[go: up one dir, main page]

RU2803548C1 - Power plant - Google Patents

Power plant Download PDF

Info

Publication number
RU2803548C1
RU2803548C1 RU2023107036A RU2023107036A RU2803548C1 RU 2803548 C1 RU2803548 C1 RU 2803548C1 RU 2023107036 A RU2023107036 A RU 2023107036A RU 2023107036 A RU2023107036 A RU 2023107036A RU 2803548 C1 RU2803548 C1 RU 2803548C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
ammonia
heat exchanger
combustion engine
Prior art date
Application number
RU2023107036A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Александрович Новиков
Петр Платонович Ощепков
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы" (РУДН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы" (РУДН) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы" (РУДН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2803548C1 publication Critical patent/RU2803548C1/en

Links

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: plants for the generation of thermal and electrical energy. The power plant consists of an internal combustion engine (ICE) (8) connected to an electric generator (9), a controller (6), at least one storage battery (7). The ICE exhaust gas system (8) includes a heat exchanger (11) connected through a pump (13) to an ammonia tank (14) and configured to evaporate ammonia. The heat exchanger (11) includes a section (12) for the catalytic decomposition of ammonia into hydrogen and nitrogen, additionally including an electric heater. The heat exchanger (11) is connected to a membrane filter (10) for separating nitrogen and hydrogen, which includes a valve for removing nitrogen to the atmosphere. The membrane filter (10) is connected by a hydrogen supply line to the ICE (8) and the anode (1) of a molten carbonate fuel cell. The cathode (3) of the fuel cell is connected to sources (4, 5) of carbon dioxide and oxygen. The fuel cell is connected through the controller (6) to at least one storage battery (7).
EFFECT: increasing the efficiency of the installation by increasing the efficiency of hydrogen use.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к установкам выработки тепловой и электрической энергий.The invention relates to power engineering, namely to installations for generating thermal and electrical energy.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является система питания двигателя внутреннего сгорания водородным топливом на основе аммиака (патент на изобретение РФ № 2778415, опубл. 18.08.2022г.), которая содержит топливный бак с жидким аммиаком, соединенный с испарителем. Устройство каталитического разложения, установленное в выпускной трубопровод ДВС, состоит из датчиков температуры, установленных в секцию с подводом тепла от отработавших газов и секцию с подводом тепла от встроенного электронагревателя, последовательно соединенных с охладителем азотно-водородной смеси и электромагнитной форсункой, установленной во впускной трубопровод и соединенной с блоком управления. Между испарителем и устройством каталитического разложения установлен первичный управляемый редуктор. Между охладителем азотно-водородной смеси и электромагнитной форсункой установлен вторичный управляемый редуктор, соединенный трубопроводом с устройством повышения концентрации водорода в топливе, содержащим мембранный фильтр, разделяющий исходное топливо на горючий компонент водород и негорючий азот, и сбросной клапан, обеспечивающий отведение негорючих компонентов.The closest to the claimed technical solution is the system for powering an internal combustion engine with hydrogen fuel based on ammonia (RF patent for invention No. 2778415, published on August 18, 2022), which contains a fuel tank with liquid ammonia connected to an evaporator. The catalytic decomposition device installed in the exhaust pipe of the internal combustion engine consists of temperature sensors installed in a section with heat supplied from the exhaust gases and a section with heat supplied from a built-in electric heater, connected in series with a nitrogen-hydrogen mixture cooler and an electromagnetic injector installed in the intake pipe and connected to the control unit. A primary controlled gearbox is installed between the evaporator and the catalytic decomposition device. Between the cooler of the nitrogen-hydrogen mixture and the electromagnetic injector there is a secondary controlled gearbox connected by a pipeline to a device for increasing the concentration of hydrogen in the fuel, containing a membrane filter that separates the original fuel into the flammable component hydrogen and non-flammable nitrogen, and a relief valve that ensures the removal of non-flammable components.

К недостаткам наиболее близкого аналога относятся низкий КПД установки в составе ДВС.The disadvantages of the closest analogue include the low efficiency of the installation as part of the internal combustion engine.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.The problem to be solved by the claimed invention is the elimination of these disadvantages of the closest analogue.

Технический результат заключается в увеличении КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода.The technical result is to increase the efficiency of the installation by increasing the efficiency of hydrogen use.

Технический результат достигается энергетической установкой, состоящей из двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающего систему подачи углеродсодержащего топлива в камеру сгорания, систему выпуска отработанных газов, включающую теплообменник, соединенный линией подачи аммиака через насос с баком аммиака и выполненный с возможностью испарения аммиака, кроме того теплообменник включает секцию каталитического разложения аммиака на водород и азот, дополнительно включающую электроподогреватель, один из выходов теплообменника соединен с мембранным фильтром отделения азота и водорода, включающим клапан отвода азота в атмосферу, при этом дополнительно включает топливный элемент на основе расплавов карбонатов, ДВС соединен с электрогенератором, который через контроллер соединен с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей, с которой также соединен электроподогреватель, мембранный фильтр линией подачи водорода соединен с впускным коллектором ДВС и анодом топливного элемента на основе расплавов карбонатов, а катод указанного топливного элемента соединен с источником диоксида углерода и источником кислорода, при этом топливный элемент на основе расплавов карбонатов соединен через контроллер с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей.The technical result is achieved by a power plant consisting of an internal combustion engine (ICE), including a system for supplying carbon-containing fuel to the combustion chamber, an exhaust gas exhaust system, including a heat exchanger connected by an ammonia supply line through a pump to an ammonia tank and configured to evaporate ammonia, in addition the heat exchanger includes a section for the catalytic decomposition of ammonia into hydrogen and nitrogen, additionally including an electric heater, one of the heat exchanger outputs is connected to a membrane filter for separating nitrogen and hydrogen, including a valve for removing nitrogen to the atmosphere, and additionally includes a fuel element based on carbonate melts, the internal combustion engine is connected to an electric generator , which is connected through a controller to at least one battery, to which an electric heater is also connected, a membrane filter via a hydrogen supply line is connected to the intake manifold of the internal combustion engine and the anode of a fuel cell based on molten carbonates, and the cathode of said fuel cell is connected to a source of carbon dioxide and a source oxygen, wherein the fuel cell based on molten carbonates is connected through a controller to at least one battery.

На фигуре представлена схема энергетической установки.The figure shows a diagram of the power plant.

1 - анод топливного элемента на основе расплавов карбонатов;1 - fuel cell anode based on carbonate melts;

2 - расплавленный карбонатный электролит;2 - molten carbonate electrolyte;

3 - катод топливного элемента на основе расплавов карбонатов;3 - cathode of a fuel cell based on carbonate melts;

4 - источник диоксида углерода;4 - source of carbon dioxide;

5 - источник кислорода;5 - oxygen source;

6 - контроллер управления энергетической установкой;6 - power plant control controller;

7 - по меньшей мере одна аккумуляторная батарея;7 - at least one battery;

8 - двигатель внутреннего сгорания;8 - internal combustion engine;

9 - электрогенератор;9 - electric generator;

10 - мембранный фильтр отделения азота и водорода;10 - membrane filter for separating nitrogen and hydrogen;

11 - теплообменник;11 - heat exchanger;

12 - секция каталитического разложения аммиака на водород и азот;12 - section for the catalytic decomposition of ammonia into hydrogen and nitrogen;

13 - насос аммиака;13 - ammonia pump;

14 - бак аммиака.14 - ammonia tank.

Энергетическая установка является гибридной и состоит из двигателя (8) внутреннего сгорания (ДВС), включающего систему подачи углеродсодержащего топлива в камеру сгорания, систему выпуска отработанных газов. ДВС (8) соединен с электрогенератором (9), который через контроллер (6) управления энергетической установкой соединен с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7). Система выпуска отработанных газов ДВС (8) включает теплообменник (11), соединенный линией подачи аммиака через насос (13) с баком (14) аммиака. Теплообменник выполнен с возможностью испарения аммиака за счет его нагрева от отработанных газов ДВС (8). Теплообменник (11) включает секцию (12) каталитического разложения аммиака на водород и азот, включающую соответственно катализатор, например, на основе никеля, а также дополнительно включающую электроподогреватель, соединенный с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7). Один из выходов теплообменника (11) соединен с мембранным фильтром (10) отделения азота и водорода, включающим клапан отвода излишков азота в атмосферу. Мембранный фильтр (10) линией подачи водорода соединен с впускным коллектором ДВС (8) для дальнейшего его сжигания в камерах сгорания ДВС (8) и анодом (1) топливного элемента на основе расплавов карбонатов, что увеличивает КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода, а именно за счет использования его в топливным элементе. Катод (3) указанного топливного элемента соединен с источником (4) диоксида углерода и источником (5) кислорода, которые могут представлять собой, например, баллоны с диоксидом углерода и кислорода, или любые из известных установок получения диоксида углерода и кислорода из воздуха. Топливный элемент на основе расплавов карбонатов соединен через контроллер (6) с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7), которую соединяют напрямую или через контроллер (6) с потребителем энергии, что обеспечивает повышение эффективности работы установки за счет возможности накопления выработанной энергии на переменных режимах работы конечного потребителя энергии. Участок трубопровода подачи водорода из мембранного фильтра (10) в ДВС и участок трубопровода подачи водорода из мембранного фильтра (10) в топливный элемент на основе расплавов карбонатов предпочтительно выполнять одинаковой длины для обеспечения равномерной подачи водорода в ДВС и топливный элемент, что также дополнительно обеспечивает повышение КПД установки. Кроме того, дополнительно указанные выше участки трубопровода подачи водорода из мембранного фильтра (10) в ДВС и в топливный элемент предпочтительно выполнять с управляемыми клапанами (не показаны), которые соединены с контроллером (6) управления энергетической установкой, выполненным с возможность регулирования подачи водорода в ДВС и топливный элемент, что дополнительно обеспечивает увеличение КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода. Также топливный элемент на основе расплавов карбонатов дополнительно содержит электроподогреватель, соединенный с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (7) через контроллер (6) управления энергетической установкой, что обеспечивает повышение скорости выхода топливного элемента на рабочий температурный режим в 650°С после простоя и таким образом обеспечивается повышение эффективности использования водорода, так как топливный элемент включается в работу раньше.The power plant is a hybrid and consists of an internal combustion engine (8), including a system for supplying carbon-containing fuel to the combustion chamber and an exhaust gas exhaust system. The internal combustion engine (8) is connected to an electric generator (9), which, through a power plant control controller (6), is connected to at least one battery (7). The internal combustion engine exhaust gas system (8) includes a heat exchanger (11) connected by an ammonia supply line through a pump (13) to an ammonia tank (14). The heat exchanger is configured to evaporate ammonia due to its heating from the exhaust gases of the internal combustion engine (8). The heat exchanger (11) includes a section (12) for the catalytic decomposition of ammonia into hydrogen and nitrogen, which respectively includes a catalyst, for example, based on nickel, and also additionally includes an electric heater connected to at least one battery (7). One of the heat exchanger outputs (11) is connected to a membrane filter (10) for separating nitrogen and hydrogen, which includes a valve for removing excess nitrogen into the atmosphere. The membrane filter (10) is connected by a hydrogen supply line to the intake manifold of the internal combustion engine (8) for its further combustion in the combustion chambers of the internal combustion engine (8) and the anode (1) of the fuel cell based on carbonate melts, which increases the efficiency of the installation by increasing the efficiency of hydrogen use, namely through its use in a fuel cell. The cathode (3) of the specified fuel cell is connected to a source (4) of carbon dioxide and a source (5) of oxygen, which can be, for example, cylinders with carbon dioxide and oxygen, or any of the known installations for producing carbon dioxide and oxygen from air. A fuel cell based on molten carbonates is connected through a controller (6) with at least one battery (7), which is connected directly or through a controller (6) to an energy consumer, which improves the efficiency of the installation due to the possibility of accumulating generated energy on variables operating modes of the final energy consumer. The section of the pipeline for supplying hydrogen from the membrane filter (10) to the internal combustion engine and the section of the pipeline for supplying hydrogen from the membrane filter (10) to the fuel cell based on molten carbonates are preferably of the same length to ensure uniform supply of hydrogen to the internal combustion engine and the fuel element, which also additionally ensures increased Installation efficiency. In addition, the additional sections of the hydrogen supply pipeline indicated above from the membrane filter (10) to the internal combustion engine and to the fuel cell are preferably made with controlled valves (not shown), which are connected to the power plant control controller (6), configured to regulate the supply of hydrogen to An internal combustion engine and a fuel cell, which additionally ensures an increase in the efficiency of the installation due to increased efficiency in the use of hydrogen. Also, a fuel cell based on molten carbonates additionally contains an electric heater connected to at least one battery (7) through a power plant control controller (6), which increases the rate at which the fuel cell reaches an operating temperature of 650°C after idle time, and so This ensures an increase in the efficiency of hydrogen use, since the fuel cell is switched on earlier.

Энергетическая установка работает следующим образом.The power plant works as follows.

Из бака (14) аммиака насосом (13) аммиак подается в теплообменник (11), где он испаряется за счет нагрева от отработавших газов, поступающих из ДВС (8). Далее в секции (12) каталитического разложения аммиака в присутствии катализатора, например, никелевого при температуре 800°С происходит разложение на водород и азот. Указанная температура в секции (12) каталитического разложения поддерживается за счет работы дополнительного электроподогревателя, запитанного от по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (7) напрямую или через контроллер (6). Далее смесь газов водорода и азота поступает в мембранный фильтр (10) отделения азота и водорода, на котором азот через клапан отводится в атмосферу. Водород из мембранного фильтра (10) подают во впускной коллектор ДВС (8) для дальнейшего его сжигания в камере сгорания как совместно с углеродсодержащим топливом, поступающим по системе подачи углеродсодержащего топлива, так и без углеродсодержащего топлива. ДВС (8) приводит во вращение электрогенератор (9), электрическая энергия от которого подается к по меньшей мере одной аккумуляторной батарее через контроллер (6), при этом использование по меньшей мере частично водорода в ДВС (8) дополнительно позволяет повысить безопасность установки за счет предотвращения накапливания водорода в установке повышением использования полученного водорода. Также из мембранного фильтра (10) водород подают к аноду (1) топливного элемента на основе расплавов карбонатов, что увеличивает КПД установки за счет повышения эффективности использования водорода, а именно за счет использования его в топливным элементе, при этом к катоду (3) топливного элемента подают кислород и диоксид углерода от источников диоксида углерода (4) и кислорода (5), которые могут быть, например, баллоны с диоксидом углерода и кислородом или любые из известных установок получения диоксида углерода и кислорода из воздуха. Выработанная топливным элементом электрическая энергия подается на по меньшей мере одну аккумуляторную батарею (7) через контроллер (6), что обеспечивает повышение эффективности работы установки за счет возможности накопления выработанной энергии на переменных режимах работы конечного потребителя энергии. Запасенная по меньшей мере одной аккумуляторной батареей энергия подается к потребителям электрической энергии.From the ammonia tank (14), the pump (13) supplies ammonia to the heat exchanger (11), where it evaporates due to heating from the exhaust gases coming from the internal combustion engine (8). Next, in section (12) of the catalytic decomposition of ammonia in the presence of a catalyst, for example, nickel at a temperature of 800°C, decomposition into hydrogen and nitrogen occurs. The specified temperature in the catalytic decomposition section (12) is maintained through the operation of an additional electric heater powered from at least one battery (7) directly or through the controller (6). Next, the mixture of hydrogen and nitrogen gases enters the membrane filter (10) for separating nitrogen and hydrogen, where the nitrogen is released into the atmosphere through a valve. Hydrogen from the membrane filter (10) is supplied to the intake manifold of the internal combustion engine (8) for further combustion in the combustion chamber, both together with carbon-containing fuel supplied through the carbon-containing fuel supply system, and without carbon-containing fuel. The internal combustion engine (8) rotates the electric generator (9), electrical energy from which is supplied to at least one battery through the controller (6), while the use of at least partially hydrogen in the internal combustion engine (8) further improves the safety of the installation due to preventing the accumulation of hydrogen in the installation by increasing the use of the produced hydrogen. Also, from the membrane filter (10), hydrogen is supplied to the anode (1) of the fuel cell based on molten carbonates, which increases the efficiency of the installation by increasing the efficiency of using hydrogen, namely by using it in the fuel cell, while to the cathode (3) of the fuel The element is supplied with oxygen and carbon dioxide from sources of carbon dioxide (4) and oxygen (5), which can be, for example, cylinders with carbon dioxide and oxygen or any of the known installations for producing carbon dioxide and oxygen from air. The electrical energy generated by the fuel cell is supplied to at least one storage battery (7) through a controller (6), which improves the efficiency of the installation due to the possibility of accumulating the generated energy in variable operating modes of the final energy consumer. The energy stored by at least one battery is supplied to electrical energy consumers.

Claims (1)

Энергетическая установка, состоящая из двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающего систему подачи углеродсодержащего топлива в камеру сгорания, систему выпуска отработанных газов, включающую теплообменник, соединенный линией подачи аммиака через насос с баком аммиака и выполненный с возможностью испарения аммиака, кроме того, теплообменник включает секцию каталитического разложения аммиака на водород и азот, дополнительно включающую электроподогреватель, один из выходов теплообменника соединен с мембранным фильтром отделения азота и водорода, включающим клапан отвода азота в атмосферу, отличающаяся тем, что дополнительно включает топливный элемент на основе расплавов карбонатов, ДВС соединен с электрогенератором, который через контроллер соединен с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей, с которой также соединен электроподогреватель, мембранный фильтр линией подачи водорода соединен с впускным коллектором ДВС и анодом топливного элемента на основе расплавов карбонатов, а катод указанного топливного элемента соединен с источником диоксида углерода и источником кислорода, при этом топливный элемент на основе расплавов карбонатов соединен через контроллер с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей.A power plant consisting of an internal combustion engine (ICE), including a system for supplying carbon-containing fuel to the combustion chamber, an exhaust gas exhaust system, including a heat exchanger connected by an ammonia supply line through a pump to an ammonia tank and configured to evaporate ammonia, in addition, the heat exchanger includes section for the catalytic decomposition of ammonia into hydrogen and nitrogen, additionally including an electric heater, one of the heat exchanger outputs is connected to a membrane filter for separating nitrogen and hydrogen, including a valve for removing nitrogen to the atmosphere, characterized in that it additionally includes a fuel element based on carbonate melts, the internal combustion engine is connected to an electric generator , which is connected through a controller to at least one battery, to which an electric heater is also connected, a membrane filter via a hydrogen supply line is connected to the intake manifold of the internal combustion engine and the anode of a fuel cell based on molten carbonates, and the cathode of said fuel cell is connected to a source of carbon dioxide and a source oxygen, wherein the fuel cell based on molten carbonates is connected through a controller to at least one battery.
RU2023107036A 2023-03-24 Power plant RU2803548C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2803548C1 true RU2803548C1 (en) 2023-09-15

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2822123C1 (en) * 2024-01-17 2024-07-01 Владислав Владимирович Кравчук Standby source of electric and heat energy

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2168807C1 (en) * 2000-11-29 2001-06-10 Аквариус Текнолоджиз Лимитед Fuel cell
US20070248851A1 (en) * 2006-04-24 2007-10-25 Andrew Paul Wallace Fuel cell power system having dock-type device, and technique for controlling and/or operating same
RU2679330C1 (en) * 2017-12-01 2019-02-07 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Biomass waste gasification based energy system
RU2778415C1 (en) * 2021-06-15 2022-08-18 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" System for feeding ammonia-based hydrogen fuel to an internal combustion engine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2168807C1 (en) * 2000-11-29 2001-06-10 Аквариус Текнолоджиз Лимитед Fuel cell
US20070248851A1 (en) * 2006-04-24 2007-10-25 Andrew Paul Wallace Fuel cell power system having dock-type device, and technique for controlling and/or operating same
RU2679330C1 (en) * 2017-12-01 2019-02-07 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Biomass waste gasification based energy system
RU2778415C1 (en) * 2021-06-15 2022-08-18 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" System for feeding ammonia-based hydrogen fuel to an internal combustion engine

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2822123C1 (en) * 2024-01-17 2024-07-01 Владислав Владимирович Кравчук Standby source of electric and heat energy
RU2851236C2 (en) * 2024-05-03 2025-11-21 Андрей Валерьевич Шеленин Hybrid vehicle

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11149662B2 (en) Zero emission propulsion systems and generator sets using ammonia as fuel
WO2020095467A1 (en) Hydrogen gas production device
MXPA04009982A (en) Water combustion technology-methods, processes, systems and apparatus for the combustion of hydrogen and oxygen.
CA2368508A1 (en) Hydrogen generating apparatus and components therefor
RU2007120220A (en) GAS REDUCTION VALVE AND SYSTEM OF PRODUCTION AND MANAGEMENT OF ENERGY, INCLUDING GAS REDUCTION VALVE
US20110210008A1 (en) Hydrogen carburetor for generating hydrogen to run an internal combustion engine and method thereof
KR101355047B1 (en) Fuel cell device
KR20140001633A (en) Urea hydrolysis apparatus using fuel cell and selective catalytic reuction system with the same
JP2008180131A (en) Composite power generation facility
WO2017000626A1 (en) Self-contained hydrogen fuel cell system and operation method thereof
RU2007138627A (en) AIRCRAFT SYSTEM
RU2417487C1 (en) Power plant with electrochemical generator based on hydrogen-oxygen fuel elements and method of its operation
CN114687873A (en) Fuel supply method, device and system for methanol engine
RU2803548C1 (en) Power plant
KR20070045355A (en) Fuel cell system
CN117307107A (en) Recycling system and recycling method
KR102254370B1 (en) Fuel cell power generation system for greenhouse
JP2955274B1 (en) Hydrogen engine system
RU2247446C2 (en) Method and device for servicing electrical installation built around electrochemical generator
RU2290724C2 (en) Electrochemical generator
EA009651B1 (en) Method and apparatus for converting mixture of water and ethanol into fuel
SU1321872A1 (en) Power plant
RU218897U1 (en) hybrid vehicle
RU65044U1 (en) BIOENERGOKOMPLEKS
CN119467154B (en) Liquid ammonia-hydrogen-electricity hybrid engine system and working method thereof