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Lors de la transformation directe d'énergie chimique de combusti- bles en énergie électrique dans un élément à combustible, il se produit suivant le degré d'efficacité de 1 élément et en plus de l'énergie élec- trique, une quantité plus ou moins grande de chaleur, déterminée par la résistance interne de l'élément.. Le degré d'efficacité est déterminé par le rapport de tension = U/Uo, dans lequel U désigne la tension aux bornes momentanée et Uo la F.E.M. de l'élément. Si on charge un élément, la tension aux bornes tombe, suivant la charge, de U = Uo à U = o en court- circuit, tandis que l'intensité du courant augmente dei=oài=i .
Le rendement utilisable L est déterminé par le produit L = i.U. Si le rendement est indiqué en fonction de la tension, on constate qu'il atteint le maximum pour - 0,5 et qu'il est nul pour U = o et U = U. L'incon- vénient d'un élément à combustible est que d'une part la tension varie avec la charge, de sorte que plus la charge augmente, plus le degré d'efficaci- té de l'élément diminue, et d'autre part la chaleur perdue engendrée croît non seulement proportionnellement avec le rendement, mais aussi en cor- respondance avec la diminution du degré d'efficacité.
On a trouvé qu'on peut utiliser de façon particulièrement avan- tageuse un élément à combustible pour la transformation directe de l'éner- gie chimique du carbone ou d'un gaz combustible, comme l'hydrogène, le mé- thane, l'oxyde de carbone ou leurs mélanges, en énergie électrique par voie électro-chimique, par réaction de combustibles solides ou liquides, ou de gaz, dans un élément à combustible, en accouplant ce dernier à un processus de production de force thermique et en utilisant dans ce proces- sus thermique l'énergie chimique qui n'a pas été transformée directement en énergie électrique dans l'élément à combustible et qui se présente sous forme de chaleur et d'un reste d'énergie chimique.
Cette façon de procéder permet d'augmenter considérablement le degré d'efficacité total d'une installation de production de courant et ainsi d'utiliser le combustible dans une mesure beaucoup plus avantageuse que jusqu'ici. C'est ainsi, par exemple, que la chaleur produite dans un élément est au maximum du même ordre de grandeur que le rendement produit, lorsque le degré d'efficacité de l'élément est 11 = 0,5. L'utilisation dans un processus de production de force thermique consécutif est parti- culièrement rentable lorsque l'élément à combustible est utilisé avec le maximum de rendement et à une température correspondante, parce qu'on obtient alors la plus grande quantité de chaleur, proportionnelle au rendement, et que, d'autre part,
cette chaleur est disponible à un potentiel de tempé- rature élevé, ce qui a pour effet d'améliorer le degré d'efficacité ther- modynamique du processus thermique consécutif.
Le procédé suivant l'invention peut être appliqué avec des résul- tats très avantageux, en refroidissant pendant le fonctionnement l'élément à combustible par enlèvement de chaleur, et en utilisant techniquement la chaleur évacuée produite lors du processus de transformation. Ce refroidis- sement peut, par exemple, être réalisé au moyen des matières participant au processus de transformation, comme l'air de combustion et le combusti- ble. Les éléments à combustible fonctionnant à l'aide d'électrolyte liqui- de peuvent également être refroidis par circulation de l'électrolyte li- quide lui-même.Il est alors avantageux d'épurer l'électrolyte pendant la circulation et d'en retirer les produits de combustion qui s'y sont formés pendant le processus de transformation.
La chaleur de 1 électrolyte en cir- culation peut être transmise, par un échangeur de chaleur, à une matière utilisée dans un processus de production de force, la matière en circula- tion pouvant en outre être surchauffée par un apport de chaleur extérieure.
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Bans un élément à combustible fonctionnant à l'aide d'électrolyte liquide, on peut aussi régler la pression de l'électrolyte d'après la température de travail et utiliser la chaleur produite dans l'élément à combustible pour vaporiser l'électrolyte, la vapeur ainsi obtenue étant utilisée di- rectement après surchauffe dans un processus de production de force ther- mique.
Le refroidissement de l'élément à combustible peut aussi se fai- re de matières ne participant pas au processus, par exemple par refroidis- sement intérieur ou extérieur, en faisant circuler un agent purement de refroidissement. Il est ainsi possible de refroidir l'élément à l'aide d'une matière en circulation ne participant pas au processus de transforma- tion, la chaleur évacuée étant utilisée dans un processus de production de force thermique. L'évacuation de la chaleur produite dans l'élément permet de faire fonctionner ce dernier à une tension constante et, par conséquent, avec un degré d'efficacité constant. Une tension constante est techniquement fort souhaitable du fait que la plupart des machines et ap- pareils techniques sont réglés pour une tension constante.
Une autre possi- bilité importante consiste à refroidir intérieurement l'élément à combusti- ble à l'aide de l'air et du combustible et à utiliser la chaleur évacuée, ensemble avec le reste éventuel d'énergie chimique, dans un processus de turbine à gaz.
Dans un élément à combustible fonctionnant à température constan- te, la tension varie davantage avec la charge. On peut travailler de façon très avantageuse en réglant la température de travail de l'élément, par enlèvement ou apport de chaleur, de sorte que malgré une charge variable la tension aux bornes reste toujours constante. Un chauffage de l'électro- lyte peut alors s'effectuer en majeure partie à l'aide de la chaleur pro- duite lors de la transformation de l'énergie chimique du combustible en énergie électrique. Si, par contre, la charge de l'élément tombe, la ten- sion augmenté automatiquement si la température est constante. Pour éviter cela, on abaisse simultanément la température de travail de l'élément par un enlèvement de chaleur et ce, dans une mesure telle que la tension de départ soit maintenue.
C'est ainsi, par exemple, que le rendement spéci- fique d'un élément à combustible, à électrolyte liquide, croit de 0,2 à 1,0 kW/m2 de surfaces d'électrodes, lorsque pour une tension aux bornes constante, on augmente la température de 20 à 80 .Cela signifie une modi- fication du rendement du quintuple sans que pour autant la tension aux bornes varie.
Pour utiliser la chaleur dans un processus de circulation de cha- leur consécutif, on dispose de plusieurs possibilités. L'électrolyte peut être refroidi, sans circulation, directement par enlèvement de chaleur, par exemple par évaporation, la vapeur étant alors utilisée dans un proces- sus de circulation pour la production d'énergie. On peut aussi transformer en chaleur, par combustion, et utiliser techniquement, le reste d'énergie chimique éventuellement non transformée dans l'élément. L'utilisation de la chaleur évacuée pour la production de courant, ou pour d'autres usages techniques, par exemple pour le chauffage à distance, est également possi- ble.
Dans les dessins annexas, les figures montrent schématiquement et à titre d'exemple quelques formes de réalisation de l'invention.
La figure 1 montre une forme de réalisation dans laquelle le re- froidissement de l'élément se fait par l'air de combustion et le combusti- ble, et la chaleur ainsi évacuée est utilisée dans un processus de turbine à gaz consécutif. Les compresseurs 1 et 2 envoient l'air et le combustible dans l'élément 3, cet air et ce combustible absorbant la chaleur engendrée
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lors de la transformation de 1 énergie chimique en énergie électrique. Le combustible éventuellement restant est brûlé avec le reste d'air dans une chambre de combustion 4 et la chaleur est utilisée dans une turbine à gaz
5.
La figure 2 montre un élément fonctionnant à l'aide d'un électrolyté liquide et dont le Refroidissement se fait'par pompage en.circulation de l'électrolyte liquide et la chaleur évacuée est utilisée dans un processus de production de force par une matière. L'électrolyte liquide est dirigé dans l'élément
3 et absorbe la chaleur engendrée. Dans l'échangeur thermique 6 il cède de nouveau sa chaleur.La pompe 7 le renvoie dans l'élément 3 après qu'il ait éventuellement passé par une installation d'épuration 8 dans laquelle sont enlevés les produits engendrés dans l'élément 3 par le processus de transformation, ces produits pouvant alors être utilisés ailleurs.
La ma- tière qui a absorbé la chaleur circule en circuit fermée Elle s'évapore dans l'échangeur thermique 6, et suivant les besoins, elle est encore sur- chauffée davantage dans un surchauffeur 9, tandis que l'énergie thermique est utilisée dans la turbine 10. Après condensation dans le condensateur
12, elle est remise en circulation par la pompe 11.
La figure 3 montre un autre moyen d'utiliser la chaleur engendrée dans l'élément. L'électrolyte est évaporé par l'apport de chaleur dans l'é- lément 3 et après une autre surchauffe possible dans le surchauffeur 13, il est mis en circulation par la turbine 14. Après condensation dans le condensateur 15, il est ramené par la pompe 16 dans l'élément.
La figure 4 montre une installation dans laquelle du combustible non transformé est brûlé dans une chaudière à rayonnement 17 et, avec un apport supplémentaire possible de chaleur, sert à surchauffer la vapeur en circulation.) Une valve 18 permet de dériver un courant partiel dont la combustion dans la chaudière à rayonnement 19 chauffe l'électrolyte liqui- de.
Uh tel chauffage est par exemple nécessaire en cas d'augmentation ra- pide de la charge, afin d'élever la température de travail de l'élément
REVENDICATIONS. lo- Procédé d'utilisation d'un élément à combustible pour la trans- formation directe de l'énergie chimique de combustibles solides ou liqui- des, ou de gaz combustibles tels que l'hydrogène, le méthane, l'oxyde de carbone, ou leurs mélanges, en énergie électrique, par voie électro-chimi- que, en transformant les combustibles ou les gaz dans un élément à combus- tible, caractérisé en ce qu'on accouple cet élément à combustible à un processus de production de force thermique et on utilise dans ce processus thermique l'énergie chimique non transformée directement en énergie électri- que dans 1 élément à combustible et qui se présente sous forme de chaleur et d'un reste d'énergie chimique.
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During the direct transformation of chemical energy from fuels into electrical energy in a fuel element, depending on the efficiency of 1 element and in addition to the electrical energy, a more or less quantity high heat, determined by the internal resistance of the element .. The degree of efficiency is determined by the voltage ratio = U / Uo, in which U denotes the momentary terminal voltage and Uo the EMF of the element. If we charge an element, the voltage at the terminals drops, depending on the load, from U = Uo to U = o in short circuit, while the intensity of the current increases from i = o to i = i.
The usable yield L is determined by the product L = i.U. If the efficiency is given as a function of the voltage, we see that it reaches the maximum for - 0.5 and that it is zero for U = o and U = U. The disadvantage of a fuel element is that on the one hand the voltage varies with the load, so that the more the load increases, the more the degree of efficiency of the element decreases, and on the other hand the waste heat generated increases not only proportionally with the efficiency, but also in correspondence with the decrease in the degree of efficiency.
It has been found that a fuel element can be used particularly advantageously for the direct conversion of the chemical energy of carbon or of a fuel gas, such as hydrogen, methane, gas. carbon monoxide or their mixtures, into electrical energy by electrochemical means, by reaction of solid or liquid fuels, or of gases, in a fuel element, by coupling the latter to a process of production of thermal force and by using in in this thermal process chemical energy which has not been converted directly into electrical energy in the fuel element and which is in the form of heat and a remainder of chemical energy.
This procedure makes it possible to considerably increase the degree of total efficiency of a power-generating installation and thus to use the fuel to a much more advantageous extent than hitherto. Thus, for example, the heat produced in an element is at most of the same order of magnitude as the efficiency produced, when the degree of efficiency of the element is 11 = 0.5. The use in a consecutive thermal force production process is particularly profitable when the fuel element is used with maximum efficiency and at a corresponding temperature, because then the greatest quantity of heat is obtained, proportional performance, and that, on the other hand,
this heat is available at a high temperature potential, which has the effect of improving the degree of thermodynamic efficiency of the subsequent thermal process.
The process according to the invention can be applied with very advantageous results, by cooling the fuel element during operation by removing heat, and by technically using the exhaust heat produced in the transformation process. This cooling can, for example, be achieved by means of materials participating in the transformation process, such as combustion air and fuel. Fuel cells operating with liquid electrolyte can also be cooled by circulating the liquid electrolyte itself, in which case it is advantageous to purify the electrolyte during circulation and to remove it. combustion products formed there during the processing process.
The heat of the circulating electrolyte can be transferred through a heat exchanger to a material used in a force-producing process, the circulating material further being superheated by an external heat input.
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In a fuel element operating with liquid electrolyte, it is also possible to adjust the pressure of the electrolyte according to the working temperature and use the heat produced in the fuel element to vaporize the electrolyte, the steam thus obtained being used directly after superheating in a process of producing thermal force.
Cooling of the fuel element can also take place in materials not participating in the process, for example by internal or external cooling, by circulating a purely cooling medium. It is thus possible to cool the element using a circulating material not participating in the transformation process, the exhaust heat being used in a process for generating thermal force. The removal of the heat produced in the element allows it to operate at a constant voltage and, therefore, with a constant degree of efficiency. Constant tension is technically highly desirable since most machinery and equipment are set for constant tension.
Another important possibility is to cool the fuel element internally with air and fuel and to use the exhaust heat, together with any remaining chemical energy, in a turbine process. gas.
In a fuel element operating at constant temperature, the voltage varies more with the load. One can work very advantageously by adjusting the working temperature of the element, by removing or supplying heat, so that despite a variable load, the voltage at the terminals always remains constant. A major part of the electrolyte can then be heated using the heat produced when the chemical energy of the fuel is converted into electrical energy. If, on the other hand, the element charge drops, the voltage increases automatically if the temperature is constant. To avoid this, the working temperature of the element is simultaneously lowered by heat removal, to such an extent that the starting voltage is maintained.
Thus, for example, the specific efficiency of a fuel element, with liquid electrolyte, increases from 0.2 to 1.0 kW / m2 of electrode surfaces, when for a constant terminal voltage , the temperature is increased from 20 to 80. This means a modification of the efficiency of the quintuple without for all that the voltage at the terminals varies.
There are several possibilities to use heat in a subsequent heat circulation process. The electrolyte can be cooled, without circulation, directly by removal of heat, for example by evaporation, the steam then being used in a circulation process for the production of energy. One can also transform into heat, by combustion, and use technically, the remainder of chemical energy possibly not transformed in the element. The use of the exhaust heat for power generation, or for other technical uses, for example for district heating, is also possible.
In the accompanying drawings, the figures show schematically and by way of example some embodiments of the invention.
Figure 1 shows an embodiment in which the cooling of the element is by combustion air and fuel, and the heat thus removed is used in a subsequent gas turbine process. Compressors 1 and 2 send air and fuel to element 3, this air and fuel absorbing the heat generated
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during the transformation of 1 chemical energy into electrical energy. Any remaining fuel is burned with the rest of the air in a combustion chamber 4 and the heat is used in a gas turbine.
5.
Figure 2 shows an element operating with the aid of liquid electrolyte and the cooling of which is effected by circulating pumping of the liquid electrolyte and the discharged heat is used in a process of producing force by a material. Liquid electrolyte is directed into the element
3 and absorbs the heat generated. In the heat exchanger 6 it releases its heat again. The pump 7 returns it to the element 3 after it has possibly passed through a purification installation 8 in which the products generated in the element 3 are removed by the transformation process, which can then be used elsewhere.
The material which has absorbed the heat circulates in a closed circuit It evaporates in the heat exchanger 6, and according to the needs, it is still further overheated in a superheater 9, while the thermal energy is used in turbine 10. After condensation in the condenser
12, it is recirculated by pump 11.
Figure 3 shows another way to use the heat generated in the element. The electrolyte is evaporated by the addition of heat in element 3 and after another possible overheating in superheater 13, it is circulated by turbine 14. After condensation in condenser 15, it is returned by the pump 16 in the element.
Figure 4 shows an installation in which unprocessed fuel is burned in a radiant boiler 17 and, with a possible additional heat input, is used to superheat the circulating steam.) A valve 18 makes it possible to bypass a partial stream whose combustion in the radiant boiler 19 heats the liquid electrolyte.
Uh such heating is necessary for example in the event of a rapid increase in the load, in order to raise the working temperature of the element.
CLAIMS. lo- Method of using a fuel element for the direct transformation of chemical energy from solid or liquid fuels, or from combustible gases such as hydrogen, methane, carbon monoxide, or their mixtures, into electrical energy, by electrochemical means, by transforming fuels or gases in a fuel element, characterized in that this fuel element is coupled to a process of producing thermal force and in this thermal process chemical energy is used which is not converted directly into electrical energy in 1 fuel element and which is in the form of heat and a residue of chemical energy.