Способ получения компримированного водорода и устройство для его осуществления Российский патент 2020 года по МПК C01B3/08 F17C5/06 B01J7/02 

ВОДОРОДГЕНИзобретение относится к водородной энергетике, а именно к способам и устройствам, предназначенным для получения водорода и наполнения им сосудов до требуемого давления.

Предполагаемые заявкой способ и устройство получения компримированного водорода могут быть использованы в качестве автономных мобильных установок для генерации водорода под высоким давлением с последующей его заправкой в баллоны, предназначенные для питания топливных элементов, обеспечивающих работу беспилотных летательных аппаратов, телекоммуникационного оборудования, компьютерной техники и других автономных объектов электропотребления.

Получать и компримировать водород можно, используя стандартную аппаратуру: электролизер и компрессор, но такая схема непригодна для устройств, работающих в полевых условиях и требующих мобильных источников получения и компримирования водорода. Поэтому существует множество способов и устройств для решения вышеуказанной задачи, основанные на применении водородгенерирующих материалов, к которым предъявляются следующие требования: простота и безопасность хранения, доступность.

Известен аппарат [US 1752187] для получения водорода под давлением по реакции кремния или ферросилиция с раствором щелочи при 100°С. Суть изобретения состоит в том, что на дно герметизируемого газового баллона заливается раствор щелочи, и в который через нижний конец трубки-распределителя посредством раскачивания баллона высыпается металл. Недостатком указанного технического решения является наличие свободного пространства над щелочью из-за наличия трубки-распределителя, что не позволяет полностью заправлять подсоединяемую емкость водородом, т.к. часть его остается в баллоне, а наличие агрессивной среды (горячий раствор щелочи) может привести к коррозии баллона и невозможности его дальнейшего использования.

Предложено устройство [US 7078012] по заправке баллонов газами (в т.ч. водородом) с давлением более 7 атм, состоящее из двух емкостей для хранения реагентов, помпы для их перекачки в третью емкость-реактор для проведения реакции и газового баллона. Для перемещения водород-генерирующего компонента применяется инертная к нему жидкость либо этот компонент заключают в хрупкую оболочку, которая разрушается специальным устройством, расположенным перед реактором. Недостаток указанного устройства - множество технических устройств, в т.ч. помпы, для которой необходим внешний источник питания.

Известно устройство [WO 2017094603], где взвесь гидрида магния (1-20 мас. %) в воде перемещается помпой из резервуара в реактор, нагретый до температуры 125-365°С. Несмотря на высокий выход водорода реакции гидролиза (>99%) и использование легкодоступных реагентов необходимость применения высоких температур для запуска реакции резко снижает области применения данного устройства и предъявляет особые требования к материалам, из которых оно изготовлено.

В патенте [US 8636961] предложен химический генератор водорода без использования дополнительных источников энергии. Основные компоненты - жидкий окислитель и водородгенерирующий реагент, разделенные хрупкой мембраной. Для запуска реакции эта мембрана разрушается вращающимся стержнем, герметично встроенным в корпус генератора. Недостаток такой конструкции заключается в невозможности остановить химическую реакцию. В этом же патенте авторы предлагают модернизированный вариант генератора, скорость выделения водорода в котором можно отрегулировать, однако конечное изделие и необходимость изготавливать множество ячеек с реагентами, разделенными мембраной, кажутся крайне сложными. А наличие хрупкой мембраны, разделяющей реагенты, может быть чревато неконтролируемым разрушением всех ячеек, что предъявляет жесткие требования к работе с таким генератором.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ и устройство, описанные в [US 7037483], согласно которому водород получают по химической реакции между водой и водородгенерирующим компонентом (с возможными добавками катализатора) без дополнительных источников питания. В емкость, предназначенную для проведения реакции, помещают водородгенерирующий компонент, затем заливают воду через трубку с краном. Заполненную емкость объединяют с заполняемым баллоном. После проведения реакции баллон с компримированным водородом отсоединяют от емкости. Данное устройство было выбрано в качестве прототипа настоящего изобретения.

Согласно техническому решению, изложенному в описании к патенту-прототипу, для проведения реакции необходимо быстро внести весь объем воды в емкость с водородгенерирующим компонентом и после этого присоединять заполняемый баллон. При этом реакция между компонентами в начальный момент времени может протекать достаточно интенсивно, поэтому для предотвращения выброса реагентов в заполняемый баллон необходим буферный объем с разряженной или инертной атмосферой, который в процессе заполняется выделившимся газом, что уменьшает количество водорода, получаемого потребителем. Также, для полного проведения реакции необходимо использовать активные водородгенерирующие реагенты, такие как щелочные металлы, их гидриды или боргидриды, субмикронные активированные частицы магния (или его гидрида), что создает необходимость в специальных способах хранения таких реагентов и в методах их подготовки. Описанные недостатки делают затруднительным применение указанного устройства в полевых условиях.

Задачей изобретения является разработка способа и мобильного устройства для получения и наполнения сжатым водородом емкостей до требуемого давления в полевых условиях без использования дополнительных источников энергии.

Поставленная задача решается заявляемым способом, в котором получение водорода осуществляется за счет взаимодействия водородгенерирующего материала (ВГМ) с окислителем - водным раствором кислоты. Для осуществления способа в качестве ВГМ могут быть использованы магний или магниевые сплавы в виде порошка, фольги, гранул, или соединения магния (гидрид, боргидрид и др.), а в качестве окислителя - водный раствор кислоты (лимонная, уксусная, соляная, серная и другие), в процессе взаимодействия которой с ВГМ получается водорастворимая соль и выделяется водород.

Также задача решается устройством, разработанным для осуществления способа получения компримированного водорода. Схема заявляемого устройства представлена на фиг. 1.

К загруженному реактору 1 через штуцер-дозатор 2 присоединяется трубка 3 для соединения реактора 1 и резервуара 6 с краном 4 для отделения резервуара 6 от реактора 1, к которой через штуцер 5 для соединения резервуара 6 с краном 4 присоединяется резервуар 6, служащий для хранения раствора кислоты. Через штуцер 7 для соединения резервуара 6 и газоотводной трубки 16 с системой очистки водорода в реактор 1, трубку 3 для соединения реактора 1 и резервуара 6 и резервуар 6 помещается такое количество воды, чтобы добавленная затем лимонная кислота заняла весь свободный объем резервуара 6. Во избежание попадания жидкости в трубку 8 для соединения элементов системы очистки водорода вследствие вытеснения жидкости из реактора 1 в резервуар 6 в ходе реакции, можно оставить некоторый объем в резервуаре 6 свободным. В трубке 8 для соединения элементов системы очистки водорода установлен предохранительный клапан 9 системы очистки водорода, датчик давления 10 и фильтрующие элементы 11. Заправляемый баллон 12 присоединяется к устройству через кран 13 заполняемого баллона 13.

После всех вышеописанных операций, кран 4 для отделения резервуара 6 от реактора 1 необходимо открыть. Раствор кислоты начнет поступать в реактор 1 сначала по трубке 3 для соединения реактора 1 и резервуара 6, затем - по трубке 14 для подачи жидкого реагента, закрепленной при помощи уплотнения 15 в штуцере-дозаторе 2, а выделяющийся водород по газоотводной трубке 16, снабженной краном 17 газоотводной трубки 16 - в резервуар 6. При необходимости остановить наполнение заправляемого баллона 12 требуется закрыть кран 4 для отделения резервуара 6 от реактора 1. При этом для предотвращения разрушения реактора 1 из-за высокого давления водорода, образовавшегося в результате взаимодействия с ВГМ жидкого реагента поступившего в реактор 1 до закрытия крана 4 для отделения резервуара 6 от реактора 1 предусмотрено наличие системы сброса избыточного давления, состоящей из трубки 18, предохранительного клапана 19 и/или крана 20 системы сброса избыточного давления. Также возможно расположение газоотводной трубки 16 внутри трубки 3 для соединения реактора 1 и резервуара 6, при этом кран 4 для отделения резервуара 6 от реактора 1, кран 17 газоотводной трубки 16 и связанные с ними операции исключаются.

В качестве реактора и резервуара можно использовать композитные или любые другие баллоны, материал которых инертен к реагентам и продуктам реакции.

Пример 1. В реактор засыпано 78 г магния марки МПФ-3. Весь свободный объем реактора и трубки для соединения реактора и резервуара заполнен водой, затем закрыт кран для отделения резервуара от реактора, после чего в резервуар объемом 1900 мл залито 100 мл воды. Затем добавлено 1600 мл раствора лимонной кислоты концентрацией 4 моль/л. Удален воздух из свободного объема резервуара, системы очистки водорода и заправляемого баллона объемом 1 л и открыт кран для отделения резервуара от реактора. За время 300 мин выделилось 62 н.л водорода, что позволило создать в заправляемом баллоне давление водорода 52 бар.

Пример 2. В реактор помещено 40 г гидрида магния. Реактор подключен к резервуару объемом 1900 мл при помощи трубки для соединения реактора и резервуара. Удален воздух из реактора, затем закрыт кран для отделения резервуара от реактора и кран газоотводной трубки для предотвращения попадания воздуха в реактор. В резервуар помещено 100 мл воды и 1600 мл раствора лимонной кислоты концентрацией 4 моль/л. Из свободного объема резервуара и системы очистки водорода удален воздух, открыт кран для отделения резервуара от реактора и кран газоотводной трубки. За время 120 мин выделилось 57 н.л водорода.

Таким образом, предлагаемый способ получения компримированного водорода, заключающийся в проведении химической реакции ВГМ с жидким реагентом в замкнутом объеме, осуществляемый в заявляемом устройстве, обладающем простой разборной конструкцией и функционирующем без использования дополнительных источников энергии, позволяет получать водород и наполнять им один или несколько последовательно заправляемых баллонов до требуемого давления.

1. Реактор.

2. Штуцер-дозатор.

3. Трубка для соединения реактора и резервуара.

4. Кран для отделения резервуара от реактора.

5. Штуцер для соединения резервуара с краном.

6. Резервуар.

7. Штуцер для соединения резервуара и газоотводной трубки с системой очистки водорода.

8. Трубка для соединения элементов системы очистки водорода.

9. Предохранительный клапан системы очистки водорода.

10. Датчик давления.

11. Фильтрующие элементы.

12. Заправляемый баллон.

13. Кран заполняемого баллона.

14. Трубка для подачи жидкого реагента.

15. Уплотнение штуцера-дозатора.

16. Газоотводная трубка.

17. Кран газоотводной трубки.

18. Трубка системы сброса избыточного давления.

19. Предохранительный клапан системы сброса избыточного давления.

20. Кран системы сброса избыточного давления.

Изобретение относится к водородной энергетике, а именно к технологии и оборудованию получения водорода и наполнения им сосудов до требуемого давления для использования в качестве автономных мобильных установок для генерации водорода под высоким давлением с последующей его заправкой в баллоны, предназначенные для питания топливных элементов, обеспечивающих работу беспилотных летательных аппаратов, телекоммуникационного оборудования, компьютерной техники и других автономных объектов электропотребления. Способ получения компримированного водорода включает проведение химической реакции водородгенерирующего материала с жидким реагентом в реакторе 1 с выделением водорода и заполнением им заправляемого баллона 12, при этом в качестве водородгенерирующего материала используют магний, магниевые сплавы или гидрид магния, в качестве жидкого реагента - водный раствор кислоты, выбранный из группы: лимонная, уксусная, соляная, серная, жидкий реагент предварительно помещают в отдельный резервуар 6, соединенный с реактором 1 трубкой 3 с краном 4, отделяющим резервуар 6 от реактора 1, вытесняют воздух из свободного объема резервуара 6, системы контроля и очистки водорода, связанной с резервуаром 6, и заправляемого баллона 12 или реактора 1, открывают кран 4, отделяющий указанный резервуар 6 с жидким реагентом от реактора 1, а полученный водород по газоотводной трубке 16 направляют в резервуар 6 с жидким реагентом, далее в систему контроля и очистки, после чего собирают в один или несколько последовательно заправляемых до требуемого давления баллонов 12. Способ осуществляют в устройстве, включающем реактор 1, заправляемый баллон 12, отдельный резервуар 6 для жидкого реагента; штуцер-дозатор 2, снабженный трубкой 14 для подачи жидкого реагента непосредственно к водородгенерирующему материалу и газоотводной трубкой 16, при этом через штуцер-дозатор 2 проходит трубка 3 для соединения реактора 1 и резервуара 6 с краном 4 для их отделения; штуцер 7 для соединения резервуара 6 и газоотводной трубки 16 с системой контроля и очистки выделяющегося водорода, содержащей датчик давления 10, предохранительный клапан 9, фильтрующие элементы 11; систему сброса избыточного давления, содержащую трубку 18, предохранительный клапан 19 и кран 20, при этом трубка 14 для подачи жидкого реагента снабжена фильтром и установлена таким образом, что ее выходное отверстие расположено в зоне водородгенерирующего материала, газоотводная трубка 16 снабжена фильтром, краном 17 и расположена между штуцером-дозатором 2 и штуцером 7 для соединения резервуара 6 и газоотводной трубки 16 с системой очистки выделяющегося водорода 10, 9, 11. Предлагаемый способ получения компримированного водорода, заключающийся в проведении химической реакции водородгенерирующего материала с жидким реагентом в замкнутом объеме, осуществляемый в заявляемом устройстве, обладающем мобильностью и простой разборной конструкцией и функционирующем без использования дополнительных источников энергии, позволяет получать водород в полевых условиях и наполнять им один или несколько последовательно заправляемых баллонов до требуемого давления. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Способ получения компримированного водорода, включающий проведение химической реакции водород-генерирующего материала с жидким реагентом в реакторе с выделением водорода и заполнением им заправляемого баллона, отличающийся тем, что в качестве водород-генерирующего материала используют магний, магниевые сплавы или гидрид магния, в качестве жидкого реагента - водный раствор кислоты, выбранной из группы: лимонная, уксусная, соляная, серная, жидкий реагент предварительно помещают в отдельный резервуар, соединенный с реактором трубкой с краном, отделяющим резервуар от реактора, вытесняют воздух из свободного объема резервуара, системы контроля и очистки водорода, связанной с резервуаром, и заправляемого баллона или реактора, открывают кран, отделяющий указанный резервуар с жидким реагентом от реактора, а полученный водород по газоотводной трубке направляют в резервуар с жидким реагентом, далее в систему контроля и очистки, после чего собирают в один или несколько последовательно заправляемых до требуемого давления баллонов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в реактор и резервуар заливают инертную или слабоактивную к реагентам, продуктам реакции и материалам оборудования жидкость, необходимую для вытеснения воздуха, исключения пустого пространства, а также увеличения теплоемкости.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что водород-генерирующий материал используют в виде порошка, фольги или гранул.

4. Устройство для осуществления способа по п. 1, включающее реактор, штуцеры и заправляемый баллон, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено отдельным резервуаром для жидкого реагента; штуцером-дозатором, снабженным трубкой для подачи жидкого реагента непосредственно к водород-генерирующему материалу, и газоотводной трубкой, при этом через штуцер-дозатор проходит трубка для соединения реактора и резервуара с краном для их отделения; штуцером для соединения резервуара и газоотводной трубки с системой контроля и очистки выделяющегося водорода, содержащей датчик давления, предохранительный клапан, фильтрующие элементы; системой сброса избыточного давления, содержащей трубку, предохранительный клапан и кран, при этом трубка для подачи жидкого реагента снабжена фильтром и установлена таким образом, что ее выходное отверстие расположено в зоне водород-генерирующего материала, газоотводная трубка снабжена фильтром, краном и расположена между штуцером-дозатором и штуцером для соединения резервуара и газоотводной трубки с системой очистки выделяющегося водорода.