FR2740174A1 - Cycles de puissance de cellule electrochimique double et de turbine a gaz amorcee indirectement - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système combiné comprenant deux cycles de cellule électrochimique combinés à un cycle de turbine à gaz (9), dans lequel un cycle de cellule électrochimique à oxyde solide (5) à une pression entre 6 à 15 atms élève le cycle de turbine et produit du CO2 pour un cycle de cellule électrochimique à carbonate fondu (7) à la pression sensiblement atmosphérique qui abaisse le cycle de turbine (9). Un brûleur (47) brûle le surplus de combustible du cycle de la cellule (5) pour chauffer le gaz entraînant la turbine (9). Un brûleur (41) brûle le surplus de combustible de la cellule (7) pour réchauffer le gaz sortant de la turbine qui préchauffe l'air entrant dans la cellule (5) avant de passer dans la cathode de la cellule (7). Le CO2 circule en cascade vers la cathode (25) du cycle de la cellule (7).
Description
A
CYCLES DE PUISSANCE DE CELLULE ELECTROCHIMIQUE DOUBLE
ET DE TURBINE À GAZ AMORCÉE INDIRECTEMENT
CONTEXTE DE L'INVENTION
La présente invention concerne de manière générale une centrale électrique à cellule électrochimique intégrée et, plus spécifiquement, une combinaison de cycles dans lesquels un premier cycle de cellule électrochimique élève un cycle de turbine à gaz amorcée indirectement et un second cycle de cellule électrochimique abaisse le cycle de turbine à gaz de sorte que les cycles soient intégrés thermiquement dans
un agencement de fonctionnement en tandem.
Les turbines à gaz et les cellules électrochimiques sont des mécanismes bien connus, utilisés pour la production d'électricité. Les cycles de turbine à gaz et les cycles de cellule électrochimique ont, précédemment, été abaissés chacun par des cycles de turbine à vapeur pour la génération conjointe d'électricité. Avec les cycles employant une cellule électrochimique, pour pressuriser le système, des compresseurs ont été utilisés pour fournir un flux d'air pressurisé à la cathode de la cellule électrochimique. On n'exploitait pas totalement l'air pressurisé jusqu'au brevet du cessionnaire 5 449 568 référencé ci-dessous, dans lequel le flux d'air est chauffé par le flux d'échappement provenant d'une cellule électrochimique à carbonate fondu abaissant une turbine à gaz. Pour améliorer la performance de la cellule électrochimique, du dioxyde de carbone est ajouté au flux d'air, le mélange résultant subissant une réaction électrochimique avec le combustible introduit à l'anode de la cellule électrochimique. La cellule électrochimique produit de l'énergie électrique et produit des flux de gaz chauds utilisés pour générer de la vapeur pour un cycle de turbine à vapeur abaissant qui est couplé à un générateur électrique adéquat. Une variation d'un tel cycle combiné comprend une cellule électrochimique abaissée par une turbine à gaz au lieu du cycle de turbine à vapeur de sorte que l'énergie thermique résiduelle dans le flux d'échappement de la cathode puisse être directement extrait dans la turbine à gaz pour la production d'électricité. Un tel système est décrit dans le brevet américain du cessionnaire N 4 921 765 de Gmeindl et al qui a été publié le ler mai 1990 et qui est incorporé
ici par voie de référence.
Dans une autre variation des cycles combinés de turbine à gaz et de cellule électrochimique, un cycle de turbine à gaz amorcée directement est combiné à un cycle de cellule électrochimique pour produire le flux de gaz chaud utilisé pour entraîner la turbine à gaz et, de ce fait, assurer la génération d'électricité à la fois dans le cycle de la turbine à gaz et dans le
cycle de la cellule électrochimique.
Bien que ces cycles combinés connus précédemment assurent la génération conjointe d'électricité, il s'est avéré que ces systèmes n'étaient pas capables d'assurer une conversion de puissance à de grands débits. La raison principale de ce défaut est que actuellement les cellules électrochimiques disponibles, comme les cellules électrochimiques à carbonate fondu, telles que décrites dans le brevet mentionné ci- dessus des cessionnaires, ne peuvent fonctionner qu'à des pressions allant jusqu'à environ six atmosphères pour produire des flux de gaz d'entraînement de turbine à des pressions inférieures à celles requises pour le
fonctionnement efficace d'une turbine à gaz.
Dans un effort pour améliorer le rendement de ces types de cycles combinés, un cycle de turbine à gaz amorcée indirectement a été abaissé par un cycle de cellule électrochimique de carbonate fondu (MCFC) dans lequel la turbine à gaz est entraînée à une pression
optimale pour une conversion de puissance efficace.
Dans cet agencement de cycles combinés, la turbine à gaz est entraînée par de l'air chauffé indirectement à une pression appropriée pour le fonctionnement efficace de la turbine, tandis que l'échappement de la turbine, qui est à une pression considérablement plus basse qu'à l'entrée de la turbine à gaz, est directement utilisé dans le cycle de la cellule électrochimique pour la réaction électrochimique. Un tel système est décrit dans le brevet américain des cessionnaires N 5 449 568 de Micheli et al, publié le 12 septembre 1995, et est
incorporé ici par voie de référence.
Le système de la demande de brevet référencée ci-
dessus comprend un compresseur pour fournir un flux d'air comprimé, préchauffé, à la turbine à gaz. L'air comprimé est chauffé dans un échangeur de chaleur indirect qui reçoit un flux de gaz chauffé provenant d'un brûleur auquel du combustible supplémentaire est fourni en même temps que les échappements provenant des chambres d'électrodes de la cellule électrochimique à carbonate fondu. L'entrée de la chambre de cathode de la cellule électrochimique est reliée à l'échappement de la turbine à gaz pour recevoir le flux d'air chauffé déchargé à partir de celle-ci. L'alimentation en combustible principal est fournie à l'entrée de la chambre d'anode de la cellule électrochimique sous la forme d'un combustible à base d'hydrocarbure gazeux, tel que du combustible gazeux ou du gaz naturel. Ce combustible est reformé à l'intérieur en hydrogène et en CO à l'anode de la cellule pour effectuer la réaction électrochimique avec le flux d'air chauffé fourni à sa cathode pour la production galvanique d'énergie électrique. Les gaz chauffés aux échappements d'anode et de cathode sont utilisés pour fournir au moins une partie de la chaleur pour le flux d'air pressurisé entrant dans l'échangeur de chaleur. Pour produire suffisamment de CO2 pour le fonctionnement de la cellule électrochimique de carbonate fondu, une partie du flux de gaz chaud provenant de la cathode est combinée, dans un réacteur catalytique adéquat, au flux de gaz chauds, comprenant des valeurs résiduelles de combustible provenant de l'anode, pour la production de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone dans le flux de décharge de gaz chauds provenant du réacteur catalytique est séparé dans un séparateur de CO2 et mélangé au flux d'air chaud déchargé de la turbine à gaz et amené à la chambre de réaction de cathode de la cellule électrochimique. La valeur thermique provenant du flux des gaz chauffés qui sont déchargés de l'échangeur de chaleur peut, de plus, être utilisée pour la génération d'électricité de différentes manières pour améliorer davantage le rendement du système. Egalement, en utilisant les gaz d'échappement chauds provenant de la cellule électrochimique pour chauffer partiellement l'air comprimé dans l'échangeur de chaleur du cycle de turbine à gaz, environ 35-40 % de la chaleur nécessaire pour élever l'air comprimé à l'entrée à une température de fonctionnement de turbine à gaz adéquate, dans la plage d'environ 870 C à 1430 C (1600 à 2600 F), sont fournis. Cet agencement réduit considérablement le besoin de combustible pour chauffer l'air de décharge du compresseur à la température d'entrée de turbine à
gaz souhaitée.
Bien que de nombreuses limitations matérielles soient surmontées en utilisant un cycle de turbine à gaz amorcée indirectement abaissé par un cycle de cellule électrochimique en comparaison d'un cycle de cellule électrochimique abaissé par un cycle de turbine à vapeur, il subsiste des défauts dans ces types de cycles combinés en ce que le combustible supplémentaire doit être fourni au système pour l'alimentation thermique et du fait de la nécessité d'un système de recyclage anode vers cathode pour produire le CO2 nécessaire pour la réaction de cathode de la cellule électrochimique à carbonate fondu. On a donc besoin d'un système de génération d'électricité à cellule électrochimique intégrée avec une intégration thermique
améliorée et des débits de fonctionnement plus élevés.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Compte tenu du besoin signalé ci-dessus, c'est un objet de la présente invention de prévoir un système de génération d'électricité à cellule électrochimique
intégrée amélioré.
Un autre objet de la présente invention consiste à prévoir un système de génération d'électricité à cellule électrochimique intégrée amélioré qui ne nécessite aucun combustible supplémentaire pour
l'alimentation thermique.
De plus, c'est un objet de la présente invention de prévoir un système de génération d'électricité intégré thermiquement amélioré comme dans l'objet ci-dessus dans lequel un cycle de turbine est élevé par une cellule électrochimique à oxyde solide (SOFC) et abaissé par une cellule électrochimique de carbonate fondu. Un autre objet encore de la présente invention consiste à prévoir un système de génération d'électricité à cellule électrochimique intégrée amélioré comme dans l'objet ci-dessus, dans lequel le C02 nécessaire pour le fonctionnement de la cellule électrochimique de carbonate fondu est produit dans la cellule électrochimique à oxyde solide élevant le cycle de turbine et acheminé en cascade à travers le système vers la cathode de la cellule électrochimique de carbonate fondu. En résumé, la présente invention concerne un système à cycles combinés de cellule électrochimique et de turbine à gaz qui comprend des cycles de cellule électrochimique double combinés à un cycle de turbine à gaz, dans lequel un premier cycle de cellule électrochimique élève le cycle de turbine et est utilisé pour produire du CO2 pour un second cycle de cellule électrochimique qui abaisse la turbine et qui est essentiellement commandé à la pression atmosphérique. Le premier cycle de cellule électrochimique est commandé à une pression comprise dans la plage d'environ 6 à 15 atms. L'air comprimé est chauffé dans un échangeur de chaleur indirect et fourni au premier cycle de cellule électrochimique avec un flux de combustible pressurisé. L'échangeur de chaleur reçoit un flux de gaz chauffés provenant d'un brûleur à basse pression alimenté par l'effluent de surplus de combustible provenant du second cycle de cellule électrochimique. Les effluents provenant du premier cycle de cellule électrochimique sont fournis à un brûleur à haute pression dans lequel le surplus de combustible est brûlé pour élever le flux de gaz pressurisé vers la turbine à gaz à la température souhaitée. L'échappement de la turbine est fourni au brûleur à basse pression dans lequel il est utilisé pour brûler l'effluent de surplus de combustible provenant de l'anode du second cycle de cellule électrochimique pour fournir de la chaleur pour
l'échangeur de chaleur indirect d'air d'entrée.
En outre, l'énergie thermique de l'effluent provenant de la cathode du second cycle de cellule électrochimique peut être utilisée dans un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG). Le générateur de vapeur à récupération de chaleur peut également être utilisé pour fournir l'eau nécessaire sous la forme de vapeur aux cycles de cellule électrochimique pour stimuler le reformage interne du
combustible CH4 en hydrogène.
Dans un agencement préféré, une cellule électrochimique à oxyde solide (SOFC) est exceptionnellement positionnée et intégrée thermiquement au le système non seulement pour produire de l'électricité dans des conditions souhaitables, mais également pour fournir le C02 nécessaire pour le fonctionnement efficace de la cellule électrochimique placée en aval qui est de préférence une cellule électrochimique à carbonate fondu (MCFC). La cellule électrochimique de carbonate fondu est plus efficace pour la conversion du gaz naturel en électricité que la cellule électrochimique à oxyde solide ou la turbine à
gaz, mais nécessite une source de CO2.
En utilisant des programmes de simulation de systèmes acceptés, on a prouvé que ce cycle combiné de turbine à gaz et de cellule électrochimique double préféré produit un système optimisé de manière thermodynamique pour la production d'électricité du fait des sous-systèmes de génération d'électricité qui sont commandés en série ou en tandem et non en parallèle. Dans ce cas, la puissance inutilisée provenant de la première unité de génération, la cellule électrochimique à oxyde solide, passe en cascade dans la seconde unité, la turbine à gaz, et de la seconde unité dans la troisième, la cellule électrochimique de carbonate fondu. Etant donné que la cellule électrochimique à oxyde solide fonctionne mieux à environ 1090 C (2000 F), elle s'est avérée être idéale pour la position d'élévation, tandis que la cellule électrochimique de carbonate fondu fonctionne de manière optimale à environ 540 C (1000 F) et, ainsi,
comme un abaisseur vers la turbine.
De plus, le rendement du cycle de cet agencement préféré est fortement amélioré en ajoutant toute l'énergie thermique obtenue à partir de l'effluent d'hydrogène et du monoxyde de carbone, qui n'a pas réagi, provenant des flux de l'anode de cellule électrochimique, au flux de gaz en avant de l'entrée de la turbine. Cet agencement est une forme de récupération, c'est-à-dire qu'en recyclant cette énergie vers la turbine, la sortie de puissance de la turbine est augmentée. Des analyses détaillées de systèmes ont montré que cette approche du brûleur est
essentielle pour atteindre un rendement de cycle élevé.
Dans tous les cycles combinés de cellule électrochimique de carbonate fondu connus, le combustible qui n'a pas réagi provenant de l'anode est recyclé à partir d'un brûleur vers la cathode pour fournir le CO2 requis. Bien que ces flux de recyclage anode vers cathode fournissent le CO2 requis, ils empêchent d'atteindre un rendement élevé parce que les flux thermiques sont à la mauvaise température pour une
bonne mise en cascade.
Cet agencement thermique en tandem peut être optimisé pour assurer un rendement maximisé qui a été déterminé comme se situant dans la plage de 72-74 % (LHV) net. La taille de la turbine peut être choisie soit pour optimiser le rendement, soit pour réduire les
coûts du système, ou toute combinaison entre celles-ci.
Les analyses de systèmes comprennent environ 6 points en pourcentage dans les pertes pour la chute de pression, les pertes thermiques et la conversion de
courant continu en courant alternatif.
D'autres objets et nombre des avantages correspondants de la présente invention deviendront évidents pour les maîtres dans l'art à partir de la
description détaillée qui suit prise conjointement avec
le dessin dans lequel la figure unique est un schéma fonctionnel d'un système de génération d'électricité de turbine à gaz et de cellule électrochimique double
intégrés selon la présente invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Comme indiqué ci-dessus et montré sur la figure, les types de cellules électrochimiques préférés utilisés dans le cycle de turbine à gaz amorcée indirectement de cellule électrochimique double combinée de la présente invention comprennent une cellule électrochimique à oxyde solide (SOFC) 5 comme unité élevante et une cellule électrochimique à carbonate fondu (MCFC) 7 comme unité abaissante vers la turbine à gaz 9. Etant donné que ces cellules électrochimiques ont été développées de manière adéquate, seuls les composants principaux de ces cellules électrochimiques, l'anode, la cathode et l'électrolyte, vont être illustrés ici. On peut se procurer des informations supplémentaires en ce qui concerne les détails de ces types de cellules électrochimiques en se référant au "Fuel Cells
Handbook", janvier 1994, publié par DOE/METC-94-1006.
Cette référence étant incorporée ici par voie de référence. En référence aux illustrations sur la figure, la cellule électrochimique à oxyde solide 5 comprend deux électrodes poreuses 11 et 13 liées à un électrolyte en céramique à oxyde solide 15 disposé entre celles-ci pour former une barrière sélectivement perméable. Le combustible, sous la forme d'hydrogène, est fourni au côté d'électrode d'anode 11 de la barrière à travers un canal d'écoulement de gaz d'anode 17 tandis qu'un oxydant, dans ce cas de l'air, est fourni à son côté d'électrode de cathode 13 à travers un canal d'écoulement de gaz de cathode 19. La plupart des réactants ne peuvent pas traverser la barrière, mais des ions d'oxygène peuvent circuler à travers le réseau d'oxyde solide. Les électrodes sont formées de matériaux métalliques électriquement conducteurs ou en céramique semiconducteurs poreux. Typiquement, l'électrode de combustible (anode 11) est formée à partir de cermet nickel-zircone, ou similaire, l'électrode d'air (cathode 13) est formée à partir de manganite de lanthane dopée au strontium, ou similaire, et l'électrolyte à oxyde solide 15 est formé de zircone stabilisé à l'yttria, ou similaire. Les cellules sont typiquement réalisées dans un réseau cylindrique coaxial et un certain nombre de cellules sont connectées électriquement en série par une charge 21 pour former une pile. La cellule électrochimique à oxyde solide est commandée à une température comprise dans la plage d'environ 760 C à 1260 C (1400 à
2300 F).
Les combustibles adéquats comprennent l'hydrogène
et les hydrocarbures simples tels que le méthane CH4.
Dans cette application, le CH4 est fourni, via le conduit d'admission de combustible 23, au canal de gaz d'anode 17 de la cellule électrochimique et est reformé à l'intérieur de ce canal en faisant réagir le CH4 avec de l'eau (c'est-à-dire de la vapeur) en présence du
nickel dans l'anode, qui agit comme un catalyseur.
Cette réaction produit l'hydrogène pour la réaction électrochimique qui produit des flux chauds de gaz de réaction aux canaux d'écoulement de gaz d'électrode respectifs. Du CO2 est produit à la suite de ce traitement, lequel est fourni à la cathode de la cellule électrochimique de carbonate fondu comme cela sera décrit ci-dessous pour fournir la plus grande part du CO2 supplémentaire nécessaire pour le fonctionnement de la cellule électrochimique de carbonate fondu 7. La partie restante étant fournie par des brûleurs à deux étages de gazéification dans le système. Typiquement, une cellule électrochimique de carbonate fondu nécessite un oxydant contenant un rapport de CO2 sur 02 d'environ 2:1 pour la stoechiométrie de la réaction électrochimique. Etant donné que l'air ne présente pas ce rapport, du CO2 supplémentaire doit être ajouté à la chambre de réaction de cathode pour que la cellule
fonctionne efficacement.
Généralement, la cellule électrochimique de carbonate fondu 7 comprend une électrode d'anode 24 formée en nickel poreux, ou similaire, séparée d'une électrode de cathode 25 en oxyde de nickel poreux, ou similaire, par un électrolyte fondu 26 formé de carbonates de métal alcalin et des mélanges de ceux-ci contenus dans une matrice en céramique poreuse,
communément réalisée en aluminate de lithium (LiAlO2).
Les cellules électrochimiques de carbonate fondu sont habituellement réalisées dans un réseau en couches et un certain nombre de cellules sont connectées électriquement en série par une charge 29 pour former
une pile.
Avec l'électrolyte chauffé à un état fondu, un combustible tel que de l'hydrogène, dérivé de gaz combustible ou de gaz naturel par un reformage interne, comme décrit ci-dessus, à l'anode subit une réaction électrochimique produisant de l'électricité avec l'oxygène à la cathode. Cette réaction électrochimique produit également des flux chauds de gaz de réaction aux canaux de gaz d'anode et de cathode qui sont utilisés dans le système à cycles combinés comme cela va être décrit. La cellule électrochimique de carbonate fondu est commandée à une température comprise dans la
plage d'environ 540 C à 620 C (1000 à 1150 F).
La turbine à gaz amorcée indirectement 9 est couplée à un compresseur 33 par un arbre d'entraînement 34 et à un générateur électrique 36. Le compresseur peut être de n'importe quel type adapté capable de recevoir un flux d'air 35 à son entrée et de comprimer ce flux d'air à une pression comprise dans la plage d'environ 6 à 25 atms et à une température comprise
dans la plage d'environ 150 C à 430 C (300 à 800 F).
Ce flux d'air comprimé est passé à travers le conduit 37 dans un échangeur de chaleur 39 dans lequel le flux d'air comprimé est chauffé indirectement par un flux de gaz chaud provenant d'un brûleur à basse pression 41 à travers un conduit 43 reliant la sortie du brûleur à l'entrée de l'élément de transfert thermique de l'échangeur de chaleur 39. Bien que les flux, tels qu'illustrés sur le dessin, soient parallèles, les moyens d'échange de chaleur sont, de préférence, à courants opposés ou à courants croisés. L'air comprimé est chauffé à une température comprise dans la plage d'environ 815 C à 1370 C (1500 à 2500 F), de préférence environ 1090 C (2000 F). L'échangeur de chaleur 39 peut être de n'importe quel type adapté capable de chauffer l'air comprimé à la plage de température souhaitée. De préférence, l'échangeur de chaleur 39 est formé en métal résistant aux températures élevées et/ou en un matériau en céramique à cause des exigences de température relativement élevées. Le flux d'air comprimé chaud déchargé de l'échangeur de chaleur 39 est transporté à travers le conduit 45 vers le canal de gaz de cathode 19 de la
cellule électrochimique à oxyde solide 5.
En même temps que l'air chauffé fourni au canal de gaz de cathode 19 de la cellule électrochimique à oxyde solide 5, le combustible CH4 est introduit à travers une pompe 23 vers le canal de gaz d'anode 17 à une pression compatible avec la pression de fonctionnement de la cellule électrochimique à oxyde solide, dans ce cas environ 5-20 atms. Le CH4 réagit avec l'eau sous la forme de vapeur, qui peut être introduite dans le canal de différentes manières comme cela sera décrit ici dans un exemple ci-dessous, en présence d'un catalyseur, tel que du nickel, présent dans la structure d'anode 11 pour produire l'hydrogène nécessaire à la réaction d'anode et du CO2. En variante, le combustible peut être réchauffé en faisant passer le flux de combustible à travers un échangeur de chaleur chauffé par le flux
d'échappement d'anode.
L'hydrogène réagit électrochimiquement avec l'oxygène fourni au canal de gaz de cathode 19 dans le flux d'air comprimé préchauffé qui entre dans le canal de cathode. Cette réaction électrochimique produit à la fois de l'électricité et de l'eau. A la température de fonctionnement de la cellule, comprise dans la plage d'environ 760 C à 1260 C (1400 à 23000F), l'eau est rapidement convertie en vapeur, ce qui aide au reformage du CH4 dans le canal d'anode. Cependant, étant donné que ni la totalité du H2 à l'anode, ni la totalité du 02 à la cathode n'a réagi, l'excédent s'écoule hors des canaux de gaz d'anode et de cathode en même temps que l'eau et le CO2 dans le flux d'anode et les composants restants du flux d'air dans le flux
de cathode.
Les effluents provenant des canaux d'écoulement de gaz d'anode et de cathode 17 et 19, respectivement, de la cellule électrochimique à oxyde solide sont transportés vers un brûleur à haute pression 47 via des conduits 49 et 51, respectivement. Le brûleur à haute pression fonctionnant à la pression de fonctionnement de la cellule électrochimique à oxyde solide 5 fournit une chaleur supplémentaire au flux de gaz chaud pressurisé amené à l'entrée de la turbine 9, via le conduit 53, connecté entre la sortie du brûleur 47 et l'entrée de la turbine. Le brûleur à deux étages de gazéification haute pression peut prendre diverses formes dans lesquelles le H2 et le CO qui n'ont pas réagi, provenant du canal d'anode 17 de la cellule électrochimique à oxyde solide 5, sont brûlés en présence du 02 provenant du canal de cathode 19 pour chauffer davantage le flux de gaz chaud. Ce gaz chaud chauffé davantage à une température comprise dans la plage d'environ 980 C à 1260 C (1800 à 2300 F), de préférence environ 1200 C (2200 F), est amené à la turbine 9 à une pression d'environ 5 à 20 atms, de préférence environ 10 atms, pour entraîner la turbine et, ensuite, comprimer le flux d'air d'entrée et générer de l'électricité dans le générateur 36. La température du gaz de fonctionnement pour la turbine peut être modifiée en changeant la quantité de combustible fournie à l'anode de la cellule électrochimique à oxyde solide. Il peut être nécessaire d'ajouter un surplus de combustible et de réduire l'utilisation de combustible de la première cellule électrochimique, fournissant ainsi un surplus de combustible au brûleur à haute pression et d'élever la
température des gaz du brûleur à vers la turbine à gaz.
Ceci ne nuit pas nécessairement beaucoup au rendement du cycle parce que la puissance de la turbine va augmenter ainsi que la contribution de rendement de la
composante du moteur thermique au cycle global.
Le gaz d'échappement provenant de la turbine à gaz 9 est à une température comprise dans la plage d'environ 315 C à 700 C (600 à 1300 F), de préférence environ 540 C (1000 F), et à une pression essentiellement ambiante. Ce gaz d'échappement provenant de la turbine est amené, via le conduit 55, au brûleur à basse pression 41, de même que l'échappement du canal d'anode de la cellule
électrochimique de carbonate fondu 7 via le conduit 57.
Le H2 et le CO, qui n'ont pas réagi, provenant de l'échappement d'anode de la cellule électrochimique de carbonate fondu sont brûlés dans le brûleur à basse pression 41 en présence de l'oxygène restant disponible dans le flux d'échappement 55 de la turbine. Ce brûleur à basse pression produit un flux de gaz chaud riche en C02 acheminé en cascade à travers le système depuis la cellule électrochimique à oxyde solide 5 et le brûleur à haute pression 47. Le flux de gaz est chauffé davantage à une température comprise dans la plage d'environ 590 C à 760 C (1100 à 1400 F), mais de préférence moins de 730 C (1350 F). Ce flux de gaz chauffé passe dans l'échangeur de chaleur 39 via le conduit 43, comme décrit ci-dessus, et sort à travers le conduit 59 vers le canal de gaz de cathode 28 de la cellule électrochimique de carbonate fondu 7. La température du flux de gaz provenant de l'échangeur de chaleur est comprise dans la plage d'environ 540 C à 6200C (1000 à 1150 F), de préférence 590 C (1100 F), et à une pression comprise dans la plage d'environ 1 à 3 atms. La température de ce flux de gaz peut être modifiée en faisant varier le combustible fourni à l'anode de cellule électrochimique de carbonate fondu 27 ou en modifiant le trajet d'échange thermique à travers l'échangeur de chaleur 39, comme montré sur le dessin. Comme l'air chauffé, enrichi en CO2, entre dans le canal de gaz de cathode 28 de la cellule électrochimique de carbonate fondu 7, un combustible gazeux, tel que du gaz combustible ou du gaz naturel, est transporté simultanément dans le canal de gaz d'anode 27 de la cellule électrochimique via le conduit 61. Ce combustible gazeux est préchauffé, de préférence, à une température correspondant généralement à celle du flux de gaz délivré au canal de gaz de cathode 28 afin d'assurer la liquéfaction de l'électrolyte de carbonate et, après cela, faciliter la réaction électrochimique qui se poursuit dans la cellule électrochimique 7. Le préchauffage du combustible à la température de reformage peut êtreaccompli en recyclant une partie du flux d'échappement d'anode vers l'entrée de combustible d'anode via le
conduit 63.
Avec les flux chauffés de combustible et le flux d'air enrichi en C02 délivrés à la cellule électrochimique 7, la réaction électrochimique
s'effectue comme décrit dans le brevet mentionné ci-
dessus du cessionnaire pour produire de l'énergie électrique tout en produisant des gaz de réaction formés principalement de CO2 et d'eau à l'anode et de CO2 qui n'a pas réagi, d'eau et d'air vicié à la cathode. Typiquement, ce flux de gaz contient environ 14 % de CO2, 3 % de 02 et 11 % de H20, avec du N2 composant principalement la partie restante. Le rapport du CO2 sur le 02 devrait être supérieur à 2 partout
dans le flux de cathode de la cellule électrochimique.
Seule la cellule électrochimique de carbonate fondu est commandée dans des conditions de 02 vicié. Toute l'alimentation en oxygène du système est assurée par le flux d'air d'entrée qui contient environ 23 % de 02 en poids. Environ 12 à 16 % en poids sont consommés par la cellule électrochimique à oxyde solide 5, tandis que seulement environ 1 à 3 % en poids sont consommés par chacun des brûleurs 41 et 47, laissant une teneur en 02 d'environ 5 à 7 % en poids dans le flux de gaz entrant dans la cathode de la cellule électrochimique de carbonate fondu 7. Environ 2 à 3 % en poids de 02 sont consommés dans la cellule électrochimique de carbonate fondu, laissant environ 3 % en poids dans le flux d'échappement provenant de la cathode de cellule
électrochimique de carbonate fondu.
Comme montré sur la figure, les gaz d'échappement de cathode de la cellule électrochimique de carbonate fondu 7, qui sont à une température comprise dans la plage d'environ 540 C à 700 C (1000 à 1300 F), habituellement plus élevée d'environ 83 C à 110 C (150 -200 F) que la température du gaz et du combustible délivré à la cellule électrochimique 7, peuvent être déchargés vers l'atmosphère, recyclés vers le brûleur à basse pression 41 ou, de préférence, déchargés de la cellule électrochimique, via le conduit , vers un cycle d'utilisation, tel que le cycle du générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) 67 montré sur le dessin. Le flux de gaz chaud 65 est amené dans une chaudière ou similaire, non montrée, du générateur de vapeur à récupération de chaleur pour extraire l'énergie thermique résiduelle de ces gaz tout en produisant la vapeur destinée à être utilisée dans une turbine à vapeur 69 pour la génération d'électricité par un générateur 71. De plus, le générateur de vapeur à récupération de chaleur peut être utilisé pour fournir de l'eau, sous la forme de vapeur, aux électrodes de combustible (anodes) des deux cellules électrochimiques 5 et 7, via les conduits 73 et 75, respectivement, aux températures de
fonctionnement séparées des cellules, comme décrit ci-
dessus pour reformer le CH4 en H2.
En employant la combinaison de cellule électrochimique double et de turbine à gaz chauffée indirectement et le cycle de turbine à vapeur, comme décrit ci-dessus, les sources de génération d'électricité résultantes assurent un accroissement du rendement du cycle global d'environ 6 % par rapport à n'importe quelle combinaison connue d'un cycle de cellule électrochimique abaissé ou élevé par un cycle de turbine à gaz ou par un cycle de turbine à gaz chauffée directement en employant un cycle de cellule électrochimique. Dans une autre modification de la présente invention, la cellule électrochimique de carbonate fondu 7 peut être commandée à une pression intermédiaire supérieure à la pression atmosphérique, telle que de l'ordre d'environ deux à cinq atmosphères, le flux d'échappement de cathode sera à une pression adéquate pour entraîner une turbine à basse pression dans des conditions pressurisées. Cela réduira la taille et le coût de la cellule électrochimique de carbonate fondu. L'échappement de la turbine à basse pression peut être utilisé pour chauffer l'eau dans une chaudière à la température d'ébullition avec la vapeur produite à une pression intermédiaire de la turbine basse pression. Cela convertit la turbine à gaz en un générateur de puissance à basse pression et élimine efficacement le besoin d'un système de turbine à vapeur à la suite de la cellule électrochimique de carbonate fondu. Bien que le rendement du cycle ne soit pas aussi élevé que dans le mode de réalisation préféré décrit ci-dessus, cette approche réduit considérablement l'équilibre de l'installation et sert à réduire les
coûts du système.
On verra que le cycle combiné d'un cycle de turbine à gaz amorcée indirectement élevé et abaissé par un cycle de cellule électrochimique et l'emploi, de plus, d'un cycle de turbine à vapeur apportent une amélioration significative à la technologie de cycle combiné qui fonctionne à un rendement relativement élevé en comparaison des cycles combinés précédemment connus tels que décrits ci- dessus. Egalement, en organisant en cascade la circulation d'air à travers le système sans dévier aucun air pressurisé qui fait fonctionner la turbine pour brûler l'hydrogène excédentaire provenant des cellules électrochimiques, on atteint plus de puissance et, ainsi, on obtient un rendement plus élevé. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci- dessus décrits et représentés à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans
pour autant sortir du cadre de l'invention.
Claims (12)
1. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double, comprenant: une turbine à gaz (9) amorcée hors base comportant des moyens d'entrée de gaz destinés à recevoir un flux de gaz pressurisé chauffé pour entraîner ladite turbine (9) et des moyens d'échappement de gaz destinés à
fournir un flux de gaz d'échappement à partir de celle-
ci; des moyens formant compresseur (33) destinés à produire un flux d'air pressurisé à une pression correspondant à la pression dudit flux de gaz pressurisé de ladite turbine (9); une première cellule électrochimique (5) et une seconde cellule électrochimique (7); caractérisé par la première cellule électrochimique (5) capable de fonctionner à une température et à une pression correspondant audit flux de gaz pressurisé et comprenant des moyens formant cathode (13) destinés à recevoir ledit flux d'air pressurisé provenant desdits moyens formant compresseur (33), des moyens formant anode (11) destinés à recevoir un premier flux de combustible à une pression correspondant à la pression dudit flux de gaz de fonctionnement et des moyens destinés à faire réagir une partie dudit premier flux de combustible avec ledit flux d'air pressurisé pour produire de l'électricité et des flux d'effluents gazeux chauffés de cathode et d'anode pour fournir ledit flux de gaz pressurisé auxdits moyens d'admission de gaz de ladite turbine à gaz (9); et la seconde cellule électrochimique (7) capable de fonctionner à une température et à une pression correspondant au flux de gaz d'échappement de ladite turbine (9) et comprenant des moyens formant cathode (25) destinés à recevoir ledit flux de gaz d'échappement provenant de ladite turbine (9), des moyens formant anode (24) destinés à recevoir un second flux de combustible et des moyens destinés à faire réagir une partie dudit second flux de combustible avec ledit flux de gaz d'échappement provenant de ladite turbine (9) pour produire de l'électricité et des flux séparés d'anode et de cathode de gaz d'échappement chauffés.
2. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 1 comprenant, de plus, des moyens formant brûleur à deux étages de gazéification haute pression (47) connectés, de manière fonctionnelle aux moyens formant cathode et anode (11, 13) de ladite première cellule électrochimique (5) et entre lesdits moyens d'admission de gaz de ladite turbine à gaz (9) pour brûler la totalité d'une partie restante dudit premier flux de combustible contenue dans le flux d'échappement d'anode de ladite première cellule électrochimique (5) pour chauffer davantage ledit flux de gaz pressurisé
entraînant ladite turbine à gaz (9).
3. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 2, dans lequel lesdits premiers moyens formant cellule électrochimique sont une cellule électrochimique à oxyde solide (5) et lesdits seconds moyens formant cellule électrochimique sont une cellule électrochimique à carbonate fondu (7) et comprenant, de plus, des moyens d'échange indirect de chaleur destinés à chauffer ledit flux d'air comprimé au moyen de l'échange indirect de chaleur avec un flux de gaz chauffés transportés à travers leur canal de chauffage à une température correspondant à une température de fonctionnement choisie de ladite cellule électrochimique à oxyde solide (5) de sorte que lesdits moyens d'échange de chaleur équilibrent les exigences thermiques desdites première et seconde cellules électrochimiques (5, 7) commandées à des températures différentes.
4. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 3 comprenant, de plus, des moyens formant brûleur à basse pression (41) connectés, de manière fonctionnelle, pour recevoir le flux de gaz d'échappement provenant de ladite turbine (9) et le flux de gaz d'échappement provenant desdits moyens formant anode (24) de ladite seconde cellule électrochimique (7) pour brûler une partie restante dudit second flux de combustible contenue dans le flux d'échappement d'anode de ladite seconde cellule électrochimique (7) pour chauffer ledit flux de gaz d'échappement provenant de ladite turbine à gaz (9) et appliquer ledit flux de gaz d'échappement provenant de ladite turbine (9) audit canal de chauffage dudit échangeur de chaleur (39) pour chauffer ledit flux d'air pressurisé et des moyens formant conduit connectés entre une sortie dudit canal de chauffage dudit échangeur de chaleur (39) et les moyens formant cathode (25) desdits seconds moyens formant
cellule électrochimique (7).
5. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 4, dans lequel lesdits moyens formant compresseur (33) comprennent un compresseur entraîné par ladite turbine
à gaz (9).
6. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 4, dans lesquels lesdites première et seconde cellules électrochimiques (5, 7) sont du type à reformage de combustible interne, dans lesquels le reformage du gaz combustible est intégré à leurs moyens formant anode (11) et dans lesquels lesdits premiers et seconds flux
de gaz combustible sont composés de CH4.
7. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 6 comprenant, de plus, des moyens de pompage destinés à pressuriser ledit premier flux de gaz combustible appliqué à l'anode (11) de ladite cellule électrochimique à oxyde solide (5) à une pression correspondant à la pression dudit flux d'air pressurisé
fourni à sa cathode (13).
8. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 7 comprenant, de plus, des moyens formant conduit de recyclage destinés à recycler une partie du flux de gaz d'échappement d'anode de ladite seconde cellule électrochimique à mélanger audit second flux de gaz combustible avant de l'introduire dans lesdits moyens formant anode (24) pour chauffer ledit second flux de combustible à la température de reformage et des moyens de génération de vapeur destinés à appliquer la vapeur aux moyens formant anode (13, 24) de chacune desdites première et seconde cellules électrochimiques (5, 7) aux températures de fonctionnement correspondantes de celles-ci pour fournir l'eau nécessaire pour le reformage des flux de combustible à l'intérieur de celles-ci.
9. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 8, dans lequel la première cellule électrochimique (5) est commandée à une température comprise dans la plage d'environ 760 C à 1260 C et à une pression comprise dans la plage d'environ 5 à 20 atms, le flux de gaz chauffé à l'entrée de ladite turbine à gaz (9) est à une température comprise dans la plage d'environ 980 C à 1260 C et à une pression comprise dans la plage d'environ 5 à 20 atms, et la seconde cellule électrochimique (7) est commandée à une température comprise dans la plage d'environ 540 C à 620 C et à une
pression d'environ 1 à 3 atms.
10. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 9, dans lequel le flux de gaz introduit dans la cathode (25) de la seconde cellule électrochimique est enrichi en CO2 produit dans les moyens formant anode (11) de la première cellule électrochimique et dans lesdits moyens
formant brûleur à haute et basse pressions (47, 41).
11. Système de génération d'électricité à cycle combiné de turbine à gaz (9) et de cellule électrochimique double selon la revendication 10 comprenant, de plus, des moyens de génération de puissance à récupération de chaleur connectés, de manière fonctionnelle, pour recevoir le flux de gaz chaud provenant des moyens formant cathode (25) de la seconde cellule électrochimique pour, de plus, produire
de l'électricité à partir de cela.
12. Cycle de turbine à gaz (9) amorcée indirectement, élevé et abaissé par un cycle de cellule électrochimique pour la génération combinée d'électricité, comprenant: des moyens formant compresseur (33) destinés à fournir un flux d'air comprimé à une de leurs sorties; des moyens d'échange de chaleur couplés à la sortie des moyens formant compresseur (33) pour chauffer ledit flux d'air comprimé par l'échange indirect de chaleur
avec un flux de gaz réchauffé passant à travers ceux-
ci; des premiers moyens formant cellule électrochimique (5) comprenant des moyens formant anode (11) destinés à recevoir un premier flux de gaz combustible et des moyens formant cathode (13) destinés à recevoir le flux chauffé d'air comprimé sortant par ledit échangeur de chaleur (39); des premiers moyens d'alimentation en combustible couplés aux moyens formant anode (11) desdits premiers moyens formant cellule électrochimique (5) destinés à y fournir un premier flux de combustible, une partie au moins du premier flux de combustible aux moyens formant anode (11) et le flux chauffé d'air comprimé aux moyens formant cathode (13) subissant une réaction électrochimique dans les moyens formant cellule électrochimique pour produire une sortie électrique tout en produisant des flux de gaz chauffés aux moyens formant anode (11) et aux moyens formant cathode (13); des premiers moyens formant brûleur connectés pour recevoir les flux de gaz chauffés provenant desdits moyens formant anode (11) et desdits moyens formant cathode (13) desdits premiers moyens formant cellule électrochimique (5) pour brûler la partie restante de combustible dans le flux de gaz chauffés provenant des moyens formant anode (11) des premiers moyens formant cellule électrochimique (5) pour chauffer davantage le flux de gaz pressurisé passant à travers ceux-ci vers une de leurs sorties; des moyens formant turbine à gaz (9) comportant une admission de gaz pressurisé et un échappement à basse pression et comprenant un générateur électrique commandé, de ce fait, pour recevoir ledit flux de gaz pressurisé provenant de la sortie desdits premiers moyens formant brûleur à ladite admission de ceux-ci pour entraîner ladite turbine (9); des seconds moyens formant cellule électrochimique (7) comprenant des moyens formant anode (24) et des moyens formant cathode (25); des seconds moyens d'alimentation en combustible couplés aux moyens formant anode (24) desdits seconds moyens formant cellule électrochimique pour y fournir un second flux de combustible, une partie au moins du second flux de combustible aux moyens formant anode (24) desdits seconds moyens formant cellule électrochimique subissant une réaction électrochimique avec un flux de gaz réactif auxdits moyens formant cathode (25) desdits seconds moyens formant cellule électrochimique (7) pour produire une sortie électrique tout en produisant, de plus, des flux de gaz chauffés aux moyens formant anode (24) et aux moyens formant cathode (25), respectivement, desdits seconds moyens formant cellule électrochimique; des seconds moyens formant brûleur à deux étages de gazéification connectés pour recevoir, de plus, le flux de gaz chauffés et l'échappement à basse pression provenant desdits moyens formant turbine (9) pour brûler la partie restante de combustible provenant desdits moyens formant anode (24) desdits seconds moyens formant cellule électrochimique (7) pour fournir ledit flux réchauffé de gaz audit échangeur de chaleur (39); et des moyens formant conduit pour faire passer ledit flux réchauffé de gaz à travers ledit échangeur de chaleur (39) dans les moyens formant cathode (25) desdits seconds moyens formant cellule électrochimique (7).
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