RU2526851C1 - Power supply plant on fuel cells - Google Patents
Power supply plant on fuel cells Download PDFInfo
- Publication number
- RU2526851C1 RU2526851C1 RU2013134380/07A RU2013134380A RU2526851C1 RU 2526851 C1 RU2526851 C1 RU 2526851C1 RU 2013134380/07 A RU2013134380/07 A RU 2013134380/07A RU 2013134380 A RU2013134380 A RU 2013134380A RU 2526851 C1 RU2526851 C1 RU 2526851C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- subsystem
- fuel
- air
- water
- exhaust gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности к энергоустановкам для совместной выработки электроэнергии и теплоты, использующим углеводородное топливо и предназначенным для локальных потребителей.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to power plants for the joint generation of electricity and heat using hydrocarbon fuel and intended for local consumers.
В настоящее время актуальной является задача создания автономных энергетических установок малой (до 30 кВт) мощности, использующих в качестве топлива природный газ. Традиционные энергетические технологии на основе прямого сжигания топлива (газотурбинные, газопоршневые, паросиловые) сложны в изготовлении и в указанном диапазоне мощностей имеют низкую эффективность. Привлекательной альтернативой являются энергоустановки на основе топливных элементов, которые не содержат движущихся частей, отличаются принципиально более простой технологией изготовления и достаточно высоким коэффициентом полезного действия выработки электроэнергии, практически независимым от установленной мощности. Комплекс конструктивных и эксплуатационных характеристик топливных элементов позволяет рассматривать их как основу для перспективных систем автономного энергоснабжения.Currently, the urgent task is to create autonomous power plants of low (up to 30 kW) power, using natural gas as fuel. Traditional energy technologies based on direct fuel combustion (gas turbine, gas piston, steam-powered) are difficult to manufacture and have a low efficiency in the indicated range of capacities. An attractive alternative is fuel-based power plants that do not contain moving parts, are distinguished by a fundamentally simpler manufacturing technology and a sufficiently high efficiency of electricity generation, almost independent of the installed capacity. The complex of design and operational characteristics of fuel cells allows us to consider them as the basis for promising autonomous energy supply systems.
Известен ряд технических решений, касающихся энергетических установок с топливными элементами, работающими на водороде, получаемом из углеводородного сырья. Особенности конструкции тех или иных установок определяются приоритетами, на которые ориентируются разработчики. В зависимости от назначения приоритетными могут быть минимальные размеры и масса, повышенная надежность, коэффициент полезного действия, дешевизна, простота обслуживания и т.д. Соответственно этому конкретные установки зачастую включают разнообразные комбинации одних и тех же узлов.A number of technical solutions are known relating to power plants with fuel cells operating on hydrogen obtained from hydrocarbon feedstocks. Design features of various plants are determined by the priorities that developers are guided by. Depending on the purpose, the priority may be the minimum size and weight, increased reliability, efficiency, low cost, ease of maintenance, etc. Accordingly, specific installations often include various combinations of the same units.
Работа установок на основе топливных элементов основана на следующих принципиальных пунктах.The operation of installations based on fuel cells is based on the following principle points.
1. Очистка углеводородного топлива от серы, выводящей из строя большинство катализаторов. Для этого используют стандартные десульфураторы.1. Purification of hydrocarbon fuel from sulfur, which destroys most of the catalysts. To do this, use standard desulfurizers.
2. Преобразование топлива (реформинг), заключающееся в превращении топлива в синтез-газ, содержащий водород и оксид углерода. Для этого используют способ паровой конверсии (нуждающийся в притоке тепла), способ парциального окисления (нуждающийся в отводе тепла) или автотермическую конверсию, сочетающую признаки двух вышеперечисленных способов (см., например, патент США №7223488, опубликован 29.07.2007). Дозировка окислителя позволяет обеспечить нулевой тепловой баланс реакции.2. Fuel conversion (reforming), which consists in converting fuel into synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide. To do this, use the steam conversion method (requiring heat influx), the partial oxidation method (requiring heat removal) or autothermal conversion that combines the features of the two above methods (see, for example, US patent No. 7223488, published July 29, 2007). The dosage of the oxidizing agent allows for a zero heat balance of the reaction.
3. Нейтрализация оксида углерода до концентрации, безвредной для топливных элементов. Для этого используют реакции сдвига (доокисление оксида углерода парами воды с высвобождением дополнительного количества водорода CO+H2O=CO2+H2), метанирования (перевод связанного углерода в безвредную метановую фракцию CO+3H2O=CH4+H2O), а также селективного окисления CO. Соответствующие узлы присутствуют в устройстве по патенту РФ №2353023, опубликован 20.04.2009). Наиболее устойчивыми к оксиду углерода являются твердооксидные топливные элементы, что позволяет ограничиваться одной, максимум двумя стадиями нейтрализации.3. Neutralization of carbon monoxide to a concentration that is harmless to fuel cells. For this, shear reactions are used (additional oxidation of carbon monoxide by water vapor with the release of an additional amount of hydrogen CO + H2O = CO2 + H2), methanation (conversion of bound carbon to the harmless methane fraction CO + 3H2O = CH4 + H2O), and selective CO oxidation. The corresponding nodes are present in the device according to the patent of the Russian Federation No. 2353023, published on 04/20/2009). The most resistant to carbon monoxide are solid oxide fuel cells, which allows you to be limited to one, at most two stages of neutralization.
4. Окисление водородсодержащего газа при определенной температуре в батарее топливных элементов с выделением электрической и тепловой энергии. Для этого используют селективно проницаемые мембраны, через которые протоны, получающиеся в результате каталитической диссоциации водорода, диффундируют от анода к катоду, стимулируя встречное протекание электронов во внешней цепи (см., например, обзор «Топливные элементы»: http://www.fpst-klg.kalg.ru/page11.html).4. Oxidation of hydrogen-containing gas at a certain temperature in the fuel cell battery with the release of electrical and thermal energy. For this, selectively permeable membranes are used, through which protons resulting from the catalytic dissociation of hydrogen diffuse from the anode to the cathode, stimulating the counter-flow of electrons in the external circuit (see, for example, the review "Fuel cells": http: //www.fpst -klg.kalg.ru/page11.html).
5. Нейтрализация выхлопных газов, включающая доокисление и отбор избыточного тепла и водяного конденсата (см., например, патент РФ №2188480, опубликован 27.08.2002, США №6370878, опубликован 16.04.2002).5. Neutralization of exhaust gases, including the oxidation and extraction of excess heat and water condensate (see, for example, RF patent No. 2188480, published August 27, 2002, USA No. 6370878, published April 16, 2002).
6. Обеспечение циркуляции воды, воздуха и тепла для функционирования системы.6. Ensuring the circulation of water, air and heat for the functioning of the system.
7. Наличие средств для предпусковой подготовки, в т.ч. прогрева реакторов до заданной температуры.7. Availability of funds for pre-launch preparation, incl. warming up the reactors to a predetermined temperature.
Обобщенно структура энергетической установки с осуществлением перечисленных функций может быть представлена фигурой 1.In general, the structure of a power plant with the implementation of these functions can be represented by figure 1.
Среди известных технических решений в области создания энергоустановок на основе топливных элементов за прототип настоящего изобретения может быть выбрана «Энергоустановка на топливных элементах» по патенту РФ №2353023, опубликованному 20.04.2009. Установка содержит следующие основные компоненты, так или иначе присутствующие во всех аналогах:Among the known technical solutions in the field of creating power plants based on fuel cells for the prototype of the present invention can be selected "Power plant on fuel cells" according to the patent of the Russian Federation No. 2353023, published on 04/20/2009. The installation contains the following main components, one way or another present in all analogues:
- подсистему переработки топлива с десульфуратором и топливным процессором, включающим паровой реформер и систему нейтрализации монооксида углерода;- a fuel processing subsystem with a desulfurizer and a fuel processor, including a steam reformer and a carbon monoxide neutralization system;
- подсистему выработки электроэнергии с контуром термостабилизации и батареей топливных элементов;- a power generation subsystem with a thermal stabilization circuit and a fuel cell battery;
- подсистему воздухоснабжения, по крайней мере, с одним компрессором и увлажнителем воздуха, поступающего в подсистему выработки электроэнергии;- an air supply subsystem with at least one compressor and a humidifier entering the power generation subsystem;
- подсистему водоснабжения с емкостью для регенерированной воды;- a water supply subsystem with a capacity for regenerated water;
- подсистему нейтрализации выхлопных газов;- exhaust gas neutralization subsystem;
- средства подготовки к запуску.- preparations for launch.
Энергоустановка работает следующим образом.Power installation works as follows.
Исходное газообразное углеводородное топливо, очищенное от серосодержащих соединений в десульфураторе, подается в топливный процессор, включающий реформер, где последовательно проходит стадии разогрева, смешивания с парами воды, каталитической конверсии в синтез-газ (смесь водорода с монооксидом углерода), и систему очистки синтез-газа от монооксида углерода. Очистка включает одну или две стадии: 1) паровую конверсию CO с образованием дополнительного количества водорода и двуокиси углерода, а также при необходимости 2) каталитическое окисление CO.The initial gaseous hydrocarbon fuel, purified from sulfur-containing compounds in a desulfurizer, is fed to a fuel processor that includes a reformer, where it passes through the stages of heating, mixing with water vapor, catalytic conversion to synthesis gas (a mixture of hydrogen with carbon monoxide), and a synthesis synthesis system gas from carbon monoxide. Purification involves one or two stages: 1) steam conversion of CO to form additional hydrogen and carbon dioxide, and, if necessary, 2) catalytic oxidation of CO.
Полученный водородсодержащий газ через стабилизирующий водяной теплообменник поступает параллельно с увлажненным воздухом в батарею топливных элементов, где, вступая в реакцию с кислородом воздуха, производит электроэнергию.The resulting hydrogen-containing gas through a stabilizing water heat exchanger enters in parallel with humidified air into the fuel cell battery, where, when it reacts with atmospheric oxygen, it produces electricity.
Стабилизирующий водяной теплообменник входит в состав контура, включающего батарею топливных элементов и систему циркуляции воды с элементами отвода избыточного тепла.A stabilizing water heat exchanger is part of a circuit that includes a battery of fuel cells and a water circulation system with elements for removing excess heat.
Подсистема водоснабжения обеспечивает конденсацию и сбор воды в накопительную емкость, а также принудительную подачу воды в топливный процессор с попутным превращением ее в пар в промежуточных теплообменниках.The water supply subsystem provides condensation and collection of water in the storage tank, as well as the forced supply of water to the fuel processor with its passing into steam in the intermediate heat exchangers.
Подсистема воздухоснабжения обеспечивает принудительный подвод воздуха к топливным элементам, а также к системе утилизации выхлопных газов.The air supply subsystem provides forced air supply to the fuel cells, as well as to the exhaust gas utilization system.
Подсистема утилизации выхлопных газов в той или иной степени обеспечивает рекуперацию переносимых указанными газами тепловой и химической энергии, а также воды.The exhaust gas utilization subsystem provides, to one degree or another, the recovery of the heat and chemical energy carried by the indicated gases, as well as water.
Выбранная за прототип установка, как и ряд аналогов, не свободна от недостатков.The installation selected for the prototype, as well as a number of analogues, is not free from disadvantages.
В известной установке тепло, необходимое для паровой конверсии углеводородного топлива, обеспечивается за счет непрерывного сжигания части топлива в горелке как на стадии предпусковой подготовки, так и в процессе работы, что снижает экономичность расходования топлива.In the known installation, the heat required for the steam conversion of hydrocarbon fuel is provided by continuously burning part of the fuel in the burner both at the pre-start stage and during operation, which reduces the fuel economy.
Работа топливного процессора в режиме паровой конверсии связана с дефицитом воды, что снижает автономность установки, делая ее зависимой от источника воды.The operation of the fuel processor in the steam conversion mode is associated with a water shortage, which reduces the autonomy of the installation, making it dependent on the water source.
Существует ряд технических решений, в которых вместо паровой конверсии используется автотермическая конверсия, например, вышеуказанный патент США №7223488. Присутствие кислорода в дозированной концентрации позволяет обеспечить нулевой энергетический баланс, таким образом, отпадает необходимость в дополнительном нагреве, за исключением предпускового прогрева. Приток тепла за счет частичного окисления топлива непосредственно в рабочем пространстве реформера в любом случае сопровождается меньшими потерями, чем в случае подогрева внешней горелкой. Благодаря этому экономичность расходования топлива повышается. Однако существующие альтернативные конструкции ориентированы на глубокую интеграцию функций подогрева, смешения и каталитического реформинга реагентов, в результате чего реформер превращается в сложный, высокотехнологичный, а следовательно дорогой, сложный в эксплуатации и неремонтопригодный узел.There are a number of technical solutions in which instead of steam conversion, autothermal conversion is used, for example, the above US patent No. 7223488. The presence of oxygen in a metered concentration allows for a zero energy balance, thus eliminating the need for additional heating, with the exception of preheating. The heat influx due to partial oxidation of the fuel directly in the reformer's working space is in any case accompanied by less losses than in the case of heating with an external burner. Thanks to this, fuel economy is increased. However, the existing alternative designs are focused on the deep integration of the functions of heating, mixing and catalytic reforming of the reagents, as a result of which the reformer turns into a complex, high-tech, and therefore expensive, difficult to operate and non-repairable unit.
Контур термостабилизации топливных элементов в известной установке, как и в других аналогах, связан с общей системой циркуляции воды, что создает дополнительные перекрестные связи, затрудняет обслуживание и снижает ремонтопригодность энергоустановки.The thermal stabilization circuit of the fuel cells in the known installation, as in other analogues, is connected with the general water circulation system, which creates additional cross-connections, complicates maintenance and reduces the maintainability of the power plant.
Таким же усложняющим фактором является утилизация выхлопных газов через дополнительный канал, соединяющий выход батареи топливных элементов и горелку реформера.The same complicating factor is the exhaust gas utilization through an additional channel connecting the output of the fuel cell battery and the reformer burner.
Указанные недостатки делают актуальной доработку известных технических решений с целью улучшения комплекса эксплуатационных характеристик энергоустановки.These shortcomings make it relevant to refine the well-known technical solutions in order to improve the range of operational characteristics of the power plant.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение экономичности расхода топлива, упрощение конструкции, улучшение надежности, простоты эксплуатации и ремонтопригодности за счет повышения автономности подсистем и минимизации перекрестных связей между узлами.The technical result of the claimed invention is to increase fuel economy, simplify the design, improve reliability, ease of operation and maintainability by increasing the autonomy of the subsystems and minimizing cross-connections between nodes.
Технический результат достигается за счет того, что в известной энергетической установке на основе топливных элементов, содержащей подсистему переработки топлива с десульфуратором и 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, основные отличия состоят в том, что 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.The technical result is achieved due to the fact that in the well-known power plant based on fuel cells containing a fuel processing subsystem with a desulfurizer and a fuel processor, including a steam reformer and a carbon monoxide neutralization system, an electricity generation subsystem with a thermal stabilization circuit and a fuel cell battery, an air supply subsystem, with at least one compressor and a humidifier for the air entering the power generation subsystem, the drainage subsystem abnormalities with a tank for regenerated water, an exhaust gas neutralization subsystem and preparations for launching, the main differences are that in the fuel processor the mixing, heating and reforming units are made in the form of separate independent units, the thermal stabilization circuit in the power generation subsystem is isolated from water regeneration systems, a humidifier of the air supplied to the fuel cells, a humidifying medium channel is included in the exhaust air stream of the fuel cell elements, and the pre-launch subsystem is equipped with additional channels for supplying fuel and air to the exhaust gas utilization subsystem, switched by three-way valves.
Значение основных отличий для получения технического результата обусловлено следующим.The significance of the main differences for obtaining a technical result is due to the following.
1. Выполнение узлов смешивания, подогрева и реформинга реагентов в топливном процессоре в виде раздельных независимых блоков обеспечивает максимальную простоту конструкции, позволяющую изготавливать указанные блоки в условиях массового производства без высокотехнологической оснастки. По существу основные блоки имеют вид стыкуемых между собой металлических емкостей с закрепленными на них теплообменниками, что позволяет обеспечить удобное управление системой, производить обслуживание и ремонт блоков.1. The implementation of the nodes of mixing, heating and reforming of the reagents in the fuel processor in the form of separate independent blocks provides the maximum simplicity of design, allowing to produce these blocks in mass production without high-tech equipment. Essentially, the main blocks are in the form of metal containers joined together with heat exchangers fixed on them, which allows for convenient control of the system, maintenance and repair of the blocks.
2. Выполнение контура термостабилизации изолированным от системы регенерации воды обеспечивает повышение эффективности очистки циркулирующей в контуре воды. Очистка представляет собой удаление проводящих примесей в ионитном фильтре и удаление механических примесей в механическом фильтре. В аналогах, как правило, контур термостабилизации соединен с общей системой циркуляции воды, где присутствует отдельный контур очистки, то есть очистке постепенно подвергается вся вода, циркулирующая в системе. Такая система избыточна, поскольку требования к воде, подающейся в топливный процессор, минимальны. Напротив, к воде, охлаждающей топливные элементы, предъявляются жесткие требования по электропроводности. Выполнение этих требований легче контролировать в отдельном контуре и независимо от остальной системы. Термостабилизирующий контур выполнен по типовой схеме с большим и малым кругами циркуляции (соответственно, с прокачкой через вспомогательный радиатор или напрямую). Коммутация прохождения воды через большой и малый круги обеспечивает поддержание необходимой рабочей температуры топливного элемента. При этом в качестве коммутатора может быть использован беспрецедентно надежный термостатирующий узел из охлаждающей системы автомобильного двигателя, а вместо вспомогательного радиатора может быть подключена локальная система теплоснабжения.2. The implementation of the thermal stabilization circuit isolated from the water regeneration system provides an increase in the efficiency of purification of the water circulating in the circuit. Cleaning is the removal of conductive impurities in an ion exchange filter and the removal of solids in a mechanical filter. In analogs, as a rule, the thermal stabilization circuit is connected to a common water circulation system, where there is a separate purification circuit, that is, all the water circulating in the system is gradually subjected to purification. Such a system is redundant, since the requirements for water supplied to the fuel processor are minimal. On the contrary, stringent electrical conductivity requirements are imposed on the water cooling the fuel cells. The fulfillment of these requirements is easier to control in a separate circuit and independently of the rest of the system. The thermostabilizing circuit is made according to a typical scheme with large and small circulation circles (respectively, with pumping through an auxiliary radiator or directly). Switching the passage of water through the large and small circles ensures the maintenance of the required operating temperature of the fuel cell. At the same time, an unprecedentedly reliable thermostatic unit from the cooling system of an automobile engine can be used as a switch, and a local heat supply system can be connected instead of an auxiliary radiator.
3. Включение канала увлажняющей среды увлажнителя воздуха, подводимого к топливным элементам, в поток выходного воздушного потока батареи топливных элементов обеспечивает независимое функционирование воздушного контура батареи топливных элементов. Тем самым устраняется влияние остальных подсистем установки на воздушный контур, упрощается его обслуживание и ремонт.3. The inclusion of the humidifier channel of the humidifier supplied to the fuel cells in the output stream of the fuel cell battery provides independent operation of the air circuit of the fuel cell battery. This eliminates the influence of the remaining subsystems of the installation on the air circuit, simplifies its maintenance and repair.
4. Включение в подсистему подготовки к пуску дополнительных, коммутируемых трехходовыми клапанами, каналов подведения топлива и воздуха к подсистеме утилизации выхлопных газов обеспечивает предпусковой разогрев подсистем без привлечения дополнительных узлов и блоков. Момент запуска характеризуется отсутствием тепловыделения как в реформере, так и в топливных элементах. Для предварительного разогрева по дополнительным каналам в подсистему утилизации подводят воздух и углеводородное топливо. Выделяющееся тепло способствует первичному разогреву и испарению воды, поступающей в топливный процессор. По мере развития и установления процесса реформинга в батарею топливных элементов начинает поступать водородсодержащий газ, инициирующий разогрев топливных элементов и начало активного тепловыделения. По достижении рабочей температуры топливных элементов вступает в действие термостабилизирующий контур, и вся установка выходит на рабочий режим. К этому моменту непосредственная подача воздуха и топлива по дополнительным каналам прекращается. Таким образом, форсирование прогрева реакторных зон реформера, нейтрализатора CO и топливных элементов производится штатной системой утилизации выходных газов без каких-либо дополнительных средств в виде горелок и теплообменников.4. The inclusion in the subsystem of preparation for start-up of additional, switched by three-way valves, channels for supplying fuel and air to the exhaust gas utilization subsystem ensures preheating of the subsystems without involving additional nodes and blocks. The launch moment is characterized by the absence of heat generation both in the reformer and in the fuel cells. For preliminary heating through additional channels, air and hydrocarbon fuel are introduced into the utilization subsystem. The generated heat contributes to the initial heating and evaporation of water entering the fuel processor. With the development and establishment of the reforming process, a hydrogen-containing gas begins to enter the fuel cell battery, initiating the heating of the fuel cells and the beginning of active heat generation. Upon reaching the operating temperature of the fuel cells, a thermostabilizing circuit enters into operation, and the entire installation enters the operating mode. At this point, the direct supply of air and fuel through additional channels is stopped. Thus, boosting the heating of the reactor zones of the reformer, CO neutralizer and fuel cells is carried out by a standard exhaust gas utilization system without any additional means in the form of burners and heat exchangers.
Таким образом, заявляемые отличительные признаки обеспечивают реализацию технического результата, то есть способствуют упрощению конструкции, улучшают надежность, упрощают автоматизацию, эксплуатацию и ремонтопригодность за счет повышения автономности подсистем и минимизации перекрестных связей между узлами.Thus, the claimed distinctive features ensure the implementation of the technical result, that is, they simplify the design, improve reliability, simplify automation, operation and maintainability by increasing the autonomy of the subsystems and minimizing cross-connections between nodes.
Предложенные технические решения были подвергнуты тщательной экспериментальной проверке на предмет реальности достижения технического результата. Это касалось не только работоспособности установки в целом, но и достижения требуемых эксплуатационных характеристик, соблюдения материального и теплового баланса.The proposed technical solutions were subjected to rigorous experimental verification for the reality of achieving a technical result. This concerned not only the operability of the installation as a whole, but also the achievement of the required operational characteristics, observance of material and heat balance.
Проведенные экспериментальные работы подтвердили достижение заявленного результата.The conducted experimental work confirmed the achievement of the claimed result.
Пример конкретной реализации заявленной установки приведен на фиг.2.An example of a specific implementation of the claimed installation is shown in figure 2.
Энергоустановка на основе топливных элементов содержит вышеупомянутые структурные элементы: подсистему переработки топлива с десульфуратором и 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. Сопутствующие преобразователи напряжения, аккумуляторы для сглаживания неравномерности энергопотребления и средства автоматизированного управления технологическими процессами на чертеже не показаны.A fuel cell-based power plant contains the aforementioned structural elements: a fuel processing subsystem with a desulfurizer and a fuel processor including a steam reformer and carbon monoxide neutralization system, an electricity generation subsystem with a thermal stabilization circuit and a fuel cell battery, an air supply subsystem with at least one compressor and humidifier of air entering the power generation subsystem, water supply subsystem with a capacity for regenerated water, a subsystem for neutralizing exhaust gases and preparations for launching. Related voltage converters, batteries for smoothing uneven energy consumption and automated process control tools are not shown in the drawing.
Подсистема переработки топлива содержит запорный клапан 1, блок очистки углеводородного газа от соединений серы (десульфуратора) 2, который в общем случае может включать модуль редуцирования давления газа, механический фильтр 3, узел смешения реагентов 4, теплообменный аппарат рекуперативного типа 5, реактор автотермической конверсии углеводородов 6, реактор паровой конверсии оксида углерода 7, теплообменный аппарат рекуперативного типа 8, а также в случае необходимости, реактор селективного окисления оксида углерода 9. В соответствии с заявляемым техническим решением узел смешения реагентов 4, теплообменный аппарат для их нагрева 5 и реактор реформинга 6 выполнены в виде отдельных независимых блоков.The fuel processing subsystem contains a shut-off valve 1, a unit for purifying hydrocarbon gas from sulfur compounds (desulfurator) 2, which in the general case may include a gas pressure reduction module, a mechanical filter 3, a reagent mixing unit 4, a
Подсистема выработки электроэнергии содержит трехконтурный теплообменный аппарат рекуперативного типа 20, батарею топливных элементов 21, запорные клапаны 22 и 23, систему термостабилизации батареи топливных элементов и выдачи тепловой мощности потребителю, состоящую из теплообменного аппарата рекуперативного типа 24, вспомогательного радиатора охлаждения теплоносителя 25, трехходового клапана-термостата 26, ионитового фильтра 27, механического фильтра 28 и насоса 29. В соответствии с заявляемым техническим решением система термостабилизации батареи топливных элементов, образующая замкнутый контур, выполнена изолированной от системы регенерации воды.The power generation subsystem contains a three-circuit heat exchanger of the
Подсистема воздухоснабжения содержит механический воздушный фильтр 11, нагнетатель 12, регулирующие клапаны 13, 14 и 15 и увлажнитель воздуха 35. В соответствии с заявляемым техническим решением канал увлажняющей среды увлажнителя 35 включен в поток влагонасыщенного воздуха, выходящего из батареи топливных элементов.The air supply subsystem comprises a mechanical air filter 11, a supercharger 12,
Подсистема водоснабжения содержит конденсатоотводчики 30 и 31, емкость для регенерированной воды 32, фильтр 33, насос 34 и котел-утилизатор 18.The water supply subsystem comprises steam traps 30 and 31, a container for regenerated
Подсистема нейтрализации выхлопных газов содержит реактор каталитического дожигания водородсодержащего газа 17 и радиатор охлаждения выхлопных газов с конденсатоотводчиком 19.The exhaust gas neutralization subsystem contains a catalytic afterburning reactor for hydrogen-containing
Средства подготовки к запуску в соответствии с заявляемым техническим решением представлены трехходовыми клапанами 10 и 16, открывающими дополнительные каналы подачи воздуха и топлива в реактор каталитического дожигания 17.Means of preparation for launch in accordance with the claimed technical solution are represented by three-
Энергоустановка работает следующим образом. Углеводородный газ через клапан 1 поступает в энергоустановку. Очищенный от серы в блоке десульфуратора 2 и механических примесей в фильтре 3, газ смешивается в смесителе 4 с воздухом, очищенным в фильтре 11 и подаваемым нагнетателем 12 через регулирующий клапан 13, а также с водяным паром, генерируемым в котле-утилизаторе 18, и подается в теплообменник 5, где нагревается потоком конвертированного водородсодержащего газа.Power installation works as follows. Hydrocarbon gas through valve 1 enters the power plant. Purified from sulfur in the
Нагретая газовоздушная смесь реагирует в присутствии катализатора в реакторе автотермической конверсии 6 с образованием водородсодержащего газа, который, покидая реактор 6, охлаждается в теплообменнике 5 и поступает в реактор паровой конверсии оксида углерода 7, в котором оксид углерода, содержащийся в конвертированном газе, реагирует на катализаторе с остаточным паром, одновременно поступающим из реактора 6, при этом его концентрация снижается до уровня менее 1 об.%. Выходящий из реактора 7 газ охлаждается в теплообменнике 8 водой и поступает при необходимости в реактор селективного окисления оксида углерода 9, где остаточный оксид углерода реагирует в присутствии катализатора с кислородом воздуха, подаваемого через регулирующий клапан 14 нагнетателем 12. Далее газ проходит через трехходовой клапан 10, в зависимости от положения которого подается в реактор каталитического дожигания 17 или на вход трехконтурного теплообменника 20.The heated air-gas mixture reacts in the presence of a catalyst in an
При запуске поток газа направляется в реактор каталитического дожигания 17, где полностью окисляется воздухом, подаваемым через трехходовой клапан 16 нагнетателем 12, а полученное тепло используется для нагрева и испарения воды в котле-утилизаторе 18. Выхлопные газы охлаждаются в радиаторе 19 и выбрасываются в окружающую среду, а содержащаяся в них влага конденсируется и попадает в емкость 32, из которой через фильтр 33 насосом 34 подается последовательно в котел-утилизатор 18, где подогревается и испаряется, в теплообменник 8, где термостабилизирует газ на выходе из реактора паровой конверсии оксида углерода 7, и в смеситель 4. Попадая в смеситель 4, вода образует парогазовоздушную смесь для реакции автотермической конверсии, а ее избыток в виде конденсата возвращается в емкость 32.At start-up, the gas flow is directed to the catalytic afterburning
После прогрева всех реакторов трехходовой клапан 10 перенаправляет поток топливного газа в треконтурный теплообменник 20, а трехходовой клапан 16 перенаправляет поток воздуха в увлажнитель 35. При этом открываются запорный клапан на линии топлива 22 и запорный клапан на линии окислителя 23. Топливный газ охлаждается в трехконтурном теплообменнике 20, подогревая воздух и теплоноситель, и подается на аноды батареи топливных элементов 21, где вступает в электрохимическую реакцию с кислородом воздуха, предварительно увлажненного в увлажнителе 35 и нагретого в теплообменнике 20. В результате окислительной реакции на клеммах батареи 21 генерируется электрическая энергия, на катодах батареи 21 выделяется вода, а выработанное тепло уносится теплоносителем. Непрореагировавшие в ходе электрохимической реакции водородсодержащий газ и воздух поступают в реактор каталитического дожигания 17.After warming up all the reactors, the three-way valve 10 redirects the flow of fuel gas to the
Выделившаяся на анодах в результате охлаждения, а на катодах в результате электрохимической реакции вода удаляется из газа и воздуха в конденсатоотводчиках 30 и 31, соответственно, и сливается в емкость 32. При переполнении емкости 32 часть воды удаляется в окружающую среду.The water released at the anodes as a result of cooling, and at the cathodes as a result of an electrochemical reaction, is removed from the gas and air in the steam traps 30 and 31, respectively, and is discharged into the
Теплоноситель, отобравший тепло от батареи 21, делится на два потока, один из которых охлаждается, отдавая тепло потребителю в теплообменнике 24 локальной системы отопления или, при отсутствии потребления теплоты, окружающей среде в радиаторе 25, а второй перепускается на вход ионитного фильтра 27. Соотношение потоков теплоносителя регулируется трехходовым клапаном-термостатом 26. Проходя ионитный фильтр 27 и механический фильтр 28, теплоноситель очищается от накапливающихся в ходе многократной циркуляции примесей и насосом 29 подается в трехконтурный теплообменник 20.The heat carrier that has taken the heat from the
Установка оснащена системой автоматического управления, позволяющей ей длительное время работать в полностью автоматическом режиме, включая пуск, изменение мощности и остановку, а также системой жизнеобеспечения блок-бокса, не показанные на схеме.The installation is equipped with an automatic control system that allows it to work for a long time in fully automatic mode, including starting, changing power and stopping, as well as the life-support system of the block box, not shown in the diagram.
В соответствии с данной структурной схемой, обладающей заявленными отличительными признаками, была изготовлена экспериментальная установка, которая показала работоспособность технологической схемы и достижение заявляемых результатовIn accordance with this structural diagram, which has the declared distinctive features, an experimental setup was made, which showed the operability of the technological scheme and the achievement of the claimed results
По данным реальных испытаний в 2011 году КПД энергоустановки с учетом энергозатрат на жизнеобеспечение и поддержание климатических условий в блок-боксе составил до 30%. Вес всей энергоустановки - 800 кг, максимальная мощность - 10 кВт.According to actual tests in 2011, the efficiency of a power plant taking into account energy costs for life support and maintaining climatic conditions in the block box amounted to 30%. The weight of the entire power plant is 800 kg, the maximum power is 10 kW.
Известные блочные генератораторные установки на жидкотопливных двигателях внутреннего сгорания отличаются меньшим весом, но лучшие их образцы имеют КПД до 20%, требуют более частого периодического обслуживания, имеют высокий уровень шума, выбрасывают в окружающую среду вредные вещества. Паротурбинные генераторные установки отличаются значительно меньшим КПД, вредными выбросами в окружающую среду, большим влиянием на мощность температуры окружающей среды.The well-known block generator sets on liquid-fuel internal combustion engines have a lower weight, but their best samples have an efficiency of up to 20%, require more frequent periodic maintenance, have a high noise level, and emit harmful substances into the environment. Steam turbine generator sets are characterized by significantly lower efficiency, harmful emissions into the environment, and a large influence on the ambient temperature power.
Более конкурентными остаются газовые генераторы. Например, дизельный газогенератор G-10-230(400)-1500 компании Russian Engineering Group с непрерывным режимом работы при мощности 10 кВт (без учета затрат на жизнеобеспечение и преобразование энергии) имеет массу 875 кг, расход метана 0,4 м3 на 1 кВт·ч, что соответствует КПД порядка 33%. Установка имеет высокий уровень шума 60 дБ (без шумозащитного кожуха 75 дБ), нуждается в периодической остановке для замены масла. Подобными характеристиками обладают и микротурбинные установки, но их мощность не менее 30 кВт, а на заметно меньших мощностях их КПД сильно падает.Gas generators remain more competitive. For example, a diesel gas generator G-10-230 (400) -1500 of the Russian Engineering Group company with a continuous mode of operation at a power of 10 kW (excluding life-support costs and energy conversion) has a mass of 875 kg, methane consumption of 0.4 m 3 per 1 kWh, which corresponds to an efficiency of about 33%. The installation has a high noise level of 60 dB (without a soundproof hood 75 dB), needs to be intermittently stopped to change the oil. Microturbine plants have similar characteristics, but their power is not less than 30 kW, and at much lower powers their efficiency drops significantly.
Заявленная установка при аналогичных КПД и массе является практически бесшумной, энергия генерируется без преобразования в механическую энергию, что обуславливает ее большую надежность и меньшие требования к обслуживанию, а также отсутствие вредных выбросов.The claimed installation with similar efficiency and weight is virtually silent, the energy is generated without conversion to mechanical energy, which leads to its greater reliability and lower maintenance requirements, as well as the absence of harmful emissions.
Таким образом, по комплексу характеристик заявленная установка на уровне экспериментального образца по техническим характеристикам не уступает или превосходит функциональные аналоги, а по требованию к обслуживанию, КПД, экологичности, бесшумности превосходит аналоги.Thus, in terms of the set of characteristics, the declared installation at the level of the experimental sample is not inferior in terms of technical characteristics or exceeds functional analogs, and surpasses analogues in terms of maintenance, efficiency, environmental friendliness, and noiselessness.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013134380/07A RU2526851C1 (en) | 2013-07-22 | 2013-07-22 | Power supply plant on fuel cells |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013134380/07A RU2526851C1 (en) | 2013-07-22 | 2013-07-22 | Power supply plant on fuel cells |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2526851C1 true RU2526851C1 (en) | 2014-08-27 |
Family
ID=51456280
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013134380/07A RU2526851C1 (en) | 2013-07-22 | 2013-07-22 | Power supply plant on fuel cells |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2526851C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2653055C1 (en) * | 2016-11-30 | 2018-05-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") | Power supply plant based on solid oxide fuel cells |
| RU190088U1 (en) * | 2019-01-28 | 2019-06-18 | Оксана Викторовна Давыдова | Device for measuring the flow rate of production from oil and gas wells with associated petroleum gas utilizer |
| US11070584B1 (en) | 2020-01-06 | 2021-07-20 | General Electric Company | Graceful neutralization of industrial assett attack using cruise control |
| RU2774852C1 (en) * | 2021-09-03 | 2022-06-27 | Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева" Министерства обороны Российской Федерации | Closed-cycle power plant with solid polymer fuel cells |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6370878B1 (en) * | 2000-11-30 | 2002-04-16 | Plug Power Inc. | Recovering heat from fuel cell exhaust |
| RU2188480C2 (en) * | 2000-05-29 | 2002-08-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Gear to run electrochemical generator with after-burner and process of its exploitation |
| US7223488B2 (en) * | 2001-04-27 | 2007-05-29 | Plug Power Inc. | Integrated fuel cell system |
| RU2321925C1 (en) * | 2005-09-05 | 2008-04-10 | Эл Джи Электроникс Инк. | Fuel cell incorporating temperature/humidity controller |
| RU2327257C1 (en) * | 2005-11-29 | 2008-06-20 | Эл Джи Электроникс Инк. | Fuel element system |
| RU2353023C1 (en) * | 2007-12-24 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Газпром" | Fuel element- based electric power plant |
-
2013
- 2013-07-22 RU RU2013134380/07A patent/RU2526851C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2188480C2 (en) * | 2000-05-29 | 2002-08-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева" | Gear to run electrochemical generator with after-burner and process of its exploitation |
| US6370878B1 (en) * | 2000-11-30 | 2002-04-16 | Plug Power Inc. | Recovering heat from fuel cell exhaust |
| US7223488B2 (en) * | 2001-04-27 | 2007-05-29 | Plug Power Inc. | Integrated fuel cell system |
| RU2321925C1 (en) * | 2005-09-05 | 2008-04-10 | Эл Джи Электроникс Инк. | Fuel cell incorporating temperature/humidity controller |
| RU2327257C1 (en) * | 2005-11-29 | 2008-06-20 | Эл Джи Электроникс Инк. | Fuel element system |
| RU2353023C1 (en) * | 2007-12-24 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Газпром" | Fuel element- based electric power plant |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2653055C1 (en) * | 2016-11-30 | 2018-05-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") | Power supply plant based on solid oxide fuel cells |
| RU190088U1 (en) * | 2019-01-28 | 2019-06-18 | Оксана Викторовна Давыдова | Device for measuring the flow rate of production from oil and gas wells with associated petroleum gas utilizer |
| US11070584B1 (en) | 2020-01-06 | 2021-07-20 | General Electric Company | Graceful neutralization of industrial assett attack using cruise control |
| RU2794591C1 (en) * | 2020-05-11 | 2023-04-24 | Ёнчан Ё | Fuel cell system |
| RU2774852C1 (en) * | 2021-09-03 | 2022-06-27 | Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева" Министерства обороны Российской Федерации | Closed-cycle power plant with solid polymer fuel cells |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109193009B (en) | Solid oxide fuel cell composite system and method of use | |
| KR101142472B1 (en) | Molten Carbonate Fuel Cell System with Hydrocarbon Reactor | |
| KR101259820B1 (en) | Fuel cell system and ship having the same | |
| JP2016195120A (en) | High efficiency reforming recirculation system for solid oxide fuel battery | |
| JP2005532241A (en) | No / low exhaust energy supply station | |
| EP1241723B1 (en) | Water recovery for a fuel cell system | |
| JP2006309982A (en) | Solid oxide fuel cell system | |
| EP2517296A1 (en) | System and method for separating co2 from combustion exhaust gas by means of mcfc multistacks | |
| JPS59139578A (en) | Fuel battery power device | |
| CN102460797A (en) | Device for producing electricity for a submarine comprising a fuel cell | |
| WO2004025767A2 (en) | Power generation apparatus | |
| RU2653055C1 (en) | Power supply plant based on solid oxide fuel cells | |
| RU2526851C1 (en) | Power supply plant on fuel cells | |
| JP4744971B2 (en) | Low quality waste heat recovery system | |
| CN116979107B (en) | Fuel cell system | |
| JP3943405B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
| CN111509279B (en) | In-situ hydrogen production fuel cell system | |
| JP2009104814A (en) | Fuel cell power generation system | |
| KR101788743B1 (en) | Fuel cell system for ship | |
| RU2774852C1 (en) | Closed-cycle power plant with solid polymer fuel cells | |
| RU2353023C1 (en) | Fuel element- based electric power plant | |
| KR102177183B1 (en) | Power generation systems and methods utilizing cascaded fuel cells | |
| JP4176130B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
| KR102190941B1 (en) | Ship | |
| JPH065298A (en) | Fuel cell power generating apparatus |