RU2812904C1 - Установка для получения водорода термоэлектрическим разложением воды - Google Patents
Установка для получения водорода термоэлектрическим разложением воды Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812904C1 RU2812904C1 RU2023116219A RU2023116219A RU2812904C1 RU 2812904 C1 RU2812904 C1 RU 2812904C1 RU 2023116219 A RU2023116219 A RU 2023116219A RU 2023116219 A RU2023116219 A RU 2023116219A RU 2812904 C1 RU2812904 C1 RU 2812904C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- fuel cell
- heat exchanger
- heat
- cell battery
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 70
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 30
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 title claims description 8
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 39
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 12
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000000383 hazardous chemical Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000043 hydrogen iodide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для получения водорода и кислорода за счет тепла источников высокопотенциального тепла. Установка содержит батарею топливных элементов, блок питания, управления и регулирования, систему терморегулирования батареи топливных элементов, резервуар для воды, насос подачи воды, теплопроводы подачи тепла, высокотемпературный электролизер, трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям. Электролизер соединен трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей через рекуперативный теплообменник, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза и теплообменник нагрева и испарения воды со входом батареи топливных элементов, а выход батареи топливных элементов через циркуляционные насосы соединен со входом высокотемпературного электролизера. Резервуар для воды через насос подачи воды, теплообменник нагрева и испарения воды и догреватель водяного пара соединен со входом высокотемпературного электролизера, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей на входе в батарею топливных элементов соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям, а конденсатор-охладитель соединен с резервуаром для воды. Батарея топливных элементов, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза и конденсатор-охладитель снабжены системами терморегулирования и сброса тепла. Высокотемпературный электролизер и догреватель водяного пара соединены теплопроводами с источником высокопотенциального тепла. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности преобразования высокопотенциального тепла в водород и кислород, высокая чистота получаемых продуктов и экологическая безопасность их производства. 1 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для получения водорода и кислорода за счет тепла как высокотемпературных атомных реакторов (ВТГР), так и других источников высокопотенциального тепла, например, концентраторов солнечной энергии.
Уровень техники
Известна установка для получения водорода термохимическим разложением воды (пат РФ №2 040 328) на основе замкнутого цикла с использованием азотистокислых солей щелочных металлов переходной группы и в качестве катализатора йода с регенерацией исходных компонентов. Недостатками такой установки являются низкая эффективность использования высокопотенциального тепла, экологическая опасность из-за использования химических реагентов и загрязнение получаемых водорода и кислорода этими реагентами, что требует дополнительных затрат на их очистку.
Известна установка для получения водорода термохимическим разложением воды (патент РФ №2 389 540 оп.20.05.2010 Бюл. №14), принятая за прототип, содержащая батарею топливных элементов, блок питания, управления и регулирования, систему терморегулирования батареи топливных элементов, резервуар для воды, насос подачи воды, теплопроводы подачи тепла и трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям. Недостатками прототипа, также, как и аналога, являются низкая эффективность использования тепла, необходимость глубокой очистки получаемых водорода и кислорода от реагентов термохимического цикла и опасность загрязнения окружающей среды этими реагентами, в частности, йодистым водородом.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности получения водорода и кислорода из воды за счет высокопотенциального тепла, обеспечение высокой чистоты получаемых продуктов и экологической безопасности предлагаемой установки.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение энергетической эффективности преобразования высокопотенциального тепла в водород и кислород, высокая чистота получаемых продуктов и экологическая безопасность их производства.
Технический результат достигается тем, что установка для получения водорода термоэлектрохимическим разложением воды дополнительно содержит высокотемпературный электролизер, соединенный трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей 16 через рекуперативный теплообменник 5, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и теплообменник нагрева и испарения воды 8 со входом батареи топливных элементов 2, а выход батареи топливных элементов 2 через циркуляционные насосы 13 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, резервуар для воды 6 через насос подачи воды 7, теплообменник нагрева и испарения воды 8 и догреватель водяного пара 14 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей 16 на входе в батарею топливных элементов 2 соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды 11 с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям 17, а конденсатор-охладитель 11 соединен с резервуаром для воды, батарея топливных элементов 2, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и конденсатор-охладитель 11 снабжены системами терморегулирования 4 и сброса тепла 10 и 12, высокотемпературный электролизер 1 и догреватель водяного пара 14 соединены теплопроводами 15 с источником высокопотенциального тепла ВТГР.
Краткое описание графических материалов
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фигурой, где показано следующее:
1 - высокотемпературный электролизер,
2 - батарея топливных элементов,
3 - блок питания, управления и регулирования установки,
4 - система терморегулирования батареи топливных элементов,
5 - рекуперативный теплообменник,
6 - резервуар для воды,
7 - насос подачи воды,
8 - теплообменник нагрева и испарения воды,
9 - промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза,
10 - система сброса тепла из промежуточного теплообменника,
11 - конденсатор-охладитель для отделения воды,
12 - система сброса тепла из конденсатора-охладителя,
13 - циркуляционные насосы,
14 - догреватель водяного пара,
15 - теплопроводы подачи тепла от ВТГР,
16 - трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей,
17 - трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям,
18 - линии электрических связей между блоком питания, управления и регулирования 3 и агрегатами установки.
Осуществление изобретения
Заявляемая установка для получения водорода термоэлектрохимическим разложением воды, включает батарею топливных элементов 2, блок питания, управления и регулирования 3, систему терморегулирования батареи топливных элементов 4, резервуар для воды 6, насос подачи воды 7, теплопроводы подачи тепла 15 и трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям 17 при этом так же содержит высокотемпературный электролизер 1, соединенный трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей 16 через рекуперативный теплообменник 5, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и теплообменник нагрева и испарения воды 8 со входом батареи топливных элементов 2, а выход батареи топливных элементов 2 через циркуляционные насосы 13 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, резервуар для воды 6 через насос подачи воды 7 соединен с теплообменником нагрева и испарения воды 8, который соединен с догревателем водяного пара 14, соединенным со входом высокотемпературного электролизера 1, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей 16 на входе в батарею топливных элементов 2 соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды 11 с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям 17, а конденсатор-охладитель 11 соединен с резервуаром для воды 6, батарея топливных элементов 2, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и конденсатор-охладитель 11 снабжены системами терморегулирования 4 и сброса тепла 10 и 12, высокотемпературный электролизер 1 и догреватель водяного пара 14 соединены теплопроводами 15 с источником высокопотенциального тепла ВТГР.
Установка для получения водорода термоэлектрохимическим разложением воды работает следующим образом.
Батарея топливных элементов 2 со щелочным матричным электролитом и высокотемпературный электролизер 1 на основе диоксидциркониевого электролита соединены между собой двумя контурами циркуляции реагентов 16 с циркуляционными насосами 13. В одном контуре находится смесь водяного пара с водородом, в другом водяного пара с кислородом. Из батареи топливных элементов 2 смеси реагентов направляются циркуляционными насосами 13 в рекуперативный теплообменник 5, где за счет тепла выходящих из высокотемпературного электролизера 1 смесей реагентов нагреваются до температуры на 30-50° ниже рабочей температуры электролизера и поступают в электролизер 1, в котором за счет высокопотенциального тепла от внешнего источника, например, ВТГР, догреваются и поступают в электролизер 1 для электролиза за счет электроэнергии от батареи топливных элементов 2 в режиме поглощения тепла от внешнего источника. Для улучшения характеристик процесса электролиза смеси реагентов проходят электролизер 1 противотоком. Выходящие из электролизера 1 смеси реагентов, обогащенные водородом и кислородом, проходят рекуперативный теплообменник 5, нагревая смеси реагентов после батареи топливных элементов 2 и охлаждаясь при этом, далее подаются в промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9, а после него в теплообменник нагрева и испарения воды 8, где охлаждаются до рабочей температуры батареи топливных элементов 2, нагревая и испаряя при этом воду, необходимую для поддержания баланса воды в контурах циркуляции реагентов 16, которая из резервуара для воды 6 насосом 7 подается через теплообменник нагрева и испарения воды 8 и догреватель водяного пара 14 в контура циркуляции смесей реагентов 16 перед входом в электролизер 1. Так как за счет разницы рабочих температур батареи топливных элементов 2 и электролизера 1 затраты электроэнергии на высокотемпературный электролиз существенно меньше, чем вырабатывается батареей топливных элементов, в установке образуется излишки водорода и кислорода, которые отводятся перед входом в батарею топливных элементов 2 через конденсатор-охладитель 11 по трубопроводам 17 потребителям, а отделенная вода из конденсатора-охладителя 11 стекает в резервуар 6. Промежуточный теплообменник 9 и конденсатор-охладитель 11 снабжены системами сброса тепла 10 и 12, а батарея топливных элементов 2 - системой терморегулирования 4. Для примера, приводим данные по температуре в опорных точках установки при рабочей температуре БТЭ 250°С и электролизера 900°С. Температура смеси из БТЭ 2 после рекуперативного теплообменника 5 около 850°С, для смеси между рекуперативным теплообменником 5 и промежуточным теплообменником 9 около 390°С, после него 360°С, а температура водяного пара перед догревателем 14 около 120°С. Как показывают расчеты (см. программу по св-ву РФ№2023614943), удельный расход высокопотенциального тепла на производство водорода может составить 7,25 кВтч (т)/нм3, что эквивалентно электролизу с расходом 3,2 кВтч(э)/нм3, причем, 75% тепла идет на собственно процесс электролиза, а 25% на догрев продуктов в контурах циркуляции (12%) и водяного пара в догревателе 14 (13%). То есть, предлагаемое техническое решение отличается высокой энергетической эффективностью.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении заявленный результат достигается тем, что установка для получения водорода термохимическим разложением воды дополнительно содержит высокотемпературный электролизер, соединенный трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей 16 через рекуперативный теплообменник 5, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и теплообменник нагрева и испарения воды 8 со входом батареи топливных элементов 2, а выход батареи топливных элементов 2 через циркуляционные насосы 13 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, резервуар для воды 6 через насос подачи воды 7, теплообменник нагрева и испарения воды 8 и догреватель водяного пара 14 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей 16 на входе в батарею топливных элементов 2 соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды 11 с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям 17, а конденсатор-охладитель 11 соединен с резервуаром для воды, батарея топливных элементов 2, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и конденсатор-охладитель 11 снабжены системами терморегулирования 4 и сброса тепла 10 и 12, высокотемпературный электролизер 1 и догреватель водяного пара 14 соединены теплопроводами 15 с источником высокопотенциального тепла ВТГР.
Claims (1)
- Установка для получения водорода термоэлектрохимическим разложением воды, включающая батарею топливных элементов, блок питания, управления и регулирования, систему терморегулирования батареи топливных элементов, резервуар для воды, насос подачи воды, теплопроводы подачи тепла и трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям, отличающаяся тем, что содержит высокотемпературный электролизер, соединенный трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей через рекуперативный теплообменник, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза и теплообменник нагрева и испарения воды со входом батареи топливных элементов, а выход батареи топливных элементов через циркуляционные насосы соединен со входом высокотемпературного электролизера, резервуар для воды через насос подачи воды, теплообменник нагрева и испарения воды и догреватель водяного пара соединен со входом высокотемпературного электролизера, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей на входе в батарею топливных элементов соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям, а конденсатор-охладитель соединен с резервуаром для воды, батарея топливных элементов, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза и конденсатор-охладитель снабжены системами терморегулирования и сброса тепла, высокотемпературный электролизер и догреватель водяного пара соединены теплопроводами с источником высокопотенциального тепла.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2812904C1 true RU2812904C1 (ru) | 2024-02-05 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2040328C1 (ru) * | 1991-11-27 | 1995-07-25 | Михаил Семенович Дронов | Установка для получения водорода термохимическим разложением воды |
| SU1699062A1 (ru) * | 1989-10-25 | 1996-02-27 | Научно-производственное объединение "Оптика" | Установка для получения водорода термохимическим разложением воды |
| RU2389540C1 (ru) * | 2008-08-19 | 2010-05-20 | ГОУВПО "Брянский государственный технический университет" | Установка для получения водорода термохимическим разложением воды |
| RU2497748C1 (ru) * | 2012-05-03 | 2013-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Способ получения водорода |
| JP2016035924A (ja) * | 2011-04-05 | 2016-03-17 | ブラックライト パワー インコーポレーティド | Ｈ２ｏベース電気化学的水素−触媒パワーシステム |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1699062A1 (ru) * | 1989-10-25 | 1996-02-27 | Научно-производственное объединение "Оптика" | Установка для получения водорода термохимическим разложением воды |
| RU2040328C1 (ru) * | 1991-11-27 | 1995-07-25 | Михаил Семенович Дронов | Установка для получения водорода термохимическим разложением воды |
| RU2389540C1 (ru) * | 2008-08-19 | 2010-05-20 | ГОУВПО "Брянский государственный технический университет" | Установка для получения водорода термохимическим разложением воды |
| JP2016035924A (ja) * | 2011-04-05 | 2016-03-17 | ブラックライト パワー インコーポレーティド | Ｈ２ｏベース電気化学的水素−触媒パワーシステム |
| RU2497748C1 (ru) * | 2012-05-03 | 2013-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Способ получения водорода |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gorensek et al. | Hybrid sulfur flowsheets using PEM electrolysis and a bayonet decomposition reactor | |
| Quandt et al. | Concept and design of a 3.5 MW pilot plant for high temperature electrolysis of water vapor | |
| Ying et al. | Experimental study and development of an improved sulfur–iodine cycle integrated with HI electrolysis for hydrogen production | |
| Lee et al. | Development of a flowsheet for iodine–sulfur thermo-chemical cycle based on optimized Bunsen reaction | |
| US3080442A (en) | Apparatus and process for the conversion of heat to electricity | |
| CN113278987B (zh) | 一种soec和ael电解耦合固体循环储放氢系统 | |
| KR20110048747A (ko) | 고온가스냉각로 기반의 전기, 수소 및 담수의 통합 생산 방법 | |
| KR101314238B1 (ko) | 원자력 발전 설비, 수전해 설비 및 연료전지 발전 설비와 연계된 고온증기 전기분해 장치를 이용한 수소 생산 시스템 | |
| Ling et al. | Introduction and preliminary testing of a 5 m3/h hydrogen production facility by Iodine–Sulfur thermochemical process | |
| CN114623608B (zh) | 一种用于多联产的聚光光伏热系统 | |
| Cumpston et al. | Design of 24/7 continuous hydrogen production system employing the solar-powered thermochemical S–I cycle | |
| CN113153676A (zh) | 一种利用温差能发电的方法及发电系统 | |
| RU2812904C1 (ru) | Установка для получения водорода термоэлектрическим разложением воды | |
| Richards et al. | H2-MHR pre-conceptual design summary for hydrogen production | |
| KR101450343B1 (ko) | 수소 생성을 위한 이중 압력 하이브리드 유황 분해방법 | |
| Wang et al. | Conceptual design of lead cooled reactor for hydrogen production | |
| Jeong et al. | Optimization of the hybrid sulfur cycle for hydrogen generation | |
| Jeong et al. | Optimization of the hybrid sulfur cycle for nuclear hydrogen generation | |
| Chikazawa et al. | A system design study of a fast breeder reactor hydrogen production plant using thermochemical and electrolytic hybrid process | |
| Lahoda et al. | Estimated costs for the improved HyS flowsheet | |
| KR101063345B1 (ko) | Ｖｈｔｒ 연계된 황-하이브리드 공정에 의한 수소의 제조 방법 | |
| JP2007106656A (ja) | 水素製造装置および水素製造方法 | |
| CN112467181B (zh) | 一种利用HBr的合成与分解循环发电的系统及方法 | |
| CN114990583B (zh) | 一种基于镁-氯热化学循环的太阳能制氢系统 | |
| CN219489612U (zh) | 一种基于硝酸-氨水体系的化学储能系统 |