Энергетическая установка Российский патент 2023 года по МПК H01M8/14 F02B43/10 F02M21/02 C01B3/04 

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к установкам выработки тепловой и электрической энергий.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является система питания двигателя внутреннего сгорания водородным топливом на основе аммиака (патент на изобретение РФ № 2778415, опубл. 18.08.2022г.), которая содержит топливный бак с жидким аммиаком, соединенный с испарителем. Устройство каталитического разложения, установленное в выпускной трубопровод ДВС, состоит из датчиков температуры, установленных в секцию с подводом тепла от отработавших газов и секцию с подводом тепла от встроенного электронагревателя, последовательно соединенных с охладителем азотно-водородной смеси и электромагнитной форсункой, установленной во впускной трубопровод и соединенной с блоком управления. Между испарителем и устройством каталитического разложения установлен первичный управляемый редуктор. Между охладителем азотно-водородной смеси и электромагнитной форсункой установлен вторичный управляемый редуктор, соединенный трубопроводом с устройством повышения концентрации водорода в топливе, содержащим мембранный фильтр, разделяющий исходное топливо на горючий компонент водород и негорючий азот, и сбросной клапан, обеспечивающий отведение негорючих компонентов.

К недостаткам наиболее близкого аналога относятся низкий КПД установки в составе ДВС.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.

Технический результат заключается в увеличении КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода.

Технический результат достигается энергетической установкой, состоящей из двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающего систему подачи углеродсодержащего топлива в камеру сгорания, систему выпуска отработанных газов, включающую теплообменник, соединенный линией подачи аммиака через насос с баком аммиака и выполненный с возможностью испарения аммиака, кроме того теплообменник включает секцию каталитического разложения аммиака на водород и азот, дополнительно включающую электроподогреватель, один из выходов теплообменника соединен с мембранным фильтром отделения азота и водорода, включающим клапан отвода азота в атмосферу, при этом дополнительно включает топливный элемент на основе расплавов карбонатов, ДВС соединен с электрогенератором, который через контроллер соединен с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей, с которой также соединен электроподогреватель, мембранный фильтр линией подачи водорода соединен с впускным коллектором ДВС и анодом топливного элемента на основе расплавов карбонатов, а катод указанного топливного элемента соединен с источником диоксида углерода и источником кислорода, при этом топливный элемент на основе расплавов карбонатов соединен через контроллер с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей.

На фигуре представлена схема энергетической установки.

1 - анод топливного элемента на основе расплавов карбонатов;

2 - расплавленный карбонатный электролит;

3 - катод топливного элемента на основе расплавов карбонатов;

4 - источник диоксида углерода;

5 - источник кислорода;

6 - контроллер управления энергетической установкой;

7 - по меньшей мере одна аккумуляторная батарея;

8 - двигатель внутреннего сгорания;

9 - электрогенератор;

10 - мембранный фильтр отделения азота и водорода;

11 - теплообменник;

12 - секция каталитического разложения аммиака на водород и азот;

13 - насос аммиака;

14 - бак аммиака.

Энергетическая установка является гибридной и состоит из двигателя (8) внутреннего сгорания (ДВС), включающего систему подачи углеродсодержащего топлива в камеру сгорания, систему выпуска отработанных газов. ДВС (8) соединен с электрогенератором (9), который через контроллер (6) управления энергетической установкой соединен с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7). Система выпуска отработанных газов ДВС (8) включает теплообменник (11), соединенный линией подачи аммиака через насос (13) с баком (14) аммиака. Теплообменник выполнен с возможностью испарения аммиака за счет его нагрева от отработанных газов ДВС (8). Теплообменник (11) включает секцию (12) каталитического разложения аммиака на водород и азот, включающую соответственно катализатор, например, на основе никеля, а также дополнительно включающую электроподогреватель, соединенный с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7). Один из выходов теплообменника (11) соединен с мембранным фильтром (10) отделения азота и водорода, включающим клапан отвода излишков азота в атмосферу. Мембранный фильтр (10) линией подачи водорода соединен с впускным коллектором ДВС (8) для дальнейшего его сжигания в камерах сгорания ДВС (8) и анодом (1) топливного элемента на основе расплавов карбонатов, что увеличивает КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода, а именно за счет использования его в топливным элементе. Катод (3) указанного топливного элемента соединен с источником (4) диоксида углерода и источником (5) кислорода, которые могут представлять собой, например, баллоны с диоксидом углерода и кислорода, или любые из известных установок получения диоксида углерода и кислорода из воздуха. Топливный элемент на основе расплавов карбонатов соединен через контроллер (6) с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7), которую соединяют напрямую или через контроллер (6) с потребителем энергии, что обеспечивает повышение эффективности работы установки за счет возможности накопления выработанной энергии на переменных режимах работы конечного потребителя энергии. Участок трубопровода подачи водорода из мембранного фильтра (10) в ДВС и участок трубопровода подачи водорода из мембранного фильтра (10) в топливный элемент на основе расплавов карбонатов предпочтительно выполнять одинаковой длины для обеспечения равномерной подачи водорода в ДВС и топливный элемент, что также дополнительно обеспечивает повышение КПД установки. Кроме того, дополнительно указанные выше участки трубопровода подачи водорода из мембранного фильтра (10) в ДВС и в топливный элемент предпочтительно выполнять с управляемыми клапанами (не показаны), которые соединены с контроллером (6) управления энергетической установкой, выполненным с возможность регулирования подачи водорода в ДВС и топливный элемент, что дополнительно обеспечивает увеличение КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода. Также топливный элемент на основе расплавов карбонатов дополнительно содержит электроподогреватель, соединенный с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7) через контроллер (6) управления энергетической установкой, что обеспечивает повышение скорости выхода топливного элемента на рабочий температурный режим в 650°С после простоя и таким образом обеспечивается повышение эффективности использования водорода, так как топливный элемент включается в работу раньше.

Энергетическая установка работает следующим образом.

Из бака (14) аммиака насосом (13) аммиак подается в теплообменник (11), где он испаряется за счет нагрева от отработавших газов, поступающих из ДВС (8). Далее в секции (12) каталитического разложения аммиака в присутствии катализатора, например, никелевого при температуре 800°С происходит разложение на водород и азот. Указанная температура в секции (12) каталитического разложения поддерживается за счет работы дополнительного электроподогревателя, запитанного от по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (7) напрямую или через контроллер (6). Далее смесь газов водорода и азота поступает в мембранный фильтр (10) отделения азота и водорода, на котором азот через клапан отводится в атмосферу. Водород из мембранного фильтра (10) подают во впускной коллектор ДВС (8) для дальнейшего его сжигания в камере сгорания как совместно с углеродсодержащим топливом, поступающим по системе подачи углеродсодержащего топлива, так и без углеродсодержащего топлива. ДВС (8) приводит во вращение электрогенератор (9), электрическая энергия от которого подается к по меньшей мере одной аккумуляторной батарее через контроллер (6), при этом использование по меньшей мере частично водорода в ДВС (8) дополнительно позволяет повысить безопасность установки за счет предотвращения накапливания водорода в установке повышением использования полученного водорода. Также из мембранного фильтра (10) водород подают к аноду (1) топливного элемента на основе расплавов карбонатов, что увеличивает КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода, а именно за счет использования его в топливным элементе, при этом к катоду (3) топливного элемента подают кислород и диоксид углерода от источников диоксида углерода (4) и кислорода (5), которые могут быть, например, баллоны с диоксидом углерода и кислородом или любые из известных установок получения диоксида углерода и кислорода из воздуха. Выработанная топливным элементом электрическая энергия подается на по меньшей мере одну аккумуляторную батарею (7) через контроллер (6), что обеспечивает повышение эффективности работы установки за счет возможности накопления выработанной энергии на переменных режимах работы конечного потребителя энергии. Запасенная по меньшей мере одной аккумуляторной батареей энергия подается к потребителям электрической энергии.

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к установкам выработки тепловой и электрической энергий. Энергетическая установка состоит из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (8), соединенного с электрогенератором (9), контроллера (6), по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (7). Система выпуска отработанных газов ДВС (8) включает теплообменник (11), соединенный через насос (13) с баком (14) аммиака и выполненный с возможностью испарения аммиака. Теплообменник (11) включает секцию (12) каталитического разложения аммиака на водород и азот, дополнительно включающую электроподогреватель. Теплообменник (11) соединен с мембранным фильтром (10) отделения азота и водорода, включающим клапан отвода азота в атмосферу. Мембранный фильтр (10) линией подачи водорода соединен с ДВС (8) и анодом (1) топливного элемента на основе расплавов карбонатов. Катод (3) топливного элемента соединен с источниками (4, 5) диоксида углерода и кислорода. Топливный элемент соединен через контроллер (6) с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7). Технический результат заключается в увеличении КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода. 1 ил.

Энергетическая установка, состоящая из двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающего систему подачи углеродсодержащего топлива в камеру сгорания, систему выпуска отработанных газов, включающую теплообменник, соединенный линией подачи аммиака через насос с баком аммиака и выполненный с возможностью испарения аммиака, кроме того, теплообменник включает секцию каталитического разложения аммиака на водород и азот, дополнительно включающую электроподогреватель, один из выходов теплообменника соединен с мембранным фильтром отделения азота и водорода, включающим клапан отвода азота в атмосферу, отличающаяся тем, что дополнительно включает топливный элемент на основе расплавов карбонатов, ДВС соединен с электрогенератором, который через контроллер соединен с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей, с которой также соединен электроподогреватель, мембранный фильтр линией подачи водорода соединен с впускным коллектором ДВС и анодом топливного элемента на основе расплавов карбонатов, а катод указанного топливного элемента соединен с источником диоксида углерода и источником кислорода, при этом топливный элемент на основе расплавов карбонатов соединен через контроллер с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей.