ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА
HYBRID SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к гибридной системе, в которой сочетаются термоакустический холодильник и устройство на топливных элементах.
Уровень техники
В последние годы появились предложения использования в качестве источников энергии нового поколения разнообразных типов модулей топливных элементов, в которых в контейнере находится топливный элемент, способный производить энергию, используя газообразное топливо (водородсодержащий газ) и кислородсодержащий газ (воздух), и разнообразные типы устройств на топливных элементах, в которых модуль топливного элемента находится во внешнем корпусе (см., например, патентный документ 1).
Что касается гибридной системы, которая включает такое устройство на топливных элементах, в настоящее время появились предложения гибридной системы, в которой вода нагревается с использованием тепла, которое обеспечивается за счет энергии, производимой устройством на топливных элементах, или в которой используются другие производящие энергию устройства, такие как экологически чистый двигатель Стирлинга (Stirling), таким образом, что повышается суммарный коэффициент полезного действия (см., например, патентный документ 2).
Кроме того, в последние годы появились предложения высокотемпературного производящего энергию устройства, которое работает на основе термоакустической энергии (см., например, патентный документ 3).
Список цитируемой литературы
Патентная литература
Патентный документ 1: публикация японской нерассмотренной патентной заявки № 2007-59377.
Патентный документ 2: публикация японской нерассмотренной патентной заявки № 2010-174686.
Патентный документ 3: публикация японской нерассмотренной патентной заявки № 2007-263541.
Сущность изобретения
Техническая проблема
Как описано выше, в настоящее время предлагаются гибридные системы, в которых содержатся устройства на топливных элементах и другие системы. Хотя считается, что эти гибридные системы можно использовать надлежащим образом в соответствии с условиями их эксплуатации, все же остается возможность их улучшения в отношении суммарного коэффициента полезного действия.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить гибридную систему, которая является пригодной для использования, в частности, для торгового предприятия, такого как магазин в шаговой доступности или универсальный магазин, в качестве места эксплуатации.
Решение проблемы
Настоящее изобретение предлагает гибридную систему, включающую устройство на топливных элементах и термоакустический холодильник. Термоакустический холодильник составляют производящая термоакустическую энергию секция, в которой производится термоакустическая энергия за счет температурного градиента между высокотемпературной стороной и низкотемпературной стороной, и охлаждающая секция, в которой функция охлаждения осуществляется на низкотемпературной стороне с использованием температурного градиента между высокотемпературной стороной и низкотемпературной стороной, который создается, когда термоакустическая энергия, передаваемая от производящей термоакустическую энергию секции, преобразуется в энергию. Выхлопной газ, выходящий из устройства на топливных элементах, проходит через высокотемпературную сторону производящей термоакустическую энергию секции.
Полезные эффекты изобретения
Согласно настоящему изобретению, поскольку гибридная система имеет конфигурацию, в которой выхлопной газ, выходящий из устройства на топливных элементах, проходит через высокотемпературную сторону производящей термоакустическую энергию секции, звуковая волна может эффективно производиться в производящей термоакустическую энергию секции. Соответственно, гибридную систему составляют термоакустический холодильник, в котором функция охлаждения может усиливаться в охлаждающей секции, и устройство на топливных элементах, таким образом, что гибридная система является пригодной для использования, в частности, для торгового предприятия, такого как магазин шаговой доступности или универсальный магазин, для которого требуется источник электроэнергии, хранение при охлаждении и замораживание.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет схему, иллюстрирующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет внешнее перспективное изображение, иллюстрирующее пример модуля топливного элемента, который составляет устройство на топливных элементах согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет изображение поперечного сечения, иллюстрирующее модуль топливного элемента, который проиллюстрирован на фиг. 2.
Фиг. 4 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 10 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11(a)-11(d) представляют внешние перспективные изображения или изображения поперечного сечения, иллюстрирующие взаимное расположение выхлопной трубы и трубопровода в производящей термоакустическую энергию секции гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 12 представляет изображение поперечного сечения, иллюстрирующее катализатор горения, расположенный в выхлопной трубе в той части, где к выхлопной трубе присоединяется трубопровод, проиллюстрированный на фиг. 11.
Описание вариантов осуществления
Фиг. 1 представляет схему, иллюстрирующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Гибридная система, проиллюстрированная на фиг. 1, включает энергоблок, которому соответствует примерное устройство на топливных элементах, и термоакустический холодильник, который производит термоакустическую энергию с использованием выхлопного газа, выходящего из энергоблока, и осуществляет охлаждение (замораживание) с использованием произведенной термоакустической энергии. На следующих чертежах одинаковые условные номера обозначают одинаковые элементы.
Энергоблок, проиллюстрированный на фиг. 1, включает пакет 2 элементов, в котором содержится множество топливных элементов, вводящее источник топлива устройство 4, которое вводит источник топлива, такой как городской газ, вводящее кислородсодержащий газ устройство 5, вводящее кислородсодержащий газ в топливные элементы, которые составляют пакет 2 элементов, и установка 3 риформинга, которая осуществляет паровой риформинг источника топлива, используя источник топлива и водяной пар. Как описано ниже, модуль топливного элемента 1 (далее в некоторых случаях называется сокращенно «модуль 1») предназначен для помещения пакета 2 элементов и установки 3 риформинга в контейнер и проиллюстрирован как окруженный штрихпунктирной линией на фиг. 1. Хотя это не проиллюстрировано на фиг. 1, модуль 1 включает зажигательное устройство, которое сжигает газообразное топливо, не используемое в производстве энергии.
Кроме того, энергоблок, проиллюстрированный на фиг. 1, включает теплообменник 6, который осуществляет обмен тепла выхлопного газа (тепла выхлопа), которое высвобождается при производстве энергии из топливных элементов, которые составляют пакет 2 элементов, и, таким образом, снижает температуру выхлопного газа. Теплообменник 6 включает обрабатывающее водяной конденсат устройство 7, которое обрабатывает водяной конденсат, полученный при конденсации влаги, которую содержит выхлопной газ, в чистую воду, и водяной резервуар 8, в котором содержится обработанная вода (чистая вода) из обрабатывающего водяной конденсат устройства 7. Водяной резервуар 8 и теплообменник 6 соединяет подающая водяной конденсат труба 9. В зависимости от качества воды в водяном конденсате, который образуется в процессе теплообмена в теплообменнике 6, становится возможным использование конфигурации, в которой не предусмотрено обрабатывающее водяной конденсат устройство 7. Кроме того, в том случае, где обрабатывающее водяной конденсат устройство 7 выполняет функцию хранения воды, становится возможным использование конфигурации, в которой не предусмотрен водяной резервуар 8.
Вода, которая содержится в водяном резервуаре 8, направляется в установку 3 риформинга посредством водяного насоса 11, установленного на подающей воду трубе 10, к которой присоединяются водяной резервуар 8 и установка 3 риформинга.
Кроме того, энергоблок, проиллюстрированный на фиг. 1, включает регулирующее источник электроэнергии устройство (преобразователь электроэнергии) 12, посредством которого производимая в модуле 1 энергия постоянного тока преобразуется в энергию переменного тока, и регулируется мощность электрического тока, поступающего на внешнюю нагрузку, и контроллер 13, который регулирует операции разнообразных элементов. Элементы, которые составляют энергоблок, размещаются во внешнем корпусе, и, в результате этого становится возможным изготовление устройства на топливных элементах, для которого легко осуществляются установочные, транспортировочные или подобные операции.
Далее следует описание термоакустического холодильника 14. Термоакустический холодильник 14 составляют мотор 15, холодильник 16 и соединительная труба 17, которая соединяет мотор 15 и холодильник 16. Мотор 15, холодильник 16 и соединительная труба 17 заполняются газом, таким как газообразный гелий. Кроме того, тепловые аккумуляторы 18 и 19 установлены в мотор 15 и холодильник 16, соответственно. Одна сторона теплового аккумулятора 18 мотора 15 имеет высокую температуру (верхняя сторона на фиг. 1), а его другая сторона имеет низкую температуру (нижняя сторона на фиг. 1), и в результате этого возникает температурный градиент, который обеспечивает производство термоакустической энергии (звуковых волн). Соответственно, предусмотрены проток 20A высокотемпературной стороны, через который проходит высокотемпературная текучая среда для нагревания одной стороны теплового аккумулятора 18, и проток 20B низкотемпературной стороны, через который проходит низкотемпературная текучая среда для охлаждения соответствующей другой стороны. Производящая термоакустическую энергию секция 20 сконструирована таким образом, что ее составляют тепловой аккумулятор 18, проток высокотемпературной стороны и проток низкотемпературной стороны. На фиг. 1 проток 20A высокотемпературной стороны, проток 20B низкотемпературной стороны и тепловой аккумулятор 18, из которых состоит производящая термоакустическую энергию секция 20, вместе окружены штриховой линией.
Термоакустическая энергия, образующаяся в производящей термоакустическую энергию секции 20, резонирует при прохождении через мотор 15 и соединительную трубу 17, и термоакустическая энергия передается холодильнику 16. Эта термоакустическая энергия преобразуется в тепловую энергию в холодильнике 16. Проток 21A, через который проходит текучая среда, содержит высокотемпературная сторона (верхняя сторона на фиг. 1), которой соответствует одна сторона теплового аккумулятора 19. Таким образом, на другой стороне (нижней стороне на фиг. 1) теплового аккумулятора 19 происходит эндотермическая реакция, которая вызывает снижение температуры, и в результате этого осуществляется функция охлаждения. Таким образом, охлаждающая секция 21 имеет конфигурацию, которую составляют тепловой аккумулятор 19, проток 21A, которому соответствует высокотемпературная сторона, и часть 21B, которой соответствует низкотемпературная сторона. В охлаждающей секции 21 проток 21A представляет собой проток, через который проходит высокотемпературная текучая среда, в отличие от другой стороны, которая представляет собой низкотемпературную сторону, но движение высокотемпературной текучей среды не является обязательным. В частности, температура текучей среды, проходящей через проток 21A в охлаждающей секции 21, снижается, и в результате этого дополнительно снижается температура части 21B, которой соответствует низкотемпературная сторона, и, таким образом, осуществляется функция замораживания. Другими словами, охлаждающая секция 21 выполняет функцию морозильного устройства. Соответственно, водопроводная вода при комнатной или близкой к ней температуре проходит, например, через проток 21A, и в результате этого становится возможным снижение температуры части 21B, которой соответствует низкотемпературная сторона, например, приблизительно до -70°C. На фиг. 1 проток 21A, часть 21B, которой соответствует низкотемпературная сторона, и тепловой аккумулятор 19, из которых состоит охлаждающая секция 21, вместе, окружены штриховой линией.
Здесь описывается способ работы гибридной системы, проиллюстрированной на фиг. 1. В момент включения устройства на топливных элементах контроллер 13 приводит в действие вводящее источник топлива устройство 4, вводящее кислородсодержащий газ устройство 5, водяной насос 11 и зажигательное устройство. В этот момент, поскольку температура модуля 1 является низкой, не осуществляется производство энергии топливным элементом и реакция риформинга установкой 3 риформинга. Почти все количество газообразного топлива, которое вводит вводящее источник топлива устройство 4, сжигается как газообразное топливо, которое не используется для производства энергии и которое производит при сгорании теплоту, приводящую к повышению температуры модуля 1 или установки 3 риформинга. Когда температура установки 3 риформинга становится равной температуре, при которой может осуществляться паровой риформинг, установка 3 риформинга осуществляет паровой риформинг и производит газообразное топливо, которому соответствует водородсодержащий газ, требуемый для производства энергии топливным элементом. После того, как установка 3 риформинга достигает температуры, при которой может осуществляться паровой риформинг, контроллер 13 может регулировать водяной насос 11 таким образом, что насос приводится в действие. Когда топливный элемент достигает температуры, при которой может начинаться производство энергии, топливный элемент начинает производство энергии, используя выхлопной газ, который производится в установке 3 риформинга, и кислородсодержащий газ, который вводит вводящее кислородсодержащий газ устройство 5. Электроэнергия, которую производит пакет 2 элементов, преобразуется в энергию переменного тока регулирующим источник электроэнергии устройством 12, а затем поступает на внешнюю нагрузку.
После того, как в топливном элементе начинается производство энергии, чтобы устройство на топливных элементах работало эффективно, контроллер 13 регулирует вводящее источник топлива устройство 4, вводящее кислородсодержащий газ устройство 5, водяной насос 11 и другие устройства в процессе работы на основании заданных параметров, таких как коэффициент использования топлива (Uf), коэффициент использования воздуха (Ua) и значение S/C, которое представляет собой молярное соотношение между количеством углерода в топливе и воды при паровом риформинге в установке 3 риформинга. Коэффициент использования топлива представляет собой значение, получаемое в результате деления количества газообразного топлива, которое используется для производства энергии, на количество газообразного топлива (источника топлива), которое вводит вводящее источник топлива устройство 4, и коэффициент использования воздуха представляет собой значение, получаемое в результате деления количества воздуха, используемого для производства энергии, на количество воздуха, вводимого вводящим кислородсодержащий газ устройством 5.
Выхлопной газ, образующийся в процессе работы пакета 2 элементов, проходит через проток 20A высокотемпературной стороны, которую включает производящая термоакустическую энергию секция 20 в моторе 15 термоакустического холодильника 14. В частности, предусмотрен трубопровод (проток), через который проходит выхлопной газ, выходящий из устройства на топливных элементах, и которым окружена одна сторона (высокотемпературная сторона) трубопровода, где находится тепловой аккумулятор 18. Такая конфигурация обеспечивает движение выхлопного газа через проток 20A высокотемпературной стороны производящей термоакустическую энергию секции 20. В следующем описании каждый элемент трубопровода также расположен таким образом, что он окружает трубопровод термоакустического холодильника 14 и имеет конфигурацию, которая обеспечивает движение каждой текучей среды через каждую часть термоакустического холодильника 14.
Таким образом, создается температурный градиент между одной стороной и другой стороной теплового аккумулятора 18, и становится возможным производство термоакустической энергии. Чем больше разность между температурами низкотемпературной стороны и высокотемпературной стороны теплового аккумулятора 18, которым соответствует производящая термоакустическую энергию секция 20, тем более эффективно может производиться термоакустическая энергия. Таким образом, например, водопроводная вода при комнатной или близкой к ней температуре может поступать в проток 20B низкотемпературной стороны.
Кроме того, в гибридной системе, проиллюстрированной на фиг. 1, в качестве топливного элемента используется твердооксидный топливный элемент (пакет 2 элементов), и в результате этого тепло выхлопного газа, выходящего из модуля 1, обеспечивает чрезвычайно высокую температуру, и, следовательно, увеличивается вероятность создания температурного градиента. Таким образом, становится возможным эффективное производство термоакустической энергии, а также становится возможным изготовление термоакустического холодильника 14, который хорошо выполняет функцию охлаждения посредством использования производимой термоакустической энергии.
Один конец протока 20A высокотемпературной стороны присоединяется к теплообменнику 6. Таким образом, используется конфигурация, в которой выхлопной газ, выходящий из устройства на топливных элементах, проходит через проток 20A высокотемпературной стороны, которой соответствует высокотемпературная сторона производящей термоакустическую энергию секции, и затем проходит в теплообменник 6. Оказывается предпочтительным, что в теплообменнике 6 температура выхлопного газа, поступающего в теплообменник 6, существенно снижается до комнатной температуры, и с выхлопным газом, который выходит из устройства на топливных элементах, вступают в теплообмен, например, вода, газообразное топливо или кислородсодержащий газ, который поступает в устройство на топливных элементах, и т.п.
Кроме того, вода, которую содержит выхлопной газ, выходящий из пакета 2 элементов, конденсируется посредством теплообмена в теплообменнике 6, и водяной конденсат направляется в обрабатывающее водяной конденсат устройство 7 через подающую водяной конденсат трубу 9. Водяной конденсат обрабатывается и превращается в чистую воду в обрабатывающем водяной конденсат устройстве 7, и после обработки чистая вода направляется в водяной резервуар 8. Вода, содержащаяся в водяном резервуаре 8, направляется в установку 3 риформинга через подающую воду трубу 10 посредством водяного насоса 11. Таким образом, водяной конденсат эффективно используется, и в результате этого становится возможным осуществление работы с использованием собственного источника воды.
Как описано выше, поскольку гибридная система согласно варианту осуществления настоящего изобретения выполняет функцию холодильника 16 в термоакустическом холодильнике 14, а также функцию производства энергии посредством устройства на топливных элементах, становится возможным изготовление гибридной системы, которая является пригодной для использования, в частности, для торгового предприятия, такого как магазин шаговой доступности или универсальный магазин, и которая имеет повышенный суммарный коэффициент полезного действия.
Далее описывается устройство на топливных элементах согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет внешнее перспективное изображение, иллюстрирующее примерный модуль в устройстве на топливных элементах, которое составляет гибридную систему согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг. 3 представляет изображение поперечного сечения модуля, проиллюстрированного на фиг. 2.
Модуль 1, проиллюстрированный на фиг. 2 предназначен, чтобы содержать устройство 30 пакета элементов внутри контейнера 22. Устройство 30 пакета элементов включает два пакета 2 элементов, в которых цилиндрические топливные элементы 23, имеющие проток для газообразного топлива (не проиллюстрированный на чертеже), в котором циркулирует газообразное топливо, располагаются в ряду, стоя в вертикальном положении, причем соседние топливные элементы 23 имеют последовательное электрическое соединение через токоприемный элемент (не проиллюстрированный на фиг. 2), и нижним концом топливные элементы 23 прикрепляют к коллектору 24, используя изоляционный соединительный материал (не проиллюстрированный на чертеже), такой как материал стеклоприпоя. Кроме того, устройство 30 пакета элементов включает, над пакетом элементов 2, установку 3 риформинга для производства газообразного топлива, которое направляется в топливный элемент 23. Электропроводные элементы (не проиллюстрированные на чертеже), которые имеют электропровода для сбора электроэнергии, которую производит в процессе производства энергии пакет 2 элементов (топливный элемент 23), расположены на обеих концевых частях пакета 2 элементов. Устройство 30 пакета элементов имеет конфигурацию, в которую входит каждый элемент, описанный выше. Фиг. 2 иллюстрирует случай, в котором устройство 30 пакета элементов включает два пакета 2 элементов, но число пакетов элементов может быть изменено. Например, устройство 30 пакета элементов может включать только один пакет 2 элементов.
Кроме того, в качестве топливного элемента 23, фиг. 2 иллюстрирует твердооксидный топливный элемент 23, имеющий форму полой плоской пластины, которая включает проток для газообразного топлива, в котором газообразное топливо циркулирует в продольном направлении, и его составляют слой топливного электрода, слой твердого электролита и слой кислородного электрода, которые в данном порядке образуют многослойную конструкцию на поверхности подложки, которая включает проток для газообразного топлива. Кислородсодержащий газ циркулирует между топливными элементами 23.
Кроме того, в устройстве на топливных элементах согласно варианту осуществления настоящего изобретения топливный элемент 23 может представлять собой твердооксидный топливный элемент, и, например, он может иметь форму плоской пластины или цилиндра, причем форма контейнера 22 может быть изменена надлежащим образом.
Кроме того, установка 3 риформинга, проиллюстрированная на фиг. 2, осуществляет риформинг источника топлива, такого как природный газ или керосин, которое поступает через вводящую источник топлива трубу 28, таким образом, что производится газообразное топливо. Оказывается предпочтительным, что установка 3 риформинга имеет конструкцию, в которой паровой риформинг может осуществляться как эффективная реакция риформинга. Установка 3 риформинга включает испарительную секцию 25 для испарения воды и секцию риформинга 26, в которой находится катализатор риформинга (не проиллюстрированный на чертеже), который катализирует риформинг источника топлива в газообразное топливо. Газообразное топливо, которое производит установка 3 риформинга, направляется в коллектор 24 через циркуляционную трубу 27 для газообразного топлива, а затем направляется в проток для газообразного топлива внутри топливных элементов 23 через коллектор 24.
Кроме того, фиг. 2 иллюстрирует состояние, в котором удалена часть (передняя и задняя поверхности) контейнера 22, и расположенное внутри устройство 30 пакета элементов извлечено назад. Здесь в модуле 1, проиллюстрированном на фиг. 2, становится возможным скольжение устройства 30 пакета элементов в контейнер 22 и размещение внутри него.
Направляющий кислородсодержащий газ элемент 29 находится между пакетами элементов 2, расположенных параллельно на коллекторе 24 внутри контейнера 22, таким образом, что кислородсодержащий газ проходит через топливный элемент 23 от нижней торцевой части по направлению к верхней торцевой части.
Как проиллюстрировано на фиг. 3, контейнер 22, содержащий модуль 1, имеет двойную конструкцию, которую составляют внутренняя стенка 31 и внешняя стенка 32, из которых образуется внешний корпус контейнера 22, и внутренняя стенка 31 образует генераторное пространство 33, в котором находится устройство 30 пакета элементов. Кроме того, в контейнере 22 между внутренней стенкой 31 и внешней стенкой 32 изготовлен проток 39 для кислородсодержащего газа, в котором циркулирует кислородсодержащий газ, направляемый в топливный элемент 23.
Направляющий кислородсодержащий газ элемент 29 включает впуск кислородсодержащего газа (не проиллюстрированный на чертеже), фланец 43 и выпуск 34 кислородсодержащего газа. Направляющий кислородсодержащий газ элемент 29 вставляется через внутреннюю стенку 31 в верхней секции контейнера 22 таким образом, что он прикрепляется в контейнере 22.
Кислородсодержащий газ поступает через впуск кислородсодержащего газа. Впуск кислородсодержащего газа и фланец 43 находятся на верхней стороне кислородсодержащего элемента 29. Выпуск 34 кислородсодержащего газа направляет кислородсодержащий газ к нижней торцевой части топливного элемента 23. Выпуск 34 кислородсодержащего газа находится в нижней части направляющего кислородсодержащий газ элемента 29.
На фиг. 3 направляющий кислородсодержащий газ элемент 29 занимает положение между двумя пакетами элементов 2, расположенных параллельно в контейнере 22, но он может быть расположен соответствующим образом в зависимости от числа пакетов элементов 2. Например, в том случае, где в контейнере 22 находится единственный пакет 2 элементов, присутствуют два направляющих кислородсодержащих газ элемента 29, которые могут быть расположены таким образом, что пакет 2 элементов занимает положение между обеими боковыми поверхностями.
Кроме того, в генераторном пространстве 33 изоляционный элемент 35, который поддерживает высокую температуру в модуле 1, установлен соответствующим образом, чтобы не происходило чрезмерное рассеяние тепла в модуле 1, не снижалась температура топливного элемента 23 (пакет 2 элементов) и не уменьшалось количество производимой энергии.
Оказывается предпочтительным, чтобы изоляционный элемент 35, который находится вблизи пакета 2 элементов, располагался на боковых поверхностях пакета 2 элементов вдоль направления, в котором ориентированы топливные элементы 23, и имел ширину, равную или составляющую более чем ширина боковой поверхности пакета 2 элементов вдоль направления укладки топливного элемента 23. Оказывается предпочтительным, чтобы изоляционный элемент 35 находился на обеих боковых поверхностях пакета 2 элементов. Таким образом, становится возможным эффективное подавление уменьшения температуры пакета 2 элементов. Кроме того, становится возможным подавление выхода из боковых поверхностей пакета 2 элементов кислородсодержащего газа, который направляется направляющим кислородсодержащий газ элементом 29, и становится возможным ускорение потока кислородсодержащего газа между топливными элементами 23, которые составляют пакет 2 элементов. Предусмотрено отверстие 36 в изоляционном элементе 35 на обеих боковых поверхностях пакета 2 элементов таким образом, чтобы регулировать поток кислородсодержащего газа, который поступает в топливный элемент 23, и уменьшать перепад температуры в продольном направлении пакета 2 элементов и в направлении укладки топливных элементов 23.
Кроме того, внутренняя стенка 37 для выхлопного газа находится внутри внутренней стенки 31 вдоль направления укладки топливных элементов 23 и проток 40 выхлопного газа, через который выхлопной газ в генераторном пространстве 33 проходит от верхней стороны к нижней стороне, образуется между внутренней
стенкой 31 и внутренней стенкой 37 для выхлопного газа. Проток 40 выхлопного газа соединяется с выхлопным отверстием 38, изготовленным в нижней части контейнера 22. Кроме того, предусмотрен изоляционный элемент 35 на пакете 2 элементов со
стороны внутренней стенки 37 для выхлопного газа.
Таким образом, выхлопной газ, который производит модуль 1 в процессе работы (в течение процесса пуска, в течение производства энергии, в течение процесса остановки), проходит через проток 40 выхлопного газа и затем выходит через выхлопное отверстие 38. Выхлопное отверстие 38 может быть изготовлено путем среза части дна контейнера 22 или путем изготовления элемента в форме трубы.
Термопара 42 для измерения температуры вблизи пакета 2 элементов, находится в направляющем кислородсодержащий газ элементе 29 таким образом, что термочувствительная часть 41 термопары 42 занимает положение в центральной части топливного элемента 23 в продольном направлении и в центральной части топливных элементов 23 в направлении укладки.
Кроме того, в модуле 1, имеющем описанную выше конфигурацию, газообразное топливо и кислородсодержащий газ, которые выходят, по меньшей мере, из части протока для газообразного топлива в топливных элементах 23 и не используются для производства энергии, сгорают между верхней торцевой стороной топливных элементов 23 и установкой 3 риформинга, и в результате этого становятся возможными повышение и поддержание температуры топливных элементов 23. Кроме того, становится возможным нагревание установки 3 риформинга выше температуры топливных элементов 23 (пакета 2 элементов), а также можно эффективно осуществлять реакцию риформинга в установке 3 риформинга. В течение обычного производства энергии температура в модуле 1 составляет приблизительно от 500C до 800C вследствие описанного выше горения или производства энергии в топливных элементах 23. Соответственно, является очень высокой температура выхлопного газа, выходящего из модуля 1.
Фиг. 4 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения. По сравнению с гибридной системой согласно варианту осуществления настоящего изобретения, которая проиллюстрирована на фиг. 1, настоящий вариант осуществления отличается тем, что устройство на топливных элементах включает резервуар с горячей водой, и теплообмен между выхлопным газом, выходящим из устройства на топливных элементах, и циркулирующей водой, которая циркулирует через резервуар с горячей водой 44 и теплообменник 6, осуществляется посредством теплообменника 6.
Таким образом, по сравнению с гибридной системой, которая проиллюстрирована на фиг. 1, гибридная система, проиллюстрированная на фиг. 4, включает циркуляционный трубопровод 45, который осуществляет циркуляцию воды в теплообменник 6, датчик температуры 46 выпускаемой воды для измерения температуры воды (воды в циркулирующем потоке), которая проходит через выпуск теплообменника 6, установленный на выпуске теплообменника 6, циркуляционный насос 47 для циркуляции воды в циркуляционном трубопроводе 45 и резервуар с горячей водой 44, в котором содержится вода (горячая вода) после прохождения через циркуляционный трубопровод 45 и осуществления теплообмена.
В такой гибридной системе выхлопной газ, проходящий через проток 20A высокотемпературной стороны в моторе 15 (производящей термоакустическую энергию секции 20) термоакустического холодильника 14 последовательно поступает в теплообменник 6, осуществляет теплообмен с циркулирующей водой, которая проходит через циркуляционный трубопровод 45 в теплообменнике 6, и производится горячая вода.
Таким образом, гибридная система, которая проиллюстрирована на фиг. 4, выполняет три функции, в том числе производство энергии в устройстве на топливных элементах, охлаждение в термоакустическом холодильнике и производство горячей воды в блоке горячей воды. Соответственно, становится возможным изготовление гибридной системы, в которой повышается суммарный коэффициент полезного действия.
Фиг. 5 и 6 представляют схемы, иллюстрирующие следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В этих гибридных системах, по сравнению с гибридной системой, проиллюстрированной на фиг. 4, к одному концу протока 21A холодильника 16 присоединяется теплообменник 6 или резервуар с горячей водой 44. Таким образом, вода при комнатной температуре проходит через проток 21A, и вода из протока 21A поступает непосредственно в теплообменник 6 или через резервуар с горячей водой 44 и циркуляционный трубопровод 45 в теплообменник 6. В гибридной системе, которая проиллюстрирована на фиг. 5, вместо циркуляционного трубопровода 45, собирающая горячую воду труба 48 соединяет теплообменник 6 и резервуар с горячей водой 44.
Как описано выше, температура высокотемпературной стороны, которой соответствует одна сторона теплового аккумулятора 19 холодильника 16, поддерживается на низком уровне, и в результате этого становится возможным снижение температуры на низкотемпературной стороне, которой соответствует другая сторона теплового аккумулятора 19. Здесь холодильник 16 эффективно осуществляет функцию охлаждения. Кроме того, температура на высокотемпературной стороне теплового аккумулятора 19 холодильника 16 поддерживается на еще более низком уровне, и в результате этого холодильник 16 выполняет функцию морозильника.
В производящей энергию системе, которая проиллюстрирована на фиг. 5 и 6, вода при комнатной температуре проходит через проток 21A холодильника 16, и в результате этого становится возможным поддержание низкой температуры на высокотемпературной стороне теплового аккумулятора 19, а также холодильник 16 может функционировать как эффективный холодильник. Кроме того, вода из протока 21A поступает непосредственно в теплообменник 6 или проходит через резервуар с горячей водой 44 и циркуляционный трубопровод 45 в теплообменник 6, и в результате этого становится возможным эффективное использование воды. Таким образом, может быть изготовлена гибридная система, у которой дополнительно повышается суммарный коэффициент полезного действия.
Фиг. 7 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию производящей энергию системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения. По сравнению с гибридной системой, которая проиллюстрирована на фиг. 6, проток 21A и проток 20B низкотемпературной стороны изготовлены совместно, и один конец протока 20B низкотемпературной стороны присоединяется к теплообменнику 6. Таким образом, текучая среда после прохождения через проток 21A охлаждающей секции 21 проходит через низкотемпературную сторону протока 20B производящей термоакустическую энергию секции 20, а затем поступает в теплообменник 6.
Как описано выше, чем больше температурный градиент между одной стороной и другой стороной теплового аккумулятора 18 в производящей термоакустическую энергию секции 20, тем больше вероятная производимая термоакустическая энергия. Здесь вода при комнатной температуре после прохождения через проток 21A охлаждающей секции 21 непрерывно пропускается через проток 20B низкотемпературной стороны производящей термоакустическую энергию секции 20, и в результате этого становится вероятным получение большего температурного градиента между одной стороной и другой стороной теплового аккумулятора 18 в производящей термоакустическую энергию секции 20.
Кроме того, вода при комнатной температуре, протекая через проток 21A охлаждающей секции 21, проходит через низкотемпературную сторону протока 20B производящей термоакустическую энергию секции 20 и, затем направляется в нижнюю секцию (низкотемпературную сторону) резервуара с горячей водой 44, и в результате этого становится возможным более эффективное использование воды. Таким образом, становится возможным изготовление гибридной системы, в которой дополнительно повышается суммарный коэффициент полезного действия.
Фиг. 8 представляет схему, иллюстрирующую следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В гибридной системе, которая проиллюстрирована на фиг. 8, в устройстве на топливных элементах отсутствует резервуар с горячей водой, но теплообменник 6 включает циркуляционный проток 49, в котором текучая среда осуществляет теплообмен с выхлопным газом из устройства на топливных элементах, проходя последовательно через проток 21A охлаждающей секции 21, проток 20B низкотемпературной стороны производящей термоакустическую энергию секции 20 и теплообменник 6. Таким образом, протоки изготовлены совместно.
Кроме того, установлен насос 50 на циркуляционном протоке 49. Таким образом, отсутствует необходимость изготовления отдельных протоков для соответствующих теплообменных частей, и становится возможной упрощенная конфигурация термоакустического холодильника 14. Управление работой насоса 50 делает возможным регулирование охлаждающей функции термоакустического холодильника 14.
Кроме того, циркуляционный проток 49 имеет такую конструкцию, что текучая среда, проходящая через циркуляционный проток 49, проходит через проток 21A охлаждающей секции 21, а затем проходит через проток 20B низкотемпературной стороны производящей термоакустическую энергию секции 20. Таким образом, становится возможным прохождение текучей среды, имеющей низкую температуру, через проток 21A охлаждающей секции 21, и, таким образом, охлаждающая секция 21 может приобретать улучшенную функцию охлаждения. Не существует определенного ограничения в отношении текучей среды, проходящей через циркуляционный проток 49, и, например, могут быть использованы водопроводная вода, воздух или другая среда при комнатной температуре.
Кроме того, в гибридной системе, проиллюстрированной на фиг. 8, холодильник 51 для охлаждения текучей среды, проходящий через циркуляционный проток 49, установлен в циркуляционном протоке 49.
Текучая среда, проходящая через циркуляционный проток 49, иногда приобретает высокую температуру в ходе прохождения через низкотемпературную сторону производящей термоакустическую энергию секции 20 или в ходе теплообмена с выхлопным газом, выходящим из устройства на топливных элементах, в теплообменнике 6. В частности, текучая среда иногда приобретает особенно высокую температуру посредством теплообмена с выхлопным газом, выходящим из устройства на топливных элементах, в теплообменнике 6. Когда такая текучая среда, имеющая высокую температуру, проходит через высокотемпературную сторону охлаждающей секции 21, повышается температура на низкотемпературной стороне. В таком случае существует риск возможного ухудшения охлаждающей функции.
Таким образом, в гибридной системе, проиллюстрированной на фиг. 8, поскольку холодильник 51 для охлаждения текучей среды, проходящей через циркуляционный проток 49, установлен на циркуляционном протоке 49, становится возможным поддержание температуры текучей среды, проходящей через циркуляционный проток 49, на низком уровне, и можно подавлять ухудшение функции охлаждения в охлаждающей секции 21.
Холодильник 51 может осуществлять охлаждение текучей среды, проходящей через циркуляционный проток 49, но конфигурация этим не ограничивается. Например, циркуляционный проток 49 может проходить через контейнер, в котором содержится водопроводная вода, и который не представляет собой радиатор, или циркуляционный проток 49 может проходить вокруг цилиндрического резервуара, в котором протекает водопроводная вода.
Кроме того, в производящей термоакустическую энергию секции 20 на фиг. 8 выхлопную трубу, через которую проходит выхлопной газ, выходящий из устройства на топливных элементах, и часть которой превращается в проток 20A, представляет собой выхлопная труба 52. Кроме того, в производящей термоакустическую энергию секции 20, трубопровод которой, где находится тепловой аккумулятор 18, представляет собой трубу 53. Этот трубопровод будет описан ниже.
Фиг. 9 и 10 представляют схемы, иллюстрирующие следующую примерную конфигурацию гибридной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения. По сравнению с гибридной системой, представленной на фиг. 8, гибридная система на фиг. 9 имеет конфигурацию, в которой теплообмен между текучей средой, проходящей через циркуляционный проток 49, и источником топлива, который направляется в установку 3 риформинга, осуществляется в холодильнике 51, и гибридная система на фиг. 10 имеет конфигурацию, в которой теплообмен между текучей средой, проходящий через циркуляционный проток 49, и кислородсодержащим газом, который поступает в пакет 2 элементов, также осуществляется в холодильнике 51. Таким образом, холодильник 51 функционирует в качестве теплообменной секции.
В частности, в устройстве на топливных элементах, в котором используется твердооксидный топливный элемент 23 в качестве топливного элемента 23, производство энергии топливным элементом 23 осуществляется при очень высокой температуре. Таким образом, оказывается предпочтительным, чтобы температура источника топлива или кислородсодержащего газа, который поступает в модуль 1, была высокой. Здесь в холодильнике 51 текучая среда, проходящая через циркуляционный проток 49, осуществляет теплообмен с источником топлива или кислородсодержащим газом, и в результате этого становится возможным повышение температуры источника топлива или кислородсодержащего газа, который поступает в модуль 1. Таким образом, становится возможным повышение коэффициента полезного действия производящего энергию устройства на топливных элементах, и может быть изготовлена гибридная система, имеющая повышенный суммарный коэффициент полезного действия.
Фиг. 11(a)-11(d) представляют внешние перспективные изображения или изображения поперечного сечения, иллюстрирующие взаимное расположение выхлопной трубы и трубопровода в гибридной системе согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 представляет внешние перспективные изображения или изображения поперечного сечения, избирательно иллюстрирующие соединения или примерные формы соединений между трубопроводом 53 и выхлопной трубой 52, которые окружены штриховой линией на фиг. 8. Фиг. 11(a) представляет внешнее перспективное изображение, иллюстрирующее конструкцию (далее в выхлопной трубе 52 и трубопроводе 53 конструкция в той части, где выхлопная труба 52 покрывает трубопровод 53, называется термином «двойная труба» 54) в положении, в котором выхлопная труба 52 покрывает трубопровод 53. Фиг. 11(b) представляет изображение поперечного сечения, рассматриваемое вдоль линии A-A на фиг. 11(a), фиг. 11(c) представляет изображение поперечного сечения, иллюстрирующее другой пример, и фиг. 11(d) представляет изображение поперечного сечения, иллюстрирующее еще один пример. Здесь эти конфигурации описаны в приведенном порядке.
Фиг. 11(a) и 11(b) избирательно иллюстрируют высокотемпературную сторону теплового аккумулятора 18 в трубопроводе 53 и представляют конструкцию двойной трубы 54, в который выхлопная труба 52 расположена таким образом, что она покрывает внешнюю поверхность трубопровода 53. Таким образом, тепло выхлопного газа, который выходит из устройства на топливных элементах и проходит через выхлопную трубу 52 (другими словами, проток 20A высокотемпературной стороны, который далее используется в таком же значении), эффективно передается трубопроводу 53, и в результате этого становится возможным создание значительного температурного градиента в производящей термоакустическую энергию секции 20.
Фиг. 11(a) и 11(b) иллюстрируют примерную конфигурацию, в которой выхлопной газ, проходящий через выхлопную трубу 52, проходит от верхней стороны до нижней стороны. При том условии, что существует конструкция двойной трубы, выхлопной газ, проходящий через выхлопную трубу 52, может проходить в горизонтальном направлении в качестве дополнения к вертикальному направлению.
Кроме того, когда повышается теплопроводность выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52 в трубопровод 53, теплопроводность выхлопной трубы 52 может быть еще выше, чем теплопроводность трубопровода 53. Таким образом, становится возможным эффективный перенос тепла от выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52 в трубопровод 53, и можно дополнительно улучшать эксплуатационные характеристики термоакустического холодильника 14.
Фиг. 11(c) иллюстрирует конфигурацию, в которой выступ 55, который выступает по направлению к трубопроводу 53, находится на внутренней стенке выхлопной трубы 52 в части на внешней поверхности трубопровода 53, которой соответствует часть, составляющая двойную трубу 54.
В такой конфигурации выхлопной газ, проходящий через выхлопную трубу 52, производит турбулентность, и становится возможным эффективный перенос тепла выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52, к трубопроводу 53. Фиг. 11(c) иллюстрирует конфигурацию, в которой выступ 55 находится на внутренней стенке выхлопной трубы 52; в противном случае, когда выступ, который выступает по направлению к выхлопной трубе 52, находится на внешней стенке в части трубопровода 53, которая составляет двойную трубу 54, становится возможным увеличение площади поверхности трубопровода 53 в дополнение к созданию турбулентности посредством выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52. Тогда становится возможным еще более эффективный перенос тепла выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52, к трубопроводу 53. Оказывается возможным изготовление выступа 55 как на выхлопной трубе 52, так и на трубопроводе 53; однако в таком случае является предпочтительным наличие выступов 55 таких размеров, чтобы отсутствовало какое-либо воздействие на поток выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52.
Фиг. 11(d) иллюстрирует конфигурацию, в которой изоляционный элемент 56 находится на внешней поверхности части (части двойной трубы 54) выхлопной трубы 52, которой соответствует высокотемпературная сторона производящей термоакустическую энергию секции. Таким образом, изоляционный элемент 56 находится на внешней поверхности части выхлопной трубы 52, которой соответствует высокотемпературная сторона производящей термоакустическую энергию секции, и в результате этого становится возможным подавление рассеяния тепла выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52, и больше тепла может передаваться к трубопроводу 53. Фиг. 11(d) иллюстрирует пример, в котором изоляционный элемент 56 находится на внешней поверхности части выхлопной трубы 52, которой соответствует высокотемпературная сторона производящей термоакустическую энергию секции; однако изоляционный элемент 56 может покрывать всю выхлопную трубу 52 таким образом, что остается на высоком уровне температура передающего тепло выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52.
Кроме того, хотя в приведенном выше описании выхлопная труба 52 и трубопровод 53 образуют конфигурацию двойной трубы, форма двойной трубы не ограничивается этим, при том условии, что тепло выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52, эффективно передается к трубопроводу 53. Например, может быть установлена выхлопная труба 52, которая обертывается в форме спирали вокруг внешней поверхности трубопровода 53.
Фиг. 12 иллюстрирует пример, в котором, согласно конфигурации выхлопной трубы 52 и трубопровода 53, которые проиллюстрированы на фиг. 11(b), катализатор горения 57 находится внутри части (части двойной трубы 54) выхлопной трубы 52, к которой присоединяется трубопровод 53.
Как описано выше, тепло выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52, передается к трубопроводу 53 и, в результате этого становится возможным создание большего температурного градиента в производящей термоакустическую энергию секции 20. Здесь в некоторых случаях выхлопной газ, проходящий через выхлопную трубу 52, содержит несгоревшее газообразное топливо. Соответственно, катализатор горения 57 находится внутри, по меньшей мере, части выхлопной трубы 52, к которой присоединяется трубопровод 53, и в результате этого несгоревшие газообразные компоненты, которые содержит выхлопной газ, вступают в реакцию горения. Таким образом, по сравнению со случаем, в котором отсутствует катализатор горения, становится возможным достижение высокотемпературного состояния. В результате этого можно увеличивать фактическую теплоемкость выхлопного газа, проходящего через выхлопную трубу 52. Таким образом, поскольку становится возможным увеличение количества тепла, которое переносится к трубопроводу 53, можно увеличивать температурный градиент в производящей термоакустическую энергию секции 20, и охлаждающая секция 16 может эффективно осуществлять функцию охлаждения. Катализатор горения 57 может находиться, по меньшей мере, внутри части выхлопной трубы 52, к которой присоединяется трубопровод 53, и можно помещать катализатор горения 57 в другие части выхлопной трубы 52.
Здесь в качестве катализатора горения 57 может быть использован катализатор горения, который обычно применяется, и, например, становится возможным использовать катализатор горения, в котором каталитический элемент, такой как благородный металл, например, платина или палладий, наносится на пористый носитель, такой как γ-оксид алюминия, α-оксид алюминия или кордиерит.
Кроме того, на фиг. 12 разделительный элемент 58 занимает положение, в котором катализатор горения 57 располагается таким образом, что катализатор горения 57 не выпадает, и находится внутри выхлопной трубы 52 в части, к которой присоединяется трубопровод 53. Фиг. 12 иллюстрирует пример, в котором в части выхлопной трубы, к которой присоединяется трубопровод 53, разделительный элемент 58 установлен в двух местах на стороне впуска и на стороне выпуска (вверху и внизу) по отношению к направлению движения выхлопного газа. При том условии, что разделительный элемент 58 имеет термическое сопротивление, не нарушает поток выхлопного газа, а также может препятствовать выпадению катализатора горения 57, не существует никаких ограничений по отношению к данному элементу. Например, в качестве разделительного элемента 58 может быть использован сеткоподобный элемент, изготовленный из металла или другого материала.
Фиг. 12 представляет конфигурацию на основании конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 11(b), и, например, такой же катализатор горения 57 может быть использован в конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 11(c) и 11(d).
Настоящее изобретение подробно описано выше, но настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления, и можно осуществлять их модификацию и усовершенствование разнообразными способами в рамках настоящего изобретения без отклонения от его идеи.
Например, в гибридной системе, которая описана выше, используется примерное устройство на топливных элементах, причем данное устройство на топливных элементах, которое включает твердооксидный топливный элемент, но может также присутствовать полимерный электролитный топливный элемент. В том случае, где используется, например, полимерный электролитный топливный элемент, эффективно используется тепло, производимое в течение реакции риформинга, или конфигурация может быть модифицирована надлежащим образом.
Список ссылочных обозначений
1 - модуль топливного элемента
6 - теплообменник
14 - термоакустический холодильник
20 - производящая термоакустическую энергию секция
21 - охлаждающая секция
44 - резервуар с горячей водой
49 - циркуляционный проток
51 - холодильник
52 - выхлопная труба
53 - трубопровод