Энергетическая установка замкнутого цикла с твердополимерными топливными элементами
CLOSED-CYCLE POWER PLANT WITH SOLID POLYMER FUEL CELLS

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.
2
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 (О).
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».
2
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 (СО) 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.
2
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 (СО) направляется на сжигание в горелочное устройство камеры сгорания.
ЭУ ЗЦ с ТПТЭ работает следующим образом.
2
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 (NaO). 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:
2
2
2
1,85
2
2
2
В результате эндотермической реакции {2} образуется синтез-газ-смесь Н и СО, которая поступает в диффузионный отделитель водорода (11) с палладиевой мембраной, которая пропускает H 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 СО. Продуктами полного сгорания дизельного топлива CH являются СО и пары HO. 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 CO по реакции:
2
3
2
Далее газожидкостная смесь поступает в сепаратор-отделитель (8), где из нее отделяется твердая и жидкая фазы (смесь NaCO, HO 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.