BE546043A

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Publication number: BE546043A
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Description


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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.

Claims

2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'é- lément à combustible est refroidi par enlèvement de chaleur et la chaleur évacuée engendrée lors du processus de transformation, est utilisée techni- quement.

3.- Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément à combustible est refroidi par les matières participant au processus de transformation, comme l'air de combustion et le combustible 4.- Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément à combustible fonctionnant à l'aide d'électrolyte liquide, est refroidi par circulation de l'électrolyte liquide.

5.- Procédé suivant les revendications 1, 2 et 4, caractérisé en <Desc/Clms Page number 4> ce que l'électrolyte est épuré lors de la circulation et les produits de combustion engendrés dans l'électrolyte par le processus de transformation, en sont éliminés.

6.- Procédé suivant les revendications 1, 2 et 4, caractérisé en ce que la chaleur de l'électrolyte mis en circuit est transmise par un échangeur thermique à une matière utilisée dans un processus de production de force, qui peut être surchauffée en outre par un apport extérieur de chaleur.

7.- Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément à combustible est refroidi de l'extérieur et la chaleur éva- cuée est utilisée techniquement.

8. - Procédé suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément à combustible est refroidi de l'intérieur par l'air et le combustible et la chaleur évacuée, avec l'énergie chimique éventuellement restante, est utilisée dans un processus de turbine à gaz.

9.- Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément à combustible est refroidi de l'intérieur par une matière en circulation ne participant pas au processus de transformation et la chaleur évacuée est utilisée dans un processus de production de force ther- mique.

10. - Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrolyte est refroidi directement, sans circulation, par enlè- vement direct de la chaleur, par exemple par évaporation, la vapeur étant utilisée dans un processus en circuit fermé, pour la production d'énergie.

11.- Procédé suivant les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'énergie chimique éventuellement restante, non transformée dans l'élément, est transformée, par combustion, en chaleur et utilisée techni- quement.

12.- Procédé suivant les revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'une surchauffe est réalisée par combustion du combustible qui éventuel- lement n'a pas été transformé complètement dans l'élément.

130- Procédé suivant les revendications 1 à 12, caractérisé en ce que dans un élément à combustible fonctionnant à l'aide d'électrolyte liquide, on règle la pression de l'électrolyte suivant la température de travail et la chaleur engendrée dans l'élément à combustible vaporise l'é- lectrolyte, et la vapeur ainsi obtenue est, après surchauffe, utilisée di- rectement dans un processus de production de force thermique.

14. - Procédé suivant les revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la chaleur évacuée est utilisée pour la production de courant élec- trique.

15.- Procédé suivant les revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la température de travail de l'élément de réglée par enlèvement ou apport de chaleur.

16.- Procédé suivant les revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la température de travail de l'élément est réglée suivant la charge e't l'élément est utilisé avec une tension constante et, par conséquent, fonc- tionne avec un degré d'efficacité constant.