СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
FUEL ELEMENTS SYSTEM

Системы топливных элементов используются для преобразования энергии из жидкого и газообразного топлива в электрический ток и тепло. Преобразование энергии происходит бесшумно в топливном элементе и с КПД от 50% до 60% во время преобразования химического продукта в электрическую энергию, в зависимости от выбранной плотности тока в элементе. Преимущества над генератором тока с приводом от двигателя эффективны, в частности, в киловаттном диапазоне в случае малых выходных мощностей, которые требуются для удаленного электроснабжения и для децентрализованного теплоэнергетического взаимодействия. Следовательно, работа по разработке систем топливных элементов выполняется в мировом масштабе, однако до сих пор без какого-либо прорыва на рынке.
Причинами этого являются главным образом высокие издержки производства для законченной, очень сложной системы. Эта система содержит переработку топлива (используя так называемый топливный процессор) с риформинг-установкой и батареей топливных элементов, а также с периферийными компонентами, такими как теплообменники, насосы, клапаны и электрическое устройство для автоматической работы.
Топливные элементы PEM, которые оборудуются полимерными мембранами и спроектированы для функционирования при температурах вплоть до приблизительно 80°C, требуют тонкой очистки от CO у продукта риформинга в диапазоне ppm и дорогого использования водных ресурсов для увлажнения воздуха около катода. В этом случае техническая вода для паровой риформинг-установки может не испаряться с помощью тепла отработанных газов батареи, потому что температура слишком низкая для этого.
Документ WO 2005/084771 A2 описывает компактную риформинг-установку со встроенным испарителем. Она может использоваться для риформинга с КПД вплоть до 80%. Результирующий электрический КПД для всей системы равен 35-40%, если принимаются во внимание потери от 10% до 15% выработки валовой мощности вследствие вспомогательных сборочных узлов, таких как насосы, вентиляторы и преобразователи тока.
Рассматривая высокотемпературные элементы PEM (публикация PEMEAS und Pat), которые стали доступными в последнее время и работают при температурах от 120 до 200°C, тонкая очистка от CO и использование водных ресурсов могут пропускаться, соответственно допуская значительное упрощение процесса. К тому же, тепло отработанных газов у батареи может использоваться для испарения технической воды.
Цель изобретения - дополнительно упростить общий процесс на основе высокотемпературных элементов, чтобы снизить издержки производства и обеспечить более безопасную автоматическую работу. При этом электрический КПД всей системы должен не опускаться ниже уровня в 35-40% и, если возможно, быть даже выше.
Эта цель достигается с помощью системы топливных элементов в соответствии с признаками по п.1 формулы изобретения.
Высокотемпературная батарея и предпочтительно также стадия сдвига или реактор сдвига охлаждаются в прямом контакте с каналами испарения и термостатируются с помощью давления пара. Таким образом, используется тепло отработанных газов по меньшей мере из батареи и, при желании, также из реактора сдвига, соответственно повышая КПД.
Размер и сложность устройства уменьшается. В дополнение к батарее и риформинг-установке, по существу, требуются только воздуходувка, водяной насос, конденсатор, а также немного клапанов и патрубков. Отдельно нагреваемый генератор пара является излишним.
Управление процессом и мониторинг процесса очень простые. Имеется только одна схема управления для температуры риформинг-установки. В отношении массовых расходов топлива, воздуха и воды приблизительно пропорциональное управление является достаточным.
Электрические КПД для всей системы выше, чем у систем предшествующего уровня техники. В сочетании с генератором пара возможно достичь электрического КПД больше 40%, а с помощью использования автотермической риформинг-установки - вплоть до 35%. В обоих случаях итоговый КПД для тока и тепла приблизительно равен 100%.
На чертежах показаны типовые варианты осуществления изобретения. Чертежи предназначены для дополнения описания. Они показывают на
Фиг.1 схематическое представление типового варианта осуществления системы в соответствии с изобретением, и
Фиг.2 измененный вариант осуществления системы в соответствии с изобретением.
Пример в соответствии с фиг.1
Для генерации электрической энергии предоставляется батарея 1 топливных элементов, причем упомянутая батарея работает при температуре около 100°C, предпочтительно при температуре около 120°C. Пар для риформинг-установки формируется с помощью тепла отработанных газов у батареи 1, причем упомянутая батарея термостатируется с помощью давления пара при нужной температуре. Это выполняется посредством каналов 2 испарения, например, в виде одной (или более) труб испарителя, например, сконфигурированных в виде шлангов, размещенных непосредственно на батарее 1, а также посредством нагнетательного клапана 16 на выпуске созданного таким образом испарителя. В простейшем случае, например, в случае постоянной выходной мощности, нагнетательный клапан является настраиваемым клапаном. В случае меняющихся нагрузок упомянутый клапан является, например, подпружиненным поддерживающим давление клапаном. В качестве альтернативы выполненное таким образом поддерживающее давление устройство может также представляться управляемым клапаном с электронным контроллером.
Поскольку автоматическое управление температурой батареи работает только посредством давления пара в области влажного пара, насос 8, предусмотренный для снабжения канала 2 испарения, подает больше воды в испаритель, то есть в каналы 2 испарения, необходимые для испарительного охлаждения. Образуется смесь воды/пара. Избыточная вода отделяется в сепараторе 15, который располагается по ходу поддерживающего давление клапана 16. Вода, отделенная в сепараторе 15, возвращается в буферный резервуар 9.
Количество пара, сформированного батареей, пропорционально энергии, преобразованной в батарее (и соответственно также пропорционально сформированной электрической энергии), и приводит к соотношению S/C (пар/углерод), приблизительно равному пяти. Большой избыток пара, по сравнению с обычным соотношением равным 3, положительно влияет на безопасность процесса и не влияет отрицательно на КПД.
Испарение воды требует, чтобы батарея 1 имела минимальную температуру. Поэтому батарея 1 предпочтительно поддерживается с температурой в режиме ожидания. Это выполняется с помощью сосуда 3 с вакуумной изоляцией, в котором размещается батарея вместе с нагревателем 4.
После риформинга содержание CO в продукте риформинга должно быть снижено в высокотемпературных батареях с 8-12 объемных % до приблизительно 1 объемного %, что достигается с помощью реакции экзотермического сдвига на катализаторах в температурном диапазоне около 200°C. Обычно реактор сдвига является неотъемлемой частью риформинг-установки (см. WO 2005/084771). Настоящее изобретение отходит от этого принципа. Этот температурный диапазон перекрывается температурным диапазоном батареи 1. Упомянутый температурный диапазон составляет, например, 160°-200°. Поэтому предпочтительно, чтобы реактор 5 сдвига, взаимодействующий с каналами 6 испарения, был встроен в термоконтейнер батареи 1. Таким образом, он может также подходить для работы при рабочей температуре с нагревателем 4 в режиме ожидания. К тому же, трубы 2 и 6 испарителя могут соединяться последовательно, чтобы вода/пар могли течь через них последовательно.
Пароструйный насос 17 может соединяться с поддерживающим давление клапаном 16, чтобы питать упомянутый насос. С помощью использования этого насоса и посредством клапана 15, соединенного с всасывающим соединителем упомянутого насоса, забирается топливо, соответственно делая топливный насос излишним. Пароструйный насос выбрасывает смесь пара/топлива на его выпуске. Эта смесь подается в риформинг-установку 23 через теплообменник 20, где она дополнительно нагревается. Теплообменник 20 нагревается с помощью тепла от произведенного продукта риформинга.
Ссылаясь на паровую риформинг-установку в соответствии с фиг.1, следующие компоненты располагаются в изотермическом сосуде 21:
- реактор 23 риформинга, который опосредованно нагревается и заполняется катализатором,
- камера сгорания 24, которая работает рационально в соответствии с принципом беспламенного окисления (FLOX), чтобы избежать образования NOX (окислов азота),
- теплообменник 20, в котором смесь топлива/пара, выбрасываемая струйным насосом 17, предварительно подогревается, предпочтительно противоточно вытекающему продукту риформинга, и
- теплообменник 19, который используется для предварительного подогрева воздуха для горения, перемещаемого вентилятором 13, и отопительного газа, который по существу состоит из остаточного газа от топливного элемента 1, предпочтительно противоточно к отработавшему газу камеры 24 сгорания.
Если высокоэффективные противоточные устройства используются для теплообменников 19 и 20, то КПД у риформинг-установки составляет больше 90%, и соответственно на 10% выше, чем в случае риформинг-установки со встроенным испарителем для низкотемпературных батарей.
Продукт риформинга направляется в реактор 5 сдвига и затем в батарею 1. Остаточный газ, выходящий из батареи, все еще содержит от 15 до 25% запаса энергии продукта риформинга. Этого не вполне достаточно для нагрева продукта риформинга, и поэтому продукт риформинга может быть возвращен в камеру 24 сгорания через клапан 18.
Отработавший газ из камеры 24 сгорания и отработанный воздух батареи 1 охлаждаются в конденсаторе 11 до температуры конденсации, чтобы замкнуть водяной контур. Это приводит к итоговому КПД системы для тока и тепла приблизительно в 100%, относительно нижней теплотворной способности (так называемая работа с теплотворной способностью). К конденсатору 11 подсоединена тепловая развязка, которая может использоваться для отвода тепловой мощности, например, чтобы обогревать здание.
Автоматическое управление всей системой с помощью устройства 25 контроллера очень простое. В зависимости от того, должна система работать с током или теплом в качестве носителя, сигнал отвода 7 тока или для развязки 12 тепла используется для изменения, приблизительно пропорционально,
- подачи топлива с помощью клапана 14,
- воздуха с помощью вентилятора 13, и/или
- количества воды с помощью насоса 8.
Точное соотношение массовых расходов не ослабляет безопасность процесса, потому что вода перемещается в избытке, и количество воздуха также не критично. Только электрический КПД системы несущественно затрагивается. Также вследствие того, что отработавшие газы охлаждаются до конденсации, итоговый КПД очень хороший.
Управление температурой у паровой риформинг-установки, содержащее температурный датчик 22 и клапан 18, представляет собой только обязательную схему управления.
Пример в соответствии с фиг.2
Также возможно соединить систему топливных элементов, в соответствии с изобретением, с автотермической риформинг-установкой. Используя те же знаки ссылок в качестве основы, применяется предыдущее описание. К тому же применяется нижеследующее. Автотермический риформинг топлива обладает некоторыми преимуществами по сравнению с паровым риформингом, например:
- компактное исполнение вследствие того, что отсутствует косвенная передача тепла,
- короткое время запуска, и
- безуглеродная работа даже со старшими углеводородами (с более длинными цепочками) в качестве топлива, например нефтью.
Однако имеется недостаток в том, что остаточный газ из батареи 1, имеющий запас энергии от 15 до 25%, не может использоваться для риформинга. В одинаковой степени падает электрический КПД. Однако итоговый КПД остается на 100%, так как работа происходит в режиме конденсации.
Описания на фиг.2 соответствуют таковым на фиг.1, со следующими отличиями:
Автотермическая риформинг-установка содержит реакционную камеру 26 и теплообменник 27 для предварительного подогрева смеси пара/топлива и воздуха с вытекающим продуктом риформинга. Температура в реакторе 26 управляется с помощью датчика 22 и воздушного клапана 28. Большой избыток пара, который доставляется охладителем батареи, вносит вклад в безопасность процесса, в частности, когда используется сложное топливо (нефть и т.д.). КПД у риформинг-установки выше 90%, когда теплообменник 27 является высокоэффективным противоточным устройством. Остаточный газ, который не прореагировал в батарее, сжигается с воздухом во второй камере 29 сгорания и затем перемещается в конденсатор 11.
Самыми важными преимуществами являются:
- Высокотемпературная батарея, и рационально также стадия сдвига термостатируются в прямом контакте с каналами испарения и с помощью давления пара.
- Размер устройства уменьшается. В дополнение к батарее и риформинг-установке требуются только воздуходувка, водяной насос, конденсатор и немного вентилей и патрубков.
- Управление процессом и мониторинг процесса очень простые. Имеется только одна схема управления для температуры риформинг-установки. Приблизительно пропорциональное управление достаточно для массовых расходов топлива, воздуха и воды.
Электрические КПД всей системы выше, чем у систем предшествующего уровня техники. В сочетании с паровой риформинг-установкой может достигаться электрический КПД выше 40%, и свыше 35% с помощью автотермической риформинг-установки. В обоих случаях итоговый коэффициент эффективности для тока и тепла приблизительно равен 100%.
Чтобы осуществить риформинг, соотношение пара/топлива, так называемое соотношение пара/углерода или соотношение S/C, должно управляться, например, при паровом риформинге, приблизительно при S/C=3. Независимо от выходной мощности топливный элемент выпускает энергию, то есть приблизительно половину как ток и половину как тепло отработанных газов. Если тепло отработанных газов используется для парообразования, результатом является соотношение S/C, равное приблизительно 5. Конечно, это более чем необходимо, однако нет необходимости в измерении и управлении массовыми расходами.
Следовательно, например, температура батареи термостатируется с помощью давления пара в 10 бар и при температуре приблизительно 160°C-180°C, то есть независимо от выходной мощности. Это может достигаться с помощью простого поддерживающего давления клапана.
Система топливных элементов, в соответствии с изобретением, используется для генерации тока и тепла из жидкого и газообразного топлива. Упомянутая система содержит риформинг-установку и батарею топливных элементов, имеющую рабочую температуру свыше 120°C и предоставляющую тепло отработанных газов, которое используется для парообразования в каналах 2 испарения. Каналы 2 испарения размещаются так, чтобы находиться в прямом тепловом контакте с батареей 1, которую нужно охлаждать. На выпуске каналов 2 испарения располагается поддерживающее давление устройство для регулирования давления в упомянутых каналах до значения, которое приведет к нужной температуре батареи.