СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ
SYSTEM OF ENERGY PRODUCTION

Область техники
Настоящее изобретение относится к производству энергии, в частности к системе для повышения производительности существующей системы производства энергии, которая обеспечивает не загрязняющий источник энергии из воды в виде водорода и тепла.
Уровень техники
2
В настоящее время доступны различные источники энергии, такие как ядерные, солнечные, гидроэлектрические, геотермические и приливные. Однако до сих пор наиболее широко распространенными и удобными источниками энергии являются те, которые основаны на сжигании углеродсодержащих веществ, например каменный уголь, газ, кокс, дерево, нефть и дизельное топливо. При сгорании таких углеродсодержащих веществ неизбежно образуются оксиды углерода и в особенности CO.
2
CO представляет собой пресловутый "парниковый" газ, и целью разработанного в 1997 году Киотского протокола является уменьшение уровня подобных парниковых газов и, в конечном счете, снижение до минимума степени глобального потепления и его последствий.
Поэтому использование водорода в качестве топлива представляет собой достаточно привлекательную альтернативу.
2
Топливные элементы преобразуют водород непосредственно в электроэнергию в результате реакций, которые включают реформинг богатых водородом органических соединений (таких как метан и метанол) при помощи пара, катализа, повышенных температур и т.п. Топливные элементы работают при помощи прямого преобразования химической энергии в топливе в электрическую энергию без промежуточных превращений при сгорании. Они представляют собой основной источник массового производства энергии следующего поколения и призваны внести существенный вклад в выработку электроэнергии. Однако недостатком таких топливных элементов является образование таких оксидов углерода, как CO и CO, при использовании в качестве источника водорода подвергаемых реформингу органических веществ.
В природе свободный или несвязанный водород встречается редко. Обычно он присутствует в связанном виде как вода, углеводороды, а также вся растительная и животная материя. При производстве водорода в химически чистом виде основными соображениями обычно являются стоимость и удобство. В лабораторных условиях чистый водород обычно получают в результате реакции замещения с использованием подходящего металла и кислоты или в результате электролиза воды. Что касается промышленного водорода, то здесь главными источниками являются вода и углеводороды. Для осуществления таких эндотермических процессов требуется энергия.
Молекулярный водород является важным источником энергии, свидетельством чему является эндотермическая природа его получения. Его внутренняя энергия может быть высвобождена либо в результате сгорания, либо в результате реакции с кислородом в топливном элементе.
Однако при сжигании водородного газа непосредственно не образуются оксиды углерода - при чистом сжигании теоретически образуется только вода.
В электронном и дегидрогенизационном процессе, упомянутом выше, для производства молекулярного водорода образуются побочные продукты, которые могут быть нежелательными. При электролизных процессах образуется кислород, который может быть использован, но дегидрогенизация органических соединений приводит к образованию диоксида углерода, вызывающего глобальное потепление. Такие процессы также требуют подвода энергии от внешних источников.
Предпринимались попытки производства чистого молекулярного водорода в результате самоподдерживающихся экзотермических реакций. Обычно используемые генераторы водорода описаны в патенте США №4463063 и предполагают использование реакции гидридов металла с водой, а также использование полученных путем экструзии анодов из электроположительного металла, которые постепенно растворяются в электролитах, обеспечивая возникновение электронов, разряжающихся на инертных катодах.
Во всех этих примерах возникающие в результате соединения, кроме произведенного водорода, считаются отходами, со всеми вытекающими проблемами, связанными с их сбором и удалением.
Чистый водород может быть выделен из воды согласно следующему уравнению реакции половины элемента:
2H<sub>2</sub>O + 2e<sup>-</sup> → 2OH<sup>-</sup> + H<sub>2</sub>
E<sup>0</sup>=-0,828 V
0
0
В теории любая электроположительная система со значением Е, превышающим 0,828 V, может реагировать с водой для производства водорода. Примеры подобных электроположительных систем со значениями Е выше 0,828 V включают гидриды:
2H<sup>-</sup> → H<sub>2</sub> + 2e<sup>-</sup>
Е<sup>0</sup>=2,23 V
Хотя реакции получения водорода с использованием металлов, например, такие как
2
2
2
2
1
Al + HO + NaOH → NaAlO + 1/ H
являются химически возможными, с точки зрения кинетики они являются очень медленными, и водород образуется с низкой скоростью в течение длительного периода времени. Эта "струйка" водорода является неприемлемой для промышленного применения.
Таким образом, желательно увеличить до максимума не только количество водорода, производимого элементом, но также и скорость его образования.
В недавних изобретениях, появившихся в данной области техники, раскрыты генераторы, предназначенные для производства водорода из метанола (патенты США №№5712052 и 5885727). Однако побочным продуктом этой реакции является монооксид углерода, который адсорбируется катализатором, вызывая "отравление катализатора", которое означает ухудшение каталитической функции электрода и последующее снижение энергетического кпд системы. Чтобы свести к минимуму эту проблему, такие генераторы должны быть обязательно снабжены средствами измерения концентрации монооксида углерода в системе, а также средствами ее снижения.
2
До августа 2004 года промышленно используемый водород производился посредством его извлечения, главным образом, из природного газа. Приблизительно 90% водорода получают при помощи парового реформинга из сырой нефти или природного газа. Другими способами промышленного производства водорода являются газификация угля и электролиз воды. Однако эти процессы являются в высшей степени энергозатратными и не всегда экологически безвредными, в основном из-за образования в качестве продукта CO или CO.
Железо-паровой способ является старейшим из используемых при производстве водорода:
железо+  пар ⇔ оксид железа (III) + водород
(s)
2
(g)
2
3(s)
2(g)
2Fe + 3HO ⇔ FeO + 3H
Следует отметить, что реакция между железом и паром является обратимой.
Хотя этот способ рассматривается как привлекательный вариант также и с экономической точки зрения при производстве водорода высокой чистоты, предпочтение отдается паровому реформингу природного газа или частичному окислению тяжелой нефти. В последнее время интерес к железо-паровому способу вырос благодаря возможности производства относительно чистого водорода при его использовании, что особенно важно с точки зрения применения водорода в топливных элементах, а также благодаря возможности использования в этом способе возобновляемых источников энергии.
В одной из существующих систем, использующих железо-паровой способ, осуществляется повторяющийся циклический процесс, в котором происходят следующие реакции:
(s)
2
(g)
3
4(s)
2(g)
3Fe + 4HO ⇔ FeO + 4H
2
(g)
3
4(s)
2(g)
3FeO + HO ⇔ FeO + H
2
3
3
4
При помощи природного газа или других газообразных восстановителей можно уменьшать степень окисления таких химических соединений, как FeO (гематит) или FeO (магнетит), удаляя кислород, что приводит к созданию потока оксидов углерода, воды и непреобразованных углеводородов. Если условия работы и конструкция реактора выбраны подходящим образом, то образуются только диоксид углерода и вода, как в следующих уравнениях:
2
3
4
2
2
4FeO + CH ⇔ 8FeO + CO + 2HO
2
3
4
2
2
4FeO + 3CH ⇔ 8Fe + 3CO + 6HO
3
4
4
2
2
4FeO + CH ⇔ 12FeO + CO + 2HO
3
4
4
2
2
FeO + CH ⇔ 3Fe + CO + 2HO
После конденсирования воды остается поток чистого диоксида углерода, который легко накапливается. Недостатки этой системы заключаются в том, что для максимального повышения чистоты извлекаемого водорода необходимо использовать другой реактор и емкости для регенерации Fe и что по-прежнему образуется диоксид углерода.
Известный ранее способ производства водорода и/или энергии в результате химической реакции включал следующие этапы: выбор реакции и производства водорода в электроотрицательной половине элемента, выбор первой реакции в электроположительной половине элемента, имеющей достаточный потенциал для проведения реакции в электроотрицательной половине элемента, второй реакции в электроположительной половине элемента, причем первая и вторая реакции в электроположительной половине элемента, выбранные в комбинации с реакцией в электроотрицательной половине элемента, обеспечивают увеличение производства водорода и/или энергии из воды и объединение этих реакций в половинах элемента. Этот способ, при подходящем выборе реакций в половинах элемента, химических концентраций и соответствующих взаимодействиях, обеспечивает получение в стандартных условиях (STP, Standard Temperature and Pressure) приблизительно 67 литров водорода из 54 грамм реагента и 1 литра воды. В качестве побочного продукта образуется большое количество пара.
Транспортировка и хранение энергии и топлива часто также являются проблематичными. Непосредственная передача электричества приводит к существенным потерям энергии при его передаче на длинные расстояния. При передаче электричества на длинные расстояния также требуются большие инвестиции в инфраструктуру, так как необходимо использовать высоковольтные линии и опоры, а также системы вольтодобавочных трансформаторов и электрических подстанций, чтобы обеспечить доставку достаточной мощности потребителю.
При транспортировке газообразных топлив, например природного газа, также необходима существенная инфраструктура, чтобы обеспечить соответствующие давление и подачу до потребителя. В некоторых случаях целесообразно использовать одноразовые и перезаряжаемые баллоны, но даже небольшие баллоны для домашнего использования являются громоздкими и тяжелыми и требуют регулярной замены.
Необходимо четко понимать, что ссылка здесь на документ, раскрывающий существующий уровень техники, не является признанием того, что данный документ является частью общеизвестных знаний в данной области техники в Австралии или любой другой стране.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной системы производства энергии, при использовании которой можно, по меньшей мере, частично преодолеть, по меньшей мере, один из упомянутых выше недостатков или обеспечить потребителю полезную или экономически выгодную альтернативу.
2
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения усовершенствованная система производства энергии содержит этап, на котором осуществляют ввод пара при повышенной температуре и избыточном давлении в усовершенствоанный реактор, где часть энергии, добавляемой в реактор при добавлении пара, используется реакционными системами реактора для увеличения числа диссоциированных молекул HO, находящихся в реакционной или каталитической зоне реактора или вблизи от нее.
При работе генератора энергии в результате восстановления воды при прохождении реакций в электроположительной половине элемента, содержащей две или более электроположительные окислительно-восстановительные системы, образуется чистый газообразный водород. Такие системы выбирают таким образом, чтобы повысить до максимума производство водорода и желательно получить побочные продукты, которые являются ценными, а не вредными или бесполезными.
В изобретении может использоваться пар, полученный как побочный продукт способа производства водорода и/или энергии в результате химической реакции, включающего следующие этапы: выбор реакции получения водорода в электроотрицательной половине элемента, выбор первой реакции в электроположительной половине элемента, имеющей достаточный потенциал для проведения этой реакции в электроотрицательной половине элемента, выбор второй реакции в электроположительной половине элемента, причем первая и вторая реакции в электроположительной половине элемента, выбранные в комбинации с реакцией в электроотрицательной половине элемента, обеспечивают увеличение производства водорода и/или энергии из воды, и объединение указанных реакций, происходящих в половинах элемента. Однако может быть использован пар, полученный из любого другого источника.
2
2
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения усовершенствованная система выработки энергии включает этап, на котором осуществляют ввод пара при повышенной температуре и избыточном давлении в усовершенствованный реактор, возбуждая колебания молекул HO с использованием источника энергии, где часть энергии, добавляемой в реактор источником энергии, используется реакционными системами реактора для увеличения числа диссоциированных молекул HO, находящихся в реакционной или каталитической зоне реактора или вблизи от нее.
В типичном случае реакционная или каталитическая зона реактора может представлять собой реакционную или каталитическую поверхность либо ее часть.
Источник энергии, используемый для возбуждения колебаний молекул, может быть любым, но предпочтительными являются возобновляемые источники энергии, например источники солнечной или микроволновой энергии. Эти источники энергии могут использоваться в дополнение либо как альтернатива пару, вводимому в усовершенствованный реактор в качестве источника энергии.
Усовершенствованный реактор, соответствующий настоящему изобретению, может также содержать реакционную систему. Реакционная система может включать одну или более половину элемента. Реакции, происходящие в половинах элемента, могут быть идентичны, похожи или полностью отличаться от реакций, рассмотренных выше для способа производства водорода, в котором в качестве побочного продукта образуется пар. Могут использоваться комбинации реакций в электроотрицательной половине элемента и реакций в электроположительной половине элемента. При применении реакционной системы или половин элемента может потребоваться наличие или дополнение реакционной или каталитической поверхности. Например, такая поверхность может обеспечивать альтернативный вариант протекания реакции с более низкой энергией активации. Так как эта поверхность может обеспечить протекание реакции при более низкой энергии активации, то может возникать большее число соударений или взаимодействий и это может происходить при заданных температуре или давлении. Это может привести к увеличению скорости реакции. Предпочтительно усовершенствованный реактор может обеспечить определение скорости реакций в реакционной системе. В таком реакторе может изменяться кинетика реакций, происходящих в упомянутой реакционной системе. Предпочтительно усовершенствованный реактор влияет либо на постоянную скорости, либо на порядок реакций в реакционной системе, происходящих в этом усовершенствованном реакторе.
Также существует вероятность того, что при добавлении пара при повышенных температурах и избыточных давлениях среда в усовершенствованном реакторе может быть сделана более благоприятной для получения водорода. Вызванное паром увеличение температуры может привести к возрастанию скорости, по меньшей мере, некоторых из реакций в системе внутри реактора.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения возможен выбор реакций, происходящих в половинах элемента, таким образом, чтобы суммарное количество веществ, оставшихся в водородном элементе после окончания реакции, превышало суммарное количество реагентов, введенных в этот элемент.
Предпочтительно реакционная система представляет собой неорганическую химическую систему.
Предпочтительно вторая реакция в электроположительной половине элемента также может способствовать проведению реакции в электроотрицательной половине элемента.
Упомянутая химическая система может включать дополнительные электроположительные половины элемента для проведения реакции.
Предпочтительно одной из реакций в электроотрицательной половине элемента является:
2
2
-
-
2HO + 2е → 2OH + H
Предпочтительно одной из реакций в электроположительной половине элемента является:
2+
-
Mg → Mg+ 2е
Предпочтительно одной из реакций в электроположительной половине элемента является:
-
-
-
3
2
Al + 4OH → AlO  + 2HO + 3е
Предпочтительно реакции в электроположительной половине элемента включают окисление веществ, выбранных из металлов группы I или группы II Периодической таблицы химических элементов, двойных гидридов, тройных гидридов, амфотерных элементов, электроположительных элементов, расположенных в группах I и II, и переходных элементов, образующих хелатные соединения оксикислот фосфора и оксикислот серы.
0
В общем случае восстановитель может представлять собой любую систему, имеющую значение Е выше +0,83 V, если он указывается в левой части уравнения для половины элемента в соответствии с правилом Латимера.
В комбинациях, которые являются наиболее предпочтительными, восстановитель в половине элемента представляет собой двойной и/или тройной гидрид в сочетании с амфотерным элементом. Предпочтительные амфотерные элементы включают алюминий, цинк, хром, галлий и олово. Алюминий является особенно предпочтительным. Кроме того, может использоваться железо.
Предпочтительно восстановителем в первой реакции в электроположительной половине элемента является фосфорноватистая кислота или дитионит.
Восстановителем в первой реакции в электроположительной половине элемента может также быть металлоорганический комплекс, способный изменять конфигурацию, чтобы высвободить один или более электронов при увеличении координационного числа.
Как указано выше, в реакционной системе или половинах элемента может потребоваться наличие или дополнение реакционной или каталитической поверхности. Реакционная или каталитическая поверхность может представлять собой восстановитель, используемый в половине элемента, либо включать этот восстановитель. Восстановитель может быть способен к частичной или полной регенерации.
В наиболее предпочтительном варианте восстановитель может образовывать дополнительное реакционное или каталитическое вещество, делая возможным или способствуя прохождению дополнительных реакций. Соответственно восстановитель может образовывать полупроводниковый материал или молекулу. Более предпочтительно, чтобы была возможность образования полупроводникового кристалла. Такой кристалл может иметь строго упорядоченную структуру, известную как кристаллическая решетка. Такая структура может приводить к появлению в материале периодического потенциала. В усовершенствованном реакторе может присутствовать более одного типа полупроводниковых материалов.
Восстановление восстановителя с образованием полупроводникового материала предпочтительно может увеличивать образование водорода, так как полупроводниковый материал может за счет катализа ускорять дополнительные реакции в усовершенствованном реакторе. Соответственно, за счет катализа ускоряются дополнительные экзотермические реакции. Полупроводниковый материал может представлять собой металл либо может быть получен из металла. Кроме того, в реакторе могут присутствовать один или более металлов.
Кроме того, в реакторе могут возникать один или более участков локального нагрева. Появление этих участков обусловлено тем, что температура в месте реакции, то есть на микроуровне, в типичном случае гораздо выше фактической температуры раствора в целом. Таким образом, если дополнительная реакция возникает в месте реакции, когда температура все еще остается очень высокой, то кинетика реакции может улучшаться благодаря повышенной температуре в данном месте.
В полупроводниковом материале могут существовать энергетические зоны, состоящие из большого числа расположенных близко друг к другу энергетических уровней. В общем случае энергетические уровни в полупроводнике сгруппированы в энергетические зоны, разделенные запрещенными зонами. Поведение электронов в верхней и нижней частях такой зоны в типичном случае аналогично поведению свободного электрона. При этом на электроны может влиять наличие периодического потенциала у полупроводникового материала.
Реакционные свойства полупроводника обычно определяются самой верхней частично пустой энергетической зоной и самой нижней частично заполненной энергетической зоной. Учет этих зон позволяет создать только упрощенную зонную диаграмму для полупроводников, подобную изображенной на Фиг.1.
Почти полная энергетическая зона может быть названа валентной зоной, так как она занята валентными электронами. Почти пустая энергетическая зона может быть названа зоной проводимости, так как электроны могут иметь свободу перемещения в этой зоне и увеличивать проводимость и реакционную способность материала.
v
c
вакуум
Упрощенная зонная диаграмма, показанная на Фиг.1, используется для описания полупроводников. На ней изображены валентная зона и зона проводимости, которые обозначены границей валентной зоны E и границей зоны проводимости E. На фиг.1 также указаны уровень вакуума Е и электронное сродство χ.
c
v
g
c
вакуум
На Фиг.1 почти пустая зона проводимости показана горизонтальной линией. Эта линия указывает нижнюю границу зоны проводимости и обозначена E. Подобным же образом верхняя граница зоны валентности указана горизонтальной линией, имеющей обозначение E. Между этими двумя линиями расположена запрещенная зона, которой соответствует энергия E. Расстояние между границей зоны проводимости E и энергией свободного электрона за пределами кристалла (называемой уровнем вакуума и обозначаемой Е) количественно определяется электронным сродством χ, умноженным на заряд электрона q.
Ширина запрещенной зоны в полупроводниках начинает уменьшаться по мере роста температуры. Такое поведение легче понять, если учитывать, что межатомное расстояние увеличивается, когда амплитуда колебаний атомов возрастает из-за повышения тепловой энергии. Следовательно, используя в усовершенствованном реакторе пар, что приводит к соответствующему повышению температуры, можно активировать полупроводник, уменьшая ширину запрещенной зоны.
В общем случае в полупроводнике полностью заполненная зона расположена достаточно близко к следующей за ней расположенной выше пустой энергетической зоне, в результате чего электроны могут превратить ее в следующую расположенную выше почти пустую энергетическую зону. В почти пустой энергетической зоне электроны обладают свободой перемещения и увеличивают проводимость материала, а также его реакционную способность.
За счет сужения запрещенной зоны при использовании пара в усовершенствованном реакторе, которое сопровождается соответствующим повышением температуры, можно увеличить реакционную способность полупроводника, уменьшая ширину запрещенной зоны и делая возможным перемещение электронов между зоной проводимости и валентной зоной. Частично заполненные энергетические зоны содержат электроны, а также доступные энергетические уровни, характеризующиеся чуть более высокими значениями энергии.
g
g
Зависимость ширины запрещенной зоны E от температуры была определена экспериментально, приводя к следующему уравнению для E как функции от температуры T:
g
где E(0), α и β - подбираемые параметры.
Таким образом, поверхности и граничные слои полупроводников в типичном случае могут содержать большое число комбинационных центров из-за резкого окончания упорядоченной структуры полупроводникового кристалла, в результате чего остается большое число электрически активных ненасыщенных связей. Кроме того, очень вероятно, что поверхности и граничные слои содержат примеси, так как они остаются открытыми в процессе изготовления устройства, что может дополнительно увеличить реакционную способность материала.
2
Предпочтительно молекула (воды) может быть быстро опущена на реакционную или каталитическую поверхность. Молекула HO может принимать благоприятную ориентацию в плоскости (001), при этом атом кислорода обращен к этой поверхности.
2
2
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором используется конкретный катализатор, когда атом кислорода находится в пределах приблизительно 2,7 ангстрема от мостикового иона оксида на реакционной или каталитической поверхности, может возникать сильное взаимодействие между водородом из молекулы HO и мостиковым кислородом из иона оксида. В результате этот атом водорода может захватываться мостиковым кислородом, и гидроксильный остаток молекулы HO может адсорбироваться сверх пятикратного числа имеющихся "катионных позиций".
2
В результате усовершенствования процесса в соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения может увеличиваться число диссоциированных молекул HO, адсорбированных на реакционной или каталитической поверхности, с последующим выделением крайних групп ОН в виде газообразного кислорода и мостиковых групп ОН в виде газообразного водорода. Таким образом, крайние группы ОН могут работать как доноры электронов.
А именно: OH<sup>-</sup> → <sup>1</sup>/<sub>2</sub>O<sub>2</sub> + Н<sup>+</sup> + 2е<sup>-</sup>
Е<sup>0</sup>=-1,23 V
При этом мостиковые протонированные ионы оксида работают как акцепторы электронов.
А именно: 2е<sup>-</sup> + ОН<sup>- </sup>+ H<sup>+ </sup>→ О<sup>- </sup>+ Н<sub>2</sub>
Е<sup>0</sup>=-0,00 V
Соответственно, при разряде крайней группы ОН может возникать газообразный кислород плюс протон. Этот протон может затем притягиваться к отрицательной мостиковой группе ОН, в результате чего при восстановлении образуется газообразный водород и ион оксида, который остается в решетке кристалла.
3
2
Реакционная или каталитическая поверхность усовершенствованного реактора может обладать способностью регенерации. Например, использование алюминия приводит к образованию AlHO, который в свою очередь может быть превращен в оксид алюминия и обратно в алюминий при катодном восстановлении, что приводит к образованию металла. В предпочтительном случае углеродные молекулы не используются при регенерации, чтобы снизить до минимума образование монооксида или диоксида углерода.
Реакционная или каталитическая поверхность может быть выполнена в виде катодной сетки. Катодная сетка может выполнять каталитическую функцию, используется для ускорения переноса электронов в системе и приводит к увеличению скорости реакции. Сетка может акцептировать электроны из электроположительной системы и передавать их в воду с большей скоростью, чем имела бы место при переносе электронов только непосредственно из электроположительной системы в воду.
Более предпочтительно усовершенствованный реактор представляет собой щелочной элемент, в котором используется сетчатый катод, обеспечивающий электроны для восстановления воды в соответствии со следующим уравнением реакции, происходящей в половине элемента:
2H<sub>2</sub>O + 2e<sup>-</sup> → 2OH<sup>-</sup> + H<sub>2</sub>
E<sup>0</sup>=-0,828 V
причем для получения водорода реакцию в половине элемента, соответствующую приведенному электрохимическому уравнению, объединяют с реакцией, происходящей в другой половине элемента с участием восстановителя. Желательно, чтобы инертный сетчатый катод состоял из платинированного титана, чтобы способствовать анодной коррозии, в результате чего усиливается перенос электронов от восстановителя.
Соответственно, реакции, имеющие место в усовершенствованном реакторе, могут происходить с увеличенной скоростью, благодаря теплоте, добавленной паром. Так как реакции, имеющие место в усовершенствованном реакторе, соответственно имеют чисто экзотермическое значение, если рассматривать их совместно, то может быть получено большее количество теплоты, чем затрачивается при любых эндотермических реакциях, также имеющих место в усовершенствованном реакторе. В свою очередь, это результирующее увеличение теплоты может дополнительно повысить скорость реакций в усовершенствованном реакторе.
Также предпочтительно выбирать реакции таким образом, чтобы суммарное количество веществ, оставшихся в водородном элементе после окончания реакции, превышало суммарное количество реагентов, введенных в этот элемент.
Усовершенствованный реактор согласно настоящему изобретению предпочтительно включает связанную с ним систему теплообмена, которая может быть использована для передачи тепла от экзотермической химической реакции в элемент или управления скоростью экзотермической химической реакции (реакций). В основе работы системы теплообмена может лежать конденсирование пара, образовавшегося при непосредственном нагреве воды в водной системе в результате реакции. Система теплообмена может использоваться и для других целей (например, отопления жилища) или просто как один из способов управления скоростью реакции в генераторе. Известно, что увеличение температуры приводит к повышению скорости реакции.
В больших централизованных установках для получения и распределения больших объемов водорода и тепла может применяться непрерывная подача химических реагентов, вводимых порциями в виде смесей через равные интервалы времени, и в этих установках может быть предусмотрено удаление растворов образующихся продуктов большего количества по сравнению с упомянутыми химическими реагентами. Циркулирующая охлаждающая вода может быть использована для пополнения запасов воды, расходуемых при получении водорода, в результате чего температура реакции поддерживается достаточно высокой для того, чтобы обеспечить непрерывную интенсивную реакцию.
2
Согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения способ производства водорода и/или его энергии включает два этапа, причем на первом этапе основная реакционная система включает подэтапы выбора реакции получения водорода в электроотрицательной половине элемента, выбора первой реакции в электроположительной половине элемента, обладающей достаточным потенциалом для проведения реакции в электроотрицательной половине элемента, выбора второй реакции в электроположительной половине элемента, причем первая и вторая реакции в электроположительной половине элемента, выбранные в комбинации с реакцией в электроотрицательной половине элемента, обеспечивают увеличение производства водорода и/или энергии из воды, и объединение реакции в половинах элемента, и второй этап содержит ввод пара, образовавшегося как побочный продукт на первом этапе, при повышенной температуре и избыточном давлении в усовершенствованный реактор, причем часть энергии, добавляемой в реактор при добавлении пара, используется реакционными системами реактора для увеличения числа диссоциированных молекул HO, находящихся на реакционной или каталитической поверхности либо вблизи от нее.
Согласно третьему варианту настоящего изобретения усовершенствованный реактор содержит реакционную систему, в которой из воды образуется водород; опорную реакционную или каталитическую поверхность, на которой перенапряжение водорода является низким, в результате чего повышается скорость реакции и, следовательно, скорость получения водорода по сравнению со скоростью реакции в случае отсутствия реакционной или каталитической поверхности.
Реакционная или каталитическая поверхность может представлять собой или включать поверхность катода.
Предпочтительно полученный водород способен в принудительном порядке выводить водосодержащие компоненты элемента из контакта с реакционными твердыми компонентами и подавать их в накопительный резервуар, в результате чего уменьшается образование водорода и тепла.
Генератор согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит связанную с ним систему теплообмена, которая может быть использована для передачи тепла от экзотермической химической реакции в элемент или управления скоростью экзотермической химической реакции.
Предпочтительно любой из реакторов (основная реакционная система или усовершенствованный реактор) согласно настоящему изобретению содержит емкость высокого давления, размер которой будет зависеть от области применения. Например, в случае применения в деревенских домах установку выполняют из высококачественного армированного полиэфира, то есть желательно, чтобы она была портативной и устойчивой к внешним воздействиям. Небольшой домашний реактор может содержать средства для периодического введения реагентов и средства периодического удаления реагентов и/или продуктов.
Краткое описание чертежей
Далее будут описаны различные. варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых
Фиг.1 - упрощенная зонная диаграмма, используемая для описания полупроводников;
Фиг.2 - структурная схема, иллюстрирующая предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором пар, образованный в основном реакторе, используется как исходный материал для усовершенствованного реактора.
Подробное описание изобретения
Согласно одному из вариантов настоящего изобретения создана усовершенствованная система производства энергии.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения элемент, используемый для его реализации, представляет собой щелочной элемент, в котором используется инертный сетчатый катод, обеспечивающий электроны для восстановления воды в результате реакции, происходящей в половине элемента, в соответствии с приведенным ниже уравнением (уравнение 1):
2H<sub>2</sub>O + 2е<sup>-</sup> → 2OH<sup>- </sup>+ H<sub>2</sub>
Е<sup>0</sup>=-0,41 V
0
Эта реакция представляет собой хорошо известную электрохимическую реакцию, которая теоретически для получения водорода может быть объединена с реакцией, происходящей в другой половине элемента с участием восстановителя и имеющей значение Е, превышающее -0,41 V. Однако кинетика процессов иногда приводит к медленному протеканию реакций в таких комбинациях, что делает их применение нецелесообразным.
В настоящем изобретении рассмотрены случаи, которые можно реализовать при использовании двойных и тройных гидридов, амфотерных элементов и электроположительных элементов, расположенных в группах I и II Периодической таблицы химических элементов. В некоторых из этих примеров сетчатый катод не обеспечивает гальванического взаимодействия и просто используется как удобная платформа для реакции.
Усовершенствованный реактор согласно настоящему изобретению предусматривает выбор химических веществ, которые реагируют с водой, причем, чтобы способствовать этой реакции или усиливать ее, может использоваться реакционная или каталитическая поверхность. Выбранные химические вещества характеризуются низким перенапряжением водорода, что приводит к повышению скорости реакции и, следовательно, скорости получения водорода. Соответствующими реакциями, происходящими в половинах элемента, являются следующие:
2H<sub>2</sub>O → O<sub>2</sub> + 4Н<sup>+</sup> + 4е<sup>-</sup>
Е<sup>0</sup>=+0,828 V
2H<sub>2</sub>O + 2е<sup>-</sup> → H<sub>2</sub> + 2OH<sup>-</sup>
Е<sup>0</sup>=-0,41 V
ДОПОЛНЕНИЕ
H<sub>2</sub>O → <sup>1</sup>/<sub>2</sub>O<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>
Е<sup>0</sup>=-1,23 V
В общем случае в реакторе также будут происходить одна или более дополнительных реакций в электроположительной половине элемента, включая окисление веществ, выбранных из металлов группы I или группы II Периодической таблицы химических элементов, двойных гидридов, тройных гидридов, амфотерных элементов, электроположительных элементов, расположенных в группах I и II, и переходных элементов, образующих хелатные соединения оксикислот фосфора и оксикислот серы.
В комбинациях, которые являются наиболее предпочтительными, восстановитель в половине элемента представляет собой двойной и/или тройной гидрид в сочетании с амфотерным элементом. Предпочтительные амфотерные элементы включают алюминий, цинк, хром, галлий и олово. Алюминий является особенно предпочтительным. Кроме того, может использоваться железо.
Восстановителем в первой реакции в электроположительной половине элемента может также быть металлоорганический комплекс, способный изменять конфигурацию, чтобы высвободить один или более электронов при увеличении координационного числа.
Как указано выше, при применении в усовершенствованном реакторе реакционной системы или реакций, происходящих в половинах элемента, может потребоваться наличие или дополнение реакционной или каталитической поверхности. Реакционная или каталитическая поверхность может представлять собой восстановитель, используемый в половине элемента, либо включать этот восстановитель. Восстановитель может быть способен к частичной или полной регенерации.
В наиболее предпочтительном варианте восстановитель образует дополнительное реакционное или каталитическое вещество, делая возможным или способствуя прохождению дополнительных реакций. Соответственно, один или более восстановителей будут образовывать полупроводниковый материал или молекулу.
Восстановление одного или более восстановителя с образованием полупроводникового материала предпочтительно может увеличивать образование водорода, так как полупроводниковый материал может за счет катализа ускорять дополнительные реакции в усовершенствованном реакторе. Соответственно, за счет катализа ускоряются дополнительные экзотермические реакции.
Реакции, имеющие место в усовершенствованном реакторе, могут происходить с увеличенной скоростью благодаря теплоте, добавленной паром. Так как реакции, имеющие место в усовершенствованном реакторе, соответственно имеют чисто экзотермическое значение, если рассматривать их совместно, то может быть получено большее количество теплоты, чем затрачивается при любых эндотермических реакциях, также имеющих место в усовершенствованном реакторе. В свою очередь, это результирующее увеличение теплоты может дополнительно повысить скорость реакций в усовершенствованном реакторе.
Усовершенствованный реактор согласно настоящему изобретению в общем случае будет содержать связанную с ним систему теплообмена, которая может быть использована для передачи тепла от экзотермической химической реакции в элемент или управления скоростью экзотермической химической реакции (реакций).
Усовершенствованный реактор имеет такую конструкцию, что образовавшийся водород может накапливаться до такого давления, при котором он сможет в принудительном порядке выводить водосодержащие компоненты элемента из контакта с реакционными твердыми компонентами и подавать их в накопительный резервуар. В этом случае усовершенствованный реактор может быть выполнен саморегулируемым - образование водорода происходит, пока водосодержащие компоненты находятся в контакте с реакционными твердыми компонентами, но по мере образования водорода водосодержащие компоненты в принудительном порядке отводятся от твердых компонентов при помощи находящегося под давлением водорода, что приводит к снижению образования водорода. Когда водород выведен, давление сбрасывается, позволяя водосодержащим компонентам вернуться в контакт с твердыми компонентами и вызывая повторное инициирование реакции. Чтобы регулировать его получение, водород может удаляться либо порциями, как описано выше, либо в непрерывном режиме. Размер и конструкция реактора могут выбираться, исходя из требуемого объема полученного водорода.
Катодная сетка выполняет каталитическую функцию, используется для ускорения переноса электронов в системе и приводит к увеличению скорости реакции. Сетка акцептирует электроны из электроположительной системы и передает их в воду с большей скоростью, чем при переносе электронов только непосредственно из электроположительной системы в воду.
Предпочтительно усовершенствованный реактор содержит теплообменник в виде змеевика, по которому циркулирует вода для конденсирования пара внутри реактора, и, таким образом, удаляется тепло, образовавшееся во время экзотермической реакции. Для возврата этого конденсируемого пара обратно в реакцию в пространстве выше области реакции могут быть использованы кольца Рашига.
2
0
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ производства водорода и/или его энергии состоит из двух этапов, при этом на первом этапе выбирают основную реакционную систему, включающую следующие подэтапы: выбирают реакцию получения водорода в электроотрицательной половине элемента; выбирают первую реакцию в электроположительной половине элемента, обладающую достаточным потенциалом для проведения реакции в электроотрицательной половине элемента; выбирают вторую реакцию в электроположительной половине элемента, причем первая и вторая реакции в электроположительной половине элемента, выбранные в комбинации с реакцией в электроотрицательной половине элемента, обеспечивают увеличение производства водорода и/или энергии из воды; и объединяют реакции в половинах элемента; второй этап включает ввод пара, образовавшегося как побочный продукт на первом этапе, при повышенной температуре и избыточном давлении в реактор, причем часть энергии, добавляемой в усовершенствованный реактор при добавлении пара используется реакционными системами реактора для увеличения числа диссоциированных молекул HO, находящихся на реакционной или каталитической поверхности либо вблизи от нее. Все приведенные здесь значения E относятся к водороду.
В настоящем описании и пунктах приложенной формулы изобретения слово "содержащий" и все его производные, включая "содержит" и "содержат", подразумевают включение каждого из элементов, не исключая включения одного или более дополнительных элементов.
Ссылка в данном описании на "один из вариантов" или "вариант" означает, что конкретная особенность, конструкция или характеристика, описанная применительно к данному варианту, включена, по меньшей мере, в один вариант настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз "в одном из вариантов" или "в варианте" в различных местах этого описания не обязательно означает, что все они относятся к одному и тому же варианту. Более того, конкретные особенности, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одну или более комбинаций.
В соответствии с законодательством при описании изобретения использована терминология, которая является более или менее специфической с точки зрения особенностей конструкции или способа. Необходимо понимать, что изобретение не ограничивается конкретными особенностями, которые показаны или описаны, так как рассмотренные здесь средства содержат предпочтительные формы реализации этого изобретения на практике. Таким образом, данное изобретение в любой из своих форм или модификаций не выходит за пределы объема, указанного в пунктах приложенной формулы изобретения, которые адекватным образом понимаются специалистами в данной области техники.