FI122891B - Menetelmä ja järjestely polttokennostojen lämpötasapainon ohjaamiseksi polttokennojärjestelmässä - Google Patents

Description

Menetelmä ja järjestely polttokennostojen lämpötasapainon ohjaamiseksi polttokennojärjestelmässä

Keksinnön kohde 5

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä polttokennostojen lämpötasapainon ohjaamiseksi polttokennojärjestelmässä, jolloin mainittu polttokennojärjestelmä käsittää ainakin yhden polttokennoyksikön, joiden polttokennot sisältävät anodipuolen ja katodipuolen sekä niiden väliin sijoitetun elektrolyytin, ja rekuperaattoriyksikön 10 katodipuolen syöttövirta uksen esilämmittämiseksi. Lisäksi keksinnön kohteena on menetelmää soveltava polttokennojärjestelmä.

Tekniikan taso 15 Keksinnön kohteena ovat erityisesti SOFC -tyyppiset polttokennojärjestelmät (kiin-teäoksidipolttokenno), joissa yleisesti käytetty olennainen materiaalikomponentti on nikkeli.

Mitä tulee SOFC -tyyppisten polttokennojärjestelmien lämpötasapainoon, on eräs 20 pääasiallisista ongelmista se varsin voimakas muutos, joka tapahtuu lämmön muodostumisessa niiden käyttöiän aikana. Niiden käyttöiän alkuvaiheissa on lämmön muodostuminen rajoitettua. Kun kennostojen degradaatio sitten etenee, muodostuu sähköhyötysuhde kuitenkin huonommaksi johtaen lämmön muodostumisen lisääntymiseen samalla kun sähkön tuotanto pyrkii vähenemään.

25 cyj Lisäksi nykyisen kennostotehon kehityksen myötä oletetaan, että kennostojen pinta- ° alakohtainen resistanssi (ASR) pienenee. Tämä merkitsee sitä, että sähköhyötysuh- g de lisääntyy kennostoissa tapahtuvan lämmönmuodostumisen kustannuksella. Kor- ^ kealämpötilaisissa polttokennojärjestelmissä, kuten SOFC -järjestelmissä, tapahtuu x 30 kokonaislämpötasapainon osalta aina huomattavia lämpöhäviöitä ympäristöön joh tuen käytännöllisistä mekaanisista ja kustannussyistä.

CO

CO

CO

LO

o Jo nyt on tilanne se, että kennostojen eliniän alkuvaiheissa, jolloin niiden sähkö- o «m hyötysuhde on huipussaan ja lämmönmuodostuminen on minimissä, kennostoista 1 poistuvan kuuman ilmavirtauksen sisältämä lämpöenergia ei ole välttämättä riittävä 2 kennostoihin tulevan syöttöilmavirtauksen lämmittämiseksi. Tämä tarkoittaa sitä, että normaalisti syöttöilmavirtaus lämmitetään lämmönvaihtimella, niin kutsutulla rekuperatiivisella yksiköllä, jossa sekundaarinen virtaus on katodipuolelta tapahtuvan poistovirtauksen muodossa.

5

Kennostojen katodipuolelta tuleva poistuva ilmavirtaus ei siis ole riittävän lämmin. Lämpötilaero dT lämmönvaihtoyksikössä, joka tarvitaan syöttöilman riittäväksi lämmittämiseksi, olisi asetettava äärimmäisen pieneksi. Tämä vaatisi lämmönvaihtopin-ta-aloja, jotka olisivat kohtuuttomia ja merkitsisivät siten ylisuuria lämmönvaihtoyk-10 siköitä.

Kun kennostojen degradaatio etenee niiden käyttöiän kuluessa ja lämmön muodostuminen lisääntyy, poistoilman sisältämä lämpöenergia alkaa vastata syöttöilman esilämmityksen asettamaa vaatimusta ja syöttölämpötila katodipuolella saavutetaan 15 helpommin.

Johtuen kuitenkin kennostojen huonontuneesta sähköhyötysuhteesta pitää katodiin menevän syöttöilman määrää nostaa jopa nelinkertaiseksi suhteessa stoioetriseen palamiseen. Tämä tehdään muuttumattoman sähköntuotannon ylläpitämiseksi jopa 20 silloin, kun kennostojen käyttöikä lähestyy loppuaan.

Tästä on puolestaan väistämättömänä seurauksena joukko muita epäkohtia. Ensinnäkin syöttöilmavirtauksen lisääminen lisää sisäistä energiankulutusta ilman syöttämiseksi vähentäen siten tehon tuottoa ja hyötysuhdetta. Tämä kiihdyttää osaltaan 25 edelleen jännitteen alenemista, joka aiheutuu degradaatioilmiöistä. Tämä puoles-cvj taan merkitsee sitä, että järjestelmän sähköhyötysuhde laskee huomattavasti. Koska ^ yleistavoitteena on ylläpitää järjestelmän kokonaisteho mahdollisimman vakiona, g alenevan hyötysuhteen kompensoiminen lisätyllä polttoaineen syötöllä yhdessä kiih- i dytetyn syöttöilmavirtauksen kanssa aiheuttaa huomattavan lisäyksen kennostojen x 30 lämmönmuodostukseen. Lisäksi pyrittäessä lisäämään syöttövirtauksen nopeutta lisääntyvät myös painehäviöt. Tällä on edelleen negatiivinen vaikutus järjestelmän to g sähkö hyötysuhteeseen. Kaiken kaikkiaan ratkaistavana on väistämätön ongelmakier-

LO

o re kennostojen käyttöiän lopullisen päättymisen tullessa lähemmäksi, δ cv 3

Toisaalta lämpöhäviöiden ja muuttuvan lämmön muodostumisen kompensoimiseksi on kuitenkin olemassa joitakin tekniikan tason mukaisia menetelmiä, joita voidaan käyttää. Eräs on esimerkiksi se, että alennetaan syöttöilman virtauksen virtausnopeutta erityisesti polttokennojen käyttöiän alkuvaiheissa. Eräs toinen mahdollisuus on 5 toteuttaa lisääntyminen ulkopuolisessa reformointinopeudessa. Näillä menetelmillä on valitettavasti omat rajoituksensa. Ilmavirtausta ei voida vähentää rajoittamattomasti, koska kennostojen sallimille hapen hyödyntämisnopeuksille on olemassa varsin tiukat rajat. Toisaalta ulkopuolisen reformoitumisen aktiivinen ohjaus on vaikea toteuttaa lisäämättä prosessin topologian monimutkaisuutta.

10

Lisäksi vielä eräs tekniikan tason mukainen ratkaisu kyseiseen ongelmaan on esitetty julkaisussa US2008/0020247A1. Siinä eräänä päätarkoituksena on edistää poltto-kennon katodipuolelle menevän ilman esi lämmitystä. Kyseinen järjestelmä on esitetty erittäin kaaviomaisesti kuviossa 1.

15

Polttokennoyksikön 100 katodipuolelle menevän syöttö ilman 12 lämmitys perustuu jälkipolttimella 101 tuotetun lämpöenergian hyödyntämiseen. Tätä tarkoitusta varten mukaan on järjestetty erityinen rekuperaattoriyksikkö, joka sisältää sekoittimet 2 ja 4 sekä lämmönvaihtimen 3. Anodi- ja katodipuolelta tulevat poistovirrat 5, 6 se-20 koitetaan ensiksi sekoittimessa 2. Muodostunut virta 7 hyödynnetään sitten raikkaan kylmän syöttöilman 9 lämmittämiseksi.

Kennostoihin 100 menevän syöttövirran 12 lopullinen lämpötilasäätö tapahtuu vasta tämän vaiheen jälkeen. Tätä tarkoitusta varten on järjestetty ilman ohitustie 11.

25 Ohitusilma sekoitetaan yhteen lämmitetyn ilman 10 kanssa sekoittimessa 4. Katodien puolelle menevän syöttölämpötilan säätö suoritetaan säätelemällä lämpimän ilman ^ 10 kanssa sekoitetun kylmän ilman 11 määrää. Toisin sanoen katodipuolen syöttöni) ilma lämmitetään ensiksi asetetun tavoitelämpötila yläpuolelle ja tasoitetaan sitten i ^ alas asetusarvoon kylmän ilman avulla, x 30 cn

Ensinäkin tämänlaatuinen ratkaisu aiheuttaa erittäin yleisluontoisia ongelmia, kuten

CD

g lisääntynyt monimutkaisuus, tarpeeton lämmönvaihdinyksikkö sekä lisääntynyt put in o kiston tarve jo valmiiksi ahtaassa rakenteessa, δ

(M

4

Eräs erityinen epäkohta aiheutuu kuitenkin siitä seikasta, että koska syöttöilman lämpötilan säätö katodipuolella perustuu ylimääräisen kylmän ilman määrän ohjaamiseen, vaihtelee ilmavirran kokonaismassavirtaus varsin huomattavalla vaihteluvälillä. Tämä tekee katodipuolelle tulevan syöttöilman kokonaisvirtauksen ohjaamisen 5 erittäin vaikeaksi.

Samoin tulee vaikeaksi tehdä säätöjä, joilla edistetään järjestelmän mukautumista degradaatioilmiöihin. Lopulta yllä selvitetyt ongelmat, jotka liittyvät ylisuuriin läm-mönvaihtimiin ja liialliseen putkistoon, tulevat vastaan jälleen kerran. Lisäksi moni-10 mutkainen järjestelmä ja lisääntynyt putkisto johtavat edelleen painehäviöiden lisääntymiseen ja yleisesti ottaen koko järjestelmän tehottomaan toimintaan.

Vielä erään epäkohdan aiheuttaa se seikka, että silloin kun jälkipolttovaihe suoritetaan kokonaisuudessaan ennen rekuperaattoriyksikköä, lisääntyy ensinäkin kosteus 15 ja toiseksi kohonneet lämpötilatasot (tyypillisesti +1000 °C yläpuolella) asettavat suuria vaatimuksia materiaaleille. Tämä tarkoittaa sitä, että kustannukset materiaaleihin muodostuisivat kohtuuttomiksi.

Tästä syystä tarvitaan joustava lämpötasapainon ohjaus-ja kompensointimenetelmä 20 järjestelmien elinkaaren eri vaiheissa kennostojen degradoituessa eli niiden ASR:n lisääntyessä, joka aiheuttaa merkittävän lisääntymisen lämmön tuotannossa. Läm-pötasapaino sekä polttokennojen että polttokennostojen sisällä sekä myös asiaan kuuluvat lämmönvaihtoyksiköt sisältävien polttokennoyksiköiden välittömässä läheisyydessä on tarpeellista ylläpitää huolimatta sisäisen lämmöntuotannon määrästä.

25 cvj Keksinnön tavoite ja ratkaisu δ

(M

g Keksinnön tavoitteena on saada aikaan ratkaisu, jolla yllämainittuja tekniikan tason i ^ ongelmia voidaan lievittää tai poistaa ne kokonaan. Tämän tavoitteen saavuttami- x 30 seksi on tässä spesifioidun keksinnön mukaiselle menetelmälle tunnusmerkillistä se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Toisaalta keksinnön to g mukaisen menetelmän toteuttavan polttokennojärjestelmän tunnusmerkilliset eri in o tyispiirteet on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa. Lisäksi epäitse- o 1 «m näisissä patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön joitakin edullisia suoritusmuoto- ja.

5

Keksinnöllä saadaan nyt aikaan luotettava ratkaisu yllä selvitettyyn ongelmaan. Keksinnön mukaisesti haluttu osuus anodipuolelta poistuvasta käytetystä polttoainevir-rasta saatetaan haarautumaan päävirrasta ja lisäksi oksidoidaan katodin poistovirta-ukselle ylimääräisen lämmön tuottamiseksi myöhempää käyttöä varten.

5

Toisin sanoen keksintö käsittää yleisesti ottaen prosessitopologian, joka mahdollistaa käytetyn polttoaineen osittaisen palamisen nimenomaisesti ennen varsinaista jälkipoltinta järjestelmässä. Kun pieni fraktio kennoston pakokanavasta tulevasta köyhdytetystä polttoaineesta poltetaan katodipuolen poistovirtauksen sisällä, saa-10 daan aikaan huomattava lämpötilan lisääntyminen. On syytä korostaa, että keksinnön mukaisesti vain pieni osa anodipuolelta tulevasta kokonaispoistovirtauksesta erotetaan päävirtauksesta ja ennen kaikkea tämä suoritetaan ennen rekuperaatto-riyksikköä.

15 Yhtäältä päävirta uksesta haaroitettu sivuvirta voidaan ohjata suoraan takaisin ken-nosto-osastoon. Tässä tapauksessa se oksidoidaan polttokennon ulkopuolella eli polttokennostojen ja kennosto-osaston ulkoseinämän välillä. Juuri tässä kohdassa oksidoituu myös kaikki se polttoaine, joka normaalisti vuotaa ulos kennostoista.

20 Sopiva tila voidaan helposti järjestää tai valita tätä tarkoitusta varten. Siten voidaan välttää kaikenlaiset lisärakenteet tätä tarkoitusta varten. Toisaalta erotettu polttoaine voidaan oksidoida katodipuolen poistovirtauksen sisällä itse kennosto-osaston ulkopuolella. Käytännössä jäljellä olevasta polttoaineen pääpoistovirtauksesta erotettu polttoaineosuus ohjataan yksinkertaisesti katodipuolen poistokanavaan ja se-25 koitetaan ja oksidoidaan sen kanssa lisäten siten lämpötilaa ennen rekuperaattoriyk- cvj sikköä.

δ

CVJ

g Keksinnön edellä kuvatun suoritusmuodon mukaisesti haaroitettu polttoaine ohja- i ^ taan edelleen kennosto-osastoon ja tästä palamisesta tulevat savukaasut ohjataan x 30 yhdessä katodipuolelta tulevan poistovirtauksen kanssa rekuperaattoriyksikköön ja cc edelleen pois koko järjestelmästä. Tällä erityisellä suoritusmuodolla aikaansaadaan

CO

g lisäksi se lisähyöty, että käytetyn polttoaineen palavan osan tuottama lämpöenergia

LO

o voidaan nyt ohjata kennostoihin tehokkaalla tavalla. Lämpötilan lisääntyminen ta co cv pahtuu myös polttoaineen poistovirtauksessa kompensoiden kennosto-osaston ra- 35 kenteiden kautta tapahtuvat lämpöhäviöt, jotka katoavat mainituissa prosessivirta- 6 uksissa. Lisäksi palaminen ken nosto-osasto n sisällä tarjoaa mahdollisuuden kiihdyttää syöttövirran esilämmitystä katodipuolella katodipuolella tapahtuvan poistovirta-uksen olennaisesti lisääntyneen ulostulolämpötilan ansiosta.

5 Jälkimmäinen suoritusmuoto tarjoaa erittäin yksinkertaisen mahdollisuuden parantaa polttokennojärjestelmien lämpötasapainoa jälkiasennuksen yhteydessä. Tällöin tarvitaan vain yksi ainoa kanava, joka liittää anodipuolen poistokanavan ja katodi-puolen poistokanavan yhteen sopivan hallintavälineen kanssa. Lisäksi koska oksidointi tapahtuu kennosto-osaston ulkopuolella ja polttoaine tulee jatkuvasti huuhdelli) luksi ulos koko järjestelmästä, poistuvat ne riskit, jotka liittyvät polttoaineen mahdolliseen itsesyttymiseen silloin, kun lämpötilataso on lähellä itsesyttymislämpötilaa esimerkiksi käynnistyksen yhteydessä.

Tämä keksinnön mukainen yllättävä ratkaisu on valittu huolimatta siitä seikasta, että 15 tällainen kokoonpano johtaa lopulta vesipitoisuuden lisääntymiseen edelleen katodi-puolelta tapahtuvassa poistovirtauksessa. Tällä on myös negatiivinen vaikutus materiaaleja koskeviin vaatimuksiin, erityisesti rekuperattoriyksikön osalta. On kuitenkin havaittu, että materiaaleihin liittyvien ongelmien lisääntyneestä riskistä huolimatta keksintö tarjoaa paljon aikaisempaa paremman tavan ohjata koko järjestelmän ko-20 konaislämpötasapainoa ja entistä paremman käytettävyyden koko järjestelmän käyttöiän ajan.

Keksinnön toteuttamat edut 25 Keksintö tarjoaa tehokkaan keinon järjestelmän kokonaislämpötasapainon säätämien seksi silloin, kun lämmön muodostuminen lisääntyy johtuen polttokennojen degra- ^ daatiosta. Keksinnöllä aikaansaadut pääasialliset edut perustuvat muun muassa seu- g raaviin seikkoihin.

i cö x 30 Keksinnön pääasiallinen ajatus on se, että koska käyttöiän alkuvaiheiden aikana lisälämmön muodostuminen tapahtuu erityisesti käytetystä polttoaineesta, tämä ei

CD

g vaikuta heikentävästi järjestelmän sähköhyötysuhteeseen. Ja lisäksi koska polttoai- m o netta ei oteta kennoston sisääntulosta, sillä ei ole mitään vaikutusta tuoreen poltto- o «m aineen hyödyntämiseen, ja koska anodin kierrätysseos ei muutu, ei myöskään kier- 1 toon vaikuteta heikentävästi. Ainoa näkyvä muutoskohta prosessissa on jälkipoltin, 7 joka nyt vastaanottaa vähemmän polttoainetta ja siten siinä kohdassa kehittyy vähemmän lämpöä.

Huomioitava seikka on myös se, että anodipuolelta poistuvasta pääasiallisesta jäljel-5 lä olevan polttoaineen virtauksesta erotettu polttoaineen määrä säädetään ja sitä ohjataan nyt erittäin aktiivisella tavalla. Itse säädön suorittaminen voidaan toteuttaa erittäin yksinkertaisella tavalla. Polttoainemäärä erotetaan anodipuolelta poistuvasta pääpolttoainevirtauksesta siten, että lämpötilat, erityisesti rekuperaattoriyksiköstä poistuvan katodipuolen syöttöilmavirtauksen lämpötila, säilytetään halutuilla tasoilla 10 ja lä m pötasa painot stabiloidaan luotettavalla tavalla. Polttokennojen degradoitumi-sesta johtuva lisääntyminen lämmön muodostumisessa voidaan siten tehokkaasti kompensoida keksinnön mukaisesti vähentämällä haaroitettua jäännöspolttoainevir-tausta takaisin kennostoihin.

15 Eräs keksinnön olennaisista eduista on se, että se mahdollistaa nyt olennaisesti vakiona pysyvän ilman massavirtauksen käyttämisen kennostojen koko käyttöiän ajan. Tyypillisesti viimeisintä mallia olevien polttokennojen syöttöilman massavirtaus vastaa arvoa noin λ=4 verrattuna stokiometriseen palamiseen. Tämä tarkoittaa sitä, että polttokennoon tulevan syöttöilman sisältämästä hapen kokonaismäärästä noin 20 neljäsosa tulee todellisuudessa käytetyksi polttokennoreaktioissa samalla kun jäljellä oleva happi, toisin sanoen ilma, tulee johdetuksi pois järjestelmästä.

Katodipuolen syöttövirtaus voidaan nyt säilyttää jopa täysin vakiona samalla kun degradoitumisasate jätetään täysin huomioimatta. On kuitenkin syytä korostaa, että 25 keksinnön mukainen ratkaisu ei välttämättä vaadi vakiona säilyvää syöttövirtausta. cvj Keksintö yksinkertaisesti antaa erinomaisen ylimääräisen vapausasteen hallita koko ^ järjestelmää riippumatta degradoitumisasteesta ja sen seuraamuksista.

i

LO

O

^ Olennaisesti stabiloitujen ilmavirtojen ansiosta on nyt paljon helpompaa saattaa x 30 rekuperaattoriyksikkö vastaamaan alkuperäistä mitoitustaan. Ei-toivottua ylimitoit- tamista ei enää tarvita.

CD

CO

CD

m o Samoin vältetään muut mitoitusongelmat, joita kuvattiin yllä sekä lämmönvaihtopin- o «m ta-alojen että virtaputkistojen osalta. Vielä eräs saavutettu etu on se, että ylimää- 35 räistä lämmönvaihtoyksikköä ei tarvita jälkipolttimen jälkeen. Ja lisäksi selkeä hyöty 8 voidaan havaita saavutettavan sillä, että erillinen ilman ohituskanava lämpötilan ohjaamiseksi voidaan eliminoida, ellei sitä muuten tarvita.

Mitä tulee hyötyihin verrattuna yllä esitettyyn julkaisuun US2008/002047A1 voidaan 5 todeta, että keksinnöllä saavutettu erityinen etu on rekuperaattoriyksikköön kohdistuvan rasituksen ehdoton väheneminen, joka rasitus aiheutuu lämpötilasta ja kosteudesta. Sen seikan ansiosta, että läpivirtaavien kaasujen lämpötilat ovat tiukasti rajoitettuja ja niiden kosteuspitoisuus on alentunut verrattuna tekniikan tason mukaiseen ratkaisuun, saavutetaan huomattava kustannusten säästömahdollisuus sekä 10 rekuperattorin rakenteen että sen kunnossapidon osalta.

Muut keksinnöllä saavutetut edut selviävät tarkasteltaessa seuraavia edullisia suoritusmuotoja.

15 Kuvioiden luettelo

Keksintöä selvitetään seuraavaksi yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa: 20 Kuvio 1 esittää erittäin kaaviomaisen kuvan tekniikan tason mukaisesta järjestelystä,

Kuvio 2 esittää erittäin kaaviomaisen kuvan keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesta järjestelystä, jossa osa anodipuolelta tulevasta pois-25 tokaasusta tulee uudelleen ohjatuksi polttokenno-osastoon ja oksien doiduksi siellä, δ

(M

g Kuvio 2a esittää lähikuvana kuvion 2 alueen A, jolloin kyseessä on erittäin kaa- i T- viomainen kuva eräästä toisesta keksinnön mukaisesta suoritusmuodos- 00 x 30 ta, jossa osa anodipuolelta tulevasta poistokaasusta tulee haaroitetuksi suoraan polttokenno-osaston sisään, ja

CD

00

CD

tn o Kuvio 3 esittää lähikuvana osuuden jäljellä olevan polttoainekanavan kennosto- o «m osastosta, joka sisältää välineen haaroituksen suorittamiseksi. 1 9

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Kuviossa 2 on esitetty polttokennojärjestelmä 1 erittäin kaaviomaisena kuvana. Siihen kuuluva polttokennoyksikkö 5 käsittää yhden tai useampia polttokennostoja 6, 5 jotka muodostuvat peräkkäisesti sarjaliitetyistä polttokennoista 2, joissa on anodi-puoli 7 katodipuoli 8 ja niiden väliin järjestetty elektrolyytti 9, sekä liitäntälevy, niin kutsuttu interconnect, joka on sijoitettu yksittäisten polttokennojen väliin (ei esitetty). Selvyyden vuoksi kuviossa 2 on esitetty polttokennoyksikön 5 ainoastaan yksi polttokennosto 6, joka on yksittäisen polttokennon 2 muodossa. Polttokennostojen 10 lukumäärä ei tietenkään millään tavoin rajoitu mihinkään tiettyyn arvoon. Lukuisia tai jopa vain yhtä yksikköä voidaan käyttää.

Tässä hakemuksessa anodipuoli 7 tarkoittaa yleisesti ottaen sekä polttokennoyksi-köiden 5 polttokennoihin 2 sisältyviä anodielektrodeja että polttoaineen kannalta 15 komponentteja polttoaineen johtamiseksi polttokennoyksiköiden 5 sisätiloissa varsinaisten yksittäisten polttokennojen anodeihin sekä komponentteja kaasujen johtamiseksi edelleen erilleen anodeista. Vastaavasti katodipuoli 8 tarkoittaa katodeja sekä myös komponentteja, jotka on järjestetty ilman johtamiseksi katodeihin ja niistä pois polttokennoyksiköiden 5 rakenteiden sisäpuolella.

20

Lisäksi polttokaasun syöttämiseksi on anodipuoli 7 varustettu syöttöelimillä, joita tässä edustaa pelkästään syöttökanava 10. Kuviossa 2 polttoaine tulee järjestelmään 1 kanavan 10a kautta ja menee tässä ensiksi rikinpoistolaitteeseen 3. Yhdessä mahdollisen kierrätetyn kanavassa 12 olevan polttoaineen sekä myös kanavasta 10b 25 tulevan höyryn kanssa muodostettu virtaus saapuu seuraavaksi esireformeriin 4 tai cvj vastaavaan mahdolliseen polttoaineen esikäsittelylaitteeseen.

δ cv g Samoin mukaan on järjestetty välineet polttokennoyksikön tyhjentämiseksi käytetys- ^ tä polttokaasusta, joka poistuu anodipuolelta 7. Tässä näitä edustaa ainoastaan x 30 poistokanava 11. Luonnollisesti mukana voi olla useita tällaisia kanavia 10,11. Sit en ten poistovirtaus 11 ohjataan lämmönvaihdinvälineen 30 kautta tulevan syöttöpolt-co g toaineen lämmittämiseksi kanavassa 10. Osa polttoaineesta kierrätetään kanavan 12

LO

o kautta kun taas loput johdetaan jälkipolttimeen 31. Sen lämpöä käytetään muun o cv muassa höyryn tuottamiseksi yksikössä 21, joka höyry ohjataan kanavaan 10b käy- 1 tettäväksi esireformerissa 4.

10

Katodipuolella ilmaa syötetään kanavan 14 kautta, joka ilma sitten jaetaan toimitettavaksi polttokennostoihin 6 ja edelleen yksittäisiin polttokennoihin 2. Vastaavasti polttokennoista 2 tuleva ja siten poistovirtauksen 15 muodostava ilma poistuu edelleen polttokennosto-osastostsa 5c ja tulee ohjatuksi sen jälkeen virtaamaan rekupe-5 raattoriyksikön 29 kautta syöttöilmavirtauksen 14 lämmittämiseksi. Myös tässä on koko putkitus esitetty selvyyden vuoksi vain yhdellä putkilinjalla. Erilaisia mahdollisuuksia poistovirtauksen ohjaamiseksi kennostoista ja sopivan putkituksen tai vastaavan järjestämiseksi tätä tarkoitusta varten on esitetty kennostojen 6 ja kennosto-osaston ulkoseinämän tai kuoren 5c välisellä katkoviivaosalla 15a.

10

Lisäksi kuviossa 2 on esitetty keksinnön eräs edullinen suoritusmuoto. Keksinnön mukaisesti nyt on toteutettu haaroitus polttoaineen poistokanvasta 11 eli osittain käytetystä polttoaineesta. Tässä suoritusmuodossa itse haaroitusta ei ole toteutettu suoraan kennosto-osaston 5c sisällä. Sen sijaan tämä tapahtuu lämmönvaihdon jäl-15 keen anodipuolen 7 syöttökanavan 10 ja poistokanavan 11 välillä. Tämä on siis myöhempänä oleva kohta polttoaineen poistokanavassa 11. Keksinnön tässä edullisessa suoritusmuodossa erotetaan haluttu osa - joka itsessään on edullisesti muuteltavissa - polttoainetta ja erotettu polttoainevirta 50 reititetään takaisin polttoken-no-osastossa 5c oleviin ympäröiviin tiloihin 5b. Tämä osuus riippuu erityisesti sekä 20 kennoston tilasta että kuormitusasteesta. Esimerkiksi välineellä 52 mitattuja lämpötila-arvoja voidaan myös käyttää poistovirtauksesta 11 erotettavan jäännöspolttoai-neen määrän määrittelyssä. Heti kun polttoainevirta on saapunut polttokenno-osaston kuumaan tilaan 5b, se tulee välittömästi oksidoiduksi.

25 Lisäksi koska polttoainevirran jaetun osuuden erottaminen polttoaineen poistokana-ej vasta 11 tapahtuu nyt varsin matalalla lämpötilatasolla (esimerkiksi vaihteluvälillä ^ +100 - +400 °C), tulee mahdolliseksi standardityyppisen venttiilin tai vastaavan g säätelyelementin 51 kustannustehokas käyttö. Tämä merkitsee haaroituksen helpos- i ti toteutettavaa, luotettavaa ja tarkasti ohjattavaa hallintaa lämpötasapainon säätö-x 30 tarkoitusta varten ja muodostaa siten keksinnön äärimmäisen kustannustehokkaan cc suoritusmuodon.

CD

OO

CD

LO

° On syytä huomioida, että yksiköstä 29 käytetty termi "rekuperaattori" voitaisiin ylei- o sesti ottaen korvata sanalla lämmönvaihdin. Termi kattaa siis mitkä tahansa läm- 1 mönvaihtolaitteet, jotka ovat sopivia lämmönvaihtoon, jossa on osallisena katodi- 11 puolen syöttövirtaus. Toisaalta esilämmitykseen hyödynnetty lämpöenergia voi olla peräisin myös muista lähteistä kuin pelkästään katodipuolen 8 poistovirtauksesta 15. Kaiken kaikkiaan rekuperaatiomenettely kattaa tässä lämmönvaihtotoiminnot ken-nosto-osaston 5c ulkopuolella katodipuolen 8 syöttövirtauksesta 14 ainakin osan 5 olennaiseksi esilämmittämiseksi. Jotkut muutkin vähäisemmät toimenpiteet ennen rekuperaattoriyksiköä 29 ja/tai sen jälkeen ovat kuitenkin mahdollisia.

Esillä oleva keksintö kattaa myös menettelyt, joita tarvitaan keksinnön mukaisesti anodipuolelta haarautetun polttoaineen korrektin virtaussuunnan varmistamiseksi.

10 Toisin sanoen haaroitus järjestetään edullisesti siten, että anodipuolen ja katodipuolen välinen paine-ero haaroituskohdan alueella on positiivinen. Tämä tarkoittaa sitä, että anodipuolen korkeampi paine varmistaa sen, että polttoaine virtaa kohti katodi-puolella vallitsevaa matalampaa painetasoa.

15 Paine-ero on edullisesti enemmän kuin 5 mbaaria, edullisimmin vaihteluvälillä 10-50 mbaaria. Näillä arvoilla ei ole kuitenkaan rajoittavaa merkitystä. Paljon korkeammat arvot ovat myös täysin hyväksyttäviä ja periaatteessa mikä tahansa positiivinen paine-ero on riittävä tähän tarkoitukseen. Paine-eron hallinta voidaan järjestää tapahtuvaksi haaroituskohdan välittömässä ympäristössä tai suuremmassa mittakaavassa 20 polttokennojärjestelmän eri yksiköiden, osastojen ja/tai virtauskiertojen sisällä.

Virtaussuunta voidaan varmistaa myös sopivilla välineillä, kuten venttiileillä tai luukuilla, kaiken vastakkaiseen suuntaan tapahtuvan virtauksen estämiseksi. Polttoaineen tavoiteltua virtausastetta voidaan myös kiihdyttää sopivilla välineillä, kuten 25 sopivaa tyyppiä olevilla syöttimillä tai puhaltimilla pakotetun virtauksen luomiseksi cvj tai kiihdyttämiseksi, δ

CM

g Keksinnön joitakin muita suoritusmuotoja cö x 30 Keksinnöllä toteutettu järjestely ei millään muotoa rajoitu juuri edellä kuvattuun ^ suoritusmuotoon, jonka ainoana tarkoituksena on vain selvittää keksinnön pääperi-

CD

g aatteet yksinkertaistetulla tavalla ja rakenteella.

tn o δ w On olemassa myös muutamia muita mahdollisia järjestelyjä keksinnön toteuttami- 1 seksi. Eräs toinen edullinen suoritusmuoto käsittää sen, että haaroitetun polttoai- 12 neen oksidointi tapahtuu nimenomaisesti kennosto-osaston 5c ulkopuolella. Poltto-ainevirta jaetaan anodipuolen poistovirtauksesta 11 ja sen sijaan, että se sekoitettaisiin katodipuolen poistovirtauksen kanssa kennosto-osaston sisällä, tapahtuu sekoittaminen nimenomaisesti kennosto-osaston ulkopuolella katodipuolen poistoput-5 kikanavassa 15 ennen rekuperaattoria 29. Sekoittaminen on edullisesti jäljestetty suoritettavaksi siten, että polttoaineen oksidoinnista ei muodostu minkäänlaista liekkiä rekuperaattorin sisällä 29. Tämä tarkoittaa siis sitä, että oksidointireaktio tapahtuu olennaisesti ennen rekuperaattoria sillä tavoin, että siinä muodostunut lämpö hajautuu enemmän tai vähemmän koko virtaukseen 15. Itse polttaminen voidaan 10 toteuttaa sopivilla välineillä, joilla suoritetaan polttaminen, lämpösuojaus ja liekin hallinta katodipuolen poistovirtauksen putkijohdon 15 sisällä.

On myös mahdollista suorittaa polttoaineen haaroitus suoraan kennoston polttoaineen poistoputkesta 11 kennosto-osaston 5b sisällä olevassa tilassa 5c, kuten on 15 esitetty viivoilla 50b. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi oikean kokoisilla refillä, jotka on porattu putkeen kuviossa 3 esitetyllä tavalla. Vaadittu lämpötasapainon säätö voidaan toteuttaa ilmavirtauksen avulla ja reikien 132 määrää voidaan vähentää käyttökatkon aikana ilmavirtauksen säätöikkunan muodostuessa liian kapeaksi.

20 Tässä on syytä huomioida, että tämä keksintö ei millään tavoin rajoita sitä tapaa, jolla katodipuolen poistovirtaus 15 muodostetaan ken nosto-osastossa 5c. On mahdollista päästää poistoilmavirta ulos polttokennoista 2 ja ohjata se sitten ulos osastosta 5c yhden ainoan poistokanavan 15 kautta tai useiden kanavien kautta, jotka jälkimmäiset voidaan sitten liittää yhteen, kuten on esitetty viivoilla 15c. Poistoilma 25 voidaan myös johtaa hallitummalla tavalla sopivien kanavien 15b kautta, jotka on cvj järjestetty polttokennostoihin ja jotka voidaan liitää yhteen joko kennosto-osaston ^ 5c sisällä tai osaston ulkopuolella. Katodipuolen poistovirtauksen 15, 15b, 15c reiti- g tyksen järjestämistä koskevat vapausasteet ovat periaatteessa lukuisat riippuen vä- ^ lineistä, joilla haaroitettu polttoaine sekoitetaan poistoilmavirtaukseen 15.

x 30 cc “ Erityisesti voidaan huomioida keksinnön yllä selvitetyn suoritusmuodon eräs etu,

CD

2 joka käsittää kennostojen enemmän tai vähemmän kaiken kattavan huuhtelun polt in o tokennoista tulevalla poistoilmalla. Tämä tarkoittaa sitä, että poistoilman annetaan δ virrata vapaasti siten, että se huuhtelee koko kennosto-osaston tilan 5b ennen pois- 1 tumistaan tätä tarkoitusta varten järjestettyjen poistoaukkojen kautta. Toisin sanoen 13 heti kun polttoaine on haaroitettu anodipuolelta 7 - riippumatta siitä tapahtuuko tämä kennosto-osaston 5c ulkopuolella vai sisäpuolella - saadaan varmistetuksi polttoaineen tehokas ja taattu oksidoituminen ja leviäminen katodipuolelta 8 tulevan poistoilmavirtauksen toimesta kennostojen 5 ympäristössä osaston 5c tilan 5b sisäl-5 lä. Ja edelleen tämä tapahtuu erityisesti ennen poistumista osastosta 5c. Oksidoitu-mattoman polttoaineen kaikenlainen akkumuloituminen jää pois.

Keksinnön yllä kuvattu jälkimmäinen suoritusmuoto käsittää myös erään toisen edun. Tämä tarkoittaa sitä, että kun haaroitettu polttoaine on sekoitettu katodipuo-10 Ien poistoilman kanssa erityisesti kennosto-osaston ulkopuolella, esimerkiksi putki-johdon 15 sisällä ennen rekuperaattoriyksikköä 29, saavutetaan se etu, että tässä ei ole olemassa tarvetta huuhtelulle kennosto-osastossa. Itse polttoainekennossa normaalisti tapahtuva polttoaineen vääjäämätön vuotoilmiö pitää tietenkin hallita. Koska lämpötilatasot ovat kuitenkin normaalisti turvallisesti itsesyttymispisteen yläpuo-15 lella, tätä polttoaineen jäähdytystarvetta vähentää katodipuolen poistoilman pikaok-sidoituminen. Samalla kun polttoaine lopuksi sekoitetaan poistoilman kanssa esimerkiksi pitkin poistovirtauksen putkijohtoa 15, poistovirtaus 15 itsessään normaalisti varmistaa riittävän huuhteluvaikutuksen.

20 Eräs toinen mahdollinen vaihtoehto polttoaineen haaroituksen järjestämiseksi on periaatteessa sama kuin keksinnön aikaisemmin selvitetyssä suoritusmuodossa. Tässä tapauksessa haaroitus 50b on kuitenkin ohjattavissa enemmän yhtenäisesti jatkuvalla tavalla. Tämä voidaan suorittaa kuumalla "venttiili-elementillä" 51 (ei esitetty), joka on liitetty polttoaineen poistokanavaan 11 osastossa 5c. Tämä suoritus-25 muoto mahdollistaa lämpötasapainon suoran ja aktiivisen ohjattavuuden tarvitse- cvj matta modifioida kiinteitä haaroitusreikiä kennostojen eliniän aikana, δ

CM

g Kokonaisuudessaan haaroitetun polttoaineen määrän ohjaus voidaan suorittaa millä i ^ tahansa sopivilla tunnetuilla menetelmillä, joita on käytettävissä päävirtauksesta x 30 erotetun virtauksen massavirran säätämiseksi. Joitakin tällaisia on esitetty kuviossa cc 3. Siinä on esitetty sylinterimäinen ohjausväline 130, joka sulkee/avaa poistoaukot

CO

g 132 tarpeen mukaan tai säätää aukkojen avoimen osan 131 koon, jolloin kyseiset

LO

o välineet on järjestetty olennaisesti kaasutiiviillä tai painetiiviillä tavalla kanavan 134

O

cvj (vastaa kanavaa 11) ympärille. Toisaalta yksi tai useampia aukoista voidaan järjes- 14 tää tarvittaessa suljettaviksi 133. Erilaisia venttiilityyppisiä välineitä voidaan myös käyttää.

Eräs toinen vähäisempi mahdollisuus tulee lisäksi esiin suorittamalla haaroitus aina-5 kin osittain kennosto-osaston 5c ulkopuolella ennen lämmönvaihdinta 30 alentaen siten lämpötilatasoa haaroitukseen käytettyjen välineiden ympäristössä. Tämä suoritusmuoto on esitetty reitillä 50c kuvioissa 2 ja 2a. Tässä on järjestetty myös varmistus anodi- ja katodipuolen välisen oikean paine-eron ja/tai korrektin virtaussuunnan toteuttamiseksi. Esittämättä on jätetty välineet, joita tarvitaan polttoaineen asian-10 mukaisen syötön sekä myös virtauksen turvallisen ohjauksen varmistamiseksi.

Keksinnön vielä erään toisen suoritusmuodon mukainen eräs lisämahdollisuus muodostuu sillä tavoin, että polttoaine haaroitetaan lämmönvaihtimen 30 jälkeen kuviossa 2 esitetyn kanavan 50 mukaisesti. Tässä ei kuitenkaan syötetä polttoainetta 15 takaisin kennosto-osastoon, vaan sen sijaan polttoaine voidaan ohjata kanavan 50d kautta suoraan poistovirtauskanavaan 15 ja sekoittaa siinä. Tässä tapauksessa vältetään jälleen kerran kaikenlaiset mittaukset kennosto-osastossa. Aikaansaadaan keksinnön erittäin yksinkertainen ja pienikustannuksinen toteutus. Kaikki nämä yllä esitetyt suoritusmuodot voidaan myös yhdistää toistensa kanssa.

20

Seuraavaksi tarkastellaan jälleen aikaisemmin esitettyä ensimmäistä suoritusmuotoa ja sen lisäetuja. On syytä huomioida, että erotetun polttoainejäämän poltolla tuotetun lämpöenergian lämmönsiirto voidaan järjestää tapahtuvaksi suoraan polttoken-nosto-osastossa. Samanaikaisesti voidaan osastossa pienentää erilaisia lämpötilaero-25 ja.

C\l ^ Kennostojen tehokkaan lämpiämisen ansiosta keksinnön mukainen järjestely mah- g dollistaa myös järjestelmän tehostetun lopullisen lämmittämisen suorittamisen nor- i ^ maaliin toimintalämpötilaan. Heti kun hyväksyttävä lämpötilataso on saavutettu it- x 30 sesyttymisen osalta - tyypillisesti vaihteluvälillä +500 - +600 °C - ja polttoaineen

CC

syöttö polttokennoihin on tämän jälkeen aloitettu, voidaan aloittaa myös jäännös-co g polttoainevirtauksen haaroittaminen keksinnön mukaisesti. Tehostamalla polttoken-

LO

° nostojen lämpiämistä keksinnön mukaisen jäännöspolttoaineen palamisen avulla on

O

^ mahdollista saavuttaa huomattava lyheneminen lopullisen lämmitysvaiheen lämmi- 1 tysajassa. Jopa 40 % aikasäästöt ovat mahdollisia.

15

Lisäksi keksinnön vielä erään toisen edullisen suoritusmuodon mukaisesti on jopa ajateltavissa tehostaa käynnistystä käyttämällä yllä selvitettyä jäännöspolttoaineen palamista myös itsesyttymislämpötilan alapuolella. Polttaminen voidaan suorittaa joko kennosto-osaston sisäpuolella tai ulkopuolella riippuen siitä, mitä järjestelyä 5 käytetään. Kun toimitaan itsesyttymislämpötilan alapuolella on kuitenkin viisainta käyttää sopivia välineitä liekin suojaamiseksi liekin sammumisen estämiseksi. Heti kun liekki on muodostettu, estää palamisesta tuleva lämpö tavallisesti liekin sammumisen. Vielä eräs toinen hyöty saadaan siitä, että käyttämällä polttoainetta aivan käynnistyksen alusta alkaen tulee mahdolliseksi välttää tarve käyttää muita välinei-10 tä, kuten esimerkiksi sähkölämmittimiä virtojen ja komponenttien lämmittämiseksi.

Keksinnön mukainen järjestely on myös erittäin joustava sekä hyödyntämiskapasi-teetin asteen että käyttöajan osalta. Järjestelyä voidaan käyttää esimerkiksi vain silloin kun sitä ehdottomasti tarvitaan, kuten järjestelmän käyttöiän alkuvaiheissa 15 silloin kun lämmön muodostuminen on muuten riittämätöntä. Toisaalta sitä voidaan käyttää käyttöiän loppuvaiheessa lämmitysajan lyhentämiseksi.

Vielä eräs olennainen keksinnöllä saavutettu etu on se, että käyttämällä tällaista järjestelyä saadaan rekuperaattorin kokoa merkittävästi pienennetyksi. Vaikka läm-20 mön virtaus polttokennoyksiköistä on vähemmän merkittävä alussa, saadaan tämä puute kompensoiduksi lisäämällä jäännöspolttoaineen sekundaarista palamista ken-nosto-osastossa. Tällä tavoin voidaan helposti välttää rekuperaattorin ylisuuri mitoitus. Myöhemmin kun degradoituminen johtaa lisääntyneeseen lämmön muodostumiseen, palaminen voidaan lopettaa rekuperaattorin tullessa kykeneväksi lämmittä-25 mään syöttöilma riittävällä tavalla.

CVI

δ

CVJ

LO

o

CO

X

cc

CL

CD

CO

CD

LO

O

δ

CVJ

Claims (12)

1. Menetelmä polttokennostojen (6) lämpötasapainon ohjaamiseksi polttokennojär-jestelmässä (1), jolloin mainittuun polttokennojärjestelmään (1) kuuluu ainakin yksi 5 polttokennoyksikkö (5), joka käsittää polttokennostoja (6), joiden polttokennoissa (2) on anodipuoli (7) ja katodipuoli (8) sekä niiden väliin sijoitettu elektrolyytti (9), ja rekuperaattoriyksikkö (29) katodipuolen (8) syöttövirta uksen (14) esilämmittämi-seksi, tunnettu siitä, että haluttu osuus erotetaan anodipuolen (7) polttoaineen poistovirtauksesta (11) ja sovitetaan sekoitettavaksi katodipuolen (8) poistovirtauk-10 sen (15) kanssa ennen mainittua rekuperaattoriyksikköä (29) ja syötetään poltto-kennoyksiköitä (5) ympäröivään polttokennosto-osastoon (5b).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että mainittu osuus on välillä 0-50 %, edullisesti välillä 0-15 %, sopivimmin välillä 0-12 %. 15

3. Jonkin patenttivaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että mainitun osuuden erottaminen polttoaineen poistovirtauksesta (11) suoritetaan lämmön-vaihdon jälkeen, joka lämmönvaihto on järjestetty mainitun poistovirtauksen (11) ja polttokennojen (2) anodipuolelle (7) tulevan polttoaineen syöttövirtauksen (10) välil- 20 le.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että ainakin osa mainitusta osuudesta haaroitetaan kennoston polttoaineen poistovirtauksesta (11) jo polttokennoja (2) ympäröivässä kennosto-osastossa (5b). 25 cvj

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu sitä, että mainittu haaroi- o tus suoritetaan kennosto-osastossa (5b) sopivilla välineillä, jotka on tätä varten järin jestetty mainitun polttoaineen poistovirtauksen (11) putkijohtoon. cö x 30

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että haa- CC roituksen ohjaus toteutetaan käyttämällä anodipuolella (7) olevan paineen aktiivista CD g ohjausta. LO o

° 7. Jäijestely polttokennostojen (6) lämpötasapainon ohjaamiseksi polttokennojärjes- 35 telmässä (1), jolloin mainittuun polttokennojärjestelmään (1) kuuluu ainakin yksi polttokennoyksikkö (5), joka käsittää polttokennostoja (6), joiden polttokennoissa (2) on anodipuoli (7) ja katodipuoli (8) sekä niiden väliin sijoitettu elektrolyytti (9), ja rekuperaattoriyksikkö (29) katodipuolen (8) syöttövirta uksen (14) esilämmittämi-seksi, tunnettu siitä, että haluttu osuus on sovitettu erotettavaksi anodipuolen (7) 5 polttoaineen poistovirtauksesta (11) ja sovitettu sekoitettavaksi katodipuolen (8) poistovirtauksen (15) kanssa ennen saapumista mainittuun rekuperaattoriyksikköön (29) ja sovitettu syötettäväksi polttokennoja (2) ympäröivään polttokennosto-osastoon (5b).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu osuus on välillä 0-50 %, edullisesti välillä 0-15 %, sopivimmin välillä 0-12 %.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 7-8 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitun osuuden erottaminen polttoaineen poistovirtauksesta (11) on sovitettu suoritet- 15 tavaksi lämmönvaihdon jälkeen, joka lämmönvaihto on järjestetty mainitun poisto-virtauksen (11) ja polttokennojen (2) anodipuolelle (7) saapuvan polttoaineen syöt-tövirtauksen (10) välille.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että aina-20 kin osa mainitusta osuudesta on sovitettu haaroitettavaksi kennoston polttoaineen poistovirtauksesta(ll) jo polttokennoja (2) ympäröivässä kennosto-osastossa (5b).

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu haaroitus on toteutettu kennosto-osastossa (5b) sopivilla välineillä, jotka on tätä varten 25 järjestetty mainitun polttoaineen poistovirtauksen (11) putkijohtoon. (M

^ 12. Jonkin patenttivaatimuksen 7-11 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että haa- g roituksen ohjaus on toteutettu käyttämällä anodipuolella (7) olevan paineen aktiivis- i ^ ta ohjausta. X cc CL CO co CO LO o o OvJ