Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в стационарных и транспортных энергоустановках (ЭУ), включающих в свой состав электрохимические генераторы (ЭХГ), использующие в качестве компонентов топлива водород и воздух. Суть предлагаемого решения состоит в том, что вместо специального вещества, поглощающего CO₂ из воздуха, в установке используется отработанный раствор, вырабатываемый в процессе функционирования самой ЭУ. При этом используется не адсорбция (то есть поверхностное связывание CO₂), а абсорбция газа (то есть объемное поглощение) в растворе щелочи, часто используемая в промышленности. При этом возможно достичь необходимой степени очистки газа. Предлагаемое техническое решение позволяет создать водородо-воздушную ЭУ со щелочными ТЭ без использования специальных средств очистки воздуха (и водорода), что очевидно увеличит ресурс работы установки, снизит ее объемно-весовые характеристики и упростит ее эксплуатацию. 2 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в стационарных и транспортных энергоустановках (ЭУ), включающих в свой состав электрохимические генераторы (ЭХГ), использующие в качестве компонентов топлива водород и воздух.

Одним из главных отличий подобных ЭУ является способ обеспечения ЭХГ водородом. Последний может либо храниться (в сжатом, либо в сжиженном виде, в интерметаллидах т.д.), либо генерироваться в процессе работы ЭУ. В последнем случае зачастую используется гидролиз легких металлов и их гидридов (например, литий, алюминий и др.) в воде или водном растворе щелочей (NaOH) [1]. Некоторые из подобных систем предполагается использовать для транспорта [2-4]. Данные установки кроме гидролизных генераторов водорода и ЭХГ включает в себя обычно систему подачи (и очистки) водорода, система загрузки реагентов в генератор водорода и удаления оттуда продуктов реакции, систем терморегулирования и систему управления.

Упомянутые технические решения [2-4] приняты в данном случае за аналог и предназначены для работы на чистом кислороде и не способны использовать атмосферный воздух. Последнее обусловлено тем, что реально применяемыми ЭХГ в настоящее время являются ЭХГ с топливными элементами щелочного типа. Их использование требует специальной очистки воздуха от углекислого газа, для чего в данных ЭУ отсутствуют соответствующие средства.

Более близким к предлагаемому решению является «Установка для получения тепла и электричества из отходов алюминия» [5]. В ней водородовоздушный ЭХГ питается водородом, получаемым в генераторе водорода, работающем на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи. Система подачи водорода включает интерметаллидный блок, позволяющий очищать и накапливать водород. Работой генератора водорода и системой его подачи управляет специальный блок управления.

Недостатком прототипа является то, что при использовании в ЭХГ щелочных топливных элементов (ТЭ) потребляемый воздух необходимо очищать от углекислого газа. Обычная концентрация СО₂ в воздухе составляет 300÷400 ppm в то время как для щелочных ТЭ эта величина не должна превышать значение ˜ 10 ppm. Углекислый газ способствует карбонизации электричества в ТЭ, что существенно сокращает его срок службы.

Для очистки воздуха от СО₂ применяются обычно адсорбенты, которые регулярно заменяются и регенерируются [6]. Это усложняет эксплуатацию ЭУ и приводит к увеличению размеров установки. Кроме того, любой твердый адсорбент имеет предельное количество циклов регенерации, что ограничивает его срок службы.

Задачей предлагаемого решения является кардинальное решение «проблемы адсорбента» для водородовоздушных ЭУ со щелочными ТЭ, то есть решение, позволяющее вообще отказаться от использования в таких ЭУ специальных веществ, поглощающих CO₂ из воздуха.

Задача решается тем, что в энергоустановку с водородовоздушным электрохимическим генератором, содержащую электрохимический генератор со щелочными топливными элементами, по крайней мере, один генератор водорода, работающий на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи, систему подачи водорода, систему подачи воздуха и систему управления введена, по крайней мере, одна теплоизолированная емкость с жидкими продуктами гидролиза, гидравлически соединенная с генератором водорода магистралью с отсечным клапаном и снабженная сливным клапаном, дренажным клапаном и датчиком уровня жидкости, при этом выход системы подачи воздуха магистралью с разделительным клапаном подключен к нижней части емкости с жидкими продуктами гидролиза, вход электрохимического генератора по воздуху пневматически сообщается с воздушной подушкой этой емкости, а все клапаны и датчик уровня жидкости подключены к системе управления энергоустановкой.

Суть предлагаемого решения состоит в том, что вместо специального вещества, поглощающего CO₂ из воздуха, в установке используется отработанный раствор, вырабатываемый в процессе функционирования самой ЭУ. При этом используется не адсорбция (то есть поверхностное связывание СО₂), а абсорбция газа (то есть объемное поглощение) в растворе щелочи, часто используемая в промышленности. При этом возможно достичь необходимой степени очистки газа [7].

При генерировании водорода гидролизом алюминия в водном растворе щелочи (например, NaOH), в отработанном растворе содержится исходная щелочь (NaOH) и алюминат натрия (NaAlO₂) [5]. При неблагоприятных условиях (например, если щелочи недостаточно) может образоваться также плохо растворимая гидроокись алюминия (Al(ОН)₃). Все эти вещества имеют щелочную реакцию и способны связывать углекислый газ в соответствии с уравнениями:

Таким образом, раствор, отработанный в ЭУ с гидролизной системой получения водорода, может служить для очистки воздуха от углекислоты. При этом, как видно из уравнений (1-3) по молярному соотношению, емкость такого раствора по углекислоте весьма высока.

Важно отметить также, что в отличие от ЭУ, имеющих в своем составе адсорберы, в предлагаемом решении поглощающий СО₂ раствор обновляется в процессе работы установки, что предотвращает насыщение раствора углекислотой и нерастворимыми карбонатами. Это упрощает обслуживание установки и увеличивает длительность ее непрерывной работы. Из емкости с жидкими продуктами реакции, через которые проходит воздух, излишки раствора могут периодически или постоянно удаляться через сливной клапан. В предлагаемом решении, кроме того, поглощающий раствор накапливается в теплоизолированной емкости. Таким образом, температура отработанного раствора сохраняется повышенной, поскольку его температура в генераторе водорода достаточно высокая (до 250°С). Экспериментальная проверка поглощающей способности отработанного раствора алюмината натрия (полученного при гидролизе алюминия в растворе едкого натра), проведенная авторами, показала, что способность отработки поглощать углекислый газ существенно увеличивается с повышением температуры отработанного раствора (фиг.1). В связи с этим нецелесообразно допускать охлаждение отработанного в генераторе раствора.

Принципиальная схема установки дана на фиг.2, где обозначено:

1 - генератор водорода, работающей на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи;

2 - система подачи водорода;

3 - ЭХГ со щелочными ТЭ;

4 - система подачи воздуха;

5 - разделительный клапан;

6 - теплоизолированная емкость с жидким продуктом гидролиза;

7 - клапан слива;

8 - дренажный клапан;

9 - датчик уровня жидкости;

10 - отсечной клапан.

В рассматриваемой схеме ЭХГ (3) снабжается водородом от системы подачи водорода (2), которая может включать в свой состав средства очистки газа, арматуру и т.д. Система подачи водорода (2) в свою очередь подключена к генератору водорода (1), работающему на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи. Последний соединен через отсечной клапан (10) с теплоизолированной емкостью с жидким продуктом гидролиза (6), которая снабжена датчиком уровня жидкости (9), клапаном слива (7) и дренажным клапаном (8).

Воздушная подушка емкости с жидким продуктом гидролиза (6) пневматически соединена с входом ЭХГ (3) по воздуху, который подается в емкость (6) системой подачи воздуха (4). Последняя может включать в себя фильтр, компрессор и т.п. и через разделительный клапан (5) сообщается с нижней частью емкости с жидким продуктом гидролиза (6).

Работает установка следующим образом.

На стационарном режиме работы емкость с жидким продуктом гидролиза (6) заполнена отработанным раствором до заданного уровня, который контролируется датчиком уровня жидкости (9). Этот уровень не должен быть излишне большим (чтобы в емкости с жидким продуктом гидролиза (6) сохранялась воздушная подушка) и не может быть слишком малым, поскольку при малой глубине раствора не весь СО₂ успеет в нем поглотиться. Давление в воздушной подушке приблизительно равно давлению на выходе системы подачи воздуха (4). Дренажный клапан (8), клапан слива (7) и отсечной клапан (10) закрыты.

Водород из генератора водорода (1), работающего на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи, поступает в ЭХГ (3) через систему подачи водорода (2), где он может очищаться, частично накапливаться, сжиматься и т.д.). Одновременно система подачи воздуха (4) подает атмосферный воздух в нижнюю часть теплоизолированной емкости с горячим жидким продуктом гидролиза (6). Проходя через отработанный раствор, воздух теряет содержащийся в нем углекислый газ (реакции (1)-(3)) и попадает в воздушную подушку этой емкости, откуда и поступает в ЭХГ (3). При этом наличие небольшого количества щелочи в этом воздухе (как, впрочем, и в водороде) не играет роли, поскольку ЭХГ (3) имеет щелочные ТЭ.

Таким образом, обеспечивается работа ЭХГ (3) на компонентах, которые не отравляют ТЭ.

После выработки компонентов в генераторе водорода (1), работающем на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи, сливают отработанный раствор из емкости с жидким продуктом гидролиза (6) и наполняют ее свежей и горячей отработкой из генератора водорода (1), открывая отсечной клапан (10). Разделительный клапан (5) при этом закрыт, и воздух в ЭУ не поступает. Установка находится в режиме «перезарядки».

После слива отработки из генератора водорода (1) и получения необходимого уровня отработки в емкости с жидким продуктом гидролиза (6) открывают дренажный клапан (8), и давление в этой емкости падает до атмосферного. После этого емкость с жидким продуктом гидролиза (6) снова изолируется от атмосферного воздуха и генератора водорода (1). Последний загружается свежими реагентами, и установка снова готова к работе.

Следует отметить, что описанный «периодический» режим работы ЭУ можно заменить непрерывным, если использовать не один, а несколько генераторов водорода, работающих поочередно и имеющих свои емкости с жидким продуктом гидролиза.

Кроме того, генератор водорода (1), работающий на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи и емкость с жидким продуктом гидролиза (6) могут быть объединены в одном корпусе и иметь между собой прямой тепловой контакт. Такой агрегат может быть также сменным элементом ЭУ.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать водородовоздушную ЭУ со щелочными ТЭ без использования специальных средств очистки воздуха (и водорода), что очевидно увеличит ресурс работы установки, снизит ее объемно-весовые характеристики и упростит ее эксплуатацию.

Литература

1. «Техническая энциклопедия» под ред. Мартека, т.8, стр. 102, 103. Главная ред. тех. энциклопедией и словарей, Москва, ОНТИ, 1937 г.

2. Пат. США 5372617, 1994 г.

3. Пат. США 6.063.515, 2000 г.

4. Пат. США 2.181.331, 2002 г.

5. Пат. США 4.218.620, 1980 г.

6. Пат. США 5.595.949, 1997 г.

7. «Кислород. Справочник», часть 1 под ред. Д.Л.Глизманенко, изд. «Металлургия», Москва, 1967, стр.158.

Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором, содержащая электрохимический генератор со щелочными топливными элементами, по крайней мере, один генератор водорода, работающий на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи, систему подачи водорода, систему подачи воздуха и систему управления, отличающаяся тем, что в состав энергоустановки введена, по крайней мере, одна теплоизолированная емкость с жидкими продуктами гидролиза, гидравлически соединенная с генератором водорода магистралью с отсечным клапаном и снабженная сливным клапаном, дренажным клапаном и датчиком уровня жидкости, при этом выход системы подачи воздуха магистралью с разделительным клапаном подключен к нижней части емкости с жидкими продуктами гидролиза, вход электрохимического генератора по воздуху пневматически сообщен с воздушной подушкой этой емкости, а все клапаны и датчик уровня жидкости подключены к системе управления энергоустановки.