RU225231U1 - Устройство получения энергии - Google Patents

Устройство получения энергии Download PDF

Info

Publication number
RU225231U1
RU225231U1 RU2023122234U RU2023122234U RU225231U1 RU 225231 U1 RU225231 U1 RU 225231U1 RU 2023122234 U RU2023122234 U RU 2023122234U RU 2023122234 U RU2023122234 U RU 2023122234U RU 225231 U1 RU225231 U1 RU 225231U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sofc
oxygen
fuel
hydrogen
temperature
Prior art date
Application number
RU2023122234U
Other languages
English (en)
Inventor
Сухэ Дэмбрылович Бадмаев
Александра Денисовна Кузнецова
Владимир Дмитриевич Беляев
Владимир Александрович Собянин
Павел Валерьевич Снытников
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН, Институт катализа СО РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU225231U1 publication Critical patent/RU225231U1/ru

Links

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройству для получения электрической и тепловой энергии из кислородсодержащих органических соединений, таких как метанол или диметоксиметан. Повышение эффективности работы компактного автономного устройства, обеспечивающего каталитическую конверсию с получением топлива для выработки электрической энергии в ТОТЭ, является техническим результатом от использования полезной модели, который достигается тем, что устройство для получения электрической энергии содержит топливный процессор каталитической воздушной конверсии оксигенатов в водородсодержащий газ с использованием блочного катализатора, содержащего оксиды алюминия, церия, циркония и платину, нанесенные на фехралевую сетку, при этом низкотемпературный твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) с проводимостью электролита по кислороду работает при температуре ~500°С. 3 ил., 2 табл.

Description

Полезная модель относится к электрохимическим генераторам энергии, в частности устройствам для получения электрической и тепловой энергии (энергоустановки) из кислородсодержащих органических соединений, таких как метанол и диметоксиметан (ДММ).
Энергоустановки на базе топливных элементов рассматриваются как альтернативные и экологически чистые источники электрической энергии. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) считаются перспективными среди известных электрохимических генераторов благодаря высоким показателям КПД, отсутствию благородных металлов в их конструкции, а также минимальным требованиям к составу водородсодержащего газа. ТОТЭ состоит из катода, анода и расположенного между ними твердого электролита с проводимостью по анионам кислорода О2-. На катод подается воздух, где молекулярный кислород O2 восстанавливается до анионов О2-, которые далее мигрируют через мембрану твердого электролита к аноду. В анодное пространство подаётся водородсодержащий газ, получаемый, например, при каталитической конверсии углеводородов (реформат), где его компоненты окисляются анионами кислорода: водород H2 - до воды H2O, монооксид углерода CO - до диоксида углерода CO2. Образующиеся электроны проходят от анода к катоду по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток. При этом тепло, выделяемое ТОТЭ за счет омического сопротивления электролита, электродов и токовыводов, можно использовать для терморегуляции системы, обогрева помещений и/или получения горячей воды.
В последние годы наблюдается тенденция к снижению рабочей температуры ТОТЭ с ~800°С до ~500°С благодаря успехам в области разработки эффективных электролитов и электродов. Нужно отметить, что низкотемпературные ТОТЭ (НТ ТОТЭ) отличаются от высокотемпературных не только высокой эффективностью и быстротой запуска/выключения, но и экономически более выгодны за счет использования более дешевых конструкционных материалов, уменьшения размера теплообменника и требованиям к теплоизоляции. Прогнозируется, что НТ ТОТЭ будут пригодны для использования даже в портативной энергетике и транспорте.
Водородсодержащий газ для подачи в ТОТЭ обычно получают в так называемом топливном процессоре, или генераторе водородсодержащего газа, из различного углеводородного сырья. Создание энергоустановки на базе НТ ТОТЭ с топливным процессором получения водорода накладывает определенные ограничения на выбор исходного углеводородного сырья. Использование традиционных углеводородов, таких как природный газ, пропан-бутановая смесь и дизельное топливо в качестве исходного сырья из-за высокой температуры их конверсии ~700-1000°С), превышающей температуру топливного элемента, невыгодно с точки зрения энерго-/теплобаланса, поскольку потребуется дополнительное тепло для поддержания работы топливного процессора и получения водородсодержащего газа.
Относительно низкая температура (~400°С) получения водородсодержащего газа из кислородсодержащих углеводородов (оксигенатов), таких как метанол и ДММ, по сравнению с традиционным углеводородным сырьем (выше 700°С) делают эти соединения перспективными источниками водорода (или водородсодержащего синтез-газа) для питания энергоустановок на базе НТ ТОТЭ (Бадмаев С.Д., Беляев В.Д., Потемкин Д.И., Снытников П.В., Собянин В.А., Хартон В.В. Разложение метанола в синтез-газ на нанесенных Pt-содержащих катализаторах // Катализ в промышленности. 2023. Т.23. №2. С.26).
В зависимости от способа конверсии (паровая, воздушная, паровоздушная), выбора исходных реагентов, условий процесса (температуры, давление, расходные характеристики), состава получаемого реформата, наличия или отсутствия катализатора, топливный процессор состоит из разных блоков, элементов, составных частей. Обычно топливный процессор на основе жидких видов топлив содержит пусковое устройство, системы подачи реагентов, испаритель, каталитический реактор (реформер).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство осуществления паровой каталитической конверсии метанола, и/или диметилового эфира, и/или диметоксиметана (RU 138423, B01J 7/00, 20.03.2014), которое содержит каталитический реактор для проведения конверсии, узел подготовки исходной смеси, состоящий из испарителя, пароперегревателя и смесителя реагирующей исходной смеси, нагревательное (пусковое) устройство окисления первичного топлива, а также анодных газов, образующихся в результате работы топливных элементов.
Недостатком заявленного устройства является использование дополнительной горелки (пускового нагревательного устройства) для запуска каталитического реактора (реформера) и ТОТЭ. К недостаткам можно отнести также необходимость подачи воды для осуществления паровой конверсии исходного топлива, и соответственно, блоков смесителя реагентов и пароперегревателя.
Полезная модель решает задачу создания эффективного устройства на базе НТ ТОТЭ для получения электрической и тепловой энергии из метанола или диметоксиметана без дополнительного нагревательного устройства.
Технический результат - компактность и автономность устройства получения электрической и тепловой энергии на базе НТ ТОТЭ (энергоустановки) за счет исключения дополнительных нагревательных устройств, в том числе на стадии запуска. Технический результат достигается тем, что для осуществления конверсии оксигенатов в водородсодержащий газ достаточно использования тепла работающего ТОТЭ. Таким образом, это позволяет оптимизировать энергетический баланс и обеспечит более высокий КПД энергоустановки.
Задача решается устройством получения электрической и тепловой энергии, которое представляет собой последовательно соединенные топливный процессор и НТ ТОТЭ. Топливный процессор предназначен, во-первых, для получения водородсодержащего газа каталитическим парциальным окислением воздухом (воздушной конверсией) кислородсодержащих органических соединений С1-оксигенатов, в качестве которых используют метанол или ДММ, а во-вторых, для разогрева катализатора и самого реактора на стадии запуска устройства. Процесс проводят при атмосферном давлении с использованием блочного структурированного катализатора, содержащего, например, оксиды алюминия, церия, циркония и платину, последовательно нанесенные на поверхность блока, изготовленного из фехралевой сетки.
Топливный процессор обеспечивает разогрев/запуск энергоустановки (топливного процессора и НТ ТОТЭ) за счет адиабатического разогрева блочного структурированного катализатора при окислении метанола или ДММ кислородом воздуха. При этом происходит полное превращение сырья в водородсодержащий газ (реформат), который направляют для питания НТ ТОТЭ.
НТ ТОТЭ включает кислородпроводящий электролит, работающий при температуре ~500°С, и предназначен для получения электрической и тепловой энергии за счет окисления водородсодержащего газа (синтез-газа) на аноде.
Для создания компактной и автономной энергоустановки предлагается использование одного топливного процессора для двух режимов работы устройства: в режиме «автозапуска» для разогрева составных частей энергоустановки, собственно топливного процессора и НТ ТОТЭ, и для работы в стационарном режиме получения/генерирования водородсодержащего газа в топливном процессоре, направления этого газа на питание НТ ТОТЭ с целью производство тепла и электрической энергии.
Предлагаемое устройство схематически представлено
на фиг. 1, где 1 – смеситель/испаритель, 2 – каталитический реактор (реформер), 3 – анодное пространство, 4 – кислородпроводящий электролит, 5 – катодное пространство, 6 – электрическая нагрузка (ток);
На фиг. 2 и 3 представлены схемы устройства получения тепла и электрической энергии в режиме запуска (разогрева составных частей энергоустановки) и в стационарном режиме, соответственно.
Устройство получения тепла и электрической энергии работает следующим образом.
В режиме запуска устройства в топливный процессор, включающий проточный реактор с блочным структурированным катализатором Pt/CeO2-ZrO2/Al2O3/FeCrAl, подают смесь метанола или ДММ с воздухом при атмосферном давлении и комнатной температуре. Реагенты берут в определенном мольном соотношении, например, воздух/метанол ~ 3 или воздух/ДММ ~ 4. На катализаторе начинается экзотермическая реакция окисления оксигенатов кислородом воздуха, в результате которой происходит адиабатический разогрев катализатора, и в зависимости от состава исходной смеси и соотношения воздух/топливо температура блочного катализатора и собственно каталитического реактора увеличивается от комнатной до ~500°С без дополнительного подогрева.
Горячий газ из топливного процессора подается в анодное пространство НТ ТОТЭ и обеспечивает его разогрев и успешный запуск за счет окисления реформата, содержащего водород и СО, на аноде ТОТЭ. Газовая смесь, содержащая ~30 об.% (Н2 + СО) может обеспечивать работу ТОТЭ с получением электрической энергии и разогрев НТ ТОТЭ до рабочей температуры ~500°С.
Для перевода устройства на стационарный режим меняют мольное соотношение воздух/топливо на входе в каталитический реактор. В стационарном режиме топливный процессор обеспечивает получение водородсодержащего газа из метанола или ДММ с высоким содержанием (Н2 + СО): более 60 об.%.
Экспериментальное подтверждение работы устройства проведено в проточном каталитическом реакторе на блочном структурированном катализаторе, содержащем, мас.%: платину – до 0,1, смешанный оксид Ce0.75Zr0.25O2 – до 10, оксид алюминия – до 10, остальное – фехралевая сетка.
Из результатов экспериментов таблицы 1 видно, что при подаче смеси с мольным отношением воздух/метанол = 3 наблюдается разогрев блочного катализатора Pt/Ce0.75Zr0.25O2–δ/η-Al2O3/FeCrAl выше 500°С, при этом катализатор обеспечивает полное превращение метанола и кислорода воздуха в реформат с суммарной концентрацией (Н2 + СО)~30 об.%.
Аналогичные результаты были получены при окислении ДММ кислородом воздуха при отношении воздух/ДММ ~4.
Горячий газ из топливного процессора подается в анодное пространство НТ ТОТЭ и обеспечивает его разогрев и успешный запуск за счет окисления синтез-газа на аноде ТОТЭ. Газовая смесь, содержащая ~30 об.% (Н2 + СО) может обеспечивать работу ТОТЭ, хотя начальной мощности будет на ~40 % меньше по сравнению с использованием чистого водорода (Badmaev S.D., Akhmetov N.O., Belyaev V.D., Kulikov A.V., Pechenkin A.A., Potemkin D.I., Konishcheva M.V., Rogozhnikov V.N., Snytnikov P.V., Sobyanin V.A. Syngas production via partial oxidation of dimethyl ether over Rh/Ce0.75Zr0.25O2 catalyst and its application for SOFC feeding // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. V. 45, № 49. P. 26188). Следовательно, в технологической схеме такой энергоустановки не потребуется дополнительный нагревательный блок, например, реактор глубокого окисления (каталитическая горелка) для запуска реформера и топливного элемента, как в устройстве-прототипе.
Таблица 1
Топливо Воздух/топливо,
Моль/моль
Т разогрев,
°С
2 + СО),
об. %
Метанол 3/1 >500 ~30
ДММ 4/1 ~500 ~30
В таблице 2 приведены условия работы топливного процессора получения водородсодержащего газа из метанола и ДММ в стационарном режиме, при котором образуется максимальная количество Н2 и СО. Блочный структурированный катализатор Pt/Ce0.75Zr0.25O2–δ/η-Al2O3/FeCrAl в парциальном окислении метанола и ДММ при атмосферном давлении, температуре ~ 400°С обеспечивает полную конверсию сырья в водородсодержащий газ с содержанием (Н2+СО) выше 60 об.%. Производительность катализатора по (Н2+СО) ~ 6 л/(гкат ч), следовательно, для обеспечения работы энергоустановки на базе ТОТЭ мощностью 1 кВт достаточно ~100 г указанного блочного структурированного катализатора.
Таблица 2
Топливо Воздух/топливо,
Моль/моль
Т,°С 2+СО),
об. %
Метанол 1/1 400 64
ДММ 5/2 400 69

Claims (1)

  1. Устройство получения электрической и тепловой энергии на основе низкотемпературного твердооксидного топливного элемента (НТ ТОТЭ) с кислородпроводящим электролитом, включающее топливный процессор (ТП), состоящий из смесителя/испарителя и реформера, для проведения каталитической воздушной конверсии кислородсодержащих органических соединений, таких как диметоксиметан или метанол, в водородсодержащий газ при температуре 400-500°С и атмосферном давлении с использованием блочного катализатора, содержащего оксиды алюминия, церия, циркония и платину, последовательно нанесенные на поверхность блока, изготовленного из фехралевой сетки, при этом реформат из ТП, подаваемый в анодное пространство НТ ТОТЭ для окисления на аноде в качестве топлива, обеспечивает разогрев ТОТЭ до рабочей температуры в режиме запуска.
RU2023122234U 2023-08-28 Устройство получения энергии RU225231U1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU225231U1 true RU225231U1 (ru) 2024-04-15

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2323506C2 (ru) * 2002-10-25 2008-04-27 Пирелли Энд К. С.П.А. Твердооксидный топливный элемент с керамическим анодом
RU2477909C2 (ru) * 2008-08-18 2013-03-20 Сони Корпорейшн Система топливного элемента и электронное устройство
RU138423U1 (ru) * 2013-06-05 2014-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Устройство получения обогащенной водородом газовой смеси
EP3128590B1 (en) * 2014-03-31 2019-01-02 Mitsui Mining and Smelting Co., Ltd. Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell in which same is used
EP3292231B1 (en) * 2015-05-06 2021-02-24 Omnidea, Lda. Electrochemical reduction of carbon dioxide in aqueous ionic liquid containing electrolytes

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2323506C2 (ru) * 2002-10-25 2008-04-27 Пирелли Энд К. С.П.А. Твердооксидный топливный элемент с керамическим анодом
RU2477909C2 (ru) * 2008-08-18 2013-03-20 Сони Корпорейшн Система топливного элемента и электронное устройство
RU138423U1 (ru) * 2013-06-05 2014-03-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Устройство получения обогащенной водородом газовой смеси
EP3128590B1 (en) * 2014-03-31 2019-01-02 Mitsui Mining and Smelting Co., Ltd. Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell in which same is used
EP3292231B1 (en) * 2015-05-06 2021-02-24 Omnidea, Lda. Electrochemical reduction of carbon dioxide in aqueous ionic liquid containing electrolytes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Foit et al. Power‐to‐Syngas: An Enabling Technology for the Transition of the Energy System?
CN106898794B (zh) 一种基于甲醇水蒸气重整系统的发电方法与发电装置
RU2379795C2 (ru) Спиртовые топливные элементы прямого действия, использующие твердые кислотные электролиты
US20080072496A1 (en) Method for Producing Fuel from Captured Carbon Dioxide
US10662383B2 (en) Direct synthesis of hydrocarbons from co-electrolysis solid oxide cell
Saebea et al. Thermodynamic analysis of a proton conducting SOFC integrated system fuelled by different renewable fuels
Fujiwara et al. Power-to-gas systems utilizing methanation reaction in solid oxide electrolysis cell cathodes: a model-based study
Dybiński et al. Methanol, ethanol, propanol, butanol and glycerol as hydrogen carriers for direct utilization in molten carbonate fuel cells
JP5690716B2 (ja) エタノールを予備改質する方法
CN112853389A (zh) 一种基于高温高压电解技术的电化学合成装置
RU225231U1 (ru) Устройство получения энергии
Wiyaratn Reviews on fuel cell technology for valuable chemicals and energy co-generation
CN116544448A (zh) 一种基于化学制氢的sofc电源集成装置及其控制方法
JP2008282599A (ja) メタノール/ジメチルエーテルを原料とする燃料電池発電システム
Dong et al. Ion-conducting ceramic membranes for renewable energy technologies
CN207199753U (zh) 一种基于乙醇重整制氢的氢燃料电池系统
RU216707U1 (ru) Устройство получения водорода
Rai et al. Fuel Cell Utilization for Energy Storage
CN215050734U (zh) 一种基于高温高压电解技术的电化学合成装置
CN217881590U (zh) 一种甲醇重整及固体氧化物结合的氢燃料电池系统
CN216336599U (zh) 一种乙醇氧化重整制氢的装置
Nikolov et al. Hydrogen Production Technologies–A Comparative Overview and Future Developments
RU2803569C1 (ru) Способ получения водорода
RU124442U1 (ru) Устройство для получения электроэнергии
Liu et al. A Solid Oxide Fuel Cell Stack Integrated with a Diesel Reformer for Distributed Power Generation