АВТОНОМНОЕ ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПРАВКИ БАЛЛОНОВ ВОДОРОДОМ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК F17C5/06 C01B3/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к энергетическому оборудованию, в частности, к автономному портативному устройству для заправки баллонов водородом высокого давления при предварительном получении водорода высокого давления гидролизом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из US 7078012 В2, опубл. 18.07.2006, известно устройство для получения водорода высокого давления, содержащее реакционную камеру, сосуд для хранения жидкости (вода или раствор по крайней мере одного катализатора), сосуд для хранения реагента (металл или раствор гидрида металла), осушитель водорода и сосуд для хранения водорода, при этом жидкость из сосуда для хранения жидкости через трубопровод при помощи наноса подается в реакционную камеру, реагент из сосуда для хранения реагента через трубопровод подается в реакционную камеру, а полученный в реакционной камере водород по газопроводу через осушитель водорода попадает в сосуд для хранения водорода.

Недостатком выше описанного устройства получения водорода является то, что:

- Конструкция устройства усложнена наличием нескольких камер, в том числе, топливной, каталитической и камерой отработанного топлива, что увеличивает вес и габариты системы.

- Газовая линия, с использованием газа N₂, не предусматривает возможности портативного исполнения.

- Давление полученного водорода в результате реакции значительно ниже, чем в заявленном устройстве, что не дает возможности заправки полученным водородом композитных баллонов давлением до 350 бар.

- Устройство не удовлетворяет условиям портативной заправки, которую можно использовать для заправки баллонов в процессе полетов, так как скорость производства водорода очень мала и составляет 1,5 л/мин. Для заправки 10 литрового баллона (около 3 м³), таким образом, потребуется 33 часа.

- Использование электрического насоса, что предполагает подключение к электрической сети, т.е. не позволяет использовать устройство автономно.

Также в US 7316718 В2, опубл. 08.01.2008 раскрыто устройство для получения водорода, содержащее каталитическую камеру с катализатором, топливную камеру с реагентным водородсодержащим материалом (боргидрид), соединенную с каталитической камерой, камера отработанного топлива, связанная с каталитической камерой и выполненная с возможностью отдельного, хранения водорода и бората, газопровод с обратным клапанном, который связан с топливной камерой и камерой отработанного топлива, выпускной трубопровод для газообразного водорода.

Недостатком выше описанного устройства получения водорода является то, что:

Устройство не является портативным из-за наличия нескольких емкостей, связанных между собой (бак с жидкостью, второй источник жидкости, нагнетательный насос, бак с реагентом, узел подачи смеси, емкость хранения водорода, емкость для осушки водорода), что делает конструкцию сложной, тяжелой и объемной.

Использование нагнетательного насоса для поддержания давления в системе также относится к числу недостатков системы: невозможность эксплуатации насоса без электричества делает устройство неавтономным.

Значительный вес устройства из-за необходимости использования избыточного количества воды. Кроме того, катализатор хранится в отдельном контейнере, для смешивания катализатора необходим жидкий носитель (вода).

Известно устройство для заправки баллонов водородом высокого давления, раскрытое в RU 2183302 С2, опубл. 10.06.2002. Устройство для заправки баллонов водородом высокого давления содержит генератор водорода с емкостью для заполнения водорода, которая обеспечивает заправку баллонов водородом через шланг с байонетным разъемом.

Недостатком выше описанного известного устройства является то, что оно:

1. Не является автономным, т.е. не может работать без подключения к источнику электроэнергии.

2. Не является портативным, т.е. имеет значительные габариты и массу, не считая массы и габариты дополнительного оборудования, необходимого для погружения баллонов на глубину.

3. Может применяться только на судне, находящемся в плавании.

4. Не обеспечивает заправку баллонов водородом давлением выше 150 атм.

Кроме того, из уровня техники устройство для заправки баллонов водородом высокого давления, раскрытое в RU 2455394 С1, опубл. 10.07.2012, прототип. Устройство для заправки баллонов водородом высокого давления содержит генератор водорода и баллоны, пневматически соединенные с генератором водорода.

Недостатком раскрытого выше устройства является то, что оно:

1. Не является автономным, т.е. не может работать без подключения к источнику электроэнергии.

2. Не является портативным, т.е. имеет значительные габариты и массу, включая массу и габариты дополнительного оборудования, необходимого для подготовки воды.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка автономного портативного устройства для заправки баллонов водородом высокого давления, обеспечивающего совмещение в одном устройстве генератора водорода и устройства заправки баллонов водородом высокого давления.

Техническим результатом изобретения является обеспечение заправки высокочистым водородом высокого давления в любом месте, в котором обеспечивается доступ к воде, при полном исключении затрат электроэнергии, малом весе реактора, позволяющем его переносить, высокой надежности работы устройства и простоте его обслуживания.

Указанный технический результат достигается за счет того, что автономное портативное устройство для заправки баллонов водородом высокого давления содержит реакционную камеру, в которой расположен картридж с твердым реагентом и трубку для подачи жидкого реагента, выполненную с возможностью подачи в нижнюю часть реакционной камеры, охладитель-осушитель, содержащий последовательно установленные охладитель водорода, фильтр-влагоотделитель и осушитель водорода, трубопровод для подачи жидкого реагента (воды, возможно содержащей примеси), соединенный с трубкой для подачи жидкого реагента, насос с ручным приводом высокого давления, соединенный с трубопроводом для подачи жидкого реагента в реакционную камеру и выполненный с возможностью порционной подачи жидкого реагента в реакционную камеру, трубопровод газообразного водорода, обеспечивающий соединение реакционной камеры и охладителя-осушителя, трубопровод подготовленного газообразного водорода, выполненный с возможностью подачи водорода высокого давления из охладителя-осушителя в баллон, причем, трубопровод газообразного водорода трубопровод подготовленного газообразного водорода и трубопровод для подачи жидкого реагента снабжены быстроразъемными соединениями, а реакционная камера размещена в средстве охлаждения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - Схема устройства. 1 - реакционная камера; 2 - картридж с твердым реагентом; 3 - бак низкого давления; 4 - насос с ручным приводом высокого давления; 5 - фильтр-влагоотделитель; 6 - охладитель водорода; 7 - осушитель водорода, 8 - баллон с водородом; 9 - манометр; 10 - предохранительный клапан; 11 - бак для охлаждения реакционной камеры; 12 - кран шаровой; 13 - клапан обратный; 14 - устройство запорное баллонное; 15 - термометр; 16 - трубка для подачи жидкого реагента.

Условные обозначения:

Направление потока жидкости

Направление потока газа

Гибкий трубопровод

Соединения с накидной гайкой

Быстроразъемные соединения

Соединение с наружной резьбой

- Соединения с внутренней резьбой

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Автономное портативное устройство для заправки баллонов водородом высокого давления содержит реакционную камеру (1), трубку (16) для подачи жидкого реагента, охладитель водорода (6) и осушитель водорода (7) с фильтром-влагоотделителем (5), насос с ручным приводом (4), трубопровод для подачи жидкого реагента, трубопровод газообразного водорода и трубопровод подготовленного газообразного водорода.

В реакционной камере (1) расположен картридж (2) с твердым реагентом, а сама трубка (16) для подачи жидкого реагента оборудована манометром (9) и термометром (15) и размещена в баке для охлаждения реакционной камеры (11). Трубка (16) для подачи жидкого реагента) обеспечивает подачу жидкого реагента в нижнюю часть реакционной камеры (1). Трубопровод для подачи жидкого реагента одним концом соединен с трубкой (16) для подачи жидкого реагента, а другим - с насосом (4) высокого давления, который выполнен ручным и обеспечивает порционную подачу жидкого реагента в реакционную камеру (1), при этом трубопровод для подачи жидкого реагента снабжен быстроразъемными соединениями и обратным клапаном (13). Насос с ручным приводом (4) высокого давления при помощи трубопровода для подачи жидкого реагента связан с баком низкого давления (3). Трубопровод газообразного водорода обеспечивает соединение реакционной камеры (1) и охладителя (6) и осушителя (7) водорода. Трубопровод газообразного водорода может быть расположен в герметичной крышке реакционной камеры, либо расположен вне крышки, соединенный с реакционной камерой (1), охладителем (6) и осушителем (7) через быстросъемные соединения. Трубопровод подготовленного газообразного водорода обеспечивает подачу водорода высокого давления из охладителя (6) и осушителя (7) в баллон (8), причем трубопровод подготовленного газообразного водорода снабжен быстроразъемными соединениями, обратным клапаном (13), манометром (9), термометром (15) и запорным баллонным устройством (14).

В качестве твердого реагента применяют вещество, выбранное из группы: NaBH₄, LiBH₄, KBH₄, Mg(BH₄)₂, Са(ВН₄)₂, NH₄BH₄, (СН₃)₄, NaAlH₄, LiAlH₄, KAIH₄, NaGaH₄, LiGaH₄ и KGaH₄, MgH₂, алюминий или его сплавы со следующими металлами: Fe, Bi, Sn, Ga, In.

Твердый реагент выполнен в виде порошка или таблетки из спрессованного вещества, раскрытого выше с возможным добавлением катализатора 5-20% (скорость выделения водорода увеличивается в присутствии 5-10% катализатора, при использовании слишком больших концентраций более 20%, скорость реакции снижается, что связано с конкуренцией между ОН^- и анионами за адсорбционные места на поверхности катализатора).

В качестве жидкого реагента применяют воду дистиллированную, пресную, морскую, талую воду с содержанием минеральных примесей 0-10 мг/л (Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, I^-, , , бикарбонаты, сульфаты, хлориды).

В качестве бака низкого давления (3) для подачи жидкого реагента применяют любое средство, которое содержится в месте заправки баллона и через которое можно при помощи насоса с ручным приводом (4) подавать жидкий реагент в реакционную камеру (1). Баком низкого давления (3) для подачи жидкого реагента являются емкости различного объема.

В качестве бака (11) для охлаждения реакционной камеры (1) применяют любое средство, которое содержится в месте заправки баллона и позволяющее охлаждать реакционную камеру (1).

Баком (11) для охлаждения реакционной камеры (1) является емкость различного объема.

В качестве охлаждающей жидкости бака (11) для охлаждения реакционной камеры (1) применяют воду или снег.

В качестве фильтра-влагоотделителя (5) используют стандартные материалы (силикагель; силикалиты; цеолиты, включая молекулярные сита - NaA, CaA, NaX, ZSM-5, NaY и их комбинации; хлористый кальций; оксид алюминия; вермикулит и их комбинации, например, CaCl₂-SiO₂, CaCl₂ - Al₂O₃).

Заявленное устройство работает следующим образом. Заявленное автономное портативное устройство для заправки баллонов водородом высокого давления в разобранном виде доставляется в место заправки баллонов водородом высокого давления. Автономное портативное устройство для заправки баллонов водородом высокого давления в разобранном виде состоит из следующих частей: реакционная камера (1) с картриджем (2), в котором размещается твердый реагент; трубка (16) для подачи жидкого реагента, блок подготовки газа, содержащий последовательно установленные охладитель водорода (6), фильтр-влагоотделитель (5) и осушитель водорода (7); трубопровод для подачи жидкого реагента, трубопровод газообразного водорода и трубопровод подготовленного газообразного водорода. После доставки автономного портативного устройства для заправки баллонов водородом высокого давления, устройство собирается по месту нахождения. Для этого реакционную камеру (1) размещают в баке (11) для охлаждения реакционной камеры (1) - емкость с водой, которую берут в месте заправки баллонов (9). В реакционную камеру (1) со снятой верхней крышкой помещают картридж (2), содержащий твердый реагент из списка, приведенного выше в виде порошка или таблеток. Картридж закрепляют на дне и по центру реакционной камеры (1), после чего верхнюю крышку реакционной камеры (1) герметично закрывают, а на крышку устанавливают блок подготовки газа, содержащий последовательно установленные охладитель водорода (6), фильтр-влагоотделитель (5) и осушитель водорода (7), при этом охладитель и осушитель водорода при помощи быстросъемных соединений соединяют с трубопроводом газообразного водорода, расположенным внутри крышки реакционной камеры (1).

Затем насос с ручным приводом (4) высокого давления соединяется с трубкой (16) для подачи жидкого реагента через трубопровод для подачи жидкого реагента при помощи быстроразъемных соединений. Насос с ручным приводом (4) высокого давления и бак низкого давления (3) для подачи жидкого реагента (емкость с водой заполняют в месте заправки баллонов) соединяются через трубопровод для подачи жидкого реагента при помощи быстроразъемных соединений. Охладитель (6) и осушитель (7) водорода и заправляемый баллон (9) с водородом соединены через трубопровод подготовленного газообразного водорода при помощи быстроразъемных соединений. После того, как заявленное устройство было собрано, из бака низкого давления (3) для подачи жидкого реагента при помощи насоса с ручным приводом (4) высокого давления осуществляют подачу первой порции жидкого реагента (воды) через трубопровод для подачи жидкого реагента в реакционную камеру (1).

Объем порций жидкого реагента соответствует объему камеры насоса с ручным приводом (4) высокого давления и может составлять от 50-1000 мл. В реакционной камере (1) в результате гидролиза первой порции жидкого реагента и твердого реагента, расположенного ниже уровня жидкого реагента, образуется водород. Продукты реакции гидролиза заполняют свободный объем камеры по высоте не выше высоты прореагировавшего твердого реагента. Образовавшийся водород поднимается вверх в реакционной камере (1) и через трубопровод газообразного водорода поступает в блок подготовки газа, в котором при помощи последовательно установленных охладителя водорода (6), фильтра-влагоотделителя (5) и осушителя (7) водорода происходит охлаждение и осушение водорода. Далее охлажденный и осушенный водород по трубопроводу подготовленного газообразного водорода через обратный клапан поступает в баллон (8). Далее осуществляют подачу второй порции жидкого реагента и дальнейшие операции по заправке баллона водородом осуществляют аналогично операциям после подачи первой порции жидкого реагента. Порционную подачу жидкого реагента осуществляют до достижения в баллоне (8) давления 350 бар, которое отслеживают по манометру (9) в трубопроводе подготовленного газообразного водорода, закрывают запорную арматуру (13) в трубопроводе подготовленного газообразного водорода и с помощью быстросъемных соединений отсоединяют заправленный баллон (8). Далее с помощью быстросъемных соединений к трубопроводу подготовленного газообразного водорода подсоединяют пустой баллон, открывают запорную арматуру (13) в трубопровод подготовленного газообразного водорода и начинают медленно заправлять пустой баллон (8) путем выравнивания давления. При необходимости используют несколько пустых баллонов (8) для дозаправки. По окончанию работы заявленного устройства (при заправке всех баллонов или наличия в картридже критического уровня твердого реагента) в случае наличия остаточного водорода в устройстве, осуществляют удаление остаточного водорода из каталитической камеры, затем открывают крышку каталитической камеры, удаляют картридж и продукты гидролиза, промывают камеру и готовят ее к последующей заправке. Реакция гидролиза с образованием газообразного водорода осуществляют при температуре от -40°С (при использовании вместо воды, солевого и кислотного раствора) до +350°С и давлении от 0 бар до 700 бар внутри реактора. По показаниям термометра (15) и манометра (9) контролируют параметры водорода в реакционной камере (1). Не допускают нагрева реакционной камеры (1) свыше верхней допустимой температуры, для снижения температуры в реакционной камере (1) увеличивают время выдержки между подачей порций жидкого реагента (воды). В случае применения в качестве твердого реагента, в него может быть добавлен один из катализаторов: CoCl₂, Co₂O₃, CoO, NiCl₂, NiO, RuCl₃, RuOHCl₃, H₂PtCl₄, PtCl₂, PdCl₂.

При этом в картридж (2) загружают порошковую смесь твердого реагента с катализатором или смесь, спрессованную в виде таблетки.

Снижение веса устройства обеспечивается за счет того, что полученный водород подается непосредственно в заправляемый баллон (отсутствует ресивер); за счет минимизации объема и веса реакционной камеры, веса реакционной смеси, количества используемого жидкого реагента и объема реактора, которые стали возможны благодаря полному реагированию твердого и жидкого реагентов; а также за счет отказа от компрессора.

Удержание температуры и давления внутри реактора ниже предельно допустимых 250°С и 700 Бар обеспечивается за счет порционной подачи жидкого реагента и пассивного теплосъема с поверхности реактора, обеспечиваемой за счет развитой поверхности реактора, а также за счет использования картриджей с заранее дозированным количеством твердого реагента. Реакционная камера рассчитана на удержание высокого давления (до 400 Бар) при температуре 250°С.

Возможность заправки высоким давлением обеспечивается за счет того, что реакция гидролиза с заявленными твердыми реагентами имеет необратимый характер и не останавливается при росте давления до 700 бар и выше.

Исключение затрат электроэнергии обеспечивается за счет применения насоса с ручным приводом.

Заявленное устройство обеспечивает заправку высокочистым водородом высокого давления в любом месте, в котором доступен жидкий реагент и возможно доставить заявленное устройство, за счет возможности доставки заявленного устройства в место заправки баллонов водородом в разобранном виде, а также применения средства подачи жидкого реагента и средства охлаждения в месте заправки баллона водородом.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к автономным портативным устройствам для заправки баллонов водородом высокого давления при предварительном получении водорода высокого давления гидролизом. В реакционной камере расположен картридж с твердым реагентом. Трубка для подачи жидкого реагента выполнена с возможностью подачи жидкого реагента в нижнюю часть реакционной камеры. Устройство дополнительно содержит охладитель-осушитель, содержащий последовательно установленные охладитель водорода, фильтр-влагоотделитель и осушитель водорода, трубопровод для подачи жидкого реагента, соединенный с трубкой для подачи жидкого реагента, насос с ручным приводом высокого давления, соединенный с трубопроводом для подачи жидкого реагента в реакционную камеру и выполненный с возможностью порционной подачи жидкого реагента в реакционную камеру, трубопровод газообразного водорода, обеспечивающий соединение реакционной камеры и охладителя-осушителя, трубопровод подготовленного газообразного водорода, выполненный с возможностью подачи водорода высокого давления из охладителя-осушителя в баллон. Трубопровод газообразного водорода, трубопровод подготовленного газообразного водорода и трубопровод для подачи жидкого реагента снабжены быстроразъемными соединениями, а реакционная камера размещена в баке для охлаждения реакционной камеры. Техническим результатом является обеспечение заправки высокочистым водородом высокого давления в любом месте, в котором обеспечивается доступ к воде, при полном исключении затрат электроэнергии, снижение веса реактора и высокой надежности работы устройства и простоте его обслуживания. 1 ил.

Автономное портативное устройство для заправки баллонов водородом высокого давления, содержащее реакционную камеру и баллон с водородом, отличающееся тем, что в реакционной камере расположен картридж с твердым реагентом и трубка для подачи жидкого реагента, выполненная с возможностью подачи жидкого реагента в нижнюю часть реакционной камеры, при этом устройство дополнительно содержит охладитель-осушитель, содержащий последовательно установленные охладитель водорода, фильтр-влагоотделитель и осушитель водорода, трубопровод для подачи жидкого реагента, соединенный с трубкой для подачи жидкого реагента, насос с ручным приводом высокого давления, соединенный с трубопроводом для подачи жидкого реагента в реакционную камеру и выполненный с возможностью порционной подачи жидкого реагента в реакционную камеру, трубопровод газообразного водорода, обеспечивающий соединение реакционной камеры и охладителя-осушителя, трубопровод подготовленного газообразного водорода, выполненный с возможностью подачи водорода высокого давления из охладителя-осушителя в баллон, причем трубопровод газообразного водорода, трубопровод подготовленного газообразного водорода и трубопровод для подачи жидкого реагента снабжены быстроразъемными соединениями, а реакционная камера размещена в баке для охлаждения реакционной камеры.