Система и способ получения водорода из перегретого водяного пара Российский патент 2024 года по МПК C25B1/42 C25B1/50 C25B9/00 C25B15/02 

Область техники

Предлагаемое техническое решение относится к области электрохимической техники и может быть использовано при создании устройств для производства водорода в качестве топлива, в том числе на энергоемких промышленных объектах. В частности предлагаемое техническое решение относится к системе и способу получения водорода из перегретого водяного пара.

Уровень техники

Промышленное производство водорода - неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле использования водорода. Водород практически не встречается на Земле в чистом виде и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

Электролитический метод получения водорода из воды представляет большой интерес ввиду его простоты и большой чистоты получаемых газовых компонентов.

Электролитический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами: 1) высокая чистота получаемого водорода - до 99,99% и выше, 2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке, 3) возможность получения ценнейших побочных продуктов - тяжелой воды и кислорода, 4) общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода, 5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением, 6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

В этой связи существует потребность в усовершенствовании средств и методов для получения водорода, в частности электролитических.

Из патента РФ № 2309198, опубл. 27.10.2007, известно устройство для электролитического получения водорода и кислорода, содержащее технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, включающий корпус с верхней и нижней крышками, выполненными из электропроводящего материала, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, при этом линия отвода продуктов электролиза содержит последовательно соединенные устройство откачивания продуктов электролиза и сепаратор, а линия подачи воды и электролита содержит емкости для воды и электролита, устройство регулирования расхода воды, вентили, смеситель и теплообменник, см патент. Устройство снабжено электромагнитной системой, включающей неподвижные магниты в виде дисков, установленные параллельно над верхней и под нижней крышками корпуса, механически соединенный с ними магнитопровод с обмоткой возбуждения, электрически соединенной с генератором импульсов и преобразователем напряжения, на линии отвода продуктов электролиза установлен газовый анализатор, вход которого соединен с выходом устройства откачивания продуктов электролиза, а выход соединен с устройством регулирования расхода воды, при этом короткозамкнутый электрод, расположенный на валу, выполнен в виде цилиндра с радиальными каналами.

Также известна установка для разложения воды электролизом по патенту РФ № 2224051, опубл. 20.02.2004, содержащая технологические линии подачи воды и электролита и отвода продуктов электролиза, электролизер, включающий корпус, установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, канал отвода раствора электролита, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, и теплообменник, а также верхний и нижний подшипниковые узлы, в которых вертикально расположен вал. Внешний контур циркуляции раствора электролита содержит кольцевую камеру раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки, установленную на верхнем подшипниковом узле неподвижно, датчик наличия раствора электролита и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи электролита и воды и каналом подвода раствора электролита, корпус электролизера выполнен из токопроводящего материала и снабжен нижней и верхней крышками, выполненными из токопроводящего материала, канал отвода раствора электролита выполнен в верхней крышке и снабжен регулируемым клапаном, сообщающимся с кольцевой камерой раствора электролита, внутренняя поверхность корпуса снабжена, по меньшей мере, одной направляющей канавкой, линия подачи воды снабжена устройством регулирования расхода воды, линия отвода продуктов электролиза снабжена устройством для откачивания продуктов электролиза, теплообменник расположен во внешнем контуре циркуляции раствора электролита, а датчик наличия раствора электролита соединен с устройством регулирования расхода воды и приводом вращения вала. К недостаткам известной установки отнести сложность конструкции, малую производительность.

В качестве наиболее близкого аналога заявленным решениям могут быть приняты решения по патенту РФ № 2675862, опубл. 25.12.2018, относящиеся к способу разложения воды на кислород и водород и устройству для его осуществления. Способ осуществляют путем воздействия на воду, протекающую по межэлектродным полостям, электрическим и магнитным полями. При этом постоянное импульсное электрическое поле подается на коаксиально расположенные трубчатые изолированные водородные электроды отрицательного потенциала и на изолированные кислородные электроды положительного потенциала, разделенные межэлектродными полостями, имеющими входные и выходные водяные отверстия, объемы которых через газовые отверстия соединены с объемами водородных и кислородных электродов. В связи с чем протекающая между электродами вода под действием электрического и магнитного полей разлагается на ионы водорода и кислорода, причем ионы водорода через отверстия водородного электрода притягиваются отрицательным статическим полем, образованным отрицательной токопроводящей водородной изолированной поверхностью, внутрь водородного электрода, аналогично, ионы кислорода через отверстия кислородного электрода притягиваются положительным статическим полем, образованным положительной изолированной токопроводящей поверхностью, внутрь кислородного электрода, в которых водородные и кислородные ионы нейтрализуются соответственно отрицательными и положительными нейтрализационными поверхностями и в виде атомов выходят через каждые свои отверстия к дальнейшему использованию.

К недостаткам известных решений можно отнести сложность конструкции установки, высокие энергозатраты для получения водорода, невозможность регулировки процесса получения водорода.

Задача, на которую направлены предложенные изобретения, является устранение недостатков известного уровня техники, упрощение конструкции системы получения водорода и способа, возможность регулировки процесса, автоматизация, контроль, получение управляемой эффективной обратной связи, расширение ассортимента энергоэффективных средств и методов получения водорода.

Перечень фигур

На фиг. 1 представлена схема системы получения водорода из перегретого водяного пара.

На фиг. 2 представлен внешний вид экспериментально-исследовательской установки в собранном виде.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом группы изобретений является упрощение конструкции системы получения водорода и способа, возможность регулировки процесса, автоматизация, контроль, получение управляемой эффективной обратной связи, повышение масштабируемости и эффективности газоплотного разделения анодного и катодного газовых пространств, массопереносов и теплопереносов, расширение ассортимента энергоэффективных средств и методов получения водорода.

Для достижения поставленной технической задачи и достижения технического результата предложен способ получения водорода из перегретого водяного пара и система для его осуществления.

Предложенная система получения водорода (Н₂) из перегретого водяного пара включает следующие блоки:

- генерирующий блок (1), состоящий из расположенных коаксиально в направлении от центра к периферии: центрального электрода (8), катода (7), запаянной с одного конца трубки из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода (5), анода (6) и постоянных магнитов (9);

- силовой электрический блок (2), подающий напряжение на катод, анод и центральный электрод;

- управляющий блок (3);

- измерительный газовый блок (4),

при этом управляющий блок получает данные от измерительного газового блока, а также осуществляет двустороннее взаимодействие с силовым электрическим блоком.

В частном варианте выполнения системы блоки (2), (3) и (4) объединены в один блок, осуществляющий двустороннее взаимодействие с генерирующим блоком (1).

Предложенный способ получения водорода (H₂) из перегретого водяного пара включает следующие стадии:

- перегретый (500-950°С) водяной (Н₂О) пар через центральный электрод (8) подается в трубку из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода (5);

- перегретый водяной пар попадает на катод (7);

- с помощью силового электрического блока (2) подают импульсное напряжение между катодом (7) и центральным электродом (8), в результате чего происходит частичное разложение водяного пара на ионы кислорода и ионы водорода;

- часть водяного пара, попадая на катод (7), теряет ион кислорода;

- ионы кислорода под действием разности потенциалов между катодом (7) и анодом (6) проходят через трубку из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода (5) и выходят с другой стороны в виде чистого кислорода, который попадает в измерительный газовый блок (4);

- водород, оставшийся в трубке из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода (5) попадает в измерительный газовый блок (4);

- кислород и водород из измерительного газового блока (4) далее попадают во внешнюю систему хранения;

при этом характеристики импульсного напряжения между катодом (7) и центральным электродом (8) и напряжения между катодом (7) и анодом (6) задаются управляющим блоком (3), а для стабилизации характеристик импульсного напряжения между катодом (7) и центральным электродом (8) вокруг трубки из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода (5) создается постоянное магнитное поле с помощью постоянных магнитов (9).

Ниже приводим детальное описание предложенной разработки и вариантов ее осуществления.

Твердый оксидный электролит с ионной проводимостью кислорода (5) является твердотельной ионно-проводящей мембраной. Ионная проводимость кислорода обусловлена нарушением кристаллической решетки при введении в нее примеси и проявляется в диапазоне температур 500-950°С. Варианты материалов для твердого оксидного электролита (5): оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ); оксид циркония, стабилизированный оксидом скандия (ScSZ); галлат лантана (LSGM); оксид церия, легированный гадолинием (GDC) и т.д.

Трубка из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода (5) запаяна с одного конца для получения донышка, которое необходимо для увеличения эффективной площади поверхности твердотельной ионно-проводящей мембраны, а также для увеличения конструктивной прочности генерирующего блока (1).

Для стабилизации характеристик импульсного напряжения между катодом (7) и центральным электродом (8) постоянными магнитами (9) создается постоянное магнитное поле.

Варианты материалов для постоянных магнитов (9): неодим-железо-бор, самарий-кобальт, альнико (alnico, ЮНДК, на основе сплава Al-Ni-Co-Fe), керамика (бариевые, стронциевые магнитотвердые ферриты) и т.д.

Силовой электрический блок (2) подает на центральный электрод (8) однополярные положительные импульсы: с частотой в диапазоне 40 Гц - 1,5 МГц; со скважностью в диапазоне 10-90; с током до 50 А; с напряжением в диапазоне 10-50 В.

Силовой электрический блок (2) подает на катод (7) и анод (6) постоянное напряжение в диапазоне 5-20 В, с током до 100 А.

Силовой электрический блок (2) измеряет и передает в управляющий блок (3) данные о фактическом режиме работы: напряжение, сила тока, резонансная частота и т.д.

Варианты материалов для катода (7), анода (6), центрального электрода (8): платина; палладий; золото; губка из никеля, покрытая платиной; карбид кремния; графит; графен; металлокерамика на основе платины и никеля (никелевый кермет); металл/металлокерамика (хромит лантана); манганит лантана стронция и т.д.

Измерительный газовый блок (4) измеряет и передает в управляющий блок (3): температуру газов водорода и кислорода; парциальное давление газов водорода и кислорода; количество газов водорода и кислорода за временной промежуток; относительную влажность газов водорода и кислорода (остаток паров воды) и т.д. В качестве измерительного газового блока используется система датчиков.

Управляющий (процессорный) блок (3) на основе полученных данных от измерительного газового блока (4) и силового электрического блока (2) проводит анализ и управление энергетической эффективностью системы в целом - реализует управляемую эффективную обратную связь.

Управляющий блок (3) передает в силовой блок (2) данные о плановом режиме работы: напряжение, сила тока, импульсные характеристики (частота, скважность) и т.д.

Коаксиальная компоновка элементов генерирующего блока (1) повышает масштабируемость и эффективность: газоплотного разделения анодного и катодного газовых пространств; массопереносов и теплопереносов.

Совокупность первичного резонансного импульсного электролиза водяного пара и электролиза водяного пара через твердотельную ионно-проводящую мембрану (5), позволяют существенно сократить энерго-затраты на электролиз водяного пара.

Нагрев твердотельной мембраны (5) до рабочей температуры достигается за счет теплоты перегретого пара. Перегретый водяной пар получается путем утилизации тепла от солнечных коллекторов или тепло генерирующих / тепло выделяющих установок: тепловые электростанции, мусоросжигательные установки, доменные печи и т.д.

Так как водяной пар подается в систему под давлением, создаваемым при нагреве, это позволяет создать эффективные фильтры для очистки водорода от остатков водяного пара, а также облегчает подачу водорода во внешнюю систему хранения.

Высокая масштабируемость предложенной системы/способа: возможность создания миниатюрных решений, возможность создания высокопроизводительных решений, возможность создания, как промышленных решений, так и решений для частного использования.

Оригинальность предлагаемого решения: 1) в коаксиальной схеме совмещения вышеуказанных решений, 2) в использовании постоянных магнитов для стабилизации характеристик резонансного импульсного напряжения, 3) в использовании управляющего (процессорного) блока для получения управляемой эффективной обратной связи.

Осуществление изобретения

Предложенные система и способ в настоящий момент времени реализованы в экспериментально-исследовательской установке генерации водорода с производительностью 0,02-0,05 м³/час LANEMATEC HYDX EHG-01.

Внешний вид экспериментально-исследовательской установки в собранном виде представлен на фиг. 2.

Установка соответствует представленному в заявке чертежу (фиг. 1) и включает: блок генерации перегретого пара, генерирующий блок, состоящий из расположенных коаксиально: запаянной с одного конца трубки из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, анода, катода, центрального электрода из графита и постоянных магнитов неодим-железо-бор; силовой электрический блок, управляющий блок (компьютер); измерительный газовый блок система датчиков.

Из блока генерации перегретого пара подается перегретый до температуры около 700°С водяной пар через центральный электрод в трубку из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода; перегретый водяной пар попадает на катод; с помощью силового электрического блока подается импульсное напряжение между катодом и центральным электродом, в результате чего происходит частичное разложение водяного пара на ионы кислорода и ионы водорода; часть водяного пара, попадая на катод, теряет ион кислорода; ионы кислорода под действием разности потенциалов между катодом и анодом проходят через трубку из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода и выходят с другой стороны в виде чистого кислорода, который попадает в измерительный газовый блок; водород, оставшийся в трубке из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода попадает в измерительный газовый блок; кислород и водород из измерительного газового блока далее попадают во внешнюю систему хранения. Характеристики импульсного напряжения между катодом и центральным электродом и напряжения между катодом и анодом задаются компьютером (управляющим блоком), а для стабилизации характеристик импульсного напряжения между катодом и центральным электродом вокруг трубки из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода создается постоянное магнитное поле с помощью постоянных магнитов.

Проведенные испытания на экспериментально-исследовательской установке LANEMATEC HYDX EHG-01 подтвердили возможность работы установки и ее промышленную применимость.

Данная система и способ обеспечивают повышение энергетической эффективности в 5-12 раз за счет снижения затрат электроэнергии на электролиз. До 0,5-1 кВт*ч на м³ H₂ (водно-щелочной низкотемпературный электролиз: 5,0-6,0 кВт*ч на м³ H₂).

Система и способ используют перегретый водяной пар, полученный утилизацией избыточного дешевого/дарового тепла: в установках тепловых электростанций, в установках высокотемпературных ядерных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР), в мусоросжигательных установках, в установках доменных печей и т.д.; утилизацией солнечной энергии. Технически данная эффективность обеспечивается за счет более эффективного разложения перегретого водяного пара (на ионы кислорода и ионы водорода) импульсным напряжением и за счет более эффективной работы твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода, рабочая температура которого (500-950°С) поддерживается температурой перегретого пара и на нагрев которого не расходуется электроэнергия.

Данная система и способ обеспечивают высокую технологическую эффективность: снижение в 10-20 раз объемно-массовых характеристик; повышение в 4-8 раз общей производительности по плотности тока: 2-2,5 А/см² (водно-щелочной низкотемпературный электролиз: плотность тока 0,3-0,5 А/см²); масштабирование (увеличение общей производительности) простой компоновкой дополнительных модулей; высокие температуры делают электролиз менее критичным к чистоте воды; высокие температуры повышают общую производительность за счет повышения скорости процесса; более эффективная фильтрация водорода и более эффективная подача водорода в систему хранения благодаря давлению перегретого пара.

Также достигается полная автоматизация и возможность регулировки процесса получения водорода, его качества и количества.

Изобретение может быть использовано при создании устройств для производства водорода в качестве топлива, в том числе на энергоемких промышленных объектах. Предложена система получения водорода из перегретого водяного пара, которая включает следующие блоки: генерирующий блок, состоящий из расположенных коаксиально в направлении от центра к периферии центрального электрода, катода, запаянной с одного конца трубки из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода, анода и постоянных магнитов; силовой электрический блок, подающий напряжение на катод, анод и центральный электрод; управляющий блок; измерительный газовый блок. Управляющий блок получает данные от измерительного газового блока, а также осуществляет двустороннее взаимодействие с силовым электрическим блоком. Силовой электрический блок, управляющий блок и измерительный газовый блок объединены в один блок, осуществляющий двустороннее взаимодействие с генерирующим блоком. Измерительный газовый блок представляет собой систему датчиков. Также предложен способ получения водорода с использованием этой системы. Группа изобретений позволяет упростить конструкцию системы получения водорода и обеспечить возможность регулировки процесса, автоматизации, контроля, получения управляемой эффективной обратной связи, расширить ассортимент энергоэффективных средств и методов получения водорода. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Система получения водорода из перегретого водяного пара, включающая следующие блоки:

- генерирующий блок, состоящий из расположенных коаксиально в направлении от центра к периферии центрального электрода, катода, запаянной с одного конца трубки из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода, анода и постоянных магнитов;

- силовой электрический блок, подающий напряжение на катод, анод и центральный электрод;

- управляющий блок;

- измерительный газовый блок;

при этом управляющий блок получает данные от измерительного газового блока, а также осуществляет двустороннее взаимодействие с силовым электрическим блоком.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что силовой электрический блок, управляющий блок и измерительный газовый блок объединены в один блок, осуществляющий двустороннее взаимодействие с генерирующим блоком.

3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что измерительный газовый блок представляет собой систему датчиков.

4. Способ получения водорода из перегретого водяного пара с использованием системы по п. 1, включающий следующие стадии:

- перегретый водяной пар с температурой 500-950°С через центральный электрод подается в запаянную с одного конца трубку из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода;

- перегретый водяной пар попадает на катод;

- с помощью силового электрического блока подают импульсное напряжение между катодом и центральным электродом для частичного разложения водяного пара на ионы кислорода и ионы водорода;

- часть водяного пара, попадая на катод, теряет ион кислорода;

- ионы кислорода под действием разности потенциалов между катодом и анодом проходят через трубку из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода и выходят с другой стороны в виде чистого кислорода, который направляют в измерительный газовый блок;

- водород, оставшийся в трубке из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода, также направляют в измерительный газовый блок;

- кислород и водород из измерительного газового блока далее направляют во внешнюю систему хранения;

при этом характеристики импульсного напряжения между катодом и центральным электродом и напряжения между катодом и анодом задают управляющим блоком, а для стабилизации характеристик импульсного напряжения между катодом и центральным электродом вокруг трубки из твердого оксидного электролита с ионной проводимостью кислорода создают постоянное магнитное поле с помощью постоянных магнитов.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что измерительный газовый блок представляет собой систему датчиков.