Электрохимический генератор

 

Изобретение относится к источникам электрической энергии, выполненным на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов, имеющих форму пробирки. Согласно изобретению камера дожига топливной смеси, отходящей из генераторной камеры, размещена внутри конвертора. Для организации равномерного перемещения прошедшей через конвертор топливной смеси на боковых стенках генераторной камеры выполнены отверстия с различными площадями по высоте. Для лучшего омывания топливной смесью топливных элементов последние расположены в шахматном порядке. Генератор может содержать серопоглотитель, установленный между вводом для свежего газа и соответствующим входом смесителя. В предлагаемом генераторе обеспечивается более эффективная и полноценная конверсия топливной смеси, снижение температурного градиента вдоль топливных элементов и повышение доли топливной смеси, участвующей в электрохическом преобразовании. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрохимическим устройствам, а более конкретно к источникам электрической энергии, выполненным на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов.

Существует целое направление, характеризующееся использованием удлиненных топливных элементов (пробирочной формы) на основе диоксида циркония, стабилизированного иттрием, с наружным топливным электродом и с внутренним воздушным электродом, собранных в батарею и имеющих между собой электрические соединения. Внешняя поверхность элементов омывается топливным газом, а к внутренней поверхности организовано поступление кислородсодержащей смеси.

Известен электрохимический генератор, содержащий корпус, разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смещения топлива, генераторную камеру, камеру дожига топлива и нагрева воздуха, при этом в генераторной камере размещена батарея топливных элементов в виде пробирок из диоксида циркония с закрытыми концами, направленными к камере смешения, расположенной в нижней части корпуса, а открытыми - в камеру дожига топлива, расположенную в верхней части корпуса, при этом камера смешения топлива содержит катализатор конверсии.

В известном генераторе дожиг непрореагировавших газов осуществляется непосредственно над топливными элементами. Это приводит, во-первых, к нерациональному использованию освобождающейся тепловой энергии, во-вторых, к ухудшению градиента температуры вдоль топливных элементов. Кроме того, велика доля топливной смеси, которая проходит через генераторную камеру, не прореагировав. Все это в совокупности снижает КПД устройства.

Известен электрохимический генератор, содержащий генераторную камеру с удлиненными электрохимическими элементами, камеру сгорания (дожига), камеру риформинга (конверсии) топлива с каталитическим материалом, каналы для ввода свежего топлива и воздуха, канал для вывода отработавшего топлива, размещенные в едином теплоизоляционном корпусе, а также смесительную камеру со смесительной насадкой, установленной на входе камеры, объединяющей канал для рециркуляции отработавшего топлива с каналом для ввода свежего топлива. Смесительная камера и смесительная насадка расположены вне основной части электрохимического генератора и отнесены от камеры сгорания и генераторной камеры [2].

Использование отходящего газа из генераторной камеры способствует конверсии метана и получению топливной смеси с высоким содержанием H₂ и CO, что повышает КПД устройства. Кроме того, комбинация вновь поступившего топлива с отработавшим предотвращает образование сажи внутри элементов.

Однако из-за выноса смесительной камеры со смесительной насадкой за пределы теплозащитного корпуса, часть генерируемого тепла расходуется вхолостую.

Известен электрохимический генератор, в котором генераторная камера с удлиненными электрохимическими элементами, камера дожига, камера риформинга (преобразованная топливной смеси), каналы для ввода свежего топлива и воздуха, канал для рециркуляции газообразного отработавшего топлива, а также смесительная камера со смесительной насадкой находятся в едином теплозащитном корпусе [3].

Этот генератор обладает всеми преимуществами, присущими вышеописанному генератору, и использует тепло части непрореагировавших газов для предварительного подогрева топливной смеси, поступающей в камеру риформинга.

Однако, как и во всех вышеперечисленных аналогах в данном генераторе движение топливной смеси происходит снизу вверх, а камера дожига расположена над топливными элементами. Как уже указывалось, это ведет к нерациональному расходованию тепловой энергии и топливной смеси.

Прототипом изобретения выбран электрохимический генератор, содержащий размещенные в теплоизоляционном корпусе генераторную камеру коробчатой формы с батареей топливных элементов в форме пробирок из диоксида циркония с наружным топливным внутренним воздушным электродами, камеру дожига с каналом для вывода продуктов сгорания, конвертор топливной смеси, смеситель, вводы для свежего топлива и воздуха, систему трубопроводов для подачи воздуха внутрь топливных элементов, каналы для распределения топливной смеси и для приема отработанной топливной смеси, при этом открытые концы топливных элементов утоплены в отверстия верхней перегородки и обращены к камере дожига, боковые стенки камеры по всей высоте выполнены с отверстиями, оси которых перпендикулярны оси топливных элементов, конвертор образован каталитическим материалом, распределенным параллельно оси топливных элементов вблизи выходных отверстий на одной из боковых стенок, примыкающей к каналу для распределения топливной смеси, или непосредственно на поверхности топливных элементов, к другой боковой стенке примыкает канал для приема отработанной топливной смеси, а входы смесителя соединены с выходом упомянутого канала и вводом для свежего топлива [4].

В данном устройстве в отличие от вышеописанных движение преобразованной топливной смеси (смеси свежего топлива с частью отработанного) осуществляется преимущественно поперек топливных элементов. Одновременно часть отработавшего топлива проникает через пористую перегородку в камеру дожига над топливными элементами и догорает там, а часть выходит через отверстия другой боковой перегородки в канал для приема отработанной топливной смеси. При таком распространении топливной смеси осуществляется более равномерный температурный градиент, что обеспечивает более выгодные условия работы топливных элементов.

Однако размещение камеры дожига над генераторной камерой ведет к нерациональному использованию тепла, вырабатываемого при дожиге газа, а размещение катализатора непосредственно на перфорированной стенке или на поверхностях топливных элементов делает процесс каталитического преобразования топливной смеси недостаточно эффективным.

Задачей изобретения является создание электрохимического генератора, выполненного на удлиненных топливных элементах на основе оксида циркония, в котором бы наряду с достоинствами прототипа, заключающимися в использовании части отработавшего топлива для электрохимического преобразования и в обеспечении условий для более эффективного взаимодействия реагентов с топливными элементами, обеспечивалась бы также более эффективная и полноценная конверсия топливной смеси. Наряду с этим попутно решается задача дальнейшего выравнивания температурного градиента вдоль оси топливных элементов и увеличения доли топливной смеси, участвующей в электрохимическом преобразовании.

Сущность изобретения заключается в том, что верхняя перегородка генераторной камеры выполнена герметичной. Конвертор топлива выполнен в виде автономного блока с каталитическим материалом. Внутри полости автономного блока размещена камера дожига, соединенная трубопроводом с каналом сбора отходящих газов и сообщающаяся с внутренним объемом камеры, сообщающимся также с внутренними объемами топливных элементов. Вход конвертора соединен с выходом смесителя, а выход - с каналом распределения топливной смеси. Отверстия, выполненные на боковых стенках генераторной камеры, имеют разную площадь по высоте стенки для обеспечения равномерного перемещения топливной смеси внутри генераторной камеры.

Благодаря такому выполнению топливная смесь подвергается более полному каталитическому преобразованию, так как требующееся для конверсии тепло в достаточном количестве присутствует как снаружи, так и в полости конвертора, через который пропускается топливная смесь. За счет выведения камеры дожига из контакта с верхними торцами топливных элементов удалось обеспечить более равномерную температуру топливных элементов по всей длине в процессе работы генератора, что способствует более равномерной удельной мощности по длине топливного элемента. Обеспечение равномерного потока топливной смеси через генераторную камеру влияет на увеличение доли топливной смеси, участвующей в электрохимическом преобразовании.

Кроме того, для более равномерного омывания внешней поверхности топливных элементов, последние расположены в шахматном порядке.

Кроме того, для упрощения выполнения разнокалиберных отверстий, последние выполнены в виде поперечных пазов с возвращающей шириной в направлении нижнего торца генераторной камеры для стенки, примыкающей к каналу распределения топливной смеси, и с уменьшающейся шириной - для стенки, примыкающей к каналу приема отработанной топливной смеси.

Кроме того, с целью увеличения ресурса работы устройства и использования любого магистрального газа путем очистки его от примеси серы, в устройство введен серопоглотитель, установленный между вводом для свежего топлива и соответствующим входом смесителя и размещенный также в теплоизоляционном корпусе поблизости от генераторной камеры, благодаря чему он использует часть ее тепла, вырабатываемого в процессе работы.

На фиг. 1 приведен общий вид заявляемого генератора в разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Электрохимический генератор содержит теплоизоляционный корпус 1 в форме короба, внутри которого размещены генераторная камера 2 с топливными элементами 3, конвертор 4 с гранулированным катализатором 5, канал 6 распределения топливной смеси, канал 7 приема отработанной топливной смеси, смеситель 8, камера дожига 9. Верхняя стенка 10 генераторной камеры 2 выполнена газонепроницаемой и герметично отделяет внутреннюю полость генераторной камеры от верхней части полости генератора, в которой размещена система трубок 11 с распределителем воздуха 12.

В газонепроницаемой стенке 10 выполнены отверстия, в которые утоплены верхние открытые торцы топливных элементов 3 с обеспечением герметичности областей контакта элементов 3 с перегородкой 10. Боковые стенки 13 и 14 генераторной камеры 2 выполнены с отверстиями 15 и 16 по всей высоте топливных элементов 3. Стенка 13 примыкает к каналу 6 равномерного распределения топливной смеси, стенка 14 примыкает к каналу 7 приема отработанной топливной смеси. Для обеспечения равномерного истечения конвертированной топливной смеси через отверстие 15, площадь последних увеличивается по мере продвижения к нижнему концу стенки 13. И наоборот, для обеспечения равномерного приема отработанной топливной смеси из генераторной камеры 2 в канал 7 отверстия 16 в стенке 14 уменьшаются по величине по направлению к нижнему концу стенки. В результате, через каждый участок генераторной камеры 2 проходит примерно одинаковое количество топливной смеси, что увеличивает долю смеси, участвующей в электрическом преобразовании. В предлагаемом варианте устройства отверстия 15 и 16 выполнены в виде поперечных пазов различной ширины в зависимости от места расположения на стенках. Камера дожига 9 выполнена в форме колбы и размещена в нижней части конвертора 4 и снабжена выходным каналом 17, проходящим по оси конвертора. Камера дожига 9 с помощью трубопровода 18 соединена с каналом 7 приема отработанной топливной смеси. В нижней части камеры дожига 9 выполнена кольцевая щель 19, с помощью которой камера 9 сообщается с внутренним объемом генератора, образованным зазором 20 между конвертором 4 и корпусом 1, а также верхней полостью генератора, в которой размещены воздухоподающие трубки 11, сообщающейся с внутренними полостями топливных элементов 3. Смеситель 8 с помощью канала 21 через серопоглотитель 22 или непосредственно связан с входом 23 вновь поступающего газообразного топлива, например, природного газа. Всасывающий вход 24 смесителя 8 сообщается с каналом 7 приема отработанной топливной смеси, а выход смесителя через канал 25 связан с входом 26 конвертора 4. Для ввода воздуха в распределитель 12 служит вход 27. Генераторная камера 2, как и корпус 1, имеет коробчатую форму. Топливные элементы 3 выполнены в форме пробирок из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, на внутреннюю поверхность которых нанесен воздушный электрод, а на наружную - топливный. Токовыводы от внутреннего электрода выполнены в виде платиновых проволочек, выведенных наружу через загерметизированные отверстия в электролите и внешнем электроде. Токовыводы от наружного электрода выполнены в виде кольцеобразных проводников, охватывающих наружный контур пробирки. Соответствующие токовыводы соединяются между собой с помощью скрутки. Такой тип электрического соединения позволяет разместить элементы в генераторной камере в шахматном порядке.

Электрохимический генератор работает следующим образом.

Вновь поступающее газообразное топливо, например, природный газ, поступает через вход 23 непосредственно в смеситель 8 или, при необходимости лучшей очистки его от серосодержащих соединений, в серопоглотитель 22, размещенный в теплозащитном корпусе 1 вблизи одного из боковых торцев. Серопоглотитель 22 основан на хемосорбционно-каталитическом методике очистки газов и требует наличия определенной температуры. Размещение серопоглотителя в корпусе 1 обеспечивает использование тепла, выделяющегося в процессе электрохимического преобразования. Далее газообразное топливо по каналу 21 поступает на вход смесителя 8 и через канал 25 - в конвертор 4. Для обеспечения начала электрохимического преобразования все устройство прогревается снизу специальной горелкой (не показана), которая при достижении температуры возникновения электрохимического преобразования отключается. При этом воздух подается через вход 27, распределитель 12 и трубки 11 внутрь топливных элементов 3, а преобразованная в конверторе 4 топливная смесь через отверстия 15 в перегородке 13 поступает в генераторную камеру 2. Движение топливной смеси осуществляется равномерно в поперечном направлении относительно оси топливных элементов 3 с омыванием наружных электродов. Отработанная газообразная топливная смесь через отверстия 16 в перегородке 14 поступает в канал 7, а из канала 7 часть ее поступает в смеситель 8, а остальная часть - по каналу 18 направляется в камеру дожига 9. По каналу 25 протекает смесь вновь поступающего топлива и отработанной топливной смеси в требуемом соотношении, что способствует лучшей конверсии топлива. Кольцевая щель 19, выполненная в камере дожига 9, обеспечивает поступление обедненного по кислороду воздуха из внутренних полостей топливных элементов 3 через внутренний объем генератора. При дожигании отработавших реагентов выделяется тепло, которое передается катализатору 15, выполненному в виде гранул, и улучшает условия конверсии топливной смеси.

Из камеры дожига 9 продукты сгорания через канал 17 выводятся наружу. Оставшееся тепло может быть использовано для подогрева воздуха, вводимого внутрь генератора, с помощью теплообменника (не показан).

Топливные элементы 3 в процессе работы генератора находятся в более равномерном температурном поле, так как камера дожига отнесена от генераторной камеры.

Таким образом, благодаря организации дожига отработавших газореагентов внутри конвертора удалось более рационально использовать выделяющуюся тепловую энергию.

Одновременно с этим, выравнивание температурного поля вдоль длины топливных элементов способствует более полному электрохимическому преобразованию, а создание равномерного потока топливной смеси через генераторную камеру способствует и уменьшению доли отходящего непрореагировавшего газа. Этому же помогает размещение элементов в шахматном порядке за счет более полного омывания элементов топливной смесью.

Все то, в целом, способствует повышению КПД генератора.

Источники информации 1. Патент РФ N 2027258, кл. H 01 M 8/12, 1990.

2. Заявка ЕПВ N 0468698, кл. H 01 M 8/06, 1991.

3. Заявка ЕПВ N 0468695, кл. H 01 M 8/06, 1991.

4. Патент США N 4983471, кл. H 01 M 8/06, 1991.

Формула изобретения

1. Электрохимический генератор, содержащий генераторную камеру коробчатой формы с батареей топливных элементов в форме пробирок из диоксида циркония с наружным топливным и внутренним воздушным электродами, смеситель, конвертор топливной смеси, камеру дожига с каналом для вывода продуктов сгорания, каналы для распределения топливной смеси и для приема отработанной топливной смеси, ввод для свежего топлива, и систему трубопроводов для подачи воздуха внутрь топливных элементов, при этом верхняя перегородка генераторной камеры выполнена с отверстиями, в которые утоплены открытые концы топливных элементов, а обе боковые стенки по всей высоте выполнены с отверстиями, оси которых перпендикулярны оси топливных элементов, к одной из боковых стенок примыкает канал приема отработанной топливной смеси, а к другой - канал для распределения топливной смеси, входы смесителя, размещенного непосредственно под генераторной камерой, соединены с выходом канала для приема отработанной топливной смеси и вводом для свежего топлива, отличающийся тем, что верхняя перегородка генераторной камеры выполнена герметичной, а выход смесителя соединен с входом конвертора, выполненного в виде автономного блока с каталитическим материалом и размещенного вблизи другой боковой стенки, выход конвертора соединен с каналом для распределения топливной смеси, при этом камера дожига размещена внутри конвертора и соединена с выходом канала для приема отработанных газов и с внутренним объемом полости генератора, сообщающимся с внутренними объемами топливных элементов, а отверстия на боковых стенках генераторной камеры выполнены с различными площадями по высоте стенки для обеспечения равномерного перемещения топливной смеси внутри генераторной камеры.

2. Электрохимический генератор по п. 1, отличающийся тем, что топливные элементы расположены в шахматном порядке.

3. Электрохимический генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что отверстия в боковых стенках генераторной камеры выполнены в виде поперечных пазов с возрастающей шириной в направлении нижнего торца генераторной камеры для стенки, примыкающей к каналу распределения топливной смеси, и с уменьшающейся шириной - для стенки, примыкающей к каналу приема отработанной топливной смеси.

4. Электрохимический генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен серопоглотителем, установленным между вводом для свежего топлива и соответствующим входом смесителя и размещенным в теплоизоляционном корпусе рядом с каналом приема отработанной топливной смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2