RU2230024C1

RU2230024C1 - Method of gas-generation of hydrogen aboard a transportation vehicle havin g a fuel elements (alternatives)

Info

Publication number: RU2230024C1
Application number: RU2003103788/15A
Authority: RU
Inventors: Лев Борисович Блюмкин (IL); Лев Борисович Блюмкин; В.А. Михайлов (RU); В.А. Михайлов
Original assignee: Лев Борисович Блюмкин; Михайлов Владимир Андреевич; Кручинин Александр Александрович; Козлов Станислав Иванович
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2004-06-10

Abstract

FIELD: usage of generated hydrogen aboard transportation vehicles equipped with electric power installations. SUBSTANCE: the invention presents a method of gas-generation of hydrogen aboard transportation vehicles equipped with electric power plants. The group of inventions is dealt with a method of gas-generation of hydrogen, which may be used in the transportation vehicles supplied electrical power plants. The method of gas-generation of hydrogen by the first alternative is realized using reaction of the fuel (carbon) with water steam. At that a part of the energy produced by fuel elements is directed on realization of the process of generation of hydrogen. For production of the water steam they use the water produced by fuel elements, which is transformed in the steam phase due to a regenerative heat exchange between the products of the gas-generation - the blue gas and water. The mixture of hydrogen, carbon dioxide, carbon oxide and water steam, which is formed in process of reaction of the fuel with the water steam is subjected to two-four recirculations. The method by the second alternative provides for a process of pyrolysis of polymeric fuel (for example polyethylene) and a double conversion. The mixture of hydrogen, carbon dioxide, carbon oxide and water steam, which is formed during reaction of polymeric fuel with water steam, is subjected to two-four recirculations. The complex of chemical reactions is realized either in one reaction zone with simultaneous prevention of its coking or, as a minimum, in two reaction zones, or, as a minimum in two independent reaction zones, in one of which the pyrolysis of initial polymeric fuel takes place and in another - a two-stage reaction of conversion of pyrolysis products is going on. The part of the electric power produced by fuel elements is used to support reactions of pyrolysis and conversion. Supply of the reaction zone by water steam is provided in the process of the water regeneration produced in the fuel elements. At that the water steam is formed due to the regenerative heat exchange of this water with the reaction products removed from the zone. The technical result is in emission-free operation of the gas generator of hydrogen in a combination with a simplicity of the process of supply of the transportation vehicle electric power plant with the solid fuel with simultaneous preservation of the existing infrastructure of the fuel filling, in decrease of the mass of the plant and in increase of reliability of its operation. EFFECT: emission-free operation of the gas generator of hydrogen, simplicity of supply of the transportation vehicle electric power plant with the solid fuel, preservation of the existing infrastructure of the fuel filling, decreased the mass of the plant, increased reliability of its operation. 3 cl, 2 dwg, 2 ex

Description

Группа изобретений относится к широкому спектру транспортных машин, а более конкретно к транспортным средствам, снабженным электрическими энергоустановками, в частности - к автомобилям с топливными элементами. Способ может быть также использован в стационарных энергоисточниках.The group of inventions relates to a wide range of transport vehicles, and more particularly to vehicles equipped with electric power plants, in particular to vehicles with fuel cells. The method can also be used in stationary energy sources.

Известен способ газогенерации синтез-газа СО+Н₂ на борту автотранспортного средства в процессе восстановления воды при взаимодействии ее с древесиной или углем. Данный способ применялся для снабжения синтез-газом двигателей внутреннего сгорания и обеспечивал при некоторой потере мощности удовлетворительное перемещение автомобиля. Это позволило решить проблему топливного голода в СССР в сороковые годы.There is a method of gas generation of synthesis gas CO + H ₂ on board a vehicle in the process of water recovery when it interacts with wood or coal. This method was used to supply synthesis gas to internal combustion engines and, with some loss of power, provided satisfactory vehicle movement. This allowed us to solve the problem of fuel hunger in the USSR in the forties.

Широко известен способ стационарного получения водорода из водяного и паровоздушного газов, получаемых газификацией твердого топлива. Например, водяной газ генерируется посредством подачи воды на слой раскаленного угля с выходом в процессе восстановления воды смеси СО+Н₂ или СO₂+2Н₂.The method of stationary production of hydrogen from water and vapor-air gases obtained by gasification of solid fuel is widely known. For example, water gas is generated by supplying water to a layer of hot coal with the release of a mixture of CO + H ₂ or CO ₂ + 2H ₂ during water recovery.

Известен также способ производства водорода из природного газа, который заключается во взаимодействии углеводородов с водяным паром (конверсия) с возможностью их неполного окисления кислородом. В основе способа лежит каталитическая реакция СH₄+Н₂О→СО+3Н₂. Образующаяся окись углерода также подвергается конверсии СО+Н₂O. Данный способ может быть дополнен неполным окислением метана, что делает реакцию экзотермической. Реакция конверсии и неполного окисления протекают одновременно на никелевом катализаторе при 800-900°С.There is also known a method of producing hydrogen from natural gas, which consists in the interaction of hydrocarbons with water vapor (conversion) with the possibility of incomplete oxidation by oxygen. The method is based on the catalytic reaction CH ₄ + H ₂ O → CO + 3H ₂ . The resulting carbon monoxide is also subjected to the conversion of CO + H ₂ O. This method can be supplemented by the incomplete oxidation of methane, which makes the reaction exothermic. The reaction of conversion and incomplete oxidation proceed simultaneously on a nickel catalyst at 800-900 ° C.

Известна также система газификации полимерного (твердого) топлива, размещенного на борту транспортного средства, предназначенная для снабжения дизельных и газотурбинных двигателей газовым углеводородным топливом. Перевод полимера в газовую фазу осуществляется при помощи деструкции и последующего пиролиза полимерного топлива (например - полиэтилена) в ходе его нагрева и перевода из твердого в термопластичное, а затем в газообразное состояние. Полимерное топливо имеет заданную форму в виде гранул или перфорированной ленты. Система включает в себя устройство для дозированной подачи твердого полимера. Указанные варианты системы защищены патентами РФ: № 2131521 от 25 июля 1997 года, № 2133696 от 19 марта 1998 года и № 2160213 от 1 марта 1999 года.There is also known a gasification system for polymer (solid) fuel placed on board a vehicle, designed to supply diesel and gas turbine engines with gas hydrocarbon fuel. The polymer is transferred to the gas phase by the destruction and subsequent pyrolysis of polymer fuel (for example, polyethylene) during its heating and transfer from solid to thermoplastic and then to gaseous state. Polymer fuel has a given shape in the form of granules or perforated tape. The system includes a device for the dosed supply of solid polymer. These system options are protected by RF patents: No. 2131521 dated July 25, 1997, No. 2133696 dated March 19, 1998, and No. 2160213 dated March 1, 1999.

Задача, на решение которой направлен каждый из предлагаемых вариантов способов газогенерации водорода на борту транспортного средства с топливными элементами (ТЭ), заключается в предотвращении попадания в атмосферу токсичных выбросов в ходе газогенерации, в частности СО и NОx, а также в снижении массы водородосодержащего компонента на борту автотранспортного средства с одновременным повышением калорийности топлива, что позволяет сократить запас последнего на борту.The task to which each of the proposed variants of hydrogen gas generation methods on board a vehicle with fuel cells (TE) is directed is to prevent toxic emissions from entering the atmosphere during gas generation, in particular CO and NOx, and also to reduce the mass of the hydrogen-containing component by on board a vehicle with a simultaneous increase in calorific value of fuel, which allows to reduce the stock of the latter on board.

Технический результат, достигаемый каждым из вариантов группы изобретений, сводится к безэмиссионности работы газогенератора водорода в сочетании с относительной простотой процесса снабжения твердым топливом энергетической установки транспортного средства с одновременным сохранением существующей инфраструктуры топливозаправки, а также к снижению массы установки для осуществления способа повышения надежности ее работы.The technical result achieved by each of the variants of the group of inventions boils down to the emission-free operation of the hydrogen gas generator in combination with the relative simplicity of the process of supplying solid fuel to the vehicle’s power plant while maintaining the existing fueling infrastructure, as well as to reducing the weight of the plant to implement a method for improving its reliability.

Снижение массы установки достигается за счет исключения необходимости использования дополнительных источников перевода воды в паровую фазу, а также рециркуляции смеси Н₂, СO₂, СО, H₂O, что исключает необходимость использования дополнительных реакционных зон, с чем связано повышение надежности.The weight reduction of the installation is achieved by eliminating the need to use additional sources of transferring water to the vapor phase, as well as recycling the mixture of H ₂ , CO ₂ , CO, H ₂ O, which eliminates the need to use additional reaction zones, which is associated with an increase in reliability.

Первый дополнительный технический результат - сохранение существующей инфраструктуры заправки автотранспортных средств.The first additional technical result is the preservation of the existing vehicle refueling infrastructure.

Второй дополнительный технический результат - снижение массы твердого топлива на борту за счет повышения его калорийности.The second additional technical result is a decrease in the mass of solid fuel on board by increasing its calorie content.

Технический результат по первому варианту обеспечивается благодаря тому, что процесс газогенерации водорода и процесс окисления водорода в топливных элементах химически и энергетически совмещены, в результате чего тепловая энергия для поддержания двухступенчатой эндотермической реакции газогенерации водорода при взаимодействии углерода и далее окиси углерода с водяным паром обеспечивается за счет преобразования части электроэнергии, вырабатываемой топливными элементами, посредством чего осуществляется нагрев углерода (кокса или графита) в реакционной зоне, а снабжение водой в паровой фазе указанной зоны обеспечивается при ее регенерации за счет поступления воды, которая нарабатывается в топливных элементах, при этом положительный энергетический баланс упомянутого комплекса химических реакций достигается также за счет регенеративного теплообмена между продуктом газогенерации (водяным газом) и регенерируемой водой.The technical result according to the first embodiment is provided due to the fact that the process of hydrogen gas generation and the process of hydrogen oxidation in fuel cells are chemically and energetically combined, as a result of which the thermal energy to maintain a two-stage endothermic reaction of hydrogen gas generation during the interaction of carbon and then carbon monoxide with water vapor is provided by transforming part of the electricity generated by fuel cells, whereby carbon (coke or sludge) is heated graphite) in the reaction zone, and the water supply in the vapor phase of the specified zone is provided during its regeneration due to the ingress of water, which is produced in the fuel cells, while the positive energy balance of the mentioned complex of chemical reactions is also achieved through regenerative heat exchange between the gas generation product (water gas) ) and regenerated water.

Технический результат по первому варианту также обеспечивается благодаря тому, что загрузка мелкодисперсного углерода на борт транспортного средства осуществляется посредством захвата углерода воздушной струёй.The technical result of the first embodiment is also provided due to the fact that the loading of finely dispersed carbon on board the vehicle is carried out by capturing carbon with an air stream.

Технический результат по второму варианту обеспечивается благодаря тому, что смесь предельных и непредельных газообразных углеводородов, которая образуется в процессе пиролиза исходного полимера, размещенного на борту, далее подвергается двухступенчатой реакции конверсии, в ходе которой продукты пиролиза и затем окись углерода взаимодействуют с парами воды, при этом наработанный свободный водород сепарируется и взаимодействует с кислородом с образованием воды и электрической энергии, часть которой затрачивается на поддержание эндотермических реакций пиролиза и конверсии, причем необходимое для данных реакций количество воды поступает в реакционную зону в ходе регенерации из топливных элементов, а положительный энергетический баланс данного комплекса химических реакций обеспечивается также посредством перевода наработанной в топливных элементах воды в паровую фазу за счет регенерации тепла продуктов конверсии.The technical result according to the second embodiment is ensured by the fact that the mixture of saturated and unsaturated gaseous hydrocarbons, which is formed during the pyrolysis of the initial polymer placed on board, is then subjected to a two-stage conversion reaction, during which the pyrolysis products and then carbon monoxide interact with water vapor, this accumulated free hydrogen is separated and interacts with oxygen with the formation of water and electrical energy, part of which is spent on maintaining end thermal reactions of pyrolysis and conversion, and the amount of water required for these reactions enters the reaction zone during regeneration from fuel cells, and the positive energy balance of this complex of chemical reactions is also ensured by transferring the water generated in fuel cells to the vapor phase due to heat recovery of the conversion products .

Технический результат по второму варианту также обеспечивается благодаря тому, что комплекс химических реакций осуществляется в одной реакционной зоне с одновременным предотвращением ее закоксовывания благодаря последовательной организации процессов пиролиза и конверсии.The technical result of the second embodiment is also provided due to the fact that a complex of chemical reactions is carried out in one reaction zone while preventing its coking due to the sequential organization of the pyrolysis and conversion processes.

Технический результат по второму варианту также обеспечивается за счет того, что комплекс химических реакций осуществляется, как минимум, в двух реакционных зонах, причем предотвращение их закоксовывания обеспечивается за счет поочередной организации процессов пиролиза и конверсии в соответствующих реакционных зонах.The technical result according to the second embodiment is also provided due to the fact that the complex of chemical reactions is carried out in at least two reaction zones, and their coking is prevented due to the sequential organization of the pyrolysis and conversion processes in the corresponding reaction zones.

Описание способовDescription of the methods

Согласно первому варианту газогенерация водорода на борту транспортного средства с топливньми элементами обеспечивается комплексом химических реакций, объединяющим процесс генерации водяного газа и процесс работы топливных элементов:According to the first embodiment, hydrogen gas generation on board a vehicle with fuel cells is provided by a complex of chemical reactions combining the process of generating water gas and the process of operation of fuel cells:

Временной интервал между реакциями а) и б) не превышает 0,001...0,0001 с.The time interval between reactions a) and b) does not exceed 0.001 ... 0.0001 s.

Процесс генерации водяного газа (СO₂+2Н₃), как известно, протекает в замкнутом объеме без доступа воздуха, что исключает образование окислов азота. При этом в реакционную зону дозированными порциями подается мелкодисперсный углерод (0,05...0,1 мм) в виде кокса или графита. В ходе эндотермической реакции при температуре около 950°С на 12 г кокса расходуется 36 г пара с выходом горячей смеси в виде 44 г углекислого газа и 4 г свободного водорода (без учета коэффициента полноты взаимодействия между компонентами).The process of generating water gas (CO ₂ + 2H ₃ ), as is known, proceeds in a closed volume without access of air, which eliminates the formation of nitrogen oxides. At the same time, finely dispersed carbon (0.05 ... 0.1 mm) in the form of coke or graphite is fed in metered portions into the reaction zone. During the endothermic reaction at a temperature of about 950 ° С, 12 g of coke consumes 36 g of steam with the release of a hot mixture in the form of 44 g of carbon dioxide and 4 g of free hydrogen (without taking into account the coefficient of completeness of interaction between the components).

Нагрев реакционной зоны осуществляется посредством электроэнергии (например - теплоэлектрического нагревателя). Эта электроэнергия составляет около 50% от эффективной электроэнергии, вырабатываемой топливными элементами.The reaction zone is heated by means of electricity (for example, a thermoelectric heater). This electricity makes up about 50% of the effective electricity generated by fuel cells.

В реакционной зоне поддерживается заданное разрежение (менее 0,1 МПа), что в сочетании с оптимальной температурой нагрева 950°С компонентов максимально сдвигает равновесие реакции получения водяного газа вправо, т.е. в сторону образуемых продуктов (СO₂+2Н₂). При этом для дополнительного уменьшения энергозатрат, т.е. обеспечения приемлемого эффективного КПД комплекса химических реакций, производится регенеративный теплообмен (с эффективностью не ниже 90%) между горячим (Т=900°С) водяным газом и холодной (Т=90°С) водой, поступающей из топливных элементов. Таким образом, в ходе указанного теплообмена температура воды на входе в реакционную зону повышается до ~800°С, а температура синтез-газа падает до 200-300°С.In the reaction zone, a predetermined rarefaction is maintained (less than 0.1 MPa), which, in combination with the optimum heating temperature of 950 ° C of the components, maximally shifts the equilibrium of the water gas production reaction to the right, i.e. in the direction of the formed products (CO ₂ + 2H ₂ ). Moreover, to further reduce energy consumption, i.e. To ensure acceptable effective efficiency of the complex of chemical reactions, regenerative heat exchange is performed (with an efficiency of at least 90%) between hot (T = 900 ° C) water gas and cold (T = 90 ° C) water coming from the fuel cells. Thus, during the indicated heat transfer, the temperature of the water at the entrance to the reaction zone rises to ~ 800 ° C, and the temperature of the synthesis gas drops to 200-300 ° C.

В целях увеличения выхода водорода возможна организация двухчетырехкратной рециркуляции смеси: Н₂+СО₂+СО+Н₂О. После достижения максимального содержания H₂ в продуктах реакции водород подвергают сепарации, СО₂ удаляют в атмосферу, а некоторое оставшееся количество СО пропускают через каталитический нейтрализатор.In order to increase the yield of hydrogen, it is possible to organize a four-fold recirculation of the mixture: H ₂ + CO ₂ + CO + H ₂ O. After reaching the maximum content of H ₂ in the reaction products, hydrogen is separated, CO _{2 is} removed into the atmosphere, and some remaining CO is passed through the catalytic neutralizer.

Заправка транспортного средства, в частности автомобиля, обеспечивается как при положительных, так и при отрицательных температурах окружающего воздуха за счет заполнения объема для хранения мелкодисперсного углерода, например посредством его захвата (эжекции) струёй воздуха. Благодаря этому в ходе незначительной модернизации технологических элементов заправки ее инфраструктура в мегаполисах и на дорогах полностью сохраняется.Refueling of a vehicle, in particular a car, is ensured both at positive and negative ambient temperatures due to filling the volume for storing finely dispersed carbon, for example by capturing it (ejection) with an air stream. Due to this, in the course of a minor modernization of the technological elements of refueling, its infrastructure in megacities and on the roads is fully preserved.

Энерготехнологическая цепочка процесса (1)Energy process chain (1)

Комплекс химических реакций по второму варианту объединяет процесс пиролиза полимерного топлива и его последующую двухкратную конверсию при взаимодействии пирогаза и водяного пара с образованием свободного водорода. В результате образуется свободный водород, который направляется в топливные элементы. Указанный комплекс химических реакций в идеальном виде выглядит так:The complex of chemical reactions according to the second option combines the pyrolysis of polymer fuel and its subsequent twofold conversion during the interaction of pyrogas and water vapor with the formation of free hydrogen. As a result, free hydrogen is formed, which is sent to the fuel cells. The indicated complex of chemical reactions in ideal form looks like this:

Реакция б) является каталитической и протекает, например, а присутствии никеля. Пиролиз полимерного топлива осуществляется в первом случае в той же реакционной зоне, где реализуется двухэтапный процесс конверсии продуктов пиролиза, причем каждая из этих реакций производится поочередно. При этом пиролиз по известной схеме происходит в присутствии пара-разбавителя (100-200%). Температура в зоне пиролиза составляет 850-950°С при атмосферном давлении. В результате химических превращений в реакционной зоне формируется пирогаз, состоящий в основном из С₂Н₄, СН₄ и С₃Н₆. Согласно комплексу реакций (2) возможно исключение процесса закалки (ультрабыстрого охлаждения) пирогаза, так как он вновь попадает в высокотемпературную реакционную зону, где далее происходит двухступенчатая конверсия, заключающаяся во взаимодействии продуктов пиролиза и паров воды (первая ступень), в результате чего образуется свободный водород и СО. Вторая ступень предусматривает реакцию СО с водяным паром, в ходе которой формируется дополнительный объем свободного водорода и СO₂. Последняя реакция является общей для первого и второго вариантов и протекает наилучшим образом при температуре 950°С и давлении ниже атмосферного. Пиролиз можно проводить также в условиях, не предусматривающих пароразбавление, т.е. в режиме спровоцированного коксообразования, так как в ходе последующей конверсии пары воды будут активно реагировать со сформировавшимся слоем кокса с образованием СO₂. Таким образом, эта реакция будет идентична реакции а) комплекса (1).Reaction b) is catalytic and proceeds, for example, in the presence of nickel. The pyrolysis of polymer fuel is carried out in the first case in the same reaction zone where the two-stage process of conversion of pyrolysis products is implemented, each of these reactions being carried out in turn. Moreover, the pyrolysis according to the known scheme occurs in the presence of a para-diluent (100-200%). The temperature in the pyrolysis zone is 850-950 ° C at atmospheric pressure. As a result of chemical transformations in the reaction zone, pyrogas is formed, consisting mainly of C ₂ H ₄ , CH ₄ and C ₃ H ₆ . According to the complex of reactions (2), the quenching (ultrafast cooling) of the pyrogas can be excluded, since it again enters the high-temperature reaction zone, where a two-stage conversion then takes place, consisting in the interaction of the pyrolysis products and water vapor (the first stage), as a result of which free hydrogen and CO. The second stage involves the reaction of CO with water vapor, during which an additional volume of free hydrogen and CO _{2 is formed} . The latter reaction is common to the first and second variants and proceeds best at a temperature of 950 ° C and a pressure below atmospheric. Pyrolysis can also be carried out under conditions that do not include steam dilution, i.e. in the mode of provoked coke formation, since during the subsequent conversion, water vapor will actively react with the formed layer of coke with the formation of CO ₂ . Thus, this reaction will be identical to reaction a) of complex (1).

Пиролиз полимерного топлива во втором случае организуется в двух или более реакционных зонах. При этом в одной зоне протекает формирование пирогаза, а в другой - реакция конверсии. После закоксовывания первой реакционной зоны в нее начинают подавать водяной пар, а во вторую зону - пирогаз. Указанные реакции протекают при тех же режимах, что и в первом случае (при наличии общей реакционной зоны).The pyrolysis of polymer fuel in the second case is organized in two or more reaction zones. In this case, the formation of pyrogas proceeds in one zone, and the conversion reaction in the other. After coking of the first reaction zone, water vapor is introduced into it, and pyrogas into the second zone. These reactions proceed under the same conditions as in the first case (in the presence of a common reaction zone).

Кроме того, реакции пиролиза и конверсии могут быть организованы в независимых реакционных зонах. В этом случае подача исходных продуктов в пиролитический и конверсионный реакторы осуществляется непрерывно.In addition, pyrolysis and conversion reactions can be organized in independent reaction zones. In this case, the feed to the pyrolytic and conversion reactors is continuous.

Согласно комплексу (2) энергия для поддержания эндотермических реакций пиролиза и конверсии поступает от топливных элементов, составляя примерно половину вырабатываемой ими электроэнергии.According to complex (2), the energy for maintaining endothermic pyrolysis and conversion reactions comes from fuel cells, accounting for about half of the electricity they generate.

Энерготехнологическая цепочка процесса (2) приведена на схеме 2.The energy-technological chain of the process (2) is shown in diagram 2.

Калорийность полимерного топлива по второму варианту составляет 45000 кДж/кг, что в 1,3 раза больше, чем у кокса (первый вариант). Как в первом, так и во втором варианте вещества, являющиеся топливами, а также в дородосо держащими компонентами, отличаются взрывобезопасностью, дешевизной и, что особенно важно, абсолютной нетоксичностью. Основным признаком, объединяющим первый и второй варианты, является использование в них исходных топлив в твердом агрегатном состоянии, а также присутствие в химических процессах (1) и (2) реакций конверсии (СО+Н₂). Как и в комплексе (1), в комплексе (2) предусматривается очистка СО₂ от примеси СО, что также обеспечивается рециркуляцией нарабатываемых веществ: Н₂+СO₂+Н₂О+СО. Таким образом, заявленные способы газогенерации водорода на борту транспортных средств благодаря автотермичности химических процессов являются перспективными.The caloric content of polymer fuel in the second embodiment is 45,000 kJ / kg, which is 1.3 times more than that of coke (the first option). Both in the first and in the second variant, the substances that are fuels, as well as in the components containing additives, are explosion proof, cheap, and, most importantly, absolutely nontoxic. The main feature combining the first and second options is the use of the initial fuels in them in the solid state of aggregation, as well as the presence of conversion reactions (CO + H ₂ ) in the chemical processes (1) and ( ₂ ). As in complex (1), complex (2) provides for the purification of CO ₂ from CO impurities, which is also provided by recirculation of produced substances: H ₂ + CO ₂ + H ₂ O + CO. Thus, the claimed methods of hydrogen gas generation on board vehicles due to the autothermal nature of chemical processes are promising.

Дозированная подача кокса согласно первому варианту может осуществляться посредством универсального дозирующего устройства, предназначенного для гетерогенных взаимодействий, в которых один из компонентов представляет собой твердое мелкодисперсное вещество. Конструкция этого устройства защищена приоритетной справкой USPTO № 60/389674 от 19 июня 2002 года.The metered supply of coke according to the first embodiment can be carried out by means of a universal metering device designed for heterogeneous interactions, in which one of the components is a solid finely divided substance. The design of this device is protected by USPTO Priority Reference No. 60/389674 of June 19, 2002.

Пример технических характеристик автомобиля с топливными элементами, снабженного системой газогенерации водорода по первому варианту:An example of the technical characteristics of a car with fuel cells equipped with a hydrogen gas generation system according to the first embodiment:

Максимальная мощность электродвигателя 100 кВтMaximum electric motor power 100 kW

Необходимый запас воды 40 лRequired supply of water 40 l

Масса кокса дисперсностью 0,05-0,1 мм 120 кгCoke mass dispersion of 0.05-0.1 mm 120 kg

Масса заправленного автомобиля 1500 кгThe mass of the refueled car is 1500 kg

Масса топливных элементов 100 кгMass of fuel cells 100 kg

Пробег автомобиля 560 км560 km car mileage

Скорость максимальная 200 км/часMaximum speed 200 km / h

Схемы, поясняющие существо первого и второго вариантов.Schemes explaining the essence of the first and second options.

На фигуре 1 изображена принципиальная схема генерации водорода согласно первому варианту. Она содержит элементы заправки, включающие автозаправочную станцию 1, на которой осуществляется долговременное хранение топлива - углерода в виде мелкодисперсного кокса, графита или угля. Заправка автомобилей осуществляется посредством пистолета 2, предназначенного для подачи указанного топлива путем эжекции воздухом. Таким образом, кокс поступает в основную емкость 3 для хранения, которая может быть размещена под задним сиденьем автомобиля. Кокс из емкости 3 при помощи подающего устройства любой конструкции (не показано) направляется в объем для хранения 4, сопряженный с дозатором 5, обеспечивающим заданный секундный расход топлива при поступлении его в реакционную зону 6, где кокс 7 скапливается в придонной части реакционной зоны, примыкающей к подогревателю, выполненному, например, в виде теплоэлектронагревательного элемента 8. В реакционную зону 6 из регенератора 9 подается водяной пар 10 при 700...800°С, которая обеспечивается в процессе регенеративного теплообмена между продуктами реакции 11, которые в идеале состоят из углекислого газа и водорода, и холодной водой 12, поступающей из топливных элементов 13. При выходе из регенератора 9 продукты реакции будут иметь температуру 100...200°С. Для повышения эффективности процесса генерации водорода 14 возможна двух-четырехкратная рециркуляция окиси углерода 15 (в смеси с водяным паром, а также водородом и углекислым газом). Возможна также подача в реакционную зону кислорода (парокислородный процесс, аналогичный парокислородной конверсии по варианту 2).The figure 1 shows a schematic diagram of the generation of hydrogen according to the first embodiment. It contains refueling elements, including a gas station 1, at which long-term storage of fuel is carried out - carbon in the form of fine coke, graphite or coal. Car refueling is carried out by means of a gun 2, designed to supply the specified fuel by ejection with air. Thus, the coke enters the main storage tank 3, which can be placed under the rear seat of the car. Coke from the tank 3 using a feeding device of any design (not shown) is sent to the storage volume 4, coupled with a dispenser 5, providing a predetermined second fuel consumption when it enters the reaction zone 6, where coke 7 accumulates in the bottom part of the reaction zone adjacent to to the heater, made, for example, in the form of a heat-electric heating element 8. Water vapor 10 is supplied to the reaction zone 6 from the regenerator 9 at 700 ... 800 ° C, which is provided during the regenerative heat exchange between the product 11 s reaction, which ideally consists of carbon dioxide and hydrogen, and the cold water 12 supplied from the fuel cell 13. Upon exiting the regenerator 9, the reaction products will have a temperature of 100 ... 200 ° C. To increase the efficiency of the hydrogen generation process 14, two to four times the recycling of carbon monoxide 15 is possible (in a mixture with water vapor, as well as hydrogen and carbon dioxide). It is also possible to supply oxygen to the reaction zone (a steam-oxygen process similar to steam-oxygen conversion according to embodiment 2).

Продукты реакции 11 по выходе из регенератора 9 поступают в сепаратор 16, например, выполненный в виде емкости с водой, растворяющей углекислый газ и отделяющей его таким образом от водорода. Углекислый газ 17 удаляется в атмосферу, а водород 14 после прохождения фильтра 18 подается в топливные элементы 13, которые обеспечивают энергией электропривод 19 и блок питания 20 теплоэлектронагревательного элемента 8.The reaction products 11 at the outlet of the regenerator 9 enter the separator 16, for example, made in the form of a tank with water, dissolving carbon dioxide and thus separating it from hydrogen. Carbon dioxide 17 is removed into the atmosphere, and hydrogen 14, after passing through the filter 18, is supplied to the fuel cells 13, which provide energy to the electric drive 19 and the power supply unit 20 of the heat-electric heating element 8.

На фигуре 2 изображена принципиальная схема генерации водорода согласно второму варианту. В качестве исходного топлива используется полимер, например полиэтилен, который имеет заданную геометрическую форму. Кассета 21 с полиэтиленовой лентой 22 снабжена зубчатым дозатором 23, зубья которого сопрягаются с перфорацией ленты 22. Лента 22 выходит из кассеты 21 с заданной скоростью и измельчается резаками 24. Получаемые полоски ленты 22 попадают в бункер шнекового устройства 25, обеспечивающего подачу полиэтилена в термопластичном состоянии в деструктор 26, из которого тяжелая летучая углеводородная фракция при температуре 500...600°С поступает в объем пиролитического реактора 27, подогрев которого обеспечивается, например теплоэлектронагревателем 28. Температура в пиролитическом реакторе 27 составляет примерно 900°С. В реакторе 27 образуются пирогаз 29, состоящий в основном из газообразных углеводородов С₂Н₄, CH₄ и С₃Н₆. Пирогаз 29 не подвергается процессу закалки, а в горячем состоянии направляется в конверсионный реактор 30, который соединен последовательно с пиролитическим реактором 27. В этом случае подача исходных продуктов в пиролитический 27 и конверсионный 30 реакторы осуществляется непрерывно.The figure 2 shows a schematic diagram of the generation of hydrogen according to the second embodiment. As the initial fuel, a polymer is used, for example polyethylene, which has a given geometric shape. The cassette 21 with a plastic tape 22 is equipped with a gear dispenser 23, the teeth of which are mated with the perforation of the tape 22. The tape 22 leaves the cassette 21 at a given speed and is crushed by the cutters 24. The resulting strips of tape 22 fall into the hopper of the screw device 25, which supplies polyethylene in a thermoplastic state to the destructor 26, from which the heavy volatile hydrocarbon fraction at a temperature of 500 ... 600 ° C enters the volume of the pyrolytic reactor 27, the heating of which is provided, for example, by a heat electric heater 28. Tempe Atur a pyrolytic reactor 27 is about 900 ° C. Pyrogas 29 is formed in reactor 27, consisting mainly of gaseous hydrocarbons C ₂ H ₄ , CH ₄ and C ₃ H ₆ . Pyrogas 29 is not subjected to a hardening process, but in a hot state it is sent to a conversion reactor 30, which is connected in series with the pyrolytic reactor 27. In this case, the feedstock is fed continuously to the pyrolytic 27 and conversion 30 reactors.

Для повышения выхода водорода возможно применение рециркуляции продуктов конверсии (реактор 30), а также организация парокислородной конверсии.To increase the yield of hydrogen, it is possible to use the recycling of conversion products (reactor 30), as well as the organization of steam-oxygen conversion.

Дальнейшие ступени процесса по второму варианту (в регенераторе 9, сепараторе 16, фильтре 18) с подачей водорода 14 в топливные элементы 13, которые питают электропривод 19 и блок питания 20, обеспечивающий электронагревом пиролитический 27 и конверсионный 30 реакторы, аналогичны ступеням процесса, протекающего по первому варианту.Further stages of the process according to the second option (in the regenerator 9, separator 16, filter 18) with the supply of hydrogen 14 to the fuel cells 13, which feed the electric drive 19 and the power supply unit 20, which electrically heats the pyrolytic 27 and conversion 30 reactors, are similar to the stages of the process proceeding according to the first option.

Claims

1. The method of hydrogen gas generation on board a vehicle with fuel cells, including the process of interaction of fuel with water vapor, with the intermediate formation of carbon monoxide, the process of generating electrical energy in a fuel cell during the direct conversion of the chemical energy of hydrogen oxidation by oxygen into electrical energy, with the direction of a part of the energy generated by fuel cells for the implementation of the process of gas generation of hydrogen, and using water generated as fuel steam distinct elements, characterized in that carbon is used as fuel, water generated by fuel elements is transferred to the vapor phase due to regenerative heat exchange between the gas generation product — water gas and water, and the mixture of hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and water vapor obtained in the reaction zone, subjected to two to four times recirculation.

2. The method of gas generation according to claim 1, characterized in that the loading of finely dispersed carbon on board the vehicle is carried out by capturing carbon with an air stream.

3. A method of hydrogen gas generation on board a vehicle with fuel cells, including a two-stage conversion process - the interaction of hydrocarbon fuel with water vapor, with the intermediate formation of carbon monoxide, the process of generating electrical energy in a fuel cell during the direct conversion of the chemical energy of the oxidation of hydrogen by oxygen to electric, with the direction of part of the energy generated by the fuel cells for the implementation of the conversion process, and use as dropsy water vapor generated by the fuel cells, with the conversion of water generated in the fuel cells to the vapor phase due to heat recovery of the conversion products, characterized in that a mixture of saturated and unsaturated hydrocarbons that are formed during the pyrolysis of the starting polymer is used as hydrocarbon fuel , a mixture of hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and water vapor obtained in the reaction zone is subjected to two to four times recycling, and the complex of chemical reactions is carried out either in one th reaction zone while preventing its coking due to the sequential organization of the pyrolysis and conversion processes, either in at least two reaction zones, and preventing their coking due to the sequential organization of the pyrolysis and conversion processes in the corresponding reaction zones, or at least in two independent reaction zones , in one of which pyrolysis of the initial polymer fuel proceeds, and in the other, a two-stage reaction of conversion of pyrolysis products.