NO309448B1 - Framgangsmåte og anordning for omforming av kjemisk energi i et brennstoff til termisk energi og samtidig direkte til elektrisk energi - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en framgangsmåte og en anordning for omforming av kjemisk energi i et brennstoff til termisk energi og samtidig direkte til elektrisk energi.

Teknikens område

Anordninger for oppvarmingsformål og for oppvarming av legemer ved hjelp av brennere for flytende og gassformige brennstoff.

Brennstoffceller for direkte omforming av kjemisk energi i elektrisk energi. Oppfinnelsen gjelder en framgangsmåte og en anordning for energiomforming med utgangspunkt i en primær energibærer i form av et brennstoff, med det formål å skaffe samtidig, men likevel innbyrdes vidtgående uavhengig, termisk og elektrisk energi.

I snevrere forstand dreier oppfinnelsen seg om en framgangsmåte og en anordning for

omforming av kjemisk energi i et flytende og/eller gassformet brennstoff til termisk energi med det formål å skaffe varme i husholdninger eller industri, for kjemiske og metallurgiske omforminger av alle slag ved hjelp av en brenner og samtidig direkte til elektrisk energi ved hjelp av ei brennstoffcelle, slik at bare en del av den kjemiske bundne energien i primær-stoff brennstoffet blir omsatt i varme, mens resten blir omsatt direkte i elektrisk energi, idet det finnes en brenner og en etterbrenner for omsetning til varme, ei brennstoffcelle for omsetning til elektrisk energi, en innretning for overføring og utnyttelse av den termiske energiandelen i form av en varmekjel eller dampprodusent og minst en varmeveksler for tilbakeføring og utnyttelse av minst en del av varmen i kretsløpet.

Teknikkens stilling

Det er kjent tallrike anordninger for oppvarming av legemer ved hjelp av brennere for flytende og gassformete brennstoffer. Herunder kan en prinsipielt skille mellom to typer: brennere med åpen flamme og naturlig trekk, såkalte atmosfæriske brennere, som blir drevet ved atmosfæretrykk, samt brennere med vifte, som arbeider under overtrykk og ikke krever noe naturlig avtrekk, idet styringen er lettere å gjennomføre enn ved atmosfæriske brennere.

Disse brennerene blir utelukkende brukt til å omforme den kjemiske energien i brennstoffet fullstendig til varme.

Det er kjent, i store kraftverksanlegg å gjennomføre en såkalt kraft/varme-kobling. Herunder blir den totale kjemiske brennstoffenergien først omsatt i termisk energi og deretter en del ved hjelp av en varmekraftmaskin (dampturbin, gassturbin, forbrenningsmotor, sterlingmotor etc.) til mekanisk arbeid henholdsvis elektrisk energi, mens resten blir avgitt til forbrukere som varme (for det meste over fjeraledninger).

Brennstoffceller for direkte omforming av kjemisk energi til elektrisk energi er kjent i tallrike varianter. Den keramiske høytemperatur- brennstoffcella med elektrolytt av fast materiale kjennetegnes ved høy virkningsgrad og god tilpasning til driftsbetingelsene. Den kan brukes såvel i det lave som i det midtre ytelsesområdet med fordel.

Det er allerede blitt foreslått å kombinere ei jordgassdrevet brennstoffcelle med en

varmekjel (etterkoblet restvarmekjel) for samtidig elektrisitetsproduksjon og produksjon av nyttevarme for romoppvarming i boligområder. Nesten ingen ting er kjent om driftsmåte og konstruktiv oppbygning for de nødvendige anlegg som er egnet for praksis, som kan brukes ved gjennomføring av slike framgangsmåter. Det er også blitt foreslått kombinasjoner av brennstoffceller med dampturbiner og dampanlegg for å skaffe restvarme, og dessuten kombinasjoner av brennstoffceller/gassturbin/dampturbin og andre. Ved alle disse fram-gangsmåtene og anleggene dreier det imidlertid nesten utelukkende om forslag om virkningsgradsforbedring for meget omfattende omforming av termisk energi som er skaffet ved forbrenning til elektrisk energi. Herunder er den ene energimengden avhengig av den andre innenfor forholdsvis snevre grenser. Overskridelse av disse grensene fører uvegelig til driftsvanskeligheter og til dårlig økonomi. Særlig må nyttevarmen foreligge på bruksstedet, noe som ved alle kjente såkalte kraft/varme-koblinger ikke er tilfellet.

De bestående framgangsmåter og anordninger for energiomforming er utilfredsstillende. De konvensjonelle brennerene leverer bare termisk energi. Kraft/varme- koblingen er bundet til store ytelser og kan gjennomføres teknisk-økonomisk først over ca. 50 til 200 kW.

Det mekaniske omfanget til slike anlegg er stort. En frigjøring av den elektriske energiandelen fra det termiske energiinnholdet er i praksis ikke mulig. Det betyr at det må foreligge en bestemt minimal omsetningsmulighet for begge energiformer, betingelser som sjelden er tilfredsstillt i praksis.

Det eksisterer derfor et stort behov for å komme fram til framgangsmåter og anordninger som gir bedre mulighet for praktisk forsyning med elektrisk og termisk energi i husholdninger og industri, enn de nevnte konvensjonelle metoder og utstyr for energiomforming.

Som beskrivelse av teknikkens stilling kan det henvises til:

O.Antonsen, W, Baukal og W. Fisher, " Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie mit keramischem Elektrolyten". Brown Boveri Mitteilungen Januar/Februar 1966, Seiten 21-30.

US-A-4692274

US-A-4395468

DE-A-3716297

Formål

Oppfinnelsens hovedformål er å komme fram til en framgangsmåte og en anordning som har til mål å omforme den kjemiske energien i flytende og/eller gassformete brennstoffer til samtidig, men innbyrdes hovedsakelig uavhengig utvinning av termisk og elektrisk energi, idet det ønskes en høy virkningsgrad ved omformingen til elektrisk energi. Anordningen må være enkel i oppbygning og kunne tilvirkes med lave kostnader. Dessuten skal anlegget være særlig i ytelsesområdet for husholdninger og håndverk og også i små enheter sikre en høy total energi-omsetningsgrad og en høy driftssikkerhet.

Oppfinnelsen

Denne oppgaven blir løst ved at den nevnte framgangsmåten blir gjennomført som angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 1.

Oppfinnelsen omfatter dessuten et anordning som angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 7.

Eksempel

Oppfinnelsen skal nedenfor beskrives nærmere under henvisning til figurene som viser utførelseseksempler, idet

fig. 1 viser et flytskjema av det prinsipielle forløpet til stoffstrømmene ved framgangsmåten,

fig. 2 viser et flytskjema for framgangsmåten, med forkomprimerende oksygenbærer for brennstoffcella og forkomprimert forbrenningsluft,

fig. 3 viser et flytskjema for fremgangsmåten med forkomprimert oksygenbærer for brennstoffcella og ikke-forkomprimert forbrenningsluft,

fig. 4 viser et flytskjema for framgangsmåten med forkomprimert oksygenbærer for brennstoffcella og utelukkende bruk av rest- oksygeninnholdet i avgassen til den siste, som gassformet forbrenningsmedium,

fig. 5 viser et skjematisk langssnitt/oppriss av den prinsipielle oppbygningen av anordningen,

fig. 6 viser et skjematisk langssnitt/oppriss av en anordning med utforming av kantpartiet til beholderen som forvarmer for oksygenbæreren,

fig. 7 viser et skjematisk langsnitt/oppriss gjennom en anordning med utforming av kantpartiet til beholderen som varmeveksler, mens

fig. 8 viser et skjematisk langssnitt/sideriss gjennom en anordning med utforming av kantpartiet av beholderen delvis som forvarmer for oksygenbæreren, delvis som varme-utveksler.

I fig. 1 er det vist et flytskjema for det prinsipielle forløpet til stoffstrømmene til framgangsmåten. 1 er en primær-brennstoffstrøm som blir tilført med et visst overtrykk, i det foreliggende tilfellet CH4, generelt et vilkårlig gassformet eller flytende hydrokarboner CnHm, rent hydrogen eller karbomonooksid, eller en vilkårlig kombinasjon av disse gassene. Primær- brennstoffstrømmen 1 blir generelt først oppdelt i en delstrøm 2 med brennstoff for ei brennstoffcelle og en delstrøm 3 for brenneren. I linja til delstrømmen 2 ligger et styre/ reguleringsorgan 4 for denne delstrømmen og i linja til delstrøm 3 et styre/reguleringsorgan 5 for delstrømmen til brenneren. Organene 4 og 5 kan programmeres og innstilles fullstendig uavhengig av hverandre, slik at sett fra tilførselen av primærbrennstoff sikres en fullstendig uavhengighet i energiomformingen i termisk energi på en side og elektrisk energi på den andre, uten noen tap av brennstoffstrømmer som overskudd eller underskudd over hele driftsområdet. Ei brennstoffcelle 6 består av et oksygenbærer-kammer, et brenn-stoffkammer og en elektrolytt. Av termodynamiske grunner blir det i foreliggende tilfellet brukt ei brennstoffcelle med keramisk høytemperatur- fast elektrolytt. En brenner 7 brukes for omforming fra kjemisk til termisk energi. En oksygenbærer- strøm 8 som først står under atmosfæretrykk, i det foreliggende tilfellet generell luft 02+4N2. En kompressor (vifte) 9 brukes for komprimering av oksygenbæreren (luft). Oksygenbærer-strømmen blir etter kompressoren delt i to delstrømmer. Et styre/reguleringsorgan 10 regulerer del-strømmen til brennstoffcellene, mens et tilsvarende organ 11 regulerer delstrømmen til brenneren. Tilsvarende utgjør 12 en forkomprimert delstrøm av oksygenbæreren til brennstoffcellene, mens 13 er en forkomprimert delstrøm av oksygenbæreren for brenneren. Alternativt blir delstrømmen 13' av oksygenbæreren, beregnet for brenneren, avgreinet allerede foran kompressoren 9. Denne ikke-forkomprimerte delstrømmen 13' tilsvarer suge-drift (naturlig trekk) for en såkalt atmosfærisk brenner. En forvarmer 14 for oksygenbærer-strømmen 12 er koblet foran brennstoffcella 6 sitt oksygen-elektrode-kammer. En delavgass (02,N2) 15 fra oksygenelektrode-kamret, og en delavgass (H20, C02) 16 fra brennstoffelektrode-kamret til brennstoffcella 6, utgjør avgassene. 17 er brenneravgassen (H20, C2). Alle disse gassene blir ført sammen i den totale avgass-strømmen 25 fra brenneren 7 og brennstoffcella 6. De blir først tilført en etterbrenner 25 hvor samtlige gjenværende brenn-bare rester av brennstoffet blir oksydert under varmeutvikling. Den totale avgass-strømmen 25 strømmer nå gjennom en omformer 26 for behandling av primærbrennstoffet, hvor en del av dens entalpi blir trukket ut for å dekke energibehovet for den utslagsgivende endo-terme konverteringsreaksjonen

Innsprøytingen av vanndamp i primær-brennstoffet i konverteren eller omformeren 26 er antydet med symbolet H20. Den fremdeles meget varme total-avgass-strømmen 25 når nå inn i forvarmeren 14 for oksygenbæreren og brennstoff- fordamperen 27, hvor flytende primærbrennstoff blir omdannet til gassformete damper forut for konverteringen. Hoved-andelen av avgass-entalpien blir trukket ut av total-avgass-strømmen 25 i varmeveksleren 18. Her blir over vårmebæreren 19 den egentlige nyttevarmen utnyttet henholdsvis transportert bort fra anlegget. Midlet for denne varmeoverføringen er varmtvann, damp eller luft og kan tjene til romoppvarming, industriell oppvarming, til koking, til gjennomføring av kjemiske eller fysikalske prosesser. Den siste resten av den følbare varmen og en del av den latente varmen blir trukket ut av den totale avgass-strømmen 25 i en varmeveksler 24 for avgasskondensering, hvilken blir avkjølt av den kalde oksygenbærerstrømmen 8. På grunn av høy isolering og optimal føring av stoff- og energistrømmene blir det med dette kvasi-adiabate flytskjemaet oppnådd en meget høy total- energiomsetningsgrad (må ikke forveksles med "virkningsgrad").

I fig. 2 er det vist strømningsdiagrammet eller flytskjemaet for framgangsmåten med forkomprimert oksygenbærer for brennstoffcella og forkomprimert forbrenningsluft. Det totale kretsløpet for primærbrennstoffet med henvisningstall 1, 2, 3, 4, 5, 6 og 7 er uforandret i forhold til det generelle flytskjemaet i fig. 1. Den totale oksygenbærestrømmen 8 blir i kompressor 9 gitt et høyere trykk blir forgrenet, for sin gjennomløpsmengde påvirket i styre/reguleringsorganene 10 og 11 og når som delstrømmer 12 og 13 inn i brennstoffcella 6 henholdsvis brenneren 7. Det totale etterfølgende skjemaet er uendret og tilsvarer flytskjemaet i fig. 1. Stoffstrømmene 13' og 15 mangler. Dette flytskjemaet utgjør som konkret utførelsesform den vanligste og også den trolig hyppigste utførelsen. Henvisningstallene 14, 16, 17, 18, 19, 24, 25, 26, 27 og 28 tilsvarer nøyaktig tallene i fig. 1. Fig. 3 viser et flytskjema av en framgangsmåte med forkomprimert oksygenbærer for brennstoffcella og ikke forkomprimert forbrenningsluft. Den siste når direkte inn i den såkalte atmosfæriske brenneren 7, noe som er antydet med delstrømmen 13' for oksygenbæreren. Dette, tilsvarer sug-drift under påvirkningen av det normale trekket (ovnstrekk). Tilsvarende bortfaller styre/reguleirngsorganet 11 samt stoffstrømmene 13 og 15. Forløpet til den primære brennstoffstrømmen med henvisningstall 1,2, 3,4, 5, 6 og 7 forblir uendret. Alle de øvrige henvisningstallene tilsvarer tallene i fig. 1. Dette opplegget gir kostnads-messige fordeler for særlig enkle anlegg, da et styre/reguleringsorgan faller bort og kompressor 9 må dimensjoneres bare for den forholdsvis lave gjennomløpsmengden til delstrømmen 12 sammenlignet med den totale gjennomløpsmengden. Fig. 4 viser et flytskjema for framgangsmåten med forkomprimert oksygenbærer for brennstoffcella og utelukkende bruk av rest-oksygeninnholdet i avgassen til den siste som gassformet forbrenningsmedium. Forløpet til primærbrennstoffet tilsvarende henvisningstallene 1, 2, 3, 4, 5, 6 og 7 forblir uforandret i forhold til fig. 1. Kompressoren 9 er dimensjonert slik med hensyn til gjennomløpsmengde og trykk, at såvel brennstoffcella 6, som også brenneren 7 blir forsynt med tilstrekkelig oksygen. Det dreier seg her om en seriekobling av oksygenelektrode-kammer med brennstoffcella 6 og den etterkoblete brenneren 7. Som karakteristisk stoffstrøm blir her delavgassen 15 fra oksygenelektrode-kamret til brennstoffcella 6 tilført brenneren 7 med et visst overtrykk. Styre/reguleirngsorganet 11, samt stoffstrømmen 13 faller bort. De øvrige henvisningstallene tilsvarer tallene i fig. 1.

Når det gjelder gjennomføringen av ytterligere framgangsmåtevarianter, skal det gjøres oppmerksom på, at flytskjemaet i samsvar med fig. 4 kan kombineres med skjemaet i fig. 2 eller i fig. 3 med vilkårlig mengdeforhold for oksygenbærerstrømmene. Forløpet til primær-brennstoffet forblir alltid det samme. Kombinasjonen av flytskjema åpner en ytterligere tilpassingsmulighet for framgangsmåten.

I fig. 5 er det vist et skjematisk langssnitt/oppriss av den prinsipielle oppbygningen av anordningen. Figuren viser konstruksjonsprinsippet for hele anlegget, hvor alle vesentlige byggeelement og innretninger er forenet til ei meget kompakt blokk og integrert tilsvarende den framgangsmåten som er valgt. Anordningen består av en fortrinnsvis sylindrisk eller prismatisk beholder 20, i hvis indre brennstoffcella og brenneren samt forskjellige varmevekslere er anordnet, idet det på dennes øvre del er anordnet nyttevarme-anordningen og ytterligere apparater og på dens kappe forskjellig tilleggsutstyr. Oksygenbærer-strømmen 8 blir over en stuss ført inn i den øvre delen av beholderen 20, gjennomstrømmer varmeveksleren 24 for kjøling av den totale avgass-strømmen 25 og når over en sideveis anordnet ledning og kompressoren 9 til de nederst, sideveis anordnete styre/reguleringsorganene 10 og 11. Fra 11 når delstrømmen 13 over en ledning inn i bunnpartiet i brenneren 7 (her utformet som ringbrennerkammer), mens delstrømmen 12 som går ut fra 10 blir ført inn i kantområdet 21 til beholderen 20 og oppover, gjennomstrømmer den ringformet anordnete forvarmeren 14 og blir nedadgående tilført brennstoffcella 6 som er innebygd sentralt på det varmeste stedet. Primær- brennstoffstrømmen 1 blir over en stuss som befinner seg i den øvre tre-del av beholderens 20 yttervegg og en forgrening tilført styre/reguleirngsorganene 4 og 5. Delstrømmen 2 når over ei vertikal ledning til en brennstoff-fordamper 27 i det indre av apparatet, hvilken blir oppvarmet av den totale avgass-strømmen 25 fra brenneren og brennstoffcella. Fra her når brennstoffet over et sentralt rør vertikalt nedover og blir tilført omformeren 26 radialt utover (idet foreliggende tilfellet er denne utformet med en ringform) for å gjennomføre de endotermiske kjemiske reaksjonene (oppberedning, omforming i H2 og CO). Omformeren 26 befinner seg umiddelbart over brenneren 7 og blir dermed utsatt for den temperaturen som kreves for reaksjon. Det omformete brennstoffet (sekundærbrennstoff) blir først ført radialt innover og deretter sentralt, vertikalt nedover i brennstoffcella 6. Delavgassene 15 og 16 fra denne strømmer radialt utover, blir ombøyd og ført vertikalt oppover, hvor den blander seg med den likeens vertikalt oppoverstrømmende brenneravgassen 17 og regerer med hverandre i den direkte etterkoblete etterbrenneren 28 til fullstendig oksydasjon av det gjenværende restbrennstoffet. Delstrømmen 3 av brennstoffet, som er ført over styre/reguleirngsorganet 5, når over ei vertikal ledning som er anbragt på beholderens 20 yttervegg og en radial tilførsel inn i det indre og vinkelrett oppover direkte inn i den ringformete brenneren 7.1 det øvre, innover sterkt utvidete kantpartiet til beholderen 20 befinner det seg varmeveksleren som tjener til utnyttelse av nyttevarmen og som her er utformet som en vannkappedel 23. Varmeveksleren 18 blir gjennom-strømmet av varmebæreren 19, i det foreliggende tilfellet vann for romoppvarming og/eller tilberedning av bruksvann, i parallellstrøm, kryss-strøm eller motstrøm. For oppvarming av den totale avgass-strømmen 25 blir varmeveksleren gjennomkrysset av brenneren og brennstoffcella. I denne figuren er dette bare vist skjematisk. I virkeligheten opptar denne delen av anordningen vesentlig plass og er forsynt med rørledninger og gjennomkrysset av ledninger som skaffer den nødvendige varmeoverføirngsflata.

I fig. 6 er det vist et skjematisk langssnitt/sideriss av en anordning med utformingen av kantpartiet på beholderen som forvarmer for oksygenbærerstrømmen. Den totale øvre delen av beholderen 20 med innløpsstussen for strømmen 8, varmeveksleren 24 for kjøling av den totale avgass-strømmen 25, fordamperen 27 og varmeveksleren 18 som er utformet som vannkappedel 23 og som blir gjennomstrømmet av varmebæreren 19, er uforandret i forhold til fig. 5. Det samme gjelder for de aktive indre organene, såsom brennstoffcella 6, brenneren 7, omformeren 26, etterbrenneren 28 og den tilhørende føringen av de tilsvarende stoffstrømmene 2, 3, 13, 15, 16 og 17. Heller ikke de ledninger og tilleggsdeler, såsom inn-løpsstusser for primærbrennstoffstrøm 1, regulering/styreorganene 4, 5,10 og 11 og kompressoren 9, som er anordnet i den høyre billedhalvdelen, er forandret i forhold til fig. 5. Derimot er beholderens 20 brannparti 21 her utformet som forvarmer 14 for oksygen-bærerstrømmen (delstrøm 12) idet varmeoverføringen fra brenneravgassen 17 gjennom mellomveggen skjer radialt utover (idet foreliggende tilfellet betegnet "ensrettet strøm"). Det skulle gå fram, at denne varmeoverføringen ved liten tilpasning av føringen av del-strømmen 12 også kan skje etter prinsippet med tverrstrøm eller motstrøm.

Fig. 7 viser et skjematisk lengdesnitt/sideriss av en anordning med utforming av beholderens randparti som varmeveksler. Den totale indre og øvre delen av beholderen 20 tilsvarer utførelsen i samsvar med generelle konstruksjonsprinsipper for anordningen i fig. 5. Dette baserer seg særlig på enkeltdelene og stoffstrømmene som tilsvarer henvisningstallene 2, 3, 6, 7, 8,14, 15,16, 17, 23, 24, 25, 26„ 27 og 28). Kantpartiet 21 blir ført som i fig. 5 med deling mellom styre/reguleirngsorganene 4 og 5 og de tilsvarende forbrukerne i det indre av beholderen 20. Oksygenbærerstrømmen 8 blir oppdelt foran kompressoren 9, idet delstrømmen 13' som er beregnet for brenneren 7 blir tilført den atmosfæriske brenneren for naturlig lufttrekk (sugdrift). Delstrømmen 12, som er bestemt for brennstoffcella 6, blir over styre/reguleirngsorganet 10 og ei vertikal rørledning ført opp utvendig på beholderen 20, omsnudd og ført igjennom forvarmeren 14 og tilført mot brennstoffcella 6 fra oversida. Fig. 8 viser et skjematisk langssnitt/sideriss gjennom en anordning med utforming av beholderens 20 kantparti delvis som forvarmer for oksygenbærerstrømmen, delvis som varmeveksler. Enkeltdelene som er anordnet i det indre av beholderen 20 og en del av stoff-strømmene tilsvarende hensvisningstall 2, 3, 6, 7, 8,17, 23 (delvis), 24,25, 26, 27 og 28 er overtatt uforandret fra fig. 5. Det samme gjelder for innløpsstussen til primærbrennstoff-strømmen 1 og styre/reguleirngsorganene 4 og 5, som er festet på høyre side av beholderen 20. Oksygenbærerstrømmen 8 blir i kompressoren 9 på høyre side av beholderen 20 komprimert og over det eneste styrings/reguleringsorganet 10 først tilført varmeveksleren 18 som er anbragt i den nedre halvdelen av vannkappedelen 23 til beholderens 20 randparti, som delstrøm 12 for brennstoffcella 6. Deretter når oksygenbærerstrømmen den over-liggende forvarmerdel 22 til beholderens 20 kantparti, hvor forvarmeren 14 (i det foreliggende tilfellet etter parallellstrømprinsippet) befinner seg. Det totale kantpartiet 21 til beholderen fører her dessuten i det ytre området varmebæreren 19 en kanal (rørledning eller vannkappe) oppover. Ved utløpet fra brennstoffcella 6 blir delavgassen 16 til brennstoffelektrode-kamret ført radialt utover, deretter oppover i etterbrenneren 28, mens delavgassen 15 fra oksygen-elektrodekamret blir ført nedover i et sentralt rør, radialt utover og tilført brenneren 7 nedenfra.

Utførelseseksempel 1:

Se fig. 2 og 6.

Framgangsmåten for omforming av kjemisk energi i termisk og samtidig direkte i elektrisk energi ble gjennomført etter flytskjemaet i fig. 2 i en anordning i samsvar med fig. 6. For dette formål forelå det en sylindrisk beholder 20 av stålplate, med vertikal akse, hvis utvendige dobbeltkappe isolert med keramikk-ull var utformet opp til ca. 2/3 av sin høyde som forvarmer 14 for oksygenbærerstrømmen (luft 02+4N2) I den øvre tredel besto apparatet hovedsakelig av den varmeveksleren 24 for kondensasjon av avgass, varmeveksleren 18 for nyttevarmen i form av en sylindrisk varmtvannskjel for gjennomstrømning av varmebæreren 19 (H20) og brennstoff-fordamperen 27. Anordningen ble drevet med en levert svovelfri lettolje som primærbrennstoff 1 (CnHm), som forutsatte en fordamping. Omtrent i halv høyde av beholderen 20 var det i dens indre anbragt en omformer 26 for behandling av primærbrennstoffet, hvilket under innsprøyting av H20 hovedsakelig ble omsatt til en blanding av CO og H2. Da denne reaksjonen forløp endoterm, befant omformeren 26 seg i umiddelbar nærhet av det sentralt anordnete batteri av brennstoffceller 6, brenneren

7 og etterbrenneren 28. Brennstoffcellene 6 var keramiske høytemperaturceller med fast

stoff elektrolytt i plattform av 100 mm x 100 mm aktive ensidig overflate. Det var totalt 2 rekker hver på 50 celler, hver rekke sammenbygd til en stabel. Planene til elektrolyttplatene stod vertikalt og ble bestrøket ovenfra og nedad av de gassformete medier. Den elektriske seriekobling ga en total tomgangsspenning på 102 V. Ved en nominal strøm på 40A (strøm-tetthet=0,2A/CM<2>) utgjorde spenningen 70V, noe som ga en likestrømsytelse på 1,4 kW. Likestrømmen ble i en vekselretter omformet i vekselstrøm med 220 V. De gjennom-snittlige temperaturene på brennstoffcellene 6 utgjorde 880°C. De ble over termostater, som innvirket på styre/reguleirngsorganene 4 og 10, holdt konstant i et snevert område.

Oksygenbærerstrømmen 8 bestod i det foreliggende tilfellet av atmosfærisk luft, som i kompressoren 9 ble ført til et nødvendig overtrykk for tilfredsstillende drift. I det foreliggende tilfellet ble stoffstrømmene til de gassformete mediene innstilt slik, at ca. 15% av den kjemiske energien til primærstoffet ble omformet til elektrisk energi, resten i termisk energi. Herunder ble prosessen slik styrt, at det totale, i brennstoffcellene 6 ikke - forbrukte sekundærbrennstoff ble forbrent i etterbrenneren 28. Den siste leverer en betydelig andel av den varmeenergien som kreves i omformeren 25. Dermed ble varmetap ungått i stor utstrekning og anleggets virkningsgrad øket.

Den kjemiske ytelsen til primærbrennstoffstrømmen 1 utgjorde ca. 9,4 kW, den elektriske likestrømsytelsen 1,4 kW, den termiske ytelsen (nyttevarme 7,8kW). Den totale energiutnyttelsesgraden utgjorde dermed ca. 98%. Primærbrennstoffstrømmen 1 oppnådde en gjennomsnittsverdi på 0,75 kg/h lettolje.

Utførelseseksempel 2.

se fig. 3 og 7.

Framgangsmåten ble gjennomført etter flytskjemaet i fig. 3 i en anordning som omtrent tilsvarte fig. 7. En såkalt "brermverdikjel" (kondensasjonskjel) for gassfyring ved hjelp av en atmosfærisk brenner 7 ble i det indre av dens nedre del innenfor det kantparti 21 av beholderen 20, som er utformet som varmeveksler 18 (vannkappe) forsynt med en innsats som i sin nedre del hadde en innskyvningsåpning. I denne åpningen var det bygget inn et batteri av keramiske høytemperatur-brennstoffceller 6. Batteriet bestod av to rekker, hver med 50 plateformete enkeltceller med keramiske fastelektrolytter med 100 mm x 100 mm aktiv ensidig overflate. Brennstoffcellene, som var anordnet med sine plan vertikalt, ble elektrisk koblet i serie, noe som ga en total tomgangsspenning for hele batteriet på 103V. Ved belastning med en nominell strøm på 20A (strømtetthet = 0,2 A/cm2) utgjorde celle-spenninga 72V, noe som tilsvarte en likestrømsytelse på 1,44 kW. Likestrømmen ble med en vekselretter omformet til vekselstrøm med 220V spenning og matet inn i det offentlige nettet. Temperaturen i brennstoffcella utgjorde gjennomsnitt 870°C og ble over en termostat holdt i et snevert området. Den siste styrte et styre/reguleringsorgan 4 som virker på til-førselen av brennstoffmengde (2) såvel som et styre/reguleringsorgan 10 for lufttilførselen.

Brennstoffcellene 6 ble drevet med jordgass (innløp for primær-brennstoffstrømmen 1) og luft (innløp for oksygenbærer-strømmen 8). En fordampning ble unødvendig, slik at brennstoff-fordamperen 27 kunne forbigås. Tilførselen av disse gassformete mediene skjedde med høyt overskudd målt i teoretisk behov for brennstoffcellene 6, slik at bare en del (i det foreliggende tilfellet ca. 10%) av den kjemiske energien ble omsatt i elektrisk energi. Den langt største delen ble i en uavhengig atmosfærisk brenner 7 og i en etterbrenner (28) som var koblet etter brennstoffcellene 6 omsatt i varme for å gjennomføre den fullstendige oksydasjonen av restbrennstoffet. En del av det siste som befinner seg på høyt temperaturnivå tjente til forvarming (14) av delstrømmen 12 av luft til brennstoffcellene 6, en del som befinner seg på lavere temperaturnivå tjente til oppvarming av varmeveksleren 18 utformet som vannkappe. De allerede avkjølte forbrenningsgassene ble tilført en etterkoblet varmeveksler 24 (med avgasskondensasjon) og avkjølt til ca. 50°C. Herunder kondenseres en del av den vanndampen som ble dannet ved forbrenningen til vann. Den avgitte kondensasjonsvarmen ble tilført oksygenbærerstrømmen 8.

Ved en gasstilførsel ved brennstoffinnløpet 1 som tilsvarer en kjemisk ytelse på 14,3 kW ble det fastslått en elektrisk likestrømsytelse på 1,44 kW og en varmeytelse på 12,76 kW. Pga. fremragende isolering av kjelen var varmetapene praktisk neglisjerbare. Den ytterligere varmegjenvinningen gjennom delvis kondensasjon av avgassene, førte til en total energi-nyttekoeffesient på ca. 99%. Fordi elektrisk energi og varme kan ha forskjellig exergetisk vekt, skal det i denne sammenhengen ikke tales om en "total virkningsgrad".

Utførelseseksempel 3:

se fig. 4 og 8.

For å gjennomføre framgangsmåten i samsvar med flytskjema 4 ble det brukt en anordning i samsvar med fig. 8. En sylindrisk, vertikaltstående beholder 20 av stålplate, isolert med ei keramikkmatte, opptok i sitt kantområdet 21 i sin nedre halvdel i vannkappedelen 23 en varmeveksler 18 for avgivelse av nyttevarme, som blir gjennomstrømmet nedenfra og oppover av varmebæreren 19 (H20). Over dette befant det seg i den øvre halvdelen i forvarmedelen 22 til kantpartiet til den forvarmer 14 som blir gjennomstrømmet nedenfra og oppover av delstrømmen 12 til oksygenbæreren (02+4N2). I det foreliggende tilfellet var delstrømmen 12 identisk med den opprinnelige, tilførte oksygenbærerstrømmen 8. Den øverste delen av apparatet var hovedsakelig likt som i eksempel 1 (se fig. 6) og fikk en varmeveksler (24) for avgasskondensasjon og brennstoff-fordamperen 27. Anlegget ble drevet med flytende gass som primærbrennstoffstrøm 1 (CnHm). Den indre oppbygningen til anordningen med omformer 26, brennstoffceller 6, brenner 7 og etterbrenner 28 tilsvarte omtrent eksempel 1. Brennstoffcellene, som var sammenbygd i stabler på 50 elementer i hver, var de samme som i eksempel 1. Det forelå totalt to stabler, hvis plateformete celler var anordnet med sine plan vertikalt. Ved seriekobling ble det ved en nominal strøm på 20A (strømtetthet=0,2A/cm2) og en spenning på 73V, oppnådd en likestrømsytelse på 1,46 kW. Den gjennomsnitlige temperaturen til brennstoffcellene utgjorde ca. 875°C. For ytelsesinn-stillingen var styre/reguleirngsorganene 4 og 6 ansvarlige.

Oksygenbærerstrømmen 8 (02+4N2) ble innstilt gjennom ett enkelt styre/ reguleringsorgan 10. Såvel den brenneren som er utformet som ringbrennkammer, som også etterbrenneren 28, fikk ubundet oksygen bare over brennstoffcellene 6 i form av delavgassen 15 (02,N2) til oksygen-elektrodekammeret. I det foreliggende tilfellet ble stoffstrømmene til det gassformete mediet instilt slik at ca. 8% av den kjemiske energien til primærbrennstoffet blir omformet i elektrisk energi, og resten i varme.

Den kjemiske ytelsen til primærbrennstoffstrømmen 1 utgjorde 18,3 kW, den elektriske likestrømsytelsen 1,46 kW, den termiske nytteeffekten 16,4 kW. Den totale energi-omformingsgraden utgjorde følgelig knapt 97%. Forbruket av primærbrennstoff var ca. 1,8 kg/h flytende gass.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til utførelseseksemplet.

Framgangsmåten for omforming av kjemisk energi til et flytende og/eller fast brennstoff i termisk energi for å skaffe varme til husholdninger eller industri, til kjemiske eller metallurgiske omforminger av alle slag ved hjelp av en brenner og samtidig direkte i elektrisk energi ved hjelp av ei brennstoffcelle, på den måten, at bare en del av den kjemisk bundne energien til primærbrennstoffet blir omformet til varme, mens resten samtidig blir overført direkte i elektrisk energi, blir gjennomført idet primærbrennstoffstrømmen 1, som blir tilført under overtrykk, blir oppdelt i minst to parallelle delstrømmer 2;3, idet minst hver en delstrøm blir styrt/regulert separat (ved 4;5) og brennstoffcellene 6 på en side og brenneren 7 på den andre blir matet separat, slik at det skjer en fullstendig skille mellom den elektriske energistrømmen og den termiske energistrømmen i et vilkårlig prosentuelt forhold, avhengig av de respektive lokale og tidsmessige behov, og strømmen 12 til den oksygenbæreren som skal mate brennstoffcella 6, blir forvarmet i motstrøm til de felles avgasser 25 fra brennstoffcella 6 og brenneren 7, dessuten blir den termiske energien til nevnte avgassene utnyttet ved omfattende avgivelse av den følbare varmen, på en side til den del av primærbrennstoffet som er bestemt for brenneren 7 for behandling av dette, så som fordamping 27, omforming 26 i egnete gasser og gjennomføring av vanngassreaksjonen, samt på den annen side hovedsakelig blir utnyttet ved en gassformet og/eller flytende varmebærer 19, idet ytterligere en del av den latente varmen i avgassene gjennom kondensasjon 24 blir benyttet minst en del av dens vanndampinnhold til en første forvarming av oksygenbæreren 8, og oksygenbærerstrømmen 8 blir oppdelt valgvis i styrbare/ regulerbare delstrømmer 12;13, eller som helhet blir ført tilbake i prosessen og det av termodynamiske grunner er anordnet ei keramisk høytemperatur-faststoff-elektrolyttcelle som brennstoffcelle 6 og som i det minste for en del blir oppvarmet ved direkte varmeover-føring fra varmebrenneravgasser 17 ved hjelp av konveksjon, varmeledning og stråling, og holdt på den nødvendige driftstemperaturen.

Ved den første utførelsesform av framgangsmåten ble oksygenbærerstrømmen 8 først forkomprimert. ved 9, oppdelt i det minste med en delstrøm 13 for brenneren 7 og en parallellkoblet delstrøm 12 for brennstoffcella 6 og hver delstrøm 12; 13 ble separat styrt/ regulert 10; 11, slik at det til hver tilordnet delstrøm 2;2 av primærbrennstoffet blir tilført den oksygenmengden, som er nødvendig for en fullstendig uavhengig omsetning i elektrisk og termisk energi i betydningen adskillelse, avhengig av behovet. Ved en andre utførelses-form av framgangsmåten blir den del av oksygenbærerstrømmen 8 som er beregnet for brenneren avgreinet uten forkomprimering, under bruk av det naturlige suget til en atmosfærisk brenner 7 og bare den delen 12 som er bestemt for brennstoffcella blir forkomprimert, separat styrt/regulert ved 10 og tilført den siste. Ved en ytterligere utførelses-form av framgangsmåten blir oksygenbærerstrømmen 8 først forkomprimert ved 9 som en helhet, styrt/regulert ved 10, tilført brennstoffcella 6, der tilsvarende ettervarmet og tilført brenneren 7 som er etterkoblet brennstoffcella i serie, som reststrøm i form av delavgass-strømmen 15 fra oksygenelektrode-kammeret.

Fortrinnsvis blir framgangsmåten utført slik, at den delstrømmen 2 av primærbrennstoff-strømmen 1 som blir tilført brennstoffcella 6 blir styrt slik med hensyn til sammensetningen og mengden av organet 4 som er koblet foran brennstoffcella 6, at det etter gjennom-strømmingen av brennstoffcella 6 blir igjen en ytterligere oksyderbar bestanddel, og at den tilsvarende delavgass-strømmen 16 fra brennstoffelektrode-kammeret blir tilført brenneren 7 som ekstra brennstoff. Det er i første omgang fordelaktig ved oppstartingen av brennstoffcella 6 å koble bort (ved 4) dens delstrøm 2 av primærbrennstoffet fullstendig og bringe brennstoffcella 6 på driftstemperatur under unngåelse av tilførsel av elektrisk energi, bare for en del ved direkte varmeoverføring fra varme brenneravgasser 17 ved hjelp av konveksjon, varmeledning og stråling, for det andre av den delstrømmen 12 av oksygenbæreren som blir indirekte oppvarmet av brenneravgassene 17.

Anordningen for gjennomføring av framgangsmåten til omforming av kjemisk energi i et flytende og/eller fast brennstoff til termisk energi og samtidig direkte til elektrisk energi har en brenner 7 og en etterbrenner 28 for omsetning til varme, ei brennstoffcelle 6 for omsetning til elektrisk energi, en innretning 18 for overføring og utnyttelse av den termiske energiandelen i form av en varmekjel eller dampprodusent og minst en varmeveksler for tilbakeføring og utnyttelse av minst en del av varmen i kretsløpet, idet såvel brenneren/ brennerne 7 som også brennstoffcella/brennstoffcellene 6 og dessuten samtlige elementer

(varmevekslere 18;24, forvarmere 14, brennstoff-fordamper 27 og omformer 26), som på en eller annen måte tjener en varmeoverføring i kretsløpet, er plassert og integrert fullstendig stedlig/geometrisk i en utad termisk isolert, fullstendig lukket beholder 20, som tjener til føring av de gassformete medier, og som er utformet som varmtvanns-kjel og/eller dampprodusent og/eller luftvarmer 18 og/eller omformer 26, og brennstoffcella 6 i sentrum av området med høy temperatur, omgitt av en brenner 7 og en etterbrenner 28 som er utformet som ringbrenner eller ringbrennkammer.

Fortrinnsvis er anordningen slik konstruert, at kantpartiet 21 til beholderen 20 som danner det bærende huset er utformet som forvarmer 14;24 for den strøm av oksygenbærer som skal tilføres i form av en luftstrøm, eller som varmeveksler 18 i form av ei vannkappe til en varmekjel og/eller varmtvannsprodusent og/eller som dampkappe til en dampprodusent og/eller overvanner og/eller som direkte luftoppvarmer og/eller som varmeveksler for andre medier eller delvis som forvarmer 14 for strømmen 12 av oksygenbærer som skal tilføres, delvis som varmeveksler 18 i form av ei vannkappe eller dampkappe og/eller overvanner eller luftvarmer, slik at forvarmerdelen 22 for oksygenbærerstrømmen 12 er anordnet stedlig over eller under vannkappedelen 23 eller innenfor eller utenfor vannkappedelen 23 eller geometrisk i vertikal eller horisontal retning sammenkoblet med denne, innbyrdes sammenbygd sammensnodd, eller anordnet i sikksakk, idet termodynamisk sett finnes enten flere varmevekslere 14;18;24 som ligger i serie eller parallell eller en enkelt multipel-varmeveksler 14/18/24, og at vifta 9 som kreves for komprimering av oksygen-bærerstrømmen 12 er flenset direkte på beholderen 20 og forbundet med denne til en driftsenhet.

Fordeler ved oppfinnelsen:

- fullstendig adskillelse av omsetningen av kjemisk energi i varme og i elektrisk energi, dvs. absolutt fritt valg i ytelsesfordeling etter stedlige og tidsbundne behov.

- Enkel ytelsesstyring.

- Ingen skadelige emisjoner, ingen støy.

- Høy energiutnyttelsesgrad også ved små anlegg.

- Lave tap gjennom skadelig varmeavgivelse som kan belaste omgivelsene.

- Enkelt vedlikehold.

- Kompakt, romsparende konstruksjon.

Claims (10)

1. Framgangsmåte for omforming av kjemisk energi i et flytende og/eller fast brennstoff til termisk energi, for å skaffe varme i husholdninger eller til industriformål, for kjemiske og metallurgiske omforminger av alle slag ved hjelp av en brenner og samtidig direkte til elektrisk energi, ved hjelp av ei brennstoffcelle, hvor bare en del av den kjemisk bundne energien til primærbrennstoffet blir omformet til varme, idet resten samtidig blir direkte omformet til elektrisk energi, karakterisert ved at en primærbrennstoffstrøm (1) som tilføres under overtrykk, blir delt opp i minst to parallelt førte delstrømmer (2;3), idet minst en av delstrømmene er separat styrt/regulert (4;5) og blir tilført brennstoffcella (6) på en side og brenneren (7) på den andre hver for seg, slik at det skjer en fullstendig adskillelse av den elektriske energistrømmen fra den termiske energistrømmen i et vilkårlig prosentuelt forhold, styrt av de respektive stedlige og tidsmessige behov, og at strømmen (12) av den oksygenbæreren som skal mate brennstoffcella (6) blir oppvarmet i motstrøm av de felles avgasser (25) fra brennstoffcella (6) og brenneren (7), at dessuten den termiske energien til de nevnte avgassene blir utnyttet ved langt-gående avgivelse av deres følbare varme, på en side til den del av primærbrennstoffet som er bestemt for brenneren (7), for dettes bearbeidelse, såsom fordampning (27), omforming (26) i egnete gasser og gjennomføring av vanngassreaksjonen, samt på den annen side hovedsakelig til en gassformet eller flytende varmebærer (19), at dessuten en del av den latente varmen i avgassen blir benyttet ved kondensasjon (24) av minst en del av dens vanndampinnhold, til en første forvarming av oksygenbæreren (8), samt at oksygenbærerstrømmen (8) blir oppdelt valgvis i styrbare/ regulerbare delstrømmer (12;13) eller som helhet blir ført i prosessen, og at det av termodynamiske grunner brukes som brennstoffcelle (6) ei keramisk høytemperatur-faststoff elektrolyttcelle, som i det minste for en del blir oppvarmet og holdt på den nødvendige driftstemperaturen ved direkte varmeoverføring av varme brenneravgasser (17) gjennom konveksjon, varmeledning og stråling.

2. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at oksygenbærerstrømmen (8) først blir forkomprimert (9), oppdelt i minst en delstrøm (13) for brenneren (7) og en til denne parallellkoblet delstrøm (12) for brennstoffcella (6), og hver delstrøm (12;13) blir separat styrt/regulert (10; 11), slik at hver tilordnet delstrøm (2;3) av primærbrennstoffet blir tilført den oksygenmengden, som er nødvendig for en fullstendig uavhengig omsetning i elektrisk og termisk energi, for å kunne oppnå uavhengighet styrt av behovene.

3. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at den delen av oksygenbærerstrømmen (8) som er bestemt for brenneren (7) blir avgreinet uten forkomprimering, under utnyttelse av den naturlige sugtrekken til en atmosfærisk brenner (7) og bare den delen (12) som er bestemt for brennstoffcella (8) blir forkomprimert, separat styrt/regulert (10) og tilført brennstoffcella.

4. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at oksygenbærerstrømmen (8) først blir komprimert (9) som en helhet, styrt/regulert (10), tilført brennstoffcella (6), der tilsvarende ytterligere oppvarmet og som reststrøm i form av delavgass-strømmen (15) fra oksygenelektrode-kammeret tilført brenneren (7), som er seriekoblet med brennstoffcella etter denne.

5. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at den delstrømmen (2) av primærbrennstoffstrømmen (1), som blir tilført brennstoffcella (6), blir slik styrt/regulert med hensyn på sammensetning og mengde, ved hjelp av et organ (4) som er koblet foran brennstoffcella (6), at det etter gjennom-strømning av brennstoffcella fremdeles er igjen en ytterligere oksyderbar bestanddel, og at den tilsvarende delavgass-strømmen (16) fra brennstoffelektrode-kammeret blir tilført brenneren (7) som ekstra restbrennstoff.

6. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at det for driftsstart av brennstoffcella (6) blir først dens delstrøm (2) av primærbrennstoffet fullstendig utkoblet (4) og brennstoffcella (6) blir brakt på driftstemperatur under unngåelse av tilførselen av elektrisk energi bare for en del ved direkte varmeoverføring fra varmebrenneravgasser (17) ved hjelp av konveksjon, varmeledning og stråling, og utover det med den delstrøm (12) av oksygenbæreren, som er indirekte oppvarmet av brenneravgassene.

7. Anordning for gjennomføring av framgangsmåten for omforming av kjemisk energi i et flytende og/eller fast brennstoff til termisk energi og samtidig direkte til elektrisk energi, i samsvar med patentkrav 1, idet den omfatter en brenner (7) og en etterbrenner (28) for omforming til varme, ei brennstoffcelle (6) for omforming til elektrisk energi, en anordning (18) for overføring og utnyttelse av den termiske energiandelen i form av en varmekjel eller dampprodusent og minst en varmeveksler for tilbakeføring og utnyttelse av minst en del av varmen i kretsløpet, karakterisert ved at såvel brenneren/brennerene (7) som også brennstoffcella/ brennstoffcellene (6) og samtlige element som på en eller måte tjener en varmeoverføring i kretsløpet (varmeveksler 18;24, forvarmer (14), brennstoff-fordamper (27) og omformer (26)) er plassert og integrert stedlig/geometrisk fullstendig i en utad termisk isolert, fullstendig lukket beholder (20) som tjener til føring av de gassformete mediene og som er utformet som varmtvanns-varmekj el og/eller dampprodusent og/eller luftvarmer (18) og/eller omformer (26), idet brennstoffcella (6) er anordnet i sentrum av området med høy temperatur, omgitt av brenneren (7) og etterbrenneren (28), som er utformet som ringbrenner eller ringbrennkammer.

8. Anordning i samsvar med patentkrav 7, karakterisert ved at kantpartiet (21) til beholderen (20) som utgjør det bærende huset er utformet som en forvarmer (14, 24) for oksygenbærerstrømmen som skal tilføres, i form av en luftstrøm, og at vifta (9) som kreves for komprimering av oksygenbærerstrømmen (12) er flenset direkte på beholderen (20) og forbundet med denne til en driftsenhet.

9. Anordning i samsvar med patentkrav 7, karakterisert ved at kantpartiet (21) til beholderen (20) som utgjør det bærende huset er utformet som varmeveksler (18) i form av ei vannkappe til en varmekj el og/eller en varmt-vannsbereder, og/eller som dampkappe til en dampprodusent og/eller overvanner, og/eller som direkte luftvarmer og/eller som varmeveksler for andre medier.

10. Anordning i samsvar med patentkrav 7, karakterisert ved at kantpartiet (21) til beholderen (20) som utgjør det bærende huset er utformet som forvarmer (14) for oksygenbærerstrømmen (12) som skal tilføres, delvis som varmeveksler (18) i form av ei varmekappe eller dampkappe og/eller overvanner eller luftvarmer, slik at forvarmedelen (22) for oksygenbærerstrømmen (12) er anordnet lokalt over eller under vannkappedelen (23) eller inne i eller utenfor vannkappedelen (23) eller sammenbygget, innbyrdes snodd eller anordnet i sikksakk i vertikal eller horisontal retning med den siste, idet det termodynamisk sett enten finnes flere seriekoblete eller parallell koblete varmevekslere (14;18;24) eller en enkelt multippel-varmeveksler (14/18/24).