Модуль батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером

Полезная модель относится к батареям, содержащим твердооксидные топливные элементы, и может быть использована при создании транспортных и стационарных энергетических установок для снабжения электроэнергией потребителей.
Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами, работающими при высокой рабочей температурой, которая может варьироваться от 600°С до 1000°С, что позволяет использовать различные виды органического топлива без специальной предварительной подготовки.
Характерной особенностью энергетических установок с батареей на базе твердооксидных топливных элементов является подача в их катодный тракт воздуха с многократным превышением потребности в кислороде по той причине, что за счет большого расхода воздуха обеспечивается приемлемая разность температур по длине твердооксидного топливного элемента.
Однако, большие расходы воздуха означают большие энергозатраты на собственные нужды установки и значительные потери тепла с уходящими газами, что приводит к существенному снижению электрического КПД. Уменьшить выделение тепла в твердооксидном топливном элементе, а значит, и необходимый расход воздуха позволяет его свойство одновременно с электрохимическим окислением водорода, при котором тепло выделяется, осуществлять конверсию углеводородного топлива в синтез-газ, происходящую с поглощением тепла. Перспективным вариантом является осуществление конверсии только части углеводородного топлива, предназначенного для использования в твердооксидном топливном элементе. Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что паротопливная смесь разделяется в заданном соотношении на два потока, один из которых конвертируется в синтез-газ, а второй - перепускается в обход прериформера. После смешения обоих потоков образуется смесь с заранее известным составом.
Наиболее близкой по технической сути и принятой за прототип является энергетическая установка мощностью 100 кВт с электрохимическим генератором на твердооксидных топливных элементах (Твердооксидные топливные элементы. Сборник научно-технических статей. Издательство РФЯЦ - ВНИИТФ, 2003, с. 365-371).
Предложенное в указанной энергоустановке техническое решение имеет существенный недостаток, к которому можно отнести наличие риформера, предвключенного перед батареей с твердооксидными топливными элементами, что предполагает 100% подачу метанана конверсию, а это снижает эффективность энергетической установки и увеличивает эксплуатационные затраты.
Задачей заявляемого технического решения является повышение энергетической и экономической эффективности энергетической установки с батареей, содержащей твердооксидные топливные элементы.
Техническим результатом заявляемого технического решения является снижение потерь тепловой энергии и улучшение использования материальных ресурсов в энергетической установке с батареей, содержащей твердооксидные топливные элементы.
Технический результат достигается за счет того, что в энергетической установке с батареей, содержащей твердооксидные топливные элементы, паротопливная смесь разделяется в заданном соотношении на два потока и один из этих потоков конвертируется в прериформере в синтез-газ, а второй поток перепускается в обход прериформера и после их смешения образуется смесь с заранее известным составом.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом фиг. 1, на котором представлен модуль батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером, где:
1 - Основание;
2 - Батарея твердооксидных топливных элементов;
3 - Прериформер;
4 - Байпасный трубопровод;
5 - Регулирующий клапан;
6 - Трубопровод подачи паротопливной смеси;
7 - Трубопровод подачи анодного газа на дожигание.
Модуль батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером состоит из батареи твердооксидных топливных элементов 2, прериформера 3 и элементов трубопроводной обвязки с регулирующим клапаном 5 и размещен на основании 1. Байпасный трубопровод 4 предназначен для регулирования количества подаваемой на прериформер 3 паротопливной смеси. Подача паротопливной смеси к модулю батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером осуществляется по трубопроводу подачи паротопливной смеси 6, отвод на дожигание отработанного в батарее твердооксидных топливных элементов 2 анодного газа осуществляется по трубопроводу подачи анодного газа на дожигание 7.
Трубопровод подачи окислителя к батарее твердооксидных топливных элементов, теплообменное оборудование, запорная арматура на чертеже фиг.1 условно не показаны.
Рабочий процесс в модуле батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером осуществляется следующим образом. Паротопливная смесь по трубопроводу подачи паротопливной смеси 6 поступает к модулю батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером. Часть паротопливной смеси через регулирующий клапан 5 по байпасному трубопроводу 4 направляется непосредственно к батарее твердооксидных топливных элементов 2, а остальная часть паротопливной смеси поступает на прериформер 3. Конвертированная в прериформере 3 паротопливная смесь в виде синтез-газа, после смешения с паротопливной смесью, поступающей по байпасному трубопроводу 4, направляется к батарее твердооксидных топливных элементов 2. Отработанный в батарее твердооксидных топливных элементов 2 анодный газ направляется по трубопроводу 7 на дожигание.