ITTO20120662A1 - SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF ELECTRIC ENERGY BASED ON ACTIVE ELEMENTS SUCH AS SOLID OXIDE CELLS. - Google Patents

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ITTO20120662A1
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Italy
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cathode
plate
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anodic
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IT000662A
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Davide Drago
Andrea Lanzini
Pierluigi Leone
Valerio Novaresio
Villalba Gustavo Adolfo Ortigoza
Giovanni Pasquale
Massimo Santarelli
Orfeo Zerbinati
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Acacia Cleantech S R L
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Description

Sistema per la produzione di energia elettrica basato su elementi attivi quali celle ad ossidi solidi System for the production of electricity based on active elements such as solid oxide cells

La presente invenzione riguarda la produzione di sistemi elettrochimici per l’energia basati su elementi attivi quali celle ad ossidi solidi (SOFC). In particolare, l’invenzione riguarda una soluzione innovativa per la distribuzione dei reagenti e lo scarico dei prodotti di reazione all’interno di una pila di celle a combustibile. The present invention relates to the production of electrochemical systems for energy based on active elements such as solid oxide cells (SOFC). In particular, the invention relates to an innovative solution for the distribution of reagents and the discharge of reaction products inside a stack of fuel cells.

Le celle a combustibile ad ossidi solidi generano un flusso continuo di energia elettrica in seguito alle reazioni di ossido-riduzione di un combustibile, alimentato ad un elettrodo anodico, e un ossidante alimentato ad un elettrodo catodico (in genere aria). L’elettrolita ceramico, in genere zirconia drogata con yttria o altro ossido ceramico, trasporta ioni di ossigeno dall’elettrodo catodico a quello anodico in funzione della temperatura di funzionamento. Tale tipo di tecnologia è attualmente considerata promettente in molti settori applicativi (ad esempio nel campo della generazione distribuita di elettricità, microcogenerazione domestica, dispositivi portatili per la generazione di energia, unità ausiliarie) in virtù delle elevate efficienze di conversione del combustibile in elettricità e la possibilità di integrazione con altri dispositivi per la generazione di ulteriore energia elettrica sfruttando i fumi caldi (300-500 °C) che ne fuoriescono. La temperatura di funzionamento delle celle a ossidi solidi è solitamente nell’intervallo di 500-800 °C a seconda della geometria e materiali di cella utilizzati. L’elevata temperatura consente di ridurre le principali sovratensioni di cella che risultano dipendenti da fenomeni fisici termicamente attivati. Inoltre, l’elevata temperatura di funzionamento consente l’integrazione con reattori di reforming e la flessibilità all’alimentazione multi-combustibile. Infine, essa permette varie configurazioni di sistemi energetici basati su celle a combustibile a ossidi solidi quali sistemi per la cogenerazione di energia termica e calore, sistemi trigenerativi per l’ulteriore produzione di energia frigorifera, sistemi ibridi per la produzione di energia elettrica con un impianto termoelettrico in cascata. Solid oxide fuel cells generate a continuous flow of electrical energy following the oxidation-reduction reactions of a fuel, fed to an anode electrode, and an oxidizer fed to a cathode electrode (usually air). The ceramic electrolyte, usually zirconia doped with yttria or other ceramic oxide, transports oxygen ions from the cathode to the anode electrode as a function of the operating temperature. This type of technology is currently considered promising in many application sectors (for example in the field of distributed electricity generation, home micro-cogeneration, portable power generation devices, auxiliary units) due to the high efficiencies of converting fuel into electricity and possibility of integration with other devices for the generation of further electricity by exploiting the hot fumes (300-500 ° C) that come out. The operating temperature of solid oxide cells is usually in the range of 500-800 ° C depending on the geometry and cell materials used. The high temperature allows to reduce the main cell overvoltages that are dependent on thermally activated physical phenomena. In addition, the high operating temperature allows integration with reformers and flexibility for multi-fuel supply. Finally, it allows various configurations of energy systems based on solid oxide fuel cells such as systems for the cogeneration of thermal energy and heat, trigeneration systems for the further production of cooling energy, hybrid systems for the production of electricity with a plant thermoelectric in cascade.

Una tipica configurazione di una singola cella a combustibile prevede la presenza di un elettrolita solido e denso che garantisca il trasporto di ioni ossigeno; in base allo stato dell’arte, l’ossido di zirconia stabilizzato con ossido di yttrio (YSZ) è il più utilizzato grazie alla sua stabilità chimico-fisica in atmosfere riducenti/ossidanti e l’ottima conduzione degli ioni ossigeno per temperature superiori ai 650-700 °C; un materiale per il catodo che consenta la riduzione di un ossidante, sia stabile chimicamente e fisicamente con gli altri strati funzionali e le atmosfere di gas di alimento, come per esempio un manganito di lantanio dopato con stronzio (LSM); un materiale per l’anodo che consenta l’ossidazione di un combustibile che può contenere idrogeno, monossido di carbonio e idrocarburi gassosi, sia stabile chimicamente e fisicamente con gli altri strati funzionali e le atmosfere di gas di alimento, come per esempio un composto di nickel (Ni) e YSZ; un materiale di interconnessione tra celle, tipicamente costituito da un acciaio ferritico con ottime proprietà di conduzione nello stato di ossido, a contatto con le superfici degli elettrodi, che garantisca una buona connessione elettrica tra celle contigue e che favorisca il raggiungimento dell’anodo e del catodo da parte dei fluidi reagenti. A typical configuration of a single fuel cell provides for the presence of a solid and dense electrolyte that guarantees the transport of oxygen ions; based on the state of the art, zirconia stabilized with yttrium oxide (YSZ) is the most widely used thanks to its chemical-physical stability in reducing / oxidizing atmospheres and the excellent conduction of oxygen ions for temperatures above 650 -700 ° C; a cathode material that allows the reduction of an oxidant, which is chemically and physically stable with other functional layers and feed gas atmospheres, such as a strontium-doped lanthanum manganite (LSM); a material for the anode which allows the oxidation of a fuel which may contain hydrogen, carbon monoxide and gaseous hydrocarbons, is chemically and physically stable with the other functional layers and atmospheres of feed gas, such as for example a compound of nickel (Ni) and YSZ; an interconnection material between cells, typically consisting of a ferritic steel with excellent conduction properties in the oxide state, in contact with the surfaces of the electrodes, which guarantees a good electrical connection between adjacent cells and which favors the achievement of the anode and the cathode by the reagent fluids.

Il problema affrontato dalla presente invenzione è stato quello di come ottimizzare sia l’alimentazione del combustibile sia lo scarico dei prodotti esausti da e per una unità di generazione nella quale sono presenti una pluralità di celle organizzate secondo uno schema predefinito. Inoltre, la richiedente si è posta il problema di come organizzare una unità di generazione nella quale sono presenti una pluralità di celle. In particolare, è proposta una soluzione di stack o pila con struttura muli-piano e multi-cella che permette una migliore flessibilità nell’impostazione dei parametri elettrici richiesti dalle diverse applicazioni alle quali il sistema può essere destinato, grazie alle molteplici configurazioni che possono essere realizzate su ciascun piano. The problem faced by the present invention was how to optimize both the fuel supply and the exhaust of exhausted products to and from a generation unit in which there are a plurality of cells organized according to a predefined scheme. Furthermore, the applicant has raised the problem of how to organize a generation unit in which a plurality of cells are present. In particular, a stack or pile solution with a multi-level and multi-cell structure is proposed that allows better flexibility in setting the electrical parameters required by the various applications for which the system can be intended, thanks to the multiple configurations that can be realized on each floor.

Un aspetto della presente invenzione riguarda un sistema per la produzione di energia elettrica basato su elementi attivi quali celle ad ossidi solidi avente le caratteristiche della allegata rivendicazione 1. An aspect of the present invention relates to a system for the production of electrical energy based on active elements such as solid oxide cells having the characteristics of the attached claim 1.

Altre caratteristiche e vantaggi dell'invenzione saranno di seguito descritti facendo riferimento ad una forma di realizzazione dell’invenzione stessa illustrata nelle allegaste figure che illustrano in particolare: Other features and advantages of the invention will be described below with reference to an embodiment of the invention illustrated in the attached figures which illustrate in particular:

• la figura 1 una sezione trasversale del sistema integrato secondo la presente invenzione; Figure 1 is a cross section of the integrated system according to the present invention;

• le figure. 2A e 2B rispettivamente un ingrandimento delle testate superiore ed inferiore del sistema integrato, con la FIG. 2A che illustra i flussi dell’alimentazione e degli esausti catodici e la FIG. 2B che illustra i flussi dell’alimentazione e degli esausti anodici, • the figures. 2A and 2B respectively an enlargement of the upper and lower heads of the integrated system, with FIG. 2A which illustrates the flows of power and exhausted cathodes and FIG. 2B which illustrates the flows of power supply and anodic exhaust,

• la figura 3 l’ordine di impaccamento dei componenti di un piano dello stack multi-cella. • Figure 3 the packing order of the components of a multi-cell stack plan.

• la figura 4 una sezione parziale dei piatti che compongono lo stack in cui sono evidenziati i canali di alimentazione, i fori di comunicazione e i canali di distribuzione e scarico, • figure 4 a partial section of the plates that make up the stack in which the supply channels, the communication holes and the distribution and discharge channels are highlighted,

• le figure 5A e 5B la circolazione del flusso catodico rispettivamente sul piatto di alimentazione e su quello di distribuzione e scarico, • figures 5A and 5B the circulation of the cathode flow respectively on the supply plate and on the distribution and discharge plate,

• le figure 6A e 6B la circolazione del flusso anodico rispettivamente sul piatto di alimentazione e su quello di distribuzione e scarico, • figures 6A and 6B the circulation of the anode flow respectively on the supply plate and on the distribution and discharge plate,

• la figura 7 i dettagli di uno dei piatti costituenti l’unità di pre-reforming. • la figura 8 i dettagli di uno dei piatti costituenti l’unità di postcombustione. • figure 7 details of one of the plates making up the pre-reforming unit. • figure 8 details of one of the plates making up the afterburner unit.

• le figure 9A, 9B e 9C la circolazione del flusso anodico rispettivamente sul piatto separatore, sul piatto di alimentazione e sul piatto di distribuzione e scarico nella rappresentazione alternativa del piano multicella secondo una forma di realizzazione alternativa della presente invenzione. Figures 9A, 9B and 9C show the circulation of the anodic flow respectively on the separator plate, on the supply plate and on the distribution and discharge plate in the alternative representation of the multi-cell plane according to an alternative embodiment of the present invention.

Con riferimento alle citate figure il sistema per la produzione di energia elettrica secondo la presente invenzione comprende una testata superiore 2 una testata inferiore 3, tra le quali è posta una unità di generazione 4. With reference to the aforementioned figures, the system for producing electricity according to the present invention comprises an upper head 2 and a lower head 3, between which a generation unit 4 is placed.

Tali testate superiore ed inferiore comprendono una pluralità di condotti e camere di alimentazione atti a distribuire un flusso catodico ed un flusso anodico. These upper and lower heads comprise a plurality of supply ducts and chambers suitable for distributing a cathode flux and an anode flux.

Ai fini della presente invenzione per “flusso anodico” o “alimentazione anodica” si intende un qualsiasi combustibile contenente metano (per esempio, gas naturale o biogas da digestione anaerobica) o altro combustibile a base di carbonio-idrogeno-ossigeno (per esempio, propano, LPG, metanolo, etanolo, etc.) che possa essere convertito in un gas di sintesi miscelato con acqua; per “flusso catodico” o “alimentazione catodica” si intende un comburente, ad esempio aria. For the purposes of the present invention, "anode flux" or "anode feed" means any fuel containing methane (for example, natural gas or biogas from anaerobic digestion) or other carbon-hydrogen-oxygen based fuel (for example, propane , LPG, methanol, ethanol, etc.) that can be converted into a synthesis gas mixed with water; by “cathode flow” or “cathodic supply” we mean an oxidizer, for example air.

Tra la testata superiore e l’unità di generazione è presente una prima unità di scambio termico 5 (o pre-reforming) e tra la testata inferiore e l’unità di generazione è presente una seconda unità di scambio termico 6 (o postcombustore). Un condotto centrale 7 attraversa sostanzialmente tutta la struttura e mette in comunicazione le due testate e consente ai flussi catodici ed anodici di passare dalla testa superiore a quella inferiore e viceversa. Tale condotto infatti comprende un primo canale catodico 71 per il flusso catodico ed un canale anodico 72 per il flusso anodico posto all’interno di quello catodico. Sia la prima unità di scambio termico (pre-reformer) sia la seconda (postcombustore) sono concepiti come la prosecuzione, rispettivamente verso l’alto e verso il basso, dell’unità di generazione. La prima unità comprende uno scambiatore di calore che riceve lo scarico catodico uscente da un condotto di scarico dell’unità di generazione ed il flusso fresco anodico proveniente dalla testata superiore. La seconda unità comprende un combustore che assolve anche al compito di scambiatore: infatti, esso riceve lo scarico anodico, proveniente dal relativo condotto di scarico dell’unità di generazione, che brucia con una percentuale stechiometrica del flusso catodico, che giunge invece dal condotto centrale, scaldando in questo modo il flusso restante. Between the upper head and the generation unit there is a first heat exchange unit 5 (or pre-reforming) and between the lower head and the generation unit there is a second heat exchange unit 6 (or afterburner). A central duct 7 substantially crosses the entire structure and connects the two heads and allows the cathode and anode fluxes to pass from the upper head to the lower one and vice versa. This conduit in fact includes a first cathode channel 71 for the cathode flow and an anode channel 72 for the anode flow placed inside the cathode one. Both the first heat exchange unit (pre-reformer) and the second (post-burner) are conceived as the continuation, respectively upwards and downwards, of the generation unit. The first unit includes a heat exchanger that receives the cathode discharge coming out of an exhaust duct of the generation unit and the fresh anodic flow coming from the upper head. The second unit includes a combustor that also performs the task of exchanger: in fact, it receives the anodic discharge, coming from the relative discharge duct of the generation unit, which burns with a stoichiometric percentage of the cathode flux, which instead comes from the central duct. , thus heating the remaining flow.

La testata superiore comprende una camera di distribuzione del flusso di alimentazione anodica 21 e invio all’unità di pre-reformer, una camera per l’ingresso del flusso catodico 22 con funzione aggiuntiva di scambiatore flusso fresco/scarico catodico e una camera di espulsione 23 dello scarico catodico. La testata inferiore include invece una camera di distribuzione del flusso catodico 31 e invio al post-combustore, una camera di raccolta 32 ed espulsione dello scarico anodico e l’ingresso 33 del condotto che introduce la miscela di flusso anodico fresco all’interno del sistema integrato. The upper head comprises a chamber for distributing the anodic feed flow 21 and sending to the pre-reformer unit, a chamber for the inlet of the cathode flow 22 with additional function of fresh flow / cathode discharge exchanger and an ejection chamber 23 cathode discharge. The lower head, on the other hand, includes a cathode flow distribution chamber 31 and delivery to the afterburner, a collection chamber 32 and ejection of the anode exhaust and the inlet 33 of the duct which introduces the fresh anode flow mixture into the system integrated.

La circolazione del flusso catodico (indicata in figura 1) avviene nel modo seguente. L’alimentazione catodica entra dall’ingresso in comunicazione con lo scambiatore situato nella testata superiore. Il flusso catodico si espande all’interno della camera 22 dove viene preriscaldato dai condotti 24 nei quali scorrono gli scarichi catodici diretti verso la camera di espulsione 23, corrispondente alla zona anulare esterna del piano superiore. Una volta occupata tutta la camera di scambio, il flusso catodico comincia a fluire verso il volume di passaggio (zona interna del piano superiore) attraverso fori di comunicazione 25. Da qui viene fatto subito confluire all’interno del tubo-tirante centrale 7 attraverso altrettanti fori 26 ricavati sulla sua parete laterale. The circulation of the cathode flux (indicated in figure 1) occurs in the following way. The cathodic power supply enters from the entrance in communication with the exchanger located in the upper head. The cathode flow expands inside the chamber 22 where it is preheated by the ducts 24 in which the cathode discharges directed towards the expulsion chamber 23 flow, corresponding to the outer annular area of the upper floor. Once the entire exchange chamber is occupied, the cathode flow begins to flow towards the passage volume (internal area of the upper floor) through communication holes 25. From here it is immediately made to flow inside the central tie-rod 7 through as many holes 26 made on its side wall.

Entrato all'interno del condotto centrale 7, il flusso catodico lo percorre interamente fino a raggiungere l’estremità opposta, situata nella testata inferiore, venendo nel frattempo riscaldato dall’unità di generazione 4 circostante e contemporaneamente riscaldando il flusso anodico passante nel condotto interno 72 di diametro inferiore. Un turbolatore a lamina può all’occorrenza essere fissato sul condotto del flusso anodico per migliorare lo scambio termico. Al termine della discesa, l’alimentazione catodica esce attraverso altri fori 341 che lo immettono in una camera di sezione anulare 34 delimitata superiormente da un anello in tenuta e, passando per ulteriori fessure 35, giunge alla camera di distribuzione 31 , dove verrà smistato verso l’unità di post-combustione. L’ingresso nei piatti di post-combustione avviene attraverso piccoli fori 36, per quanto riguarda la percentuale che deve bruciare con lo scarico anodico, e grandi fori 37 per il rimanente flusso che deve essere riscaldato. Attraversando il tratto in cui avviene lo scambio termico, il flusso catodico si dirige verso una stretta fessura anulare, interposta tra la zona centrale dei piatti e il tubo-tirante centrale, che alimenterà tutti i piani della pila soprastante. Gli scarichi catodici prodotti dalle reazioni avvenute sulle celle vengono raccolti da condotti di forma allungata 41 posizionati sul perimetro esterno dei piatti della pila. Gli scarichi si dirigono verso l’unità di pre-reforming e la percorrono radialmente fino a raggiungere i condotti che li trasporteranno verso la camera di espulsione. Questi condotti attraversano la camera di distribuzione del flusso di alimentazione anodica e la camera adibita a scambiatore interagendo termicamente con esse. Una volta giunti alla camera di espulsione 23, gli scarichi catodici vengono rimossi dal sistema integrato tramite il condotto di uscita. Entered inside the central duct 7, the cathode flux runs through it entirely until it reaches the opposite end, located in the lower head, being in the meantime heated by the surrounding generation unit 4 and at the same time heating the anode flow passing through the internal duct 72 of smaller diameter. A foil turbulator can, if necessary, be fixed on the anode flux duct to improve heat exchange. At the end of the descent, the cathodic power supply exits through other holes 341 which introduce it into an annular section chamber 34 delimited at the top by a sealing ring and, passing through further slots 35, reaches the distribution chamber 31, where it will be directed towards the post-combustion unit. The entry into the post-combustion plates takes place through small holes 36, as regards the percentage that must burn with the anodic discharge, and large holes 37 for the remaining flow that must be heated. Crossing the section where the heat exchange takes place, the cathode flux goes towards a narrow annular slot, interposed between the central area of the plates and the central tie-rod, which will feed all the floors of the stack above. The cathode discharges produced by the reactions occurring on the cells are collected by elongated ducts 41 positioned on the outer perimeter of the plates of the stack. The drains go towards the pre-reforming unit and run radially until they reach the ducts that will transport them to the ejection chamber. These ducts pass through the anodic supply flow distribution chamber and the chamber used as an exchanger, interacting thermally with them. Once in the ejection chamber 23, the cathode discharges are removed from the integrated system through the outlet conduit.

Il percorso compiuto dal flusso anodico è il seguente. Il flusso di alimentazione anodica (vedi in figura 1 le frecce corrispondenti) entra nel sistema perpendicolarmente rispetto alla testata inferiore per mezzo di un sottile condotto 33. Il flusso passa poi attraverso una camera di vaporizzazione 39 che permette la nebulizzazione completa della quantità di acqua presente al suo interno, grazie al calore ceduto dalla camera di raccolta ed espulsione dei fumi anodici di combustione circostante. La dose di acqua che viene aggiunta è tale da evitare miscele che possano determinare fenomeni di “carbon deposition” durante le reazioni che avvengono nell’unità di generazione. Successivamente, il piccolo condotto si inserisce all'interno del condotto centrale 7 e lo percorre per tutta la sua lunghezza giungendo fino alla sommità della testata superiore. All’interno di questo tratto, si verificano fenomeni di scambio termico a causa del contemporaneo passaggio, in direzione controcorrente, del flusso catodico. A questo punto, il flusso anodico, leggermente riscaldato anche dall’attraversamento dell’unità di pre-reforming, esce fuori dal sistema e passa attraverso un miscelatore esterno 8 che garantisce un rifornimento aggiuntivo di acqua al flusso anodico in caso di carenza durante il funzionamento del dispositivo. Il miscelatore 8 può essere anche utilizzato per introdurre acqua con lo scopo di produrre vapore inertizzante in caso di rottura o sovratemperatura. L’alimentazione anodica rientra nuovamente nel sistema attraverso l’ingresso 29 e si dirige direttamente nella camera di distribuzione 21 del combustibile. Da qui il flusso di alimentazione anodica si sposta verso l’unità di pre-reforming sottostante attraverso passaggi 28 ricavati sulla base inferiore. Il flusso anodico attraversa radialmente l’unità di pre-reforming dirigendosi verso i condotti di alimentazione 42 dell’unità di generazione 4. Durante il passaggio avviene uno scambio termico con i flussi catodici che scorrono in verso opposto, dalla periferia al centro, diretti alla testata superiore. Gli scarichi anodici prodotti all’interno dell’unità di generazione 4, confluiscono in condotti di scarico dai quali verranno, in seguito, trasportati verso l’unità di postcombustione. I fumi prodotti dalla combustione degli scarichi anodici, con la frazione molare di alimentazione catodica entrante, attraversano la camera di distribuzione del flusso catodico 31 passando per il condotto che li porterà alla camera di raccolta scarichi 32 dalla quale verranno espulsi tramite un condotto di uscita. The path followed by the anode flux is the following. The anodic feed flow (see corresponding arrows in figure 1) enters the system perpendicular to the lower head by means of a thin duct 33. The flow then passes through a vaporization chamber 39 which allows the complete atomization of the quantity of water present. inside, thanks to the heat released by the collection chamber and expulsion of the surrounding combustion anodic fumes. The dose of water that is added is such as to avoid mixtures that can cause "carbon deposition" phenomena during the reactions that take place in the generation unit. Subsequently, the small duct is inserted inside the central duct 7 and runs along its entire length reaching the top of the upper head. Within this section, thermal exchange phenomena occur due to the simultaneous passage, in a counter-current direction, of the cathode flux. At this point, the anode flow, also slightly heated by the passage of the pre-reforming unit, exits the system and passes through an external mixer 8 which guarantees an additional supply of water to the anode flow in case of shortage during operation. of the device. The mixer 8 can also be used to introduce water with the aim of producing inertizing steam in the event of breakage or overheating. The anodic power supply re-enters the system through inlet 29 and goes directly to the fuel distribution chamber 21. From here the anodic feed flow moves to the underlying pre-reforming unit through passages 28 obtained on the lower base. The anodic flux radially crosses the pre-reforming unit heading towards the supply ducts 42 of the generation unit 4. During the passage, a heat exchange occurs with the cathode fluxes which flow in the opposite direction, from the periphery to the center, directed to the upper head. The anodic discharges produced inside the generation 4 unit flow into the exhaust ducts from which they will later be transported to the afterburner unit. The fumes produced by the combustion of the anodic discharges, with the incoming cathode feeding molar fraction, pass through the cathode flow distribution chamber 31 passing through the conduit that will take them to the exhaust collection chamber 32 from which they will be expelled through an outlet conduit.

L’unità di generazione 4 secondo la presente invenzione comprende una pluralità di celle a combustibile ad ossidi solidi che generano un flusso continuo di energia elettrica in seguito alle reazioni di ossido-riduzione di un combustibile, alimentato ad un elettrodo anodico, e un ossidante alimentato ad un elettrodo catodico. Tali celle sono organizzate su piani P sovrapposti e su ogni piano P sono previste preferibilmente una pluralità di celle, ad esempio sei posizionate secondo una distribuzione di forma circolare e tra di esse viene stabilita una connessione in parallelo. Le celle sono chiuse ai lati da due gruppi di piatti metallici, che regolano la circolazione dei diversi flussi reagenti e permettono di instaurare tra i diversi piani una connessione elettrica in serie. Alle estremità dell’unità nel suo complesso composta da una pluralità di piani sovrapposti, sono posizionati due collettori rispettivamente per la corrente anodica 43 e quella catodica 44. The generation unit 4 according to the present invention comprises a plurality of solid oxide fuel cells which generate a continuous flow of electrical energy following the oxidation-reduction reactions of a fuel, fed to an anode electrode, and an oxidant fed to a cathode electrode. These cells are organized on superimposed planes P and on each plane P there are preferably provided a plurality of cells, for example six positioned according to a distribution of circular shape and a parallel connection is established between them. The cells are closed on the sides by two groups of metal plates, which regulate the circulation of the different reagent flows and allow an electrical connection in series to be established between the different levels. At the ends of the unit as a whole composed of a plurality of superimposed planes, two collectors are positioned respectively for the anode current 43 and the cathode current 44.

Infine, l’intera pila di piani viene isolata elettricamente dal resto del sistema posizionando al di sopra di ciascun collettore un piatto isolante 45. Preferibilmente, i piani sono orientati in modo tale che il catodo di ogni cella sia rivolto verso il basso. Finally, the entire stack of shelves is electrically isolated from the rest of the system by placing an insulating plate 45 above each collector. Preferably, the shelves are oriented so that the cathode of each cell faces downwards.

Il numero di celle in ogni piano può essere scelto a piacere, ma vantaggiosamente utilizzando un numero pari di celle, qualunque esso sia, si realizza una geometria simmetrica, il che rende vantaggiosa la distribuzione dei flussi. The number of cells in each plane can be chosen at will, but advantageously by using an even number of cells, whatever it may be, a symmetrical geometry is obtained, which makes the distribution of flows advantageous.

Considerando per primo il lato catodico e scorrendo dal basso verso l’alto, è possibile notare un piatto di alimentazione AC, un piatto di distribuzione e raccolta scarichi DC e un piatto per il contenimento CC di reti metalliche R aventi lo scopo di permettere una migliore espansione e omogeneità del flusso diretto alle diverse celle C. Con l’ausilio della FIG. 4 è possibile vedere la sezione di un piano assemblato. Il piatto di alimentazione possiede un insieme di canaletti ACC la cui profondità è pari allo spessore totale del piatto. Come si può vedere nella FIG. 5A, il reticolo di canaletti è formato anche da nervature secondarie trasversali ACN, con profondità pari a metà di quella del piatto, che collegano tra loro i canaletti principali. Considering the cathode side first and scrolling from bottom to top, it is possible to notice an AC power supply plate, a DC discharges distribution and collection plate and a plate for the DC containment of metal grids R with the purpose of allowing a better expansion and homogeneity of the flow directed to the different cells C. With the aid of FIG. 4 it is possible to see the section of an assembled plan. The feeding plate has a set of ACC channels whose depth is equal to the total thickness of the plate. As can be seen in FIG. 5A, the network of channels is also formed by secondary transverse ribs ACN, with a depth equal to half that of the plate, which connect the main channels to each other.

La sezione dei canaletti è mantenuta costante per tutta la loro estensione e nel complesso sono organizzati in modo tale da riprodurre esattamente la forma delle celle. The section of the channels is kept constant throughout their extension and as a whole they are organized in such a way as to exactly reproduce the shape of the cells.

In particolare, tali canaletti sono disposti longitudinalmente l’uno all’altro, dei quali i più esterni sono leggermente arcuati, in modo che il reticolo assuma una particolare forma che ricopia la forma della cella soprastante. In questo reticolo di canaletti il flusso fresco entrante si distribuisce in maniera uniforme prima di dirigersi verso il piatto di distribuzione DC mostrato nella FIG. 5B. Il passaggio avviene attraverso una serie di fori DCF, presenti in numero variabile, ricavati nel piatto di distribuzione e raccolta scarichi e collocati esattamente in corrispondenza delle intersezioni del reticolo del piatto di alimentazione sottostante ed eventualmente sull’apice delle diramazioni principali ACC. Tra le due estremità dei fori si crea un leggero gradiente di pressione che imprime una leggera accelerazione al flusso che li attraversa garantendo in questo modo il raggiungimento della cella da parte del getto uscente da essi. In particular, these channels are arranged longitudinally to each other, of which the outermost ones are slightly arched, so that the lattice takes on a particular shape that copies the shape of the cell above. In this network of channels the incoming fresh flow is distributed evenly before heading towards the DC distribution plate shown in FIG. 5B. The passage takes place through a series of DCF holes, present in variable numbers, obtained in the distribution and drain collection plate and placed exactly at the intersections of the grid of the underlying supply plate and possibly on the apex of the main ACC branches. A slight pressure gradient is created between the two ends of the holes which gives a slight acceleration to the flow that passes through them, thus ensuring that the jet coming out of them reaches the cell.

Nel piatto di distribuzione DC viene riproposta la stessa geometria a canaletti longitudinali: si tratta di solchi DCC profondi la metà dello spessore del piatto, interposti ai fori di alimentazione e adibiti alla raccolta e allo smaltimento degli scarichi prodotti. Tra le celle e il piatto di distribuzione DC sono presenti reti metalliche R, ciascuna posizionata esattamente al di sotto di una cella del piano e possedente la sua stessa area superficiale, ospitate all’interno degli alloggiamenti presenti nel piatto di contenimento CC. The same geometry with longitudinal channels is proposed in the DC distribution plate: these are DCC grooves half the thickness of the plate, interposed to the supply holes and used for the collection and disposal of the produced drains. Between the cells and the DC distribution plate there are metal meshes R, each positioned exactly below a cell of the surface and having its own surface area, housed within the housings present in the containment plate CC.

La trama della rete R è stata scelta con una tessitura e sezione di passaggio tali da allargare di molto il diametro del getto uscente da ciascun foro, in modo che la distribuzione complessiva del flusso su tutta la superficie dell’elettrodo corrispondente sia la più omogenea possibile. Inoltre, la rete agisce sia da ottimo scambiatore di calore, permettendo al flusso di raggiungere le temperature di lavoro adeguate prima di entrare in contatto con la cella, sia da buon conduttore elettrico, generando delle basse resistenze di contatto sia al catodo della cella che sul piatto di distribuzione e raccolta scarichi. The texture of the network R has been chosen with a texture and passage section such as to greatly enlarge the diameter of the jet coming out of each hole, so that the overall distribution of the flow over the entire surface of the corresponding electrode is as homogeneous as possible. . Furthermore, the network acts both as an excellent heat exchanger, allowing the flow to reach suitable working temperatures before coming into contact with the cell, and as a good electrical conductor, generating low contact resistances both at the cell cathode and on the cell. distribution and waste collection plate.

Il gruppo di piatti appartenenti al lato anodico è del tutto analogo a quello catodico ma invertito di ordine. L’analogia permane anche nell’assemblaggio dei piatti e nella distribuzione dei canaletti sui piatti di alimentazione AA e di distribuzione e scarico DA, come mostrato nelle FIGG. 6A e 6B. Il piatto di alimentazione anodico, AA e conseguentemente i canaletti AAC ricavati in esso, sono stati realizzati con uno spessore inferiore rispetto al lato catodico in funzione della minor portata del flusso anodico. The group of plates belonging to the anodic side is completely analogous to the cathodic one but inverted in order. The analogy also persists in the assembly of the plates and in the distribution of the channels on the feeding plates AA and distribution and discharge plates DA, as shown in FIGS. 6A and 6B. The anodic feeding plate, AA and consequently the channels AAC obtained in it, have been made with a lower thickness than the cathode side due to the lower flow rate of the anode flux.

Tra il comparto anodico e quello catodico sono inseriti tre piatti due di contenimento reti CC ed un piato isolante PI. I piatti di contenimento reti hanno la funzionalità di contenimento delle reti, mentre il piatto isolante, di materiale dielettrico, ha la funzionalità di contenere le celle e garantisce l’isolamento elettrico tra celle contigue e impedisce il passaggio dei gas da un elettrodo all’altro evitando in questo modo miscele che possano generare malfunzionamenti all’intero dispositivo. Between the anodic and cathodic compartments there are three plates, two for containing DC networks and an insulating plate PI. The mesh containment plates have the function of containing the meshes, while the insulating plate, made of dielectric material, has the function of containing the cells and guarantees electrical insulation between adjacent cells and prevents the passage of gases from one electrode to another. in this way avoiding mixtures that could cause malfunctions to the entire device.

Infine, il lato catodico di ogni piano viene separato dal lato anodico del piano successivo tramite un piatto separatore metallico PS, molto sottile, che costituisce il fondo dei due piatti di alimentazione adiacenti. Una possibile configurazione alternativa prevede la sostituzione dei due piatti di alimentazione anodico e catodico e del piatto separatore con un unico piatto bipolare. Finally, the cathode side of each plane is separated from the anodic side of the next plane by a very thin metal separator plate PS, which forms the bottom of the two adjacent power plates. A possible alternative configuration foresees the replacement of the two anode and cathode feeding plates and of the separator plate with a single bipolar plate.

Le FIGG. 5A e 5B mostrano nel dettaglio la disposizione delle superfici superiori dei due piatti che formano le coppie relative ai lati catodici delle celle di ciascun piano. La FIG. 5A si riferisce in particolar modo al piatto di alimentazione AC del flusso catodico, mentre la FIG. 5B mostra il piatto di distribuzione DC del flusso fresco e di raccolta del prodotto di scarico. Il flusso catodico giunge da una stretta fessura anulare presente tra il tubo-tirante centrale 7 e il piatto stesso e si diffonde nella rete di canaletti ACC di alimentazione attraversando una zona di collegamento ricavata anch’essa nel piatto e avente la loro stessa profondità. Successivamente il flusso, attraverso il sistema di fori DCF, passa nel piatto superiore di distribuzione DC dal quale raggiunge il catodo e viene coinvolto nelle reazioni che permettono la produzione di corrente elettrica. I prodotti ottenuti dalle reazioni avvenute vanno a depositarsi nei canali di raccolta DCC e scarico, mentre flusso fresco sale dai canali di distribuzione e si dirige verso la cella rimpiazzando quello precedente in una sorta di moto convettivo. Lo scarico catodico viene trasportato dagli appositi canali verso delle aperture ASC situate dalla parte opposta dell’ingresso, sul bordo esterno del piatto, che rappresentano i condotti di scarico. FIGS. 5A and 5B show in detail the arrangement of the upper surfaces of the two plates which form the pairs relative to the cathode sides of the cells of each plane. FIG. 5A refers in particular to the cathode flux AC supply plate, while FIG. 5B shows the DC distribution plate of the fresh flow and collection of the waste product. The cathode flow comes from a narrow annular gap present between the central tie-rod 7 and the plate itself and spreads into the network of ACC power channels through a connection area also obtained in the plate and having the same depth as them. Subsequently, the flow, through the system of DCF holes, passes into the upper DC distribution plate from which it reaches the cathode and is involved in the reactions that allow the production of electric current. The products obtained from the reactions that have taken place are deposited in the DCC collection and discharge channels, while the fresh flow rises from the distribution channels and goes towards the cell, replacing the previous one in a sort of convective motion. The cathode discharge is transported by the appropriate channels to the ASC openings located on the opposite side of the inlet, on the outer edge of the plate, which represent the discharge ducts.

Per quanto concerne il lato anodico, la dinamica degli eventi è la stessa rispetto a quanto descritto per il lato catodico con l’unica differenza della diversa ubicazione degli ingressi e delle uscite del flusso anodico. Le FIGG. 6A e 6B mostrano che il flusso giunge nel piatto di alimentazione attraverso condotti di forma circolare AAF collocati sul bordo esterno del piatto e intervallati da altrettanti condotti ASA adibiti alla raccolta degli scarichi anodici. Ciascun condotto fornisce la quantità di alimentazione anodica necessaria per il funzionamento di due celle. Il flusso anodico viene immesso in un ampio canale iniziale la cui profondità, pari allo spessore del piatto, è preferibilmente la stessa dei canaletti e che viene successivamente diviso in due parti da una linguetta LA che separa i flussi destinati alle due celle adiacenti. Analogamente, nel piatto di distribuzione DA e raccolta degli scarichi ogni condotto raccoglie gli scarichi di due celle. Anche in questo caso, infine, i condotti adibiti alla raccolta degli scarichi si trovano nella posizione opposta rispetto a quelli di alimentazione. As regards the anode side, the dynamics of the events is the same as described for the cathode side with the only difference being the different location of the inputs and outputs of the anode flux. FIGS. 6A and 6B show that the flow reaches the supply plate through ducts of a circular shape AAF placed on the outer edge of the plate and interspersed with as many ducts ASA used for collecting the anodic discharges. Each conduit provides the amount of anode power required for the operation of two cells. The anodic flux is introduced into a large initial channel whose depth, equal to the thickness of the plate, is preferably the same as the channels and which is subsequently divided into two parts by a tab LA which separates the fluxes destined for the two adjacent cells. Similarly, in the DA distribution and waste collection plate each duct collects the discharges of two cells. Finally, also in this case, the ducts used for collecting the discharges are located in the opposite position with respect to the supply ones.

In questo modo la fase di alimentazione delle celle appartenenti a ciascun piano dell’unità 4, lato anodico e catodico, è ottenuta attraverso un sistema di canali che rende la distribuzione dei flussi sulla superficie della cella omogenea. La circolazione dei gas ottenuta in fase di alimentazione, lato anodico e catodico, permette di avere un profilo di temperatura sulla superficie di ciascuna cella sostanzialmente uniforme. In this way, the feeding phase of the cells belonging to each floor of unit 4, anode and cathode side, is obtained through a system of channels that makes the distribution of flows on the surface of the cell homogeneous. The circulation of the gases obtained during the feeding phase, anode and cathode side, allows to have a substantially uniform temperature profile on the surface of each cell.

La fase di raccolta e scarico dei prodotti generati dalle reazioni avvenute sulle celle di ciascun piano, lato anodico e catodico, avviene separatamente rispetto alla fase di alimentazione. The phase of collection and discharge of the products generated by the reactions occurred on the cells of each plane, anodic and cathodic side, takes place separately from the feeding phase.

In una rappresentazione alternativa del piano multi-cella, le celle giacenti sullo stesso piano lavorano in serie. In particolare, ogni cella viene alimentata da una miscela anodica composta in parte da carburante fresco proveniente dallo stack o pila e per la restante parte da una percentuale degli esausti anodici prodotti dalla cella antecedente. Pertanto, quando la pila è operativa, su ogni piano appartenente ad esso si viene a formare un ricircolo in cui parte dell’alimentazione di ogni cella viene fornita dalla cella che viene immediatamente prima. Le percentuali con le quali i flussi coinvolti partecipano alla miscela di alimentazione dipendono dai parametri di lavoro, ovvero Fuel Utilisation e rapporto steam-to-carbon, con i quali si decide di far operare ogni singola cella e vengono determinate dalle dimensioni dei vari condotti di alimentazione. Per questa rappresentazione è stato scelto di mantenere i parametri in questione costanti per tutte le celle giacenti sullo stesso piano. Le FIGG. 9A, 9B e 9C mostrano i piatti che compongono il lato anodico di questa rappresentazione alternativa, mentre per quanto riguarda il lato catodico non è prevista nessuna modifica rispetto ai piatti mostrati nelle FIGG. 6A e 6B. In particolare, la FIG. 9A presenta il piatto separatore metallico PS che separa i piatti di alimentazione, anodico e catodico, di due piani consecutivi. In an alternative representation of the multi-cell plane, the cells lying on the same plane work in series. In particular, each cell is fed by an anodic mixture composed in part of fresh fuel coming from the stack and for the remainder by a percentage of the anode exhaust produced by the preceding cell. Therefore, when the stack is operational, a recirculation is formed on each floor belonging to it in which part of the power supply of each cell is supplied by the cell that comes immediately before. The percentages with which the flows involved participate in the feed mixture depend on the working parameters, i.e. Fuel Utilization and steam-to-carbon ratio, with which it is decided to operate each single cell and are determined by the dimensions of the various ducts. Power supply. For this representation it has been chosen to keep the parameters in question constant for all the cells lying on the same plane. FIGS. 9A, 9B and 9C show the plates that make up the anodic side of this alternative representation, while as far as the cathode side is concerned, no modification is foreseen with respect to the plates shown in FIGS. 6A and 6B. In particular, FIG. 9A presents the metallic separator plate PS which separates the anodic and cathodic feeding plates of two consecutive planes.

Il flusso anodico fresco giunge attraverso il condotto di destra CD di ciascuna coppia presente sul bordo esterno del piatto. Esso percorre un breve canale CS scavato sul piatto metallico per poi immettersi nel passaggio che lo condurrà al piatto di alimentazione sottostante, visibile in FIG. 9B. A questo punto, il carburante di alimentazione fresco scorre attraverso un canale convergente/divergente CDC con profondità pari a metà di quella del piatto ospitante. Ai capi di questo canale si viene a creare una differenza di pressione che accelera il flusso entrante in direzione del reticolo di canali situato frontalmente. Durante il transito all’interno di questo canale, il carburante fresco entra in contatto, miscelandosi, con una parte degli scarichi anodici prodotti dalla cella che occupa la posizione antecedente. Gli scarichi, contenenti anche la percentuale di carburante che non ha partecipato alle reazioni avvenute nella cella precedente per via della Fuel Utilisation impostata, provengono dal piatto di distribuzione e raccolta degli scarichi mostrato in FIG. 9C. Essi, una volta raccolti dagli appositi canali, si muovono verso il condotto a forma di corona circolare troncata ASA per poi diffondersi nel corrispondente canale presente nel piatto di alimentazione e scavato per una profondità pari alla sua metà. Da qui confluiscono nel canale convergente/divergente, dove si misceleranno con il flusso di carburante fresco e si dirigeranno verso la zona di distribuzione adiacente, attraverso due condotti laterali CLS scavati a mezza profondità. Grazie alla differenza di pressione generata dal canale convergente/divergente, gli scarichi anodici sono attirati verso la direzione esatta e non vi è il rischio di eventuali risucchi, anche dello stesso carburante fresco, che possano in qualche modo creare problemi di funzionamento allo stack o pila. Le dimensioni dei due condotti laterali vengono determinate in base alla portata dello scarico della cella precedente che si vuole riutilizzare. È importante che il miscelamento avvenga prima della diffusione all’interno del reticolo di canali per evitare che si crei disomogeneità spaziale di composizione dell’alimentazione dovuta alla diversa natura dei due flussi che partecipano. Infine, è necessario evitare che con il passare del tempo si possa generare un eccessivo accumulo di acqua all’interno del piatto a causa del ricircolo che si è instaurato. Per questo motivo, una parte degli scarichi anodici prodotti da ciascuna cella, contenenti un significativa percentuale di acqua, vengono espulsi dalla pila attraverso dei piccoli condotti CEPS situati a fianco delle corone circolari troncate e messi in comunicazione con esse tramite dei brevi condotti con profondità pari a quella del piatto. Questo tipo di configurazione permette di avere, per ciascun piano della pila, valori complessivi di Fuel Utilisation e del rapporto steam-to-carbon inferiori a quelli associati ad ogni singola cella. In questa rappresentazione alternativa, ciascun piano può ospitare un numero qualsiasi di celle poiché ognuna di esse viene alimentata in maniera indipendente dalle altre, eliminando pertanto qualunque vincolo sulla geometria dei piatti. The fresh anode flux arrives through the right duct CD of each pair present on the outer edge of the plate. It runs through a short CS channel dug into the metal plate and then enters the passage that will lead it to the underlying feed plate, visible in FIG. 9B. At this point, the fresh feed fuel flows through a convergent / divergent CDC channel with a depth equal to half that of the host plate. At the ends of this channel a pressure difference is created which accelerates the incoming flow in the direction of the network of channels located at the front. During the transit inside this channel, the fresh fuel comes into contact, mixing, with a part of the anode discharges produced by the cell that occupies the previous position. The discharges, also containing the percentage of fuel that did not participate in the reactions that took place in the previous cell due to the Fuel Utilization set, come from the distribution and collection plate of the discharges shown in FIG. 9C. Once collected by the appropriate channels, they move towards the duct in the shape of a truncated circular crown ASA and then spread into the corresponding channel present in the supply plate and dug to a depth equal to its half. From here they flow into the convergent / divergent channel, where they will mix with the fresh fuel flow and head towards the adjacent distribution area, through two lateral CLS ducts dug at half depth. Thanks to the pressure difference generated by the convergent / divergent channel, the anodic discharges are attracted towards the exact direction and there is no risk of any suction, even of the same fresh fuel, which could in some way create operating problems in the stack or pile. . The dimensions of the two side ducts are determined on the basis of the discharge flow rate of the previous cell to be reused. It is important that the mixing takes place before diffusion within the network of channels to avoid the creation of spatial inhomogeneity in the composition of the feed due to the different nature of the two participating flows. Finally, it is necessary to avoid that with the passage of time an excessive accumulation of water may be generated inside the plate due to the recirculation that has been established. For this reason, a part of the anodic discharges produced by each cell, containing a significant percentage of water, are expelled from the pile through small CEPS ducts located next to the truncated circular crowns and communicated with them through short ducts with equal depth. to that of the plate. This type of configuration allows to have, for each level of the pile, overall values of Fuel Utilization and of the steam-to-carbon ratio lower than those associated with each single cell. In this alternative representation, each plane can host any number of cells since each of them is fed independently of the others, thus eliminating any constraint on the geometry of the plates.

Sulla sommità dell’unità di generazione 4 formata preferibilmente da più piani, è posizionata una prima unità di scambio termico 5 (o pre-reforming), adibita al processo di pre-reforming del flusso di alimentazione anodica. Questo processo consiste nelle decomposizione degli idrocarburi pesanti, presenti nel combustibile utilizzato per il sistema. In generale, all’uscita del pre-reformer si troverà una miscela ricca in metano e vapore e in minor misura idrogeno, monossido di carbonio e anidride carbonica. La quantità di acqua è tale da evitare depositi di carbonio nei condotti di adduzione della miscela combustibile alle celle e nelle celle stesse. A first heat exchange unit 5 (or pre-reforming) is positioned on the top of the generation unit 4 preferably formed by several floors, used for the pre-reforming process of the anodic feed stream. This process consists in the decomposition of heavy hydrocarbons, present in the fuel used for the system. In general, at the exit of the pre-reformer there will be a mixture rich in methane and steam and to a lesser extent hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. The quantity of water is such as to avoid carbon deposits in the ducts for feeding the fuel mixture to the cells and in the cells themselves.

Facendo riferimento alla FIG. 7, l’unità di pre-reforming è realizzata da un impilamento di piatti PR uguali tra loro, le cui dimensioni sono le stesse dei piatti di alimentazione di distribuzione e quelli che contengono le celle di ogni piano e ne costituisce, pertanto, un prolungamento lungo la direzione verticale. Il numero di piatti che andranno a comporre quest’unità dipenderà fortemente dal tipo di combustibile immesso all’interno del sistema e dalla difficoltà di ricondurlo ad una miscela direttamente alimentabile alle celle. La modulazione di questa unità in termini di combustibile introdotto può essere ottenuta anche andando ad agire sul tipo di catalizzatore depositato nelle zone in cui hanno luogo le reazioni di pre-reforming. Referring to FIG. 7, the pre-reforming unit is made up of a stack of identical PR plates, the dimensions of which are the same as the distribution feed plates and those that contain the cells of each floor and therefore constitutes an extension thereof. along the vertical direction. The number of plates that will make up this unit will strongly depend on the type of fuel introduced into the system and the difficulty of bringing it back to a mixture that can be fed directly to the cells. The modulation of this unit in terms of the fuel introduced can also be obtained by acting on the type of catalyst deposited in the areas where the pre-reforming reactions take place.

Siccome il processo di pre-reforming è molto endotermico, il calore necessario alla sua attivazione viene prelevato dallo scarico catodico in arrivo dall’unità di generazione 4. Per questo motivo, ciascun piatto dell’unità di pre-reforming è realizzato in modo tale da avere scambiatori di calore controcorrente S, ognuno dei quali è composto da due canali SC per il passaggio dello scarico catodico inframmezzati da una sezione di forma ovale SO, dove avvengono le reazioni di pre-reforming. Ogni elemento è stato ottenuto incidendo il piatto di appartenenza per una profondità preferibilmente pari alla metà del suo spessore complessivo. Il flusso di alimentazione giunge da piccoli fori situati nella parte interna del piatto e scorre verso i fori di alimentazione anodica AAF che si trovano frontalmente rispetto ai primi e che successivamente lo distribuiranno ai diversi piani multi-cella sottostanti. Il percorso si sviluppa attraverso una rete catalitica RC posizionata all’interno di ciascuna sezione con lo scopo di favorire le reazioni di pre-reforming. Contemporaneamente, lo scarico catodico proveniente dall’unità entra attraverso il condotto di raccolta ASC e scorre verso il centro del piatto in direzione opposta a quella del flusso anodico. Una volta compiuto il tragitto, lo scarico si immetterà nel condotto che lo porterà verso il piatto di raccolta degli scarichi catodici, posto all’interno della testata superiore, per poi essere espulso definitivamente dal sistema integrato. Per massimizzare lo scambio di calore tra i due flussi presenti, i canali dove scorre lo scarico catodico sono stati disseminati di piccoli cilindretti con lo scopo di aumentare la superficie di contatto. Since the pre-reforming process is very endothermic, the heat necessary for its activation is taken from the cathode discharge arriving from the generation unit 4. For this reason, each plate of the pre-reforming unit is made in such a way as to have counter-current heat exchangers S, each of which is composed of two channels SC for the passage of the cathode discharge interspersed with an oval-shaped section SO, where the pre-reforming reactions take place. Each element was obtained by engraving the plate to which it belongs to a depth preferably equal to half of its overall thickness. The feed flow comes from small holes located in the internal part of the plate and flows towards the AAF anodic feed holes which are located in front of the first ones and which will subsequently distribute it to the different multi-cell floors below. The path develops through an RC catalytic network positioned within each section with the aim of favoring the pre-reforming reactions. At the same time, the cathode discharge coming from the unit enters through the ASC collection duct and flows towards the center of the plate in the opposite direction to that of the anode flow. Once the journey has been completed, the discharge will enter the duct that will lead it to the cathode discharge collection plate, located inside the upper head, to then be permanently expelled from the integrated system. To maximize the heat exchange between the two flows present, the channels where the cathode discharge flows have been scattered with small cylinders with the aim of increasing the contact surface.

Sull’estremità inferiore dell’unità di generazione 4 è posizionata una seconda unità di scambio termico 6 (post-combustore) dedicata alla combustione dello scarico anodico con una piccola frazione molare prelevata dal flusso fresco catodico proveniente dal tubo-tirante centrale 7. On the lower end of the generation unit 4 there is a second heat exchange unit 6 (post-combustor) dedicated to the combustion of the anodic exhaust with a small molar fraction taken from the fresh cathode flow coming from the central tie-rod 7.

L’unità 6 comprende una serie di piatti PC il cui design è mostrato in FIG. 8. Come nel caso del pre-reformer, la dimensione dei piatti è la medesima di quella dei piatti che compongono l’unità di generazione, ed infatti essa ne rappresenta il prolungamento verso il basso. La reazione produce principalmente anidride carbonica e acqua, mentre la sua natura fortemente esotermica favorisce la generazione di una quantità di calore molto elevata che viene utilizzata per il riscaldo del flusso d’aria destinato successivamente all’ingresso nell’unità di generazione 4. Unit 6 includes a series of PC plates whose design is shown in FIG. 8. As in the case of the pre-reformer, the size of the plates is the same as that of the plates that make up the generation unit, and in fact it represents its downward extension. The reaction mainly produces carbon dioxide and water, while its highly exothermic nature favors the generation of a very high amount of heat which is used to heat the air flow destined for subsequent entry into the generation unit 4.

Per sfruttare al meglio il calore prodotto dalla reazione, sul piatto vengono alternate sezioni di combustione con canali per il passaggio del flusso che deve essere riscaldato, il tutto realizzato sempre con una profondità preferibilmente pari alla metà dello spessore del piatto. Lo scarico anodico entra nella sezione di combustione attraverso il condotto di scarico ASA dell’unità di generazione 4 e si propaga attraverso una rete catalitica RC inserita per favorire la reazione di combustione. Il flusso catodico proveniente dal condotto centrale 7 viene scisso in due flussi le cui portate sono determinate dai differenti diametri dei fori. Nei fori piccoli FP entra la frazione molare necessaria per attivare il processo di combustione, mentre in quelli più grandi FG confluisce il flusso che verrà scaldato. I prodotti della combustione defluiscono nel condotto FE che li condurrà verso il piatto di espulsione degli scarichi posto nella testata inferiore. Il flusso che deve essere scaldato si muove lungo una direzione radiale rispetto al centro di simmetria spostandosi dagli ingressi posti sul bordo esterno del piatto fino alla sua estremità interna, dove si immetterà nella sottile sezione anulare che conduce ai diversi piani dell’unità di generazione 4. Vantaggiosamente, come per l’unità 5, o pre-reformer, i canali di transito dell’alimentazione catodica sono cosparsi di piccoli cilindretti per aumentare l’interazione termica con le adiacenti sezioni di combustione. To make the most of the heat produced by the reaction, combustion sections are alternated on the plate with channels for the passage of the flow that must be heated, all made always with a depth preferably equal to half the thickness of the plate. The anodic exhaust enters the combustion section through the ASA exhaust duct of the generation unit 4 and propagates through an RC catalytic network inserted to promote the combustion reaction. The cathode flow coming from the central duct 7 is split into two flows whose flow rates are determined by the different diameters of the holes. In the small holes FP enters the molar fraction necessary to activate the combustion process, while in the larger ones FG flows the flow that will be heated. The combustion products flow into the FE duct which will lead them to the exhaust expulsion plate located in the lower head. The flow to be heated moves along a radial direction with respect to the center of symmetry moving from the inlets located on the outer edge of the plate to its inner end, where it will enter the thin annular section that leads to the different planes of the generation 4 unit Advantageously, as for the unit 5, or pre-reformer, the transit channels of the cathode feed are sprinkled with small cylinders to increase the thermal interaction with the adjacent combustion sections.

I percorsi dei fluidi reagenti sono stati organizzati in modo tale da massimizzare gli scambi di calore tra i flussi degli scarichi ad alta temperatura che devono essere espulsi dal sistema e i flussi freschi a bassa temperatura che invece si dirigono verso l’unità di generazione 4 dove hanno luogo le reazioni previste. Gli scarichi anodici e catodici prodotti seguono due percorsi separati per uno sfruttamento più proficuo del loro potere calorifico. The paths of the reacting fluids have been organized in such a way as to maximize the heat exchanges between the high temperature waste streams that must be expelled from the system and the fresh low temperature streams that instead go to the generation 4 unit where they have place the expected reactions. The anodic and cathodic discharges produced follow two separate paths for a more profitable exploitation of their calorific value.

I piatti che compongono le unità centrali del sistema sin qui descritto non vengono sottoposti a nessun tipo di saldatura. Facendo riferimento alla FIG. 1 , la perfetta aderenza e compattezza delle parti viene garantita attraverso la pressione esercitata sul dispositivo dalle testate superiore ed inferiore, le quali vengono raccordate tramite il condotto centrale che funge anche da tubo-tirante centrale. Il serraggio è completato sulla testata inferiore con l’applicazione di piastre di contrasto P1 e P2 su cui premono delle molle a tazza MT, il tutto chiuso con una vite con dado D. All’interno delle piastre di contrasto è inserita un’ulteriore tenuta T, realizzata con gomma resistente alle alte temperature, che impedisce che il flusso catodico possa fuoriuscire dalla testata inferiore. The plates that make up the central units of the system described so far are not subjected to any type of welding. Referring to FIG. 1, the perfect adherence and compactness of the parts is ensured through the pressure exerted on the device by the upper and lower heads, which are connected through the central duct which also acts as a central tie-rod. The tightening is completed on the lower head with the application of contrast plates P1 and P2 on which MT disc springs are pressed, all closed with a screw with nut D. An additional seal is inserted inside the contrast plates T, made with rubber resistant to high temperatures, which prevents the cathode flux from escaping from the lower head.

La testata superiore è composta da tre camere cilindriche 21 , 22 e 23, di cui quella superiore, a cui è saldato il tubo-tirante, ha dimensioni minori rispetto ai piatti del blocco centrale, mentre le rimanenti hanno dimensioni maggiori. La FIG. 2A mostra l’ordine con cui vengono assemblati i tre blocchi. La camera inferiore 21 è adibita alla distribuzione del flusso anodico verso l’unità di prereforming situata al di sotto di essa. Il flusso in entrata deve compiere un primo tratto a spirale che rallenta la sua espansione all’interno del volume a disposizione, permettendo così lo scambio termico con i condotti dello scarico catodico che attraversano la camera diretti verso la camera di espulsione. In alternativa all’ingresso a spirale, si può inserire una griglia circolare dotata di fori di piccole dimensioni, nella zona esterna della camera creando in questo modo una zona preliminare dove il flusso anodico si distribuisce in maniera omogenea prima di espandersi verso la zona centrale dove sono presenti i passaggi, anch’essi di dimensioni ridotte, che comunicano con la sezione di pre-reforming. La camera superiore 22, invece, contiene solamente i condotti provenienti dall’unità di generazione 4, che sono realizzati tramite la sovrapposizione di piatti cilindrici ed ellittici. Anche in questo caso è possibile introdurre una griglia circolare nella zona esterna della camera in modo da uniformare il flusso catodico prima del suo ingresso nella zona di scambio termico. Infine, l’ultima camera 23 comprende due zone separate da una parete circolare: la zona più esterna di forma anulare raccoglie gli scarichi catodici provenienti dall’unità 4 e li espelle dal sistema; la zona più interna funge da passaggio per il flusso catodico, prima della sua immissione nel tubo-tirante centrale, permettendo in questo modo anche un ultimo scambio termico tra i diversi flussi in movimento. The upper head is composed of three cylindrical chambers 21, 22 and 23, of which the upper one, to which the tie rod is welded, has smaller dimensions than the plates of the central block, while the remaining ones have larger dimensions. FIG. 2A shows the order in which the three blocks are assembled. The lower chamber 21 is used for the distribution of the anodic flux towards the prereforming unit located below it. The incoming flow must make a first spiral section that slows down its expansion within the available volume, thus allowing the heat exchange with the cathode discharge ducts that cross the chamber directed towards the expulsion chamber. As an alternative to the spiral inlet, a circular grid with small holes can be inserted in the external area of the chamber, thus creating a preliminary area where the anodic flux is distributed evenly before expanding towards the central area where there are passages, also of reduced dimensions, which communicate with the pre-reforming section. The upper chamber 22, on the other hand, contains only the ducts coming from the generation unit 4, which are made by overlapping cylindrical and elliptical plates. Also in this case it is possible to introduce a circular grid in the external area of the chamber so as to make the cathode flux uniform before it enters the heat exchange area. Finally, the last chamber 23 includes two areas separated by a circular wall: the outer ring-shaped area collects the cathode discharges from unit 4 and expels them from the system; the innermost area acts as a passage for the cathode flux, before its introduction into the central tie-rod, thus also allowing a final heat exchange between the different moving flows.

La testata inferiore comprende due camere cilindriche 31 e 32 aventi dimensioni maggiori dei piatti dell’unità 4. Facendo riferimento alla FIG. 2B, la camera di distribuzione 31 riceve il flusso catodico proveniente dal tubo-tirante centrale e lo smista verso l’unità di post-combustione. Prima di raggiungere il vero e proprio sito di smistamento, il flusso catodico attraversa un primo volume di sezione anulare 34 realizzato per evitare la possibile generazione di attriti tra la camera di distribuzione e il tubo a causa di possibili dilatazioni termiche da parte dei componenti della testata inferiore. Questo volume iniziale è separato dal restante volume grazie a una parete nervata dotata di passaggi 35 per il flusso collocati in perfetta corrispondenza con quelli presenti sul tubo-tirante 341 Inoltre, grazie alla presenza delle nervature 342 in direzione radiale, la parete provvede a conferire rigidità alla struttura della camera di distribuzione che è sottoposta al carico esercitato dal dado avvitato sulla parte terminale del tubo tirante mediante le molle a tazza.AI di sopra della sezione anulare è posto un anello di tenuta che garantisce la separazione tra il flusso fresco entrante nella camera di distribuzione e quello più caldo uscente dall’unità di postcombustione che andrà ad alimentare la sezione catodica dell’unità 4. La camera inferiore 32 dispone di un volume vuoto, ad eccezione per la parete nervata con funzionalità analoghe a quelle del piano superiore, completamente dedicato alla raccolta dei fumi anodici provenienti dall’unità di post-combustione e alla loro espulsione. The lower head comprises two cylindrical chambers 31 and 32 having larger dimensions than the plates of unit 4. Referring to FIG. 2B, the distribution chamber 31 receives the cathode flow coming from the central tie-rod tube and routes it to the post-combustion unit. Before reaching the actual sorting site, the cathode flow passes through a first volume of annular section 34 made to avoid the possible generation of friction between the distribution chamber and the pipe due to possible thermal expansion by the components of the head. inferior. This initial volume is separated from the remaining volume thanks to a ribbed wall equipped with flow passages 35 placed in perfect correspondence with those present on the tie rod 341 Furthermore, thanks to the presence of the ribs 342 in the radial direction, the wall provides rigidity to the structure of the distribution chamber which is subjected to the load exerted by the nut screwed onto the terminal part of the tie tube by means of the cup springs. A sealing ring is placed above the annular section which guarantees the separation between the fresh flow entering the chamber and the hottest one coming out of the post-combustion unit which will feed the cathode section of unit 4. The lower chamber 32 has an empty volume, except for the ribbed wall with functions similar to those of the upper floor, completely dedicated to the collection of anodic fumes from the post-combustion unit and their expulsion neither.

Il condotto centrale 7, che è possibile osservare in FIG.1 , ha una doppia funzione. Innanzitutto assume il ruolo di tirante interno, fungendo da raccordo tra le due testate. Questa mansione viene portata a termine anche grazie alle pareti interne delle due testate che, oltre ad avere un ruolo di contenimento, conferiscono rigidità all’intero sistema. La posizione del tubo, inoltre, permette al flusso catodico che vi scorre all’interno di avere scambi termici sia con l’unità di generazione 4 che con il flusso anodico passante per il condotto di dimensioni inferiori 72 contenuto al suo interno. Eventuali tratti non lineari, realizzabili con curvature 721 del tubo stesso, aumentano il tempo di permanenza del flusso anodico nel tratto centrale con conseguente incremento del tempo di interazione termica. In una realizzazione alternativa del dispositivo è anche possibile pensare di modificare la superficie della parete esterna o interna del condotto tramite l’introduzione di turbolatori a lamina o componenti alettate, con lo scopo di massimizzare la superficie di scambio. The central duct 7, which can be seen in FIG.1, has a double function. First of all it assumes the role of internal tie rod, acting as a connection between the two heads. This task is also completed thanks to the internal walls of the two heads which, in addition to having a containment role, give rigidity to the entire system. The position of the tube also allows the cathode flow that flows inside it to have thermal exchanges both with the generation unit 4 and with the anode flow passing through the smaller 72 duct contained within it. Any non-linear sections, which can be made with curvatures 721 of the tube itself, increase the residence time of the anode flux in the central section with a consequent increase in the thermal interaction time. In an alternative embodiment of the device it is also possible to think of modifying the surface of the external or internal wall of the duct by introducing foil turbulators or finned components, with the aim of maximizing the exchange surface.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la produzione di energia elettrica basato su elementi attivi quali celle ad ossidi solidi in cui in seguito alle reazioni di ossido-riduzione di un combustibile, alimentato ad un elettrodo anodico di tali celle ed un ossidante alimentato ad un elettrodo catodico di tali celle, si genera un flusso continuo di energia elettrica ai capi di tali elettrodi, caratterizzato dal fatto che tali celle sono organizzate in una unità di generazione (4) comprendente almeno un piano (P) n cui sono organizzate una pluralità di celle (C) posizionate secondo una distribuzione di forma circolare e tra di esse viene stabilita una connessione elettrica. CLAIMS 1. System for the production of electrical energy based on active elements such as solid oxide cells in which following the oxidation-reduction reactions of a fuel, fed to an anode electrode of such cells and an oxidant fed to a cathode electrode of such cells, a continuous flow of electrical energy is generated at the ends of these electrodes, characterized by the fact that these cells are organized in a generation unit (4) comprising at least one plane (P) in which a plurality of cells (C) positioned according to a distribution of circular shape are organized and an electrical connection is established between them . 2 Sistema secondo la rivendicazione 1 , in cui tale connessione è una connessione parallelo. 2 System according to claim 1, wherein said connection is a parallel connection. 3 Sistema secondo la rivendicazione 1 , in cui alle estremità dell’unità nel suo complesso composta da una pluralità di piani sovrapposti collegati elettricamente in serie l’uno all’altro sono posizionati due collettori rispettivamente per la corrente anodica (43) e quella catodica (44). 3 System according to claim 1, wherein at the ends of the unit as a whole composed of a plurality of superimposed planes electrically connected in series to each other, two collectors are positioned respectively for the anode (43) and cathode current ( 44). 4. Sistema secondo la rivendicazione 1 , in cui l’intera pila di piani viene isolata elettricamente dal resto del sistema posizionando al di sopra di ciascun collettore un piatto isolante (45). 4. System according to claim 1, in which the entire stack of shelves is electrically isolated from the rest of the system by placing an insulating plate above each manifold (45). 5. Sistema secondo la rivendicazione 1 , in cui i piani sono orientati in modo tale che il catodo delle celle di ogni piano è rivolto verso il basso mentre l’anodo è rivolto verso l’alto. 5. System according to claim 1, in which the planes are oriented in such a way that the cathode of the cells of each plane is facing downwards while the anode is facing upwards. 6. Sistema secondo la rivendicazione 1 , in cui ogni piano comprende: • un comparto catodico comprendente un piatto di alimentazione catodica (AC), un piatto di distribuzione e raccolta esausti catodica (DC), • un comparto anodico comprendente un piatto di alimentazione anodica (AA), un piatto di distribuzione e raccolta esausti anodica (DA), • tra il comparto anodico e quello catodico essendo inseriti due piatti di contenimento reti (CC) che hanno la funzione di contenimento delle reti (R) ed un piatto isolante (PI), di materiale dielettrico, che ha la funzione di contenere le celle (C), garantire l’isolamento tra celle contigue e impedire il passaggio dei gas da un elettrodo all’altro. System according to claim 1, wherein each plane comprises: • a cathode compartment comprising a cathodic supply plate (AC), an exhausted cathodic distribution and collection plate (DC), • an anodic compartment comprising an anodic feeding plate (AA), an anodic exhaust distribution and collection plate (DA), • between the anodic and cathodic compartments being inserted two nets containment plates (CC) which have the function of containing the nets (R) and an insulating plate (PI), made of dielectric material, which has the function of containing the cells ( C), ensure the isolation between adjacent cells and prevent the passage of gases from one electrode to the other. 7. Sistema secondo la rivendicazione 1 , in cui il lato catodico di ogni piano essendo separato dal lato anodico del piano successivo tramite un piatto separatore metallico (PS) che costituisce il fondo di due piatti di alimentazione adiacenti. System according to claim 1, wherein the cathode side of each plane being separated from the anode side of the next plane by a metal separator plate (PS) which forms the bottom of two adjacent feed plates. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui i due piatti di alimentazione anodico e catodico adiacenti ed il piatto separatore sono realizzati tramite un unico piatto bipolare. 8. System according to claim 7, wherein the two adjacent anode and cathode feed plates and the separator plate are formed by means of a single bipolar plate. 9. Sistema secondo la rivendicazione 1 , in cui ogni piano comprende un numero pari di celle realizzando una geometria simmetrica.System according to claim 1, wherein each plane comprises an even number of cells realizing a symmetrical geometry.
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US20090181282A1 (en) * 2006-05-26 2009-07-16 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell separator
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