Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Водoродно-метанольные ТОТЭ для транспорта

https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.19-24.19-30

Полный текст:

Аннотация

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.

Об авторах

С. Е. Щеклеин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

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



А. М. Дубинин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

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



Список литературы

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.


Для цитирования:


Щеклеин С.Е., Дубинин А.М. Водoродно-метанольные ТОТЭ для транспорта. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2020;(19-24):19-30. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.19-24.19-30

For citation:


Shcheklein S.E., Dubinin A.M. Hydrogen-Methanol SOFCs for Transport. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2020;(19-24):19-30. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.19-24.19-30

Просмотров: 75


ISSN 1608-8298 (Print)