FI120476B - Polttokennopinojen virtausjärjestely - Google Patents

Description

POLTTOKENNOPINOJEN VIRTAUS JÄRJESTELY STRÖMNINGSARRANGEMANG FOR BRÄNSLECELLSTAPLAR

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen polttoken-5 nopinojen virtausjärjestely, joka käsittää useista polttokennoyksiköistä muodostuvia polttokennopinoja, jossa kukin polttokennoyksikkö ja polttokennopino käsittää anodi- ja katodiosan, ja joka virtausjärjestely käsittää anodivirtauskanaviston ja polttoaineen lähteen, joka on anodivirtauskanaviston syöttöosan avulla virtausyhteydes-sä kunkin polttokennopinon anodiosan tuloon, ja jossa anodiosan poisto on yhtey-10 dessä anodivirtauskanaviston poisto-osan kanssa poistokaasun johtamiseksi pois kultakin polttokennopinon anodiosalta, sekä katodivirtauskanaviston, joka käsittää syöttöosan, joka muodostaa virtausyhteyden katodikaasulle kunkin polttokennopinon katodiosan tuloon ja katodivirtauskanaviston poisto-osan, joka on yhteydessä katodiosien poistojen kanssa poistokaasun johtamiseksi pois polttokennopinoilta, 15 sekä ensimmäisen lämmönvaihtimen, joka on sovitettuna katodivirtauskanaviston ensimmäiseen osaan katodikaasun lämmittämiseksi.

Polttokennojen avulla voidaan tuottaa sähköenergiaa vapauttamalla elektroneja polttoainekaasua hapettamalla anodipuolella ja edelleen yhdistää elektronit katodi-20 puolella happea, tai muuta pelkistyvää ainetta pelkistämällä, sen jälkeen, kun ne ovat kiertäneet ulkoisen virtapiirin kautta tehden työtä. Toiminnan aikaansaamiseksi täytyy kullekin polttokennolle tuoda polttoainetta ja happea, tai muuta pelkistävää ainetta. Yleensä tämä tapahtuu aikaansaamalla anodi- ja katodipuolelle polttoaineen ja ilman virtaus. Yksittäisen polttokennon aikaansaama potentiaaliero on tyy-25 pillisesti kuitenkin niin pieni, että niistä muodostetaan käytännössä polttokennoyksikkö, eli ns. pino, kytkemällä useita kennoja sähköisesti sarjaan. Erillisiä yksiköitä voidaan edelleen kytkeä sarjaan jännitteen nostamiseksi. Kullekin polttokennoyksi-kölle eli ns. pinolle täytyy voida toimittaa reaktiossa tarvittavat aineet, polttoaine ja happi (ilma), sekä myös kuljettaa reaktiotuotteet pois yksiköiltä, toisin sanoen tarvi-30 taan katodi- ja anodipuolen kaasuvirtausjärjestelmät. Lisäksi energiataloudellisuu-den vuoksi on edullista ottaa reaktiolämpöä talteen, erityisesti kiinteäoksidipoltto- 2 kennoja käytettäessä lämpötila on jopa tuhannen celsius-asteen suuruusluokkaa. Prosessiteknisesti polttokennojärjestelyn kokonaishyötysuhteeseen vaikuttaa erityisen voimakkaasti anodi- ja katodipuolen kaasuvirtausten järjestäminen.

5 Julkaisussa US 6,344,289 on esitetty kaasuvirtausten kytkentä polttokennopinojen yhteydessä toteutettavaksi siten, että katodipuolelta pinot on kytketty sarjaan ja anodipuolelta rinnan. Julkaisussa on lisäksi esitetty kunkin sarjaan kytketyn pinon väliin jäähdytysilman tuonti, mikä edesauttaa haluttujen prosessiolosuhteiden ylläpitämistä, ja myös vähentää tarvittavaa kokonaisilmamäärää. Julkaisussa esitetty 10 kytkentä ei kuitenkaan ole mm. tilankäytön kannalta optimaalinen kytkettäessä lukumäärältään useita polttokennopinoja toisiinsa, mikä on välttämätöntä pyrittäessä satojen kilowattien kokonaistehoon.

Julkaisussa "Conceptual study of a 250 kW planar SOFC system for CHP applica-15 tion", E. Fontell et al, Journal of Power Sources 131 (2004) 49-56, on esitetty kaa-viollisesti kaasun virtaukset erääseen kiinteäoksidi-polttokennosovellukseen maa-kaasukäytössä. Julkaisussa ehdotetaan anodivirtauksen toteuttamista siten, että polttoaine ensin esilämmitetään, jonka jälkeen se johdetaan rikinpoistolaitteeseen. Polttoaineeseen, jolle rikinpoisto on jo suoritettu, sekoitetaan polttokennoilta pois-20 tettavaa anodipuolen kaasua ja tämä seos johdetaan esireformeriin. Esireformeris-sa kaasun korkeammat hiilivedyt pilkotaan metaaniksi, vedyksi ja hiilioksideiksi (CO, C02). Tämän jälkeen kaasua lämmitetään niin ikään polttokennolta poistettavan anodipuolen kaasun avulla ja lämmitetty kaasu johdetaan polttokennoon. Katodipuolen ilmavirtaus on toteutettu siten, että syötettävä ilma lämmitetään katodi-25 puolen poistoilman avulla. Osa jäähdytetystä poistoilmasta johdetaan katalyyttiseen polttimeen, jossa kierrättämätön anodipuolen kaasu hapetetaan. Julkaisussa esitetään pinojen olevan sekä anodipuoleltaan että katodipuoleltaan rinnan kytkettyinä. Rinnan kytkentä johtaa käytännössä useita pinoja toisiinsa kytkettäessä varsinkin katodipuolella ongelmiin, sillä rinnan kytkennässä mm. jäähdytyksen vuoksi 30 tarvittava kokonaisilmamäärä kasvaa hyvin suureksi.

3

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada polttokennopinojen virtausjärjestely, jonka avulla edellä mainitut tekniikan tason ongelmat voidaan ratkaista. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on aikaansaada kiinteäoksidi polttokennopinojen virtaus-järjestely, jolla rakenteesta tulee virtaus- ja lämpöteknisesti edullinen ja kompakti, 5 ja jossa järjestelyssä ajettava prosessi on myös kokonaishyötysuhteeltaan hyvä.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan patenttivaatimuksissa 1 sekä muissa vaatimuksissa tarkemmin esitetyllä tavalla.

10 Keksinnön mukainen polttokennopinojen virtausjärjestely käsittää useista poltto-kennoyksiköistä muodostuvia polttokennopinoja, joissa kukin polttokennoyksikkö ja polttokennopino käsittää anodi- ja katodiosan, joka virtausjärjestely käsittää anodi-virtauskanaviston ja polttoaineen lähteen, joka on anodivirtaus-kanaviston syöttö-osan avulla virtausyhteydessä kunkin polttokennopinon anodiosan tuloon, ja jossa 15 anodiosan poisto on yhteydessä anodivirtauskanaviston poisto-osan kanssa poistokaasun johtamiseksi pois kultakin polttokennopinon anodiosalta. Edelleen virtausjärjestely käsittää katodivirtauskanaviston, joka käsittää syöttöosan, joka muodostaa virtausyhteyden katodikaasulle kunkin polttokennopinon katodiosan tuloon ja katodivirtauskanaviston poisto-osan, joka on yhteydessä katodiosien poistojen 20 kanssa poistokaasun johtamiseksi pois polttokennopinoilta, sekä ensimmäisen lämmönvaihtimen, joka on sovitettuna katodivirtauskanaviston ensimmäiseen osaan katodikaasun lämmittämiseksi.

Keksinnölle on tunnusomaista se, että polttokennopinoja on kytkettynä polttoken-25 nopinoryhmiksi, joissa on useita polttokennopinoja kytkettynä anodi- ja katodiosil-taan rinnan siten, että kunkin polttokennopinoryhmän anodiosan tulo on yhteydessä näille yhteiseen anodiosan tulokokoojaan ja että kunkin ryhmän anodiosan poisto on yhteydessä näille yhteiseen anodiosan poistokokoojaan ja lisäksi siten, että kunkin ryhmän katodiosan tulo on yhteydessä näille yhteiseen katodiosan kokoo-30 jaan ja että kunkin ryhmän katodiosan poisto on yhteydessä näille yhteiseen katodiosan kokoojaan, ja että mainitut polttokennopinoryhmät on anodipuolen virtauk- 4 siltaan kytketty rinnan ja katodipuolen virtauksiltaan kytketty sarjaan, ja että järjestely käsittää ohisyöttökanaviston, jonka kautta ainakin yhden polttokennopinoryh-män jälkeinen katodiosan kokooja on virtausyhteydessä katodivirtauskanaviston ensimmäiseen osaan, paikkaan kaasun virtaussuunnassa ennen ensimmäistä 5 lämmönvaihdinta.

Edullisesti ohisyöttökanavisto on virtausyhteydessä kaikkiin ensimmäisen poltto-kennopinoryhmän jälkeisiin polttokennopinoryhmien kokoojiin.

10 Tällaisella järjestelyllä saadaan ensinnäkin järjestettyä riittävä määrä polttokenno-yksikoitä kaasuvirtauksien osalta toisiinsa siten, että polttokennoyksiköiden kaasujen kuljetus sisään ja ulos polttokennoyksiköille aikaansaa sopivat reaktio-olosuhteet kunkin polttokennoyksikön anodille ja katodille. Lisäksi tällä järjestelyllä saadaan polttokennopinojen keskinäinen fyysinen sijoitettu joustavaksi. Edelleen 15 ohisyöttökanavan yhdistäminen kaasun virtaussuunnassa katodiosan jälkeiseen kokoojaan mahdollistaa katodipuolen kaasumäärän pitämisen kohtuullisen pienenä kuitenkin samalla mahdollistaen kunkin polttokennoyksikön katodiosan tehokkaan jäähdytyksen.

20 Katodipuoliltaan sarjaan kytkettyjen polttokennopinoryhmien välinen katodiosan kokooja muodostaa sekoitustilan, jossa edelliseltä polttokennopinoryhmältä tulevat ja seuraavalle polttokennopinoryhmälle lähtevät virtaukset voivat vapaasti sekoittua keskenään, minkä ansiosta seuraavaan polttokennopinoryhmään johdettava katodipuolen kaasu on tasalaatuista.

25

Keksinnön mukaisessa virtausjärjestelyssä anodivirtauskanavisto käsittää polttoaineen esireformerin, joka toimiessaan tarvitsee vesihöyryä, ja tämän tarpeen tyydyttämiseksi kunkin polttokennopinoryhmän anodiosan poistokokooja on virtausyhteydessä anodivirtauskanaviston toiseen osaan ja edelleen anodivirtaus- 30 kanaviston toinen osa on virtausyhtydessä anodivirtauskanaviston ensimmäiseen osaan ennen polttoaineen esireformeria. Tällöin polttokennoyksiköitä tulevan pa 5 kokaasun vesihöyryä voidaan johtaa esireformerille ja hyödyntää polttoaineen korkeiden hiilivetyjen pilkkomisen yhteydessä.

Keksinnön mukaisessa virtausjärjestelyssä polttokennopinot muodostuvat edulli-5 sesti kiinteäoksidipolttokennoyksiköistä.

Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkin omaisesti viitaten oheiseen kaa-viomaiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää erästä edullista suoritusmuotoa keksinnön mukaisesta polttokennopinojen virtausjärjestelystä.

10

Kuviossa 1 polttokennopinojen virtausjärjestely 1, jossa useita polttokennoyksiköitä 2 on kytketty toisiinsa niin anodiosiltaan 2.1 kuin katodiosiltaan 2.2. Sähköistä kytkentää ei ole esitetty ja se toteutetaan kulloinkin sopivalla tavalla esimerkiksi halutun kokonaisjännitteen aikaansaamiseksi.

15

Virtausjärjestely käsittää anodivirtauskanaviston 3, jonka avulla polttoaineen virtaus polttokennojen anodiosille 2.1 ja niiltä pois voidaan toteuttaa ja hallita. Anodivir-tauskanavisto 3 käsittää syöttöosan 3.1, joka muodostuu kanaviston siitä osasta, jossa kaasuvirtaus kulkee kohti anodiosia 2.1 ja myös poisto-osan 3.2, joka muo-20 dostuu kanaviston siitä osasta, jossa kaasuvirtaus kulkee poispäin anodiosista 2.1. Virtausjärjestely 1 käsittää myös katodivirtauskanaviston 4. Se muodostuu niin ikään syöttöosasta 4.1, jolla katodikaasua, yleensä ilmaa, johdetaan kohti kato-diosia 2.2 ja poisto-osasta 4.2, jolla kaasua johdetaan poispäin katodiosista 2.2. Keksinnön mukaisessa polttokennopinojen virtausjärjestelyssä polttoaineen lähde 25 8 on yhteydessä anodivirtauskanaviston 3 syöttöosaan 3.1 polttoaineen syöttämi seksi polttokennopinojen 2 anodiosille 2.1. Koska polttoaineena käytettään tyypillisesti korkeampia hiilivetyjä sisältävää polttoainetta, kuten maakaasua, on anodivirtauskanaviston 3 syöttöosaan sovitettu esireformeri 7, jossa korkeat hiilivedyt pilkotaan metaaniksi, vedyksi ja hiilen oksideiksi (CO, C02), minkä jälkeen kaasun 30 koostumus on sopiva kiinteäoksidipolttokennoille (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) syötettäväksi. Esireformerin jälkeen on andodivirtauskanaviston 3 syöttöosaan 3.1 6 järjestetty syötettävän kaasun lämmönvaihdin 10 (toinen lämmönvaihdin), jolla polt-toainekaasun lämpötilaa voidaan nostaa sopivaksi SOFC järjestelmälle. Lämmönvaihtimen 10 toinen puoli on kytkettynä anodivirtauskanaviston 3 poisto-osaan 3.2, jolloin syötettävää kaasua lämmitetään poisto-osassa 3.2 virtaavaa kaasua jääh-5 dyttämällä.

Järjestely käsittää myös katodivirtauskanaviston 4, joka muodostuu syöttöosasta 4.1, jolla katodikaasua voidaan syöttää polttokennojen katodiosille 2.2 ja edelleen poisto-osasta 4.2, jonka avulla katodikaasua poistetaan polttokennojen katodiosilta 10 2.2. Katodivirtauskanaviston syöttöosaan 4.1 on sovitettu katodikaasun lämmön vaihdin 9 (ensimmäinen lämmönvaihdin), jolla syötettävän katodikaasun lämpötilaa nostetaan. Se on edullisesti lämmönvaihdin, jonka toinen puoli on kytketty katodivirtauskanaviston 4 poisto-osaan 4.2 ja tällöin siis syötettävää kaasua lämmitetään poisto-osassa 4.2 virtaavaa kaasua jäähdyttämällä.

15

Polttokennopinoja 2 on kytketty polttokennopinoryhmiksi siten, että useita poltto-kennopinoja on kytkettynä sekä anodiosiltaan rinnan siten, että kunkin polttoken-nopinoryhmän anodiosan 2.1 tulo 5 on yhteydessä näille yhteiseen anodiosan tulo-kokoojaan 11. Vastaavasti kunkin polttokennopinoryhmän anodiosan 2.1 poisto 5' 20 on yhteydessä näille yhteiseen anodiosan poistokokoojaan 11'. Vastaavalla tavalla polttokennopinoryhmä on polttokennopinojen katodiosiltaan 2.2 kytketty rinnan siten, että kunkin polttokennopinoryhmän katodiosan 2.2 tulo 6 on yhteydessä näille yhteiseen katodiosan kokoojaan 12. Vastaavasti kunkin polttokennopinoryhmän katodiosan 2.2 poisto 6' on yhteydessä näille yhteiseen katodiosan kokoojaan 12. 25 Koska polttokennopinoryhmät ovat kytkettynä katodiosiltaan toisiinsa sarjaan, toimii kahden polttokennoryhmän välinen kokooja 12 samanaikaisesti edellisen polttokennopinoryhmän poistokokoojana ja seuraavan tulokokoojana. Polttokennon-pinoryhmien välisissä katodiosien kokoojissa kaasun sallitaan sekoittua vapaasti, jolloin seuraavaan polttokennopinoryhmään syötettävän kaasun koostumus on ta-30 saisempaa.

7 Järjestelyssä ensimmäisen polttokennopinoryhmän jälkeisten polttokennopinoryh-mien katodiosien kokoojat 12 on yhdistetty ohisyöttökanaviston 4.3 avulla katodivir-tauskanaviston 4 ensimmäisen osan 4.1 kanssa paikkaan, joka on kaasun virtaus-suunnassa ennen ensimmäistä lämmönvaihdinta 9. Tämä mahdollistaa sen, että 5 katodiosiltaan sarjaan kytketyistä polttokennopinoryhmistä ensimmäisen polttokennopinoryhmän jälkeisten polttokennopinoryhmien katodiosien kokoojat 12 toimivat aina edellisestä polttokennopinoryhmästä tulevan kaasun ja lämmittämättömän ka-todikaasun sekoituskammiona. Tällä tavalla voidaan tehokkaasti hallita kunkin peräkkäisen polttokennopinoryhmän katodiosan lämpötilaa ja samalla pitää katodi-10 kaasun kokonaismäärä mahdollisimman alhaisena.

Polttoaineen esireformeri on edullisesti adiabaattinen, kiinteäpeti höyryreformeri, joka käyttää reaktiossaan vesihöyryä. Se voi olla myös ns. autoterminen höyryreformeri tai katalyyttinen osittaishapetusreaktori. Koska anodipuolen poistokaasu 15 sisältää vesihöyryä, on virtausjärjestelyn anodivirtauskanaviston poisto-osa 3.2 varustettu haarakanavalla 3.3, joka yhdistää anodivirtauskanaviston poisto-osan 3.2 anodivirtauskanaviston syöttöosaan 3.1 kohtaan kaasun virtaussuunassa ennen esireformeria 7. Haarakanava 3.3 on yhdistetty anodivirtauskanaviston poisto-osaan 3.2 kohtaan, joka on kaasun virtaussuunnassa toisen lämmönvaihtimen 10 20 jälkeen.

Keksintö ei ole rajoitettu esitettyihin sovellusmuotoihin, vaan useita muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa. Esimerkiksi on selvää, että kaasuvirtauksia voidaan säätää sovittamalla venttileitä virtausjärjestelyyn haluttui-25 hin paikkoihin.

Claims (5)

8 P ATENTTIVAATIM U KS ET

1. Polttokennopinojen virtausjärjestely (1), joka käsittää useista polttokennoyksi-köistä (2) muodostuvia polttokennopinoja, jossa kukin polttokennoyksikkö ja poltto-5 kennopino käsittää anodi- (2.1) ja katodiosan (2.2), ja joka virtausjärjestely (1) käsittää anodivirtauskanaviston (3) ja polttoaineen lähteen (8), joka on anodivirtauskanavis-ton syöttöosan (3.1) avulla virtausyhteydessä kunkin polttokennopinon anodiosan (2.1) tuloon (5), ja jossa anodiosan poisto (5') on yhteydessä anodivirtauskanavis-10 ton poisto-osan (3.2) kanssa poistokaasun johtamiseksi pois kultakin polttokennopinon anodiosalta, katodivirtauskanaviston (4), joka käsittää syöttöosan (4.1), joka muodostaa vir-tausyhteyden katodikaasulle kunkin polttokennopinon katodiosan (2.2) tuloon (6) ja katodivirtauskanaviston (4) poisto-osan (4.2), joka on yhteydessä katodiosien (2.2) 15 poistojen (6') kanssa poistokaasun johtamiseksi pois polttokennopinoilta, ensimmäisen lämmönvaihtimen (9), joka on sovitettuna katodivirtauskanaviston (4) ensimmäiseen osaan (4.1) katodikaasun lämmittämiseksi, tunnettu siitä, että polttokennopinoja on kytkettynä polttokennopinoryhmiksi, joissa on useita polttokennopinoja kytkettynä anodi- ja katodiosiltaan (2.1;2.2) rinnan siten, että kunkin 20 polttokennopinoryhmän anodiosan (2.1) tulo (5) on yhteydessä näille yhteiseen anodiosan tulokokoojaan (11) ja että kunkin ryhmän anodiosan poisto (5') on yhteydessä näille yhteiseen anodiosan poistokokoojaan (11') ja siten, että kunkin ryhmän katodiosan tulo (6) on yhteydessä näille yhteiseen katodiosan kokoojaan (12) ja että kunkin ryhmän katodiosan poisto (6') on yhteydessä näille yhteiseen 25 katodiosan kokoojaan (12), ja että mainitut polttokennopinoryhmät on anodipuolen virtauksiltaan kytketty rinnan ja katodipuolen virtauksiltaan kytketty sarjaan, ja että järjestely käsittää ohisyöttökanaviston (4.3), jonka kautta ainakin yhden polttokennopinoryhmän jälkeinen katodiosan (2.2) kokooja (12) on virtausyhteydessä katodivirtauskanaviston ensimmäiseen osaan (4.1), paikkaan kaasun virtaussuunnassa 30 ennen ensimmäistä lämmönvaihdinta (9). 9

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennopinojen virtausjärjestely, tunnettu siitä, että anodivirtauskanavisto (3) käsittää polttoaineen esireformerin (7) ja että kunkin polttokennopinoryhmän anodiosan (2.1) poistokokooja (11') on yhteydessä anodivirtauskanaviston toiseen osaan (3.2) ja että anodivirtauskanaviston toinen 5 osa on virtausyhtydessä (3.3) anodivirtauskanaviston ensimmäiseen osaan (3.1) ennen polttoaineen esireformeria (7).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennopinojen virtausjärjestely, tunnettu siitä, että se käsittää ohisyöttökanaviston (4.3), joka on virtausyhteydessä kaikkiin ensimmäisen polttokennopinoryhmän jälkeisiin polttokennopinoryhmien kokoojiin 10 (12).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennopinojen virtausjärjestely, tunnettu siitä, että katodiosan (2.2) kokooja (12) muodostaa sekoitustilan, jossa tulevat ja lähtevät virtaukset voivat vapaasti sekoittua keskenään.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen polttokennopinojen virtaus-15 järjestely, tunnettu siitä, että polttokennopinot muodostuvat kiinteäoksidi poltto- kennoyksiköistä. 10