Теплообменник для системы топливных элементов и способ работы системы топливных элементов
Группа изобретений относится к теплообменнику (1) для системы (100) топливных элементов, в частности, работающей на жидком топливе, к применению такого теплообменника (1) и системы (100) топливных элементов, к способу их работы. Через теплообменник (1) может передаваться термическая энергия между трубопроводом (3) отработанного газа системы и трубопроводом (4) подачи на анод указанной системы (100) топливных элементов, имеющего область (5) испарения, область (6) перегрева и область (7) риформинга, которые соединены по потоку друг с другом, при этом теплопередающие элементы (2) по меньшей мере частично включают в себя каталитический материал на той стороне, через которую предусмотрена возможность протекания отработанного газа системы. Техническим результатом является эффективная работа системы топливных элементов при наименьшем возможном количестве компонентов. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение касается теплообменника для системы топливных элементов, в частности, работающей на жидком топливе системы твердоокисных топливных элементов SOFC (англ. solid oxide fuel cell, твердоокисный топливный элемент), имеющего несколько теплопередающих элементов, причем через этот теплообменник может передаваться термическая энергия между трубопроводом отработанного газа системы и трубопроводом подачи на анод указанной системы топливных элементов, имеющего область испарения, область перегрева и область риформинга, которые гидравлически соединены друг с другом.
Также изобретение касается применения такого теплообменника.
Кроме того, изобретение касается системы топливных элементов, в частности системы SOFC, имеющей такой теплообменник, включающей в себя батарею топливных элементов, имеющую анодный участок и катодный участок.
Далее, изобретение касается способа работы системы топливных элементов, в частности системы SOFC.
Теплообменники для систем топливных элементов известны из уровня техники. Они располагаются в системе топливных элементов в различных местах, например, в трубопроводе подачи на анод. По трубопроводу подачи на анод топливо направляется к анодному участку системы топливных элементов. При применении жидкого топлива, такого как, например, дизельное топливо или этанол, оно должно предварительно испаряться и преобразовываться, так чтобы создавался необходимый для реакции в батарее топливных элементов синтез-газ или насыщенный водородом газ. Чтобы можно было создавать необходимые для этого температуры, известно применение нескольких теплообменников, через которые тепло от отработанного газа системы может передаваться к топливу.
В частности, при применении системы топливных элементов в транспортном средстве целью является по возможности снизить количество ее компонентов. Следовательно, в известных из уровня техники решениях делаются попытки объединить отдельные компоненты в один общий компонент.
Например, из DE 10 2011 088 566 A1 известно связывание устройство риформинга системы топливных элементов по меньшей мере теплопередачей с обогревательной рубашкой. Такое устройство риформинга выполнено для проведения частичной каталитической реакции, из-за чего оно включает в себя также смесительную камеру для подмешивания воздуха. Таким образом, с помощью такой системы топливных элементов цель уменьшения количества компонентов при одновременном уменьшении размера компонентов и эффективной работы системы топливных элементов не достигнута.
Здесь применяется это изобретение. Задачей изобретения является предложить теплообменник вышеназванного вида, с помощью которого система топливных элементов может эффективно работать при наименьшем возможном количестве компонентов.
Также целью является предложить применение такого теплообменника.
Далее, целью является предложить улучшенную систему топливных элементов.
Другой целью является предложить способ вышеназванного вида, с помощью которого система топливных элементов может работать при малом количестве компонентов и эффективно.
Задача в соответствии с изобретением решается таким образом, что теплопередающие элементы теплообменника вышеназванного вида по меньшей мере частично включают в себя каталитический материал.
Достигнутое при этом преимущество видится, в частности, в том, что благодаря интегральному исполнению испарителя, перегревателя и устройства риформинга в качестве предлагаемого изобретением теплообменника в комбинации с каталитическим материалом необходим только один единственный элемент, который объединяет три названных элемента. Помимо этого, в предлагаемом изобретением теплообменнике можно перерабатывать жидкое топливо непосредственно внутри него, без необходимости для этого в трубопроводе подачи на анод выше по потоку от него собственного испарителя и/или теплообменника. Каталитический материал теплопередающих элементов допускает процесс парориформинга при одновременной передаче тепла от теплой к холодной стороне теплообменника. Далее, предлагаемое изобретением решение делает возможной оптимизацию конструктивного пространства теплообменника и, следовательно, также оптимизацию системы топливных элементов, имеющей такой теплообменник, таким образом, чтобы поверхности теплообмена, тем не менее, были еще достаточно велики, чтобы обеспечивать возможность или, соответственно, эффективно проводить парориформинг. В частности, для парориформинга нужна высокая теплопередача, а следовательно, большая площадь для проведения химической реакции. Это становится возможным при исполнении предлагаемого изобретением теплообменника в противоположность известным из уровня техники решениям.
Под тем, что предлагаемый изобретением теплообменник включает в себя испаритель, перегреватель, а также устройство риформинга, в рамках изобретения следует понимать, в частности, что они расположены в одном общем блоке или имеют одну общую оболочку или закрыты снаружи одним общим корпусом. В каждом случае они вместе закрыты относительно окружающей среды. Теплопередающие элементы расположены распределенным образом по всему объему теплообменника. Под тем, что теплообменник может располагаться в системе топливных элементов и/или может соединяться по потоку с ее трубопроводами, в рамках изобретения следует понимать, что он выполнен для расположения в системе топливных элементов, а также для соответствующего теплообмена.
Предпочтительно также, что все проводимые в теплообменнике процессы (испарение, перегрев, риформинга) могут проводиться или проводятся путем парориформинга (steam reforming). Следовательно, теплообменник выполнен, в частности, не имея и/или без смесительной камеры. Нет необходимости в подаче воздуха, в частности кислорода. Область испарения, область перегрева и область риформинга теплообменника непосредственно гидравлически соединены друг с другом. Предпочтительно, когда каждая из этих областей, за исключением гидравлического соединения, закрыты внутри себя. Теплообменник выполнен с возможностью протекания через него топлива.
Под теплообменником в рамках изобретения понимается теплопередатчик, который, в принципе, может работать по принципу прямотока, принципу противотока или принципу перекрестного потока. Теплообменник в рамках изобретения передает термическую энергию от первой текучей среды, в частности отработанного газа системы, ко второй текучей среде, в частности горючему или топливу, предпочтительно смеси воды и топлива. Текучие среды в рамках изобретения могут быть газообразными или жидкими или частично газообразными или, соответственно, частично жидкими. Предпочтительно вторая текучая среда, в частности водосодержащее топливо, выше по потоку от теплообменника является жидкой, а отработанный газ из системы газообразным. То есть трубопровод подачи на анод или, соответственно, топливо и трубопровод отработанного газа системы или, соответственно, отработанный газ из системы связаны друг с другом теплопередачей.
По первому аспекту настоящего изобретения предоставляется теплообменник для системы топливных элементов, в частности для системы SOFC (SOFC означает «solid oxide fuel cell», или, соответственно, твердоокисный топливный элемент). Такая система топливных элементов работает, в частности, на жидком топливе, особенно предпочтительно на жидкой смеси топлива и воды, такой как смесь этанола и воды. Тем не менее, может быть также предпочтительно, когда предлагаемый изобретением теплообменник применяется в системе двигателя внутреннего сгорания или, соответственно, предоставляется для этой системы. В частности, он может быть предоставлен для применения в трубопроводе рециркуляции отработанного газа и/или в ветви отработанного газа или, соответственно, для теплопередачи между трубопроводом рециркуляции отработанного газа и ветвью отработанных газов.
У предлагаемого изобретением теплообменника, в частности, исключительно теплопередающие элементы области риформинга и/или области перегрева включают в себя каталитический материал, так что может проводиться необходимая для процесса риформинга каталитическая реакция. Особенно предпочтительно теплопередающие элементы снабжены покрытием, содержащим каталитический материал. Предпочтительно, когда область испарения выполнена меньше, чем область риформинга, то есть область испарения включает в себя также меньше теплопередающих элементов, чем область риформинга. Предпочтительно ее объем также меньше, чем объем области риформинга. Область испарения гидравлически соединена с областью перегрева, а область перегрева гидравлически соединена с областью риформинга.
Предпочтительно, когда трубопровод подачи на анод соединен по потоку с областью испарения, при этом по соединенному с холодной стороной теплообменника трубопроводу подачи на анод топливо, в частности смесь топлива и воды, может подаваться в анодный участок системы топливных элементов. По части указанного трубопровода подачи на анод, образующей трубопровод подачи топлива, жидкое топливо может направляться в область испарения, где оно превращается в газ. То есть топливо подается по холодной стороне теплообменника, при этом оно, в частности, может испаряться за счет тепла отработанного газа системы. Топливо течет в направлении потока в трубопроводе подачи на анод сначала в область испарения, после этого в область перегрева, и, наконец, в область риформинга, прежде чем оно ниже по потоку от теплообменника сможет направляться в направлении анодного участка.
Предпочтительно, когда предусмотрен трубопровод отработанного газа системы для подачи отработанного газа системы топливных элементов в область перегрева и/или в область риформинга, при этом указанный, в частности полностью сожженный, отработанный газ из системы может подаваться по теплой стороне теплообменника. С помощью теплого или, соответственно, горячего отработанного газа системы каталитический материал области риформинга может доводиться до предопределенной рабочей температуры или температуры активирования. С помощью каталитического материала в области риформинга теплообменника могут проводиться химические реакции превращения топлива, начиная примерно с 450°C. Тепло отработанного газа системы передается теплопередающими элементами газообразному топливу в области риформинга. Так как область риформинга и/или область перегрева нуждается в более высоких температурах, чем область испарения, направление потока вниз по потоку отработанного газа системы, в частности, следующее: область риформинга, область перегрева, область испарения. Под отработанным газом из системы в рамках изобретения понимается, в частности, анодный отработанный газ, а также катодный отработанный газ. В системе топливных элементов, имеющей предлагаемый изобретением теплообменник, анодный отработанный газ ниже по потоку от батареи топливных элементов при подмешивании катодного отработанного газа (воздуха), в частности полностью, сжигается в дожигателе. Ниже по потоку от дожигателя отработанный газ из системы подается затем к предлагаемому изобретением теплообменнику, при этом его тепло почти полностью используется для процессов в теплообменнике, прежде чем охлажденный газ из системы ниже по потоку от теплообменника выпускается в окружающую среду.
В принципе, может быть также предпочтительно, чтобы по трубопроводу отработанного газа системы для подачи отработанного газа системы топливных элементов в область перегрева и/или в область риформинга по теплой стороне теплообменника мог подаваться не полностью сожженный отработанный газ из системы. Это значит, в системе топливных элементов, имеющей предлагаемый изобретением теплообменник, ниже по потоку от батареи топливных элементов объединенный из анодного отработанного газа и катодного отработанного газа отработанный газ из системы подается, в частности непосредственно, в теплообменник. То есть можно обойтись без каталитического дожигателя. То есть теплопередающие элементы на той стороне, через которую протекает или может протекать отработанный газ из системы, имеют каталитический материал или снабжены покрытием из каталитического материала. При этом все области теплообменника на стороне, через которую протекает отработанный газ из системы, или только отдельные из них могут быть снабжены каталитическим покрытием. Предпочтительно, когда по меньшей мере теплопередающие элементы области риформинга как на стороне, через которую протекает топливо, так и на стороне, через которую протекает отработанный газ из системы, снабжены каталитическим покрытием. Благодаря каталитическому материалу, расположенному на стороне отработанного газа системы теплопередающих элементов, во-первых, можно полностью каталитически дожигать в теплообменнике отработанный газ из системы, который еще не полностью был сожжен в батарее топливных элементов, а во-вторых, создается достаточно тепла, благодаря чему в дальнейшем дополнительно улучшается теплопередача. Благодаря возможному отказу от дожигателя в системе топливных элементов, имеющей предлагаемый изобретением теплообменник, дополнительно уменьшено количество компонентов и повышена компактность системы топливных элементов. То есть выполненный таким образом теплообменник включает в себя не только область испарения, область перегрева и область риформинга, но и область дожигания.
Предпочтительно, когда область перегрева и область риформинга выполнены в виде общей области. Это должно означать, что перегрев и риформинг топлива могут проводиться на одном этапе или по меньшей мере очень близко во времени друг за другом. Область перегрева и область риформинга пространственно не отделены друг от друга. В противоположность этому, область испарения отделена от области перегрева и/или области риформинга таким образом, что топливо в направлении потока сначала проходит область испарения, а после этого газообразно поступает в область перегрева и/или область риформинга. В области перегрева газообразное топливо может нагреваться за счет теплопередачи от отработанного газа системы до температуры примерно 300°C-примерно 400°C или больше и тем самым может предварительно подготавливаться к риформингу. При исполнении области перегрева и области риформинга в виде одной общей области перегретый и предварительно подготовленный газ может применяться и преобразовываться непосредственно в устройстве риформинга.
В рамках изобретения теплообменник может быть выполнен любым образом, например, в виде кожухотрубного теплообменника. Однако целесообразным образом он выполнен в виде пластинчатого теплообменника. То есть при этом теплопередающие элементы выполнены в виде пластин или пакетов пластин, причем эти пластины или пакеты пластин области риформинга включают в себя каталитический материал или снабжены покрытием из каталитического материала. Выполненный в виде пластинчатого теплообменника теплообменник предпочтителен, в частности, тогда, когда пластины выполнены с малой толщиной в пределах примерно 1 мм-2 мм, в частности примерно 1,2 мм-1,5 мм, особенно предпочтительно примерно 1,3 мм. Благодаря тонкой толщине стенок, а также большой площади пластин (в пределах примерно 200 мм на 80 мм) становится возможен большой переход тепла. Область испарения может, например, включать в себя примерно 24 пластины, в отличие от чего одна общая область перегрева и риформинга может включать в себя примерно 30 пластин, при этом они по меньшей мере частично снабжены каталитическим покрытием или включают в себя каталитический материал. Однако, в принципе, могут быть также предусмотрены больше или меньше пластин. Количество пластин зависимо от заданного конструктивного пространства и/или требований к потере давления. Пластины выполненного в пластинчатом варианте теплообменника соединены друг с другом с силовым замыканием или соединением посредством материала таким образом, что в следующих друг за другом промежутках между отдельными пластинами течет или подается соответственно сначала топливо, а потом отработанный газ из системы. Пластины предпочтительно выполнены каждая с профилем или, соответственно, будучи профилированы, так что дополнительно увеличена площадь теплопередачи. При этом предпочтительно, когда пластины, которые расположены в области риформинга, снабжены покрытием из каталитического материала. Каталитическим покрытием снабжена одна сторона каждой из пластин, при этом снабженные покрытием стороны двух следующих друг за другом пластин ориентированы друг к другу, так что газообразной и перегретое топливо течет между этими пластинами и преобразуется. Однако, в принципе, может быть также предусмотрено, чтобы только соответственно каждая вторая пластина была снабжена каталитическим покрытием. Пластины пластинчатого теплообменника могут быть также по меньшей мере частично снабжены покрытием с обеих сторон, так чтобы также те области, в которых течет отработанный газ из системы, был выполнены для каталитического риформинга. Это предпочтительно, в частности, тогда, когда отработанный газ из системы непосредственно ниже по потоку от батареи топливных элементов подается к теплообменнику по трубопроводу отработанного газа системы, не сжигаясь предварительно полностью в дожигателе. Тогда такой теплообменник выполняет функцию дожигателя или, соответственно, содержит также этот компонент.
Предпочтительно, когда каталитическое покрытие выполнено в виде каталитической ткани или снабженной каталитическим покрытием, в частности металлической, решетки. Особенно предпочтительно, когда теплопередающие элементы области риформинга снабжены покрытием из каталитической ткани или снабженной каталитическим покрытием решетки. Каталитическое покрытие выполнено для того, чтобы преобразовывать испаренное и при необходимости перегретое топливо. Если область риформинга и область перегрева выполнены интегрально, испаренное топливо перегревается и преобразуется приблизительно одновременно. Преобразование осуществляется предпочтительно путем парориформинга без подачи воздуха или пара. В частности, при применении водосодержащего топлива, такого как смесь этанола и воды, нет необходимости в собственной подаче (водяного) пара. Нужное для парориформинга количество пара уже предоставлено самим испаренным топливом. В частности, в рамках изобретения может быть предусмотрено, чтобы каталитическое покрытие выло выполнено в виде снабженной каталитическим покрытием металлической решетки. Она закладывается между двумя пластинчатыми теплопередающими элементами, после чего они, в частности с силовым замыканием, соединяются друг с другом таким образом, чтобы соответственно обращенные друг к другу стороны пластин были снабжены покрытием из решетки. Тогда между этими двумя пластинами подается подлежащее риформингу топливо. Преимуществом применения снабженной каталитическим покрытием металлической решетки является, что она имеет низкую термическую массу и, следовательно, за короткое время может нагреваться до предопределенной, необходимой для активирования каталитических реакций температуры. Если альтернативно или дополнительно предусмотрено также каталитическое покрытие на той стороне теплопередающих элементов, которая омывается отработанным газом из системы, она соответственно выполнена, как описано выше.
Особенно целесообразно, когда область риформинга выполнена и предназначена для проведения парориформинга. То есть осуществляться эндотермическая реакция. Необходимая для этого энергия в соответствии с изобретением предоставляется отработанным газом из системы, который связан теплопередачей с областью риформинга.
Однако помимо этого, может быть также предпочтительно, когда предусмотрен трубопровод подачи воздуха к области испарения или области перегрева. В частности, воздух может смешиваться с топливом выше по потоку от области испарения. Альтернативно может быть также предусмотрено, чтобы топливо и воздух подавались к области испарения теплообменника отдельно друг от друга. Может быть также предпочтительно, когда воздух подается к области перегрева ниже по потоку от области испарения. Под воздухом в рамках изобретения понимается кислородосодержащая текучая среда, в частности кислородосодержащий газ, особенно предпочтительно окружающий воздух. Поэтому можно опционально, наряду с парориформингом или альтернативно ему, проводить каталитическое частичное окисление. Это предпочтительно, в частности, на фазе пуска системы топливных элементов, на которой батарея топливных элементов еще холодная и должна нагреваться. При этом путем подачи воздуха, в частности исключительно, на фазе пуска системы топливных элементов, батарея топливных элементов может разогреваться за счет каталитического частичного окисления. Когда она достигла некоторой предопределенной температуры, подача воздуха, в частности с помощью клапана, снова выключается. Помимо этого, вследствие подачи воздуха на фазе пуска системы топливных элементов, в которой может располагаться предлагаемый изобретением теплообменник, предотвращается или по меньшей мере сильно уменьшается образование сажи в теплообменнике, в частности в области перегрева. А именно, было выяснено, что подача кислородосодержащей текучей среды для процесса испарения смеси воды и топлива предотвращает или по меньшей мере сильно уменьшает образование сажи, в частности исключительно, на фазе пуска системы топливных элементов. Так как образование сажи происходит, в частности, только при перегреве смеси воды и топлива, например, начиная с 200°C, в частности, начиная с 300°C или больше, воздух предпочтительно подается к теплообменнику только ниже по потоку от области испарения.
Целесообразно, когда предусмотрено электрическое нагревательное устройство. Это значит, теплообменник включает в себя электрическое нагревательное устройство. Но в принципе, нагревательное устройство может быть также неэлектрическим. Оно выполнено, в частности, для нагрева топлива или, соответственно, смеси воды и топлива, особенно предпочтительно нагревательное устройство выполнено и расположено исключительно для нагрева, испарения и/или риформинга топлива или, соответственно, смеси топлива и воды на фазе разогрева системы топливных элементов. На фазе пуска или фазе разогрева системы топливных элементов отработанного газа системы еще нет, или его недостаточно, или, соответственно, имеется недостаточно теплый отработанный газ системы, чтобы передавать необходимое тепло теплообменнику. В режиме разогрева электрическое нагревательное устройство может, например, работать в течение периода времени примерно от 2 мин. до 10 мин. Предпочтительно, когда нагревательное устройство расположено в сечении теплообменника между областью испарения и областью риформинга и/или областью перегрева. Электрическая поддержка испарения и риформинга хотя и может, в принципе, проводиться в каком-либо внешнем компоненте, однако в целях экономии площади следует стремиться к интеграции этой функции. Как только система топливных элементов достигла рабочей температуры, нагревательное устройство снова выключается.
Применение предлагаемого изобретением теплообменника осуществляется предпочтительно для испарения, перегрева и риформинга жидкого топлива в системе SOFC.
По другому аспекту настоящего изобретения предоставляется система топливных элементов, имеющая теплообменник, который представлен в деталях выше. Эта система топливных элементов имеет также батарею топливных элементов, имеющую анодный участок и катодный участок, а также пусковую горелку, дожигатель и по меньшей мере один другой теплообменник. Предпочтительно также, когда система топливных элементов имеет несколько клапанов для управления разными трубопроводами и воздуходувку для нагнетания подаваемого на катод воздуха к катодному участку. Указанный по меньшей мере один другой теплообменник расположен холодной стороной в трубопроводе подачи на катод ниже по потоку от воздуходувки, чтобы нагревать воздух, который подается на катодный участок, до соответственно необходимой для этого температуры. Предлагаемая изобретением система топливных элементов применяется, в частности, в автомобиле.
Указанная другая цель достигается, когда способ вышеназванного вида включает в себя следующие этапы:
- направление жидкого топлива, в частности жидкой смеси топлива и воды, в направлении расположенного в трубопроводе подачи на анод предлагаемого изобретением теплообменника;
- испарение, перегрев и риформинг топлива в теплообменнике, при этом теплообменник нагревается, в частности полностью сожженным, отработанным газом из системы, при этом тепло отработанного газа системы, подаваемого в трубопроводе отработанного газа системы, передается топливу;
- подача испаренного, перегретого и подвергнутого риформингу топлива в анодный участок системы топливных элементов.
Достигаемое при этом преимущество видится, в частности, в том, что с помощью этапов предлагаемого изобретением способа топливо эффективно и в одном единственном компоненте испаряется, перегревается и полностью преобразуется, так что оно в дальнейшем в качестве синтез-газа может направляться в батарею топливных элементов, точнее говоря, в анодный участок. Под преобразованным (подвергнутым риформингу) топливом в рамках изобретения следует понимать применяемый в батарее топливных элементов синтез-газ. Вследствие передачи тепла синтез-газа к области испарения, области перегрева и области риформинга все отходящее тепло отработанного газа системы используется для нагрева одного единственного компонента. Предпочтительно тепло отработанного газа системы передается для проведения происходящих в теплообменнике процессов в следующей последовательности: перегрев и/или риформинг испаренного топлива или испаренной смеси воды и топлива и испарение топлива или смеси воды и топлива.
Остальные связанные с принципом действия теплообменника преимущества и функции аналогичны подробно описанным выше применительно к предлагаемому изобретением теплообменнику, а также предлагаемой изобретением системе топливных элементов.
При этом также предпочтительно, когда в теплообменнике осуществляется парориформинг топлива, при этом теплообменник включает в себя каталитический материал. То есть, в частности, в подаче воздуха нет необходимости или она не предусматривается. Особенно предпочтительно теплопроводящие элементы, например, пластины, снабжаются покрытием из каталитического материала.
В принципе, топливо и отработанный газ из системы может протекать через теплообменник может по принципу прямотока или по принципу перекрестного потока. Однако особенно эффективная передача тепла от отработанного газа системы к топливу достигается, когда топливо и отработанный газ из системы протекает через теплообменник по принципу противотока. Топливо или, соответственно, испаренное и перегретое топливо в каждой области теплообменника протекает мимо отработанного газа системы в противоположном направлении, при этом тепло отработанного газа системы передается (испаренному и перегретому) топливу и/или каталитическому материалу области риформинга.
Предпочтительно, когда отработанный газ из системы протекает через область испарения теплообменника ниже по потоку от области риформинга теплообменника, при этом отработанный газ из системы протекает через область риформинга выше по потоку от области перегрева теплообменника. При этом расположении элементов или, соответственно, протекании через них в такой последовательности тепло передается особенно эффективно. Это значит, что необходимые и предопределенные температуры, которые требуются для каждого из процессов (испарение, перегрев, риформинг), достигаются за короткий отрезок времени.
При этом особенно предпочтительно, когда топливо протекает через область испарения теплообменника выше по потоку от области перегрева теплообменника, при этом для дополнительной оптимизации теплопередачи топливо протекает через область риформинга теплообменника ниже по потоку от области перегрева.
Целесообразно, когда воздух по трубопроводу подачи на катод направляется к катодному участку системы топливных элементов. Под воздухом в рамках изобретения понимается, в частности, окружающий воздух, хотя воздух может также состоять из большей части кислорода или чистого кислорода. Ниже по потоку от батареи топливных элементов анодный отработанный газ и катодный отработанный газ смешивается с получением отработанного газа системы, которым предоставляется необходимое тепло для процесса испарения, процесса перегрева и процесса риформинга.
Другие преимущества, признаки и эффекты следуют из представленных ниже примеров осуществления. На чертежах, на которые при этом делается ссылка, показано:
фиг.1: предлагаемый изобретением теплообменник;
фиг.2: блок-схема для представления предлагаемой изобретением системы топливных элементов по одному из предлагаемых изобретением вариантов осуществления;
фиг.3: блок-схема для представления другой предлагаемой изобретением системы топливных элементов по одному из предлагаемых изобретением вариантов осуществления.
На фиг.1 показан предлагаемый изобретением теплообменник 1. Он включает в себя несколько теплопередающих элементов 2, область 5 испарения, область 6 перегрева и область 7 риформинга. Также этот выполненный в виде пластинчатого теплообменника теплообменник 1 имеет холодную сторону 8 и теплую сторону 9. Теплообменник 1 может располагаться своей холодной стороной 8 в трубопроводе 4 подачи на анод, и по трубопроводу 3 отработанного газа системы тепло отработанного газа системы может передаваться подаваемому в трубопроводе 4 подачи на анод водосодержащему топливу. Теплообменник 1 выполнен в виде пластинчатого теплообменника и включает в себя несколько пластинчатых теплопередающих элементов 2, которые частично включают в себя каталитический материал. Как область 5 испарения, так и область 6 перегрева и область 7 риформинга включают в себя теплопередающий элемент 2, причем эти области соединены по потоку друг с другом. Теплообменник 1 выполнен для того, чтобы поэтапно испарять, перегревать и преобразовывать смесь топлива и воды, причем необходимая для этого термическая энергия передается отработанным газом из системы. Так как теплообменник 1 может выполняться компактно благодаря интегральному исполнению вышеприведенных трех областей, следовательно, уменьшается также размер всей системы 100 топливных элементов. Теплообменник 1 может быть выполнен, в принципе, для теплопередачи по принципу прямотока, принципу противотока или принципу перекрестного потока. При этом направление течения топлива в трубопроводе 4 подачи на анод всегда одно и то же: в направлении потока топлива сначала в область 5 испарения, потом в область 6 перегрева и, наконец, в область 7 риформинга. Показанный на фиг.1 теплообменник 1 работает по принципу противотока. Если он должен работать по принципу прямотока или принципу перекрестного потока, то прокладка трубопровода 3 отработанного газа системы или, соответственно, последовательность протекания отработанного газа системы через области соответственно адаптируется.
На фиг.2 показана блок-схема для представления предлагаемой изобретением системы (100) топливных элементов по одному из предлагаемых изобретением вариантов осуществления. Наряду с теплообменником 1, она включает в себя также батарею 120 топливных элементов, имеющую анодный участок 110 и катодный участок 130. Помимо этого, имеется пусковая горелка 140, дожигатель 150, другой теплообменник 160, а также источник 170 топлива и источник 180 воздуха. Названные элементы соединены друг с другом трубопроводом 4 подачи на анод, трубопроводом 12 подачи на катод и трубопроводом 3 отработанного газа системы. Для включения этих трубопроводов 3, 4, 12 предусмотрены разные клапаны 13. Для подачи воздуха к катодному участку 130 предусмотрена катодная воздуходувка 200, которая расположена в трубопроводе 12 подачи на катод в направлении потока воздуха ниже по потоку от источника 180 воздуха и выше по потоку от другого теплообменника 160. Этот другой теплообменник 160 своей холодной стороной расположен в трубопроводе 12 подачи на катод и выполнен для нагрева воздуха, который подается к катодному участку 130. Через теплую сторону этого другого теплообменника 160 выше по потоку от теплообменника 1 протекает отработанный газ из системы.
На фиг.3 показан один из предпочтительных вариантов осуществления системы 100 топливных элементов, при этом протекание через теплообменник 1 осуществляется по принципу противотока.
При предлагаемом изобретением способе работы системы 100 топливных элементов в соответствии с фиг.3 при нормальной работе жидкая смесь воды и топлива подается от источника 170 топлива через топливный насос 210 и клапан 13a в открытом положении в трубопроводе 4 подачи на анод в направлении теплообменника 1. В теплообменнике 1 смесь воды и топлива на первом этапе полностью испаряется в области 5 испарения, причем при выходе из области 5 испарения она имеет температуру свыше 100 °C, предпочтительно свыше 110 °C, в частности примерно 120 °C. На втором этапе температура этой теперь уже газообразной смеси воды и топлива в области 6 перегрева (повышается?) примерно до 200 °C или 300 °C, а на третьем этапе в области 7 риформинга происходит полное преобразование. То есть в области 6 перегрева газообразная смесь воды и топлива предварительно подготавливается к применению в области риформинга. Необходимая для этих процессов в теплообменнике 1 термическая энергия передается с помощью теплопередающих элементов 2 посредством отработанного газа системы в трубопроводе 3 отработанного газа системы. Находящаяся теперь уже в виде синтез-газа смесь воды и топлива ниже по потоку от теплообменника 1 в трубопроводе 4 подачи на анод подается к батарее 120 топливных элементов, точнее говоря, к анодному участку 110.
Ниже по потоку от батареи 120 топливных элементов анодный отработанный газ и катодный отработанный газ объединяются в отработанный газ из системы, при этом анодный отработанный газ при подмешивании катодного отработанного газа сжигается в каталитическом дожигателе 150. Ниже по потоку от дожигателя 150 теперь уже полностью сожженный отработанный газ из системы в трубопроводе 3 отработанного газа системы подается в направлении другого теплообменника 160. Через этот другой теплообменник 160 термическая энергия отработанного газа системы передается воздуху, который подается в трубопроводе подачи на катод к катодному участку 130. Ниже по потоку от другого теплообменника 160 расположен теплообменник 1, к которому подается отработанный газ из системы. Протекание через теплообменник 1 в соответствии с фиг.3 осуществляется по принципу противотока, поэтому сначала тепло передается в область 7 риформинга. В соответствии с фиг.3 область 7 риформинга и область 6 перегрева выполнены по существу в виде одной общей области. Это значит, что два этапа, перегрева и риформинга, осуществляются в теплообменнике 1 по существу одновременно или с очень коротким временным интервалом между ними. Ниже по потоку от области 7 риформинга или, соответственно, области 6 перегрева отработанный газ из системы подается в соединенную с ней по потоку область 5 испарения. То есть остальное тепло отработанного газа системы используется для испарения смеси воды и топлива. Теперь уже охлажденный отработанный газ из системы ниже по потоку от теплообменника 1 отводится в окружающую среду 220.
Перед вышеописанной нормальной работой системы 100 топливных элементов она и/или расположенные в ней элементы должны, как правило, разогреваться до некоторой предопределенной температуры. Для этого система 100 топливных элементов включает в себя пусковую горелку 140. Эта горелка расположена в отдельном трубопроводе 14 системы 100 топливных элементов. По двум отдельным участкам 14a, 14b отдельного трубопровода 14 к пусковой горелке 140 подается топливо от источника 170 топлива и воздух от источника 180 воздуха. Первый отдельный участок 14a отделяется ниже по потоку от источника 170 топлива от трубопровода 4 подачи на анод, при этом в первом отдельном участке расположен клапан 13b. Второй отдельный участок 14b отделяется ниже по потоку от источника 180 воздуха от трубопровода 12 подачи на катод, при этом первый отдельный участок 14a и второй отдельный участок 14b выше по потоку от пусковой горелки 140 объединяются. В пусковой горелке 140 топливо, следовательно, при подаче воздуха сжигается с получением горячего газа. Этот газ ниже по потоку от пусковой горелки 140 на фазе разогрева системы 100 топливных элементов в направлении потока сначала подается к другому теплообменнику 160, а потом к теплообменнику 1, при этом им передается тепло газа. Как только система 100 топливных элементов или, соответственно, ее отдельные элементы достигли одной и той же предопределенной рабочей температуры, осуществляется теплопередача теплообменникам 1, 160, как описано выше, посредством отработанного газа системы.
Далее, предпочтительно, когда предусмотрен трубопровод 10 подачи воздуха к области 5 испарения или области 6 перегрева. В соответствии с фиг.2 и 3 по трубопроводу 10 подачи воздух или кислородосодержащая текучая среда может подаваться к области 5 испарения, чтобы в режиме разогрева системы 100 топливных элементов разогревать батарею 120 топливных элементов посредством каталитического частичного окисления. Как только система 100 топливных элементов достигла рабочей температуры, подача воздуха может останавливаться с помощью не изображенного клапана.
1. Теплообменник (1) для системы (100) топливных элементов, в частности, работающей на жидком топливе системы SOFC, имеющий несколько теплопередающих элементов (2), причем через теплообменник (1) предусмотрена возможность передачи термической энергии между трубопроводом (3) отработанного газа системы и трубопроводом (4) подачи на анод системы (100) топливных элементов, имеющий область (5) испарения, область (6) перегрева и область (7) риформинга, которые соединены по потоку друг с другом, при этом теплопередающие элементы (2) по меньшей мере частично включают в себя каталитический материал, отличающийся тем, что теплопередающие элементы (2) имеют каталитический материал на той стороне, через которую предусмотрена возможность протекания отработанного газа системы.
2. Теплообменник (1) по п.1, отличающийся тем, что трубопровод (4) подачи на анод соединен по потоку с областью (5) испарения, при этом по соединенному с холодной стороной (8) теплообменника (1) трубопроводу (4) подачи на анод предусмотрена возможность подачи топлива, в частности смеси топлива и воды, в анодный участок (110) системы (100) топливных элементов.
3. Теплообменник (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что трубопровод (3) отработанного газа системы предусмотрен для подачи отработанного газа системы (100) топливных элементов в область (6) перегрева и/или в область (7) риформинга, при этом предусмотрена возможность подачи указанного, в частности полностью сожженного, отработанного газа системы по теплой стороне (9) теплообменника (1).
4. Теплообменник (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что область (6) перегрева и область (7) риформинга выполнены в виде общей области.
5. Теплообменник (1) по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что теплообменник (1) выполнен в виде пластинчатого теплообменника.
6. Теплообменник (1) по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что каталитическое покрытие выполнено в виде каталитической ткани или снабженной каталитическим покрытием, в частности, металлической решетки.
7. Теплообменник (1) по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что область (7) риформинга выполнена и предназначена для проведения парориформинга.
8. Теплообменник (1) по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что предусмотрен трубопровод (10) подачи воздуха к области (5) испарения или области (6) перегрева.
9. Теплообменник (1) по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что предусмотрено электрическое нагревательное устройство.
10. Применение теплообменника (1) по любому из пп.1-9 для испарения, перегрева и риформинга жидкого топлива в системе SOFC.
11. Система топливных элементов, в частности система SOFC, имеющая теплообменник (1) по любому из пп.1-9, включающая в себя батарею (120) топливных элементов, имеющую анодный участок (110) и катодный участок (130), отличающаяся тем, что предусмотрены также пусковая горелка (140), дожигатель (150) и по меньшей мере один другой теплообменник (160).
12. Способ работы системы топливных элементов, в частности системы SOFC, включающий в себя этапы:
- направление жидкого топлива, в частности жидкой смеси топлива и воды, в направлении расположенного в трубопроводе (4) подачи на анод теплообменника (1) по любому из пп.1-10;
- испарение, перегрев и риформинг топлива в теплообменнике (1), при этом теплообменник (1) нагревается, в частности полностью сожженным, отработанным газом системы, при этом тепло от отработанного газа системы, подаваемого в трубопроводе (3) отработанного газа системы, передается топливу, причем отработанный газ системы направляют через теплопередающие элементы (2), имеющие каталитический материал;
- подача испаренного, перегретого и подвергнутого риформингу топлива в анодный участок (110) системы (100) топливных элементов.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что в теплообменнике (1) осуществляют парориформинг топлива, при этом теплообменник (1) включает в себя каталитический материал.
14. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что топливо и отработанный газ системы протекает через теплообменник (1) по принципу противотока.
15. Способ по любому из пп.12-14, отличающийся тем, что отработанный газ системы протекает через область (5) испарения теплообменника (1) ниже по потоку от области (7) риформинга теплообменника (1), при этом отработанный газ системы протекает через область (7) риформинга выше по потоку от области (6) перегрева теплообменника (1).
16. Способ по любому из пп.12-15, отличающийся тем, что топливо протекает через область (5) испарения теплообменника (1) выше по потоку от области (6) перегрева теплообменника (1), при этом топливо протекает через область (7) риформинга теплообменника (1) ниже по потоку от области (6) перегрева.
17. Способ по любому из пп.12-16, отличающийся тем, что воздух по трубопроводу (12) подачи на катод направляют к катодному участку (130) системы (100) топливных элементов.
