Способ эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора и устройство реализации способа

Изобретение относится к области источников питания постоянного тока, а именно к системам энергопитания постоянного тока, работающим на водороде и кислороде. Согласно изобретению способ эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора (ЭХГ) включает запуск энергоустановки и ее работу на стационарном режиме с испарением жидкого метанола и воды, получением водорода и углекислоты за счет химического соединения паров метанола с парами воды, последующим химическим соединением полученного водорода с кислородом с образованием паров воды и тепла и сброс воды и углекислоты в окружающую среду. При работе энергоустановки на стационарном режиме жидкий метанол испаряют теплотой химической реакции соединения водорода с кислородом в ЭХГ, а пары воды, образовавшиеся в результате этой химической реакции, направляют на реакцию с парами метанола для получения водорода. Устройство для реализации этого способа эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора содержит резервуар хранения метанола и последовательно соединенные паровой риформер, блок разделения газов с магистралью сброса углекислоты и электрохимический генератор с магистралями сброса тепла и продуктов реакции. В состав устройства введен контур прокачки метанола, содержащий последовательно соединенные электрохимический генератор, подключенный через магистраль сброса тепла, насос, теплообменник-ожижитель и регулятор расхода паров метанола; кроме того, в устройство введены газовый теплообменник, а также контур прокачки водяного пара, содержащий последовательно соединенные электрохимический генератор, подключенный через вход - по водороду и магистраль сброса продуктов реакции, теплообменник-водоотделитель с магистралью сброса продуктов реакции, теплообменник-водоотделитель с магистралью сброса воды, вентилятор, паровой риформер и газовый теплообменник, при этом вход парового риформера через газовый теплообменник подключен к регулятору расхода паров метанола, а резервуар хранения метанола подсоединен к контуру прокачки метанола между теплообменником-ожижителем и насосом. Техническим результатом изобретения является существенное снижение энергозатрат на собственные нужды, повышение КПД, улучшение массогабаритных характеристик установки, упрощение ее конструкции. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области источников питания постоянного тока, а именно к системам энергопитания постоянного тока, работающим на водороде и кислороде.

Известен способ эксплуатации энергоустановки (ЭУ) на основе электрохимического генератора (ЭХГ), включающий химическое соединение водорода с кислородом с образованием воды и тепла, которое сбрасывается в окружающую среду [1]. Соответствующая ЭУ, реализующая этот способ, содержит ЭХГ, блоки хранения водорода и кислорода, соединенные с ЭХГ, контур циркуляции водорода [1]. Отвод воды осуществляется циркуляцией теплоносителя - электролита. Данное техническое решение выбрано в качестве аналога предлагаемому.

Недостатком этого способа эксплуатации ЭУ с ЭХГ и устройства для его осуществления является повышенная пожаровзрывоопасность, обусловленная постоянным присутствием в установке водорода. Кроме того, хранение значительных количеств водорода в относительно небольших энергоустановках связано со значительными техническими трудностями (необходимы баллоны высокого или сверхвысокого давления, криогенные емкости и др.) и зачастую ограничено по времени.

Более близким по своей сути является способ эксплуатации ЭУ с кислородо-водородным ЭХГ, принятый за прототип [2] и использующий химически связанное хранение водорода - в виде метанола. Данный способ включает в себя испарение жидких метанола и воды, получение водорода за счет химической реакции полученных паров (паровой риформинг метанола), а также последующее химическое соединение водорода и кислорода с получением электричества, воды и тепла.

Устройство для эксплуатации ЭУ с ЭХГ, реализующее этот способ, [2] содержит ЭХГ с магистралью сброса тепла, магистралями подачи кислорода и водорода и магистралью сброса воды, блок хранения метанола, насос и топливный конвертор (риформер), подстыкованный к штуцеру подачи водорода ЭХГ.

В отличие от аналога [1] в данном техническом решении водород не хранится в установке и используется в топливном элементе (ТЭ) сразу после генерирования, что существенно повышает пожаровзрывобезопасность (ПВБ) установки. Помимо этого, хранение метанола, в отличие от хранения водорода, не представляет трудностей и практически не ограничено по времени.

Недостатком прототипа (как способа, так и устройства) является невысокий КПД, связанный с неэффективным переносом тепла от ЭХГ к другим агрегатам и сжиганием водорода. Как и в аналоге [1], в прототипе [2] передача тепла от ЭХГ производится с помощью системы терморегулирования (СТР) с жидким теплоносителем. В большинстве случаев таким носителем является специальная жидкость с широким рабочим диапазоном температур (например, тосол). Кроме того, существует вторая СТР для работы риформера за счет тепла дожигания водорода. При этом во всех случаях теплопередача осуществляется через стенки теплообменников. Эффективность такой системы переноса тепла невысока (особенно при небольшой разнице температур агрегатов), а энергозатраты на циркуляцию теплоносителя значительны. Кроме того, часть полученного водорода сжигают в дожигателе.

Все это увеличивает энергозатраты на собственные нужды ЭУ и уменьшает ее КПД.

Задачей предлагаемого технического решения является создание способа эксплуатации ЭУ с ЭХГ и устройства для его реализации, которые при повышенной ПВБ характеризовались бы следующими свойствами:

- повышение эффективности (КПД) преобразования химической энергии в электрическую;

- упрощение способа теплообмена между агрегатами ЭУ и упрощенная СТР;

- повышение надежности функционирования;

- сокращение числа рабочих компонентов ЭУ.

Задача решается тем, что при способе эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора, включающем испарение жидкого метанола, получение водорода за счет химического соединения паров метанола с парами воды, затем химическое соединение полученного водорода с кислородом с образованием паров воды и тепла, жидкий метанол испаряют в ЭХГ теплотой электрохимической реакции соединения водорода с кислородом, а пары воды, образовавшиеся в результате этой реакции, направляют на реакцию с парами метанола для получения водорода.

Устройство реализации этого способа эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора содержит резервуар хранения метанола, насос для его подачи и последовательно соединенные паровой риформер, блок разделения газов с магистралью сброса углекислоты и электрохимический генератор с магистралью сброса тепла и магистралью сброса продуктов реакции, причем в него введены газовый теплообменик, установленный между паровым риформером и блоком разделения газов, теплообменник-ожижитель и регулятор расхода паров метанола, соединенный со входом парового риформера через газовый теплообменник, при этом сформирован контур прокачки метанола, содержащий последовательно соединенные насос, электрохимический генератор, подключенный через магистраль сброса тепла, регулятор расхода паров метанола и теплообменник-ожижитель; кроме того, в устройство введен теплообменник-влагоотделитель с магистралью сброса воды, подключенный к магистрали сброса продуктов реакции из электрохимического генератора, при этом на входе теплообменника-влагоотделителя установлен вентилятор, сообщающийся с входом парового риформера.

Суть предлагаемого способа состоит в том, что на стационарном режиме работы в качестве теплоносителя, охлаждающего ЭХГ, используется рабочий реагент ЭУ - метанол. Именно он подходит для этого, поскольку при рабочем давлении ЭХГ (~3 ати) метанол кипит при температуре несколько меньшей, чем рабочая температура генератора (в отличие от воды). Это позволяет использовать для охлаждения ЭХГ кипение жидкости (метанола). При этом удельная теплота испарения метанола, хотя и вдвое меньше теплоты испарения воды, достаточно большая по сравнению с другими органическими жидкостями.

Полученные в ЭХГ пары метанола частично направляют на реакцию парового риформинга, попутно нагревая их дополнительно горячим синтез-газом, выходящим из риформера. Таким образом, пары метанола приобретают температуру, необходимую для химической реакции. Оставшиеся пары метанола ожижают и снова направляют в магистраль отвода тепла ЭХГ. Таким образом осуществляется циркуляция метанола в замкнутом контуре с отводом паров в риформер на реакцию.

Пары воды, образующиеся в ЭХГ в результате реакции водорода и кислорода, также, не конденсируя, полностью направляют на реакцию парового риформинга. Избыток воды конденсируют и сбрасывают в окружающую среду. Таким образом, циркуляция водяного пара также происходит по замкнутому контуру со сбросом излишков воды в окружающую среду.

Предлагаемый способ при данной схеме ЭУ осуществляется следующим образом. После запуска энергоустановки жидкий метанол направляют в ЭХГ (4), где он испаряется, и его пары направляют на реакцию парового риформинга. По пути пары дополнительно подогревают горячими продуктами этой реакции - смесью водорода и углекислого газа (в газовом теплообменнике).

Данную газовую смесь (синтез-газ) разделяют по компонентам, и углекислый газ выбрасывают в окружающую среду. Водород же направляют на электрохимическую реакцию с кислородом, а образующиеся при этом пары воды также направляют на паровой риформинг метанола, по пути частично выделяя из нее воду. Таким образом, при работе установки функционируют два циркуляционных контура - с метанолом и с водой, при этом и метанол и вода циркулируют в контурах с измерением своего агрегатного состояния (испаряясь и конденсируясь).

Для реализации данного способа разработана установка, блок-схема которой приведена на чертеже, где обозначено:

1 - паровой риформер;

2 - газовый теплообменник;

3 - блок разделения газов (БРГ);

4 - ЭХГ;

5 - магистраль сброса тепла;

6 - магистраль сброса продуктов реакции;

7 - магистраль сброса углекислоты;

8 - насос;

9 - теплообменник-ожижитель;

10 - регулятор расхода паров метанола;

11 - резервуар хранения метанола;

12 -теплообменник-влагоотделитель;

13 - вентилятор.

Вход ЭХГ (4) по водороду подключают к выходу по водороду блока разделения газов (3), магистраль сброса продуктов реакции (6) через теплообменник-влагоотделитель (12) и вентилятор (13) соединяют с входом парового риформера (1). Вход парового риформера через газовый теплообменник (2) подключают также к выходу регулятора расхода паров метанола (10). Второй выход этого регулятора (10) соединяют через теплообменник-ожижитель (9) с насосом (8). Вход этого насоса подключают также к резервуару хранения метанола (11).

Выход насоса (8) соединяют со входом магистрали сброса тепла (5), а выход этой магистрали соединяют со входом регулятора расхода паров метанола (10), в результате чего образуется замкнутый контур прокачки метанола через ЭХГ.

Устройство реализует способ следующим образом. На стационарном режиме работы насос (8) прокачивает жидкий метанол по магистрали сброса тепла (5) ЭХГ (4) по контуру, в который кроме насоса (8) и магистрали сброса тепла (5) входят регулятор расхода паров метанола (10) и теплообменник-ожижитель (9). Циркулируя в этом контуре, метанол испаряется в ЭХГ (4), часть пара поступает затем в паровой риформер (1), а оставшийся пар конденсируется в теплообменнике-ожижителе (9) и снова перекачивается насосом (8) на охлаждение ЭХГ (4). Подкачка жидкости в контур производится из резервуара хранения метанола (11).

Оставшийся пар метанола из ЭХГ (4) через регулятор расхода паров метанола (10) поступает в паровой риформер (1), предварительно подогретый в газовом теплообменнике (2) смесью газов, выходящих из парового риформера (1), при этом температура паров метанола практически достигает необходимого для реакции уровня. Получаемая в паровом риформере (1) смесь газов через газовый теплообменник (2) поступает в блок разделения газов (3), где из газовой смеси выделяется водород, а углекислый газ выбрасывается в окружающую среду по магистрали сброса углекислоты (7). Выделенный в блоке разделения газов (3) водород направляется в ЭХГ (4) для реакции с кислородом. Получаемый при этом водяной пар направляют в паровой риформер (1) после отделения части воды в теплообменнике-влагоотделителе (12). Побудителем расхода в контуре водяного пара является вентилятор (13).

В предлагаемом способе эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора и устройстве, его реализующем, положительный эффект на стационарном режиме работы достигается за счет следующих основных факторов:

1. За счет более эффективного способа отвода тепла от ЭХГ - используется не только теплоемкость теплоносителя, но и его испарение;

2. За счет более эффективного способа отдачи тепла реагенту - тепло передается вместе с самим теплоносителем, который одновременно является и реагентом;

3. За счет оптимального использования продуктов реакции в ЭХГ - паров воды, которые без промежуточной конденсации направляются в риформер.

Это позволяет в стационарном режиме существенно снизить энергозатраты на собственные нужды ЭУ, т.е. повысить ее КПД, улучшить массогабаритные характеристики установки, упростить ее конструкцию за счет уменьшения числа рабочих компонентов (так как в качестве теплоносителя СТР используется энергоноситель) и сделать установку более надежной. При этом ПВБ установки не ухудшается.

Таким образом, поставленная задача решается созданием такого способа эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора и устройства, его реализующего, в которых:

- теплообмен между ЭХГ и риформером ЭУ осуществлялся бы не только за счет теплопередачи в теплоноситель, но и за счет испарения последнего (известно, что испарение для съема тепла гораздо эффективнее теплопередачи);

- снижение числа рабочих компонентов ЭУ достигается тем, что в качестве теплоносителя для охлаждения ЭХГ используется один из расходуемых реагентов ЭУ, а именно - метанол, температура кипения которого (при рабочем давлении в ЭХГ) несколько меньше рабочей температуры ЭХГ (Т_эхг≈90° С; Р_эхг≈3 ати), в связи с чем при прохождении через ЭХГ метанол будет испаряться.

Кроме того, пары воды, образующиеся в ЭХГ при химической реакции между кислородом и водородом, также используются в реакции парового риформинга метанола. Это также увеличивает КПД ЭУ и ее надежность. Упрощается и ее обслуживание, поскольку упрощается схема.

Предложенные меры позволяют существенно снизить энергозатраты на собственные нужды ЭУ, т.е. повысить ее КПД, улучшить массогабаритные характеристики установки, упростить ее конструкцию за счет уменьшения числа рабочих компонентов, так как в качестве теплоносителя СТР используется энергоноситель, и сделать установку более надежной. При этом ПВБ установки не ухудшается.

Список используемой литературы

1. Н.В.Коровин. “Электрохимические генераторы”, “Энергия”, М. 1974 г., стр.106-109.

2. Патент США №6063515, 2000 г.

1. Способ эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора, включающий запуск энергоустановки и ее работу на стационарном режиме с испарением жидкого метанола и воды, получением водорода и углекислоты за счет химического соединения паров метанола с парами воды, последующим химическим соединением полученного водорода с кислородом с образованием паров воды и тепла, и сброс воды и углекислоты в окружающую среду, отличающийся тем, что при работе энергоустановки на стационарном режиме жидкий метанол испаряют в электрохимическом генераторе теплотой электрохимической реакции соединения водорода с кислородом, а пары воды, образовавшиеся в результате этой реакции, направляют на реакцию с парами метанола для получения водорода.

2. Устройство реализации способа эксплуатации энергоустановки на основе электрохимического генератора, содержащее резервуар хранения метанола, насос для его подачи и последовательно соединенные паровой риформер, блок разделения газов с магистралью сброса углекислоты и электрохимический генератор с магистралью сброса тепла и магистралью сброса продуктов реакции, отличающееся тем, что в него введен газовый теплообменник, установленный между паровым риформером и блоком разделения газов, теплообменник-ожижитель и регулятор расхода паров метанола, соединенный со входом парового риформера через газовый теплообменник, при этом сформирован контур прокачки метанола, содержащий последовательно соединенные насос, электрохимический генератор, подключенный через магистраль сброса тепла, регулятор расхода паров метанола и теплообменник-ожижитель; кроме того, в устройство введен теплообменник-влагоотделитель с магистралью сброса воды, подключенный к магистрали сброса продуктов реакции из электрохимического генератора, при этом на выходе теплообменника-влагоотделителя установлен вентилятор, сообщающийся с входом парового риформера.