Водoродно-метанольные ТОТЭ для транспорта

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.

1. Шпильрайн, Э.Э. Введение в водородную энергетику / Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов. – М.: Энергоатомиздат. – 1984. – 264 c.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Липилин, А.С. Состояние и будущее индивидуальной энергетики / А.С. Липилин // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2009. – № 9. – С. 139–152.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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).

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. Баскаков, А.П. Физико-химические основы тепловых процессов / А.П. Баскаков, Ю.В. Волкова. – М.: Теплотехник. – 2013. –173 с.

25. Коровин, Н.А. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки / Н.А. Коровин. М.: Изд. МЭИ. – 2005. – 278 c.

26. 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.

27. Яковлев, Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б.В. Яковлев. М.: Новости теплоснабжения, 2008. – 448 с.