ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР НА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
ELECTROCHEMICAL GENERATOR ON SOLID OXIDE FUEL CELLS

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую с использованием твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
Известно устройство для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, включающее батарею из трубчатых элементов (Патент США 4,374,184, Edward V. Somers, Arnold O Isenberg, Fuel Cell Generator and Method of Operating Same. Feb. 15, 1983, Int. C1. H01M 8/06, U.S. C1. 429/17; 429/31). Корпус батареи известного устройства включает генерирующую камеру, камеру дожига, которая является также камерой предварительного нагрева воздуха, камеру входящего воздуха и камеру перемешивания реагентов для реформирования топлива и распределения продуктов реформирования. Трубчатые элементы известной батареи расположены горизонтально, выполнены в виде пробирок из диоксида циркония, закрытые концы которых направлены к камере смешения, а открытые - к камере дожига и нагрева воздуха. Камеры известного устройства разделены перегородками с проходными отверстиями для обеспечения перехода соответствующих газовых потоков между камерами. Одна из перегородок представляет собой трубную доску с трубками для подачи воздуха внутрь элементов к их закрытым концам. Совокупность трубок для подачи воздуха во внутренние полости элементов, большая длина каналов для потоков воздуха предопределяют значительное гидравлическое сопротивление для потоков воздуха, что предполагает наличие принудительных устройств для подачи воздуха.
6
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электрохимический генератор на базе твердооксидных топливных элементов (Патент РФ №2027258, Сомов С.И, Демин А., Липилин А.С., Кузин Б.Л., Перфильев М.В. Высокотемпературный электрохимический генератор, 03.07.90, 20.01.95. Бюл №2. C1, H01M 8/12). Известный генератор (ЭХГ-ТОТЭ) включает корпус, разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смешения топлива и окислителя, камеру электрохимического окисления с батареей вертикально расположенных топливных элементов в виде пробирок, закрытые концы которых направлены к камере смешения, и камеру дожига топлива и нагрева воздуха. В камере смешения топлива и окислителя находится катализатор преобразования смеси газов в синтез-газ. Топливные элементы открытыми концами заглублены в перегородку между камерой электрохимического окисления и камерой дожига топлива и нагрева воздуха. Камера смешения расположена в нижней части корпуса, а камера дожига топлива - в его верхней части. Нагрев воздуха, поступающего во внутреннее пространство элементов, осуществляется за счет теплообмена с газами, выходящими из камеры дожига. Большая длина пути подаваемого воздуха, включающая изменение направления потока, предопределяет значительное гидравлическое сопротивление потоку, поэтому воздух в камеру электрохимического окисления подается с помощью побудителя расхода воздуха. Основной недостаток такого ЭХГ - необходимость использования устройств для подачи воздуха, содержащих движущиеся части, что снижает надежность ЭХГ и ведет к усложнению его конструкции.
Задача изобретения - упрощение конструкции и повышение надежности электрохимического генератора на твердооксидных топливных элементах.
Задача решается тем, что электрохимический генератор, включающий корпус, камеру смешения метана и воздуха, камеру парциального окисления метана, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов и камеру дожига топлива, расположенных друг над другом, содержит вторую камеру смешения метана и воздуха, расположенную ниже первой камеры смешения. Камера парциального окисления метана представляет собой внешнее пространство совокупности трубок, закрепленных на трубной доске, с нанесенным на их внешние поверхности катализатором парциального окисления метана. Камера электрохимического окисления топлива содержит совокупность топливных элементов в виде трубок с открытыми концами, соосно соединенных с трубками камеры парциального окисления. Совокупность внутренних пространств трубок камеры парциального окисления метана, на внутренние поверхности которых нанесен катализатор окисления метана в избытке воздуха, представляет собой реактор нагрева воздуха. Камера дожига содержит совокупность перфорированных пластин с нанесенным на них катализатором дожига.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. В известных устройствах воздух по системе трубок подается ко дну элементов в виде пробирок, что предопределяет значительное гидравлическое сопротивление потоку воздуха, для преодоления которого требуются устройства для принудительной подачи воздуха, содержащие движущиеся части (насосы, вентиляторы, компрессоры и т.п.), срок службы которых значительно меньше потенциального срока службы топливных элементов. В этих устройствах нагрев подаваемого в батарею воздуха по системе трубок осуществляется за счет отбора тепла от выходящих газов в камере дожига. В предлагаемом устройстве нагрев воздуха осуществляется за счет каталитического окисления метана, подаваемого в поток воздуха, который проходит через внутреннее пространство топливных элементов в виде трубок с открытыми концами за счет естественной тяги. Устройства для принудительной подачи воздуха при этом не требуются. Таким образом, новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в том, что заявленный электрохимический генератор имеет более простую конструкцию за счет исключения системы трубок для подачи воздуха и более высокую надежность за счет исключения дополнительных устройств, содержащих движущиеся части.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображен общий вид электрохимического генератора в аксонометрии; на фиг.2 - то же, в разрезе; на фиг.3 - фрагмент сечения стенки единичного топливного элемента; на фиг.4 - фрагмент сечения стенки трубки камеры парциального окисления метана.
Электрохимический генератор содержит батарею топливных элементов 1, имеющих форму трубки с открытыми концами, внутренняя сторона которой является пористым воздушным электродом 2, внешняя сторона - пористым топливным электродом 3, а между электродами находится газоплотный кислородионный электролит 4. В данном примере батарея включает шестнадцать топливных элементов, размещенных в четыре ряда по четыре элемента в каждом. Пространство внутри корпуса, в котором расположена батарея топливных элементов, является камерой электрохимического окисления 5. Нижние концы элементов закреплены на верхних концах трубок из фехраля 6, нижние концы трубок 6 закреплены на трубной доске 7 из алюмомагнезиальной шпинели. Между трубной доской 7 и камерой электрохимического окисления 5 расположена нижняя перегородка 8 с проходными кольцевыми отверстиями 9 для равномерного распределения смеси метан-воздух на топливные электроды 3 топливных элементов 1. На внешнюю поверхность трубок 6 выше перегородки 8 нанесен катализатор парциального окисления метана 10. Пространство между нижней перегородкой 8 и камерой электрохимического окисления 5 является камерой парциального окисления метана 11. Пространство между трубной доской 7 и нижней перегородкой 8 является первой камерой смешения метана и воздуха 12. На внутреннюю поверхность трубок 6 нанесен катализатор каталитического окисления метана в избытке воздуха 13; совокупность внутренних пространств трубок 6 представляет собой реактор нагрева воздуха (не показан). Ниже трубной доски 7 расположена вторая камера смешения метана и воздуха 14, содержащая горелку 15 и нижние перфорированные пластины 16 для равномерного распределения воздуха между внутренними каналами элементов и для экранирования теплового излучения вышерасположенных нагретых компонентов ЭХГ-ТОТЭ. Верхние концы топливных элементов 1 вставлены в отверстия 17 в верхней перегородке 18 между камерой электрохимического окисления топлива 5 и камерой дожига топлива 19; перегородка 18 имеет отверстия 20 для выхода топлива из камеры электрохимического окисления 5 топлива в камеру дожига 19. В камере дожига 19 расположены верхние перфорированные пластины 21 из фехраля с нанесенным на них катализатором дожига топлива 22; пластины также экранируют тепловое излучение нижерасположенных нагретых компонентов ЭХГ-ТОТЭ. Все указанные компоненты расположены в корпусе 23 из муллито-кремнеземистой керамики. Корпус 23 имеет отверстие 24 для подачи смеси метан-воздух из эжектора 25 во вторую камеру смешения 12 и отверстие 26 для подачи метана в горелку 12.
В горелку 12 подают метан и производят его поджиг. После достижения температуры 450°С на фехралевых трубках 6 кратковременно прерывают подачу метана для прекращения пламенного горения, потом возобновляют подачу метана. Метан начинает каталитически окисляться на внутренних поверхностях трубок 6. После достижения температуры 800°С в первую камеру смешения 12 с помощью эжектора 25 подают метан, который эжектирует воздух в соотношении, обеспечивающем парциальное окисление метана. Смесь метан-воздух из камеры смешения 12 через кольцевые отверстия 9 равномерным потоком поступает в камеру парциального окисления 11, где каталитически преобразуется в синтез-газ. Синтез-газ поступает в камеру электрохимического окисления 5. Батарею подключают к нагрузке, и горючие компоненты синтез-газа электрохимически окисляются на внешних электродах 3 топливных элементов 1.