alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2020.19-24.19-30alternative-1972Research ArticleIV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономикаIV. HYDROGEN ECONOMY. 12. Hydrogen EconomyВодoродно-метанольные ТОТЭ для транспортаHydrogen-Methanol SOFCs for TransportЩеклеинС. Е.ShchekleinS. E.

д. 19, ул. Мира, г. Екатеринбург, 620002тел.: +7(343)375-95-08

19 Mira Str., Yekaterinburg, 620002Tel.: +7(343)375-95-08

s.e.shcheklein@urfu.ruДубининА. М.DubininA. M.

д. 19, ул. Мира, г. Екатеринбург, 620002тел.: +7(343)375-95-08

19 Mira Str., Yekaterinburg, 620002Tel.: +7(343)375-95-08

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the First President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation202022032021019-241930Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20212021Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1972

Обсуждалась возможность создания энергетической установки с высокотемпературными топливными элементами, которая работает на водородосодержащей газовой смеси (синтез-газ), получаемой в требуемых для работы двигателя небольших объемах из жидкого топлива – метанола. В этом случае снимаются все проблемы, связанные с необходимостью получения, хранения и транспортировки водорода, так как темпы его образования и потребления двигателем равны.

Рассмотрена энергетическая установка мощностью 10 кВт, где прямое преобразование энергии химической реакции окисления водорода в аноде ТОТЭ в электрическую энергию происходит на базе продуктов воздушной конверсии метанола в каталитической горелке с использованием алюминий-никелевых катализаторов. Метанол сначала поступает в котел-утилизатор для нагрева до кипения и испарения, далее в парообразном виде – в каталитическую горелку, куда поступает и нагретый в котле-утилизаторе воздух. При коэффициенте расхода воздуха, равном 0,5, происходит конверсия метанола с образованием синтез-газа. Затем синтез-газ охлаждается с 988 °С до 700 °С воздухом, подаваемым в катодный канал. Воздух нагревается с 20 °С до 600 °С. Синтез-газ поступает в анодный канал, из которого водород диффузией поступает в анод, где окисляется кислородом воздуха, подаваемого в катодный канал. Продукты окисления водорода выходят в анодный канал. Продукты из анодного канала и обедненный кислородом воздух из катодного канала поступают в котелутилизатор, где окисляется не поступивший в анод водород и содержащийся в синтез-газе оксид углерода. Теплота окисления используется на подогрев первичного воздуха и испарение метанола.

Приведен физико-химический анализ энергетической эффективности установки с высокотемпературными топливными элементами, работающей на синтез-газе, получаемом в каталитическом процессе непосредственно в автомобиле из жидкого топлива – метанола. Полученная энергия используется для двигателя электромобиля. Электрический КПД установки равен 42,1 %, что по энергетической эффективности соответствует уровню лучших современных двигателей внутреннего сгорания.

The paper discusses the possibility of creating an energy plant with high-temperature solid fuel cells (SOFC) working on hydrogen-containing gas mixture (synthesis-gas) obtained in the required for the engine small volumes of liquid fuel – methanol. In this case, all problems related to the need to obtain, store and transport hydrogen are removed, as the rate of its production and consumption by the engine are equal.

The 10 kW power plant, where direct conversion of hydrogen oxidation chemical reaction energy in SOFT anode into electrical energy is based on the products of air conversion of methanol in a catalytic burner using aluminumnickel catalysts, is considered. Methanol enters the boiler-recycler to heat up to boil and evaporate, then steamedly enters the catalytic burner. There is also air heated in the boiler-recycling. At the air consumption factor of 0.5, methanol is converted with the production of synthesis-gas. Then the synthesis-gas is cooled from 988 °С to 700 °С air fed into the cathode channel. The air is heated from 20 °С to 600 °С. Synthesis gas enters. Then from the anode canal hydrogen diffusion enters the anode, where oxygen is oxidized by air fed into the cathode channel. Hydrogen oxidation products enter the anode channel. Products from the anode canal and oxygen-depleted air from the cathode canal enter the boiler-recycling, where the hydrogen, which is not entered into the anode and contained in the synthesized carbon monoxide, is oxidized. The heat of oxidation is used to heat primary air and evaporate methanol.

The physical and chemical analysis of the energy efficiency of the high-temperature fuel cell plant, which works on synthesis-gas obtained in the catalytic process directly in the car made of liquid fuel-methanol. The resulting energy is used for the electric vehicle engine. The electrical efficiency of the installation is 42.1%, which in terms of energy efficiency exceeds the level of the best modern internal combustion engines.

водородстехиометрияметанолэлектрохимический генераторэлектромобильэнергетическая эффективностьТОТЭhydrogenSOFCstechiometrymethanolelectrochemical generatorelectric carenergy efficiencyСтатья подготовлена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Контракт №02.А03.21.0006).This article has been prepared with the financial support of the Government of the Russian Federation (Contract No. 02.A03.21.0006).ReferencesШпильрайн, Э.Э. Введение в водородную энергетику / Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов. – М.: Энергоатомиздат. – 1984. – 264 c.Shpil'rajn E.E., Malyshenko S.P., Kuleshov G.G. Introduction to hydrogen energy (Vvedenie v vodorodnuyu energetiku). Moscow: Energoatomizdat Publ., 1984; 264 p. (in Russ.).Shcheklein, S.E. Stoichiometric analysis of air oxygen consumption in modern vehicles using natural and synthetic fuels / S.E. Shcheklein, A.M. Dubinin // IOP Conf. Series. – 2018. – Vol. 177. – P. 012020.Shcheklein S.E., Dubinin A.M. Stoichiometric analysis of air oxygen consumption in modern vehicles using natural and synthetic fuels/IOP Conf. Series: 177:012020 (in Eng.).Shcheklein, S.E. Analysis of nitrogen oxide emissions from modern vehicles using hydrogen or other natural and synthetic fuels in combustion chamber / S.E. Shcheklein, A.M. Dubinin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45. – P. 1151–1157.Shcheklein S.E., Dubinin A.M. Analysis of nitrogen oxide emissions from modern vehicles using hydrogen or other natural and synthetic fuels in combustion chamber. International Journal of Hydrogen Energy, 2020;45(1):1151–1157 (in Eng.).Щеклеин, С.Е. Исследование влияния вида топлива на энергетические показатели электрохимического генератора в составе когенерационной установки / Щеклеин С.Е., Дубинин А.М. // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). –2018. – № 16–18. – С. 12–22.Shcheklein S.E., Dubinin A.M. The investigation of fuel type influence on the energy indicators of the electrochemical generator in the cogeneration unit (Issledovanie vliyaniya vida topliva na energeticheskie pokazateli elektrohimicheskogo generatora v sostave kogeneracionnoj ustanovki). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2018;1618:12–22 (in Russ.).Peters, R. Analysis of solid-oxide fuel cell system concepts with anode recycling/ R. Peters [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – Vol. 38. – P. 6809–6815.Peters R., Deja R., Blum L., Pennanen J., Kiviaho J., Hakala T. Analysis of solid-oxide fuel cell system concepts with anode recycling. International Journal of Hydrogen Energy, 2013;38(16):6809–6820 (in Eng.).Мунц В.А. Исследование характеристик энергетической установки 5 кВт на твердоокисных топливных элементах с паровым риформингом природного газа / В.А. Мунц [и др.] // Теплоэнергетика. 2015. – № 11. – С. 15–20.Munc V.A., Volkova YU.V., Plotnikov N.S., Dubinin A.M. i dr. Studying the characteristics of a 5 kW power installation on solid-oxide fuel cells with steam reforming of natural gas (Issledovanie harakteristik energeticheskoj ustanovki 5 kVt na tverdookisnyh toplivnyh elementah s parovym riformingom prirodnogo gaza). Teploenergetika, 2015;62(11):15–20 (in Russ.).Halinen, M. Experimental analysis on performance and durability of SOFT demonstration unit / M. Halinen [et al.] // Fuel Cells. – 2010. – Vol. 10. – No. 3. – P. 440.Halinen M., Saarinen J., Noponen M. I., Vinke C., Kiviaho J. Experimental analysis on performance and durability of SOFT demonstration unit. Fuel Cells, 2010;10(3):440 (in Eng.).Weber, A. Materials and concepts for solid oxide fuel cells (SOFCs) in stationary and mobile applications / A. Weber, E. Ivers-Tiffée // Journal of Power Sources. – 2004. – Vol. 127. – P. 273–283.Weber A., Ivers-Tiffée E. Materials and concepts for solid oxide fuel cells (SOFCs) in stationary and mobile applications. Journal of Power Sources, 2004;127(1–2):273–283 (in Eng.).Коровин, Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки: состояние развития и проблемы / Н.В. Коровин // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2004. – № 10. – С. 8–14.Korovin N.V. Fuel cells and electrochemical power plants: state of development and problems (Toplivnye elementy i elektrohimicheskie energoustanovki: sostoyanie razvitiya i problem). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2004;(18)10:8–14 (in Russ.).Липилин, А.С. Состояние и будущее индивидуальной энергетики / А.С. Липилин // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2009. – № 9. – С. 139–152.Lipilin A.S. The state and future of individual energy (Sostoyanie i budushchee individual'noj energetiki). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2009;(77)9:139–152 (in Russ.).Veziroglu, T.N. 21st century’s energy: hydrogen energy system / T.N. Veziroglu, S. Sahin // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2019. – № 4–6. – С. 14–27.Veziroglu T.N., Sahin S. 21st century’s energy: hydrogen energy system. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2019;46:14–27 (in Eng.).Гольцов, В.А. Современное состояние водородной экономики и водородного транспорта: экономика, технологии / В.А. Гольцов [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). Спецвыпуск. – 2003. – P. 21–22.Gol'cov V.A., Veziroglu T.N., Gol'cova L.F., Gusev A.L. The current state of the hydrogen economy and hydrogen transport: economy, technology (Sovremennoe sostoyanie vodorodnoj ekonomiki i vodorodnogo transporta: ekonomika, tekhnologii). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2003;(S1):21–22 (in Russ.).Гусев, А.Л. Экономическая, энергетическая, экологическая и геополитическая безопасность в России в XXI веке. Нужна ли водородная энергия в России? / А.Л. Гусев, Ю.П. Дядученко, В.М. Чертов // Экономика, экология и общество в России в XXI веке. – C.-Пб., 2004. – Т. 1.Gusev A.L., Dyaduchenko Yu.P., Chertov V.M. Do hydrogen energy in Russia need? (Nuzhna li vodorodnaya energiya v Rossii?). Ekonomika, ekologiya i obshchestvo v Rossii v XXI veke. S.-Pb: 2004; Vol. 1. (in Russ.).Гусев А.Л., Исмагилов З.Р. [и др.] Проект МНТЦ № 3937. Топливный процессор на основе биоэтанола. Разработка топливного процессора для паровой конверсии биоэтанола, производящего 5 м3 синтез-газа в час для электростанций на основе топливных элементов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.istc.int/ru/project/687CE14D98BE75D5C3257543003F4C79 – (Дата обращения: 15.04.2020).Gusev A.L., Ismagilov Z.R. et al. Proekt MNTC No. 3937. Development of a bioethanol steam reforming fuelp producing 5m 3 of pyngas per hour for fuel-cellbased power plants (Toplivnyj processor na osnove bioetanola. Razrabotka toplivnogo processora dlya parovoj konversii bioetanola, proizvodyashchego 5 m 3 sintezgaza v chas dlya elektrostancij na osnove toplivnyh elementov) [E-resource]. Available on: http://www.istc.int/ru/project/687CE14D98BE75D5C3257543003F4C79 (04.15.2020) (in Russ.).Чертов, В.М. Авто-катализаторы или электрохимические генераторы водорода? / В.М. Чертов, А.Л. Гусев // Драгоценные металлы. Драгоценные камни. – 2004. – Т. 6. – № 126. – C. 80–85.Chertov V.M., Gusev A.L. Auto-catalysts or electrochemical hydrogen generators? (Avto-katalizatory ili elektrohimicheskie generatory vodoroda?). Dragocennye metally. Dragocennye kamni, 2004;126(6):80–85 (in Russ.).Гусев, А.Л. Основные экологические проблемы Нижегородской области и пути развития водородной экономики / А.Л. Гусев // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2006. – № 1. – С. 13–25.Gusev A.L. The main environmental problems of Nizhny Novgorod region and the way of transition to a hydrogen economy (Osnovnye ekologicheskie problemy Nizhegorodskoj oblasti i puti razvitiya vodorodnoj ekonomiki). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2006;33(1):13–25 (in Russ.).Bruce, A. Babcock The Impact of US Biofuel Policies on Agricultural Price Levels and Volatilit / A. Bruce // International Centre for Trade and Sustainable Development (ICTSD). – 2011. – Issue Paper No. 35. – 38 p.Babcock B.A. The Impact of US Biofuel Policies on Agricultural Price Levels and Volatilit. International Centre for Trade and Sustainable Development (ICTSD). 2011; Issue Paper No. 35: 38 (in Eng.).Дубинин, А.М. Минитеплоэлектроцентраль на основе реактора для воздушной конверсии метана и электрохимического генератора / А.М. Дубинин, С.Е. Щеклеин // Теоретические основы химической технологии. – 2019. – Т. 53. – № 1. – С. 78–86.Dubinin A.M., Shcheklein S.E. A heat electropower ministation based on both a reactor for air methane conversion and an electrochemical generator (Miniteploelektrocentral' na osnove reaktora dlya vozdushnoj konversii metana i elektrohimicheskogo generatora). Teoreticheskie osnovy himicheskoj tekhnologii, 2019;53(1):78–86 (in Russ.).Shcheklein, S.E. Thermodynamic modeling of cogeneration mini CHP using air conversion of diesel fuel and electrochemical generator / S.E. Shcheklein, A.M. Dubinin // International Journal of Energy Production and Management. – 2019. – Vol. 4. – P. 273–286.Shcheklein S.E., Dubinin A.M. Thermodynamic modeling of cogeneration mini CHP using air conversion of diesel fuel and electrochemical generator. International Journal of Energy Production and Management, 2019; 4(4):273–286 (in Eng.).Shcheklein, S.E. Production of liquid fuel from wood / S.E. Shcheklein, A.M. Dubinin // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management ( SGEM). 2019. – Vol. 9. – P. 409–416.Shcheklein S.E., Dubinin A.M. Production of liquid fuel from wood. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM), 2019;19(4.1):409416 (in Eng.).Shcheklein, S.E. Steam gasification of waste tires for the purpose of methanol production / S.E. Shcheklein, A.M. Dubinin, A.V. Matveev // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM). 2018. – Vol.18. – P.175–182.Shcheklein S.E., Dubinin A.M., Matveev A.V. Steam gasification of waste tires for the purpose of methanol production. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM), 2018;18(4.2):175–182 (in Eng.).Shcheklein, S.E. Methanol production based on direct-flow gas generator and nuclear reactor / S.E. Shcheklein, A.M. Dubinin // Atomic Energy. – 2018. Vol. 124. – P. 91–97.Shcheklein S.E., Dubinin A.M. Methanol production based on direct-flow gas generator and nuclear reactor. Atomic Energy, 2018;124(2):91–97 (in Eng.).Olah, G.A. Beyond oil and gas: the methanol economy / G.A. Olah, A. Goeppert, G.K. Surya Prakash // Weinheim, WILEY-VCH Verlag. – 2009. – 350 p.Olah G.A., Goeppert A., Surya Prakash G.K. Beyond oil and gas: the methanol economy. Weinheim,WILEY-VCH Verlag, 2009; 350 p. (in Eng.).Баскаков, А.П. Физико-химические основы тепловых процессов / А.П. Баскаков, Ю.В. Волкова. – М.: Теплотехник. – 2013. –173 с.Baskakov A.P., Volkova Yu.V. Physics and chemical foundations of thermal processes (Fizikohimicheskie osnovy teplovyh processov). Moscow: Teplotekhni Publ., 2013; 173 p. (in Russ.).Коровин, Н.А. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки / Н.А. Коровин. М.: Изд. МЭИ. – 2005. – 278 c.Korovin N.A. Fuel cells and electrochemical power plants (Toplivnye elementy i elektrohimicheskie energoustanovki). Moscow: Izd. MEI, 2005; 278 p. (in Russ.).Собянин, В.А. Высокотемпературные твердоокисные топливные элементы и конверсия метана / В.А. Собянин // Российский Химический Журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева). – 2003. – Т. 47. – № 6. – С. 62–70.Sobyanin V.A. High-temperature solid-oxy fuel cells and methane conversion (Vysokotemperaturnye tverdookisnye toplivnye elementy i konversiya metana). Rossijskij Himicheskij Zhurnal (Zhurnal Rossijskogo himicheskogo obshchestva im. D.I. Mendeleeva), 2003; 47(6):62–70. (in Russ.).Яковлев, Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б.В. Яковлев. М.: Новости теплоснабжения, 2008. – 448 с.Yakovlev, B.V. Improving the efficiency of heating and heating systems (Povyshenie effektivnosti sistem teplofikacii i teplosnabzheniya). Moscow: Novosti teplosnabzheniya Publ., 2008; 448 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.