Изобретение касается системы (10) топливных элементов с риформером (12) для получения риформата из топлива и окислителя, топливным элементом (22) для преобразования риформата в обедненный риформат и электрическую энергию, и линией (30) рециркуляции для частичного обратного подвода обедненного риформата к риформеру (22). При этом изобретение предпочтительным образом отличается тем, что предусмотрено транспортирующее устройство (14), с помощью которого как топливо, так и обедненный риформат линии (30) рециркуляции могут подводиться к риформеру (12). Кроме того, изобретение касается способа эксплуатации такой системы (10) топливных элементов.

 

(57) Реферат / Формула:
касается системы (10) топливных элементов с риформером (12) для получения риформата из топлива и окислителя, топливным элементом (22) для преобразования риформата в обедненный риформат и электрическую энергию, и линией (30) рециркуляции для частичного обратного подвода обедненного риформата к риформеру (22). При этом изобретение предпочтительным образом отличается тем, что предусмотрено транспортирующее устройство (14), с помощью которого как топливо, так и обедненный риформат линии (30) рециркуляции могут подводиться к риформеру (12). Кроме того, изобретение касается способа эксплуатации такой системы (10) топливных элементов.

 

---

2420-162994ЕА/032 СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ЛИНИЕЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ
Изобретение касается системы топливных элементов с риформером для получения риформата из топлива и окислителя, топливным элементом для преобразования риформата в обедненный риформат и электрическую энергию, и линией рециркуляции для частичного обратного подвода обедненного риформата к риформеру.
Кроме того, изобретение касается способа эксплуатации системы топливных элементов, с этапами получения риформата из топлива и окислителя с помощью риформера; преобразования риформера в обедненный риформат и электрическую энергию с помощью топливного элемента; и частичного обратного подвода обедненного риформата к риформеру в линии рециркуляции.
Системы топливных элементов служат общеизвестным образом для преобразования химической энергии в электрическую энергию. Системы топливных элементов должны быть в состоянии перерабатывать обычные на практике топлива. Так как в одном топливном элементе преобразуются водород и кислород, используемое топливо должно быть подготовлено таким образом, чтобы подведенный к аноду топливного элемента газ имел по возможности высокую долю водорода. На стороне катода в большинстве случаев к топливному элементу подводится кислород воздуха. С этой целью к риформеру подводятся топливо и окислитель, предпочтительно воздух. После этого в риформере осуществляется преобразование топлива с помощью кислорода, причем предпочтительно осуществляется метод частичного окисления.
В заявке ЕР 1 557 8 96 А1 раскрыта система топливных элементов с признаками ограничительной части пункта 1. В этой системе топливных элементов к риформеру подводится обратно газ риформата, который покидает топливный элемент на стороне выхода. Эта система имеет, однако, сложную конструкцию.
По этой причине задачей настоящего изобретения является создание возможности получения системы топливных элементов, которая имеет относительно простую конструкцию и, тем самым, может изготавливаться благоприятно в стоимостном отношении.
Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения.
Предпочтительные варианты выполнения и усовершенствования изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.
Соответствующая изобретению система топливных элементов получена на основе соответствующего родовому признаку уровне техники за счет того, что в ней предусмотрено транспортирующее устройство, с помощью которого как топливо, так и обедненный риформат линии рециркуляции риформера могут подводиться к риформеру. С помощью транспортирующего устройства, которое подводит к риформеру как топливо, так и обедненный риформат, можно отказаться от использования других транспортирующих устройств. Кроме того, такого рода конструкция также обеспечивает возможность упрощенного управления, так как за счет повышения производительности транспортирующего устройства автоматически увеличивается как объем транспортируемого топлива, так и количество транспортируемого обедненного риформата, в результате чего при изменении объема транспортировки нет необходимости в принудительном взаимном согласовании отдельных линий. Транспортируемое количество отводимого обратно обедненного риформата может, таким образом, регулироваться с помощью транспортируемого количества подводимого топлива.
Кроме того, предпочтительным является предусмотрение выше по потоку относительно транспортирующего устройства по одному клапану регулировки потока с целью независимого друг от друга регулирования подвода топлива и обедненного риформата к транспортирующему устройству. Такая конструкция обеспечивает возможность того, что за счет варьирования положений обоих клапанов относительно друг друга и варьирования числа оборотов транспортирующего устройства может регулироваться соотношение топлива и потока рециркуляции. Тем самым, эта конструкция обеспечивает то преимущество, что в риформере может достигаться высокая гибкость при регулировке состава газа в риформере, за счет чего может достигаться высокая гибкость системы топливных элементов при реакции на изменения нагрузки. Поскольку это
соотношение оказывает влияние также на температуру риформера, он за счет регулировки может эксплуатироваться также в желаемом температурном диапазоне. Кроме того, предусмотрение отдельных клапанов регулировки является более рентабельным, нежели подготовка отдельных транспортирующих устройств в каждой линии.
Далее, соответствующая изобретению система топливных элементов может быть усовершенствована за счет того, что в линии рециркуляции предусмотрен теплообменник для охлаждения обедненного риформата в линии рециркуляции. Без этого теплообменника компоненты в линии рециркуляции, например, клапан или транспортирующее устройство, пришлось бы изготавливать с возможностью их работы при температурах до 850°С, что ведет к значительному увеличению стоимости системной конструкции и вообще делает затруднительным процесс поиска такого рода компонентов. Кроме того, высокие рабочие температуры ведут к высокому износу механических конструктивных элементов. Эта проблематика может быть разрешена за счет охлаждения потока рециркуляции, в результате чего поток рециркуляции охлаждается, например, до 150°С, чтобы обеспечить возможность использования обычных компонентов. Обычные компоненты могут эксплуатироваться в этом случае при относительно умеренных температурах.
В этой связи предпочтительным образом может быть предусмотрено, что через теплообменник проходит линия окислителя, которая подводит окислитель к риформеру, к топливному элементу или дожигателю. Таким образом, уже присутствующий в системе топливных элементов поток среды может использоваться для охлаждения отведенного обратно обедненного риформата. Таким образом, можно отказаться от дополнительных воздуходувок для охлаждения потока рециркуляции.
Кроме того, изобретение предлагает способ управления такой системой топливных элементов.
В рамках способа он может предпочтительно характеризоваться запиранием клапана регулировки потока в линии рециркуляции во время запуска или отключения системы топливных элементов. С помощью этой меры для запуска системы топливных
элементов, в распоряжении которой находится недостаточное количество обедненного риформата, или при отключении системы топливных элементов линии рециркуляции может деактивироваться, в результате чего для этих эксплуатационных состояний могут создаваться предпочтительные условия.
Предпочтительная форма выполнения изобретения поясняется в качестве примера ниже на основании фигуры.
На фигуре показано:
На Фиг.1 показано схематическое изображение
соответствующей изобретению системы топливных элементов.
На Фиг.1 показано схематическое изображение
соответствующей изобретению системы 10 топливных элементов. Система 10 топливных элементов содержит риформер 12, к которому от транспортирующего устройства 14 могут подводиться топливо и поясняемый в последующем обедненный риформат. В качестве транспортирующего устройства 14 может использоваться воздуходувка или все пригодные типы насосов, например, пластинчатые насосы для газов. Для управления подводом топлива предусмотрен клапан 16 регулировки потока, расположенный выше по потоку относительно транспортирующего устройства 14 (т.е. перед ним) и выше по потоку относительно позиции 18 сведения, в которой вводится отведенный обратно обедненный риформат. В качестве топлива могут использоваться дизельное топливо, бензин, биогаз, природный газ и другие, известные из уровня техники типы топлива, причем в настоящем примере выполнения топливо представляет собой предпочтительно газ. Кроме того, к риформеру 12 с помощью воздуходувки 20 риформера подводится окислитель. Риформер 12 преобразует подведенные
транспортирующим устройством 14 и воздуходувкой 20 риформера вещества с предпочтительно частичным окислением к виду риформата, который может подводиться к топливному элементу 22. Альтернативно топливному элементу 22 может быть предусмотрен также штабель топливных элементов. В случае риформата речь идет о содержащем водород газе, который Е. ТОПЛИВНОМ элементе 22 с помощью подаваемого воздуходувкой 24 топливного элемента воздуха катода преобразуется в электрическую энергию, тепло и
обедненный риформат. Отводимый от топливного элемента 22 на стороне выхода обедненный риформат разделяется на две линии. Одна часть обогащенного газа анода подводится к дожигателю 26, который снабжен воздуходувкой 2 8 дожигателя. В дожигателе 2 6 с помощью подаваемого воздуходувкой 2 8 дожигателя воздуха осуществляется преобразование обедненного риформата к виду горючего газа, который практически не содержит вредных веществ. Другая часть обедненного риформата сначала проводится через линию 30 рециркуляции через теплообменник 32 или охладитель риформата. Этот теплообменник охлаждает отводимый обратно обедненный риформат, например, до 150°С. При этом поток рециркуляции может предпочтительным образом охлаждаться с помощью теплообменника 32 потоком среды, который уже присутствует в системе 10 топливных элементов. В качестве потоков среды в данном случае могут рассматриваться, например, потоки среды, всосанные воздуходувкой 2 0 риформера, воздуходувкой 24 топливного элемента и/или воздуходувкой 28 дожигателя. Альтернативно возможно также предусмотрение воздуходувки, которая отводит тепловую энергию от теплообменника 32. В завершение поток рециркуляции проходит через клапан 43 регулировки потока к устройству управления протекания потока рециркуляции. Этот поток рециркуляции смешивается в позиции 18 сведения с топливом и подводится к транспортирующему устройству 14. Транспортирующее устройство 14 одновременно всасывает топливо и обедненный риформат, отводимый обратно через линию 30 рециркуляции. За счет такого рода обратного отвода может достигаться более высокий коэффициент полезного действия системы, так как энергия обедненного риформата преобразуется в еще более полной форме, так что в сравнении с системами без линии 30 рециркуляции при том же количестве топлива возможна выработка большего количества электрической энергии, в результате чего повышается электрический коэффициент полезного действия системы. Настройка или регулирование клапанов 16 и 34 регулировки потока, а также транспортирующего устройства 14 осуществляется с использованием пригодных алгоритмов регулирования, которые заложены в
электронный блок управления. Этот электронный блок управления представляет собой предпочтительно микроконтроллер и соединен по меньшей мере с транспортирующим устройством 14, клапаном 16 регулировки потока, воздуходувкой 2 0 риформата, воздуходувкой 24 топливного элемента, воздуходувкой 28 дожигателя, а также с клапаном 34 регулировки потока.
Альтернативно к описанному выше примеру выполнения вместо воздуходувки 20 риформата, воздуходувки 24 топливной ячейки и воздуходувки 2 8 дожигателя могут быть также предусмотрены соответствующие насосы для транспортировки газа.
Признаки изобретения, раскрытые в предшествующем описании, на чертежах, а также в пунктах формулы изобретения, могут быть существенными для осуществления изобретения как по отдельности, так и в любой комбинации.
Перечень ссылочных обозначений:
10 Система топливных элементов 12 Риформер
14 Транспортирующее устройство
16 Клапан регулировки потока
18 Позиция сведения
20 Воздуходувка риформера
22 Топливный элемент
2 4 Воздуходувка топливного элемента
2 6 Дожигатель
2 8 Воздуходувка дожигателя
30 Линия рециркуляции
32 Теплообменник
34 Клапан регулировки потока
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Система (10) топливных элементов с риформером (12) для получения риформата из топлива и окислителя, топливным элементом (22) для преобразования риформата в обедненный риформат и электрическую энергию, и линией (30) рециркуляции для частичного обратного подвода обедненного риформата к риформеру (12), отличающаяся тем, что в ней предусмотрено транспортирующее устройство (14) для подвода как топлива, так и обедненного риформата линии (30) рециркуляции к риформеру (12).
2. Система (10) топливных элементов по п.1, отличающаяся тем, что выше по потоку относительно транспортирующего устройства (14) предусмотрено по одному клапану (16, 34) регулировки потока для управления подводом топлива и обедненного риформата к транспортирующему устройству (14) независимо друг от друга.
3. Система (10) топливных элементов по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что в линии (30) рециркуляции предусмотрен теплообменник (32) для охлаждения обедненного риформата.
4. Система (10) топливных элементов по п. 4, отличающаяся тем, что через теплообменник (32) проходит линия окислителя, которая подводит окислитель к риформеру (12), топливному элементу (22) или дожигателю (26).
5. Способ эксплуатации системы (10) топливных ячеек, с этапами, на которых:
- получают риформат из топлива и окислителя с помощью риформера (12);
преобразовывают риформат в обедненный риформат и электрическую энергию с помощью ТОПЛИЕШОГО элемента (22); и
частично подводят обедненный риформат обратно к риформеру (12) в линии (30) рециркуляции,
отличающийся тем, что используют транспортирующее устройство (14) для подвода как топлива, так и обедненного риформата линии (30) рециркуляции к риформеру (12).
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что управляют подводом потока топлива и управляют подводом потока обедненного
риформата к транспортирующему устройству (14) с помощью соответствующего клапана (16, 34) регулировки потока.
7. Способ по любому из п. 5 или 6, отличающийся тем, что охлаждают обедненный риформат в линии (30) рециркуляции с помощью теплообменника (32).
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что обедненный риформат охлаждают в линии (30) рециркуляции путем проведения через теплообменник (32) окислителя, который подводится к топливному элементу (22) или дожигателю (26).
9. Способ по п.6, отличающийся тем, что клапан (34) регулировки потока в линии (30) рециркуляции запирают во время запуска или остановки системы (10) топливных элементов.
По доверенности
Фиг.1