ГЕНЕРАТОР ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА
HYDROGEN GAS GENERATOR

Приоритет
Данная заявка испрашивает приоритет на основании заявки США № 13/099707, поданной 3 мая 2011 года.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к генераторам газообразного водорода для производства газообразного водорода.
Описание предшествующего уровня техники
2
2
Генераторы водорода производят смесь из газообразного водорода (H) и кислорода (O) обычно в молярном соотношении 2:1, в таком же соотношении, что и в воде.
Генераторы газообразного водорода включают четыре основных компонента: катод, анод и соль или насыщенный солевой раствор, содержащийся внутри полости, включающей анод и катод. Генератор обычно состоит из металлических пластин из нержавеющей стали, состыкованных с расстоянием между пластинами, позволяющим насыщенному солевому раствору течь между ними. Чередующаяся конфигурация катодной и анодной пластины позволяет току течь через насыщенный солевой раствор, осуществляя химическую реакцию, когда между анодной и катодной пластинами создана разность потенциалов.
Пакет металлических пластин является наиболее распространенной конфигурацией генератора газообразного водорода. Одна из проблем, связанных с состыкованными пластинами, заключается в том, что жидкость между пластинами не легко меняется на свежую жидкостью из других частей генератора, что понижает эффективность генератора.
Раскрытие сущности изобретения
Принимая во внимание проблемы и недостатки известного уровня техники, целью настоящего изобретения с учетом вышесказанного является создание устройства для получения газообразного водорода.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание цилиндрического генератора газообразного водорода, который производит газообразный водород более эффективно, чем генераторы с состыкованными пластинами.
Другие цели и преимущества изобретения отчасти станут очевидны и прояснятся до некоторой степени из описания.
Вышеуказанные и другие цели, которые будут очевидны специалистам в данной области техники, достигаются в настоящем изобретении, которое относится к устройству генерирования водорода, включающему анод, катод, корпус, имеющий внутреннюю полость и перфорированную стенку внутри полости у ее конца, электрически соединенную с анодом или катодом и отделяющую концевую части полости от основной части полости. Устройство содержит воду в корпусе, непрерывно проходящую из основной части полости через перфорированную стенку в концевую часть полости.
Анод или катод, который электрически соединен с перфорированной стенкой, может проходить из основной части полости через перфорированную стенку в концевую часть полости и через корпус. Корпус может иметь два конца и перфорированную стенку внутри полости у каждого конца, отделяющую концевые части полости от основной части полости. Анод или катод проходит через один конец корпуса, через одну перфорированную стенку в основную часть полости, через другую перфорированную стенку в другую концевую часть полости и через другой конец корпуса. Вода в корпусе непрерывно проходит из основной части полости через каждую из перфорированных стенок в концевые части полости.
Перфорированная стенка может быть металлической пластиной, имеющей отверстия, или может быть пенометаллом с открытыми порами. Устройство генерирования водорода может включать цилиндрическую металлическую гильзу, помещенную с возможностью скольжения во внутреннюю полость и имеющую концы, и изоляционную кольцевую прокладку, помещенную между концами металлической гильзы и перфорированной стенкой.
Анод может быть полой металлической трубкой, намотанной по спирали в цилиндрической конфигурации. Анод альтернативно может быть полым металлическим цилиндром, включающим множество анодных отверстий в стенках цилиндра, или анод может быть цилиндрической проволочной сеткой.
Устройство генерирования водорода может включать по меньшей мере одну электропроводящую клемму, выступающую наружу из полости через отверстие в корпусе, в котором по меньшей мере одна клемма электрически соединена с анодом.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к устройству генерирования водорода, включающему корпус, имеющий внутреннюю полость, анод во внутренней полости и катод во внутренней полости. Устройство включает пенометалл с открытыми порами, помещенный во внутренней полости, электрически соединенный с анодом или катодом. Устройство содержит воду в корпусе, непрерывно проходящую через пенометалл. Пена с открытыми порами может быть анодом, имеющим каналы внутри, при этом катод проходит через каналы в пене анода. Анодные каналы могут иметь длину и стенки канала с пространством между катодом и стенками канала, протягивающимся по длине стенок канала, которое в значительной степени заполнено водой.
Пена с открытыми порами может альтернативно быть катодом, имеющим каналы внутри, при этом анод проходит через каналы в пене катода. Устройство генерирования водорода может включать цилиндрическую металлическую гильзу, помещенную с возможностью скольжения во внутренней полости. Металлическая гильза может иметь концы, где между концами металлической гильзы и перфорированной стенкой помещают изоляционную кольцевую прокладку.
Пенометалл может включать покрытие из металлического золота.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу использования устройства генерирования водорода. Способ включает предоставление анода, катода, корпуса, имеющего внутреннюю полость и перфорированную стенку в полости у ее конца, отделяющую концевую часть полости от основной части полости. Анод или катод проходит из основной части полости через перфорированную стенку в концевую часть полости, и через корпус, и вода в корпусе непрерывно проходит из основной части полости через перфорированную стенку в концевую часть полости. Способ включает создание разности потенциалов между анодом и катодом, достаточной для образования газообразного водорода.
Краткое описание чертежей
Отличительные признаки изобретения, считающиеся новыми, и характерные элементы изобретения подробно изложены в прилагаемой формуле изобретения. Чертежи приводятся только в иллюстративных целях и не являются построенными в масштабе. Само изобретение, однако, в том, что касается организации и способа работы, может быть лучше всего понято со ссылкой на подробное описание, которое следует ниже во взаимосвязи с сопровождающими чертежами, на которых:
На фиг.1 представлен покомпонентный вид в перспективе генератора газообразного водорода согласно настоящему изобретению.
На фиг.2 представлен вид в поперечном разрезе анодной клеммы и изолятора клеммы согласно настоящему изобретению.
На фиг.3А представлен вид в вертикальном разрезе c торца генератора газообразного водорода фиг.1 при снятой торцевой крышке.
На фиг.3B представлен вид в вертикальном разрезе c торца, иллюстрирующий альтернативную конфигурацию клемм и патрубков, проходящих через корпус генератора газообразного водорода согласно настоящему изобретению.
На фиг.4 представлен вид в перспективе анода генератора газообразного водорода фиг.1.
На фиг.5 представлен вид в перспективе второго варианта осуществления анода согласно настоящему изобретению.
На фиг.6 представлен вид в перспективе третьего варианта осуществления анода согласно настоящему изобретению.
На фиг.7 представлен вид в перспективе четвертого варианта осуществления анода согласно настоящему изобретению.
На фиг.8 представлен вид с частичным разрезом генератора газообразного водорода, включающего анод, показанный на фиг.7.
На фиг.9 представлен вид сбоку в вертикальном разрезе генератора газообразного водорода, показанного на фиг.8.
На фиг.10 представлен вид в поперечном разрезе с торца генератора газообразного водорода, иллюстрирующий соединение анодных клемм с анодом, показанным на фиг.5.
На фиг.11 представлен вид сбоку в вертикальном разрезе генератора газообразного водорода, включающего систему резервуара согласно настоящему изобретению.
На фиг.12 представлена блок-схема системы клапанов для регулирования выхода газа согласно настоящему изобретению.
На фиг.13 представлена блок-схема контроллера генератора газообразного водорода согласно настоящему изобретению.
Вариант(ы) осуществления изобретения
В описании предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения будет сделана ссылка на чертежи фиг.1-13, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым признакам изобретения.
Генератор газообразного водорода 10, показанный на фиг.1, включает цилиндрический керамический корпус 14 с алюминиевым покрытием, имеющий корпусные отверстия 16 и цилиндрическую металлическую гильзу 22, помещенную с возможностью скольжения внутри корпуса 14, при этом металлическая гильза 22 короче по длине, чем корпус 14. Корпус 14 имеет противоположные концы и полость между концами, и перфорированная стенка 30 примыкает к концам металлической гильзы 22 и отстоит от каждого из концов корпуса и находится рядом с ними. Металлическая гильза 22 включает неизолированные отверстия гильзы 26 и изолированные отверстия гильзы 28. Неизолированные отверстия 26 предназначены для введения впускного патрубка 12 и выпускного патрубка 13 для насыщенного солевого раствора, патрубка для выпуска газообразного водорода 80 и патрубка продувочного клапана 82. Изолированные отверстия гильзы 28 предназначены для анодных клемм 11, которые проходят снаружи корпуса 14 к аноду внутри цилиндрической металлической гильзы 22. Изоляторы клеммы 32 помещают между анодной клеммой 11 и изолированными отверстиями гильзы 28 как показано в поперечном разрезе на фиг.2. Концы анодных клемм 11 выступают из изоляторов клеммы 32 так, чтобы могло быть установлено электрическое соединение с анодом 18 внутри полости и с источником питания, внешним по отношению к полости. Отверстия металлической гильзы 22 выравнивают с отверстиями корпуса 16 для того, чтобы клеммы 11 и каждый из выпускного патрубка 13, впускного патрубка 12, патрубка для выпуска газообразного водорода 80 и патрубка продувочного клапана 82 проходили через соответствующие отверстия корпуса 16 и отверстия гильзы 26, 28, герметично контактируя с корпусом 14 и предотвращая вытекание жидкости и газа из полости через корпусные отверстия 16. Анод генератора газообразного водорода может быть любого подходящего типа и конфигурации, но представлен на фиг.1 в виде цилиндрического спирального анода 18. Анод контактирует с клеммами 11, которые поддерживают его внутри и отделяют от гильзы 22 и структур катода внутри устройства.
Множество катодных стержней 20, показанных здесь в виде центрального стержня, окруженного четырьмя отстоящими стержнями, проходит от перфорированной стенки 30 на одном конце корпуса 14 до противоположной перфорированной стенки 30 на другом конце корпуса, при этом каждый катодный стержень 20 создает электрический контакт со стенками. На каждом конце корпуса 14 катодная клемма 24 помещена в центральное отверстие 52 перфорированной стенки 30 и проходит через отверстие 72 в торцевой крышке 70. Катодная клемма 24 может иметь резьбу для того, чтобы гайка клеммы 74 прижимали торцевую крышку 70 к перфорированной стенке 30. Катодная клемма 24 обеспечивает общее соединение катодных стержней 20 посредством контакта с перфорированной стенкой 30.
Генератор газообразного водорода включает изоляционную прокладку 60 у каждого конца корпуса 14, которая прижимается к концам гильзы 22 для того, чтобы перфорированные стенки 30 могли вплотную прилегать к гильзе без создания электрического контакта. Перфорированная стенка включает множество отверстий или перфораций 50, которые проходят через перфорированную стенку. Любое количество отверстий или перфораций может использоваться для обеспечения прохождения через них насыщенного солевого раствора.
Торцевые крышки 70 задвигаются внутрь концов корпуса 14 и контактируют с перфорированной стенкой 30, формируя уплотнение, которое вместе с уплотнениями 60 предотвращает всякий выход газа и жидкости из полости, кроме как через патрубок 80 для выпуска водорода или продувочный клапан 82.
+
-
2
2
В процессе использования вода, находящаяся внутри полости корпуса, содержит достаточное количество электролита, например соли (NaCl) или другого электролита для проведения электричества, и может называться насыщенным солевым раствором. Когда разность потенциалов подводят к аноду (+) и катоду (--), образующийся в результате ток приводит к электролизу насыщенного солевого раствора и создает водород (Н) в виде газа у катода и кислород (О) в виде газа у анода. Катодные стенки 30 у каждого конца гильзы 22 образуют небольшие камеры между перфорированными стенками 30 и торцевыми крышками 70 у каждого конца корпуса 14. Хотя точный механизм не известен, полагают, что эти камеры, сохраняющие сообщение насыщенного солевого раствора с основной полостью, значительно помогают в генерировании устройством водорода, пригодного к использованию.
На фиг.3А представлен вид c торца генератора газообразного водорода при снятой торцевой крышке 70. Клеммы 11 и каждый из выпускного патрубка 13, впускного патрубка 12, патрубка для выпуска газообразного водорода 80 и патрубка продувочного клапана 82 выходят из корпуса 14 в радиально противоположном направлении, как показано на фиг.1. На фиг.3B представлена альтернативная конфигурация, где корпусные отверстия не выровнены по прямой на противоположных сторонах корпуса. Конфигурацию можно дополнительно изменять в зависимости от ориентации генератора газообразного водорода или других факторов реализации генератора газообразного водорода.
На фиг.4-6 представлены различные варианты осуществления анода, фиг.4 является вариантом осуществления анода, показанного на фиг.1, где анод 18 является полой металлической трубкой, намотанной по спирали в цилиндрической конфигурации и имеющей закрытые обжатые концы. В другом варианте осуществления анод 18', представленный на фиг.5, является полым металлическим цилиндром, который включает множество анодных отверстий 44 в стенках цилиндра. Анод 18", представленный на фиг.6, является цилиндрической проволочной сеткой. Аноды 18, 18' и 18" поддерживаются внутри полости корпуса 14 за счет контакта с анодными клеммами 11.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, представленном на фиг.7-9, генератор водорода 10' включает цилиндрический анод 86 из пенометалла с открытыми порами, имеющий просверленные отверстия или каналы 88, проходящие по длине анода 86. Катодные стержни 20 помещают через отверстия 88, при этом по меньшей мере один из концов катодных стержней выходит за соответствующий конец цилиндрического анода 86. Возможен и вариант, при котором катод может быть в виде пенометалла с открытыми порами, а анод может быть в виде стержней, проходящих через отверстия в катоде. Просверленные отверстия 88 имеют диаметр достаточного размера, чтобы стержни 20 не контактировали с пенометаллом 86. Открытые поры пенометалла позволяют насыщенному солевому раствору или воде 90 свободно течь через поры от одной стороны анода к другой. Вид с частичным разрезом фиг.8 включает часть А, показывающую корпус 14, часть B с частичным разрезом корпуса, показывающую металлическую гильзу 22, часть C с частичным разрезом металлической гильзы, показывающую внешнюю поверхность пенометалла 86, и часть D с частичным разрезом внешней поверхности пенометалла, показывающую внутреннюю поверхность пенометалла 86' и катодные стержни 20. Пенометалл является предпочтительно алюминиевым пенометаллом и может включать металлическое покрытие золотом для предотвращения коррозии. Алюминиевый пенометалл может быть алюминиевой пеной или может быть пенопластом с алюминиевым покрытием, нанесенным поверх пены. Анод 18, катодные стержни 20 и гильза 22 могут дополнительно иметь металлическое покрытие золотом для предотвращения коррозии. Примером стойкого к морской воде покрытия золотом, которое может наноситься на анод, катод и другие компоненты генератора водорода настоящего изобретения, является покрытие, продаваемое под торговой маркой JET-HOT на основе технологий nCoat LLC, Берлингтон, Северная Каролина. Покрытие может быть нанокерамическим органическим гибридом на основе диоксида кремния, наносимым в виде жидкости на водной основе или на основе растворителя путем распыления, погружения, вальцевания или методом окунания (dip-spin), и отверждаемым при повышенной температуре 120-180°С в течение 10 мин или времени, достаточного для связывания и отверждения покрытия требуемой толщины, например 1-2 мкм. Примером является покрытие NanoMate, имеющееся в Nanmat Technology, Гаосюн, Тайвань.
На фиг.8 и фиг.9 представлен цилиндрический керамический корпус 14 с алюминиевым покрытием, имеющий корпусные отверстия 16 и металлическую гильзу 22, помещенную с возможностью скольжения внутри корпуса 14. Корпус 14 имеет противоположные концы и полость между концами, и перфорированную стенку 30' помещают возле каждого из концов корпуса. Перфорированная стенка 30' представлена в виде пластины из пенометалла с открытыми порами. Изоляторы клеммы 32 помещают между анодной клеммой 11 и металлической гильзой 22. Концы анодных клемм 11 выступают внутрь из изоляторов клеммы 32 для того, чтобы могло быть установлено механическое и электрическое соединение с анодом 18 внутри полости, и наружу для соединения с источником питания, внешним по отношению к полости. Генератор газообразного водорода 10' включает торцевую крышку 70, при этом по меньшей мере часть торцевой крышки помещена с возможностью скольжения внутри конца корпуса 14, и катодная клемма 24 помещена через отверстие 72 в торцевой крышке 70. Катодная клемма 24 электрически соединена с пенометаллической перфорированной стенкой 30' внутри корпуса и источником напряжения вне корпуса.
На фиг.9 представлен собранный генератор газообразного водорода 10', который включает торцевые крышки 70, закрепленные таким образом, что насыщенный солевой раствор или вода 90 может свободно течь внутри полости, но не вытекать наружу. Выпускной патрубок 13 позволяет насыщенному солевому раствору или воде вытекать из полости корпуса, когда патрубок находится в открытом положении, и предотвращает вытекание в закрытом положении. Впускной патрубок 12 позволяет насыщенному солевому раствору или воде поступать внутрь полости корпуса, когда патрубок находится в открытом положении, и предотвращает поступление в закрытом положении.
На фиг.10 представлен анод 18', поддерживаемый внутри полости корпуса анодными клеммами 11 и анодными шайбами 34. Шайбы 34 присоединены к анодным клеммам 11 и контактируют с внешней стенкой анода 18', предотвращая перемещение анода 18' относительно корпуса 14. Анодная клемма 11 прикреплена к корпусу 14 изоляционной кольцевой прокладкой 32'.
На фиг.11 представлен генератор газообразного водорода 10, соединенный с системой резервуара для промывки насыщенного солевого раствора в полости корпуса. Корпус может включать прозрачное окно 46 для визуального контроля работы генератора внутри. Система резервуара включает бак резервуара 58, подающий трубопровод 62 для поступления раствора 59 из бака 58 в генератор через клапан 67. Система также включает возвратный трубопровод 64, возвратный клапан 68 и насос 66 для прокачивания насыщенного солевого раствора 59 через генератор и бак.
На фиг.12 представлены компоненты, которые присоединены к генератору газообразного водорода для регулирования и измерения выхода газа из выпуска генератора 80 (фиг.1). Компоненты включают клапан 124 для регулирования поступления газообразного водорода из выпуска 80 в каустической барботер 38. Выпуск из барботера 38 включает спускной клапан 126, выпускной клапан для водорода 122 и реле Hobbs 128. Реле Hobbs 128 является датчиком реле давления, который включает реле, срабатывающее, когда давление превышает заданное значение. Реле Hobbs может использоваться для замыкания цепи безопасности и отключения работы генератора газообразного водорода, если давление газообразного водорода превышает безопасное значение.
На фиг.13 представлена блок-схема контроллера генератора газообразного водорода. Контроллер включает центральный процессор 100 и входы от генератора газа или от регулирующих компонентов, показанных на фиг.12, включающих вход 102 от реле Hobbs 128 и вход 104 от манометра на корпусе генератора газа. Выходы контроллера включают выход 110, который посылает электрический выходной сигнал для управления выпускным патрубком, выход 112 для регулирования напряжения на анодной и катодной клеммах, выход 116 для управления насосом 66 и выход 118 для управления промывочными клапанами 67, 68. Выходы контроллера также могут включать предохранитель отключения 114 и регулятор газообразного водорода 120 для регулирования клапана 124.
Анод предпочтительно является алюминиевым, хотя могут быть использованы и другие металлы. Катодные стержни предпочтительно изготовлены из нержавеющей стали, хотя могут использоваться и другие металлы. Структуры анода и катода могут быть взаимозаменяемыми и/или переполюсованными в генераторе газообразного водорода настоящего изобретения.
В процессе работы насыщенный солевой раствор или воду 90 закачивают в полость генератора газообразного водорода 10 и между анодом и катодами создают разность потенциалов, разлагая и подвергая электролизу воду внутри цилиндра. Химическая реакция приводит к образованию газообразного водорода и кислорода и может создавать другие побочные продукты, в том числе гидроксиды, хлор и каустическую соду. Образованный газообразный водород может выходить из выпуска 80 для газообразного водорода, тогда как продувочный клапан 82 предназначен для выпуска другого газа или воды из полости корпуса 14.
Генератор газообразного водорода настоящего изобретения преодолевает недостаток известного уровня техники с помощью использования перфорированной стенки, которая в достаточной степени отделяет основную полость корпуса от концевых камер, но дает возможность насыщенному солевому раствору поступать из полости в концевую камеру и из концевой камеры в полость.
Хотя изобретение было подробно описано в связи с конкретным вариантом осуществления, очевидно, что многие альтернативные варианты, модификации и изменения будут ясны специалистам в данной области в свете вышеприведенного описания. Поэтому предполагается, что прилагаемая формула изобретения будет охватывать любые такие альтернативные варианты, модификации и изменения как попадающие в пределы фактического объема и сущности настоящего изобретения.
Таким образом, на основе описания изобретения следует формула изобретения.