Высокотемпературный электрохимический генератор

 

Использование: в химических источниках тока. Сущность: камера смешения топлива содержит катализатор конверсии, топливные элементы открытыми концами заглублены в перегородку между топливной камерой и камерой дожига, а камеры смешения топлива, окисления топлива и дожига расположены последовательно одна над другой.

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую преимущественно с использованием батарей высокотемпературных топливных элементов (ВТТЭ) с твердым электролитом на основе диоксида циркония.

Известны батареи ВТТЭ с элементами трубчатой конструкции, изготовленные методом плазменного напыления через трафареты [1]. Батарея имеет диаметр 210 мм и длину 3 м. Внутри каждой батареи расположен каталитический реактор. При этом модуль на 50 кВт спроектированной электростанции на 500 кВт на конвертированном природном газе имеет диаметр 1,5 и высоту 5,5 м, т.е. удельная мощность около 6 кВт/м³.

Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) по электрохимической части является батарея ВТТЭ [2], имеющая корпус, расположенный горизонтально и разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смешения топлива и камеру электрохимического окисления топлива с элементами в виде пробирок из диоксида циркония с закрытыми концами, направленными к камере смешения, открытыми - к камере дожига и нагрева воздуха. Элементы в батарее располагаются горизонтально. Такое расположение продиктовано способом их соединения. Однако такое расположение элементов в батарее должно приводить в рабочих условиях к появлению неоднородности в поперечном сечении газового потока. При этом выделяемая в процессе электрохимического окисления тепловая энергия также создает неравномерность температурного поля (верх-низ), что уменьшает внутреннее сопротивление топливных элементов, расположенных в верхних рядах относительно нижних, чем дополнительно усугубляются неравномерности в газовом потоке. В конечном итоге это приводит к неравномерности снимаемых удельных мощностей, к снижению общих удельных характеристик.

Цель изобретения - улучшение удельных характеристик и повышение надежности ВТ электрохимического генератора (ЭХГ).

Цель достигается тем, что ВТЭХГ, включающий корпус, разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смешения топлива, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов в виде пробирок из диоксида циркония с закрытыми концами, направленными к камере смешения, и камеру дожига топлива и нагрева воздуха, содержит в камере смешения топлива катализатор конверсии топлива, топливные элементы открытыми концами заглублены в перегородку между камерой электрохимического окисления и камерой дожига топлива и нагрева воздуха. Камера смешения расположена в нижней части корпуса, а камера дожига топлива - в его верхней части.

Пробирки диаметром 10 мм, длиной 210 мм и толщиной 0,4 мм были изготовлены методом традиционной керамической технологии из элекролита состава 0,9ZrO₂ + +0,06Sc₂O₃ + 0,04Y₂O₃. Затем наносили электроды, формировали токопроходы и собирали батарею из элементов с единичной рабочей поверхностью около 63 см². Из пористого пеношамота, высокоглиноземистого кирпича и внешнего корпуса ЭХГ со стартовым нагревателем на поверхности формировали камеру для конвертирования природного газа метана, имеющую полость, заполненную катализатором. Снизу камера ограничена крышкой со штуцерами подвода топлива и конвертируемого газа, сверху - перфорированной пластиной. Сверху перфорированная пластина имеет углубления, в которые устанавливаются закрытые торцы элементов. Открытые торцы пробирок вставлены в отверстия второй пластины, ограничивающей сверху вторую камеру. Выше располагают камеру дожига остаточного топлива, объединенную с камерой теплообмена - нагрева воздуха, идущего на электрохимическое окисление. Эта камера сверху ограничена газовым воздушным коллектором, с которым соединены керамические газоподводящие трубки, входящие внутрь элементов и доходящие до нижнего замкнутого конца. По существу камера дожига располагается вблизи открытых торцов элементов и химдожиг осуществляется в пористой пластине.

Метан и конвертирующий газ (воздух, вода) смешиваются и омывают гранулированный катализатор. Метан конвертируется при 600-700^оС до смеси (Н₂-СО), поток которой, двигаясь снизу вверх, омывает внешние топливные электроды элементов батареи. Из нижнего конца воздухоподводящих трубок воздух, подаваемый побудителем расхода, формируется в поток, идущий внутри элементов от замкнутых торцов, омывая воздушный электрод, вверх к открытым торцам. В процессе параллельного продвижения кислород воздуха ионизируется и через стенку твердого электролита по вакансиям при 800-1000^оС проникает в топливную полость батареи и электрохимически окисляет топливо до воды и углекислого газа. Таким образом, топливо в процессе продвижения вдоль элементов батареи сгорает. Вблизи открытых торцов элементов происходит обычное химическое горение остаточного топлива с выделением тепла. Тепловой поток через стенки воздухоподводящих трубок нагревает поступающий в батарею ВТТЭ воздух. Как и принято в теплообменных аппаратах, для теплообменивающихся газов организован противоток. После передачи высокопотенциального тепла выхлопные газы покидают устройство через канал, образованный трубой корпуса и теплообменной камерой в зоне воздушного коллектора, не изменяя направления.

Формула изобретения

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, включающий корпус, разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смешения топлива, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов в виде пробирок из диоксида циркония с закрытыми концами, направленными к камере смещения, и камеру дожига топлива и нагрева воздуха, отличающийся тем, что, с целью улучшения удельных характеристик и повышения надежности, камера смешения топлива содержит катализатор конверсии топлива, топливные элементы открытыми концами заглублены в перегородку между камерой электрохимического окисления и камерой дожига топлива и нагрева воздуха, камера смешения расположена в нижней части корпуса, а камера дожига топлива расположена в верхней части корпуса.