1 1 2 3 Fremgangsmåte for å operere en serieforbundet brenselcellestabelmodulenhet Beskrivelse Oppfinnelsen omhandler en fremgangsmåte for å operere modulformig brenselcellestabel, mer spesifikt stabelmoduler med en serieforbindelse av katodegassinnløpene og utløpene, mer spesifikt stabelmoduler som hver har én innløp og én utløpsfelles katodegass-sidefordeler for alle brenselcellene i en modul, spesielt for fast oksid brenselcelle (SOFC) stabler. De elektrokjemiske reaksjonene og funksjonene av en brenselcelle er ikke kjernen ved foreliggende oppfinnelse, det blir derfor ikke forklart mer detaljert her, men vurdert kjent for en fagperson. For å øke spenningen produsert ved SOFC-en, blir flere celleenheter satt sammen for å danne en stabel og blir knyttet sammen ved sammenkoblinger. Disse lagene av stabelen blir forseglet sammen ved hjelp av en gasstett og temperaturbestandig tetning, slik som glass, langs noen eller alle kanter. Det er en praktisk grense for størrelsen av stabler, for arealet av hver celle så vel som for antallet celler som blir satt sammen. Feilrisikoen for en brenselcellestabel øker med antallet celler og størrelsen av arealet. For å øke effekten produsert ved SOFC er det derfor kjent å forbinde flere stabler istedenfor å ganske enkelt øke cellearealet og antall celler i en enkelt stabel. Stablene kan bli forbundet i serie og parallelt både på den elektriske siden og på anodegass- og katodegassiden av stablene. US 060172176 A1 og US 6033794 viser eksempler på serieforbundne brenselcellestabler, men ikke hvordan en skal virkeliggjøre forbindelsen. US 6403247 beskriver brenselcellestabler som deler et felles gassinnløpskammer, men en ikke serieforbindelse hvor et felles kammer forbinder utløpet av én stabel eller stabelenhet til innløpet av en annen. US0718431 beskriver et brenselcellesystem omfattende mange brenselcellestabler. Stablene kan bli forbundet elektrisk i en hvilken som helst ønsket sekvens, slik som i serie, i parallell eller som kombinasjoner derav eller elektrisk uavhengig. Den elektriske ytelsen for hver stabel blir optimalisert ved noe mål (some metric), eller driftstemperaturen for stabelen blir kontrollert ved å kontrollere den interne driftstemperaturen for stabelen, som i sin tur blir kontrollert ved å kontrollere utgangsspenningen, utgangsstrømmen eller lasten på hver stabel uavhengig av de andre stablene. I store brenselcellesystemer som har en stor mengde stabler, kan tilgrensende stabel nødvendigvis være gruppert som stabelpar med en forent elektrisk styring snarere enn en individuell styring, men på noe bekostning av optimal drift. DE26281 beskriver et brenselcellesystem som anvender en kombinasjon av polymer elektrolyttmembran brenselcellestabler drevet ved forskjellige temperaturer.
2 1 2 3 US 6083636 viser et brenselcelleenergisystem for å produsere elektrisitet, nevnte system omfatter en enhet av brenselcellestabler tilpasset for drift ved forskjellige driftstemperaturer, hvori nevnte driftstemperaturer varierer mellom to eller flere av nevnte brenselcellestabler i nevnte enhet, og hvori hver av nevnte brenselcellestabler inkluderer innretninger for å motta reaktanter for elektrokjemisk produksjon av elektrisitet. På tross av de presenterte kjente løsninger til forbindelsesproblemet av flere brenselcellestabler, har alle av dem noen av de iboende problemer: - Selv om flere stabler er forbundet i enkeltmoduler, så har fremdeles ikke katodegassfordelingen blitt like forenklet. - Når flere stabler eller flere moduler blir forbundet i serie, er en omfattende kanaldannelse/rørsystem nødvendig for å forbinde katode- og anodegass. - Forbindelse av flere stabler for å øke effekt øker også kravet til tilførselssystem (varmevekslere for kjøling og for-varming). - Relativt høy-temperatur-brenselceller, slik som fast oksid brenselcellestabler har relativt lange oppstart og nedstengnings-perioder. - SOFC enheter av flere stabler med relativt stor effektytelse, har en lav fleksibilitet overfor variasjon av effektytelsen. Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å løse de nevnte problemene ved å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for å operere en SOFC stabelenhet for minst to eller flere brenselcellestabler. Fremgangsmåten er definert i krav 1. SOFC stabelenheten omfatter serieforbundne stabelmoduler, hver modul omfatter minst én stabel, med en forenklet forbindelse av modulene i serien og utelater behovet for en omfattende ekstra kanaldannelse og rørsystem og reduserer behovet for varmevekslere for kjøling og oppvarming. Mer spesifikt er det et formål ved oppfinnelsen å tilveiebringe en SOFC stabelenhet omfattende serieforbundne stabelmoduler, hver modul omfatter minst én stabel, med en forenklet forbindelse av modulene i serien og utelatende nødvendigheten for en omfattende ekstra kanaldannelse og rørsystem. Et formål ved oppfinnelsen er også å tilveiebringe en SOFC stabelenhet som reduserer nødvendigheten for varmevekslere for kjøling og oppvarming. Det er et viktig ytterligere formål ved oppfinnelsen å tilveiebringe en SOFC stabelenhet med en øket effektfleksibilitet som tillater den å hurtig øke eller redusere nytteeffekten uten å nødvendiggjøre lange oppstarts- eller nedstengningsprosedyrer. Et ytterligere formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en SOFC stabelenhet med et forenklet katodegass-sidefordelingssystem felles for alle stabler i en stabelmodul.
3 1 2 3 Et ytterligere formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en SOFC stabelenhet, som er kompakt i forhold til effektytelsen og som er relativt ufølsom overfor variasjoner i trykktapet over stablene i enheten. Et ytterligere formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en SOFC stabelenhet som i seg selv tillater enkle forbindelser for en overskytende injeksjon av prosessgasser eller fluider. Disse og andre formål blir oppnådd ved oppfinnelsen som beskrevet under. Oppfinnelsen er en spesielt enkel måte for å forbinde brenselcellestabler i serie på katodegassiden. Brenselcellestablene blir laget med luftsidefordelere, dvs. katodeinnløpet og utløpet til hver individuelle celle i stablene er åpne til sidene av stablene. Flere av stablene er innrettet side ved side og satt sammen til en stabelmodul med katodeinnløpene på én ytterflate av modulen og katodeutløpene på den andre ytterflaten av modulen. Stabelmodulene blir serieforbundet på en enkel måte ved å plassere stabelmodulene etter hverandre, slik at utløpsflaten for den første modulen vender mot innløpsflaten for den andre modulen og så videre. I kammeret mellom to stabelmoduler, blir luften kjølt for eksempel ved tilsetning av kald quencheluft eller ved en varmeveksler. I tillegg tilbyr oppfinnelsen en hendig måte for drift av brenselcellesystemet ved brøkdeler av den fullstendige belastningen. Når SOFC stabelenheten kjører ved full last, blir alle stabelmoduler i enheten forsynt med katodegass via de felles katodegass-sidefordelere og med anodegass via anodegassinnløpene til hver modul. Men når en delvis last er krevet, blir bare de nødvendige stabelmoduler forsynt med anodegass i et tilstrekkelig volum til å tilveiebringe betydelig, produksjon av elektrisk effekt for de stablene. For de stablene som ikke er nødvendige i delvis-last-modusen, blir anodegasstilførselen enten stengt av fullstendig eller skrudd ned til en minimumsstrømning som er tilstrekkelig til å beskytte stand-by-stabelen(e) mot nedbrytning. Den resulterende store fordelen er at siden både stablene som produserer effekt og standby stablene blir forsynt med varm katodegass, er stand-by stablene alltid varmet til den ønskede driftstemperaturen. De er derfor enkle å hurtig skifte fra stand-by modus til driftsmodus når anodegass igjen blir tilført til stabelen(e). Dette sørger for en hittil usett fleksibilitet av effektutbytte fra en SOFC stabelenhet. Oppfinnelsen tilveiebringer en rekke fordeler, noen av disse er listet opp under: 1. En veldig enkel mekanisk struktur: færre rør og en svært kompakt struktur. For eksempel, gir fire stabelmoduler med fire stabler i hver en 16- stabel-enhet med én katodeinnløpsstreng, én katodeutløpstreng, én brenselinnløpsstreng og én brenselutløpsstreng. I tillegg er det krevet tre kalde strenger for quenchekjøling.
4 1 2 3 2. Arrangementet av stabelmodulene tillater en del-last drift uten å forårsake problemet med at stablene blir for kalde for en effektiv drift. 3. Når mange stabler er forbundet i parallell med gasstilførslene, så må trykkfallet for de individuelle stablene bli nært tilpasset for å operere alle stabler ved egnede driftspunkter. Sistnevnte krever en omfattende kvalitetskontroll og gjør produksjonen av slike stabler dyr. En signifikant øket toleranse overfor forskjeller i trykktap blir oppnådd ved å sette sammen et lite antall stabler i en stabelmodul og ved å forbinde dem i serie på katodesiden. 4. Komponenter for anleggsbalanse, slik som høy-temperatur varmeveksleren for katodeluft-forvarming, kan bli integrert ved endene av ledningen dannet ved de serieforbundne stablene, som videre tilføyes til en kompakt og kostnads-effektiv mekanisk struktur. Oppfinnelsen blir videre illustrert under ved hjelp av de ledsagende tegningene som viser eksempler på utførelsesformer av oppfinnelsen. Fig. 1 viser et skjematisk riss av tre katodegass serieforbundne brenselcellestabelmoduler i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 2 viser et skjematisk riss av fire katodegass serieforbundne brenselcellestabelmoduler og i fire forskjellige lastsituasjoner ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen. Posisjonsnummeroversikt: 1: Brenselcellestabler for den første primære stabelmodulen. 2: Brenselcellestabler for den andre sekundære stabelmodulen. 3: Brenselcellestabler for den tredje sekundære stabelmodulen. 111, 211: Første primære brenselcellestabelmodul. 112, 212: Andre sekundære brenselcellestabelmodul. 113, 213: Tredje sekundære brenselcellestabelmodul. 214: Fjerde sekundære brenselcellestabelmodul. 121, 221: Første intermediære kanal. 122, 222: Andre intermediære kanal. 223: Tredje intermediære kanal. 131, 231: Første felles katodegassinnløpssidefordeler (for den første stabelmodulen). 132, 232: Andre felles katodegass utløpssidefordeler (for den tredje / fjerde stabelmodulen). 181, 281: Innløpskatodegass for den første, primære stabelmodulen. 182, 282: Katodegasstrøm fra den første, primære stabelmodulen til den andre, sekundære stabelmodulen.
1 2 3 183, 283: Katodegasstrøm fra den andre, sekundære stabelmodulen til den tredje, sekundære stabelmodulen. 284: Katodegasstrøm fra den tredje, sekundære stabelmodulen til den fjerde, sekundære stabelmodulen. 191, 291: Ytterligere kaldt katodegassinnløp mellom første og andre stabelmodul. 192, 292: Ytterligere kaldt katodegassinnløp mellom andre og tredje stabelmodul. 293: Ytterligere kaldt katodegassinnløp mellom tredje og fjerde stabelmodul. Fig. 1 viser én utførelsesform av en SOFC brenselcellestabelenhet omfattende tre stabelmoduler 111, 112, 113 i katodegasserieforbindelse. Hver stabelmodul omfatter fire separate SOFC stabler 1, 2, 3 med en katodegass-sidefordeling. De fire modulene er satt sammen i et kvadrat, nemlig to stabler høyt og to stabler bredt. En tetningsmasse er tilveiebrakt mellom stablene i en modul og mellom hver stabel og modulkassetten som omgir modulene, nevnte tetningsmasse tilveiebringer en hovedsakelig gasstett forbindelse. Én enslig sidefordeler 131 felles for alle fire stabler av den første primære modulen 111 tillater en katodegasstilførsel 181, dvs. én felles gasstilførsel til alle fire stabler i den primære modulen. Ved primær menes her den første modulen i serien som mottar "fersk" katodegass som har blitt forvarmet, men ikke tidligere kjørt gjennom en stabelmodul. Alle brenselcellene blir forsynt med anodegassinnløpene gjennom en separat anodegasstilførsel for hver stabelmodul (ikke vist). De følgende to sekundære moduler 112, 113 er katodegass serieforbundet til den første primære modulen enten direkte ved å forbinde katodegassutløpssidefordeleren for én stabelmodul til katodegassinnløpssidefordeleren for den neste stabelmodulen i serien eller som vist i Fig. 1 ved å forbinde katodegassutløpsidefordeleren for én stabelmodul via en intermediær kanal 121, 122 til katodegassinnløpssidefordeleren for den neste stabelmodulen i serien. Ved sekundære moduler menes her stabelmoduler som mottar katodegass som har minst delvis blitt kjørt gjennom en forutgående stabelmodul i serien. I begge tilfeller, er et ytterligere relativt kaldt katodegassinnløp 191, 192 tilveiebrakt mellom de serieforbundne stabelmodulene. Denne ytterligere tilførselen av kald katodegass tjener til å sikre den korrekte driftstemperaturen for katodegassen tilført til hver av de sekundære stabelmodulene. Derfor, krever bare den primære stabelmodulen en supplerende katodegass for-varmer (ikke vist). Når en drifter en dellast, har anodegasstilførselen for den første 112 eller den andre 113 eller begge de sekundære stabelmoduler 112, 113 blitt minimert eller fullstendig avstengt. For å sikre den korrekte stand-by temperaturen for stand-by-
6 1 2 stablene, er også den relevante ytterligere tilførselen av kald katodeluft regulert eller stengt av. Ved slutten av enheten, jf. tegningen, er det tilveiebrakt en felles katodegassutløpssidefordeler. I den illustrerte utførelsesformen er denne fordeleren felles for alle fire stabler i den siste sekundære modulen 113 av serien. Fig. 2 viser en katodegass serieforbundet SOFC stabelmodulsammenstilling omfattende fire moduler 211, 212, 213, 214, én primær modul 211 som mottar "fersk" katodegass og tre sekundære moduler 212, 213, 214 som hver mottar delvis brukt katodegass fra den forutgående stabelmodulen i serien. Oppsettet ifølge Fig. 2 er analogt med det beskrevne oppsett ifølge Fig. 1. Fire lastsituasjoner er vist, nemlig 2 %, 0 %, 7 % og 0 % last. Som det kan sees, i 2 % lastsituasjonen mottar alle stabelmodulene bare katodegass 281 fra den første felles katodegassinnløpssidefordeler, og bare den primære stabelmodulen mottar driftsanodegass (ikke vist). De sekundære modulene mottar varm, delvis brukt katodegass 282, 283, 284 som sikrer den korrekte stand-by temperaturen for de tre stand-by stabelmodulene 212, 213, 214. I 0 %, 7 % og 0 % lastsituasjonene, mottar flere stabelmoduler driftsanodegass (ikke vist), og følgelig mottar de stabelmodulene i drift en ytterligere mengde kald katodegass 291, 292, 293. Siden stand-by stablene holdes varme ved katodeutløpet av oppstrømsstablene som fremdeles er i drift, er varmetapene fra en stabel i drift følgelig de samme i alle fire lastkonfigurasjoner. Følgelig, finner del-lastdriften sted med den samme effektiviteten som den fulle lasten. Stand-by stabler krever anodebeskyttelse enten i form av et elektrisk potensiale eller i form av sikkerhetsgass eller anode av-gass fra stablene som fremdeles er i drift. Eksempel systemberegning P = 0 kw, U f = 70 % 18 x 18 cm 2 motstrømsstabler Konfig Brensel Elek.eff. Effekttettheluft Overskudds- ΔT Luft forhold inn/ut HeX P innløp X O2 (mbarg) utløp Parallell Metan Basis Basis Basis Basis Basis 0,17 Kaskadet, Metan 0 % 6 % 61 % 42 % 7 % 0,14 4 lag
7 P= 0 kw Metan Metan Metan Basistilfelle Quencheluft Mellomkjøler Seriecellegrupper 1 4 4 Nettoeffektivitet 49,9 49,9 49,9 Totalt antall celler 1264 1196 Kull syngass Kull syngass Kull syngass Seriecellegrupper 1 4 4 Nettoeffektivitet 4,4 4,2 4, Totalt antall celler 1266 1216 14
8 1 Patentkrav 1. Fremgangsmåte for å operere en fast oksid brenselcellestabelenhet egnet for en drift med delvis last, nevnte enhet omfatter flere brenselceller arrangert i minst to katodegass serieforbundne stabelmoduler og omfattende minst én stabel i hver modul, hvor katodegassavgass fra en første primær stabelmodul blir ført til katodegassinnløpet for den neste minst ene sekundære serieforbundne stabelmodulen, hvori hver stabelmodul har en første katodegassinnløpssidefordeler felles for alle stablene i nevnte modul og andre katodegassutløpssidefordeler felles for alle stablene i nevnte modul, og hvori katodegassen er serieforbundet fra den første primære stabelmodulen til den neste minst ene sekundære stabelmodulen av serieforbindelsen gjennom nevnte felles sidefordelere, nevnte fremgangsmåte omfatter trinnene med å - tilveiebringe minst to katodegass serieforbundne stabelmoduler, én primær stabelmodul og minst én sekundær stabelmodul - forsyne minst den første stabelmodulen i serien med anodegass - forsyne katodegassinnløpet for den første primære stabelmodulen i serien med forhåndsvarmet katodegass - forsyne katodegassinnløpet for den minst ene sekundære stabelmodulen i serien med varm avgass-katodegass fra katodegassutløpet for den forutgående stabelmodulen - forsyne anodegass til den primære stabelen, nevnte anodegass blir ført til ingen eller bare til noen av de sekundære stabelmodulene i enheten. 2 2. Fremgangsmåte for å operere en fast oksid brenselcellestabelenhet ifølge krav 1, hvori avgass-katodegassen forsynt til katodegassinnløpet for den minst ene sekundære stabelmodulen forsynt med anodegass blir kjølt ved hjelp av en varmeveksler eller ved innløp av ytterligere kald katodegass. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, hvori enheten omfatter to stabelmoduler. 4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, hvori enheten omfatter fire stabelmodu- ler. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 4 egnet for drift ved omtrent 2 %, 0 %, 7 % eller 0 % last, ved drift ved 2 % last blir bare den første stabelmodulen i serien forsynt med anodegass, ved drift ved 0 % last blir bare den første og den andre stabelmodulen i serien forsynt med anodegass og bare katodegassen forsynt til den andre stabelmodulen blir
9 kjølt, ved drift ved 7 % last blir bare den første, den andre og den tredje stabelmodulen i serien forsynt med anodegass og bare katodegassen forsynt til den andre og tredje stabelmodulen blir avkjølt, ved drift ved 0 % last blir alle stabelmodulene i serien forsynt med anodegass og katodegassen forsynt til den andre, tredje og fjerde stabelmodulen blir avkjølt.
11