СИСТЕМА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК H01M8/12 H01M8/24 

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим преобразователям и, в частности, к высокопроизводительным системам, в которых используются такие устройства и способы.

Электрохимические преобразователи осуществляют преобразование топлива в электричество в режиме топливного элемента (электрический генератор) или преобразование электричества в топливо в режиме электролизера (топливный синтезатор). Такие преобразователи могут иметь высокий коэффициент полезного действия, который зависит только от соотношения между свободной энергией и энтальпией электрохимической реакции, и не ограничен соображениями цикла Карно.

Основными компонентами в электрохимическом преобразователе энергии являются ряд электролитических блоков, к которым присоединены электроды, а также аналогичный ряд межсоединителей, расположенных между электролитическими блоками для осуществления последовательного электрического соединения. Каждый электролитический блок является ионным проводником, имеющим низкое ионное сопротивление, и тем самым допускающим перенос группы ионов с одной поверхности раздела электрод - электролит на противоположную поверхность раздела электрод - электролит в условиях эксплуатации преобразователя. В таких преобразователях могут использоваться различные электролиты. Например, двуокись циркония, стабилизированная такими соединениями, как оксид магния, кальция или окись иттрия, может удовлетворять этим требованиям при эксплуатации при повышенной температуре (обычно около 1000^oC). Для переноса электрического тока электролит использует ионы кислорода. Электролит не должен проводить электроны, которые могут вызывать короткое замыкание преобразователя. С другой стороны, межсоединитель должен быть хорошим проводником электронов. Взаимодействие реакционного газа, электрода и электролита происходит на поверхности раздела электролит - электрод, что требует, чтобы электроды были достаточно пористыми для пропускания частиц реакционного газа и выпуска частиц продукта.

Принцип формирования электролита и компонентов межсоединения в виде свободностоящих пластин раскрыт в патенте США 4 490 445. Однако в течение эксплуатации электролитические блоки и пластины межсоединения могут испытывать термическое неравновесие. Таким образом, важно уменьшить градиенты температуры по всему узлу преобразователя, облегчая передачу тепла к электролитическим блокам и от них.

Когда электрохимический преобразователь осуществляет преобразование топлива в электричество в режиме топливного элемента, энергию в виде тепла следует удалять с поверхности электролита. И наоборот, когда преобразователь осуществляет преобразование электричества в топливо в режиме электролизера, к электролиту необходимо подводить тепло для поддержания реакции. В устройствах согласно предшествующему уровню техники теплообмен происходил прежде всего благодаря способности газообразных реагентов к конвективной теплопередаче при их прохождении через узел. Подобный учет теплоемкости реагентов создавал условия для появления градиента температуры, приводящего к неоптимальным электрохимическим процессам.

Эти недостатки были исключены за счет объединения с электрохимическим преобразователем ряда теплопередающих элементов, как описано в патенте США 4 853 100. Такая интегрированная система облегчает теплопередачу от блоков топливного элемента путем уменьшения градиента температуры для узла преобразователя. Однако по-прежнему существует потребность в дальнейшем усовершенствовании механизмов терморегуляции в системах электрохимического преобразования энергии. В частности, улучшенная система электрохимического преобразования энергии, способная более эффективно регулировать рабочую температуру в узле электрохимического преобразователя, могла бы стать значительным усовершенствованием для промышленности.

Высокоэффективная терморегуляция в системах электрохимического преобразования энергии может быть достигнута путем объемного объединения колоннообразных элементов электрохимического преобразователя и теплопередающих элементов. Теплопередающие элементы помещают между колоннообразными элементами преобразователя для формирования интегрированной структуры. Лучистая теплопередача обеспечивает теплообмен между колоннами преобразователя и теплопередающими элементами.

Объединение в систему, гибкость и производительность представляют собой важные аспекты конструирования и конфигурирования топливного элемента. Существует несколько принципов объединения системы топливного элемента с потребляющим энергоблоком, например паровой или газовой турбиной. Согласно одному аспекту изобретения, плоский составной цилиндрический блок с внутренним коллектором обеспечивает эффективную температурную интеграцию с энергосистемами, например согласно принципу внутреннего теплообмена, который использует лучистую тепловую интеграцию. В частности, входящие реагенты электрохимического преобразователя нагревают до выбранной рабочей температуры и затем пропускают через блок топливного элемента. Исходящие выпускные продукты будут нагреты до высокой выходной температуры. Затем выпускные продукты пропускают через узел теплообменника, через который пропускают также входящие реагенты, осуществляя тем самым конвективную передачу тепла от выпускного потока ко входящим газам. Количество энергии, передаваемой от выпускного потока к входящим газам, эквивалентно количеству поглощенной теплоты, что создает тепловой баланс. Кроме того, имеется эффективная лучистая теплопередача от колоннообразных блоков к встречно-штыревым интегрированным узлам теплопередачи, например внутренний теплообмен, который содержит рабочую среду для цикла потребления. После этого рабочая среда забирает тепло от узлов теплопередачи и передает его циклу потребления для снабжения энергией потребляющего энергоблока. Высокотемпературные блоки топливного элемента могут быть выполнены в виде, пригодном для формирования модулей - стандартных блоков в форме колонн мощностью 10 - 25 кВт. Модули можно объединять в параллельные узлы, чтобы обеспечить масштабирование для применения в системах на уровне МВт.

Элементы электрохимического преобразователя системы могут быть сформированы из тонких структурных компонентов, предназначенных для оптимизации эффективности преобразования. Предпочтительно применяют тонкие пластины электролитов и межсоединители. Для получения прямых, свободностоящих, тонких электролитических пластин, описанных более подробно в патенте США N 4 721 556, можно использовать методы плазменного напыления. Либо для получения электролитических пластин используют описанные ниже способы изготовления полупроводниковых пластин.

Межсоединительные пластины с гофрированными структурами, обеспечивающие распространение реагентов, могут сформировать другой компонент блоков преобразователя. Пластины предпочтительно изготавливают из материалов, имеющих оптимальные характеристики по весу и стоимости. Предпочтительные материалы для межсоединителя характеризуются легкостью изготовления в сочетании с высокой прочностью и хорошей химической стойкостью при высоких температурах. Обнаружено, что наиболее подходящими являются листы металлических сплавов толщиной приблизительно от 100 до 500 микрон. Подходящие сплавы включают сплавы никеля, сплавы никеля и хрома, сплавы никеля, хрома и железа, сплавы железа, хрома и алюминия, и металлокерамику на основе таких сплавов и жаропрочных соединений, например окиси алюминия или двуокиси циркония.

Для обеспечения электропроводности межсоединителя в высокотемпературной окислительной среде при использовании металлических сплавов на контактные точки предпочтительно наносят тонкие покрытия (10 мкм или менее) из золота, серебра или платины. Высокотемпературные долговременные испытания доказали долговечность и стабильность таких контактных покрытий.

Для формирования гофрированных структур межсоединительных пластин можно использовать методы штамповки и осаждения.

Блоки электрохимического преобразователя могут быть соединены попарно для формирования шпилевидных подвесок с U-образными соединителями, чтобы достигнуть лучшей жесткости конструкции и более удобных односторонних выводов для газового коллектора и электрических соединений. Для отвода или подачи электричества на такие блоки электрохимического преобразователя в многочисленных параллельных соединениях используют шинные полосы. Может быть предусмотрен теплообменник противотока для использования в качестве буфера тепловой проводимости и для предварительного подогрева входящих газов по схеме противотока.

Описанные здесь энергетические системы можно использовать в различных системах для генерирования электричества наряду с другими термодинамическими процессами. Согласно одному из иллюстрируемых вариантов осуществления изобретения, топливные элементы могут быть использованы в системе для совместной генерации электричества в модифицированном промышленном паровом котле.

Элементы теплопередачи по настоящему изобретению могут представлять собой теплопроводы или другие трубчатые структуры, которые обеспечивают наибольшую степень переноса тепла. Такие трубчатые структуры предпочтительно применяются для переноса рабочей среды и могут содержать трубу с двойным просветом или коаксиальную трубу, которая включает внутренний перепускной канал и внешний перепускной канал, имеет закрытый конец так, что рабочая среда протекает через внутренний перепускной канал к открытому концу и обратно через внешний перепускной канал, или наоборот.

Далее изобретение описано со ссылками на некоторые предпочтительные варианты осуществления. Однако очевидно, что специалисты в данной области техники могут сделать различные изменения и модификации, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения. Например, для получения интегрированной объемной конструкции можно использовать различные конфигурации преобразователей и элементов теплопередачи. Кроме того, хотя блоки преобразователя и элементы теплопередачи показаны на схеме в круглых, колоннообразных конфигурациях, такие компоненты могут также иметь различные другие формы. Для формирования электрических пластин вместо двуокиси циркония можно использовать другие материалы, которые обладает хорошими свойствами переноса ионов, а сформированные в пластинах межсоединительные структуры могут иметь непрерывные ребра или прерывистые выступы. Также элементы теплопередачи могут представлять собой коаксиальные трубы или трубопроводы, соединенные в параллельную конфигурацию.

Изобретение поясняется на примерах осуществления, иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 - упрощенный вид в изометрии системы электрохимического преобразования энергии, использующей колоннообразные узлы электрохимического преобразователя и элементы теплопередачи согласно изобретению.

Фиг. 2 - увеличенная проекция электролитического компонента и компонента межсоединителя отдельного элемента преобразователя по фиг. 1.

Фиг. 3 - вид в изометрии компонентов электролита и межсоединителя по фиг. 2.

Фиг. 4 - детальный вид в изометрии системы электрохимического преобразования энергии согласно изобретению.

Фиг. 5 - теплообменник противотока, используемый в регенеративном процессе нагревания согласно изобретению.

Фиг. 6А - поперечное сечение системы по фиг. 4, иллюстрирующее интегрирование по пространству преобразователя и элементов теплопередачи.

Фиг. 6Б - детальное изображение элемента теплопередачи, показывающее схему потока рабочей среды согласно предпочтительному практическому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 7 - схема системы совместной генерации энергии, включающей систему электрохимического преобразования энергии согласно настоящему изобретению.

Фиг. 8 - схематическое представление системы электрохимического преобразования энергии, объединенной с паровой или газовой турбиной с помощью лучистой тепловой связи с рабочей средой турбины.

Фиг. 9 - схематическое представление системы топливного элемента согласно предшествующему уровню техники, объединенной с паровой или газовой турбиной с помощью конвективной тепловой связи с рабочей средой через внешний промежуточный теплообменник.

На фиг. 1 показана система электрохимического преобразования энергии 10 согласно настоящему изобретению, включающая узел 20 электрохимического преобразователя и блок 30 теплопередачи. Узел 20 электрохимического преобразователя образован колоннообразными элементами 21 преобразователя, присоединенными U-образно изогнутыми соединителями 22. Колоннообразные элементы 21 преобразователя состоят из чередующихся электролитических пластин 1 и пластин 2 межсоединителя. Отверстия в пластинах 1 и 2 формируют каналы для топлива и окислительных газов. Пазы в пластинах 2 межсоединителя облегчают распределение и накопление газов.

Блок 30 теплопередачи служит для облегчения отведения или добавления тепловой энергии к элементам 21 преобразователя. Интеграция по пространству элементов 21 преобразователя и элементов 31 теплопередачи обеспечивается путем чередования элементов 21 и 31 во встречно-гребенчатой структуре, что описано более подробно ниже. В основном, теплопередача между элементами 21 и 31 проходит путем теплового излучения. Эта лучистая тепловая связь возможна при большом тепловом потоке и обеспечивает механическую развязку, тем самым снимая ограничение в выборе конструкции и материала элемента теплопередачи. Кроме того, схема расположения структуры такого объемного объединения дает лучшую температурную однородность электрохимических преобразователей, что обеспечивает оптимальное функционирование системы.

В ходе операций рассеивания тепла воду, пар или газ можно передавать к элементам 31 теплопередачи. Теплопередача от элементов 21 преобразователя к элементам 31 теплопередачи прежде всего происходит благодаря тепловому излучению из элементов 21 преобразователей. Температура блока преобразователей может оптимально регулироваться путем выбора соотношения внешней поверхности блока к внешней поверхности элементов 31, которые служат для теплоотвода.

Преимущества такого охлаждения, связанного с излучением, следующие:
(1) узел топливного элемента и схема охладителя изготавливаются независимо и могут обслуживаться раздельно; (2) требования к потоку реагента могут быть определены исключительно на основании характеристик топливного элемента, а не исходя из потребностей охлаждения; (3) пар генерируется непосредственно, температуру можно легко выбрать путем изменения режима давления в паровом котле; а (4) лучистая теплопередача помогает поддерживать равномерное распределение температуры на всех ячейках блока. В различных случаях применения теплопередающей жидкостью может быть вода, насыщенный пар, перегретый пар, газ или различные двухфазные жидкости.

На фиг. 2 и 3 показан основной узел ячейки в блоке электрохимических ячеек, включающий одиночную электролитическую пластину 1 и одиночную пластину 2 межсоединителя. Согласно одному варианту осуществления изобретения, электролитическая пластина 1 может быть выполнена из материала, стабилизированного двуокисью циркония ZrO₂(Y₂O₃), на которую наносят покрытие пористого электрода 4 окислителя и пористого топливного электрода 5. Примерами материалов для электродов окислителя являются пероксиды, например LaMnO₃(Sr). Предпочтительными материалами для топливных электродов является металлокерамика, например ZrO₂/Ni. Пластина 2 межсоединителя предпочтительно изготовлена из металла, например Inconel - сплава никеля или сплава платины - либо изготовлена из неметаллического проводника, например карбида кремния. Пластина 2 межсоединителя служит электрическим соединителем между смежными электролитическими пластинами и перегородкой между топливом и газами окислителя, а также обеспечивает путь теплопередачи вдоль поверхностей 4, 5 электрода и к внешним краям пластин 1 и 2.

Топливо можно подавать к блоку ячеек через осевой (относительно блока) трубопровод 17, соединенный с блоком через отверстия 13, а топливный продукт выпускают по трубопроводу 18 через отверстия 14. Топливо распределяют по топливной поверхности 5 электрода через средства перепускного канала, показанные как сеть 6 пазов на плоскости, сформированных на верхней поверхности 2 пластины межсоединителя. Выемки 8, выполненные в ребрах 7, образуют проходы в соединительные отверстия 13 и 14 сети 6 пазов на поверхности каждого топливного электрода 5. Окислитель подают к блоку из трубопровода 19 через отверстия 15, а его продукт выпускают по трубопроводу 20 через отверстия 16. Окислитель распределяют по поверхности электрода окислителя следующей пластины электролита через дополнительную сеть 9 пазов в плоскости, сформированную на нижней поверхности пластины 2 проводника. Подобная сеть на нижней поверхности вышеуказанной смежной ячейки обеспечивает каналы для окислителя вдоль электролитической пластины 1, как показано на фиг. 3. Внешние кромки сетей 6 и 9 пазов на пластинах 2 межсоединителя приводятся в контакт с электролитическими пластинами 1 для формирования герметичных внешних стенок сборки блока. Кромки 7 прижимают к электродам в сборке для образования электрических контактов. Блок можно закрепить на растянутых стержнях (не показаны) либо заварить.

Очевидно, что устройство по настоящему изобретению можно использовать как топливный элемент (электрический генератор), если на преобразователь подается газовое топливо, либо как электролизер (топливный синтезатор), если применяется электричество.

Тонкие электролитические пластины согласно настоящему изобретению могут быть изготовлены способом высокоэнергетического плазменного напыления, описанным в патенте США N 4 629 537 автора настоящей заявки. Кроме того, электролитические пластины можно изготовить из пластин объемных электролитических материалов. Например, цилиндрический блок с высокой плотностью из твердого окисного материала (например, двуокиси циркония с легированием окисью иттрия) можно изготовить шликерным литьем с последующим циклом медленного спекания для получения ненапряженного блока стабильных размеров. Затем путем точной резки блока получают тонкую электролитическую пластину или мембрану.

При изготовлении электролитических пластин другие материалы можно также заменить на твердую окись. Такие материалы включают изготовленные из твердотельных элементов анионные проводники и изготовленные из твердотельных элементов протонные проводники. Кроме того, в качестве электролитической пластины может также служить другой материал, переносящий ионы кислорода, например расплавленный карбонат на твердом носителе. В частности, эти материалы можно использовать в определенных случаях, когда желательны более низкие рабочие температуры (например, приблизительно 500^oC до 850^oC). Кроме того, самые различные проводящие материалы могут использоваться для тонких пластин межсоединителя согласно настоящему изобретению. Подходящие материалы для изготовления межсоединителя включают сплавы никеля, сплавы никеля и хрома, сплавы никеля - хрома - железа, сплавы железа - хрома - алюминия, платиновые сплавы, металлокерамика из таких сплавов и жаропрочного материала, например двуокись циркония или окись алюминия, карбид кремния и дисилицид молибдена.

Гофрированные верхние и нижние структуры межсоединителей могут быть получены, например, путем штамповки листов металлического сплава одним или большим количеством согласованных наборов пуансонов и матриц. Матрицы изготавливают предварительно в соответствии с желательной конфигурацией изделия, и закаляют термической обработкой, чтобы они могли выдержать действие повторного сжатия при массовом производстве.

На фиг. 4 показана более подробно система 10А с набором электролитических пластин и пластин межсоединителя в качестве ее компонентов. В общем случае, конструкции элементов преобразователей узла электрохимических преобразователей подобны описанным в цитированном выше патенте США N 4 490 445. Система 10А включает узел 20 электрохимического преобразователя, имеющий шпилевидные подвесные элементы 21 преобразователя с U-образными соединителями 22, для обеспечения более высокой жесткости конструкции и более удобных односторонних выводов для газового коллектора и электрических соединений. Шины 23 предназначены для отвода или подачи электричества на подвесные элементы 21 преобразователя, которые связаны параллельным электрическим соединением. Система 10А предназначена для эффективной работы при повышенной температуре в диапазоне от 800^oC до 1200^oC, оптимально - около 1000^oC. Трубы узла 24 теплообмена служат буфером для передачи тепла между элементами 21 преобразователя горячей электрохимической ячейки и входящими газами. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения, входящие реакционные газы нагревают с помощью выходящих газов отработанного продукта в регенеративном нагревательном механизме, в котором предпочтительно используют схему противотока.

В основном, практический теплообмен между входящими и исходящими газами является таким, что происходит выравнивание конвективного теплообмена газов. Например, ненужное тепло, связанное с израсходованным топливом, которое выводилось бы из системы через выпускной поток, поглощается входящими газами. Эффект заключается в непрерывной генерации такого выбранного количества тепла, используемого для нагревания реагентов, которое переносится в выпускном потоке. Максимизация этого теплообмена уменьшает количество тепловых потерь в системе и, таким образом, повышает общий КПД системы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения в механизме регенеративного нагревания можно использовать для коаксиальных труб 60, как показано на фиг. 5. Внутренняя труба 62 транспортирует один из реагентов топливного элемента, например топливо, в то время как внешняя труба 64 переносит выпускной поток из узла 20 электрохимического преобразователя. Реагент поступает через входной конец 66 внутренней трубы 62 при температуре окружающей среды, и теплота, связанная с выпуском, нагревает входящий реагент до температуры, близкой к рабочей температуре узла 20 электрохимического преобразователя. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения, регенеративный механизм нагрева использует пару коаксиальных труб 60, каждая из которых транспортирует различный реагент к узлу 20 электрохимического преобразователя. В других вариантах можно использовать ряд параллельных труб, в которых реагенты снова нагревают в схеме противотока с помощью выпускного потока. Кроме того, хотя здесь используется пара коаксиальных труб 60, можно применить любое число трубок. Согласно предпочтительному практическому использованию изобретения, механизм регенеративного нагрева может представлять собой внутренне или внешне объединенный теплообменник противотока, расположенный на выходе узла 20 электрохимического преобразователя.

На фиг. 4 также показан блок 30 теплопередачи, соединенный с узлом 20 электрохимического преобразователя. Блок 30 теплопередачи включает индивидуальные элементы 31 теплопередачи (которые переносят рабочую среду цикла потребления) и трубопровод 35, который соединяет индивидуальные элементы 31 теплопередачи вместе. Трубопровод 35 может быть соединен с радиатором (не показан) для операций охлаждения или с источником тепла (не показан) для приема тепловой энергии и передачи такой энергии к узлу 20 электрохимического преобразователя. Фиг. 6А - это поперечное сечение системы 10А по фиг. 4, изображающей объемное объединение узлов 20, 30 преобразователя и переноса тепла. Фиг. 6 показывает двухмерное представление элементов 21 преобразователя (скрепленных с помощью U-образных соединителей 22), а также U-образные элементы 31 теплопередачи.

Фиг. 6Б - детальное изображение элементов 31 теплопередачи согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Элементы 31 теплопередачи содержат коаксиально расположенную внутри вторую трубку 32. В комбинации две трубки 31 и 32 формируют внутренний перепускной канал 33 и внешний перепускной канал 34. Внутренний перепускной канал 33 транспортирует рабочую среду от цикла потребления до узла 20 электрохимического преобразователя, где среда поглощает тепловую энергию, излучаемую из узла 20. Например, рабочая среда из цикла потребления вначале проходит через внутренний перепускной канал 33, а затем - через внешний перепускной канал 34, как показано непрерывными стрелками. Рабочая среда первоначально попадает во вход 35 внутреннего перепускного канала 33 при первой температуре, предпочтительно около 20^oC. Когда среда перемещается через внутренний перепускной канал 33, лучистая энергия узла электрохимического преобразователя нагревает среду. Соответственно, среда выходит из внутреннего перепускного канала 33 на выходе 36 при второй температуре, предпочтительно около 500^oC, которая значительно выше первой температуры.

Закрытый конец 40 элемента 31 теплопередачи вынуждает рабочую среду проходить через внешний перепускной канал 34 в направлении, противоположном потоку среды во внутреннем перепускном канале 33. Когда среда проходит через внешний перепускной канал 34, энергия, излучаемая узлом 20 электрохимического преобразователя, далее нагревает среду до третьей температуры, предпочтительно приблизительно до 1000^oC либо близкой к рабочей температуре узла 20 электрохимического преобразователя. Такая компоновка с двойным просветом уменьшает градиент температуры, который аксиально развивается на электрохимических элементах преобразователя, путем сокращения образования участков перегрева на элементах 31 теплопередачи, и тем самым устраняет неравное охлаждение узла. Соответственно, такая компоновка уменьшает тепловые напряжения, которые развиваются на узле 20. Хотя коаксиальная трубка показана с закрытым концом, элементы теплопередачи могут также включать параллельно проходящие трубы, а также U-образные трубы, как показано на фиг. 1.

На фиг. 7 показана система 40 производства пара, используемая, например, при производстве пара для индустрии или жилых помещений из тепла, рассеиваемого из системы 10 электрохимического преобразования внутри камеры 41 с термической оболочкой. При такой конфигурации, топливоснабжение 42 производят сначала через теплообменники в систему 10 электрохимического преобразования, а воздух через подачу 43 воздуха аналогично проводят через теплообменники в систему 10 электрохимического преобразования. Инвертор 44 преобразует электричество, генерируемое преобразователем, в выходной переменный электрический ток. В системе 40 система 10 электрохимического преобразования производит электричество при температуре около 1000^oC с помощью экзотермического электрохимического процесса. В этой системе тепло передается к узлу 30 теплопередачи путем излучения. Пар генерируют в узле 30 теплопередачи и собирают в барабане парового котла 46. Отработавшие газы из преобразователя также сжигаются в термической оболочке 41 для получения дополнительно энергии, необходимой для дальнейшего производства пара 48 из воды 47. Этот пар можно применять непосредственно в различных промышленных процессах либо использовать, например, для обогревания жилых помещений или в коммерческих целях и т.п.

На фиг. 8 представлена схема источника 100 электрохимического преобразователя тепла, связанного с паровой или газовой турбиной 120 лучистой тепловой связью или лучистой тепловой интеграцией, что поясняется ниже. Источник 100 тепла содержит узел 20 электрохимического преобразователя (топливную ячейку), узел 24 теплообмена и элементы 31 теплопередачи. Элементы 31 теплопередачи излучают теплоту непосредственно на устройство 120 потребления из паровой турбины. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения количество тепла, подаваемого к реагентам 17, 19 топливной ячейки при их обработке, конвективно поступает к входящим реагентам 17, 19 через узел 24 теплообмена. Способ излучательной температурной интеграции требует, чтобы топливная ячейка 20 работала как постоянный излучательный температурный нагревательный элемент, который подает тепло к потокам двух раздельных контуров.

Использованы следующие типичные параметры (характеристики):
M_fc - скорость массы потока контура топливной ячейки;
M_a - скорость дополнительного воздушного потока, требуемого для поддержания допустимого градиента температуры в блоке топливного элемента;
M_c - скорость рабочей среды для цикла потребления;
ΔT_fc - повышение температуры реагентов в контуре топливной ячейки;
ΔT_a - повышение температуры дополнительного воздушного потока, который может требоваться при некоторых условиях объединения для охлаждения блока топливной ячейки;
ΔT_c - повышение температуры рабочей среды для цикла потребления;
Q_fc - тепло, подаваемое из топливной ячейки для использования в цикле потребления;
Q_c - тепло, регенерируемое циклом потребления.

Как упомянуто выше, в одном контуре топливной ячейки M_fc осуществляют обработку реагента, тепловую регенерацию и работу топливной ячейки. Контур топливной ячейки использует механизм регенеративного теплообмена между входным и выходным потоками выпуска, как описано выше, тем самым поддерживая наименьшую разность температур контура топливной ячейки (ΔT_fc). В частности, регенеративный тепловой процесс, происходящий внутри узла 24 теплообмена, оптимально компенсирует температурный вход, используемый для нагревания реагентов топливных ячеек и передает это восстановленное тепло входящим реагентам 17, 19. Двойной эффект заключается в нагревании входящих реагентов и в охлаждении потока выпуска 18, 11. Таким образом, система компенсирует потери тепла в потоке выпуска, обеспечивая высокую производительность системы.

Другой контур, который включает элементы 31 теплопередачи и физически с ним не связан, содержит рабочую среду M_c для парового или газового турбинного цикла потребления и может быть оптимизирован в соответствии с требованиями к отводу ненужного тепла и термодинамическими особенностями цикла потребления. Скорость потока массы рабочей среды (M_c) должна быть отрегулирована до уровня, который может поглотить излучательно передаваемое ненужное тепло из блока топливных ячеек и достигнуть большого повышения температуры (ΔT_c), которое является благоприятным с точки зрения термодинамической производительности цикла. Кроме того, двойная конфигурация перепускного канала элементов 31 теплопередачи максимизирует количество ненужного тепла, поглощаемого рабочей средой, тем самым увеличивая производительность системы. Применение принципа лучистой тепловой интеграции позволяет получить высокую производительность системы, компактную физическую систему, поскольку не требуются никакие внешние промежуточные теплообменники (см. фиг. 9), а также унифицировать конструкцию объединения с газовым или паровым оборудованием цикла потребления.

Элементы 31 теплопередачи размещены вблизи потребляющего термодинамического устройства 120 так, чтобы излучать теплоту из элементов теплопередачи через рабочую среду, размещенную внутри элементов 31 теплопередачи, к паровой турбине. Эффективная регенерация тепловой энергии в форме тепла во время регенеративного процесса в узле 24 теплообмена обеспечивает дополнительное отработанное тепло системы, которое нужно отводить с помощью элементов теплопередачи. В предпочтительном варианте осуществления изобретения тепло из узла 20 передается излучением на встречно-гребенчатые элементы 31 теплопередачи. Одновременно рабочая среда, расположенная внутри элементов 31 теплопередачи, способствует максимальному накоплению блоком отработавшего тепла и затем передаче его на устройство 120 потребления в системе. Поскольку происходит накопление большого количества тепла и его использование для генерирования мощности, то система в целом имеет высокую производительность.

Применение принципа лучистой тепловой интеграции позволяет исключить из всей системы промежуточный теплообменник, который обычно соединяет узел 20 электрохимического преобразователя с энергоблоком 120. Исключение промежуточного теплообменника обеспечивает свободу конструктивного решения, которое позволяет разместить в системе 10А электрохимического преобразования энергии независимо от турбины 120.

В отличие от высокоэффективного принципа лучистой тепловой интеграции, описанного выше, известные системы используют принцип конвективной тепловой интеграции, который обычно используется при объединении гибридных систем. На фиг. 9 показана схема узла электрохимического преобразователя 20 (топливной ячейки), которая объединена с паровой или газовой турбиной с помощью конвективной тепловой связи с рабочей средой через внешний теплообменник. В этом случае, регенерация тепла для цикла потребления осуществляется путем конвективной теплопередачи из промежуточного теплообменника 105. Обычно к потоку реагентов топливного элемента M_fc требуется добавлять дополнительный охлаждающий воздушный поток M_a, который в комбинации (M_fc + M_a = объединенный поток), служит для удаления излишков энергии и ограничивает повышение температуры топливного элемента до соответствующего уровня. При применении конвективного принципа дополнительный воздушный поток перед вводом в топливную ячейку необходимо сначала нагревать до температуры, близкой к рабочей температуре топливной ячейки, либо рисковать ухудшением структурных параметров системы 10 электрохимического преобразования энергии.

Допустимое повышение температуры для газообразного потока при прохождении через блок топливного элемента (ΔT_fc) прежде всего ограничено условиями перепада температур в блоке. На выходе топливного элемента поток можно регенеративно охлаждать с целью сохранения энергии. После того как регенеративные процессы выполнены, газ становится источником тепла с потенциалом, достаточным для обеспечения повышения температуры ΔT_fc на рабочей среде (M_c) в промежуточном теплообменнике. Если учитывать практические ограничения по размерам, экономичности, и разности температур, связанные с конструкцией требуемого промежуточного теплообменника, то получаемое повышение температуры рабочей среды, ΔT_c, будет намного меньше, чем повышение температуры рабочей среды ΔT_fc при применении принципа лучистой тепловой интеграции. Это, в свою очередь, ограничивает производительность системы в целом, а также производительность цикла потребления.

Высокотемпературные топливные элементы, используемые в узле 20 электрохимического преобразователя на фиг. 9, достигают производительности 45 - 50% при выборе практических рабочих диапазонов по плотности тока, а также потребления топлива. В гибридных системах, использующих принцип лучистой тепловой интеграции, как показано на фиг. 8, высокотемпературный топливный элемент с паровой или газовой турбиной может дополнительно обеспечить увеличение на 14 - 16% по сравнению с автономной системой, доводя суммарную полную производительность системы до 61 - 64%. Повышение производительности обеспечивается благодаря эффективному восстановлению отработанного тепла из высокотемпературных блоков топливного элемента для применения в имеющемся оборудовании цикла потребления (при обычной производительности 29%). Возможность использования стандартного энергетического оборудования для систем потребления упрощает интеграцию и сводит до минимума любую неопределенность, связанную с расчетами производительности. Кроме того, баланс работы установки (энергоблока) согласно изобретению упрощен, потому что особенности принципа лучистой тепловой интеграции позволяют устранить потребность в промежуточных теплообменниках или подсистемах регенерации тепла, как описано ниже.

Напротив, при применении принципа конвективной тепловой интеграции для объединения топливного элемента с паровыми циклами потребления, производительность достигает 51 -54%, что на 7 - 13% ниже, чем у эквивалентных систем, использующих принцип лучистой тепловой интеграции. Снижение характеристики происходит прежде всего из-за ограничений, налагаемых принципом конвективной тепловой интеграции при регенерации тепла из блока. Кроме того, как указано выше, необходимость использовать промежуточный теплообменник приводит к дополнительным затратам.

При стандартных методах управления температурой топливной ячейки через узел 20 электрохимического преобразователя требуется пропускать большие количества вспомогательной жидкости или дополнительный газообразный охлаждающий поток. Так как эти большие количества потока необходимо нагревать до температуры, близкой к рабочей температуре электролита (чтобы уменьшить температурное напряжение) и пропускать через узел 20, то обычно используют специализированную дополнительную подсистему обработки охладителя. Эта подсистема, описанная как промежуточный теплообменник 105, включает оборудование для регенеративного нагрева, нагнетания и обработки дополнительного охладителя. Подсистема такого типа повышает стоимость энергетической системы в целом. Кроме того, чтобы обработать большие количества дополнительного реагента, количество которого обычно в десятки раз больше, чем количество реагентов, используемых узлом 20 электрохимического преобразователя, используют большую и громоздкую подсистему. Напротив, настоящее изобретение не требует специализированной подсистемы, так как не нужен никакой дополнительный охладительный поток, чтобы удалить излишки тепла из узла преобразователя.

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим преобразователям. Согласно изобретению электрохимический преобразователь осуществляет регенеративное нагревание реагентов электрохимического преобразователя до рабочей температуры, используя выпускной поток. Средства интеграции потока передают тепло от узла электрохимического преобразователя к потребляющему энергоблоку, что позволяет получить гибкую и эффективную конструкцию. В режиме работы блока топливного элемента, например, это облегчает восстановление отработанного тепла реагентов топливного элемента для объединения с термодинамическим устройством потребления, например газовой или паровой турбиной. Интеграция теплового потока осуществляет эффективную лучистую передачу тепла между внешними поверхностями узла преобразователя и узла теплообменника, содержащего рабочую среду поглотителя тепла или источника тепла, а также путем регенеративного процесса, при котором выходящий выпускной поток нагревает входящие реагенты до рабочей температуры преобразователя. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса терморегуляции в системах электрохимического преобразования. 16 з. п.ф-лы, 10 ил.

1. Система электрохимического преобразования энергии, содержащая узел электрохимического преобразователя, имеющий множество элементов преобразователя и содержащий средство подачи реагентов для подачи реагентов к узлу электрохимического преобразователя, средство выпуска для удаления отработанных газов, средства отвода электричества для отвода электрического тока из указанного узла и входное средство теплообмена, отличающаяся тем, что входное средство теплообмена выполнено в виде регенеративного средства теплообмена, обеспечивающего нагревание упомянутых реагентов до выбранной рабочей температуры при одновременном охлаждении отработанных газов для осуществления сбалансированного обмена тепловой энергией между входящими реагентами и выходящими отработанными газами, при этом система содержит интегрированный узел теплопередачи, имеющий множество элементов теплопередачи для транспортировки рабочей среды, расположенных между элементами электрохимического преобразователя без контакта с упомянутыми элементами преобразователя для удаления излишнего тепла путем излучательной теплопередачи от элементов преобразователя. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что с интегрированным узлом теплопередачи соединено потребляющее термодинамическое устройство для преобразования излишнего тепла в указанной рабочей среде в электрическую энергию. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что регенеративное средство теплообмена обеспечивает нагрев входящих реагентов до температуры, близкой к рабочей температуре узла электрохимического преобразователя. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что регенеративное средство теплообмена выполнено в виде теплообменника с внутренней интеграцией. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник с внутренней интеграцией выполнен в виде теплообмненника противотока. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что теплообменник противотока содержит первую и вторую трубы, по существу, параллельные одна другой. 7. Система по п.5, отличающаяся тем, что теплообменник противотока содержит коаксиально размещенные первую и вторую трубы. 8. Система по п.3, отличающаяся тем, что регенеративное средство теплообмена выполнено в виде теплообменника с внешней интеграцией. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что теплообменник с внешней интеграцией выполнен в виде теплообменника противотока. 10. Система по п.9, отличающаяся тем, что теплообменник противотока содержит первую и вторую трубы, по существу, параллельные одна другой. 11. Система по п.9, отличающаяся тем, что теплообменник противотока содержит коаксиально размещенные первую и вторую трубы. 12. Система по п.1, отличающаяся тем, что потребляющее термодинамическое устройство содержит турбину, выполненную в виде газовой или паровой турбины. 13. Система по п.1, отличающаяся тем, что элемент теплопередачи содержит первую и вторую трубы, по существу, параллельные одна другой. 14. Система по п.1, отличающаяся тем, что элемент теплопередачи содержит внешнюю трубу и коаксиально расположенную в ней внутреннюю трубу. 15. Система по п.14, отличающаяся тем, что внешняя труба элемента теплопередачи имеет первый конец и, по существу, закрытый второй конец. 16. Система по п.1, отличающаяся тем, что рабочая среда содержит по меньшей мере газ, или пар, или воду. 17. Система по п.1, отличающаяся тем, что электрохимический преобразователь и потребляющее термодинамическое устройство выполнено с возможностью независимого повышения давления.