СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2008 года по МПК H01M8/04 H01M8/06 

Область техники

Представленное изобретение относится к системе топливных элементов и, более детально, к системе топливных элементов, которая включает узел теплообмена, способный контролировать температуру топлива и/или воздуха, подаваемого в батарейный узел.

Предшествующий уровень техники

Электроэнергия, подаваемая к строениям, часто генерируется электростанцией, использующей тепловую мощность или гидроэлектроэнергию. Электроэнергия, генерируемая электростанцией, подается к строениям через линии электропередач. Затем электроэнергия используется для работы многочисленных устройств способом, который хорошо известен.

В то время как применяется несколько способов генерирования электроэнергии во многих случаях электроэнергия генерируется сжиганием нефти, угля или других ископаемых топлив. Получаемая тепловая энергия затем используется для привода турбин или подобных устройств, для того чтобы производить электроэнергию.

Однако использование ископаемых топлив для генерирования электроэнергии имеет ряд недостатков. Например, электростанции на ископаемом топливе часто расположены на отдаленном расстоянии от потребителей электроэнергии. Использование линий электропередач для передачи электроэнергии приводит к потерям электричества из-за сопротивления линий, и эти потери могут быть особенно выражены на больших передаточных расстояниях. Кроме того, сжигание нефти или угля может приводить к производству вредных веществ, загрязняющих окружающую среду.

Для того чтобы принять меры для решения вышеупомянутых проблем, было предложено несколько альтернативных способов генерирования электроэнергии. Одна из альтернатив использует топливные элементы для производства электроэнергии. Топливные элементы относительно эффективны в генерировании электроэнергии и могут делать это без производства вредных веществ загрязняющих окружающую среду, которые появляются при сжигании ископаемых топлив, таких как нефть или угль, и подобных.

В типичном выполнении топливный элемент электрохимическим методом реагирует с насыщенным водородом топливом и насыщенным кислородом воздухом. Затем топливный элемент преобразует часть разницы энергий между химикатами до реакции и химикатами после реакции в электроэнергию.

Фиг.1 иллюстрирует один из примеров традиционной системы топливных элементов. Иллюстративная система топливных элементов показана как, например, включающая узел подвода топлива 10, узел подвода воздуха (или подобного, насыщенного кислородом вещества) 12, узел 20 риформинга, батарейный узел 30, силовой преобразователь 40, газожидкостный сепаратор 50, и увлажнитель 60. В общем узел подвода топлива 10 подает топливо в узел 20 риформинга. Узел 20 риформинга использует топливо для генерирования свободного водородного газа, который содержит в себе водородный газ, тепло и воду. Батарейный узел использует водородный газ, являющийся компонентом свободного водородного газа, и кислород воздуха, подаваемого узлом подвода воздуха 12, для генерирования постоянного тока. Силовой преобразователь 40 преобразует постоянный ток, генерируемый в батарейном узле 30 в переменный ток.

В то время как могут быть использованы другие конфигурации, иллюстративный узел риформинга системы топливных элементов по Фиг.1 включает реактор десульфурации 21, паропреобразовательный реактор 22, высокотемпературный водяной реактор 23, низкотемпературный водяной реактор 24, реактор неполного окисления 25, печь для реакционной плавки 26 и топку 27. В общем реактор десульфурации 21 получает топливо от топливоподающего узла 10, наряду с водой и воздухом, и десульфурирует топливо. Паропреобразовательный реактор 22 заставляет топливо вступать в реакцию с паром. Высокотемпературный водяной реактор 23 заставляет угарный газ вступать в реакцию с паром. Низкотемпературный водяной реактор 24 преобразует угарный газ в углекислый газ. Реактор неполного окисления 25 преобразует не окисленный угарный газ в углекислый газ. Печь для реакционной плавки 26 генерирует водород из топлива путем преобразования и водородной очистки. Топка 27 подает тепло к печи для реакционной плавки 26.

Батарейный узел 30 иллюстративной системы топливных элементов по Фиг.1 может быть выполнен, например, посредством многослойного дублирования одного или более топливного элемента. Каждый топливный элемент включает две биполярных пластины, анод 31 и катод 33, и мембранное электродное устройство (MAE) 32, расположенное между анодом 31 и катодом 33. Канал для топлива выполнен между анодом 31 и одной поверхностью мембранного электродного устройства 32, а канал для воздуха выполнен между катодом 33 и другой поверхностью мембранного электродного устройства 32.

На показанном примере газожидкостный сепаратор 50 установлен в средней части топливоподающего трубопровода 51. Топливоподающий трубопровод 51 подает свободный водородный газ, генерируемый узлом 20 риформинга, в газожидкостный сепаратор 50. Газожидкостный сепаратор 50 разделяет свободный водородный газ на водород и жидкую воду путем конденсации и подает только водородный газ к аноду 31 батарейного узла 30.

На показанном примере увлажнитель 60 установлен в средней части подающего воздух трубопровода 61. Подающий воздух трубопровод 61 подводит воздух из узла подвода воздуха 12 к увлажнителю 60. Увлажнитель 60 добавляет влагу к воздуху и затем подает воздух к катоду 33 батарейного узла 30.

Во время работы узел подвода топлива 10 подает топливо, такое как метанол, сжиженный природный газ ("LNG"), бензин и т.п., и воду к узлу 20 риформинга. Затем в узле 20 риформинга происходит преобразование пара и частичное окисление, таким образом генерируется свободный водородный газ. После чего батарейный узел снабжается компонентом свободного водородного газа водородным газом Н₂, водородный газ Н₂ подается к аноду 31 (или окислительному электроду 31), и ионизируется, и окисляется в ионы водорода Н+ и электроны e- путем электрохимического окисления. Ионизированные ионы водорода переносятся к катоду 33 (или восстановительному электроду 33) через мембранное электродное устройство (MAE) 32, и электроны переносятся через анод 31, таким образом генерируя электричество, тепло и воду. Постоянный ток, генерируемый в батарейном узле, может затем быть преобразован в переменный ток силовым преобразователем 40.

В то время как система топливных элементов типа, иллюстрированного на Фиг.1, обеспечивает эффективный и чистый источник электроэнергии, работа самой системы может представлять некоторые проблемы. Например, в типе системы топливных элементов, показанной на Фиг.1, свободный водородный газ, подаваемый из узла 20 риформинга через топливоподающий трубопровод 51, обычно имеет температуру более 100°С. Для того чтобы иметь температуру, подходящую для управления батарейным узлом 30, свободный водородный газ проходит через газожидкостный сепаратор 50, у которого есть функция теплообмена и в котором свободный водородный газ конденсируется, создавая конденсат. Если конденсат подается к аноду 31 батарейного узла 30, это может повредить батарейный узел 30.

К тому же, воздух, подаваемый к катоду 33 батарейного узла 30 через увлажнитель 60, содержит влагу. Так как воздух, содержащий влагу, передается через подающий воздух трубопровод 61, температура воздуха падает. Если конденсат подается к катоду 33 батарейного узла 30, как в вышеупомянутом случае с анодом 31, конденсат может повредить батарейный узел 30 и уменьшить срок службы батарейного узла 30.

Краткое описание иллюстративных вариантов осуществления

Соответственно, варианты осуществления представленного изобретения относятся к системам топливных элементов, которые включают узел теплообмена, способный контролировать температуру топлива и/или воздуха, подаваемого в батарейный узел, и, таким образом, сводить к минимуму любое повреждение, которое может произойти в противном случае. Например, контролирование температуры топлива и/или воздуха, подаваемого к батарейному узлу, может помочь увеличить срок службы батарейного узла путем предотвращения повреждений батарейного узла, вызванного конденсатом, подаваемым в батарейный узел.

В одном иллюстративном варианте осуществления описана система топливных элементов, использующая теплообменник. Система топливных элементов включает узел подвода топлива, скомпонованный для подачи топлива и узел подвода воздуха, который скомпонован для подачи воздуха (или другого, кислородосодержащего вещества) через подающий воздух трубопровод. Система топливных элементов затем включает узел риформинга, который скомпонован для получения топлива из топливоподающего узла, генерирования свободного водородного газа и затем передачи свободного водородного газа через топливоподающий трубопровод. В этом варианте осуществления система топливных элементов также включает батарейный узел для генерирования электроэнергии путем электрохимической реакции между воздухом, подаваемым через подающий воздух трубопровод и свободным водородным газом, подаваемым через топливоподающий трубопровод.

В иллюстративных вариантах осуществления система топливных элементов также включает и узел теплообмена. Узел теплообмена скомпонован для обеспечения герметичной внутренней части, в которую подается отходящий газ, такой как может быть генерирован в топке узла риформинга. Узел теплообмена может включать, например, линию всасывания отходящего газа для подачи отходящего газа во внутреннюю часть и отводящую линию отходящего газа для отвода отходящего газа.

В одном иллюстративном варианте осуществления часть трубопровода подвода воздуха проходит через внутреннюю часть узла теплообмена. В другом иллюстративном варианте осуществления часть топливоподающего трубопровода проходит через внутреннюю часть узла теплообмена. В уже другом иллюстративном варианте осуществления части обоих и подающего воздух трубопровода, и топливоподающего трубопровода проходят через внутреннюю часть узла теплообмена.

Использование узла теплообмена таким способом обеспечивает возможность контролировать температуру топлива и/или воздуха, подаваемого в батарейный узел. Это может помочь увеличить срок службы системы топливных элементов путем содействия в избежании повреждений батарейного узла, что, в противном случае, может произойти, вызываемое конденсатом, подаваемым туда.

Последующие и другие задачи, особенности, аспекты и преимущества представленного изобретения станут более очевидными из следующего детального описания представленного изобретения, связанного с сопроводительными чертежами.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

На чертежах:

Фиг.1 - схема конфигурации традиционной системы топливных элементов;

Фиг.2 - схема конфигурации системы топливных элементов в соответствии с одним иллюстративным вариантом осуществления представленного изобретения;

Фиг.3 - схема конфигурации системы топливных элементов в соответствии с другим иллюстративным вариантом осуществления представленного изобретения;

Фиг.4 - схема конфигурации системы топливных элементов в соответствии с еще одним иллюстративным вариантом осуществления представленного изобретения;

Фиг.5 - вид в перспективе, в разрезе иллюстративного теплообменного узла;

Фиг.6 - вид в перспективе, в разрезе другого иллюстрационного теплообменного узла.

Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления

Как отмечено выше, иллюстративные варианты осуществления представленного изобретения относятся к системе топливных элементов, которая включает узел теплообмена. В предпочтительных вариантах осуществления узел теплообмена соединяется с системой топливных элементов для того, чтобы контролировать температуру топлива и/или воздуха, который подается в батарейный узел. Контролирование температуры топлива и/или воздуха, подаваемого в батарейный узел, может помочь увеличить срок службы батарейного узла, помогая избежать повреждений, которые могут быть вызваны конденсатом, подаваемым в батарейный узел.

Теперь ссылка будет сделана на некоторые иллюстративные варианты осуществления представленного изобретения, подходящие элементы которого показаны на Фиг.2-6. На Фиг.2-6, элементы, которые идентичны тем, что показаны на Фиг.1, имеют идентичные ссылочные номера, и их детальное описание пропущено.

На Фиг.2-4 показаны схематичные чертежи иллюстративных конфигураций систем топливных элементов. В то время как другие конфигурации могут быть использованы, каждая из иллюстративных систем топливных элементов, показанных на Фиг.2-4, включает узел подвода топлива 10, узел подвода воздуха 12, узел 20 риформинга, батарейный узел 30, силовой преобразователь 40, газожидкостный сепаратор 50, и увлажнитель 60, каждый из которых функционирует, в основном, как описано выше со ссылкой на Фиг.1. Так как показано на Фиг.2-4 в иллюстративных вариантах осуществления изобретения, увлажнитель 60 установлен между узлом подвода воздуха 12 и батарейным узлом 30. Узел подвода воздуха 12 и увлажнитель 60 соединены через первый трубопровод подачи топлива 61, и увлажнитель 60 и батарейный узел 30 соединены через второй трубопровод подачи воздуха 62. Газожидкостный увлажнитель 50 установлен между узлом 20 риформинга и батарейным узлом 30. Узел 20 риформинга и газожидкостный сепаратор 50 соединяются через первый трубопровод подачи топлива 51, а газожидкостный сепаратор 50 и батарейный узел 30 соединяются через второй трубопровод подачи воздуха 52.

Однако в отличие от системы топливных элементов, показанной на Фиг.1, каждая из систем топливных элементов, показанная на Фиг.2-4, включает узел теплообмена 70, два примера которых показаны на Фиг.5 и 6. В иллюстративной конфигурации топливных элементов Фиг.2 второй трубопровод подачи воздуха 62 проходит через узел теплообмена 70. В иллюстративной конфигурации топливных элементов Фиг.3 второй трубопровод подачи топлива 52 проходит через узел теплообмена 70. В иллюстративной конфигурации топливных элементов Фиг.4 оба, и второй трубопровод подачи воздуха 62, и второй трубопровод подачи топлива 52, проходят через узел теплообмена 70.

Со ссылкой на Фиг.2-4 и с уже конкретной ссылкой на Фиг.5 и 6 далее приводится описание дополнительных деталей иллюстративных вариантов осуществления узла теплообмена 70. Как показано на Фиг.5 и 6, узел теплообмена 70 может включать корпус 71 или другую подобную структуру, которая скомпонована таким образом, чтобы обеспечивать герметичную внутреннюю часть. Отходящий газ, выпускаемый из топки 27, может подаваться во внутреннюю часть через, например, впускной трубопровод отходящего газа 72. Иллюстративные варианты осуществления каждого из иллюстрированных узлов теплообмена 70 также включают выпускной трубопровод отходящего газа 73 или подобную структуру, которая скомпонована для отвода отходящего газа из внутренней части корпуса 71.

Как показано на Фиг.5 и 6, часть второго трубопровода подачи воздуха 62 и часть второго топливоподающего трубопровода 52, могут проходить через внутреннюю часть, определенную корпусом 71. В одном варианте осуществления второй трубопровод подачи воздуха 62 проходит через внутреннюю часть корпуса 71 в основном по прямой линии. Второй топливоподающий трубопровод 52 также проходит через внутреннюю часть корпуса 71, но вместо прохождения в основном по прямой линии второй топливоподающий трубопровод 52 может быть выполнен так, чтобы в основном окружать периферию второго трубопровода подачи воздуха 62, например, обычно спиральным способом. Однако, как отмечено выше, узел теплообмена 70 не обязательно включает оба, и второй топливоподающий трубопровод 52, и второй подающий воздух трубопровод 62. Вместо этого узел теплообмена 70 может включать только второй подающий воздух трубопровод 62, как показано на Фиг.2, или только второй топливоподающий трубопровод 52, как показано на Фиг.3, в зависимости от задач и потребностей конкретного варианта осуществления. Также другие конфигурации и маршрутизированные схемы могут быть использованы, опять же, в зависимости от конкретного варианта осуществления.

Таким образом, узел теплообмена 70 устанавливает контакт между частью второго подающего воздух трубопровода 62 и/или частью второго топливоподающего трубопровода 52 и отходящим газом, генерируемым в топке 27, и подаваемым во внутреннюю часть, определенную корпусом 71. Когда температура отходящего газа выше, чем температура воздуха, протекающего через второй подающий воздух трубопровод 62, но ниже температуры водородного газа, протекающего через второй топливоподающий трубопровод 52, этот контакт с отходящим газом быстро увеличивает относительно низкую температуру воздуха и быстро снижает относительно высокую температуру водородного газа.

Для того чтобы контролировать температуру топлива и/или воздуха, подаваемого в батарейный узел 30 через второй топливоподающий трубопровод 52 и второй подающий воздух трубопровод 62, соответственно второй топливоподающий трубопровод 52 и/или второй подающий воздух трубопровод 62, могут быть расположены во внутреннем пространстве, определенном корпусом 71, в различных формах и конфигурациях.

Например, чтобы снизить температуру водородного газа, подаваемого в батарейный узел 30 через второй топливоподающий трубопровод 52, длина второго топливоподающего трубопровода 52 в пределах внутренней части корпуса 71 может быть увеличена путем плотного размещения второго топливоподающего трубопровода 52 в пределах внутренней части по существу в форме спирали, как показано на Фиг.6. Вдобавок, чтобы поднять температуру воздуха, подаваемого в батарейный узел 30 через второй подающий воздух трубопровод 62, длина второго подающего воздух трубопровода 62 внутри узла теплообмена 70 может быть увеличена изгибанием второго подающего воздух трубопровода 62 внутри корпуса 71. Водородный газ, который подается во внутреннюю часть корпуса 71 через второй топливоподающий трубопровод 52, может быть, таким образом, охлажден до заданной температуры и подаваться к аноду 31 батарейного узла 30. В то же время воздух, подаваемый в корпус 71 через второй подающий воздух трубопровод 62, может быть, таким образом, нагрет до заданной температуры и подаваться к катоду 33 батарейного узла 30.

В одном варианте осуществления дополнительный теплообмен между вторым топливоподающим трубопроводом 52 и вторым, подающим воздух трубопроводом 62, обеспечивается путем размещения наружной поверхности второго топливоподающего трубопровода 52 и наружной поверхности второго подающего воздух трубопровода 62 в контакте друг с другом.

Так как батарейный узел 30 обеспечивается водородным газом и воздухом, имеющими заданные оптимальные температуры благодаря температурному контролю, выполняемому узлом теплообмена 70, водородный газ Н₂ подается к аноду 31, и ионизируется, и окисляется до ионов водорода Н+ и электронов e- электрохимическим окислением. Ионизированные ионы водорода передаются к катоду 33 через электролитную пленку 32, и электроны перетекают через анод 31, таким образом генерируя электричество, тепло и воду. Электричество, генерируемое в батарейном узле 30, может затем преобразовываться силовым преобразователем 40, в зависимости от конкретных потребностей в электроэнергии.

Так как представленное изобретение может иметь несколько вариантов осуществления, не выходя за пределы существа и основных характеристик изобретения, следует понимать, что вышеописанные варианты осуществления не ограничены какими-либо деталями предшествующего описания, если иное не установлено, но в дальнейшем могут быть свободно сконструированы в пределах существа и объема формулы изобретения.

Изобретение относится к системе топливных элементов. Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы. Согласно изобретению система топливных элементов включает узел теплообмена, который контролирует температуру топлива и/или воздуха, подаваемого в батарейный узел. В одном варианте осуществления, система топливных элементов включает узел риформинга для генерирования свободного водородного газа, который подает свободный водородный газ через трубопровод подвода топлива. Узел риформинга включает топку. Система топливных элементов также включает батарейный узел для генерирования электроэнергии путем электрохимической реакции между воздухом и свободным водородным газом. Система топливных элементов также включает узел теплообмена. Узел теплообмена включает корпус, имеющий герметичную внутреннюю часть, в которую подается отходящий газ, генерируемый в топке. Часть топливоподающего трубопровода проходит через внутреннюю часть корпуса. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система топливных элементов, включающая: топливоподающий узел, скомпонованный для подачи топлива; подающий воздух узел, скомпонованный для подачи воздуха через трубопровод подвода воздуха; узел риформинга, скомпонованный для получения топлива из топливоподающего узла и генерирования свободного водородного газа и подводящий свободный водородный газ в трубопровод подвода топлива, при этом узел риформинга содержит топку; батарейный узел, скомпонованный для генерирования электроэнергии путем электрохимической реакции между воздухом, подводимым из подающего воздух узла и свободным водородным газом, подводимым из узла риформинга; и узел теплообмена, включающий, по существу, герметичную внутреннюю часть, в которую подается отходящий газ, генерируемый в топке, при этом, по меньшей мере, часть трубопровода подвода топлива проходит, по меньшей мере, через часть внутренней части узла теплообмена.2. Система по п.1, дополнительно включающая увлажнитель для подачи влаги в трубопровод подвода воздуха и газожидкостный сепаратор для разделения газа и жидкости, установленный в трубопроводе подвода топлива.3. Система по п.2, в которой узел теплообмена расположен в трубопроводе подвода топлива между газожидкостным сепаратором и батарейным узлом.4. Система топливных элементов, включающая: топливоподающий узел, скомпонованный для подачи топлива; подающий воздух узел, скомпонованный для подачи воздуха через трубопровод подвода воздуха; узел риформинга, скомпонованный для получения топлива из топливоподающего узла и генерирования свободного водородного газа, и подводящий свободный водородный газ через трубопровод подвода топлива, при этом узел риформинга включает топку; батарейный узел, скомпонованный для генерирования электроэнергии путем электрохимической реакции между воздухом, подводимым из подающего воздух узла и свободным водородным газом, подводимым из узла риформинга; и узел теплообмена, включающий, по существу, герметичную внутреннюю часть, в которую подается отходящий газ, генерируемый в топке, при этом, по меньшей мере, часть трубопровода подвода топлива проходит, по меньшей мере, через часть внутренней части узла теплообмена: увлажнитель для подачи влаги в подающую воздух линию, и газожидкостный сепаратор для разделения газа и жидкости, установленный в трубопроводе подвода топлива, при этом узел теплообмена расположен в трубопроводе подвода топлива между увлажнителем и батарейным узлом.5. Система топливных элементов, включающая: топливоподающий узел, скомпонованный для подачи топлива; подающий воздух узел, скомпонованный для подачи воздуха через трубопровод подвода воздуха; узел риформинга, скомпонованный для получения топлива из топливоподающего узла и генерирования свободного водородного газа, и подводящий свободный водородный газ через трубопровод подвода топлива, при этом узел риформинга включает топку; батарейный узел, скомпонованный для генерирования электроэнергии путем электрохимической реакции между воздухом, подводимым из подающего воздух узла и свободным водородным газом, подводимым из узла риформинга; и узел теплообмена, включающий, по существу, герметичную внутреннюю часть, в которую подается отходящий газ, генерируемый в топке, при этом, по меньшей мере, часть трубопровода подвода топлива и по меньшей мере часть трубопровода подвода воздуха, проходят, по меньшей мере, через часть внутренней части узла теплообмена.6. Система по п.5, дополнительно включающая: увлажнитель для подачи влаги в подающую воздух линию и газожидкостный сепаратор для разделения газа и жидкости, установленный в трубопроводе подвода топлива.7. Система по п.6, в которой узел теплообмена расположен в трубопроводе подвода топлива между увлажнителем и батарейным узлом, и, в трубопроводе подвода воздуха между газожидкостным сепаратором и батарейным узлом.8. Система по п.6, в которой, по меньшей мере, часть трубопровода подвода воздуха проходит через внутреннюю часть узла теплообмена в виде, по существу, прямой линии, и, по меньшей мере, часть трубопровода подвода топлива проходит через внутреннюю часть узла теплообмена по существу в форме спирали, ориентированной вокруг периферии трубопровода подвода воздуха.9. Система по п.8, в которой, по меньшей мере, часть наружной поверхности трубопровода подвода воздуха и наружной поверхности трубопровода подвода топлива контактируют друг с другом в пределах внутренней части узла теплообмена.