СБОРНЫЙ МОДУЛЬ ИЗ БАТАРЕЙ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
MODULE ASSEMBLY OF BATTERIES OF SOLID OXIDE FUEL CELLS AND METHOD FOR ITS OPERATION

Изобретение относится к технологии топливных элементов, а более конкретно к сборному модулю из батарей твердооксидных топливных элементов и способу его эксплуатации.
Электрохимические реакции и функционирование топливного элемента не является сущностью настоящего изобретения, поэтому эти вопросы не описываются здесь более подробно, но считаются известными специалисту в данной области техники.
Чтобы увеличить электрическое напряжение, производимое твердооксидным топливным элементом (ТОТЭ), несколько отдельных элементов собираются в батарею и взаимно соединяются между собой. Эти ряды батареи скрепляются вместе посредством газонепроницаемого и температуростойкого герметика, такого как стекло, вдоль отдельных или всех краев. Существует обоснованное ограничение размера батарей, площади для каждого элемента, а также числа элементов, которые объединяются. Риск повреждения батареи топливных элементов увеличивается с увеличением числа элементов и размера площади. Как известно, чтобы увеличить полезный эффект, производимый ТОТЭ, вместо простого увеличения площади элемента и числа элементов в одной батарее несколько батарей соединяют вместе. Батареи могут быть соединены последовательно и параллельно как по электрической стороне, так и по стороне анодного и катодного газа батарей.
В заявке на патент США US 20060172176 А1 и в патенте США 6033794 показаны примеры последовательно соединенных батарей топливных элементов, но не сказано, как реализовать это соединение. В патенте США 6403247 описаны батареи топливных элементов, совместно использующие общую камеру для входящего газа, но нет описания последовательного соединения, где общая камера соединяет выход из одной батареи или сборного модуля батарей с входом в другую батарею.
Несмотря на представленные известные решения задачи соединения нескольких батарей топливных элементов, все они имеют некоторые свойственные им проблемы:
- Хотя несколько батарей соединяются в единые модули, распределение подачи катодного газа, все еще не является упрощенным.
- Когда несколько батарей или несколько модулей соединяются последовательно, необходима протяженная система каналов/трубопроводов для присоединения к катодному и анодному газу.
- Соединение нескольких батарей с целью увеличения полезного эффекта увеличивает также потребность в системах снабжения (теплообменники для охлаждения и предварительного нагревания).
- Относительно высокотемпературные топливные элементы, такие как батареи твердооксидных топливных элементов, имеют относительно долгие стартовый период и период прекращения работы.
- Сборные модули из нескольких батарей ТОТЭ с относительно большим полезным эффектом на выходе имеют низкую гибкость в отношении варьирования полезного эффекта на выходе.
Задачей настоящего изобретения является решение упомянутых проблем путем обеспечения нового сборного модуля батарей ТОТЭ, по меньшей мере, из двух или более батарей топливных элементов.
Более конкретно, задачей изобретения является обеспечение сборного модуля из батарей ТОТЭ, содержащего последовательно соединенные модули батарей, при этом каждый модуль содержит, по меньшей мере, одну батарею, с упрощенным соединением модулей, расположенных последовательно, без необходимости создания обширной дополнительной системы каналов и трубопроводов.
Задачей изобретения также является обеспечение сборного модуля батарей ТОТЭ, который снижает потребность в теплообменниках для охлаждения и нагревания.
Важной дополнительной задачей изобретения является обеспечение сборного модуля из батарей ТОТЭ с увеличенным эффектом гибкости, позволяющего быстро увеличивать или уменьшать производимую мощность без необходимости длительной процедуры запуска и остановки.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение сборного модуля из батарей ТОТЭ с упрощенной распределительной системой обеспечения на стороне катодного газа, общей для всех батарей в батарейном модуле.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение сборного модуля из батарей ТОТЭ, который является компактным в соотношении с полезным эффектом на выходе и который является относительно нечувствительным к колебаниям потери давления по всем батареям в сборном модуле.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение сборного модуля из батарей ТОТЭ, который, по существу, позволяет простые соединения для дополнительного введения технологических газов или газообразных сред.
Эти и другие задачи обеспечиваются изобретением, как описано ниже.
Изобретение представляет собой особенно простой способ последовательного соединения батарей топливных элементов по стороне катодного газа.
Батареи топливных элементов изготавливаются с воздушной распределительной системой на стороне катодного газа, так что входное и выходное отверстия на катодной стороне для каждого отдельного элемента в батареях открыты к боковым сторонам батарей. Несколько батарей располагается на одной линии рядом друг с другом и собираются в батарейный модуль так, что входные отверстия катода располагаются на одной стороне модуля, и выходные отверстия катода располагаются на другой стороне модуля. Батарейные модули последовательно соединяются простым образом, посредством размещения модулей одного за другим, так что выходная сторона первого модуля обращена на входную сторону второго модуля и так далее. В камере между двумя модулями батарей воздух охлаждается, например, посредством добавления холодного воздуха для быстрого охлаждения или посредством теплообменника.
В дополнение, изобретение представляет удобный способ управления системой топливных элементов при неполной нагрузке. Когда сборный модуль батарей ТОТЭ эксплуатируется при полной нагрузке, все батарейные модули в сборном модуле обеспечиваются катодным газом через общие боковые распределители катодного газа и анодным газом через входные отверстия для анодного газа у каждого модуля. Но когда требуется частичная нагрузка, тогда только необходимые батарейные модули обеспечиваются анодным газом в достаточном объеме, чтобы обеспечить существенное производство электроэнергии этими батареями. Для тех батарей, которые не являются необходимыми при режиме частичной нагрузки, снабжение анодным газом либо просто полностью прекращается, либо переводится на минимальную подачу, достаточную для того, чтобы защитить батареи, находящиеся в режиме ожидания от разрушения. Получаемое в результате огромное преимущество состоит в том, что, поскольку как эффект производства, так и батареи в режиме ожидания обеспечиваются горячим катодным газом, батареи, находящиеся в режиме ожидания, остаются всегда нагретыми до желаемой рабочей температуры. Таким образом, они готовы быстро перейти из режима ожидания в режим работы, как только анодный газ снова будет подаваться к батареям. Это обеспечивает невиданную до сих пор гибкость полезного эффекта на выходе из сборного модуля батарей ТОТЭ.
Изобретение обеспечивает ряд преимуществ, некоторые из которых описаны ниже:
1. Очень простая механическая структура: меньше труб и очень компактная структура. Например, четыре батарейных модуля по четыре батареи в каждом дают блок из 16-ти батарей с одной катодной входной веткой, одной катодной выходной веткой, одной топливной входной веткой и одной топливной выходной веткой. В дополнение, требуются три холодных ветки для быстрого охлаждения.
2. Расположение модулей батарей позволяет работать при неполной нагрузке, не вызывая такой проблемы, как слишком холодные батареи для эффективной работы.
3. Когда несколько батарей соединены параллельно с подачей газа, тогда потеря давления в отдельных батареях должна тщательно выравниваться, для того чтобы все батареи работали при соответствующих рабочих параметрах. Последнее требует обширного качественного контроля и делает производство таких батарей дорогостоящим. Значительно увеличенные допустимые пределы в отношении перепадов в потерях давления достигаются посредством сборного модуля небольшого количества батарей в батарейном модуле, и посредством последовательного соединения их по стороне катода.
4. Остальная часть компонентов, таких как высокотемпературный теплообменник для предварительного нагревания катодного воздуха, может быть интегрирована на концах короба, образованного параллельно соединенными батареями, что также добавляет преимущества компактной и эффективной по затратам механической структуры.
Изобретение имеет отношение к признакам, более полно описанным ниже.
1. Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов, содержащий несколько топливных элементов, скомпонованных, по меньшей мере, в два последовательно соединенных по катодному газу батарейных модуля, содержащих, по меньшей мере, одну батарею в каждом модуле. Катодный газ, выходящий из первого первичного батарейного модуля, поступает на входное отверстие для катодного газа следующего, по меньшей мере, одного вторичного последовательно соединенного батарейного модуля. Каждый батарейный модуль имеет первый боковой распределитель на входе катодного газа, общий для всех батарей названного модуля, и второй боковой распределитель на выходе катодного газа, общий для всех батарей названного модуля. Катодный газ последовательно присоединяется от первого первичного батарейного модуля к следующему, по меньшей мере, к одному вторичному батарейному модулю, последовательно соединенному через названные общие боковые распределители.
2. Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов в соответствии с признаком 1, в котором выходной боковой распределитель названного первого первичного батарейного модуля соединяется непосредственно или через промежуточный канал с входным боковым распределителем следующего, по меньшей мере, одного последовательно соединенного вторичного батарейного модуля.
3. Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов в соответствии с признаком 1 или 2, отличающийся тем, что соединение между двумя последовательно соединенными батарейными модулями содержит входной канал для хладагента или теплообменник.
4. Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов в соответствии с признаком 3, в котором хладагент представляет собой воздух.
5. Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов в соответствии с любым из предшествующих признаков, отличающийся тем, что сборный модуль содержит два последовательно соединенных батарейных модуля, первый первичный батарейный модуль и вторичный батарейный модуль.
6. Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов в соответствии с любым из предшествующих признаков, отличающийся тем, что сборный модуль содержит четыре последовательно соединенных батарейных модуля, первый первичный батарейный модуль и три вторичных батарейных модуля.
7. Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов в соответствии с любым из предшествующих признаков, в котором каждый батарейный модуль содержит четыре батареи, расположенные в виде квадрата, две батареи по высоте и две батареи по ширине.
8. Способ эксплуатации сборного модуля из батарей твердооксидных топливных элементов в соответствии с любым из предшествующих признаков 1-7, содержащий этапы:
- обеспечение, по меньшей мере, двух батарейных модулей, связанных последовательно по катодному газу, одного первичного батарейного модуля и, по меньшей мере, одного вторичного батарейного модуля;
- обеспечение, по меньшей мере, первого батарейного модуля в ряду анодным газом;
- обеспечение входного отверстия катодного газа первого первичного батарейного модуля в ряду предварительно нагретым катодным газом;
- обеспечение входного отверстия катодного газа, по меньшей мере, одного вторичного батарейного модуля в ряду горячим катодным газом, выходящим из выпускного отверстия катодного газа предыдущего батарейного модуля.
9. Способ эксплуатации согласно признаку 8, соответствующий неполной нагрузке при эксплуатации сборного модуля, когда анодный газ подается к первичному батарейному модулю. При этом названный анодный газ совсем не подается или подается только к некоторым из вторичных батарейных модулей в сборном модуле, и отходящий катодный газ, подаваемый только на входное отверстие для катодного газа вторичного батарейного модуля, обеспеченного анодным газом, охлаждается посредством теплообменника или посредством введения дополнительного холодного катодного газа.
10. Способ эксплуатации в соответствии с любым из предшествующих признаков, в случае, когда сборный модуль содержит два батарейных модуля.
11. Способ эксплуатации в соответствии с любым из предшествующих признаков, в случае, когда сборный модуль содержит четыре батарейных модуля.
12. Способ эксплуатации в соответствии с признаком 9, подходящий для эксплуатации при нагрузке приблизительно 25%, 50%, 75% или 100%, а именно в случае эксплуатации при нагрузке 25% только первый батарейный модуль в ряду обеспечивается анодным газом,
в случае эксплуатации при нагрузке 50% только первый и второй батарейный модули в ряду обеспечиваются анодным газом и катодный газ, обеспеченный только для второго батарейного модуля, охлаждается,
в случае эксплуатации при нагрузке 75% только первый, второй и третий батарейный модули в ряду обеспечиваются анодным газом и катодный газ, обеспеченный только для второго и третьего батарейных модулей, охлаждается,
в случае эксплуатации при нагрузке 100% все батарейные модули в ряду обеспечиваются анодным газом и катодный газ, обеспеченный для второго, третьего и четвертого батарейных модулей, охлаждается.
Далее изобретение иллюстрируется посредством сопровождающих чертежей ниже, на которых показаны примеры вариантов выполнения изобретения.
На Фиг.1 показан схематический вид сборного модуля трех модулей из батарей топливных элементов, соединенных последовательно по катодному газу, в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
На Фиг.2 показан схематический вид сборного модуля четырех модулей из батарей топливных элементов, соединенных последовательно по катодному газу, и четырех различных состояний по нагрузке, в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
Номер позиции
Общее представление
101:
Батарея топливных элементов первого первичного батарейного модуля.
102:
Батарея топливных элементов второго вторичного батарейного модуля.
103:
Батарея топливных элементов третьего вторичного батарейного модуля.
111, 211:
Первый первичный модуль из батарей топливных элементов.
112, 212:
Второй вторичный модуль из батарей топливных элементов.
113, 213:
Третий вторичный модуль из батарей топливных элементов.
214:
Четвертый вторичный модуль из батарей топливных элементов.
121, 221:
Первый промежуточный канал.
122, 222:
Второй промежуточный канал.
223:
Третий промежуточный канал
131, 231
Первый общий боковой распределитель на входе катодного газа (первого модуля из батарей).
132, 232:
Второй общий боковой распределитель на выходе катодного газа (третьего/четвертого модуля из батарей).
181, 281:
Впуск катодного газа в первый первичный модуль из батарей.
182, 282:
Поток катодного газа от первого первичного модуля из батарей к второму вторичному модулю из батарей.
183, 283:
Поток катодного газа от второго вторичного модуля из батарей к третьему вторичному модулю из батарей.
284:
Поток катодного газа от третьего вторичного модуля из батарей к четвертому вторичному модулю из батарей.
191, 291:
Впуск дополнительного холодного катодного газа между первым и вторым модулями из батарей.
192, 292:
Впуск дополнительного холодного катодного газа между вторым и третьим модулями из батарей.
293:
Впуск дополнительного холодного катодного газа между третьим и четвертым модулями из батарей.
На Фиг.1 показан один вариант выполнения сборного модуля батарей топливных элементов ТОТЭ, содержащий три модуля из батарей 111, 112, 113 с последовательным соединением по катодному газу. Каждый модуль из батарей содержит четыре отдельные ТОТЭ батареи 101, 102, 103 с боковой системой подачи катодного газа. Четыре модуля расположены в виде квадрата, а именно две батареи по высоте и две батареи по ширине. Между батареями в модуле и между каждой батареей и модульной кассетой, окружающей модуль, обеспечивается герметик, при этом названный герметик обеспечивает по существу газонепроницаемое соединение. Один единственный распределитель 131, общий для всех четырех батарей первого первичного модуля 111, позволяет снабжение катодным газом 181, то есть одно общее снабжение газом для всех четырех батарей в первичном модуле. Под первичным здесь подразумевается первый модуль в серии, который получает "свежий" катодный газ. Этот газ был предварительно нагрет, но не пропускался ранее через батарейный модуль.
Все топливные элементы обеспечены входными отверстиями для анодного газа, поскольку предусматривается отдельное снабжение анодным газом для каждого батарейного модуля (не показано). Следующие два вторичных модуля 112, 113 последовательно соединены по катодному газу с первым первичным модулем. Они могут соединяться либо непосредственно, путем соединения бокового распределителя на выходе катодного газа одного батарейного модуля с боковым распределителем на входе катодного газа следующего в ряду батарейного модуля, либо, как показано на Фиг.1, путем соединения бокового распределителя на выходе катодного газа одного батарейного модуля через промежуточные каналы 121, 122 с боковым распределителем на входе катодного газа следующего в ряду батарейного модуля. Под вторичными модулями здесь понимаются модули батарей, получающие катодный газ, который, по меньшей мере, частично прошел через предыдущий батарейный модуль в ряду. В любом случае дополнительное введение относительно холодного катодного газа 191, 192 обеспечивается между последовательно соединенными батарейными модулями. Это дополнительное снабжение холодным катодным газом служит для того, чтобы обеспечить соответствующую рабочую температуру катодного газа, подаваемого к каждому из вторичных батарейных модулей. Таким образом, только первичный батарейный модуль дополнительно требует, чтобы катодный газ был предварительно нагрет (не показано).
В случае работы при неполной нагрузке снабжение анодным газом первого 112, или второго 113, или обоих вторичных батарейных модулей 112, 113 снижается до минимума или совсем прекращается. Чтобы обеспечить соответствующую температуру батарей, находящихся в режиме ожидания, соответствующая дополнительная подача холодного катодного воздуха также регулируется или прекращается.
В конце сборного модуля, сравните чертежи, обеспечивается общий распределитель на стороне выходящего катодного газа. В иллюстрированном варианте выполнения этот распределитель является общим для всех четырех батарей в последнем вторичном модуле 113 ряда.
На Фиг.2 показан сборный модуль модулей из батарей ТОТЭ, соединенных последовательно по катодному газу, который содержит четыре модуля 211, 212, 213, 214. При этом один первичный модуль 211 получает "свежий" катодный газ, и три вторичных модуля 212, 213, 214, каждый получают частично использованный катодный газ от предыдущего батарейного модуля в ряду.
Схема на Фиг.2 является аналогичной описанной схеме на Фиг.1. Показаны четыре ситуации по нагрузке, а именно 25%, 50%, 75% и 100% нагрузки. Как можно видеть, в ситуации 25% нагрузки все батарейные модули получают катодный газ 281 только из первого общего бокового распределителя на входе катодного газа, и только первичный батарейный модуль получает эксплуатационный анодный газ (не показано). Вторичные модули получают горячий, частично использованный катодный газ 282, 283, 284, который обеспечивает соответствующую температуру трех модулей 212, 213, 214, находящихся в режиме ожидания
В ситуациях 50%, 75% и 100% нагрузки большее число батарейных модулей получают эксплуатационный анодный газ (не показано), и, соответственно, те батарейные модули, которые находятся в эксплуатации, получают дополнительное количество холодного катодного газа 291, 292, 293.
Поскольку батареи, находящиеся в режиме ожидания, сохраняют тепло с помощью катодного газа, отходящего от батарей выше по потоку, которые еще находятся в действии, потери тепла от работающих батарей являются одними и теми же во всех четырех ситуациях по нагрузке. Поэтому работа при неполной нагрузке происходит с такой же эффективностью, как и при полной нагрузке. Батареям, находящимся в режиме ожидания, требуется защита анода либо в виде электрического напряжения, либо в виде обеспечивающего газа, либо анодного газа, отходящего от батарей, еще находящихся в эксплуатации.
Примерная система расчета
2
Р=50 кВт, U=70%, противоточные батареи 18×18 см
Конфигурация
Топливо
Электр. Эфф.
Плотн. мощн.
Коэфф. избытка воздуха
ДГ
Воздух вх/вых НеХ
Р<sub>вход</sub> (Мб)
Х<sub>02</sub> Выход
Параллельная
метан
База
База
База
База
База
150
0.17
Каскад, 4 слоя
метан
100%
106%
61%
42%
57%
350
0.14
Р=50 кВт
Метан
Метан
Метан
Базовый режим
Охлаждение воздухом
Промежуточный теплообменник
Группы последовательных элементов
1
4
4
Общий КПД
49.9
49.9
49.9
Общее число элементов
1264
1196
1200
Угольный синтез-газ
Угольный синтез-газ
Угольный синтез-газ
Группы последовательных элементов
1
4
4
Общий КПД
45.4
45.2
45.5
Общее число элементов
1266
1216
1204