FI119490B - Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa - Google Patents

Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa Download PDF

Info

Publication number
FI119490B
FI119490B FI20065433A FI20065433A FI119490B FI 119490 B FI119490 B FI 119490B FI 20065433 A FI20065433 A FI 20065433A FI 20065433 A FI20065433 A FI 20065433A FI 119490 B FI119490 B FI 119490B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
fuel
unit
exhaust gas
fuel cell
afterburner
Prior art date
Application number
FI20065433A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20065433A (fi
FI20065433A0 (fi
Inventor
Timo Mahlanen
Timo Kivisaari
Original Assignee
Waertsilae Finland Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waertsilae Finland Oy filed Critical Waertsilae Finland Oy
Publication of FI20065433A0 publication Critical patent/FI20065433A0/fi
Priority to FI20065433A priority Critical patent/FI119490B/fi
Priority to JP2009515903A priority patent/JP2009541921A/ja
Priority to CN2007800234110A priority patent/CN101473482B/zh
Priority to KR1020097000924A priority patent/KR20090021312A/ko
Priority to PCT/FI2007/050360 priority patent/WO2007147939A1/en
Priority to EP07788745A priority patent/EP2038953B1/en
Priority to US12/305,927 priority patent/US8221928B2/en
Priority to AT07788745T priority patent/ATE547819T1/de
Publication of FI20065433A publication Critical patent/FI20065433A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI119490B publication Critical patent/FI119490B/fi

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0675—Removal of sulfur
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04783—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

/ 119490
ESILÄMMITYSJÄRJESTELY POLTTOKENNOLAITTEISTOSSA FÖRVÄRMNINGSARRANGEMANG I EN BRÄNSLECELLANLÄGGNING
Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen esi-5 lämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa, johon polttokennolaitteistoon kuuluu ainakin polttokennoyksikkö, jonka polttokennoissa on anodipuoli ja kato-dipuoli sekä näiden välinen elektrolyytti, ja jossa polttokennolaitteistossa on ainakin polttoaineen sisäänsyöttö anodipuolelle ja happea sisältävän ilman sisäänsyöttö katodi puolelle sekä rikinpoistoyksikkö, polttoaineen muok-10 kausyksikkö ja poltin anodi- ja/tai katodipuolen pakokaasujen polttamiseksi.
Keksinnön kohteena on myös menetelmä polttokennolaitteiston esilämmittä-miseksi.
15 Yksi tulevaisuuden energialähde on hyötysuhteeltaan hyvä polttokenno, jolla polttoaine muutetaan suoraan sähköenergiaksi kemiallisen reaktion kautta. Polttokennossa on kaksi elektrodia, anodi ja katodi, joiden välissä on ioneja johtava aine, jota kutsutaan elektrolyytiksi. Polttoaineena käytetään usein maakaasua tai muuta hiilivetyä, joka täytyy yleensä ensin muuttaa polttoken-20 non käyttämäksi polttoaineeksi esimerkiksi reformoimalla. Näin käsitelty polt- • · toaine syötetään polttokennon anodille, ja vastaavasti reaktioon tarvittava • ♦ happi johdetaan polttokennon katodille esimerkiksi ilman muodossa. Tapah- ···· : tuvassa reaktiossa elektronit irtoavat anodilla polttoainekaasun vedystä ja »»· · : ;*; kulkevat ulkoisen virtapiirin, eli polttokennon perään laitetun kuorman kautta • · · 25 polttokennon katodille. Tällöin siis vety yhtyy polttokennossa happeen muo- ··· dostaen lämpöä ja energiaa, joka energia saadaan suoraan sähköenergiana, : eikä sitä tarvitse muuttaa välillä mekaaniseen muotoon. Yksittäisen poltto- ··· kennon aikaansaama potentiaaliero on tyypillisesti kuitenkin niin pieni, että . polttoken noista on tarkoituksenmukaista muodostaa usean, keskenään sar- ·· · 30 jaan kytketyn polttokennon yksikkö, eli ns. polttokennopino, joita pinoja voi- ··· ; daan vielä kytkeä sarjaan tai rinnakkain jännitteen tai virran edelleen nosta- • * * ,·, j miseksi. Polttokennojen etuina ovat mm. hyvä hyötysuhde, äänettömyys ja • ·· • · 2 119490 erittäin vähäinen liikkuvien osien tarve. Lisäksi etuna on pelkkää vettä tai vesihöyryä olevien päästöjen luontoystävällisyys ja puhtaus.
Polttokennovoimalassa käytettävät polttoaineet tarvitsevat yleensä polttoai-5 neesta riippuen erilaista esikäsittelyä ennen polttoaineen syöttöä polttoken-noille. Nämä esi käsittelytoimenpiteet voivat esimerkiksi sisältää rikinpoiston, vedyn tuottamisen polttoaineen raaka-aineesta, tai muita katalyyttisiä, tai ei katalyyttisiä menetelmiä. Käytetyistä menetelmistä riippumatta, esikäsittely-toimenpiteet tapahtuvat yleensä lämpötiloissa, jotka ovat paljon korkeampia 10 kuin ympäristön lämpötila. Tästä syystä prosessissa virtaavia aineita on lämmitettävä joko siten, että niitä lämmitetään ennen varsinaista käsittelyprosessia lämmönsiirtimen avulla, taikka sitten siirtämällä lämpöä siihen reaktio-astiaan tai reaktoriin, jossa itse esikäsittely tapahtuu. Voidaan myös käyttää molempia edellä mainittuja tapoja yhdessä.
15
Tunnetun tekniikan mukaisesti tämä esilämmityksen lämmöntarve toteutetaan siten, että jälkipolttimen tuottamat pakokaasut kierrätetään lämmönsiirtimen kautta, jossa lämmönsiinimessä lämpöä siirretään käsiteltävään poltto- :*.*. aineen raaka-aineeseen. Tämän lisäksi järjestelmän putket ja reaktioastiat • · 20 sisältöineen lämmitetään sähköisesti ulkopuolisella saattolämmityksellä ja » * ··· lämmitysvastuksilla. Epäkohtana tällaisissa tunnetun tekniikan mukaisissa • · · · fratkaisuissa on suuri ulkopuolisen sähkön tarve ja kulutus polttokennojärjes-
·· I
: telmän käynnistysvaiheessa, koska polttokennojärjestelmä ei itse pysty vielä « · · tuottamaan tarpeeksi sähköenergiaa esilämmitystä varten. Lisäksi epäkohta- 25 na on se, että sähkövirran käyttö mainittuun esilämmitykseen myöhemmin varsinaisessa järjestelmän käyttövaiheessa kuluttaa osan polttokennojen it- sensä tuottamasta sähköstä. Tämän seurauksena polttokennonlaitteiston . sähköhyötysuhde alenee.
*·· ··♦ • · • · » · · . 30 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada edullinen ja varmatoiminen
• M
.·. j esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa, jonka järjestelyn avulla edellä • ·· mainitut tekniikan tason epäkohdat voidaan poistaa. Erityisesti keksinnön tar- 3 119490 koituksena on aikaansaada esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa, jossa järjestelmä voidaan käynnistää ainakin osittain tai kokonaan ilman ulkopuolista sähkölämmitystä. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on aikaansaada ratkaisu, jossa polttoaine ja/tai reaktioastiat voidaan esilämmittää ilman polt-5 tokennojen tuottamaa omaa sähköä. Samoin keksinnön tarkoituksena on aikaansaada ratkaisu, jossa käytettyjä reaktioastioita voidaan lämmittää käyttötilanteessa ilman ulkopuolisen tai polttokennojen tuottaman sähkön tarvetta.
Keksinnön mukaiselle esilämmitysjärjestelylle on tunnusomaista se, mitä on 10 esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle menetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön muille sovellutusmuodoille on tunnusomaista se, mitä on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.
15 Keksinnön mukaisen esilämmitysjärjestelyn perusajatuksena on se, että jäl-kipolttimelle on järjestetty erillinen polttoaineen syöttökanava polttoaineen syöttämiseksi jälkipolttimelle ainakin polttokennolaitteiston käynnistysvaiheessa, ja että järjestely käsittää jälkipolttimeitä ja rikinpoistoyksikölle johta-van kanavan pakokaasun johtamiseksi rikinpoistoyksikölle ja poistokanavan • · 20 pakokaasun poistamiseksi rikinpoistoyksiköltä ja/tai jälkipolttimelta muok- · ·:· kausyksikölle johtavan kanavan pakokaasun johtamiseksi muokkausyksikölle • aa· • ja poistokanavan pakokaasun poistamiseksi muokkausyksiköltä. Lisäksi h-·· · kinpoistoyksikön poistokanava on varustettu säätöelimellä pakokaasuvirran säätämiseksi ja poistokanavassa on lämmönvaihdin säätöelimen ja rikinpois- 25 toyksikön välissä ja/tai muokkausyksikön poistokanava on varustettu säätö- ·,·,· elimellä pakokaasun virtausmäärän säätämiseksi ja poistokanavassa on ··· lämmönvaihdin säätöelimen ja muokkausyksikön välissä.
A
• • A ·
• A A
• AA
:***: Keksinnön yhdessä sovellusmuodossa rikinpoistoyksikkö on ympäröity kote-
• AA
,·[: 30 tolia, johon on yhdistetty kanava, jonka kautta ainakin osa jälkipoltti men pa-
A AA
.·. · kokaasuista on järjestetty johdettavaksi mainittuun koteloon. Etuna on tällöin *· ** mm. se, että reaktioastia voidaan esilämmittää käynnistysvaiheessa ilman 4 119490 ulkopuolista sähköenergiaa. Lisäksi etuna on se, että myös käyttövaiheessa reaktioastia voidaan esilämmittää oikeaan prosessilämpötilaan ilman sähköenergian käyttöä. Tämä lisää polttokennolaitteiston hyötysuhdetta tunnetun tekniikan mukaisiin laitteistoihin nähden, koska polttokennojen itse tuottamaa 5 sähköenergiaa ei tarvitse käyttää reaktioastian esilämmitykseen.
Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin yhden sovellutusesimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 10 kuvio 1 esittää yksinkertaistettuna ja kaaviollisesti yhtä tyypillistä poltto- kennolaitteistoa, ja kuvio 2 esittää yksinkertaistettuna ja kaaviollisesti keksinnön mukaista järjestelyä sovellettuna polttokennolaitteistoon.
15 Kuvioissa 1 on esitetty kaaviokuvana ja yksinkertaistettuna yksi tyypillinen polttokennolaitteisto, jossa keksinnön mukaista esilämmitysjärjestelyä voidaan hyvin käyttää. Kuviossa 1 on esitetty polttokennolaitteisto, jossa poltto-kennoyksikön 6 muodostavat korkeassa lämpötilassa toimivat polttokennopi- : v. not voivat koostua esimerkiksi kiinteäoksidipolttokennoista (SOFC) tai karbo- • ·' :*·*; 20 naattisulapolttokennoista (MCFC) tai muista sopivista polttokennotyypeistä.
• · ··· Kuvatussa laitteistossa käytetään polttoaineena esimerkiksi maakaasusta ·*·· : saatavaa vetyä. Muita sopivia polttoaineita ovat esimerkiksi metanoli, diesel- Öljy, kerosiini ja muut hiilivetyjä sisältävät aineet. Maakaasu tuodaan laitteis- toon paineistettuna syöttöjohtoa 1 pitkin lämmönsiirtimen 2 kautta, jossa polt- 25 toainetta lämmitetään pakokaasujen lämmön avulla. Lämmönsiirtimen 2 pe- rässä on rikinpoistoyksikkö 3, jossa polttoaineesta poistetaan rikki. Rikinpois- ·***.’.* toyksikön 3 jälkeen maakaasu johdetaan polttoaineenmuokkausyksikkönä . .·. toimivaan esireformeriin tai reformeriin 4, jossa maakaasusta muodostetaan ·· · .·*·. vetyä. Vedyn muodostukseen käytetään apuna vettä, joka tuodaan laitteis- ··· 30 toon paineistettuna syöttöjohtoa 16 pitkin lämmönsiirtimen 17 kautta, jossa • ·· m'm ! vesi höyrystetään pakokaasujen lämmön avulla. Reformerissa 4 maakaasun • «i hiilivedyt muunnetaan vesihöyryn avulla vedyksi, metaaniksi ja hiilioksideiksi.
s 119490
Laitteiston toiminnan tehostamiseksi osa anodipuolen 7 pakokaasuista johdetaan lämmönsiirtimen 5 ja puhaltimen 13 kautta reformerin 4 syöttöpuolelle, jolloin syöttövirtaan sekoittuu myös hiilidioksidia ja vesihöyryä. Reformerista 4 polttoaine johdetaan mainitun lämmönsiirtimen 5 kautta polttokennopinoista 5 muodostetun polttokennoyksikön 6 anodipuolelle 7. PolttokennoyksikÖn 6 polttokennopinot koostuvat useista toisiinsa kiinni puristetuista polttokennoista, joissa kussakin on anodipuoli 7, katodipuoli 8 ja näiden välissä oleva elektrolyytti 9. Kuviossa polttokennopinot ja niiden mahdolliset yhdistelmät on kuvattu kaaviollisesti yhtenä kokonaisuutena. Se osa anodipuolen 7 pako-10 kaasuista, mikä ei mene uudelleen kierrätykseen, johdetaan jälkipolttimeen 14, jossa jäännöspolttoaine poltetaan ja jonka jälkeen pakokaasut johdetaan lämmönsiirtimien 17,2 ja 15 kautta pois laitteistosta.
Vastaavasti katodipuolelle 8 syötetään happea ilman mukana puhaltimella 15 10, josta ilma johdetaan syöttöjohtoa 11 pitkin lämmönsiirtimeen 12, jossa tuleva ilma esilämmitetään katodipuolen omien pakokaasujen avulla ennen ilman johtamista katodipuolelle 8. Suurin osa katodipuolen pakokaasujen lämmöstä käytetään katodipuolelle johdettavan ilman esilämmitykseen läm-mönsiirtimessä 12, johon katodipuolen pakokaasut johdetaan. Pienempi osa • · .·*.*. 20 lämmöstä johdetaan edelleen pakokaasujen mukana jälkipolttimelle 14 ja sitä • · ··· kautta pois laitteistosta. Osa lämmöstä johdetaan myös suoraan pois laitteis- ···· : .·*: tosta jälkipolttimen 14 ohi esimerkiksi lämmönsiirtimen 15 kautta.
··· · • · · • · · ···
Kuviossa 2 on esitetty yksinkertaistettuna ja kaaviollisesti yksi keksinnön mu- 25 kainen ratkaisu sovellettuna polttokennolaitteistoon, esimerkiksi kuvion 1 mu- kaiseen laitteistoon. Kuviossa 2 ei ole esitetty selvyyden vuoksi kaikkia kuvi- ossa 1 esitettyjä laitteita. Laitteistossa rikinpoistoyksikkö 3 on ympäröity kote- :lolla 21, joka on mitoitettu sisätilaltaan rikinpoistoyksikköä 3 sopivasti suu-··· :**: remmaksi siten, että kotelon 21 sisäseinien ja rikinpoistoyksikön 3 välissä on ··· .·!; 30 kierrätettävän kaasun virtaustila, joka ympäröi rikinpoistoyksikön 3 olennai- • *· .·, | sesti joka puolelta. Vastaavasti polttoaineen muokkaamisyksikkönä toimiva *. ·: reformer! 4 tai vastaava laite on ympäröity kotelolla 23, joka on mitoitettu si- 6 119490 sätilaltaan reformeria 4 sopivasti suuremmaksi siten, että kotelon 23 sisäseinien ja reformerin 4 välissä on kierrätettävän pakokaasun virtaustila, joka ympäröi reformerin 4 olennaisesti joka puolelta.
5 Jälkipolttimeen 14 on liitetty erillinen polttoainekanava 24, jonka kautta jälki-polttimelle 14 syötetään käsittelemätöntä polttoainetta. Lisäksi polttoaine-kanavaan 24 on yhdistetty ilmakanava 25, johon syötetään puhaltimella ilmaa, joka on järjestetty sekoittumaan polttoaineen kanssa ennen polttoaineen joutumista jälkipolttimeen 14. Sekoitus voidaan tehdä myös itse poltti-10 messa tapauksesta riippuen. Puhaltimena voi toimia esimerkiksi kuviossa 1 esitetty puhallin 10, joka myös puhaltaa ilmaa katodille 8.
Vastaavasti jälkipolttimen 14 pakokaasukanava 20 on reititetty siten, että pakokaasua on tarvittaessa johdettavissa mahdollisen edelleenkäsittelyn kautta 15 esim. ulkoilmaan johtavan pakokaasukanavan 26 lisäksi rikinpoistoyksikölle 3, tarkemmin rikinpoistoyksikön 3 koteloon 21, kanavaa 27 pitkin rikinpoisto-yksikön 3 lämmittämiseksi, lämmittimelle 22 kanavaa 28 pitkin polttoaineen lämpötilan nostamiseksi reformointia varten sopivaan lämpötilaan ja reforme-rille 4, tarkemmin reformerin 4 koteloon 23, kanavaa 29 pitkin reformerin 4 i · ·*·*. 20 lämmittämiseksi. Pakokaasua poistetaan rikinpoistoyksiköltä 3, lämmittimeltä • · ··· 22 ja reformerilta 4 poistokanavia 27’, 28’, 29’ pitkin. Poistokanavat 27’, 28’, **·· 29’ ovat virtausyhteydessä pakokaasukanavaan 26. Rikinpoistoyksikön 3 poistokanava 27’, lämmittimen 22 poistokanava 28’ ja reformerin 4 poisto- kanava 29’ on varustettu lämmönvaihtimilla 31, joilla pakokaasua jäähdyte- 25 tään ennen pakokaasukanavaan 26 johtamista. Pakokaasun sisältämää läm- ί.ϊ.ϊ pöä siirretään lämmönvaihtimilla 31 lämmityspiirissä 32 vihaavaan väliainee- • · » seen, kuten kaasuun tai nesteeseen. Lämmityspiirissä 32 lämmitetty väliaine • .·. johdetaan esimerkiksi kaukolämpöverkkoon tai muuhun lämmönjakoverk- koon 33.
M· 30
I I I
• M
,1, j Virtauskanavat 24, 25 ja poistokanavat 27’, 28’, 29’ on varustettu säätövent- • ·· tiilillä 30 tai vastaavalla säätöelimellä kanavien aukaisemiseksi ja sulkemi- 7 119490 seksi sekä kanavien kaasun virtausmäärän säätämiseksi tarpeen mukaisesti. Säätöventtiilit 30 on sijoitettu rikinpoistoyksikön 3 poistokanavaan 27’, läm-mittimen 22 poistokanavaan 28’ ja reformerin 4 poistokanavaan 29’ kohtiin, jotka ovat pakokaasun virtaussuunnassa lämmönvaihtimien 31 jälkeen. Täl-5 löin lämmönvaihdin 31 on rikinpoistoyksikön poistokanavassa 27’ säätövent-tiilin 30 ja rikinpoistoyksikön 3 välissä, lämmittimen poistokanavassa 28’ lämmittimen 22 ja säätöventtiilin 30 välissä ja reformerin poistokanavassa 29' reformerin 4 ja säätöventtiilin 30 välissä.
10 Laitteistossa on lisäksi ejektori 18, jolla huolehditaan anodipuolen 7 pako* kaasujen uudelleenkierrätyksestä. Anodipuolen pakokaasut on johdettu anodilta 7 ejektorille uudelleenkierrätyskanavaa 19 pitkin. Ejektori 18 on sijoitettu polttoaineen syöttökanavaan 1 esimerkiksi rikinpoistoyksikön 3 ja reformerin 4 väliin. Ejektorin 18 sijaan voidaan käyttää myös puhallinta tai vastaavaa 15 laitetta.
Keksinnön mukaisella ratkaisulla polttoaineen, rikinpoistoyksikön 3 ja reformerin 4 esilämmitys toteutetaan laitteiston käynnistysvaiheessa johtamalla ainakin osa raakaa polttoainetta ennen rikinpoistoa erillistä polttoaineen syöt- • · 20 tökanavaa 24 pitkin jälkipolttimelle 14 ja johtamalla ainakin osa näin poltetun • ·;. polttoaineen pakokaasuista kanavaa 27 pitkin rikinpoistoyksikölle 3, kuten *··* : ;*; rikinpoistoyksikön 3 koteloon 21, rikinpoistoyksikön 3 lämmittämiseksi. Vas- ·· · :taavasti osa näin poltetun polttoaineen pakokaasuista johdetaan kanavaa 29 * · · :[**: pitkin polttoaineen muokkausyksikölle, kuten reformerin 4 koteloon 23, 25 muokkausyksikön lämmittämiseksi. Lisäksi polttoaineen lämpötilaa nostetaan rikinpoiston jälkeen lämmittimen 22 avulla johtamalla osa erilliskanavan 24 kautta syötetyn polttoaineen pakokaasuista kanavaa 28 pitkin lämmittimelle . .·. 22. Pakokaasu johdetaan rikinpoistoyksiköltä 3, lämmittimeltä 22 ja reforme- ·« t .·**. riitä 4 poistokanavia 27’, 28’, 29’ pitkin lämmönvaihtimille 31, joissa pakokaa- ··· / . 30 sua jäähdytetään. Pakokaasun sisältämää lämpöä siirretään lämmönvaihti- • ·♦ .I, millä 31 lämmityspiirissä 32 viilaavaan väliaineeseen. Pakokaasun virtaus- • · · määrä rikinpoistoyksikköön 3, lämmittimeen 22 ja reformeriin 4 säädetään β 119490 halutuksi poistokanavien 27’, 28’, 29’ säätöventtiileillä 30, joita ohjataan yksiköiden 3, 22,4 lämpötilamittausten perusteella.
Polttokennolaitteiston varsinaisessa käyttövaiheessa käynnistysvaiheen kal-5 täistä esilämmitystä ei tarvita, mutta samojen kanavien 27, 28 ja 29 kautta voidaan silloinkin johtaa pakokaasua lämmittämään reaktioastioita ja pitämään niiden lämpötila prosessin vaatimalla tasolla. Tällä tavoin menetellen voidaan korvata prosessin mahdollisia lämpöhäviöitä ja nostaa prosessin hyötysuhdetta.
10
Alan ammattimiehelle on selvää, ettei keksintö rajoitu edellä esitettyyn sovellutusesimerkkiin, vaan voi vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä laitteiston rakenne ja käytetyt rakennekomponentit voivat olla erilaisia kuin edellä on esitetty. Tällöin esimerkiksi rikinpoistoyksikkö 15 ja polttoaineen muokkausyksikkönä toimiva reformed tai esireformeri voivat olla erilliskoteloiden sijasta yhdessä ja samassa kotelossa.
Samoin alan ammattimiehelle on selvää, että laitteistossa kuljetettavien ma-teriaalien, kuten polttoaineen, pakokaasujen ja ilman kierrätys laitteistossa ei • · 20 tarvitse välttämättä olla samanlainen kuin edellä on esitetty, vaan kierrätys • « voidaan toteuttaa usealla eri tavalla ja erilaisella laitteistokokoonpanolla.
·1·· • · • · · • · 1 ··· · : Alan ammattimiehelle on myös selvää, että polttoaineen muokkausyksikkönä voi olla laitekokoonpanosta riippuen toimintaperiaatteeltaan erilainen, mutta 25 tähän tarkoitukseen soveltuva laitteisto.
• « 1 • φ · ···
Vielä alan ammattimiehelle on selvää, ettei keksinnön mukainen ratkaisu ra- ; joitu yksinomaan vain mainittujen kiinteäoksidipolttokennojen (SOFC) tai kar- ··· bonaattisulapolttokennojen (MCFC) yhteydessä käytettäväksi, vaan soveltuu • · .·) .· 30 monen muunkin tyyppisten polttokennojen yhteydessä käytettäväksi.
• «« • · · • · · • ·· • · 9 119490
Lisäksi alan ammattimiehelle on selvää, että polttoaineena voi olla mainitun maakaasun sijasta mikä tahansa muukin polttoaine, joka soveltuu käytettäväksi polttokennoissa. Samoin vedyn sijasta voidaan käyttää muutakin sopivaa ainetta, jolloin reformerin sijasta käytetään vastaavaa polttoaineen käsit-5 tely-yksikköä.
·· 1 • « · • · • 1 ·· · • · · • 1 • • V· * ··· * · • · 1 • · · f1 1 • · 1 • · · *·· • · • 1 ·# · f · t • · · »«· ·· • · • · ·2 • · · m 1 · «· 1 II1 * · • · ·· * • 1 • 1 » • ·· • · · * 1 · • ·· 2 • 1

Claims (9)

10 119490
1. Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa, johon polttokennolaitteis-toon kuuluu ainakin polttokennoyksikkö (6), jonka porokannoissa on anodi-5 puoli (7) ja katodipuoli (8) sekä näiden välinen elektrolyytti (9), ja jossa polttokennolaitteistossa on polttoaineen sisäänsyöttö (1) anodipuolelle (7) ja happea sisältävän ilman sisäänsyöttö (11) katodipuolelle (8) sekä rikinpoisto-yksikkö (3), polttoaineen muokkausyksikkö (4) ja poltin (14) anodi- ja/tai ka-todipuolen pakokaasujen polttamiseksi, jolle jälkipolttimelle (14) on järjestetty 10 erillinen polttoaineen syöttökanava (24) polttoaineen syöttämiseksi jälkipolttimelle (14) polttokennolaitteiston käynnistysvaiheessa, joka järjestely käsittää - jälkipolttimelta (14) rikinpoistoyksikölle (3) johtavan kanavan (27) pakokaasun johtamiseksi rikinpoistoyksikölle (3) ja poistokanavan (27’) pakokaasun 15 poistamiseksi rikinpoistoyksiköltä (3), ja/tai - jälkipolttimelta (14) muokkausyksikölle (4) johtavan kanavan (29) pakokaasun johtamiseksi muokkausyksikölle (4) ja poistokanavan (29’) pakokaasun poistamiseksi muokkausyksiköltä (4), tunnettu siitä, että - rikinpoistoyksikön (3) poistokanava (27’) on varustettu säätöelimellä (30) • · 20 pakokaasun virtausmäärän säätämiseksi ja poistokanavassa (27’) on läm- • · ·:· mönvaihdin (31) säätöelimen (30) ja rikinpoistoyksikön (3) välissä, ja/tai ··*· : - muokkausyksikön (4) poistokanava (29’) on varustettu säätöelimellä (30) ··· · : pakokaasun virtausmäärän säätämiseksi ja poistokanavassa (29’) on läm- ··· :***: mönvaihdin (31) säätöelimen (30) ja muokkausyksikön (4) välissä. ··« . . 25
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen esilämmitysjärjestely, tunnettu siitä, että • « · • · · rikinpoistoyksikkö (3) on ympäröity kotelolla (21) ja/tai polttoaineen muok- • · *" kausyksikkö (4) on ympäröity kotelolla (23), joihin kanavat (27, 29) on yhdis- tetty jälkipolttimen (14) pakokaasun johtamiseksi koteloihin (21, 23). ··· • · • · • f·
\ 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen esilämmitysjärjestely, tunnettu siitä, [il! 30 että erillinen polttoaineen syöttökanava (24) on kytketty polttoaineen syöttö- • · kanavaan (1) ennen rikinpoistoyksikköä (3). 11 119490
4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen esilämmitysjärjestely, tunnettu siitä, että erilliseen polttoaineen syöttökanavaan (24) on kytketty ilmakanava (25) lisäilman syöttämiseksi jälkipolttimelle (14).
5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen esilämmitysjärjestely, 5 tunnettu siitä, että järjestely käsittää polttoaineen syöttökanavassa (1) olevan lämmittimen (22) polttoaineen lämmittämiseksi, ja jälkipolttimen (14) ja lämmittimen (22) väliin on sovitetun kanavan (28) pakokaasun johtamiseksi lämmittimelle (22) ja poistokanavan (28’) pakokaasun poistamiseksi lämmit-timeltä (22).
6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen esilämmitysjärjestely, tunnettu siitä, että poistokanava (28’) on varustettu säätöeiimellä (30) pakokaasun virtausmää-rän säätämiseksi, ja että poistokanavassa (28’) on lämmönvaihdin (31) sää-töelimen (30) ja lämmittimen (22) välissä.
7. Menetelmä polttokennolaitteiston esilämmittämiseksi, joka polttokennolait-15 teisto käsittää polttokennoyksikön (6), jonka polttokennoissa on anodipuoli (7) ja katodipuoli (8) sekä näiden välinen elektrolyytti (9), ja jossa polttoken-nolaitteistossa on ainakin polttoaineen sisäänsyöttö (1) anodipuolelle (7) ja • t happea sisältävän ilman sisäänsyöttö (11) katodipuolelle (8) sekä rikinpoisto- • · yksikkö (3), polttoaineen muokkausyksikkö (4) ja poltin (14) anodi- ja/tai ka- : .·. 20 todipuolen pakokaasujen polttamiseksi, jossa menetelmässä syötetään polt- , toainetta polttokennolaitteiston käynnistysvaiheessa jälkipolttimelle (14), pol- *·· * ,··*. tetaan polttoainetta jälkipolttimessa (14), lämmitetään rikinpoistoyksikköä (3) • · johtamalla jälkipolttimessa (14) poltetun polttoaineen pakokaasua rikinpoisto-yksikölle (3) ja poistetaan pakokaasua rikinpoistoyksiköltä (3) poistokanavaa • · · .···. 25 (27’) pitkin, ja/tai polttoaineen muokkausyksikköä (4) lämmitetään johtamalla • · *) jälkipolttimessa (14) poltetun polttoaineen pakokaasua muokkausyksikölle (4) • · *”;* ja poistetaan pakokaasua muokkausyksiköltä (4) poistokanavaa (29’) pitkin, • · *·.··* tunnettu siitä, että m - pakokaasuvirtausta rikinpoistoyksikölle (3) säädetään poistokanavassa (27’) ··· 30 olevalla säätöeiimellä (30) ja pakokaasuvirtausta jäähdytetään poistokana- 12 119490 vassa (27') säätöelimen (30) ja rikinpoistoyksikön (3) välissä olevalla läm-mönvaihtimella (31), ja/tai • pakokaasuvirtausta muokkausyksikölle (4) säädetään poistokanavassa (29’) olevalla säätöelimellä (30) ja pakokaasuvirtausta jäähdytetään poisto-5 kanavassa (29’) säätöelimen (30) ja muokkausyksikön (4) välissä olevalla lämmönvaihtimella (31).
8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että järjestely käsittää polttoaineen syöttökanavassa (1) olevan lämmittimen (22) polttoaineen lämmittämiseksi, jota lämmitintä (22) lämmitetään johtamalla jälkipoltti-10 messa (14) poltetun polttoaineen pakokaasua lämmittimelle (22), poistetaan pakokaasua lämmittimeltä (22) poistokanavaa (28’) pitkin, säädetään pakokaasuvirtausta lämmittimelle (22) poistokanavassa (28’) olevalla säätöelimellä (30), ja että pakokaasuvirtausta jäähdytetään poistokanavassa (28’) säätöelimen (30) ja lämmittimen (22) välissä olevalla lämmönvaihtimella (31).
9. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pa kokaasuvirtausta rikinpoistoyksikölle (3) ja/tai muokkausyksikölle (4) ja/tai lämmittimelle (22) säädetään kyseisen yksikön lämpötilamittauksen perus- f\: teella. # · • · · • · • * ·»· *··♦ • · « · · « · · ·· · • · « « · · ··♦ *·· • · • · ·· · • « * · t • · · • · ··· • · • ♦ • e· • · ♦ • · · ·*· ·»· • v • · ··· ♦ *·· • ••e ··· • · • · *·· 119490 13
FI20065433A 2006-06-22 2006-06-22 Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa FI119490B (fi)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20065433A FI119490B (fi) 2006-06-22 2006-06-22 Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa
PCT/FI2007/050360 WO2007147939A1 (en) 2006-06-22 2007-06-15 Preheating arrangement in a fuel cell apparatus
CN2007800234110A CN101473482B (zh) 2006-06-22 2007-06-15 燃料电池设备中的预热装置
KR1020097000924A KR20090021312A (ko) 2006-06-22 2007-06-15 연료전지장치에서의 예열장치
JP2009515903A JP2009541921A (ja) 2006-06-22 2007-06-15 燃料電池装置における予備加熱装置
EP07788745A EP2038953B1 (en) 2006-06-22 2007-06-15 Preheating arrangement in a fuel cell apparatus
US12/305,927 US8221928B2 (en) 2006-06-22 2007-06-15 Preheating arrangement in a fuel cell apparatus
AT07788745T ATE547819T1 (de) 2006-06-22 2007-06-15 Vorheizanordnung in einer brennstoffzellenvorrichtung

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20065433 2006-06-22
FI20065433A FI119490B (fi) 2006-06-22 2006-06-22 Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20065433A0 FI20065433A0 (fi) 2006-06-22
FI20065433A FI20065433A (fi) 2007-12-23
FI119490B true FI119490B (fi) 2008-11-28

Family

ID=36651528

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20065433A FI119490B (fi) 2006-06-22 2006-06-22 Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8221928B2 (fi)
EP (1) EP2038953B1 (fi)
JP (1) JP2009541921A (fi)
KR (1) KR20090021312A (fi)
CN (1) CN101473482B (fi)
AT (1) ATE547819T1 (fi)
FI (1) FI119490B (fi)
WO (1) WO2007147939A1 (fi)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8758950B2 (en) 2009-05-12 2014-06-24 Panasonic Corporation Fuel cell system
CN104124462A (zh) * 2013-04-25 2014-10-29 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种对电堆阳极尾气进行回收利用的固体氧化物燃料电池系统
AT519860B1 (de) * 2017-04-13 2020-11-15 Avl List Gmbh Brennstoffzellensystem mit ringförmigem Reformer
US10870810B2 (en) 2017-07-20 2020-12-22 Proteum Energy, Llc Method and system for converting associated gas
CN113161577A (zh) * 2021-03-19 2021-07-23 华能国际电力股份有限公司 一种熔融碳酸盐燃料电池预热装置和方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3576677A (en) * 1967-05-23 1971-04-27 United Aircraft Corp Fuel cell process air control
JPH053043A (ja) * 1991-06-24 1993-01-08 Hitachi Ltd 燃料電池装置
US5213912A (en) * 1991-12-30 1993-05-25 International Fuel Cells Corporation Molten carbonate fuel cell sulfur scrubber
US6077620A (en) * 1997-11-26 2000-06-20 General Motors Corporation Fuel cell system with combustor-heated reformer
US6306531B1 (en) * 1999-07-06 2001-10-23 General Motors Corporation Combustor air flow control method for fuel cell apparatus
US6413661B1 (en) * 1999-12-15 2002-07-02 General Motors Corporation Method for operating a combustor in a fuel cell system
JP3915475B2 (ja) * 2001-11-06 2007-05-16 ダイキン工業株式会社 燃料電池システム
US7588849B2 (en) 2002-06-24 2009-09-15 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having tempering of fuel cell stacks by exhaust gas
JP2004031025A (ja) * 2002-06-24 2004-01-29 Fuji Electric Holdings Co Ltd 燃料電池発電装置用脱硫器の運転方法
JP4302372B2 (ja) * 2002-07-23 2009-07-22 出光興産株式会社 脱硫器及び脱硫方法
US7008711B2 (en) * 2003-01-27 2006-03-07 Gas Technology Institute Thermally integrated fuel cell power system
CA2520597A1 (en) 2003-05-16 2004-12-02 Battelle Memorial Institute Rapid start fuel reforming systems and techniques

Also Published As

Publication number Publication date
EP2038953A1 (en) 2009-03-25
JP2009541921A (ja) 2009-11-26
WO2007147939A1 (en) 2007-12-27
US20100239926A1 (en) 2010-09-23
FI20065433A (fi) 2007-12-23
EP2038953A4 (en) 2010-04-07
EP2038953B1 (en) 2012-02-29
FI20065433A0 (fi) 2006-06-22
ATE547819T1 (de) 2012-03-15
KR20090021312A (ko) 2009-03-02
CN101473482B (zh) 2012-10-31
CN101473482A (zh) 2009-07-01
US8221928B2 (en) 2012-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5096163B2 (ja) 燃料電池装置における予熱装置
KR100691959B1 (ko) 연료전지 발전시스템
JP7050117B2 (ja) 高温燃料電池システムのための再循環を利用する方法及び配置
US9012098B2 (en) Hydrogen production apparatus and fuel cell system
JP5033641B2 (ja) 燃料電池装置の構造および方法
US20120129063A1 (en) Flow arrangement for fuel cell stacks
FI119490B (fi) Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa
KR102490704B1 (ko) 통합 연료 전지 시스템
KR20130133806A (ko) 연료 전지 시스템
JP2006269332A (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
KR100751029B1 (ko) 연료전지 발전시스템
KR101128923B1 (ko) 재순환라인을 가지는 연료전지시스템
JPH0589899A (ja) 内部改質型溶融炭酸塩燃料電池及びその運転方法
EP1231662A2 (en) Method and apparatus for controlling reformer temperature
KR20190095042A (ko) Aog를 이용한 연료전지 시스템
JP2015133201A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 119490

Country of ref document: FI

MM Patent lapsed