ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА ТРАНСПОРТНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ Российский патент 2004 года по МПК C01B3/08 B01J7/00 

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте.

Генератор представляет собой химический реактор, вырабатывающий водород путем гидролиза, т.е. разложения воды. Для этого используется твердый реагент, т.е. реакция гидролиза носит гетерогенный характер - идет на поверхности твердого вещества. Предполагается, что полученный таким образом водород в дальнейшем используется в качестве топлива для энергоустановок (ЭУ) на топливных элементах (ТЭ). Помимо этого водород может использоваться, конечно, и в других областях, например при резке металла, сварке и т.д.

Ранее в последнем случае использовались главным образом генераторы ацетилена типов ГНВ-1,25 и ГВР-1,25 [1]. При этом также применялась гетерогенная реакция гидролиза, а в качестве твердого реагента служил карбид кальция. Данное техническое решение принято за аналог. К его недостаткам следует отнести следующие:

- синтезируемый ацетилен не пригоден для кислородоводородных ТЭ и нуждается в дальнейшем разложении до получения водорода. Это существенно усложняет конструкцию ЭУ и снижает ее КПД. Малое весовое содержание водорода в таких генераторах делает их непригодными для транспорта;

- при работе ацетиленовых генераторов образуется нерастворимый осадок (известь), накопление которого ограничивает время непрерывной работы генератора, ухудшает его габаритно-весовые характеристики. Удаление осадка из реактора требует дополнительных энергозатрат, усложняет конструкцию ЭУ, снижает ее КПД;

- твердый реагент (карбид кальция) является материалом, длительное хранение которого достаточно сложно и небезопасно, поскольку он очень гигроскопичен и при поглощении влаги из воздуха выделяет ацетилен.

К недостаткам аналога следует также отнести:

- недостаточную глубину регулирования расхода газа, что обусловлено тем, что в вертикальном реакционном сосуде кассета с твердым реагентом размещается горизонтально;

- большую временную инерционность, обусловленную тем, что жидкость вытесняется из кассеты с твердым реагентом не полностью и достаточно медленно;

Помимо этого недостатками аналога являются:

- отсутствие температурной регулировки (хотя температура очень сильно влияет на реакцию);

- неоптимальная габаритная компоновка конструкции, что является недостатком с точки зрения транспорта, особенно если габариты генератора велики.

Более близким по своей сути является генератор водорода, предназначенный для питания ЭУ на основе ТЭ, используемой на подводном аппарате [2]. Данный реактор также использует реакцию гидролиза, а в качестве твердого реагента используются металлогидриды (т.е. соединения металлов с водородом). Генератор включает реакционный сосуд, в который помещается “камера” с гидридом металла, теплообменник для отвода тепла реакции, устройство для перемешивания воды в реакционном сосуде (размещенное внутри последнего) и магистрали для подачи в реактор воды и отвода из реактора водорода. При этом для улучшения габаритно-весовых характеристик ЭУ применяются гидриды легких металлов, которые являются весьма дорогостоящими (LiH, BeH₂ ..._{). Это существенно повышает стоимость получаемого водорода и является существенным недостатком генератора [2], принятого в данном случае за прототип.}

Помимо этого, к недостаткам прототипа следует отнести следующие:

- жесткая расходная характеристика генератора, обусловленная сильной зависимостью скорости химической реакции от температуры и как следствие этого сложность стабилизации работы генератора;

- энергоемкость системы терморегулирования генератора, связанная с тем, что при регулировке расхода необходимо изменять температуру всего вещества, находящегося в реакционном сосуде, и, кроме того, обеспечить равномерность температуры во всем реакционном объеме;

- недостатком конструкции генератора является также тепловая инерционность, затрудняющая его использование в транспортных ЭУ.

Последнее обусловлено тем, что для функционирования генератора на стационарном режиме необходимо поддерживать определенную температуру твердого и жидкого реагентов. Если их много, поддержание температурного режима генератора усложняется технически и требует существенных энергозатрат (например, на работу перемешивающих устройств). Кроме того, переходные режимы работы такого генератора водорода занимают в этом случае достаточно много времени, поскольку требует изменения температуры значительных масс веществ, имеющих сравнительно невысокую теплопроводность (вода, металлогидриды). Для транспортных задач это является огромным недостатком.

Задачей предлагаемого решения является разработка генератора водорода с более “мягкой” расходной характеристикой, автоматической стабилизацией режима и повышенным быстродействием. Кроме того, генератор должен быть по возможности компактным, чтобы использоваться на транспорте.

Суть предложения состоит в следующем.

Помимо регулировки хода реакции (т.е. производительности генератора) по температуре в предлагаемом решении меняется также площадь твердого реагента. При этом по сравнению с терморегулировкой влияние площади твердого реагента гораздо более “мягкое”. Последнее обуславливается тем, что расход водорода пропорционален площади реагирующего твердого компонента и может меняться достаточно плавно, а от температуры он зависит экспоненциальным образом (ехр (-1/Т)), т.е. существенно нелинейно. Это обстоятельство позволяет производить регулировку производительности генератора в две стадии: первоначально грубую регулировку - изменяя температуру реагентов, и последующую плавную - меняя площадь твердого реагента, погруженного в жидкость.

Для реализации этого принципа в состав генератора водорода транспортной энергоустановки, работающей на гидролизе с твердым реагентом и содержащего контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, введена 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.

Реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд размещен внутри.

Схема такого генератора дана на фигуре, где обозначено: 1 - контейнер с твердым реагентом; 2 - реакционный сосуд; 3 - магистраль выдачи водорода; 4 - магистраль подачи жидкого реагента; 5 - теплообменник для отвода тепла реакции; 6 - пусковой нагреватель жидкости; 7 - перепускная емкость; 8 - магистраль наддува; 9 - запорный элемент; 10 - датчик температуры жидкости.

Работает генератор следующим образом. По магистрали подачи жидкого реагента (4) его набирают в перепускную емкость (7) и нагревают там пусковым нагревателем (6). Запорный элемент (9) при этом закрыт. После достижения необходимой температуры (контролируется по датчику температуры (10)) пусковой нагреватель отключают, а запорный элемент (9) открывают. Жидкость из перепускной емкости (7) перетекает в реакционный сосуд (2), где вертикально размещен контейнер с твердым реагентом (1). При этом контейнер (1) полностью покрывается жидкостью.

Начинается химическая реакция с выделением водорода и тепла, которое отводится с помощью теплообменника (5). Производительность генератора регулируется в два приема. Сначала грубо - задавая соответствующую температуру в реакционном сосуде, а затем более точно - регулируя высоту жидкости в нем, т.е. глубину погружения в жидкость контейнера с твердым реагентом (1). Последнее достигается изменением давления в перепускной емкости (7), для чего служит магистраль наддува (8).

После установки необходимого уровня жидкости в реакционном сосуде (2) запорный элемент (9) можно перекрыть. Возможно также оставить его открытым. В этом случае при постоянном давлении в перепускной емкости происходит автоматическая стабилизация режима генерации, т.е. производительности генератора. При повышении давления водорода в реакционном сосуде (2) жидкость из него вытесняется в перепускную емкость (7), уменьшается площадь реагирующего твердого компонента и снижается расход выделяемого водорода. Давление в реакционном сосуде (2) падает, пока не достигнет прежней величины.

При снижении давления в реакционном сосуде (2) жидкий реагент, наоборот, поступает в него из перепускной емкости (7). Повышается уровень жидкости и увеличивается смоченная площадь твердого реагента. Как следствие увеличивается и расход генерируемого водорода.

Таким образом происходит автостабилизация давления водорода в реакционном сосуде (2) по величине опорного давления в перепускной емкости (7) (с учетом разницы в уровнях жидкости в этих сообщающихся объемах). При этом, поскольку твердый реагент размещен равномерно по высоте реакционного сосуда (2), соотношение между жидким и твердым реагентами сохраняется неизменным при любых уровнях жидкости в реакционном сосуде (2).

При останове генератора давление в перепускной емкости (7) снижается, жидкость из реакционного сосуда (2) перетекает в эту емкость (7), и твердый реагент изолируется в атмосфере водорода. Выделение водорода прекращается. При повторном пуске генератора оставшуюся в перепускной емкости (7) жидкость снова подогревают, что сокращает время выхода генератора на режим.

Для уменьшения габаритов генератора водорода реакционный сосуд (2) и перепускную емкость (7) целесообразно выполнить в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд разместить внутри перепускной емкости.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать компактный генератор водорода, работающий на реакции гидролиза, имеющий глубокую степень регулировки, мягкую расходную характеристику, повышенное быстродействие и способный работать в режиме автостабилизации. Все это делает целесообразным использование такого генератора водорода на транспорте.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.В.Рыбаков. Учебник газосварщика. – М., МАШГИЗ, 1956 г.

2. “Генерирование водорода путем гидролиза для энергоустановки на основе ТЭ подводного назначения”. Патент.5372617, США, 1994 г.

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте. Генератор водорода транспортной энергоустановки, работающий на гидролизе с твердым реагентом, содержит контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, и имеет магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости. В состав генератора введена 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. Реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд размещен внутри. Изобретение позволяет создать генератор водорода с автоматической стабилизацией режима и повышенным быстродействием. 1 ил.

1. Генератор водорода транспортной энергоустановки, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, отличающийся тем, что в состав генератора введена 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.2. Генератор водорода транспортной установки, отличающийся тем, что реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд размещен внутри.