ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
Известны технические решения по конструкции ТОТЭ, например, пат. РФ №2121191, 2127931, 2199172.
Известно техническое решение (пат. на полезную модель №119523), принятое за прототип, в соответствие с которым высокотемпературный топливный элемент содержит электрохимические секции с теплообменниками-рекуператорами внутреннего реагента, входной теплообменник-рекуператор внешнего реагента, теплоизоляцию, промежуточные теплообменники теплоносителя и трубопроводы подвода и отвода теплоносителя.
Недостатками данного технического решения являются невозможность обеспечить одинаковую по сечению температуру внешнего реагента после теплообменников теплоносителя и возможность лучистого теплообмена между элементами теплообменника и электрохимическими секциями при произвольной конструкции этого теплообменника, что приведет к перекосу температурного поля с возникновением механических напряжений и выходом устройства из строя.
Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является обеспечение одинаковой по сечению температуры внешнего реагента после теплообменника теплоносителя и исключение лучистого теплообмена между элементами теплообменника и электрохимическими секциями, что обеспечивает длительный ресурс ТОТЭ.
Для достижения указанного результата предложен высокотемпературный топливный элемент, содержащий электрохимические секции с теплообменниками-рекуператорами внутреннего реагента, входной теплообменник-рекуператор внешнего реагента, теплоизоляцию, промежуточные теплообменники теплоносителя и трубопроводы подвода и отвода теплоносителя, при этом промежуточный теплообменник состоит из не менее, чем одной секции, состоящей из двух параллельных пучков трубок, расположенных перпендикулярно направлению потока внешнего реагента, пересекающихся в средней части так, что тыльная часть трубок становится фронтальной, трубопровод подвода теплоносителя соединен с тыльной частью трубок, а трубопровод отвода теплоносителя соединен с фронтальной частью трубок. Кроме того, секции промежуточного теплообменника расположены между перфорированными экранами не менее двух с каждой стороны, причем перфорации на экранах раположены так, что исключают прямой лучистый теплообмен между трубками промежуточного теплообменника и электрохимическими секциями.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что промежуточный теплообменник обеспечивает равномерное по сечению охлаждение внешнего реагента, а перфорированные экраны исключают охлаждение электрохимических секций за счет лучистого теплообмена с относительно холодными трубками промежуточного теплообменника теплоносителя.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого высокотемпературного топливного элемента, где
1 - электрохимическая секция с теплообменником-рекуператором внутреннего реагента,
2 - теплообменник-рекуператор внешнего реагента,
3 - теплоизоляция,
4 - промежуточный теплообменник теплоносителя,
5 - трубопровод подвода-отвода теплоносителя.
На фиг.2 показана схема промежуточного теплообменника, состоящего из одной секции вид сбоку, где
6 - тыльная часть трубки теплообменника теплоносителя,
7 - фронтальная часть трубки теплообменника теплоносителя,
8 - ребро теплообменника теплоносителя,
9 - перфорированный экран.
На фиг.3 показан фронтальный вид теплообменника теплоносителя без перфорированных экранов.
На фиг.4 показан фрагмент бокового вида теплообменника теплоносителя.
На фиг.5 и 6 показан вид теплообменника теплоносителя с двумя и тремя секциями.
На фиг.7 показано возможное выполнение перфораций.
Предлагаемый высокотемпературный топливный элемент (фиг.1) состоит из электрохимических секций с теплообменником-рекуператором внутреннего реагента 1, теплообменника-рекуператора внешнего реагента 2, теплоизоляции 3, промежуточных теплообменников теплоносителя 4 и трубопроводов подвода-отвода теплоносителя 5. Промежуточный теплообменник теплоносителя в свою очередь состоит из по крайней мере одной секции (фиг.2) трубчато-ребристого типа с параллельными трубками, имеющими тыльную 6 и фронтальную 7 части, и ребра 8. Секции расположены между перфорированными экранами 9. Тыльные части трубок соединены с подводящими трубопроводами теплоносителя, а фронтальные части трубок соединены с отводящими трубопроводами теплоносителя 5 с помощью коллекторов 10 (фиг.3). Экраны 9 имеют перфорации, выполненные таким образом, что исключают лучистый теплообмен между трубками 6 и 7 теплообменника теплоносителя 4 и электрохимическими секциями 1 (фиг.4). Перфорации могут быть разными, например, щелевыми, как показано на фиг.7. Основное требование к перфорациям: площадь перфораций должна быть не меньше 30% от площади экрана для того, чтобы гидравлическое сопротивление перфорированных экранов соответствовало среднему сопротивлению всего газового тракта.
Теплообменник теплоносителя 4 может иметь несколько секций, в этом случае секции должны быть соединены между собой как показано на фиг.5 и 6.
Предлагаемый высокотемпературный топливный элемент работает следующим образом. Внешний реагент, например, газообразное топливо, омывающий электрохимические модули электрохимических секций 1 снаружи (фиг.1), подается через теплообменник-рекуператор внешнего реагента 2, нагреваясь в нем, в топливный элемент, где последовательно проходит через секции 1 и возвращается в теплообменник-рекуператор 2, отдавая свое тепло входящему потоку внешнего реагента и охлажденным отводится из топливного элемента. Внутренний реагент, например, воздух, поступающий внутрь электрохимических модулей секций 1, подается через теплообменник-рекуператор внутреннего реагента, нагревается в нем, проходит через внутреннее пространство модулей и отводится через теплообменник-рекуператор внутреннего реагента из топливного элемента. В результате электрохимической реакции окисления топлива происходит выработка электроэнергии и выделение тепла. Электроэнергия подается потребителям, а выделяющееся тепло нагревает внешний реагент, который, проходя через промежуточные теплообменники 4, отдает избыточное тепло теплоносителю, отводящему это тепло от топливного элемента, обеспечивая таким образом его стационарный тепловой режим и передавая тепло внешнему потребителю, при этом за счет двух параллельных пучков трубок, расположенных перпендикулярно направлению потока внешнего реагента, пересекающихся в средней части так, что тыльная часть трубок 6 становится фронтальной 7, а трубопровод подвода теплоносителя 5 соединен с тыльной частью трубок 6 и трубопровод отвода теплоносителя 5 соединен с фронтальной частью трубок 7, а также за счет расположения секции промежуточного теплообменника между перфорированными экранами 9 не менее двух с каждой стороны с перфорациями, исключающими прямой лучистый теплообмен между трубками промежуточного теплообменника 6 и 7 и электрохимическими секциями 1, промежуточный теплообменник 4 обеспечивает равномерное температурное поле внутри топливного элемента.
Таким образом, высокотемпературный топливный элемент за счет обеспечения равномерного температурного поля внутри топливного элемента позволит достичь длительного ресурса работы ТОТЭ.