ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА
GAS GENERATOR FOR PRODUCING HYDROGEN

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте. Генератор представляет собой реактор для производства водорода путем химической реакции между водой и композитом из алюминия. Газогенератор может быть использован в автомобилях, а также в других подвижных и неподвижных системах, вырабатывающих газообразное топливо для питания ДВС, турбин и других устройств и установок, для работы которых необходимо газообразное топливо. Газогенератор может работать на твердых металлах, композитах из металлов и других твердых материалах, взаимодействие которых с водой или другими жидкостями (за исключением жидкостей с очень высокой токсичностью и химической активностью), способными в результате общей химической реакции производить газы.
Уровень техники
3
Известным газогенератором для производства водорода является газогенератор на основе использования энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), выделяющий энергию при химическом взаимодействии с водой [Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и их использование. - Киев: Наукова думка, 1980. - С.79-105 с.]. Реактор газогенератора представляет собой цилиндрическую емкость объемом 12,7 дм с приварными днищами. В верхнем днище имеется четыре штуцера: для засыпки ЭАВ, подачи воды, отвода водорода и размещения термопар. В нижнем днище - один штуцер для выгрузки продуктов реакции. Распределение жидкости в слое порошка обеспечивается разветвленной системой каналов для ее подвода, состоящей из вертикального коллектора диаметром 8 мм, по высоте которого в трех местах установлены по три штуцера диаметром 6 мм, заканчивающихся наконечниками с цилиндрическими соплами по 9 штук диаметром 5 мм в каждом. Экспериментальный образец прост по конструкции и надежен в эксплуатации.
К недостаткам аналога можно отнести следующее:
- совмещение емкости ЭАВ с реакционной зоной увеличивает размеры аппарата, находящегося под высоким давлением, в результате расход металла на изготовление реактора возрастает;
- нет гарантии также в том, что все слои порошка в достаточной степени смачиваются водой;
- реактор газогенератора обладает высокой инертностью, поскольку часть воды аккумулируется в продуктах реакции, и при отключении установки именно эта часть обусловливает продолжение реакции.
Известен газогенератор [Генератор водорода и способ его эксплуатации / И.Н.Глухих, В.Ф.Челяев, А.Н.Щербаков. - Патент РФ №2258669, МПК С01В 3/08. Опубл. 2005, Бюл. №23.], который содержит реакционный сосуд с гранулами твердого реагента, магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента и теплообменник для отвода тепла реакции. В состав генератора введен загрузочный бункер с люком, герметичным при работе генератора, а внутрь загрузочного бункера введены пусковой нагреватель и магистраль теплоносителя, которая включена в контур теплообменника для отвода тепла реакции на его выходе. К недостаткам данного изобретения можно отнести следующее:
- загрузка гранул твердого реагента в реакционный сосуд осуществляется из загрузочного бункера, что не позволяет создать управляемый процесс производства водорода;
- сложный технологический процесс перед загрузкой гранул твердого реагента в реакционный сосуд, когда их предварительно нагревают до температуры реакции в загрузочном бункере;
- эффективность работы генератора и его быстродействие зависят от работы загрузочного бункера, который в данном случае используется в качестве важного элемента системы терморегулирования генератора.
Известен газогенератор [Генератор водорода / И.Н.Глухих. - Патент РФ №226157, МПК С01В 3/08. Опубл. 2005, Бюл. №35.], который представляет собой химический реактор, в состав которого введены два накопителя водорода, снабженные датчиками давления, при этом каждый накопитель водорода пневматически связан через входной клапан с реакционным сосудом, а через выходной клапан - с магистралью выдачи водорода, причем накопители водорода выполнены в виде герметичных емкостей, частично заполненных водой и гидравлически соединенных друг с другом через теплообменник для отвода тепла реакции и регулятор расхода воды, который вместе с клапанами электрически соединен с блоком управления, к которому подключены также датчики давления, установленные в накопителях водорода. Данное изобретение имеет те же недостатки, а усложнение технологического процесса не позволяет повысить надежность его работы. Наличие накопителей водорода снижает безопасность его эксплуатации.
Более близким к предназначенному решению является газогенератор водорода [Сплав на основе алюминия для генерирования водорода. Способ его получения и генератор водорода / B.C.Терещук. - Патент РФ №2253606, МПК С01В 3/08. Опубл. 2005, Бюл. №16] (прототип). Данное изобретение представляет реактор для производства водорода путем химической реакции между водой и композитом из алюминия. Газогенератор водорода, предназначенный для производства водорода путем химической реакции воды и композита из алюминия, состоит из реактора, внутри которого установлены пластины из алюминия, ресивера, водяного насоса и крана слива. Однако и прототип имеет существенные недостатки, к которым можно отнести следующее:
- сложность технологического процесса смены реагирующего компонента.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого решения является разработка автономного газогенератора водорода повышенной производительностью с быстрой сменой реагирующего компонента.
Основные требования, предъявляемые к разработке газогенератора для производства водорода:
- процессы получения высокочистого водорода должны производиться в необратимых реакциях с различными водородогенерирующими материалами, технологические процессы их регенерации и последующего использования продуктов реакции;
- должны быть разработаны высокоактивные и стабильные инициаторы и катализаторы, обеспечивающие управление процессом и стабильную генерацию водорода в течение длительного времени работы энергетической установки;
- должны быть разработаны технология и средства быстрой (2-3 мин) заправки генератора водорода реагентами путем смены картриджей в полевых условиях, обеспечивающие безопасность и отсутствие вредных выбросов;
- должны быть разработаны конструктивные решения генераторов водорода модульных типов, допускающие технологическое масштабирование;
- ресурс единичной заправки генератора водорода должен обеспечивать непрерывную работу топливного элемента на максимальной мощности в течение не менее 8 часов;
- в режиме ожидания время гарантированной готовности разрабатываемого резервного источника энергии к использованию должно составлять не менее 10000 час.
Задача решается газогенератором для производства водорода путем химической реакции композита из алюминия и воды, содержащим реактор, внутри которого установлены пластины композита из алюминия, ресивер, водяной насос и кран слива. Пластины композита из алюминия выполнены прямоугольной формы, установлены внутри реактора вертикально, меньшей стороной вниз, расположены по радиусу равномерно по окружности и зафиксированы с двух сторон в радиальных пазах крепежного элемента пластин, выполненного в виде трубы и насаженных на нее двух дисков с радиальными пазами, прикрепленного по центру к крышке реактора и вместе с ней и пластинами образующего сменный картридж, в нижней части которого гайка, шайбы и пружина плотно закрепляют пластины между дисками. 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.
Сущность предложения еще заключается в том, что позволяет производить водород в результате химической реакции композита из алюминия с содержанием NaOH до 10% и водой. Производительность данного реактора определяется суммарной площадью поверхности пластин активированного композита, а время работы их толщиной и массой.
Краткое описание чертежей
Схема предлагаемой конструкции газогенератора приведена на чертеже, где обозначено:
1 - замочный затвор;
2 - корпус реактора;
3 - легкосъемная крышка;
4 - центральный элемент крепежной панели (трубка);
5 - верхний элемент крепежной панели (диск с радиальными пазами);
6 - пластина активированного алюминия;
7 - нижний элемент крепежной панели (диск с радиальными пазами);
8 - резиновая прокладка;
9 - сменный картридж;
10 - ручка;
11 - штуцер;
12 - шайба;
13 - пружина;
14 - гайка.
Осуществление изобретения
Реактор газогенератора водорода имеет корпус 2 цилиндрической формы. К верхней части корпуса прикрепляется замочный затвор 1, который нужен для жесткого закрепления крышки, которая одновременно служит картриджем, для легкой и быстрой замены реагента, а также для сохранения герметичности внутри реактора. В верхней части корпуса реактора, в месте крепления крышки, наварена кайма с пазом внутри. Данная кайма необходима для повышения герметичности внутри реактора. В корпусе имеются четыре отверстия для последующего присоединения штуцеров 11. В этих отверстиях нарезается резьба для присоединения штуцеров.
Отверстие в верхней части корпуса служит для отвода водорода. Два отверстия, расположенных на одном уровне в центральной части корпуса, служат для подачи и отвода воды, при этом должно обеспечиваться условие проточности воды с целью отвода тепла, которое образуется в результате химической реакции композита из алюминия и воды. Отверстие в нижней части корпуса служит для полного отвода воды и удаления шлаков из реактора.
Сверху основной корпус закрывается легкосъемной крышкой 3, к которой приварены сверху ручка 10 для удобства открывания, а снизу по центру центральный элемент крепежной панели 4 для пластин активированного алюминия 6. Все эти позиции вместе образуют съемный картридж 9. Внизу крышки 3 имеется приваренная кайма, которая служит для увеличения герметичности внутри газогенератора. Центральный элемент крепежной панели представляет собой трубку. В верхней части имеется утолщение диаметра трубки, оно необходимо для упора верхней крепежной панели 5.
Верхний и нижний элементы крепежной панели 5 и 7 очень похожи между собой и выполнены в виде дисков с радиальными пазами. Верхний и нижний элементы идентичны по своим размерам и имеют с одной стороны прорезанные пазы, в которые вставляются пластины композита алюминия. Данный крепежный элемент необходим для жесткого закрепления и последующего удержания в газогенераторе пластин композита из алюминия 6 или другого активированного материала, способного при взаимодействии с водой (и другими жидкостями) выделять водород (или другой газ).
Между крышкой и корпусом газогенератора находится резиновая прокладка 8. Эта прокладка необходима для повышения герметичности газогенератора. В нижней части центрального крепежного элемента нарезана резьба. На нее надеваются две шайбы 12, пружина 13 и снизу она прижимается гайкой 14, это необходимо для более жесткого закрепления пластин активированного алюминия в крепежном элементе, так как при работе реактора возможна вибрация. Для удешевления производства предлагается использовать стандартные изделия (шайбы, пружина, гайка).
Верхний и нижний элементы крепежной панели рекомендуется изготавливать из тефлона, оргстекла или других коррозионно-стойких и теплостойких материалов. Эти материалы легки в обработке, недорогие, а также способны выдержать повышенную температуру, которая образуется в результате химической реакции между водой и активированным алюминием.
2
Пластины активированного алюминия выполнены прямоугольной формы. Производительность пластин определяется суммарной площадью их поверхности, а время работы их толщиной и массой и удельной (т.е. с 1 м активированного Al) газопроизводительностью активированного Al при его реакции с обычной водой.
Реактор газогенератора водорода имеет корпус цилиндрической формы, изготовленный из нержавеющей стали или из другого коррозионно-стойкого материала, способного выдерживать рабочее давление от 1 до 3 атмосфер. Для усиления корпуса как концентратора напряжения необходима выпуклость в верхней части корпуса. Размеры корпуса подобраны исходя из того, что внутри корпуса должен помещаться легкосменный картридж с расположенными внутри пластинами из активированного алюминия. Расстояние между внутренней поверхностью бака до картриджа не менее 10 мм. Внутри реактора находится сменный картридж с установленными внутри пластинами из твердого реагента, который легко вынимается, перезаправляется и вставляется обратно для продолжения работы. Во время перезаправки картриджа реактор должен находиться в нерабочем (отключенном) состоянии. При работе реактора должны соблюдаться условия проточности воды (и др. жидкостей).