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invention
Fédération de Russie Patent RU2290724
Hydrogène-oxygène du générateur électrochimique
Nom de l'inventeur: Vorontsov Vladimir (RU); Têtes Valery (RU); Vyacheslav A. Nikitin (RU); Perfil'ev Lev (RU); Ritov Alexander (RU); Starostin Alexander (RU); Khudyakov Sergey A. (RU); Sergey Chernov Veniaminovich
Le nom du titulaire du brevet: Open Joint Stock Company "Rocket and Space Corporation" Energia "Korolev"
Adresse pour la correspondance: 141070, région de Moscou, Korolev, st .. Lénine, 4a, JSC "RSC" Energia ". SP Korolev" Département de la propriété intellectuelle
Date de début du brevet: 09.03.2005
L 'invention concerne le domaine de l'énergie et peut être utilisé dans des centrales électriques fixes et mobiles fonctionnant à l'hydrogène-oxygène (air), Générateurs électrochimiques. Cette invention est d'augmenter l'efficacité du générateur électrochimique, en réduisant la consommation d'énergie pour générer de l'électricité en utilisant l'énergie thermique du gaz d'hydrogène fourni depuis le séparateur d'hydrogène et des besoins et l'utilisation du mélange de gaz à haute pression du générateur électrochimique flux sortant du reformeur. La consommation d'énergie réduite est réalisé par le fait qu'à la sortie du régulateur reformeur consigne de pression, ce qui permet de créer une pression optimale dans le reformeur, et un mélange de flux en aval d'un régulateur de pression à haute pression est utilisée pour faire fonctionner la turbine de l'unité de turbine qui fournit de l'air de l'atmosphère dans l'équipement terminal de la batterie. L'unité de turbine à courant de gaz de sortie est fourni à une post-combustion et l'énergie thermique est utilisée pour chauffer le mélange gazeux dans le réformeur, ainsi que pour l'évaporation du carburant entrant dans l'évaporateur et le chauffage de l'air entrant dans la batterie de piles à combustible.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine de l' énergie et peut être utilisé dans des centrales électriques fixes et mobiles fonctionnant à l' hydrogène-oxygène (air) , Générateurs électrochimiques.
Un analogue du dispositif proposé est un générateur électrochimique (ECG) pour la conversion des hydrocarbures (p.166 N.V.Korovina dans le livre "générateurs électrochimiques", "énergie", 1974).
La consommation de carburant et d'eau déminéralisée sont introduits dans le réacteur à travers un dispositif de chauffage où les produits de conversion entrent dans le séparateur à membrane de palladium-argent. l'hydrogène purifié est amené, après refroidissement, l'empilement de piles à combustible (FC).
Au démarrage du système est chauffé par la combustion de carburant lorsque la température de fonctionnement est maintenue par la chaleur de l'ECG et de post-combustion des composants non réagis des hydrocarbures et du CO, venant après le séparateur. La réaction produit - de l'eau est renvoyée au générateur d'hydrogène et remis à zéro.
ECG peut être équipé d'un circuit spécial de refroidissement, qui est utilisé pour le chauffage du système lors de l'exécution de l'ECG. La capacité totale de l'ECG, consommé pour ses propres besoins, y compris le système d'alimentation en air, le maintien du processus de conversion dans la préparation de l'hydrogène gazeux, le système de régulation thermique, environ 500 watts, soit 12,5%. Le rendement total de l'usine est changée de 15% à une puissance de 500 W à 35% à pleine puissance 4,0 kW.
L'inconvénient de l'ECG considéré est la consommation importante d'énergie pour les auxiliaires, les consommables du système d'alimentation en air, le maintien du processus de conversion dans la préparation d'hydrogène gazeux, le système de régulation thermique pour garantir que les paramètres thermiques spécifiés dans le système ECG, ce qui réduit l'efficacité de l'ECG, d'environ 12,5%.
Le prototype du dispositif proposé est un ECG du brevet US №6063515 à partir 10.05.2000 g Ce dispositif comporte un système de méthanol et d' entrée d'eau à l'évaporateur pour l' évaporation de l'écoulement de liquide, le reformage catalytique pour y produire un courant contenant de l' hydrogène gazeux et du CO 2, le séparateur d'hydrogène avec du palladium membrane dans lequel le courant de séparation de l'hydrogène gazeux, puis entre dans un TE ECG, et les impuretés qui pénètrent dans le brûleur catalytique pour chauffer le courant de fluide de refroidissement utilisé pour chauffer le reformeur et l'évaporateur. Contrôle brûleur catalytique est effectuée en utilisant un capteur de température et un débit de régulation de la pression à la sortie du brûleur catalytique en fonction du signal de sortie du capteur de température.
ECG inconvénient discuté est que ce pré-départ chauffage du reformeur de combustible et l'évaporateur chemin hydraulique ECG effectué par la puissance d'entrée, ce qui réduit l'efficacité par rapport à l'utilisation de l'énergie pour son usage prévu de l'ECG de la combustion du carburant.
Le but de l'invention est d'augmenter l'efficacité en réduisant la consommation d'énergie pour générer de l'électricité dans le générateur électrochimique par l'utilisation de l'énergie thermique du gaz d'hydrogène fourni depuis le séparateur d'hydrogène nécessaire d'utiliser un mélange d'ECG de flux de gaz à haute pression provenant du reformeur.
Ce but est atteint en ce que le générateur électrochimique comprend un empilement de piles à combustible, l'évaporateur, le reformage, le séparateur d'hydrogène à membrane de palladium, un dispositif de postcombustion, d'un capteur de température dans la chambre de postcombustion, un organe d'étranglement en aval de la post-combustion, la turbine à la turbine, la chambre de combustion, l'échangeur de chaleur du mélange gazeux d'hydrogène gazeux, préchauffage de l'air accumulateur de chaleur, le compresseur d'air, de gaz pour la soupape de ravitaillement en hydrogène, un récipient avec le mélange de vodometanolovoy avec une valve de remplissage, un interrupteur à pression, avec la capacité de sortie du mélange de vodometanolovoy avec une soupape de remplissage par l'intermédiaire d'une vanne d'arrêt et d'une pompe à haute pression en communication avec l'entrée de l'évaporateur et à travers un clapet anti-retour connecté à la sortie de la chambre de combustion, le capteur de démarrage en mode température est connectée électriquement à une vanne d'arrêt et l'unité de déclenchement de la pompe haute pression; la sortie de l'évaporateur en communication avec l'entrée du reformeur, dont la sortie est connectée via le contrôleur de l'unité de turbine d'une turbine à pression, dont la sortie communique avec la première entrée de la chambre de postcombustion, et sa seconde entrée est reliée par l'intermédiaire d'une vanne d'arrêt à la sortie de l'unité de turbine, rapporté à l'entrée de l'atmosphère et la sortie du post-combustion par l'intermédiaire du papillon des gaz rapportée Echangeur de chaleur à l'entrée du mélange gazeux, dont la sortie communique avec l'atmosphère; sortie de l'unité de turbine communique simultanément avec l'échangeur de chaleur de chauffage d'air d'admission dont la sortie est reliée à la première entrée de l'empilement de piles à combustible; la sortie du séparateur d'hydrogène couplée à une entrée de l'échangeur de chaleur de gaz d'hydrogène, dont la sortie est reliée à une seconde entrée de l'empilement de piles à combustible et à travers un clapet anti-retour - vers la bouteille de gaz pour un atome d'hydrogène; le séparateur d'hydrogène par contact avec un reformeur à membrane de palladium, ce qui à son tour contacte la post-combustion par l'intermédiaire d'une paroi commune; un échangeur de chaleur de l'évaporateur du mélange de gaz de l'échangeur de chaleur de gaz d'hydrogène et l'échangeur de chaleur de chauffage et de l'air sont combinés dans un boîtier commun avec la charge de la capacité thermique, la formation d'un accumulateur de chaleur; la première entrée de la chambre de combustion communique à travers la valve d'arrêt de sortie pour le cylindre de gaz d'hydrogène et sa deuxième entrée par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour qui communique avec un compresseur d'air ayant une entrée en communication avec l'atmosphère; la chambre de combustion est munie d'interrupteurs de pression qui sont raccordés électriquement respectivement à l'unité de compresseur et de la bouteille de gaz robinet d'arrêt de la canalisation d'hydrogène, - la chambre de combustion.
Le dessin est un schéma de l'ECG, dans lequel:
1 - un récipient avec un mélange de vodometanolovoy |
17 - vanne d'arrêt |
Générateur électrochimique a un dispositif de démarrage pour le préchauffage hydraulique chemin ECG. Dispositif de démarrage se compose d'un compresseur d'air 21 pour bloquer le compresseur 29, la chambre de combustion 18 et d'hydrogène gazeux cylindre 16. Dans ce cas, la première entrée de la chambre de combustion est reliée par l'intermédiaire de la vanne d'arrêt 17 à la bouteille de gaz 16 et la deuxième entrée - par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 20 à un compresseur d'air 21. dans ce cas, la bouteille de gaz 16 pour l'entrée d'hydrogène à travers un clapet anti-retour 15 est reliée à une ligne reliant la sortie de gaz d'hydrogène de l'échangeur de chaleur 24 avec une deuxième entrée à la batterie 14 de TE, et la sortie de la chambre de combustion 18 à travers un clapet anti-retour 22 branché en ligne entre la sortie de la pompe, pression 3 et l'entrée de l'évaporateur 4. pré-remplissage du réservoir de gaz pour l'hydrogène 16, l'hydrogène est effectuée à travers la vanne de remplissage 31, amarré dans le tuyau entre l'entrée dans le réservoir de gaz d'hydrogène 16 et le clapet 15.
ECG comprend un récipient avec un mélange de 1 vodometanolovoy relié à la sortie via le robinet d'arrêt 2 et la pompe à haute pression 3 à l'entrée de l'évaporateur 4. A l'entrée de la cuve avec un mélange de 1 vodometanolovoy installé vanne de charge 30. La sortie de l'évaporateur 4 à travers la conduite hydraulique reliée à l'entrée en reformeur 9 en contact avec un séparateur d'hydrogène à travers la membrane 8 de palladium hydrogène séparateur 8. dans postcombustion 9, le reformeur 11 est mis en contact à travers une paroi commune. Rendement reformeur 9 par l'intermédiaire d'un régulateur de pression 7 est relié à l'entrée de la turbine 6. La sortie de l'unité de turbine éolienne de l'unité de turbine 6 par l'intermédiaire d'une conduite hydraulique reliée à la première entrée dans la chambre de postcombustion 11 et une sortie de post-combustion est relié par un étranglement 23 dans le mélange de gaz d'entrée dans l'échangeur de chaleur 19. A partir de la sortie de gaz de l'échangeur de chaleur mélanger le mélange de gaz 19 pénètre dans l'atmosphère.
Rendement hydrogène séparateur 8, qui passe à travers la membrane en palladium du reformeur 9, l'hydrogène gazeux, est reliée à une entrée de l'échangeur de chaleur à l'hydrogène gazeux 24 et la sortie de l'échangeur de chaleur à l'hydrogène gazeux 24 par l'intermédiaire de la conduite hydraulique reliée à la seconde entrée de la FC pile 14, mais aussi à travers un clapet anti-retour 15 - au cylindre à gaz 16 pour l'hydrogène.
Log unité de turbine 5 est reliée à l'atmosphère et l'orifice de sortie à travers la première conduite hydraulique, une vanne d'arrêt 12 est reliée à la seconde entrée 11 en post-combustion; par l'intermédiaire d'une deuxième sortie de l'unité de turbine hydraulique de ligne est reliée à l'entrée de la bobine de chauffage d'air 25, dont la sortie par l'intermédiaire de la conduite hydraulique reliée à la première entrée de la batterie de piles à combustible 14.
L'évaporateur 4, l'échangeur de chaleur 19, le mélange gazeux, l'hydrogène échangeur de chaleur à gaz 24, le chauffage de l'échangeur de chaleur à air 25 est installé dans l'accumulateur de chaleur 26. L'actionneur installé dans le mode de post-combustion, le capteur de température 10 est reliée électriquement à une vanne d'arrêt 2 via le bloc de démarrage et la pompe à haute pression 28 - avec une pompe haute pression, 3. installé dans la chambre de combustion 18, le pressostat 27 est reliée électriquement à la vanne d'arrêt 17 et l'écoulement à travers le compresseur de 29-21 avec un compresseur d'air.
dispositif proposé fonctionne comme suit
Avant de commencer un récipient avec un mélange de 1 vodometanolovoy à travers la valve de remplissage 30 est rempli d'un mélange de vodometanolovoy et le réservoir de gaz pour l'hydrogène 16 - à travers la soupape de remplissage 31 est l'hydrogène.
Démarrage ECG (mode de démarrage) est réalisée pour fournir à la chambre de combustion 18 via le robinet d'arrêt 17 de l'hydrogène cylindre de gaz hydrogène 16, dans lequel l'air provenant du compresseur 21 à travers le clapet anti-retour 20 est alimenté en air.
À la suite de la combustion dans la chambre de combustion 18, le gaz d'hydrogène et de l'oxygène écoulement de gaz de mélange de combustion à l'air à haute température fournie par clapet anti-retour 22 dans l'évaporateur 4, le reformeur 9, post-combustion 11, un échangeur de chaleur 19, le mélange gazeux, dont la sortie est évacuée dans l'atmosphère.
Après avoir atteint la température dans la chambre de postcombustion 11 qui fournit l'ECG primaire de départ au démarrage de la sonde de température de mode 10 est installé dans une chambre de postcombustion 11 reçoit la commande d'ouverture de la vanne d'arrêt 2 et l'unité de pompe à haute pression de départ 28 pour mettre la pompe à haute pression 3. La pression créée dans chemin hydraulique ECG pompe haute pression 3, le clapet anti-retour 22 se ferme. La pression dans la chambre de combustion 18 augmente.
En arrivant à la chambre de combustion 18 à la pression de réglage de la pression basculer son entrée dans 27 la commande de fermeture de la vanne d'arrêt 17 et le compresseur via le bloc de départ 29 - pour éteindre le compresseur d'air 21. En l'absence de l'accès à la chambre de combustion 18, l'hydrogène gazeux et de l'oxygène du processus d'air de combustion est automatiquement se termine.
La saisie d' un mélange de vodometanolovaya haute pression pompe 3 dans l'évaporateur 4, sous une température élevée (~ 450 ° C) , évapore et est fournie au reformeur 9. Dans le reformeur 9 sous haute température et des catalyseurs de réactions chimiques se produisent pour former la conversion d'un mélange gazeux constitué de H 2 N, CO, CO 2 et la vapeur d'eau. Parce que reformeur d'hydrogène gazeux 9 difundiruet à travers une membrane de palladium hydrogène séparateur 8, dont la sortie est entrée dans l'échangeur de chaleur de gaz hydrogène 24. Une partie de l'énergie thermique circulant à travers l'échangeur de chaleur est chauffé à ~ 450 ° C, l'hydrogène gazeux est passé à travers l'accumulateur de chaleur 26 à l'évaporateur 4 évaporation provenant vodometanolovoy mélange et le chauffage de l'échangeur de chaleur à air 25 pour le chauffage à ~ 70 ° C provenant de l'unité de turbine 5 au TE 14 première batterie d'entrée d'air. Etant donné que la sortie de gaz d'hydrogène de l'échangeur de chaleur 24, de l'hydrogène est fourni à la seconde entrée du FC pile 14, et à travers le clapet anti-retour 15 dans le cylindre flux d'hydrogène gazeux 16 à remplir.
Le reste 9 dans le mélange de gaz de reformage comprenant H 2, N, CO, CO 2 et la vapeur d'eau, est introduit dans le régulateur de pression 7, fournissant une pression optimale dans le reformeur 9 pour le fonctionnement et la performance de la membrane de palladium hydrogène séparateur 8.
La sortie du régulateur de pression 7, le débit du mélange gazeux fourni à la turbine de l'unité de turbine d'entrée 6 au cours de laquelle la turbine de travail 5 injecte de l'air provenant de l'atmosphère, dont une partie est fournie par la vanne d'arrêt 12 à une seconde entrée du post-combustion 11, et une partie - à l'entrée de l'échangeur de chaleur chauffant l'air 25 provenant de la sortie lequel de l'air chauffé à une température prédéterminée est fournie à la première entrée 14 de la batterie TE.
La sortie de la turbine de l'unité de turbine 6, l'écoulement du mélange gazeux fourni à la première entrée dans la chambre de postcombustion 11, dans lequel la combustion catalytique circulant mélange gazeux avec de l'oxygène de l'air libéré de l'énergie thermique pour chauffer le mélange gazeux dans le réformeur 9 par l'intermédiaire d'une paroi commune à environ la température de 450 ° C, suffisante pour un mélange de gaz de réaction par conversion chimique dans le reformeur 9. dans la combustion catalytique en post-combustion 11, le mélange gazeux avec de l'oxygène de postcombustion du CO se produit.
La sortie de la post-combustion 11 à travers un dispositif d'étranglement d'écoulement du mélange gazeux 23 dans le mélange de gaz d'entrée dans l'échangeur de chaleur 19, ce qui permet d'évacuation du mélange gazeux à travers l'échangeur thermique 19 gaz d'échappement sans danger pour l'environnement.
Le mélange de gaz alimenté par une énergie thermique courant est utilisé pour chauffer l'évaporateur 4 à travers l'accumulateur de chaleur 26 avec l'évaporation de venir mélange vodometanolovoy, mais aussi pour chauffer l'air entrant à travers le serpentin chauffant 25 dans la batterie de piles à combustible 14 l'air.
Ainsi, la solution proposée permet d'augmenter l'efficacité de l'ECG en réduisant la consommation d'énergie. Ceci est réalisé par:
1. A la sortie du régulateur de pression de reformage montée, vous permettant de créer la pression optimale dans le reformeur pour le fonctionnement et les performances du séparateur d'hydrogène à membrane de palladium.
2. Le flux de haute pression à la sortie du mélange du régulateur de pression est utilisée pour la turbine de l'unité de turbine qui fournit de l'air de l'atmosphère dans la FC de la batterie et à travers la vanne d'ouverture et d'arrêt dans l'organisation de postcombustion avec le mélange gazeux introduit dans le reformeur.
3. Le flux de chaleur du gaz d'hydrogène à une température T ~ 450 ° C, la chaleur fournie par le séparateur d'hydrogène et le mélange gazeux à haute température provenant de la post-combustion sont respectivement de l'hydrogène gazeux dans l'échangeur de chaleur et l'échangeur de chaleur du mélange gazeux, monté à l'évaporateur et l'échangeur de chaleur de chauffage dans l'air accumulateur thermique, en permettant ainsi l'évaporation du carburant fourni à l'évaporateur et le chauffage de l'air entrant dans la batterie de piles à combustible.
Préchauffage du trajet d'ECG hydraulique à une température comprise dans la post-combustion, ce qui permet l'élimination de l'ECG sur un mode stationnaire par l'intermédiaire du dispositif de démarrage, constitué par une chambre de combustion, qui est organisé par la combustion de l'hydrogène gazeux en provenance d'un cylindre de gaz hydrogène et d'air injecté dans le compresseur d'air clapet anti-retour à partir du haut la combustion du mélange gazeux dans l'atmosphère. Le chauffage de chemin hydraulique d'ECG est effectuée par application d'une température élevée du mélange gazeux dans la chambre de combustion jusqu'à ce que la température dans la chambre de postcombustion, qui fournit un ECG de départ fixe.
Préchauffage du trajet hydraulique en fournissant des produits de la combustion de l'hydrogène gazeux et de l'air est moins cher par rapport à un chauffage électrique, qui nécessite plus d'énergie pour alimenter le dispositif et la batterie. Énergétiquement justifiée et utiliser l'oxygène comme oxydant de l'air pour les batteries de piles à combustible, ainsi que pour une chambre de combustion de postcombustion et le dispositif de démarrage.
générateur électrochimique proposé peut être utilisé aussi bien dans les véhicules et à produire de l'électricité supplémentaire aux différents besoins de l'industrie.
REVENDICATIONS
Générateur électrochimique comprenant un empilement de piles à combustible, l'évaporateur, le reformage, le séparateur d'hydrogène à membrane de palladium, un dispositif de postcombustion, d'un capteur de température dans la chambre de postcombustion, un organe d'étranglement en aval de la chambre de postcombustion, caractérisé en ce qu 'il comporte la turbine d'une turbine, une chambre de combustion, échangeurs de chaleur du mélange de gaz, de matières gazeuses un atome d'hydrogène, le chauffage de l'air, le stockage de la chaleur, le compresseur d'air, de gaz pour la soupape de ravitaillement en hydrogène, un récipient avec un mélange de vodometanolovoy avec la valve de remplissage, le commutateur de pression; dans lequel la capacité de sortie du mélange de vodometanolovoy avec une soupape de remplissage par l'intermédiaire d'une vanne d'arrêt et d'une pompe à haute pression en communication avec l'entrée de l'évaporateur et à travers un clapet anti-retour connecté à la sortie de la chambre de combustion, le capteur de mode de démarrage est connectée électriquement à une vanne d'arrêt et l'unité de déclenchement de la pompe haute pression, la sortie de l'évaporateur en communication avec l'entrée du reformeur, dont la sortie est reliée par l'intermédiaire d'une sortie de régulateur de pression de l'unité de turbine de la turbine, qui communique avec la première entrée de la chambre de postcombustion, et sa seconde entrée est reliée par l'intermédiaire d'une vanne d'arrêt à la sortie de l'unité de turbine, rapporté à l'entrée de l'atmosphère, et la sortie de la chambre de postcombustion à travers le papillon des gaz communique avec entrant dans l'échangeur de chaleur de la sortie de mélange de gaz qui communique avec l'atmosphère, tandis que l'unité de turbine de sortie communique avec la bobine d'entrée d'air de préchauffage, dont la sortie est reliée à la première entrée de l'empilement de piles à combustible, la sortie du séparateur d'hydrogène relié à l'échangeur de chaleur de gaz d'entrée d'hydrogène, dont la sortie est reliée à une seconde entrée de l'empilement de piles à combustible et à travers un clapet anti-retour - vers la bouteille de gaz pour un atome d'hydrogène, le séparateur d'hydrogène est en contact par l'intermédiaire d'un reformeur à membrane de palladium, ce qui à son tour contacte la post-combustion à travers la paroi commune, l'évaporateur, l'échangeur de chaleur du mélange gazeux, l'hydrogène gazeux de l'échangeur de chaleur et un échangeur de chaleur réchauffant l'air sont combinés dans un courant logement capacité calorifique de remplissage, formant un accumulateur de chaleur, la première entrée de la chambre de combustion transmise à travers la soupape d'arrêt de la bouteille de gaz de sortie pour l'hydrogène et sa deuxième entrée par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour qui communique avec un compresseur d'air ayant une entrée en communication avec l'atmosphère, la chambre de combustion est munie d'un interrupteur à pression qui est électriquement respectivement associés à l'unité de compresseur et de la bouteille de gaz robinet d'arrêt de la canalisation d'hydrogène, - la chambre de combustion.
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Date de publication 06.02.2007gg
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