Система твердооксидного топливного элемента
Изобретение относится к системе твердооксидного топливного элемента и, в частности, к системе подачи газа и воды для газов, подаваемых в блок газовой конверсии топливного элемента. Согласно изобретению система твердооксидного топливного элемента, которой можно управлять, принимая в расчет влияние объема воды, сохраненной в водном резервуаре, и которая полностью обеспечивает себя водой, содержит топливный элемент (21), снабженный блоком (22) конверсии, систему (10) подачи газа и воды для подачи множества видов газов и воды в блок (22) конверсии и водный резервуар (50) для хранения воды. Система (10) подачи газа и воды содержит блок (12) подачи газа для конверсии для подачи газа для конверсии, блок (13) подачи содержащего кислород газа для подачи содержащего кислород газа и блок (14) подачи воды для подачи воды из водного резервуара (50). Также имеется блок (15) управления для управления переключением между блоком (13) подачи содержащего кислород газа и блоком (14) подачи воды или комбинированным использованием обоих блоков (13, 14) подачи на основе сигнала от датчика (51) объема хранящейся воды, который измеряет объем воды, хранящейся в водном резервуаре (50) для выполнения реакции конверсии в блоке (22) конверсии. Техническим результатом является высокая эффективность генерации энергии, повышение производительности топливного элемента. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к системе твердооксидного топливного элемента и, в частности, к системе подачи газа и воды для газов, подаваемых в блок газовой конверсии топливного элемента.
Уровень техники
Топливные элементы известны как устройства, которые преобразуют энергию топлива в электроэнергию. Топливный элемент в общем случае включает в себя пару электродов, расположенных таким образом, чтобы между ними находился электролит. Электрохимическая реакция происходит посредством приведения химически активного газа (топливного газа) водорода в контакт с поверхностью одного из двух электродов и приведения воздуха, содержащего кислород, в контакт с поверхностью другого электрода. Топливный элемент извлекает электроэнергию из промежутка между электродами, используя эту электрохимическую реакцию. В публикации, не прошедшей экспертизу заявки на патент Японии № 2000-40519 (далее - Документ 1), описан способ действия системы топливного элемента, содержащей блок газовой конверсии. Согласно способу, чтобы избежать быстрого увеличения температуры блока газовой конверсии, комбинированно выполняются паровая конверсия и конверсия с неполным окислением, и увеличивается отношение паровой конверсии, которая является эндотермической реакцией, к конверсии с неполным окислением.
Задачи, решаемые настоящим изобретением
Однако в способе действия системы топливного элемента, раскрытом в Документе 1, для выполнения паровой конверсии необходима вода, поскольку конверсия выполняется посредством сочетания паровой конверсии с конверсией с неполным окислением. Поэтому этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что если в блок газовой конверсии не может подаваться вода, то система топливного элемента должна быть остановлена.
В основном в системе топливного элемента, которая выполняет паровую конверсию, трудно реализовать независимость от подачи воды (то есть обеспечить всю воду, требуемую для топливного элемента, с использованием конденсированной воды). В соответствии с этим необходимо обеспечить линию подачи внешней компенсирующей воды. Даже если может быть реализована независимость от подачи воды, возникает также проблема обеспечения средства генерации конденсированной воды, что обязательно приводит к увеличению стоимости. Кроме того, когда имеется нехватка воды, система должна быть остановлена. Система подачи воды может быть заморожена под действием окружающей температуры. Объем конденсированной воды уменьшается. Потребление электроэнергии увеличивается при использовании нагревателя для предотвращения замораживания.
Настоящее изобретение было разработано для решения вышеупомянутых проблем. Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении системы твердооксидного топливного элемента, в которой может быть выполнено управление с учетом эффекта объема хранящейся воды водного резервуара и может быть реализована полная независимость от подачи воды.
Средство решения проблемы
(1) Система твердооксидного топливного элемента согласно п.1 формулы изобретения содержит топливный элемент, снабженный блоком газовой конверсии; водный резервуар для хранения воды и систему подачи газа и воды для подачи множества видов газов и воды в блок газовой конверсии. Система подачи газа и воды содержит средство подачи газа для конверсии для подачи газа для конверсии в блок газовой конверсии; средство подачи содержащего кислород газа для подачи содержащего кислород газа в блок газовой конверсии; средство подачи воды для подачи воды или пара из водного резервуара в блок газовой конверсии и средство управления для управления переключением между средством подачи содержащего кислород газа и средством подачи воды или одновременным комбинированным использованием обоих средств подачи на основе сигнала от датчика объема хранящейся воды, который измеряет объем воды, хранящейся в водном резервуаре, для выполнения реакции конверсии газа с использованием содержащего кислород газа и/или воды в блоке газовой конверсии.
(2) В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.2 формулы изобретения, основанному на п.1 формулы изобретения, водный резервуар хранит воду, сконденсированную посредством утилизации тепла выхлопного газа топливного элемента.
(3) В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.3 формулы изобретения водный резервуар хранит воду, подаваемую из внешнего источника воды.
(4) В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.4 формулы изобретения, основанному на п.1 формулы изобретения, средство управления останавливает средство подачи воды и осуществляет переключение со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа, чтобы выполнить реакцию конверсии, если средство управления на основе сигнала от датчика объема хранящейся воды определяет, что объем воды в водном резервуаре ниже заданного значения.
(5) Система твердооксидного топливного элемента согласно п.5 формулы изобретения, основанному на п.1 формулы изобретения, дополнительно содержит датчик генерируемой мощности для измерения электрической мощности, генерируемой топливным элементом. Средство управления осуществляет переключение со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа, если средство управления на основе сигнала от датчика генерируемой мощности определяет, что генерируемая электрическая мощность ниже заданного значения.
(6) Система твердооксидного топливного элемента согласно п.6 формулы изобретения, основанному на п.1 формулы изобретения, дополнительно содержит датчик температуры ячейки для измерения температуры топливного элемента. Средство управления осуществляет переключение со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа, если средство управления на основе сигнала от датчика температуры ячейки определяет, что температура ниже заданного значения.
(7) Система твердооксидного топливного элемента согласно п.7 формулы изобретения, основанному на п.1 формулы изобретения, дополнительно содержит датчик окружающей температуры для измерения температуры вне упомянутой системы твердооксидного топливного элемента. Средство управления осуществляет переключение со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа, если средство управления на основе сигнала от датчика окружающей температуры определяет, что температура ниже заданного значения.
(8) В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.8 формулы изобретения, основанному на п.п.1-7 формулы изобретения, средство управления осуществляет переключение между средством подачи воды и средством подачи содержащего кислород газа после того, как оба средства подачи работали одновременно в течение заданного промежутка времени.
Эффект изобретения
В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.1 формулы изобретения средство подачи воды и средство подачи содержащего кислород газа соединены с блоком газовой конверсии параллельно, и вода может подаваться из водного резервуара, хранящего воду, к средству подачи воды. Средство подачи воды может подавать в блок газовой конверсии воду без дополнительной обработки или заранее подготовленный пар. Кроме того, средство управления для управления газом, подаваемым от средства подачи воды и средства подачи содержащего кислород газа в блок газовой конверсии, может осуществлять переключение между средством подачи воды и средством подачи содержащего кислород газа на основе сигнала от датчика объема хранящейся воды водного резервуара.
В соответствии с этим, когда объем воды, хранящейся в водном резервуаре, является достаточным, паровая конверсия может быть выполнена посредством подачи воды только от средства подачи воды в блок газовой конверсии.
Напротив, если не хватает воды, хранящейся в водном резервуаре, то может выполняться конверсия с неполным окислением посредством остановки средства подачи воды и переключения на средство подачи содержащего кислород газа. Таким образом, процесс может продолжаться без остановки блока газовой конверсии и всей системы.
Кроме того, посредством комбинированного использования как средства подачи воды, так и средства подачи содержащего кислород газа, может постоянно выполняться устойчивая реакция конверсии, пока компенсируется изменение количества воды, подаваемой из водного резервуара.
В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.2 формулы изобретения водный резервуар может хранить конденсированную воду, полученную с помощью утилизации тепла выхлопного газа топливного элемента. В этом случае конденсированная вода может эффективно использоваться без выброса воды. Количество подаваемой конденсированной воды изменяется, причем, когда объем воды, хранящейся в водном резервуаре, является достаточным, паровая конверсия может выполняться посредством подачи воды или пара только от средства подачи воды в блок газовой конверсии.
Напротив, когда объем конденсированной воды уменьшается и имеется нехватка воды, хранящейся в водном резервуаре, может выполняться конверсия с неполным окислением посредством остановки средства подачи воды и переключения на средство подачи содержащего кислород газа. Кроме того, когда объем хранящейся воды восстановлен, процесс может быть переключен обратно на паровую конверсию. Поэтому процесс может продолжаться без остановки блока газовой конверсии и всей системы. Таким образом, нет необходимости подачи компенсирующей воды извне, и может быть установлена полностью независимая от подачи воды система.
В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.3 формулы изобретения водный резервуар может хранить воду, подаваемую из внешнего источника воды. В этом случае, когда система топливного элемента используется в областях, где может быть обеспечен внешний источник воды (области, в которых предусмотрена инфраструктура водоснабжения, такая как водопроводная станция), достаточное количество сохраненной воды может быть получено в обычном состоянии. В соответствии с этим может выполняться паровая конверсия посредством подачи воды или пара только от средства подачи воды в блок газовой конверсии.
Напротив, даже в областях, где может быть обеспечен внешний источник воды, например, когда имеется нехватка воды, хранящейся в водном резервуаре, из-за остановки подачи воды вследствие аварийной ситуации, инженерных работ и т.п., может выполняться конверсия с неполным окислением посредством остановки средства подачи воды и переключения на средство подачи содержащего кислород газа. Кроме того, когда остановка подачи воды заканчивается, процесс может быть снова переключен на паровую конверсию. В соответствии с этим процесс может продолжаться без остановки блока газовой конверсии и всей системы.
Кроме того, без дополнительной обработки может быть обеспечена система топливного элемента, которая может использоваться в областях, где не предусмотрена инфраструктура водоснабжения, например в удаленных сельских местностях и в пустынях. Кроме того, например, даже когда система топливного элемента, которая использовалась в области, где предусмотрена инфраструктура водоснабжения (в которой выполнялась паровая конверсия), должна быть перемещена в область, где такая инфраструктура водоснабжения не предусмотрена, эта система может использоваться без дополнительной обработки.
Кроме того, даже когда качество воды (такой как водопроводная вода или вода из скважины), подаваемой из внешнего источника воды, уменьшается, может выполняться конверсия с неполным окислением. Таким образом, например, может быть предотвращена серьезная порча топливного элемента. Такое уменьшение качества воды может быть определено посредством датчика, и на основе определения может выполняться конверсия с неполным окислением.
Кроме того, даже когда труба подачи воды, соединенная с водным резервуаром, или труба подачи воды в средстве подачи воды заморожена, может выполняться конверсия с неполным окислением посредством остановки средства подачи воды и переключения на средство подачи содержащего кислород газа. Когда труба водоснабжения разморожена, процесс может быть переключен обратно на паровую конверсию. В соответствии с этим процесс может продолжаться без остановки блока газовой конверсии и всей системы.
В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.4 формулы изобретения, поскольку объем воды, хранящейся в водном резервуаре, измеряется на основе сигнала от датчика объема хранящейся воды, переключение между паровой конверсией и конверсией с неполным окислением может выполняться более точно и более быстро.
В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.5 формулы изобретения, когда количество генерируемой мощности уменьшается до заданного значения или ниже, производительность топливного элемента уменьшается. В соответствии с этим в таком случае выполняется конверсия с неполным окислением, которая является экзотермической реакцией, а не паровая конверсия, которая является эндотермической реакцией, с тем чтобы температура топливного элемента, смежного с блоком газовой конверсии, не уменьшалась или увеличивалась до подходящей температуры. Таким образом, может быть увеличена эффективность реакции генерирования энергии.
В системе твердооксидного топливного элемента согласно п.6 формулы изобретения, когда уменьшается температура топливного элемента, уменьшается производительность топливного элемента. В соответствии с этим в таком случае выполняется конверсия с неполным окислением, которая является экзотермической реакцией, а не паровая конверсия, которая является эндотермической реакцией, с тем чтобы температура топливного элемента, смежного с блоком газовой конверсии, не уменьшалась или увеличивалась до подходящей температуры. Таким образом, может быть увеличена эффективность реакции генерирования энергии.
В системе твердооксидного топливного элемента по п.7 формулы изобретения, когда зимой, ночью и т.п. окружающая температура уменьшается и вода не может подаваться, например, из-за замораживания трубы с водой или трубы для подачи воды, выполняется конверсия с неполным окислением, а не паровая конверсия, посредством переключения со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа. Таким образом, устраняется проблема невозможности паровой конверсии из-за замораживания воды. Кроме того, когда температура топливного элемента уменьшается под действием окружающей температуры, также полезно, чтобы выполнялась конверсия с неполным окислением, которая является экзотермической реакцией.
В системе твердооксидного топливного элемента по п.8 формулы изобретения, когда выполняется переключение между средством подачи содержащего кислород газа и средством подачи воды, неблагоприятное влияние на топливный элемент из-за быстрого изменения может быть предотвращено посредством одновременной работы обоих средств подачи в течение заданного промежутка времени. В соответствии с этим реакция конверсии может быть переключена постепенно.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блок-схема, схематично иллюстрирующая структуру системы топливного элемента в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
Фиг.2 - блок-схема, схематично иллюстрирующая другую структуру системы топливного элемента в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1 - система топливного элемента
10 - система подачи газа и воды
12 - средство подачи газа для конверсии
13 - средство подачи содержащего кислород газа
14 - средство подачи воды
15 - средство управления подачей газа
21 - топливный элемент
22 - блок газовой конверсии
50 - водный резервуар
51 - датчик объема хранящейся воды
Наилучший вариант осуществления изобретения
Фиг.1 является упрощенной блок-схемой, иллюстрирующей систему 1 твердооксидного топливного элемента согласно варианту воплощения настоящего изобретения. Корпус 20 топливного элемента включает в себя топливный элемент 21, который является сборкой из ячеек, каждая из которых сформирована посредством вставки электролита между парой электродов. Блок 22 газовой конверсии, включающий в себя катализатор для конверсии, расположен смежно с топливным элементом 21. В соответствии с этим теплота, вырабатываемая реакцией генерации энергии топливного элемента 21, и теплота сгорания лишнего газа могут использоваться для реакции конверсии в блоке 22 газовой конверсии.
Обеспечена система 10 подачи газа и воды, которая подает газы различных типов и воду в корпус 20 топливного элемента. Каждый из газов или вода подаются соответствующей подводящей трубой, соединенной с корпусом 20 топливного элемента. Средство 11 подачи воздуха подает в топливный элемент 21 воздух, содержащий кислород. Кроме того, в топливный элемент 21 подается обогащенный водородом топливный газ, подвергнутый конверсии в блоке 22 газовой конверсии. В результате этого происходит реакция генерации энергии и выводится выхлопной газ с высокой температурой.
Система 10 подачи газа и воды дополнительно включает в себя несколько средств 12-14 подачи, которые подают в блок 22 газовой конверсии газы различных типов и воду. Средство 12 подачи газа для конверсии подает газ для конверсии, используемый в реакции конверсии. В качестве этого газа для конверсии может использоваться не только первоначально газообразное вещество, такое как бытовой газ или пропан, но также и вещества, полученные посредством испарения жидкого топлива, такого как керосин или бензин. Средство 13 подачи содержащего кислород газа подает газ, содержащий кислород, такой как воздух. Средство 14 подачи воды подает воду или пар. Когда средство 14 подачи воды подает пар, средство 14 подачи воды включает в себя испаритель 14a. Теперь будет дано описание варианта воплощения, в котором средство 14 подачи воды подает воду в блок 22 газовой конверсии без дополнительной обработки. Однако когда средство 14 подачи воды подает пар, управление может выполняться аналогично.
Вода, подаваемая от средства 14 подачи воды в блок 22 газовой конверсии, необходима для паровой конверсии (CH4+H2→3H2+CO). С другой стороны, содержащий кислород газ, подаваемый от средства 13 подачи содержащего кислород газа в блок 22 газовой конверсии, необходим для конверсии с неполным окислением (CH4+O2→2H2+CO2).
Подача воды в блок 22 газовой конверсии может быть разрешена или остановлена, например, посредством приведения в действие или остановки подающего насоса, предусмотренного в средстве 14 подачи воды, или открывания или закрывания соответствующего клапана. Подача содержащего кислород газа в блок 22 газовой конверсии может быть разрешена или остановлена, например, посредством приведения в действие или остановки подающего насоса, предусмотренного в средстве 13 подачи содержащего кислород газа, или открывания или закрывания соответствующего клапана. Кроме того, приведением в действие и остановкой каждого из подающих насосов или открыванием или закрыванием каждого из клапанов можно управлять, например, посредством электрических управляющих сигналов C1 и C2, выдаваемых средством 15 управления подачи газа, включающим в себя устройство управления системы 10 подачи газа и воды. В соответствии с этим вода и/или содержащий кислород газ могут выборочно подаваться в блок 22 газовой конверсии.
Кроме того, имеется средство 40 утилизации тепла выхлопного газа для утилизации конденсированной воды из выхлопного газа, выводимого из топливного элемента 21. Конденсированную воду, образующуюся в средстве 40 утилизации тепла выхлопного газа, отправляют в водный резервуар 50 и сохраняют в нем. Конденсированная вода подается как вода, используемая для паровой конверсии, в блок 22 газовой конверсии через средство 14 подачи воды.
В водном резервуаре 50 предусмотрен датчик 51 объема хранящейся воды, который измеряет объем сохраненной конденсированной воды. Датчик 51 объема хранящейся воды представляет собой датчик, например, поплавковый переключатель, который переключается между состояниями "включен" и "выключен" в соответствии с заданным объемом воды, хранящейся в водном резервуаре 50. Заданный объем хранящейся воды установлен заранее. Когда датчик 51 объема хранящейся воды определяет заданный объем хранящейся воды, датчик 51 объема хранящейся воды передает сигнал определения средству 15 управления подачей газа.
Теперь будет описана работа системы. При обычной работе топливного элемента процесс паровой конверсии выполняется посредством остановки подачи содержащего кислород газа от средства 13 подачи содержащего кислород газа в блок 22 газовой конверсии и посредством подачи воды в средство 14 подачи воды. Так делается потому, что паровая конверсия может достигнуть более высокой эффективности генерации энергии, и, таким образом, потеря является низкой. Посредством выполнения паровой конверсии потребляется конденсированная вода в водном резервуаре 50, в то время как конденсированная вода образуется в средстве 40 утилизации тепла выхлопного газа и сохраняется в водном резервуаре 50.
Объем конденсированной воды, сохраненной в водном резервуаре, может уменьшиться по некоторым причинам (описанным ниже), и уровень воды в водном резервуаре может стать равным заданному значению или ниже него. В таком случае переключатель датчика 51 объема хранящейся воды включается, и сигнал определения передается средству 15 управления подачей газа (стрелка S1). В результате этого средство 15 управления подачей газа определяет, что сохраненный объем конденсированной воды является малым. Тогда средство 15 управления подачей газа останавливает работу средства 14 подачи воды и начинает работу средства 13 подачи содержащего кислород газа (стрелки C1 и C2). В результате процесс переключается с паровой конверсии на конверсию с неполным окислением.
В случае, когда быстрое изменение в подаче газа неблагоприятно влияет на топливный элемент 21, средство 13 подачи газа и средство 14 подачи воды работают одновременно в течение заданного промежутка времени, и затем процесс постепенно переключается на реакцию конверсии с неполным окислением. В качестве альтернативы - отношение паровой конверсии к конверсии с неполным окислением может быть постепенно уменьшено, и отношение конверсии с неполным окислением к паровой конверсии может быть постепенно увеличено. Во время конверсии с неполным окислением конденсированная вода в водном резервуаре 50 не используется, и конденсированная вода генерируется в средстве 40 утилизации тепла выхлопного газа. В соответствии с этим объем конденсированной воды в водном резервуаре 50 увеличивается.
Когда объем воды, хранящейся в водном резервуаре 50, достигает высокого уровня, превышающего заданное значение, переключатель датчика 51 объема хранящейся воды включается, и сигнал определения передается средству 15 управления подачей газа (стрелка S1). В результате этого средство 15 управления подачей газа 15 определяет, что сохраненный объем конденсированной воды увеличился. Тогда средство 15 управления подачей газа останавливает работу средства 13 подачи содержащего кислород газа и начинает работу средства 14 подачи воды 14 (стрелки C1 и C2). В результате процесс переключается с конверсии с неполным окислением на паровую конверсию.
В случае, когда быстрое изменение в подаче газа неблагоприятно влияет на топливный элемент 21, средство 13 подачи газа и средство 14 подачи воды работают одновременно в течение заданного промежутка времени, и затем процесс постепенно переключается на реакцию паровой конверсии. В качестве альтернативы отношение паровой конверсии к конверсии с неполным окислением может быть постепенно увеличено, и отношение конверсии с неполным окислением к паровой конверсии может быть постепенно уменьшено.
Кроме того, когда количество генерируемой мощности уменьшается до заданного отношения или становится меньше номинального значения, например 40% или менее, температура топливного элемента 21, смежного с блоком 22 газовой конверсии, уменьшается до 650°C, поскольку паровая конверсия является эндотермической реакцией. В результате этого производительность ячейки дополнительно ухудшается. Чтобы предотвратить это явление, измеряется количество генерируемой мощности топливного элемента 21 или температура топливного элемента 21, и останавливается работа средства 14 подачи воды, в то время как начинается работа средства 13 подачи содержащего кислород газа, чтобы переключиться с паровой конверсии на конверсию с неполным окислением. Количество генерируемой энергии топливного элемента 21 измеряется, например, посредством измерительного устройства 31 генерируемой мощности, и сигнал измерения передается средству 15 управления подачей газа (стрелка S2). Температура топливного элемента 21 измеряется, например, посредством датчика 23 температуры топливного элемента, такого как термопара, и сигнал измерения передается средству 15 управления подачей газа (стрелка S3).
Поскольку конверсия с неполным окислением является экзотермической реакцией, реакция генерации энергии может выполняться без уменьшения температуры топливного элемента 21, смежного с блоком 22 газовой конверсии. В случае, когда быстрое изменение неблагоприятно влияет на топливный элемент 21, средство 13 подачи газа и средство 14 подачи воды работают одновременно в течение заданного промежутка времени, и затем процесс постепенно переключается на реакцию конверсии с неполным окислением. В качестве альтернативы - отношение паровой конверсии к конверсии с неполным окислением может быть постепенно уменьшено, и отношение конверсии с неполным окислением к паровой конверсии может быть постепенно увеличено. Когда температура топливного элемента 21 возвращается, например, к значению 700°C, процесс переключается обратно на паровую конверсию.
Кроме того, когда окружающая температура уменьшается, температура измеряется, например, с помощью температурного датчика 70, такого как термистор, и сигнал измерения передается средству 15 управления подачей газа 15 (стрелка S4). В ответ на этот сигнал средство 15 управления подачей газа останавливает работу средства 14 подачи воды и начинает работу средства 13 подачи содержащего кислород газа. В результате процесс переключается с паровой конверсии на конверсию с неполным окислением. Тем самым проблема невозможности паровой конверсии из-за замораживания воды устраняется. Кроме того, когда рабочая температура топливного элемента 21 уменьшается посредством окружающей температуры, выполняется тот же самый процесс. В случае, когда быстрое изменение неблагоприятно влияет на топливный элемент 21, средство 13 подачи газа и средство 14 подачи воды работают одновременно в течение заданного промежутка времени, и затем процесс постепенно переключается на реакцию конверсии с неполным окислением. В качестве альтернативы - отношение паровой конверсии к конверсии с неполным окислением может быть постепенно уменьшено, и отношение конверсии с неполным окислением к паровой конверсии может быть постепенно увеличено. Когда окружающая температура топливного элемента 21 возвращается, например, к значению 4°C или выше, тогда процесс переключается обратно на паровую конверсию. Такое управление также может выполняться посредством измерения, например, температуры водного резервуара 50 вместо окружающей температуры.
В случае, когда быстрое изменение в подаче газа неблагоприятно влияет на топливный элемент 21, средство 13 подачи газа и средство 14 подачи воды работают одновременно в течение заданного промежутка времени, и затем процесс постепенно переключается на реакцию конверсии с неполным окислением. В качестве альтернативы - отношение паровой конверсии к конверсии с неполным окислением может быть постепенно уменьшено, и отношение конверсии с неполным окислением к паровой конверсии может быть постепенно увеличено. В специфическом способе управления выполнением этого процесса на основе значения, измеренного с помощью средства измерения температуры, предусмотренного в блоке газовой конверсии, когда измеренное значение выше заданного температурного диапазона (например, от 500 до 700°C), количество подаваемого содержащего кислород газа уменьшается, а количество подаваемой воды увеличивается. С другой стороны, когда измеренное значение ниже заданного температурного диапазона, количество подаваемого содержащего кислород газа увеличивается, а количество подаваемой воды уменьшается. Количество подаваемого содержащего кислород газа и количество подаваемой воды определяются таким образом, чтобы они находились в пределах диапазона, в котором не происходит неблагоприятный эффект, такой как осаждение углерода.
В частности, в блоке газовой конверсии предусматривается средство измерения температуры, такое как термопара, и когда выполняется реакция конверсии посредством остановки средства подачи воды и приведения в действие средства подачи содержащего кислород газа, количеством подаваемого содержащего кислород газа и количеством подаваемой воды предпочтительно управляют таким образом, чтобы значение, измеренное с помощью средства измерения температуры, не выходило из заданного диапазона.
Когда процесс переключается между средством подачи содержащего кислород газа и средством подачи воды, при некоторых температурных условиях блока газовой конверсии легко возникает неблагоприятный эффект, такой как осаждение углерода. Однако посредством обеспечения средства измерения температуры в блоке газовой конверсии и выполнения реакции конверсии, в то время как количеством содержащего кислород газа и количеством подаваемой воды управляют таким образом, чтобы измеренное значение находилось в пределах заданного температурного диапазона, процесс конверсии может переключаться безопасно без нанесения ущерба.
Система топливного элемента согласно настоящему изобретению предпочтительно имеет производительность генерирования энергии, например, в диапазоне от 0,5 до 1,5 кВт для домашнего использования и предпочтительно используется как компактный распределенный источник электропитания.
В варианте воплощения, показанном на фиг.1, было сделано описание случая, в котором водный резервуар хранит воду, конденсированную посредством утилизации тепла выхлопного газа топливного элемента. Фиг.2 является блок-схемой, иллюстрирующей другой вариант воплощения настоящего изобретения. В варианте воплощения, показанном на фиг.2, водный резервуар 50 хранит воду, подаваемую от внешнего источника 60 воды. Другие конструкции являются такими же, как в варианте воплощения, показанном на фиг.1. Внешний источник 60 воды, например, является таким приспособлением, которое обеспечивает водопроводной водой или водой из скважины, и вода подается в водный резервуар 50 посредством соединения соответствующего трубопровода. Эта конструкция может обеспечить систему топливного элемента, которая может использоваться, например, в тех областях, где предусмотрена инфраструктура водоснабжения (такая как водопровод), а также в тех областях, где такая инфраструктура водоснабжения не предусмотрена, например в удаленных сельских местностях и пустынях. Кроме того, даже когда подача воды остановлена из-за стихийного бедствия и т.п., система топливного элемента может продолжать работать без остановки, и, таким образом, электропитание может быть надежно обеспечено в случае чрезвычайной ситуации, такой как стихийное бедствие. Кроме того, даже когда вода не может подаваться в водный резервуар 50 из-за замерзания воды в трубопроводе и т.п., система топливного элемента может продолжать работать без остановки.
Кроме того, хотя это не показано на чертежах, также может использоваться система, полученная посредством сочетания варианта воплощения, показанного на фиг.1, с вариантом воплощения, показанным на фиг.2. В частности, водный резервуар может хранить как воду, конденсированную посредством утилизации тепла выхлопного газа, так и воду, подаваемую из внешнего источника воды. В таком случае водный резервуар соединяется со средством утилизации тепла выхлопного газа, как показано на фиг.1, и также соединяется с внешним источником воды, как показано на фиг.2. Также могут быть предусмотрены соответствующий клапан, который может выбирать и переключать, какая вода должна быть сохранена, и средство для управления клапаном. В такой системе, когда уровень воды в водном резервуаре, хранящем конденсированную воду, по некоторым причинам уменьшается до заданного уровня или ниже, поплавковый переключатель включается, и вода подается в водный резервуар из внешнего источника воды. Кроме того, когда по некоторым причинам вода не может подаваться из внешнего источника воды (например, водопроводная вода) и уровень воды уменьшается до заданного уровня или ниже, поплавковый переключатель включается, и может выполняться конверсия с неполным окислением.
1. Система твердооксидного топливного элемента, содержащая: топливный элемент, снабженный блоком газовой конверсии, водный резервуар для хранения воды и
систему подачи газа и воды для подачи множества видов газов и воды в блок газовой конверсии, при этом система подачи газа и воды содержит средство подачи газа для конверсии для подачи газа для конверсии в блок газовой конверсии,
средство подачи содержащего кислород газа для подачи содержащего кислород газа в блок газовой конверсии,
средство подачи воды для подачи воды или пара из водного резервуара в блок газовой конверсии и
средство управления для управления переключением между средством подачи содержащего кислород газа и средством подачи воды или одновременным комбинированным использованием обоих средств подачи на основе сигнала от датчика объема хранящейся воды, который измеряет объем воды, хранящейся в водном резервуаре, для выполнения реакции конверсии газа с использованием содержащего кислород газа и/или воды в блоке газовой конверсии.
2. Система по п.1, в которой водный резервуар хранит воду, сконденсированную посредством утилизации тепла выхлопного газа топливного элемента.
3. Система по п.1, в которой водный резервуар хранит воду, подаваемую из внешнего источника воды.
4. Система по п.1, в которой средство управления выполнено с возможностью остановки средства подачи воды и переключения со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа, чтобы выполнить реакцию конверсии, если средство управления на основе сигнала от датчика объема хранящейся воды определяет, что объем воды в упомянутом водном резервуаре ниже заданного значения.
5. Система по п.1, дополнительно содержащая датчик генерируемой мощности для измерения электрической мощности, генерируемой топливным элементом, причем средство управления выполнено с возможностью переключения со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа, если средство управления на основе сигнала от датчика генерируемой мощности определяет, что генерируемая электрическая мощность ниже заданного значения.
6. Система по п.1, дополнительно содержащая датчик температуры ячейки для измерения температуры топливного элемента, причем средство управления выполнено с возможностью переключения со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа, если средство управления на основе сигнала от датчика температуры ячейки определяет, что температура ниже заданного значения.
7. Система по п.1, дополнительно содержащая датчик окружающей температуры для измерения температуры вне системы твердооксидного топливного элемента, причем средство управления выполнено с возможностью переключения со средства подачи воды на средство подачи содержащего кислород газа, если средство управления на основе сигнала от датчика окружающей температуры определяет, что температура ниже заданного значения.
8. Система по любому из пп.1-7, в которой средство управления выполнено с возможностью переключения между средством подачи воды и средством подачи содержащего кислород газа после того, как оба средства подачи работали одновременно в течение заданного промежутка времени.
