УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗЛОЖЕНИЕМ ВОДЫ Российский патент 2024 года по МПК C01B3/02 C25B1/04 B01J7/00 

Область техники

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для получения водорода и кислорода за счет тепла как высокотемпературных атомных реакторов (ВТГР), так и других источников высокопотенциального тепла, например, концентраторов солнечной энергии.

Уровень техники

Известна установка для получения водорода термохимическим разложением воды (пат РФ №2 040 328) на основе замкнутого цикла с использованием азотистокислых солей щелочных металлов переходной группы и в качестве катализатора йода с регенерацией исходных компонентов. Недостатками такой установки являются низкая эффективность использования высокопотенциального тепла, экологическая опасность из-за использования химических реагентов и загрязнение получаемых водорода и кислорода этими реагентами, что требует дополнительных затрат на их очистку.

Известна установка для получения водорода термохимическим разложением воды (патент РФ №2 389 540 оп.20.05.2010 Бюл. №14), принятая за прототип, содержащая батарею топливных элементов, блок питания, управления и регулирования, систему терморегулирования батареи топливных элементов, резервуар для воды, насос подачи воды, теплопроводы подачи тепла и трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям. Недостатками прототипа, также, как и аналога, являются низкая эффективность использования тепла, необходимость глубокой очистки получаемых водорода и кислорода от реагентов термохимического цикла и опасность загрязнения окружающей среды этими реагентами, в частности, йодистым водородом.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности получения водорода и кислорода из воды за счет высокопотенциального тепла, обеспечение высокой чистоты получаемых продуктов и экологической безопасности предлагаемой установки.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение энергетической эффективности преобразования высокопотенциального тепла в водород и кислород, высокая чистота получаемых продуктов и экологическая безопасность их производства.

Технический результат достигается тем, что установка для получения водорода термоэлектрохимическим разложением воды дополнительно содержит высокотемпературный электролизер, соединенный трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей 16 через рекуперативный теплообменник 5, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и теплообменник нагрева и испарения воды 8 со входом батареи топливных элементов 2, а выход батареи топливных элементов 2 через циркуляционные насосы 13 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, резервуар для воды 6 через насос подачи воды 7, теплообменник нагрева и испарения воды 8 и догреватель водяного пара 14 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей 16 на входе в батарею топливных элементов 2 соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды 11 с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям 17, а конденсатор-охладитель 11 соединен с резервуаром для воды, батарея топливных элементов 2, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и конденсатор-охладитель 11 снабжены системами терморегулирования 4 и сброса тепла 10 и 12, высокотемпературный электролизер 1 и догреватель водяного пара 14 соединены теплопроводами 15 с источником высокопотенциального тепла ВТГР.

Краткое описание графических материалов

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фигурой, где показано следующее:

1 - высокотемпературный электролизер,

2 - батарея топливных элементов,

3 - блок питания, управления и регулирования установки,

4 - система терморегулирования батареи топливных элементов,

5 - рекуперативный теплообменник,

6 - резервуар для воды,

7 - насос подачи воды,

8 - теплообменник нагрева и испарения воды,

9 - промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза,

10 - система сброса тепла из промежуточного теплообменника,

11 - конденсатор-охладитель для отделения воды,

12 - система сброса тепла из конденсатора-охладителя,

13 - циркуляционные насосы,

14 - догреватель водяного пара,

15 - теплопроводы подачи тепла от ВТГР,

16 - трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей,

17 - трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям,

18 - линии электрических связей между блоком питания, управления и регулирования 3 и агрегатами установки.

Осуществление изобретения

Заявляемая установка для получения водорода термоэлектрохимическим разложением воды, включает батарею топливных элементов 2, блок питания, управления и регулирования 3, систему терморегулирования батареи топливных элементов 4, резервуар для воды 6, насос подачи воды 7, теплопроводы подачи тепла 15 и трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям 17 при этом так же содержит высокотемпературный электролизер 1, соединенный трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей 16 через рекуперативный теплообменник 5, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и теплообменник нагрева и испарения воды 8 со входом батареи топливных элементов 2, а выход батареи топливных элементов 2 через циркуляционные насосы 13 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, резервуар для воды 6 через насос подачи воды 7 соединен с теплообменником нагрева и испарения воды 8, который соединен с догревателем водяного пара 14, соединенным со входом высокотемпературного электролизера 1, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей 16 на входе в батарею топливных элементов 2 соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды 11 с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям 17, а конденсатор-охладитель 11 соединен с резервуаром для воды 6, батарея топливных элементов 2, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и конденсатор-охладитель 11 снабжены системами терморегулирования 4 и сброса тепла 10 и 12, высокотемпературный электролизер 1 и догреватель водяного пара 14 соединены теплопроводами 15 с источником высокопотенциального тепла ВТГР.

Установка для получения водорода термоэлектрохимическим разложением воды работает следующим образом.

Батарея топливных элементов 2 со щелочным матричным электролитом и высокотемпературный электролизер 1 на основе диоксидциркониевого электролита соединены между собой двумя контурами циркуляции реагентов 16 с циркуляционными насосами 13. В одном контуре находится смесь водяного пара с водородом, в другом водяного пара с кислородом. Из батареи топливных элементов 2 смеси реагентов направляются циркуляционными насосами 13 в рекуперативный теплообменник 5, где за счет тепла выходящих из высокотемпературного электролизера 1 смесей реагентов нагреваются до температуры на 30-50° ниже рабочей температуры электролизера и поступают в электролизер 1, в котором за счет высокопотенциального тепла от внешнего источника, например, ВТГР, догреваются и поступают в электролизер 1 для электролиза за счет электроэнергии от батареи топливных элементов 2 в режиме поглощения тепла от внешнего источника. Для улучшения характеристик процесса электролиза смеси реагентов проходят электролизер 1 противотоком. Выходящие из электролизера 1 смеси реагентов, обогащенные водородом и кислородом, проходят рекуперативный теплообменник 5, нагревая смеси реагентов после батареи топливных элементов 2 и охлаждаясь при этом, далее подаются в промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9, а после него в теплообменник нагрева и испарения воды 8, где охлаждаются до рабочей температуры батареи топливных элементов 2, нагревая и испаряя при этом воду, необходимую для поддержания баланса воды в контурах циркуляции реагентов 16, которая из резервуара для воды 6 насосом 7 подается через теплообменник нагрева и испарения воды 8 и догреватель водяного пара 14 в контура циркуляции смесей реагентов 16 перед входом в электролизер 1. Так как за счет разницы рабочих температур батареи топливных элементов 2 и электролизера 1 затраты электроэнергии на высокотемпературный электролиз существенно меньше, чем вырабатывается батареей топливных элементов, в установке образуется излишки водорода и кислорода, которые отводятся перед входом в батарею топливных элементов 2 через конденсатор-охладитель 11 по трубопроводам 17 потребителям, а отделенная вода из конденсатора-охладителя 11 стекает в резервуар 6. Промежуточный теплообменник 9 и конденсатор-охладитель 11 снабжены системами сброса тепла 10 и 12, а батарея топливных элементов 2 - системой терморегулирования 4. Для примера, приводим данные по температуре в опорных точках установки при рабочей температуре БТЭ 250°С и электролизера 900°С. Температура смеси из БТЭ 2 после рекуперативного теплообменника 5 около 850°С, для смеси между рекуперативным теплообменником 5 и промежуточным теплообменником 9 около 390°С, после него 360°С, а температура водяного пара перед догревателем 14 около 120°С. Как показывают расчеты (см. программу по св-ву РФ№2023614943), удельный расход высокопотенциального тепла на производство водорода может составить 7,25 кВтч (т)/нм³, что эквивалентно электролизу с расходом 3,2 кВтч(э)/нм³, причем, 75% тепла идет на собственно процесс электролиза, а 25% на догрев продуктов в контурах циркуляции (12%) и водяного пара в догревателе 14 (13%). То есть, предлагаемое техническое решение отличается высокой энергетической эффективностью.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении заявленный результат достигается тем, что установка для получения водорода термохимическим разложением воды дополнительно содержит высокотемпературный электролизер, соединенный трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей 16 через рекуперативный теплообменник 5, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и теплообменник нагрева и испарения воды 8 со входом батареи топливных элементов 2, а выход батареи топливных элементов 2 через циркуляционные насосы 13 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, резервуар для воды 6 через насос подачи воды 7, теплообменник нагрева и испарения воды 8 и догреватель водяного пара 14 соединен со входом высокотемпературного электролизера 1, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей 16 на входе в батарею топливных элементов 2 соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды 11 с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям 17, а конденсатор-охладитель 11 соединен с резервуаром для воды, батарея топливных элементов 2, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза 9 и конденсатор-охладитель 11 снабжены системами терморегулирования 4 и сброса тепла 10 и 12, высокотемпературный электролизер 1 и догреватель водяного пара 14 соединены теплопроводами 15 с источником высокопотенциального тепла ВТГР.

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для получения водорода и кислорода за счет тепла источников высокопотенциального тепла. Установка содержит батарею топливных элементов, блок питания, управления и регулирования, систему терморегулирования батареи топливных элементов, резервуар для воды, насос подачи воды, теплопроводы подачи тепла, высокотемпературный электролизер, трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям. Электролизер соединен трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей через рекуперативный теплообменник, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза и теплообменник нагрева и испарения воды со входом батареи топливных элементов, а выход батареи топливных элементов через циркуляционные насосы соединен со входом высокотемпературного электролизера. Резервуар для воды через насос подачи воды, теплообменник нагрева и испарения воды и догреватель водяного пара соединен со входом высокотемпературного электролизера, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей на входе в батарею топливных элементов соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям, а конденсатор-охладитель соединен с резервуаром для воды. Батарея топливных элементов, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза и конденсатор-охладитель снабжены системами терморегулирования и сброса тепла. Высокотемпературный электролизер и догреватель водяного пара соединены теплопроводами с источником высокопотенциального тепла. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности преобразования высокопотенциального тепла в водород и кислород, высокая чистота получаемых продуктов и экологическая безопасность их производства. 1 ил.

Установка для получения водорода термоэлектрохимическим разложением воды, включающая батарею топливных элементов, блок питания, управления и регулирования, систему терморегулирования батареи топливных элементов, резервуар для воды, насос подачи воды, теплопроводы подачи тепла и трубопроводы подачи водорода и кислорода потребителям, отличающаяся тем, что содержит высокотемпературный электролизер, соединенный трубопроводами двух контуров циркуляции газовых смесей через рекуперативный теплообменник, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза и теплообменник нагрева и испарения воды со входом батареи топливных элементов, а выход батареи топливных элементов через циркуляционные насосы соединен со входом высокотемпературного электролизера, резервуар для воды через насос подачи воды, теплообменник нагрева и испарения воды и догреватель водяного пара соединен со входом высокотемпературного электролизера, трубопроводы контуров циркуляции газовых смесей на входе в батарею топливных элементов соединены через конденсатор-охладитель для отделения воды с трубопроводами подачи водорода и кислорода потребителям, а конденсатор-охладитель соединен с резервуаром для воды, батарея топливных элементов, промежуточный теплообменник охлаждения продуктов электролиза и конденсатор-охладитель снабжены системами терморегулирования и сброса тепла, высокотемпературный электролизер и догреватель водяного пара соединены теплопроводами с источником высокопотенциального тепла.