Энергетическая установка с топливными элементами

Название	Энергетическая установка с топливными элементами
Разработчик (Авторы)	Ландграф Игорь Казимирович, Сайданов Виктор Олегович, Бут Константин Павлович, Никонов Максим Романович, Добровольский Юрий Анатольевич, Ложкин Александр Дмитриевич, Тимашпольский Ян Михайлович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2860975
Дата регистрации	28.04.2026
Правообладатель	ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ЦЕНТР ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ"
Область применения (класс МПК)	H01M 8/00 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к энергетическим установкам с топливными элементами (ЭУ с ТЭ), использующим в качестве первичного топлива водородосодержащее топливо, в которых применяются накопители водорода, содержащие жидкие органические носители водорода (ЖОНВ).

Одним из важнейших направлений реализации Парижского соглашения по климату, предусматривающего глобальной целью достижение к 2050 г. углеродной нейтральности, означающей нулевой выброс СО2 в атмосферу, является использование водорода в качестве основного топлива для энергетики и транспорта (см. Развитие отдельных высокотехнологичных направлений. Белая книга. Москва, 2022., с. 142). Из всех известных способов использования водорода наиболее перспективным является прямое преобразование его химической энергии в электрическую. Преобразование происходит в электрохимическом генераторе (ЭХГ) на основе топливных элементов, при этом вредные выбросы практически отсутствуют. Коэффициент полезного действия (КПД) ЭХГ может достигать высоких значений – от 50 % до 70 %. Прогресс в разработке водородных топливных элементов с высоким КПД определяет перспективу использования водорода, как топлива, при создании автономных транспортных и стационарных источников энергии.

В настоящее время промышленно освоены электролиз и конверсия водородосодержащего топлива (природный газ, дизельное топливо и др.) для получения чистого и особочистого водорода.

Важным вопросом является способ хранения полученного водорода. На практике применимы:

- хранение водорода в компримированном состоянии;

- хранение водорода в криогенном состоянии;

- хранение водорода в интерметаллидных накопителях.

В последнее время находят применение накопители водорода, содержащие жидкие органические носители водорода (ЖОНВ).

Основными преимуществами хранения водорода в сжатом виде являются простота и отсутствие энергозатрат на подачу газа потребителю. Однако, сжатие водорода требует довольно больших энергозатрат (10–15 % теплотворной способности водорода). Кроме того, низкая объемная плотность и проблемы безопасности при использовании взрывоопасного газа под высоким давлением являются существенными недостатками хранения газообразного водорода. Сжатие до высоких давлений является довольно сложной технической задачей в связи с возможными утечками газа через уплотнения и водородным охрупчиванием конструкционных материалов.

Способ хранения водорода в криогенном (жидком) состоянии обеспечивает более эффективное, чем в сжатом (компримированном) состоянии, аккумулирование водорода. Однако имеют место высокие энергозатраты на сжижение, потери водорода на испарение, необходимость термоизоляции емкостей и, как следствие, высокая стоимость.

Приведенные способы хранения водорода в ряде случаев недостаточно экономически эффективны, удобны и безопасны. Даже малейшее нарушение герметичности емкостей для хранения водорода могут привести к крупным авариям, а при сверхкритическом истечении водород может самовоспламеняться.

Сплавы-накопители водорода в виде водородоемких металлогидридов обеспечивают более безопасное хранение, транспортирование и распределение водорода.

Однако этот способ хранения водорода также не лишен недостатков:

- высокая плотность металлогидридов и низкое удельное массовое водородосодержание, что не способствует их широкому использованию особенно на транспортных средствах. Так низкотемпературные металлогидриды, имеющие равновесное давление водорода выше атмосферного при температурах до 100 °C, типа AB5 имеют плотность около 8 г/см3;

- высокая стоимость металлогидридов, содержащих редкоземельный лантан. Рыночная цена достигает 50 $/кг.

Эти недостатки успешно нивелируется за счет использования накопителей водорода с жидкими органическими носителями водорода (ЖОНВ).

Жидкие органические носители водорода представляют собой органические соединения, которые могут обратимо поглощать и выделять водород (гидрирование и дегидрирование) в результате химических реакций в присутствии катализатора. Поскольку органические носители водорода находятся в нормальных условиях в жидком состоянии, это значительно упрощает их транспортирование и хранение. В качестве жидких органических носителей водорода могут выступать ароматические углеводороды, карбазолы, пиридины, хинолины, пиролы и индолы, имеющие достаточно высокую водородную емкость до 7,2 % (масс.). К настоящему времени получены результаты в области производства ЖОНВ из высокоароматических нефтяных дистиллятов вторичного происхождения, в частности, малоценных и крупнотоннажных легких газойлей каталитического крекинга. При этом удельная масса продукта составляет не более 0,865 г/см3 (см. Технологическая платформа «Глубокая переработка углеводородных ресурсов». Материалы XIV научно-практической конференции «Актуальные задачи нефтегазохимического комплекса» Под редакцией А.В. Назарова и Б.П. Туманяна – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2021, с. 26-27).

Необходимо отметить, что процесс гидрирования ЖОНВ экзотермический, а дегидрирования – эндотермический. Например, при использовании в качестве ЖОНВ системы дибензилтолуол-пергидробензилтолуол, гидрирование протекает при температуре 140 °С, а дегидрирование – при 270 °С (см. ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЕЙ (обзор) И.А. Макарян, И.В. Седов, А.Л. Максимов, Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. Вып. 12 с. 1716-1733). Таким образом, для проведения гидрирования и дегидрирования ЖОНВ нужен источник тепловой энергии.

Прототипом заявленного технического решения является энергетическая установка с топливными элементами (RU 2811083 С1 от 08.09.2023 МПК H01M 8/06, H01M 8/065), содержащая батарею топливных элементов, термохимический реактор получения водорода, накопители водорода с интерметаллидным сплавом и встроенными независимыми теплообменниками абсорбции и десорбции водорода, резервуар запаса водородосодержащего жидкого топлива, емкость сбора реакционной воды, водяного и топливного насосов, другое оборудование, обеспечивающее работу топливных элементов.

Однако прототип имеет недостатки:

- высокая масса накопителя водорода с интерметаллидным сплавом и низкое удельное массовое содержание водорода в нем;

- необходимость комплектации каждого накопителя водорода двумя встроенными теплообменниками (один для сорбции водорода, другой для его десорбции), что ухудшает эксплуатационные характеристики энергетической установки и усложняет ее конструкцию;

- высокая стоимость накопителя водорода с интерметаллидным сплавом.

Задачей изобретения является исключение указанных выше недостатков, что позволяет упростить конструкцию энергетической установки, повысить ее эксплуатационные характеристики и улучшить экономические показатели.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в качестве накопителя водорода в составе энергетической установки используется накопитель с жидким органическим носителем водорода, при этом предусмотрены следующие отличия:

- для осуществления процесса гидрирования и дегидрирования к ЖОНВ подводится теплота, источником которой являются уходящие от термохимического реактора получения водорода газы. При этом дополнительных затрат энергии не требуется, так как используется «бросовая» теплота, что повышает КПД энергоустановки в целом;

- накопитель водорода оснащен одним контуром подвода теплоты (теплообменным контуром), используемым как для гидрирования, так и для дегидрирования.

Так как процессы гидрирования и дегидрирования в накопителе с ЖОНВ не могут происходить одновременно, энергетическая установка с топливными элементами должна содержать два и более накопителей водорода, каждый из которых должен быть оснащен теплообменным контуром, при этом один насыщен водородом (гидрирован), другой в этот момент отдает водород (дегидрируется). Таким образом, накопители водорода работают с разнонаправленными функциями.

Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение конструкции энергетической установки с топливными элементами, повышение эксплуатационных характеристик и улучшение ее экономических показателей путем создания энергетических установок с топливными элементами с накопителями водорода, содержащими жидкие носители водорода, в которых процесс гидрирования и дегидрирования осуществляется за счет использования теплоты уходящих от термохимического реактора получения водорода дымовых газов.

Сущность заявленного технического решения состоит в том, что в состав энергоустановки с топливными элементами помимо батареи топливных элементов, термохимического реактора получения водорода, резервуара запаса жидкого водородосодержащего топлива с топливным насосом включены не менее двух накопителей водорода, содержащих ЖОНВ, каждый из которых оснащен одним единым теплообменным контуром для гидрирования и дегидрирования ЖОНВ. Для дегидрирования (выделения водорода) подвод теплоты к накопителю водорода, содержащего ЖОНВ, производится подачей в контур теплообмена дымовых газов от термохимического реактора, вырабатывающего водород. В результате эндотермической реакции дегидрирования происходит выделение водорода из ЖОНВ, сопровождающееся охлаждением дымовых газов. Далее дымовые газы с пониженной температурой поступают в следующий накопитель водорода, работающий в режиме гидрирования ЖОНВ. В результате экзотермической реакции гидрирования происходит поглощение водорода ЖОНВ, а дымовые газы отводятся в атмосферу.

Заявленная энергетическая установка с топливными элементами представлена на фигуре графических материалов.

На фиг.1 арабскими цифрами обозначены следующие элементы установки:

1 - резервуар запаса жидкого водородосодержащего (углеводородного) топлива;

2 - топливный насос;

3 - трубопровод подвода жидкого водородосодержащего топлива;

4 - трубопровод подвода водяного пара;

5 - термохимический реактор получения водорода;

6 - батарея топливных элементов;

7.1, 7.2 - накопители водорода, содержащие ЖОНВ;

8.1, 8.2 - теплообменники теплообменного контура накопителей водорода;

9 - трубопровод подвода водорода к накопителям водорода, содержащим ЖОНВ;

10 - трубопровод подвода дымовых газов от термохимического реактора получения водорода к теплообменникам теплообменного контура накопителей водорода 8.1, 8.2;

11.1, 11.2 - трубопроводы отвода дымовых газов от теплообменников теплообменного контура накопителей водорода;

12 - трубопровод подвода окислителя к батарее топливных элементов;

13 - трубопровод отвода реакционной воды от батареи топливных элементов;

14.1, 14.2, 15.1, 15.2, 16.1, 16.2, 17.1, 17.2, 18.1, 18.2. - запорные вентили;

Энергетическая установка с топливными элементами содержит батарею топливных элементов 6; накопители водорода, содержащие ЖОНВ, 7.1, 7.2; теплообменники теплообменного контура накопителей водорода 8.1, 8.2; трубопровод 9 подвода водорода к накопителям водорода, содержащим ЖОНВ; трубопровод подвода окислителя к батарее топливных элементов 12; трубопровод отвода реакционной воды 13 от батареи топливных элементов 6; резервуар запаса жидкого водородосодержащего топлива 1; топливный насос 2; термохимический реактор (ТХР) получения водорода 5; трубопровод 3 подвода жидкого водородосодержащего топлива к ТХР 5; трубопровод 4 подвода водяного пара к ТХР 5; трубопровод 10 подвода дымовых газов от ТХР получения водорода 5; трубопроводы 11.1, 11.2 отвода дымовых газов от теплообменников теплообменного контура накопителей водорода; запорные вентили 14.1, 14.2, 15.1, 15.2, 16.1, 16.2, 17.1, 17.2, 18.1, 18.2.

ТХР получения водорода 5 имеет два входа и два выхода. К 1-му входу ТХР присоединен трубопровод 3 подвода жидкого водородосодержащего топлива, которое подается топливным насосом 2 из резервуара запаса 1. Ко 2-му входу ТХР присоединен трубопровод 4 подвода водяного пара. К 1-му выходу ТХР присоединен трубопровод 9 подачи водорода на вход накопителей водорода 7.1, 7.2, содержащих ЖОНВ, через запорные вентили 14.1, 14.2. При этом выходы накопителей водорода 7.1, 7.2, содержащих ЖОНВ, присоединены к батарее топливных элементов 6 через запорные вентили 15.1, 15.2. Ко 2-му выходу ТХР 5 присоединен трубопровод 10 подвода дымовых газов ко входам теплообменников 8.1, 8.2 теплообменного контура накопителей водорода 7.1, 7.2 через запорные вентили 16.1, 16.2 для проведения процессов дегидрирования и гидрирования ЖОНВ. При этом выход теплообменника 8.1 теплообменного контура накопителя водорода 7.1 присоединен через запорный вентиль 17.1 к атмосфере, а через запорный вентиль 18.1 к входу теплообменника 8.2 теплообменного контура накопителя водорода 7.2. Аналогично выход теплообменника 8.2 теплообменного контура накопителя водорода 7.2, присоединен через запорный вентиль 17.2 к атмосфере, а через запорный вентиль 18.2 к входу теплообменника 8.1 теплообменного контура накопителя водорода 7.1. Выходы накопителей водорода 7.1, 7.2 присоединены через запорные вентили 15.1 и 15.2 к 1-му и 2-му входам батареи топливных элементов 6, к 3-му входу которой подсоединен трубопровод 12 подвода окислителя. К батарее топливных элементов также присоединен трубопровод отвода реакционной воды 13.

Работа энергетической установки с топливными элементами осуществляется следующим образом.

К 1-му входу ТХР 5 по трубопроводу 3 топливным насосом 2 из резервуара запаса 1 подается жидкое водородосодержащее (углеводородное) топливо, а ко 2-му входу ТХР 5 по трубопроводу 4 подается водяной пар. В результате паровой конверсии жидкого водородосодержащего топлива в ТХР 5 образуются водород, который через 1-й выход ТХР 5 поступает в трубопровод 9, и дымовые газы, которые через 2-й выход ТХР 5 поступают в трубопровод 10. По трубопроводу 9 водород через открытый запорный вентиль 14.2 поступает в накопитель 8.2, содержащий ЖОНВ, не насыщенный водородом, при этом запорный вентиль 14.1 закрыт, а накопитель 7.1 содержит ЖОНВ, предварительно насыщенный водородом. Дымовые газы с высокой температурой по трубопроводу 10 через открытый запорный вентиль 16.1 поступают на вход теплообменника 8.1, при этом запорные вентили 18.2, 17.1 закрыты. Проходя по газовому контуру теплообменника 8.1, дымовые газы отдают теплоту ЖОНВ, тем самым увеличивая температуру последнего в накопителе 7.1 до значения, при котором происходит эндотермическая реакция выделения водорода из ЖОНВ (дегидрирования). Выделившийся в результате дегидрирования ЖОНВ в накопителе 7.1, водород через открытый запорный вентиль 15.1 поступает в батарею топливных элементов 6, в которую также по трубопроводу 12 поступает окислитель. В топливных элементах батареи 6 происходит электрохимическая реакция, в результате которой вырабатывается электрическая энергия и образуется реакционная вода, которая отводится по трубопроводу 13. Выходящие из теплообменника 8.1 дымовые газы, имеющие пониженную, но достаточную для гидрирования ЖОНВ в накопителе 7.2, температуру, по трубопроводу 11.1 через открытый запорный вентиль 18.1 поступают на вход теплообменника 8.2, при этом запорный вентиль 16.2 закрыт. Проходя по газовому контуру теплообменника 8.2, дымовые газы отдают теплоту ЖОНВ, тем самым увеличивая температуру последнего в накопителе 7.2 до значения, при котором происходит экзотермическая реакция поглощения водорода ЖОНВ (гидрирования). Далее дымовые газы, выходящие из теплообменника 8.2, через открытый запорный вентиль 17.2 удаляются в атмосферу.

После завершения процесса дегидрирования в накопителе 7.1 осуществляется автоматическое открытие запорных вентилей 15.2, 17.2, 14.1, 16.1, 18.1 и автоматическое закрытие запорных вентилей 14.2, 15.1, 16.2, 18,2, 17.1. После чего в накопителе 7.1 будет происходить гидрирование ЖОНВ, а в накопителе 7.2 - дегидрирование с последующей подачей водорода в батарею топливных элементов 6.

Таким образом, предлагаемое изобретение за счет применения двух и более накопителей водорода с ЖОНВ (с попеременной работой каждого из них в режимах гидрирования и дегидрирования), каждый из которых содержит теплообменный контур дымовых газов, причем входы контуров присоединены через запорные вентили к выходу термохимического реактора получения водорода и выходу соответствующего контура другого накопителя водорода с ЖОНВ, а выходы – к атмосфере и входу соответствующего контура другого накопителя водорода с ЖОНВ, позволяет осуществлять процессы гидрирования и дегидрирования ЖОНВ за счет использования теплоты дымовых газов термохимического реактора получения водорода и, как результат, упростить конструкцию энергетической установки, повысить ее эксплуатационные характеристики и улучшить экономические показатели.

Формула изобретения

Энергетическая установка с топливными элементами, состоящая из батареи топливных элементов, термохимического реактора получения водорода, резервуара запаса жидкого водородсодержащего топлива с топливным насосом и не менее двух накопителей водорода, отличающаяся тем, что каждый накопитель водорода заполнен жидким органическим носителем водорода (ЖОНВ) и содержит теплообменник дымовых газов для осуществления процессов дегидрирования (выделения водорода) и гидрирования (поглощения водорода) ЖОНВ, при этом вход теплообменника дымовых газов присоединен трубопроводами через запорные вентили к выходу термохимического реактора получения водорода и выходу теплообменника другого накопителя водорода с ЖОНВ, а выход присоединен трубопроводами через запорные вентили к атмосфере и входу теплообменника другого накопителя водорода с ЖОНВ, что позволяет поочередно осуществлять процессы гидрирования и дегидрирования ЖОНВ в каждом накопителе за счет полезного использования теплоты дымовых газов, выходящих из термохимического реактора получения водорода.

Изобретение "Энергетическая установка с топливными элементами" (Ландграф Игорь Казимирович, Сайданов Виктор Олегович, Бут Константин Павлович, Никонов Максим Романович, Добровольский Юрий Анатольевич, Ложкин Александр Дмитриевич, Тимашпольский Ян Михайлович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога