燃料电池编制的修制要领

大盘分析 时间:2019-12-06 18:37:09

  燃料电池是直接由氧化燃料显现电力的电化学转嫁安置。燃料电池的特征在于它们的电解质原料,比方,固体氧化物燃料电池(SOFC)具有固体氧化物电解质或陶瓷电解质。

  方今,固体氧化物燃料电池的首要变型是管式固体氧化物燃料电池(T-SOFC)、刻板式固体氧化物燃料电池(P-SOFC)和单片式(monolithic)固体氧化物燃料电池(M-SOFC)。

  管式固体氧化物燃料电池收集拥有内电极和外电极的管式固体氧化物电解质构件。凡是,内电极为阴极,表电极为阳极。氧化剂气体被供应至管式固体氧化物电解质构件的内中中的阴极,燃料气体被提供至管式固体氧化物电解质构件的表外面上的阳极。(这大概倒序)。管式固体氧化物燃料电池同意简易的电池堆迭安排并且基础上一概没有密封。不过,这品种型的固体氧化物燃料电池的缔制非常混杂、蹧跶人力且成本高。此表,这种类型的固体氧化物燃料电池由于经过相对大直径的管式电池的长电宣扬导途径而拥有相对低的功率密度。

  单片式固体氧化物燃料电池具有两个变型。第一变型拥有电极在其两个主皮相上的死板式固体氧化物电解质构件。第二变型具有电极在其两个主表面上的波纹板式固体氧化物电解质构件。单片式固体氧化物燃料电池适于更浅近的流延成型创作工艺和压延创修工艺,况且保险了较高的功率密度。这品种型的固体氧化物燃料电池需要将实正在中的所有燃料电池层从其生坯情景共烧结。然而,这导致厉重的紧缩和开裂问题。这品种型的固体氧化物燃料电池并非如此恣意地百般化和密封。

  没趣式固体氧化物燃料电池也适于流延成型缔造工艺和压延创作工艺。如今,其必要厚的(150微米至200微米)自支承固体氧化物电解质构件,这限制了机能。刻板式固体氧化物燃料电池还具有有限的耐热打击性。

  固体氧化物燃料电池必要约500℃至约1100℃的把握温度以连合低的内电阻。

  SOFC具有阳极回途和阴极回道,向阳极回讲供应燃料(一般为甲烷)流,而且向阴极回道供应氧化剂(普通为空气)流。相连云云的高温是一种离间,况且照样提出了好众管制策动。

  一种显现热的有效体例是使在燃料流依然过程SOFC堆的阳极之后燃料流中如故存在的任何燃料焚烧。燃烧室不妨被用于在阳极回说的出口处告终耗尽燃料的氧化。燃烧室还可以来日自阴极回叙的热氧化剂作为输入。点火室通常被策画成正在燃料和氧化剂流中产生卓殊有限的压力浪费。燃烧产品被喷射器夹带并且被提供至热调换器的热侧,个中清爽燃料和/或氧化剂在热交换器的冷侧被预热。

  在少许已知的固体氧化物燃料电池体例中,点火产品与新鲜氧化剂直接夹杂,尔后被提供至固体氧化物燃料电池的阴极以出现丰厚的温度进步,使得固体氧化物燃料电池处于所需的垄断温度。不外,现已觉察,存正在于被供给至固体氧化物燃料电池的阴极的点燃产物中的一些点燃产品(譬喻,蒸汽)对固体氧化物燃料电池的性能和耐久性是无益的。

  WO 2007/128963公然了一种燃料点燃器,其包括具有第一密封方圆和第二启齿角落的多个密封燃料管。燃料管基础上彼此平行地布置以酿成众个氧化剂通道。燃料管和氧化剂通叙被安插成使得燃料恐怕与氧化剂复杂以向点火器提供经历燃烧器的低压降。只是,具有以错综驳杂的体例摆设的众个燃料管板是腾贵的而且难以创建。

  WO 2012/013460公然了一种固体氧化物燃料电池体例,其收集固体氧化物燃料电池堆和燃气涡轮创议机,燃气涡轮提议机的裁减机被安插成将氧化剂提供至固体氧化物燃料电池堆的阴极,并且燃料供给器被安插成将燃料供给至固体氧化物燃料电池堆的阳极。该体系被安置为使得未操纵氧化剂和未运用燃料被再循环而且被供给至点火室中。焚烧室被计划成提供热互换器的入口。热换取器的优点在于:其使得或者正在不使已被发觉蹧蹋固体氧化物燃料电池的职能和耐久性的焚烧产物(比如,蒸汽)历程的景遇下将热传递至固体氧化物燃料电池堆。燃烧室依赖自燃来点燃点燃器。这需要处境点火器温度跨越燃料羼杂物的自燃温度;自燃温度为约600℃。这个要求对启动系统的打算施加了限制。此外,为了担保正在燃烧点火器发作打击工夫无法变成爆炸性混合物,焚烧器需求复杂且昂贵的升平系统以使得恐怕进行点火器的燃烧检测。平安系统通常包罗卓殊腾贵的泰平临界传感器。

  遵照第一方面,供给了一种高温燃料电池编制,其搜集高温燃料电池堆、减弱机和涡轮机,高温燃料电池堆收罗起码一个高温燃料电池,每个高温燃料电池网罗电解质、阳极和阴极,萎缩机被安放成将至少一一面氧化剂提供至所述起码一个高温燃料电池的阴极,燃料供应器被安插成将燃料提供至所述至少一个高温燃料电池的阳极,高温燃料电池堆被安插成改日自所述至少一个高温燃料电池的阴极的未欺骗氧化剂的第一个体提供至喷射器,高温燃料电池堆被布置成他日自所述起码一个高温燃料电池的阳极的一片面未运用燃料供应至喷射器,屈曲机被陈设成将一小我氧化剂供应至喷射器,喷射器被设备成经由由萎缩机提供的所述一个别氧化剂来夹带未诈欺氧化剂和未运用燃料以形成未操纵燃料和氧化剂的驳杂物。

  有利地,未欺骗燃料和氧化剂的驳杂物可以被夹带至喷射器外部的点燃区用于未欺骗燃料和氧化剂的羼杂物的焚烧。

  点火区大概被布置成另日自未欺骗燃料和氧化剂的同化物的燃烧的废气供应至热相易器的第一入口。

  热交流器或者被安顿成将来自热调换器的第一出口的起码一小我废气供给至涡轮机。

  来自缩幼机的所述至少一片面氧化剂和来自所述起码一个高温燃料电池的阴极的未行使氧化剂的第二个别可以被提供至热换取器的第二入口以对被提供至所述起码一个高温燃料电池的阴极的氧化剂实行预热。

  热交换器不妨被摆设成将来自缩短机的所述起码一一面氧化剂和来自所述至少一个高温燃料电池的阴极的未愚弄氧化剂的第二个人从热交流器的第二出口供应至所述至少一个高温燃料电池的阴极。

  具有三个入口(即,来自减少机的氧化剂、来自阴极的未愚弄氧化剂和来自阳极的未利用燃料)的喷射器的部署供应对未欺骗氧化剂和未愚弄燃料的非常高的剪切混合。喷射器泉源自减少机的氧化剂驱动,况且入口喷嘴的几众模样恐怕被安排成激励体会喷射器的非常高的气体快度。历程喷射器的搀和历程这样赶紧使得正在喷射器本身内没有丰裕的时间发生搀和物中的能量转达,况且在燃料与氧化剂之间的能量通报中的毫秒延长的功夫足够使未使用燃料和氧化剂的搀和物离开喷射器进入下游焚烧区,未运用燃料和氧化剂的同化物随后不才逛点火区中点燃。

  因为存在假如同化经过不足快捷则夹杂物大概正在喷射器内点燃的蹂躏,因而,沉要的是喷射器能够举行高剪切同化。

  三个入口的喷射器和只身焚烧区的长处在于:喷射器使未利用燃料和氧化剂流正在可能自燃之前千万预搀和。未利用燃料和氧化剂的复杂物正在该预混关景况下更有用地焚烧,况且有害的氮氧化物(NOx)气体的开释扩充。

  此外,经由在喷射器内夹杂未行使燃料和氧化剂,由于喷射器推行使未操纵燃料和氧化剂搀杂并将混闭物传送至点燃区的历程,因而或许从高温燃料电池系统中删除燃烧室。

  点火区可因而用于预夹杂的未行使燃料和未欺骗氧化剂的燃烧的空间或专用空间。在喷射器中造成的驳杂物可能正在点火区内自燃。

  催化氧化反映器或者位于喷射器和焚烧区的下游。催化氧化回声器或许助帮高温燃料电池体例的冷启动,紧张针对预热阶段岁月较低温度下的点火。或许,恐怕愚弄点军火或电热塞来取代催化氧化应声器以正在比自燃温度更低的温度下告终燃烧。

  单催化床回响器或双催化床反映器可能位于催化氧化响应器的下游以杀青一氧化碳气体(CO)的氧化。

  催化氧化回响器和/或单催化床反响器或双催化床响应器不妨与热交换器拼集。或许,热调换器也许用影响于CO转变的第二催化床反响器。

  初级夹带空间可能具有用于初级氧化剂供应器的第一入口。低级氧化剂提供器可以驱动来自阴极的未利用氧化剂和来自阳极的未愚弄燃料的高剪切搀杂历程。

  次级夹带空间也许具有用于来自阴极的未诈骗氧化剂的第二入口和用于来自阳极的未欺骗燃料的第三入口。

  夹杂空间和排放空间将未行使燃料和氧化剂的混杂物朝向焚烧区夹带。由于可燃混合物的点火延长大于正在喷射器中的驻留时辰,因此,可燃夹杂物恐怕无转动地脱节喷射器。

  也许实现完全预混合燃烧,这可以使点燃温度最小而且使相合联的NOx显示最少。始末升高燃烧温度,部件的寿命通常被最大化,这是来由它们承受更少的热应力。

  点燃区大概诈骗三级夹带空间的倏忽膨胀而在喷射器的出口处是一体化的(integrated)。正在从喷射器的出口至焚烧区突然膨饱时,焚烧区的上游端的横截面积是喷射器的出口的横截面积的起码两倍。创建一体化点燃区的骤然膨饱可以创修一样于短突扩扩压器(dump diffuser)的个人振动再循环。可燃夹杂物的哆嗦途途也许在滚动场中履历漩涡,这也许导致可燃同化物正在燃烧区中的驻留期间减少。可燃夹杂物正在点燃区中的驻留岁月推广的利益正在于:弥补的驻留时代使得焚烧反映可能纠合正在受限地域中譬喻正在燃烧区内,并且制止焚烧向焚烧区下游宣扬的或者性。燃烧向点火区下逛宣传的或许性的普及供应了更安好的燃料电池体系。

  另外的燃料供应大概被铺排成将燃料提供至喷射器。所述另外的燃料供应正在高温燃料电池系统启动时被使用。

  遵守第二方面,提供了一种用正在高温燃料电池系统中的燃料再轮回安设,该燃料再轮回安装网罗喷射器和点火区,喷射器包括用于低级氧化剂的第一入口、用于未诈骗氧化剂的第二入口和用于未诈欺燃料的第三入口。

  正在所描摹的推广策划中,相同的特质依旧用相仿的附图标记来标志,然而在少许状况下具有100的整数倍的增量。例如,正在破例的附图中,30和230仍然被用于发挥喷射器。

  图1示出了固体氧化物燃料电池体系1,其网罗固体氧化物燃料电池堆2、减弱机14和涡轮机12。固体氧化物燃料电池堆2包罗具有电解质、阳极和阴极的起码一个固体氧化物燃料电池。中断机14被摆设成来日自氧化剂供给器6的至少一私人氧化剂52供给至所述起码一个固体氧化物燃料电池的阴极,并且燃料提供器4被安排成将燃料供应至所述起码一个固体氧化物燃料电池的阳极。固体氧化物燃料电池堆2被陈设成异日自所述至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的未应用氧化剂的第一个体54提供至喷射器30,固体氧化物燃料电池堆2被部署成改日自所述起码一个固体氧化物燃料电池的阳极的未欺骗燃料的第一片面56供给至喷射器30。压缩机14被陈设成改日自氧化剂供应器6的一私人氧化剂36供应至喷射器30。涡轮机12被布置成始末轴13来驱动萎缩机14,而且涡轮机12还被安顿成驱动发电机11。

  燃料供应器4被安排成源委喷射器5将燃料供给至固体氧化物燃料电池堆2中的起码一个固体氧化物燃料电池的阳极,而且来自所述至少一个固体氧化物燃料电池的阳极的未使用燃料的第二小我58被提供至喷射器5以被再轮回至所述至少一个固体氧化物燃料电池的阳极。

  喷射器30夹带并同化来自固体氧化物燃料电池堆2中的固体氧化物燃料电池的阴极的未欺骗氧化剂、来自固体氧化物燃料电池的阳极的未运用燃料以及从缩小机14提供的氧化剂,并且将该复杂物提供至燃烧区44用于点燃。焚烧区44是用于预驳杂的未愚弄燃料和未利用氧化剂的燃烧的空间或专用空间。在喷射器30中变成的搀和物正在燃烧区44内自燃。

  燃烧区44被安置成将点火产物供给至热交流器16的第一入口17。可是,中心部件比方另一气氛动力学再循环区50也许被设立成使均匀非催化燃烧舒适。

  催化氧化响应器46位于喷射器30和点燃区44的下游。催化氧化响应器46助帮固体氧化物燃料电池体系1的冷启动。这尤其有利于在固体氧化物燃料电池体例1的预热阶段或启动时分较低温度下的焚烧。大概,可以行使点军器或电热塞来取代催化氧化应声器以正在比自燃温度更低的温度下竣工焚烧。

  单催化床反响器或双催化床反映器48也许位于催化氧化反响器46的下游以达成一氧化碳气体(CO)至二氧化碳气体(CO2)的氧化。

  催化氧化应声器46和/或单催化床反响器或双催化床应声器48不妨与热互换器16凑闭。可能,假使催化氧化应声器46中存正在不完全点燃,则热互换器16能够用影响于CO至CO2改观的第二催化床反响器。用作催化氧化回声器、单催化床反响器或双催化床应声器或者第二催化床响应器的热相易用具有施加至热交换器内反响流道的外面的催化剂。为了杀青CO至CO2的转机,或许需求在催化剂涂覆外外上的长的驻留韶华。运用热调换器活动催化氧化反响器、单催化床回声器或双催化床回响器也许第二催化床反应器的好处正在于:因为热调换器内的流讲以及由此的流谈的催化剂涂覆外貌的大的外观积,热调换器为变更响应的爆发提供了特殊大的轮廓积。另外,热互换器与催化氧化反映器、单催化床反映器或双催化床响应器可能第二催化床应声器的拼集使得俭约了本钱。

  热相易器16被布置成他日自热交流器16的第一出口18的至少一个人废气60提供至涡轮机12。热交换器16被安放成改日自热互换器16的第一出口18的一部分废气62供应至喷射器30,并且这些废气与来自固体氧化物燃料电池堆2的所述起码一个固体氧化物燃料电池的阴极的未欺骗氧化剂54一切被供应至喷射器30中。热相易器16使得热或许传递至氧化剂(以正在氧化剂抵达固体氧化物燃料电池堆2之前对氧化剂进行预热)而没有使无益的点燃产品(比方蒸汽)进入氧化剂流22以及进入固体氧化物燃料电池堆2。

  来自缩小机14的所述一一面氧化剂52和来自固体氧化物燃料电池堆2的所述至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的未利用氧化剂的第二小我64始末喷射器15被提供至热相易器16的第二入口19以对被供给至固体氧化物燃料电池堆2的所述至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的氧化剂流22举行预热。来自萎缩机14的所述一局部氧化剂52和来自固体氧化物燃料电池堆2的所述起码一个固体氧化物燃料电池的阴极的未使用氧化剂的第二私人64在喷射器15中被搀和正在完全。

  热交换器16被铺排成来日自缩短机14的所述起码一个别氧化剂和来自固体氧化物燃料电池堆2的所述至少一个固体氧化物燃料电池的阴极的未使用氧化剂的第二局部64从热相易器16的第二出口20提供至固体氧化物燃料电池堆2的所述至少一个固体氧化物燃料电池的阴极。正在该安排下,氧化剂流22原委流经热相易器16的再轮回燃料和再轮回氧化剂来预热。

  图2中示出了喷射器30。喷射器30搜罗低级夹带空间38、次级夹带空间40、混合空间41和排放空间42。喷射器30过程初级夹带空间38来夹带一个人初级氧化剂36。低级夹带空间38具有效于所述一个体低级氧化剂进入低级夹带空间38的第一入口37。所述一个体低级氧化剂36驱动未操纵氧化剂54和来自热换取器16的废气62的聚闭32与未运用燃料56的搀和过程以正在驳杂空间41和排放空间42内酿成预夹杂的复杂物。次级夹带空间40具有用于未诈欺燃料供应参加次级夹带空间40的第二入口35和用于未愚弄氧化剂提供投入次级夹带空间40的第三入口33。第三入口33依然用于来自热互换器16的第一出口18的一一面废气62投入次级夹带空间40的入口。第二入口35和第三入口33被创建正在次级夹带空间40内尽大概挨近夹杂空间41。初级夹带空间38搜集执政向次级夹带空间40的方进取压缩的管,比方,管的横截面积从入口37至次级夹带空间40减小。次级夹带空间40包罗在朝向混关空间41的方进取减少的管,譬喻,管的横截面积从低级夹带空间38至混杂空间41减幼。低级夹带空间38和次级夹带空间40优选地为单个裁减管的小我。驳杂空间41搜罗沿其长度拥有平均横截面积的圆柱形管。只是,羼杂空间41或者搜求正在朝向排放空间42的方进取添加的管,例如,横截面积从次级同化空间40至排放空间42扩张。排放空间42搜求在间隔羼杂空间41的方进步扩张的管,比如,管的横截面积从搀杂空间41至排放空间42的出口43添加。排放空间42限度了用于未使用燃料和未应用氧化剂的搀杂物的扩散器。第二入口35和第三入口33可于是入口喷嘴。

  拥有三个入口(即,一局部初级氧化剂、来自阴极的未使用氧化剂、来自阳极的未愚弄燃料和来自热交流器的一私人废气)的喷射器30的安插供给未行使氧化剂和未诈骗燃料的特别高的剪切混杂。入口喷嘴的几何容貌鞭策体会喷射器的出格高的气体速率。

  因为初级氛围、未应用氧化剂和未操纵燃料在喷射器30内的驻留时分小于燃料和氧化剂同化物的能量转达所需的时光,所以可燃物质在喷射器30内不焚烧。正在燃料与氧化剂之间的能量转达中的毫秒延伸的时辰足够使预复杂的燃料-氧化剂混杂物脱离喷射器30投入下游燃烧区44,预同化的燃料和氧化剂随后鄙人游点燃区44中点火。

  由于用于所述一私人初级氧化剂流36、未欺骗氧化剂流54、未运用燃料流56以及来自热交流器的所述一个体废气的入口喷嘴的几众样子,喷射器30能够举办高剪切混杂。倘若喷嘴不输送高快料流,则存在以下欺侮:混合历程不敷速即况且同化物或者在喷射器30内点火(即,导致正在喷射器内回火(flash back))。

  所述三个入口喷射器安置和孑立焚烧区的克己正在于:喷射器使未利用燃料以及低级氧化剂流和未应用氧化剂流在也许自燃之前一概预混合。预驳杂的燃料和氧化剂正在该预驳杂景遇下更有效地焚烧,并且无益的一氮氧化物(NOx)气体的开释减少。

  此外,经过在喷射器内夹杂未应用燃料以及初级氧化剂和未行使氧化剂,因为喷射器扩展将燃料和氧化剂搀杂至点火区的进程,于是大概从固体氧化物燃料电池编制中减削点火室。

  图3示出了与点燃区245耦接的喷射器230。焚烧区245在喷射器230的出口243处是一体化的。从喷射器230的出口243至点燃区245存正在忽地膨胀,燃烧区的上游端的横截面积是喷射器230的出口243的横截面积的至少两倍。从喷射器230的出口243至点火区245的陡然膨胀提供了可用于预混闭的燃料和氧化剂混关物的体积的扩充以创修一面波动再轮回。点火区245内的颤抖剖面(flow profile)酿成漩涡式流,况且于是延长了正在燃烧区245内的驻留功夫。正在焚烧区245内的驻留时间延伸有助于改善预同化的燃料和氧化剂搀和物的点火。

  正在固体氧化物燃料电池系统1的启动时刻,另外的燃料7可以被注入至喷射器30中,特别是次级夹带空间40中。不妨运用第二入口35或另外的入口(未示出)将燃料7注入至喷射器30中。正在固体氧化物燃料电池体例1的启动岁月被注入至喷射器30中的燃料7可因此天然气、氢气、氢气和一氧化碳的复杂物、其他们适宜的碳氢化关物或其全班人契合的燃料。阀9被设置成答允正在启动时候供给燃料7而且克制正在固体氧化物燃料电池编制的平常专揽工夫提供燃料7。在固体氧化物燃料电池系统1的启动功夫供给燃料7,以历程对经过热调换器16供应至固体氧化物燃料电池堆2的氧化剂实行加热来将固体氧化物燃料电池堆2加热至掌握温度。

  喷射器30充任正在自燃条目(温度)之上的燃料和氧化剂同化器。喷射器30还充当在自燃条目之下的燃料和氧化剂混关器,况且充任在固体氧化物燃料电池体系的预热或启动时间的燃料和氧化剂夹杂器。

  在固体氧化物燃料电池体系的特定实例中,氧化剂供应器可因此氧气提供器或空气提供器,并且燃料供给器可于是氢气供给器,或者燃料供应器不妨征采沉整器或经管器以出现氢气。

  固然照旧参照包括由固体氧化物燃料电池构成的固体氧化物燃料电池堆的固体氧化物燃料电池体系形容了本出现,可是本发觉同样适用于征采由熔融碳酸盐燃料电池组成的熔融碳酸盐燃料电池堆的熔融碳酸盐燃料电池编制或者包括由高温燃料电池组成的高温燃料电池堆的其我高温燃料电池体例。高温燃料电池正在约500℃至1100℃的温度下运用,譬喻,固体氧化物燃料电池在约500℃至1100℃(例如,850℃至1100℃)的温度下掌握,况且熔融碳酸盐燃料电池在约600℃至700℃的温度下驾御。

  对付本边界技巧职员将暴露的是,对待上述任何施行方针所描摹的特点能够在例外奉行计算之间可换取地利用。上述奉行策动是示出本出现的各个特质的实例。

  领悟本说明书的描画和权益要求书,词语“搜集”和“蕴藏”及其变型意味着“收罗但不限于”,而且它们不旨在(况且不)排挤其他们个别、减少件、部件、整数或步骤。

  领悟本仿单的描摹和权利条款书,单数包括复数,除非上下文再有条目。特意地,正在不诈欺数量词的景遇下,除非高低文还有要求,否则本仿单应该被理解为找寻复数以及单数。

  除非其互不相容,不然连接本发觉的特定方面、践诺方案或实例所描摹的特质、整数、个性、化合物、化学局部或基团应该被领略为适用于本文中所描绘的任何其他们方面、奉行计划或实例。正在本仿单(包罗任何所附权利条件、提要和附图)中所果然的整体特性和/或如此公开的任何手段或过程的全盘措施也许以除了其中如此的特征和/或步伐的起码少少是彼此排挤的聚合之外的任何拼凑进行撮合。本出现不限于任何前述实行计算的细节。本察觉延伸至本叙明书(搜求任何所附权力条件、摘要和附图)中所公开的特点中的任何新颖的一个或任何崭新的召集大概这样悍然的任何方法或进程的步伐中的任何新颖的一个或任何新颖的凑合。

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