УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ТОПЛИВНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ

1. 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 по меньшей мере от одного входа окислителя до упомянутого теплообменника реформера к катодному входу упомянутой 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.
2. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 1, дополнительно содержащая 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 по меньшей мере одним нагнетателем окислителя и нагрева входящего окислителя упомянутым по меньшей мере одним 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.
3. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 1 или 2, дополнительно содержащая:
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
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 до упомянутого теплообменника реформера к катодному входу упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов.
4. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 3, когда он зависит от п. 2, причем упомянутый по меньшей мере один нагреватель окислителя расположен на упомянутом основном пути входящего окислителя.
5. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 3, причем упомянутый по меньшей мере один обходной путь входящего окислителя содержит 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 теплообменника реформера к катодному входу упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов.
6. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 3, дополнительно содержащая 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.
7. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 3, дополнительно содержащая 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.
8. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 5, дополнительно содержащая регулируемый разделитель потока входящего окислителя для управления потоком входящего окислителя между упомянутым одним обходным путем входящего окислителя и упомянутым другим обходным путем входящего окислителя.
9. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 2, дополнительно содержащая:
регулируемый разделитель потока входящего окислителя;
обходной путь входящего окислителя; и
основной путь входящего окислителя,
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.
10. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 2, причем упомянутый нагреватель окислителя содержит по меньшей мере один теплообменник.
11. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 10, причем упомянутый по меньшей мере один нагреватель окислителя содержит 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 предназначен для теплообмена между (a) потоком газа от упомянутого по меньшей мере одного из анодного выхода отходящего газа упомянутой батареи топливных элементов и катодного выхода отходящего газа упомянутой батареи топливных элементов и (b) упомянутым входящим окислителем.
12. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 11, дополнительно содержащая 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.
13. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по любому из п.п. 10-12, причем упомянутый нагреватель окислителя содержит теплообменник отходящего анодного газа, находящийся в проточном сообщении с анодным выходом отходящего газа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов и предназначенный для теплообмена между (a) потоком газа от упомянутого анодного выхода отходящего газа и (b) упомянутым входящим окислителем.
14. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 11, дополнительно содержащая 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, определяющую 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 до упомянутого теплообменника-подогревателя окислителя к упомянутому выпуску системы топливных элементов, причем упомянутый нагреватель окислителя содержит теплообменник отходящего анодного газа в проточном сообщении с анодным выходом отходящего газа упомянутой по меньшей мере одной батареи топливных элементов и предназначен для теплообмена между (a) потоком газа от упомянутого анодного выхода отходящего газа и (b) упомянутым входящим окислителем, при этом система дополнительно содержит 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.
15. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 14, дополнительно содержащая 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.
16. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 15, причем упомянутый сепаратор дополнительно содержит выход сепаратора для конденсата и предназначен для выпуска упомянутого конденсата через упомянутый выход для конденсата.
17. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 1 или 2, дополнительно содержащая:
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 для отходящего газа и упомянутого катодного выхода для отходящего газа и (b) по меньшей мере одним из упомянутого входящего анодного газа и упомянутой водой.
18. Система на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) по п. 1, дополнительно содержащая:
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;
основной путь входящего окислителя от упомянутого по меньшей мере одного входа окислителя до упомянутого теплообменника реформера к катодному входу упомянутой 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 упомянутом основном пути входящего окислителя, для управления потоком входящего окислителя между упомянутым по меньшей мере одним обходным путем входящего окислителя и упомянутым основным путем входящего окислителя.
19. Способ эксплуатации системы на основе среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пп., содержащий 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 входящем 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.