ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО МЕТАН-ВОЗДУШНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

FJ

HYDROGEN ECONOMY

Статья поступила в редакцию 19.02.13. Ред. рег. № 1546 The article has entered in publishing office 19.02.13. Ed. reg. No. 1546

УДК 621.352.6:661.931

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО МЕТАН-ВОЗДУШНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Г.Н. Волощенко

НИЦ «Курчатовский институт» 123182 Москва, пл. академика Курчатова, д. 1 e-mail: geornik1@yandex.ru

Заключение совета рецензентов: 28.02.13 Заключение совета экспертов: 04.03.13 Принято к публикации: 05.03.13

Проведены расчеты режимов работы метан-воздушного ТОТЭ, показаны оптимальные значения добавки воды в исходный метан, приведены расчетные характеристики ТОТЭ для разных режимов работы, проанализированы тепловые параметры ТОТЭ, включая балансы тепла реагентов и полезное высокопотенциальное тепло ТОТЭ. ' - п1'

Ключевые слова: твердый оксидный электролит, топливный элемент, метан, химическая конверсия, тепловой режим.

PECULIARITIES OF THE WORK OF THE HIGH-TEMPERATURE METHANE-AIR FUEL CELL

G.N. Voloshchenko

RSC "Kurchatov Institute" 1 Acad. Kurchatov sq., Moscow, 123182, Russia о

e-mail: geornik1@yandex.ru

Referred: 28.02.13 Expertise: 04.03.13 Accepted: 05.03.13

The calculations of operation modes of methane-air cells, shows the optimal values of additive water into the source of methane, are calculated characteristics of cells for different modes of operation, analysis of the thermal parameters of the cells, including the balance of heat reagents and useful high-temperature heat of the cell.

Keywords: solid oxide electrolyte, SOFC, methane, chemical conversion, thermal mode.

Высокотемпературные топливные элементы с твердым оксидным электролитом привлекают все большее внимание как перспективные источники для автономного энергообеспечения. В связи с этим представляет интерес рассмотреть особенности их работы при использовании такого широко распространенного топлива, как природный газ.

На рис. 1 показана схема метан-воздушного твер-дооксидного топливного элемента (ТОТЭ), составленная в соответствии с разработанными нами принципами конструирования высокотемпературных электрохимических устройств [1, 2]. Собственно

ТОТЭ состоит из секций топливных элементов и расположенных между ними промежуточных теплообменников внешнего теплоносителя, обеспечивающего поддержание теплового режима ТОТЭ.

Через рекуперативные теплообменники к ТОТЭ подводится топливо, предварительно конвертированное с водяным паром, и воздух. При этом топливо является внешним по отношению к электрохимическим элементам реагентом, а воздух - внутренним реагентом. Следовательно, топливо проходит последовательно через все секции ТОТЭ, а воздух подается отдельно в каждую секцию.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Поскольку скорость обмена электрохимической реакции окисления оксида углерода примерно в пять раз ниже, чем водорода [4], учитывалась только электрохимическая реакция окисления водорода:

Н2 + У2О2 ^ Н2О. (3)

В зависимости от соотношения метана и воды в исходной топливной смеси состав после конвертора будет различным. Обозначим через а количество молей воды на 1 моль СН4 в исходной топливной смеси. На рис. 2 представлена зависимость состава топливной смеси на входе в ТОТЭ от а. Как следует из приведенных данных, максимум мольной доли водорода КН2ух достигается при значении а = 1. Однако, как будет видно ниже, максимальное содержание водорода во входной смеси не обеспечивает лучших характеристик ТОТЭ в целом.

На рис. 3 и 4 приведены зависимости мольных долей водорода КН2ух и воды КН2Оух от а при температурах конверсии 900 °С и 1000 °С. Как видим, мольные доли и водорода, и воды в этом диапазоне мало зависят от температуры.

с

а Мольные доли компонентов,%

30-"---------

i

Рис. 2. Зависимость состава входной смеси от аН2О Fig. 2. The dependence of the composition of the input mix from аН2О

Рис. 1. Схема метан-воздушного ТОТЭ Fig. 1. The scheme of methane-air cells

Рассмотрим последовательно основные моменты работы метан-воздушного ТОТЭ на основе расчетов по разработанной нами программе [3]. При расчетах параметров ТОТЭ учитываются две равновесные реакции конверсии:

СН4 + Н2О ~ СО + 3Н2; СО + Н2О ~ СО2 + Н2.

(1) (2)

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Мольные доли водорода, % 75

___

Vs. v\

/

/

65

55

45

0,2

0,8

1,4

аНгО

NH2-900 -&- NH2-1000

Рис. 3. Зависимость NH2vx от а Fig. 3. The dependence of NH2vx from а

Мольные доли воды, % 18

1 / / J>

у / / ^ / //

// // // // //

SS /У /У

/у /У /У //

/J /У // //

г/г

-в- -в- -а--- /7 У/ У

12

0,4

0,8

1,2

1,6

—(^NH2Ovx-900-&-NH2Ovx-1000

Рис. 4. Зависимость NH2Ovx от а Fig. 4. The dependence of NH2Ovx from а

аН20

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Рис. 5. Распределение компонентов топливной смеси и KispCH4 по длине рабочей зоны ТОТЭ при а = 1 Fig. 5. Distribution of components of the fuel mixture and KispCH4 along the working area of the stack when а = 1

Рис. 6. Распределение компонентов топливной смеси и KispCH4 по длине рабочей зоны ТОТЭ при а = 0,2 Fig. 6. Distribution of components of the fuel mixture and KispCH4 along the working area of the stack when а = 0,2

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

На рис. 5 и 6 представлены результаты расчетов распределения мольных долей компонентов топливной смеси и коэффициента использования метана К1БрСН4 по длине рабочей зоны ТОТЭ при напряжении на элементах 0,7 В для значений а, равных 1 и 0,2 соответственно. Как следует из приведенных данных, соотношение мольных долей водорода и воды, определяющих электрохимические характеристики ТОТЭ, существенно лучше при а = 0,2. Действительно, расчетные вольт-амперные характеристики

ТОТЭ в режиме U = const при суммарном сопротивлении элемента Лэфф = 0,5 Ом-см, как следует из рис. 7, при а = 0,2 лучше, чем при а = 1. Приведенные на рис. 7 значения удельной мощности Nud даны для цилиндрических модулей диаметром 10 мм.

Таким образом, электрохимические характеристики ТОТЭ СН4-воздух существенно выше при а = 0,2 и уменьшаются с ростом а.

U, В; Nud, кВт/л; KispCH 1,21-

0 0,2 0,4 0,6

Средняя плотность тока, А/см! Ua=1—A-NudK=1 —a-KispCH4a=1—о— U a=2 —♦ ■ Nud а~2 —e--KispCH4 а=2

Рис. 7. Характеристики ТОТЭ для а=0,2 и а=1 Fig. 7. The characteristics of SOFC for a=0.2 and a=1

Рассмотрим теперь тепловые потоки внутри ТОТЭ. Составляющими этих потоков являются тепловыделение электрохимической реакции окисления водорода (3) и тепловые эффекты двух химических реакций конверсии (1) и (2). На рис. 8 представлено изменение плотности теплового потока на единицу электродной поверхности по длине рабочей зоны при а = 0,2. Как видно из приведенных данных, на начальном участке преобладающим является расход тепла на конверсию метана, далее с уменьшением содержания метана общий тепловой поток переходит через нуль и становится положительным. На длине рабочей зоны, обозначенной меткой, общий баланс тепла на начальном участке становится равным нулю, и дальнейшее выделение тепла может быть полезно использовано вне ТОТЭ. Для сравнения на

рис. 8 представлено удельное тепловыделение водо-родно-воздушного ТОТЭ в тех же условиях. Из этого сравнения видно, что тепловой режим метан-воздушного ТОТЭ радикально отличается от режима водородно-воздушного ТОТЭ. Для оценки влияния реакций конверсии (1) и (2) на тепловые параметры ТОТЭ нами были проведены расчеты режимов работы ТОТЭ при неполной конверсии реагентов. Для реакции (1) был введен коэффициент конверсии в со значением от 1 (полная конверсия) до 0 (нет конверсии), аналогично для реакции (2) был введен коэффициент у. На рис. 9 представлены результаты расчетов удельного тепловыделения для вариантов: 1 - в = 1, у = 1; 2 - в = 0,5, у = 1; 3 - в = 0,1, у = 1; 4 - в = 0,5, у = 0,5; 5 - в = 0,1, у = 0,1.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Рис. 8. Изменение удельного тепловыделения по длине рабочей зоны Fig. 8. Change of specific heat along the length of the working area

Рис. 9. Влияние степеней конверсии реагентов на тепловыделение ТОТЭ Fig. 9. The influence of the degree of conversion of the reagents to heat SOF

— Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 л |-© Научно-технический центр «TATA», 2013 '

Тепловыделение, Вт/смг

0,6

0,4

0,2

— ** „---*■----"

* — * ^ _ — "** *

0 2 "" ' - • ^ a 0 "4 , „6 1

* ^ , * .

-0,2

-0,4

«КО

--QteplfcOtn - • - BalansReagOtn - QpolOtri

Рис. 10. Зависимость тепловых параметров ТОТЭ от а Fig. 10. The dependence of the thermal parameters of the cell from а

Рис. 11. Зависимость удельной мощности и КПД от степени использования СН4 Fig. 11. The dependence of the power density and efficiency of utilization of CH4

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Как и следовало ожидать, степени конверсии реагентов существенно влияют на тепловые параметры ТОТЭ.

На рис. 10 приведены некоторые тепловые параметры ТОТЭ, важные для оценки параметров ТОТЭ в целом. Такими параметрами являются:

- количество тепла, отводимого из промежуточных теплообменников ТОТЭ для использования вне ТОТЭ, например, для получения энергоэнергии в турбомашинном цикле, ферНЁ;

- тепловой баланс входящих в ТОТЭ и выходящих из него компонентов топливной смеси с учетом расхода тепла в конверторе, BalansReag;

- количество полезного тепла, которое можно использовать вне ТОТЭ 0ро1, являющееся разницей между р1ерНе и Ba1ansReag в случае, когда Ba1ansReag меньше нуля. На рис. 10 эти три параметра представлены в относительных к электрической мощности ТОТЭ величинах. Видно, что при а > 0,2 тепловой баланс реагентов становится отрицательным и, соответственно, уменьшается 0ро1, что еще раз уже с этой стороны подтверждает оптимум значения а = 0,2.

С точки зрения оценки энергетических параметров ТОТЭ при различных режимах работы представляет интерес зависимость удельной объемной мощности ЖсШ и электрический КПД ТОТЭ от степени использования метана К^рСН4. Эта зависимость представлена на рис. 11.

Представленные на рис. 11 зависимости позволяют оценивать оптимальное соотношение капитальной и эксплуатационной составляющих стоимости электроэнергии, вырабатываемой ТОТЭ, в зависимости от назначения и условий работы.

Список литературы

1. Волощенко Г.Н. Анализ тепловых режимов и структура высокотемпературных электрохимических устройств // Альтернативная энергетика и экология -ШАБЕ. 2012. № 8. С. 19-25.

2. Патент РФ на полезную модель № 119523. Гибридная энергоустановка / Волощенко Г.Н., Пахомов В.П. // Бюлл. «Изобретения, полезные модели». 2012. № 23.

3. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2012660927 // Бюлл. «Программы для ЭВМ. База данных. Топология интегральных микросхем». 2012. № 4.

4. Перфильев М.В. и др. Высокотемпературный электролиз газов. М.: Наука, 1988. С. 127.

- TATA —

SOLAREXPO 2013 УНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

SOLAREXPO

Время проведения: 08 - 10.05.2013 Место проведения: Fiere di Verona Тема: Энергетика

Solarexpo признана самой значимой выставкой в Италии, а также одним из трех ведущих событий в мире. Она играет большую роль в устойчивом развитии страны, подчеркивая растущую потребность в энергетическом балансе. Мероприятие является коридором на пути к низкоуглеродной экономике, базирующейся на принципах эмиссии выбросов парниковых газов.

Solarexpo 2013 занимает 10 павильонов (125 тысяч кв.м.) и представляет новые технологии и оборудование в трех плоскостях: фотовольтаика, концентрированная солнечная энергия, тригенерация и распределенные сети одновременного получения электричества. Солнечные элементы в дизайне жилых и коммерческих зданий будут в центре внимания раздела Solarch.

В рамках Solarexpo 2013 пройдут конференции и симпозиумы с участием ведущих экспертов в области энергопотребления. На заседаниях обсуждаются способы преобразования солнечной радиации в энергию, а ряд докладов посвящен проблемам охраны и восстановления окружающей среды в рамках директив ЕС.

Аудитория выставки Solarexpo

Выставка будет полезна как для энергетических компаний, так и для конечных потребителей электро- и тепловой энергии, представителей инвестиционных групп и промышленных предприятий, производящих альтернативные источники энергии.

Организатор

Expoenergie srlLargo Panfilo Castaldi 132032 Feltre (BL) Tel.: +39 0439 84 98 55Fax: +39 0439 84 98 54 Web: http://www.solarexpo.com/ Официальный веб-сайт

_http://www.solarexpo.com/

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013