RU2608749C1 - Electrochemical generator on solid oxide fuel cells - Google Patents

Electrochemical generator on solid oxide fuel cells Download PDF

Info

Publication number
RU2608749C1
RU2608749C1 RU2015150166A RU2015150166A RU2608749C1 RU 2608749 C1 RU2608749 C1 RU 2608749C1 RU 2015150166 A RU2015150166 A RU 2015150166A RU 2015150166 A RU2015150166 A RU 2015150166A RU 2608749 C1 RU2608749 C1 RU 2608749C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
chamber
oxidation
oxidizer
mixing
Prior art date
Application number
RU2015150166A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Сергеевич Арутюнов
Геннадий Вацлавович Бржезинский
Константин Геннадьевич Бржезинский
Александр Алексеевич Захаров
Александр Сергеевич Липилин
Ефим Ильич Чернов
Михаил Ефимович Чернов
Владимир Михайлович Шмелёв
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ТОУ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ТОУ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ТОУ"
Priority to RU2015150166A priority Critical patent/RU2608749C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2608749C1 publication Critical patent/RU2608749C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

FIELD: electrochemistry.
SUBSTANCE: invention relates to devices for direct conversion fuel chemical energy into electrical energy using solid oxide fuel cells (SOFC) and can be used for independent power supply of different domestic and process low-power devices. Proposed is an electrochemical generator on solid oxide fuel cells having a housing, a located inside it chamber for mixing the fuel and the oxidizer, a fuel oxidation chamber accommodating at least one fuel cell, an oxidation products afterburning chamber, an oxidizer heating and distribution chamber, herewith the outlet of the chamber for mixing the fuel and the oxidizer is connected to the fuel oxidation chamber, and the fuel oxidation chamber outlet is connected to the inlet into the oxidation products afterburning chamber. Distinctive feature of the proposed electrochemical generator is that the fuel oxidation chamber includes two zones: the zone of partial oxidation of the fuel and the zone of electrochemical oxidation of the fuel, for which the fuel oxidation chamber is separated from the chamber for mixing the fuel and the oxidizer with a wall permeable for the fuel and oxidizer mixture made from a refractory material.
EFFECT: higher fuel efficiency, increased reliability, simplified design, as well as faster bringing the SOFC to the operating mode, all are the technical result of the invention.
7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую с использованием твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и может быть использовано для автономного энергоснабжения различных бытовых и технологических устройств небольшой мощности.The invention relates to a device for the direct conversion of chemical energy of fuel into electrical energy using solid oxide fuel cells (SOFC) and can be used for autonomous power supply of various household and technological devices of low power.

В настоящее время ощущается острая потребность в автономных источниках рассредоточенного энергоснабжения небольшой мощности для удовлетворения бытовых и производственных потребностей удаленных потребителей, обладающих собственными источниками газообразного и жидкого органического топлива: природным и попутным газом, сжиженными углеводородными газами, газовым конденсатом, биогазом и другими видами углеводородного сырья. Удобным источником для удовлетворения этих потребностей могут стать твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Однако известные конструкции энергоисточников на основе ТОТЭ крайне сложны в эксплуатации, требуют большого количества вспомогательного оборудования и сложной подготовки топливного газа, что делает их неприемлемыми для большинства практических целей.Currently, there is an urgent need for autonomous sources of dispersed energy supply of small capacity to meet the household and production needs of remote consumers with their own sources of gaseous and liquid fossil fuels: natural and associated gas, liquefied hydrocarbon gases, gas condensate, biogas and other types of hydrocarbon feedstocks. Solid oxide fuel cells (SOFCs) can be a convenient source to meet these needs. However, the well-known designs of SOFC-based energy sources are extremely difficult to operate, require a large number of auxiliary equipment and complex preparation of fuel gas, which makes them unacceptable for most practical purposes.

Известно устройство для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую /US 4374184, H01M 8/06, 1983/, включающее батарею из трубчатых элементов. Корпус батареи известного устройства включает генерирующую камеру, камеру дожига, которая является также камерой предварительного нагрева воздуха, камеру входящего воздуха и камеру перемешивания реагентов для реформирования топлива и распределения продуктов реформирования. Трубчатые элементы известной батареи расположены горизонтально, выполнены в виде пробирок из диоксида циркония, закрытые концы которых направлены к камере смешения, а открытые - к камере дожига и нагрева воздуха. Камеры известного устройства разделены перегородками с проходными отверстиями для обеспечения перехода соответствующих газовых потоков между камерами. Одна из перегородок представляет собой трубную доску с трубками для подачи воздуха внутрь элементов к их закрытым концам. Совокупность трубок для подачи воздуха во внутренние полости элементов, большая длина каналов для потоков воздуха предопределяют значительное гидравлическое сопротивление для потоков воздуха, что предполагает наличие устройств для принудительной подачи воздуха.A device for the direct conversion of chemical energy of fuel into electrical / US 4374184, H01M 8/06, 1983 /, including a battery of tubular elements. The battery case of the known device includes a generating chamber, an afterburner, which is also a chamber for preheating air, a chamber for incoming air and a chamber for mixing reagents for fuel reforming and distribution of reforming products. The tubular elements of the known batteries are arranged horizontally, made in the form of test tubes made of zirconium dioxide, the closed ends of which are directed to the mixing chamber, and the open ones are directed to the afterburner and air heating chamber. The chambers of the known device are separated by partitions with passage openings to ensure the passage of the corresponding gas flows between the chambers. One of the partitions is a tube plate with tubes for supplying air into the elements to their closed ends. The combination of tubes for supplying air to the internal cavities of the elements, the large length of the channels for air flows predetermine significant hydraulic resistance for air flows, which suggests the presence of devices for forced air supply.

Известно изобретение, где описан электрохимический генератор на базе твердооксидных топливных элементов /RU 2027258, 1995, H01M8/12/. Известный электрохимический генератор (ЭХГ-ТОТЭ) включает корпус, разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смешения топлива и окислителя, камеру электрохимического окисления с батареей вертикально расположенных топливных элементов в виде пробирок, закрытые концы которых направлены к камере смешения, и камеру дожига топлива и нагрева воздуха. В камере смешения топлива и окислителя находится катализатор преобразования смеси газов в синтез-газ. Топливные элементы открытыми концами заглублены в перегородку между камерой электрохимического окисления и камерой дожига топлива и нагрева воздуха. Камера смешения расположена в нижней части корпуса, а камера дожига топлива – в его верхней части. Нагрев воздуха, поступающего во внутреннее пространство элементов, осуществляется за счет теплообмена с газами, выходящими из камеры дожига. Большая длина пути подаваемого воздуха, включающая изменение направления потока, предопределяет значительное гидравлическое сопротивление потоку, поэтому воздух в камеру электрохимического окисления подается с помощью побудителя расхода воздуха. Основной недостаток такого ЭХГ – необходимость использования устройств для подачи воздуха, содержащих движущиеся части, что снижает надежность ЭХГ и ведет к усложнению его конструкции, снижению общей эффективности (КПД) устройства.Known invention, which describes an electrochemical generator based on solid oxide fuel cells / RU 2027258, 1995, H01M8 / 12 /. The well-known electrochemical generator (ECG-SOFC) includes a housing separated by transverse partitions with through holes on the fuel and oxidizer mixing chamber, an electrochemical oxidation chamber with a battery of vertically arranged fuel cells in the form of test tubes, the closed ends of which are directed to the mixing chamber, and a fuel afterburner and heating air. A catalyst for converting a mixture of gases into synthesis gas is located in the chamber for mixing fuel and oxidizer. The fuel cells with open ends are buried in the partition between the electrochemical oxidation chamber and the chamber for burning fuel and heating the air. The mixing chamber is located in the lower part of the housing, and the fuel afterburning chamber is located in its upper part. The heating of the air entering the inner space of the elements is carried out by heat exchange with gases leaving the afterburner. The large path length of the supplied air, including a change in the direction of flow, predetermines significant hydraulic resistance to the flow, so air is supplied to the electrochemical oxidation chamber using an air flow inducer. The main disadvantage of such an ECG is the need to use air supply devices containing moving parts, which reduces the reliability of the ECG and complicates its design, lowering the overall efficiency (COP) of the device.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является патент /RU 2474929, H01M8/12, 2013/ на электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах, который содержит корпус, расположенные в нем друг над другом камеру смешения метана и воздуха, камеру парциального окисления метана, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов и камеру дожига топлива. Данная конструкция выбрана за прототип. Отличительной особенностью прототипа является то, что генератор содержит вторую камеру смешения метана и воздуха, расположенную под первой камерой смешения метана и воздуха. Камера парциального окисления метана содержит совокупность трубок, закрепленных на трубной доске, с нанесенным на их внешние поверхности катализатором парциального окисления метана. Топливные элементы в виде трубок с открытыми концами соосно соединены с трубками камеры парциального окисления. Камера дожига содержит совокупность перфорированных пластин с нанесенным на них катализатором дожига, а на внутренней поверхности трубок камеры парциального окисления нанесен катализатор окисления топлива в избытке воздуха.Closest to the proposed invention is a patent / RU 2474929, H01M8 / 12, 2013 / for an electrochemical generator based on solid oxide fuel cells, which comprises a housing, a chamber for mixing methane and air located thereon, a chamber for partial oxidation of methane, a chamber for electrochemical oxidation of fuel with a fuel cell battery and a fuel afterburner. This design is selected as a prototype. A distinctive feature of the prototype is that the generator contains a second chamber for mixing methane and air, located under the first chamber for mixing methane and air. The methane partial oxidation chamber contains a plurality of tubes fixed to the tube plate with a methane partial oxidation catalyst deposited on their outer surfaces. Fuel cells in the form of tubes with open ends are coaxially connected to the tubes of the partial oxidation chamber. The afterburner contains a set of perforated plates with a afterburning catalyst deposited on them, and a catalyst for oxidizing the fuel in excess air is deposited on the inner surface of the tubes of the partial oxidation chamber.

К недостаткам прототипа можно отнести низкую эффективность использования топлива, невысокую надежность, а также сложность конструкции. Указанные недостатки обусловлены наличием отдельной горелки для первоначального нагрева камеры окисления природного газа в синтез-газ, высокими требованиями к чистоте используемого природного газа и невозможностью использования других видов газового сырья, что приводит к высокой вероятности сажеобразования на поверхности катализатора парциального окисления и его выхода из строя в результате зауглероживания или перегрева.The disadvantages of the prototype include low fuel efficiency, low reliability, as well as the complexity of the design. These disadvantages are due to the presence of a separate burner for the initial heating of the chamber for oxidizing natural gas into synthesis gas, high requirements for the purity of the natural gas used and the inability to use other types of gas raw materials, which leads to a high likelihood of soot formation on the surface of the partial oxidation catalyst and its failure in carbonization or overheating.

Изобретение решает задачу по созданию электрохимического генератора, лишённого указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности использования топлива, увеличении надежности устройства, упрощении конструкции, ускорении выхода ТОТЭ на рабочий режим.The invention solves the problem of creating an electrochemical generator devoid of these disadvantages. The technical result consists in increasing the fuel efficiency, increasing the reliability of the device, simplifying the design, accelerating the SOFC output to the operating mode.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата предлагается электрохимический генератор на твёрдоокисных топливных элементах, содержащий корпус, расположенную в нём камеру смешения топлива и окислителя, камеру окисления топлива с расположенным в ней по меньшей мере одним топливным элементом, камеру дожига продуктов окисления. При этом выход камеры смешения топлива и окислителя соединен с камерой окисления топлива. Выход камеры окисления топлива соединён с входом в камеру дожига продуктов окисления. Отличительной особенностью заявляемого ЭХГ является то, что камера окисления топлива включает две зоны: зону парциального окисления топлива и зону электрохимического окисления топлива. При этом камера окисления топлива отделена от камеры смешения топлива и окислителя проницаемой для смеси топлива и окислителя стенкой, выполненной из жаростойкого материала.To solve the problem and achieve the claimed technical result, an electrochemical generator based on solid oxide fuel cells is proposed, comprising a housing, a chamber for mixing fuel and an oxidizing agent located in it, a fuel oxidation chamber with at least one fuel cell located therein, and an oxidation products afterburner chamber. In this case, the output of the fuel and oxidizer mixing chamber is connected to the fuel oxidation chamber. The output of the fuel oxidation chamber is connected to the entrance to the afterburner of oxidation products. A distinctive feature of the claimed ECG is that the fuel oxidation chamber includes two zones: a zone of partial oxidation of fuel and a zone of electrochemical oxidation of fuel. In this case, the fuel oxidation chamber is separated from the fuel and oxidizer mixing chamber by a wall made of heat-resistant material that is permeable to the mixture of fuel and oxidizer.

Дополнительно предлагается между зонами парциального окисления топлива и электрохимического окисления топлива установить перфорированный экран с зазором по отношению к проницаемой стенке.Additionally, it is proposed between the zones of partial oxidation of fuel and electrochemical oxidation of fuel to install a perforated screen with a gap with respect to the permeable wall.

Перфорированный экран может отстоять от проницаемой стенки на расстоянии 0,5-5 мм. The perforated screen can be separated from the permeable wall at a distance of 0.5-5 mm.

Дополнительно предлагается топливный элемент выполнить в виде трубки с открытыми концами, при этом внутренняя сторона трубки является пористым воздушным электродом, внешняя сторона – пористым топливным электродом, а между электродами расположен газоплотный кислородный электролит. В частности, ЭХГ может содержать несколько трубных топливных элементов, консольно закрепленных одним концом в трубной решётке, а другие концы соединены с камерой дожига продуктов окисления. При этом камеру окисления топлива может отделять от камеры дожига продуктов окисления перегородка с отверстиями, в которые с зазором помещены концы топливных элементов.It is further proposed that the fuel cell be made in the form of a tube with open ends, the inside of the tube being a porous air electrode, the outside being a porous fuel electrode, and a gas-tight oxygen electrolyte located between the electrodes. In particular, the ECG may contain several tube fuel cells cantilevered at one end in the tube sheet, while the other ends are connected to the afterburner of oxidation products. In this case, the fuel oxidation chamber can be separated from the afterburner of the oxidation products by a partition with openings into which the ends of the fuel elements are placed with a gap.

Проницаемая для смеси топлива и окислителя стенка может быть выполнена из перфорированной керамики, или из металлической сетки, или из прессованной металлической проволоки, или из металлоткани, или из пенометалла.The wall permeable to the mixture of fuel and oxidizing agent can be made of perforated ceramic, or of a metal mesh, or of pressed metal wire, or of metal fabric, or of foam metal.

В частном случае, в зоне электрохимического окисления возможно расположить батарею в виде набора расположенных вертикально и параллельно друг другу трубчатых топливных элементов с открытыми концами.In the particular case, in the zone of electrochemical oxidation it is possible to arrange the battery in the form of a set of vertically and parallel to each other tubular fuel cells with open ends.

Топливный элемент может быть выполнен в виде трубчатого элемента, например, имеющего круглое поперечное сечение или прямоугольное сечение с открытыми концами, при этом внешняя сторона элемента может быть покрыта пористым анодом, таким как, например, Ni-YSZ стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония (YSZ). Анод может быть покрыт с внутренней стороны плотным электролитом, таким как, например, Y2O3-ZrO2. Плотный электролит может быть покрыт с внутренней стороны пористым катодом, таким как, например, LaMnO3. Составы, используемые для изготовления трубок ТОТЭ, не критичны для настоящего изобретения.The fuel element may be in the form of a tubular element, for example, having a circular cross section or a rectangular section with open ends, while the outer side of the element may be coated with a porous anode, such as, for example, Ni-YSZ stabilized with yttrium oxide zirconia (YSZ) . The anode may be coated on the inside with a dense electrolyte, such as, for example, Y 2 O 3 —ZrO 2 . The dense electrolyte may be coated internally with a porous cathode, such as, for example, LaMnO 3 . The compositions used for the manufacture of SOFC tubes are not critical to the present invention.

Объединение в камере окисления топлива двух зон: зоны парциального окисления топлива и зоны электрохимического окисления топлива, разделенных перфорированным экраном, отделение камеры окисления топлива от камеры смешения топлива и окислителя проницаемой для смеси топлива и окислителя стенкой, выполненной из жаростойкого материала, позволяет обеспечить режим устойчивого поверхностного горения (парциального окисления) топлива, подогрев окислителя за счет тепла, выделенного от реакции парциального окисления. Позволяет также увеличить надежность устройства, ускорить выход ТОТЭ на рабочий режим, повысить эффективность использования топлива и использовать в качестве топлива широкий ассортимент различных углеводородных газов как природного, так и биологического происхождения, а также упростить конструкцию за счет исключения из конструкции ЭХГ горелки для предварительного разогрева дополнительных устройств для принудительной прокачки газов.The combination of two zones in the fuel oxidation chamber: the partial oxidation zone of the fuel and the electrochemical oxidation zone of the fuel, separated by a perforated screen, the separation of the fuel oxidation chamber from the fuel and oxidizer mixing chamber, which is permeable to the mixture of fuel and oxidizer by a wall made of heat-resistant material, allows for a stable surface combustion (partial oxidation) of the fuel, heating the oxidizing agent due to the heat released from the partial oxidation reaction. It also makes it possible to increase the reliability of the device, accelerate the SOFC output to operating mode, increase fuel efficiency and use a wide range of various hydrocarbon gases of both natural and biological origin as fuel, as well as simplify the design by eliminating burners from the ECG design for preheating additional devices for forced pumping of gases.

Установка перфорированного экрана с зазором по отношению к проницаемой стенке позволяет добиться устойчивого горения топлива. The installation of a perforated screen with a gap with respect to the permeable wall allows for stable combustion of the fuel.

Таким образом, достигается технический результат.Thus, a technical result is achieved.

Изобретение иллюстрируется рисунками: на фиг. 1 представлена сборка ЭХГ в аксонометрии, на фиг. 2 – вертикальный разрез ЭХГ, где 1 - корпус, 2 - камера смешения топлива и окислителя, 3 - камера окисления топлива, 4 – топливный элемент, 5 - камера дожига продуктов окисления, 6 – камера нагрева и распределения окислителя, 7 - зона парциального окисления топлива, 8 - зона электрохимического окисления топлива, 9 - проницаемая для смеси топлива и окислителя стенка, 10 - перфорированный экран, 11 - трубная решётка, 12 – перегородка, 13 – теплоизоляция, 14 – кожух, 15 – отверстия в трубной решетке 11, 16 – отверстия в перегородке 12, 17 – теплообменник.The invention is illustrated by drawings: in FIG. 1 shows an assembly of ECG in a perspective view; FIG. 2 - vertical section of the ECG, where 1 is the housing, 2 is the fuel and oxidizer mixing chamber, 3 is the fuel oxidation chamber, 4 is the fuel cell, 5 is the afterburner of oxidation products, 6 is the oxidizer heating and distribution chamber, 7 is the partial oxidation zone fuel, 8 - zone of electrochemical oxidation of fuel, 9 - wall permeable to the mixture of fuel and oxidizing agent, 10 - perforated screen, 11 - pipe grate, 12 - partition, 13 - insulation, 14 - casing, 15 - holes in the pipe grate 11, 16 - holes in the partition 12, 17 - heat exchanger.

Корпус 1 может иметь прямоугольную или круглую форму. Корпус 1 окружен теплоизоляцией 13, закрытой кожухом 14. Камера 2 смешения топлива и окислителя примыкает к корпусу 1, часть стенок которого является стенками камеры. Замыкают камеру 2 проницаемые для смеси топлива и окислителя стенки 9, которые внешней своей стороной образуют камеру окисления топлива 3, которая может иметь прямоугольную или круглую форму, камера окисления топлива 3 имеет две зоны: зону парциального окисления 7 и зону электрохимического окисления топлива 8.The housing 1 may have a rectangular or circular shape. The housing 1 is surrounded by thermal insulation 13, closed by the casing 14. The chamber 2 for mixing fuel and oxidizer is adjacent to the housing 1, part of the walls of which are the walls of the chamber. The chamber 2 is closed by walls 9, which are permeable to the mixture of fuel and oxidizer, which form the oxidation chamber 3 of their external side, which can have a rectangular or circular shape, the fuel oxidation chamber 3 has two zones: a partial oxidation zone 7 and an electrochemical oxidation zone of fuel 8.

Батарея топливных элементов 4 может поддерживаться различными функциональными компонентами, в частности трубной решеткой 11, выполненной из оксида алюминия или другого выдерживающего высокие температуры материала.The battery of fuel cells 4 can be supported by various functional components, in particular a tube sheet 11 made of aluminum oxide or other high temperature resistant material.

В трубной решетке 11 сформирован набор отверстий 15, которые обеспечивают проход к внутренним пространствам трубок 4.In the tube sheet 11 a set of holes 15 is formed, which provide a passage to the interior of the tubes 4.

На втором конце трубки 4 фиксируются выступами в отверстиях 16 в перегородке 12.At the second end of the tube 4 are fixed by protrusions in the holes 16 in the partition 12.

В камере 6 теплообменник 17 представляет собой набор металлических трубок из жаропрочного металла. Верхние концы трубок вставлены в отверстия крышки камеры 6, а нижние концы трубок вставлены в отверстия корпуса 1. Камера 6 образуется решеткой 10, которая герметично соединяется с крышкой теплообменника 17.In the chamber 6, the heat exchanger 17 is a set of metal tubes of heat-resistant metal. The upper ends of the tubes are inserted into the openings of the lid of the chamber 6, and the lower ends of the tubes are inserted into the openings of the housing 1. The chamber 6 is formed by a grid 10, which is hermetically connected to the cover of the heat exchanger 17.

Устройство работает следующим образом. Исходный углеводородный газ (метан, пропан, природный газ, биогаз и др.) одновременно с окислителем (воздухом или кислородом) подают в камеру смешения топлива и окислителя 2, смесь топлива и окислителя проходит через проницаемую стенку 9, происходит газофазный автотермический процесс парциального окисления (конверсия) с образованием синтез-газа с выделением тепла. Данный процесс делает возможным использование практически любого газообразного углеводородного топлива и не требует его глубокой очистки от примесей. Запуск ЭХГ производится поджигом газовоздушной смеси на внутренней поверхности проницаемой стенки 9. Перфорированный экран 10, с одной стороны, пропускает синтез-газ к топливным элементам, а с другой стороны, отражает излучение на проницаемую стенку 9 и стабилизирует поверхностное горение на стенке 9 смеси топлива и окислителя. Подача горячего синтез-газа к топливным элементам 4 осуществляется путём естественной конвекции, синтез-газ равномерно омывает топливные элементы, далее отработанный синтез-газ выходит через отверстия 16 в перегородке 12 в камеру дожига 5. Окислитель (воздух) для электрохимического окисления поступает через теплообменник 17, используя тепло от процесса парциального окисления, в камеру 6 и далее нагретым распределяется по элементам ТОТЭ 4, обеспечивая непрерывное равномерное протекание окислителя по внутренней полости элемента.The device operates as follows. The initial hydrocarbon gas (methane, propane, natural gas, biogas, etc.) is simultaneously supplied with the oxidizer (air or oxygen) to the fuel and oxidizer 2 mixing chamber, the mixture of fuel and oxidizer passes through the permeable wall 9, a gas-phase autothermal partial oxidation process occurs ( conversion) with the formation of synthesis gas with the release of heat. This process makes it possible to use almost any gaseous hydrocarbon fuel and does not require its deep cleaning from impurities. The ECG is started by igniting the gas-air mixture on the inner surface of the permeable wall 9. The perforated screen 10, on the one hand, passes the synthesis gas to the fuel cells, and on the other hand, reflects radiation on the permeable wall 9 and stabilizes surface combustion on the wall 9 of the fuel mixture and oxidizing agent. The supply of hot synthesis gas to the fuel cells 4 is carried out by natural convection, the synthesis gas washes the fuel cells evenly, then the spent synthesis gas flows through the openings 16 in the baffle 12 into the afterburner 5. The oxidizing agent (air) for electrochemical oxidation enters through the heat exchanger 17 Using heat from the partial oxidation process, it is distributed throughout the cell 6 and then heated over the SOFC elements 4, providing a continuous uniform flow of the oxidizer through the inner cavity of the element.

При определенных условиях протекание окислителя осуществляется путем естественной конвекции.Under certain conditions, the oxidizing agent flows through natural convection.

После достижения топливными элементами 4 температуры 750°С электрохимический генератор подключают к нагрузке.After the fuel cells 4 reach a temperature of 750 ° C, the electrochemical generator is connected to the load.

Claims (7)

1. Электрохимический генератор на твёрдооксидных топливных элементах, содержащий корпус, расположенную в нём камеру смешения топлива и окислителя, камеру окисления топлива с расположенным в ней по меньшей мере одним топливным элементом, камеру дожига продуктов окисления, камеру нагрева и распределения окислителя, при этом выход камеры смешения топлива и окислителя соединен с камерой окисления топлива, выход камеры окисления топлива соединён с входом в камеру дожига продуктов окисления, отличающийся тем, что камера окисления топлива включает две зоны: зону парциального окисления топлива и зону электрохимического окисления топлива, при этом камера окисления топлива отделена от камеры смешения топлива и окислителя проницаемой для смеси топлива и окислителя стенкой, выполненной из жаростойкого материала.1. An electrochemical generator based on solid oxide fuel cells, comprising a housing, a fuel / oxidizer mixing chamber located therein, a fuel oxidation chamber with at least one fuel cell disposed therein, an oxidation products afterburner, an oxidizer heating and distribution chamber, and the chamber exit the mixture of fuel and oxidizer is connected to the fuel oxidation chamber, the output of the fuel oxidation chamber is connected to the entrance to the afterburner of oxidation products, characterized in that the fuel oxidation chamber It consists of two zones: a zone of partial oxidation of fuel and a zone of electrochemical oxidation of fuel, while the chamber of fuel oxidation is separated from the chamber of mixing fuel and oxidizer, a wall made of heat-resistant material is permeable to the mixture of fuel and oxidizer. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что между зонами парциального окисления топлива и электрохимического окисления топлива установлен перфорированный экран с зазором по отношению к проницаемой стенке.2. The generator according to claim 1, characterized in that between the zones of partial oxidation of the fuel and electrochemical oxidation of the fuel there is a perforated screen with a gap with respect to the permeable wall. 3. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что перфорированный экран отстоит от проницаемой стенки на расстоянии 0,5-5 мм.3. The generator according to claim 2, characterized in that the perforated screen is spaced from the permeable wall at a distance of 0.5-5 mm. 4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что топливный элемент выполнен в виде трубки с открытыми концами, внутренняя сторона трубки является пористым воздушным электродом, внешняя сторона – пористым топливным электродом, а между электродами расположен газоплотный кислородный электролит.4. The generator according to claim 1, characterized in that the fuel cell is made in the form of a tube with open ends, the inside of the tube is a porous air electrode, the outside is a porous fuel electrode, and a gas-tight oxygen electrolyte is located between the electrodes. 5. Генератор по п. 4, отличающийся тем, что он содержит несколько трубных топливных элементов, консольно закрепленных одним концом в трубной решётке, а другие концы соединены с камерой дожига продуктов окисления.5. The generator according to claim 4, characterized in that it contains several tube fuel cells cantileverly fixed at one end in the tube sheet, and the other ends are connected to the afterburner of oxidation products. 6. Генератор по п. 5, отличающийся тем, что камеру окисления топлива отделяет от камеры дожига продуктов окисления перегородка с отверстиями, в которые с зазором помещены концы топливных элементов.6. The generator according to claim 5, characterized in that the oxidation chamber of the fuel separates the partition with holes in the ends of the fuel cells from the afterburner of the oxidation products. 7. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что проницаемая для смеси топлива и окислителя стенка выполнена из перфорированной керамики, или из металлической сетки, или из прессованной металлической проволоки, или из металлоткани, или из пенометалла.7. The generator according to claim 1, characterized in that the wall permeable to the mixture of fuel and oxidizing agent is made of perforated ceramic, or of a metal mesh, or of pressed metal wire, or of metal fabric, or of foam metal.
RU2015150166A 2015-11-24 2015-11-24 Electrochemical generator on solid oxide fuel cells RU2608749C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150166A RU2608749C1 (en) 2015-11-24 2015-11-24 Electrochemical generator on solid oxide fuel cells

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150166A RU2608749C1 (en) 2015-11-24 2015-11-24 Electrochemical generator on solid oxide fuel cells

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2608749C1 true RU2608749C1 (en) 2017-01-24

Family

ID=58456980

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015150166A RU2608749C1 (en) 2015-11-24 2015-11-24 Electrochemical generator on solid oxide fuel cells

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2608749C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4374184A (en) * 1981-09-29 1983-02-15 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell generator and method of operating same
RU2027258C1 (en) * 1990-07-03 1995-01-20 Сомов Сергей Иванович High-temperature electrochemical generator
US6019885A (en) * 1987-03-13 2000-02-01 The Standard Oil Company Solid multi-component membranes, electrochemical reactor components, electrochemical reactors and use of membranes, reactor components, and reactor for oxidation reactions
US6190623B1 (en) * 1999-06-18 2001-02-20 Uop Llc Apparatus for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
US20110146154A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-23 Hassan Modarresi Gas generator and processes for the conversion of a fuel into an oxygen-depleted gas and/or hydrogen-enriched gas
RU2474929C1 (en) * 2011-07-25 2013-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН Electrochemical generator on solid oxide fuel cells

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4374184A (en) * 1981-09-29 1983-02-15 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell generator and method of operating same
US6019885A (en) * 1987-03-13 2000-02-01 The Standard Oil Company Solid multi-component membranes, electrochemical reactor components, electrochemical reactors and use of membranes, reactor components, and reactor for oxidation reactions
RU2027258C1 (en) * 1990-07-03 1995-01-20 Сомов Сергей Иванович High-temperature electrochemical generator
US6190623B1 (en) * 1999-06-18 2001-02-20 Uop Llc Apparatus for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
US20110146154A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-23 Hassan Modarresi Gas generator and processes for the conversion of a fuel into an oxygen-depleted gas and/or hydrogen-enriched gas
RU2474929C1 (en) * 2011-07-25 2013-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН Electrochemical generator on solid oxide fuel cells

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6283269B2 (en) Fuel cell module
CN109830729B (en) Device and method for supporting direct internal reforming solid oxide fuel cell by heat pipe
JP6247671B2 (en) Fuel cell module
JP6001800B2 (en) Fuel cell stack structure
RU2474929C1 (en) Electrochemical generator on solid oxide fuel cells
JP2003249256A (en) Fuel cell
RU2608749C1 (en) Electrochemical generator on solid oxide fuel cells
JP2010267394A (en) Generation device
JP2008147026A (en) Solid oxide fuel cell
JP2011210631A (en) Fuel cell module
JP6300178B2 (en) Solid oxide fuel cell device
JP6300179B2 (en) Solid oxide fuel cell device
JP2004014458A (en) Solid electrolyte fuel cell unit
JP6001625B2 (en) Fuel cell system
JP2013134929A (en) Fuel battery
KR101339132B1 (en) Housing Apparatus of Solid Oxide Fuel Cell
JP2004028521A (en) Combustion device
US3492162A (en) Fuel cell and method for generating electrical energy by burning a portion of the fuel
RU2597873C1 (en) Battery of solid oxide fuel cells
JP2016129087A (en) Fuel cell module
JP6498884B2 (en) Fuel cell
JP6332621B2 (en) Fuel cell module
RU2538095C1 (en) Electrochemical generator with solid electrolyte
JP6182290B1 (en) Fuel cell stack
JP5461290B2 (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191125