ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА

Полезная модель относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода, как в стационарных установках, так и на транспорте.
Известен генератор водорода транспортной энергоустановки, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенным в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, перепускная емкость, сообщающаяся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, имеющая объем, превышающий объем жидкого реагента и снабженная магистралью наддува, а магистраль подачи 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, причем реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, а реакционный сосуд размещен внутри. [Патент РФ №2243147, МПК С01В 3/08, опубл. 27.12.04., БИ №36, авторы Челяев В.Ф., Глухих И.Н., и др. «Генератор водорода транспортной энергоустановки»].
Недостатком генератора водорода является периодический режим его работы, отсутствие «мягкой» расходной характеристики и необходимого быстродействия.
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, 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 С01В 3/08, опубл. 27.07.07., БИ №21, авторы Носырев Д.Я, Балакин Д.С. «Генератор водорода»]
Недостатком генератора водорода является периодический режим его работы, малая производительность и низкое быстродействие.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является разработка генератора водорода непрерывного действия с повышенным быстродействием.
Технический результат достигается тем, что генератор водорода, работающий на гидролизе с твердым реагентом имеющий, корпус с реактором, контейнер с твердым реагентом, магистраль выдачи водорода на которой установлен первый накопитель водорода с входным патрубком и датчиком давления и два электроуправляемых клапана, линию сброса продуктов реакции с электроуправляемым клапаном, линию подачи щелочи с электроуправляемым клапаном, вакуум-насос, а также блок программного управления, блок обработки и анализа, блок измерения, причем в генератор водорода дополнительно введены три цилиндрических реактора с контейнерами, которые выполнены из металлической сетки, и в каждом реакторе установлены мешалка с приводом, измеритель уровня твердого реагента, измеритель уровня щелочи, измеритель концентрации щелочи, датчик температуры, а так же введены второй накопитель водорода с датчиком давления и датчиком температуры, датчик давления, измеритель концентрации, два обратных клапана, восемнадцать электроуправляемых клапанов, причем корпус генератора выполнен с выходным патрубком и входным патрубком с обратным клапаном и в корпусе генератора с зазором по окружности на равном расстоянии друг от друга размещены четыре реактора с верхними и нижними крышками, внутри реакторов с зазором размещены цилиндрические контейнеры, которые в верху выполнены в форме полого усеченного конуса, который жестко закреплен большим основанием к стенкам реактора, а в нижней части жестко закреплены ко дну корпуса, по оси контейнера размещены мешалки спиралевидной формы, в корпусе генератора с зазором к его дну и параллельно его оси размещены четыре патрубка отвода водорода из реакторов, которые через электроуправляемые клапаны соединены с патрубками подачи водорода в реакторы и один патрубок вывода водорода из корпуса генератора, который через электроуправляемый клапан соединен с выходом второго накопителя водорода, а его второй выход соединен через электроуправляемый клапан с патрубками подачи водорода в каждый реактор, на которых установлены электроуправляемые клапаны, выход первого накопителя водорода через электроуправляемый клапан соединен с входом второго накопителя водорода, а его вход через обратный клапан и вакуум-насос соединен с патрубками ввода водорода в каждый реактор, на патрубках подачи щелочи в реакторы установлены электроуправляемые клапаны, патрубки слива щелочи из реакторов соединены с линией слива щелочи в накопитель (условно не показан) и на них установлены электроуправляемые клапаны, в первом накопителе водорода установлен датчик температуры, на линии выхода водорода из корпуса установлен измеритель концентрации, причем все измерители концентрации, измерители уровня, датчики температуры и датчик давления соединены с блоком измерения, блоком обработки и анализа и блоком программного управления, который, в свою очередь, соединен со всеми электроуправляемыми клапанами, приводом мешалок и вакуум-насосом.
Непрерывный режим работы генератора водорода достигается размещением нескольких реакторов в одном корпусе, причем один из реакторов запускается в работу по мере выработки твердого реагента в работающих реакторах, а повышенное быстродействие достигается размещением в контейнерах мешалок, а так же выполнением контейнеров и мешалок из металла, способного образовывать с реагентом микрогальванические пары в щелочной среде, что позволяет ускорить и усилить процесс получения водорода.
На фиг.1 представлена принципиальная схема генератор водорода, на фиг.2 изображен разрез А-А фиг.1.
Генератор водорода состоит из корпуса 1, четырех реакторов 2 с верхними крышками 3 и нижними крышками 4, четырех контейнеров 5 с реагентом 6, четырех мешалок 7 с приводом 8, четырех патрубков отвода водорода из реакторов 9, первого накопителя водорода 10, второго накопителя водорода 11, вакуум-насоса 12, датчиков давления первого и второго накопителя водорода 13, 14, датчиков температуры первого и второго накопителя водорода 15, 16, четырех датчиков температуры в реакторах 17, четырех измерителей уровня щелочи в реакторах 18, четырех измерителей уровня твердого реагента в реакторах 19, четырех измерителей концентрации в реакторах 20, измерителя концентрации 21 на линии выхода водорода, обратного клапана подачи воды в корпус 22, обратного клапана подачи водорода в первый накопитель водорода 23, четырех электроуправляемых клапанов подачи щелочи 24, электроуправляемого клапана 25 слива щелочи в накопитель (условно не показан), четырех электроуправляемых клапанов слива щелочи из реакторов 26, электроуправляемого клапана 27 подачи водорода в реакторы из второго накопителя водорода, четырех распределительных электроуправляемых клапанов подачи водорода в реакторы 28, четырех электроуправляемых клапанов подачи водорода в корпус 29, электроуправляемого клапана 30 подачи водорода в первый накопитель водорода, электроуправляемого клапана 31 подачи водорода из первого накопителя водорода во второй накопитель водорода, электроуправляемых клапанов выхода водорода 32, 33, блока программного управления 34, блока обработки и анализа 35 и блок измерения 36.
Генератор водорода работает следующим образом.
Открывают верхние крышки 3 и в контейнеры 5 реакторов 2 генератора водорода загружают твердый реагент 6 (например: гранулированный алюминий). После чего закрывают верхние крышки 3 и запускают блок программного управления 34, который связан с блоком обработки и анализа 35 и блоком измерения 36. Блок программного управления открывает электроуправляемые клапаны подачи щелочи 24 и гидрооксид щелочи (например: NaOH) поступает в три реактора из четырех.
Количество твердого реагента контролируется измерителями уровня твердого реагента 19, которые установлены в каждом реакторе.
Корпус 1 генератора водорода выполнен цилиндрической формы. В корпусе с зазором по окружности на равном расстоянии друг от друга размещены четыре цилиндрических реактора 2 с верхними 3 и нижними 4 крышками. Внутри каждого реактора размещены цилиндрические контейнеры 5, которые выполнены из металлической сетки. В верхней части контейнеры 5 выполнены в форме полого усеченного конуса, который жестко закреплен большим основанием к стенкам реактора 2, а в нижней части контейнеры жестко закреплены ко дну корпуса 1. По оси каждого контейнера размещены спиралевидные мешалки 7 с приводом 8. Мешалки 7 всех реакторов приводятся во вращение от одного привода 8. При работе мешалки перемешивают твердый реагент 6, обеспечивая его полный контакт со щелочью.
В результате контакта жидкого реагента - водного раствора щелочи NaOH с алюминием начинается химическая реакция, в результате которой выделяется водород и тепло. Для отвода выделяемого тепла пространство в корпусе между реакторами заполняется водой, которая отводит тепло от реакторов. Вода подается в корпус через входной патрубок корпуса генератора, на котором установлен обратный клапан 22, препятствующий попаданию водорода в систему охлаждения, и удаляется из корпуса через выходной патрубок корпуса генератора.
В корпусе генератора с зазором к его дну и параллельно его оси размещены четыре патрубка 9 отвода водорода из реакторов. Получаемый водород из реакторов поступает через электроуправляемые клапаны 29 подачи водорода в корпус, в патрубки отвода водорода, откуда далее направляется в нижнюю часть корпуса генератора водорода, при этом распределительные электроуправляемые клапаны 28 должны быть закрыты. Водород, поднимаясь вверх корпуса генератора, очищается от щелочи. Длина патрубков 9 и их расположение в корпусе обеспечивают максимально длительный контакт очищаемого водорода с охлаждаемой водой.
В корпусе генератора водорода также выполнен один патрубок выдачи водорода из корпуса. По этому патрубку очищенный от щелочи водород через открытый электроуправляемый клапан 30 подачи водорода в первый накопитель водорода и закрытый электроуправляемый клапан 32 направляется в первый накопитель водорода 10.
Для контроля количества водорода, а также его температуры в первом накопителе водорода установлен датчик давления 13 и датчик температуры 15. Как только первый накопитель водорода заполнится, закрывают электроуправляемый клапан 30 и открывают электроуправляемый клапан 32, после чего водород поступает напрямую к потребителю.
Твердый реагент 6 в реакторах будет вырабатываться неравномерно. По мере выработки твердого реагента соответствующий реактор будет выводиться из работы, и будет запускаться свободный реактор. При этом сначала выведется из работы мешалка соответствующего реактора. После чего откроется электроуправляемый клапан 26 выводимого из работы реактора и гидрооксид щелочи, в зависимости от его концентрации, направится либо в канализацию через открытый электроуправляемый клапан 25 слива щелочи в накопитель (условно не показан) либо при закрытом клапане 25 в запускаемый реактор, при условии, что электроуправляемый клапан 26 запускаемого реактора открыт.
В том случае, если гидрооксид щелочи необходимо направить в запускаемый реактор, то открывается электроуправляемый клапан 28 отключаемого реактора и закрывается его электроуправляемый клапан 29 подачи водорода в корпус и в отключаемый реактор через открытый электроуправляемый клапан 27 подается водород из второго накопителя водорода 11, при этом электроуправляемые клапаны 26 запускаемого и выводимого из работы реактора открыты. В результате щелочь под давлением водорода вытесняется из отключаемого реактора в запускаемый.
Первый накопитель водорода 10 через электроуправляемый клапан 31 соединен со вторым накопителем водорода 11. Давление и температура водорода, находящегося во втором накопителе водорода превышает давление и температуру водорода находящегося в первом накопителе водорода. Причем давление во втором накопителе водорода поддерживается необходимым для вытеснения всей щелочи из одного реактора в другой при их переключении и контролируется датчиком давления 14 и датчиком температуры 16.
Как только запускаемый реактор заполнится щелочью, закрываются электроуправляемые клапаны 26 запускаемого и выводимого из работы реакторов и включится мешалка запускаемого реактора. После чего вакуум-насос 12 через открытый обратный клапан 23 откачает водород из отключенного реактора в первый накопитель водорода. Затем закроется электроуправляемый клапан 28 отключенного реактора, откроется его нижняя и верхняя крышки, и отработанный твердый реагент заменят на новый. Таким образом, происходит переключение реакторов.
Для измерения уровня гидрооксида щелочи в реакторах, ее концентрации и температуры в каждом реакторе генератора водорода установлены измерители уровня щелочи 18, измерители концентрации 20 и датчики температуры 17.
Для контроля качества получаемого водорода на патрубке выдачи водорода из корпуса установлен измеритель концентрации водорода 21.
При необходимости подачи водорода потребителю в повышенном объеме открывают электроуправляемый клапан 33, и водород из второго накопителя водорода направляется к потребителю, при этом электроуправляемый клапан 32 открыт.
При необходимости во время работы генератора водорода часть гидрооксида щелочи может сливаться из реакторов и заменяться новой.
Предпочтительно чтобы контейнеры с твердым реагентом 5 и мешалки 7 были выполнены из металла, который способен создавать с твердым реагентом 6 в среде электролита микрогальванические пары. К таким металлам можно отнести медь, олово, никель. При контакте алюминия с медью, оловом или никелем в среде электролита образуется микрогальваническая пара соответственно Cu-Al, Sn-Al, Ni-Al, в которой алюминий будет являться анодом, т.к. электродный потенциал трехвалентного алюминия равен -1,66 В, а медь, олово или никель - катодом, т.к. электродный потенциал этих металлов равен, соответственно: меди +0,34 В, олова -0,14 В, никеля -0,25 В. Медь, никель, олово, при взаимодействии с алюминием в щелочной среде ускорят и усилят процесс выделения водорода.
Предлагаемый генератор водорода с твердым реагентом обеспечивает непрерывный режим работы, «мягкую» расходную характеристику и повышенное быстродействие, что позволяет увеличить выход водорода на 60-70%.