FR2894389A1 - Ensemble integre a humidificateur de combustible et systeme ayant besoin d'un ecoulement de combustibles humidifie - Google Patents

Ensemble integre a humidificateur de combustible et systeme ayant besoin d'un ecoulement de combustibles humidifie Download PDF

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Michael J Reinke
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Abstract

L'invention concerne un ensemble intégré (200) à humidificateur de combustible comprenant un évaporateur d'eau (6), un réchauffeur de combustible (67) et un mélangeur combustible-vapeur (8) raccordé à la fois à l'évaporateur d'eau (6) pour en recevoir de la vapeur et au réchauffeur de combustible (67) pour en recevoir du combustible réchauffé, un courant d'entrée d'air utilisant la chaleur provenant d'un courant d'évacuation d'anode d'un empilage de piles à combustible.Domaine d'application : Piles à combustible du type à oxyde solide, etc.

Description

1
L'invention concerne de façon générale des piles à combustible, et plus particulièrement des systèmes de piles à combustible à haut température et leur fonctionnement. Des piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques qui peuvent convertir de l'énergie stockée dans des combustibles en énergie électrique avec des rendements élevés. Des piles à combustible à haute température comprennent des piles à combustible à oxyde solide et carbonate fondu. Ces piles à combustible peuvent fonctionner en utilisant de l'hydrogène et/ou des combustibles hydrocarbonés. Il existe des classes de piles à combustible, telles que les piles à combustible régénératives à oxyde solide, qui peuvent aussi fonctionner de façon réversible, de manière qu'un combustible oxydé puisse être ramené par réduction à l'état de combustible non oxydé en utilisant un apport d'énergie électrique. Dans un système de piles à combustible à haute température tel qu'un système de piles à combustible à oxyde solide (SOFC pour "Solide Oxyde Fuel Cell"), on fait passer un flux oxydant à travers le côté de cathode de la pile à combustible tandis qu'on fait passer un flux de combustible à travers le côté d'anode de la pile. Le flux oxydant est habituellement de l'air, tandis que le flux combustible est habituellement un gaz riche en hydrogène engendré par le reformage d'une source de combustible hydrocarboné. La pile à combustible, fonctionnant à une température typique comprise entre 750 C et 950 C, permet le transport d'ions oxygène chargés négativement, du courant du flux de cathode vers le courant du flux d'anode, où l'ion se combine soit à l'hydrogène libre, soit à l'hydrogène contenu dans une molécule d'hydrocarbure pour former de la vapeur d'eau et/ou avec du monoxyde de carbone pour former du dioxyde de carbone. Les électrons excédentaires provenant de l'ion chargé négativement sont renvoyés au côté de cathode de la pile à combustible en passant par un circuit électrique fermé entre l'anode et la cathode, ce qui aboutit à la circulation d'un courant électrique dans le circuit. Conformément à un aspect de l'invention, un ensemble intégré à humidificateur de combustible est proposé et comprend un évaporateur 2, un réchauffeur de combustible et un mélangeur combustible-vapeur raccordé à la fois à l'évaporateur 2 pour en recevoir de la vapeur, et au réchauffeur de combustible pour en recevoir du combustible réchauffé.
Selon un aspect, l'évaporateur 2, le réchauffeur de combustible et le mélangeur combustible-vapeur sont définis par un empilage de plaques comprenant des plaques à eau/combustible intercalées avec des plaques pour fluide caloporteur.
Selon un aspect, l'évaporateur 2, le réchauffeur de combustible et le mélangeur combustible-vapeur sont définis par un empilage de plaques comprenant plusieurs paires de plaques pour eau/combustible intercalées avec plusieurs plaques pour fluide caloporteur.
Conformément à un aspect de l'invention, il est proposé un système ayant besoin d'un écoulement de combustible humidifié. Le système comprend une source de fluide caloporteur, une source d'eau, une source de combustible et un ensemble intégré à humidificateur de combustible raccordé fonctionnellement à la source de fluide caloporteur pour en recevoir un écoulement de fluide caloporteur, à la source d'eau pour en recevoir un écoulement d'eau et à la source de combustible pour en recevoir un écoulement de combustible. L'ensemble intégré à humidificateur de combustible comprend un évaporateur d'eau, un réchauffeur de combustible destiné à réchauffer l'écoulement de combustible, et un mélangeur combustible-vapeur raccordé à la fois à l'évaporateur d'eau pour en recevoir de la vapeur et au réchauffeur de combustible pour en recevoir du combustible réchauffé.
Selon un aspect, l'humidificateur intégré de combustible est configuré pour diriger l'écoulement d'eau dans une relation d'écoulement parallèle ou cocourant avec l'écoulement de fluide caloporteur dans l'évaporateur d'eau. Selon un aspect, l'humidificateur intégré de combustible est configuré pour diriger l'écoulement de fluide caloporteur vers le réchauffeur de combustible en aval de l'évaporateur d'eau.
Conformément à un aspect de l'invention, un ensemble intégré à humidificateur de combustible est proposé et comprend un évaporateur d'eau, un réchauffeur de combustible et un mélangeur combustible-vapeur. L'évaporateur d'eau comprend une voie d'écoulement d'eau en relation de transmission de chaleur avec une voie d'écoulement de fluide caloporteur. Le réchauffeur de combustible comprend une voie d'écoulement de combustible en relation de transmission de chaleur avec la voie d'écoulement de fluide caloporteur, et le mélangeur combustible-vapeur est raccordé à la fois à la voie d'écoulement d'eau pour en recevoir de la vapeur et à la voie d'écoulement de combustible pour en recevoir du combustible réchauffé. Selon un aspect, le réchauffeur de combustible est 25 placé en aval de l'évaporateur d'eau par rapport à la voie d'écoulement de fluide caloporteur. Selon un aspect, la voie d'écoulement d'eau comprend plusieurs passages parallèles d'écoulement d'eau, la voie d'écoulement de combustible comprend plusieurs passages 30 parallèles d'écoulement de combustible, et la voie d'écoulement de fluide caloporteur comprend plusieurs passages parallèles d'écoulement de fluide caloporteur imbriqués avec les passages d'écoulement d'eau dans l'évaporateur d'eau, et imbriqués avec les passages 35 d'écoulement de combustible dans le réchauffeur de combustible.
Selon un autre aspect, le mélangeur combustible-vapeur comprend un collecteur ou une chambre intermédiaire qui est raccordé à tous les passages d'écoulement d'eau et de combustible.
Selon un autre aspect encore, chacun des passages d'écoulement d'eau comprend une section d'entrée définissant une région de chute de pression de liquide pour l'écoulement d'eau. Conformément à un aspect, la région de chute de 10 pression de liquide comprend une voie d'écoulement sinueuse. Selon un aspect, chacune des sections d'entrée est isolée thermiquement de la partie restante du passage correspondant d'écoulement d'eau par une discontinuité ou 15 interruption thermique. Selon un autre aspect, chacune des discontinuités thermiques se présente sous la forme d'une fente qui s'étend entre la section d'entrée correspondante et la partie restante du passage d'écoulement d'eau. Selon un aspect, les sections d'entrée sont séparées 20 de la voie d'écoulement de fluide caloporteur par une discontinuité ou interruption thermique. Selon un autre aspect, la discontinuité thermique se présente sous la forme d'une chambre intermédiaire qui est ouverte à l'atmosphère et qui s'étend entre toutes les sections 25 d'entrée et la voie d'écoulement de fluide caloporteur. Selon un aspect, les passages d'écoulement sont définis par plusieurs plaques pour eau/combustible intercalées avec plusieurs plaques pour fluide caloporteur, chacune des plaques pour eau/combustible définissant l'un 30 des passages d'écoulement d'eau et l'un des passages d'écoulement de combustible, et chacune des plaques pour fluide caloporteur définissant l'un des passages de fluide caloporteur. Selon un autre aspect, chacune des plaques comprend en 35 outre une chambre de mélange eau/combustible, les chambres étant alignées pour former un collecteur de mélange eau/combustible et les chambres étant ouvertes à la fois vers les passages d'écoulement d'eau et les passages d'écoulement de combustible. Selon un autre aspect encore, chacune des plaques pour eau/combustible définit une section d'entrée d'eau en tant que partie du passage d'écoulement d'eau de la plaque pour eau/combustible, la section d'entrée d'eau étant séparée de la partie restante des passages d'écoulement de combustible par une fente dans la plaque pour eau/combustible.
Conformément à un aspect, chacun des passages d'écoulement d'eau a la forme d'un serpentin. Selon un aspect, l'ensemble intégré à humidificateur de combustible comprend en outre un collecteur d'entrée de fluide caloporteur, un collecteur de sortie de fluide caloporteur, la voie d'écoulement de fluide caloporteur s'étendant du collecteur d'entrée au collecteur de sortie, et le mélangeur de combustible et de vapeur étant placé de façon à être adjacent au collecteur de sortie de fluide caloporteur. Selon un autre aspect, la voie d'écoulement d'eau comprend une partie de vaporisation qui commence à proximité immédiate de l'entrée de fluide caloporteur et aboutit au mélangeur combustible-vapeur. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et 25 sur lesquels : la figure 1 est un graphique donnant la température en fonction de la chaleur pour l'écoulement d'un fluide dans un système d'un exemple comparatif ; les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de 30 systèmes de piles à combustible selon la première forme appréciée de réalisation de l'invention, la figure 2 montrant les constituants du système et un diagramme d'écoulement:, et la figure 3 montrant le schéma du réseau échangeur de chaleur pour le système de piles à 35 combustible ; les figures 4, 5, 6 et 8 sont des graphiques de la température en fonction de la chaleur pour divers écoulements de fluide dans des systèmes de formes appréciées de réalisation de l'invention ; la figure 7 est un schéma du réseau échangeur de chaleur du système de piles à combustible de la troisième forme appréciée de réalisation de l'invention ; la figure 9 est une représentation quelque peu schématique d'un ensemble intégré d'humidificateur de 10 combustible de l'invention ; la figure 10 est une représentation quelque peu schématique illustrant les trajets d'écoulement de l'ensemble de la figure 9 ; la figure 11 est une vue en perspective partiellement 15 éclatée d'une forme de réalisation de l'ensemble de la figure 9 ; la figure 12 est une vue en plan d'une plaque d'échangeur de chaleur de l'ensemble de la figure 11 ; et la figure 13 est une vue partielle en perspective 20 éclatée d'une paire de plaques d'échangeur de chaleur destinée à être utilisée dans une forme de réalisation de l'ensemble de la figure 9. Pour maintenir le système de piles à combustible à oxyde solide (SOFC) à sa température élevée de 25 fonctionnement, les courants de flux d'anode et de cathode sortant de la pile à combustible transmettent habituellement de la chaleur aux flux arrivants en passant par une série d'échangeurs de chaleur pour la récupération. Dans un exemple comparatif, ceci peut comprendre le 30 processus de transmission de chaleur à une source d'eau à l'état liquide afin de produire de la vapeur d'eau pour le reformage à la vapeur d'un combustible hydrocarboné afin de générer le flux de reformat riche en hydrogène. Par exemple, la chaleur de la cathode peut être 35 transmise par une récupération du courant du flux d'évacuation de cathode à l'air de cathode arrivant, tandis que la chaleur de l'anode est transmise avec récupération partielle de l'évacuation de l'anode vers le combustible humidifié arrivant, tel que du gaz naturel, qui alimente le reformeur de vapeur, et est partiellement transmise à l'eau afin de générer la vapeur d'eau introduite dans le combustible pour l'humidifier. De plus, la vapeur d'eau dans l'évacuation de l'anode peut être recapturée pour servir en totalité ou en partie en tant que source d'eau pour le reformeur de vapeur.
Les _nventeurs ont découvert qu'une analyse thermodynamique du système dans lequel le courant d'évacuation de l'anode (c'est-à-dire du côté du combustible) est utilisé pour chauffer le combustible humidifié et pour évaporer l'eau révèle qu'on dispose de plus d'énergie dans l'évacuation de l'anode quittant la pile à combustible qu'il est besoin de transmettre au combustible humidifié arrivant (c'est-à-dire l'eau et le combustible). Cependant, une partie assez grande à la fois de la chaleur disponible dans l'évacuation de l'anode et de la chaleur nécessaire pour la charge se présente sous la forme de chaleur latente. Il en résulte que, alors qu'il y a suffisamment d'énergie disponible dans l'évacuation de l'anode, des tentatives pour transférer la chaleur de l'évacuation de l'anode à l'eau et au gaz naturel en passant par un échangeur de chaleur, dans lequel la chaleur est transmise par convection du courant d'évacuation d'anode à une surface conductrice de la chaleur séparant le courant d'évacuation et un ou plusieurs fluides arrivant, et de ladite surface au fluide arrivant ou aux fluides arrivants, peuvent ne pas être commercialement applicables en pratique. Le problème décrit ci-dessus est illustré sur la figure 1, qui montre le graphique de la température en fonction de la chaleur transmise pour l'évacuation de l'anode et l'eau. Les conditions de la figure 1 supposent une température d'évacuation d'anode de 400 C entrant dans un évaporateur (à savoir un vaporiseur) depuis un réacteur de conversion du CO, et un évaporateur à contre- courant hypothétique capable de produire une vaporisation complète de l'eau, avec une surchauffe minimale.
Comme on peut le voir sur la figure 1, la condensation de la vapeur d'eau provenant de l'évacuation d'anode totalement saturée et de la vaporisation isotherme de l'eau fait chuter la température de l'évacuation d'anode rejetant de la chaleur en dessous de la température de l'eau recevant de la chaleur sur une partie substantielle de la charge thermique (c'est-à-dire que la courbe de l'eau est située au-dessus de la courbe d'évacuation d'anode pour des valeurs de Q d'environ 1100 à environ 1750 watts). Il en résulte que l'obtention de la transmission de chaleur nécessaire entre les fluides uniquement par l'utilisation d'échangeurs de chaleur typiques peut ne pas être possible dans les conditions supposées sur la figure 1, car la transmission de la chaleur dans un échangeur de chaleur typique nécessite que la température de la matière de séparation, conductrice de la chaleur, soit inférieure à la température du fluide massif local du fluide rejetant la chaleur, et supérieure à la température du fluide massif local du fluide recevant la chaleur. Par conséquent, une source de chauffage supplémentaire peut être nécessaire pour évaporer suffisamment d'eau pour satisfaire à la quantité de vapeur d'eau nécessaire pour le reformage du méthane, qui peut s'élever jusqu'à 1,5 kW dans un système dont la puissance électrique de sortie est de 6,5 kW. Cette source de chauffage supplémentaire réduit le rendement du système. Les inventeurs ont découvert que l'évacuation de la cathode (c'est-à-dire le côté air) peut être utilisée pour évaporer de l'eau introduite dans le combustible et/ou pour chauffer le combustible introduit dans le système. En utilisant cette autre approche pour recapturer l'énergie thermique dans le système de piles à combustible SOFC, on peut recapturer le potentiel thermodynamique entier des gaz d'évacuation pour préchauffer les charges de piles à combustible sans dispositifs de transfert de masse tels qu'une roue d'enthalpie, ou des sources de chaleur supplémentaires. Cependant, dans certains systèmes utilisant cette autre approche, il peut encore être souhaitable d'utiliser des dispositifs de transfert de masse tels qu'une roue d'enthalpie, ou des sources de chaleur supplémentaires. Le système où l'évacuation de la cathode est utilisée pour vaporiser de l'eau pour humidifier le combustible et/ou est utilisée pour chauffer un combustible arrivant peut également faire l'objet d'une commande passive. Cependant, dans certains systèmes où l'évacuation de la cathode est utilisée pour vaporiser de l'eau afin d'humidifier le combustible et/ou est utilisée pour chauffer le combustible arrivant, il peut être souhaitable d'utiliser une commande active. Les figures 2 et 3 illustrent un système 1 de piles à combustible selon une première forme appréciée de réalisation de l'invention. Le système 1 est avantageusement un système à empilage de piles à combustible à haute température, tel qu'un système de piles à combustible à oxyde solide (SOFC) ou un système de piles à combustible à carbonate fondu. Le système 1 peut être un système à régénération, tel qu'un système de piles à combustible à régénération à oxyde solide (SORFC) qui fonctionne à la fois dans le mode en piles à combustible (c'est-àdire décharge) et dans le mode en électrolyse (c'est-à-dire charge), ou bien peut être un système non régénératif qui ne fonctionne que dans le mode en piles à combustible. Le système 1 contient un ou plusieurs empilages 3 de piles à combustible à haute température. Un empilage de piles à combustible 3 peut contenir plusieurs piles à combustible SOFC, SORFC ou à carbonate fondu. Chaque pile à combustible contient un électrolyte, une électrode d'anode sur un côté de l'électrolyte dans une chambre d'anode, une électrode de cathode sur l'autre côté de l'électrolyte dans une chambre de cathode, ainsi que d'autres constituants tels que des plaques de séparation/contacts électriques, un boîtier de piles à combustible et un isolant. Dans le mode de fonctionnement SOFC de la pile à combustible, le comburant, tel que de l'air ou un gaz contenant de l'oxygène, entre dans la chambre de cathode, tandis que le combustible, tel que l'hydrogène ou un combustible hydrocarboné, entre dans la chambre d'anode. On peut utiliser toutes conceptions appropriées de piles à combustible et matières appropriées pour les constituants. Le système 1 contient aussi un dispositif 5 de transmission ou transfert de la chaleur marqué comme modificateur de combustible sur la figure 2. Le dispositif 5 est conçu pour transmettre de la chaleur depuis une évacuation ou décharge de cathode de l'empilage de piles à combustible 3 pour évaporer de l'eau devant être introduite dans le courant d'entrée de combustible et, aussi, pour mélanger le courant d'entrée de combustible à de la vapeur d'eau (c'est-à-dire l'eau évaporée). Le dispositif 5 de transfert de chaleur contient avantageusement un évaporateur (c'est-à-dire vaporiseur) d'eau 6 qui est conçu pour évaporer l'eau en utilisant la chaleur provenant du courant d'évacuation de la cathode. L'évaporateur 6 contient une première entrée 7 raccordée fonctionnellement à une sortie 9 d'évacuation de cathode de l'empilage de piles à combustible 3, une seconde entrée il raccordée fonctionnellement à une source d'eau 13 et une première sortie 15 raccordée fonctionnellement à une entrée 17 de combustible de l'empilage 3. Le dispositif 5 de transmission de la chaleur contient aussi un mélangeur combustible/vapeur 8 qui mélange la vapeur ou la vapeur d'eau, introduite dans le mélangeur 8 depuis la première sortie 15 de l'évaporateur 6 en passant par un conduit 10, et le combustible d'entrée, tel que du méthane ou du gaz naturel, arrivant d'une entrée de combustible 19, comme montré sur La figure 3. L'expression "raccordé fonctionnellement" signifie que des constituants qui sont raccordés fonctionnellement peuvent être raccordés directement ou indirectement entre eux. Par exemple, deux constituants peuvent être raccordés directement l'un à l'autre par un conduit de fluide (c'est-à-dire des gaz et/ou des liquides). En variante, deux constituants peuvent être raccordés indirectement l'un à l'autre de manière qu'un courant de fluide circule du premier constituant au second constituant en passant par un ou plusieurs constituants supplémentaires du système. Le système 1 contient également, de préférence, un reformeur 21 et une chambre de combustion 23. Le reformeur 21 est conçu pour reformer un combustible hydrocarboné en un produit de réaction contenant de l'hydrogène, et pour amener le produit de réaction à l'empilage de piles à combustible 3. La chambre de combustion 23 est avantageusement intégrée thermiquement au reformeur 21 pour fournir de la chaleur au reformeur 21. La sortie 9 d'évacuation de cathode de l'empilage de piles à combustible est avantageusement raccordée fonctionnellement à une entrée 25 de la chambre de combustion 23. En outre, une source 27 de combustible hydrocarboné est également raccordée fonctionnellement à l'entrée 25 de la chambre de combustion 23. Le reformeur 21 de combustible hydrocarboné peut être n'importe quel dispositif approprié capable de reformer partiellement ou totalement un combustible hydrocarboné pour produire un combustible contenant du carbone et de l'hydrogène libre. Par exemple, le reformeur de combustible 21 peut être tout dispositif approprié pouvant reformer un gaz hydrocarboné en un mélange gazeux constitué d'hydrogène libre et d'un gaz contenant du carbone. Par exemple, le reformeur 21 de combustible peut reformer un biogaz, tel que du gaz naturel, pour former de l'hydrogène libre, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et, facultativement, une quantité résiduelle de biogaz non reformé par une réaction de reformage de méthane à la vapeur d'eau (SMR). L'hydrogène libre et le monoxyde de carbone sont ensuite introduits dans l'entrée 17 de combustible dans l'empilage de piles à combustible 3. Le reformeur 21 de combustible est avantageusement intégré thermiquement à l'empilage de piles à combustible 3 pour supporter la réaction endothermique dans le reformeur 21 et refroidir l'empilage 3. L'expression "intégré thermiquement" dans ce contexte signifie que la chaleur provenant de la réaction dans l'empilage de piles à combustible 3 active le reformage endothermique net du combustible dans le reformeur de combustible 21. Ce dernier peut être intégré thermiquement à l'empilage de piles à combustible 3 en plaçant le reformeur et l'empilage dans la même caisse chaude 37 et/ou en contact thermique l'un avec l'autre, ou en mettant en place un conduit thermique ou une matière conductrice de la chaleur qui raccorde l'empilage au reformeur. La chambre de combustion 23 fournit de la chaleur supplémentaire au reformeur 21 pour soutenir la réaction SMR pendant un fonctionnement en régime stabilisé. La chambre de combustion 23 peut comprendre n'importe quel brûleur approprié qui est intégré thermiquement au reformeur 21. La chambre de combustion 23 reçoit le combustible hydrocarboné, tel que du gaz naturel, et un comburant (c'est-à-dire de l'air ou un autre gaz contenant de l'oxygène), tel que le courant d'évacuation de cathode de l'empilage 3, par l'intermédiaire de l'entrée 25. Cependant, d'autres sources de comburant que le courant d'évacuation de cathode peuvent être introduites dans la chambre de combustion. Le combustible et le courant d'évacuation de cathode (c'est-à-dire de l'air chaud) sont brûlés dans la chambre de combustion pour générer de la chaleur pour chauffer le reformeur 21. La sortie 26 de la chambre de combustion est raccordée fonctionnellement à l'entrée 7 du dispositif 5 de transfert de la chaleur pour faire passer l'évacuation de cathode mélangée aux constituants de combustible brûlés de la chambre de combustion au dispositif 5 de transmission de la chaleur. Bien que le système 1 représenté utilise un flux d'évacuation de cathode dans le dispositif 5 de transmission de la chaleur qui est passé par une chambre de combustion, il peut être souhaitable dans certains systèmes d'utiliser un fluide d'évacuation de cathode dans le dispositif 5 de transmission de la chaleur qui n'est pas passé par une chambre de combustion. La chaleur supplémentaire fournie au reformeur 21 est avantageusement obtenue à partir à la fois de la chambre de combustion 23 qui est active pendant le fonctionnement en régime stabilisé du reformeur (et pas seulement pendant le démarrage) et depuis le courant d'évacuation (c'est-à-dire l'air) de la cathode de l'empilage 3. La chambre de combustion 23 est le plus avantageusement en contact direct avec le reformeur 21, et l'évacuation de cathode de l'empilage 3 est configurée de façon que le, courant d'évacuation de cathode entre en contact avec le reformeur 21 et/ou passe autour du reformeur 21 pour faciliter une transmission supplémentaire de la chaleur. Ceci diminue la demande de chaleur de combustion pour la réaction SMR. Le refcrmeur 21 est avantageusement intercalé entre la chambre de combustion 23 et un ou plusieurs empilages 3 afin de favoriser la transmission de la chaleur. Lorsque le reformeur n'a pas besoin de chaleur, l'unité à chambre de combustion agit en tant qu'échangeur de chaleur. Ainsi, la même chambre de combustion 23 peut être utilisée à la fois lors du démarrage et lors du fonctionnement en régime stabilisé du système 1. Le système 1 comprend aussi un échangeur de chaleur (à 35 savoir un récupérateur d'anode) 29 constituant un préchauffeur de combustible qui est conçu pour chauffer le courant d'entrée du combustible en utilisant de la chaleur provenant du courant d'évacuation d'anode de l'empilage de piles à combustible 3, provenant de la sortie 31 d'évacuation d'anode de l'empilage 3. Le système 1 comprend en outre un échangeur de chaleur 33 constituant un récupérateur de cathode qui est conçu pour chauffer un courant d'entrée d'air provenant d'une soufflante d'air 35 en utilisant de la chaleur provenant du courant d'évacuation de cathode délivré de la sortie 9 d'évacuation de cathode de l'empilage 3. Le courant d'évacuation de cathode mélangé aux constituants brûlés du combustible provenant de la sortie 26 de la chambre de combustion 23 est avantageusement introduit dans le récupérateur 33 de cathode pour chauffer le courant d'entrée d'air. Le courant d'évacuation de cathode mélangé aux constituants brûlés du combustible est ensuite amené à l'évaporateur 6 du dispositif 5 de transfert de la chaleur pour évaporer l'eau en vapeur d'eau, laquelle est ensuite introduite dans le courant d'entrée de combustible arrivant dans le reformeur 21. L'empilage de piles à combustible 3, le reformeur 21, la chambre de combustion 23, l'échangeur de chaleur 29 constituant le préchauffeur de combustible et l'échangeur de chaleur 33 constituant le récupérateur de cathode sont avantageusement placés dans un caisson chaud 37. L'échangeur de chaleur 33 du récupérateur de cathode est de préférence intentionnellement sous-dimensionné pour assurer que la température du courant d'évacuation de cathode sortant de l'échangeur de chaleur 33 est suffisamment élevée pour permettre au dispositif 5 de transfert de la chaleur d'évaporer l'eau en vapeur d'eau par une transmission de chaleur depuis le courant d'évacuation de cathode. Par exemple, dans une forme de réalisation hautement appréciée, l'échangeur de chaleur du récupérateur de cathode présente avantageusement une taille inférieure à une taille prédéterminée, afin que le courant d'évacuation de cathode quitte l'échangeur de chaleur du récupérateur de cathode à une température d'au moins 200 C, telle que de 200 C à 230 C, par exemple d'environ 210 C. Dans cette forme de réalisation hautement appréciée, le courant d'évacuation de cathode peut entrer dans l'échangeur de chaleur 33 du récupérateur de cathode à une température d'au moins 800 C, telle que d'environ 800 C à environ 850 C, par exemple d'environ 820 C. L'échangeur de chaleur 33 du récupérateur de cathode est intentionnellement sous- dimensionné afin d'avoir une puissance d'échange d'environ 10 à 12 kW, par exemple d'environ 11 kW, pour cette forme hautement appréciée de réalisation. En comparaison, un échangeur de chaleur de taille normale pour la forme de réalisation hautement appréciée peut avoir une puissance d'échange d'environ 16 kW. Bien qu'on ait indiqué des températures et des puissances d'échange de chaleur spécifiques pour une forme de réalisation hautement appréciée, il est important decomprendre que les températures de sortie et d'entrée et les puissances d'échange de chaleur dépendent fortement des paramètres particuliers de chaque application spécifique, et on doit donc comprendre qu'aucune limitation n'entend être appliquée aux températures spécifiques de sortie et d'entrée ou aux puissances spécifiques d'échange de chaleur, sauf comme indiqué de façon spécifique. Le système 1 contient aussi, de préférence, un échangeur de chaleur 39 constituant un préchauffeur d'air qui est conçu pour préchauffer le courant d'entrée d'air provenant de la soufflante d'air 35 en utilisant de la chaleur provenant d'un courant d'évacuation d'anode émanant de la sortie 31 d'anode de l'empilage. La soufflante d'air fournit avantageusement un courant d'entrée d'air dans le système 1 qui constitue au moins 2,5 fois, par exemple 2,5 à 6,5 fois, et avantageusement 3 à 4,5 fois, la quantité d'air demandée pour que l'empilage de piles à combustible 3 génère de l'électricité. Par exemple, la soufflante 35 peut préchauffer le courant d'entrée d'air à environ 50 C. Le courant d'air d'entrée légèrement préchauffé est ensuite amené de la soufflante dans l'échangeur de chaleur 39 constituant le préchauffeur d'air où il est préchauffé à une température d'environ 100 C à environ 150 C, par exemple d'environ 140 C. Ce courant d'entrée d'air préchauffé entre ensuite dans l'échangeur de chaleur 33 du récupérateur de cathode à une température d'environ 100 C à environ 150 C, et quitte l'échangeur de chaleur 33 à une température d'environ 700 C à environ 750 C, telle que d'environ 720 C. Étant donné que le courant d'entrée d'air préchauffé entre dans l'échangeur de chaleur 33 du récupérateur de cathode à une température supérieure à la température ambiante, le courant d'évacuation de cathode peut quitter l'échangeur de chaleur 33 à une température supérieure A 200 C. Ainsi, l'échangeur de chaleur 39 du préchauffeur d'air préchauffe suffisamment le courant d'entrée d'air pour permettre l'utilisation d'un échangeur de chaleur 33 de récupérateur de cathode sous-dimensionné, ce qui réduit le coût de fabrication d'ensemble du système. Le préchauffeur d'air 39 est avantageusement placé à l'extérieur du caisson chaud 37 et en amont du récupérateur de cathode 33, afin que le courant d'entrée d'air soit d'abord chauffé par le courant d'évacuation d'anode dans le préchauffeur d'air 39, puis qu'il soit chauffé par le courant d'évacuation de cathode dans le récupérateur de cathode 33. Le courant d'entrée d'air amené dans l'entrée 41 de cathode de l'empilage 3 est ainsi chauffé par les deux courants d'évacuation d'anode et de cathode provenant de l'empilage 3. Le système 1 contient facultativement un réacteur de conversion du CO 43 qui est conçu pour convertir au moins une portion de la vapeur d'eau contenue dans le courant d'évacuation d'anode de l'empilage de piles à combustible en hydrogène libre. Ainsi, l'entrée 45 du réacteur 43 est raccordée fonctionnellement à la sortie 31 d'anode de l'empilage, et la sortie 47 du réacteur 43 est raccordée fonctionnellement à une entrée 49 du préchauffeur d'air 39. Le réacteur 43 de conversion du CO peut être n'importe quel dispositif approprié qui convertit au moins une portion de l'eau quittant la sortie 31 d'évacuation de combustible de l'empilage de piles à combustible 3 en hydrogène libre. Par exemple, le réacteur 43 peut comprendre un tube ou un conduit contenant un catalyseur qui convertit une partie ou la totalité du monoxyde de carbone et de la vapeur d'eau se trouvant dans le courant d'évacuation d'anode en dioxyde de carbone et en hydrogène. Le catalyseur peut être n'importe quel catalyseur approprié, tel qu'un catalyseur à oxyde de fer ou un catalyseur à oxyde de fer activé au chrome. Le système 1 contient aussi, facultativement, un condenseur 51 conçu pour condenser la vapeur d'eau contenue dans le courant d'évacuation d'anode en eau liquide, en utilisant avantageusement un fluide air ambiant en tant que source froide. Le système 1 contient aussi, facultativement, un système 53 de récupération d'hydrogène conçu pour récupérer l'hydrogène provenant du courant d'évacuation d'anode après le passage du courant d'évacuation d'anode à travers le condenseur 51. Le système de récupération d'hydrogène peut être un système à adsorption par variation de pression ou un autre système approprié de séparation de gaz, par exemple. De préférence, le préchauffeur d'air 39 condense partiellement la vapeur d'eau contenue dans le courant d'évacuation d'anode avant l'entrée du courant d'évacuation d'anode dans le condenseur 51 afin de réduire la charge imposée au condenseur 51. La sortie 55 du préchauffeur d'air 39 est donc raccordée fonctionnellement à l'entrée 57 du condenseur 51. Une première sortie 59 du condenseur 51 fournit de l'hydrogène et d'autres gaz séparés de l'eau au système 53 de récupération d'hydrogène. Une seconde sortie 61 du condenseur 51 fournit de l'eau à un système facultatif 63 d'épuration de l'eau. L'eau provenant du système d'épuration 63 est amenée à l'évaporateur 6 qui constitue une partie du dispositif 5 de transfert de la chaleur, à travers l'entrée 11. Le système 1 contient aussi, facultativement, une unité de désulfuration 65 placée dans le trajet du courant d'entrée de combustible provenant de la source de combustible 27. L'unité de désulfuration 65 élimine une partie ou la totalité du soufre du courant d'entrée de combustible. L'unité de désulfuration 65 comprend avantageusement un catalyseur, tel que Co-Mo ou d'autres catalyseurs convenables, qui produit des gaz CH4 et H2S à partir d'un combustible hydrogéné constitué de gaz naturel contenant du soufre, et un lit de matériau absorbant, tel que du ZnO ou d'autres matériaux appropriés, pour éliminer le H2S gazeux du courant d'entrée de combustible. Ainsi, un combustible hydrocarboné sans soufre ou à teneur en soufre réduite, tel que du méthane ou du gaz naturel, quitte l'unité de désulfuration 65. On décrira un procédé de mise en oeuvre du système 1 20 selon une première forme appréciée de réalisation de l'invention en référence aux figures 2 et 3. Un courant d'entrée d'air est amené de la soufflante d'air 35 dans le préchauffeur d'air 39 en passant par un conduit 101. Le courant d'entrée d'air est préchauffé dans 25 le préchauffeur d'air 39 en échangeant de la chaleur avec le courant d'évacuation d'anode provenant du réacteur 43 de conversion du CO. Le courant d'entrée d'air préchauffé est ensuite introduit dans le récupérateur de cathode 33 en passant par le conduit 103, où le courant d'entrée d'air 30 est chauffé à une température plus élevée par échange de chaleur avec le courant d'évacuation de cathode. Le courant d'entrée d'air est ensuite amené dans l'entrée de cathode 41 de l'empilage 3 en passant par le conduit 105. L'air quitte ensuite la sortie 9 de cathode de 35 l'empilage 3 en tant que courant d'évacuation de cathode. Le courant d'évacuation de cathode passe autour du reformeur 21 et entre dans la zone de combustion de la chambre de combustion 23 en passant par le conduit 107 et l'entrée 25. Du gaz naturel désulfuré ou un autre combustible hydrocarboné est également fourni depuis l'entrée de combustible 27 par l'intermédiaire du conduit 109 dans l'entrée 25 de la chambre de combustion 23 pour un chauffage supplémentaire. Le courant d'évacuation de la chambre de combustion 23 (à savoir le courant d'évacuation de cathode) entre ensuite dans le récupérateur de cathode en passant par le conduit 111 où il échange de la chaleur avec l'air arrivant. Le courant d'évacuation de cathode est ensuite amené dans l'évaporateur 6 du dispositif 5 de transfert de chaleur en passant par le conduit 113. La partie restante de la chaleur subsistant dans le courant d'évacuation de cathode est. alors extraite dans l'évaporateur 6 pour évaporer l'eau pour une reformation de méthane à la vapeur avant d'être ventilée à l'extérieur en passant par le conduit 115 d'évacuation.
Du côté du combustible, le courant d'entrée de combustible hydrocarboné entre dans l'unité de désulfuration 65 depuis la source de combustible 27, telle qu'un réservoir de gaz ou une canalisation de gaz naturel pourvue d'une vanne. Le courant d'entrée de combustible désulfuré (c'est-à-dire le gaz naturel désulfuré) entre ensuite dans le mélangeur de combustible 8 du dispositif 5 de transfert de chaleur en passant par le conduit 117. Dans le mélangeur 8, le combustible est mélangé à la vapeur d'eau purifiée provenant de l'évaporateur 6.
Le mélange vapeur/combustible est ensuite introduit dans le préchauffeur de combustible 29 en passant par le conduit 119. Le mélange vapeur/combustible est alors chauffé en échangeant de la chaleur avec le courant d'évacuation d'anode dans le préchauffeur de combustible 29 avant d'entrer dans le reformeur en passant par le conduit 121. Le reformat entre ensuite depuis le reformeur 21 dans l'entrée d'anode 17 de l'empilage 3 en passant par le conduit 123. Le courant d'évacuation d'anode de l'empilage passe par la sortie d'anode 31 et est introduit dans le préchauffeur de combustible 29 par l'intermédiaire du conduit 125 où il chauffe le mélange combustible/vapeur arrivant. Le courant d'évacuation d'anode provenant du caisson chaud 37 entre ensuite dans le réacteur 43 de conversion de CO en passant par le conduit 127. Le courant d'évacuation d'anode provenant du réacteur 43 est ensuite introduit dans le préchauffeur d'air 39 par l'intermédiaire du conduit 129 où il échange de la chaleur avec le courant d'entrée d'air. Le courant d'évacuation d'anode est ensuite introduit dans le condenseur 51 par l'intermédiaire du conduit 131 où de l'eau est éliminée du courant d'évacuation d'anode et est recyclée ou déchargée. Par exemple, l'eau peut être introduite dans l'épurateur d'eau 63 en passant par le conduit 133, d'où elle est introduite dans l'évaporateur en passant par le conduit 135. En variante, l'eau peut être introduite dans l'épurateur 63 par l'intermédiaire d'une entrée d'eau 137, telle qu'une canalisation d'eau. L'évacuation d'anode, riche en hydrogène, est ensuite amenée du condenseur 51 par l'intermédiaire du conduit 139 dans le système 53 de purification d'hydrogène où l'hydrogène est séparé des autres gaz présents dans le courant. Les autres gaz sont évacués par un conduit de purge 141 tandis que l'hydrogène est dirigé pour d'autres utilisations ou un stockage ou en passant par un conduit 143.
Ainsi, comme décrit ci-dessus, les courants de fluide dans le système 1 échangent de la chaleur en plusieurs emplacements différents. Le courant d'évacuation de cathode passe autour du reformeur 21 de méthane à la vapeur pour fournir la chaleur endothermique nécessaire au reformage.
Du gaz naturel ou un autre combustible hydrocarboné est ensuite ajouté directement au courant d'évacuation de cathode passant dans la chambre de combustion 23, comme nécessaire pour satisfaire à la demande globale de chaleur pour le reformage. De la chaleur provenant de l'évacuation à haute température de la chambre de combustion 23 (contenant le courant d'évacuation de cathode et les constituants brûlés du combustible, ce qui est appelé "courant d'évacuation de cathode") est récupérée pour l'air de cathode arrivant (c'est-à-dire le courant d'entrée d'air) dans le récupérateur de cathode 33. La chaleur provenant du courant d'évacuation d'anode quittant le côté d'anode de l'empilage de piles à combustible 3 est récupérée en premier pour la charge d'anode arrivant (c'est-à-dire le courant d'entrée de combustible) dans le préchauffeur de combustible 29, puis est récupérée pour la charge de cathode arrivant. (c'est-à-dire le courant d'entrée d'air) dans le préchauffeur d'air 39. L'air fourni à l'empilage de piles à combustible 3 depuis la soufflante d'air 35 est avantageusement procuré au-delà de la quantité stoechiométrique nécessaire aux réactions des piles à combustible, afin de refroidir l'empilage et d'évacuer la chaleur produite par l'empilage. Le rapport typique de l'écoulement d'air à la quantité stoechiométrique est supérieur à 4, par exemple d'une valeur comprise entre 4,5 et 6, et avantageusement d'environ 5.
Ceci conduit à un écoulement massique d'air de cathode sensiblement supérieur à celui du gaz d'anode (c'est-à-dire le combustible). En conséquence, si le courant d'évacuation de cathode chauffe uniquement le courant d'entrée d'air, la quantité de chaleur qui est transmise des courants d'évacuation de cathode et d'entrée d'air est alors notablement supérieure à celle qui est transmise entre les courants d'évacuation d'anode et d'entrée de combustible, habituellement d'un facteur d'environ 3. Les inventeurs ont découvert qu'au lieu de transmettre la totalité de la chaleur qui est recapturée directement du courant d'évacuation de cathode à l'air arrivant, le système 1 ne transmet qu'une portion de la chaleur du courant d'évacuation de cathode au courant d'entrée d'air arrivant, et utilise la partie restante de la chaleur disponible du courant d'évacuation de la cathode pour achever la vaporisation de l'eau dans l'évaporateur 6. Par conséquent, avant que le courant d'entrée d'air soit chauffé à la température appropriée des piles à combustible, il est préchauffé par le courant d'évacuation d'anode dans le préchauffeur d'air 39. Ce préchauffage assure que le courant d'entrée d'air a une température suffisamment élevée lorsqu'il entre dans le récupérateur de cathode 33 pour assurer que le récupérateur 33 peut porter la température du courant d'entrée d'air à la température appropriée des piles à combustible.
Les figures 4 et 5 montrent des graphiques de la température du fluide en fonction de la chaleur transmise pour l'évaporateur 6 (c'est-à-dire le vaporiseur d'eau), et le préchauffeur d'air 39, respectivement, pour une forme de réalisation analysée. Comme on peut le voir sur les graphiques des figures 4 et 5, le croisement thermodynamique indiqué sur la figure 1 est supprimé. Ceci élimine la nécessité d'un échangeur d'humidité ou d'un réchauffeur supplémentaire qui consomme davantage de combustible.
Dans un échangeur de chaleur, le "rapprochement de température" est défini comme étant la plus petite différence de température entre les deux courants de fluide en un emplacement quelconque dans l'échangeur de chaleur. Comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, les deux échangeurs de chaleur (à savoir l'évaporateur 6 et le préchauffeur d'air 39) ont un très petit rapprochement de température, éloigné de chaque extrémité de l'échangeur de chaleur, au point où la région à deux phases commence. Il est avantageux de maximiser le rapprochement de température dans chaque échangeur de chaleur car la vitesse de transmission de la chaleur entre les fluides diminue lorsque la différence locale de température entre les courants diminue, ce qui conduit à la nécessité d'un échangeur de chaleur plus grand pour transmettre la chaleur demandée.
Si on diminue la partie de la préchauffe totale d'air de cathode qui a lieu dans le récupérateur de cathode 33, le rapprochement de température augmente dans l'évaporateur 6. Cependant, le rapprochement de température diminue dans le préchauffeur d'air 39. Inversement, si on augmente la partie du préchauffage total de l'air de cathode qui a lieu dans le récupérateur de cathode 33, le rapprochement de température augmente dans le préchauffeur d'air 39. Cependant, le rapprochement de température diminue dans l'évaporateur 6. Il y aura alors un certain pourcentage optimal de la charge thermique totale de la cathode qui devra être transférée à l'intérieur du récupérateur de cathode 33 pour maximiser le rapprochement de température à la fois dans l'évaporateur 6 et dans le préchauffeur d'air 39. Les inventeurs ont également découvert qu'en utilisant le courant d'évacuation de cathode pour vaporiser l'eau, la surchauffe dans la vapeur d'eau quittant l'évaporateur 6 est quantitativement très sensible à la température et au débit d'écoulement massique du courant d'évacuation de cathode entrant dans l'évaporateur. Ceci peut être vu sur la figure 6 qui montre l'impact d'un accroissement de 4,5 % de l'écoulement massique du courant d'évacuation de cathode (la température du courant d'évacuation de cathode restant inchangée dans l'évaporateur) sur la température résultante du gaz naturel humidifié.
On peut voir que la température du gaz naturel humidifié entrant dans le préchauffeur de combustible 29 augmente de 28 C sous l'effet de cette légère augmentation du débit d'écoulement du courant d'évacuation de cathode. Cette élévat:Lon de la température aboutit à une température plus élevée du courant d'évacuation d'anode quittant le préchauffeur de combustible et, subséquemment, à une température plus élevée en sortie du réacteur 43 de conversion du CO et en entrée du préchauffeur d'air 39. Ceci conduit, par suite, à un accroissement du préchauffage de l'air de cathode, ce qui tend à élever la température du courant d'évacuation de cathode entrant dans l'évaporateur 6, amplifiant ainsi les problèmes. La température du gaz naturel humidifié continue de croître par paliers, ce qui aboutit à des problèmes de stabilité du système, à moins de limiter le débit d'écoulement d'air en entrée. Le débit d'écoulement. d'air de cathode (c'est-à-dire d'air d'entrée) doit donc être maîtrisé car il constitue l'un des moyens principaux de commande du système 1. Dans une deuxième forme préférée de réalisation, les problèmes potentiels de stabilité mentionnés précédemment peuvent être atténués ou éliminés en faisant passer autour de l'évaporateur 6 un courant d'évacuation de cathode réglable, évaporateur à travers lequel une petite portion du courant d'évacuation de cathode pourrait être déviée pour commander le débit d'écoulement d'évacuation de cathode à travers l'évaporateur 6. Cette solution utilise une commande active du débit d'écoulement de fluide. Dans une troisième forme préférée de réalisation, on utilise une approche passive pour atténuer ou éliminer les problèmes potentiels de stabilité mentionnés ci-dessus sans la nécessité d'un contrôle et d'une commande supplémentaires. Les inventeurs ont constaté que la température du gaz naturel humidifié entrant dans le préchauffeur de combustible 29 peut être rendue relativement insensible à des variations du débit d'écoulement et/ou de la température du courant d'évacuation de cathode en limitant la possibilité d'une surchauffe accrue dans l'évaporateur par un pincement de température. La figure 7 illustre la partie à échangeur de chaleur du système de la troisième forme préférée de réalisation. Les autres parties du système de la troisième forme appréciée de réalisation sont identiques à celles de la première forme appréciée de réalisation montrée sur les figures 2 et 3. Comme montré sur la figure 7, l'écoulement de l'eau à travers l'évaporateur 6 est de même sens, plutôt qu'à contre-courant, par rapport à l'écoulement du courant d'évacuation de cathode à travers l'évaporateur 6. Au lieu que le rapprochement de température dans l'évaporateur 6 soit placé à l'amorce de la région d'écoulement à deux phases, il est décalé vers l'extrémité de la région de transfert de chaleur de l'évaporateur 6, où le rapprochement de température présente un "pincement" à une valeur nulle ou se rapprochant étroitement de zéro. Aucune transmission de chaleur entre les courants n'a lieu après ce point, et les deux fluides sortent à la même température ou à une température pratiquement commune. Le débit d'écoulement du courant d'évacuation de cathode peut devoir être légèrement augmenté pour assurer que la capacité thermique dans le courant d'évacuation de cathode suffit à obtenir une qualité de vapeur complète dans l'eau. L'eau (c'est-à-dire la vapeur) sort ensuite de l'évaporateur 6 avec une certaine quantité de surchauffe. Le courant d'évacuation de cathode quittant l'évaporateur 6 peut alors être utilisé pour préchauffer le combustible, tel que du gaz naturel, dans un second préchauffeur 67 de combustible. Etant donné que le courant d'entrée de combustible a un très faible débit d'écoulement comparé au courant d'évacuation de cathode, il est tout à fait aisé d'atteindre un transfert effectif de chaleur de 100 et de préchauffer le courant d'entrée de combustible à la même température que celle du courant de vapeur d'eau et d'évacuation de cathode quittant l'évaporateur. Ainsi, comme montré sur la figure 7, le système de la troisième forme appréciée de réalisation contient aussi le second préchauffeur 67 de combustible. Le préchauffeur 67 de combustible comporte une première entrée 69 raccordée fonctionnellement à une sortie 9 d'évacuation de cathode de l'empilage de piles à combustible 3, une seconde entrée 71 raccordée fonctionnellement à la source 27 de combustible, et une première sortie 73 raccordée fonctionnellement au conduit 17 d'entrée de combustible. Le second préchauffeur 67 de combustible est conçu pour transmettre de la chaleur du courant d'évacuation de cathode de l'empilage de piles à combustible au courant d'entrée de combustible fourni à l'empilage de piles à combustible 3. L'évaporateur 6, dans la troisième forme appréciée de réalisation, comprend un évaporateur à courants parallèles, ou "co-écoulement", dans lequel le courant d'évacuation de cathode et l'eau sont rendus aptes à s'écouler dans une même direction, et une sortie de l'évaporateur est raccordée fonctionnellement à une entrée du préchauffeur de combustible 67 afin que le courant d'évacuation de cathode s'écoule de l'évaporateur 6 dans le second préchauffeur 67 de combustible. Ainsi, l'eau et le courant d'évacuation de cathode sont avantageusement introduits dans le même côté de l'évaporateur et s'écoulent parallèlement entre eux. L'eau est convertie en vapeur d'eau dans l'évaporateur 6 et est introduite dans le mélangeur vapeur/combustible 8. Le courant d'évacuation de cathode passe de l'évaporateur dans l'échangeur de chaleur constituant le second préchauffeur 67 de combustible, où il chauffe l'écoulement de combustible d'entrée qui est ensuite amené à passer dans le mélangeur 8 et dans l'échangeur de chaleur constituant le premier préchauffeur de combustible (récupérateur d'anode 29) pour arriver dans l'empilage 3.
Le système de la troisième forme appréciée de réalisation est sensiblement insensible à des variations de la température et du débit d'écoulement massique du courant d'évacuation de cathode. La figure 8 montre que, pour une forme de réalisation analysée, la température du gaz naturel humidifié entrant dans le récupérateur d'anode (c'est-à-dire le premier préchauffeur de combustible) 29 s'élève de moins de 7 C par suite d'un accroissement de 6,8 % du débit d'écoulement massique du courant d'évacuation de cathode dans le système de la troisième forme appréciée de réalisation. Cette faible élévation de température ne devrait pas provoquer l'élévation par gradins de la température décrite plus haut, et il en résulte une stabilité du système sans la nécessité d'une commande active portant sur l'écoulement d'air d'entrée et/ou du courant d'évacuation de cathode.
Ainsi, dans les formes appréciées de réalisation de l'invention, de l'eau est évaporée en utilisant la chaleur provenant du courant d'évacuation de cathode. L'échangeur de chaleur de l'air (c'est-à-dire le récupérateur de cathode) est. sous-dimensionné afin que le courant chaud le quitte à une température élevée qui est d'au moins 200 C, par exemple de 200 C à 230 C. L'air est introduit dans le système à un rapport stoechiométrique de 2,5 et plus afin d'avoir suffisamment de chaleur d'évacuation pour évaporer l'eau nécessaire au reformage du méthane à la vapeur. De préférence, entre 2,5 et 6,5 fois, plus avantageusement entre 3 et 9,5 fois, plus d'air est fourni dans l'empilage de piles à combustible qu'il n'est nécessaire à l'empilage de piles à combustible pour générer de l'électricité. L'air d'entrée arrivant dans le récupérateur de cathode est préchauffé dans le préchauffeur d'air en utilisant le courant d'évacuation d'anode afin de réduire la charge imposée au récupérateur de cathode. L'eau provenant du courant d'évacuation d'anode est partiellement condensée dans le préchauffeur d'air pour réduire la charge dans le condenseur d'anode. En référence à la figure 9, l'humidificateur 5 de combustible est avantageusement prévu sous la forme d'un ensemble intégré 200 qui comprend, en une seule unité intégrée, l'évaporateur d'eau 6, un réchauffeur ou préchauffeur de combustible, tel que le préchauffeur 67 de combustible, et le mélangeur combustible/vapeur 8 raccordé à l'évaporateur d'eau 6 pour en recevoir de la vapeur, et au réchauffeur de combustible 67 pour en recevoir du combustible réchauffé. L'évaporateur d'eau 6 comprend avantageusement une voie 202 d'écoulement d'eau en relation de transmission de chaleur avec une voie 204 d'écoulement de fluide caloporteur qui, dans la forme de réalisation illustrée, est une voie d'écoulement de gaz d'évacuation de cathode, tandis que le réchauffeur de combustible comprend une voie 206 d'écoulement de combustible également en relation de transmission de chaleur avec la voie 204 d'écoulement de fluide caloporteur qui, de nouveau, est la voie 204 d'écoulement de gaz d'évacuation de cathode pour le système illustré. Le mélangeur combustible/vapeur 8 est raccordé à la fois à la voie 202 d'écoulement d'eau pour en recevoir de la vapeur, et à la voie 206 d'écoulement de combustible pour en recevoir du combustible réchauffé. Comme on le voit sur la figure 9, le préchauffeur de combustible 67 est avantageusement placé en aval de l'évaporateur 6 par rapport à la voie 204 d'écoulement de fluide caloporteur. Cependant, dans certaines applications, il peut être souhaitable de placer le préchauffeur de combustible 67 en amont de l'évaporateur d'eau 6 par rapport à la voie 204 d'écoulement de fluide caloporteur. En référence à la figure 10, dans une forme appréciée de réalisation, la voie 202 d'écoulement d'eau comprend avantageusement plusieurs passages parallèles 210 d'écoulement d'eau, la voie 206 d'écoulement de combustible comprend plusieurs passages parallèles 212 d'écoulement de combustible et la voie 204 d'écoulement de fluide caloporteur comprend plusieurs passages parallèles 214 d'écoulement de fluide caloporteur imbriqués avec les passages 210 d'écoulement d'eau dans l'évaporateur d'eau 6 et avec les passages 212 d'écoulement de combustible dans le réchauffeur de combustible 67. En référence encore à la figure 10, le mélangeur combustible/vapeur 8 se présente avantageusement sous la forme d'un collecteur ou d'une chambre intermédiaire 216 qui est raccordé à tous les passages 210 et 212 d'écoulement d'eau et de combustible. On préfère que chacun des passages 210 d'écoulement d'eau comprenne une région d'entrée 220 de chute de pression de liquide qui produit une plus grande chute de pression que la partie restante 222 du passage 210 d'écoulement d'eau afin d'aider à assurer une distribution appropriée de l'écoulement d'eau vers tous les passages 210 d'écoulement. d'eau. Cependant, bien que les régions 220 soient préférées, dans certaines applications, il peut être souhaitable que les passages 210 d'écoulement d'eau ne comportent pas de telles régions 220. On préfère aussi que chacune des régions 220 soit isolée thermiquement de la voie 204 d'écoulement de fluide caloporteur par une discontinuité thermique,représentée schématiquement 224. La discontinuité ou interruption thermique 224 agit de façon à réduire la conduction de la chaleur vers les régions 220 d'entrée de chute de pression et empêche ou limite avantageusement toute vaporisation de l'écoulement d'eau dans les régions 220. Comme on le voit sur les figures 9 et 10, l'écoulement d'eau et les écoulements de fluide caloporteur ont une relation d'écoulement en parallèle à travers l'ensemble intégré 20D, dont les avantages ont été indiqués précédemment, et comprennent le fait d'assurer la stabilité du système associé grâce au pincement de température et rendant le système moins sensible à des variations du débit d'écoulement du fluide caloporteur ainsi qu'à des variations de température dans le fluide caloporteur. Bien que l'agencement à écoulements parallèles soit préféré, dans certaines applications il peut être souhaitable d'agencer l'écoulement afin de l'établir à contre-courant, ce qui peut rendre possible un débit d'écoulement et/ou une température d'entrée plus faibles pour l'écoulement du fluide caloporteur en comparaison avec la relation d'écoulement cocourant, ou une température de sortie de combustible humidifié plus élevée. La figure 11 montre une forme appréciée de réalisation de l'ensemble intégré 200 à humidificateur de combustible.
Cette forme de réalisation utilise une construction dite à plaques superposées ou empilées, et comprend plusieurs plaques ou tôles 228 à eau/combustible intercalées avec plusieurs plaques ou cadres 230 pour fluide caloporteur, chacune des plaques pour eau/combustible définissant l'un des passages 210 d'écoulement d'eau et l'un des passages 212 d'écoulement de combustible, et chacune des plaques 230 pour fluide caloporteur définissant l'un des passages 214 de fluide caloporteur. Chacune des plaques 228 pour eau/combustible comprend en outre une chambre 232 de mélange eau/combustible qui s'ouvre à la fois vers les passages 210 et 212 pour en recevoir respectivement de la vapeur et du combustible chauffé. Chacune des plaques 230 pour fluide caloporteur comprend aussi une chambre 234 de mélange eau/combustible qui est fermée par rapport au passage 214 d'écoulement de fluide caloporteur. Les chambres 232 et 234 sont alignées de façon à former un caisson 216 de mélange eau/combustible qui s'étend à travers toutes les plaques 228 et 230. Chacune des plaques 228 pour eau/combustible présente en outre une paire d'ouvertures 238 et 240 de dérivation du fluide caloporteur qui sont fermées par rapport aux passages 210 et 212 dans la plaque 228 pour eau/combustible. Les ouvertures 238 et 240 dans chacune des plaques 228 sont alignées avec les extrémités opposées, respectivement, des passages d'écoulement 214 de fluide caloporteur dans les plaques 230 pour fluide caloporteur afin de former un collecteur 242 d'entrée de fluide caloporteur et un collecteur 244 de sortie de fluide caloporteur, respectivement, qui s'étendent à travers toutes les plaques 228 et 230 afin de diriger le fluide caloporteur respectivement vers l'intérieur et l'extérieur des passages 214. Chacune des plaques 228 pour eau/combustible présente aussi une ouverture 246 d'entrée d'eau, des ouvertures 246 étant alignées entre elles et avec une ouverture 250 de dérivation d'eau dans chacune des plaques 230 pour fluide caloporteur afin de former un collecteur 252 d'eau qui s'étend à travers toutes les plaques 228 et 230. Chacune des plaques pour fluide caloporteur présente une ouverture 254 de dérivation de combustible, les ouvertures 254 étant alignées avec une extrémité du passage 212 d'écoulement de combustible dans chacune des plaques 228 pour eau/combustible opposée par rapport à la chambre 232 pour former un caisson de distribution ou collecteur 256 d'entrée de combustible qui s'étend à travers toutes les plaques 228 et 230 pour alimenter en combustible chacun des passages 212. L'ensemble 200 comprend aussi des feuilles de séparation 260 qui sont intercalées entre chacune des plaques 228 et 230 pour isoler de façon étanche leur passage respectif d'écoulement les uns des autres, comme cela est connu dans des constructions d'échangeurs de chaleur à plaques empilées. Chacune des feuilles de séparation 260 présente des ouvertures 262, 264, 268, 270 et 272 qui sont alignées avec les, et correspondent aux, chambres 232 et 234, ouvertures de dérivation 238, ouvertures de dérivation 240, ouvertures 246 d'entrée et ouvertures 250 de dérivation d'eau, et ouvertures 254 de dérivation de combustible, respectivement.
L'ensemble 200 comprend aussi une paire de plaques d'extrémité 280 et 282 qui encadrent les plaques 228 et 230 et les feuilles 260 afin de fermer l'ensemble 200 d'une manière étanche aux fluides. La plaque d'extrémité 280 présente un raccord ou orifice 284 d'entrée de fluide caloporteur qui est aligné avec le collecteur 242 d'entrée de fluide afin de diriger vers celui-ci le fluide caloporteur, et un raccord ou orifice 286 de sortie de combustible humidifié qui est aligné avec la chambre 236 et le mélange eau/combustible à une extrémité de la chambre 236 opposée par rapport aux ouvertures vers les passages 210 et 212 afin de diriger du combustible humidifié provenant de la chambre 236. La plaque d'extrémité 282 comprend un raccord ou orifice 288 d'entrée d'eau qui est aligné avec le collecteur d'eau 252 pour lui fournir l'écoulement d'eau, un raccord ou orifice 290 d'entrée de combustible qui est aligné avec le collecteur de combustible 256 pour lui fournir l'écoulement de combustible, et un raccord ou orifice 292 de sortie de fluide caloporteur qui est aligné avec le collecteur de sortie 244 pour diriger du fluide caloporteur provenant de celui-ci. Comme on le voit le mieux sur la figure 12, le passage 210 est défini par une fente continue qui s'étend depuis l'ouverture 246 d'entrée d'eau jusqu'à la chambre 232 de mélange eau/combustible, la fente étant ouverte aux deux faces de la plaque 228. Similairement, le passage de combustible 212 est défini par une fente continue qui s'étend depuis le collecteur 256 d'entrée de combustible jusqu'à la chambre 232 de mélange d'eau/combustible, la fente étant également ouverte aux faces opposées de la plaque 228 pour eau/combustible. En référence aux deux figures 11 et 12, la région 220 de baisse de pression du passage 210 est définie par une partie de la fente qui est formée en une configuration de serpentin serré avec une largeur de fente relativement faible, lesquelles, ensemble, constituent une voie d'écoulement sinueuse. Le passage 210 pour l'eau continue ensuite vers une région plus ouverte de la fente où une vaporisation de l'eau a lieu. A cet égard, la longueur initiale de la fente à proximité immédiate de la région 220 de baisse de pression a une largeur réduite afin d'éviter une séparation de l'écoulement de l'eau pendant qu'il passe de la région 220 de réduction de pression à la partie restante 222 du passage d'écoulement 210, le passage 210 s'élargissant davantage en s'étendant vers la chambre 232. Comme on le voit le mieux sur la figure 12, chacune des plaques 228 pour eau/combustible comporte aussi la discontinuité ou interruption thermique 224 sous la forme d'une fente ou rainure 300 qui s'étend sur la longueur de la région 220 d'entrée de chute de pression entre la région 220 de baisse de pression et la partie restante 222 du passage 210 d'écoulement d'eau. Comme on le voit sur la figure 11, chacune des plaques 230 pour fluide caloporteur présente une fente ou rainure correspondante 302, chacune des feuilles 260 de séparation présente une fente ou rainure correspondante 304 et chacune des plaques d'extrémité 282 présente une fente ou rainure correspondante 306, toutes les fentes 300, 302, 304, 306 étant alignées à travers l'empilage pour former une chambre intermédiaire 308 qui s'étend à travers l'empilage et s'ouvre à :L'atmosphère. Comme décrit précédemment, la discontinuité thermique 224 agit de façon à minimiser la conduction de la chaleur vers la région 220 d'entrée à chute de pression et empêche ou limite avantageusement toute vaporisation de l'écoulement dans la région 220 de baisse de pression afin d'assurer que l'écoulement d'eau reste en phase liquide dans la région 220 de baisse de pression. Ceci est souhaitable car, si l'eau peut s'évaporer, une chute de pression élevée peut se produire dans les passages étroits de la région 220 d'entrée à chute de pression et cette chute de pression risque d'être prédominante. Bien que la discontinuité thermique 224 soit préférée, dans certaines applications il peut être souhaitable que l'ensemble 200 ne présente pas la discontinuité thermique 224. Comme on le voit sur les deux figures 11 et 12, le passage d'écoulement 210 dirige l'écoulement d'eau dans une relation d'écoulement globalement parallèle ou cocourant avec l'écoulement de fluide caloporteur dans le passage 214, mais est formé dans une configuration en serpentin afin de produire un écoulement transversal localisé par rapport à l'écoulement de fluide caloporteur dans le passage 214, améliorant ainsi la transmission de la chaleur à l'eau tout en assurant la relation d'écoulement en parallèle souhaitée. De préférence, chacun des passages d'écoulement 214 présente des surfaces étendues qui, dans la forme de réalisation illustrée, sont représentées sous la forme d'une ailette ou d'un générateur de turbulence rapporté 310, dont de nombreux types appropriés sont connus. Des surfaces étendues peuvent également être prévues dans les passages d'écoulement 210 et 212, mais ne sont pas représentées dans la forme de réalisation illustrée. En référence à la figure 13, une paire 312 de plaques pour eau/combustible est représentée pour illustrer une autre forme de réalisation pour former le passage 210 d'écoulement d'eau. Chaque plaque 314, 316 de la paire 312 présente de multiples fentes physiquement distinctes 318 qui sont agencées de façon à s'étendre au-dessus de parties de fentes physiquement distinctes correspondantes 318 dans la plaque opposée afin de former le passage 210 d'écoulement d'eau, l'eau s'écoulant de l'une des fentes 318 dans l'une des plaques 314, 316, vers une fente correspondante 318 dans la plaque opposée 314, 316, puis en retour de cette fente correspondante 318, vers une deuxième fente correspondante 318 dans la première plaque 314, 316, et ainsi de suite, jusqu'à ce que l'eau afflue dans le mélangeur eau/combustible 8. La région 220 de baisse de pression dans cette forme de réalisation est définie par plusieurs des fentes 318, chacune d'une largeur et d'une longueur relativement faibles, imposant ainsi de multiples changements de direction d'écoulement et formant donc le trajet d'écoulement sinueux. Pour l'agencement particulier des fentes de la figure 13, le passage 210 d'écoulement d'eau est divisé en trois branches parallèles 320, mais on doit comprendre qu'une telle configuration est facultative et dépend fortement des exigences de chaque application. On appréciera aussi que plusieurs paires de plaques 312 de forme et de tailles appropriées pourraient être substituées aux plaques 228 pour eau/combustible dans la forme de réalisation représentée sur les figures 11 et 12. Bien que des formes appréciées de réalisation de l'ensemble 200 aient été représentées et décrites en regard des figures 11 à 13, on doit comprendre que toute construction appropriée d'échangeur de chaleur peut être utilisée pour former l'ensemble 200 comprenant, par exemple, des constructions du type à plaques et barres, des constructions embouties, des constructions à taules emboîtées et des constructions qui comprennent des tubes discrets de transmission de chaleur. Il convient également de noter que le type particulier de construction d'échangeur de chaleur utilisé dépend notablement des exigences particulières du système dans lequel l'ensemble 200 à humidificateur intégré est utilisé. A cet égard, on doit comprendre que, bien que l'ensemble intégré 200 à humidificateur de combustible ait été décrit ici en association avec le système 1 de piles à combustible, l'ensemble à humidificateur de combustible intégré peut trouver une utilisation dans de nombreux autres types de systèmes, et qu'aucune limitation à un système de piles à combustible n'est prévu, sauf comme expressément indiqué. Bien que l'ensemble intégré 200 puisse être formé en utilisant n'importe quelle matière appropriée pour l'application particulière, lorsqu'il est utilisé dans le système 1 de piles à combustible, on préfère que les feuilles 260 et les plaques 228, 230, 280 et 282 soient formées en acier inoxydable ou en un autre alliage approprié, résistant à la corrosion, et qu'elles soient brasées au nickel ou brasées en utilisant un autre alliage de brasage approprié résistant à la corrosion.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système de piles à combustible décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (25)

REVENDICATIONS
1. Ensemble intégré (200) à humidificateur de combustible, caractérisé en ce qu'il comporte : un évaporateur d'eau (6) ; un réchauffeur de combustible (67) ; et un mélangeur combustible-vapeur (8) raccordé à la fois à l'évaporateur d'eau pour en recevoir de la vapeur et au réchauffeur de combustible pour en recevoir du combustible réchauffé.
2. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évaporateur d'eau, le réchauffeur de combustible et le mélangeur combustible-vapeur sont définis par un empilage de plaques comprenant des plaques (228) pour eau/combustible intercalées avec des plaques (230) pour fluide caloporteur.
3. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 1, dans lequel l'évaporateur d'eau, le réchauffeur de combustible et le mélangeur combustible- vapeur sont définis par un empilage de plaques comprenant de multiples paires (312) de plaques pour eau/combustible intercalées avec de multiples plaques pour fluide caloporteur.
4. Système ayant besoin d'un écoulement de 25 combustible humidifié, caractérisé en ce qu'il comporte : une source de fluide caloporteur ; une source d'eau (13) ; une source de combustible (19) ; et un ensemble intégré (200) à humidificateur de 30 combustible raccordé fonctionnellement à la source de fluide caloporteur pour en recevoir un écoulement de fluide caloporteur, à la source d'eau pour en recevoir un écoulement d'eau et à la source de combustible pour en recevoir un écoulement de combustible, l'ensemble intégré â 35 humidificateur de combustible comportant : un évaporateur d'eau (6),un réchauffeur (67) de combustible destiné à réchauffer l'écoulement de combustible ; et un mélangeur combustible-vapeur (8) raccordé à la fois à l'évaporateur d'eau pour en recevoir de la vapeur et au réchauffeur de combustible pour en recevoir du combustible réchauffé.
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'humidificateur intégré de combustible est configuré de façon à diriger l'écoulement d'eau en relation d'écoulement cocourant avec l'écoulement de fluide caloporteur à travers l'évaporateur d'eau.
6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'humidificateur intégré de combustible est configuré de façon à diriger l'écoulement de fluide caloporteur vers le réchauffeur de combustible en aval de l'évaporateur d'eau.
7. Ensemble intégré (200) à humidificateur de combustible, caractérisé en ce qu'il comporte : un évaporateur d'eau (6) comprenant une voie (202) d'écoulement d'eau en relation de transmission de chaleur avec une voie (204) d'écoulement de fluide caloporteur ; un réchauffeur de combustible (67) comprenant une voie d'écoulement de combustible en relation de transmission de chaleur avec la voie d'écoulement de fluide caloporteur ; et un mélangeur combustible-vapeur (8) raccordé à la fois à la voie d'écoulement d'eau pour en recevoir de la vapeur et à la voie d'écoulement de combustible pour en recevoir du combustible réchauffé.
8. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réchauffeur de combustible est situé en aval de l'évaporateur d'eau par rapport à la voie d'écoulement de fluide caloporteur.
9. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 7, caractérisé en ce que la voied'écoulement d'eau comporte plusieurs passages parallèles (210) d'écoulement d'eau ; la voie d'écoulement de combustible comporte plusieurs passages parallèles (212) d'écoulement de combustible ; et la voie d'écoulement de fluide caloporteur comporte plusieurs passages parallèles (214) d'écoulement de fluide caloporteur imbriqués avec les passages d'écoulement d'eau dans l'évaporateur d'eau et imbriqués avec les passages d'écoulement de combustible dans le réchauffeur de combustible.
10. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mélangeur combustible-vapeur comporte une chambre intermédiaire (216) qui est raccordée à tous les passages d'écoulement d'eau et de combustible.
11. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacun des passages d'écoulement d'eau comporte une section d'entrée définissant une région (220) de chute de pression de liquide pour l'écoulement d'eau.
12. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 11, caractérisé en ce que la région de chute de pression de liquide comprend une voie d'écoulement sinueuse.
13. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 11, caractérisé en ce que chacune des sections d'entrée est isolée thermiquement de la partie restante d'un. passage correspondant d'écoulement d'eau par une discontinuité thermique (224).
14. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 13, caractérisé en ce que chacune des discontinuités thermiques se présente sous la forme d'une fente qui s'étend entre la section d'entrée correspondante et la partie restante du passage d'écoulement d'eau.
15. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 11, caractérisé en ce que les sections d'entrée sont séparées de la voie d'écoulement de fluide caloporteur par une discontinuité thermique (224).
16. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 15, caractérisé en ce que la discontinuité thermique se présente sous la forme d'une chambre intermédiaire qui est ouverte à l'atmosphère et qui s'étend entre toutes les sections d'entrée et la voie d'écoulement de fluide caloporteur.
17. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 9, caractérisé en ce que les passages d'écoulement sont définis par plusieurs plaques (228) pour eau/combustible intercalées avec plusieurs plaques (230) pour fluide caloporteur, chacune des plaques pour eau/combustible définissant l'un des passages d'écoulement d'eau et l'un des passages d'écoulement de combustible et chacune des plaques pour fluide caloporteur définissant l'un des passages d'écoulement de fluide caloporteur.
18. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 17, caractérisé en ce que chacune des plaques comprend en outre une chambre (232, 234) de mélange eau/combustible, les chambres étant alignées de façon à former une chambre intermédiaire {216) de mélange eau/combustible, les chambres dans les plaques pour eau/combustible étant ouvertes à la fois vers les passages d'écoulement d'eau et vers les passages d'écoulement de combustible.
19. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 17, caractérisé en ce que chacune des plaques pour eau/combustible définit une section (246) d'entrée d'eau en tant que partie du passage d'écoulement d'eau de la plaque pour eau/combustible, la section d'entrée d'eau étant séparée de la partie restante dupassage d'écoulement d'eau par une fente (300) dans la plaque pour eau/combustible.
20. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 17, caractérisé en ce que chacun des passages d'écoulement (210) dans les plaques pour eau/combustible est défini par une fente s'ouvrant à des faces opposées de la plaque pour eau/combustible.
21. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 17, caractérisé en ce que chacun des 10 passages d'écoulement d'eau a une forme en serpentin.
22. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 17, caractérisé en ce que chacune des plaques pour fluide caloporteur comporte un cadre périphérique qui correspond à une périphérie de l'une, 15 adjacente, des plaques pour eau/combustible.
23. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 9, caractérisé en ce que les passages d'écoulement sont définis par de multiples paires de plaques pour eau/combustible intercalées avec de 20 multiples plaques pour fluide caloporteur, chacune des paires de plaques présentant plusieurs fentes dans l'une des plaques de la paire de plaques en superposition avec plusieurs fentes dans l'autre des plaques de la paire de plaques pour définir l'un des passages d'écoulement d'eau. 25
24. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un collecteur (242) d'entrée de fluide caloporteur ; et 30 un collecteur (244) de sortie de fluide caloporteur, la voie d'écoulement de fluide caloporteur s'étendant du collecteur d'entrée au collecteur de sortie, et le mélangeur combustible-vapeur étant placé de façon à être adjacent au collecteur de sortie de fluide caloporteur. 35
25. Ensemble intégré à humidificateur de combustible selon la revendication 24, caractérisé en ce que la voied'écoulement d'eau comprend une partie de vaporisation qui commence à proximité immédiate de l'entrée de fluide caloporteur et aboutit au mélangeur combustible-vapeur.
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Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8691462B2 (en) 2005-05-09 2014-04-08 Modine Manufacturing Company High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
US7858256B2 (en) 2005-05-09 2010-12-28 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
US20060251934A1 (en) * 2005-05-09 2006-11-09 Ion America Corporation High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
US7233079B1 (en) 2005-10-18 2007-06-19 Willard Cooper Renewable energy electric power generating system
US9190693B2 (en) 2006-01-23 2015-11-17 Bloom Energy Corporation Modular fuel cell system
US7659022B2 (en) 2006-08-14 2010-02-09 Modine Manufacturing Company Integrated solid oxide fuel cell and fuel processor
US8241801B2 (en) 2006-08-14 2012-08-14 Modine Manufacturing Company Integrated solid oxide fuel cell and fuel processor
US8435689B2 (en) * 2006-10-23 2013-05-07 Bloom Energy Corporation Dual function heat exchanger for start-up humidification and facility heating in SOFC system
US8920997B2 (en) 2007-07-26 2014-12-30 Bloom Energy Corporation Hybrid fuel heat exchanger—pre-reformer in SOFC systems
US8852820B2 (en) 2007-08-15 2014-10-07 Bloom Energy Corporation Fuel cell stack module shell with integrated heat exchanger
US8057945B2 (en) * 2007-10-24 2011-11-15 Atomic Energy Council-Institute Of Nuclear Energy Research Solid oxide fuel cell with recycled core outlet products
WO2009105191A2 (fr) * 2008-02-19 2009-08-27 Bloom Energy Corporation Système de piles à combustible contenant un dispositif d'oxydation de gaz résiduaire d'anode et un échangeur de chaleur/reformeur hybride
CN101577338B (zh) * 2008-05-09 2012-11-21 汉能科技有限公司 一种燃料电池加湿器
US8968958B2 (en) 2008-07-08 2015-03-03 Bloom Energy Corporation Voltage lead jumper connected fuel cell columns
US9617006B2 (en) 2008-12-12 2017-04-11 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh Emergency power system for an aircraft
DE102008062038A1 (de) * 2008-12-12 2010-06-17 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh Notenergiesystem für ein Flugzeug
KR100992340B1 (ko) * 2009-01-12 2010-11-04 두산중공업 주식회사 연료극 가스 가열 겸용 연료전지용 증기 발생기
US8445147B2 (en) * 2009-02-26 2013-05-21 Fuelcell Energy, Inc. Fuel humidifier assembly for use in high temperature fuel cell systems
US8440362B2 (en) 2010-09-24 2013-05-14 Bloom Energy Corporation Fuel cell mechanical components
EP2661782B1 (fr) 2011-01-06 2018-10-03 Bloom Energy Corporation Composants d'enceinte thermique (hot box) pour pile à combustible à oxyde solide
CN102694187B (zh) * 2011-03-22 2014-11-05 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种固体氧化物燃料电池发电系统及蒸发混合换热器
JP5753733B2 (ja) * 2011-05-16 2015-07-22 日本特殊陶業株式会社 燃料電池モジュール及び燃料電池システム
US9755263B2 (en) 2013-03-15 2017-09-05 Bloom Energy Corporation Fuel cell mechanical components
US9273880B2 (en) * 2013-08-14 2016-03-01 Elwha Llc Heating device with condensing counter-flow heat exchanger
EP3061146B1 (fr) 2013-10-23 2018-03-07 Bloom Energy Corporation Pré-reformeur pour le reformage sélectif d'hydrocarbures supérieurs
EP3105810B1 (fr) 2014-02-12 2022-08-17 Bloom Energy Corporation Structure et procédé pour système de piles à combustible où plusieurs piles à combustible et une électronique de puissance alimentent des charges en parallèle permettant la spectroscopie d'impédance électrochimique (« sie ») intégrée
US10651496B2 (en) 2015-03-06 2020-05-12 Bloom Energy Corporation Modular pad for a fuel cell system
US11398634B2 (en) 2018-03-27 2022-07-26 Bloom Energy Corporation Solid oxide fuel cell system and method of operating the same using peak shaving gas

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US362399A (en) * 1887-05-03 Support for electric lights
US648576A (en) * 1899-11-23 1900-05-01 William B Taylor Extensible measuring-rule.
US2058998A (en) * 1935-08-26 1936-10-27 Serge N Koulichkov Surveying rod
US2583205A (en) * 1950-07-13 1952-01-22 John J Boisen Telescoping measuring rule
US3094787A (en) * 1958-11-18 1963-06-25 James R Moore Extensible measuring rule
GB943539A (en) * 1960-06-16 1963-12-04 Nat Res Dev Improvements relating to linear measuring instruments
US3808690A (en) * 1973-01-05 1974-05-07 N Balder Telescopic measurement transfer device
US4203227A (en) * 1978-05-19 1980-05-20 Hector Giroux Telescopic straight edge
US4186493A (en) * 1978-08-16 1980-02-05 Amid Ahamed A Telescoping carpenter's scale
US4462166A (en) * 1982-07-01 1984-07-31 Furlong Stanley J Device for measuring lengths and conforming angles
US5038493A (en) * 1988-09-26 1991-08-13 Stabs Bruce A Elevation and plumb position determining device
US5647139A (en) * 1995-05-31 1997-07-15 Richardson; John T. Universal vehicle gauges
US6124050A (en) * 1996-05-07 2000-09-26 Siemens Aktiengesellschaft Process for operating a high temperature fuel cell installation, and high temperature fuel cell installation
US5873175A (en) * 1997-01-27 1999-02-23 Johnston; Donald G. Telescoping measurement transfer device
US5915810A (en) * 1997-05-21 1999-06-29 Cameron; Bruce Telescoping measuring stick with air damped closure and frictional locking
US6066408A (en) * 1997-08-07 2000-05-23 Plug Power Inc. Fuel cell cooler-humidifier plate
US6779351B2 (en) * 2000-09-27 2004-08-24 Idalex Technologies, Inc. Fuel cell systems with evaporative cooling and methods for humidifying and adjusting the temperature of the reactant streams
US6713040B2 (en) * 2001-03-23 2004-03-30 Argonne National Laboratory Method for generating hydrogen for fuel cells
US6740435B2 (en) * 2001-08-06 2004-05-25 Utc Fuel Cells, Llc System and method for preparing fuel for fuel processing system
US6838062B2 (en) * 2001-11-19 2005-01-04 General Motors Corporation Integrated fuel processor for rapid start and operational control
US7067208B2 (en) * 2002-02-20 2006-06-27 Ion America Corporation Load matched power generation system including a solid oxide fuel cell and a heat pump and an optional turbine
US7226680B2 (en) * 2003-02-07 2007-06-05 General Motors Corporation Integrated air cooler, filter, and humidification unit for a fuel cell stack
US7858256B2 (en) * 2005-05-09 2010-12-28 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
US8691462B2 (en) * 2005-05-09 2014-04-08 Modine Manufacturing Company High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network

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