ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА
HYDROGEN GENERATOR

Изобретение относится к мобильным генераторам водорода и может быть использовано как для обеспечения водородом энергетических установок прямого использования водорода, так и при работе в комплекте с топливными элементами.
Известно устройство для получения водорода, содержащее два соосно установленных изолированных от внешней среды сосуда с крышками, клапан и штуцера. (А.с. СССР №1228889, МПК B01J 7/00, 1981). Работает устройство следующем образом. Внутренняя емкость заполняется твердой фазой, а внешняя емкость заполняется до определенного уровня жидкой фазой. При взаимодействии реагентов выделяется водород и под его давлением жидкая фаза вытесняется из реактора и реакция замедляется.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции - наличие двух полостей для сбора водорода, встроенного пружинного клапана, невозможность получения стабильных водородных характеристик, слабое охлаждение реактора, невозможность полного останова реактора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному техническому решению и принятым здесь в качестве прототипа является генератор водорода (Патент RU №2060928, МПК C01B 3/08, 1993), содержащий герметичный корпус, внутри которого соосно вертикально закреплена перегородка оболочковой формы, разделяющая объем корпуса на центральную (реакционную) зону с расположенными внутри нее твердометаллическим и жидким реагентами и периферийную зону, содержащую жидкий реагент, при этом крышка корпуса оснащена патрубками для заправки реагентов и выдачи водорода и датчиком давления газовой среды внутри корпуса. В этом генераторе перегородка изолирует по газовой фазе центральную зону от периферийной и делает их сообщающимися по жидкому реагенту. Это позволяет изменять скорость выделения водорода в зависимости от скорости его потребления. Действительно, при превышении скорости потребления водорода над скоростью его образования давление газа в центральной зоне снижается, что приводит к перетеканию жидкого реагента из периферийной зоны в центральную с повышением уровня жидкости. Это, в свою очередь, приводит к повышению площади поверхности контакта жидкого и твердометаллического реагентов и, в конечном итоге, повышению давления водорода. При снижении скорости расходования водорода или полном его прекращении давление водорода в центральной зоне повышается, что заставляет жидкий реагент перетекать в периферийную зону, осушая твердометаллический реагент и, таким образом, прекращая генерацию водорода. Регулирование скорости выделения водорода в таком генераторе происходит автоматически, без участия человека. В этом случае регулируемый параметр (давление водорода в центральной зоне) сам приводит в действие механизм изменения уровней жидкости в обеих зонах.
Однако указанный генератор водорода обладает следующими недостатками.
В случае значительного снижения или прекращения потребления водорода для полной осушки твердометаллического реагента требуется значительное давление водорода в центральной зоне, чтобы преодолеть силу давления, возникающую в закрытом пространстве над зеркалом жидкости в периферийной зоне при подъеме в ней уровня жидкости. Для снижения этой противодействующей силы приходится применять незначительную высоту засыпки твердометаллического реагента, большие объемы периферийной зоны и жидкого реагента, большую толщину материала корпуса, что приводит к неоправданному повышению массогабаритных характеристик генератора, ограничению продолжительности непрерывной его работы (обычно не более 2 часов) и снижению удельной максимальной производительности по водороду (до 600 л/час из 45 л жидкого реагента). Для предотвращения чрезмерно высокого роста давления водорода приходится сбрасывать часть генерируемого водорода в атмосферу через предохранительный клапан. Эффективность работы генератора невысока.
Целью предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности работы генератора водорода.
Для устранения указанных недостатков предложен генератор водорода, содержащий герметичный корпус, внутри которого соосно вертикально закреплена перегородка оболочковой формы, разделяющая объем корпуса на центральную (реакционную) зону с расположенными внутри нее твердометаллическим и жидким реагентами и периферийную зону, содержащую жидкий реагент, при этом крышка корпуса оснащена патрубками для заправки реагентов и выдачи водорода и датчиком давления газовой среды внутри корпуса. Перегородка плотно закреплена к днищу корпуса и с зазором к его крышке, при этом генератор оснащен двумя побудителями движения жидкого реагента, установленными на трубопроводах, соединяющих центральную и периферийную зоны, и электронным блоком регулирования, связанным с датчиком давления и побудителями движения. Побудителями движения могут быть погружные центробежные микронасосы. Перегородка может иметь форму цилиндра, усеченного конуса, усеченного эллипсоида или их сочетаний.
На чертеже схематично представлен наиболее предпочтительный вариант генератора водорода.
Генератор водорода представляет собой цилиндрический корпус 1, внутри которого соосно размещена цилиндрическая перегородка 2. Перегородка плотно закреплена к днищу 3 корпуса на некотором расстоянии от крышки 4, образуя тем самым две зоны - центральную 5 и периферийную 6, сообщающиеся по газовому пространству под крышкой 4. По оси центральной зоны 5 в корзине 7 размещен твердометаллический реагент 8 в виде цилиндрической отливки. Корзина с твердометаллическим реагентом подвешивается к крышке 9 загрузочного патрубка 10. Устройство быстрого крепления и съема корзины не принципиально, оно может быть выполнено, например, в виде байонетного затвора и поэтому не показано. На дне зон 5 и 6 установлены погружные центробежные микронасосы 11 и 12 соответственно. Нагнетающие трубопроводы 13 и 14 соответственно заканчиваются в смежных зонах 6 и 5 соответственно. На крышке 4 кроме загрузочного патрубка 10 имеется патрубок 15 для заправки жидкого реагента, предохранительный клапан 16, патрубок 17 для выдачи водорода и датчик давления 18 газовой среды в генераторе. Генератор оснащен электронным блоком регулирования 19, который связан с датчиком давления 18 и насосами 11 и 12. Линии связи на чертеже показаны пунктирными линиями. На линии отвода водорода установлен регулятор давления 20. На днище 3 установлен сливной патрубок 21.
Генератор работает следующим образом.
Через патрубок 15 заливают расчетное количество жидкого реагента, представляющего собой, например, водный раствор хлорида натрия или морскую воду, и плотно его закрывают. При снятой крышке 9 через патрубок 10 заливают другое расчетное количество того же жидкого реагента. В корзину 7 закладывают твердометаллический реагент 8, представляющий собой цилиндрическую отливку, выполненную, например, из гидрореагирующего сплава магния. Корзину 7 с реагентом закрепляют к крышке 9, например, с помощью байонетного затвора (на чертеже не показан), вставляют в патрубок 10 и крышку плотно закрепляют на нем.
В результате химической реакции взаимодействия твердометаллического и жидкого реагентов происходит выделение водорода. По мере накопления водорода внутри корпуса генератора увеличивается давление и при достижении заданной величины начинается отбор водорода потребителю через патрубок 17. Скорость образования водорода определяется площадью поверхности контакта реагентов: чем больше эта площадь, тем выше скорость образования водорода. В свою очередь, площадь контакта находится в прямой зависимости от уровня жидкого реагента в центральной (реакционной) зоне 5. В случае превышения скорости потребления водорода над скоростью его образования давление в корпусе генератора, считываемое датчиком давления 18, снижается, и при достижении минимально допустимого задаваемого значения электронный блок регулирования 19 дает команду для включения микронасоса 12. При работе этого микронасоса жидкий реагент из периферийной зоны 6 перекачивается в реакционную зону 5, повышая в ней уровень жидкости и тем самым площадь поверхности контакта реагентов. При этом скорость образования водорода увеличивается, компенсируя его потребление, и, при дальнейшем повышении уровня в реакционной зоне, давление начинает повышаться. При достижении величины давления водорода максимально допустимого заданного значения электронный блок регулирования 19 дает команду на отключение микронасоса 12. При этом прекращается изменение уровня жидкости в реакционной зоне 5, скорость выделения водорода стабилизируется на определенном уровне.
При прекращении потребления водорода или отсутствии потребителя давление в генераторе возрастает до предельно допустимой величины и электронный блок регулирования 19 включает микронасос 11, который откачивает жидкий реагент из реакционной зоны 5 в периферийную зону 6 до полной осушки твердометаллического реагента. При этом генерация водорода полностью прекращается.
Таким образом осуществляется непрерывная генерация водорода и стабильная подача его потребителю.
Плотное крепление перегородки к днищу корпуса генератора и с зазором к его крышке образует две зоны, изолированные друг от друга по жидкому реагенту и сообщающиеся по газу. В этом случае отсутствуют какие-либо силы, препятствующие перетеканию жидкого реагента из одной зоны в другую. Это позволяет использовать высокие слои засыпки (или длинные стержни) твердометаллического реагента и незначительные объемы жидкого реагента, что снижает массогабаритные характеристики генератора, повышает удельную скорость выделения водорода и продолжительность непрерывной работы (660 л/ч водорода из 36 литров жидкого реагента при времени непрерывной работы генератора 8 часов). Использование двух побудителей движения жидкого реагента и двух трубопроводов позволяет эффективно регулировать скорость выделения водорода в зависимости от степени его потребления путем быстрого изменения уровня жидкого реагента и тем самым площади поверхности контакта реагентов. Оснащение генератора водорода системой автоматического регулирования, состоящей из связанных между собой датчика давления, электронного блока регулирования и двух побудителей (насосов), позволяет эффективно управлять работой генератора водорода в автоматическом режиме. Неоправданные потери водорода через предохранительный клапан отсутствуют.
Применение центробежных микронасосов в качестве побудителей движения жидкого реагента увеличивает скорость реагирования системы регулирования по сравнению, например, с насосами объемного действия.
Использование погружных микронасосов существенно упрощает и повышает надежность и безопасность генератора, поскольку не требуется предварительная заливка колеса насоса жидкостью и установка обратных клапанов. Существенно снижена опасность перегрева насосов. Искрящие части погружных насосов выведены из зоны возможного контакта с водородом.
Выполнение перегородки в форме цилиндра, усеченного конуса, усеченного эллипсоида или их сочетаний расширяет возможности регулирования, поскольку при постоянной производительности насосов скорость изменения площади поверхности контактирования реагентов зависит от площади поперечного сечения реакционной (внутренней) зоны. Например, использование перегородки в виде усеченного эллипсоида позволяет иметь различную скорость изменения производительности при различных значениях производительности: при высокой и низкой производительностях (высоком и низком уровнях жидкого реагента в реакционной зоне) скорость изменения производительности высокая, зато в области средних значений производительности скорость изменения сравнительно невысока.
Таким образом, совокупность существенных признаков предложенного технического решения позволяет повысить эффективность работы генератора водорода.
Следует понимать, что может быть предложено большое множество вариантов конструкций генератора водорода, отвечающих сути и формуле изобретения.