ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА

Полезная модель относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода, как в стационарных установках, так и на транспорте.
Известна энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором, содержащая электрохимический генератор со щелочными топливными элементами, по крайней мере, один генератор водорода, работающий на гидролизе с твердым реагентом, имеющий магистраль выдачи водорода, на которой установлен влагоотделитель, накопитель водорода и электроуправляемый клапан, магистраль подачи жидкого регента, состоящую из емкости с концентрированным раствором щелочи, смесителя и двух электроуправляемых клапанов, магистраль слива воды, соединенную со смесителем, на которой установлены емкость сбора воды с уровнемером, съемная бустерная емкость, дозатор воды и два электроуправляемых клапана, магистраль отвода продуктов реакции, на которой установлены емкость с жидким продуктом гидролиза с уровнемером жидкости и три электроуправляемых клапана, линию подачи воздуха в топливные элементы, на которой установлены компрессор, емкость с жидким продуктом гидролиза и клапан, магистраль наддува, на которой установлены компрессор, вакуум насос, датчик давления и три электроуправляемых клапана, а на линии выхода воздуха установлен клапан и все электроуправляемые клапаны и датчик уровня жидкости подключены к блоку программного управления, причем в энергоустановку дополнительно введены обогреваемая емкость, шесть электроуправляемых клапанов, расходомер водорода, два устройства для измерения концентрации, три уровнемера, датчик давления, блок обработки и анализа, блок измерения, который последовательно соединенный с блоком управления и насос прокачки отработанного раствора щелочи, смеситель размещен в обогреваемой емкости, которая имеет сброс в канализацию, и в нем установлен первый измеритель концентрации и датчик температуры, а вход смесителя соединен с выходом влагоотделителя, вход обогреваемой емкости соединен с выходом теплообменника охлаждения генератора водорода, бустерная емкость выполнена теплоизолированной, причем вход насоса прокачки отработанного раствора щелочи, соединен через третий электроуправляемый клапан с выходом емкости жидкого продукта гидролиза, которая выполнена в нижней части конусообразной и на ее выходе стоит второй электроуправляемый клапан сброса шлама, а на линии сброса воздуха из емкости с жидким продуктом гидролиза стоит первый электроуправляемый клапан, на выходе насоса установлен второй измеритель концентрации отработанного раствора щелочи, а выход насоса прокачки отработанного раствора щелочи соединен через шестой электроуправляемый клапан со сбросом в канализацию и пятый электроуправляемый клапан соединен со входом в смеситель, причем на входе в ЭХГ установлен расходомер водорода, в накопителе водорода установлен датчик давления, а на его выходе установлен четвертый электроуправляемый клапан, причем первый измеритель уровня воды установлен в дозаторе воды, второй измеритель уровня воды установлен в бустерной емкости, а третий измеритель уровня раствора щелочи установлен в реакционном сосуде генератора водорода, первый, второй и третий измерители уровня жидкости, датчик давления, расходомер водорода, измерители концентрации соединены с блоком измерения, а блок программного управления соединен со всеми шестью электроуправляемыми клапанами. [Патент РФ №85759 МПК Н01М 8/06, С01В 3/00, авторы: Носырев Д.Я., Плетнев А.И. «Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором»].
Недостатком устройства является отсутствие возможности регулирования генератора водорода за счет изменения концентрации твердого реагента и низкая производительность.
Известно устройство для получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода, содержащее источник суспензии мелкодисперсного порошкообразного алюминия с водой со смесителем, реактор, конденсатор, приемное устройство, регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода, регулируемый клапан отвода гидроксидов или оксидов алюминия, датчик температуры реактора, датчик давления на входе подачи суспензии в реактор, датчик давления на выходе парогазовой смеси и датчик давления перед входом парогазовой смеси в конденсатор, регулируемое средство подачи суспензии в реактор, управляющий контроллер с входом и выходом, причем источник суспензии содержит регулируемое средство подачи воды и регулируемое средство подачи порошка алюминия, вход контроллера соединен с датчиком температуры в реакторе и датчиками давления, а выход контроллера соединен с источником суспензии, регулируемым средством подачи суспензии мелкодисперсного порошка алюминия с водой в реактор, регулируемым клапаном отвода смеси паров воды и водорода и регулируемым клапаном отвода гидроксидов или оксидов алюминия. [Патент РФ№2278077 МПК С01F 7/42, С01В 3/10, авторы: Берш А.В., Иванов Ю.Л., Мазалов Ю.А., Глухов А.В., Трубачов О.А.. «Способ получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода и устройство для его осуществления»].
Недостатком устройства является низкая производительность, за счет присутствия на алюминиевом реагенте оксидной пленки, препятствующей выделению водорода из воды.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение производительности генератора водорода, его регулировка за счет изменения концентрации жидкого и твердого реагента, упрощение конструкции генератора водорода.
Технический результат достигается тем, что генератор водорода, работающий на гидролизе с реагентом, имеющий реакционный сосуд, форсунку, магистраль выдачи водорода на которой установлен накопитель водорода с датчиком давления и три электроуправляемых клапана, магистраль подачи жидкой щелочи, состоящая из, смесителя щелочи, в котором установлены датчик температуры и измеритель концентрации и электроуправляемого клапана, емкость для воды, в которой установлен уровнемер, электроуправляемый клапан на линии подачи воды в смеситель щелочи, линия подачи реагента с водой, на которой установлены емкость с реагентом, емкость для смешивания реагента с водой, мешалка с приводом и электроуправляемый клапан, линии сброса продуктов реакции на которой установлен электроуправляемый клапан, а также блок программного управления, блок обработки и анализа, блок измерения, в генератор водорода дополнительно введены полукольцо, источник ультразвука, который установлен в емкости для смешивания реагента с водой, пусковой нагреватель, который расположен в смесителе щелочи, емкость с уксусной кислотой, расходомер воды, расходомер смеси реагента с водой, плотномер, датчик температуры, два измерителя концентрации, пять уровнемеров, пять электроуправляемых клапанов и блок усреднения, причем реакционный сосуд в нижней части выполнен конусообразной формы и имеет водяную рубашку, которая выполнена с повторением его формы и имеет входной и выходной патрубки, в цилиндрической нижней части реакционного сосуда по окружности, выполнены сквозные отверстия, которые закрыты полукольцом, которое, в свою очередь, жестко закреплено на реакционном сосуде и имеет два входных патрубка, один из которых через электроуправляемый клапан соединен с емкостью для кислоты, в которой установлен уровнемер, емкость для воды имеет один входной и три выходных патрубка, входной патрубок соединен с выходным патрубком водяной рубашки, первый выходной патрубок соединен через электроуправляемый клапан с входным патрубком полукольца корпуса реакционного сосуда, второй выходной патрубок соединен через электроуправляемый клапан с линией слива воды в канализацию и третий выходной патрубок соединен через электроуправляемый клапан и расходомер воды с емкостью для смешивания реагента с водой, в которой установлены плотномер и уровнемер, вход емкости для смешивания реагента с водой соединен через электроуправляемый клапан с емкостью для реагента, в которой установлен уровнемер, а выход емкости для смешивания реагента с водой соединен через расходомер с форсункой реакционного сосуда, в котором установлено два измерителя концентрации, один из которых установлен в его конусообразной части, а другой установлен в его цилиндрической части, и дополнительно установлены в смесителе уровнемер, в емкости для воды датчик температуры, причем все уровнемеры, расходомеры, датчик температуры и измеритель концентрации емкости с уксусной кислотой соединены с блоком измерения, а измерители концентрации реакционного сосуда через блок усреднения соединены с блоком измерения, блоком программного управления, который в свою очередь соединен со всеми электроуправляемыми клапанами.
Постановка источника ультразвука в емкость для смешивания реагента с водой обеспечивает диспергирование реагента, в результате чего увеличивается реагирующая поверхность и происходит первоначальный срыв оксидной пленки реагента, а постановка в емкость для смешивания реагента с водой плотномера, уровнемера и мешалки с приводом, а также постановка расходомера воды на линии подачи подогретой воды в смеситель и расходомера смеси реагента с водой на линии подачи смеси реагента с водой в форсунку, использование твердого порошкообразного реагента или смеси порошкообразного реагента с порошкообразным материалом, способным образовывать микрогальванические пары с реагентом в среде электролита позволяет обеспечить «мягкую» регулировку генератора водорода, повышенную производительность и быстродействие.
На фиг.1. показан генератор водорода.
Генератор водорода состоит из реакционного сосуда 1, водяной рубашки 2, полукольца 3, форсунки 4, емкости с реагентом 5, емкости для смешивания реагента с водой 6, емкости для воды 7, смесителя щелочи 8, емкости для водорода 9, емкости для кислоты 10 (например уксусной), мешалки 11 с приводом 12, пускового нагревателя 13, источника ультразвука 14, расходомера воды 15, расходомера смеси реагента с водой 16, датчика давления 18, плотномера 19, трех датчиков температуры 20, 21, 22, трех измерителей концентрации 23, 24, 25, шести уровнемеров 26, 27, 28, 29, 30, 31, двенадцати электроуправляемых клапанов 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, блока программного управления 44, блока обработки и анализа 45, блока измерения 46, блока усреднения 47.
Генератор водорода работает следующим образом.
Запускают блок программного управления 44, который связан с блоком обработки и анализа 45, блоком измерения 46 и блоком усреднения 47. Блок программного управления 44 открывает электроуправляемый клапан 32 на линии подачи воды в смеситель щелочи 8 и электроуправляемый клапан 39 на линии подачи воды в емкость для смешивания реагента с водой 6. Через электроуправляемый клапан 32 вода подается в смеситель щелочи, где смешивается с едким натрием и подогревается пусковым нагревателем 13, расположенным в смесителе щелочи. Затем через электроуправляемый 35 реагент подается в емкость для смешивания реагента с водой 6. При этом количество воды, подаваемой в смеситель, контролируется уровнемером 29, установленным в емкости для воды 7, а количество воды, подаваемой в емкость для смешивания реагента с водой, контролируется расходомером воды 15. Количество реагента, подаваемое в емкость для смешивания реагента с водой, контролируется уровнемером 26, который установлен в емкости с реагентом 5. При достижении определенной концентрации раствора едкого натрия в смесителе 8, которая контролируется измерителем концентрации 25, закрывается электроуправляемый клапан 32 и открывается электроуправляемый клапан 33 на линии подачи щелочного раствора в реакционный сосуд 1 и водный раствор щелочи NaOH поступает в реакционный сосуд. После заполнения реакционного сосуда электроуправляемый клапан 33 закрывают, пусковой нагреватель 13 отключают.
В емкости для приготовления реагента установлен источник ультразвука 14, который служит для диспергирования смеси реагента с водой. В результате диспергирования происходит первоначальный срыв оксидной пленки реагента и увеличивается его реагирующая поверхность.
В емкости для приготовления реагента установлена мешалка 11, которая вращается от привода 12. Мешалка поднимает реагент со дна емкости для смешивания реагента и тем самым обеспечивает взвесь реагента в воде. Также в емкости для приготовления реагента установлен плотномер 19, который измеряет плотность смеси реагента с водой. Для контроля количества смеси реагента с водой в емкости для приготовления реагента установлен уровнемер 28.
После достижения определенной плотности смеси реагента с водой в емкости для приготовления реагента 6 закрываются электроуправляемые клапаны 35 и 39 и открывается электроуправляемый клапан 42, который установлен на линии подачи смеси реагента с водой в форсунку 4, откуда далее смесь реагента с водой через форсунку подается в реакционный сосуд генератора водорода и начинается химическая реакция с выделением водорода.
При этом алюминий, лишенный оксидной пленки реагирует с водой по формуле (I):
2
3
2
2Al+6HO=2Al(OH)+3H
2
3
В результате этой реакции выделяется водород H и образуется соль Al(OH), которая представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета. Эта соль практически нерастворима в воде, но легко растворяется в слабых кислотах и сильных щелочах.
3
4
Далее, если гидрооксида натрия в генераторе будет в избытке, то гидрооксид алюминия Al(OH) вступит в реакцию с гидрооксидом натрия NaOH с образованием гидроаллюмината натрия Na[Al(OH)], который хорошо растворим в воде:
3
4
NaOH+Al(OH)=Na[Al(OH)]
В качестве реагента в генераторе водорода может применятся смесь, которая состоит из алюминиевого и медного порошка с соотношением массы Cu:Al=1:(18-19), а также смесь алюминиевого и никелевого порошка с соотношением массы Ni:Al=1:(17-18) и смесь алюминиевого и оловянного порошка с соотношением массы Sn:Al=1:(17-18). Такое соотношение массы алюминиевого порошка с медным, оловянным или никелевым порошком обеспечит необходимый и достаточный контакт алюминиевого порошка с поверхностью порошков других меди, олова или никеля..
При контакте алюминия с медью, оловом или никелем в среде электролита образуется микрогальваническая пара соответственно Cu-Al, Ni-Al, Sn-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.
При этом в качестве реагента в генераторе водорода может применяться смесь алюминиевого порошка и порошка других металлов, чей электродный потенциал будет более отрицательным, по сравнению с электродным потенциалом алюминия.
Для контроля количество смеси реагента с водой, подаваемой в форсунку на линии подачи смеси реагента с водой установлен расходомер смеси реагента с водой 16.
Тепло, выделяемое в ходе химической реакции, отводится с помощью теплообменника, который выполнен в виде водяной рубашки 2. Выйдя из водяной рубашки 2, подогретая вода направляется в емкость для воды 7, откуда далее расходуется на нужды генератора водорода. При необходимости вода из емкости для воды может удаляться через сливной электроуправляемый клапан 38, который установлен на линии слива воды.
Температура раствора щелочи в реакционном сосуде контролируется датчиком температуры 21, а температура подогретой воды контролируется датчиком температуры 22, который установлен в емкости для воды.
Получаемый водород из реакционного сосуда 1 поступает в магистраль выдачи водорода и через электроуправляемый клапан 37, а также открытый электроуправляемый клапан 40 и закрытый электроуправляемый клапан 41 водород поступает в емкость для водорода 9. Для контроля давления водорода в емкости для водорода установлен датчик давления 18. При достижении необходимого давления электроуправляемый клапан 40 закрывается и открывается электроуправляемый клапан 41 и водород напрямую из генератора водорода подается потребителю.
В случае если необходимо кратковременно увеличить подачу водорода, открывается электроуправляемый клапан 40 и водород поступает к потребителю с повышенным давлением.
Экспериментально доказано, что выход водорода в начальный момент реакции щелочи с твердым реагентом будет максимальным в первые секунды протекания реакции, поэтому по мере оседания частиц реагента на дно реакционного сосуда процесс выделения водорода будет затухать и на дне реакционного сосуда будет протекать в заключительной стадии.
При необходимости полного прекращения реакции на дне реакционного сосуда, с учетом процесса эйрлифта реагента, можно с большой точностью подобрать материал, из которого будет изготавливаться реагент и размер частиц этого реагента.
Для контроля концентрации раствора щелочи в реакционном сосуде генератора водорода установлены два измерителя концентрации 23 и 24. Измеритель концентрации 24 установлен в конусообразной части реакционного сосуда, а измеритель концентрации 23 установлен в его цилиндрической части.
Т.к. концентрация водного раствора щелочи в верхней и нижней части реакционного сосуда генератора водорода будет различной, то при принятии решения о смене раствора щелочи в реакционном сосуде учитывается среднее значение показаний измерителей концентрации 23 и 24. Среднее значение показаний измерителей концентрации 23 и 24 высчитывает блок усреднения 47, а затем направляет результаты подсчета в блок измерения.
Для предотвращения слипания частиц реагента, на дне реакционного сосуда, а также при удалении реагента и раствора щелочи из реакционного сосуда в него подается вода из емкости для воды через отверстия, выполненные в цилиндрической нижней части реакционного сосуда. Эти отверстия закрыты полукольцом 3, в которое подается вода через один из его входных патрубков. Этот патрубок через электроуправляемый клапан 43 соединен с емкостью для воды.
Для необходимости регулирования процесса выделения водорода, а также растворения гидрооксида алюминия в генератор водорода введена линия подачи уксусной кислоты, которая состоит из емкости для кислоты 10, в которой установлен уровнемер 30 и электроуправляемого клапана 34. Выходной патрубок емкости для уксусной кислоты соединен с входным патрубком полукольца реакционного сосуда.
Если необходимо быстро снизить выход водорода в генератор подается определенное количество кислоты, которое контролируется уровнемером 30.
Выбор уксусной кислоты определяется ее слабыми кислотными свойствами, т.к. при подачи в генератор сильной кислоты последний может остановиться и не запускаться в течение длительного времени, что не приемлимо для бортового генератора водорода..
При взаимодействии кислоты со щелочью произойдет реакция нейтрализации с выделением ацетата натрия и воды:
3
3
2
NaOH+CHCOOH=CHCOONa+НO
По мере выработки компонентов раствора щелочи и реагента в реакционном сосуде 1, сливают отработанный раствор щелочи и прореагированный реагент из реакционного сосуда через электроуправляемый клапан 36 и наполняют реакционный сосуд новым раствором щелочи.
Производительность генератора регулируют путем подачи в реакционный сосуд реагента с водой, щелочного раствора, а также уксусной кислоты.
Для остановки генератора водорода необходимо перекрыть электроуправляемый клапан 42. В результате чего в реакционный сосуд перестанет поступать смесь реагента с водой и прекратится реакция выделения водорода. Для полного удаления водорода из реакционного сосуда необходимо перекрыть клапан 41 и открыть электроуправляемый клапан 40 и 43, в результате чего в реакционный сосуд будет поступать вода из емкости с водой, которая вытеснит водород в емкость для водорода 9. Затем при необходимости все содержимое реакционного сосуда можно слить, открыв при этом электроуправляемый клапан 36.
При использовании в качестве реагента порошкообразного алюминия, получающиеся побочные продукты реакции (алюминаты и гидроалюминаты) могут быть использованы в дальнейшем в текстильной промышленности, а в случае использования в качестве реагента смеси алюминиевого и медного, никелевого или оловянного порошка, полученные продукты реакции могут найти свое применение в различных технологических процессах.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает глубокую степень регулирования генератора водорода, за счет изменения концентрации жидкого и твердого реагента, «мягкую» расходную характеристику, повышенное быстродействие и увеличение производительности в 2-3 раза, а также позволяет получить побочные продукты реакции, которые могут быть использованы в текстильной промышленности, а также в различных технологических процессах.