ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
FUEL ELEMENT- BASED ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к области электротехники, в частности к энергоустановкам для выработки электроэнергии на основе топливных элементов с твердополимерным электролитом, использующим углеводородное топливо. Энергоустановка может быть использована для электроснабжения потребителей как при отсутствии централизованных источников электроснабжения, так и при работе параллельно с сетью централизованного электроснабжения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой энергоустановке является «Энергоустановка на топливных элементах» (см. патент США №6316134 В1, от 13.09.1999 г., опубликован 13.11.2001), которая содержит подсистему выработки электроэнергии с пакетом топливных элементов, имеющих ионообменную мембрану, подсистему переработки топлива, включающую в себя десульфуратор, подключаемый к источнику углеводородного топлива непосредственно либо через топливный компрессор, риформер топлива, состоящий из камеры сгорания с горелкой, соединенной топливным каналом с пакетом топливных элементов подсистемы выработки электроэнергии, увлажнителя топлива, реактора 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.
Вышеуказанная энергоустановка взята в качестве прототипа.
Недостатками вышеуказанной энергоустановки являются:
- сравнительно длительный период пуска, обусловленный разогревом до рабочих температур реактора паровой конверсии монооксида углерода подсистемы переработки топлива потоком воздуха, поступающим из катодного выхлопного канала пакета топливных элементов, нагреваемого выхлопными газами горелки;
- высокие требованиями к очистке топлива от монооксида углерода при подаче топлива в холодный пакет топливных элементов для его саморазогрева;
- подача риформируемого топлива в пакет топливных элементов при пуске подсистемы переработки топлива создает опасность отравления катализатора топливных элементов монооксидом углерода;
- потребность во внешнем источнике энергии для нагрева до минимальной рабочей температуры жидкости контура системы терморегулирования и воды, подаваемой в увлажнитель окислителя при пуске энергоустановки.
Перечисленные выше недостатки снижают эффективность применения энергоустановки, исключают применение энергоустановки в качестве автономной для энергоснабжения потребителей в удаленных и труднодоступных регионах, где отсутствуют источники централизованного электроснабжения.
Решаемая техническая задача - создание автономной энергоустановки на топливных элементах с твердополимерным электролитом для электроснабжения потребителей при отсутствии источника централизованного электроснабжения, использующей газообразное углеводородное топливо.
Достигаемым техническим результатом заявляемой энергоустановки на топливных элементах с твердополимерным электролитом является сокращение продолжительности пуска, исключение потребности во внешнем источнике энергии для нагрева до минимальной рабочей температуры жидкости контура подсистемы терморегулирования, упрощение энергоустановки и, как следствие этого, уменьшенным потреблением электроэнергии при пуске.
Для достижения указанного технического результата заявленная энергоустановка 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 компрессор, риформер топлива, состоящий из камеры сгорания с горелкой, соединенной топливным каналом с пакетом топливных элементов подсистемы выработки электроэнергии, увлажнителя топлива, реактора 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, новым является то, что 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 входной канал терморегулирующей среды реактора паровой конверсии монооксида углерода соединен с каналом для отведения выхлопного потока горелки риформера топлива.
Введение реактора метанирования позволяет снизить потребление топлива при тонкой очистке риформированного топлива от монооксида углерода и тем самым повысить эффективность энергоустановки. Соединение входа терморегулирующей среды реактора паровой конверсии монооксида углерода с каналом для отведения выхлопного потока горелки риформера топлива, подключение выхода терморегулирующей среды упомянутого реактора через терморегулирующий теплообменник подсистемы окислителя к реактору метанирования позволяет производить нагрев реактора паровой конверсии монооксида углерода и реактора метанирования выхлопными газами горелки камеры сгорания риформера топлива и таким образом сократить время вывода на рабочий режим реакторов конвертора монооксида. Введение трехходового клапана и пускового подогревателя терморегулирующей жидкости с горелкой, подключенного через упомянутый трехходовой клапан к выходу риформированного топлива конвертора монооксида углерода, позволяет исключить возможность подачи в холодный пакет топливных элементов топливной смеси с повышенным содержанием монооксида углерода при выводе на рабочий режим реакторов подсистемы переработки топлива и потребность во внешнем источнике энергии для нагрева до минимальной рабочей температуры жидкости контура подсистемы терморегулирования, исключить подачу окислителя в пакет топливных элементов при разогреве до рабочих температур устройств системы переработки топлива. Вышеуказанная совокупность признаков позволяет сократить продолжительность пуска энергоустановки и, как следствие этого, снизить потребление электроэнергии при пуске.
На фиг.1, 2 представлена заявляемая энергоустановка на топливных элементах. Энергоустановка состоит из подсистемы выработки электроэнергии, подсистемы переработки топлива, подсистемы окислителя, подсистемы регенерации воды, подсистемы терморегулирования. Энергоустановка также содержит подсистему преобразования электроэнергии и контроллер, которые на чертеже не показаны. Подсистема выработки электроэнергии включает пакет топливных элементов 1 с твердополимерным электролитом. Подсистема переработки топлива включает десульфуратор топлива 9, подключенный к источнику углеводородного топлива через топливный компрессор 8 и запорный клапан 13, риформер топлива 10, конвертор монооксида углерода 11, трехходовой клапан 12, запорный клапан 13, регулирующие клапаны 14 и 15, дозатор окислителя 16. При подаче в энергоустановку углеводородного топлива от источника топлива под давлением, достаточном для работы энергоустановки, топливный компрессор 8 отсутствует. Риформер топлива 10 включает в себя камеру сгорания 17 с горелкой, увлажнитель топлива 18 и реактор паровой конверсии топлива 19, соединенные между собой каналами 20 и 21 для выхлопных газов горелки и каналами 22 и 23 для перерабатываемого топлива. Конвертор монооксида углерода 11 включает в себя реактор паровой конверсии монооксида углерода 24 с каналами 25 для терморегулирующей среды, реактор метанирования (гидрирования) монооксида углерода 26 с каналами 27 для терморегулирующей среды, реактор селективного окисления монооксида углерода 28, соединенные каналами 29 и 30. Выходы топлива и выхлопных газов горелки риформера топлива 10 соединены каналами 31 и 32 соответственно с входами топлива и терморегулирующей среды реактора 24 конвертора монооксида углерода 11. Выход терморегулирующей среды реактора 24 соединен каналом 33 со вторым входом терморегулирующего теплообменника 34 подсистемы окислителя. Второй выход упомянутого теплообменника каналом 35 соединен со входом терморегулирующей среды 27 реактора метанирования 26. Выход топлива реактора селективного окисления 28 каналом 36 с дозатором окислителя 16 соединен со входом трехходового крана 12. Камера сгорания 17 и увлажнитель топлива 18 каналами 37, 38, 39, 40 через регулирующие клапаны 14 и 15, соответственно, связаны с выходом десульфуратора 9, вход которого через компрессор 8 и запорный клапан 13 каналами 41, 42 и 43 подключен к источнику газообразного углеводородного топлива. Если давление углеводородного топлива, поступающего из источника, достаточно для работы энергоустановки, то компрессор 8 не требуется. Каналом 5 камера сгорания связана с пакетом топливных элементов. При использовании для очистки топлива от серосодержащих соединений гидродесульфуратора вход топливного компрессора 8 подключается также и к выходу топлива риформера топлива 10 либо к выходу одного из реакторов конвертора монооксида углерода 11, а обогащенное водородом углеводородное топливо перед поступлением в гидродесульфуратор нагревается в дополнительном теплообменном аппарате выхлопными газами горелки камеры сгорания 17 риформера топлива 10. В реализации энергоустановки, изображенной на фиг.1, 2, подсистема окислителя содержит компрессор 44 подачи окислителя для катодов пакета топливных элементов, компрессор 45 для подачи окислителя в подсистему переработки топлива, увлажнитель окислителя 46, терморегулирующий теплообменник 34. Выход компрессора 44 каналом 47 соединен со входом 1 увлажнителя окислителя 46, выход 1 упомянутого увлажнителя каналом 2 подачи окислителя соединен с пакетом топливных элементов 1. Выход компрессора 45 каналами 48, 49, 50 соединен соответственно с первым входом терморегулирующего теплообменника 34, дозатором воздуха топливного канала 30 конвертора монооксида углерода и дозатором воздуха 16. Канал 51 соединяет теплообменник 34 и камеру сгорания 17. В других реализациях данного изобретения окислитель в подсистему переработки топлива может также подаваться компрессором 44 либо непосредственно, либо с выхода аппарата для восстановления воды 52 в виде осушенных выхлопных газов катодов пакета топливных элементов. Подсистема регенерации воды содержит аппарат 52 для восстановления воды из выхлопных газов катодов, аппарат 53 для восстановления воды из выхлопных газов горелки риформера топлива 10, насос 55, водяной резервуар для сбора регенерируемой воды 54, деионизирующий фильтр 56, регулятор давления воды 57. Аппараты для восстановления воды 52 и 53 соединены соответственно каналами 58 и 59 с водяным резервуаром для сбора регенерируемой воды 54. Вход аппарата 53 каналом 76 соединен с выходом канала терморегулирующей среды 27 реактора метанирования 26. Вход насоса 55 соединен каналом 60 с водяным резервуаром 54, а выход - каналами 61 и 62 соответственно с расширительным резервуаром 67 подсистемы терморегулирования и деионизирующим фильтром 56, выход которого соединен каналами 63 и 64 соответственно с входами увлажнителя топлива 18 и регулятора давления 57. Выход регулятора давления 57 каналом 65 соединен с водяным резервуаром для сбора регенерируемой воды 54. Подсистема терморегулирования содержит: насос 66, расширительный резервуар терморегулирующей жидкости 67, теплообменник 68 для рассеивания избыточного тепла, предохладитель топлива 69, пусковой подогреватель терморегулирующей жидкости 70 с горелкой 72, теплообменник 74, трехходовой регулирующий клапан 75. Вход клапана 75 каналом 6 соединен с пакетом топливных элементов. Первый и второй выходы упомянутого клапана соединены каналами 77 и 78 соответственно с входом увлажняющей среды увлажнителя окислителя 46 и входом охладителя предохладителя топлива 69, выход которого каналом 79 соединен с расширительным резервуаром 67. Вход топлива предохладителя топлива 69 каналом 80 соединен со вторым выходом клапана 12, а выход - каналом 3 с пакетом топливных элементов 1. Канал 81 соединяет канал 77 и водяной резервуар для сбора регенерируемой воды 54. Выход увлажняющей среды увлажнителя окислителя 46 каналом 82 соединен со входом 2 теплообменника 74, вход 1 которого каналом 4 соединен с пакетом топливных элементов. Выходы 1 и 2 теплообменника 74 каналами 83 и 84 соединены соответственно с аппаратом для восстановления воды 52 и расширительным резервуаром 67. Циркуляционный насос 66 каналами 85 и 86 соединен соответственно с расширительным баком 67 и теплообменником 68 для рассеивания избыточного тепла, выход которого каналом 87 соединен со входом жидкости пускового подогревателя 70. Выход жидкости пускового подогревателя подключен каналом 7 к пакету топливных элементов. Горелка 72 пускового подогревателя 70 каналом 91 соединена с первым выходом трехходового клапана 12.
Энергоустановка работает следующим образом. Исходное газообразное углеводородное топливо, очищенное от серосодержащих соединений в десульфуризаторе 9, подается в горелку камеры сгорания 17 риформера топлива 10. В горелке камеры сгорания 17 производится сгорание топлива в окислителе, подаваемом компрессором 45 по каналам 48 и 51 через терморегулирующий теплообменник 34, регулирующий теплообмен между воздухом, подаваемыми на его вход 1, и выхлопными газами горелки риформера топлива 10, подаваемыми на вход 2. Горячие выхлопные газы горелки камеры сгорания 17 по каналу 20 поступают в реактор паровой конверсии топлива 19, где, омывая наружные поверхности каналов, заполненных катализатором паровой конверсии, нагревают элементы конструкции и катализатор упомянутого реактора. После выхода из каналов реактора паровой конверсии 19 горячие выхлопные газы последовательно проходят через каналы греющей среды увлажнителя топлива 18, каналы терморегулирующей среды 25 реактора паровой конверсии монооксида углерода 24, терморегулирующий теплообменник 34, канал терморегулирующей среды 27 реактора метанирования 26, нагревая элементы конструкции и катализаторы упомянутых реакторов. В терморегулирующем теплообменнике 34 передача тепла от выхлопных газов к воздуху не производится до достижения реактором метанирования 26 рабочей температуры. При разогреве реакторов температура выхлопных газов горелки уменьшается по мере движения выхлопных газов от камеры сгорания 17 к аппарату для восстановления воды 52. Параметры разогрева регулируются изменением расхода топлива, подаваемого в горелку камеры сгорания по каналу 40, и коэффициента избытка окислителя, подаваемого в горелку камеры сгорания 17 компрессором 45. После нагрева увлажнителя топлива 18 и катализатора реактора 19 до нижней границы рабочих температур разогрев реакторов 24, 26, 28 производится одновременно с переработкой исходного углеводородного топлива. Для этого очищенное от серосодержащих соединений исходное углеводородное топливо, например природный газ, по каналам 37, 38 через регулирующий клапан 15 подается в увлажнитель топлива 18, куда одновременно по каналу 63 насосом 55 подается деионизированная вода. Соотношение «пар: углерод» поддерживается дозатором воды увлажнителя топлива 18. В увлажнителе 18 вода испаряется, смесь водяного пара и топлива нагревается. Для испарения воды и нагрева увлажненного топлива используется тепло выхлопных газов горелки камеры сгорания 17 и риформированного топлива, поступающих из реактора паровой конверсии топлива 19 по каналам 21 и 23, соответственно. Нагретое увлажненное топливо подается в реактор паровой конверсии 19, где каталитически преобразуется в водородосодержащую смесь, содержащую также монооксид углерода, диоксид углерода, водяной пар и небольшое количество метана. Тепло для экзотермической реакции паровой конверсии поступает в зону реакции от выхлопных газов горелки камеры сгорания 17. Риформированное топливо и выхлопные газы горелки, выходящие из реактора паровой конверсии 19, подаются в увлажнитель топлива 18, где их тепло используется для испарения воды и нагрева увлажненного топлива. Охлажденные в увлажнителе топлива 18 риформированное топливо и выхлопные газы горелки 17 по каналам 31 и 32 подаются в реактор монооксида углерода 24 конвертора монооксида углерода 11. В реакторе паровой конверсии монооксида углерода 24, катализатор которого предварительно нагрет до минимальной рабочей температуры выхлопными газами горелки камеры сгорания 17, протекающими в канале терморегулирования 25, проходит экзотермическая реакция паровой конверсии монооксида углерода, содержащегося в риформированном топливе, поступающем из риформера 10. Регулирование температуры потоков на входе конвертора 11 производится изменением расхода топлива, подаваемого в горелку камеры сгорания 17 риформера топлива 10, и коэффициента избытка окислителя, подаваемого в горелку камеры сгорания 17 компрессором 45. Для снижения температуры по потоку переработанного топлива в реакторе 24 организовано противоточное движение риформированного топлива и потока выхлопных газов горелки в реакторе паровой конверсии монооксида углерода 24. Риформированное топливо из реактора паровой конверсии ко каналу 29 поступают в реактор метанирования монооксида углерода 26, где, при достижении катализатором метанирования рабочих температур, содержащийся в риформированном топливе монооксид углерода вступает с водородом в экзотермическую реакцию метанирования. Разогрев до нижней границы рабочих температур и регулирование теплового режима реактора метанирования (гидрирования) монооксида углерода производится изменением температуры выхлопных газов горелки, поступающих в канал терморегулирующей среды 27 реактора из терморегулирующего теплообменника 34, в котором регулируется передача тепла от выхлопных газов горелки, поступающих из реактора паровой конверсии 19 по каналу 33, воздуху, подаваемому в горелку камеры сгорания 17. Из реактора метанирования 26 риформированное топливо поступает в адиабатный реактор селективного окисления 28, предназначенный для очистки потока риформированного топлива от монооксида углерода каталитическим селективным окислением кислородом до содержания монооксида углерода не более 10 промиле. Перед подачей риформированного топлива в реактор селективного окисления 28 в поток топлива добавляется небольшое количество окислителя, поступающего из компрессора 45 по каналам 48 и 49. Нагрев до рабочих температур реактора селективного окисления производится риформированным топливом и теплом, передаваемым через элементы конструкции от других реакторов системы переработки топлива. Для интенсификации нагрева катализатора селективного окисления при пуске энергоустановки в топливо через дозатор окислителя канала 30 подается окислитель в количестве, превышающем требуемое для окисления монооксида углерода в рабочем режиме. Из реактора 28 топливо поступает в трехходовой клапан 12, который при пуске находится в положении, когда входной поток по каналу 91 направляется в горелку 72 пускового подогревателя 70. При поджиге горелки 72 включается насос 66 подсистемы терморегулирования и терморегулирующая жидкость, нагреваемая в пусковом подогревателе 70, циркулирует через батарею топливных элементов 1 и другие устройства подсистемы терморегулирования энергоустановки. Отвод тепла от терморегулирующей жидкости в теплообменнике 68 в ходе пуска не производится. При нагреве пакета топливных элементов 1 до минимальной рабочей температуры для работы на риформированном топливе и достижении рабочих температур всеми реакторами подсистемы переработки топлива, к катодам пакета топливных элементов 1 компрессором 44 подается окислитель, увлажненный в увлажнителе окислителя 46, и увлажненное риформированное топливо из подсистемы переработки топлива. Для этого клапан 12 переключается в положение, когда входной поток по каналу 80 поступает в предохладитель топлива 69, где охлаждается до температуры, близкой к температуре пакета топливных элементов, а затем по каналу 3 подается к анодам пакета топливных элементов 1. Для снижения отравляющего действия монооксида углерода, содержащегося в топливе после тонкой очистки в реакторах 26 и 28, в топливо, подаваемое к анодам топливных элементов, в дозаторе 16 добавляется небольшое количество окислителя. В токообразующей реакции в пакете топливных элементов 1 потребляется до 90% водорода, содержащегося в поступившем топливе. Выхлопные газы анодов по каналу 5 поступают в горелку камеры сгорания 17, где содержащийся в них газ сжигается вместе с углеводородным топливом, подаваемым по каналу 40. При работе энергоустановки расход углеводородного топлива, подаваемый в увлажнитель топлива 18, и расход окислителя, подаваемый в увлажнитель окислителя 46, пропорциональны электрической нагрузке, подключенной к пакету топливных элементов 1. Расход углеводородного топлива, подаваемый в горелку камеры сгорания 17, компенсирует недостаток тепла, выделяющегося при сжигании водорода, содержащегося в анодных выхлопных газах, для паровой конверсии исходного топлива. Для увлажнения окислителя, подаваемого к катодам пакета топливных элементов 1, используются тепло и вода, отбираемые от терморегулирующей жидкости в увлажнителе окислителя 46. Для устранения нехватки тепла, которая может возникать при работе энергоустановки на малой мощности, используется тепло влажных выхлопных газов катодов топливных элементов, передаваемое в рассматриваемой схеме терморегулирующей жидкости в теплообменнике 74. Избыточное тепло отводится от терморегулирующей жидкости в теплообменнике 68. При работе энергоустановки циркулирующая деионизированная терморегулирующая жидкость, взаимодействуя с материалами конструкции, загрязняется ионами. Для очистки часть жидкости из контура терморегулирования по каналу 81 подается в накопительный бак 54 подсистемы регенерации воды. Отбор воды из контура терморегулирования для увлажнения окислителя и очистки компенсируется подачей деионизированной воды по каналу 61. Влажные выхлопные газы катодов, с относительной влажностью, близкой к 100%, из теплообменника 74 поступают в аппарат для восстановления воды 52, из которого осушенные газы сбрасываются в окружающую среду, а выделенная вода по каналу 58 поступает в водяной резервуар для сбора регенерируемой воды 54. Восстановление воды из выхлопных газов горелки производится в аппарате 53. Вода, содержащаяся в баке 54, насосом 55 прокачивается через деионизирующий фильтр 56. Давление воды на входе дозатора воды увлажнителя топлива 18 поддерживает регулятор давления 57.
Была изготовлена экспериментальная установка, которая показала достижение заявляемой энергоустановкой указанных выше технических результатов.