EA018452B1

EA018452B1 - Узел пакета топливных элементов и способ работы узла пакета топливных элементов с улучшенным распределением газового потока

Info

Publication number: EA018452B1
Application number: EA201170354A
Authority: EA
Inventors: Пол Барнард; Невилл Хайдар; Мэттью Харрингтон
Original assignee: Серес Интеллекчуал Проперти Компани Лимитед
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2013-08-30
Also published as: JP5499033B2; DK2313942T3; CA2734258C; EA201170354A1; JP2012500462A; CN102132451B; EP2313942B1; CA2734258A1; US9093674B2; CN102132451A; WO2010020797A1; BRPI0917632A2; ATE557445T1; ZA201100907B; KR20110044771A; KR101663330B1; US20110300460A1; ES2387212T3; HK1157505A1; EP2313942A1

Abstract

Настоящее изобретение относится к улучшенным узлам пакетов топливных элементов и к способам работы узла пакета топливных элементов, в частности с улучшенным распределением газовых потоков и температуры.

Description

Настоящее изобретение относится к улучшенным узлам пакетов топливных элементов и к способам работы узла пакета топливных элементов, в частности, с улучшенным распределением газового потока и температуры.

Термин узел пакета топливных элементов, как используется в настоящем документе, означает по меньшей мере один пакет топливных элементов, где каждый по меньшей мере один пакет топливных элементов содержит по меньшей мере один слой пакета топливных элементов, каждый по меньшей мере один слой пакета топливных элементов содержит по меньшей мере один топливный элемент, входные/выходные соединения для топлива и окислителя и пути потока, для потока или потоков топлива и окислителя и для потока или потоков использованных топлива и окислителя, опорную пластину пакета топливных элементов и кожух, герметично соединенный с опорной пластиной пакета топливных элементов и определяющий объем кожуха между опорной пластиной пакета топливных элементов и кожухом, по меньшей мере один вход для газа в объем кожуха и предварительный нагреватель (не располагающийся - в объеме кожуха). Другие необязательные компоненты узла пакета топливных элементов включают узел уплотнения со стороны топлива, узел уплотнения со стороны окислителя, концевые пластины и систему компрессии, изоляцию пакета топливных элементов и электрические соединения и соединения для управления/мониторинга, по необходимости.

Термин узел системы пакета топливных элементов, как используется в настоящем документе, означает узел пакета топливных элементов вместе с системной электроникой и средствами управления системы. Другие необязательные компоненты включают риформер (если топливо на входе должно подвергаться риформингу или предварительному риформингу), систему извлечения воды, узел генератора пара, по меньшей мере, один теплообменник, необязательно включающий изменение фазового состояния одного из потоков теплообменника, тепловую изоляцию, пусковую горелку и камеру сгорания остаточных газов.

Термин системная электроника включает электронику управления и/или любую силовую электронику, где может иметься по меньшей мере одна электронная плата и/или узел, необязательно расположенные вместе или отдельно в узле пакета топливных элементов или вблизи нее.

Термин средства управления включает контрольные клапаны и насосы для газа и текучей среды, узел воздуходувки для воздуха (окислителя) и оборудование для обеспечения безопасности вместе со средствами ввода и датчиков, по необходимости.

Узлы пакетов топливных элементов работают, принимая на входе окислитель и топливо, с генерированием продуктов окисления (в настоящем документе они упоминаются как поток отработанных газов, но также упоминаются как анодный отходящий газ и катодный отходящий газ), тепла и электричества в форме постоянного тока. В целом, узлы систем пакетов топливных элементов могут также содержать дополнительные элементы, включая средства управления системы и системную электронику, включая, например, силовую электронику, которая преобразует выходной сигнал постоянного тока от топливного элемента из первого напряжения во второе напряжение и/или преобразует выходной сигнал постоянного тока от топливного элемента в форму волны переменного тока.

Обычно пакеты топливных элементов работают при отношении окислителя к топливу в пределах между 1:1 и 20:1, чаще от 5:1 до 15:1 и еще чаще от 8:1 до 12:1. Таким образом, при нормальной работе имеется стехиометрический избыток газообразного окислителя, протекающего через пакет топливных элементов. Избыток потока газообразного окислителя, как правило, используют для осуществления охлаждения пакета топливных элементов, чтобы оно происходило вблизи области электрохимической реакции топливного элемента.

Когда используют узел риформера для риформинга или предварительного риформинга топлива, обычно используют катализатор парового риформинга для достижения эффективного и рационального процесса риформинга. Когда используют, например, топливо на основе метана, такое как природный газ, не является необычным иметь отношение водяного пара к углероду в пределах между 2:1 и 3:1. Когда используют газообразное топливо на основе пропана, такое как ЬРО (сжиженный нефтяной газ), не является необычным иметь отношение водяного пара к углероду в пределах между 3:1 и 4:1, хотя оно может достигать 5:1, в зависимости от элементов, составляющих ЬРО, например от процента длинноцепных углеводородов и двойных связей, например, алкенов. Когда используют газообразное топливо на основе бутана, не является необычным иметь отношение водяного пара к углероду в пределах между 4:1 и 5:1. Для данной конструкции риформера увеличение отношения водяного пара к углероду во время работы риформера, как правило, приводит к уменьшению температуры отработанных газов риформера.

Специалистам в данной области хорошо известно, что эффективность работы топливного элемента связана с локальной температурой в точке электрохимической реакции в топливном элементе. При работе узла пакета топливных элементов входной поток газа нагревают перед его поступлением в топливный элемент - если он попадает в топливный элемент при слишком низкой температуре, тогда локальная температура в точке электрохимической реакции может быть слишком низкой, и это может оказывать отрицательное воздействие на эффективность работы и на выходную мощность топливного элемента. Способность управлять температурой пакета топливных элементов оказывает значительное воздействие на эффективность работы пакета топливных элементов и на ее номинальный коэффициент выходной мощ

- 1 018452 ности. Существенные инженерные усилия прикладываются к конструированию пакета топливных элементов и остальных компонентов установки и процессов управления для обеспечения того, чтобы пакет топливных элементов поддерживал правильную температуру для наиболее эффективной электрохимической реакции в некотором диапазоне рабочих условий. Типичные рабочие условия включают запуск системы, стационарную работу, изменение динамической нагрузки и выключение системы.

Например, с помощью устройства среднетемпературного твердооксидного топливного элемента (1Т-8ОРС) электрохимическая реакция топливного элемента (элементов) пакета топливных элементов в узле пакета топливных элементов может осуществляться наиболее эффективно при локальной температуре топливных элементов в пределах между 450-650°С. Как правило, рабочая температура пакета топливных элементов находится в пределах между 450-650°С. Для эффективной работы пакета топливных элементов желательно нагревать входные потоки окислителя и топлива до температуры, близкой к рабочей температуре пакета топливных элементов, например, находящейся в пределах 0-20%, более предпочтительно в пределах 0-10%, еще более предпочтительно 0-5% от рабочей температуры пакета топливных элементов в °С. Пример такого 1Т-8ОРС представляет собой пакет топливных элементов, содержащий по меньшей мере один топливный элемент на основе оксида церия-гадолиния (ССО) на металлической подложке. Пример такой системы 1Т-8ОРС может иметь по меньшей мере одну теплообменную систему (предварительный нагреватель), способную нагревать поток газообразного окислителя, поступающий в пакет топливных элементов, до температуры примерно 480°С. В некоторых конструкциях систем топливных элементов температура потока газообразного окислителя на выходе из теплообменной системы конструируется так, чтобы она была, по существу, такой, какой должна быть температура потока газообразного окислителя на входе пакета топливных элементов, так что дополнительного теплообмена для потока газообразного окислителя на входе топливного элемента не требуется. В типичной системе 1Т8ОРС нагревательный газ для теплообменной системы может иметь температуру на входе в теплообменную систему примерно 510°С. Из-за низкого теплового потенциала между необходимой температурой (примерно 480°С) потока газообразного окислителя, поступающего в пакет топливных элементов, и температурой нагревательного газа на входе в теплообменную систему примерно 510°С конструкция теплообменника должна быть большой по размеру и иметь большую массу. Пример такой теплообменной системы для системы топливных элементов с выходной электрической мощностью примерно 1 кВт представляет собой узел теплообменника весом примерно 3,5 кг, очень эффективный, но имеющий сложную и дорогую конструкцию.

Теплообменная система для нагрева потока газообразного окислителя для пакета топливных элементов может состоять по меньшей мере из двух узлов теплообменников. По меньшей мере два узла теплообменников могут использовать по меньшей мере два потока газа в системе топливных элементов (например, поток анодного отходящего газа и поток отходящего газа из горелки для остаточного газа) в качестве нагревательной текучей среды для потока газообразного окислителя пакета топливных элементов.

Различные системы теплообменников для осуществления нагрева потоков газа на входе пакета топливных элементов известны из литературы, например из патентов США № 5902692, № 6042956 и Европейского патента ЕР 0580918. Однако такие устройства являются сложными и дорогостоящими, и сложными в производстве, и в частности, они имеют проблемы с осуществлением герметизации для предотвращения смешивания потоков газа и имеют ограниченную площадь поверхности теплообмена.

И8 2005/0089731 описывает систему, имеющую основные признаки пакета твердооксидных топливных элементов, объединенного с предварительным риформером и встроенным теплообменником, где встроенный теплообменник содержит два теплообменника и горелку для отходящих газов пакета 8ОРС, все они заключены в адиабатической емкости.

Тепловая энергия, высвобождаемая из горелки для отходящих газов, используется в качестве источника нагрева в теплообменниках. 8ОРС описывается как имеющий возможность работы при 750°С, хотя формулируется рабочий диапазон 650-850°С. Топливо подвергают предварительному риформингу при температуре от 300 до 600°С (абзац [0063]). В большинстве описанных вариантов осуществления как топливо, так и воздух затем нагревают в одном или нескольких теплообменниках посредством использования тепла от каталитической горелки во встроенном теплообменнике (абзац [0079]) или посредством использования тепла горелки и тепловой энергии от воздуха или топлива, покидающего пакет топливных элементов (абзац [0080]).

Фиг. 21 и 22 показывают ситуацию, где топливный газ вместо того, чтобы непосредственно вводиться в пакет, вводится по периферии пакета для получения дополнительного тепла перед поступлением в сам пакет топливных элементов. Однако конкретные описания этой концепции не дают никаких таких возможностей. Топливо вводится непосредственно из предварительного риформера при 300-600°С (395°С - абзац [0125]) в пространство вокруг пакета топливных элементов перед тем, как топливо поступает в пакет топливных элементов. Пакет топливных элементов требует топлива при температуре 650850°С, вероятнее всего, примерно при 750°С. Описания того, как именно топливо получает достаточную тепловую энергию между выходом из предварительного риформера и поступлением в пакет топливных элементов, нет. Для осуществления повышения температуры больше чем на 100°С топливо должно за

- 2 018452 держиваться в пустотах области пакета в течение достаточного времени, чтобы получить достаточную тепловую энергию, но не приводится предположения или концепции относительно того, как именно это достигается. В дополнение к этому, нет объяснения того, как именно структурируется пустое пространство вокруг пакета и как это пустое пространство делается газонепроницаемым, чтобы остановить газы, выходящие из тепловой изоляции, которая образует адиабатическую емкость. Это не является тривиальным, поскольку высокие температуры и присутствие взрывоопасных газов, содержащих водород, создает значительные инженерные проблемы при обеспечении полной газонепроницаемости в широком диапазоне рабочих температур - иногда это может быть невозможно для газов при более 650°С в пустом пространстве между периферией пакета и тепловой изоляцией адиабатической емкости.

В абзаце [0105] утверждается, что вместо нагрева топлива на периферии пакета топливных элементов, воздух может нагреваться на периферии пакета топливных элементов. Считается, что воздух вводится из воздуходувки непосредственно на периферию пакета топливных элементов. Опять же, это не дает никаких таких возможностей. Во-первых, воздух должен поступать в пустоту по периферии при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и необходимо повысить его температуру по меньшей мере на 600°С. Нет никаких предположений или описания того, как именно это должно быть достигнуто, и если этого не достигается, тогда пакет топливных элементов просто прекращает работу. Тепловой шок, создаваемый на поверхности пакета топливных элементов посредством введения воздуха, при такой разности температур, вызвал бы серьезные локальные механические напряжения, которые могли бы привести либо к отказу пакета, и/либо к потере рабочих характеристик пакета из-за быстрого локального охлаждения активных компонентов топливного элемента в этой области, и/либо к потере целостности газовой герметизации или целостности керамического материала.

Таким образом, заявка на патент США υδ 2005/0089731 имеет отношение к делу, но является фундаментально неполной в своем описании.

Другие ссылки включают Европейский патент ЕР 0377151, патент США № 6670069, патент США № 6866954, заявку на патент США № 2001/0009732 (ЕР 1120845), заявку на патент США № 2003/0235751, заявку на патент США № 2004/0043267, заявку на патент США № 2005/0014046, заявку на патент США № 2005/0074659, заявку на патент США № 2006/0204796, заявку на патент США № 2006/0257696, υδ 6942942 (ЕР 1411571), ϋδ 2003/0235733 (ЕР 1394883), патент США № 7255157 (ЕР 1460367) и УО 2008/104760 (ОБ 2447136).

Кроме того, обнаружено, что пакет топливных элементов, имеющий множество слоев топливных элементов, имеет градиент температуры не только вдоль электрохимически реакционноспособной линии топливного элемента, но также по высоте пакета (определяемой от слоя пакета топливных элементов, самого близкого к опорной пластине, до слоя пакета топливных элементов, самого дальнего от опорной пластины). Является желательным сведение к минимуму изменение температуры по высоте пакета с тем, чтобы каждый топливный элемент работал в целом одинаково.

Большая часть охлаждения пакета достигается либо посредством использования потока окислителя (как правило, потока воздуха) для удаления тепловой энергии из электрохимически активных областей топливного элемента, либо посредством дополнительного использования эндотермической внутренней реакции риформинга для удаления тепла из электрохимически активной области топливного элемента.

Для конструкции пакета топливных элементов ожидается, что температура слоя топливного элемента пакета топливных элементов будут чуть ниже на верхних и нижних концах пакета (по сравнению с центром пакета), поскольку концевые пластины пакета топливных элементов, расположенные рядом с концами пакета топливных элементов, как правило, не генерируют тепла, и таким образом, действуют как стоки тепла, отнимая тепло у соседних слоев топливных элементов пакета топливных элементов. Хотя эффективная конструкция пакета и конструкция окружающей системы может уменьшить эффект теплового стока, по-прежнему имеется заметное воздействие во время работы пакета топливных элементов. Для пакета топливных элементов с открытой коллекторной конструкцией входа для окислителя, обнаружено, что температуры окислителя на входах в конечные слои пакета топливных элементов выше, чем температуры в средине, и обнаружено, что это, прежде всего, результат дополнительного отбора тепла от опорной пластины/концевой пластины пакета топливных элементов.

Для данной конструкции топливного элемента имеется определенный диапазон рабочих температур, где элемент производит оптимальные выходные напряжения и токи. Работа вне этого диапазона температур приводит к получению неоптимальных рабочих характеристик элемента. Разность температур по высоте пакета является важной только тогда, когда разность рабочих температур между одним топливным элементом и другим топливным элементом дает разницу рабочих характеристик элемента для этих элементов, подверженных такому влиянию. Это различие рабочих характеристик элементов может проявляться само по себе как уменьшение выходной электрической мощности пакета топливных элементов в результате изменения температуры по высоте пакета топливных элементов. Таким образом, желательно контролировать разность температур по высоте пакета, чтобы все топливные элементы пакета топливных элементов работали в оптимальном диапазоне температур, и, следовательно, оптимизировать выходную электрическую мощность пакета топливных элементов.

Одним из путей достижения этого является контроль температур на входе для окислителя и на вхо

- 3 018452 де для топлива для каждого топливного элемента в пакете. Однако на практике экономичная конструкция пакета для массового производства приводит к использованию общего введения окислителя и топлива в большое количество элементов в пакете топливных элементов - непрактично предусматривать отдельный вход для окислителя в каждом топливном элементе. Пример системы входа для окислителя для пакета топливных элементов представляет собой общий входной коллектор для текучих сред в конструкции пакета топливных элементов с внутренним коллектором. При использовании такой коллектор будет иметь различные температуры вдоль его длины из-за краевых тепловых эффектов для пакета. Если разность температур коллектора приводит к тому, что температура поступления текучих сред в топливные элементы является такой, что рабочая температура определенных элементов находится вне этого эффективного рабочего диапазона, тогда эффективность работы и электрическая выходная мощность пакета в целом будут подвергаться ее влиянию.

Альтернативный способ заключается в создании конструкций топливных элементов по отдельности для каждой из различных рабочих температур пакета. Этот подход является нежелательным, когда используют массовый экономичный подход для производства топливных элементов и для производства узлов пакетов топливных элементов, где одна и та же конструкция топливного элемента предпочтительно используется во всем пакете топливных элементов.

Другой подход заключается в использовании множества входов для окислителя в пакет топливных элементов, при этом конструируются различные входы для введения окислителя при различных температурах. Это является нежелательным, поскольку это повышает сложность пакета топливных элементов и сложность производства узлов пакетов топливных элементов, а также приводит к дополнительному усложнению управления работой пакета топливных элементов.

Настоящее изобретение пытается преодолеть недостатки, известные из литературы.

В соответствии с настоящим изобретением предусматривается узел пакета среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, содержащий:

(ί) опорную пластину;

(ίί) кожух, герметично соединенный с указанной опорной пластиной и образующий объем кожуха между указанной опорной пластиной и указанным кожухом;

(ш) по меньшей мере один пакет среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, установленный на указанной опорной пластине и заключенный внутри указанного кожуха;

(ίν) по меньшей мере один вход для газа, образующий по меньшей мере одну точку входа для газа в указанном объеме кожуха; и (ν) предварительный нагреватель, расположенный снаружи указанного объема кожуха и в сообщении по текучей среде с источником окислителя и указанным по меньшей мере одним входом для газа и адаптированный для подачи окислителя от указанного источника окислителя в указанный объем кожуха через указанный вход для газа, каждый пакет топливных элементов содержит по меньшей мере три слоя пакета топливных элементов, каждый слой пакета топливных элементов содержит по меньшей мере один среднетемпературный твердооксидный топливный элемент, каждый топливный элемент определяет конец входа для окислителя и конец выхода для отработанного окислителя, указанный по меньшей мере один пакет топливных элементов имеет:

(a) по меньшей мере один открытый коллекторный вход для газа, определяющий открытый коллекторный конец указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов; и (b) по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для газа, указанная по меньшей мере одна точка входа для газа в указанный объем кожуха располагается на удалении от указанного открытого коллекторного конца указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов, так что при использовании окислитель поступает в указанный объем кожуха через указанный по меньшей мере один вход для газа и проходит снаружи вокруг указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов в указанный по меньшей мере один открытый коллекторный вход для газа, при этом происходит прямой теплоперенос между указанным окислителем и наружной поверхностью указанных слоев пакета топливных элементов перед поступлением указанного окислителя в указанный открытый коллекторный вход для газа, указанный предварительный нагреватель конфигурируется так, что при использовании окислитель из указанного источника окислителя нагревается и подается в указанный объем кожуха через указанный по меньшей мере один вход для газа при температуре, которая не более чем на 100°С ниже используемой рабочей температуры на входном конце топливного элемента, самом близком по меньшей мере к одному открытому коллекторному входу для газа, где указанный по меньшей мере один пакет среднетемпературных твердооксидных топливных элементов определяет высоту X, измеряемую от слоя пакета топливных элементов, самого близкого к указанной опорной пластине, до слоя пакета топливных элементов, самого дальнего от указанной опорной пластины, и где указанная по меньшей мере одна точка входа для газа располагается на высоте Υ над указанным слоем пакета топливных элементов, самым близким к указанной опорной пластине, где 0,25Χ<Υ<0,75Χ.

Предпочтительно по меньшей мере один пакет топливных элементов содержит по меньшей мере 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 или 80 слоев пакета топливных элементов.

По меньшей мере одна точка входа для газа представляет собой точку, в которой при использова

- 4 018452 нии газообразный окислитель поступает в объем кожуха так, что он может смешиваться с имеющимся окислителем, содержащимся внутри объема кожуха, и может проходить снаружи вокруг по меньшей мере одного пакета топливных элементов по меньшей мере в один открытый коллекторный вход для газа.

Предпочтительно узел пакета топливных элементов не содержит никакой дополнительной точки входа для газа в объем кожуха, расположенной на высоте Υ над указанным слоем пакета топливных элементов, самым близким к указанной опорной пластине, где Υ<0,25Χ или Υ>0,75Χ, и конфигурируется, чтобы при использовании позволить окислителю поступать в объем кожуха при такой же или по существу при такой же температуре, как у окислителя, поступающего в объем кожуха по меньшей мере из одной точки входа для газа, расположенной на высоте Υ, где 0,25Χ<Υ<0,75Χ. Эксперименты показывают, что там, где точки входа для газов предусматриваются на высоте по вертикали, где Υ<0,25Χ или Υ>0,75Χ, улучшенные профили температуры, наблюдаемые с помощью настоящего изобретения, не достигаются.

Обнаружено, что у узла пакета топливных элементов из среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (1Т-8ОЕС), работающего в диапазоне 450-650°С, разность между температурой окислителя на открытых коллекторных входах для газа, где (ί) Χ=0 и Χ=1 (слои пакета топливных элементов, ближайший и самый дальний от опорной пластины) и (ίί) Χ=0,5 (средние слои узла пакета топливных элементов) может изменяться вплоть до 40°С. Очевидно, что это является нежелательным.

Как подробно поясняется ниже и показано на фиг. 10, условия использования по меньшей мере одной точки входа для газа в требуемом вертикальном положении значительно уменьшает разброс температуры по меньшей мере на одном открытом коллекторном входе для газа. Это является особенно очевидным для слоев пакета топливных элементов, самого близкого и самого дальнего от опорной пластины, где отклонение от идеальной температуры входа значительно уменьшается, а в некоторых вариантах осуществления уменьшается более чем наполовину.

Это уменьшение разности температур окислителя по меньшей мере на одном открытом коллекторном входе для газа делает возможными значительные улучшения рабочих характеристик пакета топливных элементов с точки зрения эффективности работы и электрической выходной мощности, а также может помочь в увеличении срока ее службы посредством уменьшения разности температур между соседними топливными элементами и по высоте пакета топливных элементов, и таким образом, уменьшить механические напряжения на индивидуальных топливных элементах.

Как результаты моделирования, так и экспериментальные данные для изменяющихся значений Υ, подтверждают, что улучшения профиля температуры реальны, когда 0,25Χ<Υ<0,75Χ, и что это приводит к заметному улучшению рабочих характеристик узла пакета топливных элементов, в частности, когда Υ составляет примерно 0,5Χ, тогда разности температуры окислителя на открытых коллекторных входах для газа при (ί) и (ίί) (выше) могут уменьшаться до менее чем 10°С.

Таким образом, предпочтительно 0,3Χ<Υ<0,7Χ. Более предпочтительно 0,35Χ<Υ<0,65Χ. Более предпочтительно 0,4Χ<Υ<0,6Χ. Более предпочтительно 0,45Χ<Υ<0,55Χ. Еще более предпочтительно Υ составляет примерно 0,5Χ.

Предпочтительно предварительный нагреватель представляет собой пассивное теплообменное устройство. Более предпочтительно предварительный нагреватель конструируется так, что текучая среда, отдающая тепловую энергию через теплообменник, представляет собой отработанный поток от узла пакета топливных элементов или составляющую его часть, например, от отработанного потока из риформера, в вариантах осуществления, включающих риформер, или от горелки для остаточных газов, и текучая среда, отбирающая тепловую энергию вдоль теплообменника, представляет собой газообразный окислитель.

Настоящее изобретение пытается достичь ряда значительных преимуществ посредством получения при использовании в объеме кожуха заданного диапазона температур окислителя и достижения нагрева в объеме кожуха. Во-первых, оно пытается сделать возможным значительное уменьшение размера и массы компонента предварительного нагревателя, используемого для нагрева окислителя перед его поступлением в пакет топливных элементов, в свою очередь, уменьшая размер и стоимость конечного продукта. Посредством получения окислителя в объеме кожуха вдали от открытого коллекторного конца по меньшей мере одного пакета топливных элементов и предоставления возможности окислителю для охлаждения поверхности по меньшей мере одного пакета топливных элементов и, в свою очередь, для нагрева окислителя, настоящее изобретение пытается вызвать значительное уменьшение градиента температуры по высоте по меньшей мере одного пакета топливных элементов, в свою очередь, повышая его эффективность и уменьшая механические напряжения, и увеличивая срок службы. Этого не предлагалось и не описывалось в литературе.

В противоположность примеру, приведенному выше для теплообменной системы, необходимой для системы топливных элементов с электрической выходной мощностью приблизительно 1 кВт, если необходимая температура потока газообразного окислителя пакета топливных элементов, покидающего теплообменную систему, уменьшается примерно от 480 примерно до 455°С, увеличение теплового потенциала между текучими средами теплообмена означает, что необходимая эффективность теплообменной

- 5 018452 системы может значительно понижаться, а сложность, стоимость и масса, соответственно, уменьшаются. В примере системы топливных элементов с электрической выходной мощностью 1 кВт, приведенном выше, масса может быть уменьшена примерно до 2,5 кг, это уменьшение почти на 30%. Подобным же образом, физические размеры такой теплообменной системы также могут существенно уменьшаться, это другая в высшей степени желательная особенность в любом узле системы пакета топливных элементов, где часто идет борьба за пространство и массу.

При использовании, пакет топливных элементов, содержащий по меньшей мере один топливный элемент, генерирует тепло, электричество и воду посредством электрохимической активности, которая осуществляется в топливном элементе (элементах). Из-за внутреннего электрического сопротивления компонентов пакета топливных элементов имеется дополнительное тепло, генерируемое, когда электрический ток протекает через компоненты пакета топливных элементов. Это означает, что температура топливного элемента и окружающих компонентов топливных элементов увеличивается вдоль пути потока газа от входа (входов) до выхода (выходов).

Таким образом, часто наблюдается, что температура на входном конце пути потока газа (текучей среды) в пакете топливных элементов ниже, чем на выходном конце для газа (текучей среды). Эта разность температур генерирует градиент температуры вдоль пути потока газов и приводит к возникновению различия температур в пакете топливных элементов и его компонентах, между концами входа и выхода потока газов. Таким образом, наружная поверхность пакета топливных элементов может иметь различные температуры на своем входном конце пути потока газа (например, на открытом коллекторном входном конце) и на своем выходном конце (например, внутреннем коллекторном выходном конце).

Желательно свести к минимуму температурные градиенты внутри пакета топливных элементов, чтобы сделать возможной и оптимизировать эффективную работу пакета топливных элементов. Уменьшение градиентов температуры в пакете топливных элементов и, таким образом, в слоях пакета топливных элементов, уменьшает термически индуцируемые механические напряжения на компонентах пакета топливных элементов. Таким образом, сведение к минимуму градиента температуры по высоте электрохимически активной области топливного элемента является не только выгодным для эффективности и рациональности работы топливного элемента, но также может уменьшить сложность системы, уменьшить общую стоимость системы и может привести к получению более надежной системы.

Предпочтительно узел пакета топливных элементов не содержит предварительного нагревателя для газа на входе или теплообменной системы, расположенной внутри указанного объема кожуха. В частности, предпочтительно, чтобы кожух и/или опорная пластина не содержали поверхности теплообмена теплообменника, имеющего при использовании холодную сторону во внутреннем пространстве объема кожуха, а горячую сторону при использовании, находящуюся вне объема кожуха и в тепловом сообщении с выходом для текучих среда узла пакета топливных элементов, в частности, с выходом пакета топливных элементов на стороне окислителя. Наиболее предпочтительно такой предварительный нагреватель для газа на входе, расположенный внутри указанного объема кожуха, не является предварительным нагревателем для окислителя.

Предпочтительно предварительный нагреватель конфигурируется так, что при использовании окислитель из указанного источника окислителя нагревается и подается в указанный объем кожуха через указанный по меньшей мере один вход для газа при температуре не более чем на 80°С, более предпочтительно не более чем на 70°С, более предпочтительно не более чем на 60°С, более предпочтительно не более чем на 50°С ниже используемой рабочей температуры на входном конце топливного элемента, самого близкого по меньшей мере к одному открытому коллекторному входу для газа.

Как будет понятно, с помощью узла пакета топливных элементов, работающего в различных режимах (например, запуска, стационарной работы и тому подобное), возможно, чтобы предварительный нагреватель подавал окислитель в объем кожуха при температуре, большей, чем используемая рабочая температура на входном конце топливного элемента, самом близком по меньшей мере к одному открытому коллекторному входу для газа.

Предпочтительно указанный по меньшей мере один пакет топливных элементов дополнительно содержит по меньшей мере один внутренний коллекторный вход для топлива.

Предпочтительно указанный пакет топливных элементов дополнительно содержит по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для отработанного топлива.

В определенных вариантах осуществления по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для газа содержит по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для смеси отработанного топлива и окислителя.

Под прямым теплопереносом подразумевается, что окислитель непосредственно вступает в контакт с наружной поверхностью по меньшей мере одного пакета топливных элементов. В частности, эта наружная поверхность может содержать боковые стороны слоев пакета топливных элементов. Наружная поверхность может также содержать боковые стороны дополнительных компонентов пакета топливных элементов, таких как пластины для взаимного соединения, прокладки слоев пакета или непроводящие прокладки.

Таким образом, прямой теплоперенос осуществляется из наружного пространства по меньшей мере

- 6 018452 одного пакета топливных элементов к окислителю, проходящему поверх него, и он может достигать конечного необходимого нагрева окислителя перед его поступлением по меньшей мере в один пакет топливных элементов.

По меньшей мере одна точка входа для газа в объем кожуха располагается на удалении от открытого коллекторного конца по меньшей мере одного пакета топливных элементов.

Предпочтительно по меньшей мере одна точка входа для газа в объеме кожуха располагается на конце по меньшей мере одного пакета топливных элементов, противоположном по отношению к открытому коллекторному концу. Там, где имеется несколько открытых коллекторов по меньшей мере в одном пакете топливных элементов, по меньшей мере одна точка входа для газа в объеме кожуха может располагаться на удалении и, как правило, на равном расстоянии от открытых коллекторов.

В определенных вариантах осуществления по меньшей мере один вход для газа содержит один вход для газа. В альтернативных вариантах осуществления по меньшей мере один вход для газа содержит множество входов для газа.

В определенных вариантах осуществления по меньшей мере один вход для газа располагается в опорной пластине. В альтернативных вариантах осуществления по меньшей мере один вход для газа располагается в кожухе. В альтернативных вариантах осуществления входы для газа располагаются как в кожухе, так и в опорной пластине. Для различных вариантов осуществления, положений и количеств входов для газа и точек входов для газа узел пакета топливных элементов предпочтительно дополнительно содержит по меньшей мере одну перегородку, деталь или компонент, расположенные в сообщении по текучей среде по меньшей мере с одним входом для газа, для облегчения распределения желаемых текучих сред, для газа, поступающего в объем кожуха от входа для газа. В частности, в вариантах осуществления, где по меньшей мере один вход для газа располагается в опорной пластине, может предусматриваться коллектор или компонент, чтобы помочь распределению, при использовании входного потока газа по всей горячей поверхности узла пакета топливных элементов, помогая, таким образом, исключить любые области застоя потока текучих сред в объеме кожуха, а также помогая исключить избыточное нежелательное каналирование потока газа. Распределение входного потока газа может, таким образом, конструироваться с учетом неравномерного распределения температуры пакета топливных элементов.

Кожух размещается так, чтобы он заключал в себе по меньшей мере один пакет топливных элементов с пространством зазора по меньшей мере между одним пакетом топливных элементов и внутренней поверхностью кожуха.

Предпочтительные варианты осуществления показаны ниже, и посредством расположения входа для газа в объеме кожуха на удалении от открытого коллекторного конца по меньшей мере одного пакета топливных элементов при использовании входной газ заставляют протекать вокруг наружной поверхности по меньшей мере одного пакета топливных элементов перед тем, как он достигнет открытого коллекторного конца, на котором он может поступать по меньшей мере на один открытый коллекторный вход для газа и проходить по меньшей мере в один топливный элемент.

Эта система позволяет теплообмен по меньшей мере между одним пакетом топливных элементов и входным газом на увеличенной площади поверхности по сравнению с устройствами, известными из литературы, и, таким образом, позволяет конечное желательное увеличение температуры посредством простой и удобной конструкции узла пакета топливных элементов.

В дополнение к этому, поскольку по меньшей мере одна точка входа для газа в объеме кожуха располагается на удалении по меньшей мере от одного открытого коллекторного конца, по меньшей мере одного пакета топливных элементов, как правило, она будет располагаться вблизи по меньшей мере одного выходного конца для газа, по меньшей мере одного пакета топливных элементов, который при работе, как правило, представляет собой область с самой высокой температурой по меньшей мере одного пакета топливных элементов. Тепловой потенциал между окислителем, поступающим через точку входа для газа в объем кожуха, и соседней частью по меньшей мере одного пакета топливных элементов по этой причине будет высоким, и скорость теплообмена будет высокой, это означает, что теплообмен будет иметь место при относительно высокой скорости. Поскольку газ в объеме кожуха нагревается и протекает в направлении более холодного открытого коллекторного конца по меньшей мере одного пакета топливных элементов, тепловой потенциал между окислителем и соседней частью по меньшей мере одного пакета топливных элементов будет ниже, и, таким образом, скорость теплообмена будет ниже и будет иметь место меньший теплообмен. В целом, это означает, что меньший теплообмен будет осуществляться на более холодном открытом коллекторном конце по меньшей мере одного пакета топливных элементов и что больший теплообмен будет осуществляться на более горячем отдаленном конце, что означает, что градиент температуры по высоте пакета топливных элементов может уменьшаться.

Предпочтительно по меньшей мере один пакет топливных элементов и кожух располагаются так, что при использовании поток окислителя из входа для газа в объем кожуха на открытом коллекторном конце по меньшей мере одного пакета топливных элементов осуществляется, прежде всего, вокруг боковых сторон по меньшей мере одного пакета топливных элементов, а не над верхней частью по меньшей мере одного пакета топливных элементов.

- 7 018452

Например, по меньшей мере один пакет топливных элементов и кожух могут иметь такие размеры, что определяется узкий зазор между верхней частью по меньшей мере одного пакета топливных элементов и кожухом, так что при использовании он ограничивает поток окислителя по верхней части по меньшей мере одного пакета топливных элементов. Альтернативно, может предусматриваться стенка вокруг периметра верхней части по меньшей мере одного пакета топливных элементов для создания уплотнения между ним и кожухом и блокирования потока окислителя. Предпочтительно такая стенка является термически изолированной для уменьшения или сведения к минимуму теплопереноса по меньшей мере от одного пакета топливных элементов к кожуху. Альтернативно, термически изолированный блок может предусматриваться поверх по меньшей мере одного пакета топливных элементов, между ним и кожухом, с тем, чтобы уменьшить или предотвратить протекание окислителя по верхней части по меньшей мере одного пакета топливных элементов. Предпочтительно такой термоизолирующий блок вступает в контакт с кожухом таким образом, чтобы осуществлять уплотнение между по меньшей мере одним пакетом топливных элементов и кожухом и предотвратить протекание окислителя поверх пакета топливных элементов. Альтернативно, кожух может вступать в контакт с верхней частью пакета топливных элементов с тем, чтобы осуществить уплотнение по меньшей мере между одним пакетом топливных элементов и кожухом и предотвратить протекание окислителя поверх пакета топливных элементов.

По меньшей мере один пакет топливных элементов предпочтительно содержит концевую пластину, расположенную поверх него, и такая концевая пластина может иметь такую форму и размеры, чтобы контролировать поток окислителя поверх по меньшей мере одного пакета топливных элементов, например, с помощью лопастей, штырьков, стенок или предметов, которые могут влиять при использовании на поток текучей среды.

Это может быть особенно преимущественным при уменьшении градиента температуры между центром и концами пакета топливных элементов. Пакет топливных элементов, состоящий из ряда слоев пакета топливных элементов и, таким образом, из ряда топливных элементов, будет работать с повышенной эффективностью, если градиент температуры между элементами вдоль направления пакетирования сводится к минимуму. Для этого уменьшение потерь тепла от концевых пластин пакета топливных элементов в верхней и нижней части пакета топливных элементов, как показано, представляет собой значительное преимущество. Таким образом, сведение к минимуму потока окислителя в объеме кожуха поверх концевых пластин пакета топливных элементов будет помогать достижению этой цели посредством уменьшения количества тепла, отбрасываемого от концевой пластины в окислитель в объеме кожуха. Поток поверх верхней концевой пластины может сводиться к минимуму посредством использования физического барьера между концевой пластиной и кожухом, который может состоять из термоизолирующего материала.

При использовании пакет топливных элементов генерирует существенное количество тепла, которое должно удаляться, чтобы сделать возможным эффективную электрохимическую работу топливного элемента. Входной газ, поступающий по меньшей мере в один пакет топливных элементов, играет важную роль в осуществлении охлаждения внутри пакета. Как правило, это достигается посредством прохождения избыточного объема окислителя (например, имеющего молярный объем кислорода, превышающий по меньшей мере, например, в 2, 3, 4, 8, 10, 12, 15 или 20 раз объем, необходимый для окисления топлива) через пакет топливных элементов. Однако это, в свою очередь, требует расхода энергии, например, на воздуходувках, для прохождения окислителя через узел системы пакета топливных элементов, и таким образом, любое улучшение общего теплообмена по меньшей мере от одного пакета топливных элементов до входа газа, в частности, для окислителя, может уменьшить объем газа, необходимый для осуществления требуемого теплообмена и, в свою очередь, может уменьшить потребление энергии узла системы пакета топливных элементов. Использование наружной поверхности по меньшей мере одного пакета топливных элементов в качестве поверхности теплообмена может быть дополнительно преимущественным при получении повышенной величины теплообмена для каждого единичного объема газа на входе и, таким образом, при уменьшении количества необходимого газа на входе.

Герметичное соединение основания кожуха и опорной пластины предпочтительно достигается с помощью сварки, пайки или склеивания. Предпочтительно узел пакета топливных элементов дополнительно содержит термоизолирующий материал, расположенный между опорной пластиной и кожухом. Предпочтительно он принимает форму прокладки, и, таким образом, прокладка может размещаться между кожухом и опорной пластиной, и для получения необходимой герметизации применяются средства сжатия прокладки. Такая прокладка предпочтительно представляет собой термоизолирующую и газонепроницаемую прокладку, такую как вермикулитовая прокладка или вайтоновая прокладка. Таким образом, кожух может изолироваться от теплообмена по меньшей мере с одним пакетом топливных элементов через опорную пластину.

Предпочтительно кожух снабжают изолирующим материалом, расположенным по меньшей мере на одной из его внутренних и наружных поверхностей. Они действуют для дополнительной изоляции кожуха от теплопереноса по меньшей мере от одного пакета топливных элементов, а также действуют для уменьшения теплопереноса от кожуха к другим компонентам, внешним по отношению к нему.

Для дополнительного увеличения потока газа внутри объема кожуха, вход для газа в объем кожуха

- 8 018452 предпочтительно снабжается по меньшей мере одной перегородкой.

Предпочтительно (и как подробно объясняется ниже) кожух снабжается по меньшей мере одной перегородкой, простирающейся в объем кожуха, по меньшей мере одна перегородка имеет такую форму и размеры, чтобы контролировать поток текучих сред внутри объема кожуха. В частности, по меньшей мере одна перегородка может предотвращать протекание текучих сред, осуществляемое поверх по меньшей мере одного пакета топливных элементов.

Альтернативно, кожух может снабжаться по меньшей мере одной дополнительной поверхностной деталью, такой как ребро или штырек, для управления направлением потока текучей среды и/или для облегчения потока текучей среды вокруг по меньшей мере одного пакета топливных элементов, но не поверх по меньшей мере одного пакета топливных элементов.

Как отмечено выше, по меньшей мере один пакет топливных элементов и кожух предпочтительно имеют такие размеры, чтобы контролировать поток текучей среды внутри объема кожуха, предпочтительно для облегчения протекания текучих сред вокруг примерно по меньшей мере одного пакета топливных элементов, а не поверх него.

Когда кожух изготавливают как штампованное изделие, угол протяжки может использоваться для определения соответствующих поверхностных деталей в кожухе для осуществления управления потоком текучих сред при использовании.

По меньшей мере одна перегородка предпочтительно конструируется так, чтобы направлять поток газа вблизи по меньшей мере одной поверхности пакета топливных элементов.

Для дополнительного облегчения теплопереноса от наружной поверхности по меньшей мере одного пакета топливных элементов или составляющих его деталей могут предусматриваться дополнительные детали, включая, например, выступы, такие как пластины, штырьки или лопасти, например, простирающиеся из слоев пакета топливных элементов (предпочтительно содержащего по меньшей мере один топливный элемент), обеспечивая дополнительную площадь поверхности, через которую может иметь место теплообмен, и/или для облегчения создания турбулентности потока газа вблизи поверхности по меньшей мере одного пакета топливных элементов для улучшения теплопереноса.

Зазор между кожухом и по меньшей мере одним пакетом топливных элементов или его составляющими деталями, или любым выступом из него, или деталью его поверхности предпочтительно располагается таким образом, чтобы усилить поток газа и, таким образом, теплоперенос через эту деталь.

Предпочтительно по меньшей мере одна формованная форма предусматривается на конце по меньшей мере одного слоя пакета топливных элементов для облегчения создания турбулентности в потоке газа.

Предпочтительно внутренняя поверхность кожуха снабжается материалом, поглощающим или адсорбирующим серу, для удаления при использовании серы из окислителя перед его поступлением по меньшей мере в один открытый коллекторный вход для газа. Например, для захвата остаточной серы, для применения при получении вспомогательной мощности для моторизованных транспортных средств, материал, поглощающий или адсорбирующий серу, может захватывать серу при уровнях, связанных с работой системы топливных элементов в загрязненном городском воздухе.

Предпочтительно внутренняя поверхность кожуха снабжается материалом, адсорбирующим или поглощающим Сг, например в форме покрытия, для удаления при использовании любых частиц хрома из исходных материалов окислителя, уменьшая, таким образом, возможность отравления Сг катода топливного элемента.

Предпочтительно объем кожуха, по меньшей мере, частично заполнен теплопроводящей сеткой, сетью из волокон или материалом наполнителя, который при использовании усиливает теплоперенос по меньшей мере между одним пакетом топливных элементов и газом. Более предпочтительно такой материал не проводит электричества. Еще более предпочтительно его покрывают по меньшей мере одним материалом из материала, поглощающего серу, и материала, адсорбирующего серу.

Предпочтительно для дополнительного улучшения рабочих характеристик по меньшей мере одного пакета топливных элементов топливо на входе также нагревают перед его поступлением по меньшей мере в один пакет топливных элементов. Предпочтительно это достигается посредством прохождения потока отработанного топлива вдоль внутреннего коллекторного выхода для топлива в теплообменник газ-газ и по меньшей мере один конденсорный теплообменник для удаления паров воды и извлечения тепла. Высушенный теперь поток отработанного топлива, таким образом, содержит непрореагировавший топливный газ, и тепловая энергия, сохранившаяся в неиспользованной химической энергии, извлекается посредством прохождения его в горелку, где он смешивается с потоком отработанного окислителя, который проходит вдоль внутреннего коллекторного выхода для окислителя, и сгорает. Это создает высокотемпературный отходящий газ из горелки, который затем предпочтительно используют для получения источника тепла для нагрева топлива на входе. В определенных вариантах осуществления эту тепловую энергию используют для поддержки эндотермического парового риформинга топлива на входе. Затем отходящий газ из горелки предпочтительно проходит в узел генератора пара для генерирования водяного пара, необходимого для эндотермического парового риформинга, перед поступлением в необязательный узел пусковой горелки, а затем поступлением в предварительный нагреватель.

- 9 018452

Когда предусматривается такое множество стадий теплообмена, является особенно преимущественным и желательным термически согласовать друг с другом настолько много из них, насколько это возможно. Например, создание указанных выше узлов теплообмена и химической реакции в виде по меньшей мере одного объединенного узла обеспечивает уменьшение размеров узла системы пакета топливных элементов. Например, объединенные генератор пара, риформер топлива и охладитель риформата могут предусматриваться в одном узле. Такое устройство или устройства предпочтительно присоединяются непосредственно с нижней стороны опорной пластины, противоположной стороне пакета топливных элементов. Таким образом, длина путей для газа значительно уменьшается, и соединения газовых труб сводятся к минимуму, уменьшая количество деталей и риск протечки соединений и упрощая узел системы.

Предпочтительно по меньшей мере один пакет топливных элементов представляет собой пакет среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (1Т-8ОРС) на металлической подложке, более предпочтительно таких, как рассмотрено в патенте США № 6794075.

Предпочтительно кожух изготавливается по меньшей мере из одного слоя пластика, керамики или металла, или смеси по меньшей мере двух из этих материалов, например, как металлический кожух, покрытый пластиком. Более предпочтительно, его изготавливают из нержавеющей стали, например формуют с помощью глубокого штампования, изгиба и сварки, пайки или литья. Для применений в низкотемпературных топливных элементах кожух предпочтительно получают литьем под давлением из соответствующего материала пластика.

Предпочтительно кожух термически изолируют, по меньшей мере, либо изнутри, либо снаружи, более предпочтительно снаружи. Соответствующие изолирующие слои включают, но, не ограничиваясь этим, такие, которые навиваются или формуются в соответствии с формой кожуха, или могут изготавливаться из нескольких слоев и нескольких изолирующих материалов. Предпочтительно для системы топливных элементов, работающих при промежуточной или высокой температуре, создается один слой изоляции, содержащий РготаНдй! (К.ТМ) (Ргота! ИК Ытйеб, Вгаскпе11, ИК; \\л\л\\ргота1.со.ик).

Альтернативно, создается многослойная изоляция, содержащая первый относительно объемный внутренний слой, способный выдерживать рабочую температуру (например, изоляция, поставляемая М1сгоШегт 1пс. (ΤΝ, И8А)), и второй, более тонкий наружный слой, содержащий Акреп Аегоде1 (Акреп ЛегодеН 1пс., МА, И8А), способный выдерживать рабочие условия снаружи первого или внутреннего изолирующего слоя (слоев).

В целом, эти возможности изоляции могут обеспечить конкретные преимущества уменьшения общего объема изоляции, в то же время обеспечивая изоляцию, способную выдерживать температуры вне диапазона рабочих температур изоляции наружного слоя.

Определенные варианты осуществления конструкции системы позволяют осуществление нагрева окислителя с использованием предварительного нагревателя, запитываемого горячими газами от горелки для остаточных газов и/или от процесса риформинга топлива. Однако подача тепла от таких источников включает в себя некоторую задержку по времени, и эффективная работа предварительного нагревателя тесно связана с общей работой узла пакета топливных элементов.

Желательным является включение контролируемой возможности нагрева для уменьшения или развязки этого взаимоотношения тесно сопряженного теплообмена. Такая контролируемая возможность нагрева может достигаться с использованием электрического нагревателя.

Обнаружено, что имеется несколько недостатков при расположении электрического нагревателя вне объема кожуха.

Когда электрическое нагревательное устройство представляет собой часть предварительного нагревателя, который является внешним по отношению к объему кожуха (например, предварительный нагреватель, содержащий теплообменник), проблемы включают увеличенные потери тепла, возникающие изза наличия прохода (обычно трубы) между предварительным нагревателем и по меньшей мере одной опорной пластиной пакета топливных элементов, необходимость в дополнительных деталях у предварительного нагревателя для эффективного направления потока окислителя поверх электрического нагревательного устройства (которое добавляет сложности в конструкцию предварительного нагревателя), дополнительную стадию изготовления предварительного нагревателя (которая может ограничивать температуры, доступные для пайки предварительного нагревателя во время изготовления предварительного нагревателя или ограничивать операции сварки), добавление сложности в конструкцию предварительного нагревателя с учетом увеличения риска протечки окислителя при работе электрических проводов от электрического нагревательного устройства вне узла предварительного нагревателя и добавление точки потенциально высокотемпературного источника тепла в узел предварительного нагревателя.

Расположение электрического нагревательного устройства в проходе для окислителя между предварительным нагревателем и кожухом пакета топливных элементов также является проблематичным. Хотя расположение электрического нагревательного устройства в проходе будет приводить к получению хорошего переноса тепловой энергии в окислитель, проход должен конструироваться так, чтобы соответствовать нагревателю, а также, чтобы позволить электрическим соединениям выходить из прохода эффективным путем, который не создает пути для утечки. Такая конструкция прохода, вероятно, будет

- 10 018452 иметь значительно больший объем упаковки по сравнению с такой же конструкцией прохода без требования размещения в нем электрического нагревательного устройства. Это увеличение размера упаковки может иметь значительное влияние на упаковку узла пакета топливных элементов и на его сборку при производстве. В дополнение к этому, увеличение размера прохода для приведения его в соответствие с электрическим нагревательным устройством увеличивает поверхность потери тепла для прохода, накладывая дополнительные конструкционные ограничения и ухудшая потенциально эффективность работы такого подхода.

Размещение электрического нагревательного устройства внутри общего объема кожуха устраняет некоторые из недостатков или все их. Однако эффективно направлять поток окислителя на такое электрическое нагревательное устройство сложно, что приводит к понижению эффективности нагрева. Изготовление электрического нагревательного устройства как части кожуха или установка его на кожухе увеличивает потери тепла с поверхности кожуха.

Настоящее изобретение дополнительно пытается преодолеть эти недостатки.

Предпочтительно узел пакета топливных элементов дополнительно содержит электрическое нагревательное устройство по меньшей мере в одном входе для газа или находится в прямом тепловом сообщении с ним, и содержится внутри объема кожуха или на кожухе, или на опорной пластине, то есть электрическое нагревательное устройство не располагается вне кожуха или на опорной пластине вне объема кожуха.

Обнаружено, что создание электрического нагревательного устройства таким образом может быть исключительно преимущественным. В частности, это тот случай, когда предварительный нагреватель представляет собой пассивный предварительный нагреватель.

Таким образом, электрическое нагревательное устройство может содержаться полностью внутри входа для газа, располагаться до точки входа для газа и, включая ее или электрическое нагревательное устройство, может образовывать составляющую деталь на конце входа для газа внутри объема кожуха и определять по меньшей мере одну точку входа для газа.

Предпочтительно также предусматриваются средства управления для электрического нагревательного устройства. Средства управления для электрического нагревательного устройства хорошо известны в данной области и будут очевидны специалисту в данной области.

Предпочтительно устройства конфигурируются так, что электрическое нагревательное устройство обеспечивает тепловой энергией пакет топливных элементов, так что пакет топливных элементов достигает нижней границы своего диапазона рабочих температур, предпочтительно в диапазоне от 400 до 450°С после того, как риформер достигает своей рабочей температуры и производит риформат, более предпочтительно непосредственно после того, как риформер достигает своей рабочей температуры и производит риформат.

В определенных вариантах осуществления по меньшей мере один вход для газа проходит в объем кожуха через опорную пластину, а в других вариантах осуществления по меньшей мере один вход для газа проходит в объем кожуха через кожух.

При использовании создание электрического нагревательного устройства позволяет получение вспомогательного нагрева для входного потока окислителя, при необходимости, например:

когда рабочие характеристики предварительного нагревателя деградируют;

когда рабочая окружающая среда узла системы пакета топливных элементов является субоптимальной, например;

когда температура окислителя на входе является слишком низкой (например, когда в качестве окислителя используют холодный воздух из окружающей среды); или где окислитель на входе является слишком влажным (например, когда в качестве окислителя используют влажный воздух из окружающей среды);

когда изменяется отношение водяной пар:углерод (например, когда используют топливо, которое приводит к увеличению отношения водяной пар:углерод);

когда необходим быстрый запуск или повышение температуры пакета топливных элементов (например, в случаях, когда окислитель, протекающий на вход для газа, находится или должен находиться при температуре более чем на 100°С ниже, чем рабочая температура входного конца топливного элемента, самого близкого по меньшей мере к одному открытому коллекторному входу для газа при использовании);

при работе на малых оборотах или когда нет никакой электрохимической активности топливных элементов (то есть когда узел пакета топливных элементов выключен или находится в режиме ожидания), чтобы облегчить быстрый запуск.

Посредством расположения электрического нагревательного устройства по меньшей мере в одном входе для газа, как определено выше, могут быть сведены к минимуму ограничения на размещения конструкции и на упаковку.

В частности, пространство, занимаемое электрическим нагревательным устройством, находится внутри других

- 11 018452 составляющих деталей и, таким образом, уже определено внутри объема кожуха;

может иметься хороший перенос тепловой энергии при использовании от электрического нагревательного устройства к окислителю;

электрическое нагревательное устройство может иметь очень низкую тепловую инерцию и может по этой причине быть в высшей степени контролируемым и чувствительным, когда имеется потребность в увеличении или уменьшении выходной тепловой энергии от электрического нагревательного устройства;

провода для электрического нагревательного устройства могут легко соединяться со схемой управления через опорную пластину, и это может достигаться с использованием электрических соединений, сходных с теми, которые используются в других местах узла системы пакета топливных элементов, например с электрическими соединениями, сконструированными для переноса электрической энергии пакета топливных элементов через опорную пластину.

Предпочтительно электрическое нагревательное устройство содержит спираль электрического нагревателя, например спираль, изготовленную в основном из металла Νί/Сг или Νί/Си или из подобных материалов. Например, электрическое нагревательное устройство может содержать электрическую нагревательную спираль, навитую вокруг инертной, термически стабильной опоры, такой как слюдяная прокладка, или частично заключаться в инертном, термически стабильном формованном устройстве.

В ситуациях, где имеется та проблема, что нагрев нагревательной спирали будет приводить к испарению частиц Сг со спирали, и что такие частицы хрома будут затем отрицательно воздействовать на рабочие характеристики материала катода на катодной стороне по меньшей мере одного топливного элемента, спираль может покрываться защитным покрытием для уменьшения миграции частиц Сг, или электрическое нагревательное устройство может конструироваться так, что большая часть спирали электрического нагревателя не экспонируется непосредственно для потока окислителя. Например, спираль может отделяться от потока окислителя при использовании с помощью фольги с очень высокой теплопроводностью, которая имеет низкое содержание Сг, например алюминиевой фольги с высокой температурой плавления. В этом случае при использовании тепловая энергия, генерируемая теплотой спирали нагревателя, переносится в поток окислителя через фольгу. Для исключения плавления фольги под действием электрического нагревательного устройства, могут быть предусмотрены средства управления, конфигурируемые так, что электрическое нагревательное устройство работает только тогда, когда имеется достаточный поток окислителя, проходящий мимо фольги, чтобы предотвратить ее плавление.

Для определения того, когда и какой электрический нагрев от электрического нагревательного устройства является соответствующим, могут предусматриваться средства датчиков и/или управления на входе по потребности вместе со средствами управления для осуществления необходимого нагрева. Например, как подробно описывается ниже, может предусматриваться по меньшей мере один датчик температуры. Необязательно, может предусматриваться датчик влажности для окислителя на входе или датчик типа топлива. Необязательно, для пользователя, могут предусматриваться средства управления на входе, для индикации типа используемого топлива.

В определенных вариантах осуществления предусматривается датчик температуры для определения при использовании температуры окислителя, протекающего по меньшей мере на один вход для газа или через него, или температуры в выбранной точке внутри объема кожуха. Предпочтительно датчик температуры располагается (ί) внутри объема кожуха или (ίί) на пути потока окислителя между выходом предварительного нагревателя и открытым коллекторным концом по меньшей мере одного пакета топливных элементов или (ш) вдоль пути потока окислителя или на нем и в тепловом сообщении с ним, между выходом предварительного нагревателя и открытым коллекторным концом по меньшей мере одного пакета топливных элементов.

Предпочтительно датчик температуры располагается в тепловом сообщении с путем потока окислителя между предварительным нагревателем и опорной пластиной.

Предпочтительно датчик температуры находится в сообщении со средствами управления, которые контролируют работу электрического нагревательного устройства, и средства управления конфигурируются для управления работой электрического нагревательного устройства в соответствии с информацией, определяемой от датчика температуры. Как отмечено выше, работа электрического нагревательного устройства не может зависеть только от информации, определяемой от датчика температуры, и, таким образом, другие факторы, такие как осуществление запуска, тип топлива, тип окислителя, температура окислителя и влажность окислителя, могут дополнительно использоваться средствами управления для определения работы электрического нагревательного устройства.

Предпочтительно электрическое нагревательное устройство имеет в пределах 10-50% от номинальной электрической мощности узла пакета топливных элементов. Например, для номинальный электрической мощности пакета топливных элементов 1 кВт электрической мощности электрическое нагревательное устройство может иметь мощность 100 Вт электрической мощности, 200 Вт электрической мощности, 300 Вт электрической мощности, 400 Вт электрической мощности или 500 Вт электрической мощности.

Максимальная тепловая энергия, переносимая от электрического нагревателя в поток окислителя,

- 12 018452 устанавливается либо физически, посредством выбора электрического нагревателя, либо посредством системы управления. Максимальная выходная тепловая энергия от электрического нагревателя необходима во время быстрого запуска. При этих условиях выходная тепловая энергия электрического нагревателя контролируется, чтобы обеспечить то, что во время разогрева системы в целом риформер переходит в рабочее состояние перед тем, как пакет достигает нижнего предела диапазона рабочих температур. Таким образом, во время быстрого запуска на анодную сторону пакета топливных элементов вводится риформат перед тем, как пакет топливных элементов становится химически активным. Это делает возможной некоторую защиту химических слоев топливного элемента, когда они начинают становиться химически и электрохимически активными.

Электрический нагреватель предпочтительно контролируется и программируется для поддержания температуры на входе для окислителя пакета топливных элементов выше определенной необходимой температуры, например выше 480°С, в случае нормальной работы узла пакета топливных элементов ΙΤ8ОЕС.

Количество тепловой энергии, переносимой от электрического нагревательного устройства к окислителю на входе, может контролироваться в связи с необходимой температурой на входе для окислителя пакета топливных элементов. Таким образом, мониторинг температуры на входе для окислителя пакета топливных элементов позволяет узлу системы пакета топливных элементов (узел пакета топливных элементов содержит средства управления и электрическое нагревательное устройство) контролировать количество тепловой энергии, добавленное окислителю на входе электрическим нагревательным устройством для достижения необходимой температуры входа для окислителя пакета топливных элементов.

Способы измерения температуры на входе для окислителя пакета топливных элементов включают (но, не ограничиваясь этим):

использование термопары, расположенной непосредственно в области входа для окислителя пакета топливных элементов, для измерения температуры входа для окислителя;

использование термопары, расположенной в устройстве входа для газа перед электрическим нагревательным устройством для измерения температуры входа для окислителя в этой точке, а затем получение температуры входа для окислителя пакета топливных элементов посредством добавления дополнительной температуры, полученной из моделируемой и получаемой экспериментально карты или набора карт, которая содержится/которые содержатся внутри средств управления. Карта учитывает факторы, которые могут включать температуру входа для окислителя в точке измерения, массовую скорость потока окислителя в точке измерения, выходную мощность пакета топливных элементов и температуру на выходе для отработанных газов пакета топливных элементов; и/или использование термопары, расположенной на удалении от входа для окислителя, где строится карта для учета факторов температурных эффектов между точкой измерения и точкой входа для окислителя пакета топливных элементов.

Можно получить карту или набор карт для различения типов топлива или расположений систем, и эти карты могут загружаться в средства управления во время изготовления системы или во время работы или обслуживания системы. Выбор карты может задаваться вручную, во время изготовления, во время установки, с помощью оператора или может автоматически получаться самой системой.

Измерение факторов достигается посредством температуры входа для окислителя в точке измерения - от термопары;

скорости массового потока окислителя в точке измерения - от точки работы воздуходувки для окислителя;

выходной мощности пакета топливных элементов - от точки работы силовой электроники и/или температуры выхода отработанных газов пакета топливных элементов - от измерения термопары на выходе для отработанных газов в пакете топливных элементов.

Измерение этих факторов позволяет карте индицировать увеличение температуры окислителя пакета топливных элементов, когда он проходит между входом для газа перед электрическим нагревателем и входом для окислителя пакета топливных элементов. Если это увеличение температуры меньше, чем желаемая температура на входе для окислителя пакета топливных элементов, тогда может быть получена дополнительная тепловая энергия от электрического нагревательного устройства, при этом электрическая мощность, подающаяся на электрическое нагревательное устройство, определяется количеством необходимой тепловой энергии и массовой скоростью потока окислителя.

Таким образом, это может достигаться, например, посредством использования следующих правил: ТДпДпГеггеб = Т_теа8игеб + Т_оГГ5с1

ΙΕ Т_1п_бе81теб > Т_т_1пГетгеб ΤΗΕΝ добавляют тепло от электрического нагревателя

Т_1п_бе81теб = желаемая температура окислителя по меньшей мере на одном открытом коллекторном входе для газа

Т_теа8игеб = температура, определяемая с помощью датчика температуры

Т_оГГ5е1 = изменение температуры в результате протекания окислителя в объеме кожуха по меньшей мере от одной точки входа для газа до открытого коллекторного конца по меньшей мере одного пакета топливных элементов.

- 13 018452

Т_1п_без1геб может выбираться в соответствии с требуемым статусом системы. Например, она может постепенно повышаться во время запуска системы, может устанавливаться на оптимальном значении для стационарной работы, может изменяться для достижения конкретных точек для динамической работы или может устанавливаться ниже Т_теазитеб для выключения системы или для контролируемого уменьшения рабочих характеристик системы, таких как режим системы на малых оборотах или режим ожидания.

Количество тепловой энергии, необходимое для электрического нагревателя, обозначается Ο_ίη. где Ο_ίπ = (Т_ш_бе51теб - Т_ш_шГеттеб)/(массовая скорость потока газообразного окислителя/удельная теплоемкость газообразного окислителя).

Настоящее изобретение является в равной степени применимым к узлам пакетов топливных элементов, которые используют разнообразные системы потоков газа, включая прямоточный поток, противоточный поток и поперечный поток.

В соответствии с настоящим изобретением предусматривается также узел системы пакета топливных элементов, содержащий узел пакета топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с настоящим изобретением предусматривается также способ работы узла пакета среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, указанный узел пакета топливных элементов содержит:

(ί) опорную пластину;

(ίί) кожух, герметично соединенный с указанной опорной пластиной и определяющий объем кожуха между указанной опорной пластиной и указанным кожухом;

(ш) по меньшей мере один пакет среднетемпературных топливных твердооксидных элементов, установленный на указанной опорной пластине и заключенный внутри указанного кожуха;

(ίν) по меньшей мере один вход для газа, определяющий по меньшей мере одну точку входа для газа в указанном объеме кожуха; и (ν) предварительный нагреватель, расположенный снаружи указанного объема кожуха и в сообщении по текучей среде с источником окислителя и указанным по меньшей мере одним входом для газа и адаптированный для подачи окислителя от указанного источника окислителя в указанный объем кожуха через указанный вход для газа, каждый пакет топливных элементов содержит по меньшей мере три слоя пакета топливных элементов, каждый слой пакета топливных элементов содержит по меньшей мере один среднетемпературный твердооксидный топливный элемент, каждый топливный элемент определяет конец входа для окислителя и конец выхода для отработанного окислителя, указанный по меньшей мере один пакет топливных элементов имеет:

(a) по меньшей мере один открытый коллекторный вход для газа, определяющий открытый коллекторный конец указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов; и (b) по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для газа, указанная по меньшей мере одна точка входа для газа в указанный объем кожуха располагается на удалении от указанного открытого коллекторного конца указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов, где указанный по меньшей мере один пакет среднетемпературных твердооксидных топливных элементов определяет высоту X, измеренную от слоя пакета топливных элементов, самого близкого к указанной опорной пластине, до слоя пакета топливных элементов, самого дальнего от указанной опорной пластины, и где указанная по меньшей мере одна точка входа для газа располагается на высоте Υ над указанным слоем пакета топливных элементов, самым близким к указанной опорной пластине, где 0,25Χ<Υ<0,75Χ, указанный способ включает стадии прохождения окислителя в указанный объем кожуха через указанный по меньшей мере один вход для газа, прохождение его снаружи вокруг указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов к указанному по меньшей мере одному открытому коллекторному входу для газа, при этом осуществляется прямой теплоперенос между указанным окислителем и наружной поверхностью указанных слоев пакета топливных элементов перед поступлением указанного окислителя в указанный открытый коллекторный вход для газа, указанный предварительный нагреватель конфигурируется так, что при использовании окислитель из указанного источника окислителя нагревается и подается в указанный объем кожуха через указанный вход для газа при температуре не более чем на 100°С ниже рабочей температуры, при использовании, на входном конце топливного элемента, самого близкого к открытому коллекторному входу для газа (то есть, при температуре на 100°С ниже или менее чем на 100°С ниже, чем рабочая температура при использовании на входном конце топливного элемента самого близкого, по меньшей мере, к одному открытому коллекторному входу для газа).

Предпочтительно указанный узел пакета топливных элементов дополнительно содержит:

(ί) электрическое нагревательное устройство, расположенное в указанном по меньшей мере одном входе для газа или в непосредственном тепловом сообщении с ним и содержащееся внутри указанного объема кожуха или в указанном кожухе, или опорной пластине;

(ίί) по меньшей мере один датчик температуры, расположенный для определения при использовании температуры окислителя, протекающего в указанный по меньшей мере один открытый коллектор

- 14 018452 ный вход для газа; и (ш) средства управления, указанное электрическое нагревательное устройство и указанный по меньшей мере один датчик температуры находятся в электрическом сообщении с указанными средствами управления, указанный способ дополнительно включает стадию дополнительного нагрева указанного окислителя с помощью указанного электрического нагревательного устройства под контролем указанных средств управления, так что при использовании указанный окислитель в указанном по меньшей мере одном открытом коллекторном входе для газа нагревается в направлении желаемой температуры.

Более предпочтительно окислитель нагревается до желаемой температуры.

Предпочтительно способ дополнительно включает стадию осуществления электрохимической реакции окислителя и топлива на указанном по меньшей мере одном топливном элементе с генерированием тепла и электричества.

Настоящее изобретение станет более понятным из следующего далее описания со ссылками на несколько фигур прилагаемых чертежей, которые показывают, только в качестве примера, формы узлов пакетов топливных элементов.

На фигурах:

фиг. 1 показывает вид сбоку с частичным вырывом узла пакета топливных элементов по настоящему изобретению;

фиг. 2 - поток текучей среды окислителя в узле пакета топливных элементов на фиг. 1;

фиг. 3 - сечение по линиям А-А', показывающее поток текучей среды окислителя в узле пакета топливных элементов на фиг. 1;

фиг. 4 - схематическое представление сечения по линиям В-В', показывающее один слой пакета топливных элементов;

фиг. 5 - вид сбоку с частичным вырывом другого узла пакета топливных элементов, дополнительно содержащего теплообменную систему для окислителя (предварительный нагреватель);

фиг. 6 - альтернативный узел пакета топливных элементов с входами для окислителя, расположенных в кожухе;

фиг. 6А - альтернативный узел пакета топливных элементов с входами для окислителя, расположенными в кожухе и в опорной пластине; и фиг. 6В - альтернативный узел пакета топливных элементов с входами для окислителя, расположенными в опорной пластине, и дополнительно содержащий устройство для распределения потока;

фиг. 7 - узел системы пакета топливных элементов на фиг. 1, показывающий ключевые температуры текучих сред при работе на природном газе, обогащенном метаном, удовлетворяющей требованиям (ик 81а1и1оту 1п51гитеи1 1996 Νο. 551 Сак 8а.Гс1у (Маиадетеи!) КсдШайоик), при отношении водяного пара к углероду в паровом риформере (330) 2,5:1;

фиг. 8 - узел системы пакета топливных элементов на фиг. 1, показывающий ключевые температуры текучих сред при работе на ЬРС, обогащенном пропаном при отношении водяного пара к углероду в паровом риформере (330) 3,5:1;

фиг. 9 - узел системы пакета топливных элементов на фиг. 1, показывающий ключевые температуры текучих сред при работе на ЬРС, обогащенном бутаном, при отношении водяного пара к углероду в паровом риформере (330) 4,0:1;

фиг. 10 - разность температур между точкой входа для воздуха в объем кожуха и температурой на входе для воздуха слоя пакета топливных элементов, для слоев пакета топливных элементов в пакете топливных элементов, для идеального случая (тонкая штриховая линия при 480°С), для случая, когда Υ=0 (сплошная линия, максимальное значение на оси Υ 520°С) и когда Υ=0,5Χ (толстая штриховая линия, максимальное значение на оси Υ 495°С). Ось X показывает номер слоя пакета топливных элементов, отсчитываемый от слоя пакета топливных элементов, самого близкого к опорной пластине; ось Υ показывает температуру окислителя на конце открытого коллекторного входа для газа слоя пакета топливных элементов;

фиг. 11 показывает вид сбоку с частичным вырывом узла пакета топливных элементов по настоящему изобретению с входом для газа, проходящим через кожух и определяющим точку входа для газа;

фиг. 12 - систему на фиг. 11, дополнительно содержащую электрический нагреватель, расположенный во входе для газа;

фиг. 13 - вид сбоку с частичным вырывом узла пакета топливных элементов по настоящему изобретению с входом для газа, проходящим через опорную пластину и определяющим точку входа для газа; и фиг. 14 - систему на фиг. 13, дополнительно содержащую электрический нагреватель, расположенный во входе для газа.

Концепции топливных элементов и узлов пакетов топливных элементов хорошо известны специалисту в данной области, и в частности, включают патент США № 6794075, νϋ 02/35628, νϋ 03/075382, \\Ό 2004/089848, νϋ 2005/078843, νϋ 2006/079800, νϋ 2006/106334, νϋ 2007/085863, νϋ 2007/110587, νϋ 2008/001119, νϋ 2008/003976, νϋ 2008/015461 и νϋ 2008/053213, которые включаются в настоящий документ в качестве ссылок во всей полноте.

Сводка обозначений, используемых в настоящем документе, приводится непосредственно перед

- 15 018452 формулой изобретения.

В первом варианте осуществления узла 1 пакета топливных элементов пакет 10 твердооксидных топливных элементов собирается из некоторого количества слоев 20 пакета топливных элементов, при этом каждый слой 20 пакета топливных элементов содержит один топливный элемент 30 (в других вариантах осуществления, которые не показаны, каждый слой 20 пакета топливных элементов содержит множество топливных элементов 30). Каждый топливный элемент содержит анод 31, электролит 32 и катод 33, установленные на металлической подложке 34 топливного элемента и покрывающие пористую область 36 подложки топливного элемента, которая окружена непористой областью 35 подложки топливного элемента. Электропроводящая соединительная пластина 37 создает коллектор для потока топлива. Металлическая подложка 34 первого слоя 20 пакета топливных элементов не может вступать в прямой электрический контакт с соединительной пластиной 37 второго соседнего слой пакета топливных элементов из-за электроизолирующей прокладки 38.

Пакет 10 топливных элементов устанавливается на опорной пластине 40, и кожух 50 располагается поверх пакета топливных элементов 10 и герметично зацепляется с опорной пластиной 40 для получения объема кожуха 60 между опорной пластиной 40 и кожухом 50 и содержащегося внутри него пакета 10 топливных элементов.

Пакет 10 топливных элементов снабжается открытым коллекторным входом 70 для окислителя, который образует открытый коллекторный конец 80 пакета 10 топливных элементов. Каждый слой 20 пакета топливных элементов также имеет внутренний коллекторный выход 90 для окислителя (для слоя пакета топливных элементов, имеющего один топливный элемент, он соответствует выходному концу для отработанного окислителя топливного элемента), вместе с внутренним коллекторным входом 100 для топлива и внутренним коллекторным выходом 110 для топлива, каждый из которых проходит через каналы (не показаны) в опорной пластине 40.

Опорная пластина 40 дополнительно снабжена входом 120 для окислителя в объем 60 кожуха, и он определяет точку 125 входа для окислителя, расположенную на конце пакета 10 топливных элементов, противоположном открытому коллекторному концу 80.

При использовании топливо 130 поступает на сторону анодного электрода топливного элемента 30 через внутренний коллекторный вход 100 для топлива, который проходит через опорную пластину 40.

Окислитель (воздух) 140 поступает в объем 60 кожуха через вход 120 для окислителя на конце пакета 10 топливных элементов, противоположном открытому коллекторному концу 80.

Теплоизолирующее устройство 150 для ограничения потока предусмотрено поверх концевой пластины 160 пакета топливных элементов 10 и имеет такие размеры, чтобы оно находилось в контакте с кожухом 50 и предотвращало протекание воздуха между концевой пластиной 160 и кожухом 50. Таким образом, при использовании поток воздуха осуществляется в объеме 60 кожуха от входа 120 для окислителя вдоль боковых сторон пакета 10 топливных элементов до открытого коллекторного конца 80 и в пакет 10 топливных элементов. Стрелки 210 показывают поток окислителя 140.

В каждом из настоящих вариантов осуществления точка 125 входа для окислителя располагается на вертикальной высоте Υ над слоем 20 пакета топливных элементов, самым близким к опорной пластине 40, и 0,25Χ<Υ<0,75Χ, где X представляет собой высоту, измеренную от слоя пакета 20 топливных элементов, самого близкого к опорной пластине 40, до слоя 20 пакета топливных элементов, самого дальнего от пластины 40 основания.

Концевая пластина 160 пакета топливных элементов представляет собой верхнюю концевую пластину, и опорная пластина 40 действует в качестве нижней концевой пластины. Средства сжатия предусмотрены для сжатия по меньшей мере одного пакета топливных элементов для обеспечения необходимой герметизации для газов и электрических соединений. Примеры соответствующих систем сжатия включают те, которые рассматриваются и упоминаются в νθ 2007/085863.

Наружные поверхности 170 пакета 10 топливных элементов снабжены выступами в форме пластин (не показаны), которые имеют такую форму и размеры, чтобы усиливать поток воздуха на сторонах пакета 10 топливных элементов и чтобы усиливать теплоперенос между внутренним пространством пакета 10 топливных элементов и окислителем 140.

Окислитель 140 поступает в объем 60 кожуха при начальной температуре примерно 455°С, и рабочая температура на выходе пакета 10 топливных элементов на внутреннем коллекторном выходе 90 для окислителя составляет примерно 600°С. Входной конец топливного элемента 30, ближайший к открытому коллекторному входу 70 для окислителя, находится в стационарном состоянии при использовании, при рабочей температуре примерно 500°С. Для достижения приемлемой эффективности работы перед поступлением на открытый коллекторный вход 70 для окислителя окислитель 140 нагревают до температуры примерно 480°С. Нагрев окислителя 140 осуществляется посредством контакта и теплообмена между наружной поверхностью 170 пакета 10 топливных элементов и внутренней поверхностью 190 кожуха 50.

В этом варианте осуществления внутренний коллекторный вход 70 для окислителя содержит отдельный открытый коллекторный вход для каждого слоя 20 пакета топливных элементов. В других вариантах осуществления (не показаны) открытый коллекторный вход 70 для окислителя содержит множест

- 16 018452 во открытых коллекторных входов для каждого слоя пакета топливных элементов. В других вариантах осуществления (не показаны) открытый коллекторный вход 70 для окислителя содержит один открытый коллекторный вход для множества слоев пакета топливных элементов.

Окислитель 140 при температуре по меньшей мере 480°С поступает в открытый коллекторный вход 70 для окислителя и поступает на сторону катодного электрода топливного элемента 30, и имеет место электрохимическая реакция, при которой окислитель 140 взаимодействует с катодом, а топливо 130 взаимодействует с анодом с тем результатом, что генерируются тепло, вода и электрическая энергия. Электрическая энергия проходит через нагрузку в электрической схеме (не показана).

Прореагировавшее топливо 130 затем покидает топливный элемент 30 и слой 20 пакета топливных элементов через внутренний коллекторный выход 110 для топлива на стороне пакета 10 топливных элементов, удаленной от открытого коллекторного конца 80, проходя через опорную пластину 40. Прореагировавший окислитель 140 затем покидает топливный элемент 30 и слой 20 пакета топливных элементов через внутренний коллекторный выход 90 для окислителя на стороне пакета 10 топливных элементов, удаленной от открытого коллекторного конца 80, проходя через опорную пластину 40.

Таким образом, та сторона пакета 10 топливных элементов, где отходящие газы (окислитель 120 и топливо 130) покидают пакет 10 топливных элементов через внутренний коллекторный выход 110 для топлива и внутренний коллекторный выход 90 для окислителя, будет иметь самую высокую температуру, поскольку она будет нагреваться горячими отработанными газами, и открытый коллекторный конец 80 будет самым холодным, поскольку он теряет тепло в потоке окислителя 140 на входе. Таким образом, самый большой тепловой потенциал существует (и будет осуществляться самый большой теплообмен) между наружной стороной пакета 10 топливных элементов, удаленной от открытого коллекторного конца 80, и окислителем 140, поступающим в объем 60 кожуха в точке 125 входа для газа.

Этот теплообмен действует в пользу пакета 10 топливных элементов, поскольку он действует, уменьшая градиент температуры по длине пакета 10 топливных элементов. Этот теплообмен также уменьшает механические напряжения на узле пакета 1 топливных элементов и делает возможным уменьшение размеров и массы предварительного нагревателя 200, по отношению к тем, которые потребовались бы, если бы воздух должен был поступать в открытый коллекторный вход 70 для окислителя при более высокой температуре.

Как показано на фиг. 5, пакет 10 топливных элементов, опорная пластина 40 и кожух 50 образуют часть узла системы пакета топливных элементов больших размеров, который содержит теплообменную систему (предварительный нагреватель) 200 для окислителя, которая доводит окислитель 140, протекающий через вход 120 для окислителя, до его начальной температуры на входе примерно 455°С (в случае, когда топливо представляет собой природный газ, обогащенный метаном, удовлетворяющий требованиям (ик §ЕаЕиЕогу 1п51гитсп1 1996 Νο. 551 Оа§ 8а.Ге1у (МападетепЕ) Кеди1айоп8), и отношение водяной пар:углерод составляет 2,5:1), при этом отработанное топливо 130, протекающее вдоль внутреннего коллекторного выхода 110 для топлива, действует в качестве нагревательной текучей среды. Типичная теплообменная система для окислителя в узле системы пакета топливных элементов, известного из литературы, должна доводить окислитель до температуры примерно 480°С перед его поступлением в пакет 10 топливных элементов, и это уменьшение тепловой нагрузки на предварительном нагревателе для окислителя означает, что размер, масса, стоимость и сложность теплообменной системы 200 для окислителя могут быть значительно уменьшены.

Для дальнейшего улучшения рабочих характеристик пакета 10 топливных элементов топливо 130 на входе также нагревается перед его поступлением в пакет 10 топливных элементов. Это достигается посредством прохождения потока 130а отработанного топлива вдоль внутреннего коллекторного выхода 110 для топлива в теплообменник (290) газ-газ и по меньшей мере в один конденсорный теплообменник 300 для удаления паров воды и извлечения тепла. Осушенный поток 130Ь отработанного топлива, таким образом, содержит непрореагировавшее газообразное топливо 130, и тепловая энергия, удерживаемая в неиспользуемой химической энергии, извлекается посредством его прохождения в горелку (310) вместе с отработанным окислителем 140а, который протекает вдоль внутреннего коллекторного выхода 90 для окислителя. Высокотемпературный отходящий газ 320 из горелки используют затем для получения источника тепла для нагрева топлива 130 на входе. В определенных вариантах осуществления эта тепловая энергия используется для поддержки эндотермического парового риформинга в узле 330 риформера топлива 130 на входе. Затем отходящий газ из горелки может проходить в узел 340 генератора пара для генерирования водяного пара 280 с использованием источника 270 воды, который необходим для каталитического риформинга, перед поступлением в необязательный узел пусковой горелки (не показана), а затем поступления в теплообменную систему 200 для окислителя.

В настоящем варианте осуществления концевая пластина 160 пакета топливных элементов устанавливается между ним и нижней стороной кожуха 50, термически изолируя устройство 150 для ограничения потока, которое блокирует поток текучей среды поверх концевой пластины 160 и которое термически изолирует кожух 50 от пакета 10 топливных элементов.

В дополнение к этому теплоизолирующая прокладка 230 из вермикулита, герметичная для газа, предусматрена между основанием кожуха 50 и опорной пластиной 40 для дополнительной теплоизоля

- 17 018452 ции кожуха 50 от пакета 10 топливных элементов.

Дополнительная изоляция предусматривается для компонентов снаружи кожуха 50 с помощью относительно толстого внутреннего изолирующего слоя 240 продукта М1сго1йегт Ртеетои1бтд и относительно тонкого наружного изолирующего слоя 250 Акреп Аегоде1 Ругоде1 (КТМ), которые в целом обеспечивают желаемую теплоизоляцию кожуха 50, в то же время достигая такой изоляции при уменьшении объема изолирующих материалов, по сравнению с тем, который потребовался бы, если бы использовались только материалы внутреннего изолирующего слоя 240.

В других вариантах осуществления (не показаны) изолирующие слои 240, 250 заменяются одним слоем изоляции РготаПдЫ (КТМ) (Ртота! ИК ЫтНеб, Вгаскпе11, ИК; \\л\л\\ргота1.со.ик).

Фиг. 4 показывает сечение через линии В-В' (фиг. 3) с увеличенным (только для иллюстративных целей) слоем 20 пакета топливных элементов и дополнительными слоями 21 пакета топливных элементов. Как можно увидеть, воздух 140 поступает в узел 1 пакета топливных элементов через вход 120 для окислителя в точке 125 входа для окислителя, которая располагается на стороне пакета 10 топливных элементов, противоположной (то есть удаленной от него) открытому коллекторному входу 70 для окислителя. Затем воздух 140 проходит вдоль боковых сторон пакета 10 топливных элементов (поток текучей среды поверх пакета 10 топливных элементов блокируется посредством герметичной для газа термоизолирующей прокладки 150 из вермикулита, расположенной между концевой пластиной 160 пакета топливных элементов и кожухом 50 и находящейся в контакте с ними) и нагревается, и проходит в открытый коллекторный вход 70 для окислителя слоя 20 пакета топливных элементов, и проходит поверх катода 33 среднетемпературного твердооксидного топливного элемента 30 (1Т-8ОРС), подвергается электрохимической реакции с генерированием тепла, оксидов и электричества и выходит через коллектор 90. Топливо 130 поступает в пакет 10 топливных элементов через внутренний коллекторный вход 100 для топлива, проходит под пористой областью 36 подложки топливного элемента, через которую он проходит к аноду 31 топливного элемента, и подвергается электрохимической реакции с генерированием тепла, оксидов (прежде всего, оксидов углерода и воды) и электричества. Отработанное топливо 130 покидает затем пакет 10 топливных элементов через внутренний коллекторный выход 110 для топлива.

Каждый слой 20 пакета топливных элементов содержит электропроводящую соединительную пластину 37, которая обеспечивает коллекторное действие и электрический контакт между соседними компонентами пакета 10 топливных элементов.

Металлическая подложка 34 топливного элемента устанавливается поверх соединительной пластины 37 и содержит пористую область 36 подложки топливного элемента, ограниченную непористой областью 35 подложки топливного элемента. Таким образом, текучая среда может протекать через пористую область 36. Поверх пористой области 36 устанавливается топливный элемент 30. Анод топливного элемента покрывает пористую область 36, а затем электролит 32 топливного элемента распространяется поверх анода 31 и пористой области 36, чтобы предотвратить протекание текучих сред со стороны топлива топливного элемента 30 на сторону окислителя топливного элемента 30 через пористую область 36. Катод 33 топливного элемента устанавливается поверх электролита 32 топливного элемента.

Электропроводящий токовый проводник (не показан) простирается от катода 33 топливного элемента и находится в электрическом контакте с электропроводящей соединительной пластиной 37, так что они образуют электрическую цепь, и на эту цепь помещается нагрузка. Дополнительные слои пакета 21 топливных элементов размещаются поверх слоя 20 пакета топливных элементов, и короткое замыкание от металлической подложки 34 топливного элемента до электропроводящей соединительной пластины 37 соседнего слоя 21 пакета топливных элементов предотвращается с помощью электроизолирующей прокладки 38, которая, в дополнение к этому, обеспечивает механическую опору для дополнительных слоев 21 пакета топливных элементов.

В другом варианте осуществления (фиг. 6) множество входов 120 для окислителя предусматриваются в кожухе 50, а не в опорной пластине 40. Это расположение помогает протеканию и распределению газа, в частности, помогая предотвратить возникновение областей застоя потока газа. Опять же, все точки 125 входа для окислителя располагаются на высоте по вертикали Υ над слоем 20 пакета топливных элементов, самым близким к опорной пластине 40, и 0,25Χ<Υ<0,75Χ, где X представляет собой высоту, измеряемую от слоя 20 пакета топливных элементов, самого близкого к опорной пластине 40, до слоя 20 пакета топливных элементов, самого дальнего от пластины 40 основания.

В другом варианте осуществления (фиг. 6А) множество входов 120 для окислителя предусматриваются как в кожухе 50, так и в опорной пластине 40, и опять же это делается, чтобы помочь протеканию и распределению газа, в частности, помогая предотвратить появление областей застоя потока газа.

В варианте осуществления на фиг. 6В, предусматривается вход 120 для окислителя в опорной пластине 40 и предусматривается устройство 260 для распределения потока, содержащее перфорированную металлическую трубу, сконструированную, чтобы помочь распределению потоков газа от входов 120 по объему 60 кожуха. В альтернативных вариантах осуществления (не показаны) устройство 260 для распределения потока содержит очень пористый керамический материал и образует часть кожуха 50.

В другом варианте осуществления (фиг. 7) показаны ключевые температуры текучих сред при работе на природном газе, обогащенном метаном, при отношении водяного пара к углероду в паровом ри

- 18 018452 формере (330) 2,5:1.

Температуры в положениях С-1 являются следующими:

С - 465-490°С

Ό - 430-460°С

Е - 430-460°С

Е - 550-620°С

- 700-725°С

Н - 550-580°С

I - 100-120°С

- 230-250°С

В другом варианте осуществления (фиг. 8) показаны ключевые температуры текучих сред при работе на ЬР6, обогащенном пропаном, при отношении водяного пара к углероду в паровом риформере (330) 3,5:1. Отметим, что вход 120 для окислителя дополнительно снабжается электрическим нагревателем 400 для обеспечения необходимого дополнительного нагрева, температура окислителя на входе в точке (Е) ниже, чем температура для варианта осуществления на фиг. 7, и по этой причине требуется дополнительный нагрев для достижения желаемой эффективности работы и выхода узла 1 пакета топливных элементов.

Электроника 420 управления, термопара 410, электрический нагреватель 400, воздуходувка 460 и электрические соединители 430-450 показаны на фиг. 8. Электроника 420 управления, термопара 410, воздуходувка 460 и электрические соединители 440 и 450 присутствуют также (не показаны) во всех других вариантах осуществления.

В вариантах осуществления, включающих электрический нагреватель 400, присутствуют также средства 420 управления и электрический соединитель 430.

При использовании термопара 410 электрически соединяется с электроникой 420 управления с помощью электрического соединителя 440 и выдает электрический выходной сигнал, который преобразуется с помощью электроники 420 управления в значение температуры. Воздуходувка 460 электрически соединяется с электроникой 420 управления с помощью электрического соединителя 450, и электроника 420 управления предварительно конфигурируется с помощью карты массовых потоков окислителя из воздуходувки для оценки массового потока окислителя из воздуходувки.

Дополнительные средства ввода (не показаны), предусмотренные для электроники 420 управления, представляют собой необходимую выходную электрическую мощность от узла 1 пакета топливных элементов и измеренную выходную электрическую мощность от узла 1 пакета топливных элементов.

Электроника 420 управления предварительно конфигурируется для использования входной информации для определения соответствующего уровня источника электрической энергии для электрического нагревателя 400 и подает на него необходимый электрический ток с помощью электрического соединения 430.

С - 465-490°С

Ό - 430-465°С

Е - 415-445°С

Е - 550-620°С

- 700-725°С

Н - 535-565°С

I - 100-120°С

- 215-235°С

В другом варианте осуществления (фиг. 9) показаны ключевые температуры текучих сред при работе на ЬР6, обогащенном бутаном, при отношении водяного пара к углероду в паровом риформере (330) 4,0:1. Опять же, это требует дополнительного нагрева, который обеспечивается электрическим нагревателем 400.

С - 465-490°С

В - 430-460°С

Е - 405-435°С

Е - 550-620°С

- 700-725°С

Н - 525-555°С

I - 100-120°С

- 205-225°С

Фиг. 10 показывает результаты моделирования температуры окислителя на концах открытых коллекторных входов для газа слоев пакета топливных элементов, и эти результаты подтверждаются экспериментальными данными. В случае, когда Υ=0, имеются значительные отклонения от оптимальной температуры, а когда Υ=0,5Χ, имеется значительное улучшение. Это приводит к улучшению работы и эф

- 19 018452 фективности узла пакета топливных элементов.

Фиг. 11-13 показывают альтернативное расположение входа 120 для окислителя и точки 125 входа для окислителя, а также создание электрических нагревателей 400 в определенных вариантах осуществления.

Будет понятно, что не предполагается ограничения настоящего изобретения только лишь указанным выше вариантом осуществления, множество других вариантов осуществления будут очевидны специалисту в данной области, которые не отклоняются от рамок прилагаемой формулы изобретения.

Обозначения

- узел пакета топливных элементов

- пакет твердооксидных топливных элементов

- слой пакета топливных элементов

- дополнительные слои пакета топливных элементов

- топливный элемент

- анод топливного элемента

- электролит топливного элемента

- катод топливного элемента

- металлическая подложка топливного элемента

- непористая область подложки топливного элемента

- пористая область подложки топливного элемента

- электропроводящая соединительная пластина

- электрически изолирующая прокладка

- опорная пластина

- кожух

- объем кожуха

- открытый коллекторный вход для окислителя

- конец открытого коллектора

- внутренний коллекторный выход для окислителя

100 - внутренний коллекторный вход для топлива

110 - внутренний коллекторный выход для топлива

120 - вход для окислителя

125 - точка входа для газа

130 - топливо

130а - отработанное топливо

130Ь - осушенное отработанное топливо

140 - окислитель (воздух)

140а - отработанный окислитель

150 - термоизолирующий блок

160 - концевая пластина пакета топливных элементов

170 - наружная поверхность пакета топливных элементов

190 - внутренняя поверхность кожуха

200 - теплообменная система для окислителя (предварительный нагреватель)

210 - поток окислителя 140

230 - герметичная для газа термоизолирующая прокладка из вермикулита

240 - внутренний изолирующий слой

250 - наружный изолирующий слой

260 - устройство для распределения потока

270 - вода

280 - водяной пар

290 - теплообменник газ-газ

300 - конденсорный теплообменник

310 - горелка для остаточного газа

320 - отходящий газ из горелки

330 - паровой риформер

340 - генератор пара

350 - поступление охлаждающей текучей среды

360 - выход охлаждающей текучей среды

400 - электрический нагреватель

410 - термопара

420 - электроника управления

430 - электрический соединитель

440 - электрический соединитель

450 - электрический соединитель

- 20 018452

460 - воздуходувка

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Узел пакета среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, содержащий:

(ί) опорную пластину;

(ίί) кожух, герметично соединенный с указанной опорной пластиной и образующий объем кожуха между указанной опорной пластиной и указанным кожухом;

(ίίί) по меньшей мере один пакет среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, установленный на указанной опорной пластине и заключенный внутри указанного кожуха;

(ίν) по меньшей мере один вход для газа, образующий по меньшей мере одну точку входа для газа в указанном объеме кожуха; и (ν) предварительный нагреватель, расположенный снаружи указанного объема кожуха и выполненный с возможностью подачи предварительно нагретого в нем окислителя от источника окислителя в указанный объем кожуха через по меньшей мере один указанный вход для газа, каждый пакет топливных элементов содержит по меньшей мере три слоя пакета топливных элементов, каждый слой пакета топливных элементов содержит по меньшей мере один среднетемпературный твердооксидный топливный элемент, один конец каждого топливного элемента является входом для окислителя и другой конец каждого топливного элемента является выходом для отработанного окислителя, указанный по меньшей мере один пакет топливных элементов имеет:

(a) по меньшей мере один открытый коллекторный конец указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов является открытым коллекторным входом для газа и (b) по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для газа, указанная по меньшей мере одна точка входа для газа в указанный объем кожуха расположена на удалении от указанного открытого коллекторного конца указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов, так что при использовании окислитель поступает в указанный объем кожуха через указанный по меньшей мере один вход для газа и проходит снаружи вокруг указанного по меньшей мере одного пакета топливных элементов в указанный по меньшей мере один открытый коллекторный вход для газа, при этом происходит прямой теплоперенос между указанным окислителем и наружной поверхностью указанных слоев пакета топливных элементов перед поступлением указанного окислителя в указанный открытый коллекторный вход для газа, указанный предварительный нагреватель выполнен так, что при использовании окислитель из указанного источника окислителя нагревается и подается в указанный объем кожуха через указанный по меньшей мере один вход для газа при температуре, которая не более чем на 100°С ниже рабочей температуры при использовании, на входном конце топливного элемента, самом близком по меньшей мере к одному открытому коллекторному входу для газа, причем указанная по меньшей мере одна точка входа для газа расположена на высоте Υ над указанным слоем пакета топливных элементов, самым близким к указанной опорной пластине, причем 0,25Χ<Υ<0,75Χ, где Χ является высотой, которая измеряется от слоя пакета топливных элементов, самого близкого к указанной опорной пластине, до слоя пакета топливных элементов, самого дальнего от указанной опорной пластины.
2. Узел пакета топливных элементов по п.1, в котором указанный по меньшей мере один пакет среднетемпературных твердооксидных топливных элементов представляет собой пакет среднетемпературных твердооксидных топливных элементов на металлической подложке.
3. Узел пакета топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, в котором указанный по меньшей мере один пакет топливных элементов дополнительно содержит по меньшей мере один внутренний коллекторный вход для топлива.
4. Узел пакета топливных элементов по п.3, в котором указанный по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для газа представляет собой внутренний коллекторный выход для отработанного топлива, причем указанный пакет топливных элементов дополнительно содержит по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для отработанного окислителя.
5. Узел пакета топливных элементов по п.3, в котором указанный по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для газа представляет собой по меньшей мере один внутренний коллекторный выход для смеси отработанного топлива и окислителя.
6. Узел пакета топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, в котором наружная поверхность указанного по меньшей мере одного слоя пакета топливных элементов дополнительно содержит по меньшей мере один выступ, выполненный с возможностью при использовании осуществлять теплоперенос между ним и газом.
7. Узел пакета топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере одна поверхность из внутренней поверхности указанного кожуха и наружной поверхности указанного по меньшей мере одного слоя пакета топливных элементов дополнительно содержит по меньшей мере один выступ, выполненный с возможностью при использовании вызывать турбулентный поток текучей среды.
8. Узел пакета топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, в котором указанный па

- 21 018452 кет топливных элементов имеет при использовании рабочую температуру 450-650°С.
9. Узел пакета топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий электрическое нагревательное устройство в указанном по меньшей мере одном входе для газа или в прямом тепловом сообщении с ним, и оно содержится внутри указанного объема кожуха или в указанном кожухе, или в опорной пластине.
10. Узел пакета топливных элементов по п.9, дополнительно содержащий средства управления для указанного электрического нагревательного устройства.
11. Узел пакета топливных элементов по п.10, дополнительно содержащий датчик температуры для определения при использовании температуры окислителя, протекающего по меньшей мере на один вход для газа или через него, или температуры в выбранной точке внутри указанного объема кожуха.
12. Узел системы пакета топливных элементов, содержащий узел пакета топливных элементов с системной электроникой и средствами управления системой по любому из предыдущих пунктов.
13. Способ работы узла пакета среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по пп.1-11, включающий стадии, на которых пропускают окислитель в объем кожуха через по меньшей мере один вход для газа, пропускают его снаружи вокруг по меньшей мере одного пакета топливных элементов к по меньшей мере одному открытому коллекторному входу для газа, при этом осуществляют прямой теплоперенос между указанным окислителем и наружной поверхностью слоев пакета топливных элементов перед поступлением указанного окислителя в указанный открытый коллекторный вход для газа, окислитель из источника окислителя нагревают в предварительном нагревателе и подают в указанный объем кожуха через указанный вход для газа при температуре не более чем на 100°С ниже рабочей температуры при использовании, на входном конце топливного элемента, самого близкого к открытому коллекторному входу для газа, и осуществляют электрохимическую реакцию окислителя и топлива на указанном по меньшей мере одном среднетемпературном твердооксидном топливном элементе с генерированием тепла и электричества.
14. Способ по п.13, дополнительно включающий стадию, на которой дополнительно нагревают указанный окислитель с помощью электрического нагревательного устройства, которым управляют средством управления.