NO336696B1

NO336696B1 - SOFC-system for generering av elektrisk energi ved kombinering av oksygen med en brenselgasstrøm

Info

Publication number: NO336696B1
Application number: NO20072842A
Authority: NO
Inventors: John Schild
Original assignee: Htceramix Sa
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2015-10-19
Also published as: KR101252022B1; CA2624713C; PL1807894T3; US20090202878A1; NO20072842L; SI1807894T1; JP4852047B2; KR20070102994A; DK1807894T3; EP1807894A1; JP2008519390A; WO2006048429A1; CA2624713A1; EP1807894B1; EP1653539A1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et SOFC-system (solid oxide fuel cell) for generering av elektrisk energi ved kombinering av oksygen med en brenselgasstrøm, innbefattende en brenselcelle og en varmeveksler.

Brenselceller som genererer elektrisk energi med elektrokjemisk kombinering av hydrogen og oksygen er velkjente. I én utførelsesform av en slik brenselcelle er et anodisk lag og et katodisk lag atskilt med en elektrolytt i form av et fast keramisk oksid. En slik brenselcelle er kjent som en SOFC (solid oxide fuel cell). En brenselgasstrøm som innbefatter hydrogen, enten i ren form eller reformert fra hydrokarboner, og oksygen, typisk luft, bringes inn i brenselcellen. Et fullstendig SOFC-system innbefatter typisk hjelpe-subsystemer for blant annet generering av brenselgasstrømmen ved omforming av hydrokarboner til karbonmonoksid og hydrogen, for tempering av det reformerte brenselet og luft som går inn i brenselcellen, for tilveiebringelse av luft til katoden for reaksjon med hydrogen i brenselcellen, for tilveiebringelse av luft for kjøling av brenselcellestabelen, og for brenning av ubrukt brensel i en etterbrenner. Et slikt hjelpe-subsystem kan være meget komplisert sammenlignet med selve brenselcellen. US 2001/049039 beskriver et slikt SOFC-system som eksempelvis innbefatter en separat varmeveksler med et antall kanaler og gassinnløp og -utløp. Varmeveksleren består av en serie av forbundne platestrukturer med opptil flere hundre metallplater. Dette systemet er ganske dyrt og er lite pålitelig.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å bedre denne type SOFC-system på en slik måte at systemet som sådan kan forenkles.

Denne hensikt oppnås med et SOFC-system med de trekk som er angitt i patentkrav 1. De uselvstendige patentkravene 2-24 beskriver ytterligere fordelaktige utførelser.

Det er således et oppfinnsomt konsept å integrere og termisk koble en brenselkanal med en varmeveksler, idet varmeveksleren er en enhet atskilt fra brenselcellen og bestående av keramisk materiale. I en foretrukket utførelse er varmeveksleren og brenselcellen kombinert med hverandre på en slik måte at varmeveksleren er anordnet direkte ved brenselcellen, og slik at korresponderende innløpsåpninger og utløpsåpninger i brenselcellen og i varmeveksleren, hvilke åpninger muliggjør en gasstrøm mellom brenselcellen og varmeveksleren, er anordnet overfor hverandre. I et slikt arrangement kan det oppnås en direkte strømning fra varmeveksleren og til brenselcellen. Varmeveksleren innbefatter ulike transportmidler som er anordnet slik at en separat såkalt manifold eller forgrening kan utelates. Med andre ord innbefatter varmeveksleren ulike transportmidler og utgjør derfor en slags manifold. Varmeveksleren, som består av keramisk materiale med dårlig termisk ledningsevne, danner også et varmeisolasjonselement mellom den siden som er rettet mot brenselcellesiden med høy gasstemperatur, og den motliggende siden med lav gasstemperatur. Som følge av denne koblingen spares plass, fordi man kan utelate et ekstra hus og rørsystemer, og fordi den dårlige termiske ledningsevnen til en liten varmeveksler vil være tilstrekkelig til å skille høytemperatursiden fra lavtemperatursiden. I tillegg vil fremstillingskostnadene for varmeveksleren være lave, hvilket medfører et brenselcellesystem med redusert plassbehov og reduserte kostnader. Brenselkanalen i varmeveksleren kan innbefatte en katalytisk brenselprosessor. For å øke forvarmingen av luften kan varmeveksleren innbefatte et kammer som muliggjør at restgassen fra brenselcellen kan utsettes for en etterbrenning. Som følge av en suksessfull forbrenning i varmeveksleren blir denne restenergien også, i det minste delvis, tilført til reaktantene, som skal oppvarmes. Fortrinnsvis benyttes luft eller oksygen for dette formålet. For å bedre styringen av reaktantens temperatur og dens mengde kan varmeveksleren innbefatte et separat luftstrøm-forbiløp, som går over i den forvarmede luftstrømmen før inngangen i brenselcellen. En temperatursensor, et styresystem og en ventil kan egne seg for styring av temperaturen og/eller mengden av den luftstrøm som tilføres brenselcellen. Dessuten vil hele brenselcellesystemet kunne gis en meget liten utforming, fortrinnsvis i form av en stabel, med brenselcellen anordnet på toppen av varmeveksleren. Dessuten kan alle transportmidlene mellom brenselcellen og varmeveksleren kunne bli anordnet i det området som er felles for varmeveksleren og brenselcellen, hvilket muliggjør en oppbygging av en stabel som, sett fra utsiden, ikke har noen synlig forbindelse mellom brenselcellen og varmeveksleren.

Disse og andre trekk og fordeler med oppfinnelsen vil gå frem av den etterfølgende beskrivelse av visse utførelseseksempler av oppfinnelsen, under henvisning til tegningen, hvor like komponenter er gitt like henvisningstall. På tegningen viser:

Fig. 1 et skjematisk bilde av et SOFC-system,

Fig. 2 er et isometrisk snitt gjennom et SOFC-system,

Fig. 3 er et isometrisk snitt gjennom et annet SOFC-system,

Fig. 4 er et isometrisk riss av en varmeveksler,

Fig. 5a er et snitt gjennom varmeveksleren etter linjen A-A i fig. 4,

Fig. 5b er et snitt gjennom varmeveksleren etter linjen B-B i fig. 4,

Fig. 6 er et isometrisk riss av SOFC-systemet, sett nedenfra,

Fig. 7 er et skjematisk bilde av et annet SOFC-system uten et luftstrøm-forbiløp,

Fig. 8 er et skjematisk bilde av en brenselcellestabel med intern forgrening,

Fig. 9 er et skjematisk bilde av en brenselcellestabel med intern brenselgass- og luftforgrening, men med ekstern avgass-forgrening, Fig. 10 er et skjematisk bilde av en brenselcellestabel med kombinert ekstern luft-og intern brenselgass-forgrening,

Fig. 11 er et skjematisk bilde av en brenselcellestabel med ekstern forgrening,

Fig. 12 er et isometrisk snitt av nok et SOFC-system, og

Fig. 13 er et isometrisk snitt gjennom nok en varmeveksler.

Fig. 1 viser et SOFC-system 1 med en grensesnittbasis 2, en varmeveksler 3 og en høy temp eraturenhet 4, innbefattende SOFC-brenselcelle 5 og isolasjon 6. Grensesnittbasisen 2, varmeveksleren 3 og brenselcellen 5 er anordnet over hverandre, slik at det dannes et stabelarrangement. Denne stabelen kan anordnes på ulike måter, eksempelvis omvendt den som vist i fig. 1, med brenselcellen i bunnen og grensesnittbasisen 2 øverst. Brenselcellen 5 tilføres en luftstrøm A og en brenselgasstrøm RI. I brenselcellestabelen skjer det en elektrokjemisk reaksjon 5a. En katodeavgass A3 og en anodeavgass R2 går ut fra brenselcellestabelen. Katodeavgassen A3 vil typisk primært være luft (oksygensvekket). Anodeavgassen R2 inneholder ikke-oksidert brenselandeler, så som karbonmonoksid, hydrogen med noen hydrokarbonrester.

Varmeveksleren 3 har en første fluidstrekning 3 a, en andre fluidstrekning 3c og en brenselkanal 3f, som alle kan være termisk koblet i den katalytiske brenselprosessoren 3e. Varmeveksleren 3 består av keramisk materiale med ulike gasstrømtransportmidler. Grensesnittbasisen 2 er forbundet med en reaktantgasstilførsel 7, et avgassutløp 9 og en lufttilførsel 8 som går til en ventil 2f, som betjenes elektrisk ved hjelp av en driver 14. Forholdet mellom luftstrømmen Al og forbiløpsluftstrømmen A2 kan varieres avhengig av ventilens 2f stilling. Luftstrømmen Al forvarmes ved at den først går i den første fluidstrekningen 3a i varmeveksleren 3. Anodeavgassen R2 og katodeavgassen A3 går til en etterbrenner 30, som er en del av varmeveksleren 3. Etterbrenneren 3o brenner ubrukt brensel i SOFC-avgassen. Etterbrenneren 3o kan være et separat kammer i varmeveksleren 3, eller det kan eksempelvis være anordnet i den andre fluidstrekningen 3c. Etterbrenneren 3o kan innbefatte katalytisk materiale, eksempelvis i form av et katalytisk belegg på veggene. Avgassen E går gjennom den andre fluidstrekningen 3c, og den varme som tilveiebringes av etterbrenneren 3o varmeveksles med den første fluidstrekningen 3a og brenselkanalen 3f, for derved å forvarme luftstrømmen Al, og, om nødvendig, også brenselgasstrømmen R. Det foretrekkes å benytte katodeavgassen A3 i etterbrenneren 3o, da denne oksygenholdige strømmen A3 varmes opp i brenselcellen 5.1 tillegg kan det tilsettes en separat oksygenholdig strøm, for derved å muliggjøre en fullstendig forbrenning av restbrensel i etterbrenneren 3o.

SOFC-systemet 1 innbefatter en styreenhet 11. Denne er koblet til ulike sensorer 15a-15e, særlig temperatursensorer, så vel som til en driver 14, for betjening av ventilen 2f og for styring av temperaturene i SOFC-systemet 1. Styreenheten 11 innbefatter også en elektrisk utgang 10, som er forbundet med katode- og anodestrømkollektorene 10a, 10b. Styreenheten 11 innbefatter også en elektronisk sjalter 12.

Varmeveksleren 3 er av keramisk materiale. Dette betyr at varmeveksleren 3 er av et hardt og skjørt materiale som tilveiebrakt av ikke-metalliske mineraler ved brenning under høye temperaturer. Slike materialer innbefatter, uten begrensning, keramer, zirkonfosfat, silisiumnitrid, aluminiumnitrid, molybdendisilisid, zirkonherdet aluminiumoksid, aluminiumfosfat, zirkonoksid, titankarbid, aluminiumoksid, zirkonkarbid, zirkondisilisid, aluminosilikater og silisiumkarbid. Keramiske materialer er et utmerket valg for varmeveksleren 3 på grunn av den lave termiske ledningsevnen og den lave termiske utvidelseskoeffisienten.

SOFC-systemet 1 i fig. 2 innbefatter en brenselcelle 5 med en brenselgassinnløpsåpning 5d, en luftstrøminnløpsåpning 5f og en avgasstrømutløpsåpning 5g, og innbefatter også en varmeveksler 3 med en brenselkanal 3f som utgjør en katalytisk brenselprosessor 3e, idet varmeveksleren 3 har en første fluidstrekning 3a ved en innløpsåpning 3p forbundet med en lufttilførsel 7 og en luftstrømutløpsåpning 31 forbundet med luftstrøminnløpsåpningen 5f, og en andre fluidstrekning 3c med en utløpsåpning 3q forbundet med avgassutløpet 9 og en avgasstrøminnløpsåpning 3n forbundet med avgasstrømutløpsåpningen 5g. Den nevnte katalytiske brenselprosessor 3e har en innløpsåpning 2i forbundet med en brenseltilførsel 7 og en brenselgassutløpsåpning 3m forbundet med brenselgassinnløpsåpningen 5d. Den katalytiske brenselprosessor 3e er termisk koblet til i det minste én av de første og andre fluid strekninger 3a, 3c. Varmeveksleren 3 er en enhet atskilt fra brenselcellen 5 og bestående av keramisk materiale. Brenselcellen 5 har en bunnplate 5b, en topplate 5c og mellom disse en platestabel 5e. Der hvor katodeavgas strømm en A3 og anodeavgasstrømmen R2 møtes, danner de en etterbrenner 3o.

Varmeveksleren 3 er av et monolittisk keramisk materiale. Varmeveksleren 3 kan også bestå av flere keramiske deler som er samlet for dannelse av varmeveksleren 3. Varmeveksleren 3 har en basisplate 3k egnet til forbindelse med brenselcellen 5.1 en foretrukket utførelse er basisplaten 3k sintret med den delen av varmeveksleren 3 som befinner seg under basisplaten 3k, slik at det derved dannes en enhetlig og monolittisk keramisk del. I en foretrukket utførelse er brenselcellen 5 anordnet på toppen av basisplaten 3k, og basisplaten 3k har en tykkelse som muliggjør at den kan bære brenselcellen 5.1 en foretrukket utførelse er luftstrømutløpsåpningen 31, brenselgassutløpsåpningen 3m og avgasstrøminnløpsåpningen 3n anordnet på en felles frontside av basisplaten 3k. I en foretrukket utførelse er innløpsåpningen 3p forbundet med lufttilførselen, utløpsåpningen 3q for avgasstrømmen E og innløpsåpningen 2i som er forbundet med brenseltilførselen R, er anordnet på en side 3s av varmeveksleren 3 som er motliggende frontsiden 3r.

I en foretrukket utførelse er brenselgassinnløpsåpningen 5d,

luftstrøminnløpsåpningen 5f og avgasstrømutløpsåpningen 5g anordnet på en felles frontside 5k av brenselcellen 5. I den mest foretrukne utførelsen er brenselcellen 5 plassert på toppen av varmeveksleren 3, idet innløpsåpningene 5f, 3n, 5d og

utløpsåpningene 31, 5g, 3m, som muliggjør at gasstrømmen kan gå mellom brenselcellen 5 og varmeveksleren 3, er anordnet motsatt hverandre for derved å muliggjøre en direkte strømovergang mellom brenselcellen 5 og varmeveksleren 3,

som vist i fig. 2. Som man vil kunne se vil et slikt arrangement muliggjøre et meget kompakt SOFC-system 1. Grensesnittbasisen 2 er den kalde siden og brenselcellen 5 er den varme siden i SOFC-systemet 1, og grensesnittbasisen 2 og brenselcellen 5 er atskilt ved hjelp av den keramiske varmeveksleren 3. Varmeveksleren 3 har dårlig termisk ledningsevne fra brenselcellen 5 og mot grensesnittbasisen 2. Varmeveksleren 3 innbefatter også alle fluidforbindelser mellom brenselcellen 5 og grensesnittbasisen 2, slik at det derved dannes en forgrening av keramikk. Alle fluidforbindelser er anordnet inne i varmeveksleren 3. Denne keramiske varmeveksleren 3 muliggjør et meget kompakt, billig og pålitelig SOFC-system 1.

I en foretrukket utførelse innbefatter hver av de første og andre fluidstrekninger 3a, 3c et antall første og andre kanaler 3b, 3d atskilt med en tynn vegg, for derved å muliggjøre en varmeveksling mellom avgasstrømmen E i den andre kanalen 3d og luftstrømmen Al i den første kanalen 3b. Fig. 4 viser varmeveksleren 3 i fig. 2 mer detaljert, med et antall første og andre kanaler 3b, 3d. Fig. 5a viser et snitt gjennom varmeveksleren 3 etter linjen A-A i fig. 4, og fig. 5b visere t snitt etter linjen B-B i fig. 4. De første og andre kanaler 3b, 3d er anordnet for tilveiebringelse av en motstrøm mellom de første og andre fluidstrekninger 3a, 3c, som vist for luftstrømmen Al og avgasstrømmen E i fig. 5a, 5b.

Etterbrenneren 3o kan også være anordnet i den andre fluidstrekningen 3c, idet katodeavgasstrømmen A3 og anodeavgasstrømmen R2 styres enten separat eller som vist i fig. 2 i varmeveksleren 3, for derved å danne en etterbrenner 3o.

Den katalytiske brenselprosessoren 3e i fig. 2 er anordnet i kanalen 3f, idet en keramisk cellestruktur danner kanaler i strømningsretningen. Veggene i denne cellestrukturen bærer katalytiske substanser for dannelse av en katalytisk brenselprosessor. Fortrinnsvis er disse katalytiske substanser anordnet på det keramiske materialet i varmeveksleren. I kombinasjon med forbehandlet brensel eller rent hydrogen kan den katalytiske brenselprosessor 3e erstattes av en kanal 3f, uten ytterligere indre strukturer.

I en foretrukket utførelse har varmeveksleren 3 et luftstrømforbiløp 3h med en innløpsåpning 2c forbundet med en lufttilførsel 8, og med en luftstrømforbiløpsutløpsåpning 3t anordnet i fluidforbindelse med luftstrømutløpsåpningen 31.1 det minste én ventil 2f, som har et ventilsete 3e og en plate 2f som er bevegbar i retningen 2g ved hjelp av en driver 14, er anordnet for styring av i det minste én av luftstrømmene Al, A2 i den første fluidstrekningen 3a og luftstrømforbiløpet 3h. Dette muliggjør en styring av temperaturen til den luftstrømmen A som går inn i luftstrøminnløpsåpningen 5f. Ventilen 2f er en del av grensesnittbasisen 2. I en foretrukket utførelse har grensesnittbasisen 2 to eller fire ventiler 2f, én for hver luftstrøm Al, A2. Hver ventil 2f kan aktiveres uavhengig, for styring av den enkelte luftstrøm Al, A2 så vel som for styring av den totale mengden av luftstrømmen A. Grensesnittbasisen 2 er anordnet under varmeveksleren 3 og har en brenselgasstrøminnløpsåpning 2a, en luftstrøminnløpsåpning 2b, 2c og en avgasstrømutløpsåpning 2d. Disse er fluidforbundne med den korresponderende første og andre fluidstrekning 3a, 3c, brenselgasstrømkanalen 3f og avgasstrømutløpsåpningen 3q i varmeveksleren 3. Brenselgasstrøminnløpsåpningen 2a, luftstrøminnløpsåpningen 2b, 2c og avgasstrømutløpsåpningen 2d er anordnet ved bunnen av grensesnittbasisen 2. Grensesnittbasisen 2 er slik koblet til varmeveksleren 3 at det muliggjøres en direkte strømningsovergang fra grensesnittbasisen 2 og til varmeveksleren 3. Varmeveksleren 3 er plassert på toppen av grensesnittbasisen 2, og brenselcellen 5 er plassert på toppen av varmeveksleren 3.1 en foretrukket utførelse er grensesnittbasisen 2 og brenselcellen 5 forbundne ved hjelp av sammentrykkingsmidler 18 i hull 3i eller i forbiløpet 3h gjennom varmeveksleren 3. Sammentrykkingsmidlene 18 i fig. 2 innbefatter en keramisk skive 18a, en mutter 18b og en fjær 18c.

For å bedre varmevekslingen kan veggene i varmeveksleren 3 som begrenser de første og andre fluidstrekninger 3a, 3c så vel som den katalytiske brenselprosessor 3e, være strukturert eller oppruet. I fig. 2 er grensesnittbasisen 2 av metall, med en avgassisolasjon 2j av keramikk, og dekket med et tynt forseglingsmateriale 16. Ytterveggen 3g til varmeveksleren 3 ligger på forseglingsmaterialet 16, for derved å muliggjøre en fordelaktig gasstett forbindelse, slik at den første og andre fluidstrekning 3a, 3c vil være gasstett mot utsiden av SOFC-systemet 1.

Fig. 3 viser et annet SOFC-system 1 i form av en stabel som innbefatter grensesnittbasisen 2, varmeveksleren 3 og høytemperaturenheten 4. Høy temp eraturenheten 4 innbefatter brenselcellen 5 anordnet innenfor en isolasjon 6 med et indre og ytre metallskall 6a, 6b. Som følge av den keramiske varmevekslers 3 lave termiske ledningsevner kan varmevekslerens 3 høyde gjøres liten, og eksempelvis ligge i området fra 5-30 cm. Dette muliggjør et smalt og kompakt SOFC-system 1, som vist i fig. 6. I en foretrukket utførelse er alle gasstrøminnløp og -utløpsåpninger, brenselgasstrøminnløpsåpningen 2a, avgasstrømutløpsåpningen 2d, luftstrøminnløpsåpningen 2k så vel som andre åpninger og elektriske koblinger anordnet på bunnsiden av grensesnittbasisen 2.1 én utførelse kan de indre og ytre metall skall ene 6a, 6b utgjøre et fluidtett rom, særlig et gasstett rom. Dette rommet kan være satt under undertrykk for derved å bedre isoleringsevnen. Rommet kan også ha et fluidinnløp og -utløp, for tilveiebringelse av et undertrykk eller for trykksetting av rommet med en viss substans, eksempelvis luft. Isolasjonsverdien til isolasjonen 6 vil kunne variere i avhengighet av trykket og av den benyttede substansen, slik at det derved blir mulig å kunne modifisere isolasjonsverdien ved drift av SOFC-systemet 1 ved å øke trykket eller undertrykket i isolasjonen 6 ved hjelp av midler så som en pumpe og sensorer, hvilket ikke er vist ifig. 3. Fig. 7 viser en varmeveksler 3 uten en forbiløpluftstrøm A2, hvilket betyr at hele luftstrømmen A føres gjennom den første fluidstrekningen 3a. Fig. 8-11 viser skjematiske utførelseseksempler av en brenselcellestabel 5e som er forbundet med en varmeveksler 3. Varmeveksleren er ikke vist, men vil kunne være anordnet under brenselcellestabelen 5e. Samtlige varmevekslere 3 som kan samvirke med en brenselcellestabel 5e som vist i fig. 8-11, kan være utført som vist i fig. 2 eller 3.

I utførelsen i fig. 10 er brenselcellestabelen 5e plassert på toppen av varmeveksleren 3, og hva angår brenselgasstrømmen RI og anodeavgasstrømmen R2, så foreligger det en direkte strømningsovergang mellom disse. Til forskjell herfra blir luftstrømmen A ikke ført fra bunnen, men fra brenselcellestabelens 5e side, og katodeavgasstrømmen A3 går også ut fra en side av brenselcellestabelen 5e, men begge strømmer A og A3 går ut fra brenselcellen 5 og til varmeveksleren 3. En slik utførelse krever manifoldmidler så som rør for tilveiebringelse av gassforbindelsesmidler mellom varmeveksleren 3 og brenselcellestabelen 5e for strømmene A og A3. Utførelsen i fig. 2 innbefatter en brenselcellestabel 5e som vist i fig. 10, og manifoldmidlene for strømmene A og A3 er utformet mellom brenselcellestablene 5e og et tynt metall 51 som omgir brenselcellestabelen 5e. Dette metallet 51 er gasstett forbundet med bunnplaten 5b og med topplaten 5c.

Fig. 8 viser en utførelse hvor en brenselcellestabel 5e mottar en luftstrøm A og en brenselgasstrøm RI i bunnen. Anodeavgasstrømmen R2 og katodeavgasstrømmen A3 går ut på samme side i bunnen av brenselcellestabelen 5e. Brenselcellestabelen 5e og varmeveksleren 3 er utformet slik at de innbefatter hele forgreningen. Mellom varmeveksleren 3 og brenselcellen 5 kan det være anordnet ekstra rør, for derved å muliggjøre en ekstra gasstrøm mellom varmeveksleren 3 og brenselcellen 5 eller isolasjonen 6.

I utførelsen i fig. 9 er brenselcellestabelen 5e anordnet på toppen av varmeveksleren 3, og hva angår brenselgasstrømmen RI, anodeavgasstrømmen R2 og luftstrømmen A, så foreligger det en direkte strømningsovergang mellom disse. Til forskjell går katodeavgasstrømmen A3 ikke ut fra bunnen, men fra siden av brenselcellestabelen 5e. En slik utførelse kan kreve ekstra forgreningsmidler så som rør for tilveiebringelse av gassforbindelse mellom varmeveksleren 3 og brenselcellestabelen 5e for strømmen A3. Dersom en gasstett isolasjon 51 omgir brenselcellen 5, så kan katodeavgassen føres uten ekstra rør til varmeveksleren 3.

I utførelsen i fig. 11 er brenselcellestabelen 5e anordnet atskilt fra varmeveksleren 3. En slik utførelse krever ekstra forgreningsmidler så som rør, for tilveiebringelse av gassforbindelse mellom varmeveksleren 3 og brenselcellen 5 for strømmene A, A3,R1 ogR2. Fig. 12 viser et annet SOFC-system 1 i form av en stabel, hvor varmeveksleren 3 og brenselcellen 5 begge er anordnet i en isolasjon 6 som har et indre og ytre metallskall 6a, 6b. Fordelaktig er det anordnet en grensesnittbasis 2, ikke vist i fig. 12, under varmeveksleren 3. Varmeveksleren 3 har en basisplate 3k og en andre basisplate 3k'. Grensesnittbasisen 2 kan om nødvendig være anordnet under den andre basisplaten 3k'. Det foreligger et indre rom 19 mellom brenselcellen 5 og isolasjonen 6. Dette indre rommet har fluidforbindelse med brenselcellen 5 via anodeavgasstrømutløpsåpningen 5h, avgassutløpsåpningen 5g så vel som avgasstrøminnløpsåpningen 3n. Brenselcellen 5 er slik anordnet på basisplaten 3k at avgasstrøminnløpsåpningen 3n ikke er direkte forbundet med det indre av brenselcellen 5, men går inn i innerommet 19. Avgass som går ut gjennom åpningen 5h, 5g, vil derfor gå inn i innerommet 19 og deretter ut fra dette ved innløpsåpningen 3n. Fig. 13 viser nok en utførelse av en varmeveksler 3. Basisplaten 3k så vel som den andre basisplaten 3k' består av keramisk materiale, og minst én av dem er forbundet med resten av varmeveksleren 3, eksempelvis sintret eller fastlimt, slik at det derved er tilveiebrakt en monolittisk varmeveksler 3. Denne varmeveksleren 3 har flere fordeler. Varmeveksleren 3 er meget kompakt, den innbefatter alle nødvendige fluidkanaler, den er lett og billig i fremstilling, er meget liten og også meget pålitelig. Denne varmeveksleren 3 kan benyttes i det i fig. 12 viste SOFC-system 1. I en fordelaktig utførelsesform kan varmeveksleren 3, som vist i fig. 12, også innbefatte den nedre delen av brenselcellen 5, med fluidkanaler og luftstrøminnløpsåpningen 5f så vel som reaktantgasstrøminnløpsåpningen 5d. Dette muliggjør ytterligere forbedringer av forbindelsen mellom fluidkanalene i varmeveksleren 3 og brenselcellen 5. I en fordelaktig utførelse, vist i fig. 13, ligger luftstrøminnløpsåpningen 5f og reaktantgasstrøminnløpsåpningen 5d på samme side av brenselcellen 5, hvilket muliggjør en omtrentlig parallell føring av luftstrømmen A og reaktantgasstrømmen RI i brenselcellen 5. Bruk av en varmeveksler 3 som vist i fig. 13 i brenselcellesystemet 1 i fig. 12 vil bety at, i samsvar med fig. 12, både luftstrømmen A og reaktantgasstrømmen RI vil gå inn i brenselcellen 5 på venstre side. Reaktantgassavgasstrømmen R2 går ut fra brenselcellen 5 ved åpningen 5h, og luftstrømmen A3 går ut fra brenselcellen ved åpningen 5g på den høyre siden. Både R2 og A3 går inn i varmeveksleren 3 ved åpningen 3n, og forlater varmeveksleren 3 som avgass E ved åpningen 3q.

Varmeveksleren 3 i en foretrukket utførelse innbefatter en basisplate 3k som kan forbindes med brenselcellen 5. Denne basisplaten 3k kan fordelaktig være slik at den kan bære brenselcellen 5, også når brenselcellen 5 holdes sammen med varmeveksleren 3 ved hjelp av stengene 18 og trykkbelastningen som tilveiebringes ved hjelp av sammentrykkingsstengene 18 vil overskride den totale vekten til brenselcellen 5. Et slikt brenselcellesystem 1 kan anordnes i en hvilken som helst retning, fordi brenselcellen 5 og varmeveksleren 3 er forbundet med hverandre.

Som brukt her skal uttrykket "monolittisk varmeveksler" bety at varmeveksleren består av én enkelt del. Eksempelvis er varmeveksleren 3 i fig. 4, 5a og 5b en monolittisk varmeveksler, idet varmeveksleren 3 er fremstilt av et hardt og sprøtt materiale på basis av ikke-metalliske mineraler som brennes med høye temperaturer, og foreligger som én enkelt del. Uttrykket "monolittisk varmeveksler" skal også innbefatte en varmeveksler som vist i fig. 12, hvor varmeveksleren i tillegg til delen 3 i fig. 4 også innbefatter en basisplate 3k og/eller en andre basisplate 3k', som eksempelvis er sintret eller limt sammen, for dannelse av varmeveksleren 3. Som vist i fig. 12 kan materialet i basisplaten 3k, 3k' være et annet enn materialet i resten av varmeveksleren 3. Som vist i fig. 13 kan hele varmeveksleren 3, inkludert basisplatene 3k, 3k', bestå av ett og samme materiale.

Claims

1. SOFC-system (1) for generering av elektrisk energi ved kombinering av oksygen med en brenselgasstrøm (R), innbefattende en brenselcelle (5) med en brenselgassinnløpsåpning (5d), en luftstrøminnløpsåpning (5f) og en avgasstrømutløpsåpning (5g), og en varmeveksler (3) med en brenselkanal (3f), hvilken varmeveksler (3) innbefatter en første fluidstrekning (3a) med en innløpsåpning (3p) forbundet med en lufttilførsel og en luftstrømutløpsåpning (31) forbundet med luftstrøminnløpsåpningen (5f), og har en andre fluidstrekning (3c) med en utløpsåpning (3q) og en avgasstrøminnløpsåpning (3n) forbundet med avgasstrømutløpsåpningen (5g), hvilken brenselkanal (3f) innbefatter en brenseltilførsel og en brenselgassutløpsåpning (3m) forbundet med brenselgassinnløpsåpningen (5d), og hvor varmeveksleren (3) er en enhet atskilt fra brenselcellen (5), karakterisert vedat varmeveksleren (3) er av keramisk materiale og innbefatter en basisplate (3k) hvor brenselcellen (5) er anordnet, hvilken basisplate (3k) kan være av et annet materiale, og at i det minste én av luftstrømutløpsåpningen (31), avgasstrøminnløpsåpningen (3n) og brenselgassutløpsåpningen 3m går gjennom basisplaten (3k).

2. SOFC-system ifølge krav 1, karakterisert vedat brenselcellen (5) er anordnet på toppen av basisplaten (3k), og at basisplaten (3k) bærer brenselcellen (5).

3. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat varmeveksleren (3) er en monolittisk varmeveksler (3).

4. SOFC-system ifølge krav 3, karakterisert vedat basisplaten (3k) er av keramisk materiale.

5. SOFC-system ifølge krav 4, karakterisert vedat basisplaten (3k) er en del av den monolittiske varmeveksleren (3).

6. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat luftstrømutløpsåpningen (31), brenselgassutløpsåpningen (3m) og avgasstrøminnløpsåpningen (3n) er anordnet på en felles frontside (3r) av varmeveksleren (3).

7. SOFC-system ifølge krav 6, karakterisert vedat innløpsåpningen (3p) forbundet med lufttilførselen, utløpsåpningen (3q) for avgasstrømmen og brenselkanalen (3f) forbundet med brenseltilførselen, er anordnet på en side av varmeveksleren (3) som er motsatt frontsiden (3r).

8. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat brenselgassinnløpsåpningen (5d), luftstrøminnløpsåpningen (5f) og avgasstrømutløpsåpningen (5g) er anordnet på en felles frontside (5k) av brenselcellen (5).

9. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat brenselcellen (5) er anordnet på toppen av varmeveksleren (3), og at de korresponderende innløpsåpninger (5f, 3n, 5d) og utløpsåpninger (31, 5g, 3m) som muliggjør en gasstrøm mellom brenselcellen (5) og varmeveksleren (3), er anordnet motliggende hverandre, for derved å muliggjøre en direkte strømningsovergang mellom brenselcellen (5) og varmeveksleren (3).

10. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat både den første og andre fluidstrekning (3 a, 3 c) har en første og andre kanal (3b, 3d) atskilt med en tynn vegg, for derved å muliggjøre en varmeveksling mellom avgasstrømmen i den andre kanalen (3d) og den luftstrøm som går i den første kanalen (3b).

11. SOFC-system ifølge krav 10, karakterisert vedat det forefinnes et antall første og andre kanaler (3b, 3d).

12. SOFC-system ifølge krav 10 eller 11, karakterisert vedat de første og andre kanaler (3b, 3d) er anordnet for tilveiebringelse av en motstrøm mellom den første og andre fluidstrekning (3a, 3c).

13. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat varmeveksleren (3) innbefatter en etterbrenner (3o) anordnet i den andre fluidstrekningen (3c).

14. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat brenselkanalen (3f) innbefatter en katalytisk brenselprosessor (3e), særlig et lag av katalytiske substanser.

15. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat varmeveksleren (3) innbefatter et luftstrømforbiløp (3h) med en innløpsåpning (2c) forbundet med en lufttilførsel, og en luftstrømforbiløpsutløpsåpning (3t) anordnet i fluidforbindelse med luftstrømutløpsåpningen (31).

16. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat det er anordnet minst én ventil (2f) for styring av minst én av luftstrømmene i den første fluidstrekning (3a) og i luftstrømforbiløpet (3h).

17. SOFC-system ifølge krav 16, karakterisert vedat ventilen (2f) er anordnet under varmeveksleren (3).

18. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat en grensesnittbasis (2) er anordnet under varmeveksleren (3), hvilken grensesnittbasis (2) innbefatter en brenselgasstrøminnløpsåpning (2a), en luftstrøminnløpsåpning (2b, 2c) og en avgasstrømutløpsåpning (2d), hvilke åpninger er fluidforbundne med den korresponderende første og andre fluidstrekning (3 a, 3c), brenselgasstrømkanalen (3f) og avgasstrømutløpsåpningen (3q) i varmeveksleren (3).

19. SOFC-system ifølge krav 18, karakterisert vedat brenselgasstrøminnløpsåpningen (2a), luftstrøminnløpsåpningen (2b, 2c) og avgasstrømutløpsåpningen (2d) er anordnet i bunnen av grensesnittbasisen (2).

20. SOFC-system ifølge et av kravene 18 og 19, karakterisert vedat grensesnittbasisen (2) er koblet slik til varmeveksleren (3) at det foreligger en direkte strømningsovergang fra grensesnittbasisen (2) og til varmeveksleren (3), hvilken varmeveksler (3) er plassert på toppen av grensesnittbasisen (2) mens brenselcellen (5) er plassert på toppen av varmeveksleren (3).

21. SOFC-system ifølge krav 20, karakterisert vedat grensesnittbasisen (2) og brenselcellen (5) er forbundne ved hjelp av sammentrykningsmidler (18) som går gjennom varmeveksleren (3).

22. SOFS-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat i det minste én av de første og andre fluidstrekninger (3a, 3c) innbefatter en kanal med en oppruet flate.

23. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat brenselcellen (5) er anordnet inne i en isolering (6), hvilken isolering danner et fluidtett rom med et fluidinnløp og -utløp, for tilveiebringelse av et undertrykk i rommet og/eller for trykksetting av rommet.

24. SOFC-system ifølge et av de foregående krav, karakterisert veden styreenhet (11) så vel som sensorer (15a-15e) og en ventil (2f) forbundet med styreenheten (11), hvilken ventil (2f) bestemmer strømningen av en luftstrøm (Al) og en forbiløpsluftstrøm (A2), idet luftstrømmen (Al) og forbiløpsluftstrømmen (A2) danner en brenselcelleluftstrøm (A) som tilføres brenselcellen (5), og temperaturen og/eller mengden av brenselcelleluftstrøm (A), i avhengighet av de avfølge verdiene til sensorene (15a-15e) og styrt av styreenheten (11).

25. Varmeveksler (3) for et SOFC-system (1), innbefattende en brenselkanal (3f) med en brenselgassutløpsåpning (3m), en første fluidstrekning (3a) med en luftstrømutløpsåpning (31), en andre fluidstrekning (3c) med en avgasstrøminnløpsåpning (3n), idet varmeveksleren (3) består av keramisk materiale og har en basisplate (3k), idet i det minste én av luftstrømutløpsåpningen (31), avgasstrøminnløpsåpningen (3n) og brenselgassutløpsåpningen (3m) går gjennom basisplaten (3k), og at varmeveksleren (3), med unntak av basisplaten (3k), er en monolittisk varmeveksler (3).

26. Varmeveksler (3) ifølge krav 25, karakterisert vedat basisplaten (3k) er en del av en monolittisk varmeveksler (3).