РЕАКТОР ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ОКИСЛЕНИЯ ВОДОЙ ТВЕРДОГО РЕАГЕНТА

Полезная модель относится к энергетическому оборудованию, а именно к конструкциям реакторов, применяемых в генераторах водорода для автономного источника питания на топливных элементах, и может найти применение при создании малых энергоустановок для стационарной распределенной энергетики. Полезная модель может быть использована для производства водорода «на месте, по требованию» (замещение электролизеров). Возможно применение полезной модели в энергоустановках маломерных подводных аппаратов и надводных судов, а также в составе тяговых энергоустановок электровозов в шахтах и рудниках.
На сегодняшний день одним из перспективных направлений получения водорода является гидролиз легких металлов, в т.ч. алюминия, являющегося одним из самых энергоемких химических элементов. Способ использования энергии алюминия включает стадию восстановления водорода из воды при помощи алюминия и стадию окисления полученного водорода в водородно-воздушных топливных элементах с получением электрической энергии.
Из уровня техники известны различные конструктивные решения реакторов для генератора водорода, основанные на химической реакции между водой и композитом из алюминия.
В частности, известен реактор газогенератора водорода, включающий корпус цилиндрической формы с герметичной крышкой, в центральной части которой приварена крепежная панель для пластин активированного алюминия, при этом реактор имеет отверстие, расположенное в верхней части реактора для отвода водорода, и два отверстия, расположенных на одном уровне в центральной части реактора для подачи и отвода воды, и отверстие в нижней части реактора для полного отвода воды и удаления шлаков из реактора (патент RU 2407701).
Известен также реактор, включающий герметичный корпус, заполненный твердым реагентом, в полости которого в контакте с реагентом размещена герметичная капсула, заполненная водой, при этом корпус выполнен в виде разборного цилиндра и снабжен съемной крышкой, на которой установлен винт с острием на конце для разрушения стенок капсулы и подачи воды в полость корпуса. В боковой части корпуса расположен патрубок для вывода газообразного водорода (патент RU 72360).
Однако известные реакторы, предполагающие использование капсулы с ограниченным запасом реагента, применяются в портативных устройствах с ручной перезарядкой и не решают проблемы интенсивного выделения тепла во время протекания реакции. В связи с этим данные устройства допускают лишь редкое использование, например, для подзарядки аккумуляторов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является конструктивное решение реактора, описанное в международной заявке WO 2017135900. Реактор включает цилиндрический корпус, один из торцов которого выполнен открытым для обеспечения загрузки в корпус капсулы с твердым реагентом, и крышку, выполненную с возможностью герметичного крепления к открытому концу корпуса и снабженную фитингом для соединения с распределителем жидкости, расположенным в капсуле с твердым реагентом, с образованием канала для подачи жидкости в капсулу.
Недостатками данного решения является сложность эксплуатации, связанная с выполнением ручных манипуляций по загрузке, уплотнению, закреплению капсулы в корпусе реактора, а также отсутствие возможности отведения тепла реакции, что подразумевает работу реактора с редкой периодичностью и полностью исключает его непрерывную длительную работу. В связи с отсутствием коммуникации корпуса реактора с водяной линией и подвода воды непосредственно в распределитель жидкости, при замене капсулы требуется подсоединять или разъединять фитинг, что также подразумевает работу реактора с редкой периодичностью и полностью исключает непрерывную длительную работу. Кроме того, возможно попадание воздуха в водяную линию через фитинг и, в дальнейшем, в водород.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является разработка простого и удобного в эксплуатации компактного реактора для капсулы генератора водорода, обеспечивающего условия для генерации водорода в капсуле, возможность ручной или автоматической установки капсулы в реактор с одновременным вскрытием капсулы для обеспечения подачи воды и отвода водорода при эффективном отведении тепла от капсулы во время протекания реакции, что обеспечивает непрерывную длительную работу генератора водорода.
Техническим результатом является обеспечение непрерывной длительной работы генератора водорода как в ручном, так и в автоматическом режиме в течение заданного времени, определяемого запасом капсул (реагента).
Технический результат достигается за счет разработки конструкции реактора, включающего протяженный корпус с внутренней полостью, один из торцов которого выполнен открытым для размещения во внутренней полости капсулы с твердым реагентом, узел подачи воды в капсулу и выход для водорода, выполненный в корпусе реактора. При этом внутренняя полость реактора выполнена в форме усеченного конуса с возможностью плотного механического и теплового контакта внутренней конусной поверхности корпуса с наружной поверхностью капсулы при ее размещении во внутренней полости реактора, а узел подачи воды в капсулу выполнен в виде герметично установленной торцевой крышки корпуса реактора со стороны, противоположной открытому торцу корпуса, с зафиксированным в крышке элементом для подачи воды в капсулу, при этом выход для водорода расположен в области размещения узла подачи воды, корпус реактора снабжен уплотнительными элементами для герметизации водородной полости и капсулы, и выполнен из теплопроводного материала с возможностью отвода тепла от капсулы и с возможностью выдерживания давления газа до 30 атм.
Реактор выполнен с возможностью автоматической или ручной установки капсулы в полость реактора.
Теплоотвод может быть выполнен посредством водяной рубашки, охватывающей корпус реактора с наружной стороны или посредством конвекции с помощью радиаторов, закрепленных на наружной поверхности корпуса реактора.
Элемент для подачи воды в капсулу может быть выполнен в виде перфорированной иглы, снабженной множеством отверстий, равномерно распределенных по стенке иглы и имеет длину, не превышающую длину внутренней полости реактора.
Корпус реактора может быть выполнен из нержавеющей стали или из алюминиевого сплава. При этом корпус реактора из алюминиевого сплава может быть выполнен с электрохимическим износоустойчивым покрытием внутренней конусной поверхности корпуса.
В качестве уплотнительных элементов реактор может содержать кольца уплотнения, расположенные между торцевой крышкой и стенкой корпуса реактора, а также манжеты уплотнения, расположенные между стенками капсулы и стенками корпуса реактора.
Реактор выполнен с возможностью размещения во внутренней полости капсулы, корпус которой с внешней стороны выполнен в форме усеченного конуса из непроницаемого для газа теплопроводного материала. При этом капсула снабжена крышкой с элементом для перемещения капсулы в реакторе, и крышкой с отверстиями для подвода жидкого реагента и выпуска водорода в реактор, расположенными с торцевой стороны капсулы большего и меньшего диаметра, соответственно. Отверстия в крышке капсулы с внешней стороны выполнены герметизированными непроницаемой для окружающего воздуха защитной мембраной, выполненной с возможностью ее частичного разрушения элементом для подачи воды в капсулу. Отверстия в крышке капсулы с внутренней стороны выполнены защищенными фильтрующим элементом, обеспечивающим пропускание водорода и задержку твердых продуктов реакции и воды внутри капсулы.
Непрерывность работы генератора водорода достигается за счет подачи (и удаления) капсул в реактор, который обеспечивает условия протекания реакции внутри капсулы и непрерывный эффективный отвод тепла реакции, что обеспечивает производительность по водороду для достижения водородно-воздушными (кислородными) топливными элементами электрической мощности до нескольких киловатт.
После размещения и фиксирования капсулы с реагентом в реакторе и впрыска в нее воды начинается выделение водорода, который должен попадать в приемную буферную емкость генератора водорода в течение ограниченного времени. Предлагаемая конструкция реактора обеспечивает отвод выделяемого тепла реакции за счет теплопроводности через стенки реактора и конвективного уноса тепла с охлаждающим агентом. При этом реактор обеспечивает поддержание достаточно высокой температуры реагирующей смеси, обеспечивающей выделение всего водорода за ограниченное время и в то же время не допускает перегрев капсулы, который может привести к потере свойств фильтрующего материала и уплотняющих элементов капсулы и реактора, и как следствие, к выбросу твердого осадка из капсулы и засорению водородных коммуникаций генераторов водорода. После выработки реагента тонкостенная капсула удаляется из реактора с небольшим усилием, несмотря на то, что развиваемое в ней давление неизбежно привело бы к ее пластической деформации. Таким образом, становится возможным создание относительно компактных автономных источников энергии, характеризующихся повышенной мощностью при относительно малом объеме капсулы.
Полезная модель поясняется чертежами, где на Фиг. 1, 2 представлены примеры конструктивного выполнения реактора с теплоотводом и узлом подачи воды, продольный разрез, на Фиг. 3 - пример выполнения реактора с размещенной в нем капсулой с твердым реагентом, продольный разрез, на Фиг. 4 - пример конструктивного выполнения капсулы для размещения в реакторе, продольный разрез.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - корпус реактора; 2 - внутренняя полость реактора; 3 - капсула; 4 - торцевая крышка корпуса реактора; 5 - игла для подачи воды; 6 - выход для водорода из корпуса реактора; 7 - кольца уплотнения; 8 - манжеты уплотнения; 9 - радиатор; 10 - водяная рубашка; 11 - торцевая крышка капсулы большего диаметра; 12 - торцевая крышка капсулы меньшего диаметра; 13 - отверстие в крышке 12 капсулы для выпуска водорода в реактор; 14 - водородная полость (герметичная зона реактора для сбора водорода, генерируемого из капсулы); 15 - центральное отверстие в крышке 12 капсулы для прохода иглы 5; 16 - мембрана капсулы; 17 - фильтрующий элемент; 18 - элемент для перемещения капсулы; 19 - гайка; 20 - выбрасыватель.
Реактор генератора водорода на основе окисления водой алюминия включает протяженный корпус 1 с внутренней полостью 2, выполненной в форме усеченного конуса для размещения в ней конусообразной капсулы 3 (картриджа), заполненной твердым реагентом на основе алюминия. Один из торцов корпуса 1 выполнен открытым для обеспечения возможности загрузки капсулы, а другой - закрытым. При расположении капсулы 3 внутри корпуса 1 реактора обеспечивается плотный механический и тепловой контакт наружной поверхности капсулы и внутренней поверхности стенки корпуса, которая выполнена из теплопроводного материала. Со стороны закрытого торца корпус реактора снабжен узлом подачи воды в капсулу, выполненным в виде герметично установленной в корпусе торцевой крышки 4 с зафиксированной в центре крышки иглой 5 для подачи воды, направленной внутрь корпуса реактора вдоль его оси. При этом игла имеет длину в пределах открытого торца реактора (не превышающую длину внутренней полости реактора) и снабжена множеством отверстий, расположенных в стенке иглы по всей ее длине (выполнена перфорированной). Длина иглы может составлять от 50 до 100 мм в зависимости от размера корпуса и обеспечивает равномерную подачу воды в капсулу по всей ее длине при расположении капсулы в корпусе реактора. Корпус 1 реактора снабжен выходом для водорода 6, выполненным, например, в виде штуцера, установленного в стенке корпуса реактора в области выхода водорода из капсулы, а также уплотнительными элементами для герметизации водородных полостей 14 (зоны для выделяющегося водорода). В качестве уплотнительных элементов могут быть использованы кольца уплотнения 7, расположенные между торцевой крышкой и стенкой корпуса реактора, а также манжеты уплотнения 8, устанавливаемые между стенками капсулы и стенками корпуса реактора со стороны выхода водорода (при этом в области выхода водорода и в области расположения узла подачи воды корпус реактора может быть выполнен большего диаметра). В одном из частных вариантов, выход для водорода 6 расположен в торцевой крышке 4 (Фиг. 1).
Корпус реактора выполнен из теплопроводного материала с возможностью выдерживания давления газа до 30 атм и с возможностью теплоотвода (отведения тепла реакции). При этом теплоотвод может быть осуществлен посредством элементов охлаждения, например, путем конвекции с помощью радиаторов 9, закрепленных на наружной поверхности реактора (Фиг. 1), или водяной рубашки 10, охватывающей корпус реактора с наружной стороны, снабженной штуцером подачи охлаждающей воды, расположенным в области открытого торца корпуса, и штуцером отвода охлаждающей воды, расположенным в области размещения торцевой крышки 4 корпуса (Фиг. 2).
Корпус 1 реактора, а также торцевая крышка 4 могут быть выполнены из алюминиевого сплава или нержавеющей стали, например 12Х18Н10Т, при этом толщина стенок корпуса может составлять от 2-х мм при внутреннем диаметре 25 мм, что обеспечивает выдерживание корпусом давления газа до 3,0 МПа. Внутренняя конусная поверхность корпуса реактора из алюминиевого сплава может содержать электрохимическое износоустойчивое покрытие, например, никасил.
Капсула 3, размещаемая внутри корпуса реактора, представляет собой тонкостенную гильзу из непроницаемого для газа теплопроводного материала (например, алюминиевого сплава) с внешней поверхностью в форме усеченного конуса и снабженную внутренней полостью, которая может быть выполнена цилиндрической формы. Пример конструктивного выполнения капсулы представлен на Фиг. 4. С противоположных концов корпус капсулы снабжен торцевыми крышками 11 и 12, большего и меньшего диаметров, соответственно, соединенными с корпусом капсулы, например, посредством завальцовки. При этом крышка меньшего диаметра 12 имеет отверстия 13, через которые осуществляется выпуск водорода в герметичную зону 14 реактора, образованную между крышкой 12 капсулы и торцевой крышкой 4 реактора (над штуцером выхода водорода 6 на Фиг. 2 и 3), и сообщающуюся с выходом 6 для водорода из корпуса реактора, а также снабжена центральным отверстием 15, через которое проходит игла 5 для подвода под давлением жидкого реагента во внутреннюю полость капсулы 3. С внешней стороны крышка 12 герметично соединена с непроницаемой мембраной 16, выполненной, например, из алюминиевой фольги толщиной 0,05-0,1 мм, которая предохраняет контакт энергоносителя в капсуле с внешней средой во время хранения капсулы и частично разрушается иглой 5 при подаче капсулы в реактор для обеспечения выпуска водорода. С внутренней стороны к крышке 12 прикреплен фильтрующий элемент 17, обеспечивающий пропускание водорода и задержку твердых продуктов реакции и воды (капельной жидкости) внутри капсулы. Фильтрующий материал, из которого выполнен фильтрующий элемент 17, должен обладать достаточной прочностью при повышенной температуре (около 100°С) в течение времени протекания реакции, чтобы его не смогли прорвать или обойти твердые продукты реакции (защищать от выброса твердых порошков). В качестве материала фильтрующего элемента может быть использован войлок толщиной, например, 2-3 мм, который может быть прикреплен к крышке 12, например, посредством клеевого соединения. Торцевая крышка 11 капсулы снабжена элементом 18 для перемещения капсулы, расположенным с наружной стороны крышки 11 и выполненным с возможностью его зацепа механизмом перезарядки реактора генератора водорода. Элемент 18 может представлять собой грибок или выступающую закраину (например, как у патрона 7.62×54R) или проточку (как у патрона 7.62×51) и может быть выполнен посредством завальцовки.
Внутренняя полость капсулы 3 заполнена твердым реагентом, в качестве которого может быть использован дисперсный или активированный алюминий с размерами частиц в диапазоне 0,005-0,5 мм. В качестве твердого реагента может быть использован реагент, описанный в патентах RU 87573, 72360.
Реактор может быть выполнен с возможностью ручной установки капсулы в полость корпуса реактора или с возможностью ее автоматической установки. При этом при ручной установке капсулы осуществляют ее фиксацию в корпусе реактора, например, посредством накидной гайки 19 (Фиг. 3). При автоматической установке на той же резьбе другая накидная гайка может иметь, например, фланец для крепления затвора механизма перезарядки капсул.
Полезная модель работает следующим образом.
В рабочем цикле генератора водорода в автоматическом режиме работы капсулу 3 с твердым реагентом досылают затвором механизма перезарядки капсул (например, посредством соединения выбрасывателя 20, закрепленного на затворе, с элементом 18 для перемещения капсулы) во внутреннюю полость 2 корпуса 1 реактора генератора водорода до контакта наружной поверхности капсулы с внутренней конусной поверхностью стенки корпуса 1. При этом капсула проходит через внутренний диаметр уплотняющей манжеты 8, и происходит герметизация водородной полости 14. Одновременно неподвижная игла 5, закрепленная в торцевой крышке 4 реактора, разрушает защитную мембрану 16 на крышке 12 капсулы (Фиг. 3), проходит через центральное отверстие 16 в крышке и фильтрующем элементе 17 и проникает в реагент, расположенный в капсуле. Затем при полностью досланной капсуле, удерживаемой затвором, через иглу 5 в капсулу 3 поступает вода. В результате химической реакции реагента с водой, образуется водород, который проходит сквозь фильтрующий элемент 17, затем через разрушенную мембрану 16 и попадает в полость реактора 14 и покидает капсулу через штуцер 6. Образующееся в результате реакции тепло отводится наружу через корпус капсулы и контактирующий с ним корпус реактора с элементами охлаждения (9 или 10). После завершения реакции, выбрасыватель 20, закрепленный на затворе, вступает во взаимодействие с элементом 18 перемещения капсулы (закраиной/проточкой), сцепляясь с ней, и вытягивает капсулу из реактора, освобождая место для следующей капсулы.
Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает создание простого и удобного в эксплуатации компактного реактора генератора водорода, обладающего возможностью быстрой заправки реагентами путем автоматической смены капсул, которые легко заправляются и извлекаются из корпуса реактора. Реактор обеспечивает температурные условия протекания реакции выделения водорода в капсуле, отводя избыточное тепло и воспринимая механическую нагрузку, возникающую при увеличении давления водорода в капсуле, препятствуя деформации ее стенок. Это позволяет при необходимости проводить генерацию водорода в капсуле при повышенном давлении вплоть до 2,5 МПа.