Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую преимущественно с использованием батарей высокотемпературных топливных элементов (ВТТЭ) с твердым электролитом на основе диоксида циркония. The invention relates to devices for the direct conversion of chemical energy of fuel into electrical energy, mainly using batteries of high-temperature fuel cells (VTTE) with a solid zirconia-based electrolyte.
Известны батареи ВТТЭ с элементами трубчатой конструкции, изготовленные методом плазменного напыления через трафареты [1]. Батарея имеет диаметр 210 мм и длину 3 м. Внутри каждой батареи расположен каталитический реактор. При этом модуль на 50 кВт спроектированной электростанции на 500 кВт на конвертированном природном газе имеет диаметр 1,5 и высоту 5,5 м, т.е. удельная мощность около 6 кВт/м3.Known VTTE batteries with tubular elements made by plasma spraying through stencils [1]. The battery has a diameter of 210 mm and a length of 3 m. A catalytic reactor is located inside each battery. Moreover, the 50 kW module of the designed 500 kW converted natural gas power plant has a diameter of 1.5 and a height of 5.5 m, i.e. specific power is about 6 kW / m 3 .
Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) по электрохимической части является батарея ВТТЭ [2], имеющая корпус, расположенный горизонтально и разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смешения топлива и камеру электрохимического окисления топлива с элементами в виде пробирок из диоксида циркония с закрытыми концами, направленными к камере смешения, открытыми - к камере дожига и нагрева воздуха. Элементы в батарее располагаются горизонтально. Такое расположение продиктовано способом их соединения. Однако такое расположение элементов в батарее должно приводить в рабочих условиях к появлению неоднородности в поперечном сечении газового потока. При этом выделяемая в процессе электрохимического окисления тепловая энергия также создает неравномерность температурного поля (верх-низ), что уменьшает внутреннее сопротивление топливных элементов, расположенных в верхних рядах относительно нижних, чем дополнительно усугубляются неравномерности в газовом потоке. В конечном итоге это приводит к неравномерности снимаемых удельных мощностей, к снижению общих удельных характеристик. The closest technical solution to the invention (prototype) in the electrochemical part is the VTTE battery [2], having a housing located horizontally and separated by transverse partitions with through holes on the fuel mixing chamber and the fuel electrochemical oxidation chamber with elements in the form of closed zirconia tubes the ends directed to the mixing chamber, open - to the afterburner and air heating chamber. The cells in the battery are horizontal. This arrangement is dictated by the way they are connected. However, such an arrangement of the elements in the battery should, under operating conditions, lead to the appearance of heterogeneity in the cross section of the gas stream. In this case, the thermal energy released during the electrochemical oxidation also creates an uneven temperature field (top-bottom), which reduces the internal resistance of fuel cells located in the upper rows relative to the lower ones, which further aggravates the non-uniformities in the gas flow. Ultimately, this leads to unevenness of the removed specific power, to a decrease in the overall specific characteristics.
Цель изобретения - улучшение удельных характеристик и повышение надежности ВТ электрохимического генератора (ЭХГ). The purpose of the invention is to improve the specific characteristics and increase the reliability of the VT electrochemical generator (ECG).
Цель достигается тем, что ВТЭХГ, включающий корпус, разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смешения топлива, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов в виде пробирок из диоксида циркония с закрытыми концами, направленными к камере смешения, и камеру дожига топлива и нагрева воздуха, содержит в камере смешения топлива катализатор конверсии топлива, 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. The goal is achieved by the fact that VTEHG, which includes a housing divided by transverse partitions with passage holes into a fuel mixing chamber, a chamber for electrochemical oxidation of fuel with a fuel cell battery in the form of zirconia tubes with closed ends directed to the mixing chamber, and a fuel afterburner and heating chamber air, contains a fuel conversion catalyst in the fuel mixing chamber, fuel cells with open ends are buried in the partition between the electrochemical oxidation chamber and the doge chamber ha of fuel and air heating. The mixing chamber is located in the lower part of the housing, and the fuel afterburning chamber is located in its upper part.
Пробирки диаметром 10 мм, длиной 210 мм и толщиной 0,4 мм были изготовлены методом традиционной керамической технологии из элекролита состава 0,9ZrO2 + +0,06Sc2O3 + 0,04Y2O3. Затем наносили электроды, формировали токопроходы и собирали батарею из элементов с единичной рабочей поверхностью около 63 см2. Из пористого пеношамота, высокоглиноземистого кирпича и внешнего корпуса ЭХГ со стартовым нагревателем на поверхности формировали камеру для конвертирования природного газа метана, имеющую полость, заполненную катализатором. Снизу камера ограничена крышкой со штуцерами подвода топлива и конвертируемого газа, сверху - перфорированной пластиной. Сверху перфорированная пластина имеет углубления, в которые устанавливаются закрытые торцы элементов. Открытые торцы пробирок вставлены в отверстия второй пластины, ограничивающей сверху вторую камеру. Выше располагают камеру дожига остаточного топлива, объединенную с камерой теплообмена - нагрева воздуха, идущего на электрохимическое окисление. Эта камера сверху ограничена газовым воздушным коллектором, с которым соединены керамические газоподводящие трубки, входящие внутрь элементов и доходящие до нижнего замкнутого конца. По существу камера дожига располагается вблизи открытых торцов элементов и химдожиг осуществляется в пористой пластине.Test tubes with a diameter of 10 mm, a length of 210 mm, and a thickness of 0.4 mm were made by the method of traditional ceramic technology from an electrolyte of the composition 0.9ZrO 2 + + 0.06Sc 2 O 3 + 0.04Y 2 O 3 . Then, electrodes were applied, current paths were formed, and the battery was assembled from cells with a single working surface of about 63 cm 2 . From a porous foam chamotte, high-alumina brick, and an external ECG body with a starting heater, a chamber was formed on the surface for converting methane natural gas having a cavity filled with a catalyst. The bottom of the chamber is limited by a lid with fittings for supplying fuel and convertible gas, and the top by a perforated plate. On top of the perforated plate has recesses in which the closed ends of the elements are installed. The open ends of the tubes are inserted into the holes of the second plate bounding the second chamber from above. Above are the residual fuel afterburning chamber combined with the heat exchange chamber - heating the air going to electrochemical oxidation. This chamber is bounded above by a gas air manifold, to which ceramic gas supply tubes are connected, entering the elements and reaching the lower closed end. Essentially, the afterburner is located near the open ends of the elements and chemical afterburning is carried out in a porous plate.
Метан и конвертирующий газ (воздух, вода) смешиваются и омывают гранулированный катализатор. Метан конвертируется при 600-700оС до смеси (Н2-СО), поток которой, двигаясь снизу вверх, омывает внешние топливные электроды элементов батареи. Из нижнего конца воздухоподводящих трубок воздух, подаваемый побудителем расхода, формируется в поток, идущий внутри элементов от замкнутых торцов, омывая воздушный электрод, вверх к открытым торцам. В процессе параллельного продвижения кислород воздуха ионизируется и через стенку твердого электролита по вакансиям при 800-1000оС проникает в топливную полость батареи и электрохимически окисляет топливо до воды и углекислого газа. Таким образом, топливо в процессе продвижения вдоль элементов батареи сгорает. Вблизи открытых торцов элементов происходит обычное химическое горение остаточного топлива с выделением тепла. Тепловой поток через стенки воздухоподводящих трубок нагревает поступающий в батарею ВТТЭ воздух. Как и принято в теплообменных аппаратах, для теплообменивающихся газов организован противоток. После передачи высокопотенциального тепла выхлопные газы покидают устройство через канал, образованный трубой корпуса и теплообменной камерой в зоне воздушного коллектора, не изменяя направления.Methane and a converting gas (air, water) are mixed and washed with a granular catalyst. Methane is converted at 600-700 o C to a mixture (H 2 -CO), which flow, moving upwards washes the outer fuel electrodes of battery cells. From the lower end of the air supply tubes, the air supplied by the flow rate driver is formed into a stream going inside the elements from the closed ends, washing the air electrode up to the open ends. During advancement parallel ionized air and oxygen through the solid electrolyte wall of vacancies at 800-1000 C. battery penetrates into the fuel chamber and electrochemically oxidize fuel to carbon dioxide and water. Thus, fuel in the process of moving along the battery cells burns out. Near the open ends of the elements, the usual chemical combustion of residual fuel occurs with the release of heat. Heat flow through the walls of the air supply tubes heats the air entering the VTTE battery. As is customary in heat exchangers, a counterflow is organized for heat exchanging gases. After the transfer of high potential heat, the exhaust gases leave the device through the channel formed by the housing pipe and the heat exchange chamber in the area of the air collector without changing direction.