газотурбинная электроэнергетическая система, электроэнергетическая система и узел электрохимического конвертера

Формула изобретения

1. Газотурбинная электроэнергетическая система для выработки электроэнергии, содержащая по крайней мере один компрессор для сжатия по крайней мере первой и второй разных сред и по крайней мере одну газовую турбину, отличающаяся тем, что она включает в себя по крайней мере один электрохимический конвертер, связанный с компрессором и выполненный с возможностью приема по крайней мере одной из упомянутых сред и проведения электрохимической реакции между первой и второй средами с получением выпускного потока, являющегося смесью первой и второй сред при заданной повышенной температуре, а указанная турбина связана с электрохимическим конвертером с обеспечением приема упомянутого выпускного потока из конвертера и преобразования его во вращательную энергию.

2. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит генератор, связанный с турбиной и воспринимающий ее вращательную энергию с выработкой электроэнергии.

3. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что электрохимический конвертер выполнен с возможностью выработки электроэнергии.

4. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что электрохимический конвертер выполнен с возможностью работы при повышенной температуре и атмосферном давлении, при этом система дополнительно содержит теплообменник, находящийся в тепловом взаимодействии с электрохимическим конвертером для выделения из выпускного потока конвертера отходящей теплоты и для ее передачи турбине.

5. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что электрохимический конвертер имеет заданную рабочую температуру, выполнен с возможностью работы при повышенных температуре и давлении и содержит внутренний нагреватель среды для нагрева первой и второй сред до рабочей температуры конвертера.

6. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.5, отличающаяся тем, что электрохимический конвертер содержит трубчатые элементы, включающие в себя кольцевой электролитный слой, имеющий материал электрода окислителя на одной стороне и материал электрода топлива на противоположной стороне.

7. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что электрохимический конвертер содержит узел электрохимического конвертера, имеющий собранные в пакет элементы, включающие в себя электролитные пластины, имеющие материал электрода окислителя на одной стороне и материал электрода топлива на противоположной стороне, и промежуточные соединительные пластины для обеспечения электрического контакта с электролитными пластинами, в котором упомянутый пакет элементов конвертера образован чередованием промежуточных соединительных и электролитных пластин.

8. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.7, отличающаяся тем, что собранные в пакет элементы узла электрохимического конвертера дополнительно содержат каналы, аксиально расположенные в пакете и выполненные для приема по крайней мере первой или второй среды, и нагреватель среды, связанный с каналом для нагрева по крайней мере части первой и второй сред до рабочей температуры конвертера.

9. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что промежуточная соединительная пластина выполнена теплопроводной.

10. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.8, отличающаяся тем, что нагреватель среды имеет теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность промежуточной соединительной пластины, выступающей в аксиальные каналы.

11. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.8, отличающаяся тем, что пакет элементов конвертера дополнительно содержит распорные пластины, установленные между электролитными и промежуточными соединительными пластинами.

12. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.11, отличающаяся тем, что нагреватель среды имеет теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность распорной пластины, выступающей в аксиальные каналы.

13. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.8, отличающаяся тем, что узел электрохимического конвертера выполнен с обеспечением выделения отходящей теплоты, нагревающей первую и вторую среды до рабочей температуры конвертера, причем отходящая теплота кондуктивно передается первой и второй средам посредством промежуточной соединительной пластины.

14. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.7, отличающаяся тем, что рабочая температура узла электрохимического конвертера расположена в диапазоне 20 - 1500^oC.

15. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что указанный электрохимический конвертер представляет собой топливный элемент, выбранный из группы, содержащей топливный элемент с окислом в твердом состоянии, топливный элемент с плавленным карбонатом, щелочной топливный элемент, топливный элемент с фосфорной кислотой и топливный элемент с протонной мембраной.

16. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит подогреватель первой и второй сред перед вводом их в электрохимический конвертер.

17. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.16, отличающаяся тем, что подогреватель содержит наружный регенеративный теплообменник или радиационный теплообменник.

18. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.16, отличающаяся тем, что подогреватель по крайней мере разлагает первую и вторую среды, содержащие углеводороды и реформинг-агенты, в некомплексные продукты реакции.

19. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.8, отличающаяся тем, что нагреватель среды по крайней мере разлагает первую и вторую среды, содержащие углеводороды и реформинг-агенты, в некомплексные продукты реакции.

20. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что электрохимический конвертер установлен последовательно в линии между компрессором и турбиной.

21. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит нагреватель выпуска конвертера, установленный между электрохимическим конвертером и турбиной, для нагрева выпуска конвертера до заданной повышенной температуры перед входом в турбину.

22. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.21, отличающаяся тем, что нагреватель выпуска конвертера содержит камеру сгорания природного газа.

23. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит регенерирующую теплоту оболочку, образующую автоклав вокруг электрохимического конвертера.

24. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что первая среда представляет собой воздух, а вторая среда - природный газ.

25. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит парогенератор, связанный с газовой турбиной с обеспечением приема ее выпускного потока, причем парогенератор конвективно связывает выходящий газ газовой турбины с рабочим телом.

26. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.25, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит паровую турбину, связанную с парогенератором и предназначенную для выработки электроэнергии.

27. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что указанная газовая турбина выполнена в виде газотурбинной установки, содержащей компрессор и механическую турбину, вырабатывающую электроэнергию и формирующую выпускной поток, имеющий заданную повышенную температуру, при этом система включает в себя парогенератор, соединенный с газовой турбиной для приема ее выпускного потока и конвективно связывающий этот поток с рабочим телом, и паровую турбину, связанную с парогенератором для выработки электроэнергии.

28. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.27, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит нагреватель, связанный с электрохимическим конвертером и газовой турбиной, для нагрева выпускного потока конвертера до требуемой повышенной температуры перед входом в газовую турбину.

29. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.28, отличающаяся тем, что нагреватель представляет собой камеру сгорания природного газа.

30. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что указанная турбина связана с указанными компрессорами посредством по крайней мере одного вала.

31. Газотурбинная электроэнергетическая система по п.8, отличающаяся тем, что указанные аксиальные каналы образованы пакетом элементов, а указанные нагреватели среды связаны с указанной промежуточной соединительной пластиной и выступают в указанные аксиальные каналы.

32. Газотурбинная электроэнергетическая система для выработки электроэнергии, содержащая газотурбинную установку, включающую в себя компрессор и газовую турбину, отличающаяся тем, что она содержит узел электрохимического конвертера, имеющий собранные в пакет элементы конвертера и выполненный с возможностью приема вводимых реагентов, при этом газовая турбина связана с электрохимическим конвертером, а компрессор выполнен с возможностью нагрева по крайней мере одного из реагентов электрохимического конвертера.

33. Электроэнергетическая система по п.32, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит генератор, связанный с газовой турбиной с обеспечением выработки им электроэнергии от вращательной энергии турбины.

34. Электроэнергетическая система, содержащая группу электрохимических конвертеров для выработки электроэнергии, установленных с возможностью приема вводимых реагентов, отличающаяся тем, что она содержит автоклав, расположенный вокруг указанной группы электрохимических конвертеров с обеспечением сбора выпускных газов, образующихся во время работы электрохимического конвертера, и средство отвода собранных выпускных газов из указанного автоклава для использования этих газов вне его.

35. Электроэнергетическая система по п.34, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройство риформинга, расположенное внутри указанного автоклава, сообщающееся с указанной группой электрохимических конвертеров или связанное с ней через теплопередачу с обеспечением термической диссоциации топливного реагента на составляющие некомплексные реагенты.

36. Электроэнергетическая система по п.34, отличающаяся тем, что указанная группа электрохимических конвертеров представляет собой несколько топливных элементов, каждый из которых содержит чередующиеся одна с другой теплопроводные пластины и электролитные пластины или имеет трубчатую форму.

37. Электроэнергетическая система по п.34, отличающаяся тем, что каждый из указанных электрохимических конвертеров установлен с возможностью приема топливного и окислительного реагентов для риформинга указанного топливного реагента и выработки электроэнергии.

38. Электроэнергетическая система по п.34, отличающаяся тем, что указанная группа электрохимических конвертеров установлена с возможностью выработки выпускных газов и их выпуска во внутренний объем указанного автоклава.

39. Электроэнергетическая система по п.38, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средство сбора указанных выпускных газов топливных элементов для последующей обработки, включающей рециркуляцию указанных выпускных газов для использования в риформинге или комбинированной выработки электрической и тепловой энергии с применением указанных выпускных газов,

40. Электроэнергетическая система по п.34, отличающаяся тем, что указанный автоклав установлен с возможностью сбора выпускных газов указанной группы электрохимических конвертеров при температуре, в основном соответствующей рабочей температуре группы электрохимических конвертеров, и давлении, в основном соответствующем давлению выпускных газов на выходе из группы электрохимических конвертеров.

41. Электроэнергетическая система по п.34, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит газовую турбину, связанную с указанным автоклавом, и средство подвода выпускных газов, вырабатываемых группой электрохимических конвертеров, от автоклава к указанной газовой турбине для выработки энергии.

42. Электроэнергетическая система по п.41, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройство подогрева вводимого реагента перед его введением в указанную группу электрохимических конвертеров.

43. Электроэнергетическая система по п.34, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит газотурбинную установку, имеющую компрессор и турбину и связанную с указанными автоклавом и группой электрохимических конвертеров.

44. Электроэнергетическая система по п.41, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит генератор, связанный с газовой турбиной с возможностью выработки им электроэнергии от вращательной энергии турбины.

45. Электроэнергетическая система по п.34, отличающаяся тем, что каждый указанный электрохимический конвертер содержит по меньшей мере один канал, расположенный аксиально относительно него, и средство подогрева реагента, установленное по меньшей мере в одном из указанных каналов с обеспечением подогрева по меньшей мере части указанных вводимых реагентов до рабочей температуры конвертера.

46. Электроэнергетическая система по п.45, отличающаяся тем, что средство подогрева реагента содержит теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность электрохимического конвертера, выступающую в указанный канал.

47. Электроэнергетическая система по п.45, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит газовую турбину, снабженную компрессором и связанную с электрохимическим конвертером, причем компрессор выполнен с возможностью подогрева реагента указанного электрохимического конвертера.

48. Узел электрохимического конвертера, функционирующий при заданной рабочей температуре и содержащий пакет плоских элементов конвертера, отличающийся тем, что он включает в себя электролитные пластины, имеющие материал электрода окислителя на одной стороне и материал электрода топлива на противоположной стороне, промежуточные соединительные пластины для обеспечения электрического контакта с указанными электролитными пластинами, при этом указанный пакет плоских элементов конвертера образован чередованием промежуточных соединительных и электролитных пластин, а также по крайней мере один канал, аксиально сообщенный с указанным пакетом, и нагреватели реагентов, расположенные в указанных каналах, для нагрева по крайней мере части одного из указанных реагентов до указанной рабочей температуры узла конвертера при прохождении их через указанные каналы.

49. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что указанная промежуточная соединительная пластина выполнена высокотеплопроводной.

50. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что указанный нагреватель реагента имеет теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность указанной промежуточной соединительной пластины, выступающую в указанное множество аксиальных каналов.

51. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что он выполнен с обеспечением выделения отходящей теплоты, нагревающей указанные реагенты до указанной рабочей температуры и кондуктивно передающейся указанным реагентам посредством указанной промежуточной соединительной пластины с выступающей поверхностью.

52. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что указанный пакет плоских элементов конвертера дополнительно содержит распорные пластины, установленные между указанными электролитными пластинами и промежуточными соединительными пластинами.

53. Узел электрохимического конвертера по п.52, отличающийся тем, что указанный внутренний нагреватель реагента имеет теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность указанной распорной пластины, выступающей в указанный аксиальный канал.

54. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что он дополнительно содержит подогреватель указанных реагентов перед входом в узел конвертера.

55. Узел электрохимического конвертера по п.54, отличающийся тем, что указанный подогреватель включает в себя наружный регенеративный теплообменник или радиационный теплообменник, подогревающий указанные реагенты посредством отходящей теплоты, выделяемой конвертером.

56. Узел электрохимического конвертера по п.54, отличающийся тем, что по крайней мере один из указанных подогревателей и нагревателей разлагает вводимые реагенты, содержащие углеводороды и риформинг-агенты, на некомплексные продукты реакции.

57. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что в указанном пакете выполнено несколько каналов, а указанный нагреватель реагента содержит теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность указанной промежуточной соединительной пластины, выступающую в указанные аксиальные каналы.

58. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что он является топливным элементом с окислом в твердом состоянии.

59. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что он дополнительно содержит газовую турбину, связанную с конвертером.

60. Узел электрохимического конвертера по п.59, отличающийся тем, что указанная газовая турбина выполнена в виде газотурбинной установки, содержащей компрессор, связанньй с ротором турбины.

61. Узел электрохимического конвертера по п.60, отличающийся тем, что он установлен последовательно в линии между указанными компрессором и ротором турбины.

62. Узел электрохимического конвертера по п.60, отличающийся тем, что указанный компрессор выполнен с обеспечением подогрева по крайней мере одного из указанных реагентов.

63. Узел электрохимического конвертера по п.60, отличающийся тем, что он выполнен с формированием вьпускного потока, содержащего реагенты топлива и окислителя, идущего непосредственно в указанный ротор турбины.

64. Узел электрохимического конвертера по п.60, отличающийся тем, что он выполнен с формированием выпускного потока и дополнительно содержит нагреватель, расположенный между конвертером и указанным ротором турбины, для нагрева указанного потока до требуемой повышенной температуры перед входом в указанный ротор турбины.

65. Узел электрохимического конвертера по п.64, отличающийся тем, что указанный нагреватель потока включает в себя камеру сгорания природного газа.

66. Узел электрохимического конвертера по п.60, отличающийся тем, что он дополнительно содержит парогенератор, соединенный с газовой турбиной для приема ее выпускного потока и конвективно связывающий этот поток с рабочим телом, и паровую турбину, связанную с парогенератором для выработки электроэнергии.

67. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рекуперирующую теплоту оболочку, образующую автоклав вокруг узла конвертера.

68. Узел электрохимического конвертера по п.48, отличающийся тем, что он дополнительно содержит связанную с ним паровую турбину для выработки электроэнергии.

69. Узел электрохимического конвертера по п.68, отличающийся тем, что он дополнительно содержит парогенератор, связанный с паровой турбиной.

70. Узел электрохимического конвертера по п.69, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью работы при повышенной температуре и содержит теплообменник для радиационного теплообмена между конвертером к парогенератором.

71. Узел электрохимического конвертера по п.70, отличающийся тем, что выпускной поток конвертера радиационно нагревает рабочее тело парогенератора посредством теплообменника.

72. Узел электрохимического конвертера по п.69, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сообщенную с ним газовую турбину для приема выпускного потока конвертера и выработки электроэнергии, при этом газовая турбина сообщена с парогенератором и ее выпускной поток имеет требуемую повышенную температуру с последующим попаданием в парогенератор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газовым или паровым турбинам, а конкретно к электроэнергетическим системам, обладающим высоким КПД, в которых используют такие устройства.

В настоящее время известны газотурбинные электроэнергетические системы, обладающие высоким коэффициентом полезного действия, например из патентов на изобретения: ЕР 0170277, ЕР 0246649, JP 61024169. Газотурбинные электроэнергетические системы предшествующего уровня техники содержат компрессор, камеру сгорания и механическую турбину, соединенные, как правило, в линии, например, по одной оси. В обычной газовотурбинной установке воздух входит в компрессор и выходит из него, обладая требуемым повышенным давлением. Этот воздушный поток высокого давления входит в камеру сгорания, где он реагирует с топливом и нагревается до выбранной повышенной температуры. 3атем этот нагретый газовый поток попадает в газовую турбину и адиабатически расширяется, совершая при этом работу. Одним недостатком газовых турбин этого общего типа является то, что установка, как правило, работает при относительно низких КПД, например приблизительно 25%, при мегаваттной мощности.

В способах вышеназванного предшествующего уровня техники для преодоления этой проблемы используют рекуператор для использования отходящей теплоты, например в виде устройства утилизации отходящей теплоты, использующего теплоту прошедшего через турбину отработавшего газа для повышения температуры жидкости, проходящей через это устройство, как это описывается в патенте ЕР 0170277, или котла утилизации отходящей теплоты, при использовании которого отработавший газ на выходе из газовой турбины подается к котлу по каналу отвода выхлопа газовой турбины, расположенному между выходом газовой турбины и указанным котлом, как это описывается в патенте ЕР 0246649. Эту рекуперированную теплоту, как правило, используют для дополнительного нагрева воздушного потока до вхождения в камеру сгорания. Рекуператор, как правило, увеличивает КПД газотурбинной установки до, приблизительно, 30%. Недостаток этого решения заключается в том, что рекуператор относительно дорог и, таким образом, значительно увеличивает общую стоимость электроэнергетической системы.

В другом способе предшествующего уровня техники система работает при относительно высоком давлении и относительно высокой температуре для увеличения КПД, как это описывается в патенте JP 61024169. Однако фактическое увеличение коэффициента полезного действия системы было номинальным, в то время как стоимость системы увеличивалась в связи с использованием элементов, способных работать при высокой температуре и давлении.

В предшествующем уровне техники, применяемом на электростанциях мощностью более 10 МВт, термически соединяют высокотемпературный выпуск турбины с парогенератором для рекуперации теплоты для совместного использования газовой турбины и паровой турбины, как это описывается, например, в патенте ЕР 0246649. Такое совместное использование, как правило, увеличивает рабочий КПД до, приблизительно, 55%. Однако этот КПД еще относительно низок.

Таким образом на современном уровне техники существует потребность в электроэнергетических системах, обладающих высоким КПД. В частности, предлагаемая усовершенствованная газотурбинная электроэнергетическая система, которая способна использовать требуемые характеристики электрохимических конвертеров, представляет серьезное усовершенствование в этой отрасли промышленности. Более конкретно, объединенные электрохимический конвертер и газотурбинная система уменьшают расходы, связанные с обеспечением специализированного термального оборудования, при значительном увеличении общего КПД электроэнергетической системы и представляют основное усовершенствование в этой области техники.

Изобретение представляет собой электроэнергетическую систему, которая объединяет электрохимический конвертер с газовой турбиной. Электрохимический конвертер и газовая турбина составляют электроэнергетическую систему, обладающую относительно высоким КПД, например КПД такой системы составляет приблизительно 70%, для выработки электроэнергии.

Газотурбинная электроэнергетическая система согласно настоящему изобретению содержит компрессор для сжатия первой среды и электрохимический конвертер, сообщающийся с компрессором и приспособленный принимать первую среду и вторую среду. Конвертер сконструирован так, чтобы обеспечивать протекание электрохимической реакции между первой и второй средами, давая в соответствии с этим выпускной поток, имеющий расчетную повышенную температуру. Электроэнергетическая система дополнительно содержит турбину, сообщающуюся с электрохимическим конвертером и приспособленную принимать выпуск конвертера и преобразовывать его во вращательное движение для выработки электроэнергии.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения электроэнергетическая система дополнительно содержит генератор, который воспринимает вращательную энергию турбины и вырабатывает электроэнергию от этой энергии турбины. Предпочтительно, чтобы электрохимический конвертер был приспособлен работать при повышенной температуре и различных давлениях.

В соответствии с другим аспектом электроэнергетическая система дополнительно содержит теплообменный элемент, находящийся в тепловом взаимодействии с электрохимическим конвертером, для использования отходящей теплоты из выпуска конвертера и для ее передачи турбине.

В соответствии с дополнительным аспектом электрохимический конвертер содержит внутренний нагревательный элемент, который нагревает первую и вторую среду до рабочей температуры конвертера. В другом аспекте конвертер образован из множества плоских и трубчатых элементов, которые имеют кольцевой электролитный слой, имеющий на одной стороне материал электрода окислителя, а на противоположной стороне - материал электрода топлива.

В соответствии с еще одним аспектом электрохимический конвертер содержит узел электрохимического конвертера, имеющий множество собранных в пакет элементов, включающих в себя множество электролитных пластин, имеющих материал электрода окислителя на одной стороне и материал электрода топлива на противоположной стороне, и множество промежуточных соединительных пластин для обеспечения электрического контакта с электролитными пластинами, при этом пакет элементов конвертера образован из чередующихся промежуточных соединительных и электролитных пластин. В другом аспекте собранные в пакет элементы конвертера дополнительно имеют множество каналов, аксиально связанных с этим пакетом и приспособленных принимать первую и вторую среду, и нагреватель среды, связанный с каналами, для нагрева, по крайней мере, части первой и второй сред до рабочей температуры конвертера.

В соответствии с другим аспектом промежуточная соединительная пластина выполнена теплопроводной, а нагреватель среды имеет теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность, являющуюся неотъемлемой частью промежуточной соединительной пластины, выступающей в аксиальные каналы. В другом варианте выполнения пакет элементов конвертера содержит множество распорных пластин, установленных между электролитными пластинами и промежуточными соединительными пластинами, а нагреватель среды имеет теплопроводную и интегральнообразованную выступающую поверхность распорной пластины, которая выступает в множество аксиальных каналов.

В соответствии с одним практическим использованием настоящего изобретения узел электрохимического конвертера вырабатывает отходящее тепло, которое нагревает первую и вторую среду до рабочей температуры конвертера и которое кондуктивно передается первой и второй средам посредством промежуточной соединительной пластины.

В соответствии с другим аспектом электроэнергетическая система дополнительно содержит подогреватель первой и второй сред перед входом в электрохимический конвертер. Подогревателем предпочтительно является либо наружный регенеративный теплообменник, либо радиационный теплообменник. В соответствии с другим практическим использованием настоящего изобретения для разложения первой и второй сред, которые содержат углеводороды и реформинг-агенты, на некомплексные продукты реакции может быть использован нагреватель среды или подогреватель.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения электроэнергетическая система дополнительно содержит нагреватель выпускного потока конвертера до выбранной повышенной температуры перед входом в турбину. В соответствии с одним практическим использованием настоящего изобретения нагреватель нагревает выпуск из конвертера до температуры, превышающей рабочую температуру конвертера. Нагревателем выпуска предпочтительно является камера сгорания природного газа. Электроэнергетическая система может дополнительно содержать регенеративный термоэлемент оболочки, которая образует автоклав вокруг электрохимического конвертера.

Настоящее изобретение дополнительно представляет собой паротурбинную электроэнергетическую систему, которая содержит электрохимический конвертер для формирования выпускного потока (и отходящей теплоты), имеющий выбранную повышенную температуру, парогенератор, связанный с электрохимическим конвертером, и турбину, связанную с парогенератором и предназначенную для выработки электроэнергии.

В соответствии с одним аспектом паротурбинная электроэнергетическая система содержит теплообменник для радиационного теплообмена между конвертером и парогенератором.

В соответствии с другим аспектом электроэнергетическая система содержит теплообменник для рекуперации теплоты, связанный с турбиной, который принимает выпускной поток конвертера и посредством конвекции передает отходящую теплоту от выпуска конвертера турбине.

В соответствии с другим аспектом электрохимический конвертер содержит узел, имеющий множество собранных в пакет элементов конвертера, которые содержат множество электролитных пластин, имеющих материал электрода окислителя на одной стороне и материал электрода топлива на противоположной стороне, и множество промежуточных соединительных пластин для обеспечения электрического контакта с электролитными пластинами. Пакет элементов конвертера образован чередованием промежуточных соединительных и электролитных пластин.

В соответствии с другим аспектом собранные в пакет элементы конвертера дополнительно содержат множество каналов, аксиально связанных с пакетом и приспособленных принимать реагенты, нагреватель реагента, связанный с каналом, для нагрева, по крайней мере, части реагентов до рабочей температуры конвертера. В соответствии с одним практическим использованием, промежуточная соединительная пластина является теплопроводной, а нагреватель реагента включает в себя теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность промежуточной соединительной пластины, которая выступает во множество аксиальных каналов.

В другом аспекте пакет элементов конвертера дополнительно содержит множество распорных пластин, установленных между электролитными и промежуточными соединительными пластинами.

В соответствии с еще одним аспектом, нагреватель реагента включает в себя теплопроводную и интегрально образованную выступающую поверхность распорной пластины, которая выступает в множество аксиальных каналов.

В соответствии с одним практическим использованием настоящего изобретения узел электрохимического конвертера генерирует отходящую теплоту, которая нагревает реагенты до рабочей температуры конвертера. Эта отходящая теплота кондуктивно передается реагентам посредством промежуточной соединительной пластины.

В другом аспекте паротурбинная электроэнергетическая система дополнительно содержит подогреватель реагентов перед входом в электрохимический конвертер. Подогреватель может содержать наружный регенеративный теплообменник или радиационный теплообменник.

В соответствии с другим практическим использованием, один или оба (подогреватель и нагреватель реагента) разлагает реагенты, которые содержат углеводороды и реформинг-агенты, в некомплексные продукты реакции.

Настоящее изобретение дополнительно представляет собой электроэнергетическую систему, которая содержит электрохимический конвертер, приспособленный для приема вводимых реагентов и для выработки отходящей теплоты и формирования выпуска, газотурбинную установку, которая содержит компрессор и механическую турбину, которая производит выпуск потока, имеющего выбранную повышенную температуру. Система дополнительно содержит парогенератор, который принимает выпуск газовой турбины и который радиационно связывает выпуск газовой турбины с рабочим телом. Система также содержит паровую турбину, которая связана, по крайней мере, с парогенератором и которая приспособлена принимать рабочее тело.

Настоящее изобретение дополнительно представляет собой электроэнергетическую систему, которая содержит электрохимический конвертер, приспособленный принимать вводимые реагенты и вырабатывать отходящую теплоту и выпускной поток, и газотурбинную установку, которая содержит компрессор и механическую турбину, которая производит выпуск потока, имеющего требуемую повышенную температуру. Система дополнительно содержит парогенератор, который принимает выпуск газовой турбины и который конвективно связывает выпуск газовой турбины с рабочим телом. Система содержит также паровую турбину, которая связана с парогенератором и которая приспособлена принимать рабочее тело. В соответствии с одним практическим использованием электроэнергию генерируют посредством электрохимического конвертера, паровой турбины и газовой турбины.

Указанные выше и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из описания и сопроводительных чертежей, приведенных ниже, на которых одинаковыми ссылочными позициями указаны одинаковые элементы на различных видах. Чертежи иллюстрируют принципы настоящего изобретения и, хотя приведенные чертежи выполнены не в масштабе, они дают представление об относительных размерах.

Фиг. 1 - принципиальная блок-схема электроэнергетической системы, соответствующей настоящему изобретению, в которой использован электрохимический конвертер, расположенный последовательно в линии с газовой турбиной.

Фиг. 2 - принципиальная блок-схема другого варианта выполнения электроэнергетической системы, соответствующей настоящему изобретению, в которой использован электрохимический конвертер, расположенный не в линии газовой турбины.

Фиг. 3 - принципиальная блок-схема электроэнергетической системы, соответствующей настоящему изобретению, в которой использован электрохимический конвертер и паровая турбина.

Фиг. 4 - принципиальная блок-схема другого варианта выполнения электроэнергетической системы, соответствующей настоящему изобретению, в которой использованы как газовая, так и паровая турбины, и нагреватель выпуска конвертера.

Фиг. 5 - вид сверху в изометрическом изображении с частичным вырезом автоклава, в который заключен ряд электрохимических конвертеров настоящего изобретения.

Фиг. 6 - перспективное изображение основного элемента электрохимического конвертера настоящего изобретения.

Фиг. 7 - перспективное изображение альтернативного варианта выполнения основного элемента электрохимического конвертера настоящего изобретения.

Фиг. 8 - поперечное сечение основного элемента, показанного на фиг. 6.

Фиг. 9 - схематическое изображение многовальной газотурбинной электроэнергетической установки, в которой использован электрохимический конвертер, соответствующий настоящему изобретению.

Фиг. 10 - графическая иллюстрация эффективности комбинированной электроэнергетической системы настоящего изобретения.

На фиг. 1 показана газотурбинная электроэнергетическая система, соответствующая настоящему изобретению. Иллюстрируемая линия воздушной газотурбинной электроэнергетической системы 70 содержит электрохимический конвертер 72 и газотурбинный узел. Газотурбинный узел содержит компрессор 76, турбину 80 и генератор 84. Воздух из источника 73 воздуха посредством любого приемлемого трубопровода подают в компрессор 76, где он сжимается и, таким образом, нагревается и затем подается в электрохимический конвертер 72. Топливо 74 подают в подогреватель 68, где он подогревается до необходимой повышенной температуры, которая ниже рабочей температуры конвертера. Подогретые воздух и топливо являются вводимыми реагентами и служат источниками энергии электрохимического конвертера 72.

Конвертер 72 нагревает сжатый воздух, подаваемый компрессором 76, и топливо 74 для получения высокотемпературного выпускного потока. Этот поток вводят в газовую турбину 80, которая преобразует эту тепловую энергию во вращательную энергию для последующей передачи к электрогенератору 84. Характерно то, что турбина преобразует высокотемпературный выпуск во вращательное движение посредством вала турбины, которая совершает работу для выработки электроэнергии. Генератор 84 производит электричество, которое может быть использовано как для коммерческого, так и для местного использования. Одна из выгод применения электрохимического конвертера в качестве камеры сгорания газовой турбины заключается в том, что конвертер работает как дополнительный электрогенератор. Иллюстрируемые электрические соединения 88A и 88B показывают, что электричество может быть получено как от генератора 84, так и от конвертера 72. Элементы газовой турбины и генератор известны на современном уровне техники и выпускаются на промышленной основе. Обычному специалисту в этой области техники вполне очевидна работа элементов газовой турбины, а также объединение электрохимического конвертера и газовой турбины, в частности, в свете представленных описания и иллюстраций. Например, обычный специалист в этой области техники легко поймет, что конвертер 72 может полностью или частично заменить камеру сгорания газовой турбины настоящего изобретения.

На фиг. 2 иллюстрируется электроэнергетическая система 90, в которой электрохимический конвертер 72" работает в автономном от газовой турбины режиме. Воздух из источника 73" воздуха сжимается посредством компрессора 76" и подается в конвертер 72", работающий в автономном режиме. Топливо из источника 74" топлива вводится в конвертер, в котором воздух и топливо вступают в реакцию. Конвертер термически разлагает топливо на компоненты некомплексных продуктов реакции, как правило, H₂ и CO, и создает высокотемпературный выпуск потока. Этот поток вводят в газовую турбину 80", которая связана с электрогенератором 84". Иллюстрируемые генератор 84" и конвертер 72" могут служить источником энергии для изображенного тягового двигателя 86. В системе 90 может дополнительно быть использован подогреватель, аналогичный подогревателю, показанному на фиг. 1, для подогрева реагентов перед вводом в конвертер 72".

На фиг. 3 иллюстрируется электроэнергетическая система 95, в которой использованы электрохимический конвертер 72"", парогенератор 108 рекуперации теплоты и паровая турбина 112, соединенные, как показано на схеме. Парогенератор 108 работает в качестве подогревателя, подогревающего вводимые реагенты, например, воздух и топливо, до требуемой повышенной температуры, которая ниже рабочей температуры конвертера 72"". Конвертер использует вводимые реагенты и производит выводимую из него теплоту и нагретый выпуск потока 91. Этот поток 91 может быть подан к парогенератору 108 с помощью любого приемлемого средства, например, трубопровода для текучей среды. Нагретый выпуск потока помогает подогреть реагенты 73, 74 посредством регенеративного теплообменного процесса, нагревая в то же самое время рабочее тело, связанное, как правило, с паровой турбиной, например, воду, для получения пара для паровой турбины 112. В альтернативном варианте выполнения парогенератор 108 содержит внутри преобразователь топлива посредством термической диссоциации, которая, как правило, связана с преобразованием углеводородов и реформинг-агентов в некомплексные продукты реакции.

На фиг. 4 показана другая электроэнергетическая система 100, в которой использованы электрохимический конвертер, газовая турбина и паровая турбина. Иллюстрируемая электроэнергетическая система 100 содержит вторичную камеру сгорания 104, парогенератор 108" и паровую турбину 112". Топливо из источника 74 топлива и вода 102 для реформинга, как правило подаваемая из резервуара (не показано), вводятся в электрохимический конвертер 72"". Вода 102 и отходящая теплота, производимая конвертером 72"", помогают преобразовать вводимое топливо, например ископаемое топливо, в годные к употреблению некомплексные продукты реакции, например, молекулярный водород и моноокись углерода. Воздух из источника 73 воздуха вводится в конвертер 72"" (предпочтительно с помощью компрессора или нагнетательного вентилятора 76""), где он объединяется с вводимым топливом, чтобы служить источником энергии для конвертера 72"". Конвертер 72"" производит высокотемпературный выпуск потока, имеющего, как правило, температуру приблизительно 1000^oC, который дополнительно нагревают до требуемой повышенной температуры, например 1300^oC, посредством вторичной камеры сгорания 104 для соответствия заданным входным температурным характеристикам газовой турбины 80"". Газовая турбина 80"" выпускает поток 81, который проходит через парогенератор 108 рекуперации теплоты для последующего использования с паровой турбиной 112 устройства основания. Выход паровой турбины соединен с электрогенератором 84"", который вырабатывает электроэнергию. Электрические соединения 88A и 88B показывают, что электричество может быть получено непосредственно как из электрохимического конвертера 72"", так и генератора 84"".

Иллюстрируемые электроэнергетические системы, показанные на фиг. 1-4, имеют то преимущество, что они позволяют вырабатывать электроэнергию с высоким КПД посредством прямого объединения высокоэффективного, компактного электрохимического конвертера с составляющими элементами устройства основания электростанции. Объединение электрохимического конвертера с газовой турбиной, как показано на фиг. 1-4, позволяет получить газотурбинную электроэнергетическую систему, которая имеет общий КПД, составляющий приблизительно 70%. Такой КПД системы представляет значительное увеличение эффективности по сравнению с эффективностью газотурбинных электроэнергетических систем предшествующего уровня техники и отдельно электрохимических систем предшествующего уровня техники. Иллюстрируемые газотурбинные электроэнергетические системы содержат электрохимический конвертер для обеспечения высококачественной тепловой и электрической энергии при использовании достоинств электрохимических конвертеров. Например, конвертер работает как тепловой источник с низким содержанием N_ox, улучшая в соответствии с этим эксплуатационные качества с точки зрения охраны окружающей среды по сравнению с обычными газотурбинными электростанциями.

Высокая эффективность комбинированной системы электрохимического конвертера и газовой турбины графически иллюстрируется на фиг. 10. По оси ординат графика отложены общие коэффициенты полезного действия системы (в процентах), а по оси абсцисс - соотношение мощностей комбинированной системы. Соотношение мощностей определяли как отношение суммы величин электрохимического конвертера и газовой турбины (ТЭ+ГТ) к величине газовой турбины (ГТ). Графическая зависимость 200 иллюстрирует то, что общий КПД системы может превышать 60% при использовании топливного элемента, имеющего КПД 50%, и газовой турбины, имеющей КПД 25%. Аналогичным образом графическая зависимость 210 иллюстрирует то, что общий КПД системы может превышать 60% при использовании топливного элемента, имеющего КПД 55%, и газовой турбины, имеющей КПД 35%, и в зависимости от соотношения мощностей может достигать 70%. Графические зависимости 200 и 210 иллюстрируют также то, что величины и КПД электрохимического конвертера и газовой турбины могут быть выбраны так, чтобы получить максимальный общий КПД системы. Кроме того, эти графические зависимости иллюстрируют то, что, если газовую турбину использовать совместно с электрохимическим конвертером, может иметь место соответственно большое увеличение КПД системы, который до сих пор не был получен. Например, как было указано выше, газотурбинная электроэнергетическая система, в которой использовался электрохимический конвертер, имеет общий КПД системы 60%, приближающийся к 70%, в зависимости от величин и КПД составляющих ее газовой турбины и электрохимического конвертера.

На фиг. 9 схематически показана электроэнергетическая система 300, которая объединяет электрохимический конвертер с многовальной газотурбинной системой. Иллюстрируемая газотурбинная система может быть обычной турбинной системой с камерой сгорания. Иллюстрируемая комбинированная система 300 содержит пару компрессоров С1 и С2, две турбины Т1 и Т2, генератор 305, промежуточный холодильник 310 и один или более электрохимических конвертеров 320. Механические компрессоры С1 и С2 соединены с турбинами Т1 и Т2 парой валов, соответственно 322, 324.

Как показано, воздух из воздухоприемника поступает на вход компрессора С1 и посредством него подвергается сжатию. После этого сжатый воздух выходит из компрессора на его выходе и входит в промежуточный холодильник 310, который уменьшает температуру сжатого воздуха до того, как тот покинет промежуточный холодильник. На вход промежуточного холодильника 310 поступает охлаждающая текучая среда, например вода, из источника текучей среды (не показано), которая выпускается через выход холодильника.

После этого охлажденный сжатый воздух поступает в компрессор С2, который снова сжимает воздух перед вводом его в первый электрохимический конвертер 320. Между компрессором С2 и конвертером 320 воздух идет по трубопроводу 328. После входа в конвертер воздух реагирует с топливом из источника топлива (не показано) и потребляется электрохимическим конвертером 320 для выработки электроэнергии.

Выпускной поток конвертера вводят в турбину Т2 по трубопроводу 330, выходной поток которой поступает во вторичный конвертер 320. Вторичный конвертер генерирует электричество и повторно нагревает рабочее тело перед входом его в турбину Т1. Выходной поток турбины Т1 предпочтительно отводят из системы 300 по трубопроводу 332 для последующего применения. Вращательная энергия турбины Т1 предпочтительно посредством узла 322 приводного вала делится между механическим компрессором С1 и электрогенератором 305. Генератор 305 может быть использован для выработки электроэнергии для множества местных и коммерческих целей. Хотя в иллюстрируемой системе 300 использована пара электрохимических конвертеров, обычному специалисту в этой области технике будет понятно, что может быть использован только один конвертер, причем другой конвертер может быть заменен обычной камерой сгорания.

Существуют другие варианты выполнения описанных выше систем, которые известны обычным специалистам в этой области техники. Например, может быть использовано несколько газотурбинных узлов или любое число компрессоров, камер сгорания и турбин. Настоящее изобретение дополнительно предполагает объединение электрохимического конвертера с большинством типов газовых турбин, включающим одновальные газовые турбины, двухвальные газовые турбины, регенеративные газовые турбины, газовые турбины с промежуточным холодильником и газовые турбины с промежуточным перегревом. В своем самом широком аспекте настоящее изобретение охватывает комбинированную электроэнергетическую систему, в которой совместно используют электрохимический конвертер и обычную газовую турбину. В соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения конвертер заменяют либо полностью, либо частично одну или более камер сгорания газотурбинной электроэнергетической системы.

Прямое объединение электрохимического конвертера с газовой турбиной облегчается, если электрохимический конвертер 72 размещается в автоклаве 120 высокого давления. На фиг. 5 иллюстрируется предпочтительный тип корпуса конвертера, где автоклав 120, который также работает как регенеративная тепловая оболочка, содержит ряд составных узлов 122 топливных элементов, которые более подробно описаны ниже. Автоклав 120 содержит выпускной трубопровод 124, электрические соединители 126 и впускные трубопроводы 128 и 130 реагентов. В предпочтительном варианте выполнения окислитель вводится в узлы топливных элементов через расположенные в центре трубопроводы 130, а топливо - через топливные трубопроводы 128, расположенные по периферии автоклава 120.

Как описано выше, электрохимический конвертер может работать при повышенной температуре и при нормальном или при повышенном давлении. Электрохимический конвертер предпочтительно представляет собой систему топливных элементов, которая может содержать теплообменник, аналогичный тому, который описан в патенте США N 4853100, включенном в эту заявку в качестве ссылки.

Топливные элементы, как правило, обеспечивают диссоциацию топлива благодаря использованию химического потенциала выбранных видов топлива, например молекул водорода или моноокиси углерода, для получения окисленных молекул помимо электроэнергии. Поскольку стоимость подачи молекулярного водорода или моноокиси углерода относительно более высока, чем подача традиционного ископаемого топлива, для преобразования ископаемого топлива, например угля и природного газа, в газообразную смесь реагентов с высоким содержанием водорода и моноокиси углерода может быть предусмотрен этап реформинга или обработки топлива. Следовательно, для преобразования ископаемого топлива в некомплексные газообразные реагенты посредством использования пара, кислорода или двуокиси углерода (в эндотермической реакции) применяют топливный процессор специализированный или расположенный в топливном элементе.

На фиг. 6-8 иллюстрируется основной элемент 10 электрохимического конвертера 72, который особенно пригоден для объединения с обычными газовыми турбинами. Элемент 10 содержит электролитную пластину 20 и промежуточную соединительную пластину 30. В одном варианте выполнения, электролитная пластина 20 может быть выполнена из керамики, например из стабилизированной окиси циркония ZrO₂(V₂O₃), на которую наносили пористый материал электрода окислителя 20A и пористый материал электрода топлива 20B. Примерами материала электрода окислителя являются перовскиты, например, LaMnO₂(Sr). Примерами материала электрода топлива являются керметы, например, ZrO₂/Ni и ZrO₂/NiO.

Промежуточную соединительную пластину 30 предпочтительно делают из электро- и теплопроводного материала. Примерами такого материала являются никелевые сплавы, платиновые сплавы, неметаллические проводники, например, карбид кремния, La(Mn)CrO₃, и предпочтительно выпускаемый на промышленной основе Inconel, производства компании Inco., U.S.A. Промежуточная соединительная пластина 30 служит в качестве электрического соединителя между смежными электролитными пластинами и в качестве перегородки между топливными и окислительными реагентами. Как лучше всего показано на фиг. 7, промежуточная соединительная пластина 30 имеет центральное отверстие 32 и набор концентрично разнесенных в радиальном направлении отверстий 34. Третий наружный набор отверстий 36 расположен по наружной цилиндрической части или периферии пластины 30.

Промежуточная соединительная пластина имеет текстурированную поверхность 38. Текстурированную поверхность предпочтительно получают формированием на ней углублений 40, как показано на фиг. 8, которые образуют соединяющиеся каналы для течения реагентов. Предпочтительно чтобы обе стороны промежуточной соединительной пластины 30 имели поверхность с образованными на ней углублениями. Хотя промежуточный и внешний набор отверстий 34 и 36 соответственно показаны с расчетным числом отверстий, обычному специалисту в этой области технике будет понятно, что в зависимости от требований, предъявляемых к системе и потоку реагентов, может быть использовано любое число отверстий или разные схемы их распределения.

Аналогичным образом электролитная пластина 20 имеет центральное отверстие 22 и набор промежуточных и внешних отверстий 24 и 26, которые образованы в местах, соответствующих отверстиям 32, 34 и 36, промежуточной соединительной пластины 30.

Из фиг. 7 следует, что распорная пластина 50 может быть расположена между электролитной пластиной 20 и промежуточной соединительной пластиной 30. Распорная пластина 50 предпочтительно имеет гофрированную поверхность 52, которая образует соединяющиеся каналы для потока реагентов, аналогичные каналам в промежуточной соединительной пластине 30. Распорная пластина 50 имеет также ряд отверстий 54, 56 и 58, концентрично разнесенных от центра, которые, как показано, расположены в местах, соответствующих отверстиям промежуточных соединительных и электролитных пластин. Кроме того, в таком устройстве промежуточная соединительная пластина 30 лишена каналов для потока реагентов. Распорную пластину 50 предпочтительно изготавливают из электропроводного материала, например никеля.

Иллюстрируемые электролитные пластины 20, промежуточные соединительные пластины 30 и распорные пластины 50 могут иметь любую требуемую геометрическую конфигурацию. Кроме того, пластины, имеющие образуемые каналы, могут выходить наружу с перекрытием других пластин и поэтому показаны пунктирными линиями.

Из фиг. 8 следует, что, когда электролитные пластины 20 и промежуточные соединительные пластины поочередно собраны в пакет и совмещены по соответствующим отверстиям, последние образуют аксиальные (относительно блока) каналы, по которым в элемент подают вводимые реагенты и по которым выходит использованное топливо. В частности, совмещенные центральные отверстия 22, 32, 22 образуют входной канал 17 окислителя, совмещенные концентрические отверстия 24, 34, 24 образуют впускной канал 18 топлива, а совмещенные наружные отверстия 26, 36, 26 образуют канал 19 использованного топлива.

Поверхность 38, имеющая углубления, промежуточной соединительной пластины 30 имеет в поперечном сечении, показанном на фиг. 8, гофры, образованные на обеих сторонах. Эти гофры образуют каналы для течения реагентов, которые направляют вводимые реагенты к периферии промежуточных соединительных пластин. Промежуточная соединительная пластина также имеет выступающую нагревающую поверхность или выступ, которая проходит в каждый аксиальный канал и вдоль периферии промежуточной соединительной пластины. Характерно, что промежуточная соединительная пластина 30 имеет плоскую кольцеобразную выступающую поверхность 31A, образованную по наружному периферийному краю пластины. В предпочтительном варианте выполнения нагревающая поверхность 31A выходит за наружный периферийный край электролитной пластины 20. Промежуточная соединительная пластина дополнительно имеет выступающие нагревающие поверхности, которые выступают в аксиальные каналы, например, край 31B выступает и расположен в аксиальном канале 19; край 31C выступает и расположен в аксиальном канале 18; а край 31D выступает и расположен в аксиальном канале 17. Выступающие нагревающие поверхности могут быть интегрально образованы с промежуточной соединительной пластиной или могут быть соединены с ней или прикреплены к ней. Нагревающая поверхность не обязательно должна быть выполнена из того же материала, что и промежуточная соединительная пластина, а может быть изготовлена из любого приемлемого теплопроводного материала, способного выдерживать рабочие температуры электрохимического конвертера. В альтернативном варианте выполнения выступающая нагревающая поверхность может быть интегрально образована или соединена с распорной пластиной.

Отсутствие ребра или выступа на периферии промежуточной соединительной пластины позволяет образовать каналы выпуска, которые сообщаются с внешней средой. Каналы для потока реагентов соединяют трубопроводы вводимых реагентов с периферией, позволяя, таким образом, реагентам выходить во внешнюю среду или в термальную емкость или в автоклав, расположенный вокруг электрохимического конвертера, как показано на фиг. 5.

На фиг. 8 показано, что герметик 60 может быть нанесен на участки промежуточной соединительной пластины 30 у соединений канала, позволяя, таким образом, избирательно конкретному реагенту проходить через промежуточную соединительную поверхность и через сопряженную поверхность электролитной пластины 20. Нижняя поверхность 30B промежуточной соединительной пластины контактирует с электродным топливным покрытием 20В электролитной пластины 20. В этом устройстве желательно, чтобы герметик позволял только топливному реагенту входить в канал для потока реагентов и, таким образом, контактировать с топливным электродом.

Как показано, герметик 60A расположен вокруг впускного канала 17 окислителя, образуя эффективный барьер потоку реагентов вокруг канала 17 окислителя. Герметик помогает сохранять целостность топливного реагента, контактирующего с электродным материалом 20B электролитной пластины 20, а также поддерживать целостность использованного топлива, выходящего через канал 19 использованного топлива.

Верхняя поверхность 30A промежуточной соединительной пластины 30 имеет герметик 60В, нанесенный вокруг впускных каналов 18 топлива и канала 19 использованного топлива. Верхняя поверхность промежуточной соединительной пластины 30A контактирует с окислительным покрытием 20B" противоположной электролитной пластины 20". Следовательно, соединение во входном канале 17 окислителя лишено герметика, что позволяет в соответствии с этим окислительному реагенту входить в каналы для потока реагентов. Герметик 60В, который полностью окружает каналы 18 топлива, препятствует чрезмерной утечке топливного реагента в каналы для потока реагентов, препятствуя, таким образом, смешиванию топливных и окислительных реагентов. Аналогичным образом, герметик 60C, который полностью окружает канал 19 использованного топлива, препятствует попаданию потока использованного окислительного реагента в канал 19 использованного топлива. Таким образом поддерживается чистота использованного топлива, которое нагнетают через канал 19.

Как видно из фиг. 8, окислительный реагент может быть введен в электрохимический конвертер через аксиальный канал 17, который образован отверстиями 22, 32 и 22 электролитной и промежуточной соединительной пластин соответственно. Окислитель распределяется по верхней поверхности промежуточной соединительной пластины 30A и по верхней поверхности электродного материала 20A" окислителя с помощью каналов для потока реагентов. После этого использованный окислитель проходит в радиальном направлении наружу к периферийному краю 31A и в конце концов выпускается по периферии конвертера. Герметик 60C препятствует попаданию потока окислителя в канал 19 использованного топлива. Путь потока окислителя через аксиальные каналы указан сплошными черными стрелками 26A, а через элемент окислителя - сплошными черными стрелками 26B.

Топливный реагент вводится в электрохимический конвертер 10 посредством канала 18 топлива, образованного совмещенными отверстиями 24, 34, 24 пластин. Топливо вводится в каналы для потока реагентов и распределяется по нижней поверхности промежуточной соединительной пластины 30В и по электродному топливному покрытию 20В электролитной пластины 20. В то же самое время герметик 60A препятствует попаданию окислительного реагента от входа в каналы для потока реагентов и, таким образом, смешиванию со смесью чистого топливного/использованного топливного реагента. Отсутствие какого-либо герметика у канала 19 использованного топлива позволяет использованному топливу входить в канал 19. 3атем топливо выходит по кольцеобразному краю 31A промежуточной соединительной пластины 30. Путь потока топливного реагента показан сплошными черными стрелками 26C.

Углубления 40 промежуточной соединительной пластины 30 имеют вершины 40A, которые контактируют с электролитными пластинами в узле для образования между ними электрического соединения.

Для изготовления тонких электросоединительных пластин настоящего изобретения может быть использовано множество проводящих материалов. Эти материалы должны отвечать следующим требованиям: (1) обладать высокой прочностью, а также электро- и теплопроводностью; (2) обладать хорошим сопротивлением окислению до рабочих температур; (3) обладать химической совместимостью и стабильностью по отношению к вводимым реагентам; и (4) давать производственную экономию при формировании конфигурации текстурированной пластины, примером которой является пластина с каналами для потока реагентов.

Приемлемыми материалами для изготовления соединителя являются никелевые сплавы, хромоникелевые сплавы, сплавы никель-хром-железо, сплавы железо-хром-алюминий, платиновые сплавы, керметы этих сплавов и тугоплавкие материалы, например, окись циркония или окись алюминия, карбид кремния и дисилицид молибдена.

Текстурированные верхняя и нижняя поверхности промежуточной соединительной пластины могут быть получены, например, штамповкой листов из металлических сплавов при использовании одного или более комплектов штампов. Штампы предпочтительно имеют конфигурацию, соответствующую конфигурации промежуточной соединительной пластины, при этом они могут быть упрочнены посредством термообработки для обеспечения сопротивления повторяющимся нагрузкам сжатия в условиях массового производства, а также высоким рабочим температурам. Штамповку промежуточных соединительных пластин осуществляют в процессе множества операций вследствие сложности геометрии сети каналов для потока газа, например, поверхности промежуточной соединительной пластины с углублениями. Отверстия, образуемые в промежуточных соединительных пластинах, предпочтительно получают пробивкой на последнем этапе производства. Для предотвращения образования чрезмерных внутренних механических напряжений листового материала между последовательными операциями рекомендуется проводить термический отжиг. Выбранный способ штамповки должен обеспечить производство изделий переменной и сложной геометрии при сохранении равномерной толщины материала.

В альтернативном варианте гофрированные промежуточные соединительные пластины могут быть получены электроосаждением на первоначально плоские металлические пластины, используя комплект приемлемых масок. Промежуточные соединительные пластины могут быть получены осаждением из паровой фазы на подложки, которым предварительно придана соответствующая конфигурация путем спекания порошков или аналогичными методами.

Перед вводом в электрохимический конвертер, окислительный и топливный реагенты предпочтительно подогревают до соответствующей температуры. Такой подогрев может быть осуществлен с помощью любого приемлемого нагревателя, например, регенеративного теплообменника или радиационного теплообменника, для нагрева реагентов до температуры, достаточной для уменьшения величины термических напряжений, возникающих в конвертере.

Существенным признаком настоящего изобретения является то, что комбинированные электроэнергетические системы, иллюстрируемые на фиг. 1-4 и фиг. 9-10, работают при коэффициентах полезного действия, которые превышают КПД любой системы, известной на предшествующем уровне техники. Другим существенным признаком настоящего изобретения является то, что выступающие нагревающие поверхности 31D и 31C нагревают реагенты, находящиеся в каналах 17 и 18 окислителя и топлива, до рабочей температуры конвертера. Характерно то, что выступающая поверхность 31D, которая выступает в канал 17 окислителя, нагревает окислительный реагент, а выступающая поверхность 31C, которая выступает в канал 18 топлива, нагревает топливный реагент. Промежуточные соединительные пластины 30, обладающие высокой теплопроводностью, облегчают нагрев вводимых реагентов посредством теплопередачи от внутренней поверхности топливного элемента, например, от средней области проводящей промежуточной соединительной пластины к выступающим поверхностям или выступам, нагревая, таким образом вводимые реагенты до рабочей температуры перед перемещением по каналам для потока реагентов. Таким образом, выступающие поверхности работают как нагревательные ребра. Такая конструкция для нагрева реагентов обеспечивает получение компактного конвертера, который может быть объединен с электроэнергетической системой для выработки электроэнергии и дополнительно обеспечивает относительно дешевую систему, имеющую большой коэффициент полезного действия. Электрохимические конвертеры, содержащие топливные элементы, созданные в соответствии с этими принципами и используемые в связи с газовой турбиной, обеспечивают электроэнергетическую систему, имеющую относительно простую конструкцию.

Рабочая температура электрохимического конвертера находится в диапазоне от 20 - 1500^oC, а предпочтительными типами топливных элементов, используемых в настоящем изобретении, являются: топливные элементы с окислом в твердом состоянии, топливные элементы с плавленным карбонатом, щелочные топливные элементы, топливные элементы с фосфорной кислотой и топливные элементы с протонной мембраной.

В альтернативном варианте выполнения электролитные и промежуточные соединительные пластины могут иметь по существу трубчатую форму и материал электрода окислителя, расположенный на одной стороне, а материал электрода топлива, расположенный на противоположной стороне. Эти пластины могут быть затем собраны в пакет вместе аналогичным образом.

Таким образом, очевидно, что настоящее изобретение содержит усовершенствования по сравнению с предшествующим уровнем техники. Поскольку могут быть сделаны изменения описанных выше конструкций без отклонения от объема настоящего изобретения, предполагается, что содержание всего приведенного выше описания или показанного на сопроводительных чертежах должно толковаться как иллюстративное, а не ограничительное.

Очевидно также, что приводимая ниже формула изобретения должна охватить все ограничительные и характерные признаки, описанного в этой заявке изобретения, и все очевидные элементы. Например, в электрохимическом конвертере, в котором использованы выступающие края промежуточных соединительных пластин в соответствии с настоящим изобретением, могут быть также использованы топливные элементы с плавленным карбонатом, фосфорной кислотой, щелочью, протонной мембраной и другими аналогичными элементами.