CC BY
9 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ATOMIC ENERGY
От редакции. Вниманию читателей представляются 2-я и 3-я части работы «Термоэлектрохимический цикл преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью системы высокотемпературный электролизер - топливный элемент». Часть 1 была опубликована в нашем журнале в 2004 г. в № 3 на стр. 50-54.
ТЕРМОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР -
ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Г.Н. Волощенко, Н.Е. Кухаркин, В.П. Пахомов, Н.Н. Пономарев-Степной
РНЦ «Курчатовский институт» E-mail: v_pakhomov@mtu-net.ru
THERMO-ELECTROCHEMICAL CYCLE OF THERMAL ENERGY TO ELECTRICAL ENERGY CONVERSION WITH THE HELP OF A SYSTEM OF A HIGH-TEMPERATURE ELECTROLYZER - A FUEL CELL
G.N. Volosh'enko, N.E. Kukharkin, V.P. Pakhomov, N.N. Ponomaryev-Stepnoy
RSC "Kurchatov Institute" E-mail: v_pakhomov@mtu-net.ru
Часть 2. Расчет характеристик высокотемпературного электролизера Part 2. A high-temperature electrolyzer characteristics calculation
Ранее [1] нами были рассмотрены характеристики цикла исходя из термодинамических параметров обратимой реакции взаимодействия водорода и кислорода. Были рассчитаны КПД процесса преобразования тепла в электроэнергию и ориентировочные параметры энергоустановки на основе цикла. Полученные результаты представляются весьма привлекательными для дальнейшего рассмотрения элек-трогенерирующей установки на основе цикла с привлечением реальных характеристик высокотемпературного электролизера.
На основе полученных нами экспериментальных данных и разработанной математической модели процесса электролиза нами проведен анализ реального КПД преобразования тепла в электроэнергию и массовых характеристик электролизера в зависимости от режимов его работы при температуре 1000° С для получения оценок массогабаритных характеристик электролизера как одного из основных узлов энергоустановки.
В основе расчетов электроэнергии, генерируемой в топливном элементе из водорода и кислорода, полученных в электролизере, принято напряжение щелочного водородно-кислородного топливного элемента, использованного в проекте «Аполлон», а именно 1,1 В. Затраты на собственные нужды и возможные потери на данном этапе не рассматривались.
В качестве переменных параметров для расчетов характеристик электролизера принимались мольная доля водорода в пароводородной смеси на входе в электролизер, обозначенная как ЫН2та> и мольная доля водорода на выходе из электролизера, обозначенная как МН2ех. Рассматривалось также влияние мольной доли кислорода в анодном пространстве электролизера. Варьированием этих трех параметров можно существенно влиять на напряжение электролиза и, следовательно, на энергетические и массогабаритные параметры энергоустановки в целом. Расчеты проводились для значений мольной доли кислорода 10, 50 и 100% при плотности тока нагрузки 0,1 и 0,15 А/см2.
Результаты расчетов представлены на рис. 1, 2. На рис. 1, а-/ представлены значения КПД преобразования тепла в электроэнергию при различных значениях входных и выходных относительных содержаниях водорода в пароводородной смеси электролизера, парциальных давлениях кислорода и плотности тока нагрузки электролизера.
Совокупность полученных значений КПД преобразования тепла в электроэнергию в зависимости от входных и выходных значений содержания водорода в па-роводородной смеси при разных значениях парциального давления кислорода и плотности тока, представленная на рис. 1, а-/, показывает существование области значений выше перечисленных параметров, при которых КПД преобразования достаточно высок.
КГЩ цикла. %
NHih, *
»Wäf
NHj.,.%
a
d
e
b
c
Рис. 1. Зависимость КПД цикла от входной NH2„X и выходной NH2ex концентрации водорода при различных концентрациях кислорода и плотности тока: a - концентрация кислорода 100%, плотность тока 0,1 А/см2; b - концентрация кислорода 100%, плотность тока 0,15 А/см2; с - концентрация кислорода 50%, плотность тока 0,1 А/см2; d - концентрация кислорода 50%, плотность тока 0,15 А/см2; e - концентрация кислорода 10%, плотность тока 0,1 А/см2; f - концентрация кислорода 10%,
плотность тока 0,15 А/см2
Fig. 1. Cycle efficiency dependence of in-coming and out-coming hydrogen concentration at various oxygen concentration and current density: a - 100% oxygen concentration and current density 0,1 A/sm2; b - 100% oxygen concentration and current density 0,15 A/sm2; c - 50% oxygen concentration and current density 0,1 A/sm2; d - 50% oxygen concentration and current density 0,15 A/sm2; e - 10% oxygen concentration and current density 0,1 A/sm2; f - 10% oxygen concentration and current density 0,15 A/sm2
60
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
11Ш Ei
60
50 u-t„,%
то90
60
50 Nht„. %
Рис. 2. Зависимость удельной массы электролизной поверхности от входной и выходной концентрации водорода при различных концентрациях кислорода и плотности тока: a - концентрация кислорода 100%, плотность тока 0,1 А/см2; b - концентрация кислорода 100%, плотность тока 0,15 А/см2; с - концентрация кислорода 50%, плотность тока 0,1 А/см2; d - концентрация кислорода 10%, плотность тока 0,1 А/см2; e - концентрация кислорода 50%, плотность тока 0,15 А/см2;
f - концентрация кислорода 10%, плотность тока 0,15 А/см2 Fig. 2. Unit weight of electrolysis surface dependence of in-coming and out-coming hydrogen concentration at various oxygen concentration and current density: a - 100% oxygen concentration and current density 0,1 A/sm2; b - 100% oxygen concentration and current density 0,15 A/sm2; c - 50% oxygen concentration and current density 0,1 A/sm2; d - 10% oxygen concentration and current density 0,1 A/sm2; e - 50% oxygen concentration and current density 0,15 A/sm2; f - 10% oxygen concentration
and current density 0,15 A/sm2
c
Для оценки массогабаритных параметров энергоустановки был выбран такой расчетный параметр электролизера, как масса электролизной поверхности, необходимой для получения расхода водорода, требуемого для получения 1 кВт полезной электрической мощности установки. На рис. 2, а-/ представлены результаты расчета значений удельной массы электролизной поверхности, обозначенной как Mudpol.
Как видно из полученных расчетных данных, удельная масса, также как и показанные выше данные по КПД, является приемлемой, несмотря на относительно невысокие плотности тока, что само по себе является нетривиальным результатом. Напри-
мер, для энергоустановки мощностью 20 кВт существует достаточно широкий диапазон параметров электролизера, при которых его масса не превышает 200-300 кг, что позволяет надеяться на создание установки общей массой в пределах 1000 кг при значениях КПД преобразования порядка 50%.
Анализ совокупности приведенных выше расчетных данных позволяет утверждать, что предлагаемое техническое решение по созданию электрогенери-рующей установки на основе термоэлектрохимического цикла может представлять большой интерес для энергообеспечения космических объектов, а также в других областях техники.
Часть 3. Концепция космического полифункционального энергоблока Part 3. Concept of a space multifunctional power-generating unit
Предлагаемый к рассмотрению космический полифункциональный энергоблок основан на термоэлектрохимическом цикле прямого преобразования тепла в электроэнергию с помощью комбинации высокотемпературного электролизера и среднетемпера-турного топливного элемента [1] и должен обеспечивать обитаемые космические объекты электроэнергией, кислородом для дыхания экипажа и рабочим телом для двигателей ориентации, а также утилизировать продукты метаболизма экипажа (вода, диоксид углерода).
В таком цикле возможно прямое преобразование тепла в электроэнергию с КПД, достигающим 5055%. Реализация такого цикла возможна при режиме работы электролизера с поглощением тепла, что достигается в случае использования высокотемпературных систем с твердооксидным электролитом.
Эти же высокотемпературные электролизеры могут быть использованы для электролиза смеси водяного пара и диоксида углерода, которые являются продуктами метаболизма, с целью регенерации кислорода. Образующаяся в этом случае смесь водорода и монооксида углерода может быть использована в качестве рабочего тела в двигателях ориентации или для других подобных целей. Энергоблок может функционировать в разных режимах работы, основными из которых являются:
- генерация электроэнергии из высокотемпературного тепла;
- наработка водорода и кислорода;
- получение электроэнергии из запасенных водорода и кислорода;
- получение кислорода для дыхания из продуктов метаболизма (воды и диоксида углерода).
Принципиальная схема космического полифункционального энергоблока показана на рис. 1. В состав энергоблока входят: расположенные внутри корпуса блока высокотемпературный электрохими-
ческий агрегат 1, состоящий из модулей электролиза воды и модулей электролиза смеси водяного пара и диоксида углерода; промежуточный теплообменник 2; конденсатор 3; испаритель 4; топливный элемент 5; емкости для запасания водорода и кислорода 6 и 7; емкость с запасом воды 8; система терморегуляции энергоблока 9; блок электрической коммутации 10.
В составе энергоблока может также быть ядерная энергетическая установка типа «Енисей», которая может быть использована как источник электроэнергии и высокотемпературного тепла.
В состав энергоблока входят также агрегаты, расположенные вне его корпуса. Это концентраторы солнечной энергии 12, панели сброса тепла 13, также могут быть и панели солнечных батарей 14, электроэнергия от которых может участвовать в электролизе, а также быть аккумулирована в виде водорода и кислорода.
На рис. 2-5 показаны основные режимы работы энергоблока. Пунктирными линиями отмечены неза-действованные агрегаты и линии коммуникаций.
Энергоблок работает следующим образом. В режиме генерации электроэнергии (рис. 2) из высокотемпературного тепла водяной пар из испарителя 4 через промежуточный теплообменник 2 подается в высокотемпературный электролизер 1, в котором за счет солнечного тепла от концентратора 12 и электроэнергии от топливного элемента 5 происходит разложение воды на водород и кислород. Полученные водород с парами воды и кислород отводятся через теплообменник 2 и конденсатор воды 3 в топливный элемент 5, где за счет химической энергии водорода и кислорода получают электроэнергию, часть которой подается на электролизер, а другая часть через электрокоммутатор 10 подается потребителям. Образующаяся в топливном элементе вода возвращается в электролизер.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Рис. 1. Принципиальная схема космического полифункционального энергоблока: 1 - высокотемпературный электрохимический агрегат, 2 - теплообменник, 3 - конденсатор, 4 - испаритель, 5 - топливный элемент, 6-7 - баллоны для запасания водорода и кислорода, 8 - емкость с запасом воды, 9 - система терморегуляции, 10 - блок электрокоммутации, 11 - реактор «Енисей», 12 - солнечные концентраторы, 13 - панели сброса тепла, 14 - фотоэлементы, 15 - электроэнергия, 16 - подача воды и диоксида углерода в энергоблок, 17 - подача кислорода для дыхания и рабочего тела в другие блоки, 18 - потоки высокотемпературного тепла,
19 - потоки теплоносителя системы терморегуляции Fig. 1. Principal scheme of a space multifunctional power-generating unit: 1 - high temperature electrochemical unit, 2 - heat exchanger, 3 - capacitor, 4 - evaporator, 5 - fuel cell, 6-7 - hydrogen and oxygen storage ballon tyres, 8 - container with water stock, 9 - thermoregulation system, 10 - electro-commutation unit, 11 - "Enisey" reactor, 12 - solar concentrator, 13 - panels for heat reduction, 14 - photo cells, 15 - electro energy, 16 - H2O and CO2 power-generating unit supply, 17 - O2 supply in other units for breathing and working body, 18 - high temperature heat flows, 19 - flows of the thermoregulation system's heat-transfer agent
Рис. 2. Работа энергоблока в режиме генерации электроэнергии из высокотемпературного тепла Fig. 2. Power-generating unit functioning in the process of energy generating from a high temperature heat
В режиме наработки водорода и кислорода (рис. 3) вода из емкости 8 через испаритель 4 и теплообменник 2 подается в электролизер, в котором за счет солнечного тепла от концентратора 12 и электроэнергии от солнечных элементов 14 происходит разложение воды на водород и кислород. Полученные водород и кислород через теплообменник 2 и конденсатор 3 подаются в баллоны 6 и 7.
В режиме получения электроэнергии из запасенных водорода и кислорода (рис. 4) водород и кислород из баллонов 6 и 7 подают в топливный элемент
5, где получают электроэнергию, а образующуюся воду отводят в емкость 8.
В режиме получения кислорода для дыхания из продуктов метаболизма (рис. 5) воду и диоксид углерода подают в высокотемпературные модули для электролиза смеси водяного пара и диоксида углерода с получением кислорода для дыхания и газовой смеси, которые отводятся потребителям.
Очевидно, что энергоблок может функционировать не только в основных режимах, описанных выше, но и совмещая работу нескольких режимов одновременно.
Ш\ 5 Ei
63
Рис. 3. Работа энергоблока в режиме наработки водорода и кислорода Fig. 3. Power-generating unit functioning in the process of hydrogen and oxygen production
Рис. 4. Работа энергоблока в режиме получения электроэнергии из запасенных водорода и кислорода Fig. 4. Power-generating unit functioning in the process of electro energy production from stored hydrogen and oxygen
Рис. 5. Работа энергоблока в режиме получения кислорода для дыхания из продуктов метаболизма (воды и диоксида углерода) Fig. 5. Power-generating unit functioning in the process of oxygen for breathing production from metabolism products (H2O and CO2)
64
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
,/i. Î E
Рис. 6. Конструкция рабочей зоны электролизера: 1 - модуль, 2 - теплоизоляция, 3 - призма-отражатель Fig. 6. Electrolyzer work area design: 1 - unit, 2 - heat insulation, 3 - reflecting prism
Расчет массогабаритных параметров энергоблока требует достаточно большого труда, предварительные оценки были нами сделаны в работе [1].
Масса системы получения кислорода из продуктов метаболизма с помощью высокотемпературного электролиза смеси водяного пара и диоксида углерода оценивается нами в 25-30 кг/чел. плюс запас воды, необходимой для возмещения потерь кислорода с монооксидом углерода, из расчета 350-400 кг/чел./год.
На рис. 6 представлена разработанная нами компоновка рабочей зоны [2], рассчитанная на совместную работу с концентратором солнечной энергии. В этом варианте высокотемпературное тепло от Солнца подается непосредственно на электролизные мо-
дули, обеспечивая работу электролизера в режиме поглощения тепла без каких-либо промежуточных теплоносителей. Подобная компоновка рабочей зоны может стать одним из возможных вариантов при конструировании энергоблока.
Список литературы
1. Пахомов В.П., Волощенко Г.Н. Термоэлектрохимический цикл преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью системы высокотемпературный электролизер - топливный элемент // Альтернативная энергетика и экология. 2004. № 3. С. 50-54.
2. Авторское свидетельство СССР № 1614607.
Г.-": — TATA — Í >
POWER-GEN INDIA & CENTRAL ASIA 2009 - PGIA09 -8-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ ИНДИИ И ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ
Время проведения: 02.04.2009 - 04.04.2009
Место проведения: Индия, Дели Тема: Энергетика
Организаторы выставки - международная корпорация PennWell и индийская компания Interads объявили о проведении очередной выставки POWER-GEN India & Central Asia в Индии 2-4 апреля 2009 г.
Это крупнейшая из серии азиатских выставок по выработке, передаче и распределению электроэнергии. Серия выставок POWER-GEN с успехом проводится в Индии с 1996 года с периодичностью 1 раз в 2 года при информационной поддержке COSPP, Power Engineering International, Renewable Energy World, очередное мероприятие пройдет в 2009 году.
Выставка пользуется поддержкой Министерства энергетики Индии, Министерства тяжелой промышленности и госпредприятий Индии. Именно на выставке и конференции POWER-GEN India & Central Asia лидеры отрасли и представители правительства Индии объявляют о планах и задачах в области электроэнергетики. На последней выставке в 2008 году зарегистрировано более 11000 посетителей (рост 22%), в выставке участвовало 211 компаний из 39 стран.
Оргкомитет выставки POWER-GEN India & Central Asia 2009 рассчитывает, что в 2009 г. выставка станет еще более представительной, выделены павильоны 9, 10, 11, 12 центра Pragati Maidan.
Благодаря успеху выставок, проводимых в Индии ранее, основной упор на этой выставке будет сделан именно на тех аспектах энергетики, которые наиболее привлекательны в данном регионе.
'г i
65
