УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к энергетике, в частности к устройствам для получения электроэнергии из углеродсодержащего сырья, включая метан, спирты и продукты ферментации,и может быть использована в различных отраслях промышленности, науки и техники, включая водородную энергетику.
Известна установка для получения особо чистого водорода (Пат. РФ №2085476, МПК6 C01B 3/32; C01B 3/56, опубл. 27.07.97 г.), включающая блок сероочистки, смеситель, конвертор природного газа, состоящего практически из одного метана, содержащий катализатор и инертный материал на основе диоксида циркония, конвертор оксида углерода, блок выделения воды и диоксида углерода, диффузионный (мембранный) аппарат с палладиевой мембраной, а также компрессор, установленный после конвертора диоксида углерода. Блок выделения воды и диоксида углерода выполнен в виде низкотемпературного отделителя жидкости и холодильной машины для вымораживания диоксида углерода. Диффузию водорода осуществляют через палладиевую мембрану.
3
3
Известная установка сложна в аппаратурном исполнении, и имеет ограниченный выход целевого продукта - особо чистого водорода (ОЧВ), - не превышающий 98 об.% (или 0,98 м водорода на 1 м сырья - смеси водяного пара и метана).
Известна установка получения электроэнергии, включающаяреформер с циклами давлений, с одним или множеством слоев катализаторов, в который подают углеводородсодержащее сырье, такое, как бензин, и пар, конвертор углеводородсодержащего сырья в синтез-газ, и твердооксидный топливный элемент с возможностью получения на нем электроэнергии из полученного синтез-газа, причем анод топливного элемента с температурой 400-1000 °Ссоединен с конвертером (см., патент США №7875402 B2, кл. H01M 8/04, H01M 8/10, H01M 8/24, опубл. 25.01.2011).
2
2
2
4
Однако эта установка малоэффективна из-за низкого качества получаемого синтез-газа, который содержит CO, CO, H и HO и неконвертированный CH, количество которого может доходить до 15%.
Известна установка для получения электроэнергии, включающаяпаровой конвертер углеводорода из природного газа или метанола в высокочистый водород, включенный в твердооксидный топливный элемент для получения электроэнергии из полученного водорода, где паровой конвертервключает мембрану из палладийсодержащего сплава на поверхности инертного пористого вещества (см., заявку Японии №08-321321 A, кл. H01M 8/06, C01B 3/38, C01B 3/50, опубл. 03.12.1996).
2
Недостатком известного решения является необходимость транспортировки отделенного от высокочистого водорода газа, содержащего CO, CO, небольшое количество водорода и водяного пара для его дальнейшего применения в качестве отдельного (низкокачественного) горючего.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является устройство для получения электроэнергии, включающее камеру смешения метана с конвертирующим газом (воздух, вода) с получением смеси водорода и CO в присутствии гранулированного катализатора и твердооксидные топливные элементы, соединенные непосредственно с камерой, причем камера ограничена сверху перфорированной пластиной, в углубления которой вставлены топливные элементы, имеющие электроды с твердым электролитом на основе диоксида циркония для электрохимического окисления водорода и CO до воды и углекислого газа с получением электрической энергии (патент РФ №2027258 C1, кл. H01M 8/12, опубл. 20.01.1995).
Недостатком прототипа является то, что устройство не является автономным, мобильным.
Одной из основных проблем энергетики является обеспечение автономными источниками электроэнергии различных локальных объектов для поддержания жизнедеятельности и жилых домов в отдаленных районах с различными природными условиями.
Задача предлагаемой полезной модели заключается в разработке устройства для получения электроэнергии, способного работать автономно и быть мобильным, что позволит использовать его в отдаленных районах севера, на объектах временного содержания, на водном и наземном локомотивном транспорте, в том числе на заводах по производству этанола, получаемом путем брожения органической массы.
Поставленная задача решается тем, что предложено устройство для получения электроэнергии, содержащее конвертер для каталитической конверсии углеродсодержащего сырья с водяным паром для получения синтез-газа и твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), непосредственно соединенный с паровым конвертером, в котором используют мембранный каталитический конвертер (МКК), мембрана которого выполнена из пористого керамического каталитического модуля, имеющего следующий состав, 50% масс. никеля и 50% масс. кобальта.
3
На внутреннюю поверхность каналов пористого керамического каталитического модуля указанного устройства с целью работы при большой производительности по синтез-газу, превышающей 100000 л синтез-газа/дмчас, может быть нанесен буферный слой оксида титана, а затем каталитически активный компонент, включающий Mn в количестве 0,05% масс, по отношению к массе модуля.
Сущность полезной модели поясняется рабочим эскизом (фиг.1) где представлена принципиальная схема устройства для получения электроэнергии с использованием в качестве конвертера для каталитической конверсии сырья мембранно-каталитического конвертера (МКК), соединенного с твердооксидным топливным элементом (ТОТЭ).
На фигуре позициями обозначены: 1 - Оболочка электрогенерирующего канала; 2 - МКК; 3 - ТОТЭ; 4 - пористый контакт; 5 - изолятор; 6 - выравнивающая диафрагма; 7 - промежуточный газовый коллектор; 8 - коллектор выходных анодных газов; 9 - коллектор выходных катодных газов; 10 - канал подачи водно-спиртового раствора на паровую конверсию для генерации синтез-газа; 11 - канал подачи атмосферного воздуха, необходимого для работы ТОТЭ.
Устройство работает следующим образом: из дозатора (на фигуре не показан) по каналу 10 подаются пары водноспиртового раствора или смесь метана с парами воды, взятых в заданном соотношении. Углеродсодержащее сырье, проходя через поры стенки каталитической мембраны МКК 2, превращается в синтез-газ, направляемый в ячейки топливного элемента 3. В топливном элементе во время работы синтез-газ окисляется кислородом атмосферного воздуха, подаваемым через канал 11. В период запуска используется 20% об. от всего расхода сырья. После выхода на режим (T 800-850°C) устанавливается необходимый расход, указанный в таблице 1, обеспечивающий получение электроэнергии мощностью 60 Вт.
Пример 1.
Для получения электроэнергии устройство работает, как описано выше, и в нем используют мембрану из пористого керамического каталитического модуля, состава 50% масс. никеля и 50% масс. кобальта, а в качестве углеродсодержащего сырья - метан. Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.
Пример 2.
Проводят аналогично примеру 1, но используют в качестве углеродсодержащего сырья этанол.
Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.
Пример 3.
Проводят аналогично примеру 1, но используют в качестве углеродсодержащего сырья продукты ферментации, представляющие собой смесь этанола - 80% об.; пропанола - 5% об.; бутанола - 5% об. и пентанола - 10% об..
Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.
Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.
Таким образом, заявленная установка достаточно проста как в конструктивном отношении, так и в обслуживании, позволяет автономно вырабатывать электроэнергию на объектах ее потребления мощностью 60 Вт.
Высокая эффективность заявляемой установки обусловлена тем, что тепла, выделяемого за счет сжигания части продукта реакции (синтез-газа) достаточно как для реализации процесса риформинга углеродсодержащего сырья, так и для поддержания рабочей температуры топливного элемента.
Таблица 1
Условия и результаты эксперимента по получению электроэнергии на предлагаемой установке при T=800-850°C на различном сырье.
№ пр.
Q, ч<sup>-1</sup> удельный расход сырья**
Состав продуктов
Мощность, Вт
Сырье
H<sub>2</sub>O/сырье (об./об.)
Расход V<sub>смеси</sub>, л/ч
C<sub>H2</sub>, % об.
C<sub>CO</sub>, % об.
C<sub>CH4</sub>, % об.
C<sub>CO2</sub>, % об.
1
Метан
2
60
7000
73,0
13,0
1,0
14,0
60
2
Этанол
1,5
85
10000
72,0
13,7
0,6
13,7
63
3
Продукты ферментации*
7
130
15000
73,8
3,6
0,6
22
66
- * - смесь этанола - 80% об.; пропанола - 5% об.; бутанола - 5% об. и пентанола - 10% об.;
- конверсия субстратов исчерпывающая;
- селективность по синтез-газу ≈90%.
** - Удельный расход сырьевой смеси на 1 дм<sup>3</sup> мембраны