Устройство для получения электроэнергии

Полезная модель относится к энергетике, в частности к устройствам для получения электроэнергии из углеродсодержащего сырья, включая метан, спирты и продукты ферментации, и может быть использована в различных отраслях промышленности, науки и техники, включая водородную энергетику.

Предложеноустройство для получения электроэнергии, содержащее конвертер для каталитической конверсии сырья с водяным паром для получения синтез-газаи твердооксидный топливный элемент, непосредственно соединенный с конвертером, в котором используют мембранный каталитический конвертер, мембрана которого выполнена из пористого керамического каталитического модуля, имеющего следующий состав, 50% масс. никеля и 50% масс. кобальта. 1 н.п. ф-лы, 1 табл., 4 пр., 1 илл.

Полезная модель относится к энергетике, в частности к устройствам для получения электроэнергии из углеродсодержащего сырья, включая метан, спирты и продукты ферментации,и может быть использована в различных отраслях промышленности, науки и техники, включая водородную энергетику.

Известна установка для получения особо чистого водорода (Пат. РФ 2085476, МПК6 C01B 3/32; C01B 3/56, опубл. 27.07.97 г.), включающая блок сероочистки, смеситель, конвертор природного газа, состоящего практически из одного метана, содержащий катализатор и инертный материал на основе диоксида циркония, конвертор оксида углерода, блок выделения воды и диоксида углерода, диффузионный (мембранный) аппарат с палладиевой мембраной, а также компрессор, установленный после конвертора диоксида углерода. Блок выделения воды и диоксида углерода выполнен в виде низкотемпературного отделителя жидкости и холодильной машины для вымораживания диоксида углерода. Диффузию водорода осуществляют через палладиевую мембрану.

Известная установка сложна в аппаратурном исполнении, и имеет ограниченный выход целевого продукта - особо чистого водорода (ОЧВ), - не превышающий 98 об.% (или 0,98 м³ водорода на 1 м³ сырья - смеси водяного пара и метана).

Известна установка получения электроэнергии, включающаяреформер с циклами давлений, с одним или множеством слоев катализаторов, в который подают углеводородсодержащее сырье, такое, как бензин, и пар, конвертор углеводородсодержащего сырья в синтез-газ, и твердооксидный топливный элемент с возможностью получения на нем электроэнергии из полученного синтез-газа, причем анод топливного элемента с температурой 400-1000 °Ссоединен с конвертером (см., патент США 7875402 B2, кл. H01M 8/04, H01M 8/10, H01M 8/24, опубл. 25.01.2011).

Однако эта установка малоэффективна из-за низкого качества получаемого синтез-газа, который содержит CO, CO₂, H₂ и H₂O и неконвертированный CH₄, количество которого может доходить до 15%.

Известна установка для получения электроэнергии, включающаяпаровой конвертер углеводорода из природного газа или метанола в высокочистый водород, включенный в твердооксидный топливный элемент для получения электроэнергии из полученного водорода, где паровой конвертервключает мембрану из палладийсодержащего сплава на поверхности инертного пористого вещества (см., заявку Японии 08-321321 A, кл. H01M 8/06, C01B 3/38, C01B 3/50, опубл. 03.12.1996).

Недостатком известного решения является необходимость транспортировки отделенного от высокочистого водорода газа, содержащего CO, CO₂, небольшое количество водорода и водяного пара для его дальнейшего применения в качестве отдельного (низкокачественного) горючего.

Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является устройство для получения электроэнергии, включающее камеру смешения метана с конвертирующим газом (воздух, вода) с получением смеси водорода и CO в присутствии гранулированного катализатора и твердооксидные топливные элементы, соединенные непосредственно с камерой, причем камера ограничена сверху перфорированной пластиной, в углубления которой вставлены топливные элементы, имеющие электроды с твердым электролитом на основе диоксида циркония для электрохимического окисления водорода и CO до воды и углекислого газа с получением электрической энергии (патент РФ 2027258 C1, кл. H01M 8/12, опубл. 20.01.1995).

Недостатком прототипа является то, что устройство не является автономным, мобильным.

Одной из основных проблем энергетики является обеспечение автономными источниками электроэнергии различных локальных объектов для поддержания жизнедеятельности и жилых домов в отдаленных районах с различными природными условиями.

Задача предлагаемой полезной модели заключается в разработке устройства для получения электроэнергии, способного работать автономно и быть мобильным, что позволит использовать его в отдаленных районах севера, на объектах временного содержания, на водном и наземном локомотивном транспорте, в том числе на заводах по производству этанола, получаемом путем брожения органической массы.

Поставленная задача решается тем, что предложено устройство для получения электроэнергии, содержащее конвертер для каталитической конверсии углеродсодержащего сырья с водяным паром для получения синтез-газа и твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), непосредственно соединенный с паровым конвертером, в котором используют мембранный каталитический конвертер (МКК), мембрана которого выполнена из пористого керамического каталитического модуля, имеющего следующий состав, 50% масс. никеля и 50% масс. кобальта.

На внутреннюю поверхность каналов пористого керамического каталитического модуля указанного устройства с целью работы при большой производительности по синтез-газу, превышающей 100000 л синтез-газа/дм³час, может быть нанесен буферный слой оксида титана, а затем каталитически активный компонент, включающий Mn в количестве 0,05% масс, по отношению к массе модуля.

Сущность полезной модели поясняется рабочим эскизом (фиг.1) где представлена принципиальная схема устройства для получения электроэнергии с использованием в качестве конвертера для каталитической конверсии сырья мембранно-каталитического конвертера (МКК), соединенного с твердооксидным топливным элементом (ТОТЭ).

На фигуре позициями обозначены: 1 - Оболочка электрогенерирующего канала; 2 - МКК; 3 - ТОТЭ; 4 - пористый контакт; 5 - изолятор; 6 - выравнивающая диафрагма; 7 - промежуточный газовый коллектор; 8 - коллектор выходных анодных газов; 9 - коллектор выходных катодных газов; 10 - канал подачи водно-спиртового раствора на паровую конверсию для генерации синтез-газа; 11 - канал подачи атмосферного воздуха, необходимого для работы ТОТЭ.

Устройство работает следующим образом: из дозатора (на фигуре не показан) по каналу 10 подаются пары водноспиртового раствора или смесь метана с парами воды, взятых в заданном соотношении. Углеродсодержащее сырье, проходя через поры стенки каталитической мембраны МКК 2, превращается в синтез-газ, направляемый в ячейки топливного элемента 3. В топливном элементе во время работы синтез-газ окисляется кислородом атмосферного воздуха, подаваемым через канал 11. В период запуска используется 20% об. от всего расхода сырья. После выхода на режим (T 800-850°C) устанавливается необходимый расход, указанный в таблице 1, обеспечивающий получение электроэнергии мощностью 60 Вт.

Пример 1.

Для получения электроэнергии устройство работает, как описано выше, и в нем используют мембрану из пористого керамического каталитического модуля, состава 50% масс. никеля и 50% масс. кобальта, а в качестве углеродсодержащего сырья - метан. Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.

Пример 2.

Проводят аналогично примеру 1, но используют в качестве углеродсодержащего сырья этанол.

Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.

Пример 3.

Проводят аналогично примеру 1, но используют в качестве углеродсодержащего сырья продукты ферментации, представляющие собой смесь этанола - 80% об.; пропанола - 5% об.; бутанола - 5% об. и пентанола - 10% об..

Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.

Условия проведения эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.

Таким образом, заявленная установка достаточно проста как в конструктивном отношении, так и в обслуживании, позволяет автономно вырабатывать электроэнергию на объектах ее потребления мощностью 60 Вт.

Высокая эффективность заявляемой установки обусловлена тем, что тепла, выделяемого за счет сжигания части продукта реакции (синтез-газа) достаточно как для реализации процесса риформинга углеродсодержащего сырья, так и для поддержания рабочей температуры топливного элемента.

Таблица 1
Условия и результаты эксперимента по получению электроэнергии на предлагаемой установке при T=800-850°C на различном сырье.
пр.				Q, ч-1 удельный расход сырья**	Состав продуктов	Мощность, Вт
Сырье	H2 O/сырье (об./об.)	Расход Vсмеси, л/ч	CH2, % об.	CCO, % об.	CCH4, % об.	CCO2, % об.
1	Метан	2	60	7000	73,0	13,0	1,0	14,0	60
2	Этанол	1,5	85	10000	72,0	13,7	0,6	13,7	63
3	Продукты ферментации*	7	130	15000	73,8	3,6	0,6	22	66
- * - смесь этанола - 80% об.; пропанола - 5% об.; бутанола - 5% об. и пентанола - 10% об.;
- конверсия субстратов исчерпывающая;
- селективность по синтез-газу 90%.
** - Удельный расход сырьевой смеси на 1 дм3 мембраны

Устройство для получения электроэнергии, содержащее конвертер для каталитической конверсии углеродсодержащего сырья с водяным паром для получения синтез-газа и твердооксидный топливный элемент, непосредственно соединенный с конвертером, отличающееся тем, что используют мембранный каталитический конвертер, мембрана которого выполнена из пористого керамического каталитического модуля, содержащего 50 мас.% никеля и 50 мас.% кобальта.