УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ТОПЛИВНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ
IMPROVED FUEL CELL SYSTEMS AND METHODS RELATED TO FUEL ELEMENTS

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение касается усовершенствованных систем и способов, относящихся к топливным элементам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сведения о топливных элементах, батареях топливных элементов, комплектах батарей топливных элементов и системах, установках и способах, связанных с теплообменниками, хорошо известны обычным специалистам в данной области техники, и, в частности, включают в себя WO 02/35628, WO 03/07582, WO 2004/089848, WO 2005/078843, WO 2006/079800, WO 2006/106334, WO 2007/085863, WO 2007/110587, WO 2008/001119, WO 2008/003976, WO 2008/015461, WO 2008/053213, WO 2008/104760, WO 2008/132493, WO 2009/090419, WO 2010/020797 и WO 2010/061190, которые включены сюда посредством ссылки во всей своей полноте. Определения терминов, используемых в настоящей работе, можно найти, при необходимости, в вышеприведенных публикациях. В частности, настоящее изобретение предпринимает попытки усовершенствовать системы и способы, раскрытые в WO 2008/053213.
Работа систем ТОТЭ (систем на основе твердооксидных топливных элементов) на углеводородном топливе, где батарея топливных элементов работает в диапазоне 450-650°C (среднетемпературный твердооксидный топливный элемент; СТ-ТОТЭ), точнее говоря, в температурном диапазоне 520-620°C, приводит к различным наборам встречающихся технических проблем и требует другого подхода, по сравнению с технологией высокотемпературных ТОТЭ, такой как технология на основе YSZ (оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия), которые обычно работают при температурах >720°C.
Более низкая рабочая температура батареи топливных элементов не придает сама по себе высокие уровни внутреннего риформинга топлива и, таким образом, такие системы обычно требуют наличия высоких уровней риформинга перед достижением топливом батареи топливных элементов.
В таких системах паровой риформинг используют для преобразования потока углеводородного топлива в обогащенный водородом поток продукта риформинга, который подают к анодному входу батареи топливных элементов. Реформер обычно используют в температурном диапазоне 620-750°C таким образом, что выходной продукт риформинга находится в температурном диапазоне 500-750°C, допуская риформинг более 80% углеводородов (таких как природный газ). Поток продукта риформинга затем охлаждают примерно до 350-550°C для входа в батарею топливных элементов примерно при 450°C. Реформер обычно нагревают на выходе горелки хвостовых газов, которая сжигает отходящие газы батареи топливных элементов.
Охлаждение батареи СТ-ТОТЭ достигается в основном за счет управления потоком окислителя над катодной стороной батареи топливных элементов (т.е. для осуществления повышенного охлаждения, большая часть воздуха продувается над катодной стороной батареи топливных элементов). Это отличается от других технологий ТОТЭ, где имеют место более высокие уровни внутреннего риформинга и где результирующий эндотермический эффект реакции внутреннего риформинга действует на поглощение тепловой энергии, выпускаемой из рабочего топливного элемента.
Для достижения вышеуказанной высокой температуры реформера, реформер обычно плотно термически связывают с горелкой хвостового газа батареи топливных элементов (которая сжигает любое остающееся топливо в отходящем анодном газе в окислителе, обычно за счет его сжигания с горячим отходящим катодным газом). При такой компоновке горелку хвостового газа и ее горячие отработанные газы плотно термически связывают с реформером посредством теплообменника, такого как теплообменная поверхность. Обычно реформер размещают таким образом, чтобы он непосредственно прилегал к или находился в контакте с горелкой хвостового газа для того, чтобы как можно больше тепла передавалось от горелки хвостового газа реформеру.
Авторы настоящего изобретения выявили множество технических ограничений, которые отрицательно влияют на настоящие компоновки батарей топливных элементов СТ-ТОТЭ:
1. Ухудшение свойств СТ-ТОТЭ приводит к значительным нелинейным потерям эффективности батареи топливных элементов.
В ходе срока службы топливного элемента, ухудшение свойств топливного элемента приводит к потере электрической эффективности, а следовательно, к повышенной выработке тепла для данного выхода электрической мощности. Управление рабочей температурой батареи топливных элементов является ключевым фактором для рабочих характеристик батареи топливных элементов. Для системы топливных элементов, подача охлаждения для батареи топливных элементов (в частности, насосами/нагнетателями (воздуходувками) к катодной стороне топливного элемента) является существенной паразитной нагрузкой системы (как правило, наибольшей паразитной нагрузкой системы). Поскольку у топливных элементов ухудшаются свойства, это сочетание потерь эффективности и повышенной паразитной нагрузки обеспечивает несоразмерное (т.е. большее, чем линейное, также называемое здесь нелинейным) снижение эффективности на уровне системы.
Дополнительно, поскольку батарея топливных элементов подает электроэнергию для обеспечения охлаждения батареи топливных элементов, механизм положительной обратной связи (т.е. вредного цикла) инициируется потерей эффективности топливного элемента, т.е. батарея топливных элементов становится менее эффективной и вырабатывает больше тепла для данной электрической мощности, и поэтому требует большего охлаждения, что приводит к повышенному потреблению энергии, требуя повышенную выработку энергии, в свою очередь, приводя к дополнительному повышению тепловыделения, требующего дополнительного увеличения охлаждения.
2. Плотное термическое связывание реформера с горелкой хвостового газа приводит к повышенной охлаждающей нагрузке батареи топливных элементов.
Плотное термическое связывание (эндотермическое) реформера топлива с горелкой хвостового газа (ГХГ) означает, что энтальпия потока топлива, покидающего реформер топлива, является функцией общего потока воздуха к батарее топливных элементов. С ухудшением свойств СТ-ТОТЭ, повышенное электрическое сопротивление, а, следовательно, повышенное тепловыделение топливного элемента приводит к повышению температуры реформера, и, следовательно, к повышенному содержанию водорода в преобразованном топливе, в свою очередь, повышая охлаждающую нагрузку батареи топливных элементов в ходе эксплуатации батареи топливных элементов.
Без дополнительной рекуперации тепла для входящего анодного газа между выходом реформера и анодным входом батареи топливных элементов, эта повышенная тепловая энергия передается батарее топливных элементов в качестве дополнительной охлаждающей нагрузки, что дополнительно повышает требования к полной мощности и приводит к дополнительному снижению эффективности системы топливных элементов.
3. Монооксид углерода, получаемый в качестве продукта преобразования, вызывает выпадение углерода и запыление металла, что приводит к ухудшению свойств анодной стороны батареи топливных элементов.
Выпадение углерода из преобразованного топлива оказывает значительное негативное влияние на рабочие характеристики батареи топливных элементов, особенно в ходе продолжительного использования. Поскольку продукт риформинга, содержащий монооксид углерода, покидает реформер и попадает на анодный выход батареи СТ-ТОТЭ, он обычно претерпевает значительное понижение температуры из-за того факта, что реформеры обычно работают при высокой температуре для достижения высокого уровня преобразования. В результате этого температура понижается, равновесие между монооксидом углерода и диоксидом углерода смещается в сторону диоксида углерода - имеет место реакция Будуа, монооксид углерода окисляется до диоксида углерода и осаждается углерод, т.е. происходит выпадание углерода. Это выпадение углерода происходит в форме (i) осаждения твердых частиц угля, которые могут покрывать поверхности и блокировать/ограничивать пути потоков текучей среды, и (ii) запыления металла (работа «Коррозия, вызванная углеродом и азотом: запыление, карбюризация и нитридизация металла», под редакцией H.J. Grabke и M. Schutze, 2007 г., ISBN 9781845692322), где углерод образуется на открытых металлических поверхностях узлов, что приводит к удалению металла из тела компонента с течением времени, с соответствующим негативным влиянием на спецификацию компонента.
Эти ограничения обычно не видны в высокотемпературных системах топливных элементов, поскольку для снижения паразитных нагрузок нагнетателя желательна и несомненно требуется степень внутреннего риформинга, и любой внешний продукт риформинга неизбежно намного ближе к рабочей температуре батареи топливных элементов, и, таким образом, не требует охлаждения через температурный диапазон реакции Будуа.
Настоящее изобретение имеет целью обращение к проблемам, преодоление или смягчение по меньшей мере одного из недостатков предшествующего уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению обеспечена система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) и способы управления СТ-ТОТЭ, как определено в прилагаемых независимых пунктах формулы изобретения. Дополнительные предпочтительные признаки определены в прилагаемых зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечена система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ), содержащая:
(i) по меньшей мере одну батарею топливных элементов, содержащую по меньшей мере один среднетемпературный твердооксидный топливный элемент и имеющую анодный вход, катодный вход, анодный выход отходящего газа, катодный выход отходящего газа и образующую отдельные пути потоков для потока входящего анодного газа, входящего катодного газа, отходящего анодного газа и отходящего катодного газа; и
(ii) паровой реформер, предназначенный для риформинга углеводородного топлива в продукт риформинга и имеющий вход реформера для входящего анодного газа, выход реформера для выпуска входящего анодного газа и теплообменник реформера;
и образующая:
(a) путь потока текучей среды входящего анодного газа от источника топлива до упомянутого парового реформера к анодному входу упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов;
(b) путь потока текучей среды отходящего анодного газа от анодного выхода отходящего газа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов к выпуску системы топливных элементов;
(c) путь потока текучей среды входящего катодного газа от по меньшей мере одного входа окислителя до упомянутого теплообменника реформера к катодному входу упомянутой по меньшей мере одной батарее топливных элементов; и
(d) путь потока текучей среды отходящего катодного газа от катодного выхода отходящего газа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов до упомянутого выпуска системы топливных элементов;
при этом упомянутый теплообменник реформера представляет собой прямоточный теплообменник в проточном сообщении с (i) упомянутым по меньшей мере одним входом окислителя и катодным входом упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов, и (ii) упомянутым источником топлива и анодным входом упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов и предназначен для теплообмена между упомянутым входящим катодным газом и упомянутым входящим анодным газом.
Сделанная здесь ссылка на этапы способа также является ссылкой на систему по настоящему изобретению, выполненную с возможностью или предназначенную для выполнения таких этапов способа.
Во избежание сомнений, сделанная здесь ссылка на прямоточные теплообменники относится к теплообменникам с совместными потоками.
Предпочтительно, чтобы упомянутая по меньшей мере одна батарея топливных элементов представляла собой нанесенную на металл батарею СТ-ТОТЭ, более предпочтительно, как задано в US6794075. Предпочтительно, чтобы СТ-ТОТЭ имел стабильный режим управления температурой в диапазоне 400-650°C, более предпочтительно 450-650°C, более предпочтительно 520-620°C.
Предпочтительно, чтобы каждая по меньшей мере одна батарея топливных элементов содержала по меньшей мере один слой батареи топливных элементов, каждый по меньшей мере один слой батареи топливных элементов содержал по меньшей мере один топливный элемент, соединения входа/выхода топлива и окислителя и пути потоков для потока или потоков топлива и окислителя, и для используемого потока или потоков топлива и окислителя несущую пластину батареи топливных элементов и концевую пластину батареи топливных элементов. Предпочтительно, чтобы каждая батарея топливных элементов дополнительно содержала концевые пластины батареи топливных элементов и средство сжатия батареи топливных элементов. Предпочтительно, чтобы каждая батарея топливных элементов дополнительно содержала межсоединения батареи. Предпочтительно, чтобы межсоединения батареи топливных элементов представляли собой пластины из электропроводящего газонепроницаемого металла.
Тот факт, что теплообменник реформера представляет собой прямоточный теплообменник и предназначен для теплообмена между входящими катодным и анодным газами перед их входом в упомянутый по меньшей мере один топливный элемент, означает, что выходная температура входящих катодного и анодного газов от реформера и теплообменника реформера, а следовательно, температуры входа к катодной и анодной сторонам по меньшей мере одной батареи топливных элементов, находятся очень близко друг к другу.
Разность температур между входящими анодным и катодным газами в упомянутом по меньшей мере одном топливном элементе определяется в первую очередь рабочими характеристиками теплообменника реформера. Например, при стационарном режиме эксплуатации, разность температур между входящими анодным и катодным газами в по меньшей мере одной батарее топливных элементов может находиться в пределах 20°C, более обычно в пределах 15°C.
Эта прямоточная компоновка демонстрирует ряд значительных преимуществ. В частности, это означает, что термическое напряжение на электролитическом слое упомянутого по меньшей мере одного топливного элемента значительно снижено по сравнению с системами топливных элементов по предшествующему уровню техники. Путем снижения термического напряжения, скорость ухудшения свойств электролита с течением времени может быть снижена.
Как подробно разъяснено выше, выпадение угля представляет собой значительную проблему в топливных элементах, в частности, в течение их полного срока службы. Крайне желательно снизить степень выпадения угля или по меньшей мере минимизировать степень выпадения угля, которое возникает в упомянутом по меньшей мере одном топливном элементе и в трубопроводе между реформером и упомянутой по меньшей мере одной батареей топливных элементов/по меньшей мере одним топливным элементом. Эти компоненты обычно трудны для доступа в конечном продукте и как таковые они, как правило, непригодны для удобного технического обслуживания, особенно в отечественной продукции.
Близость выходной температуры входящего анодного газа от температуры реформера, а следовательно, температуры входа к анодной стороне по меньшей мере одной батареи топливных элементов, означает, что риск выпадения угля между реформером и по меньшей мере одной батареей топливных элементов значительно снижен.
Там, где система СТ-ТОТЭ приспособлена для выходной температуры входящего анодного газа, выходящего из реформера, которая близка к рабочей температуре по меньшей мере одной батареи топливных элементов, риск выпадения угля в упомянутой по меньшей мере одной батарее топливных элементов также дополнительно снижен.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала по меньшей мере один нагреватель окислителя, расположенный на упомянутом пути потока текучей среды входящего катодного газа между упомянутым входом окислителя и упомянутым теплообменником реформера, по меньшей мере один нагнетатель окислителя, датчик температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов, датчик температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов и средство управления, предназначенное для управления упомянутым нагнетателем окислителя и нагрева входящего окислителя упомянутым нагревателем окислителя для поддержания датчика температуры упомянутого входящего катодного газа при или около заданной температуры, а датчика температуры упомянутого отходящего катодного газа - при или около другой заданной температуры. В этом контексте, на протяжении всего описания термин «поддержание» включает в себя случай, когда датчик температуры входящего катодного газа не находится при или около заданной температуры до того, как средство управления начнет управлять упомянутым нагнетателем окислителя и нагревом входящего окислителя упомянутым нагревателем окислителя. Аналогично, в этом контексте на протяжении всего описания термин «поддержание» включает в себя случай, когда датчик температуры отходящего катодного газа не находится при или около заданной температуры до того, как средство управления начнет управлять упомянутым нагнетателем окислителя и нагревом входящего окислителя упомянутым нагревателем окислителя.
Предпочтительно, чтобы датчик температуры входящего катодного газа поддерживался в пределах 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 или 50°C от заданной температуры, наиболее предпочтительно в пределах 5°C от заданной температуры.
Предпочтительно, чтобы датчик температуры отходящего катодного газа мог быть поддержан в пределах 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 или 50°C от заданной температуры, наиболее предпочтительно в пределах 5°C от заданной температуры.
Предпочтительно, чтобы основной путь потока входящего катодного газа (также называемый «основным путем входящего окислителя») проходил от входа окислителя к входу окислителя теплообменника реформера.
Предпочтительно, чтобы путь потока входящего газа через обходной воздушный путь (также называемый «обходным путем входящего окислителя») проходил от входа окислителя до входа окислителя теплообменника реформера.
Предпочтительно, чтобы вторичный путь потока входящего газа через обходной воздушный путь проходил от входа окислителя до пути потока текучей среды отходящего катодного газа реформера, т.е. между выходом окислителя теплообменника реформера и катодным входом батареи топливных элементов, более предпочтительно - между выходом окислителя теплообменника реформера и температурным датчиком входящего катодного газа батареи топливных элементов.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала по меньшей мере один нагреватель окислителя, расположенный на упомянутом пути потока текучей среды входящего катодного газа между упомянутым входом окислителя и упомянутым теплообменником реформера.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала основной путь входящего окислителя от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя к упомянутому теплообменнику реформера до катодного входа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов, и по меньшей мере один обходной путь входящего окислителя от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя до катодного входа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов, и/или от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя к упомянутому теплообменнику реформера до катодного входа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов.
Предпочтительно, чтобы упомянутый по меньшей мере один нагреватель окислителя был расположен на упомянутом основном пути входящего окислителя.
Таким образом, по меньшей мере один источник тепла не нуждается в управлении (до тех пор, пока он способен обеспечивать требуемую степень тепла), а вместо этого требуется изменять поток окислителя через основной путь и обходной путь для достижения требуемой температуры входящего катодного газа.
Согласно этой компоновке, упомянутый по меньшей мере один нагреватель окислителя не находится по меньшей мере на одном обходном пути входящего окислителя.
Упомянутый по меньшей мере один обходной путь входящего окислителя от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя до катодного входа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов не проходит через теплообменник реформера. Такой обходной путь допускает степень независимого управления температурой катодного входящего газа после того, как он покинул теплообменник реформера.
Предпочтительно, чтобы упомянутый по меньшей мере один обходной путь входящего окислителя содержал по меньшей мере два обходных пути входящего окислителя: один от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя до катодного входа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов, а другой - от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя до упомянутого входа теплообменника реформера к катодному входу упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала по меньшей мере один нагнетатель окислителя, расположенный на упомянутом основном пути входящего окислителя и/или на упомянутом по меньшей мере одном обходном пути входящего окислителя. По меньшей мере один нагнетатель может представлять собой одиночный нагнетатель. Одиночный нагнетатель может быть расположен на упомянутом основном пути входящего окислителя и на упомянутом по меньшей мере одном обходном пути входящего окислителя.
По меньшей мере один нагнетатель может представлять собой два нагнетателя. Два нагнетателя могут быть расположены, соответственно, на упомянутом основном пути входящего окислителя и упомянутом по меньшей мере одном обходном пути входящего окислителя. По меньшей мере один обходной путь входящего окислителя может представлять собой одиночный обходной путь входящего окислителя.
По меньшей мере один нагнетатель может представлять собой три нагнетателя. По меньшей мере два обходных пути входящего окислителя могут представлять собой два обходных пути входящего окислителя. Три нагнетателя могут быть расположены, соответственно, на упомянутом основном пути входящего окислителя и на упомянутых двух обходных путях входящего окислителя.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала по меньшей мере один регулируемый разделитель потока входящего окислителя, для управления потоком входящего окислителя между упомянутым по меньшей мере одним обходным путем входящего окислителя и упомянутым основным путем входящего окислителя.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала регулируемый разделитель потока входящего окислителя для управления потоком входящего окислителя между упомянутым одним обходным путем входящего окислителя и упомянутым другим обходным путем входящего окислителя. Это позволяет управлять расходом окислителя как к теплообменнику реформера, так и к по меньшей мере одному катодному входу батареи топливных элементов от одиночного источника.
Предпочтительно, чтобы было обеспечено средство управления, которое предназначено для контроля по меньшей мере одного нагнетателя и/или по меньшей мере одного регулируемого разделителя потока входящего окислителя, предпочтительно, для поддержания упомянутого датчика температуры входящего катодного газа при или около заданной температуры, а упомянутого датчика температуры отходящего катодного газа - при или около другой заданной температуры.
Предпочтительно, чтобы был обеспечен дополнительный датчик температуры. Упомянутый дополнительный датчик температуры предпочтительно представляет собой датчик температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов. Могут быть обеспечены другие дополнительные датчики. Предпочтительно, чтобы средство управления было предназначено для контроля упомянутого по меньшей мере одного нагнетателя окислителя или упомянутого по меньшей мере одного регулируемого разделителя потока входящего окислителя для поддержания упомянутого датчика температуры входящего катодного газа и/или упомянутого датчика температуры отходящего катодного газа и/или датчика температуры входящего анодного газа упомянутой батареи топливных элементов при или около заданной температуры.
Предпочтительно, чтобы обходной путь входящего окислителя соединялся с путем потока входящего катодного газа между теплообменником реформера и катодным входом, более предпочтительно - между выходом окислителя теплообменника реформера и температурным датчиком входящего катодного газа батареи топливных элементов. Предпочтительно, чтобы нагнетатель окислителя или регулируемый разделитель потока входящего окислителя располагался на упомянутом обходном пути входящего окислителя. Предпочтительно, чтобы средство управления было предназначено для управления упомянутым нагнетателем окислителя или упомянутым регулируемым разделителем потока входящего окислителя для поддержания датчика температуры упомянутого входящего катодного газа и/или датчика температуры упомянутого отходящего катодного газа и/или датчика температуры входящего анодного газа упомянутой батареи топливных элементов при или около заданной температуры.
Предпочтительно, чтобы обходной путь входящего окислителя соединялся с путем потока входящего катодного газа между входом окислителя пути потока входящего катодного газа и теплообменником реформера, более предпочтительно по меньшей мере между одним нагревателем окислителя и теплообменником реформера. Предпочтительно, чтобы нагнетатель окислителя или регулируемый разделитель потока входящего окислителя был расположен на упомянутом обходном пути входящего окислителя. Предпочтительно, чтобы средство управления было предназначено для управления упомянутым нагнетателем окислителя или упомянутым регулируемым разделителем потока входящего окислителя для поддержания датчика температуры упомянутого входящего катодного газа и/или датчика температуры упомянутого отходящего катодного газа и/или упомянутого датчика температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов при или около заданной температуры.
Заданные температуры могут быть определены со ссылкой на таблицу предпочтительных температур, например, со ссылкой на заданную выходную мощность или заданный расход топлива. Эти заданные температуры также могут называться рабочими заданными значениями или требуемыми рабочими заданными значениями. Для батареи топливных элементов с выходной электрической мощностью 1 кВт, заданная температура для датчика температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов может составлять примерно 540°C. Предпочтительно, чтобы заданная температура для датчика температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов находилась в диапазоне 530-570°C. Для батареи топливных элементов с входной электрической мощностью 1 кВт заданная температура для датчика температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов может составлять примерно 610°C. Предпочтительно, чтобы заданная температура для датчика температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов находилась в диапазоне 580-620°C.
Сделанная здесь ссылка на выходную электрическую мощность батареи топливных элементов отлична от выходной электрической мощности системы топливных элементов и не включает в себя мощность, потребляемую самой системой топливных элементов, например, для устройства управления и нагнетателей, и т.д.
Предпочтительно, чтобы средство управления было предназначено для поддержания датчика температуры входящего катодного газа и датчика температуры отходящего катодного газа при или около заданных температур, когда система топливных элементов находится в стационарном режиме работы.
Более предпочтительно, чтобы средство управления было предназначено для поддержания датчика температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов при температуре примерно 520-600°C, более предпочтительно примерно 530-570°C, более предпочтительно примерно 540°C, а температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов - при температуре примерно 550-650°C, более предпочтительно 580-620°C, более предпочтительно примерно 610°C.
Предпочтительно, чтобы средство управления было предназначено для поддержания входящего анодного газа батареи топливных элементов при температуре примерно 520-600°C, более предпочтительно примерно 530-570°C. Предпочтительно, чтобы средство управления было предназначено для поддержания отходящего анодного газа батареи топливных элементов при температуре примерно 550-650°C, более предпочтительно примерно 580-620°C.
Предпочтительно, чтобы средство управления было выполнено с дополнительной возможностью управления потоком топлива и воды к системе топливных элементов от источника топлива и подачей воды.
Предпочтительно, чтобы средство управления было выполнено с возможностью управления, более предпочтительно для контроля и управления электрической мощностью, подаваемой от системы топливных элементов на электрическую нагрузку.
Этот контроль температуры на двух отдельных точках на пути потока окислителя удобно достигается путем сочетания:
(i) управления нагревом катодного входящего газа, и
(ii) управления массовым расходом входящего катодного газа.
Таким образом, функционируют два независимых контура управления.
Первый контур управления существует для управления температурой входящего катодного газа в упомянутой по меньшей мере одной батарее топливных элементов. Средство управления предназначено для усиления нагрева входящего окислителя по меньшей мере одним нагревателем окислителя, если температура входящего катодного газа, определяемая температурным датчиком входящего катодного газа, находится ниже заданной температуры, и наоборот.
Таким образом, можно управлять температурой входящего катодного газа в упомянутой по меньшей мере одну батарее топливных элементов.
Это в свою очередь означает, что также поддерживается температура входящего анодного газа в упомянутой по меньшей мере одной батарее топливных элементов, и что это поддерживается независимо от изменений (а, следовательно, и от вызванными им требованиями по теплу) в массовом расходе входящего окислителя и топлива и изменений в температурах входящих окислителя и топлива, подаваемых к системе СТ-ТОТЭ.
Второй контур управления существует для управления температурой отходящего катодного газа по меньшей мере одной батареи топливных элементов. Поскольку температурой входящего катодного газа в по меньшей мере одной батарее топливных элементов управляют отдельно, температурой отходящего катодного газа управляют путем изменения массового расхода окислителя через по меньшей мере одну батарею топливных элементов.
Таким образом, средство управления предназначено для повышения массового расхода входящего катодного газа, если температура отходящего катодного газа, определенного температурным датчиком отходящего катодного газа батареи топливных элементов, находится выше заданной температуры, и наоборот.
Это обеспечивает значительное преимущество простой и удобной самонастраивающейся системы управления, которая поддерживает катодный вход батареи топливных элементов и выходные температуры (и, таким образом ΔΤ на батарее топливных элементов) в управляемом диапазоне.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала:
- регулируемый разделитель потока входящего окислителя;
- обходной путь входящего окислителя; и
- основной путь входящего окислителя,
причем упомянутое средство управления предназначено для управления упомянутым регулируемым разделителем потока входящего окислителя для управления потоком входящего окислителя между упомянутым обходным путем входящего окислителя и упомянутым основным путем входящего окислителя, причем упомянутый по меньшей мере один нагреватель окислителя расположен на упомянутом основном пути входящего окислителя.
Таким образом, обходной путь входящего окислителя действует для обхода по меньшей мере одного нагревателя окислителя. В других вариантах воплощения обходной путь входящего окислителя действует для обхода упомянутого реформера/теплообменника реформера.
Таким образом, по меньшей мере один источник тепла не нуждается в управлении (до тех пор, пока он способен обеспечивать требуемое количество тепла), и вместо этого, для достижения требуемой температуры входящего катодного газа изменяют поток окислителя через основной путь и обходной путь.
Предпочтительно, чтобы регулируемый разделитель потока входящего окислителя, обходной путь входящего окислителя и основной путь входящего окислителя были расположены по меньшей мере между одним нагнетателем окислителя и теплообменником реформера.
Обычному специалисту в данной области техники должны быть ясны и другие компоновки. Например, в системе СТ-ТОТЭ могут быть обеспечены множественные входы окислителя, например, вход нагретого окислителя и вход ненагретого окислителя, вместе с установкой клапана и/или нагнетателя для управления потоком через такие выходы или от них.
Предпочтительно, чтобы СТ-ТОТЭ дополнительно содержала:
обходной путь входящего окислителя от входа окислителя до упомянутого теплообменника реформера и первый нагнетатель, и
основной путь входящего окислителя от входа окислителя до упомянутого реформера и второй нагнетатель,
причем упомянутое средство управления выполнено с возможностью управления упомянутыми первым и вторым нагнетателями для управления потоком входящего окислителя между упомянутым обходным путем входящего окислителя и упомянутым основным путем входящего окислителя, причем упомянутый по меньшей мере один нагреватель окислителя расположен на упомянутом основном пути входящего окислителя.
Конструкция прямоточного теплообменника реформера означает, что качество продукта риформинга (т.е. степень риформинга входящего топлива) незначительно подвержено влиянию расходов текучей среды и (как функция температура реформера) непосредственно связано с температурой катодного входа (окислителя) батареи топливных элементов. Температурой окислителя, подаваемого в батарею топливных элементов, управляют путем изменения соотношений входящего окислителя, поступающего через основной путь входящего окислителя и через обходной путь входящего окислителя. Таким образом, входящий окислитель, пропускаемый к катодному входу упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов при ухудшении свойств батареи топливных элементов может поддерживаться при в целом постоянной температуре.
Поскольку у батареи топливных элементов ухудшаются свойства, расход входящего окислителя до теплообменника реформера (и до батареи топливных элементов) повышается для поддержания желаемой температуры или достижения заданной температуры на температурном датчике входящего катодного газа батареи топливных элементов, и поэтому энтальпия общего потока повышается. Однако природа совместного потока теплообменника реформера означает, что результирующее повышение выходной температуры продукта риформинга значительно меньше, чем в случае, если расход входящего окислителя не был повышена, а вместо этого была повышена температура на температурном датчике входящего катодного газа батареи топливных элементов. Таким образом, качество продукта риформинга поддерживают в течение всего срока службы системы, а уровень внутреннего риформинга при использовании способа, который осуществляют в установках батарей топливных элементов согласно уровню техники, не понижается.
В настоящем изобретении связь температуры реформера с температурами катодного и анодного входа батареи топливных элементов означает, что изменение температуры для потока на анодном входе, проходящим от реформера (т.е. продукта риформинга) до анодного входа батареи топливных элементов относительно невелико, что, в свою очередь, означает, что риск выпадения углерода значительно снижен по сравнению с устройствами предшествующего уровня техники.
Поскольку у батареи топливных элементов ухудшаются свойства и уменьшается электрический коэффициент полезного действия, тепло, высвобожденное батареей топливных элементов, увеличивается, что требует повышения расхода катодного окислителя для поддержания температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов.
Таким образом, хотя увеличение потока на входе окислителя к батарее топливных элементов приводит к повышенному энергопотреблению нагнетателя, настоящее изобретение предполагает, что увеличение потока на входе окислителя не изменяет качества продукта риформинга, что, в свою очередь, означает, что поддерживается величина эндотермического внутреннего риформинга на батарея топливных элементов, что, в свою очередь, означает, что дальнейшее дополнительное охлаждение батареи топливных элементов не требуется.
Прямоточная компоновка теплообменника реформера и результирующая тесная связь температур на входе с катодной и анодной сторонами батареи топливных элементов также снижает термические напряжения через слои электролита (керамического) топливного элемента, и, таким образом, повышается эксплуатационный срок службы электролита топливного элемента.
Предпочтительно, чтобы поток продукта риформинга от выхода реформера был в непосредственном проточном сообщении с анодным входом по меньшей мере одной батареи топливных элементов. Предпочтительно, чтобы катодный выход от теплообменника реформера был в непосредственном проточном сообщении с катодным входом по меньшей мере одной батареи топливных элементов.
Предпочтительно, чтобы нагреватель окислителя содержал по меньшей мере один теплообменник.
Более предпочтительно, чтобы упомянутый по меньшей мере один нагреватель окислителя содержал теплообменник-подогреватель окислителя в проточном сообщении с по меньшей мере одним из анодного выхода отходящего газа упомянутой батареи топливных элементов и катодного выхода отходящего газа упомянутой батареи топливных элементов, и был предназначен для теплообмена между (a) потоком газа от упомянутого по меньшей мере одного из анодного выхода отходящего газа упомянутой батареи топливных элементов и упомянутого катодного выхода отходящего газа упомянутой батареи топливных элементов и (b) упомянутым входящим окислителем.
Таким образом, горячий анодный и/или катодный поток газа, покидающий по меньшей мере одну батарею топливных элементов, используют для нагрева потока входящего окислителя к теплообменнику реформера.
Еще более предпочтительно, чтобы система топливных элементов дополнительно содержала горелку хвостового газа в проточном сообщении с анодным и катодным выходами отходящих газов упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов, имеющую выпуск горелки хвостового газа, образующую путь потока текучей среды от анодного и катодного выходов отходящих газов упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов до упомянутого выпуска горелки хвостового газа к упомянутому теплообменнику-подогревателю окислителя, к упомянутому выпуску системы топливных элементов.
Таким образом, топливо, остающееся в отходящем анодном газе по меньшей мере одной батареи топливных элементов, сжигается, а выработанное тепло используется для нагрева входящего окислителя. Минимальная температура выпуска горелки хвостового газа требуется для удовлетворения требованиям по газовым выбросам. Если температура выпуска горелки хвостового газа падает ниже этого минимального значения, дополнительное непреобразованное топливо подается непосредственно к горелке хвостового газа от источника топлива для повышения температуры выпуска горелки хвостового газа.
Предпочтительно, чтобы горелка хвостового газа дополнительно содержала топливный вход горелки хвостового газа. Предпочтительно, чтобы система топливных элементов дополнительно содержала датчик температуры горелки выпуска хвостового газа, причем средство управления выполнено с возможностью подачи дополнительного топлива для горелки хвостового газа через топливный вход горелки хвостового газа, когда температура, выявленная датчиком температуры горелки выпуска хвостового газа, становится ниже заданной температуры. Предпочтительно, чтобы топливный вход горелки хвостового газа был приспособлен для подачи непреобразованного топлива к горелке хвостового газа, т.е. был непосредственно соединен (имел бы непосредственное проточное сообщение) с источником топлива, более предпочтительно с источником непреобразованного топлива.
Предпочтительно, чтобы нагреватель окислителя содержал теплообменник отходящего анодного газа в проточном сообщении с анодным выходом отходящего газа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов и был предназначен для теплообмена между (a) потоком газа от упомянутого анодного выхода отходящего газа и (b) упомянутым входящим окислителем.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала теплообменник-конденсатор, расположенный на пути потока текучей среды отходящего анодного газа между упомянутым теплообменником отходящего анодного газа и упомянутой горелкой хвостового газа, причем упомянутый теплообменник-конденсатор предназначен для теплообмена между упомянутым отходящим анодным газом и охлаждающей текучей средой. Более предпочтительно, чтобы теплообменник-конденсатор был выполнен с возможностью того, чтобы заставить температуру отходящего анодного газа быть ниже точки конденсации воды.
Предпочтительно, чтобы охлаждающая текучая среда была частью системы с охлаждающей текучей средой. Предпочтительно, чтобы система с охлаждающей текучей средой была частью теплоэлектроцентрали (CHP, блока комбинированной выработки тепла и электроэнергии), где систему охлаждения управляемым образом используют для подачи тепла от отходящего анодного газа, для использования блоком CHP, например, для нагрева горячей воды или термоаккумулятора. Другие системы с охлаждающей текучей средой должны быть очевидны обычному специалисту в данной области техники. Примеры включают в себя систему радиатора, где тепловая энергия от отходящего анодного газа передается через охлаждающую текучую среду к радиатору, который, в свою очередь, передает тепловую энергию другой текучей среде, охлаждая, таким образом, охлаждающую текучую среду.
Предпочтительно, чтобы охлаждающая текучая среда была использована для отвода достаточной тепловой энергии от отходящего анодного газа с тем, чтобы снизить температуру отходящего анодного газа до уровня ниже точки конденсации воды, позволяя, таким образом, воде конденсироваться из отходящего анодного газа.
Более предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала сепаратор, расположенный на пути потока текучей среды отходящего анодного газа между упомянутым теплообменником-конденсатором и упомянутой горелкой хвостового газа, причем упомянутый сепаратор предназначен для отделения конденсата от упомянутого отходящего анодного газа. Еще более предпочтительно, чтобы сепаратор дополнительно содержал выход сепаратора для конденсата и был предназначен для выпуска упомянутого конденсата через упомянутый выход для конденсата.
Конденсат представляет собой воду, и, таким образом, сепаратор может быть использован для подачи воды к парогенератору и/или к паровому реформеру.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ содержала как теплообменник-подогреватель окислителя, так и теплообменник отходящего анодного газа, а путь потока текучей среды входящего катодного газа проходит от упомянутого входа окислителя до упомянутого теплообменника отходящего анодного газа к упомянутому теплообменнику-подогревателю окислителя, к упомянутому теплообменнику реформера. Как отмечено выше, в определенных вариантах воплощения существует несколько путей потоков входящего окислителя, в частности, основной путь потока входящего окислителя и обходной путь потока входящего окислителя. В таких случаях путь потока текучей среды входящего катодного газа, который проходит от упомянутого входа окислителя до упомянутого теплообменника отходящего анодного газа к упомянутому теплообменнику-подогревателю окислителя, к упомянутому теплообменнику реформера представляет собой основной путь потока входящего окислителя.
С помощью систем по настоящему изобретению можно управлять температурами на входе и на выходе батареи топливных элементов.
Предпочтительно, чтобы система СТ-ТОТЭ дополнительно содержала:
испаритель, имеющий вход топлива, находящийся в проточном сообщении с упомянутым источником топлива, вход воды, находящийся в проточном сообщении с источником воды, и выпуск испарителя, причем испаритель расположен на пути потока текучей среды входящего анодного газа между упомянутым источником топлива и упомянутым паровым реформером,
и теплообменник испарителя, расположенный на пути потока текучей среды между (a) по меньшей мере одним из упомянутых анодного выхода отходящего газа и катодного выхода отходящего газа и (b) упомянутым выпуском системы топливных элементов,
при этом:
упомянутый теплообменник испарителя предназначен для теплообмена между (a) потоком газа от упомянутого по меньшей мере одного из упомянутого анодного выхода отходящего газа и упомянутого катодного выхода отходящего газа и (b) по меньшей мере одним из упомянутого входящего анодного газа и упомянутой воды.
Предпочтительно, чтобы конденсат (вода) от сепаратора был использован в качестве источника воды для испарителя и/или парового реформера.
Также согласно настоящему изобретению обеспечен способ эксплуатации системы на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению, причем способ содержит этапы:
(i) пропускания топлива от источника топлива до упомянутого парового реформера;
(ii) пропускания нагретого входящего окислителя от упомянутого входа окислителя до упомянутого теплообменника реформера таким образом, что между упомянутым нагретым входящим окислителем и упомянутым топливом происходит теплообмен;
(iii) пропускания входящего анодного газа от упомянутого парового реформера до анодного входа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов и пропускания входящего окислителя от упомянутого теплообменника реформера до катодного входа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов; и
(iv) эксплуатации упомянутой по меньшей мере батареи среднетемпературных твердооксидных топливных элементов.
Во втором аспекте настоящего изобретения обеспечена система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ), содержащая:
(i) по меньшей мере одну батарею топливных элементов, содержащую по меньшей мере один среднетемпературный твердооксидный топливный элемент и имеющую анодный вход, катодный вход, анодный выход отходящего газа, катодный выход отходящего газа, и образующую отдельные пути потоков для потока входящего анодного газа, входящего катодного газа, отходящего анодного газа и отходящего катодного газа; и
(ii) паровой реформер, предназначенный для риформинга углеводородного топлива в продукт риформинга и имеющий вход реформера для входящего анодного газа, выход реформера для выпуска входящего анодного газа и теплообменник реформера;
и образующая:
(a) путь потока текучей среды входящего от источника топлива анодного газа до упомянутого парового реформера к анодному входу упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов;
(b) путь потока текучей среды отходящего анодного газа от анодного выхода отходящего газа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов до выпуска системы топливных элементов;
(c) путь потока текучей среды входящего катодного газа по меньшей мере от одного входа окислителя до упомянутого теплообменника реформера к упомянутому катодному входу по меньшей мере одной батареи топливных элементов; и
(d) путь потока текучей среды отходящего катодного газа от катодного выхода отходящего газа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов до упомянутого выпуска системы топливных элементов;
при этом упомянутый теплообменник реформера представляет собой прямоточный теплообменник в проточном сообщении с (i) упомянутым по меньшей мере одним входом окислителя и катодным входом упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов и (ii) упомянутым источником топлива и анодным входом упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов и предназначен для теплообмена между упомянутым входящим катодным газом и упомянутым входящим анодным газом, причем упомянутая система дополнительно содержит:
по меньшей мере один обходной путь входящего окислителя от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя до упомянутого по меньшей мере одного катодного входа батареи топливных элементов;
основной путь входящего окислителя от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя до упомянутого теплообменника реформера к упомянутому катодному входу по меньшей мере одной батареи топливных элементов; и
регулируемый разделитель потока входящего окислителя, расположенный на упомянутом по меньшей мере одном обходном пути входящего окислителя и на упомянутом основном пути входящего окислителя, для управления входящим потоком окислителя между упомянутым по меньшей мере одним обходным путем входящего окислителя и упомянутым основным путем входящего окислителя.
Компоновка по второму аспекту позволяет управлять расходом окислителя как к теплообменнику реформера, так и к катодному входу батареи топливных элементов от единственного источника.
Все предпочтительные признаки первого аспекта настоящего изобретения в равной мере применимы для второго аспекта настоящего изобретения.
Согласно настоящему изобретению каждый нагнетатель и/или клапан/сепаратор может иметь сообщение и приводиться в действие/управляться или иметь отклик на средство управления.
Согласно настоящему изобретению на одном или более из основного пути потока входящего катодного газа, обходного воздушного пути потока входящего газа и обходного воздушного пути потока выходящего газа могут быть предусмотрены один или более нагнетателей или клапанов/сепараторов. Например, если предусмотрен одиночный нагнетатель, то может быть предусмотрено ноль, один или два клапана/сепаратора, или если предусмотрено два нагнетателя, то может быть предусмотрено ноль или один клапан/сепаратор, или если предусмотрено три нагнетателя, то может быть предусмотрено ноль клапанов/сепараторов.
Приведенные выше признаки, обсуждаемые применительно к системе СТ-ТОТЭ, в равной мере применимы для данного способа, пока не указано иное.
Термин «горелка хвостового газа», как использовано в настоящей работе, означает горелку для сжигания отходящих анодного и катодного газов. Горелки хвостового газа также обычно смешивают отходящие анодный и катодный газы, хотя это в некоторых обстоятельствах можно сделать отдельно.
Термин «путь потока текучей среды» используют для определения путей потоков текучей среды между различными компонентами, и, таким образом, его также можно понимать таким образом, что эти компоненты находятся в проточном сообщении друг с другом.
Пока из контекста не указано иное, термин «текучая среда» включает в себя как жидкости, так и газы.
Пока из контекста не указано иное, термин «температура эксплуатации» означает температуру эксплуатации при стационарном режиме, т.е. не включает в себя температуры запуска и отключения.
Пока не указано иное, все значения температуры приведены в градусах Цельсия (°C).
Сделанная здесь ссылка на теплообменник (и теплообменники), предназначенный для теплообмена между первой и второй теплообменными текучими средами (например, между входящим анодным газом и входящим катодным газом), также является ссылкой на теплообменник, предназначенный для теплообмена между первой и второй сторонами теплообменника и между соответствующими путями потоков текучих сред, например, между первой и второй сторонами теплообменного материала или теплообменной поверхности, например, между стороной анодного входа и стороной катодного входа теплообменника, например, между путем потока текучей среды анодного входа и путем потока текучей среды катодного входа, и такие термины являются взаимозаменяемыми, пока из контекста не указано иное.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 показывает схематическое изображение системы на основе топливных элементов согласно настоящему изобретению;
Фигура 2 представляет собой точечный график данных показанных в Таблице 1, с показанной первой и каждой пятой точкой данных (т.е. 0, 1110, 2110, 3110, 4110 с, и т.д.);
Фигура 3 показывает схематическое изображение альтернативной системы топливных элементов согласно настоящему изобретению;
Фигура 4 показывает схематическое изображение альтернативной системы топливных элементов согласно настоящему изобретению;
Фигура 5 показывает схематическое изображение альтернативной системы топливных элементов согласно настоящему изобретению; и
Фигура 6 показывает схематическое изображение альтернативной системы топливных элементов согласно настоящему изобретению.
Список ссылочных обозначений, используемых в настоящей работе, приведен в конце спецификации вариантов воплощения.
Лишь для иллюстративных целей, фигуры указывают только на одиночный топливный элемент. В различных вариантах воплощения обеспечены множественные топливные элементы. В других вариантах воплощения (не показанных) обеспечены множественные батареи топливных элементов, и еще в других вариантах воплощения обеспечены множественные батареи топливных элементов, каждая из которых содержит множественные топливные элементы. Следует учитывать, что анодные и катодные входы, выходы (отходящего газа), система трубопроводов, система распределительных труб и датчики температуры и их конфигурация модифицированы подходящим образом для таких вариантов воплощения, и они должны быть легко понятны обычному специалисту в данной области техники.
В следующих вариантах воплощения в качестве окислителя используют воздух. Любую ссылку на «окислитель» где-либо в следующих вариантах воплощения можно, следовательно, рассматривать как ссылку на «воздух», и наоборот.
Обратимся к ФИГ. 1, где система топливных элементов 10 представляет собой систему на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ). Батарея топливных элементов 20 представляет собой батарею топливных элементов СТ-ТОТЭ на металлической подложке, как разъяснено в US6794075. Система топливных элементов 10 имеет стабильную электрическую мощность 1 кВт от батареи топливных элементов 20 и содержит 121 топливный элемент 30 СТ-ТОТЭ на металлической подложке. Каждый топливный элемент 30 имеет анодную сторону 40, слой 50 электролита и катодную сторону 60. Каждый слой топливного элемента в батарее топливных элементов отделен соединительной пластиной из электропроводящего газонепроницаемого металла (межсоединителя) (не показан). Также обеспечены торцевые пластины и средства (не показаны) сжатия батареи топливных элементов.
Сделанная здесь ссылка на топливный элемент 30 представляет собой полный комплект из 121-ого топливного элемента 30.
На топливный элемент 30 установлена электрическая нагрузка L.
Анодный вход 41 батареи топливных элементов находится в проточном сообщении с анодным входом 41A топливного элемента для потока входящего анодного газа к анодной стороне 40 топливного элемента 30. Анодный выход 42A топливного элемента находится в проточном сообщении с анодным выходом 42A отходящего газа батареи топливных элементов для потока отходящего анодного газа.
Катодный вход 61 батареи топливных элементов находится в проточном сообщении с катодным входом 61A топливного элемента для потока входящего катодного газа к катодной стороне 60 топливного элемента 30. Катодный выход 62A топливного элемента находится в проточном сообщении с катодным выходом 62 отходящего газа батареи топливных элементов для потока отходящего катодного газа.
Паровой реформер 70 содержит вход 71 реформера для входящего анодного газа и выход 72 реформера для выпуска входящего анодного газа.
Горелка 80 хвостового газа находится в проточном сообщении с анодным и катодным выходами 42, 62 отходящих газов батареи топливных элементов и имеет выпуск 81 горелки хвостового газа, вход 82 отходящего анодного газа и вход 83 отходящего катодного газа. Горелка 80 хвостового газа образует путь потока текучей среды от анодного и катодного выходов 42, 62 отходящих газов батареи топливных элементов до выпуска 81 горелки хвостового газа, и она предназначена для сжигания отходящих анодного и катодного газов и получения отходящего газа горелки хвостового газа.
Путь A потока текучей среды входящего анодного газа задан от источника 90 топлива до испарителя 100 к паровому реформеру 70, к анодному входу 41 батареи топливных элементов, к анодному входу 41A батареи топливных элементов, т.е. данные узлы находятся в проточном сообщении друг с другом.
Путь B потока текучей среды отходящего анодного газа образован от анодного выхода 42A топливного элемента до анодного выхода 42 отходящего газа батареи топливных элементов к теплообменнику 110 отходящего анодного газа (HX-AOG), к теплообменнику-конденсатору 120, к сепаратору 130, ко входу 82 отходящего анодного газа горелки 80 хвостового газа.
Основной путь 230 потока входящего катодного газа и обходной путь 240 воздушного потока входящего газа имеют ряд общих узлов и делят общий путь потока на ряд мест, помеченных как путь C потока текучей среды входящего катодного газа и разъясненных ниже.
Основной путь 230 потока входящего катодного газа образован от входа 140 окислителя до нагнетателя 210 к клапану/сепаратору 220, к теплообменнику 110 отходящего анодного газа, к теплообменнику-подогревателю 150 воздуха (HX-APH), к теплообменнику 160 реформера (HX-Ref), к катодному входу 61 батареи топливных элементов, к катодному входу 61A топливного элемента.
Обходной путь 240 воздушного потока входящего газа образован от входа 140 окислителя до нагнетателя 210 к клапану/сепаратору 220, ко входу 190 обходного пути воздуха, к теплообменнику 160 реформера, к катодному входу 61 батареи топливных элементов, к катодному входу 61A топливного элемента.
Как подробно разъяснено ниже, клапан/сепаратор 220 управляется средством 200 управления с тем, чтобы разделять поток входящего воздуха между основным путем 230 потока входящего катодного газа и обходным путем 240 воздушного потока входящего газа.
Таким образом, обходной путь 240 воздушного потока входящего газа обходит теплообменник 110 отходящего анодного газа и теплообменник-подогреватель 150 воздуха.
В этом варианте воплощения общие части путей 230 и 240 потоков газа (пути C потока текучей среды входящего катодного газа), таким образом, направлены (a) к входу 140 окислителя, к нагнетателю 210, к клапану/сепаратору 220, и (b) к теплообменнику 160 реформера, к катодному входу 61 батареи топливных элементов, к катодному входу 61A топливного элемента.
Путь D потока текучей среды отходящего катодного газа образован от катодного выхода 62A топливного элемента до катодного выхода 62 отходящего газа батареи топливных элементов к входу 83 отходящего катодного газа горелки 80 хвостового газа.
Путь E потока текучей среды отходящего газа горелки хвостового газа образован от выпуска 81 горелки хвостового газа до теплообменника-подогревателя 150 воздуха к теплообменнику 170 испарителя (HX-Evap), к выпуску 180 системы топливных элементов.
Теплообменник 110 отходящего анодного газа находится в проточном сообщение с (i) анодным выходом 42 отходящего газа батареи топливных элементов (т.е. с анодным выходом 42A топливного элемента) и с входом 82 отходящего анодного газа горелки хвостового газа, и (ii) с входом 140 окислителя и с катодным входом 61 батареи топливных элементов (т.е. с катодным входом 61A топливного элемента) и предназначен для теплообмена между отходящим анодным газом от батареи топливных элементов 20 и входящим катодным газом для батареи топливных элементов 20.
Теплообменник-подогреватель 150 воздуха находится в проточном сообщение с (i) выпуском 81 горелки хвостового газа и выпуском 180 системы топливных элементов, и (ii) с входом 140 окислителя и с катодным входом 61 батареи топливных элементов (т.е. с катодным входом 61A топливного элемента) и предназначен для теплообмена между отходящим газом горелки 81 хвостового газа и входящим катодным газом для батареи топливных элементов 20.
Теплообменник 160 реформера представляет собой прямоточный теплообменник и находится в проточном сообщение с (i) входом 140 окислителя и с катодным входом 61 батареи топливных элементов (т.е. с катодным входом 61A топливного элемента), и (ii) с источником 90 топлива и анодным входом 41 батареи топливных элементов (т.е. с анодным входом 41A топливного элемента) и предназначен для теплообмена между входящим катодным газом и входящим анодным газом.
Испаритель 100 имеет вход 101 топлива для входящего анодного газа от источника 90 топлива, вход 102 воды для воды от источника 103 воды и выпуск 104 испарителя для выпуска входящего анодного газа от испарителя 100 и расположен на пути потока текучей среды входящего анодного газа между источником 90 топлива и паровым реформером 70. Испаритель 100 дополнительно содержит теплообменник 170 испарителя, расположенный на пути E потока текучей среды отходящего газа горелки хвостового газа между теплообменником-подогревателем 150 воздуха и выпуском 180 системы топливных элементов.
Теплообменник 170 испарителя находится в проточном сообщении с (i) выпуском 81 горелки хвостового газа и с выпуском 180 системы топливных элементов, и с (ii) источником 90 топлива и источником воды 103, и с анодным входом 41 батареи топливных элементов (т.е. с анодным входом 41A батареи топливных элементов) и предназначен для теплообмена между отходящим газом горелки хвостового газа и входящим анодным газом и водой, образуя паровую топливную смесь для входящего анодного газа, подаваемого к паровому реформеру 70.
Теплообменник-конденсатор 120 находится в проточном сообщении с (i) анодным выходом 42 отходящего газа батареи топливных элементов (т.е. с анодным выходом 42A топливного элемента) и с входом 82 отходящего анодного газа горелки хвостового газа, и (ii) с контуром 121 охлаждения и предназначен для теплообмена между анодным отходящим газом от батареи топливных элементов 20 и охлаждающей текучей средой в контуре 121 охлаждения.
Сепаратор 130 расположен на пути потока текучей среды отходящего анодного газа между теплообменником-конденсатором 120 и горелкой 80 хвостового газа и имеет выход 131 сепаратора для конденсата и предназначен для отделения конденсата от пути потока текучей среды отходящего анодного газа, и выпускает конденсат через выход 131 конденсата.
Средство управления 200 соединено с датчиком T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов, датчиком T2 температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов, нагнетателем 210 и клапаном/сепаратором 220. Средство управления 200 выполнено с возможностью поддержания температуры, определенной датчиками T1 и T2 температуры, при или около желаемой температуры в ходе стационарной работы системы на основе топливных элементов.
Средство управления 200 предназначено для эксплуатации двух независимых контуров управления, которые работают при пропускании входящего катодного газа по пути C потока текучей среды входящего катодного газа.
В первом контуре управления управляют нагревом входящего катодного газа. Во втором контуре управления управляют массовым расходом входящего катодного газа.
Для первого контура управления средство 200 управления управляет клапаном/сепаратором 220 с тем, чтобы изменять разделение потока входящего окислителя между путями 230 и 240 потоков текучей среды. Таким образом, средство 200 управления выполнено таким образом, что если температура, определенная датчиком T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов, находится ниже 542°C для выходной электрической мощности батареи топливных элементов 1 кВт, оно регулирует клапан/сепаратор 220 на повышение доли входящего окислителя, пропускаемого по основному пути 230 потока текучей среды входящего катодного газа к теплообменнику 110 отходящего анодного газа и к теплообменнику-подогревателю 150. Таким образом, доля входящего окислителя, пропускаемого по обходному пути 240 воздушного потока входящего газа, соответственно снижается, а нагрев входящего окислителя увеличивается.
Напротив, если температура, определенная датчиком T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов, выше 542°C для выходной электрической мощности 1 кВт батареи топливных элементов, средство управления 200 регулирует клапан/сепаратор 220 на понижение доли входящего окислителя, пропускаемого по основному пути 230 потока текучей среды входящего катодного газа к теплообменнику 110 отходящего анодного газа и к теплообменнику-подогревателю 150. Таким образом, доля входящего окислителя, пропускаемого по обходному пути 240 воздушного потока входящего газа, соответственно повышается, а нагрев входящего окислителя уменьшается.
Таким образом, управляют температурой входящего катодного газа, подаваемого по меньшей мере к одной батарее топливных элементов (как определено датчиком T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов).
Таким образом, также управляют температурой окислителя, покидающего теплообменник 160 реформера на выходе 162 окислителя теплообменника реформера. Поскольку теплообменник 160 реформера представляет собой прямоточный теплообменник, это означает, что также управляют температурой продукта риформинга (входящего анодного газа), покидающего паровой реформер 70 на выходе 72 реформера, что, в свою очередь, означает, что управляют качеством продукта риформинга (т.е. степенью преобразования входящего топлива). Как подробно разъяснено ниже, второй контур управления будет вызывать незначительное изменение в температуре топлива, покидающего паровой реформер 70 на выходе реформера 72, но это не оказывает значительного влияния на качество продукта риформинга и рабочие характеристики батареи 20 топливных элементов. Важно, что прямоточная природа теплообменника 160 реформера означает, что температура топлива, покидающего паровой реформер 70, никогда не может быть больше температуры окислителя, покидающего паровой реформер 70.
Таким образом, управляют температурой входящего анодного газа (т.е. качеством продукта риформинга) для по меньшей мере одной батарее топливных элементов, и это управление не зависит от изменений (а, следовательно, и от налагаемых требований по теплу) массового расхода входящего окислителя и топлива и изменений во входящих температурах окислителя и топлива, подаваемых к системе 10 топливных элементов.
Для второго контура управления средство управления 200 управляет массовым расходом входящего окислителя, приводимого в движение нагнетателем 200. Поскольку температурой, определенной датчиком T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов (а, следовательно, и температурой на катодном входе 61 батареи топливных элементов) управляют, охлаждение батареи 20 топливных элементов достигается управлением массовым расходом окислителя через батарею 20 топливных элементов.
Следовательно, средство управления 200 выполнено таким образом, что если температура, определенная датчиком T2 температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов, выше 610°C для выходной электрической мощности 1 кВт батареи топливных элементов, то оно регулирует нагнетатель 210 на повышение массового расхода входящего окислителя. Таким образом, массовый расход входящего окислителя через катодную сторону 60 топливного элемента 30 повышается, и соответственно повышается степень охлаждения.
Наоборот, если температура, определенная датчиком T2 температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов, ниже 610°C для выходной электрической мощности 1 кВт батареи топливных элементов, то средство управления 200 регулирует нагнетатель 210 на понижение массового расхода входящего окислителя. Таким образом, массовый расход входящего окислителя через катодную сторону 60 топливного элемента 30 понижается, и соответственно понижается степень охлаждения.
Таким образом, средство управления 200 предназначено для повышения массового расхода входящего катодного газа, если температура отходящего катодного газа, определенная датчиком T2 температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов, ниже заданной температуры, и наоборот.
При использовании, система топливных элементов 10 проходит три фазы: запуска, стационарного состояния и отключения.
Запуск
На этой стадии работы батарея 20 топливных элементов является холодной (или по меньшей мере температура ниже ее стационарной рабочей температуры), и поэтому она должна быть нагрета для достижения рабочего состояния.
Начиная от холодного состояния (например, от комнатной температуры), нагнетатель 210 работает для продувания воздуха через катодную сторону батареи 20 топливных элементов, а топливо проходит непосредственно к горелке 80 хвостового газа от источника топлива 250 и сгорает с воздушным потоком от нагнетателя 210. Отработанный газ покидает выпуск горелки 81 хвостового газа и проходит через теплообменник-подогреватель 150 воздуха, где он нагревает входящий воздух, в свою очередь, осуществляя нагрев теплообменника 160 реформера и катодной стороны 60 батареи 20 топливных элементов. Тепло передается через топливный элемент 30 таким образом, что анодная сторона 40 топливного элемента 20 также нагревается. Поскольку датчик T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов обнаруживает низкую температуру, клапан/сепаратор 220 регулируют таким образом, что весь входящий воздух проходит по основному пути 230 потока входящего катодного газа и, таким образом, через теплообменник-подогреватель 150 воздуха.
Поскольку температура, выявленная датчиком T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов, повышается до температуры более 300°C, от источника 90 топлива также подается топливо. Топливо от источника 90 топлива проходит через испаритель 100, перемешиваясь с паром, вырабатываемом в испарителе 100 от источника 103 воды. Поскольку результирующая смесь топливного пара проходит по пути A потока текучей среды входящего анодного газа, она дополнительно нагревается теплообменником 160 реформера и частично преобразуется реформером 70, и проходит к анодному входу 41 батареи топливных элементов и через анодную сторону 40 топливного элемента 30, действуя для его защиты от неблагоприятных событий, связанных с окислением. Затем она покидает анодный выход 42 батареи топливных элементов и проходит по пути B потока текучей среды отходящего анодного газа к горелке 80 хвостового газа, где она сгорает.
Это продолжается с риформингом топлива, подаваемого от источника 90 топлива, начиная с его появления, и батарея 20 топливных элементов достигает температуры, при которой вырабатывается электричество.
Поскольку датчик T2 температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов обнаруживает повышение температуры, количество топлива, подаваемого к горелке 80 хвостового газа от источника топлива 250, понижается до тех пор, пока батарея 20 топливных элементов не достигнет температуры, при которой она становится самоподдерживающейся, и подача топлива к горелке 80 хвостового газа от источника топлива 250 прекращается.
Работа батареи 20 топливных элементов продолжается, выходная электрическая мощность от батареи 20 топливных элементов повышается, а температуры, обнаруженные датчиками T1 и T2 температуры, понижаются, и при этом соответствующие контуры управления изменяют массовый расход входящего потока воздуха и разделяют воздух между путями 230 и 240 потоков.
«Стационарный режим» достигается, когда оба датчика T1 и T2 температуры достигли своих заданных рабочих температур для данной выходной электрической мощности батареи топливных элементов. В случае выходной электрической мощности батареи топливных элементов, равной 1 кВт, это будет температура 542°C для датчика T1 температуры и температура 610°C для датчика T2 температуры.
Стационарный режим
На этой стадии работы, батарею 20 топливных элементов поддерживают при рабочей температуре, как определено датчиками T1 и T2. Электричество вырабатывается и используется нагрузкой L на топливном элементе 30. Температуры, обнаруженные датчиками T1 и T2 температуры, будут изменяться, и средство 200 управления изменяет массовый расход входящего воздуха и соответственно разделяет воздух между путями 230 и 240 потоков.
В этом режиме работы электрическая мощность, генерируемая батареей 20 топливных элементов, может изменяться между нулем и номинальной мощностью батареи топливных элементов. Количеством генерируемой электрической мощности управляют с помощью средства 200 управления, реагирующего на электрическую нагрузку L вплоть до номинальной мощности батареи топливных элементов.
Отключение
На этой стадии работы, получение электрической мощности от системы 10 на основе топливных элементов больше не требуется, и запускается управляемая последовательность действий при отключении. Потребление мощности от батареи 20 топливных элементов снижается до нуля, а заданная температура T1 воздушного входа батареи топливных элементов снижается, тогда как расход воздуха от нагнетателя 210 повышается. Продолжается подача небольшого количества топлива от источника 90 топлива к реформеру 70, а следовательно, в батарею 20 топливных элементов и горелку 80 хвостового газа. Непрерывный поток продукта риформинга поддерживает снижение атмосферного давления над анодной стороной 40 топливного элемента 30 в ходе этой первой фазы отключения. Как только температура, определенная датчиком T2 температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов (а следовательно, и батареи 20 топливных элементов) становится ниже температуры активации анодного окисления (примерно 450°C), подача топлива от источника 90 топлива к паровому реформеру 70 прекращается. Поток воздуха от нагнетателя 210 также останавливается, и систему 10 на основе топливных элементов, а, следовательно, и батарею 20 топливных элементов оставляют охлаждаться естественным образом.
Данные по запуску и стационарной работе системы 10 на основе топливных элементов согласно настоящему изобретению, состоящей из одиночной батареи топливных элементов, имеющей 121 топливный элемент, показаны в Таблице 1 (ниже) и на Фигуре 2. Данные, показанные в Таблице, приведены для периода эксплуатации 30110 секунд, т.е. свыше 8 часов.
В Таблице 1 и на Фигуре 2 аббревиатуры имеют следующие обозначения:
TGB-выпуск (°C) - температура на выпуске 81 горелки хвостового газа
Воздушный вход реформера (°C) - температура на входе 161 окислителя теплообменника реформера
Воздушный выход реформера (°C) - температура на выходе 162 окислителя теплообменника реформера
Воздушный вход батареи (°C) - температура на входе 61 окислителя батареи топливных элементов, которая обнаружена датчиком T1 температуры
Воздушный выход батареи (°C) - температура на выходе 62 окислителя батареи топливных элементов, которая обнаружена датчиком T2 температуры
Выходная электрическая мощность батареи (Вт) - выходная электрическая мощность, которая определена на электрической цепи с нагрузкой L.
Во втором варианте воплощения, как показано на ФИГ. 3, клапан/сепаратор 220 и общая часть пути C потока входящего катодного газа перед ним обходятся без него.
Основной путь 230 потока входящего катодного газа образован от входа 140 окислителя до нагнетателя 210 к теплообменнику 110 отходящего анодного газа, к теплообменнику-подогревателю 150 воздуха, к теплообменнику 160 реформера, к катодному входу 61 батареи топливных элементов, к катодному входу 61A топливного элемента.
Обходной путь 240 воздушного потока входящего газа образован от входа 140' окислителя до нагнетателя 210' к воздушному входу 190 обходного пути, к теплообменнику 160 реформера, к катодному входу 61 батареи топливных элементов, к катодному входу 61A топливного элемента.
Средство 200 управления соединено с датчиком T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов, датчиком T2 температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов и нагнетателями 210 и 210'. Средство 200 управления выполнено с возможностью поддержания температуры, определенной датчиками T1 и T2 температуры при или около желаемой температуры в ходе стационарной работы системы топливного элемента.
Как в предыдущем варианте воплощения, в первом контуре управления управляют нагревом входящего катодного газа. Во втором контуре управления управляют массовым расходом входящего катодного газа. Нагревом входящего катодного газа управляют изменением соотношения массового расхода входящего катодного газа между основным путем 230 потока входящего катодного газа и обходным путем 240 воздушного потока входящего газа. Это достигается путем изменения относительных скоростей, а следовательно, и массового расхода, подаваемого от нагнетателей 210 и 210'. Если температура входящего катодного газа, измеренная на датчике T1 температуры, слишком низкая, соотношение потока входящего катодного газа через обходной путь 240 воздушного потока входящего газа к потоку входящего катодного газа через основной путь 230 потока входящего катодного газа снижается, и наоборот.
Во втором контуре управления управляют массовым расходом входящего катодного газа. Массовый расход входящего катодного газа в батарее топливных элементов представляет собой общий массовый расход входящего катодного газа от нагнетателей 210 и 210'. Если температура отходящего катодного газа батареи топливных элементов, которая измерена на датчике T2 температуры, слишком высокая, общий массовый расход входящего катодного газа, подаваемого нагнетателями 210 и 210', повышается, и наоборот.
Третий вариант воплощения, как показано на ФИГ. 4, аналогичен второму варианту воплощения и будут описаны только различия. Для обеспечения дополнительного обходного пути 260 воздушного потока входящего газа предусмотрены дополнительный вход 140" окислителя и нагнетатель 210". Обеспечен дополнительный датчик T3 температуры, который представляет собой датчик T3 температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов. Эти дополнительные признаки обеспечивают вход дополнительного воздуха в путь (C) потока текучей среды входящего катодного газа.
Обходной путь 260 воздушного потока входящего газа образован от входа 140" окислителя до нагнетателя 210" к входу 190' обходного пути воздуха, к катодному входу 61 батареи топливных элементов, к катодному входу 61A топливного элемента. Таким образом, обходной путь 260 воздушного потока входящего газа встречается с путем (C) потока текучей среды входящего катодного газа на входе 190' обходного пути воздуха, который находится между теплообменником 160 реформера (и ниже по потоку от него) и катодным входом 61 батареи топливных элементов, а точнее, между выходом 162 окислителя теплообменника реформера и датчиком T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов.
В этом варианте воплощения средство 200 управления дополнительно соединено с датчиком T3 температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов и нагнетателем 210". Средство 200 управления выполнено с возможностью поддержания температуры, определенной датчиками T1, T2 и T3 температуры, при или около желаемой температуры в ходе стационарной работы системы на основе топливных элементов.
Расходом воздуха по дополнительному обходному пути 260 воздушного потока входящего газа управляют независимо от расходов воздуха как по основному пути 230 потока входящего катодного газа, так и по обходному пути 240 воздушного потока входящего газа.
Дополнительное преимущество этого варианта воплощения состоит в том, что он обеспечивает уровень независимого управления температурой выходного потока продукта риформинга от теплообменника 160 реформера. Управление температурой на выходе 72 реформера обеспечивает возможность повышения температуры пути А потока текучей среды входящего анодного газа относительно температуры катодного входа 61A топливного элемента. Поскольку обходной путь 260 воздушного потока входящего газа обеспечивает воздух, который более холодный, чем воздух, покидающий теплообменник 160 реформера, воздух, подаваемый по обходному пути 260 воздушного потока входящего газа, может охлаждать, но не может нагревать воздух, покидающий теплообменник 160 реформера. Следовательно, дополнительный обходной путь 260 воздушного потока входящего газа, обеспечивающего холодный воздух согласно этому варианту воплощения, способствует тому, что температура анодного входа будет выше, чем температура катодного входа, но не способствует тому, что температура анодного входа будет ниже, чем температура катодного входа.
Повышение температуры анодного входящего газа на выходе 72 реформера также повышает температуру равновесия реакции риформинга, достигаемой в теплообменнике 160 реформера, и, следовательно, повышает концентрацию водорода во входящем анодном газе на анодном входе 41 батареи топливных элементов. Повышенная концентрация водорода во входящем анодном газе будет снижать напряжение на топливном элементе 30 и снижать степень внутреннего риформинга, требуемую для топливного элемента 30.
Для измерения температуры анодного газа на анодном входе 41 батареи топливных элементов обеспечен дополнительный датчик T3 температуры (который представляет собой датчик T3 температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов). Также обеспечен дополнительный контур управления для управления расходом воздуха на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа для поддержания температуры входящего анодного газа на анодном входе 41 батареи топливных элементов при заданной температуре. Повышение расхода окислителя на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа снижает температуру окислителя, попадающего в вход 161 окислителя теплообменника реформера. Это снижение температуры окислителя будет снижать температуру входящего анодного газа на выходе 72 реформера, а также снижать температуру равновесия реакции риформинга. С другой стороны, понижение расхода окислителя на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа повышает температуру окислителя, попадающего во вход 161 окислителя теплообменника реформера. Это повышение температуры окислителя повышает температуру входящего анодного газа на выходе 72 реформера, а также повышает температуру равновесия реакции риформинга. В этом варианте воплощения расход окислителя по обходному пути 260 воздушного потока входящего газа управляет температурой катодного входа 61A топливного элемента, а расход окислителя на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа управляет температурой потока продукта риформинга от выхода 72 реформера.
Повышение расхода окислителя в дополнительном обходном пути 260 воздушного потока входящего газа снижает температуру потока окислителя на катодном входе 61 батареи топливных элементов. Наоборот, снижение расхода окислителя в дополнительном обходном пути 260 воздушного потока входящего газа повышает температуру потока окислителя на катодном входе 61 батареи топливных элементов.
Повышение расхода окислителя на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа снижает температуру как входящего анодного газа на выходе 72 реформера, так и входящего катодного газа на выходе 162 окислителя теплообменника реформера. Наоборот, снижение расхода окислителя на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа повышает температуру как входящего анодного газа на выходе 72 реформера, так и входящего катодного газа на выходе 162 окислителя теплообменника реформера. Например, если средство 200 управления определяет, что датчик T3 температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов должен быть поддержан при более высокой или более низкой температуре, расход окислителя на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа может быть, соответственно, повышен или понижен, путем управления нагнетателем 140'. С другой стороны, если средство 200 управления определяет, что датчик T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов должен быть поддержан при более высокой или более низкой температуре, расход окислителя на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа и/или на дополнительном обходном пути 260 воздушного потока входящего газа может быть, соответственно, повышен или понижен, путем управления нагнетателем 140' для расхода окислителя на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа или нагнетателя 140" для расхода окислителя на дополнительном обходном пути 260 воздушного потока входящего газа.
Четвертый вариант воплощения, как показано на ФИГ. 5, обеспечивает обходной путь потока одиночного окислителя, обходной путь 260 воздушного потока входящего газа, который выполнен с возможностью сливаться с основным путем 230 потока входящего катодного газа между выходом 162 окислителя теплообменника реформера и катодным входом 61 батареи топливных элементов. При такой компоновке схема размещения теплообменника 160 реформера и обходного пути 260 воздушного потока входящего газа означает, что на границе батареи 20 топливных элементов температура текучей среды входящего анодного газа будет выше температуры текучей среды входящего катодного газа. Повышение температуры входящего анодного газа на выходе 72 реформера также повышает температуру равновесия реакции риформинга, достигаемую в теплообменнике 160 реформера, и, следовательно, повышает концентрацию водорода во входящем анодном газе на анодном входе 41 батареи топливных элементов. Повышенная концентрация водорода во входящем анодном газе снижает напряжение на топливном элементе 30 и снижает степень необходимого внутреннего риформинга.
Контуры управления, необходимые для управления системой 10 на основе топливных элементов согласно четвертому варианту воплощения, являются такими же, что и в варианте воплощения согласно ФИГ. 1, но в четвертом варианте воплощения контуры управления управляют расходом окислителя на дополнительном обходном пути 260 воздушного потока входящего газа, а не на обходном пути 240 воздушного потока входящего газа, на основе измерения температуры на датчике T1 температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов.
В четвертом варианте воплощения, как и в третьем варианте воплощения, обеспечен дополнительный датчик T3 температуры, который представляет собой датчик T3 температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов. T3 обеспечивает дополнительные данные по температуре, но не является важным для эксплуатации контуров управления и средства 200 управления согласно четвертому варианту воплощения.
Пятый вариант воплощения, который показан на ФИГ. 6, аналогичен первому варианту воплощения, и будут описаны только различия. На обходном пути 240 воздушного потока входящего газа обеспечен дополнительный клапан/сепаратор 220' или разделитель. Дополнительный клапан/сепаратор 220' соединяет обходной путь 240 воздушного потока входящего газа с дополнительным обходным путем 260 воздушного потока входящего газа. Дополнительным клапаном/сепаратором 220' управляют с помощью средства 200 управления с тем, чтобы разделить поток входящего воздуха между обходным путем 240 воздушного потока входящего газа и дополнительным обходным путем 260 воздушного потока входящего газа.
В пятом варианте воплощения, как и в третьем и четвертом вариантах воплощения, обеспечен дополнительный датчик T3 температуры, который представляет собой датчик T3 температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов. Средство 200 управления согласно пятому варианту воплощения работает подобно средству согласно третьему варианту воплощения, за исключением того, что дополнительным клапаном/сепаратором 220' управляют с помощью средства 200 управления вместо нагнетателя 210" для управления потоком входящего воздуха на дополнительном обходном пути 260 воздушного потока входящего газа.
Дополнительный обходной путь 260 воздушного потока входящего газа образован от входа 140 окислителя до нагнетателя 210 к клапану/сепаратору 220, к клапану/сепаратору 220', к входу 190' обходного пути воздуха, к катодному входу 61 батареи топливных элементов, к катодному входу 61A топливного элемента. Таким образом, обходной путь 260 воздушного потока входящего газа встречается с путем (C) потока текучей среды входящего катодного газа на входе 190' обходного пути воздуха, который находится между теплообменником 160 реформера (и ниже по потоку от него) и катодным входом 61 батареи топливных элементов. Компоновка согласно этому варианту воплощения позволяет управлять расходом окислителя как к теплообменнику 160 реформера, так и к катодному входу 61 батареи топливных элементов от единственного источника.
Ссылочные обозначения включены в формулу изобретения лишь для простоты их понимания, а не для ограничения объема формулы изобретения.
Настоящее изобретение не ограничено только вышеприведенными вариантами воплощения, и обычному специалисту в данной области техники будут достаточно очевидны другие варианты воплощения без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения.
<b>Таблица 1</b>
Время (с)
TGB- выпуск (°C)
Вход воздуха реформера (°C)
Выход воздуха реформера (°C)
Вход воздуха батареи (°C)
Выход воздуха батареи (°C)
Выходная электрическая мощность батареи (Вт)
0
168
177
162
161
160
0
100
166
175
162
161
159
0
510
657
368
188
185
159
0
710
655
445
304
297
165
0
910
658
442
373
366
182
0
1110
659
441
408
401
206
2
1310
662
438
428
422
231
2
1510
662
434
439
433
256
2
1710
660
428
446
440
278
2
1910
658
424
449
443
298
2
2110
660
422
450
445
315
3
2310
660
418
451
446
330
3
2510
661
415
451
447
344
3
2710
665
520
481
475
355
6
2910
693
468
495
490
372
8
3110
711
469
497
492
388
9
3310
729
568
540
533
403
8
3510
750
578
556
549
421
8
3710
771
578
568
561
438
8
3910
790
574
575
569
454
8
4110
810
566
580
574
469
8
4310
819
555
582
577
482
8
4510
820
552
583
577
493
8
4710
822
533
580
575
503
269
4910
813
566
575
570
512
372
5110
811
564
576
571
520
435
5310
806
564
576
571
527
508
5510
803
564
576
572
535
571
5710
798
556
575
572
542
667
5910
789
550
572
569
550
760
6110
823
578
570
568
557
865
6310
865
564
574
571
566
1004
6510
850
533
575
573
577
1027
6710
828
530
567
566
585
1042
6910
809
521
570
570
593
1051
7110
794
526
568
568
598
1056
7310
781
527
567
567
603
1060
7510
776
512
558
559
606
1062
7710
773
505
551
552
607
1063
7910
774
511
548
549
607
1063
8110
777
516
548
549
606
1061
8310
780
520
550
550
606
1061
8510
783
520
550
551
606
1061
8710
785
520
551
552
606
1061
8910
788
520
551
552
606
1061
9110
790
519
551
552
606
1061
9310
791
514
550
551
606
1062
9510
793
512
549
550
606
1062
9710
795
514
548
549
607
1063
9910
797
511
548
549
607
1063
10110
799
511
547
548
607
1063
10310
801
508
547
548
607
1063
10510
803
508
546
547
607
1064
10710
805
506
546
547
607
1064
10910
806
503
545
547
607
1064
11110
808
504
545
546
607
1063
11310
810
503
545
546
607
1062
11510
811
501
545
546
607
1063
11710
813
502
544
546
608
1063
11910
812
500
544
545
608
1063
12110
814
499
544
545
608
1063
12310
814
499
543
545
608
1063
12510
817
498
543
545
608
1064
12710
818
500
543
545
608
1064
12910
820
499
543
544
608
1064
13110
820
497
542
544
608
1064
13310
821
498
542
543
608
1064
13510
822
496
542
543
609
1064
13710
823
498
542
543
609
1064
13910
823
496
541
543
609
1065
14110
825
499
541
543
609
1065
14310
825
497
541
543
609
1065
14510
825
498
541
543
609
1065
14710
827
498
541
543
609
1065
14910
827
497
541
542
609
1066
15110
828
498
540
542
609
1066
15310
828
498
540
542
609
1066
15510
828
497
540
542
609
1066
15710
828
498
540
542
609
1066
15910
829
497
540
542
609
1066
16110
829
497
540
542
609
1066
16310
830
498
540
542
609
1066
16510
831
498
540
542
609
1067
16710
828
498
540
542
610
1067
16910
829
498
540
542
610
1067
17110
830
498
540
542
610
1067
17310
830
498
540
542
610
1067
17510
831
498
540
542
610
1067
17710
831
498
540
542
610
1067
17910
832
499
540
542
610
1067
18110
831
498
540
542
610
1067
18310
831
498
540
542
610
1067
18510
831
498
540
542
610
1067
18710
832
498
540
542
610
1067
18910
832
498
540
542
610
1067
19110
832
498
540
542
610
1067
19310
831
498
540
542
610
1067
19510
831
498
540
542
610
1067
19710
830
497
540
542
610
1067
19910
830
497
540
542
610
1068
20110
830
498
540
542
610
1067
20310
831
498
540
542
610
1067
20510
830
498
540
542
610
1068
20710
831
499
540
542
610
1068
20910
831
497
540
542
610
1068
21110
831
498
540
542
610
1068
21310
831
499
540
542
610
1068
21510
830
498
540
542
610
1067
21710
831
498
540
542
610
1068
21910
831
498
540
542
610
1068
22110
832
498
540
542
610
1067
22310
831
498
540
542
610
1068
22510
830
497
540
542
610
1068
22710
829
497
540
542
610
1067
22910
830
498
540
542
610
1068
23110
830
497
540
542
610
1068
23310
831
498
540
542
610
1068
23510
831
498
540
542
610
1068
23710
831
498
540
542
610
1068
23910
830
498
540
542
610
1068
24110
831
498
540
542
610
1069
24310
831
497
540
542
610
1068
24510
832
499
540
542
610
1069
24710
832
498
540
542
610
1069
24910
831
498
540
542
610
1069
25110
831
498
540
542
610
1069
25310
831
497
540
542
610
1069
25510
832
498
540
542
610
1069
25710
831
498
540
542
610
1068
25910
833
498
540
542
610
1069
26110
833
497
540
542
610
1069
26310
832
497
540
542
610
1069
26510
831
497
540
542
610
1069
26710
830
498
540
542
610
1069
26910
831
497
540
542
610
1069
27110
831
497
540
542
610
1069
27310
831
499
540
542
610
1069
27510
831
498
540
542
610
1069
27710
831
497
540
542
610
1069
27910
831
496
540
542
610
1069
28110
832
498
540
542
610
1069
28310
832
498
540
542
610
1069
28510
834
500
540
542
610
1069
28710
833
498
540
542
610
1069
28910
834
499
540
542
610
1069
29110
834
498
540
542
610
1069
29310
834
497
540
542
610
1069
29510
833
499
540
542
610
1069
29710
834
498
540
542
610
1069
29910
833
498
540
542
610
1070
30110
833
497
540
542
610
1069
Ссылочные обозначения:
10 - система на основе топливных элементов
20 - батарея топливных элементов
30 - топливный элемент
40 - анодная сторона
41 - анодный вход батареи топливных элементов
41A - анодный вход топливного элемента
42 - анодный выход отходящего газа батареи топливных элементов
42A - анодный выход топливного элемента
50 - слой электролита
60 - катодная сторона
61 - катодный вход батареи топливных элементов
61A - катодный вход топливного элемента
62 - катодный выход отходящего газа батареи топливных элементов
62A - катодный выход топливного элемента
70 - паровой реформер
71 - вход реформера
72 - выход реформера
80 - горелка хвостового газа
81 - выпуск горелки хвостового газа
82 - вход отходящего анодного газа
83 - вход отходящего катодного газа
90 - источник топлива
100 - испаритель
101 - вход топлива
102 - вход воды
103 - подача воды
104 - выпуск испарителя
110 - теплообменник отходящего анодного газа
120 - теплообменник-конденсатор
121 - контур охлаждения
130 - сепаратор
131 - выход сепаратора для конденсата
140 - вход окислителя
140' - вход окислителя
140" - вход окислителя
150 - теплообменник-подогреватель воздуха
160 - теплообменник реформера
161 - вход окислителя теплообменника реформера
162 - выход окислителя теплообменника реформера
170 - теплообменник испарителя
180 - выпуск системы топливных элементов
190 - вход обходного пути воздуха
190' - вход обходного пути воздуха
200 - средство управления
210 - нагнетатель
210' - нагнетатель
210" - нагнетатель
220 - клапан/сепаратор
220' - клапан/сепаратор
230 - основной путь потока входящего катодного газа
240 - обходной путь воздушного потока входящего газа
250 - источник топлива
260 - обходной путь воздушного потока входящего газа
A - путь потока текучей среды входящего анодного газа
B - путь потока текучей среды отходящего анодного газа
C - путь потока текучей среды входящего катодного газа
D - путь потока текучей среды отходящего катодного газа
E - путь потока текучей среды отходящего газа из горелки хвостового газа
G - путь потока текучей среды отходящего катодного газа реформера
L - электрическая нагрузка
T1 - датчик температуры входящего катодного газа батареи топливных элементов
T2 - датчик температуры отходящего катодного газа батареи топливных элементов
T3 - датчик температуры входящего анодного газа батареи топливных элементов.