RU170262U1

RU170262U1 - Solid Oxide Fuel Cell Battery Module with Preformer

Info

Publication number: RU170262U1
Application number: RU2016141725U
Authority: RU
Inventors: Валерий Пименович Ковалевский; Александр Анатольевич Соколов
Original assignee: Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ"
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2017-04-19

Abstract

Полезная модель относится к батареям, содержащим твердооксидные топливные элементы, и может быть использована при создании транспортных и стационарных энергетических установок для снабжения электроэнергией потребителей. Техническим результатом является снижение потерь тепловой энергии и улучшение использования материальных ресурсов в энергетической установке с батареей, содержащей твердооксидные топливные элементы. Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что паротопливная смесь разделяется в заданном соотношении на два потока, один из которых конвертируется в синтез-газ, а второй перепускается в обход прериформера. После смешения обоих потоков образуется смесь с заранее известным составом.The utility model relates to batteries containing solid oxide fuel cells, and can be used to create transport and stationary power plants to supply electricity to consumers. The technical result is to reduce losses of thermal energy and improve the use of material resources in a power plant with a battery containing solid oxide fuel cells. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the steam-fuel mixture is divided in a predetermined ratio into two streams, one of which is converted into synthesis gas, and the second is bypassed bypassing the preformer. After mixing both streams, a mixture with a known composition is formed.

Description

Полезная модель относится к батареям, содержащим твердооксидные топливные элементы, и может быть использована при создании транспортных и стационарных энергетических установок для снабжения электроэнергией потребителей.The utility model relates to batteries containing solid oxide fuel cells, and can be used to create transport and stationary power plants to supply electricity to consumers.

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами, работающими при высокой рабочей температурой, которая может варьироваться от 600°С до 1000°С, что позволяет использовать различные виды органического топлива без специальной предварительной подготовки.Solid oxide fuel cells are fuel cells operating at high operating temperatures, which can vary from 600 ° C to 1000 ° C, which allows the use of various types of fossil fuels without special preliminary preparation.

Характерной особенностью энергетических установок с батареей на базе твердооксидных топливных элементов является подача в их катодный тракт воздуха с многократным превышением потребности в кислороде по той причине, что за счет большого расхода воздуха обеспечивается приемлемая разность температур по длине твердооксидного топливного элемента.A characteristic feature of power plants with a battery based on solid oxide fuel cells is the supply of air to their cathode path with a multiple excess of oxygen demand due to the fact that due to the large air flow rate, an acceptable temperature difference is provided along the length of the solid oxide fuel cell.

Однако, большие расходы воздуха означают большие энергозатраты на собственные нужды установки и значительные потери тепла с уходящими газами, что приводит к существенному снижению электрического КПД. Уменьшить выделение тепла в твердооксидном топливном элементе, а значит, и необходимый расход воздуха позволяет его свойство одновременно с электрохимическим окислением водорода, при котором тепло выделяется, осуществлять конверсию углеводородного топлива в синтез-газ, происходящую с поглощением тепла. Перспективным вариантом является осуществление конверсии только части углеводородного топлива, предназначенного для использования в твердооксидном топливном элементе. Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что паротопливная смесь разделяется в заданном соотношении на два потока, один из которых конвертируется в синтез-газ, а второй - перепускается в обход прериформера. После смешения обоих потоков образуется смесь с заранее известным составом.However, high air consumption means high energy consumption for the plant’s own needs and significant heat loss with flue gases, which leads to a significant reduction in electrical efficiency. To reduce the heat generation in the solid oxide fuel cell, and hence the necessary air flow rate, allows its property, simultaneously with the electrochemical oxidation of hydrogen, at which heat is released, to convert hydrocarbon fuel to synthesis gas, which occurs with heat absorption. A promising option is the conversion of only part of the hydrocarbon fuel intended for use in a solid oxide fuel cell. The essence of the proposed technical solution is that the steam-fuel mixture is divided in a predetermined ratio into two streams, one of which is converted into synthesis gas, and the second is bypassed bypassing the preformer. After mixing both streams, a mixture with a known composition is formed.

Наиболее близкой по технической сути и принятой за прототип является энергетическая установка мощностью 100 кВт с электрохимическим генератором на твердооксидных топливных элементах (Твердооксидные топливные элементы. Сборник научно-технических статей. Издательство РФЯЦ - ВНИИТФ, 2003, с. 365-371).The closest in technical essence and adopted for the prototype is a power plant with a capacity of 100 kW with an electrochemical generator based on solid oxide fuel cells (Solid oxide fuel cells. Collection of scientific and technical articles. RFNC Publishing House - VNIITF, 2003, pp. 365-371).

Предложенное в указанной энергоустановке техническое решение имеет существенный недостаток, к которому можно отнести наличие риформера, предвключенного перед батареей с твердооксидными топливными элементами, что предполагает 100% подачу метанана конверсию, а это снижает эффективность энергетической установки и увеличивает эксплуатационные затраты.The technical solution proposed in the said power plant has a significant drawback, which can include the presence of a reformer, which is connected upstream of the solid oxide fuel cell battery, which assumes 100% methane feed conversion, and this reduces the efficiency of the power plant and increases operating costs.

Задачей заявляемого технического решения является повышение энергетической и экономической эффективности энергетической установки с батареей, содержащей твердооксидные топливные элементы.The objective of the proposed technical solution is to increase the energy and economic efficiency of a power plant with a battery containing solid oxide fuel cells.

Техническим результатом заявляемого технического решения является снижение потерь тепловой энергии и улучшение использования материальных ресурсов в энергетической установке с батареей, содержащей твердооксидные топливные элементы.The technical result of the proposed technical solution is to reduce the loss of thermal energy and improve the use of material resources in a power plant with a battery containing solid oxide fuel cells.

Технический результат достигается за счет того, что в энергетической установке с батареей, содержащей твердооксидные топливные элементы, паротопливная смесь разделяется в заданном соотношении на два потока и один из этих потоков конвертируется в прериформере в синтез-газ, а второй поток перепускается в обход прериформера и после их смешения образуется смесь с заранее известным составом.The technical result is achieved due to the fact that in a power plant with a battery containing solid oxide fuel cells, the steam-fuel mixture is divided into two streams in a predetermined ratio and one of these streams is converted into syngas in the preformer, and the second stream is bypassed after the preformer and after mixing them forms a mixture with a known composition.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежом фиг. 1, на котором представлен модуль батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером, где:The technical nature and principle of operation of the proposed device are illustrated by the drawing of FIG. 1, which shows a solid oxide fuel cell battery module with a preformer, where:

1 - Основание;1 - Base;

2 - Батарея твердооксидных топливных элементов;2 - Solid oxide fuel cell battery;

3 - Прериформер;3 - Preformer;

4 - Байпасный трубопровод;4 - Bypass pipeline;

5 - Регулирующий клапан;5 - Control valve;

6 - Трубопровод подачи паротопливной смеси;6 - Pipeline supply steam mixture;

7 - Трубопровод подачи анодного газа на дожигание.7 - Pipeline for supplying anode gas for afterburning.

Модуль батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером состоит из батареи твердооксидных топливных элементов 2, прериформера 3 и элементов трубопроводной обвязки с регулирующим клапаном 5 и размещен на основании 1. Байпасный трубопровод 4 предназначен для регулирования количества подаваемой на прериформер 3 паротопливной смеси. Подача паротопливной смеси к модулю батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером осуществляется по трубопроводу подачи паротопливной смеси 6, отвод на дожигание отработанного в батарее твердооксидных топливных элементов 2 анодного газа осуществляется по трубопроводу подачи анодного газа на дожигание 7.The solid oxide fuel cell battery module with a preformer consists of a solid oxide fuel cell battery 2, a preformer 3 and piping elements with a control valve 5 and is located on the base 1. Bypass pipe 4 is designed to control the amount of steam-fuel mixture supplied to the preformer 3. The steam-fuel mixture is supplied to the solid oxide fuel cell battery module with a preformer through the steam-fuel mixture supply pipe 6, the anode gas is exhausted to the afterburning of the solid oxide fuel cells 2 used in the battery through the anode gas supply pipe for afterburning 7.

Трубопровод подачи окислителя к батарее твердооксидных топливных элементов, теплообменное оборудование, запорная арматура на чертеже фиг.1 условно не показаны.The pipeline supplying the oxidizing agent to the solid oxide fuel cell battery, heat exchange equipment, stop valves in the drawing of figure 1 are not shown conditionally.

Рабочий процесс в модуле батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером осуществляется следующим образом. Паротопливная смесь по трубопроводу подачи паротопливной смеси 6 поступает к модулю батареи твердооксидных топливных элементов с прериформером. Часть паротопливной смеси через регулирующий клапан 5 по байпасному трубопроводу 4 направляется непосредственно к батарее твердооксидных топливных элементов 2, а остальная часть паротопливной смеси поступает на прериформер 3. Конвертированная в прериформере 3 паротопливная смесь в виде синтез-газа, после смешения с паротопливной смесью, поступающей по байпасному трубопроводу 4, направляется к батарее твердооксидных топливных элементов 2. Отработанный в батарее твердооксидных топливных элементов 2 анодный газ направляется по трубопроводу 7 на дожигание.The working process in the battery module solid oxide fuel cells with a preformer is as follows. The steam-fuel mixture is supplied through the steam-fuel mixture supply pipe 6 to the solid oxide fuel cell battery module with a preformer. Part of the steam-fuel mixture through the control valve 5 through the bypass pipe 4 is sent directly to the solid oxide fuel cell battery 2, and the rest of the steam-fuel mixture is fed to the preformer 3. Converted in the preformer 3, the fuel mixture in the form of synthesis gas, after mixing with the steam-fuel mixture supplied via bypass line 4, is routed to the solid oxide fuel cell battery 2. The anode gas exhausted in the solid oxide fuel cell 2 battery is routed through the pipeline do 7 for afterburning.

Claims

A solid oxide fuel cell battery module with a preformer, consisting of a solid oxide fuel cell battery and a preformer, characterized in that the steam-fuel mixture supplied to the solid oxide fuel cell battery module with a preformer is divided in a predetermined ratio into two streams, and one stream is directed directly to the solid oxide fuel cell battery and mixes before entering the solid oxide fuel cell battery with a second stream in the form of synthesis gas obtained by conversion steam fuel mixture in the preformer.