Электрохимический генератор

Изобретение относится к области энергетики и может использоваться в стационарных и мобильных энергоустановках, работающих на водородно-кислородных (воздушных) электрохимических генераторах. Техническим результатом изобретения является повышение КПД электрохимического генератора за счет снижения энергозатрат на получение электроэнергии за счет использования тепловой энергии газообразного водорода, поступающей из водородного сепаратора, а также использования на нужды электрохимического генератора потока высокого давления газовой смеси, поступающей из риформера. Снижение энергозатрат достигается в результате того, что на выходе из риформера установлен регулятор давления, позволяющий создавать оптимальное давление в риформере, а поток смеси высокого давления на выходе из регулятора давления используется для работы турбины турбоагрегата, который подает воздух из атмосферы в батарею ТЭ. С выхода турбоагрегата газовый поток подается в дожигатель, а тепловая энергия используется для нагрева газовой смеси в риформере, а также для испарения поступающего в испаритель топлива и подогрева поступающего в батарею ТЭ воздуха. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может использоваться в стационарных и мобильных энергоустановках, работающих на водородно-кислородных (воздушных) электрохимических генераторах.

Аналогом предлагаемого устройства является электрохимический генератор (ЭХГ) с конверсией углеводородов (стр.166 в книге Н.В.Коровина "Электрохимические генераторы", "Энергия", 1974 г.).

Топливо и обессоленная вода подаются через обогреватель в реактор, откуда продукты конверсии поступают в сепаратор с палладиево-серебряной мембраной. Очищенный водород после охлаждения поступает в батарею топливных элементов (ТЭ).

При пуске система нагревается за счет сжигания топлива, при работе температура поддерживается за счет тепла ЭХГ и дожигания непрореагировавших компонентов углеводородов и СО, поступающих после сепаратора. Продукт реакции - вода не возвращается в генератор водорода, а сбрасывается.

ЭХГ может быть снабжен специальным контуром охлаждения, который используется также для подогрева системы при запуске ЭХГ. Общая мощность ЭХГ, расходуемая на собственные нужды, включая систему подачи воздуха, поддержание процесса конверсии при получении газообразного водорода, систему терморегулирования, примерно 500 Вт или 12,5%. Общий КПД установки изменяется от 15% при мощности 500 Вт до 35% при полной мощности 4,0 кВт.

Недостатком рассмотренного ЭХГ являются большие энергетические затраты на собственные нужды, расходуемые на систему подачи воздуха, поддержание процесса конверсии при получении газообразного водорода, систему терморегулирования по обеспечению заданных тепловых параметров в системах ЭХГ, что снижает КПД ЭХГ приблизительно на 12,5%.

Прототипом предлагаемого устройства является ЭХГ по патенту США №6063515 от 05.10.2000 г. Это устройство имеет систему подвода метанола и воды в испаритель для испарения потока жидкости, каталитический риформер для получения в нем потока, содержащего газообразный водород и СО₂, водородный сепаратор с палладиевой мембраной, в котором осуществляется разделение потока на газообразный водород, поступающий затем в ТЭ ЭХГ, и примеси, которые поступают в каталитическую горелку для разогрева теплоносителя, используемого для нагрева потока в испарителе и риформере. Контроль работы каталитической горелки осуществляется с использованием датчика температуры и регулированием давления потока на выходе из каталитической горелки в соответствии с выходным сигналом датчика температуры.

Недостатком рассмотренного ЭХГ является то, что в нем предпусковой нагрев топлива в испарителе и риформере гидравлического тракта ЭХГ осуществляется за счет подводимой электроэнергии, что снижает КПД по сравнению с использованием по прямому назначению энергии от сгорания топлива ЭХГ.

Задачей изобретения является увеличение КПД за счет снижения энергозатрат на получение электроэнергии при работе электрохимического генератора вследствие использования тепловой энергии газообразного водорода, поступающей из водородного сепаратора, использование на нужды ЭХГ потока высокого давления газовой смеси, поступающей из риформера.

Эта задача решается тем, что электрохимический генератор содержит батарею топливных элементов, испаритель, риформер, водородный сепаратор с палладиевой мембраной, дожигатель, датчик температуры в дожигателе, дроссель на выходе из дожигателя, турбоагрегат с турбиной, камеру сгорания, теплообменники газовой смеси, газообразного водорода, подогрева воздуха, тепловой аккумулятор, воздушный компрессор, газовый баллон для водорода с заправочным клапаном, емкость с водометаноловой смесью с заправочным клапаном, реле давления, при этом выход емкости с водометаноловой смесью с заправочным клапаном через отсечной клапан и насос высокого давления сообщен с входом испарителя и через обратный клапан подключен к выходу камеры сгорания, причем датчик температуры пускового режима электрически связан с отсечным клапаном и пусковым блоком насоса высокого давления; выход испарителя сообщен с входом риформера, выход которого связан через регулятор давления с турбиной турбоагрегата, выход которой сообщен с первым входом дожигателя, а второй его вход связан через отсечной клапан с выходом турбоагрегата, сообщенного на входе с атмосферой, а выход из дожигателя через дроссель сообщен с входом теплообменника газовой смеси, выход которого сообщен с атмосферой; одновременно выход турбоагрегата сообщен с входом теплообменника подогрева воздуха, выход которого связан с первым входом батареи топливных элементов; выход водородного сепаратора соединен со входом теплообменника газообразного водорода, выход которого подключен к второму входу батареи топливных элементов и через обратный клапан - к газовому баллону для водорода; водородный сепаратор контактирует через палладиевую мембрану с риформером, который в свою очередь контактирует с дожигателем через общую стенку; испаритель, теплообменник газовой смеси, теплообменник газообразного водорода, а также теплообменник подогрева воздуха объединены в общий корпус с теплоемким наполнителем, образуя аккумулятор тепла; первый вход камеры сгорания сообщен через отсечной клапан с выходом газового баллона для водорода, а второй ее вход через обратный клапан сообщен с воздушным компрессором, вход которого сообщен с атмосферой; камера сгорания снабжена реле давления, которое электрически связано соответственно с блоком выключения компрессора и отсечным клапаном магистрали газового баллона для водорода - камеры сгорания.

На чертеже представлена схема ЭХГ, где:

1 - емкость с водометаноловой смесью

2 - отсечной клапан

3 - насос высокого давления

4 - испаритель

5 - турбоагрегат

6 - турбина турбоагрегата

7 - регулятор давления

8 - водородный сепаратор

9 - риформер

10 - датчик температуры пускового режима

11 - дожигатель

12 - отсечной клапан

14 - батарея топливных элементов

15 - обратный клапан

16 - газовый баллон для водорода

17 - отсечной клапан

18 - камера сгорания

19 - теплообменник газовой смеси

20 - обратный клапан

21 - воздушный компрессор

22 - обратный клапан

23 - дроссель

24 - теплообменник газообразного водорода

25 - теплообменник подогрева воздуха

26 - тепловой аккумулятор

27 - реле давления

28 - пусковой блок насоса высокого давления

29 - блок выключения компрессора

30 - заправочный клапан

31 - заправочный клапан

Электрохимический генератор имеет пусковое устройство для предварительного разогрева гидравлического тракта ЭХГ. Пусковое устройство состоит из воздушного компрессора 21 с блоком выключения компрессора 29, камеры сгорания 18 и газового баллона для водорода 16. При этом первый вход камеры сгорания подключен через отсечной клапан 17 к газовому баллону 16, а второй вход - через обратный клапан 20 к воздушному компрессору 21. При этом вход газового баллона для водорода 16 через обратный клапан 15 подключен к магистрали, соединяющей выход теплообменника газообразного водорода 24 с вторым входом в батарею ТЭ 14, а выход из камеры сгорания 18 через обратный клапан 22 подсоединен в магистраль между выходом из насоса высокого давления 3 и входом в испаритель 4. Предварительная заправка газового баллона для водорода 16 водородом осуществляется через заправочный клапан 31, подстыкованный в магистраль между входом в газовый баллон для водорода 16 и обратным клапаном 15.

ЭХГ содержит емкость с водометаноловой смесью 1, соединенную на выходе через отсечной клапан 2 и насос высокого давления 3 с входом в испаритель 4. На входе в емкость с водометаноловой смесью 1 установлен заправочный клапан 30. Выход из испарителя 4 через гидравлическую магистраль соединен со входом в риформер 9, контактирующим с водородным сепаратором 8 через палладиевую мембрану водородного сепаратора 8. С дожигателем 11 риформер 9 контактирует через общую стенку. Выход риформера 9 через регулятор давления 7 подключен к входу турбины турбоагрегата 6. На выходе турбина турбоагрегата 6 через гидравлическую магистраль подключена к первому входу в дожигатель 11, а на выходе дожигатель соединен через дроссель 23 с входом в теплообменник газовой смеси 19. С выхода теплообменника газовой смеси 19 газовая смесь поступает в атмосферу.

Выход водородного сепаратора 8, в который поступает через палладиевую мембрану из риформера 9 газообразный водород, подсоединяется ко входу теплообменника газообразного водорода 24, а выход из теплообменника газообразного водорода 24 через гидравлическую магистраль подсоединяется ко второму входу в батареи ТЭ 14, а также через обратный клапан 15 - к газовому баллону для водорода 16.

Вход турбоагрегата 5 соединен с атмосферой, а выход через первую гидравлическую магистраль, отсечной клапан 12 соединяется со вторым входом в дожигатель 11; через вторую гидравлическую магистраль выход турбоагрегата соединяется со входом в теплообменник подогрева воздуха 25, выход которого через гидравлическую магистраль подсоединен к первому входу батареи ТЭ 14.

Испаритель 4, теплообменник газовой смеси 19, теплообменник газообразного водорода 24, теплообменник подогрева воздуха 25 установлены в тепловом аккумуляторе 26. Установленный в дожигателе датчик температуры пускового режима 10 электрически связан с отсечным клапаном 2 и через пусковой блок насоса высокого давления 28 - с насосом высокого давления 3. Установленное в камере сгорания 18 реле давления 27 электрически связано с отсечным клапаном 17, а через блок выключения компрессора 29 - с воздушным компрессором 21.

Предлагаемое устройство работает следующим образом:

Перед началом работы емкость с водометаноловой смесью 1 через заправочный клапан 30 заполняется водометаноловой смесью, а газовый баллон для водорода 16 - через заправочный клапан 31 водородом.

Запуск ЭХГ (пусковой режим) производится с подачи в камеру сгорания 18 через отсечной клапан 17 из газового баллона для водорода 16 водорода, при этом от воздушного компрессора 21 через обратный клапан 20 подается воздух.

В результате сгорания в камере сгорания 18 газообразного водорода и кислорода воздуха высокотемпературный поток продуктов сгорания газовой смеси поступает через обратный клапан 22 в испаритель 4, риформер 9, дожигатель 11, теплообменник газовой смеси 19, с выхода которого сбрасывается в атмосферу.

После достижения в дожигателе 11 температуры, обеспечивающей основной запуск ЭХГ, с датчика температуры пускового режима 10, установленного в дожигателе 11, поступает команда на открытие отсечного клапана 2 и на пусковой блок насоса высокого давления 28 для включения насоса высокого давления 3. Давлением, создаваемым в гидравлическом тракте ЭХГ насосом высокого давления 3, обратный клапан 22 закрывается. При этом давление в камере сгорания 18 повышается.

При достижении в камере сгорания 18 давления срабатывания на установленное в ней реле давления 27 поступает команда на закрытие отсечного клапана 17 и через пусковой блок компрессора 29 - на выключение воздушного компрессора 21. При отсутствии доступа в камеру сгорания 18 газообразного водорода и кислорода воздуха процесс горения автоматически заканчивается.

Поступающая через насос высокого давления 3 водометаноловая смесь в испарителе 4 под воздействием высокой температуры (˜450°С) испаряется и поступает в риформер 9. В риформере 9 под воздействием высокой температуры и катализаторов происходят химические реакции конверсии с образованием газовой смеси, состоящей из Н₂, N, CO, CO₂ и паров воды. Из риформера 9 газообразный водород дифундирует через палладиевую мембрану в водородный сепаратор 8, с выхода которого подается на вход теплообменника газообразного водорода 24. При этом часть тепловой энергии проходящего через теплообменник нагретого до ˜450°С газообразного водорода передается через тепловой аккумулятор 26 в испаритель 4 для испарения поступающей водометаноловой смеси и в теплообменник подогрева воздуха 25 для подогрева до ˜70°С поступающего от турбоагрегата 5 на первый вход батареи ТЭ 14 воздуха. С выхода теплообменника газообразного водорода 24 водород поступает на второй вход батареи ТЭ 14, а через обратный клапан 15 поступает в газовый баллон для водорода 16 для его дозаправки.

Оставшаяся в риформере 9 газовая смесь, включая Н₂, N, CO, CO₂ и пары воды, поступает на вход регулятора давления 7, обеспечивающего оптимальное давление в риформере 9 для производительной работы палладиевой мембраны водородного сепаратора 8.

С выхода регулятора давления 7 поток газовой смеси поступает на вход турбины турбоагрегата 6, при работе которой турбоагрегат 5 нагнетает из атмосферы воздух, часть которого подается через отсечной клапан 12 на второй вход дожигателя 11, а часть - на вход теплообменника подогрева воздуха 25, с выхода которого нагретый до заданной температуры воздух поступает к первому входу батареи ТЭ 14.

С выхода турбины турбоагрегата 6 поток газовой смеси подается к первому входу в дожигатель 11, в котором в результате каталитического горения поступающей газовой смеси с кислородом воздуха выделяется тепловая энергия для нагрева газовой смеси в риформере 9 через общую стенку приблизительно до температуры 450°С, достаточной для проведения химической реакции конверсии газовой смеси в риформере 9. В результате каталитического горения в дожигателе 11 газовой смеси с кислородом воздуха происходит дожигание СО.

С выхода дожигателя 11 поток газовой смеси через дроссель 23 поступает на вход в теплообменник газовой смеси 19, что позволяет производить выброс в атмосферу через теплообменник газовой смеси 19 экологически безопасные газовые отходы.

Подводимая с потоком газовой смеси тепловая энергия используется для нагрева через тепловой аккумулятор 26 испарителя 4 с испарением в нем поступающей водометаноловой смеси, а также для нагрева поступающего через теплообменник подогрева воздуха 25 в батарею ТЭ 14 воздуха.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность работы ЭХГ за счет снижения энергозатрат. Это достигается тем, что:

1. На выходе из риформера установлен регулятор давления, позволяющий создавать оптимальное давление в риформере для производительной работы палладиевой мембраны водородного сепаратора.

2. Поток смеси высокого давления на выходе из регулятора давления используется для работы турбины турбоагрегата, который подает воздух из атмосферы в батарею ТЭ, а также через открытый отсечной клапан в дожигатель для организации горения вместе с поступающей газовой смесью из риформера.

3. Тепловой поток газообразного водорода с температурой нагрева Т˜450°C,поступающий из водородного сепаратора, и высокотемпературная газовая смесь, поступающая из дожигателя, подаются соответственно в теплообменник газообразного водорода и в теплообменник газовой смеси, установленный совместно с испарителем и теплообменником подогрева воздуха в тепловом аккумуляторе, в результате чего обеспечивается испарение поступающего в испаритель топлива и подогрев поступающего в батарею ТЭ воздуха.

Предпусковой нагрев гидравлического тракта ЭХГ до температуры в дожигателе, обеспечивающей выведение ЭХГ на стационарный режим работы с помощью пускового устройства, состоящего из камеры сгорания, в которой организуется сгорание поступающего газообразного водорода из газового баллона для водорода и воздуха, нагнетаемого через обратный клапан воздушным компрессором из высокотемпературной газовой смеси продуктов сгорания из атмосферы. Нагрев гидравлического тракта ЭХГ осуществляется подачей высокотемпературной газовой смеси из камеры сгорания до достижения в дожигателе температуры, обеспечивающей стационарный запуск ЭХГ.

Предпусковой нагрев гидравлического тракта за счет подачи продуктов сгорания газообразного водорода и воздуха требует меньших затрат по сравнению с электрическим разогревом, требующим дополнительные энергозатраты на получение электроэнергии и аккумуляторные устройства. Энергетически оправдано также использование в качестве окислителя кислорода из воздуха как для батареи ТЭ, так и для дожигателя и камеры сгорания пускового устройства.

Предложенный электрохимический генератор может быть использован как на транспортных средствах, так и для генерирования дополнительного электричества для различных отраслевых нужд.

Электрохимический генератор, содержащий батарею топливных элементов, испаритель, риформер, водородный сепаратор с палладиевой мембраной, дожигатель, датчик температуры в дожигателе, дроссель на выходе из дожигателя, отличающийся тем, что в него включены турбоагрегат с турбиной, камера сгорания, теплообменники газовой смеси, газообразного водорода, подогрева воздуха, тепловой аккумулятор, воздушный компрессор, газовый баллон для водорода с заправочным клапаном, емкость с водометаноловой смесью с заправочным клапаном, реле давления; при этом выход емкости с водометаноловой смесью с заправочным клапаном через отсечной клапан и насос высокого давления сообщен с входом испарителя и через обратный клапан подключен к выходу камеры сгорания, причем датчик температуры пускового режима электрически связан с отсечным клапаном и пусковым блоком насоса высокого давления, выход испарителя сообщен с входом риформера, выход которого связан через регулятор давления с турбиной турбоагрегата, выход с которой сообщен с первым входом дожигателя, а второй его вход связан через отсечной клапан с выходом турбоагрегата, сообщенного на входе с атмосферой, а выход из дожигателя через дроссель сообщен с входом теплообменника газовой смеси, выход которого сообщен с атмосферой, одновременно выход турбоагрегата сообщен со входом теплообменника подогрева воздуха, выход которого связан с первым входом батареи топливных элементов, выход водородного сепаратора соединен со входом теплообменника газообразного водорода, выход которого подключен к второму входу батареи топливных элементов и через обратный клапан - к газовому баллону для водорода, водородный сепаратор контактирует через палладиевую мембрану с риформером, который, в свою очередь, контактирует с дожигателем через общую стенку, испаритель, теплообменник газовой смеси, теплообменник газообразного водорода и также теплообменник подогрева воздуха объединены в общий корпус с теплоемким наполнителем, образуя аккумулятор тепла, первый вход камеры сгорания сообщен через отсечной клапан с выходом газового баллона для водорода, а второй ее вход через обратный клапан сообщен с воздушным компрессором, вход которого сообщен с атмосферой, камера сгорания снабжена реле давления, которое электрически связано соответственно с блоком выключения компрессора и отсечным клапаном магистрали газового баллона для водорода - камеры сгорания.