СИСТЕМА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА Российский патент 2020 года по МПК C01B3/06 C01B3/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способам и средствам получения водорода.

Система по изобретению способна безопасно вырабатывать непрерывный управляемый поток водорода. Пассивная автономная система выработки водорода в соответствии с настоящим изобретением имеет большое значение, например, для источников резервного питания, двигателей, зарядки аккумуляторов или переносных устройств питания.

Также настоящее изобретение относится к химическому способу выработки водорода с использованием щелочных металлов, щелочноземельных металлов, гидридов щелочных металлов или гидридов щелочноземельных металлов для получения первичного побочного продукта из воды. Затем в результате реакции первичных побочных продуктов с металлическим реагентом образуется дополнительный водород.

Уровень техники

Среди различных альтернативных вариантов водородное топливо обладает высочайшими потенциальными преимуществами, благодаря пониженным выбросам вредных веществ и влиянию на атмосферу, но до настоящего времени технологии его выработки были низкоэффективными.

Пассивная система может быть основана на различных химических процессах. Одним из вариантов процесса получения водорода является химическое расщепление воды. Последнее время в этой области был достигнут некоторый прогресс в результате применения щелочных и щелочно-земельных металлов и сплавов в жидком состоянии в соответствии с описанием, приведенным в документе ЕР 2394953.

В документе ЕР 2394953 описана реакция между щелочным металлом в жидком состоянии, щелочноземельным металлом или сплавом любого из этих металлов и водой, а также усовершенствованный способ восстановления металлов или сплавов после выработки водорода.

В патентной заявке US 20140363370 описан метод получения водорода из воды, из гидроксида щелочного металла и металла, который включает в себя этапы размещения гидроксида щелочного металла и элемента-источника металла в растворимой оболочке для формирования поверх гидроксида щелочного металла реакционной среды; нагревания до температуры, превышающей температуру плавления гидроксида щелочного металла для получения расплавленной соли, выделяющей большое количество частиц, включая металл и образование пара. В этой патентной заявке гидроксид щелочного металла необходимо нагреть до очень высокой температуры, достигающей температуры плавления, поэтому это очень дорогостоящий процесс.

Наконец, в патентной публикации WO 2010076802 предложен вариант повышения реакционной способности алюминия с водой для получения водорода. Заявители этого изобретения обнаружили, что алюминий может быть активирован путем его обработки небольшим количеством лития или гидрида лития, в результате чего образуется алюминиево-литиевый сплав. Активированная композиция на основе алюминия может спонтанно реагировать с водой даже при комнатной температуре и при нейтральном или близком к нейтральному рН без добавления в воду каких-либо реактивов.

Было предпринято множество попыток увеличения выработки водорода, но все они имеют определенные производственные ограничения.

Таким образом, на основании вышеизложенного следует, что разработка технологического процесса выработки водорода по-прежнему является сферой повышенного интереса.

Раскрытие изобретения

Изобретателями создана система и экономичный и эффективный способ выработки водорода высокой чистоты в результате спонтанной реакции с водой.

Система по изобретению дает возможность безопасно генерировать непрерывный управляемый поток водорода. В состав системы входит: конструкционный материал для размещения первичного реагента и ускоряющего реагента; замедляющий материал и диффузионный материал.

Конструкционный материал необходим для нескольких целей. Первая функция - позволить первичному реагенту распределиться так, чтобы обеспечить определенную площадь соприкосновения с водой. Вторая функция - гарантировать достаточный контакт разных реагентов. Третья функция - защитная оболочка, имеющая форму, пригодную для безопасного обращения во время транспортировки и использования. Четвертая функция -передача тепла, выделившегося в процессе реакции, замедляющему материалу.

Конструкционный материал может быть подобран в соответствии с требованиями веса, объема и прочности. Конструкционный материал может быть многослойным, оболочечного типа, каркасным, с гранулированным слоем, трубчатым, массивным, сотовым, сэндвичным, трабекулярным или любым другим в зависимости от требований применения.

Реакция в способе по изобретению является резко экзотермической. Поэтому замедляющий материал делает процесс возможным, т.к. это материал, способный снизить влияние первичной и вторичной реакций и побочных продуктов. Термин "замедляющий материал ", используемый в настоящем описании, определяется как материал, который снижает скорость процесса.

Замедляющий материал может снижать скорость первичной реакции за счет отведения тепла на конструкционный материал или поменять направление первичной и вторичной реакции в соответствии с законом действия масс для каждой реакции.

Диффузионный материал - это материал, способный переносить воду в управляемом режиме для обеспечения необходимого контакта с поверхностью первичного реагента и впитывания водорода, выделившегося с поверхности реакции, для обеспечения необходимой степени чистоты водорода.

Таким образом, первым аспектом изобретения является:

Система для получения водорода из воды, которая содержит:

(a) конструкционный материал для размещения:

первичный реагент в твердом состоянии, выбранный из группы: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, сплавы щелочных и щелочноземельных металлов, гидриды щелочных металлов или гидриды щелочноземельных металлов и;

ускоряющий реагент в твердом состоянии, выбранный из группы: кремний, олово, железо, цинк, марганец, алюминий, железо, бериллий, магний и их сплавы;

(b) замедляющий материал, который находится в контакте с конструкционным материалом

(c) диффузионный материал, через который осуществляется диффузия воды перед реакцией с первичным реагентом и в который проникает получаемый водород.

Другим аспектом изобретения является способ, который является пассивным и самоподдерживающимся. Способ по изобретению начинается с реакции жидкой воды с первичным реагентом для получения водорода и первичных побочных продуктов. На втором этапе первичные побочные продукты реагируют с к ускоряющим реагентом, выбранным из металлов, для получения дополнительной выработки газообразного водорода и вторичных побочных продуктов.

Таким образом, второй аспект изобретения относится к способу получения водорода из воды в ходе цепной реакции, которая содержит следующие этапы:

(а) реакция жидкой воды при комнатной температуре с первичным реагентом, выбранным из группы: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, сплавы щелочных и щелочноземельных металлов, гидриды щелочных металлов или гидриды щелочноземельных металлов в твердом состоянии, для получения соответствующего гидроксида в качестве первичных побочных продуктов;

(b) реакция гидроксида, полученного на этапе а), с водой и ускоряющим реагентом в твердом состоянии, выбранным из группы: кремний, олово, железо, цинк, марганец, алюминий, железо, бериллий, магний или их сплавы в твердом состоянии для получения дополнительного водорода и оксида в качестве вторичных побочных продуктов;

(c) отделение водорода от остаточных продуктов реакции

(d) сбор водорода.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана структурная схема системы по изобретению.

Осуществление изобретения

Как указано выше, один из аспектов настоящего изобретения относится к системе получения водорода из воды, в состав которой входят следующие компоненты:

(a) конструкционный материал для размещения:

первичного реагента в твердом состоянии, выбранного из группы: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, сплавы щелочных и щелочноземельных металлов, гидриды щелочных металлов или гидриды щелочноземельных металлов и;

ускоряющего реагента в твердом состоянии, выбранного из группы: кремний, олово, железо, цинк, марганец, алюминий, железо, бериллий, магний и их сплавы;

(b) замедляющий материал, который находится в контакте с конструкционным материалом;

(c) диффузионный материал, через который осуществляется диффузия воды перед реакцией с первичным реагентом и в который проникает полученный водород.

В предпочтительном варианте конструкционный материал выбирают из таких неорганических материалов, как твердые металлы, оксиды, соли, графит, сера и сталь. Гидроксиды щелочных металлов и щелочноземельных металлов являются чрезвычайно агрессивными. Поэтому в предпочтительном варианте выполнения конструкционным материалом является сталь.

В предпочтительном варианте замедляющий материал выбирают из материалов с обратимыми фазами (РСМ), таких как гидраты солей, металлы, соли, эвтектические сплавы или любые материалы, способные выделять первичный или вторичный побочные продукты при повышении температуры, например, наноструктурированные материалы, неорганические сорбенты, цеолиты и т.п. Предпочтительно в качестве замедляющего материала используют соли бария.

В качестве диффузионного материала можно использовать любой пористый материал, обладающий диффузионными свойствами, например, легированные стали, металлические мембраны. Диффузионный материал является инертным или совместимым с реагентами, продуктами, водой и водородом.

Как указано выше, другой аспект настоящего изобретения относится к способу получения водорода из воды в результате цепной реакции, которая содержит следующие этапы:

(a) реакция воды с первичным реагентом, выбранным из группы: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, сплавы щелочных и щелочноземельных металлов, гидриды щелочных металлов или гидриды щелочноземельных металлов в твердом состоянии, для получения соответствующего гидроксида в качестве первичных побочных продуктов;

(b) реакция гидроксида, полученного на этапе а), с водой и металлом, выбранным из группы: кремний, олово, цинк, марганец, алюминий, железо, бериллий, магний или их сплавы, в твердом состоянии для получения дополнительного водорода и оксида в качестве вторичных побочных продуктов;

(c) отделение водорода от остаточных продуктов реакции

(d) сбор водорода.

Предпочтительно щелочной или щелочноземельный металл выбирают из следующих металлов: литий (Li), натрий (Na), калий (K) и магний (Mg), из них предпочтительнее натрий (Na) и литий (Li), и наиболее предпочтительным является натрий (Na), так как обладает сравнительно низкой температурой плавления и является самым распространенным. Наиболее интересный сплав - сплав лития и натрия в соотношении 5/95, который обладает более высокой удельной энергоемкостью, чем натрий в отдельности, и температура плавления которого (=89°С) на 10°С ниже, чем у натрия. Другой полезный сплав, в состав которого входят калий и натрий в соотношении 56/44, плавится при температуре 6,8°С, или сплав лития и стронция в соотношении 12/88, который плавится при температуре 132°С.

КПД способа по изобретению - не ниже 90%.

ПРИМЕР

Пример подготовлен следующим образом:

Реагенты и материалы

Реагенты: металлический натрий; ферросилиций; конструкционный материал: замедлитель из стальной фольги: CuSO₄+BaCl₂+NH₄Cl; сетка: стальная сетка SS304

Последовательность химических реакций:

1.

Na + H₂O → NaOH + Н₂

2.

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂

2NaOH + Si + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂

Реакция материала с обратимыми фазами

ВаСl₂ + NaOH → Ва(ОН)₂ + NaCl (удаление гидроксидов из реакционной среды)

Ва(ОН)₂⋅8H₂O(тв) + 2NH₄Cl(тв) → 2NH₃(газ) + 10Н₂О(ж) + BaCl₂(тв) (сильно эндотермическая)

CuSO₄ + 4NH₃ + H₂O → [Cu(NH₃)₄]SO₄ H₂O (связывание аммиака NH₃)

суммарная масса различных элементов:

Натрий 50 г

Кремний 50 г

Железо 200 г

Хлорид бария 75 г BaCl₂

Хлорид аммония 35 г NH₄Cl

Сульфат меди 210 г CuSO₄

Стальная фольга: 90 г

Стальная сетка SS304: 14 г

СУММАРНАЯ МАССА: 724 г

Полученный водород (масса): 13 г Н₂

Полученный водород (объем): 145,6 SL

Экономия энергии: 433,33 Вт*час

Гравиметрическая плотность энергии: 724 Вт*час/кг

Минимальное количество воды, необходимое для реакции: 125 г

Изобретение относится к способу и системе для получения водорода из воды. Система содержит: (а) конструкционный материал для размещения: первичного реагента в твердом или жидком состоянии, выбранного из группы: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, сплавы щелочных и щелочноземельных металлов, гидриды щелочных металлов или гидриды щелочноземельных металлов, сплавы калия и натрия, или сплав лития и натрия в соотношении 5/95; и ускоряющего реагента в твердом состоянии, выбранного из группы: кремний, олово, железо, цинк, марганец, алюминий, бериллий, магний и их сплавы; (b) замедляющий материал, который замедляет скорость процесса и находится в контакте с конструкционным материалом, и (с) диффузионный материал, через который осуществляется диффузия воды перед реакцией с первичным реагентом и в который проникает полученный водород. Технический результат заключается в разработке системы и экономичного и эффективного способа выработки водорода высокой чистоты. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Система для получения водорода из воды, содержащая

(а) конструкционный материал для размещения:

первичного реагента в твердом или жидком состоянии, выбранного из группы: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, сплавы щелочных и щелочноземельных металлов, гидриды щелочных металлов или гидриды щелочноземельных металлов, сплавы калия и натрия, или сплав лития и натрия в соотношении 5/95; и

ускоряющего реагента в твердом состоянии, выбранного из группы: кремний, олово, железо, цинк, марганец, алюминий, бериллий, магний и их сплавы;

(b) замедляющий материал, который замедляет скорость процесса и находится в контакте с конструкционным материалом;

(с) диффузионный материал, через который осуществляется диффузия воды перед реакцией с первичным реагентом и в который проникает полученный водород.

2. Способ получения водорода из воды в ходе цепной реакции, осуществляемый в системе по п.1, содержащий следующие этапы:

(а) реакция жидкой воды при комнатной температуре с первичным реагентом в твердом или жидком состоянии, выбранным из группы: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, сплавы щелочных и щелочноземельных металлов, гидриды щелочных металлов или гидриды щелочноземельных металлов, сплавы калия и натрия, или сплав лития и натрия в соотношении 5/95, для получения соответствующего гидроксида в качестве первичного побочного продукта;

(b) реакция гидроксида, полученного на этапе а), с водой и ускоряющим реагентом в твердом состоянии, выбранным из группы: кремний, олово, железо, цинк, марганец, алюминий, бериллий, магний или их сплавы, для получения дополнительного водорода и оксида в качестве вторичного побочного продукта;

(с) отделение водорода от остаточных продуктов реакции;

(d) сбор водорода.