Высокотемпературный топливный элемент

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является обеспечение одинаковой по сечению температуры внешнего реагента после теплообменника теплоносителя и исключение лучистого теплообмена между элементами теплообменника и электрохимическими секциями, что обеспечивает длительный ресурс ТОТЭ. Для этого предложен высокотемпературный топливный элемент, содержащий электрохимические секции с теплообменниками-рекуператорами внутреннего реагента, входной теплообменник-рекуператор внешнего реагента, теплоизоляцию, промежуточные теплообменники теплоносителя и трубопроводы подвода и отвода теплоносителя, при этом промежуточный теплообменник состоит из не менее, чем одной секции, состоящей из двух параллельных пучков трубок, расположенных перпендикулярно направлению потока внешнего реагента, пересекающихся в средней части так, что тыльная часть трубок становится фронтальной, трубопровод подвода теплоносителя соединен с тыльной частью трубок, а трубопровод отвода теплоносителя соединен с фронтальной частью трубок. Кроме того, секции промежуточного теплообменника расположены между перфорированными экранами не менее двух с каждой стороны, причем перфорации на экранах раположены так, что исключают прямой лучистый теплообмен между трубками промежуточного теплообменника и электрохимическими секциями. 1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 7 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Известны технические решения по конструкции ТОТЭ, например, пат. РФ 2121191, 2127931, 2199172.

Известно техническое решение (пат. на полезную модель 119523), принятое за прототип, в соответствие с которым высокотемпературный топливный элемент содержит электрохимические секции с теплообменниками-рекуператорами внутреннего реагента, входной теплообменник-рекуператор внешнего реагента, теплоизоляцию, промежуточные теплообменники теплоносителя и трубопроводы подвода и отвода теплоносителя.

Недостатками данного технического решения являются невозможность обеспечить одинаковую по сечению температуру внешнего реагента после теплообменников теплоносителя и возможность лучистого теплообмена между элементами теплообменника и электрохимическими секциями при произвольной конструкции этого теплообменника, что приведет к перекосу температурного поля с возникновением механических напряжений и выходом устройства из строя.

Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является обеспечение одинаковой по сечению температуры внешнего реагента после теплообменника теплоносителя и исключение лучистого теплообмена между элементами теплообменника и электрохимическими секциями, что обеспечивает длительный ресурс ТОТЭ.

Для достижения указанного результата предложен высокотемпературный топливный элемент, содержащий электрохимические секции с теплообменниками-рекуператорами внутреннего реагента, входной теплообменник-рекуператор внешнего реагента, теплоизоляцию, промежуточные теплообменники теплоносителя и трубопроводы подвода и отвода теплоносителя, при этом промежуточный теплообменник состоит из не менее, чем одной секции, состоящей из двух параллельных пучков трубок, расположенных перпендикулярно направлению потока внешнего реагента, пересекающихся в средней части так, что тыльная часть трубок становится фронтальной, трубопровод подвода теплоносителя соединен с тыльной частью трубок, а трубопровод отвода теплоносителя соединен с фронтальной частью трубок. Кроме того, секции промежуточного теплообменника расположены между перфорированными экранами не менее двух с каждой стороны, причем перфорации на экранах раположены так, что исключают прямой лучистый теплообмен между трубками промежуточного теплообменника и электрохимическими секциями.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что промежуточный теплообменник обеспечивает равномерное по сечению охлаждение внешнего реагента, а перфорированные экраны исключают охлаждение электрохимических секций за счет лучистого теплообмена с относительно холодными трубками промежуточного теплообменника теплоносителя.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого высокотемпературного топливного элемента, где

1 - электрохимическая секция с теплообменником-рекуператором внутреннего реагента,

2 - теплообменник-рекуператор внешнего реагента,

3 - теплоизоляция,

4 - промежуточный теплообменник теплоносителя,

5 - трубопровод подвода-отвода теплоносителя.

На фиг.2 показана схема промежуточного теплообменника, состоящего из одной секции вид сбоку, где

6 - тыльная часть трубки теплообменника теплоносителя,

7 - фронтальная часть трубки теплообменника теплоносителя,

8 - ребро теплообменника теплоносителя,

9 - перфорированный экран.

На фиг.3 показан фронтальный вид теплообменника теплоносителя без перфорированных экранов.

На фиг.4 показан фрагмент бокового вида теплообменника теплоносителя.

На фиг.5 и 6 показан вид теплообменника теплоносителя с двумя и тремя секциями.

На фиг.7 показано возможное выполнение перфораций.

Предлагаемый высокотемпературный топливный элемент (фиг.1) состоит из электрохимических секций с теплообменником-рекуператором внутреннего реагента 1, теплообменника-рекуператора внешнего реагента 2, теплоизоляции 3, промежуточных теплообменников теплоносителя 4 и трубопроводов подвода-отвода теплоносителя 5. Промежуточный теплообменник теплоносителя в свою очередь состоит из по крайней мере одной секции (фиг.2) трубчато-ребристого типа с параллельными трубками, имеющими тыльную 6 и фронтальную 7 части, и ребра 8. Секции расположены между перфорированными экранами 9. Тыльные части трубок соединены с подводящими трубопроводами теплоносителя, а фронтальные части трубок соединены с отводящими трубопроводами теплоносителя 5 с помощью коллекторов 10 (фиг.3). Экраны 9 имеют перфорации, выполненные таким образом, что исключают лучистый теплообмен между трубками 6 и 7 теплообменника теплоносителя 4 и электрохимическими секциями 1 (фиг.4). Перфорации могут быть разными, например, щелевыми, как показано на фиг.7. Основное требование к перфорациям: площадь перфораций должна быть не меньше 30% от площади экрана для того, чтобы гидравлическое сопротивление перфорированных экранов соответствовало среднему сопротивлению всего газового тракта.

Теплообменник теплоносителя 4 может иметь несколько секций, в этом случае секции должны быть соединены между собой как показано на фиг.5 и 6.

Предлагаемый высокотемпературный топливный элемент работает следующим образом. Внешний реагент, например, газообразное топливо, омывающий электрохимические модули электрохимических секций 1 снаружи (фиг.1), подается через теплообменник-рекуператор внешнего реагента 2, нагреваясь в нем, в топливный элемент, где последовательно проходит через секции 1 и возвращается в теплообменник-рекуператор 2, отдавая свое тепло входящему потоку внешнего реагента и охлажденным отводится из топливного элемента. Внутренний реагент, например, воздух, поступающий внутрь электрохимических модулей секций 1, подается через теплообменник-рекуператор внутреннего реагента, нагревается в нем, проходит через внутреннее пространство модулей и отводится через теплообменник-рекуператор внутреннего реагента из топливного элемента. В результате электрохимической реакции окисления топлива происходит выработка электроэнергии и выделение тепла. Электроэнергия подается потребителям, а выделяющееся тепло нагревает внешний реагент, который, проходя через промежуточные теплообменники 4, отдает избыточное тепло теплоносителю, отводящему это тепло от топливного элемента, обеспечивая таким образом его стационарный тепловой режим и передавая тепло внешнему потребителю, при этом за счет двух параллельных пучков трубок, расположенных перпендикулярно направлению потока внешнего реагента, пересекающихся в средней части так, что тыльная часть трубок 6 становится фронтальной 7, а трубопровод подвода теплоносителя 5 соединен с тыльной частью трубок 6 и трубопровод отвода теплоносителя 5 соединен с фронтальной частью трубок 7, а также за счет расположения секции промежуточного теплообменника между перфорированными экранами 9 не менее двух с каждой стороны с перфорациями, исключающими прямой лучистый теплообмен между трубками промежуточного теплообменника 6 и 7 и электрохимическими секциями 1, промежуточный теплообменник 4 обеспечивает равномерное температурное поле внутри топливного элемента.

Таким образом, высокотемпературный топливный элемент за счет обеспечения равномерного температурного поля внутри топливного элемента позволит достичь длительного ресурса работы ТОТЭ.

1. Высокотемпературный топливный элемент, содержащий электрохимические секции с теплообменниками-рекуператорами, входной теплообменник-рекуператор, теплоизоляцию, промежуточные теплообменники теплоносителя и трубопроводы подвода и отвода теплоносителя, отличающийся тем, что промежуточный теплообменник состоит из не менее чем одной секции, состоящей из двух параллельных пучков трубок, расположенных перпендикулярно направлению потока внешнего реагента, пересекающихся в средней части так, что тыльная часть трубок становится фронтальной, трубопровод подвода теплоносителя соединен с тыльной частью трубок, а трубопровод отвода теплоносителя соединен с фронтальной частью трубок.

2. Высокотемпературный топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что секции промежуточного теплообменника расположены между перфорированными экранами не менее двух с каждой стороны, причем перфорации на экранах раположены так, что исключают прямой лучистый теплообмен между трубками промежуточного теплообменника и электрохимическими секциями.