ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к энергоустановкам на основе топливных элементов для выработки электроэнергии из углеводородного топлива, и предназначенных для электропитания автономных потребителей.

Среди преимуществ твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) важнейшим является высокий КПД преобразования энергии топлива в электрическую энергию. Большинство генераторов на ТОТЭ имеют КПД на уровне 50%. Электрический КПД генератора австралийской компании «Ceramic Fuel Cell, ltd» достигает 60%. Американская компания «Bloom Energy» сообщает об электрическом КПД в 65% для последних моделей их электрохимических генераторов (ЭХГ). Дальнейшее увеличение КПД электрохимических генераторов ограничивается допустимой степенью использования топлива, окисляемого на анодах топливного элемента. КПД электрохимического генератора можно представить как произведение двух множителей - электрического КПД и коэффициента использования топлива:

где, электрический КПД:

Здесь: n - число электронов, участвующих в анодной реакции окисления; F - константа Фарадея; U_cell - напряжение, снимаемое с единичного элемента; ΔН_r - энтальпия реакции окисления топлива (нижняя теплота сгорания).

η_FU - это коэффициент использования топлива, равный доли топлива, которое окисляется электрохимически в топливном элементе, по отношению к общему потоку топлива, подаваемого в систему.

На анодах ТОТЭ обычно окисляется не более 80% топлива, и это ограничение связано с высоким содержанием продуктов окисления топливных газов, приводящим к понижению электродвижущей силы (далее ЭДС) элемента, торможению кинетики анодного окисления топливных газов, а также риску окисления и повреждения никелевых анодов. Вместе с тем, при ограниченной величине коэффициента использования топлива в батареи ТОТЭ возможно получение более высокого значения коэффициента использования топлива в энергоустановке в целом. Высокий коэффициент использования топлива в системе можно обеспечить, возвращая большую часть топлива из отработанных анодных газов на вход в анодное пространство ТОТЭ, осуществляя рециркуляцию анодных газов. Для получения положительного эффекта от рециркуляции из этого потока газов необходимо удалять продукты полного окисления топлива (воду и диоксид углерода).

Так, известен традиционный путь повышения КПД путем создания комбинированных энергоустановок, где высокопотенциальное тепло ТОТЭ, либо энергия не полностью окисленных топливных газов, выходящих из анодного пространства, используются в тепловой машине, вырабатывающей механическую энергию, которая далее преобразовывается в электричество с помощью генератора. Например, патент RU 2601873 С2, 10.11.2016. Такая комбинированная установка эффективна лишь при больших мощностях - начиная с одного мегаватта и выше. Кроме того, достаточно сложно эксплуатировать комбинированные установки, в которых одновременно реализованы совершенно разные принципы преобразования энергии.

Более перспективно повышать КПД энергоустановок на топливных элементах за счет повышения их топливной эффективности. Известен целый ряд технических решений, где реализована рециркуляция анодных газов и удаление из них продуктов окисления топлива. Например, известно устройство на твердооксидных топливных элементов с одновременным производством тепла для обогрева, имеющее рециркуляционный контур, содержащий сепаратор диоксида углерода в виде селективной мембраны для диоксида углерода или центрифугу (DE 102012218648 А1, 17.04.2014). Данное устройство содержит риформер, стек топливных элементов, теплообменники, линию рециркуляции анодного газа, содержащую в различных комбинациях сепаратор, конденсатор и насос. Недостатком данного технического решения является то, что при использовании селективной мембраны на диоксид углерода необходимо охлаждать весь поток отработанных газов до достаточно низкой температуры. Это повышает требования к теплообменникам и снижает общую энергетическую эффективность системы.

Также, в патенте RU 2589884 С2, 10.07.2016 (наиболее близкий аналог) описана система рециркуляции анодных газов, где поток топлива, возвращаемого на вход анода, содержит более высокие молярные концентрации монооксида углерода (СО) и водорода (Н₂), чем они изначально присутствовала в отходящем газе анода топливного элемента. Удаление монооксида углерода и водорода осуществляется за счет фазового перехода воды и диоксида углерода. Вода из отходящих анодных газов конденсируется, и накапливается в резервуаре. Анодные газы поступают в расширитель, где они далее охлаждаются и из них конденсируется диоксид углерода в жидкой и/или твердой фазах. Кроме того, система рециркуляции содержит рекуператор тепловой энергии и органический цикл Ренкина. Недостатком данной системы является ее громоздкость и необходимость дополнительных энергетических затрат на процесс удаления диоксида углерода.

Одним общим недостатком известных систем является низкая энергетическая эффективность процесса при достаточно сложных процессах в разделительном модуле систем.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение данного недостатка.

Так, энергоустановка на основе ТОТЭ содержит, по меньшей мере, один твердо-оксидный топливный элемент с анодом и катодом, риформер, модуль рециркуляции и сепарации анодных газов, теплообменники и дожигатель. Модуль рециркуляции и сепарации анодных газов включает, соединенные системой трубопроводов, по меньшей мере, два теплообменники, реактор ВГ, сепаратор, насос, например, выполненный в виде двух последовательно соединенных эжекторов, конденсатор, накопительную емкость, испаритель (парогенератор). Выход из анодного пространства ТОТЭ соединен последовательно с первым и вторым ТО, реактором ВГ, сепаратором, насосом, вторым ТО, риформером, первым ТО и входом в анодное пространство ТОТЭ. Кроме того, сепаратор связан с конденсатором, который одним прямым трубопроводом связан с дожигателем, другим прямым трубопроводом связан последовательно с накопительной емкостью, испарителем, третьим ТО и насосом, и обратным трубопроводом связан (соединен) с четвертым ТО и входом в катодное пространство. Дожигатель соединен последовательно трубопроводом отходящих газов с четвертым и третьим ТО, испарителем (или входом в испаритель и выходом из него), а выход из катодного пространства соединен с дожигателем.

В сепараторе устанавливают пористую мембрану, работающая по механизму Кнудсеновской диффузии.

После сепаратора возможна установка распределитель газовых потоков соединенного одним трубопроводом с конденсатором, а другим с дожигателем.

В накопительной емкости, как правило, установлен дренажный клапан (аварийный кран).

Между конденсатором и дожигателем (на линии подачи газов из конденсатора в дожигатель) возможна установка дополнительного насоса и/или пятого теплообменника.

Пятый теплообменник располагают на трубопроводе отходящих газов между четвертым и третьим теплообменниками.

Энергоустановка может дополнительно содержать шестой теплообменник, расположенный на обратном трубопроводе между конденсатором и четвертым теплообменником. При этом к шестому теплообменнику от испарителя подсоединен трубпровод отходящих газов.

Заявленное техническое решение иллюстрируется графическими материалами, где:

на Фиг. 1 представлена энергоустановка на основе твердооксидных топливных элементов с высоким коэффициентом полезного действия;

на Фиг. 2 представлена та же энергоустановка, что и на Фиг. 1, но с двумя эжекторами;

на Фиг. 3 представлена та же энергоустановка, что и на Фиг. 2, но с распределителем газовых потоков.

Энергоустановка содержит модуль рециркуляции и сепарации анодных газов, работающую при повышенных температурах, осуществляющую обогащение анодных газов водородом, и возвращающую обогащенные анодные газы на вход анода топливного элемента.

На чертежах позициями обозначены следующие элементы системы:

1 - твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

2 - первый теплообменник

3 - второй теплообменник

4 - третий теплообменник

5 - четвертый теплообменник

6 - пятый теплообменник

7 - шестой теплообменник

8 - реактор водяного газа

9 - сепаратор

10 - насос, состоящий из 10а - первого эжектора и 10б - второго эжектора

11 - конденсатор

12 - риформер

13 - дожигатель

14 - распределитель газовых потоков

15 - воздушный насос

16 - накопительная емкость

17 - водяной насос

18 - парогенератор

19 - дополнительный насос

20 - седьмой теплообменник парогенератора

21 - восьмой теплообменник конденсатора

Предлагаемая энергоустановка работает следующим образом. Отработанные анодные газы из анодной области ТОТЭ 1 через первый 2 и второй 3 теплообменники поступают в реактор водяного газа 8, где СО превращается в СО₂ с одновременным превращением Н₂О в Н₂. Далее, обогащенные водородом анодные газы поступают в сепаратор 9, где на пористой мембране, работающей по механизму диффузии Кнудсена, происходит преимущественное отделение водорода из потока отработанных анодных газов. Для перемещения газа через мембрану на ее противоположных стенках создается разница давлений. Эта разница давлений может создаваться двумя эжекторными насосами 10а и 10б, соединенных последовательно. Использование эжекторных насосов 10а и 10б может быть наиболее рационально, как с точки зрения энергетической эффективности процесса разделения, так и для работы насоса 10 при повышенных температурах. Первая ступень эжекторного насоса 10а использует в качестве рабочего тела газообразное углеводородное топливо, подаваемое в систему под повышенным давлением. Вторая ступень эжекторного насоса 10б использует в качестве рабочего тела сухой пар под высоким давлением, который извлекается в конденсаторе 11 из обедненных отработанных анодных газов. Обогащенные в сепараторе 9 анодные газы, в которые в процессе эжектирования добавлено углеводородное топливо (например СН₄) и водяной пар, направляются через второй теплообменник 3 в риформер 12, и, далее, через теплообменник 1 на вход в анодное пространство топливного элемента 1. Тот факт, что подаваемые в риформер 12 газы имеют повышенную концентрацию водорода и пониженную концентрацию углеродсодержащих газов, существенно снижает риск выделения твердого углерода (сажи) в риформере 12 и на входе в анодное пространство топливного элемента 1. Кроме того, это обстоятельство дает возможность данной энергоустановке использовать расширенный набор углеводородных топлив, делая такую энергоустановку многотопливной.

Отфильтрованные на сепараторе 9 обедненные по водороду газы, поступают в конденсатор 11, где из газов извлекается вода, и затем, направляется в дожигатель 13. Возможен вариант, когда после сепаратора 9 установлен распределитель газовых потоков 14, из которого одна часть газового потока направляется конденсатор 11, а другая часть потока поступает в дожигатель 14. Причем перед дожигателем может быть установлен дополнительный насос и/или пятый теплообменник. Конденсация воды в конденсаторе 11 происходит в результате охлаждения отработанных и обедненных анодных газов потоком воздуха из окружающей среды, например, формируемым воздушным насосом 15. Вода, выделенная в конденсаторе 11, храниться в накопительной емкости 16, и оттуда, с, например, помощью водяного насоса 17 подается в парогенератор 18 (испаритель). Далее, водяной пар проходит через третий теплообменник 4, где он превращается в сухой пар высокого давления. Сухой нагретый пар подается в насос 10 (в частности в паровой эжектор 10б), где он расширяется в сопле Лаваля и сверхзвуковой поток пара создает разряжение (низкое давление) на входе эжекторного насоса 10.

Таким образом, модуль рециркуляции и сепарации анодных газов осуществляет рециркуляцию анодных газов и обогащение газов, возвращаемых в топливный элемент.

Процесс циркуляции газа и его сепарации требует затрат энергии, и эта энергия берется из высокопотенциального тепла, генерируемого батареей топливных элементов. Преобразование тепловой энергии в энергию движения газа в анодном контуре и сепараторе осуществляется в подсистеме, состоящей из парогенератора, третьего теплообменника и парового эжектора.

Избыточная тепловая энергия, выделяемая батареей ТОТЭ, преобразуется в дополнительную электрическую энергию, генерируемую электрохимическим генератором. Из этого следует необходимость эффективной рекуперации тепловой энергии в энергоустановке.

Теплообмен и рекуперация тепла в энергоутановке осуществляется следующим образом:

Первый теплообменник - 2 подогревает топливные газы на входе в анодное пространство батареи ТОТЕ за счет тепла анодных газов, выходящих из батареи.

Второй теплообменник - 3 подогревает топливные газы на входе в риформер за счет тепла анодных газов, выходящих из первого теплообменника - 2.

Третий теплообменник - 4 обеспечивает перегрев пара, подаваемого в эжекторный насос, за счет тепла отходящих газов, поступающих из пятого теплообменник - 6.

Четвертый теплообменник - 5 нагревает воздух на входе в катодное пространство батареи ТОТЕ за счет отходящих газов, поступающих из дожигателя.

Пятый теплообменник - 6 подогревает отработанные анодные газы, отделенные сепаратором и обедненные топливными компонентами, теплом отходящих газов, вышедших из четвертого теплообменника - 5.

После конденсатора поток воздуха разделяется на две части, и одна часть подается в шестой теплообменник 7 и, далее, после прохождения четвертого теплообменника поступает в катодное пространство батареи ТОТЭ, а другая часть смешивается с отходящими газами и сбрасывается в окружающую среду, снижая температуру отходящих газов и их влажность. Шестой теплообменник 7 осуществляет предварительный подогрев воздуха, подаваемого далее в катодное пространство топливного элемента. Подогрев осуществляется за счет тепла отходящих газов, поступающих из теплообменника 20 парогенератора.

Парогенератор выполнен объединенным с седьмым теплообменником 20, который обеспечивает поток водяного пара, необходимого для работы парового эжектора и для паровой конверсии углеводородного топлива. Для испарения воды используется тепло отработанных газов, выходящих из третьего теплообменника 4.

Конденсатор объединен с восьмым теплообменником 21, где вода конденсируется из потока обедненных по водороду отработанных анодных газов. Конденсатор охлаждается потоком воздуха, подаваемого в воздушные каналы теплообменника из окружающей среды с помощью воздушного насоса.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение коэффициента полезного действия энергоустановки на основе твердооксидных топливных элементов, увеличивает электрическую мощность батареи ТОТЭ, и позволяет использовать в качестве топлива широкий набор углеводородов. Все вышеизложенное позволяет повысить энергетическую эффективность процесса разделения, а также упростить реализацию этого процесса.