SOFC-система и способ эксплуатации SOFC-системы
SOFC SYSTEM AND METHOD OF OPERATING SOFC SYSTEM

Область изобретения
Область изобретения относится к системе твердооксидного топливного элемента (SOFC). Область изобретения также относится к способу эксплуатации системы твердооксидного топливного элемента.
Предпосылки создания изобретения
Твердооксидный топливный элемент (SOFC) представляет собой устройство для непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию. В документе US 4943493 раскрыта энергоустановка на топливных элементах, где углеводородное топливо преобразуется в установке реформинга, в результате чего создается поток богатого водородом топлива и этот поток богатого водородом топлива окисляется в топливном элементе. Поток выхлопного газа с анода и поток окислителя, содержащий выхлопной газ с катода и воздух, сжигаются в топке. Данная энергоустановка на топливных элементах позволяет опосредованно контролировать температуру пламени в топке за счет того, что можно контролировать состав потока окислителя, поддерживая содержание кислорода в выхлопном потоке топки в пределах заданного диапазона, и таким образом поддерживая температуру пламени горючей смеси в пределах предпочтительного диапазона.
Один недостаток этой энергоустановки на топливных элементах состоит в том, что контроль горения в топке затруднен, поскольку отработанный воздух выходит из выхлопной трубы с очень большой скоростью потока, из-за чего снижается управляемость полным горением, то есть горением, в результате которого сгорает все топливо, особенно когда система работает с переменными нагрузками. Еще один недостаток состоит в том, что для данной системы требуется относительно большая топка. Еще один недостаток состоит в том, что для работы данной системы необходим наружный водовод и приспособление для выработки пара.
В документе US 2003/0224231 А1 раскрыта SOFC-система, в которой реактор для обработки топлива снабжается топливом, воздухом и паром таким образом, что вследствие окисления в реакторе для обработки топлива происходит экзотермическая реакция. Переменный выпускной нагнетатель приводит поток воздуха в движение и используется для доставки воздуха. В документе WO 2014/167764 А1 раскрыта SOFC-система, в которой реактор для обработки топлива снабжается топливом, воздухом и паром таким образом, что вследствие окисления в реакторе для обработки топлива происходит экзотермическая реакция. Кроме того, реактор для обработки топлива также нагревается с помощью выхлопного газа камеры сгорания. Нагнетатель доставляет воздух в реактор для обработки топлива. В документе US 2005/164051 А1 раскрыта SOFC-система, которая автономно обеспечивается водой вследствие повторного использования воды из анодного выхлопного потока. В документе US 2006/046114 А1 раскрыт блок топливных элементов, содержащий температурный датчик для управления нагнетателем для поддержания содержания кислорода в выхлопном потоке топки в пределах заданного диапазона для того, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для установки реформинга.
Техническая проблема, подлежащая решению
Таким образом, целью настоящего изобретения является предоставление системы твердооксидного топливного элемента (SOFC), которой не нужен наружный водовод, которая является более надежной и более экономически выгодной, и которую легче контролировать, особенно в отношении топки и ее управления.
Сущность изобретения
Указанных выше целей достигают с помощью SOFC-системы, имеющей признаки по пункту 1 формулы изобретения, и, конкретнее, системы, имеющей признаки по пунктам 2-10 формулы изобретения. Кроме того, указанных выше целей достигают с помощью способа эксплуатации SOFC-системы, имеющего признаки по пункту 11 формулы изобретения и, конкретнее, способа, имеющего признаки по пунктам 12-20 формулы изобретения.
В частности, цели достигают за счет SOFC-системы, содержащей:
- установку реформинга топлива для преобразования потока газообразного углеводорода и пара в богатый водородом газ,
- батарею твердооксидного топливного элемента, содержащую анод и катод для электрохимической реакции богатого водородом газа и катодного воздушного потока, в результате которой вырабатывается электроэнергия, анодный выхлопной поток и катодный поток отработанного воздуха, причем анодный выхлопной поток и катодный поток отработанного воздуха разделены,
- топку для сжигания смеси анодного выхлопного потока и потока свежего воздуха для завершения сжигания и получения тепла для установки реформинга,
- и блок управления и нагнетатель, причем блок управления управляет нагнетателем, чтобы регулировать массовый расход потока свежего воздуха, обеспечивая тепло установке реформинга, чтобы она вырабатывала выхлопной поток топки и преобразовывала поток газообразного углеводорода.
В частности, цели также достигают за счет SOFC-системы, содержащей:
- установку реформинга топлива для преобразования потока газообразного углеводорода и пара в богатый водородом газ,
- батарею твердооксидного топливного элемента, содержащую анод и катод для электрохимической реакции богатого водородом газа и катодного воздушного потока, в результате которой вырабатывается электроэнергия, анодный выхлопной поток и катодный поток отработанного воздуха, причем анодный выхлопной поток и катодный поток отработанного воздуха разделены,
- топку для сжигания смеси анодного выхлопного потока и потока свежего воздуха для завершения сжигания и получения тепла для установки реформинга,
- и блок управления и нагнетатель, причем блок управления управляет нагнетателем, чтобы регулировать массовый расход потока свежего воздуха, обеспечивая тепло установке реформинга, чтобы та реформировала поток газообразного углеводорода и вырабатывала выхлопной поток топки, имеющий достаточно тепла для генерирования пара,
причем по меньшей мере один теплообменник, испаритель, расположен за топкой, чтобы охлаждать выхлопной поток топки и нагревать водяной конденсат, генерируя пар,
причем пар подается в установку реформинга топлива,
и причем либо анодный выхлопной поток, либо выхлопной поток топки охлаждается с получением водяного конденсата так, что нет необходимости в наружном водоводе.
В частности, цели также достигают за счет способа эксплуатации SOFC-системы, включающего: преобразование потока газообразного углеводорода и пара в богатый водородом газ, электрохимическую реакцию богатого водородом газа и катодного воздушного потока в батарее твердооксидного топливного элемента с выработкой электроэнергии, анодного выхлопного потока и катодного потока отработанного воздуха, поддержание анодного выхлопного потока и катодного потока отработанного воздуха в виде отдельных потоков, подачу анодного выхлопного потока в топку, подачу потока свежего воздуха в топку, чтобы обеспечить достаточное количество воздуха для полного сжигания в топке, и сгорание горючей смеси анодного выхлопного потока и потока свежего воздуха с обеспечением тепла для установки реформинга для предварительного преобразования потока газообразного углеводорода и получения выхлопного потока топки.
В частности, цели также достигают за счет способа эксплуатации SOFC-системы, включающего:
преобразование потока газообразного углеводорода и пара в богатый водородом газ, электрохимическую реакцию богатого водородом газа и катодного воздушного потока в батарее твердооксидного топливного элемента с выработкой электроэнергии, анодного выхлопного потока и катодного потока отработанного воздуха, поддержание анодного выхлопного потока и катодного потока отработанного воздуха в виде отдельных потоков, подачу анодного выхлопного потока в топку, подачу потока свежего воздуха в топку, чтобы обеспечить достаточное количество воздуха для полного сжигания в топке, сгорание горючей смеси анодного выхлопного потока и потока свежего воздуха с обеспечением тепла для установки реформинга для предварительного преобразования потока газообразного углеводорода и получения выхлопного потока топки, имеющей достаточно тепла для генерирования пара,
охлаждение анодного выхлопного потока или выхлопного потока топки, чтобы получить водяной конденсат, и нагревание водяного конденсата выхлопным потоком топки с генерированием пара так, что нет необходимости в наружном водоводе.
Одно преимущество настоящего изобретения состоит в том, что предоставляется более простое, более надежное управление и более экономически выгодная система твердооксидного топливного элемента (SOFC). Благодаря тому факту, что анодный выхлопной поток и катодный поток отработанного воздуха разделены, поток анодного выхлопного потока и выхлопного потока топки поддерживается на низком уровне. Следовательно, для разделения и конденсирования воды из остатка анодного выхлопного потока или выхлопного потока топки за анодом или топкой необходим небольшой конденсирующий теплообменник. В SOFC-системе согласно изобретению отделенная вода подается обратно в систему и используется в блоке преобразования пара. Топкой управляют таким образом, что выхлопной поток топки обеспечивает достаточное количество тепла, чтобы испаритель генерировал пар из водяного конденсата так, что для установки реформинга топлива имеется достаточно пара, и наружный водовод не нужен.
По сравнению с предшествующим уровнем техники уникальное отличие настоящего изобретения состоит в том, что анодный выход и катодный выход топливного элемента не смешиваются между собой, и, кроме того, первый нагнетатель воздуха обеспечивает воздух для катодной стороны топливного элемента, а второй нагнетатель воздуха обеспечивает контролируемый поток воздуха для топки.
Следовательно, анодный выхлопной поток топливного элемента не разбавляется воздухом из катодного выхлопного потока топливного элемента, вместо этого анодный выхлопной поток окисляется в топке вместе со свежим воздухом, который обеспечивает второй нагнетатель. Анодный выхлопной поток, который содержит остаток не сгоревшего топлива топливного элемента, направляется в топку вместе со свежим воздухом, который обеспечивает второй нагнетатель. В результате общее количество потока текучей среды в топке поддерживается на более низком уровне по сравнению с обычными подходами, такими как в документе US 4943493, WO 2014/171265 А1 или US 2003224231 A1, при которых катодный и анодный выходящие потоки смешивают для дожигания. Следовательно, вариант осуществления согласно изобретению обладает тем преимуществом, что для сжигания анодного выхлопного потока нужна относительно небольшая топка.
Еще одно преимущество состоит в том, что благодаря подаче свежего воздуха в топку дополнительным нагнетателем становится легче управлять температурой пламени в топке, поскольку легче регулировать количество кислорода, необходимого для сжигания. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления для конденсации воды из выхлопного потока топки за топкой или из анодного выхлопного потока за анодом ниже по потоку относительно топки или ниже по потоку относительно анода необходим относительно небольшой теплообменник или конденсатор, в частности с низким перепадом давления.
2
-4
Предпочтительно поток за топкой имеет высокую температуру конденсации, т.е. температуру, при которой начинается конденсация, чтобы в конденсаторе могла быть обеспечена достаточная конденсация. Этот поток абсолютно не зависит от расхода катода. Расход свежего воздуха, необходимый для полного сгорания в топке, не зависит от расхода воздуха на катодной стороне батареи и значительно ниже. Следовательно, количество воды, конденсируемой в конденсаторе, главным образом зависит от температуры охладителя, используемого в конденсаторе, а не от расхода катода. В следующих абзацах для разъяснения показаны некоторые числовые примеры. Например, для предложенного конкретного примера расход воздуха на катодной стороне составляет примерно 3,4×10 [кг/с], а расход свежего воздуха для топки составляет примерно 6,2×10 [кг/с]. Следовательно, разделение анодного выхлопного потока и катодного потока отработанного воздуха позволяет улучшить управление топкой, улучшает конденсацию воды и улучшает выработку пара.
Еще одно важное преимущество, которое следует принять во внимание, состоит в том, что после продолжительной эксплуатации SOFC-системы система начинает деградировать, и количество тепла, вырабатываемого внутри батареи, увеличивается, из-за чего расход воздуха на катодной стороне может повышаться, чтобы преодолеть повышение температуры в батарее. Для конфигурации, предложенной в документе US 4943493 и WO 2014/171265 А1, это снизит температуру конденсации потока, что ограничит количество воды, конденсируемой для испарителя.
Результаты долгосрочных испытаний показали, что в водяном конденсате имеются загрязнители, особенно в конфигурациях, при которых катодный и анодный потоки смешиваются сразу за пределами батареи, например, WO 2014/171265 А1. Источником этих загрязнителей является, главным образом, вещество, используемое в SOFC-части установки и в самой батарее, которое оказывает негативное воздействие и ускоряет скорость деградации батарей. Таким образом, важно отфильтровывать их и очищать водяной конденсат перед тем, как возвращать его в испаритель. В случае WO 2014/171265 А1 водяной конденсат возвращается в испаритель без каких-либо фильтров, однако преимущество настоящего изобретения в том, что водяной конденсат можно фильтровать и после этого подавать обратно в испаритель. Это, в свою очередь, исключает потребность системы во внешнем источнике воды.
В другом варианте осуществления согласно изобретению анодный отходящий газ из батареи не направляется сразу в топку, а тепло восстанавливается внутри системы, и поток направляется сразу в конденсатор. После этого водяной конденсат используется для испарителя, который подается обратно в систему. Остальной газ, который можно назвать сухим газом, подается в топку, чтобы завершить сжигание. Эксперименты показали, что при сгорании топлива в присутствии пара или другой среды труднее гарантировать полное сжигание. Однако преимущество данного подхода состоит в том, что из анодного отходящего газа удаляется большая часть пара, и количество воды в сухом газе сводится к минимуму. Это, в свою очередь, а также использование свежего воздуха для топки способствует достижению равномерного и полного сжигания в топке.
Преимущество выделения воды из выхлопного потока топки состоит в том, что воду можно подавать обратно в установку реформинга. В результате можно исключить потребность системы во внешнем источнике воды.
В варианте осуществления, раскрытом в US 4943493, поток отработанного воздуха катодного выхода топливного элемента вместе со свежим воздухом подается в топку для полного сжигания. Остаток кислорода в потоке отработанного воздуха катодного выхода, то есть катодном выхлопном потоке, используется для полного сжигания в топке. Однако некоторые недостатки этого подхода состоят в том, что возникает необходимость разбивать катодную линию или создавать на нее противодавление, например, при помощи клапана с плавной характеристикой, чтобы правильно разделять поток. Из-за этого становится еще сложнее или труднее управлять SOFC-системой, в частности, если в SOFC-системе постоянно меняется нагрузка. Изменение нагрузки меняет количество электрической нагрузки, действующей на топливный элемент, и это меняет поток и, в случае переменного использования топлива, количество не сгоревшего топлива в анодном выхлопном потоке, и следовательно, количество воздуха, необходимого в топке. Одно преимущество системы и способа согласно изобретению состоит в том, что изменение нагрузки можно легко контролировать, поскольку количество воздуха, обеспечиваемого в топке, можно легко настраивать посредством простого управления вторым нагнетателем.
Еще одно преимущество изобретения состоит в том, что вариант осуществления согласно изобретению можно применять в SOFC-системах разной компоновки, например, с рециркуляцией анода, при минимальных затратах и модификациях.
Вариант осуществления согласно изобретению обладает тем преимуществом, что выпуска токсичных или горючих газов можно избежать, потому что все токсичные или горючие газы анодного выхлопного потока должны проходить через топку. В одном варианте осуществления изобретения анодный выхлопной поток подается непосредственно в топку. Во втором варианте осуществления изобретения воду отделяют от анодного выхлопного потока, а затем подают обедненный водой анодный выхлопной поток в топку. В этом втором варианте осуществления все токсичные или горючие газы анодного выхлопного потока также должны проходить через топку.
Различные задачи, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из следующего подробного описания предпочтительного варианта осуществления изобретения вместе с приложенными графическими материалами, в которых аналогичные компоненты обозначены аналогичными позициями.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 показано схематическое изображение SOFC-системы согласно изобретению.
На фиг.2 показано схематическое изображение дополнительной SOFC-системы согласно изобретению.
На фиг. 3 показано схематическое изображение дополнительной SOFC-системы согласно изобретению.
На фиг. 4 показано схематическое изображение дополнительной SOFC-системы согласно изобретению.
На фиг. 5 показано схематическое изображение дополнительной SOFC-системы согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг. 1 представляет собой блок-схему первого варианта осуществления SOFC-системы 1 согласно изобретению. Поток 100 газообразного углеводорода и поток пара 404 подаются в установку 102 реформинга, где поток 100 газообразного углеводорода и пар преобразуются в реформированное топливо, содержащее водород и угарный газ, с получением богатого водородом газа. Поток богатого водородом газа 103 направляется от установки 102 реформинга на анод 4 батареи 2 твердооксидного топливного элемента. Поток предварительно нагретого катодного воздуха 204, который обеспечивает первый нагнетатель 207 воздуха, направляется на катод 3 батареи 2 твердооксидного топливного элемента. Водород богатого водородом газа 103 окисляется в батарее 2 твердооксидного топливного элемента с выработкой электроэнергии, обедненного водородом анодного выхлопного потока 104, который выходит из анода 4 топливного элемента 2, и обедненного кислородом катодного выхлопного потока 205, который выходит из катода 3 топливного элемента 2. Анодный выхлопной поток 104 и катодный выхлопной поток 205 не смешаны, а разделены. Анодный выхлопной поток 104 направлен в топку 105. Поток 300 свежего воздуха, который обеспечивает второй нагнетатель 302 воздуха, также подается в топку 105. Топка 105 сжигает смесь анодного выхлопного потока 104 и потока 300 свежего воздуха с выработкой тепла для установки 102 реформинга и сжиганием выхлопного газа. Выхлопной газ топки выходит из топки 105 в виде выхлопного потока 106 топки. Выхлопной поток 106 охлаждается по меньшей мере в одном теплообменнике 107, 109, 111 для конденсации воды. В разделителе 113 водяной конденсат 403 отделяется, так что остается выхлопной газ 112. Выхлопной поток 106 топки нагревает водяной конденсат 403 в теплообменнике 107, которым является испаритель, так что вырабатывается пар 404. Предусмотрен датчик 600 кислорода, чтобы определять содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки, в частности, в одном варианте осуществления, чтобы удостовериться, что выхлопной поток 106 топки имеет достаточно тепла, чтобы генерировать пар 404. В предпочтительном варианте осуществления может быть предусмотрен фильтр 122, чтобы фильтровать водяной конденсат 403 от загрязнителей, в частности, от загрязнителей, источником которых является вещество, используемое в SOFC-части установки и в самой батарее. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления SOFC-система 1 не содержит фильтр 122, так что между разделителем 113 и испарителем 107 не предусмотрен фильтр 122.
Эксплуатация SOFC-системы согласно первому варианту осуществления включает следующие этапы:
- преобразование потока 100 газообразного углеводорода и пара 404 в богатый водородом газ 103, - электрохимическая реакция богатого водородом газа 103 и катодного воздушного потока 204 в батарее 2 твердооксидного топливного элемента с выработкой электроэнергии, анодного выхлопного потока 104 и катодного потока 205 отработанного воздуха, - разделение анодного выхлопного потока 104 и катодного потока 205 отработанного воздуха на отдельные потоки, - подача анодного выхлопного потока 104 или обедненного водой анодного выхлопного потока 104 в топку 105, - подача потока 300 свежего воздуха в топку 105, чтобы обеспечить достаточное количество воздуха для полного сжигания в топке 105, - и сгорание горючей смеси анодного выхлопного потока 104 и потока 300 свежего воздуха, чтобы обеспечить тепло для установки 102 реформинга для предварительного преобразования потока 100 газообразного углеводорода и получения выхлопного потока 106 топки, - охлаждение анодного выхлопного потока 104 или выхлопного потока 106 топки, чтобы конденсировать воду 403, и выпаривание водяного конденсата 403 выхлопным потоком 106 топки с получением пара 404.
Температурные показатели в SOFC-системе 1 могут быть, например, следующими. Температура выхлопного потока 106 топки может быть в диапазоне от 900°С до 1000°С. Температура водяного конденсата 403 может быть в диапазоне от 50°С до 60°С. Температура пара 404 может быть в диапазоне от 300°С до 500°С.
В варианте осуществления, раскрытом на фиг. 1, содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки определяется датчиком 600 кислорода, и обеспечивается сигнал, указывающий на содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки. Нагнетателем 302 для контроля массового расхода потока 300 свежего воздуха управляет контроллер 601, исходя из предоставляемого сигнала датчика 600 кислорода, чтобы поддерживать содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки в пределах заданного диапазона.
В предпочтительном варианте осуществления также может контролироваться температура в установке 102 реформинга. Важным параметром, который играет ключевую роль в работе SOFC-системы 1, такой как изображено на фиг. 1, является скорость реформирования топлива внутри установки 102 реформинга. Ее обычно называют скоростью предварительного реформирования.
Скорость предварительного реформирования в SOFC-системе 1 может варьироваться и зависит главным образом от компоновки системы, конструкции батареи и ожиданий разработчика и, самое главное, от температуры в установке 102 реформинга. Например, в варианте осуществления, который обсуждается на фиг. 1, скорость предварительного реформирования берется равной 50%. Широко известны стандартные термодинамические таблицы и графики, показывающие температуру равновесия для различных скоростей реформирования. Например, для отношения пара к углероду (п/у) 2, то есть когда молярное отношение пара к углероду в установке реформинга равно 2, при температуре 360°С в установке 102 реформинга может быть достигнута скорость предварительного реформирования 10%, а при 640°С - скорость предварительного реформирования 78%. Существует прямая зависимость между температурой в установке 102 реформинга и скоростью реформирования, и поэтому очевидно, что при снижении температуры скорость реформирования тоже снизится.
Для обеспечения оптимальных условий работы для установки 102 реформинга очень важно тщательно контролировать температуру пламени в топке 105 и контролировать состав выхлопного потока 106 топки.
Полного сжигания в топке 105 можно добиться путем прямого или опосредованного измерения температуры пламени в топке 105 и путем управления предоставляемым количеством окислителя. Слишком низкая температура пламени приведет к неполному сжиганию, вследствие чего следы некоторых токсичных газов, особенно СО, могут оставаться в выхлопном потоке 106 топки, а также для установки 102 реформинга будет обеспечиваться недостаточно тепла. С другой стороны, слишком высокая температура пламени может оказывать тепловую и механическую нагрузку на выстилающие материалы топки, в частности на металл и катализатор.
Поэтому предпочтительно поддерживать температуру пламени и температуру выстилающих материалов, в частности металла, топки 105 в пределах желаемого диапазона, предпочтительно 1100°С - 1400°С. Однако несколько факторов влияют на температуру и управляемость топки, особенно температура пламени.
Далее, количество тепла, которое вырабатывается в топке 105 и переносится на установку 102 реформинга, обуславливает скорость предварительного реформирования в установке 102 реформинга и, следовательно, температуру выхода из установки реформинга богатого водородом газа 103. На фиг. 2 показан дополнительный вариант осуществления, где температуру богатого водородом газа 103 измеряют с помощью температурного датчика 700, применяемого на линии, который в ходе эксплуатации системы постоянно измеряет температуру богатого водородом газа 103. Температурный датчик 700 соединен кабелем 606 управления с контроллером 601.
Количество тепла, генерируемого в топке 105 и передаваемого на установку 102 реформинга, зависит от количества топлива, которое сжигается в топке 105. В варианте осуществления согласно фиг. 2 имеется два источника топлива, анодный выхлопной поток 104 и линия 500 подпитки. Анодный выхлопной поток 104 содержит остатки топлива, которое не поглощается внутри топливного элемента 2, и которое может варьироваться в зависимости от использования топлива внутри топливного элемента 2. Линия 500 подпитки соединена посредством контролируемого клапана 502 с источником 503 свежего метана.
Системы топливных элементов обычно выполнены таким образом, чтобы они могли работать в режиме теплового самоподдержания и устраняли потребность в получении какого-либо топлива извне. Однако, если возникает потребность в дополнительном топливе, например, во время пуска системы топливного элемента, может использоваться линия 500 подпитки. В противном случае, если предоставлено недостаточно топлива и тепла, снизится температура топки 105 и установки 102 реформинга, что в свою очередь снизит заданную скорость предварительного реформирования. Системам топливных элементов, раскрытым на фиг. 1 и 2, не обязательно иметь линию 500 подпитки, как было раскрыто, в штатном режиме работы, линия 500 подпитки используется только во время запуска системы с комнатной температуры.
Чтобы иметь полный контроль над системой, в варианте осуществления согласно фиг. 2 температура богатого водородом газа 103 измеряется в ходе работы системы температурным датчиком 700. Количество топлива, которое попадает в топку 105 из анодного выхлопного потока 104 и необязательно из линии 500 подпитки, контролируется температурным датчиком 700, размещенным на реформированном выходе и блоком 601 управления. Температурный датчик 700 отправляет сигнал на блок 601 управления и блок управления устанавливает параметры на клапане 502, чтобы усилить или ослабить поток топлива по линии 500 подпитки в топку. Важно отметить, что при усилении потока топлива по линии 500 количество воздуха, необходимого для полного сжигания, тоже растет. Подобно тому, как было описано ранее, количество свежего воздуха, необходимого для полного сжигания, контролируется датчиком 600 кислорода и расходом потока 300 свежего воздуха. На фиг. 3 показан вариант осуществления, в котором используется датчик 600 кислорода, как описано на фиг. 1, и используется температурный датчик 700, как описано на фиг. 2.
Описывается первый способ поддерживать температуру пламени в пределах желаемого диапазона, в котором используется вариант осуществления, раскрытый на фиг. 1. В этом первом способе анодный и катодный выхлопные потоки 104, 205 разделены, и анодный выхлопной поток 104 смешивается с потоком 300 свежего воздуха, который обеспечивает второй нагнетатель 302 воздуха. Датчик 600 кислорода используется, чтобы измерять кислород в выхлопном потоке 106 топки.
Датчик 600 для определения содержания кислорода в выхлопном потоке 106 топки определяет концентрацию кислорода. Блок 601 управления соединен с датчиком 600 посредством кабеля 603 управления. Исполнительный механизм 602 соединен с блоком 601 управления посредством кабеля 604 управления. Нагнетатель 302 приводится в действие исполнительным механизмом 602. Блок 601 управления реагирует на датчик 600 и управляет нагнетателем 302, чтобы, регулируя массовый расход потока 300 свежего воздуха, поддерживать содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки в пределах заданного диапазона. Нагнетатель 302 приводится в действие исполнительным механизмом 602. Воздух 303 проходит через нагнетатель 302 так, что поток 300 свежего воздуха подается через вход 301 потока свежего воздуха в топку 105.
Температуру пламени в топке 105 можно оценить теоретически при помощи инструмента моделирования. Вариант осуществления согласно фиг. 1 используется для теоретического вычисления температура пламени.
Вариант осуществления, раскрытый на фиг. 1, можно эксплуатировать таким образом, чтобы установка 102 реформинга использовалась для предварительного реформирования 50% топлива 100, а остальное топливо было преобразовано внутри SOFC-батареи 2 посредством внутреннего реформирования. Для достижения 50% скорости предварительного реформирования температура богатого водородом газа 103, то есть реформированного выхода, должна быть 556°С. Это достигается при помощи блока 601 управления, который отслеживает температуру на термопаре 700.
Анодный выхлопной поток 104 состоит из пара, углекислого газа и остатка водорода, который не поглотился внутри батареи 2. Использование топлива батареи 2 варьируется в пределах 70-80%, что влияет на тепло, вырабатываемое в топке, и количество воздуха, необходимого в топке 105 для окисления.
В силу указанных выше причин важно иметь определенное количество воздуха в выхлопном потоке 106 топки. В целом это связано с количеством воздуха в потоке 300 свежего воздуха, которое подается в топку 105. При выполнении теоретических расчетов хорошо брать для воздуха стехиометрическое значение, которое обычно составляет λ=1,2~1,4. То есть количество воздуха 300, подаваемого в топку 105, как правило больше, чем по теоретическим расчетам; поэтому некоторое количество кислорода будет оставаться неиспользованным на выходе в выхлопном потоке 106 топки. Для данных условий работы определено, что температура пламени может варьироваться между 1100-1400°С. Однако, если взять стехиометрическое значение ровно λ=1, на выходе топки 105 больше не останется кислорода, и это может привести к неполному сжиганию, и температура в топке может превысить температуру сопротивления трубы топки.
Благодаря использованию датчика 600 кислорода количество кислорода на выходе топки в выхлопном потоке 106 топки предпочтительно поддерживается в пределах определенных значений. Экспериментально, а также теоретически было обнаружено, что при значении в диапазоне 1,1~2,2% мольн. может быть гарантировано полное сжигание. Если содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки превысит верхний предел 2,2%, это приведет к снижению температуры в топке, а если содержание кислорода опустится ниже нижнего предела 1,1%, это повысит температуру в топке. В любом случае, температура пламени может выйти за пределы желаемого диапазона, и нельзя будет гарантировать полное сгорание.
Измерение фактической температуры пламени в топке может быть очень сложной и трудоемкой задачей. Тепловая инерция топки, а также расположение термопары внутри топки вполне может повлиять на это измерение. Чтобы обеспечить попадание температуры пламени в указанный выше диапазон, а также для обеспечения минимального количества кислорода на выходе топки, расход свежего воздуха 300 регулируется непосредственно. То есть датчик 600 измеряет содержание кислорода, и исполнительный механизм 602 корректирует расход воздуха.
Работу в варианте осуществления, раскрытом на фиг. 1, смоделировали для различных условий работы. Далее подробно описано два набора результатов. В первом случае, показанном в таблице 1, использование топлива в батарее 2 топливного элемента составляло 80%, и во втором случае, показанном в таблице 2, использование топлива в батарее 2 топливного элемента составляло 70%. Очевидно, также можно рассмотреть другие условия работы, например, работу при частичной нагрузке, однако здесь это не представлено.
Для обоих случаев представлен расход свежего воздуха 300, вычисленные стехиометрические значения и температура пламени. За счет регулировки потока 300 свежего воздуха молярная доля кислорода поддерживается на уровне 1,1-2,8%, что в свою очередь поддерживает температуру пламени в топке 105 в заданном диапазоне 1217-1410°С. Исходя из этих результатов, способ управления температурой пламени таков, что датчик 600 измеряет содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки, и исполнительный механизм 602 корректирует расход потока 300 свежего воздуха так, что молярная доля кислорода поддерживается на уровне 1,2-2,7%. За счет применения данного способа температура пламени в топке 105 поддерживается в пределах диапазона 1217-1410°С.
Далее для каждого случая представлена температура конденсации выхлопного потока 106 выхода топки. Как было сказано ранее, одно из главных преимуществ разделения анодного и катодного выхлопных потоков 104, 205 друг от друга состоит в том, что температура конденсации потока на анодном выходе выше, и пар на линии можно конденсировать более мелкими конденсаторами. Усиленная конденсация и восстановление воды - важный аспект в SOFC-системе, поскольку можно исключить потребность во внешнем источнике воды. С другой стороны, объединение анодного и катодного потоков понизит температуру конденсации смеси и количество воды, которое можно конденсировать на выходе топки. Температура конденсации газовой смеси на выходе топки представлена для всех случаев, и очевидно, что конденсация начинается при температуре около 80°С.
В следующих абзацах подробно объясняется второй способ. Вариант осуществления для второго подхода показан на фиг. 2. На выходе топки нет датчика кислорода, однако остался температурный датчик 700 и контроллер 601. Как было сказано ранее, количество воздуха, необходимого в топке 105, оценивают путем некоторых теоретических вычислений. В следующих двух таблицах подробно, поэтапно описано превращение подаваемого газа в том же варианте осуществления системы топливного элемента, и в последнем столбике оценивается количество свежего воздуха, необходимого для полного сжигания.
Для таких вычислений необходимо учитывать некоторые допущения, основанные на конструктивных и экспериментальных данных, которые можно получить у разработчиков; некоторые из них подытожены в таблицах 4 и 5. Далее представлено реформирование пара и реакции конверсии водяного газа:
Двусторонняя стрелка показывает, что реакция конверсии водяного газа находится в равновесии. То есть в конце реакции как реагирующие вещества, так и продукты реакции остаются в точке равновесия. Состав газов в равновесии зависит от исходного состава реагирующих веществ и конечных температуры и давления реакции. Существуют теоретические методы, которые можно использовать для оценки равновесного состава, но они не входят в объем данного документа и не будут обсуждаться здесь. Значения, представленные в данном документе для вычислений, взяты из некоторых экспериментальных результатов и могут варьироваться для разного оборудования. Например, некоторые батареи ограничены количеством внутреннего реформирования, или реакция конверсии водяного газа не всегда находится в равновесии в установке реформинга или батарее; поэтому эти значения нужно корректировать соответственным образом, исходя из экспериментальных данных.
Для установки 102 реформинга топлива предполагается, что предварительное реформирование и соотношение реакции конверсии воды в обоих случаях составляет 50%. А для батареи 2 предполагается, что имеет место полное внутреннее реформирование и конверсия воды составляет 75%.
Состав газа на разных стадиях в системе оценен в следующих таблицах 4 и 5. Иными словами, газ, подаваемый в установку реформинга топлива, т.е. метан и вода. Суммарно подаваемый газ составляет примерно 5 кВт. Как объяснялось ранее, состав выходного газа внутри установки реформинга топлива можно оценить путем применения реформирования пара и реакций конверсии водяного газа. Поскольку предполагается, что внутри батареи имеет место полное внутреннее реформирование, на входе в батарею рассматривается дополнительный этап, на котором остаток метана, не реформированный в установке 102 реформинга, полностью преобразуется. Состав газа на выходе батарей оценивают на основе использования топлива, внутреннего реформирования и реакции конверсии водяного газа. Наконец, на выходе вычисляют количество воздуха 300, необходимого для сгорания остатка топлива, беря за основу топку со стандартным значением лямбды.
2
Вариант осуществления согласно фиг. 2 осуществляется способом, в котором богатый водородом газ 103 выходит из установки 102 реформинга с температурой Th, где температуру Th богатого водородом газа 103 определяет датчик 700, при этом скорость предварительного реформирования установки 102 реформинга определяют на основе температуры Th и стандартной таблицы и на основе информации об использовании топлива в батарее 2 твердооксидного топливного элемента, причем способ также включает вычисление количества топлива, выходящего из батареи 2, вычисление количества воздуха, необходимого для полного сжигания в топке 105, на основе оценочных таблиц, отражающих разные стадии системы, и управление нагнетателем 302 для контроля массового расхода потока 300 свежего воздуха, чтобы поддерживать содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки в пределах заданного диапазона. Например, в таблице 4 показана стадия системы с соотношением реакции конверсии воды 75%. Выход батареи, раскрытый в таблице 4, раскрывает состав анодного выхлопного потока 104. Для достижения полного сжигания анодного выхлопного потока 104, то есть сжигания, при котором сгорает все топливо в анодном выхлопном потоке 104, необходимо сжигать 0,1 угарного газа (СО) и 6,6 водорода (Н) анодного выхлопного потока 104, как раскрыто в таблице 4. Количество воздуха, необходимое для сгорания угарного газа и водорода анодного выхлопного потока 104, можно вычислить, и исполнительный механизм 602 можно контролировать таким образом, чтобы необходимое количество кислорода или свежего воздуха 300 подавалось в топку 105.
Для обоих случаев, варианта осуществления согласно фиг. 1 и согласно фиг. 2, представлено общее количество свежего воздуха 300, необходимое для полного сжигания.
Количество свежего воздуха 300 для топки 105 оценивали двумя разными способами, раскрытыми на фиг. 1 и 2, и было показано, что оба подхода являются продуманными и могут использоваться в различных системах топливных элементов. Более того, сочетание обеих методик, раскрытых на фиг. 1 и 2, может применяться совместно, как показано на фиг. 3, например, датчик 600 кислорода может использоваться на выходе топки 105 для измерения концентрации кислорода и измерения температуры богатого водородом газа 103, и одновременно, в качестве поправочного коэффициента, может проводиться теоретическое вычисление скорости предварительного реформирования и количества воздуха, необходимого для полного сгорания выхлопного потока 106 топки. Обычно это помогает в разработке продуманной схемы управления системой. Однако специалисты в области техники могут по своему усмотрению выбирать способ, который лучше подходит для конкретного случая применения.
В предпочтительном способе содержание кислорода в объединенных потоках, подаваемых в топку 105, поддерживается в пределах соотношения компонентов воздух-топливо А (лямбда) от 1,1 до 1,4, и наиболее предпочтительно составляет приблизительно 1,2. Объединенные потоки, подаваемые в топку 105, содержат по меньшей мере анодный выхлопной поток 140 и предпочтительно также второй воздушный поток 300 и/или поддувочный газ 500.
На фиг. 1-3 показано последовательное сочетание теплообменников 107, 109 и 111, при котором выхлопной поток 106, 108 топки охлаждается, водяной конденсат 403 отделяется и выхлопной газ 112 покидает SOFC-систему 1. Водяной конденсат 403 нагревается в теплообменнике 107 и подается в виде пара 404 в установку 102 реформинга топлива. Выхлопной поток 106 топки может подаваться различными другими путями, как раскрыто на фиг. 1-3, в конце приобретая вид выхлопного газа 112. На фиг. 1-3 воздушный поток 200 подается первым нагнетателем 207 воздуха через вход 201 катодного воздуха в теплообменник 109, и затем подается в катодный теплообменник 203 перед тем, как нагретый катодный воздух 202, 204 попадет в катод 3 SOFC-батареи 2. Катодный выхлопной поток 205 подается в катодный теплообменник 203 перед тем, как покинет систему через выход 206 катодного выхлопного потока. Охладитель 400 попадает в теплообменник 111, который действует как конденсатор, через вход 111 охладителя, и покидает его через выход 402 охладителя. Воздушный поток 200 и/или охладитель 400 может подаваться различными другими путями в пределах SOFC-системы 1, поэтому на фиг. 1-3 показаны только примеры.
На фиг. 4 показан дополнительный вариант осуществления. Для упрощения SOFC-системы, раскрытой на фиг. 1, также можно исключить нагнетатель 207 и использовать только один единственный нагнетатель, нагнетатель 302, для обоих воздушных потоков 202, 300. Как раскрыто на фиг. 4, общее количество свежего воздуха 200, необходимого для системы, обеспечивается только нагнетателем 302. За нагнетателем 302 воздуха расположен клапан 800 с плавной характеристикой, соединенный с блоком 601 управления управляющей линией 605, чтобы разбивать поток свежего воздуха 200 на две отдельные линии, один воздушный поток 202 для катода 3 батареи и еще один воздушный поток 300 для топки 105. Количество свежего воздуха, необходимое для топки 105, будет корректироваться путем регулирования положения клапана 800. Если топка 105 требует больше воздуха, нагнетатель 302 увеличивает количество свежего воздуха и положение клапана 800 с плавной характеристикой корректируется соответственным образом, чтобы обеспечить желаемое количество воздуха для топки 105 и катода 3. Очевидно, управлять такой конфигурацией сложнее по сравнению с системой, раскрытой на фиг. 1, особенно для систем с постоянным изменением нагрузки.
На фиг. 5 показан дополнительный вариант осуществления. На фиг.5 показано последовательное сочетание теплообменников 109, 111 и 121, при котором анодный выхлопной поток 104 охлаждается, водяной конденсат 403 отделяется в разделителе 113 и обедненный водой анодный выхлопной поток 104а подается в топку 105. Водяной конденсат 403 нагревается в теплообменнике 107 и подается в виде пара 404 в установку 102 реформинга топлива. Выхлопной поток 106 топки подается в теплообменник, испаритель, чтобы вырабатывать пар 404 из водяного конденсата 403. После охлаждения в теплообменнике 107 выхлопной поток 106 топки в конечном итоге становится выхлопным газом 112. С воздушным потоком 200 происходит то же самое, как уже раскрыто на фиг. 1. Обедненный водой анодный выхлопной поток 104а нагревается в теплообменнике 121, становясь нагретым обедненным водой анодным выхлопным потоком 104b, и затем подается в топку 105. Как уже описано на фиг. 1, содержание кислорода в выхлопном потоке 106 топки может определяться датчиком 600 и контролироваться нагнетателем 302. Кроме того, линию 500 подпитки можно использовать, чтобы добавлять дополнительное топливо. Датчик 600 и нагнетатель 302 и/или линию 500 подпитки можно использовать для управления выхлопным потоком, чтобы достигать полного сжигания в топке, и чтобы обеспечивать достаточное количество тепла в теплообменнике 107, испарителе, чтобы вырабатывать достаточное количество пара 404 из водяного конденсата 403. В дополнительном варианте осуществления может использоваться фильтр 122 для фильтрации водяного конденсата 403, как раскрыто на фиг. 1.