СПОСОБ КОМПРИМИРОВАНИЯ ВОДОРОДА НА МЕТАЛЛ-ВОДОРОДНЫХ, СОЕДИНЕННЫХ МЕЖДУ СОБОЙ ЯЧЕЙКАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F17C5/00 

Изобретение относится к компрессионным установкам и может быть использовано в химической, нефтегазовой и газовой промышленности, а также в энергетических установках, где используются сжатые газы.

Известен способ компримирования газов, заключающийся в подаче порции газа низкого давления, механического сжатия этой порции газа, и вытекания этой порции в газопровод нагнетания [1].

Известно устройство для осуществления этого способа, содержащее патрубок входа газа низкого давления, патрубок выхода газа высокого давления, цилиндр и поршень [1].

Недостатками способа и устройства для его осуществления являются большие энергозатраты, связанные с необходимостью сжатия газа и большой шум, из-за наличия вращающихся частей.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу компримирования водорода является способ компримирования водорода на металл-водородных, соединенных между собой ячейках, содержащих водородный и металлический электроды, включающий подачу водорода низкого давления в первую ячейку и одновременный отбор водорода высокого давления со второй ячейки при подаче тока на электроды второй ячейки, а после насыщения водородом первой ячейки - подачу тока на первую ячейку, отбор из нее водорода высокого давления и подачу водорода низкого давления на вторую ячейку, взятый за прототип [2].

Известно устройство для реализации этого способа, содержащее по крайней мере две металл-водородные ячейки с электродами, каждая из которых установлена в герметичном корпусе и подсоединена электродами через герморазъемы к источнику тока, источник водорода низкого давления, приемник водорода высокого давления, клапаны, магистрали, соединяющие корпуса ячеек с источником водорода низкого давления и приемником высокого давления, взятое за прототип [2].

Компримированиие водорода в способе и устройстве, взятых за прототип, осуществляется за счет того, что при прохождении тока через две последовательно соединенные ячейки на одной из ячеек происходит адсорбция водорода низкого давления, на другой - десорбция водорода высокого давления. То есть одна ячейка является потребителем водорода низкого давления, другая - функционирует в режиме генератора (компрессора) водорода. По исчерпании емкости ячейки, работающей в режиме выделения водорода, проводят реверсирование тока. Благодаря этому ячейка, которая адсорбировала водород будет его десорбировать, а ячейка, которая десорбировала водород будет его адсорбировать. Эффект повышения давления в конструкции, взятой за прототип, достигается за счет применения запорного электролитного слоя, образуемого мелкодисперсной структурой. Это значительно ограничивает величину давления одного цикла компримирования. Для достижения больших давлений компримирования требуется ~ 1000 циклов компримирования. При этом в период всего процесса компримирования необходима постоянная подача электроэнергии, протекающей то в одном направлении, то в противоположном направлении. Поэтому недостатком способа и устройства, его реализующего, является малая величина давления одного цикла компримирования и высокие энергозатраты, связанные с постоянным энергопотреблением на весь период компримирования.

Таким образом, задачей нового технического решения является создание такого способа компримирования и устройства, его реализующего, которые обладали бы высокими давлениями компримирования, значительным снижением энергозатрат и удобством эксплуатации.

Техническим решением поставленной задачи является создание такого способа и устройства его реализующего, которые позволили с минимальными затратами и максимальными удобствами эксплуатации значительно повысить давление компримирования.

Задача решается тем, что в способе компримирования водорода на металл-водородных, соединенных между собой ячейках, содержащих водородный и металлический электроды, включающий подачу водорода низкого давления в первую ячейку и одновременный отбор водорода высокого давления со второй ячейки при подаче тока на электроды второй ячейки, а после насыщения водородом первой ячейки подачу тока в первую ячейку, отбор из нее водорода высокого давления и подачу водорода низкого давления на вторую ячейку, в качестве металлического электрода первой ячейки используют металл-оксидный электрод, в качестве металлического электрода второй ячейки используют металл-гидроксидный электрод, а в качестве источника тока используют попеременно обе ячейки.

Новым в способе компримирования является использование металл-водородных электрохимических систем на основе металл-водородных оксидных электродов в отличие от способа, взятого за прототип, где используется собственно металл-водородные системы, состоящие из водородного и металлического электродов. Применение металл-оксидных электродов позволяет не только компримировать водород, то есть поглощать водород низкого давления и выделять водород при высоком давлении, но и обеспечивать электроэнергией в период компримирования. Это связано с тем, что в период поглощения водорода низкого давления водород вступает в реакцию с выделением электричества в отличие от прототипа, где водород низкого давления просто адсорбируется, то есть поглощается мелкодисперсной структурой за счет капиллярных свойств запорного электролитного слоя. При этом в качестве источника тока используют попеременно то одну ячейку, то другую, так как процесс проходит одновременно на двух ячейках. То есть, если одна из ячеек поглощает водород и выделяет электроэнергию, то другая в это же время потребляет электроэнергию и выделяет водород высокого давления. По исчерпании емкости твердофазного электрода на ячейке возникает скачок напряжения, который является командой для переключения ячеек. Ячейка, которая выделяла водород высокого давления (была потребителем электроэнергии), будет поглощать водород с выделением электроэнергии, а ячейка, которая потребляла водород низкого давления, станет потребителем электроэнергии с выделением водорода высокого давления.

Для реализации этого способа разработано устройство, содержащее две металл-водородные ячейки с электродами, каждая из которых установлена в герметичном корпусе и подсоединена электродами через герморазъемы к источнику тока, источник водорода низкого давления, приемник водорода высокого давления, магистрали с клапанами, соединяющие корпуса ячеек с источником водорода низкого давления и приемником высокого давления, отличающееся тем, что в него введены зарядно-разрядное устройство, выключатель, контактор и блок автоматики, при этом зарядно-разрядное устройство соединено через выключатель с источником тока и через контактор с электродами металл-водородных ячеек, выход сигнала управления зарядно-разрядного устройства соединен со входом блока автоматики, который своим первым выходом соединен с контактором, магистрали, соединяющие корпуса ячеек с источником водорода низкого давления и приемником водорода высокого давления, объединены коллектором, в котором установлены клапаны, при этом один клапан установлен между герметичным корпусом первой ячейки и источником водорода низкого давления, другой клапан установлен между герметичным корпусом первой ячейки и приемником водорода высокого давления, третий - между герметичным корпусом второй ячейки и источником водорода низкого давления, четвертый - между приемником водорода высокого давления и герметичным корпусом второй ячейки, а второй, третий, четвертый и пятый выходы блока автоматики соединены соответственно со входами вышеуказанных клапанов.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена схема устройства для осуществления способа компримирования водорода на металл-водородных соединенных между собой ячейках, где обозначены:
1, 2, 3, 4 - герморазъемы;
5 - первая металл-водородная ячейка;
6 - вторая металл-водородная ячейка;
7 - контактор;
8 - зарядно-разрядное устройство;
9 - выключатель;
10 - источник тока;
11 - блок автоматики;
12 - клапан, установленный между герметичным корпусом первой ячейки и источником водорода низкого давления;
13 - клапан, установленный между герметичным корпусом первой ячейки и приемником водорода высокого давления;
14 - клапан, установленный между источником водорода низкого давления и герметичным корпусом второй ячейки;
15 - клапан, установленный между приемником водорода высокого давления и герметичным корпусом второй ячейки;
16 - герметичный корпус, внутри которого расположена первая ячейка;
17 - герметичный корпус, внутри которого расположена вторая ячейка;
18 - источник водорода низкого давления;
19 - приемник водорода высокого давления.

В начальный момент собирают схему и готовят ее к работе. Через герморазъемы 1, 2, 3, 4 электроды ячеек 5, 6 подключают к контактору 7. Контактор 7 подсоединяют к зарядно-разрядному устройству 8, который в свою очередь через выключатель 9 подключают к источнику питания 10. Выход сигнала управления зарядно-разрядного устройства 8 соединяют со входом блока автоматики 11, который своим первым выходом соединяют с контактором 7, а выходами вторым, третьим, четвертым и пятым соединяют соответственно со входами клапанов 12, 13, 14, 15, объединенных коллектором, который подсоединен к корпусам 16, 17 ячеек 5, 6, а также к источнику низкого давления 18 и приемнику высокого давления 19 согласно схеме. Подают электрический ток от источника тока 10, при замкнутом выключателе 9 производится заряд первой ячейки 5.

Выделяемый водород стравливают в приемник высокого давления. По окончании заряда ячейки 5 отключают источник тока от системы. Таким образом система приведена в исходное состояние согласно схеме, изображенной на чертеже.

Способ компримирования водорода осуществляется следующим образом:
1. Подают водород низкого давления в первую ячейку 5, где в качестве металлического электрода первой ячейки используют металл-оксидный электрод, например оксид никеля Ni(OH).

2. Одновременно отбирают водород высокого давления со второй ячейки 6, где в качестве электрода второй ячейки используют металл-гидроксидный электрод, например гидроксид никеля NiOOH.

В результате реакции:
2NiOOH + H₂ = 2Ni(OH)₂
водорода с оксидом никеля образуется электрический ток, который теперь используют в качестве источника тока второй ячейки. На второй ячейке при этом, в результате прохождения электрического тока, из гидроксида никеля выделяют водород согласно реакции
2Ni(OH)₂ - H₂ = 2NiOOH
Таким образом, в качестве источника тока используют первую ячейку, а затем вторую ячейку после выделения водорода из гидроксида никеля, входящего в эту ячейку и превращающего его в оксид никеля.

По командам, поступающим из блока автоматики, включают клапаны 2 и 15, в результате чего водород низкого давления поступает в корпус 16 и попадает на ячейки 5. В результате реакции соединения водорода с оксидом никеля образуется электрический ток, который через контактор 7 поступает в зарядно-разрядное устройство 8 и далее через него с определенной, наперед заданной, силой и напряжением поступает через контактор 7 на ячейку 6, находящуюся в герметичном корпусе 17. В результате этого никель-гидроксидный электрод, входящий в состав ячейки 6, под действием тока будет превращаться в никель-оксидый электрод с выделением водорода высокого давления, а водород низкого давления, поступающий на ячейку 5 будет поглощаться с выделением электричества, как было сказано выше. Именно за счет одновременного прохождения вышеуказанных реакций на двух герметично изолированных ячейках достигается эффект компримирования водорода, без какого-либо постороннего источника питания. Заряд (а в данном случае и разряд) такими токами, с такой цикличностью и с такими режимами (см. например [3]), что напряжение заряда незначительно отличается от теоретического. В данном случае при применении никель-водородных электродов: U_заряда = 1,35 В, в то же время U_{разряда} = 1,5 В (это подтверждено многочисленными опытами), то есть напряжение, которое выделяется при разряде, превышает напряжение, необходимое для заряда. Это связанно с тем, что при заряде используется тепло окружающей среды (см. [4] ).

Таким образом, несмотря на естественные потери в проводах, в контакторе, в зарядно-разрядном устройстве, которые при современной технологии могут не превышать 3-5%, обеспечивается компримирование водорода без постороннего источника питания. Конец заряда, как известно, определяется по скачку напряжения, который фиксируется в зарядно-разрядном устройстве 8. В результате этого из зарядно-разрядного устройства 8 поступает сигнал на вход блока автоматики 11, где в результате обработки этого сигнала вырабатываются команды:
на переключение контактора 7,
на закрытие клапана 12,
на закрытие клапана 15,
на открытие клапана 13,
на открытие клапана 14.

В результате этого ячейки 5, 6 по своему назначению как бы меняются местами, то есть ячейка 6 становится источником тока и потребляет водород низкого давления благодаря открытому клапану 14, соединяющему корпус 17 с источником низкого давления, а ячейка 5 будет потреблять ток с выделением водорода высокого давления, который поступает через открытый клапан 13 в приемник водорода высокого давления 19. Точно так же, как в первом случае, конец заряда будет фиксироваться по скачку напряжения и система переключится опять в исходное положение, указанное на схеме.

В случае, если потери будут достигать 10% и выше, они могут компенсироваться подачей электрического тока на заряжаемую ячейку от источника тока 10 через зарядно-разрядное устройство 8 включением выключателя 9.

Таким образом, предложенным способом и реализующим его устройством решается поставленная задача компримирования водорода на металл-водородных соединенных между собой ячейках с минимальными затратами электроэнергии и максимальными удобствами эксплуатации со значительным повышением давления компримирования.

Источники информации
1. Синицын А.И. Контроль и управление процессами компримирования газов в химических производствах. - Л.: Химия, 1984, с. 10.

2. Центнер Б. И. , Лызов Н.Ю. Металл-водородные системы. - Л.: Химия, 1989, с. 224 - 226.

3. Способ и устройство для заряда аккумуляторной батареи. Реферат заявки на изобретение RU 94040714/07, 6 H 02 J 7/000.

4. Центнер Б.И., Лызов Н.Ю. Металл-водородные химические системы. - Л.: Химия, 1989, с. 99 - 104.

Способ и устройство предназначены для энергетических установок, где используются сжатые газы. Способ включает подачу водорода низкого давления в первую ячейку и одновременный отбор водорода высокого давления со второй ячейки при подаче тока на электроды второй ячейки, а после насыщения водородом первой ячейки - подачу тока на первую ячейку, отбор из нее водорода высокого давления и подачу водорода низкого давления на вторую ячейку, при этом в качестве металлического электрода первой ячейки используют металлоксидный электрод, в качестве металлического электрода второй ячейки используют металл-гидроксидный электрод, а в качестве источника тока используют попеременно обе ячейки. Устройство для осуществления способа содержит две металл-водородные ячейки с электродами, каждая из которых установлена в герметичном корпусе и подсоединена электродами через герморазъемы к источнику тока, источник водорода низкого давления, приемник водорода высокого давления, клапаны, магистрали, соединяющие корпуса ячеек с источником водорода низкого давления и приемником высокого давления. При этом в него введены зарядно-разрядное устройство, выключатель, контактор и блок автоматики. Технический результат - снижение энергозатрат, удобство эксплуатации, повышение давления компримирования. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ компримирования водорода на металл-водородных, соединенных между собой ячейках, содержащих водородный и металлический электроды, включающий подачу водорода низкого давления в первую ячейку и одновременный отбор водорода высокого давления со второй ячейки при подаче тока на электроды второй ячейки и после насыщения водородом первой ячейки - подачу тока на первую ячейку, отбор из нее водорода высокого давления и подачу водорода низкого давления на вторую ячейку, отличающийся тем, что в качестве металлического электрода первой ячейки используют металл-оксидный электрод, в качестве металлического электрода второй ячейки используют металл-гидроксидный электрод, а в качестве источника тока используют попеременно обе ячейки. 2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее две металл-водородные ячейки с электродами, каждая из которых установлена в герметичном корпусе и подсоединена электродами через герморазъемы к источнику тока, источник водорода низкого давления, приемник водорода высокого давления, клапаны, магистрали, соединяющие корпуса ячеек с источником водорода низкого давления и приемником высокого давления, отличающееся тем, что в него введены зарядно-разрядное устройство, выключатель, контактор и блок автоматики, при этом зарядно-разрядное устройство соединено через выключатель с источником тока и через контактор с электродами металл-водородных ячеек, выход сигнала управления зарядно-разрядного устройства соединен со входом блока автоматики, который своим первым выходом соединен с контактором, магистрали, соединяющие корпуса ячеек с источником водорода низкого давления и приемником водорода высокого давления, объединены коллектором, в котором установлены клапаны, при этом один клапан установлен между герметичным корпусом первой ячейки и источником водорода низкого давления, другой клапан установлен между герметичным корпусом первой ячейки и приемником водорода высокого давления, третий - между герметичным корпусом второй ячейки и источником водорода низкого давления, четвертый - между приемником водорода высокого давления и герметичным корпусом второй ячейки, а второй, третий, четвертый и пятый выходы блока автоматики соединены соответственно со входами вышеуказанных клапанов.