CC BY
8АТОМНО-ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ATOMIC-HYDROGEN ENERGY
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ИССЛЕДОВАНИЯ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ПО ПРЕОБРАЗОВАНИЮ ТЕПЛА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ
Г.Н. Волощенко, Н.Е. Кухаркин, В.П. Пахомов, Н.Н. Пономарев-Степной
РНЦ «Курчатовский институт» E-mail: [email protected]; [email protected]
TEST BENCH FOR HIGH-TEMPERATURE ELECTROLYZER FOR ELECTROCHEMICAL POWER PLANT WITH HEAT TO POWER CONVERSION
G.N. Volosh'enko, N.E. Kukharkin, V.P. Pakhomov, N.N. Ponomaryev-Stepnoy
RSC "Kurchatov Institute" E-mail: [email protected]; [email protected]
АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ATOMIC ENERGY
Как известно, реакция взаимодействия водорода с кислородом Н2 + 1/2О2 = Н2О характеризуется определенными значениями энтальпии и свободной энергии, зависящими от температуры, при которой протекает реакция. При этом следует учитывать, что величина свободной энергии характеризует долю электрической энергии, потребляемой или получаемой в результате реакции, а энтальпия соответствует потреблению или получению полной энергии, то есть сумме электроэнергии и тепла.
Особенностью реакции является то, что энтальпия реакции практически не зависит от температуры проведения реакции, в то время как свободная энергия существенно уменьшается с ростом температуры. Такие термодинамические параметры обратимой реакции взаимодействия водорода и кислорода позволяют организовать замкнутый по реагентам цикл, состоящий из электролизера и топливного элемента, в котором возможно прямое преобразование тепла в электроэнергию. Принципиальная схема такого цикла представлена на рис. 1.
Работа цикла проходит следующим образом. Водород и кислород, полученные в электролизере, через теплообменник направляются в топливный элемент, где при их взаимодействии получают воду и электроэнергию. Воду через теплообменник направляют в электролизер, куда подводят высокотемпературное тепло и часть электроэнергии от топливного элемента.
Рис. 1. Принципиальная схема термоэлектрохимического цикла: 1 - высокопотенциальное тепло;
2 - электроэнергия на электролиз водяного пара; 3 - полезная электроэнергия; 4 - низкопотенциальное тепло
Fig. 1. Schematic diagram of thermoelectrochemical cycle: 1 - high-potential heat; 2 - electric power for steam electrolysis;
3 - useful electric power; 4 - low-potential heat
Значения термодинамического КПД такого цикла в зависимости от температур электролизера и топливного элемента приведены в таблице.
Подробно вопросы, относящиеся к разработке этого цикла, рассмотрены в [1-3].
На основе полученных нами экспериментальных данных и разработанной математической модели проведен анализ реального КПД преобразования тепла в электроэнергию. Полученные данные позволяют утверждать, что реальный КПД может иметь значения до 50-55%.
Полученные результаты представляются весьма привлекательными для дальнейшего рассмотрения электрогенерирующей установки на основе электрохимического цикла с высокотемпературным электролизером.
Г.Н. Волощенко, Н.Е. Кухаркин, В.П. Пахомов, H.H. Пономарев-Степной. Экспериментальный стенд.
Зависимость термодинамического КПД цикла от рабочих температур ТЭ и ВТЭ Thermodynamic efficiency of the cycle as a function of fuel cell and hydrogen fuel cell working temperatures
Температура ВТЭ, °С Термодинамический КПД, % при температуре ТЭ, °С
100 200 300 400 500
800 б0 52 44 35 27
900 б3 5б 49 40 33
1000 бб 59 52 44 38
1100 б7 б1 55 48 42
1200 70 б4 58 52 4б
1300 71 бб б1 54 49
Рис. 2. Схема экспериментального стенда: 1 - электрохимические модули; 2 - промежуточные теплообменники-нагреватели; 3 - теплоизолирующий корпус; 4 - теплообменник-рекуператор; 5 - нагреватели;
6 - низкотемпературная часть стенда Fig. 2. Test bench layout: 1 - electrochemical modules;
2 - intermediate heat exchange heaters; 3 - heat insulation body; 4 - heat exchanger/recuperator; 5 - heaters;
6 - low-temperature test bench side
Планируется проведение полномасштабных исследований по отработке разработанных нами технических решений в области конструкции высокотемпературных твердооксидных электролизеров, в том чис-
ле будет исследована эффективность подвода тепла непосредственно к электрохимическим модулям 1, а также к промежуточным теплообменникам 2. Для этого электрохимические модули располагаются в электролизере в соответствии с техническим решением, разработанным нами и описанным в [4] (рис. 3).
Разработанный для данного стенда ВТЭ при удельном электропотреблении 2,1-2,4 кВтч/нм3 Н2 имеет мощность 10 кВт и размеры рабочей зоны 200x30x30 см. Режимы работы электролизера, в соответствии с его назначением, предусматривают проведение электролиза смеси водяного пара с водородом с увеличением содержания последнего от 10-20 до 40-50 мол% и продувку кислородной полости электрохимических модулей водяным паром для снижения парциального содержания кислорода в диапазоне от 10 до 80 мол%.
Для проведения научно-исследовательских работ в данной области нами разработан экспериментальный стенд, позволяющий выполнять полный комплекс работ по созданию и исследованию высокотемпературного электролизера для работы в составе электрохимической энергоустановки по преобразованию солнечного излучения в электроэнергию.
Схема стенда представлена на рис. 2. Основой стенда на первом этапе исследований является изучение режимов работы высокотемпературного электролизера (ВТЭ) в режиме поглощения внешнего тепла, подводимого излучением, имитирующим солнечное, а в дальнейшем - непосредственно от концентраторов солнечного излучения.
Рис. 3. Расположение электрохимических модулей в высокотемпературном электролизере Fig. 3. Arrangement of electrochemical modules in the high-temperature electrolyzer
На первом этапе исследований в качестве низкотемпературной части стенда 6 предусмотрена установка твердополимерного топливного элемента. В дальнейшем для повышения эффективности работы цикла будет использован среднетемпературный топливный элемент.
При разработке стенда были учтены возможности изменения конфигурации электрохимических модулей, использования различных видов промежуточных теплообменников, способов подвода тепла в электролизер, простота смены вариантов низкотемпературной части стенда.
Планируемые исследования представляются нам весьма перспективными и важными как с точки зрения создания энергоустановки на основе термоэлектрохимического цикла, так и в целом для разработки твердо-оксидных электролизеров для получения водорода.
Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР № 1184314, 1984 г.
2. Пахомов В.П., Волощенко Г.Н. Термоэлектрохимический цикл преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью системы высокотемпературный электролизер - топливный элемент // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2004. № 3 (11). С. 50-54.
3. Волощенко Г.Н., Кухаркин Н.Е., Пахомов В.П., Пономарев-Степной Н.Н. Термоэлектрохимический цикл преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью системы высокотемпературный электролизер - топливный элемент // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2008. № 7. С. 59-65.
4. Авторское свидетельство СССР № 1614607, 1988 г.
- TATA ~ L-X-J
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (73) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
ев
