1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 8, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 8, стр. 75-85

Риформинг углеводородного топлива в электрохимических системах (обзор)

А. А. Филимонова a, *, А. А. Чичиров a, Н. Д. Чичирова a, А. В. Печенкин a

a Казанский государственный энергетический университет
420066 г. Казань, Красносельская ул., д. 51, Россия

* E-mail: aachichirova@mail.ru

Поступила в редакцию 24.11.2022
После доработки 23.01.2023
Принята к публикации 01.03.2023

Аннотация

Представлен обзор конструкций и принципов работы систем преобразования углеводородного топлива в синтез-газ в целях получения из него энергии в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ). В большинстве систем ТОТЭ в качестве топлива используются метан или метансодержащие смеси (биогаз, природный газ, отходы промышленных, нефтехимических производств и др.) в связи с их доступностью и простотой в обращении в отличие от водорода. Подсистема переработки топлива составляет около 50% всей электрохимической энергетической установки. В топливных элементах происходит рециркуляция вырабатываемого тепла, которое требуется для риформинга метана. В анодном отсеке топливного элемента либо во внешнем парогенераторе, в котором используется тепло выходящих из топливного элемента газов, производится пар, необходимый для переработки углеводородного топлива. Применяемыми методами являются паровой риформинг, парциальное окисление метана, углекислотная конверсия метана и автотермический риформинг. Паровой риформинг – наиболее изученный и часто применяемый метод. Внешний риформинг используется для преобразования сложных видов углеводородного топлива. Для метана или природного газа, как правило, достаточно внутреннего риформинга с учетом поддержания коэффициента рециркуляции топлива, мольных соотношений пара к углероду и углерода к кислороду. При сравнении существующих способов получения синтез-газа для ТОТЭ максимальный расход пара и наибольшая эффективность процесса отмечаются при паровом риформинге. Парциальное окисление метана является небезопасным процессом вследствие использования чистого кислорода. Углекислотная конверсия метана, несмотря на низкую эффективность, позволяет утилизировать углекислый газ и способствует дополнительной декарбонизации процесса. Автотермический риформинг сочетает преимущества парового риформинга и парциального окисления метана, но имеет сложное исполнение.

Ключевые слова: твердооксидный топливный элемент, риформинг метана, углеводородное топливо, водородная энергетика, парциальное окисление метана, углекислотная конверсия метана, электрохимическая конверсия

Список литературы

  1. A critical review on global trends in biogas scenario with its up-gradation techniques for fuel cell and future perspectives / Devaraj Thiruselvi, Anil Kumar Madhava, Ponnusamy Senthil Kumar, Chyi-How Lay // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. No. 31. P. 16734–16750. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.023

  2. Nakashi̇ma R.N., De Oli̇vei̇ra S. Thermodynamic evaluation of solid oxide fuel cells converting biogas into hydrogen and electricity // Int. J. Therm. Sci. 2021. V. 24. No. 3. P. 204–214. https://doi.org/10.5541/ijot.877847

  3. Liu J., Ryu J.-H. Combined heat, hydrogen and power production from seaweed biogas-fueled solid oxide fuel cell (SOFC) system // Chem. Eng. Trans. 2020. V. 80. P. 163–168. https://doi.org/10.3303/CET2080028

  4. Седнин В.А., Чичко А.А. Оценка значимости влияния термодинамических факторов на эффективность работы твердооксидных топливных элементов // Изв. вузов и энергетических объединений СНГ. Энергетика. 2015. № 6. С. 87–97.

  5. Advances in reforming and partial oxidation of hydrocarbons for hydrogen production and fuel cell applications / S. Sengodan, J. Humphreys, R. Lan, D. Du // Renewable Sustainable Energy Rev. 2018. V. 82. No. 1. P. 761–780. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.071

  6. Nirmal Kumar S., Appari S., Kuncharam B.V.R. Techniques for overcoming sulfur poisoning of catalyst employed in hydrocarbon reforming // Catalysis Surveys Asia. 2021. V. 25. No. 4. P. 1–27. https://doi.org/10.1007/s10563-021-09340-w

  7. Fundamentals of electro- and thermochemistry in the anode of solid-oxide fuel cells with hydrocarbon and syngas fuels / J. Hanna, S. Yixiang, A. Ghoniem, W.Y. Lee // Prog. Energy Combust. Sci. 2014. V. 40. No. 1. P. 74–111. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2013.10.001

  8. Hybrid solid oxide fuel cells-gas turbine systems for combined heat and power: A review / A. Buonomano, F. Calise, M. Dentice, A. Palombo // Appl. Energy. 2015. V. 156. P. 32–85. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.06.027

  9. Internal conversion in the мembrane-supported SOFC / A.V. Samoilov, D.A. Agarkov, Yu.S. Fedotov, S.I. Bredikhin // ECS Transactions. 2021. V. 3. No. 1. P. 211–219. https://doi.org/10.1149/MA2021-03133mtgabs

  10. Choudhury A., Chandra H., Arora A. Application of solid oxide fuel cell technology for power generation: A review // Renewable Sustainable Energy Rev. 2013. V. 20. P. 430–442. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.11.031

  11. Control of oxygen-to-carbon ratio and fuel utilization with regard to solid oxide fuel cell systems with anode exhaust gas recirculation: A review / F. Schäfer, S. Egger, D. Steiner, M. Carré, Rüdiger-A Eichel // J. Power Sources. 2022. V. 524. P. 231077. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231077

  12. Advances on methane reforming in solid oxide fuel cells / L. Fan, C. Li, L. van Biert, S.-H. Zhou, A.N. Tabish, A. Mokhov, P.V. Aravind, W. Cai // Renewable Sustainable Energy Rev. 2022. V. 166. P. 112646. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112646

  13. Observer designs for fuel processing reactors in fuel cel power systems / H. Gorgun, M. Arcak, S. Varigonda, S. Bortoff // Int. J. Hydrogen Energy. 2005. V. 30. No. 4. P. 447–457. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2004.10.024

  14. Lyu Z., Han M. Optimization of anode off-gas recycle ratio for a natural gas-fueled 1 kW SOFC CHP System // ECS Transactions. 2019. V. 91. No. 1. P. 1591–1600. https://doi.org/10.1149/09101.1591ecst

  15. Liese E.A., Gemmen R.S. Performance comparison of internal reforming against external reforming in a solid oxide fuel cell, gas turbine hybrid system // J. Eng. Gas Turbines Power. 2005. V. 127. No. 1. P. 86–90. https://doi.org/10.1115/1.1788689

  16. Study on the reaction pathways of steam methane reforming for H2 production / Lei Cai, Tianzhi He, Yanlei Xiang, Yanwen Guan // Energy. 2020. V. 207. P. 118296. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118296

  17. Hendriksen P. A mathematical model for internal reforming at composite anodes for solid oxide fuel cells // Proc. of the 5th Intern Symp. on Solid Oxide Fuel Cells (SOFC-V). Aachen, Germany, 2–5 June 1997. P. 1319–1328

  18. Internal steam reforming in solid oxide fuel cells: Status and opportunities of kinetic studies and their impact on modelling / D. Mogensen, J.-D. Grunwaldt, P.V. Hendriksen, K. Dam-Johansen, J.U. Nielsen // J. Power Sources. 2011. V. 196. No. 1. P. 25–38. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.06.091

  19. Самойлов А.В., Кириллов В.А., Бредихин С.И. Риформер для энергоустановки на базе твердооксидных топливных элементов // Сб. трудов VI Всерос. конф. “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”. Черноголовка, 2019. С. 58–59.

  20. Живулько С.А., Аваков В.Б., Ландграф И.К. Некоторые особенности проектирования и отработки моноблочного конвертора углеводородного топлива с отбором водорода из зоны реакции // Сб. трудов VI Всерос. конф. “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”. Черноголовка, 2019. С. 52–54.

  21. Steady-state kinetics and mechanism of methane reforming with steam and carbon dioxide over Ni catalyst / A.K. Avetisov, J.R. Rostrup-Nielsen, V.L. Kuchaev, J.‑H. Bak Hansen, A.G. Zyskin, E.N. Shapatina // J. Mol. Catal. A. Chemical. 2010. V. 315. No. 2. P. 155–162. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2009.06.013

  22. Fuel cell handbook (seventh edition) / U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy National Energy Technology Laboratory. Morgantown, West Virginia, 2004. 26507-0880.

  23. Sehested J. Four challenges for nickel steam-reforming catalysts // Catal. Today. 2006. V. 111. No. 1. P. 103–110. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2005.10.002

  24. On the technical challenges affecting the performance of direct internal reforming biogas solid oxide fuel cells / M.A. Abdelkareem, H.T. Waqas, T.S. Enas, M. Assad, A. Anis, S.W. Cha // Renewable Sustainable Energy Rev. 2019. V. 101. P. 361–375. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.10.025

  25. Одновременное получение синтез-газа и водорода в мембранном реакторе / А.А. Марков, О.В. Меркулов, И.А. Леонидов, М.В. Патракеев // Сб. трудов. VI Всерос. конф. “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”. Черноголовка, 2019. С. 49–51.

  26. Turgut M.Gür. Comprehensive review of methane conversion in solid oxide fuel cells: Prospects for efficient electricity generation from natural gas // Prog. Energy Combust. Sci. 2016. V. 54. P. 1–64. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2015.10.004

  27. Methane reforming in solid oxide fuel cells: Challenges and strategies / L. Fan, C. Li, P. Aravind, W. Cai, M. Han, N. Brandon // J. Power Sources. 2022. V. 538. No. 1. P. 231573. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231573

  28. Methanol steam reforming for hydrogen generation via conventional and membrane reactors: a review / A. Iulianelli, P. Ribeirinha, A. Mendes, A. Basile // Renewable Sustainable Energy Rev. 2014. V. 29. P. 355–368. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.032

  29. Лыткина А.А., Орехова Н.В., Ярославцев А.Б. Паровой риформинг метанола в мембранных реакторах // Мембраны и мембранные технологии. 2018. Т. 8. № 5. С. 301–314.

  30. Пат. РФ № RU 2717819 C1. Способ получения сверхчистого водорода паровым риформингом этанола / Е.Ю. Миронова, М.М. Ермилова, Н.В. Оре-хова, А.Б. Ярославцев. Заявка № 2019130065 от 25.09.2019. Опубл. 25.03.2020.

  31. Самойлов А.В., Кириллов В.А., Бредихин С.И. Катализаторы, используемые в риформере для энергоустановки на базе твердооксидных топливных элементов // Сб. трудов VI Всерос. конф. “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”. Черноголовка, 2019. С. 265–267.

  32. Структурированные катализаторы и риформеры конверсии жидких углеводородных топлив в водородсодержащий газ / П.В. Снытников, В.Н. Рогожников, Д.И. Потемкин, В.А. Шилов, Н.В. Рубан, Н.А. Кузин, В.А. Собянин // Сб. трудов VI Всерос. конф. “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”. Черноголовка, 2019. С. 89–91.

  33. Faes A., Hessler-Wyser A., Zryd A. A review of RedOx cycling of solid oxide fuel cells anode // Membranes (Basel). 2012. V. 2. No. 3. P. 585–664. https://doi.org/10.3390/membranes2030585

  34. Badwal S. Stability of solid oxide fuel cell components // Solid State Ionics. 2001. V. 143. No. 1. P. 39–46. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(01)00831-1

  35. Tao S., Irvine J.T. Discovery and characterization of novel oxide anodes for solid oxide fuel cells // Chem. Rec. 2004. V. 4. No. 2. P. 83–95. https://doi.org/10.1002/tcr.20003

  36. Gorte R.J., Vohs J.M. Catalysis in solid oxide fuel cells // Ann. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2011. V. 2. P. 9–30. https://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-061010-114148

  37. Papurello D., Canuto D., Santarelli M. CFD model for tubular SOFC stack fed directly by biomass // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. No. 10. P. 6860–6872.

  38. CFD model for tubular SOFC directly fed by biomass / V. Somano, D. Ferrero, M. Santarelli, D. Papurello // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. No. 1. P. 17421–17434. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.02.147

  39. A review on mathematical modelling of direct internal reforming-solid oxide fuel cells / H.H. Faheem, S.Z. Abbas, A.N. Tabish, L. Fan, F. Maqbool // J. Power Sources. 2022. V. 520. No. 2. P. 230857. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230857

  40. Ahmed K., Fӧger K. Analysis of equilibrium and kinetic models of internal reforming on solid oxide fuel cell anodes: effect on voltage, current and temperature distribution // J. Power Sources. 2017. V. 343. P. 83–93. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.01.039

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал