ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01M8/14 H01M8/06 

Изобретение относится к электротехническим генераторам на топливных элементах, в частности, с расплавленным карбонатным электролитом.

Известны устройства [1 и 2] включающие патрон топливного элемента, имеющий множество стоек топливных элементов, каждая из которых содержит множество топливных элементов с жидким электролитом в них, который подвержен кристаллизации; герметизированную защиту, включающую неподвижный корпус, окружающий патрон топливного элемента; электронагревательное устройство, установленное на источнике питания, которое размещено внутри корпуса контейнера. Указанное устройство генерирует количество тепла, достаточное для создания температуры электролита выше температуры кристаллизации, когда патрон топливного элемента не работает и когда тепло поступило в стойки топливного элемента и прошло через стойки к нагретому элементу. Топливный элемент содержит устройство для подачи окислителя и топлива и устройство хранения электролита, установленное между анодом и катодом, где в качестве электролита сконцентрирована фосфорная кислота. Сборки топливных элементов размещены вокруг центрального охлаждающего канала, электронагревательное устройство размещено внутри охлаждающего канала, а защитный корпус снабжен устройством для его подъема. По крайней мере одно электронагревательное устройство расположено между патроном топливных элементов и внутренней поверхностью защиты, включающей контейнер. Нагревательным устройством являются длинные трубчатые резистивные нагреватели.

Аналог дает возможность создания электрохимического генератора, работающего в условиях низких температур с исключением кристаллизации электролита при транспортировке генератора к заправочным станциям. Это обеспечивается с помощью общего электронагревателя, установленного внутри патрона, защищающего батарею топливных элементов. Нагреватель создает внутри патрона равномерный разогрев всех топливных элементов. Однако для задействования электронагревателя необходимо наличие источника электрической энергии. Кроме того, для разогрева фосфорной кислоты до 150-205^оС требуется ограниченное количество тепла, которое может быть получено с помощью электрического нагревателя.

Для электрохимических генераторов в большинстве случаев характерны условия работы, в которых легкодоступными являются только топливо, поступающее из газовых скважин, и окислитель, которым может служить атмосферный кислород. При наличии этих условий генератор должен вырабатывать электрическую энергию. Следовательно, могут сложиться условия, когда возможно отсутствие внешнего источника энергии, что не позволяет использовать электронагреватель и снижает степень автономности электрохимического генератора, так как электроэнергия вырабатывается только в процессе функционирования самого генератора.

Прототипом изобретения является электрохимическое устройство [3] включающее секцию генерации, содержащую электрохимические элементы, новую линию подачи газообразного топлива, линию ввода газообразного окислителя и по крайней мере один рециркуляционный канал использованного топлива, где канал рециркуляции топлива проходит через камеру генератора, чтобы объединиться с новой линией ввода топлива для образования риформируемой смеси, где камера риформинга содержит наружную часть, содержащую риформирующий материал, внутреннюю часть, преимущественно содержащую сопло миксера и миксер-диффузор, и среднюю часть для приема использованного топлива, где сопло миксера и миксер-диффузор предпочтительно расположены внутри камеры риформинга и преимущественно снаружи основной части аппаратуры, чтобы поддержать часть устройства, где поднимаются смешанные риформируемые потоки и затем опускаются перед контактом с реформирующим материалом, причем сопло миксера может работать при температуре ниже 400^оС.

Недостатком прототипа является создание избыточного тепла, поступающего в секцию генерации для ее нагрева за счет непосредственного прямого воздействия на топливные элементы нагревательного устройства, состоящего из сопла миксера и миксера-диффузора.

Технический результат изобретения ожидается в виде обеспечения экономичного интенсивного обогрева всех элементов батареи с расплавленным электролитом, температура плавления которого составляет порядка 500^оС, с повышением КПД установки за счет эффективного использования конвективного тепла анодного газа образующегося в топливных элементах.

Цель изобретения создание экономичного электрохимического генератора за счет обеспечения рационального высокоэффективного процесса теплообмена.

Цель достигается следующим образом. Электрохимический генератор, содержащий корпус, в котором размещены топливная батарея, нагревательное устройство, устройство подачи окислителя, подготовки и подачи топлива, топливная батарея размещена в радиационном кожухе, между корпусом и радиационным кожухом образован газоход, а нагревательное устройство размещено снаружи радиационного кожуха.

Отличия изобретения: устройство подготовки и подачи топлива размещено между основанием топливной батареи и дном радиационного кожуха, нагревательное устройство выполнено из расположенных соосно одной над другой первой, второй горелок и экрана, выходные сопла горелок ориентированы встречно, экран служит дном радиационного кожуха и установлен около второй горелки, входное сопло которой соединено с внутренним анодным объемом топливной батареи, а входное сопло первой горелки соединено с устройством подачи исходного топлива. Кроме того, поверхности экрана выполнены профилированными. Газоход образован винтовой вставкой. Вставка выполнена с переменным шагом по высоте.

На чертеже показан электрохимический генератор в разрезе, где 1 топливные элементы; 2 устройство подготовки и подачи топлива (конвертор), 3 теплоизолирующий корпус, 4 радиационный кожух, 5 профилированный экран, 6 первая горелка, 7 вторая горелка, 8 газоход, 9 устройство поджига газа, 10 трубопроводы и арматура, 11 винтовая вставка, 12 сквозной коаксиальный канал.

Генератор работает следующим образом.

Процесс происходит внутри теплоизолирующего корпуса 3. Горелка 6 соединена с внешним устройством подачи исходного топлива (не показано) и предназначена для разогрева топливных элементов 1 батареи до температуры плавления электролита, а также устройством 2 подготовки и подачи топлива в виде конвертора, к которому подводится исходное топливо от внешнего источника (не показано). Поджиг горелки 6 осуществляется устройством 9 поджига. Топливом горелки 6 предпочтительно должен быть газ (природный, биогаз, коксовый и т.д.). Продукты сгорания от горелки 6 попадают на разогретый профилированный экран 5, где происходит дополнительный дожиг газов. Профилированный экран 5 служит основным тепловыделяющим экраном и накопителем тепла. Тепло от нагревателя (горелок и экрана) и радиационного кожуха воздействует на устройство 2 подготовки и подачи топлива, выполненное в виде конвертора. В результате этого конвертор выделяет топливный газ, питающий топливные элементы 1.

Продукты сгорания исходного газа после обтекания профилированного экрана 5 равномерно омывают радиационный кожух 4 и, двигаясь по спирали в газоходе 8 с переменным шагом, равномерно нагревают его. Нагретый профилированный экран 5 и радиационный кожух 4 являются промежуточными (вторичными) излучателями, воспринимающими тепло за счет конвекции и селективного излучения продуктов сгорания (СО, Н₂О, СО₂), и излучают его непрерывным спектром к поверхностям нагрева, расположенным внутри радиационного кожуха 4. При этом обеспечивается более равномерный нагрев элементов 1 и 2, находящихся в радиационном кожухе 4, исключается местный перегрев тонкостенных элементов, например трубопроводов и арматуры 10. По достижении температуры плавления электролита в топливном элементе 1 во вторую горелку 7 начинает поступать газ из анодного пространства топливного элемента. Поджиг горелки 7 осуществляется факелом горелки 6, а также за счет подачи газа на раскаленную поверхность профилированного экрана 5. Продукты сгорания от горелки 7 двигаются по траектории продуктов сгорания горелки 6. По достижении оптимальной температуры топливного элемента 1 подача газа на горелку 6 прекращается. В процессе работы электрохимического генератора для поддержания рабочих температур горелка 6 может периодически включаться и отключаться. В горелке 6 выполнен сквозной коаксиальный канал 12, через который воздух подается в горелку 7. Наиболее предпочтительная форма радиационного кожуха 4 круглая в сечении.

Изобретение обеспечивает равномерный разогрев топливных элементов и конвертора, исключает местный перегрев элементов батареи и конвертора, трубопроводов, размещенных внутри радиационного кожуха, позволяет использовать в качестве источника тепла анодный газ, образующийся в топливных элементах батареи.

Изобретение может быть промышленно осуществлено с использованием известных, хорошо отработанных технологий. Для реализации генератора не требуется уникального оборудования и дефицитных материалов. Описанная конструкция получила подтверждение указанных решений и выводов в созданном и проверенном опытном образце.

Использование: в малогабаритных транспортабельных электрохимических генераторах на основе топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом. Сущность изобретения: генератор содержит батарею топливных элементов 1, устройство 2 подготовки и подачи топлива, теплоизолирующий корпус 3, радиационный кожух 4, профилированный экран 5, первую и вторую горелки 6 и 7, газоход 8, устройство 9 поджига газа, арматуру и трубопроводы 10, винтовую вставку 11, сквозной коаксиальный канал 12. Батарея топливных элементов 1 вместе с устройством 2 подготовки и подачи топлива, выполненного в виде конвертора, размещены внутри радиационного кожуха 4. Внутри теплоизолирующего корпуса 3 установлены экран 5, служащий дном радиационного кожуха, и нагревательное устройство, выполненное в виде двух горелок 6, 7, расположенных соосно одна над другой и ориентированных выходными соплами встречно. Тепло от горелок аккумулируется экраном 5 и стенками радиационного кожуха 4, экран и стенки служат вторичным источником тепла, который обеспечивает равномерный высокоэффективный нагрев всех топливных элементов батареи. Для более равномерного прогрева топливных элементов нагретые газы подают вверх с помощью газохода 8, образованного, например, винтовой вставкой с переменным шагом, установленного снаружи радиационного кожуха 4. В качестве топлива во второй горелке используется анодный газ, образующийся внутри батареи. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий корпус, в котором размещены батарея, нагревательное устройство, устройство подачи окислителя, подготовки и подачи в батарею топлива, топливная батарея размещена в радиационном кожухе, между корпусом и радиационным кожухом образован газоход, а нагревательное устройство размещено снаружи радиационного кожуха, отличающийся тем, что устройство подготовки и подачи топлива размещено между основанием топливной батареи и дном радиационного кожуха, нагревательное устройство выполнено из расположенных соосно одна над другой первой, второй горелок и экрана, выходные сопла горелок ориентированы встречно, экран служит дном радиационного кожуха и установлен около второй горелки, входное сопло которой соединено с внутренним анодным объемом топливной батареи, а входное сопло первой горелки соединено с устройством подачи исходного топлива. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что поверхности экрана выполнены профилированными. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что газоход образован винтовой вставкой. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что винтовая вставка выполнена с переменным шагом по высоте. 5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в первой горелке образован сквозной коаксиальный канал.