DK168679B1 - Stabel af brændselsceller med et køleanlæg - Google Patents

Description

DK 168679 B1

Opfindelsen angår et anlæg til afkøling af kølevæske til en stabel af brændselsceller i et lukket kølekredsløb. Specielt angår opfindelsen et køleanlæg, som ikke indbefatter dampkondensation, og hvor kølemidlet afkøles til et under-5 afkølingsniveau, inden det genindføres i stablen.

Kraftanlæg med stablede brændselsceller, der bruger vand som kølemiddel, vil typisk anvende kølemidlet i en tofaset vand/dampmetode under stort set hele passagen af kølemidlet gennem stablen. Temperaturen af vandet i tofase-10 -kølemidlet vil være i hovedsagen konstant, når kølemidlet passerer gennem stablen, med procentdelen af damp voksende i tofase-kølemidlet fra køleindløbet til køleudløbet. Kølemidlet forbliver altså i en hovedsagelig isoterm tilstand, når det passerer gennem stablens kølepassager. For at bevare 15 kølemidlets isotermiske natur anvendes der i reglen i anlæg, som afkøles på denne måde, samvirkende dampkondensatorer og dampseparatorer, således at vandet ikke afkøles væsentligt, før det sendes tilbage til stablen. Kølemidlet vil således blive afgivet fra kølepassagerne i stablen som en tofaset 20 vand/damp-blanding og blive ført til en dampkondensator for kondensation af mere vand ud af dampfasen og også blive sendt til en dampseparator, hvor damp- og vandfaserne adskilles, og dampen sendes til en brændstofreformer og vandet føres tilbage til kølemiddelpassagerne i stablen. Konden-25 satoren og separatoren kan benyttes i vilkårlig rækkefølge. Inden tilbageføringen til stablen blandes returvandet i reglen med tilsætningsvand, men temperaturen af returvandet vil under denne recirkulation ikke blive sænket mere end nogle ganske få grader. Der hvor kølevandet returneres til 30 stablen, begynder det næsten øjeblikkeligt at koge og frembringe mere damp.

Der forekommer adskillige problemer med køleanlæg af den foran nævnte art til brændselsceller. Et af problemerne vedrører håndteringen af dampfasen og den omstændighed, at 35 dampkondensatorerne fysisk må være hævet op over dampseparatoren, og dampseparatorerne fysisk må være hævet op over DK 168679 B1 2 cellestablen. Herved opstår indbygnings- eller installeringsproblemer ved opbygningen af brændselscellesystemet på grund af den nødvendige højde af huset, hvori systemet skal anbringes. Disse problemer er især fremherskende ved små til 5 middelstore kraftanlæg. Et andet problem, der opstår ved den isotermiske afkøling af brændselscellestablerne forekommer i celler, der anvender vandige elektrolytopløsninger såsom sure eller alkaliske celler. Dette andet problem vedrører fordampningen af elektrolytten i oxidationsgassen.

10 Den fordampede elektrolyt forlader celleområdet med den udstødte oxidationsgas. Uden specielle modifikationer af cellestrukturen vil dette ustandseligt medføre alvorlige problemer, som er vedvarende ved høje belastninger. Det kræver elektrolytudskiftning og en speciel stabelkonstruktion 15 at bekæmpe korrosion i stabelmanifoldledninger og lignende steder.

Opfindelsen angår et køleanlæg til brændselsceller med et kølesystem, som er ikke-isotermisk, og som ikke indebærer dampkondensation ved varmeafgivelse fra kølemidlet, 20 inden det returneres til stablen. Tofase-vand/dampkølemidlet, der afgives fra stablens køleledninger føres til en dampse-paratortromle, hvor dampfasen adskilles fra vandfasen, og dampfasen ledes til en katalytisk reformer, hvori ubehandlet hydrocarbonbrændsel med damp omdannes til et hydrogen-rigt 25 brændsel til forbrug i cellerne. Den udskilte vandfase føres til en varmeveksler, hvor vandtemperaturen sænkes til et forud fastsat underafkølingsniveau, inden vandet føres tilbage til stablens kølepassager. Der findes en omløbsledning, gennem hvilket vandet kan strømme uden om varmeveksleren, 30 og en reguleringsventil, som regulerer vandets strømningsbane i forhold til varmeveksleren. Efter at have forladt dampseparatoren vil altså alt, noget, eller intet af vandet strømme gennem varmeveksleren, og resten vil passere uden om varmeveksleren, og så iblandes igen inden genindføringen i stab-35 len. En temperatur føler er anbragt nedenstrøms for dampseparatoren til kontinuerlig overvågning af temperaturen af DK 168679 B1 3 vandet, der kommer ud fra dampseparatoren. Føleren er forbundet med kraftanlæggets mikroprocessor-regulator, så denne kontinuerligt kan justere reguleringsventilen til opretholdelse af korrekt vandtemperatur ved tilgangen til stablen.

5 Når vandet, der forlader dampseparatoren, f.eks. er for varmt, justeres ventilen, så den leder en større vandmængde gennem varmeveksleren, og når vandet fra separatoren er for koldt, ledes en større mængde gennem omløbsledningen. Det underafkølede vand, som strømmer ind i stablen orienteres i 10 stablen, så den bringer elektrolytdamp til at kondensere ud af den oxiderende gasstrøm og returnere til den elektroly-tiske matrix, inden den oxiderende gasstrøm udsendes fra stablen. Denne kondensationsmåde forøger i væsentlig grad den effektive levetid af elektrolytten i stablen.

15 Det er derfor formålet med opfindelsen at tilvejebrin ge en forbedret køleanlæg til brændselsceller, som ikke isotermisk afkøler cellerne i stablerne.

Et andet formål med opfindelsen er at tilvejebringe et køleanlæg af den omhandlede art, som ikke indbefatter 20 kondensation af damp til afgivelse af varme i kølemidlet, inden det returneres til stablerne.

Et yderligere formål med opfindelsen er at tilvejebringe et køleanlæg af den omhandlede art, i hvilket tofase-vand/dampblandingen, som udsendes fra stablens kølepassager, 25 adskilles i sine to faser, og vandet så underafkøles, inden det returneres til stablen.

Endnu et formål med opfindelsen er at anvise et køleanlæg af den omhandlede art, i hvilket der findes en reguleringsventil til at variere den vandmængde, som underafkøles, 3 0 i afhængighed af temperaturen af vandet, der forlader vand/-damp-separatoren.

Endnu et formål med opfindelsen er at tilvejebringe et køleanlæg af den omhandlede art, i hvilket fordampet elektrolyt kondenseres ud af oxidationsgasserne, inden disse 35 udstødes fra brændstofcellerne i stablerne.

Disse og andre formål med og fordele ved opfindelsen DK 168679 B1 4 vil fremgå af den efterfølgende beskrivelse af en foretrukken udførelsesform i forbindelse med tegningen, hvor fig. 1 skematisk viser et kølekredsløb for kølemiddel i et brændselscellekøleanlæg ifølge opfindelsen, 5 fig. 2 et skematisk billede af en køleplade og visende den generelle strømningsbane for kølemidlet gennem pladen langs den overlejrede strømningsbane for oxidationsgassen, og fig. 3 en grafisk fremstilling af kølemidlets termiske 10 profil, når det passerer gennem kølepladerne.

I fig. 1 er i skematisk form vist en foretrukken udførelsesform for et kølekredsløb til en stabel brændselsceller i køleanlægget ifølge opfindelsen. Cellestablen er betegnet med henvisningstallet 2 og beskrives som et phos-15 phor syresy stem, men det bemærkes at en hvilken som helst vandig elektrolyt kan benyttes i anlægget ifølge opfindelsen.

I stablen 2 er vist en køleplade 4, hvor kølevandet strømmer ind i kølepladen 4 ved et indløb 6 og forlader kølepladen ved et udløb 8, idet indløbet 6 og udløbet 8 er forbundet 20 indbyrdes gennem en serpentineformet kølemiddelpassage 10.

Det vil forstås, at selvom der kun er vist en enkelt køleplade 4 i fig. 1 vil en stabel i virkeligheden indeholde flere sådanne plader, og pladen 4 kan være udformet som en plade med en eller flere profilerede passager eller være for-25 bundet med kølerør. Kølemidlet er i form af en tofaset vand/-damp-blanding, når det forlader udløbet 8. Denne tofasede blanding passerer gennem et varmeaggregat 12, der er vist som en elektrisk varmer, og derfra til en vand/damp-separa-tortromle 14. Varmeaggregatet 12 er beregnet til at bruges 30 ved start og under lave belastninger. Dampfraktionen af den tofasede blanding udtages i separatoren 14 gennem en ledning 16, som fører dampen til en katalytisk hydrocarbon-bræn-delsreformer (ikke vist). Vandfraktionen udtages fra separatoren gennem en ledning 18, hvor en temperaturføler T kon-35 tinuerligt overvåger temperaturen af vandet, der forlader separatoren 14. Føleren T føder vandtemperaturdata til en DK 168679 B1 5 mikroprocessor 20, der styrer driften af hele kraftanlægget.

Det udskilte vand pumpes med en pumpe P til en varmeveksler 22, hvor temperaturen af vandet sænkes til et underafkølet niveau, dvs. til et niveau, som ligger under mætningstempera-5 turen svarende til trykket i stabelkølekredsløbet. Opstrøms for pumpen P tilsættes vand til kredsløbet gennem en ledning 24 til erstatning for vand, som kredsløbet har mistet i dampen.

Varmeveksleren 22 arbejder fortrinsvis med et flydende 10 eller gasformigt kølemiddel. Mellem varmeveksleren 22 og kølemiddel indløbet 6 er anbragt en reguleringsventil 26, der styres eller moduleres af en aktuator A, der styres fra mikroprocessoren 20. Ventilen 26 er en trevejsventil, som er forbundet med udløbsledningen 28 fra varmeveksleren 22, 15 med indløbet 6 og med en omløbsledning 30, som kan lede vand udenom varmeveksleren 22. Mikroprocessoren 20 ændrer til stadighed stillingen af ventilen 26 i afhængighed af svingninger i temperaturen af det af føleren T affølte vand. Ventilen 26 fordeler således vandstrømmen gennem varmeveksle-20 ren 22 og gennem omløbsledningen 30 således, at vandet som strømmer gennem indløbet 6 har den tilstræbte underafkølede temperatur. Dette betyder, at hvis for varmt vand af føles af føleren T, vil ventilen 26 blive indstillet til at lede mere vand gennem varmeveksleren 22, og når for kolde tempera-25 turer afføles af føleren T, vil ventilen blive indstillet til at lede mere vand gennem omløbsledningen 30.

I det følgende er som et eksempel givet nogle illustrerende arbejdstemperaturer, der kan tilstræbes og anvendes i kredsløbet. Cellerne i stablen kan styres med en temperatur 30 på ca. 204°C. Mætningstemperaturen for kølevand vil være ca. 190°C og vandtrykket 13 kg/cm2. Temperaturen ved underkøling af vandet efter varmeveksleren, men før kølemiddelindløbet tilstræbes at være ca. 177°C. Kølemidlet vil således træde ind i kølepassagerne i stablen med en nominel tempera-35 tur på 177'C, hvorefter temperaturen af vandet vil stige jævnt til mætningstemperaturen på 190"C, ved hvilken tempe- DK 168679 B1 6 raturvandet vil koge og danne damp, når det passerer gennem den resterende del af kølepassagerne i stablen. Den del af cellerne, som afkøles af det nærmest indløbet indstrømmende vand, vil således være koldere end resten af cellearealet.

5 Strømningsbanen for oxidationsmidlet, som ved et syrecel-lesystem er strømningsbanen for katodeluften, vil være indrettet således, at luften strømmer ind i stabelcellerne nær ved kølemiddeludløbet 8, således som angivet ved pilene 32 i fig. 1 og 2, og katodeudstrømningen strømmer ud af cellerne 10 nær kølemiddelindløbet 6 som angivet med pilene 34 i fig. 1 og 2. I fig. 2 er den stiplede linie 36 anvendt til at markere den indvendige grænse for den del af cellerne, som er koldest, fordi de ikke afkøles af væske ved mætningstemperaturen. Den viste del 38 af cellerne er således kondensations-15 zonen, hvori katodegasser afkøles før de forlader stablen, og hvori syre, som er fordampet i katodegasserne vil kon-sendere tilbage og genindføres i elektrolytmatrixen. Fortrinsvis vil den del af cellerne, som befinder sig til højre for den stiplede linie 36 i fig. 2, være den del hvor den 20 elektrokemi ske reaktion finder sted, og den vil også blive i hovedsagen helt isotermisk afkølet. Den del af cellerne, som befinder sig til venstre for den stiplede linie 36 i fig. 2, vil i hovedsagen være fri for elektrokemisk reaktion, og vil indbefatte en matrixforlængelse på hvilken syre kan 25 kondensere og ledes tilbage i den elektrokemisk aktive del af cellerne.

I fig. 3 er vist en grafisk fremstilling af køletemperaturen T i forhold til den tid t, det tager for kølemidlet at passere gennem stablen fra indløbet 6 til udløbet 8.

30 Temperatur-tidsforholdet ved den tidligere anvendte fuldstændigt isotermiske afkøling er vist med nedtonede linier, og forvarmning plus delvis isotermisk afkøling i anlægget ifølge opfindelsen er vist med fuldt optrukne linier. Det ses at tilsætningen af tilsætningsvand ved den kendte, helt 35 isotermiske afkøling vil sænke temperaturen af vandet, der træder ind i kølemiddel indløbet med en størrelse af 1 til DK 168679 B1 7 2° C, men at tilbagevendingen til isotermisk kogetemperatur sker meget hurtigt og ikke resulterer i nogen nævneværdig underafkølingstid. I fig. 3 repræsenterer iT antallet af grader under den isotermiske kogetemperatur, ved hvilken 5 den underafkølede tilgangstemperatur befinder sig, og it repræsenterer det tidsrum, som det tager det underafkølede vand at nå op på den isotermiske kogetemperatur, når vandet passerer gennem kølemiddelpassagerne i stablen. iT styres af varmeveksleren 22 og reguleringsventilen 26, og it styres 10 af strømningshastigheden af kølevand i kølepassagerne. Man behøver således blot at vælge et iT, som giver tilstrækkelig afkøling til at bevirke at syredampen kondenserer ud af katodegassen, før den forlader cellepladeområdet, og et it, som vil tilvejebringe en veldefineret kondensationszone i 15 cellepladearealet nær den elektrokemisk aktive del af dette.

Det vil forstås at kølekredsløbet til afkøling af stablen af brændselsceller i anlægget ifølge opfindelsen kan fremstilles med konventionelle komponenter og vil gøre det lettere at opbygge og installere anlægget uden de be-20 grænsninger på grund af pladsforhold, som forekommer ved kraftanlæg, hvori der udnyttes dampkondensation til bortledning af varme i kølemiddel, der returneres til stablerne.

Der er færre komponenter i anlægget end i de hidtil kendte anlæg, og problemet med elektrolyttab ved fordampning er 25 løst. Ved at anvende genvinding ved elektrolytkondensation ifølge opfindelsen, kan elektrolyttens levetid fordobles i en stabel, som iøvrigt arbejder under normale forhold. I anlægget ifølge opfindelsen er opnået meget nøjagtig styring af temperaturen af kølemidlet ved genindtrædning ved anven-30 delsen af temperaturføleren, der samvirker med reguleringsventilen for kølemidlet.

Claims (7)

1. Stabel af brændselsceller med et køleanlæg, som anvender et kølemiddel i form af vand samt et kølemiddel-varmebortledningskredsløb, idet kredsløbet ikke indeholder 5 en dampkondensator, kendetegnet ved, at anlægget indbefatter: a) organer (4), der danner kølemiddelpassager (10) i stablen (2) og har en indløbsende (6) og en udløbsende (8) for hhv. optagelse af vand og afgivelse af en 10 vand/damp-blanding, b) en dampseparator (14) til at adskille vand/damp-blan- dingen i vand og damp, c) et første ledningssystem ved udløbsenden (8) for kølemiddelpassagerne til overføring af vand/damp- 15 blandingen i kredsløbet til dampseparatoren (14), d) en varmeveksler (22) indrettet til at sænke vandets temperatur til en tilstræbt underafkølingstemperatur, der ligger en forud fastlagt værdi under vandets autotermiske kogetemperatur ved trykket i brændstof- 20 cellestablen (2), e) et andet ledningssystem (18) ved dampseparatoren (14) til overføring af vand fra dampseparatoren til varmeveksleren (22), f) et tredie ledningssystem (28) ved varmeveksleren 25 (22) til overføring af vandet fra varmeveksleren til indløbsenden (6) af kølemiddelpassagerne (10), g) en justerbar ventil (26) i det nævnte tredie ledningssystem, h) en omløbsledning (30), der forbinder det andet (18) 30 og tredie (28) ledningssystem uden om varmeveksleren (22), således at vand, der strømmer gennem omløbsledningen fra det andet ledningssystem til det tredie ledningssystem ikke strømmer gennem varmeveksleren, i) følerorganer (T) i det nævnte andet ledningssystem 35 (18) og indrettede til at af føle temperaturen af vandet, der strømmer fra dampseparatoren (14), og DK 168679 B1 9 j) styreorganer (20), der er operativt forbundet med følerorganerne (T) og med den justerbare ventil (26), hvilke styreorganer (20) er indrettede til at bringe ventilen (26) til at forøge den del af vandmængden, 5 som strømmer gennem varmeveksleren (22) som reaktion på en forøget vandtemperatur målt af føleren (T), og omvendt til at bringe ventilen (26) til at forøge den del af vandmængden, som strømmer gennem omløbet (30) som reaktion på aftagende vandtemperatur målt af 10 føleren (T), således at temperaturen af vandblandingen i det nævnte tredie ledningssystem (28) fra varmeveksleren (22) og fra omløbsledningen (30) er i hovedsagen lig med den tilstræbte underafkølingstemperatur.

2. Stabel af brændselsceller ifølge krav l, k e n-15 detegnet ved, at det indbefatter et organ (P), der er indrettet til at tilvejebringe en forud fastsat strømningshastighed af kølevandet gennem stablens kølepassager (10), hvilken strømningshastighed kombineret med den tilstræbte underafkølingstemperatur er indrettet til at til-20 vejebringe en defineret zone (38) af stablen nær indløbet (6) til kølemiddelpassagerne, hvori elektrolytdamp medført i oxideringsgassen vil kondensere ud af oxideringsgasudstrømningen .

3. Stabel af brændselsceller ifølge krav 1 eller 2, 25 kendetegnet ved, at organet (P) er en pumpe, og at den tilstræbte underafkølingstemperatur er så meget lavere end vandets autoterme kogetemperatur, at en defineret zone (38) af stablen nær indløbet (6) til kølemiddelpassagerne vil blive afkølet til en temperatur, der ligger under stab-30 lens (2) elektrokemiske arbejdstemperatur, ved hjælp af kølevand, som forbliver under vandets autoterme kogetemperatur, idet den sidstnævnte temperatur er temperaturen af det kølevand, der anvendes til at afkøle resten af stablen (2) uden for den nævnte definerede zone (38).

4. Stabel af brændselsceller ifølge ethvert af kravene 1-3, kendetegnet ved, at i hovedsagen al den i DK 168679 B1 10 stablen (2) dannede damp overføres fra dampseparatoren (14) gennem et fjerde ledningssystem (16) til en katalytisk brændselsreformer.

5. Stabel af brændselsceller ifølge ethvert af kravene 5 1-4, kendetegnet ved tilførselsledninger (24) til indføring af tilsætningsvand i det nævnte andet ledningssystem (18) mellem følerorganerne (T) og varmeveksleren (22).

6. Stabel af brændselsceller ifølge ethvert af kravene 10 2-5, kendetegnet ved, at den definerede zone (38) er beliggende nær en oxideringsgasudstrømningsside (34) i stablen (2) for tilvejebringelse af et elektrolytkondensationsområde i den definerede zone (38), som er så meget koldere end den øvrige del af stablen, at elektrolyt-15 damp medført i oxideringsgassen bringes til at kondensere ud af oxideringsgassen, inden oxideringsgassen forlader stablen.

7. Stabel af brændselsceller ifølge ethvert af kravene 1-6, kendetegnet ved, at den justerbare ventil 20 (26) er en trevejsventil.