FI121444B - Järjestely ja menetelmä polttokennolaitteistossa - Google Patents

Description

JÄRJESTELY JA MENETELMÄ POLTTOKENNOLAITTEISTOSSA ANORDNING OCH FÖRFARANDE I EN BRÄNSLECELLANLÄGGNING

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen järjes-5 tely polttokennolaitteistossa polttokennojen vuotokaasujen käsittelemiseksi, johon polttokennolaitteistoon kuuluu ainakin polttokennoyksikkö, jonka poltto-kennoissa on anodipuoli ja katodipuoli sekä näiden välinen elektrolyytti, ja jossa polttokennolaitteistossa on ainakin polttoaineen sisäänsyöttö anodipuolelle ja happea sisältävän kaasun sisäänsyöttö katodipuolelle. Keksinnön kohteena 10 on myös patenttivaatimuksen 7 johdanto-osan mukainen menetelmä.

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 15 johtava aine, jota kutsutaan elektrolyytiksi. Polttoaineena käytetään usein maakaasua tai muuta hiilivetyä, joka täytyy yleensä ensin muuttaa polttoken-non käyttämäksi polttoaineeksi esimerkiksi reformoimalla. Näin käsitelty polttoaine syötetään polttokennon anodille, ja vastaavasti hapetukseen tarvittava happi johdetaan polttokennon katodille esimerkiksi ilman muodossa. Tapahtu-20 vassa reaktiossa elektronit irtoavat anodilla polttoainekaasun vedystä ja kulkevat ulkoisen virtapiirin, eli polttokennon perään laitetun kuorman kautta polttokennon katodille. Tällöin siis vety yhtyy polttokennossa happeen muodostaen lämpöä ja energiaa, joka energia saadaan suoraan sähköenergiana, eikä sitä tarvitse muuttaa välillä mekaaniseen muotoon. Yksittäisen polttokennon ai-25 kaansaama potentiaaliero on tyypillisesti kuitenkin niin pieni, että polttoken-noista on tarkoituksenmukaista muodostaa usean, keskenään sarjaan kytketyn polttokennon yksikkö, eli ns. polttokennopino, joita pinoja voidaan vielä kytkeä sarjaan tai rinnakkain jännitteen tai virran edelleen nostamiseksi. Polttokennojen etuina ovat mm. hyvä hyötysuhde, äänettömyys ja erittäin vähäinen liikku-30 vien osien tarve. Lisäksi etuna on pelkkää vettä tai vesihöyryä olevien päästöjen luontoystävällisyys ja puhtaus.

2

Korkeassa lämpötilassa toimivat polttokennopinot, kuten esimerkiksi tasomaisista kiinteäoksidipolttokennoista (SOFC) tai karbonaattisulapolttokennoista (MCFC) rakennetut pinot on tiivistettävä esimerkiksi lasilla ja puristettava lujasti yhteen vuotojen ehkäisemiseksi. Tästä huolimatta polttokennopinoista kuiten-5 kin aina vuotaa jonkin verran polttoainetta sisältävää kaasua, joka sisältää vetyä ja ilmaa ja on siten ympäristölle vaarallista palavaa kaasua ja lisäksi myös hengitettynä vaarallista.

Tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisuissa polttokennopinojen vuotava polt-10 toainekaasu on esimerkiksi tuuletettu jatkuvan ilmavirran avulla suoraan ulos laitteistosta. Epäkohtana on juuri edellä mainittu vaarallisuus sekä se, että jatkuva ilmavirta jäähdyttää laitteistoa, jolloin energiaa menee hukkaan ja laitteiston hyötysuhde huononee.

15 Tämä epäkohdan korjaamiseksi on tunnetun tekniikan mukaisesti esitetty myös ratkaisuja, joissa polttokennopinot sijoitetaan suljettuun paineastiaan. Tällöin saattamalla paineastiaan sopiva paine, joka vastaa polttokennopinojen sisäistä painetta, voidaan estää polttokennopinojen kaasuvuodot. Epäkohtana on kuitenkin se, että tarkoitukseen soveltuvat paineastiat ovat isoja, painavia ja 20 siten myös erittäin kalliita. Lisäksi paine-astia saattaa myös olla sinänsä vaarallinen.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada järjestely polttokennolaitteis-tossa, jonka järjestelyn avulla edellä mainitut tekniikan tason epäkohdat voi-25 daan poistaa. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on aikaansaada järjestely polttokennolaitteistossa polttokennojen kaasuvuotojen käsittelemiseksi siten, että kaasuvuodoista ei aiheudu ympäristöhaittoja eikä ylimääräistä vaaraa laitteiston lähiympäristössä. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on aikaansaada järjestely, jossa polttokennopinoja voidaan laitteiston käynnistämisvaiheessa esi-30 lämmittää happiylijäämän sisältämillä jälkipolttimen pakokaasuilla. Keksinnön mukaiselle järjestelylle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön muille sovellutusmuodoille on tunnus- 3 omaista se, mitä on esitetty muissa patenttivaatimuksissa. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa.

5 Keksinnön mukaisen järjestelyn perusajatuksena on se, että polttokennopinos-ta tai -pinoista koostuva polttokennoyksikkö ympäröidään tulenkestävän kotelon paloillaan, johon on järjestetty avautuvaksi syöttö happea sisältävän kaasun johtamiseksi polttoainevuotojen polttamiseksi. Lisäksi polttokennolaitteis-tossa on jälkipoltin anodi- ja katodipuolen pakokaasujen polttamiseksi, jolloin 10 syöttö on syöttöjohto, joka on sovitettu jälkipolttimen ja palotilan välille happiyli-jäämän sisältämän pakokaasun johtamiseksi jälkipolttimesta paloillaan. Etuna on tällöin mm. se, että polttoaineena oleva vuotanut vety voidaan polttaa turvallisesti aiheuttamatta ympäristöongelmia ja tehohäviöitä. Etuna on myös se, että vuotaneen polttoaineen polttaminen ei aiheuta lämmönhukkaa, vaan polt-15 tamisen avulla voidaan samalla pitää polttokennot tarvittavassa lämpötilassa, jolloin kokonaishyötysuhde paranee. Edullisesti tämä toteutetaan siten, että järjestelmän jäikipolttimelta on järjestetty syöttöjohto happiylijäämän sisältämän pakokaasun johtamiseksi mainittuun kotelon palotilaan. Tällöin lisäksi etuna on se, että polttokennolaitteiston käynnistysvaiheessa keksinnön mukai-20 sella ratkaisulla voidaan esilämmittää polttokennopinoja jälkipolttimen avulla, jolloin sähköllä tarvittavaa esilämmitystä voidaan vähentää tai sähköä ei tarvita esilämmitykseen ollenkaan. Etuna on myös se, ettei tarvita isoa, painavaa, kallista ja vaarallista paineastiaa polttokennoyksikön ympärille. 1 2 3 4 5 6

Keksinnön mukaisessa menetelmässä polttokennojen vuotokaasujen käsitte 2 lemiseksi polttokennolaitteistossa, johon polttokennolaitteistoon kuuluu ainakin 3 polttokennoyksikkö, jonka polttokennoissa on anodipuoli ja katodipuoli sekä 4 näiden välinen elektrolyytti, ja jossa polttokennolaitteistossa on ainakin poltto 5 aineen sisäänsyöttö anodipuolelle ja happea sisältävän kaasun sisäänsyöttö 6 katodipuolelle, polttokennolaitteistoa käytettäessä johdetaan polttoainetta anodipuolelle ja happea sisältävää kaasua katodipuolelle. Polttokennoyksikköä ympäröivään palotilaan syötetään happea sisältävää kaasua vuotavan poltto- 4 aineen polttamiseksi palotilassa. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että polttokennolaitteistossa on jälkipoltin anodi- ja katodipuo-len pakokaasujen polttamiseksi, jolloin jäikipolttimelta syötetään happiylijää-män sisältämää pakokaasua syöttöjohtoa pitkin jälkipolttimesta polttokennoyk-5 sikköä ympäröivään palotilaan.

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 polt-tokennolaitteisto, jossa keksinnön mukaista järjestelyä voidaan hyvin käyttää. Kuviossa 1 on esitetty polttokennolaitteisto, jossa polttokennoyksikön 6 muodostavat korkeassa lämpötilassa toimivat polttokennopinot voivat koostua esimerkiksi kiinteäoksidipolttokennoista (SOFC) tai karbonaattisulapolttokennoista 20 (MCFC) tai muista sopivista polttokennotyypeistä. Kuvatussa laitteistossa käytetään polttoaineena esimerkiksi maakaasusta saatavaa vetyä. Maakaasu tuodaan laitteistoon paineistettuna syöttöjohtoa 1 pitkin lämmönsiirtimen 2 kautta, jossa polttoainetta lämmitetään pakokaasujen lämmön avulla. Lämmönsiirtimen 2 perässä on rikinpoistoyksikkö 3, jossa polttoaineesta poistetaan rikki. 25 Rikinpoistoyksikön 3 jälkeen maakaasu johdetaan laitteistokokoonpanosta riippuen joko esireformeriin tai reformeriin 4, jossa maakaasusta muodostetaan mm. vetyä. Vedyn muodostukseen käytetään apuna vettä, joka tuodaan laitteistoon paineistettuna syöttöjohtoa 16 pitkin lämmönsiirtimen 17 kautta, jossa vesi höyrystetään pakokaasujen lämmön avulla. Reformerissa 4 maakaasun 30 hiilivedyt muunnetaan vesihöyryn avulla vedyksi, metaaniksi ja hiilioksideiksi. Laitteiston toiminnan tehostamiseksi osa anodipuolen 7 pakokaasuista johdetaan lämmönsiirtimen 5 ja puhaltimen tai kompressorin 13 kautta reformerin 4 5 syöttöpuolelle, jolloin syöttövirtaan sekoittuu myös hiilidioksidia ja anodipuolen 7 pakokaasujen vesihöyry. Reformerista 4 polttoaine johdetaan mainitun lämmönsiirtimen 5 kautta polttokennopinoista muodostetun polttokennoyksikön 6 anodipuolelle 7. Polttokennoyksikön 6 polttokennopinot koostuvat useista 5 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 pakokaasuista, joka ei mene uudelleen kierrätykseen, johdetaan jälkipolttimeen 14, jossa jäännöspolttoaine poltetaan ja jonka 10 jälkeen pakokaasut johdetaan lämmönsiirtimien 17, 2 ja 15 kautta pois laitteistosta.

Vastaavasti katodi puolelle 8 syötetään happea ilman mukana puhaltimella tai kompressorilla 10, josta ilma johdetaan syöttöjohtoa 11 pitkin lämmönsiirti-15 meen 12, jossa tuleva ilma esilämmitetään katodipuolen omien pakokaasujen avulla ennen ilman johtamista katodi puolelle 8. Suurin osa katodipuolen pakokaasujen lämmöstä käytetään katodipuolelle johdettavan ilman esilämmityk-seen lämmönsiirtimessä 12, johon katodipuolen pakokaasut johdetaan. Pienempi osa lämmöstä johdetaan edelleen pakokaasujen mukana jälkipolttimelle 20 14 ja sitä kautta pois laitteistosta, tai suoraan pois laitteistosta esimerkiksi lämmönsiirtimen 15 kautta.

Kuviossa 2 on esitetty yksi keksinnön mukainen ratkaisu sovellettuna poltto-kennolaitteistoon, esimerkiksi kuvion 1 mukaiseen laitteistoon. Laitteistossa 25 polttokennoyksikkö 6 on varustettu tulenkestävällä kotelolla 18, joka ympäröi koko polttokennoyksikön 6. Polttoaineen ja ilman tulot sekä pakokaasujen lähdöt on johdettu tiivistettyinä kotelon 18 seinien läpi polttokennoyksikköön 6. Kotelo 18 on mitoitettu sisätilaltaan polttokennoyksikköä 6 sopivasti suuremmaksi siten, että kotelon 18 sisäseinien ja polttokennoyksikön 6 välissä on 30 vuotavan polttoaineen palotila 19, joka ympäröi polttokennoyksikön 6 poltto-kennopinoja olennaisesti joka puolelta.

6

Vastaavasti jälkipolttimen 14 lähtöön 20 on ensimmäisestä päästään yhdistetty pakokaasun syöttöjohto 22, joka on yhdistetty toisesta päästään kotelon 18 paloillaan 19. Kuvion 2 suoritusmuodossa syöttöjohto 22 on varustettu puhalti-mella 21 tai vastaavalla. Puhallinta 21 tarvitaan sellaisissa tapauksissa, joissa 5 palotilan painehäviö halutaan kompensoida. Usein jälkipolttimen lähdössä 20 vallitseva ylipaine on kuitenkin riittävä aikaansaamaan kaasun virtauksen palo-tilaan 19 ja sieltä eteenpäin. Lisäksi laitteistossa on poistokanava 23 tai vastaava, jonka ensimmäinen pää on palotilassa 19 ja joka on järjestetty kuljettamaan palotilan 19 pakokaasut pois laitteistosta joko suoraan, jonkin lämmön-10 siirtimen kautta tai johtamalla pakokaasut uudelleen jäikipolttimelle 14. Eri poistomahdollisuuksia ei ole esitetty kuviossa.

Keksinnön mukaisesti jälkipolttimelta 14 johdetaan happiylijäämän sisältämää kuumaa pakokaasua syöttöjohtoa 22 pitkin paloillaan 19, jossa polttoaineken-15 noista vuotanut kuuma polttoaine yhtyy happeen ja palaa turvallisesti muusta laitteistosta eristettynä sekä poistuu pakokaasuna ulos laitteistosta. Happiylijäämän sisältämää pakokaasua johdetaan jälkipolttimelta 14 paloillaan 19 sellaisessa tilassa, että pakokaasun lämpötila on korkeampi kuin vuotavan polttoaineen leimahduspiste, joten vuotava polttoaine palaa mahdollisine hiilivetyi-20 neen pois. Lisäksi vuotokaasujen poltto on sovitettu tapahtumaan olennaisesti polttokennoyksikön 6 polttokennojen välittömässä läheisyydessä polttokenno-jen pitämiseksi tarvittavassa lämpötilassa polttokennojen toiminnan aikana.

Korkeassa lämpötilassa toimivat polttokennot, kuten kiinteäoksidipolttokennot 25 (SOFC) tai karbonaattisulapolttokennot (MCFC) tarvitsevat käynnistymisvaiheessa esilämmitystä noin 450 °C lämpötilaan ennen kuin niitä voi alkaa kuormittaa. Yleensä esilämmitys toteutetaan sähkövastuksilla. Sähkövirtaa polttokennot antavat varsinaisesti vasta lämmettyään toimintalämpötilaansa, joka on esilämmityslämpötilaa paljon korkeampi, joten polttokennojen omalla 30 sähkövirrantuotannolla esilämmitystä ei voida toteuttaa. Mikäli asennuspaikalla ei ole riittävää ulkoista sähkön syöttöä, esilämmitys on hankala toteuttaa.

7

Keksinnön mukaisella ratkaisulla polttokennojen esilämmitys voidaan toteuttaa johtamalla ainakin osa jälkipolttimen 14 pakokaasusta jo polttokennolaitteiston käynnistämisvaiheessa polttokennoyksikköä 6 ympäröivän kotelon 18 paloillaan 19. Tällöin jälkipolttimen 14 pakokaasut lämmittävät polttokennoja ja reak-5 tio saadaan käynnistymään ilman ulkopuolista, tähän tarkoitukseen soveltuvaa sähkönsyöttöä.

Alan ammattimiehelle on selvää, ettei keksintö rajoitu edellä esitettyyn sovellutusesimerkkiin, vaan voi vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten 10 puitteissa. Niinpä mm. laitteiston rakenne ja käytetyt rakennekomponentit voivat olla erilaisia kuin edellä on esitetty. On selvää myös, että palotilaan voidaan jälkipolttimen happiylijäämäisen kaasun sijasta ajatella syötettäväksi esim. katodipuolen poistokaasua, joka myös sisältää happea ja on suhteellisen korkeassa lämpötilassa.

15

Samoin alan ammattimiehelle on selvää, että laitteistossa kuljetettavien materiaalien, kuten polttoaineen, pakokaasujen ja ilman kierrätys laitteistossa ei tarvitse välttämättä olla samanlainen kuin edellä on esitetty, vaan kierrätys voidaan toteuttaa usealla eri tavalla ja erilaisella laitteistokokoonpanolla.

20

Alan ammattimiehelle on selvää, ettei keksinnön mukainen ratkaisu rajoitu vain mainittujen kiinteäoksidipolttokennojen (SOFC) tai karbonaattisulapolttokenno-jen (MCFC) yhteydessä käytettäväksi, vaan soveltuu kaikkien olennaisesti korkeassa lämpötilassa toimivien polttokennojen vuotokaasujen käsittelemiseen. 25

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.

30

Claims (6)

1. Järjestely polttokennolaitteistossa polttokennojen vuotokaasujen käsittelemiseksi, johon polttokennolaitteistoon kuuluu ainakin polttokennoyksikkö (6), jonka polttokennoissa on anodipuoli (7) ja katodipuoli (8) sekä näiden välinen 5 elektrolyytti (9), ja jossa polttokennolaitteistossa on ainakin polttoaineen sisäänsyöttö (1) anodipuolelle (7) ja happea sisältävän kaasun sisäänsyöttö (11) katodipuolelle (8), ja polttokennoyksikkö (6) on sijoitettu sitä ympäröivään koteloon (18), jonka sisäseinien ja polttokennoyksikön (6) välissä on vuotavan polttoaineen palotila (19), johon paloillaan (19) on järjestetty avautuvaksi syöttö 10 happea sisältävän kaasun johtamiseksi sinne, tunnettu siitä, että polttokennolaitteistossa on jälkipoltin (14) anodi- ja katodipuolen pakokaasujen polttamiseksi, jolloin syöttö on syöttöjohto (22), joka on sovitettu jälkipolttimen (14) ja palotilan (19) välille happiylijäämän sisältämän pakokaasun johtamiseksi jälki-polttimesta (14) paloillaan (19).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että jälkipolttimen (14) ja palotilan (19) välinen syöttöjohto (22) on varustettu puhaltimella (21) tai vastaavalla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että paloillaan (19) on kytketty poistokanava (23), joka on järjestetty kuljettamaan palotilan 20 (19) pakokaasut pois polttokennolaitteistosta.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että paloti-lassa (19) vuotokaasujen poltto on sovitettu tapahtumaan olennaisesti polttokennoyksikön (6) polttokennojen välittömässä läheisyydessä polttokennojen pitämiseksi tarvittavassa lämpötilassa polttokennojen toiminnan aikana. 1

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että ainakin osa jälkipolttimen (14) pakokaasuista on järjestetty johdettavaksi polttokennoyksikköä (6) ympäröivän kotelon (18) paloillaan (19) poltto-kennolaitteiston käynnistämisvaiheessa polttokennojen esilämmittämiseksi reaktion mahdollistavaan käyttötilaan.

6. Menetelmä polttokennolaitteistossa polttokennojen vuotokaasujen käsittelemiseksi, johon polttokennolaitteistoon kuuluu ainakin polttokennoyksikkö (6), jonka polttokennoissa on anodipuoli (7) ja katodipuoli (8) sekä näiden välinen elektrolyytti (9), ja jossa polttokennolaitteistossa on ainakin polttoaineen si-5 säänsyöttö (1) anodipuolelle (7) ja happea sisältävän kaasun sisäänsyöttö (11) katodipuolelle (8), jossa polttokennolaitteistoa käytettäessä johdetaan polttoainetta anodipuolelle (7) ja happea sisältävää kaasua katodipuolelle (8), ja polt-tokennoyksikköä (6) ympäröivään paloillaan (19) syötetään happea sisältävää kaasua vuotavan polttoaineen polttamiseksi palotilassa (19), tunnettu siitä, 10 että polttokennolaitteistossa on jälkipoltin (14) anodi- ja katodipuolen pakokaasujen polttamiseksi, jolloin jälkipolttimelta (14) syötetään happiylijäämän sisältämää pakokaasua syöttöjohtoa (22) pitkin jälkipolttimesta (14) polttokennoyk-sikköä (6) ympäröivään paloillaan (19).