DE102019208893B4

DE102019208893B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102019208893B4
Application number: DE102019208893.7A
Authority: DE
Inventors: Miho Sato; Shigeru Toda
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: JP7103861B2; DE102019208893A1; JP2019220364A

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), welches aufweist:einen ersten Brennstoffzellenstapel (18, 18a, 18b); undeinen zweiten Brennstoffzellenstapel (20, 20a), der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels mit einem Abstand von dem ersten Brennstoffzellenstapel umgibt,wobei jeder des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels Festoxid-Brennstoffzellen enthält,dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung (22), die konfiguriert ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches Festoxid-Brennstoffzellen aufweist.
Beschreibung der verwandten Technik:
Allgemein haben Festoxid-Brennstoffzellen relativ hohe Betriebstemperaturen und daher relativ lange Hochfahr-Zeiten. Um die Hochfahr-Zeit einer solchen Festoxid-Brennstoffzelle zu verkürzen, offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2015-207510 A ein Brennstoffzellensystem mit einem Stapelheizer, um die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels anzuheben, der aus einer Mehrzahl von Festoxid-Brennstoffzellen zusammengesetzt ist. Der Stapelheizer ist an einer Endplatte befestigt, die an einem Ende der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Die DE 699 10 060 T2 zeigt ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die JP 2006-099 992 A beschreibt ein Brennstoffzellensystem, welches aufweist: einen ersten Brennstoffzellenstapel; und einen zweiten Brennstoffzellenstapel, der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels mit einem Abstand von dem ersten Brennstoffzellenstapel umgibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Festoxid-Brennstoffzellen müssen ihre Betriebstemperaturen hoch halten, und daher die Brennstoffzellen-Nutzungsrate verringern, was tendenziell die Stromerzeugungseffizienz im Teillastbetrieb (bei relativ kleinen Lasten) verringert.
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung dieses Problems avisiert worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das die Hochfahr-Zeit effizient verkürzen und eine Minderung in der Stromerzeugungseffizienz während eines Teillastbetriebs vermeiden kann.
Zur Lösung des Problems wird ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 angegeben.
Das Brennstoffzellensystem enthält einen ersten Brennstoffzellenstapel und einen zweiten Brennstoffzellenstapel, der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels mit Abstand von dem ersten Brennstoffzellenstapel umgibt. Jeder des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels enthält Festoxid-Brennstoffzellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, zuerst nur den ersten Brennstoffzellenstapel zu starten, wenn das Brennstoffzellensystem gestartet wird, und daher kann die Wärmekapazität kleiner sein als im Falle des Startens des gesamten Brennstoffzellenstapels (sowohl des ersten Brennstoffzellenstapels als auch des zweiten Brennstoffzellenstapels). Wenn der erste Brennstoffzellenstapel gestartet wird, ist es auch möglich, die vom ersten Brennstoffzellenstapel abgestrahlte Wärme zu nutzen, um die Temperatur des zweiten Brennstoffzellenstapels anzuheben. Dies verkürzt effizient die Hochfahr-Zeit des Brennstoffzellensystems. Es ist ferner möglich, im Teillastbetrieb nur einen des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels zu betreiben, was eine Minderung der Brennstoffzellen-Nutzungsrate vermeidet. Dies vermeidet wiederum eine Minderung der Stromerzeugungseffizienz während eines Teillastbetriebs.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung als illustratives Beispiel gezeigt ist.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Transversalquerschnitt des Systemkörpers;
3 ist ein teilweise weggelassener Längsquerschnitt eines ersten Brennstoffzellenstapels;
4 ist ein teilweise weggelassener Längsquerschnitt eines zweiten Brennstoffzellenstapels;
5A ist ein schematisches Diagramm eines ersten Brennstoffzellenstapels gemäß einer Modifikation; 5B ist ein schematisches Diagramm eines ersten Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Modifikation, und 5C ist ein schematisches Diagramm eines zweiten Brennstoffzellenstapels gemäß einer Modifikation.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungen in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung dient für verschiedene Anwendungen von stationärem Gebrauch bis mobilem Gebrauch. Das Brennstoffzellensystem 10 kann auch als sogenannter tragbarer Stromgenerator verwendet werden.
Wie in 1 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 10 einen Systemkörper 12, eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases zu dem Systemkörper 12, eine Brenngas-Zuführvorrichtung 16 zum Zuführen eines Brenngases zu dem Systemkörper 12 sowie eine Steuereinheit 17.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 10 einen ersten Brennstoffzellenstapel 18, einen zweiten Brennstoffzellenstapel 20, eine erste Heizvorrichtung 22 (Heizvorrichtung), eine zweite Heizvorrichtung 24 (äußere Heizvorrichtung) sowie ein Gehäuse 26. Der ersten Brennstoffzellenstapel 18 enthält eine Mehrzahl von aneinander gestapelten ersten Einheitszellen 28, sowie einen Satz von ersten Endplatten 30, 32, die an beiden Enden der Richtung angeordnet sind, in der die Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 gestapelt sind (der in 1 mit Pfeil A gezeigten Richtung).
Jede erste Einheitszelle 28 ist als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) konfiguriert, die durch eine elektrochemische Reaktion des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases Strom erzeugt. Der erste Brennstoffzellenstapel 18 ist, in Draufsicht in der Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 in einer runden Form ausgebildet (siehe 2). Jedoch kann, in Draufsicht bei Betrachtung in der Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28, der erste Brennstoffzellenstapel 18 auch verschiedene andere Formen haben, einschließlich polygonaler Form, elliptischer Form, halbrunder Form, etc..
In 1 ist der Satz von ersten Endplatten 30, 32 mit einem Verbindungselement (nicht gezeigt) versehen, um auf die Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 in der Stapelrichtung eine Dichtziehkraft auszuüben. Auf einer ersten Endplatte 30 sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34 und ein erster Brenngas-Einlass 36 ausgebildet.
In dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 und ein erster Brenngas-Zuführkanal 40 ausgebildet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 erstreckt sich in der Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28, sodass er durch jede erste Einheitszelle 28 hindurch geht. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 geht durch die eine erste Endplatte 30 hindurch, sodass er mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34 in Verbindung steht. Der erste Brenngas-Zuführkanal 40 erstreckt sich in der Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28, sodass er durch jede erste Einheitszelle 28 hindurch geht. Der erste Brenngas-Zuführkanal 40 geht durch die eine erste Endplatte 30 hindurch, sodass er mit dem ersten Brenngas-Einlass 36 in Verbindung steht.
Wie in 3 gezeigt, enthält jede erste Einheitszelle 28 eine erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42, sowie einen ersten Kathoden-Separator 44 und einen ersten Anoden-Separator 46, die die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 zwischen sich aufnehmen. Der erste Kathoden-Separator 44 und der erste Anoden-Separator 46 können als zweiseitiger Bipolar-Separator strukturiert sein. Die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 enthält einen schichtartigen ersten Elektrolyten 48, eine Kathode 50, die auf einer Oberfläche des ersten Elektrolyten 48 angeordnet ist, sowie eine erste Anode 52, die auf der anderen Oberfläche des ersten Elektrolyten 48 angeordnet ist. Der erste Elektrolyt 48 ist aus einem Oxidionen-Leiter hergestellt, wie etwa zum Beispiel stabilisiertem Zirkoniumoxid.
Eine Barriereschicht (nicht gezeigt) ist an einem Außenumfangsabschnitt der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 ausgebildet, um einen Eintritt und Austritt des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu verhindern. Eine Barriereschicht (nicht gezeigt), um den Eintritt und Austritt des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu verhindern, ist an Teilen der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 ausgebildet, die den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 und den ersten Brenngas-Zuführkanal 40 bilden.
Der erste Kathoden-Separator 44 und der erste Anoden-Separator 46 sind zum Beispiel aus Stahlblechen, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumblechen, galvanisierten Stahlblechen oder Metallblechen hergestellt, die antikorrosiv oberflächenbehandelte Metalloberflächen aufweisen. Der erste Kathoden-Separator 44 und der erste Anoden-Separator 46 sind durch Löten, Diffusionskleben, Laserschweißen oder dergleichen miteinander verbunden.
Der erste Kathoden-Separator 44 hat im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung. Auf der Oberfläche des ersten Kathodenseparators 44, die zu der ersten Kathode 50 weist, ist eine Mehrzahl von ersten Vorsprüngen 56 ausgebildet, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und zu der ersten Kathode 50 hin vorstehen. In anderen Worten, die Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von ersten Vorsprüngen 56 bilden eines erstes Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 auf der Oberfläche des ersten Kathoden-Separators 44, die zu der ersten Kathode 50 weist.
Das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 steht mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 in Verbindung. Der erste Kathoden-Separator 44 ist derart strukturiert, dass das erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 und der erste Brenngas-Zuführkanal 48 nicht miteinander in Verbindung stehen. An einem Außenumfangsabschnitt des ersten Kathoden-Separators 44 ist ein erster Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 60 ausgebildet, der mit einem Zwischenraum (ersten Zwischenraum S1 an der Außenumfangsseite des ersten Brennstoffzellenstapels 18 in Verbindung steht. Der erste Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 60 führt überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas, das bei der Stromerzeugung durch die erste Brennstoffzelle 28 nicht verbraucht wurde, als Abgas von dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 in den ersten Zwischenraum S1 ab.
Der erste Anoden-Separator 46 hat im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 (im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie der erste Kathoden-Separator 44). Auf der Oberfläche des ersten Anoden-Separators 46, die zu der ersten Anode 52 weist, sind eine Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen 62 ausgebildet, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und zu der ersten Anode 52 hin vorstehen. In anderen Worten, die Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen 62 bilden ein erstes Brenngas-Fließfeld 64 auf der Oberfläche des ersten Anoden-Separators 46, die zu der ersten Anode 52 weist.
Das erste Brenngas-Fließfeld 64 steht mit dem ersten Brenngas-Zuführkanal 40 in Verbindung. Der erste Anoden-Separator 46 ist derart strukturiert, dass das erste Brenngas-Fließfeld 64 und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 nicht miteinander in Verbindung stehen. Ein erster Brenngas-Abführkanal 66, der das erste Brenngas-Fließfeld 64 mit dem ersten Zwischenraum S1 verbindet, ist an einem Außenumfangsabschnitt des ersten Anoden-Separators 46 ausgebildet. Der erste Brenngas-Abführkanal 66 führt überschüssiges Brenngas, das bei der Stromerzeugung durch die erste Brennstoffzelle 28 nicht verbraucht wurde, als Abgas von dem ersten Brenngas-Fließfeld 64 in den ersten Zwischenraum S1 ab. Das heißt, der erste Brennstoffzellenstapel 18 entlädt Abgas, das sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas enthält, in den ersten Zwischenraum S1.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist der zweite Brennstoffzellenstapel 20 so angeordnet, dass er den Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels 18 mit Abstand von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 umgibt. Das heißt, der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist in Form eines runden Rings ausgebildet. Jedoch ist der zweite Brennstoffzellenstapel 20 nicht auf das Beispiel einer runden Ringform beschränkt, sondern kann auch in der Form wie ein polygonaler Ring ausgebildet sein. In anderen Worten, der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist als äußerer Stapel konfiguriert, der mit Abstand von und an der Außenumfangsseite des ersten Brennstoffzellenstapels 18 als innerem Stapel angeordnet ist.
Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 enthält eine Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68, die aufeinander gestapelt sind, sowie einen Satz von zweiten Endplatten 70, 72, die an beiden Enden der Stapelrichtung der Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68 angeordnet sind (der in 1 mit Pfeil A angegebenen Richtung). Die Stapelrichtung der Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68 ist die gleiche wie die Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28. Die zweiten Einheitszellen 68 sind als Festoxid-Brennstoffzellen konfiguriert, die durch eine elektrochemische Reaktion des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases Strom erzeugen. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt Strom mittels des sauerstoffhaltigen Gases in dem Abgas, das von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 in den ersten Zwischenraum S1 abgegeben wird.
Der Satz von runden ringförmigen Endplatten 70, 72 ist mit einem Verbindungselement (nicht gezeigt) versehen, um auf die Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68 in der Stapelrichtung eine Dichtziehkraft auszuüben. An der einen zweiten Endplatte 70 ist ein zweiter Brenngas-Einlass 74 ausgebildet.
In dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 ist ein zweiter Brenngas-Zuführkanal 76 ausgebildet. Der zweite Brenngas-Zuführkanal 76 erstreckt sich in der Stapelrichtung der Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68, sodass er durch jede zweite Einheitszelle 68 hindurch geht. Der zweite Brenngas-Zuführkanal 76 geht durch die eine zweite Endplatte 70 hindurch, sodass er mit dem zweiten Brenngas-Einlass 74 in Verbindung steht.
Wie in 4 gezeigt, enthält jede zweite Einheitszelle 68 eine zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78, sowie einen zweiten Kathoden-Separator 80 und einen zweiten Anoden-Separator 82, die die zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 zwischen sich aufnehmen. Der zweite Kathoden-Separator 80 und der zweite Anoden-Separator 82 können als zweiseitiger Bipolar-Separator strukturiert sein. Die zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 enthält einen schichtartigen zweiten Elektrolyten 84, eine zweite Elektrode 86, die auf einer Oberfläche des zweiten Elektrolyten 84 angeordnet ist, sowie eine zweite Anode 88, die auf der anderen Oberfläche des zweiten Elektrolyten 84 angeordnet ist.
Der zweite Elektrolyt 84 ist in der gleichen Weise wie der erste Elektrolyt 48 strukturiert. Eine Barriereschicht (nicht gezeigt) ist an einem Außenumfangsabschnitt und einem Innenumfangsabschnitt der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 ausgebildet, um den Eintritt und Austritt des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu verhindern. Eine Barriereschicht (nicht gezeigt), um den Eintritt und den Austritt des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu verhindern, ist an einem Teil der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 ausgebildet, die den zweiten Brenngas-Zuführkanal 76 bildet.
Der zweite Kathoden-Separator 80 und der zweite Anoden-Separator 82 sind zum Beispiel aus Stahlblechen, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumstahlblechen, galvanisierten Stahlblechen oder Metallblechen mit antikorrosiv oberflächenbehandelten Metalloberflächen gebildet. Der zweite Kathoden-Separator 80 und der zweite Anoden-Separator 82 sind durch Löten, Diffusionskleben, Laserschweißen oder dergleichen miteinander verbunden.
Der zweite Kathoden-Separator 80 hat im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78. Auf der Oberfläche des zweiten Kathoden-Separators 80, die zu der zweiten Kathode 86 weist, ist eine Mehrzahl von dritten Vorsprüngen 92 ausgebildet, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und zu der zweiten Kathode 86 hin vorstehen. In anderen Worten, die Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von dritten Vorsprüngen 92 bilden ein zweites Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 94 auf der Oberfläche des zweiten Kathoden-Separators 80, die zu der zweiten Kathode 86 weist.
Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Einströmkanal 96 zur Verbindung des ersten Zwischenraums S1 mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld ist an einem Innenumfangsabschnitt des zweiten Kathoden-Separators 80 ausgebildet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einströmkanal 96 führt das Abgas (sauerstoffhaltiges Gas), das sich in dem ersten Zwischenraum S1 befindet, in das zweite Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 94. Ein zweiter Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 98, der mit einem Zwischenraum (zweiten Zwischenraum S2) an der Außenumfangsseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 in Verbindung steht, ist an einem Außenumfangsabschnitt des zweiten Kathoden-Separators 80 ausgebildet.
Der zweite Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 98 führt überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas, das bei der Stromerzeugung durch die zweite Einheitszelle 78 nicht verbraucht wurde, als Abgas in den zweiten Zwischenraum S2 ab. Der zweite Kathoden-Separator 80 ist derart strukturiert, dass das zweite Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 94 und der zweite Brenngas-Zuführkanal 76 nicht miteinander in Verbindung stehen.
Der zweite Anoden-Separator 82 hat im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie die zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 (im Wesentlichen die gleichen Dimensionen wie der zweite Kathoden-Separator 80). Auf der Oberfläche des zweiten Anoden-Separators 82, die zu der zweiten Anode 88 weist, sind eine Mehrzahl von vierten Vorsprüngen 100 ausgebildet, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und zu der zweiten Anode 88 hin vorstehen. In anderen Worten, die Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von vierten Vorsprüngen 100 bilden ein zweites Brenngas-Fließfeld 102 auf der Oberfläche des zweiten Anoden-Separators 82, die zu der zweiten Anode 88 weist.
Das zweite Brenngas-Fließfeld 102 steht mit dem zweiten Brenngas-Zuführkanal 76 in Verbindung. Der zweite Anoden-Separator 82 ist derart strukturiert, dass das zweite Brenngas-Fließfeld 102 und der erste Zwischenraum S1 nicht miteinander in Verbindung stehen.
An einem Außenumfangs-Abschnitt des zweiten Anoden-Separators 82 ist ein zweiter Brenngas-Abführkanal 104 ausgebildet, der das zweite Brenngas-Fließfeld 102 mit dem zweiten Zwischenraum S2 verbindet. Der zweite Brenngas-Abführkanal 104 führt überschüssiges Brenngas, das bei der Stromerzeugung durch die zweite Einheitszelle 68 nicht verbraucht wurde, als Abgas von dem zweiten Brenngas-Fließfeld 102 in den zweiten Zwischenraum S2 ab. Das heißt, der zweite Brennstoffzellenstapel 20 führt Abgas, das sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas enthält, in den zweiten Zwischenraum S2 ab.
In den 1 und 2 ist die erste Heizvorrichtung 22 in dem ersten Zwischenraum S1 angeordnet, der ein Zwischenraum zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel 18 und den zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zu erwärmen. Die erste Heizvorrichtung 22 enthält einen ersten Brenner 106 als Brenner, der das vom ersten Brennstoffzellenstapel 18 in den ersten Zwischenraum S1 abgegebene Abgas (sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas) verbrennt. Der erste Brenner 106 enthält einen runden ringförmigen ersten Brennerkörper 108 und erste Verbrennerabschnitte 110, die in dem ersten Brennerkörper 108 mit gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung vorgesehen sind. Der erste Brennerkörper 108 ist an dem Gehäuse 26 befestigt, sodass er die erste Endplatte 30 umgibt.
Die zweite Heizvorrichtung 24 ist in dem zweiten Zwischenraum S2 angeordnet, der ein Zwischenraum zwischen dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 und einer Seitenwand des Gehäuses 26 ist, um den zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zu erwärmen. Die zweite Heizvorrichtung 24 enthält einen zweiten Brenner 112 als Brenner, der das vom zweiten Brennstoffzellenstapel 20 in den zweiten Zwischenraum S2 abgegebene Abgas (sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas) verbrennt. Der zweite Brenner 112 enthält einen runden ringförmigen zweiten Brennerkörper 114 und zweite Verbrennerabschnitte 116, die in dem zweiten Brennerkörper 114 mit gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung vorgesehen sind. Der zweite Brennerkörper 114 ist an dem Gehäuse 26 befestigt, sodass er die zweite Endplatte 70 umgibt.
Die erste Heizvorrichtung 22 und die zweite Heizvorrichtung 24 brauchen nicht notwendigerweise als Brenner konfiguriert zu sein. Insbesondere können die erste Heizvorrichtung 22 und die zweite Heizvorrichtung 24 auch einen elektrischen Heizer und/oder eine Induktionsheizwicklung enthalten. Bevorzugt sind der elektrische Heizer und die Induktionsheizwicklung als erste Heizvorrichtung 22 spiralig in dem ersten Zwischenraum S1 angeordnet, sodass die den ersten Brennstoffzellenstapel 18 zum Beispiel über die volle Länge der Stapelrichtung des ersten Brennstoffzellenstapels 18 umgeben. Dies ist so, weil er dann den ersten Brennstoffzellenstapel 18 insgesamt gleichmäßig und effizient erwärmen kann. Bevorzugt sind der elektrische Heizer und die Induktionsheizwicklung als die zweite Heizvorrichtung 24 spiralig in dem zweiten Zwischenraum S2 angeordnet, sodass sie den zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zum Beispiel über die volle Länge der Stapelrichtung des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 umgeben. Dies ist so, weil er dann den gesamten zweiten Brennstoffzellenstapel 20 gleichmäßig und effizient erwärmen kann.
Das Gehäuse 26 nimmt den ersten Brennstoffzellenstapel 18, den zweiten Brennstoffzellenstapel 20, die erste Heizvorrichtung 22 und die zweite Heizvorrichtung 24 auf. Das Gehäuse hat eine Auslassöffnung (nicht gezeigt), um das Abgas aus dem zweiten Zwischenraum S2 abzuführen.
Wie in 1 gezeigt, enthält die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführweg 118 zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34. Zum Beispiel wird Luft als das sauerstoffhaltige Gas verwendet. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 enthält eine Luftpumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases (der Luft) zu dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführweg 118. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 enthält ferner einen Wärmetauscher (nicht gezeigt) zum Erwärmen des dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34 zugeführten sauerstoffhaltigen Gases mittels des von dem System körper 12 abgegebenen Abgases.
Die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 enthält einen ersten Brenngas-Zuführweg 120, ein erstes Öffnungs-/Schließventil 122, einen zweiten Brenngas-Zuführweg 124 sowie ein zweites Öffnungs-/Schließventil 126. Der erste Brenngas-Zuführweg führt Brenngas dem ersten Brenngas-Einlass 36 zu. Das erste Öffnungs-/Schließventil 122 ist auf dem ersten Brenngas-Zuführweg 120 angeordnet, um den ersten Brenngas-Zuführweg 120 zu öffnen und zu schließen. Der zweite Brenngas-Zuführweg 124 führt das Brenngas dem zweiten Brenngas-Einlass 74 zu. Der zweite Brenngas-Zuführweg 124 zweigt von dem ersten Brenngas-Zuführweg 120 ab. Das zweite Öffnungs-/Schließventil 126 ist auf dem zweiten Brenngas-Zuführweg 124 angeordnet, um den zweiten Brenngas-Zuführweg 124 zu öffnen und zu schließen.
Die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 enthält einen Teiloxidationsreformer (nicht gezeigt), der konfiguriert ist, um durch Reformieren von hauptsächlich Kohlenwasserstoff (zum Beispiel Stadtgas) enthaltendem Rohbrennstoff durch eine Teiloxidationsreaktion mit dem Rohbrennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas ein Brenngas (zum Beispiel Wasserstoffgas) zu erzeugen, das dem Systemkörper 12 zugeführt wird. Die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 kann ferner einen Dampfreformer (nicht gezeigt) enthalten, der konfiguriert ist, um durch Reformieren eines Mischgases von Rohbrennstoff und Dampf Brenngas zu erzeugen, das dem Systemkörper 12 zugeführt wird. In diesem Fall sind der Dampfreformer und der Teiloxidationsreformer seriell verbunden. Die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 enthält ferner eine Rohbrennstoffpumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen des Rohbrennstoffs.
Die Steuereinheit 17 steuert die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 (Luftpumpe) und die Brenngas-Zuführvorrichtung 16 (Rohbrennstoffpumpe). Die Steuereinheit 17 steuert ferner den Antrieb des ersten Öffnungs-/Schließventils 122 und des zweiten Öffnungs-/Schließventils 126. Die Steuereinheit 17 sorgt für eine derartige Steuerung, dass der erste Brennstoffzellenstapel 18 vor dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 gestartet wird.
Nachfolgend wird der Betrieb des auf diese Weise konfigurierten Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.
Beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems 10 wird in diesem zuerst nur der erste Brennstoffzellenstapel 18 gestartet. Das heißt, wie in 1 gezeigt, die Steuereinheit 17 treibt die Luftpumpe (nicht gezeigt) der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 an, um das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführweg 118 den ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeldern 58 durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlass 34 zuzuführen. Das in die ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelder 58 eingeführte sauerstoffhaltige Gas bewegt sich entlang den ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeldern 58, sodass es den ersten Kathoden 50 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen 42 zugeführt wird.
Beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems öffnet, in der Brenngas-Zuführvorrichtung 16, die Steuereinheit 17 das erste Öffnungs-/Schließventil 122 und schließt das zweite Öffnungs-/Schließventil 126. Dann treibt die Steuereinheit 16 die Rohbrennstoffpumpe (nicht gezeigt) der Brenngas-Zuführvorrichtung 16 an, um das Brenngas von dem ersten Brenngas-Zuführweg 120 den ersten Brenngas-Fließfeldern 64 durch den ersten Brenngas-Einlass 36 zuzuführen. Das in die ersten Brenngas-Fließfelder 64 eingeführte Brenngas bewegt sich entlang den ersten Brenngas-Fließfeldern 64, sodass es den ersten Anoden 52 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen 42 zugeführt wird.
Dementsprechend werden in jeder ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 das der ersten Anode 52 zugeführte Brenngas und das der ersten Kathode 50 zugeführte sauerstoffhaltige Gas durch elektrochemische Reaktionen verbraucht, um Strom zu erzeugen. Die Mengen des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases, die dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 zugeführt werden, sind größer als die Mengen des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases, die bei der Stromerzeugung in dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 verbraucht werden. Auch wird dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 mehr überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas als das Brenngas zugeführt.
Überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas in dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 58 wird als Abgas von dem ersten Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 60 in den ersten Zwischenraum S1 abgeführt. Überschüssiges Brenngas in dem ersten Brenngas-Fließfeld 64 wird als Abgas von dem ersten Brenngas-Abführkanal 66 in den ersten Zwischenraum S1 abgeführt.
Das Abgas (Abgas, das sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas enthält), das von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 in den ersten Zwischenraum S1 abgeführt wird, wird als Brennstoff für den ersten Brenner 106 genutzt. Das heißt, der erste Brenner 106 verbrennt das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas in dem Abgas, das von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 in den ersten Zwischenraum S1 abgegeben wird. Der erste Brennstoffzellenstapel 18 und der zweite Brennstoffzellenstapel 20 werden somit erwärmt. Der erste Brennstoffzellenstapel 18 wird somit rasch gestartet.
Wenn die Last des Brennstoffzellenstapels 10 relativ gering ist, wird nur der erste Brennstoffzellenstapel 18 betrieben und wird der zweite Brennstoffzellenstapel 20 nicht betrieben. Wenn andererseits die Last des Brennstoffzellensystems 10 zunimmt, werden sowohl der erste Brennstoffzellenstapel 18 als auch der zweite Brennstoffzellenstapel 20 betrieben.
In diesem Fall öffnet die Steuereinheit 17 das zweite Öffnungs-/Schließventil 126, während es das erste Öffnungs-/Schließventil 122 offen hält. Das Brenngas wird dann von dem zweiten Brenngas-Zuführweg 124 den zweiten Brenngas-Fließfeldern 102 durch den zweiten Brenngas-Einlass 74 zugeführt. In dem Brennstoffzellensystem 10 wird dem zweiten Brenngas-Einlass 74 eine größere Brenngasmenge als die in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 verbrauchte Brenngasmenge zugeführt. Das in die zweiten Brenngas-Fließfelder 102 eingeführte Brenngas bewegt sich entlang den zweiten Brenngas-Fließfeldern 102, sodass es den zweiten Anoden 88 der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 zugeführt wird.
Andererseits wird das in dem ersten Brenner 106 teilweise verbrauchte Abgas zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 geführt. Insbesondere wird das überschüssige sauerstoffhaltiges Gas enthaltende Abgas in die zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfelder 94 durch die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einströmkanäle 96 des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 eingeführt und bewegt sich entlang den zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeldern 94, sodass es den zweiten Kathoden 86 der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnungen 78 zugeführt wird.
Somit werden in jeder zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 das der zweiten Anode 88 zugeführte Brenngas und das der zweiten Kathode 86 zugeführte sauerstoffhaltige Gas durch elektrochemische Reaktionen verbraucht, um Strom zu erzeugen. Dann wird das überschüssige sauerstoffhaltige Gas in dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 94 als Abgas von dem zweiten Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 98 in den zweiten Zwischenraum S2 abgeführt. Überschüssiges Brenngas in dem zweiten Brenngas-Fließfeld 102 wird als Abgas von dem zweiten Brenngas-Abführkanal 104 in den zweiten Zwischenraum S2 abgeführt.
Das Abgas (Abgas, das sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas enthält), das von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 in den zweiten Zwischenraum S2 abgeführt wird, wird als Brennstoff für den zweiten Brenner 112 genutzt. Das heißt, der zweite Brenner 112 verbrennt das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas in dem Abgas, das von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 ab in den zweiten Zwischenraum S2 abgegeben wird. Somit wird der zweite Brennstoffzellenstapel 20 rasch gestartet.
In diesem Fall bietet das Brennstoffzellensystem 10 gemäß dieser Ausführung die folgenden Effekte:

Ein Brennstoffzellensystem 10 enthält einen ersten Brennstoffzellenstapel 18; und einen zweiten Brennstoffzellenstapel 20, der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels 18 mit einem Zwischenraum von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 umgibt. Jeder des ersten Brennstoffzellenstapels 18 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 enthält Festoxid-Brennstoffzellen.

Somit ist es möglich, nur den ersten Brennstoffzellenstapel 18 zu starten, wenn das Brennstoffzellensystem 10 gestartet wird, und daher kann die Wärmekapazität kleiner gemacht werden als im Falle des Startens des gesamten Brennstoffzellenstapels (sowohl des ersten Brennstoffzellenstapels 18 als auch des zweiten Brennstoffzellenstapels 20). Wenn der erste Brennstoffzellenstapel 18 gestartet wird, ist es auch möglich, die von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgestrahlte Wärme zu nutzen, um die Temperatur des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 anzuheben. Dies verkürzt effizient die Hochfahrzeit des Brennstoffzellensystems 10. Es ist weiter möglich, im Teillastbetrieb nur einen des ersten Brennstoffzellenstapels 18 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 zu betreiben, was eine Minderung der Brennstoff-Nutzungsrate vermeidet. Dies wiederum vermeidet eine Minderung der Stromerzeugungseffizienz während Teillastbetrieb.
Der erste Brennstoffzellenstapel 18 entlädt Abgas in einen Zwischenraum (ersten Zwischenraum S1) zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20. Das von dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgeführte Abgas kann dann dazu genutzt werden, die Temperatur des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 anzuheben. Das heißt, der zweite Brennstoffzellenstapel 20 kann in einem warmen Zustand gehalten werden, sodass der zweite Brennstoffzellenstapel 20 rasch in Betrieb genommen werden kann, wenn die Last des Brennstoffzellensystems 10 zugenommen hat.
Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt Strom mittels des vom ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgegebenen Abgases. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 kann somit effizient betrieben werden.
Eine Heizvorrichtung (erste Heizvorrichtung 22), die konfiguriert ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel 18 zu erwärmen, ist in dem Zwischenraum (ersten Zwischenraum S1) zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet. Die Heizvorrichtung (erste Heizvorrichtung 22) kann somit die Temperatur des ersten Brennstoffzellenstapels 18 effizient anheben.
Die Heizvorrichtung (erste Heizvorrichtung 22) enthält einen Brenner (ersten Brenner 106), der das vom ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgegebene Abgas verbrennt. Dies verkürzt effizient die Hochfahrzeit des ersten Brennstoffzellenstapels 18.
Der Brenner (erste Brenner 106) enthält eine Mehrzahl von Brennerabschnitten (ersten Brennerabschnitten 110), die in Umfangsrichtung des ersten Brennstoffzellenstapels 18 mit Abstand voneinander angeordnet sind. Dies macht es möglich, die Temperatur des gesamten ersten Brennstoffzellenstapels 18 gleichmäßig anzuheben.
Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist in einer ringartigen Form konfiguriert. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 unterdrückt somit effizient eine Wärmeabstrahlung des ersten Brennstoffzellenstapels 18.
Das Brennstoffzellensystem 10 enthält ferner eine Steuereinheit 17, die konfiguriert ist, um für eine solche Steuerung zu sorgen, dass der erste Brennstoffzellenstapel 18 vor dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 gestartet wird. Die Steuereinheit 17 braucht somit zuerst nur den ersten Brennstoffzellenstapel 18 starten.
Das Brennstoffzellensystem 10 enthält ferner: eine Brenngas-Zuführvorrichtung 16, die konfiguriert ist, um ein Brenngas dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen; sowie eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14, die konfiguriert ist, um ein sauerstoffhaltiges Gas dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 zuzuführen. Der zweite Brennstoffzellenstapel erzeugt Strom mittels des Abgases, das das vom ersten Brennstoffzellenstapel 18 abgegebene sauerstoffhaltige Gas und das von der Brenngas-Zuführvorrichtung 16 zugeführte Brenngas enthält. Es ist dann möglich, nur einen des ersten Brennstoffzellenstapels 18 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 zu betreiben, wenn das Brennstoffzellensystem 10 bei Teillast oder niedriger Last Strom erzeugt. Dies vermeidet eine Verminderung der Stromerzeugungseffizienz.
Eine äußere Heizvorrichtung (zweite Heizvorrichtung 24), die konfiguriert ist, um den zweiten Brennstoffzellenstapel 20 zu erwärmen, ist an einer Außenumfangsseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 kann somit von der äußeren Heizvorrichtung (zweiten Heizvorrichtung 24) erwärmt werden. Dies verkürzt effizient die Hochfahrzeit des zweiten Brennstoffzellenstapels 20.
Der erste Brennstoffzellenstapel 18 ist aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten ersten Einheitszellen 28 gebildet. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist aus einer Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68 gebildet, die in der gleichen Richtung wie die Mehrzahl der ersten Einheitszellen 28 aufeinander gestapelt sind. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20 ist in Richtung orthogonal zur Stapelrichtung der Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 10 kann somit kompakt gemacht werden.
Nun wird ein erster Brennstoffzellenstapel 18 gemäß einer Modifikation in Bezug auf 5A beschrieben. Für den ersten Brennstoffzellenstapel 18a dieser Modifikation sind gleiche Bauelemente wie jene des oben beschriebenen ersten Brennstoffzellenstapels 18 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und detaillierte Beschreibungen davon werden nicht wiederholt. Das gleiche gilt für einen ersten Brennstoffzellenstapel 18b gemäß einer später beschriebenen anderen Modifikation.
Wie in 5A gezeigt, enthält eine erste Brennstoffzelle 28a des ersten Brennstoffzellenstapels 18 einen Zellkörper 130, einen Gaseinführabschnitt 132 sowie einen Verbindungsabschnitt 134. Der Zellkörper 130 enthält eine erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42. In dem rund geformten Zellkörper 130 ist ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 ausgebildet. In dem rund geformten Gaseinfuhrabschnitt 132 ist ein erster Brenngas-Zuführkanal 140 ausgebildet, der sich entlang der Richtung erstreckt, in der eine Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28 gestapelt sind (der Richtung senkrecht zum Blatt von 5A). Der Verbindungsabschnitt 134 verbindet den Gaseinführabschnitt 132 mit den Zellkörper 130. In dem Verbindungsabschnitt 134 ist ein Gaseinführweg 136 ausgebildet, um das Brenngas in dem ersten Brenngas-Zuführkanal 140 in die erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 des Zellkörpers 130 zu führen.
Gemäß dem ersten Brennstoffzellenstapel 18 wird das Brenngas von dem ersten Brenngas-Zuführkanal 40 der ersten Anode 52 durch den Gaseinführweg 136 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 zugeführt. Der auf diese Weise konfigurierte erste Brennstoffzellenstapel 18a bietet die gleichen Effekte wie der oben beschriebenen erste Brennstoffzellenstapel 18.
In dem ersten Brennstoffzellenstapel 18a kann der erste Brenngas-Zuführkanal 40 in dem Zellkörper 130 ausgebildet werden, und kann der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 in dem Gaseinführabschnitt 132 ausgebildet werden.
Nun wird ein erster Brennstoffzellenstapel 18b gemäß einer anderen Modifikation in Bezug auf 5B beschrieben. Wie in 5B gezeigt, enthält eine erste Einheitszelle 28b des ersten Brennstoffzellenstapels 18b einen Zellkörper 140, einen ersten Gaseinführabschnitt 142, einen ersten Verbindungsabschnitt 144, einen zweiten Gaseinführabschnitt 146 sowie einen zweiten Verbindungsabschnitt 148.
Der rund geformte Zellkörper 140 enthält eine erste Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42. In dem rund geformten ersten Gaseinführabschnitt 142 ist ein erster Brenngas-Zuführkanal 140 ausgebildet, der sich entlang der Stapelrichtung einer Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28b erstreckt (der Richtung senkrecht zum Blatt von 5B). Der erste Verbindungsabschnitt 144 verbindet den ersten Gaseinführabschnitt 142 mit dem Zellkörper 140. In dem ersten Verbindungsabschnitt 144 ist ein erster Gaseinführweg 150 ausgebildet, um das Brenngas in dem ersten Brenngas-Zuführkanal 140 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 des Zellkörpers 140 zu leiten.
In dem rund geformten zweiten Gaseinführabschnitt 146 ist ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 ausgebildet, der sich in der Stapelrichtung einer Mehrzahl von ersten Einheitszellen 28b erstreckt (der Richtung senkrecht zum Blatt von 5B). Der zweite Verbindungsabschnitt 148 verbindet den zweiten Gaseinführabschnitt 146 mit dem Zellkörper 140. In dem zweiten Verbindungsabschnitt 148 ist ein zweiter Gaseinführweg 152 ausgebildet, um das sauerstoffhaltige Gas in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 zur ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 des Zellkörpers 140 zu leiten. Der erste Gaseinführabschnitt 142 und der zweite Gaseinführabschnitt 146 sind an entgegengesetzten Seiten, mit dem dazwischen angeordneten Zellkörper 140, angeordnet. Jedoch können der erste Gaseinführabschnitt 142 und der zweite Gaseinführabschnitt 146 auch an beliebigen Positionen angeordnet werden.
Gemäß dem ersten Brennstoffzellenstapel 18b wird das Brenngas der ersten Anode 52 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 von dem ersten Brenngas-Zuführkanal 40 durch den ersten Gaseinführweg 150 zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas wird der ersten Kathode 50 der ersten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 42 von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 38 durch den zweiten Gaseinführweg 152 zugeführt. Der erste Brennstoffzellenstapel 18b bietet auch die gleichen Effekte wie der oben beschriebene erste Brennstoffzellenstapel 18.
Nun wird ein zweiter Brennstoffzellenstapel 20a gemäß einer Modifikation in Bezug auf 5C beschrieben. Für den zweiten Brennstoffzellenstapel 20a dieser Modifikation werden die gleichen Bauelemente wie jene des oben beschriebenen zweiten Brennstoffzellenstapels 20 mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und detaillierte Beschreibungen davon werden nicht wiederholt.
Wie in 5C gezeigt, enthält eine zweite Einheitszelle 68a des zweiten Brennstoffzellenstapels 20a einen Zellkörper 160, einen Gaseinführabschnitt 162 sowie einen Verbindungsabschnitt 164. Der runde ringförmige Zellkörper 160 enthält eine zweite Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78. In dem rund geformten Gaseinführabschnitt 162 ist ein zweiter Brenngas-Zuführkanal 76 ausgebildet, der sich in der Stapelrichtung einer Mehrzahl von zweiten Einheitszellen 68a erstreckt (der Richtung senkrecht zum Blatt von 5C). Der Verbindungsabschnitt 164 verbindet den Gaseinführabschnitt 162 mit dem Zellkörper 160. In dem Verbindungsabschnitt 164 ist ein Gaseinführweg 166 ausgebildet, um das Brenngas in dem zweiten Brenngas-Zuführkanal 76 zum Zellkörper 160 zu leiten.
Gemäß dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20a wird Brenngas der zweiten Anode 88 der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 von dem zweiten Brenngas-Zuführkanal 67 durch den Gaseinführweg 166 zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas, das in dem Abgas des ersten Brennstoffzellenstapels 18 enthalten ist, wird von dem ersten Zwischenraum S1 der zweiten Kathode 86 der zweiten Elektrolyt-Elektroden-Anordnung 78 des Zellkörpers 160 zugeführt. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20a bietet die gleichen Effekte wie der oben beschriebene Brennstoffzellenstapel 20. Der zweite Brennstoffzellenstapel 20a kann mit dem oben beschriebenen ersten Brennstoffzellenstapeln 18, 18a, 18b geeignet kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben gezeigten Konfigurationen beschränkt. In dem Brennstoffzellensystem 10 kann ein oder können mehrere ringförmige Brennstoffzellen in radialer Richtung an der Außenumfangsseite des zweiten Brennstoffzellenstapels 20, 20a nebeneinander angeordnet werden. Das heißt, in dem Brennstoffzellensystem 10 können drei oder mehr Brennstoffzellen in der radialen Richtung nebeneinander vorgesehen sein.
Zwei oder mehr erste Brennstoffzellenstapel 18, 18a, 18b können innerhalb des zweiten Brennstoffzellenstapels 20, 20a (in dem ersten Zwischenraum S1) vorgesehen sein. In diesem Fall kann die Stromerzeugungsmenge leicht geändert werden, indem die Anzahl des oder der zu betreibenden ersten Brennstoffzellenstapel 18, 18a, 18b geändert wird.
Der zweite Brennstoffzellenstapel kann sich, in Draufsicht von der Stapelrichtung einer Mehrzahl zweiter Einheitszellen, in einer bogenartigen Form erstrecken. In diesem Fall können eine Mehrzahl solcher zweiten Brennstoffzellenstapel in einer runden ringartigen Form vorgesehen und angeordnet werden. Eine überschüssige Menge von Brenngas, im Vergleich zum sauerstoffhaltigen Gas, kann dem ersten Brennstoffzellenstapel 18, 18a, 18b zugeführt werden, und das überschüssige Brenngas kann von dem ersten Zwischenraum S1 dem zweiten Brennstoffzellenstapel 20, 20a zugeführt werden. In diesem Fall ist der zweite Brennstoffzellenstapel 20, 20a mit einem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas versehen, anstelle des zweiten Brenngas-Zuführkanals 76.
Ein Brennstoffzellensystem (10) enthält: einen ersten Brennstoffzellenstapel (18); und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (20), der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels (18) mit einem Abstand von einem ersten Brennstoffzellenstapel (18) umgibt. Jeder des ersten Brennstoffzellenstapels (18) und des zweiten Brennstoffzellenstapels (20) enthält Festoxid-Brennstoffzellen. Der erste Brennstoffzellenstapel (18) gibt Abgas in einen ersten Zwischenraum (S1) ab.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), welches aufweist: einen ersten Brennstoffzellenstapel (18, 18a, 18b); und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (20, 20a), der so angeordnet ist, dass er einen Außenumfang des ersten Brennstoffzellenstapels mit einem Abstand von dem ersten Brennstoffzellenstapel umgibt, wobei jeder des ersten Brennstoffzellenstapels und des zweiten Brennstoffzellenstapels Festoxid-Brennstoffzellen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung (22), die konfiguriert ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Brennstoffzellenstapel Abgas in einen Zwischenraum (S1) zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel abführt.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der zweite Brennstoffzellenstapel unter Verwendung des von dem ersten Brennstoffzellenstapel abgegebenen Abgases Strom erzeugt.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Heizvorrichtung einen Brenner (106) enthält, der zur Verbrennung das Abgas nutzt.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der Brenner eine Mehrzahl von Brennerabschnitten (110) enthält, die in Umfangsrichtung des ersten Brennstoffzellenstapels mit Abstand voneinander angeordnet sind.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der zweite Brennstoffzellenstapel in einer ringartigen Form konfiguriert ist.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-6, das ferner eine Steuereinheit (17) aufweist, die konfiguriert ist, um den ersten Brennstoffzellenstapel so zu steuern, dass er vor dem zweiten Brennstoffzellenstapel startet.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-7, das ferner aufweist: eine Brenngas-Zuführvorrichtung (16), die konfiguriert ist, um dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem zweiten Brennstoffzellenstapel ein Brenngas zuzuführen; und eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung (14), die konfiguriert ist, um dem ersten Brennstoffzellenstapel ein sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen, wobei der zweite Brennstoffzellenstapel unter Verwendung des Abgases, das das vom ersten Brennstoffzellenstapel abgegebene sauerstoffhaltige Gas enthält, und des von der Brenngas-Zuführvorrichtung zugeführten Brenngases Strom erzeugt.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1-8, wobei eine äußere Heizvorrichtung (24), die konfiguriert ist, um den zweiten Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, an einer Außenumfangsseite des zweiten Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.