RU2774852C1 - Энергетическая установка замкнутого цикла с твердополимерными топливными элементами - Google Patents
Энергетическая установка замкнутого цикла с твердополимерными топливными элементами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774852C1 RU2774852C1 RU2021126119A RU2021126119A RU2774852C1 RU 2774852 C1 RU2774852 C1 RU 2774852C1 RU 2021126119 A RU2021126119 A RU 2021126119A RU 2021126119 A RU2021126119 A RU 2021126119A RU 2774852 C1 RU2774852 C1 RU 2774852C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inlet
- outlet
- heat exchanger
- fuel
- separator
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 82
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 49
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 21
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 61
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 61
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 58
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 22
- 239000000047 product Substances 0.000 claims description 17
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 13
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 12
- 230000005591 charge neutralization Effects 0.000 claims description 9
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims description 9
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 claims description 9
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 claims description 9
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract description 6
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 3
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 20
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 10
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 10
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 7
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 7
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 4
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 4
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 208000000682 Megaloblastic Anemia Diseases 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 2
- 102100012508 TPTE Human genes 0.000 description 1
- 101700079119 TPTE Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 125000001867 hydroperoxy group Chemical group [*]OO[H] 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
- 230000001331 thermoregulatory Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ) с твердополимерными топливными элементами (ТПТЭ), работающим по замкнутому циклу (ЗЦ) без связи с атмосферой и использующим углеводородное топливо. Техническим результатом является расширение универсальности установки путем создания ЭУ ЗЦ с ТПТЭ, работающей без связи с атмосферой и с высокой эффективностью. ЭУ ЗЦ с ТПТЭ содержит батарею топливных элементов, диффузионный отделитель водорода, накопитель водорода, термохимический реактор, камеру сгорания с горелочным устройством, емкость сбора реакционной воды, резервуар запаса дизельного топлива, теплообменники, насосы и запорно-регулирующую арматуру. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к энергетическим установкам с твердополимерными топливными элементами (ЭУ с ТПТЭ), работающим по замкнутому циклу (ЗЦ) без связи с атмосферой и использующим углеводородное топливо.
ЭУ ЗЦ с ТПТЭ относится к энергоустановкам с химическими источниками тока с прямым преобразованием химической энергии в электрическую, а именно, к топливным элементам (ТЭ) с твердополимерной мембраной. Топливные элементы объединяются в батарею, где водород (в чистом виде или полученный в результате конверсии углеводородного топлива) используется в качестве топлива, а кислород (в чистом виде или содержащийся в воздухе) в качестве окислителя. При этом ЭУ ЗЦ с ТПТЭ работает на искусственной газовой смеси (ИГС), и техническое решение позволяет увеличить запасы ИГС, повысить безопасность устройства, а также расширить диапазон работы ЭУ в замкнутом изолированном пространстве как в режимах ее работы на атмосферном воздухе, так и при полной изоляции от атмосферы.
Известен «Способ приготовления газокислородной смеси для питания двигателя внутреннего сгорания, работающего по замкнутому циклу» по авторскому свидетельству СССР: SU1645580 А1 от 30.04.1991, МПК F02B 47/10 - [1], по которому в охладителе поглотителе осуществляется поглощение двуокиси углерода отработавших газов (ОГ) путем их взаимодействия с раствором щелочи заданной концентрации при этом регулируют концентрацию этого раствора и его температуру, обеспечивая тем самим заданное влагосодержание газовой смеси. Устройство для реализации способа [1] содержит двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - дизельный, который выходным коллектором соединен с охладителем-поглотителем, а входным коллектором со смесителем. Два входа смесителя соединены с выходами генератора кислорода и устройства осушения, вход которого через смеситель соединен с выходом генератора кислорода. Второй же вход смесителя соединен через регулятор потока со входом подачи воды, а также через второй регулятор потока с входом генератора кислорода, а его другой вход является входом охладителя-поглотителя, второй выход которого соединен с баком сбора продуктов реакции.
Известен «Способ приготовления газокислородной смеси для питания двигателя внутреннего сгорания, работающего по замкнутому циклу» по патенту на изобретения РФ: RU1645580 С1 от 10.08.1997, МПК F02B 47/10, F02B75/10 - [2], по которому отходящие газы очищают от продуктов сгорания путем контакта со щелочно-земельным металлом и жидким углеводородным топливом с поглощением выделяющейся теплоты. Устройство для реализации способа [2] содержит ДВС со впускной и выпускной системами и запорно-регулировочной арматурой, реактор регенератор ОГ ДВС, соединенный газовым контуром с одной стороной с ДВС, а с другой через топливный теплообменник со смесителем, и топливным контуром через теплообменник с топливо подкачивающим насосом, который осуществляет подачу топлива из бака в ДВС. Кроме того, реактор-регенератор связан с емкостью запаса окислителя (О2).
Известен «Способ подготовки искусственной газовой смеси для дизельной энергетической установки и устройство для его осуществления» по патенту на изобретение РФ: RU2365770 С1 от 27.08.2009, МПК F02B 47/10 - [3], по которому отработавшие газы дизеля очищают в растворе щелочи от механических примесей и диоксида углерода, смешивают эти очищенные отработавшие газы с чистым кислородом и охлаждают в охладителе-нейтрализаторе и полученную готовую искусственную газовую смесь подают через буферную емкость на вход дизеля. При этом кислород и щелочь получают в генераторе кислорода из твердого кислородосодержащего продукта путем воздействия на него подогретой водой, которая подается с выхода теплообменника-радиатора дизеля, а полученную в генераторе газожидкостную смесь кислорода и щелочи подают на вход охладителя-нейтрализатора. Подготовленную искусственную газовую смесь в охладителе-нейтрализаторе дополнительно подают на вход вентилятора внутри буферной емкости для распределения полученной готовой искусственной газовой смеси и перемешивания ее с находящимися в ней газами. В устройство подготовки искусственной газовой смеси для дизельной энергетической установки дополнительно введены влагоотделитель и регулятор расхода искусственной газовой смеси из охладителя-нейтрализатора, соединенные между собой и включенные между выходом искусственной газовой смеси из охладителя-нейтрализатора и буферной емкостью. Устройство для реализации способа [3] содержит ДВС - дизель с электрическим генератором, теплообменник-радиатор ДВС, генератор кислорода, охладитель-нейтрализатор, теплообменника охладителя-нейтрализатора, вентилятор, запорные вентили всасывающей и выхлопной магистралей, и, соответственно, первого, второго, третьего запорно-регулирующих тройников, регулятора охлаждения охладителя-нейтрализатора (ОХН). Также содержит регулятор уровня жидкости в охладителе-нейтрализаторе, запорный вентиль воды, выходные запорные вентили газожидкостной смеси, регуляторы расхода ИГС из генератора кислорода, регуляторы воды генерации кислорода, регулятор расхода ИГС из ОХН, влагоотделитель, воздуховод, буферной емкости, нейтрализатор, смеситель газов, входные патрубки и выходные патрубки.
Общими недостатками аналогов [1], [2] и [3] является то, что они предназначены для энергетических установкам с ДВС, работающими с низким КПД преобразования химической энергии в электрическую. Известны энергоустановки с химическими источниками тока с прямым преобразованием химической энергии в электрическую, а именно относящиеся к ЭУ с ТПТЭ, обладающие высоким КПД преобразования. Кроме того, ДВС по сравнению ЭУ с ТПТЭ обладает также более низким ресурсом и более низкой надежностью эксплуатации.
Так известна «Энергоустановка на основе топливных элементов» по патенту на изобретение РФ: RU2526851 С1 от 27.08.2014, МПК Н01М 8/00, H01M l4/00 - [4], содержащая подсистему переработки топлива с десульфуратором, топливным процессором, включающим паровой реформер и систему нейтрализации монооксида углерода, подсистему выработки электроэнергии с контуром термостабилизации и батареей топливных элементов, подсистему воздухоснабжения, по крайней мере с одним компрессором и увлажнителем воздуха, поступающего в подсистему выработки электроэнергии, подсистему водоснабжения с емкостью для регенерированной воды, подсистему нейтрализации выхлопных газов и средства подготовки к запуску. При этом в топливном процессоре узлы смешивания, подогрева и реформинга реагентов выполнены в виде раздельных независимых блоков, контур термостабилизации в подсистеме выработки электроэнергии выполнен изолированным от системы регенерации воды, увлажнитель воздуха, подводимого к топливным элементам, каналом увлажняющей среды включен в поток выходного воздушного потока батареи топливных элементов, а подсистема подготовки к пуску снабжена дополнительными каналами подведения топлива и воздуха к подсистеме утилизации выхлопных газов, коммутируемыми трехходовыми клапанами. Аналог [4] решает задачу повышение экономичности расхода топлива и надежности энергоустановки.
Недостатком аналога [4] является наличие такой подсистемы воздухоснабжения, которая не позволяет использовать ЭУ в автономном режиме с замкнутым циклом без связи с окружающей атмосферой.
Прототипом заваленного технического решения является «Энергоустановка на топливных элементах» по патенту на изобретение РФ: RU2353023 С1 от 20.04.2009, МПК Н01М 8/06 - [5], содержащая подсистему выработки электроэнергии с пакетом топливных элементов, имеющих ионообменную мембрану, подсистему переработки топлива, включающую в себя десульфуратор, подключенный к источнику углеводородного топлива непосредственно либо через компрессор, риформер топлива, состоящий из камеры сгорания с горелкой, соединенной топливным каналом с пакетом топливных элементов подсистемы выработки электроэнергии, увлажнителя топлива, реактор паровой конверсии топлива, конвертор монооксида углерода, расположенный вниз по потоку топлива от риформера топлива и включающий в себя, по крайней мере, один реактор для обеспечения реакции паровой конверсии монооксида углерода с каналами для терморегулирующей среды и реактор тонкой очистки топлива от монооксида углерода, при этом реакторы соединены между собой топливным каналом, подсистему окислителя, по крайней мере, с одним компрессором, соединенным первым каналом с увлажняющим аппаратом этой подсистемы и вторым каналом - с каналом топливной смеси подсистемы переработки топлива, при этом увлажняющий аппарат соединен каналом подачи окислителя с пакетом топливных элементов подсистемы выработки электроэнергии, подсистему регенерации воды, включающую в себя водяной резервуар для сбора регенерированной воды, соединенный каналами, по крайней мере, с одним аппаратом для восстановления воды и деионизирующим фильтром этой подсистемы, которая соединена каналом с увлажнителем топлива подсистемы переработки топлива, подсистему терморегулирования с насосом для циркуляции жидкости, теплообменником для рассеивания избыточного тепла и предохладителем топлива, соединенным каналом с подсистемой выработки электроэнергии, связанную каналами с подсистемой регенерации воды. При этом в качестве реактора тонкой очистки топлива от монооксида углерода использован реактор для обеспечения реакции метанирования или метанирования и селективного окисления монооксида углерода, топливный выход которого соединен со входом дополнительно введенного в подсистему переработки топлива трехходовым клапаном, в подсистему терморегулирования дополнительно введен пусковой подогреватель терморегулирующей жидкости с горелкой, соединенной топливным каналом с первым выходом трехходового клапана, второй выход которого соединен топливным каналом с предохладителем топлива, в подсистему окислителя дополнительно введен терморегулирующий теплообменник, входные каналы которого соединены с выходом терморегулирующей среды реактора паровой конверсии монооксида углерода и выходным каналом компрессора этой подсистемы соответственно, а выходные каналы соединены с входом терморегулирующей среды реактора тонкой очистки топлива от монооксида углерода и входом окислителя риформера топлива подсистемы переработки топлива соответственно, при этом вход терморегулирующей среды реактора паровой конверсии монооксида углерода соединен с каналом для отведения выхлопного потока горелки риформера топлива. Прототип [5] решает задачи упрощения ЭУ, а также снижения энергопотребления при ее пуске.
Однако прототип [5] имеет следующие недостатки:
- энергоустановка использует в качестве окислителя атмосферный воздух, т.е. она не предназначена для работы по замкнутому циклу;
- в состав энергоустановки входит конвертор монооксида углерода, образуемого в процессе генерации синтез-газа, что увеличивает ее стоимость и снижает надежность;
- избыточное тепло, образующееся в процессе работы энергоустановки, не используется в цикле, а рассеивается в окружающую среду, что снижает КПД энергоустановки и при наличии дополнительного теплообменника повышает стоимость энергоустановки.
Из указанных выше недостатков аналогов и прототипа следует задача создания ЭУ с ТПТЭ замкнутого типа, работающей без связи с атмосферой.
Поставленная задача достигается комплектованием энергетической установки с топливными элементами генератором кислорода, емкостью запаса твердого кислородоносителя, сепаратором для разделения продуктов реакции при генерировании кислорода, нейтрализатором и накопителем продуктов нейтрализации. Образующийся при генерировании водорода (топлива) оксид углерода направляется на сжигание в горелочное устройство термохимического реактора. В заявленном устройстве вместо конвертора монооксида углерода, включающего в себя, по крайней мере, один реактор для обеспечения реакции паровой конверсии монооксида углерода с каналами для терморегулирующей среды и реактор тонкой очистки топлива от монооксида углерода, в состав энергоустановки включен диффузионный отделитель водорода, а также в состав подсистемы окислителя включен генератор кислорода из твердого кислородоносителя, емкость запаса твердого кислородоносителя, сепаратор для разделения продуктов реакции при генерировании кислорода. При этом водяной резервуар для сбора регенерированной воды дополнительно соединен с генератором кислорода, а выход (канал) для отведения (выхлопных) газов горелки камеры сгорания соединен с нейтрализатором. Кроме того, в заявленной энергоустановке образующийся при генерировании водорода (из дизельного топлива) в термохимическом реакторе оксид углерода (СО) направляется на сжигание в горелочное устройство камеры сгорания.
Техническим результатом заявляемого технического решения является расширение универсальности установки путем создания ЭУ ЗЦ с ТПТЭ, работающей без связи с атмосферой и с высокой эффективностью (КПД). Данное требование важно для применения заявленной энергоустановки как в закрытых подземных сооружениях (например, объектах метро), так и для подводных аппаратов.
Общие признаки (ограничительной части формулы изобретения) прототипа [5] и заявленного технического решения можно обобщить следующим образом: «Энергоустановка замкнутого цикла на топливных элементах, содержит подсистему выработки электроэнергии с пакетом топливных элементов, имеющих ионообменную мембрану, подсистему переработки топлива, включающую в себя десульфуратор, подключенный к источнику углеводородного топлива непосредственно либо через нагнетатель, увлажнитель топлива, риформер топлива, состоящий из камеры сгорания с горелкой и каналом отведения выхлопных газов, термохимического реактора для обеспечения паровой конверсии топлива, подсистему окислителя, подсистему регенерации воды, включающую в себя водяной резервуар для сбора регенерированной воды, подсистему терморегулирования с насосом и теплообменниками».
Можно кратко сформулировать отличительные признаки заявленного технического решения в следующем виде: «Энергоустановка на топливных элементах содержит батарею топливных элементов, диффузионный отделитель водорода, накопитель водорода, термохимический реактор, камеру сгорания, с горелочным устройством, емкость сбора реакционной воды, резервуар запаса дизельного топлива, теплообменники, насосы и запорно-регулирующую арматуру».
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что энергоустановка замкнутого цикла с твердополимерными топливными элементами, содержащая батарею топливных элементов, накопитель водорода, термохимический реактор, камеру сгорания, с горелочным устройством, емкость сбора реакционной воды, резервуар запаса дизельного топлива, теплообменник подогрева дизельного топлива, теплообменник подогрева воды, теплообменник испарения воды, насосы и запорно-регулирующую арматуру. В ее состав включены диффузионный отделитель водорода, генератор кислорода из твердого кислородоносителя, емкость запаса твердого кислородоносителя, сепаратор-отделитель для разделения продуктов реакции при генерировании кислорода, нейтрализатор продуктов реакции и накопитель продуктов нейтрализации. При этом к 1-му входу батареи топливных элементов подсоединен выход накопителя водорода, к 2-му входу батареи топливных элементов через вентиль подсоединен 1-й выход генератора кислорода, выход батареи топливных элементов подсоединен ко входу емкости сбора реакционной воды, выход которой через насос соединен с двумя вентилями, выходы которых соединены соответственно со 2-м входом генератора кислорода и последовательно через теплообменник подогрева воды и теплообменник испарения воды с 3-м входом термохимического реактора. Генератор кислорода соединен 1-м входом с выходом емкости запаса твердого кислородосодержащего продукта, а своим 1-м выходом генератор кислорода через вентиль соединен с 1-м входом камеры сгорания, своим 2-м выходом генератор кислорода соединен последовательно через насос с 1-м входом нейтрализатора, выход резервуара запаса дизельного топлива через насос соединен соответственно через вентиль с 3-м входом камеры сгорания и через теплообменник подогрева дизельного топлива с 4-м входом термохимического реактора, выход нейтрализатора соединен со входом сепаратора-отделителя, соответственно 1-й выход которого соединен со 2-м входом термохимического реактора, а его 2-й выход соединен с накопителем продуктов нейтрализации, 1-й выход термохимического реактора через теплообменник испарения воды подключен ко 2-му входу нейтрализатора, а 2-й выход термохимического реактора соединен со входом диффузионного отделителя водорода, 1-й выход которого последовательно через теплообменник подогрева дизельного топлива и теплообменник подогрева воды соединен с накопителем водорода, а 2-й выход диффузионного отделителя водорода соединен со 2-м входом камеры сгорания. Кроме того, в заявленной энергоустановке образующийся при генерировании водорода (из дизельного топлива) в термохимическом реакторе оксид углерода (СО2) направляется на сжигание в горелочное устройство камеры сгорания.
Заявленная энергетическая установка с твердополимерными топливными элементами (ЭУ ЗЦ с ТПТЭ) представлена на фигурах 1, 2 и 3 графических материалов.
На фигуре 1 приведена упрощенная принципиальная схема заявленного устройства - ЭУ ЗЦ с ТПТЭ.
На фигурах 2 и 3 приведены соответственно увеличенные левая и правая части схемы ЭУ ЗЦ с ТПТЭ по фиг. 1 с указанием нумерации входов и выходов ее элементов, если таких более одного.
На фигурах 1, 2 и 3 арабскими цифрами обозначены следующие элементы установки:
1 - батарея топливных элементов (БТЭ);
2 - накопитель водорода;
3 - термохимический реактор (ТХР);
4 - камера сгорания с горелочным устройством;
5 - генератор кислорода из твердого кислородоносителя;
6 - емкость сбора реакционной воды;
7 - нейтрализатор;
8 - сепаратор отделитель жидкой и твердой фазы;
9 - накопитель продуктов нейтрализации;
10 - резервуар запаса дизельного топлива;
11 - диффузионный отделитель водорода (ДОВ);
12…14 - теплообменники - рекуперативные с разделенными теплообменивающимися средами;
12 - теплообменник испарения воды;
13 - теплообменник подогрева дизельного топлива;
14 - теплообменник подогрева воды;
15…17 - насосы;
18 - емкость запаса твердого кислородосодержащего продукта;
19…23 - запорно-регулирующая арматура.
ЭУ ЗЦ с ТПТЭ содержит БТЭ (1), накопитель водорода (2), ТХР (3), камеру сгорания (4), с горелочным устройством, емкость (6) сбора реакционной воды, резервуар (10) запаса дизельного топлива, теплообменник подогрева дизельного топлива (13), теплообменник подогрева воды (14), теплообменник испарения воды (12), насосы (15…17) и запорно-регулирующую арматуру (19…23). В ее состав включены ДОВ (11), генератор (5) кислорода из твердого кислородоносителя, емкость (18) запаса твердого кислородоносителя, сепаратор-отделитель (8) для разделения продуктов реакции при генерировании кислорода, нейтрализатор (7) продуктов реакции и накопитель (9) продуктов нейтрализации. При этом к 1-му входу БТЭ (1) подсоединен выход накопителя (2) водорода, к 2-му входу БТЭ (1) через вентиль (23) подсоединен 1-й выход генератора (5) кислорода, выход БТЭ (1) подсоединен ко входу емкости (6) сбора реакционной воды, выход которой через насос (15) соединен с двумя вентилями (19) и (20), выходы которых соединены соответственно со 2-м входом генератора (5) кислорода и последовательно через теплообменник подогрева воды (14) и теплообменник испарения воды (12) с 3-м входом ТХР (3), генератор (5) кислорода соединен 1-м входом с выходом емкости (18) запаса твердого кислородосодержащего продукта, а своим 1-м выходом генератор (5) кислорода через вентиль (21) соединен с 1-м входом камеры сгорания (4), своим 2-м выходом генератор (5) кислорода соединен последовательно через насос (17) с 1-м входом нейтрализатора (7), выход резервуара (10) запаса дизельного топлива через насос (16) соединен соответственно через вентиль (22) с 3-м входом камеры сгорания (4) и через теплообменник подогрева дизельного топлива (13) с 4-м входом ТХР (3), выход нейтрализатора (7) соединен со входом сепаратора-отделителя (8), соответственно 1-й выход которого соединен со 2-м входом ТХР (3), а его 2-й выход соединен с накопителем (9) продуктов нейтрализации, 1-й выход ТХР (3) через теплообменник испарения воды (12) подключен ко 2-му входу нейтрализатора (7), а 2-й выход ТХР (3) соединен со входом ДОВ (11), 1-й выход которого последовательно через теплообменник подогрева дизельного топлива (13) и теплообменник подогрева воды (14) соединен с накопителем (2) водорода, а 2-й выход ДОВ (11) соединен со 2-м входом камеры сгорания (4). В заявленной энергоустановке образующийся при генерировании водорода (из дизельного топлива) в термохимическом реакторе оксид углерода (СО2) направляется на сжигание в горелочное устройство камеры сгорания.
ЭУ ЗЦ с ТПТЭ работает следующим образом.
В БТЭ (1) поступает водород из накопителя (2) и через вентиль (23) кислород из генератора (5). В результате электрохимических реакций в БТЭ (1) вырабатывается электрический ток (на фигурах не показано), образуется вода, которая собирается в емкости (6). Из емкости (6) вода насосом (15) через вентиль (19) подается в генератор (5) кислорода, куда также из емкости (18) поступает твердый кислородоноситель Б-2 (NaO2). В генераторе (5) происходит образование газообразного кислорода и водного раствора щелочи по реакции:
Образовавшийся кислород поступает через вентиль (23) в БТЭ (1) и через вентиль (21) в камеру сгорания (4) термохимического реактора (3), а водный раствор щелочи - насосом (17) в нейтрализатор (7). Реакционная вода из емкости (6) насосом (15) также последовательно подается через вентиль (20) и теплообменник подогрева воды (14) в теплообменник испарения воды (12), где превращается в пар, который поступает в ТХР (3). В ТХР (3) также насосом (16) из резервуара запаса (10) подается подогретое в теплообменнике (13) дизельное топливо. В ТХР (3) при температуре 300…400°С происходит паровая конверсия дизельного топлива:
В результате эндотермической реакции {2} образуется синтез-газ-смесь Н2 и СО, которая поступает в диффузионный отделитель водорода (11) с палладиевой мембраной, которая пропускает H2 последовательно через теплообменники (13) и (14) в накопитель (2), а СО поступает в камеру сгорания (4). Камера сгорания (4) обеспечивает поддержание температуры 300…400°С в реакционной зоне ТХР (3) за счет сгорания СО, а также части дизельного топлива из резервуара запаса (10) через вентиль (22) при запуске установки. В камере сгорания (4) СО сгорает и превращается в СО2. Продуктами полного сгорания дизельного топлива CH1,85 являются СО2 и пары H2O. Все продукты сгорания поступают в теплообменник испарения воды (12), где охлаждаются, при этом нагревая и испаряя воду. Далее охлажденные продукты сгорания поступают в нейтрализатор (7), куда насосом (17) подается водный раствор щелочи. В нейтрализаторе (7) происходит поглощение CO2 по реакции:
Далее газожидкостная смесь поступает в сепаратор-отделитель (8), где из нее отделяется твердая и жидкая фазы (смесь Na2CO3, H2O и другие примеси), которые отводятся в накопитель (9).
Таким образом, при наличии расчетных запасов дизельного топлива, воды и твердого кислородоносителя Б-2 рассмотренная схема может функционировать по замкнутому циклу без связи с атмосферой.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР: SU1645580 А1 от 30.04.1991, МПК F02B 47/10, Способ приготовления газокислородной смеси для питания двигателя внутреннего сгорания, работающего по замкнутому циклу «».
2. Патент на изобретение РФ: RU1645580 С1 от 10.08.1997, МПК F02B 47/10, F02B75/10, «Способ приготовления газокислородной смеси для питания двигателя внутреннего сгорания, работающего по замкнутому циклу».
3. Патент на изобретение РФ: RU2365770 С1 от 27.08.2009, МПК F02B 47/10, «Способ подготовки искусственной газовой смеси для дизельной энергетической установки и устройство для его осуществления».
4. Патент на изобретение РФ: RU2526851 С1 от 27.08.2014, МПК Н01М 8/00, H01M l4/00, «Энергоустановка на основе топливных элементов».
5. Патент на изобретение РФ: RU2353023 С1 от 20.04.2009, МПК Н01М 8/06, «Энергоустановка на топливных элементах» - прототип.
Claims (2)
1. Энергоустановка замкнутого цикла с твердополимерными топливными элементами, содержащая батарею топливных элементов, накопитель водорода, термохимический реактор, камеру сгорания с горелочным устройством, емкость сбора реакционной воды, резервуар запаса дизельного топлива, теплообменник подогрева дизельного топлива, теплообменник подогрева воды, теплообменник испарения воды, насосы и запорно-регулируюшую арматуру, отличающаяся тем, что в ее состав включены диффузионный отделитель водорода, генератор кислорода из твердого кислородоносителя, емкость запаса твердого кислородоносителя, сепаратор-отделитель для разделения продуктов реакции при генерировании кислорода, нейтрализатор продуктов реакции и накопитель продуктов нейтрализации, при этом к 1-му входу батареи топливных элементов подсоединен выход накопителя водорода, к 2-му входу батареи топливных элементов через вентиль подсоединен 1-й выход генератора кислорода, выход батареи топливных элементов подсоединен ко входу емкости сбора реакционной воды, выход которой через насос соединен с двумя вентилями, выходы которых соединены соответственно со 2-м входом генератора кислорода и последовательно через теплообменник подогрева воды и теплообменник испарения воды с 3-м входом термохимического реактора, генератор кислорода соединен 1-м входом с выходом емкости запаса твердого кислородосодержащего продукта, а своим 1-м выходом генератор кислорода через вентиль соединен с 1-м входом камеры сгорания, своим 2-м выходом генератор кислорода соединен последовательно через насос с 1-м входом нейтрализатора, выход резервуара запаса дизельного топлива через насос соединен соответственно через вентиль с 3-м входом камеры сгорания и через теплообменник подогрева дизельного топлива с 4-м входом термохимического реактора, выход нейтрализатора соединен со входом сепаратора-отделителя, соответственно 1-й выход которого соединен со 2-м входом термохимического реактора, а его 2-й выход соединен с накопителем продуктов нейтрализации, 1-й выход термохимического реактора через теплообменник испарения воды подключен ко 2-му входу нейтрализатора, а 2-й выход термохимического реактора соединен со входом диффузионного отделителя водорода, 1-й выход которого последовательно через теплообменник подогрева дизельного топлива и теплообменник подогрева воды соединен с накопителем водорода, а 2-й выход диффузионного отделителя водорода соединен со 2-м входом камеры сгорания.
2. Энергетическая установка замкнутого цикла с твердополимерными топливными элементами по п. 1, отличающаяся тем, что образующийся при генерировании водорода в термохимическом реакторе оксид углерода направляется на сжигание в горелочное устройство камеры сгорания.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2774852C1 true RU2774852C1 (ru) | 2022-06-27 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811083C1 (ru) * | 2023-09-08 | 2024-01-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | Энергетическая установка с топливными элементами |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6316134B1 (en) * | 1999-09-13 | 2001-11-13 | Ballard Generation Systems, Inc. | Fuel cell electric power generation system |
| JP2006282457A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Motor Corp | 水素生成装置及び燃料電池システム |
| RU2353023C1 (ru) * | 2007-12-24 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Газпром" | Энергоустановка на топливных элементах |
| RU2526851C1 (ru) * | 2013-07-22 | 2014-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") | Энергоустановка на основе топливных элементов |
| CN112290064A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-01-29 | 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） | 一种基于重整制氢的密闭空间燃料电池发电系统 |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6316134B1 (en) * | 1999-09-13 | 2001-11-13 | Ballard Generation Systems, Inc. | Fuel cell electric power generation system |
| JP2006282457A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Motor Corp | 水素生成装置及び燃料電池システム |
| RU2353023C1 (ru) * | 2007-12-24 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Газпром" | Энергоустановка на топливных элементах |
| RU2526851C1 (ru) * | 2013-07-22 | 2014-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") | Энергоустановка на основе топливных элементов |
| CN112290064A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-01-29 | 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） | 一种基于重整制氢的密闭空间燃料电池发电系统 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811083C1 (ru) * | 2023-09-08 | 2024-01-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | Энергетическая установка с топливными элементами |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2096724C (en) | Application of fuel cells to power generation systems | |
| US6821663B2 (en) | Solid oxide regenerative fuel cell | |
| EP0671059B1 (en) | Hydrocarbon fueled solid polymer fuel cell electric power generation system | |
| US20070122667A1 (en) | Fuel cell system with integrated fuel processor | |
| US7208239B2 (en) | Fuel cell system and method with increased efficiency and reduced exhaust emissions | |
| US20050123810A1 (en) | System and method for co-production of hydrogen and electrical energy | |
| JPS5918830B2 (ja) | パワ−プラント | |
| JPS59139578A (ja) | 燃料電池動力装置 | |
| EP1241723B1 (en) | Water recovery for a fuel cell system | |
| JP2004534186A (ja) | 無／低排出及び併産エネルギー供給ステーション | |
| JP2005532241A (ja) | 無／低排気エネルギー供給ステーション | |
| JPH0434861A (ja) | Ｌｎｇ冷熱を利用したｃｏ↓２分離装置を有する溶融炭酸塩型燃料電池発電装置 | |
| JP2022541546A (ja) | 統合された発電、二酸化炭素分離及び下流処理システム、及び方法 | |
| CN101271980A (zh) | 随行制氢燃料电池燃料系统及其装置 | |
| JP2002319428A (ja) | 溶融炭酸塩型燃料電池発電設備 | |
| CN115036539A (zh) | 一种燃料电池发电系统及其控制方法 | |
| JPH1126004A (ja) | 発電システム | |
| JP4596745B2 (ja) | 燃料電池システムにて効率を向上するため及び排気ガスを減少するための方法 | |
| JP3943405B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| RU2774852C1 (ru) | Энергетическая установка замкнутого цикла с твердополимерными топливными элементами | |
| RU2526851C1 (ru) | Энергоустановка на основе топливных элементов | |
| KR101254669B1 (ko) | 선박용 연료전지 시스템 | |
| CN112786934A (zh) | 一种以甲醇为原料的磷酸燃料电池动力系统及其发电方法 | |
| JPH05129029A (ja) | 燃料電池を用いた発電システム | |
| JP2662298B2 (ja) | 二酸化炭素分離装置を有するパワープラント |