DK172516B1 - Katalysatorrør til brændselscelle - Google Patents

Description

DK PR 172516 B1

Denne opfindelse angår et arrangement til forbedring af varmeoverførslen til et katalysatorrør i en katalytisk brændselsomformer i et kraftværk med brændselsceller.

Udgangsbrændslet i form af carbonhybrider omformes katalytisk til en hydrogenrig brændsels-5 gas, før det tilledes kraftsektionen i et kraftværk med brændselsceller. Omformningen af ud· gangsbrændslet udføres typisk i katalytiske lejer, som er anbragt i rørformede beholdere, der er omgivet af et omformerhus. Udgangsbrændslet ledes i en blanding med damp til omformerhuset og ind i katalysatorlejerne, og den omformede brændselsgas ledes væk fra katalysatorie-jeme og fjernes fra huset for overførsel til kraftsektionen. Omformerhuset omfatter også en 10 brænder, som opvarmer rørene og katalysatorlejeme til den ønskede driftstemperatur til opretholdelse af reaktionen. I større kraftanlæg med brændselsceller, altså i kraftværker med høj kraftkapacitet eller effekt, vil hvert omformertius indeholde et antal katalysatorrør, som alle bør opvarmes i samme grad for at opnå den optimale omformereffektivitet. Disse store omformerhuse vil typisk have en enkelt brænder til opvarmning af alle katalysatorrørene, således at der 15 opstår et problem med hensyn til opsamling af alle rørene i huset til den samme optimale temperatur med kun én brænder. Dette problem med at fordele varmen fra omformerbrænderen ligeligt blandt alle katalysatorrørene er nævnt i US-A-4,661,323. Dette patent anviser anvendelsen af keramiske muffer, som monteres på rørene med katalysatorlejet. Mufferne er forsynet med et antal riller i spiralform, som er skåret eller fræset ud i muffernes inderflader, og 20 som danner strømningskanaler for de varme brændergasser rundt langs rørenes yderside. De spiralformede riller er adskilt fra hinanden ved hjælp af spiralformede flader, som danner en bueformet, plan kontaktflade med rørene. De spiralformede flader ligger ovenpå og dækker omkring 25-30% af katalysatorrørenes ydre overflade, og således isolerer de faktisk i betydelig grad katalysatorrørene fra de opvarmede gasser. Dette er selvfølgelig uønsket og begrænser 25 omformerens effektivitet, således at brændslet, som skal omformes, ledes gennem omformeren med en langsommere hastighed for at sikre den korrekte grad af omformning af udgangs-brændslet til hydrogenrig brændselsgas. Et andet problem, som er forbundet med de keramiske muffer ifølge den kendte teknik, er disses inelasticitet, som gør det vanskeligt korrekt at montere dem på de metalliske katalysatorrør. Endelig giver de forskellige varmeudvidelses-30 og sammentrækningskoefficienter mellem metalrorene og de keramiske muffer problemer med deres indbyrdes tilpasning, når omformeren er i drift.' Under drift vil der være en temperaturforskel på fra 149°C til 260eC fra katalysatorrørenes top til bunden, når der anvendes en omformer af den i US-A-4,661,323 viste type.

35 Ved anvendelse af arrangementet ifølge opfindelsen tilvejebringes en forbedret varmeoverfør-sel til katalysatorrørene, således at omformerens effektivitet kan forøges med 5-10% ved fastholdte strømningshastigheder, eller brændselsstrømningshastigheden forøges med op til 50% ved en fastholdt omformereffektivitet. Dette betyder, at en omformer med tyve katalysatorrør DK PR 172516 B1 2 fra det nævnte US-A-4,661,323 kan operere med kun tretten katalysatorrør i drift ved anvendelse af arrangementet ifølge opfindelsen, idet da stadig den samme mængde brændsel omformes med den samme hastighed som ved anvendelse af den større omformer fra den kendte teknik. I arrangementet ifølge opfindelsen adskilles de spiralformede riller fra hinanden ved 5 hjælp af spiralformede ribber. De spiralformede ribber er formet med en bueformet tværsnits-konfiguration. således at overfladen på ribberne, som er i kontakt med rørene, er konveks med hensyn til rørenes ydre overflade. Resultatet er, at ribberne kun langs en linie er i kontakt med rørenes ydre overflade, hvorved de kun dækker omkring 1-3% af rørets ydre overflade. Ribberne er også fremstillet af et varmeledende, snarere end et isolerende materiale, som fx me-10 tal, således at de leder varme til rørene selv på de steder, hvor de rører disse. Ribberne kan dannes ved at fastgøre rundt, stangformet materiale til katalysatorrørene, fortrinsvis ved punktsvejsning, eller ribberne kan dannes som integrale dele af mufferne ved at forsyne disse med en passende kontur. Mufferne fremstilles i begge tilfælde fortrinsvis af stålplader, som vikles omkring rørene og holdes på plads af spændebånd eller lignende, idet de herefter svej-15 ses, hvor de overlapper. Således kan mufferne fastgøres stramt på katalysatorrørene, og kanalerne til den varme gas vil overføre varmen fra de varme brændergasser til stort set hele den ydre overflade af rørene. Desuden er arrangementet ifølge opfindelsen billigere og lettere at fremstille end tilsvarende arrangementer fra den kendte teknik, hvor der anvendes keramiske muffer.

20

Det er derfor et formål med opfindelsen at anvise et varmeoverførselsarrangement til anvendelse ved opvarmning af katalysatorrør i kraftværker med brændselsceller, således at varme-overførslen fra de varme brændergasser til katalysatorrørene maksimeres.

25 Det er yderligere et formål med opfindelsen at anvise et sådant arrangement, at størrelsen af de katalytiske omformere kan reduceres med op til 30% sammenlignet med konventionelle arrangementer.

Endnu et formål med opfindelsen er at anvise et arrangement, som Ikke er dyrt at fremstille, 30 som let lader sig samle, og som frembringer en fast og dog fleksibel varmeoverførselszone.

De angivne formål opnås med et katalysatorrør som angivet i den indledende del af krav 1, hvilket katalysatorrør ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved den i krav 1’s kendetegnende del anviste udformning.

35

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor DK PR 172516 B1 3 fig. 1 viser et sidebillede af et katalysatorrør med et antal cirkulære stænger snoet i spiralform omkring den ydre overflade under dannelse af strømningskanaler for varm gas, fig. 2 et snitbillede taget langs linien 2-2 i fig. 1, fig. 3 et sidebillede af en muffe til montering på røret, 5 fig. 4 et sidebillede af røret og muffen på samlet form til installering i et omformerhus, fig. 5 et sidebillede af en alternativ udførelsesform for opfindelsen, hvor ribberne er udformet integralt med muffen, fig. 6 et snitbillede taget langs linien 6-6 i fig. 5, og fig. 7 en grafisk sammenligning mellem den i fig. 5 viste udførelsesform for opfindelsen og et 10 varmeoverførselsarrangement med keramisk muffe fra den kendte teknik.

En første udførelsesform for opfindelsen er vist i fig. 1-4. På katalysatorrørets 2 ydre overflade er monteret et antal cirkulære stålstænger 4. Hver af stængerne 4 udgør en spiralformet ribbe med cirkulært tværsnit på ydersiden af røret 2. Stængerne 4 er fortrinsvis fastgjort til røret 2 15 ved punktsvejsning. Mellemrummene 6 udgør de spiralformede strømningskanaler, gennem hvilke de varme brændergasser vil strømme, når omformeren er i drift. Fig. 2 viser tværsnits-konfigurationen af stænger 4 og demonstrerer det faktum, at stængerne 4 kun er i kontakt med rørenes 2 ydre tangs en linie. Oven i købet er der ikke engang kontakt langs hele linien, da stængerne 4 fortrinsvis er punktsvejset på røret 2. således at de varme brændergasser kan 20 strømme mellem stængerne 4 og røret 2 på alle de steder, hvor der ikke er punktsvejsninger.

Muffen 8, som passer på stang- og rørarrangementet i fig. 1. er vist i fig. 3. Muffen 8 er fortrinsvis fremstillet af ståiplade, som er formet til en cylinder, således at de to ender af pladen vil overlappe langs linien 10. Når røret og muffen samles, sker det ved hjælp af spændebånd 25 12 på ydersiden af muffen 8. Muffen 8 anbringes teleskopisk på røret 2 med stænger 4, som vist i fig. 4, og båndene 12 strammes, så muffen 8 spændes tæt omkring stængerne 4. Herefter svejses overlapningen 10, og båndene 12 fjernes. Det færdige arrangement er vist i fig. 4.

I fig. 5 og 6 er vist en alternativ udførelsesform for arrangementet ifølge opfindelsen. Muffen 30 14 er igen fremstillet af stålplade, og den er forsynet med et antal spiralformede riller 16 af konfiguration som en halvcirkel, som vist i fig. 6. Rillerne 16 er således i liniekontakt med røret 2. Mellemrummene 18 mellem naboriller 16 udgør strømningskanaler for de varme brændergasser. 'På grund af liniekontakten mellem rillerne 16 og røret 2 udsættes en maksimal del af rørets overflade for de varme gasser i hver strømningskanal 18.

35

Fig. 7 viser den forbedrede drift af en omformer ved anvendelse af de i fig. 5 og 6 viste muffer sammenlignet med varmeoverførselsmufferne fra US-A-4,661,323. På y-aksen er omformereffektiviteten angivet, og på x-aksen er angivet strømningshastigheden for det brændsel, som DK PR 172516 B1 4 strømmer gennem omformeren og omformes i denne. Det skal bemærkes, at omformereffek-tiviteter under 75% ikke er acceptable. Den stiplede linie angår arrangementet ifølge opfindelsen, og den fuldt optrukne linie angår arrangementet fra den kendte teknik. Det skal bemærkes, at arrangementet ifølge opfindelsen ligger på et væsentligt højere effektivitetsniveau end 5 arrangementet ifølge den kendte teknik, og der kan opnås effektivitetsniveauer såvel som brændselsstrømningshastigheder, som er uopnåelige ved den kendte teknik.

Det er indlysende, at arrangementet ifølge opfindelsen er bedre på grund af den forøgede var-meoverførselsevne. Anvendelsen af ribber, som kun er i liniekontakt med omformenrørene, 10 forøger i væsentlig grad varmeoverførslen fra brændergasseme, der strømmer gennem de spiralformede strømningskanaler. Anvendelsen af en metalmuffe, som kan spændes på rør. og ribbearrangementet til opnåelse af en tættere sammenspænding er en vigtig egenskab ved opfindelsen. Arrangementet fremstilles hurtigt og let af relativt standardiserede materialer, og det er relativt billigt at fremstille.

Claims (5)

1. Katalysatorrør til anvendelse I en katalytisk brændselsomformerenhed i et kraftværk med brændselsceller omfattende 5 et cylindrisk metalrør (2). som er beregnet på at optage et katalysatorleje, en muffe (8,14), som er monteret koaksialt på det ydre af dette rør (2), således at muffens (8,14) gennemboring er forskudt radialt udad i forhold til rørets (2) ydre, et antal ribber (4,16), som er anbragt mellem røret (2) og muffen (8,14) til dannelse af spiralformede strømningskanaler (6,18) for varm gas langs den ydre overflade af røret (2), k e n -10 d e t e g n e t ved, at ribberne har bueformede overflader til tilvejebringelse af liniekontakt med rørets (2) ydre. hvorved stort set hele rørets ydre er disponeret for varmeoverførsel fra varme gasser, som strømmer gennem de spiralformede strømningskanaler, idet muffen (8,14) er fremstillet af en metalplade, som er bøjet omkring røret (2) og fastgjort 15 tæt deromkring under dannelse af en tæt samling mellem muffen (8,14), ribberne (4,16) og røret (2), hvilken samling ikke løsnes på grund af varmeudvidelse eller sammentrækning af røret (2) eller muffen (8,14), når brændselsenheden er i drift.

2. Katalysatorrør ifølge krav 1, kendetegnet ved, at ribberne (4,16) dækker omkring 20 1-3% af rørets (2) ydre.

3. Katalysatorrør ifølge krav 1, hvor ribberne udgøres af et antal runde stænger (4), som er bøjet i spiralform rundt langs det ydre af røret (2) og påsvejset dette.

4. Katalysatorrør ifølge krav 3, hvor stængerne (4) er punktsvejset til røret (2) i punkter med en vis afstand, således at varme gasser kan strømme mellem stængerne (4) og røret (2) til steder mellem punktsvejsningeme (4a).

5. Katalysatorrør ifølge krav 1, kendetegnet ved, at ribberne udgøres af indadrettede, 30 spiralformede riller (16) i muffen (14), idet rillerne (16) har halvcirkelformet tværsnitskonfiguration.