ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА
HYDROGEN GENERATOR

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте.
Известно устройство для получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода, содержащее источник суспензии мелкодисперсного порошкообразного алюминия с водой со смесителем, реактор, конденсатор, приемное устройство, регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода, регулируемый клапан отвода гидроксидов или оксидов алюминия, датчик температуры реактора, датчик давления на входе подачи суспензии в реактор, датчик давления на выходе парогазовой смеси и датчик давления перед входом парогазовой смеси в конденсатор, регулируемое средство подачи суспензии в реактор, управляющий контроллер с входом и выходом, причем источник суспензии содержит регулируемое средство подачи воды и регулируемое средство подачи порошка алюминия, вход контроллера соединен с датчиком температуры в реакторе и датчиками давления, а выход контроллера соединен с источником суспензии, регулируемым средством подачи суспензии мелкодисперсного порошка алюминия с водой в реактор, регулируемым клапаном отвода смеси паров воды и водорода и регулируемым клапаном отвода гидроксидов или оксидов алюминия [Патент РФ №2278077, МПК C01F 7/42, C01B 3/10, авторы: Берш А.В., Иванов Ю.Л., Мазалов Ю.А., Глухов А.В., Трубачов О.А. «Способ получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода и устройство для его осуществления», опубл. 20.06.2006 г., БИ №17].
Недостатком устройства является низкая производительность, за счет присутствия на алюминиевом реагенте оксидной пленки, препятствующей выделению водорода из воды.
Известен генератор водорода, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого регента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, перепускная емкость, сообщающаяся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, магистраль наддува, магистраль жидкого реагента подсоединена к перепускной емкости, в которой размещен пусковой нагреватель, а также датчик температуры жидкости, при этом твердый реагент распределен по высоте столба жидкого реагента, реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, а реакционный сосуд размещен внутри, отличающийся тем, что контейнер с твердым реагентом выполнен в виде нескольких пластин твердого реагента с переменной шириной, которая уменьшается от верхней части пластины книзу, и дополнительно введены компрессор, вакуумный насос, пять электроуправляемых клапанов, датчик давления, блок управления с программным блоком, причем магистраль наддува соединена через второй электроуправляемый клапан с выходом компрессора, через третий электроуправляемый клапан со входом вакуумного насоса и атмосферной линией, на которой установлен первый электроуправляемый клапан, четвертый электроуправляемый клапан установлен на линии вывода водорода, пятый электроуправляемый клапан установлен на магистрали подачи жидкого реагента, а датчик давления установлен на магистрали наддува и соединен через блок управления с программным блоком, который управляет работой компрессора, вакуумного насоса и всеми пятью электроуправляемыми клапанами [Патент РФ №65040, МПК C01B 3/08, авторы: Носырев Д.Я., Балакин Д.С. «Генератор водорода», опубл. 27.07.2008 г., БИ №21].
Недостатком генератора водорода является низкая производительность.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение производительности генератора водорода, упрощение конструкции генератора водорода.
Технический результат достигается тем, что в генераторе водорода, содержащем реакционный сосуд, магистраль выдачи водорода с двумя электроуправляемыми клапанами и очистителем водорода, магистраль подачи жидкости для снятия оксидной пленки реагента, состоящая из емкости для этой жидкости с измерителем концентрации и уровнемером и двух электроуправляемых клапанов, магистраль слива жидкости из реакционного сосуда, состоящая из сливной емкости и двух электроуправляемых клапанов, блок программного управления, блок обработки и анализа и блок измерения, корпус генератора выполнен прямоугольной формы с двумя съемными крышками и тремя отсеками, крайние отсеки корпуса выполнены одинаковыми, а их смежные параллельные стенки образуют третий отсек, корпус имеет водяную рубашку, которая повторяет его форму и соединена с третьим отсеком и имеет входной и выходной патрубок, в крайних отсеках корпуса к его съемным крышкам жестко через кронштейн закреплены горизонтальные перегородки, две стороны которых загнуты перпендикулярно и однонаправлено, к этим перегородкам закреплен параллельно друг к другу и к корпусу отсеков реагент в форме пластин, причем боковые пластины реагента каждого отсека закреплены к не загнутым сторонам перегородки, образуя в каждом отсеке емкость для жидкости, а в перегородке вокруг реагента выполнена перфорация, в генератор водорода дополнительно введены фильтр, расходомер жидкости, расходомер водорода, два датчика давления, два измерителя концентрации, пять датчиков температуры, два обратных клапана, два электроуправляемых клапана и блок сравнения, очиститель водорода выполнен с входным и двумя выходными патрубками, на первом выходном патрубке установлен расходомер водорода, на втором выходном патрубке установлен обратный клапан, магистраль подачи пара соединена с крайними отсеками, фильтр имеет входной и два выходных патрубка, входной патрубок соединен с крайними отсеками, первый выходной патрубок соединен через обратный клапан с входным патрубком сливной емкости, а на втором выходном патрубке установлен электроуправляемый клапан, в верхней и нижней части сливной емкости установлены измерители концентрации, в крайних отсеках установлено по одному датчику давления, в верхней и нижней части пластин реагента установлены датчики температуры, в водяной рубашке установлен датчик температуры, все датчики давления, датчики температуры, измерители концентрации соединены с блоком измерения, а блок измерения через блок сравнения и блок обработки и анализа соединен с блоком программного управления, который, в свою очередь, соединен со всеми электроуправляемыми клапанами.
Повышение производительности генератора водорода достигается введением в генератор водорода воды в виде насыщенного или перегретого пара при температуре 200-300°C, а также предварительным снятием оксидной пленки с твердого реагента, в результате чего поверхность твердого реагента становиться активной.
На чертеже - принципиальная схема генератор водорода.
Генератор водорода состоит из первой секции 1, второй секции 2 и между ними расположенной третьей секции 3, двух съемных крышек корпуса 4, двух кронштейнов 5, двух перегородок 6, водяной рубашки 7 для отвода тепла от первой и второй секции, реагента в форме пластин 8, очистителя водорода 9, емкости с жидкостью для снятия оксидной пленки с реагента 10, сливной емкости 11, фильтра 12, расходомера жидкости для снятия оксидной пленки 13, расходомера водорода 14, датчиков давления 15, 16, датчиков температуры 17, 18, 19, 20, 21, уровнемера 22, измерителей концентрации 23, 24, 25, обратных клапанов 26, 27, электроуправляемых клапанов подачи пара 28, 29, электроуправляемых клапанов подачи жидкости для снятия оксидной пленки с реагента 30, 31, электроуправляемых клапанов выдачи водорода 32, 33, электроуправляемых клапанов слива отработанной жидкости в фильтр 34, 35, электроуправляемого клапана слива воды из фильтра 36, электроуправляемого клапана слива продуктов реакции из сливной емкости 37, электроуправляемого клапана подачи отработанной жидкости в емкость для снятия оксидной пленки с реагента 38, блока программного управления 39, блока обработки и анализа 40, блока сравнения 41 и блока измерения 42.
Генератор водорода работает следующим образом.
Запускают блок программного управления 39, который связан с блоком обработки и анализа 40, блоком сравнения 41 и блоком измерения 42. Блок программного управления открывает электроуправляемый клапан 30 на линии подачи жидкости, предназначенной для снятия оксидной пленки с алюминиевых пластин реагента. Эта жидкость поступает из емкости с жидкостью для снятия оксидной пленки 10 в первый отсек 1 генератора водорода.
Корпус реакционного сосуда выполнен прямоугольной формы с двумя съемными крышками 4 и тремя отсеками. Крайние отсеки корпуса выполнены одинаковыми, а их смежные параллельные стенки образуют третий отсек 3. Генератор водорода имеет водяную рубашку 7, которая выполнена с повторением его формы. Крайние отсеки корпуса являются реакционными сосудами, а средний отсек 3 гидравлически соединен с водяной рубашкой 7, предназначенной для отвода тепла от крайних секций генератора водорода.
В крайних отсеках корпуса генератора водорода к его съемным крышкам 4 жестко через кронштейны 5 закреплены горизонтальные перегородки 6. К этим перегородкам закреплен параллельно друг к другу и к корпусу отсеков реагент в форме пластин 8. Две параллельные стороны перегородок 6 загнуты перпендикулярно и однонаправлено, а боковые пластины реагента 8 каждого отсека закреплены к не загнутым сторонам перегородок 6, образуя, таким образом, в каждом отсеке емкость с жидкостью для съема оксидной пленки с реагента. В перегородке 6 вокруг реагента выполнена перфорация, таким образом, чтобы жидкость для снятия оксидной пленки с реагента свободно протекала через эти отверстия и стекала вниз по обеим сторонам пластин реагента 8.
Жидкость для снятия оксидной пленки наливается в емкость первого отсека 1 через электроуправляемый клапан 28, откуда далее самотеком стекает вниз по пластинам реагента. Количество жидкости для снятия оксидной пленки, подаваемой в генератор водорода, контролируется расходомером жидкости для снятия оксидной пленки 13.
Таким образом, обеспечивается контакт пластин реагента с жидкостью для снятия оксидной пленки, в результате чего поверхность алюминиевого реагента становится активной и может вступать в реакцию с перегретым паром.
После того как вся жидкость стечет на дно отсека, открывается электроуправляемый клапан 34, и отработанная жидкость подается в фильтр 12, где происходит отделение воды, которая далее удаляется через открытый электроуправляемый клапан 36 в канализацию, а очищенная жидкость для снятия оксидной пленки направляется через обратный клапан 27 в сливную емкость 11. Соли, образованные в результате химической реакции алюминия с жидкостью для снятия оксидной пленки, оседают на дно сливной емкости 11 и далее удаляются через электропневматический клапан 37, а пригодная по концентрации для дальнейшего использования жидкость для снятия оксидной пленки направляется через открытый электроуправляемый клапан 38 в емкость для жидкости 10.
С целью измерения концентрации жидкости для снятия оксидной пленки с реагента в емкости с жидкостью 10 установлен измеритель концентрации 23, а для предотвращения сверхнормированной подачи отработанной жидкости из сливной емкости 12 в емкость для жидкости 10, в последней установлен уровнемер 22.
В сливной емкости установлено два измерителя концентрации отработанной жидкости. Первый измеритель 24 концентрации измеряет концентрацию придонного слоя отработанной жидкости и установлен в нижней части сливной емкости 11, а второй измеритель концентрации 25 измеряет концентрацию жидкости, пригодной для дальнейшего использования.
После того, как с пластин реагента будет снята оксидная пленка в первый отсек 1 через открытый электроуправляемый клапан 29 подается определенное количество насыщенного или перегретого пара при температуре 200-300°C и начинается химическая реакция с выделением водорода по формуле
2
3
2
2Al+6HO=2Al(OH)+3H
Количество пара, подаваемое в первый отсек 1, контролируется датчиком давления 15. Как только давление достигнет определенной величины, электроуправляемый клапан 29 закрывают.
Пар, контактируя с пластинами реагента 8, нагревает их. По мере нагрева пластин реагента массовый выход водорода увеличивается и в тот момент, когда температура пара и температура реагента сравняются, выход водорода будет максимальным и генератор водорода выйдет на полную мощность.
При достижении определенного давления в первом отсеке генератора водорода откроется электроуправляемый клапан 32, и водород вместе с паром направятся по магистрали выдачи водорода в конденсатор-охладитель водорода 9. В конденсаторе-охладителе 9 пары воды конденсируются и направляются через обратный клапан 26 в канализацию, а водород направляется к потребителю через расходомер водорода 14.
По мере выработки пластин реагента уменьшается выход водорода, который контролируется расходомером водорода 14. Как только расходомер водорода покажет минимально допустимый выход водорода, блок программного управления 39 переключает генератор водорода на работу второго отсека 2.
При этом, пока реагент первого отсека дорабатывает свой ресурс, идет подготовка второго отсека к началу работы.
Блок программного управления открывает электроуправляемый клапан 31, и жидкость для снятия оксидной пленки поступает в емкость второго отсека 2. После того как отработанная жидкость стечет на дно второго отсека, открывается электроуправляемый клапан 35, и отработанная жидкость направляется в фильтр 12. После закрытия электроуправляемого клапана 35 открывается электроуправляемый клапан 32, и остатки водорода с паром направляются из первого отсека в магистраль выдачи водорода, и давление в первом отсеке выравнивается до атмосферного, таким образом, первый отсек выводиться из работы. Одновременно с этим открывается электроуправляемый клапан 28 и перегретый пар подается во второй отсек. Таким образом, происходит переключение первого отсека на второй.
При необходимости выпуска водорода из второго отсека открывается электроуправляемый клапан 33, и водород с паром направляются в магистраль выдачи водорода.
Давление внутри второго отсека контролируется датчиком давления 16.
Для смены пластин реагента первого и второго отсеков емкость отсоединяется от кронштейна 5 и заменяется новой.
Температура пластин реагента контролируется датчиками температуры, которые установлены в первом и втором отсеках генератора водорода. При этом датчики температуры контролируют температуру пластин в двух точках, вверху и внизу пластины. В первом отсеке установлены датчики температуры 17 и 18, а во втором - датчики температуры 19 и 20. Контроль температуры реагента необходим для управления процессом генерирования водорода.
При работе генератора водорода выделяется большое количество тепла. Для охлаждения стенок крайних отсеков генератор водорода выполнен с водяной рубашкой 7, которая имеет входной и выходной патрубки подачи и отвода охлаждающей воды. Для контроля охлаждения генератора водорода в его водяной рубашке установлен датчик температуры 21.
Предлагаемый генератор водорода с твердым реагентом позволяет повысить выход водорода на 4-9%.