist das Brennstoffzellensystem, das eine Reformgas-Zufuhrvorrichtung enthält, die die Teiloxidationsreaktion verwendet, die eine höhere Reaktionsrate als die Dampfreformierungsreaktion aufweist, eine bessere Gasbehandlungseffizienz auf, so dass eine Größe des Brennstoffzellensystems verringert werden kann.
  • [Liste der Entgegenhaltungen]
  • [Patentliteratur]
  • [Patentdokument 1]
    • Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2012-160465
  • [Patentdokument 2]
    • Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010-067534
  • [Zusammenfassung der Erfindung]
  • [Technisches Problem]
  • Wie in der folgenden Gleichung (3) gezeigt ist, lagert allerdings in dem Reformgas verhältnismäßig mehr enthaltenes CO (Kohlenmonoxid) Kohlenstoff (C) ab. 2CO ⇔ CO2 + C (3)
  • Der abgelagerte Kohlenstoff veranlasst in dem Brennstoffzellenstapel Verkoken.
  • Somit ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, um die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel, dem das Reformgas zugeführt wird, zu verhindern.
  • [Lösung des Problems]
  • Ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung zur Lösung der obigen Aufgabe enthält einen Teiloxidationsreformer zum teilweisen Oxidieren von Rohbrennstoff, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen, einen Shiftreaktor für eine Shiftreaktion des Kohlenmonoxids mit Dampf, um Kohlendioxid und Wasserstoff zu erzeugen, einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen elektrischer Leistung durch elektrochemische Reaktion zwischen Oxidationsmittelgas und dem Wasserstoff, der in dem Teiloxidationsreformer und/oder in dem Shiftreaktor erzeugt wird, und ein Abgasrückführungsrohr, um den Dampf, der in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels enthalten ist, dem Shiftreaktor zuzuführen. Mit diesem Brennstoffzellensystem wird die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel dadurch verhindert, dass eine Kohlenmonoxidoxidation in dem Brennstoffgas durch eine Shiftreaktion in dem Shiftreaktor verringert wird.
  • Ferner kann dieses Brennstoffzellensystem außerdem so konfiguriert sein, dass der Brennstoffzellenstapel durch Stapeln mehrerer Festoxid-Brennstoffzellen gebildet ist, wobei das Abgas Anodenabgas der Festoxid-Brennstoffzelle enthält. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird der in dem Shiftreaktor verwendete Dampf durch das Anodenabgas zugeführt. Somit ist es möglich, das Brennstoffgas, das unverbrannt ist und in dem Anodenabgas enthalten ist, wiederzuverwenden, wodurch der Leistungserzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert wird.
  • Ferner kann dieses Brennstoffzellensystem außerdem so konfiguriert sein, dass es einen Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg enthält, der dem Teiloxidationsreformer Oxidationsmittelgas zum teilweisen Oxidieren des Rohbrennstoffs zuführt, wobei der Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg nahe dem Shiftreaktor angeordnet ist, so dass das über den Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg strömende Oxidationsmittelgas den Shiftreaktor durch Wärmeaustausch mit dem Shiftreaktor abkühlen kann. Obwohl bei diesem Brennstoffzellensystem warmes Reformgas in den Shiftreaktor zugeführt wird, wird der Shiftreaktor durch das dem Teiloxidationsreformer zugeführte Oxidationsmittelgas abgekühlt, so dass es möglich ist, die Shiftreaktion in dem Shiftreaktor effizient auszuführen. Somit wird die Kohlenmonoxidkonzentration in dem Brennstoffgas wirksamer verringert, so dass die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel zuverlässig verhindert werden kann.
  • Ferner kann dieses Brennstoffzellensystem außerdem so konfiguriert sein, dass der Teiloxidationsreformer und der Shiftreaktor einteilig gebildet sind. Mit diesem Brennstoffzellensystem ist es möglich, die Größe des Systems zu verringern.
  • Darüber hinaus kann dieses Brennstoffzellensystem außerdem so konfiguriert sein, dass es eine Brennkammer zum Verbrennen des Wasserstoffs, der nicht reagiert hat und der in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels enthalten ist, enthält, wobei das Abgasrückführungsrohr den in dem Abgas der Brennkammer enthaltenen Dampf dem Shiftreaktor zuführt. Mit diesem Brennstoffzellensystem ist es möglich, dem Shiftreaktor noch vor der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel, z. B. während des Warmlaufens, Dampf zuzuführen. Somit ist es möglich, die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel wirksam zu verhindern.
  • [Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung] In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, um die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel, dem das Reformgas zugeführt werden soll, zu verhindern.
  • [Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
  • 1 ist eine perspektivische Außenansicht eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm des Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Teiloxidationsreformers und eines Shiftreaktors, die in einer Änderung der ersten Ausführungsform verwendet sind;
  • 4 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 9 ist eine graphische Darstellung, die Kohlenstoffablagerungs-Starttemperaturen zeigt, wenn eine Rückführungsrate in dem Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jeweils auf 20 %, 30 % und 40 % eingestellt ist;
  • 10 ist eine graphische Darstellung, die Leistungserzeugungswirkungsgrade zeigt, wenn die Rückführungsrate in dem Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jeweils auf 10 %, 20 % und 30 % eingestellt ist; und
  • 11 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Temperatur des Shiftreaktors und einer Wasserstoffkonzentration und einer Kohlenmonoxidkonzentration nach der Shiftreaktion in dem Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • [Beschreibung von Ausführungsformen]
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung enthält einen Teiloxidationsreformer als eine Brennstoffgas-Zufuhrvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel. Im Folgenden wird ein feststehendes Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) enthält, als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als ein Beispiel beschrieben.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 1 ist eine perspektivische Außenansicht eines Brennstoffzellensystems 10A in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 2 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm des Brennstoffzellensystems 10A in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird angemerkt, dass ein Brennstoffzellenstapel 20 in 1 durch gedachte Linien (Strichlinien) gezeigt ist. Wie in 1 und 2 gezeigt ist, enthält das Brennstoffzellensystem 10A einen planaren Brennstoffzellenstapel 20, einen Teiloxidationsreformer 22, einen Shiftreaktor 23, eine Brennkammer 25, einen Wärmetauscher 24, ein Abgasrückführungsrohr P6 (siehe 2) und eine Steuereinheit 29 (siehe 2).
  • Der Brennstoffzellenstapel 20 enthält eine planare Festoxid-Brennstoffzelle 30 zum Erzeugen elektrischer Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Sauerstoff in Oxidationsmittelgas und Wasserstoff in Brennstoffgas, die später beschrieben wird. Es wird angemerkt, dass das Brennstoffgas in der vorliegenden Ausführungsform, wie im Folgenden beschrieben ist, ein Mischgas ist, das in dem Teiloxidationsreformer 22 und in dem Shiftreaktor 23 erzeugten Wasserstoff enthält, und dass das Oxidationsmittelgas Luft ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Brennstoffzellen 30 (siehe 1) in einer vertikalen Richtung Vt (siehe 1) gestapelt. An beiden Enden in einer Stapelrichtung der Brennstoffzellen 30 sind Endplatten (nicht gezeigt) angeordnet.
  • Die Brennstoffzelle 30 enthält eine Elektrolytelektrodenanordnung (MEA), die an beiden Oberflächen des Elektrolyten, der aus einem Oxidionenleiter wie etwa stabilisiertem Zirconiumdioxid zusammengesetzt ist, mit einer Anodenelektrode und mit einer Katodenelektrode versehen ist.
  • Obwohl dies nicht gezeigt ist, sind auf beiden Seiten der Elektrolytelektrodenanordnung ein Anodenseitenseparator und ein Katodenseitenseparator angeordnet. In dem Katodenseitenseparator ist ein Oxidationsmittelgas-Strömungsweg gebildet, um das Oxidationsmittel der Katodenelektrode zuzuführen, während in dem Anodenseitenseparator ein Brennstoffgas-Strömungsweg gebildet ist, um das Brennstoffgas der Anodenelektrode zuzuführen.
  • Die Brennstoffzelle 30 weist eine hohe Betriebstemperatur von mehreren hundert Grad Celsius auf und erzeugt, wie im Folgenden beschrieben ist, durch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff, der der Anodenelektrode zugeführt wird, und Sauerstoff, der der Katodenelektrode zugeführt wird, elektrische Leistung. Insbesondere schreitet bei der Katodenelektrode, der Sauerstoff zugeführt wird, die Elektrodenreaktion der folgenden Gleichung (4) fort. 1/2O2 + 2e– → O2– (4)
  • Ferner schreitet bei der Anodenelektrode durch Wasserstoff, der zugeführt wird, und durch O2–, der von der Katodenelektrodenseite wandert, die Elektrodenreaktion der folgenden Gleichung (5) fort. H2 + O2– → H2O + 2e– (5)
  • Brennstoffabgas (Anodenabgas), das von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführt wird, und Oxidationsmittelabgas werden an die im Folgenden beschriebene Brennkammer 25 geliefert. Übrigens ist bei der Anodenelektrode erzeugter Dampf (H2O) eine Komponente des Brennstoffabgases (Anodenabgases). Zusätzlich zu dem Dampf enthält dieses Brennstoffabgas (Anodenabgas) Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff (Wasserstoff, der nach der elektrochemischen Reaktion nicht reagiert hat), die in dem Teiloxidationsreformer 22 und in dem Shiftreaktor 23, die im Folgenden beschrieben werden, erzeugt werden, und nicht reformierte Kohlenwasserstoffe usw.
  • Das Oxidationsmittelabgas enthält Sauerstoff, der nicht reagiert hat, der in der Luft enthalten ist, die als das Oxidationsmittelgas zugeführt wird, und Stickstoff usw.
  • In 2 ist das Bezugszeichen T1 ein Temperatursensor zum Detektieren einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20. Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann in dem Brennstoffzellenstapel 20 eine Stapelheizeinrichtung, um beim Warmlaufen des Brennstoffzellenstapels 20 zu helfen, vorgesehen sein.
  • Der Teiloxidationsreformer 22 ist dafür konfiguriert, unter Verwendung von Rohbrennstoff, der Kohlenwasserstoffe als Reaktionskomponenten enthält, eine durch die folgende Gleichung (6) dargestellte Teiloxidationsreaktion auszuführen, um Reformgas (CO + H2) zu erzeugen und dieses Reformgas an den Shiftreaktor 23 zu liefern. -CH2- + 1/2O2 → CO + H2 (6)
  • Als einen in dem Teiloxidationsreformer 22 verwendeten Teiloxidationsreaktionskatalysator gibt es z. B. Pt, Rh und Pd. Eine Temperatur des Teiloxidationsreformers 22 ist vorzugsweise etwa 500 °C bis etwa 1000 °C.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist angenommen, dass der Rohbrennstoff z. B. Stadtgas wie etwa 13A, das hauptsächlich Methan enthält, und LPG, das hauptsächlich Propan enthält, ist. Sauerstoff (O2), der in der vorliegenden Ausführungsform in der Teiloxidationsreaktion verwendet wird, wird durch ein vorgegebenes Rohr (nicht gezeigt) zugeführt, das von einem später beschriebenen Oxidationsmittelgas-Zufuhrrohr (P3) abzweigt, um das Oxidationsmittelgas dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen.
  • Der Rohbrennstoff wird dem Teiloxidationsreformer 22 über einen Ejektor 60 zugeführt. Der Ejektor 60 ist in einem Rohbrennstoffzufuhrrohr P5 vorgesehen, das den Teiloxidationsreformer 22 und eine Rohbrennstoffpumpe (nicht gezeigt) verbindet. Mit diesem Ejektor 60 ist das Abgasrückführungsrohr P6 verbunden, das im Folgenden beschrieben wird. Es wird angemerkt, dass der Ejektor 60 in der vorliegenden Ausführungsform ein elektromagnetisches Nadelventil (nicht gezeigt) aufweist. Dieses elektromagnetische Nadelventil stellt einen Durchfluss des später beschriebenen Brennstoffabgases (Anodenabgases) ein, das über das Abgasrückführungsrohr P6 in das Rohbrennstoffzufuhrrohr P5 strömt. Allerdings ist es ebenfalls möglich, den Durchfluss des Brennstoffabgases (Anodenabgases) dadurch einzustellen, dass in dem Abgasrückführungsrohr P6 ein Strombegrenzungsventil (nicht gezeigt) vorgesehen ist.
  • Der Shiftreaktor 23 ist dafür konfiguriert, die Shiftreaktion der folgenden Gleichung (7) auszuführen, bei der Dampf und Kohlenmonoxid in dem in dem Teiloxidationsreformer 22 erzeugten Reformgas reagieren, um Shiftgas zu erzeugen, und um dieses Shiftgas an den Brennstoffzellenstapel 20 (an eine Anodenelektrodenseite) zu liefern. CO + H2O → CO2 + H2 (7)
  • Als einen in dem Shiftreaktor 23 verwendeten Shiftreaktionskatalysator gibt es z. B. einen Katalysator auf Cu-Zn-Grundlage, einen Katalysator auf Fe-Cr-Grundlage und einen Katalysator auf Pt-Grundlage. Eine Temperatur des Shiftreaktors 23 beträgt vorzugsweise etwa 250 °C bis etwa 550 °C In 2 ist ein Bezugszeichen P1 ein Reformgaszufuhrrohr, um den Teiloxidationsreformer 22 und den Shiftreaktor 23 zu verbinden, und ist das Bezugszeichen P2 ein Brennstoffgaszufuhrrohr, um den Shiftreaktor 23 und den Brennstoffzellenstapel 20 (einen Anodenelektrodenseiten-Einlass) zu verbinden. Das Bezugszeichen S1 ist ein Kohlenmonoxidkonzentrationssensor (im Folgenden einfach als ein "CO-Sensor S1" bezeichnet), der in dem Brennstoffgaszufuhrrohr P2 vorgesehen ist.
  • Es wird angemerkt, dass durch das Brennstoffgaszufuhrrohr P2 außer Wasserstoff (H2), der in dem Teiloxidationsreformer 22 erzeugt wird, und Shiftgas (CO2 + H2), das in dem Shiftreaktor 23 erzeugt wird, ein Mischgas geht, das Spurenkomponenten wie etwa Dampf (H2O), Kohlenmonoxid (CO), das in dem Shiftreaktor 23 nicht reagiert hat, und Rohbrennstoff (Kohlenwasserstoffe), der in dem Teiloxidationsreformer 22 nicht reformiert wurde, enthält. Dieses Mischgas entspricht in der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform dem Brennstoffgas. Der CO-Sensor S1 detektiert in diesem Brennstoffgas eine Kohlenmonoxidkonzentration (im Folgenden einfach als eine "CO-Konzentration" bezeichnet).
  • Die Brennkammer 25 ist dafür konfiguriert, Wasserstoff, der nicht reagiert hat, der in dem von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführten Brennstoffabgas (Anodenabgas) enthalten ist, zu verbrennen. Ferner verbrennt die Brennkammer 25 außerdem nicht reformierten Rohbrennstoff (Kohlenwasserstoff) und Kohlenmonoxid, das nicht in dem Shiftreaktor 23 in Kohlendioxid umgewandelt worden ist. Für diese Verbrennung wird das Oxidationsmittelabgas verwendet, das der Brennkammer 25 von dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird. Übrigens enthält das Oxidationsmittelabgas eine für diese Verbrennung ausreichende Menge Sauerstoff. Außer Dampf und Kohlendioxid, die die Verbrennungsprodukte von Wasserstoff bzw. Kohlenmonoxid sind, enthält das Brennkammerabgas der Brennkammer 25 das Oxidationsmittelabgas (Luftkomponenten). Das von der Brennkammer 25 abgeführte Brennkammerabgas wird aus dem Brennstoffzellensystem 10A über den nachfolgend beschriebenen Wärmetauscher 24 abgeführt.
  • Der Wärmetauscher 24 erwärmt das Oxidationsmittelgas durch Wärmeaustausch des dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Oxidationsmittelgases mit dem von der Brennkammer 25 gelieferten Brennkammerabgas. Es wird angemerkt, dass Luft in der Atmosphäre in den Wärmetauscher 24 durch eine Luftzufuhrpumpe (nicht gezeigt) als das Oxidationsmittelgas eingespeist wird. Ferner wird das Oxidationsmittelgas nach dem Wärmeaustausch in dem Wärmetauscher 24 über das Oxidationsmittelgas-Zufuhrrohr P3 dem Brennstoffzellenstapel 20 (einem Katodenelektrodenseiten-Einlass) zugeführt.
  • Das Abgasrückführungsrohr P6 zweigt von einem Anodenabgasauslassrohr P4 des Brennstoffzellenstapels 20 ab, um mit dem Ejektor 60 verbunden zu sein. Das Abgasrückführungsrohr P6 führt einen Teil des Brennstoffabgases (Anodenabgases) über den Ejektor 60 dem Rohbrennstoffzufuhrrohr P5 zu, um den in dem Brennstoffabgas (Anodenabgas) enthaltenen Dampf dem Shiftreaktor 23 zuzuführen. Mit diesem Dampf schreitet die Shiftreaktion fort. In 2 ist das Bezugszeichen S2 ein Feuchtigkeitssensor, der in dem Abgasrückführungsrohr P6 vorgesehen ist.
  • Die Steuereinheit 29 ist eine elektronische Einheit, die eine CPU, einen Datenspeicher und dergleichen enthält und durch die CPU ein in einer Speichereinheit wie etwa in dem Datenspeicher gespeichertes Steuerprogramm ausführt. In der vorliegenden Ausführungsform detektiert die Steuereinheit 29 durch den CO-Sensor S1 die CO-Konzentration in dem Brennstoffgas, detektiert sie durch den Temperatursensor T1 die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 und detektiert sie durch den Feuchtigkeitssensor S2 die Feuchtigkeit des Brennstoffabgases (Anodenabgases), das durch das Abgasrückführungsrohr P6 strömt. Wie im Folgenden beschrieben ist, ist die Steuereinheit 29 dafür konfiguriert, auf der Grundlage dieser detektierten Werte den Durchfluss des Brennstoffabgases (Anodenabgases) zu steuern, das durch das Abgasrückführungsrohr P6 strömt.
  • Nachfolgend werden anhand von 2 ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 10A der vorliegenden Ausführungsform und eine Betriebswirkung des Brennstoffzellensystems 10A beschrieben. Während der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10A wird dem Oxidationsmittelgas-Zufuhrrohr P3 durch die Luftzufuhrpumpe (nicht gezeigt) die Luft als das Oxidationsmittelgas zugeführt. Ein Teil der Luft wird außerdem über einen vorgegebenen Weg dem Teiloxidationsreformer 22 zugeführt.
  • Ferner wird dem Ejektor 60 von einer Rohbrennstoffzufuhrpumpe (nicht gezeigt) der Rohbrennstoff zugeführt. Der Ejektor 60 speist den Rohbrennstoff mit einem vorgegebenen Durchfluss in den Teiloxidationsreformer 22 ein. In dem Teiloxidationsreformer 22 schreitet die Teiloxidationsreaktion mit Kohlenwasserstoffen, die in dem Rohbrennstoff und in dem Sauerstoff in der Luft, die über den vorgegebenen Weg eingespeist werden, enthalten sind, fort, um das Reformgas zu erzeugen. Das erzeugte Reformgas weist wegen der Reaktionswärme der Teiloxidationsreaktion eine hohe Temperatur auf. Der Shiftreaktor 23 und der Brennstoffzellenstapel 20, die auslassseitig des Teiloxidationsreformers 22 angeordnet sind, werden durch das Reformgas, das durch sie strömt, erwärmt, um warmzulaufen. Es wird angemerkt, dass das Warmlaufen des Brennstoffzellenstapels 20 ebenfalls durch eine Stapelheizeinrichtung (nicht gezeigt) ausgeführt werden kann.
  • Das Oxidationsmittelgas wird über das Oxidationsmittelgas-Zufuhrrohr P3 dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt. Bevor das Warmlaufen des Brennstoffzellenstapels 20 abgeschlossen ist, wird das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführte Brennstoffgas nicht für die Leistungserzeugung verwendet (bleibt es ohne reagiert zu haben), sondern wird es zusammen mit dem Oxidationsmittelgas, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird, in die Brennkammer 25 eingespeist, um verbrannt zu werden.
  • Das Verbrennungsabgas, das von der Brennkammer 25 geliefert wird, wird in den Wärmetauscher 24 eingespeist und führt mit dem Oxidationsmittelgas, das in den Wärmetauscher 24 getrennt eingespeist wird, einen Wärmeaustausch durch. Somit wird das Oxidationsmittelgas, das durch das Oxidationsmittelgas-Zufuhrrohr P3 strömt, auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und daraufhin dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
  • Wenn durch den Temperatursensor T1 bestimmt wird, dass das Warmlaufen des Brennstoffzellenstapels 20 abgeschlossen ist, verbindet die Steuereinheit 29 den Brennstoffzellenstapel 20 elektrisch z. B. mit einer externen Last wie etwa einer Sekundärbatterie. Somit beginnt der Brennstoffzellenstapel 20 mit der Leistungserzeugung. In der Anodenelektrode und in der Katodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 20 schreiten die oben beschriebenen Elektrodenreaktionen fort.
  • Ferner überwacht die Steuereinheit 29 durch den CO-Sensor S1 die CO-Konzentration, die in dem durch das Brennstoffgaszufuhrrohr P2 strömenden Brennstoffgas enthalten ist. Wenn die durch den CO-Sensor S1 detektierte CO-Konzentration einen im Voraus festgelegten Schwellenwert übersteigt, bestimmt die Steuereinheit 29, dass die Möglichkeit einer Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 besteht. Übrigens wird dieser Schwellenwert durch ein Kennfeld bestimmt, das im Voraus über eine Beziehung zwischen der CO-Konzentration und der Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 erhalten wird, wobei die Steuereinheit 29 die oben beschriebene Bestimmung mit Bezugnahme auf einen Datenspeicher, in dem dieses Kennfeld gespeichert ist, vornimmt.
  • Wenn bestimmt wird, dass die CO-Konzentration den Schwellenwert übersteigt, stellt die Steuereinheit 29 einen Öffnungsgrad des elektromagnetischen Nadelventils (nicht gezeigt) in dem Ejektor 60 ein. Insbesondere öffnet die Steuereinheit 29 das elektromagnetische Nadelventil (nicht gezeigt) in der Weise, dass eine Menge des dem Shiftreaktor 23 zugeführten Dampfs erhöht wird. Somit wird die durch "CO + H2O → CO2 + H2" dargestellte Shiftreaktion in dem Shiftreaktor 23 ausreichend ausgeführt und wird das verbleibende CO in dem Shiftreaktor 23 verbraucht. Im Ergebnis wird die CO-Konzentration, die in dem dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Brennstoffgas enthalten ist, verringert und wird die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 vermieden.
  • Ferner werden Wasserstoff, der nicht reagiert hat, Kohlenmonoxid, nicht reformierter Rohbrennstoff und dergleichen, die in dem durch das Abgasrückführungsrohr P6 strömendem Brennstoffabgas (Anodenabgas) enthalten sind, erneut dem Teiloxidationsreformer 22 und dem Shiftreaktor 23 zugeführt, so dass der Leistungserzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 verbessert wird.
  • Ferner überwacht die Steuereinheit 29 durch den Temperatursensor T1 die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20, die in Übereinstimmung mit einem Betrag der Leistungserzeugung geändert wird. Die Steuereinheit 29 berechnet eine Menge des erforderlichen Brennstoffgases in Übereinstimmung mit dem Betrag der Leistungserzeugung auf der Grundlage der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20. Diese Berechnung wird mit Bezugnahme auf einen Datenspeicher ausgeführt, der ein Kennfeld speichert, das im Voraus über eine Beziehung zwischen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 und der erforderlichen Menge des Brennstoffgases erhalten wird.
  • Darüber hinaus berechnet die Steuereinheit 29 eine Menge des Wassers (Dampfs), das (der) in dem Shiftreaktor 23 beim Erzeugen der berechneten Menge Brennstoffgas erforderlich ist. Diese Berechnung wird auf der Grundlage einer stöchiometrischen Berechnung der Teiloxidationsreaktion und der Shiftreaktion ausgeführt.
  • Währenddessen bestimmt die Steuereinheit 29 durch den Feuchtigkeitssensor S2 eine Menge des Wassers in dem durch das Abgasrückführungsrohr P6 strömenden Brennstoffabgas (Anodenabgas). Auf der Grundlage dieser Wassermenge berechnet die Steuereinheit 29 den Durchfluss des Brennstoffabgases (Anodenabgases) in dem Abgasrückführungsrohr P6, um die in dem Shiftreaktor 23 erforderliche Wassermenge (Dampfmenge) sicherzustellen.
  • Die Steuereinheit 29 öffnet das elektromagnetische Nadelventil (nicht gezeigt) des Ejektors 60 in der Weise, dass der Durchfluss des Brennstoffabgases (Anodenabgases) in dem Abgasrückführungsrohr P6 der berechnete Durchfluss ist. Somit wird die Shiftreaktion in dem Shiftreaktor 23 ausreichend ausgeführt und wird die CO-Konzentration, die in dem dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Brennstoffgas enthalten ist, verringert, so dass eine Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 vermieden werden kann.
  • In dem Brennstoffzellensystem 10A der vorliegenden Ausführungsform ist ein Prozentsatz (100Q2/Q1) eines Durchflusses Q2 des Brennstoffabgases (Anodenabgases) in dem Abgasrückführungsrohr P6 zu einem Durchfluss Q1 des von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführten Anodenabgases, d. h. eine Rückführungsrate, vorzugsweise auf etwa 10 % bis 30 % eingestellt.
  • Es wird angemerkt, dass die Berechnung des Betrags der Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 wie oben beschrieben durch die Steuereinheit 29 in der vorliegenden Ausführungsform auf der Grundlage der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 ausgeführt wird, dass es aber ebenfalls möglich ist, den Betrag der Leistungserzeugung auf der Grundlage eines Spannungswerts oder eines Stromwerts während des normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels 20 zu berechnen.
  • (Änderung der ersten Ausführungsform)
  • 3 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm des Teiloxidationsreformers 22 und des Shiftreaktors 23, die in einer Änderung der ersten Ausführungsform verwendet sind. Wie in 1 gezeigt ist, sind der Teiloxidationsreformer 22 und der Shiftreaktor 23 aneinander angrenzend angeordnet.
  • Wie in 3 gezeigt ist, werden der Rohbrennstoff und das Oxidationsmittelgas dem Teiloxidationsreformer 22 zugeführt, der darin einen Teiloxidationsreaktionskatalysator 22a aufweist, um wie oben beschrieben das Reformgas zu erzeugen. Das Reformgas wird durch das Reformgaszufuhrrohr P1 in den Shiftreaktor 23 eingespeist, der einen Shiftreaktionskatalysator 23b aufweist. Wie oben beschrieben wurde, schreitet in dem Shiftreaktor 23 die Shiftreaktion fort, um das Brennstoffgas zu liefern.
  • In dieser Änderung ist ein Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg P9 für die Teiloxidation (im Folgenden als ein POX-Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg P9 bezeichnet) zum Zuführen des Oxidationsmittelgases zu dem Teiloxidationsreformer 22 in thermischem Kontakt mit dem Shiftreaktionskatalysator 23b in dem Shiftreaktor 23 angeordnet (um Wärme mit dem Shiftreaktionskatalysator 23b austauschen zu können). Insbesondere ist der POX-Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg P9 angrenzend an die Außenseite des in den Shiftreaktor 23 enthaltenen Shiftreaktionskatalysator 23b angeordnet. Das heißt, in dieser Änderung ist der POX-Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg P9 nahe dem Shiftreaktor 23 angeordnet, so dass über den POX-Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg P9 strömendes Oxidationsmittelgas (Luft) den Shiftreaktor 23 durch Wärmeaustausch mit dem Shiftreaktor 23 abkühlen kann.
  • Bei dieser Änderung wird der Shiftreaktionskatalysator 23b durch das Oxidationsmittelgas zur Teiloxidation, das über den POX-Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg P9 strömt, abgekühlt. Vorzugsweise wird eine Temperatur des Shiftreaktionskatalysators 23b auf etwa 350 °C bis 550 °C eingestellt. Somit schreitet die Shiftreaktion in dem Shiftreaktor 23 effizient fort. Ferner wird das Oxidationsmittelgas für die Teiloxidation durch den Wärmeaustausch mit dem Shiftreaktionskatalysator 23b erwärmt, um dem Teiloxidationsreformer 22 zugeführt zu werden. Somit schreitet die Teiloxidationsreaktion in dem Teiloxidationsreformer 22 effizient fort. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform wird die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 wirksamer verhindert. Der Leistungserzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 ist ebenfalls weiter verbessert.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • 4 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10B in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie in der ersten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ist ihre ausführliche Beschreibung weggelassen.
  • Wie in 4 gezeigt ist, sind in dem Brennstoffzellensystem 10B der vorliegenden Ausführungsform der Teiloxidationsreformer 22 (siehe 2) und der Shiftreaktor 23 (siehe 2) in der ersten Ausführungsform einteilig gebildet, um einen Teiloxidationsreformierungs/Shiftreaktions-Komplex 26 zu bilden. Der Teiloxidationsreformierungs/Shiftreaktions-Komplex 26 weist in einem Gehäuse davon den Teiloxidationsreaktionskatalysator und den Shiftreaktionskatalysator auf, wobei das Reformgaszufuhrrohr P1 (siehe 2) beseitigt ist. Mit diesem Brennstoffzellensystem 10B in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform ist es möglich, denselben Betriebseffekt wie mit dem Brennstoffzellensystem 10A in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform zu erhalten und die Größe des Systems zu verringern.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • 5 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10C in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie in der ersten Ausführungsform und in der zweiten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ist ihre ausführliche Beschreibung weggelassen.
  • Wie in 5 gezeigt ist, unterscheidet sich das Brennstoffzellensystem 10C in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform von dem Brennstoffzellensystem 10B (siehe 4) in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform und ist es außer mit dem Abgasrückführungsrohr P6 (das im Folgenden als ein erstes Abgasrückführungsrohr bezeichnet sein kann) mit einem Abgasrückführungsrohr P7 (das im Folgenden als ein zweites Abgasrückführungsrohr bezeichnet sein kann) zum Einspeisen des von dem Wärmetauscher 24 abgeführten Brennkammerabgases zu dem Ejektor 60 versehen. In 5 sind die Bezugszeichen V1, V2 elektromagnetische Schaltventile, die in den Abgasrückführungsrohren P6 bzw. P7 vorgesehen sind. Es wird angemerkt, dass in 5 ein an dem Brennkammerabgas in Klammern angebrachter Ausdruck "Anodenabgas" bedeutet, dass das Anodenabgas in dem Brennkammerabgas enthalten ist.
  • In dem Brennstoffzellensystem 10B (siehe 4) in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform wird in dem Brennstoffzellenstapel 20 während des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 (siehe 4) keine Leistungserzeugung ausgeführt. Das heißt, da das Brennstoffabgas (Anodenabgas), das Dampf enthält, dem Ejektor 60 nicht zugeführt wird, schreitet die Shiftreaktion in dem Shiftreaktor 23 nicht fort und wird das Brennstoffgas, das im Vergleich zu dem nach Abschluss des Warmlaufens reich an Kohlenmonoxid (CO) ist, dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
  • Im Gegensatz dazu wird in dem Brennstoffzellensystem 10C in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform, wie in 5 gezeigt ist, dem Ejektor 60 während des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 über das Abgasrückführungsrohr P7 das Brennkammerabgas zugeführt, das Dampf enthält. Das heißt, die Shiftreaktion schreitet in dem Teiloxidationsreformierungs/Shiftreaktions-Komplex 26 auch während des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 fort.
  • Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 20 nach Abschluss des Warmlaufens elektrische Leistung erzeugen und sowohl den in der Brennkammer 25 erzeugten Dampf als auch den in dem Anodenabgas enthaltenen Dampf für die Shiftreaktion in dem Teiloxidationsreformierungs/Shiftreaktions-Komplex 26 verwenden.
  • Ferner kann die Steuereinheit 29 in dem Brennstoffzellensystem 10C dafür konfiguriert sein, während des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 das elektromagnetische Schaltventil V1 in einen geschlossenen Zustand und das elektromagnetische Schaltventil V2 in einen offenen Zustand einzustellen. Daraufhin kann die Steuereinheit 29 ebenfalls dafür konfiguriert sein, nach Abschluss des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 das elektromagnetische Schaltventil V1 in einen offenen Zustand und das elektromagnetische Schaltventil V2 in einen geschlossenen Zustand einzustellen. Das heißt, das Brennstoffzellensystem 10C kann dafür konfiguriert sein, während des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 den in dem Brennkammerabgas enthaltenen Dampf für die Shiftreaktion zu verwenden und nach Abschluss des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 den in dem Anodenabgas enthaltenen Dampf für die Shiftreaktion zu verwenden.
  • Mit diesem Brennstoffzellensystem 10C ist es möglich, dieselbe Betriebswirkung wie mit dem Brennstoffzellensystem 10A in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform zu erhalten und die in dem Brennstoffgas enthaltene CO-Konzentration auch während des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 zu verringern und dadurch die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 zuverlässiger zu verhindern.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • 6 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10D in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie in der ersten Ausführungsform bis dritten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ist ihre ausführliche Beschreibung weggelassen.
  • Wie in 6 gezeigt ist, unterscheidet sich das Brennstoffzellensystem 10D in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform von dem Brennstoffzellensystem 10C (siehe 5) in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform, wobei mit einer Mitte des Abgasrückführungsrohrs P6 als das erste Abgasrückführungsrohr das Abgasrückführungsrohr P7 als das zweite Abgasrückführungsrohr verbunden ist. An der Verbindungsstelle ist dann ein elektromagnetisches Durchflussschaltventil V3 angeordnet.
  • In dem Brennstoffzellensystem 10D in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform ist die Steuereinheit 29 dafür konfiguriert, das elektromagnetische Durchflussschaltventil V3 in der Weise einzustellen, dass während des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 das Brennkammerabgas durch den Ejektor 60 strömt, und das elektromagnetische Durchflussschaltventil V3 in der Weise einzustellen, dass nach Abschluss des Warmlaufens des Brennstoffzellenstapels 20 das Brennstoffabgas durch den Ejektor 60 strömt. Es wird angemerkt, dass in 6 ein an dem Brennkammerabgas angebrachter Ausdruck "Anodenabgas" in Klammern bedeutet, dass das Anodenabgas in dem Brennkammerabgas enthalten ist.
  • Mit diesem Brennstoffzellensystem 10D ist es möglich, dieselbe Betriebswirkung wie in dem Brennstoffzellensystem 10C in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform zu erhalten und das Abgasrückführungsrohr P7 zu verkürzen, während es möglich ist, zwei elektromagnetische Schaltventile V1, V2 durch ein einzelnes elektromagnetisches Durchflussschaltventil V3 zu ersetzen und dadurch die Größe des Systems zu verringern.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • 7 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10E in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie in der ersten Ausführungsform bis vierten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ist ihre ausführliche Beschreibung weggelassen.
  • Wie in 7 gezeigt ist, unterscheidet sich das Brennstoffzellensystem 10E in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform von dem Brennstoffzellensystem 10D (siehe 6) in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform, wobei es so konfiguriert ist, dass der Teiloxidationsreformierungs/Shiftreaktions-Komplex 26 (siehe 6) in den Teiloxidationsreformer 22 und in den Shiftreaktor 23 geteilt ist. Ferner unterscheidet sich das Brennstoffzellensystem 10E von dem Brennstoffzellensystem 10A (siehe 2) in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform und ist der Ejektor 60 zwischen dem Teiloxidationsreformer 22 und dem Shiftreaktor 23 angeordnet. Es wird angemerkt, dass in 7 ein an dem Brennkammerverbrennungsgas angebrachter Ausdruck "Anodenabgas" in Klammern bedeutet, dass das Anodenabgas in dem Brennkammerabgas enthalten ist.
  • In diesem Brennstoffzellensystem 10E ist es möglich, das Brennstoffabgas oder das Brennkammerabgas, das den Dampf enthält, unmittelbar einlassseitig des Shiftreaktors 23 einzuspeisen.
  • Mit diesem Brennstoffzellensystem 10E ist es möglich, dieselbe Betriebswirkung wie in dem Brennstoffzellensystem 10D in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform zu erhalten und den Dampf direkt in den Shiftreaktor 23 einzuspeisen, so dass die Shiftreaktion effizienter fortschreitet. Somit ist es möglich, die in dem Brennstoffgas enthaltene CO-Konzentration zuverlässiger zu verringern und dadurch einen Kohlenstoffniederschlag in dem Brennstoffzellenstapel 20 zuverlässiger zu verhindern.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • 8 ist ein Konfigurationserläuterungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10F in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie in der ersten Ausführungsform bis fünften Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ist ihre ausführliche Beschreibung weggelassen.
  • Wie in 8 gezeigt ist, unterscheidet sich das Brennstoffzellensystem 10F in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform von dem Brennstoffzellensystem 10A (siehe 2) in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform und ist der Shiftreaktor 23 beseitigt. Ferner enthält das Brennstoffzellensystem 10F das Abgasrückführungsrohr P7, um das Brennkammerabgas, das das Oxidationsmittelgas enthält, das aus Luftkomponenten zusammengesetzt ist, in den Ejektor 60 einzuspeisen.
  • In diesem Brennstoffzellensystem 10F bestimmt die Steuereinheit 29 ähnlich dem Brennstoffzellensystem 10A in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform, dass es eine Möglichkeit für Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 gibt, wenn die durch den CO-Sensor S1 detektierte CO-Konzentration den im Voraus festgelegten Schwellenwert übersteigt. Wenn bestimmt wird, dass die CO-Konzentration den im Voraus festgelegten Schwellenwert übersteigt, stellt die Steuereinheit 29 den Öffnungsgrad des elektromagnetischen Nadelventils (nicht gezeigt) in dem Ejektor 60 ein. Insbesondere speist die Steuereinheit 29 das Brennkammerabgas in den Ejektor 60 ein, um die CO-Konzentration, die in dem Brennstoffgas, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird, enthalten ist, zu verringern. Auf diese Weise wird die in dem Brennstoffgas enthaltene CO-Konzentration verringert und wird somit die Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 vermieden.
  • Obwohl oben die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Obwohl angenommen ist, dass die Brennstoffzellensysteme 10A bis 10F in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen Systeme vom feststehenden Typ sind, können sie ebenfalls für ein bewegtes Fahrzeug wie etwa für ein Schiff verwendet werden. Obwohl ferner angenommen ist, dass die Brennstoffzellensysteme 10A bis 10F in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen Brennstoff, der Kohlenwasserstoff wie etwa LPG oder Stadtgas enthält, als den Rohbrennstoff verwenden, ist es ebenfalls möglich, andere Komponenten (z. B. organische Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht wie etwa Alkohole), die Kohlenstoffatome und Wasserstoffatome enthalten und die bei einer vorgegebenen Temperatur verdampft werden können, als den Rohbrennstoff zu verwenden. Obwohl angenommen ist, dass die Brennstoffzellensysteme 10A bis 10F in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen die Systeme sind, die eine Festoxid-Brennstoffzelle als eine Komponente enthalten, können sie darüber hinaus ebenfalls andere Brennstoffzellen wie etwa eine Festpolymer-Brennstoffzelle, eine Carbonatschmelze-Brennstoffzelle und eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle als die Komponente enthalten. In diesem Fall wird das wasserhaltige Abgas in Übereinstimmung mit den Elektrodenreaktionen verschiedener Brennstoffzellen zu dem Shiftreaktor zurückgeführt.
  • [Beispiel]
  • Nachfolgend wird ein Beispiel beschrieben, das die Betriebswirkung des Brennstoffzellensystems 10A (siehe 2) in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform verifiziert. In diesem Beispiel wird die Kohlenstoffablagerungs-Starttemperatur in dem Brennstoffzellenstapel 20 des Brennstoffzellensystems 10A (siehe 2) in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform verifiziert.
  • In diesem Beispiel wird die durch den Prozentsatz (100Q2/Q1) des Durchflusses Q2 des Brennstoffabgases (Anodenabgas) in dem Abgasrückführungsrohr P6 zu dem Durchfluss Q1 des von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführten Anodenabgases definierte Rückführungsrate jeweils auf 20 %, 30 % und 40 % eingestellt. Die Kohlenstoffablagerungs-Starttemperatur in jeder Rückführungsrate wird durch Berechnung des chemischen Gleichgewichts der Kohlenstoffablagerung (2CO ⇔ CO2 + C) in jeder Rückführungsrate berechnet.
  • Das Ergebnis ist in 9 gezeigt. 9 ist eine graphische Darstellung, die die Kohlenstoffablagerungs-Starttemperaturen T20, T30 und T40, wenn die Rückführungsrate in dieser Reihenfolge auf 20 %, 30 % und 40 % eingestellt ist, zeigt. Die vertikale Achse der graphischen Darstellung ist der Kohlenstoffmolenbruch und die horizontale Achse ist die Reaktionstemperatur.
  • Wie in 9 gezeigt ist, wird bestätigt, dass die Kohlenstoffablagerungs-Starttemperatur auf T20 °C, T30 °C und T40 °C verringert wird, während die Rückführungsrate auf 20 %, 30 % und 40 % zunimmt. Das heißt, in dem Brennstoffzellensystem 10A (siehe 2) in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform wird verifiziert, dass das System bei niedrigerer Temperatur ohne Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 betrieben werden kann, während die Rückführungsrate erhöht wird.
  • Ferner werden in diesem Beispiel in dem Brennstoffzellensystem 10A (siehe 2) in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform die Leistungserzeugungswirkungsgrade des Brennstoffzellenstapels 20 berechnet, wenn die Rückführungsrate jeweils auf 10 %, 20 % und 30 % eingestellt ist.
  • Das Ergebnis ist in 10 gezeigt. 10 ist eine graphische Darstellung, die die Leistungserzeugungswirkungsgrade zeigt, wenn die Rückführungsrate jeweils auf 10 %, 20 % und 30 % eingestellt ist. Die vertikale Achse der graphischen Darstellung ist der Leistungserzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 und die horizontale Achse ist die Brennstoffgas-Ausnutzungsrate. Wie in 10 gezeigt ist, wird bestätigt, dass der Leistungserzeugungswirkungsgrad erhöht wird, während die Rückführungsrate auf 10 %, 20 % und 30 % erhöht wird.
  • Ferner wird in diesem Beispiel die Temperaturabhängigkeit der Shiftreaktion in dem Shiftreaktor 23 (siehe 2) des Brennstoffzellensystems 10A (siehe 2) in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform verifiziert. Insbesondere werden die Temperatur des Shiftreaktors 23 (siehe 2) und eine CO-Konzentration und eine Wasserstoffkonzentration nach der Shiftreaktion in dem Shiftreaktor 23 berechnet.
  • Das Ergebnis ist in 11 gezeigt. 11 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Temperatur des Shiftreaktors 23 und der CO-Konzentration und der Wasserstoffkonzentration nach der Shiftreaktion zeigt. Die linke vertikale Achse der graphischen Darstellung ist die CO-Konzentration [%] und die rechte vertikale Achse der graphischen Darstellung ist die Wasserstoffkonzentration (H2-Konzentration) [%]. Ferner sind in 11 die CO-Konzentration und die Wasserstoffkonzentration (H2-Konzentration) vor der Shiftreaktion durch Strichlinien angegeben.
  • Wie in 11 gezeigt ist, neigt die Wasserstoffkonzentration (H2-Konzentration) nach der Shiftreaktion dazu zuzunehmen, während die Temperatur des Shiftreaktors 23 erhöht wird. Somit ist es bei alleiniger Fokussierung nur auf die Konzentration des dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführte Wasserstoffs (H2-Konzentration) erwünscht, dass die Temperatur des Shiftreaktors 23 höher ist.
  • Währenddessen wird festgestellt, dass die CO-Konzentration nach der Shiftreaktion verringert wird, während die Temperatur des Shiftreaktors 23 bis auf eine bestimmte Temperatur erhöht wird, während die CO-Konzentration dagegen umgekehrt zunimmt, wenn die Temperatur die bestimmte Temperatur übersteigt. Angesichts der CO-Konzentration in dem Brennstoffgas wird dann bestätigt, dass die Temperatur des Shiftreaktors 23 vorzugsweise in einem Bereich von 350 °C bis 550 °C liegt, um eine Kohlenstoffablagerung in dem Brennstoffzellenstapel 20 zu verhindern.
  • Bezugszeichenliste
    • 10A bis 10F
    Brennstoffzellensystem
    20
    Brennstoffzellenstapel
    22
    Teiloxidationsreformer
    23
    Shiftreaktor
    24
    Wärmetauscher
    25
    Brennkammer
    29
    Steuereinheit
    30
    Brennstoffzelle
    60
    Ejektor
    P1
    Reformgaszufuhrrohr
    P2
    Brennstoffgaszufuhrrohr
    P3
    Oxidationsmittelgas-Zufuhrrohr
    P4
    Anodenabgasauslassrohr
    P5
    Rohbrennstoffzufuhrrohr
    P6
    Abgasrückführungsrohr (erstes Abgasrückführungsrohr)
    P7
    Abgasrückführungsrohr (zweites Abgasrückführungsrohr)
    P9
    Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg
    S1
    Kohlenmonoxidkonzentrationssensor
    S2
    Feuchtigkeitssensor
    T1
    Temperatursensor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2012-160465 [0004]
    • JP 2010-067534 [0005]

Claims (5)

  1. Brennstoffzellensystem, das enthält: einen Teiloxidationsreformer zum teilweisen Oxidieren von Rohbrennstoff, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen; einen Shiftreaktor für eine Shiftreaktion des Kohlenmonoxids mit Dampf, um Kohlendioxid und Wasserstoff zu erzeugen; einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen elektrischer Leistung durch elektrochemische Reaktion zwischen Oxidationsmittelgas und dem Wasserstoff, der in dem Teiloxidationsreformer und/oder in dem Shiftreaktor erzeugt wird; und ein Abgasrückführungsrohr, um den Dampf, der in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels enthalten ist, dem Shiftreaktor zuzuführen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel durch Stapeln mehrerer Festoxid-Brennstoffzellen gebildet ist, und wobei das Abgas Anodenabgas der Festoxid-Brennstoffzelle enthält.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das ferner einen Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg enthält, der dem Teiloxidationsreformer Oxidationsmittelgas zum teilweisen Oxidieren des Rohbrennstoffs zuführt, wobei der Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg nahe dem Shiftreaktor angeordnet ist, so dass das über den Oxidationsmittelgas-Zufuhrweg strömende Oxidationsmittelgas den Shiftreaktor durch Wärmeaustausch mit dem Shiftreaktor abkühlen kann.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Teiloxidationsreformer und der Shiftreaktor einteilig gebildet sind.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das ferner eine Brennkammer zum Verbrennen des Wasserstoffs, der nicht reagiert hat und der in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels enthalten ist, enthält, wobei das Abgasrückführungsrohr den in Abgas der Brennkammer enthaltenen Dampf dem Shiftreaktor zuführt.
DE102017106900.3A 2016-03-31 2017-03-30 Brennstoffzellensystem Ceased DE102017106900A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016073422A JP6322219B2 (ja) 2016-03-31 2016-03-31 燃料電池システム
JP2016-073422 2016-03-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017106900A1 true DE102017106900A1 (de) 2017-10-05

Family

ID=58688074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017106900.3A Ceased DE102017106900A1 (de) 2016-03-31 2017-03-30 Brennstoffzellensystem

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10826096B2 (de)
JP (1) JP6322219B2 (de)
CN (1) CN107275661B (de)
DE (1) DE102017106900A1 (de)
GB (1) GB2551002B (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10724432B2 (en) * 2017-11-07 2020-07-28 General Electric Company Integrated fuel cell and engine combustor assembly
CN108155402B (zh) * 2017-11-28 2020-06-26 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种固体氧化物燃料电池的发电***及其发电方法
JP7162170B2 (ja) * 2017-12-01 2022-10-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池システム
JP7206643B2 (ja) * 2018-06-07 2023-01-18 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの動作方法
JP7033015B2 (ja) * 2018-06-21 2022-03-09 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP7042705B2 (ja) * 2018-06-21 2022-03-28 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
KR102017993B1 (ko) * 2018-07-31 2019-09-26 인하대학교 산학협력단 하이브리드 발전시스템
JP7445416B2 (ja) * 2019-12-02 2024-03-07 日産自動車株式会社 燃料電池システムの制御方法、及び、燃料電池システム

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010067534A (ja) 2008-09-12 2010-03-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法
JP2012160465A (ja) 2012-04-09 2012-08-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 燃料電池システム

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4128700A (en) * 1977-11-26 1978-12-05 United Technologies Corp. Fuel cell power plant and method for operating the same
JPH1167256A (ja) * 1997-08-27 1999-03-09 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
CN1321136A (zh) 1999-09-10 2001-11-07 大金工业株式会社 氢气发生装置及使用该装置的燃料电池
WO2002035623A2 (en) 2000-10-27 2002-05-02 Questair Technologies Inc. Systems and processes for providing hydrogen to fuel cells
JP2002280043A (ja) * 2001-03-19 2002-09-27 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2004018363A (ja) * 2002-06-20 2004-01-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質装置
JP2006096601A (ja) 2004-09-29 2006-04-13 Nissan Motor Co Ltd 水素製造装置
JP5405486B2 (ja) * 2007-12-28 2014-02-05 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド 燃料電池システム
FI123857B (en) 2012-02-10 2013-11-29 Convion Oy Method and apparatus for utilizing recirculation in a high temperature fuel cell system
JP2014049256A (ja) * 2012-08-30 2014-03-17 Miura Co Ltd 燃料電池システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010067534A (ja) 2008-09-12 2010-03-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法
JP2012160465A (ja) 2012-04-09 2012-08-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017183249A (ja) 2017-10-05
GB2551002A (en) 2017-12-06
US20170288246A1 (en) 2017-10-05
US10826096B2 (en) 2020-11-03
CN107275661A (zh) 2017-10-20
GB2551002B (en) 2018-11-21
JP6322219B2 (ja) 2018-05-09
CN107275661B (zh) 2020-09-15
GB201704623D0 (en) 2017-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102017106900A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE19857398B4 (de) Brennstoffzellensystem, insbesondere für elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge
DE102009031774B4 (de) Hochtemperaturbrennstoffzellensystem
DE10048183B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines wasserstoffhaltigen Gasstromes
DE60133326T2 (de) Bennstoffzelle mit wellenförmigen Membranelektrodensatz
DE10065459B4 (de) Ein Entlüftungssystem und ein Verfahren zur gestuften Entlüftung eines Brennstoffzellensystems bei Schnellabschaltung
DE19746074C2 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffelements
EP3111499B1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102016203792B4 (de) Brennstoffzellenmodul
DE102015216257B4 (de) Brennstoffzellenmodul
DE102015207643B4 (de) Brennstoffzellenmodul
DE10065458B4 (de) Verfahren zur Detektion des Abschaltzustandes während der Abschaltung eines Brennstoffzellensystems mit Anodendrucksteuerung
DE10062257B4 (de) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
DE112011100231T5 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum regeln des brennstoffzellensystems
EP1166381A1 (de) Brennstoffzellenbatterie mit verbesserter kaltstartperformance und verfahren zum kaltstarten einer brennstoffzellenbatterie
EP2526344B1 (de) Verfahren zum betrieb einer kraft-wärme-kopplungsanlage
WO2003021696A2 (de) System zum erzeugen elektrischer energie und verfahren zum betreiben eines systems zum erzeugen elektrischer energie
DE102015216254B4 (de) Brennstoffzellenmodul
DE10105248A1 (de) Regelvorrichtung und -verfahren zur wirksamen Erwärmung eines Brennstoffprozessors in einem Brennstoffzellensystem
EP2971980A1 (de) Heizungsanlage sowie verfahren zum betreiben einer heizungsanlage
DE102004015563B4 (de) Verfahren zum Vorheizen von Brennstoffzellenstapeln
AT505940B1 (de) Hochtemperaturbrennstoffzellensystem mit abgasrückführung
DE202022104076U1 (de) Brennstoffzellensysteme
DE102018218278A1 (de) Brennstoffzellensysteme mit blockinterner Reformierung
DE112021004486T5 (de) Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R084 Declaration of willingness to licence
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final