Автономный генератор водорода

Авторы патента:

Рощектаев Борис Михайлович (RU)

Милинчук Виктор Константинович (RU)

C01B3/08 - Неметаллические элементы; их соединения

B01J7/02 - мокрыми способами

Владельцы патента RU 2510876:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)

Изобретение относится к водородной энергетике и может быть использовано для получения водорода. Устройство содержит нижнюю реакционную камеру (1) с гидрореакционной гетерогенной композицией, состоящей из алюминиевой пудры (2) и воды (12), верхнюю камеру (3), сочлененную с нижней камерой (1), которую через заливочное окно (6) заполняют водным раствором кристаллогидрата метасиликата натрия (5). Подачу водного раствора активатора в камеру (1) осуществляют с помощью резьбового регулятора (7) подачи раствора. Вывод водорода из реакционной камеры (1) осуществляют через трубку (8). Изобретение позволяет улучшить регулирование работы генератора водорода и повысить производительность. 1 ил., 6 пр.

Изобретение относится к водородной энергетике и может быть использовано для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте.

В большей части патентов для получения водорода с использованием алюминия применяются гидроксиды щелочных металлов. Так в патенте US 6506360 предложен способ получения водорода, основанный на реакции алюминия с водой в присутствии гидроксида натрия в качестве активатора, и устройство для осуществления реакции, в котором используют высокие давления, температуру, а также картридж с алюминием, погружаемый в водный раствор гидроксида натрия для управления интенсивностью и продолжительностью реакции. В патенте US 6638493 для получения водорода на основе реакции алюминия с водой используется водный раствор, содержащий от 0.3 до 19 М гидроксида натрия.

В качестве прототипа нами взят генератор водорода, защищенный патентом РФ 2232710. В генераторе в качестве реагентов для получения водорода используется алюминий и водный раствор едкого натра. В состав генератора входят реакционный сосуд, магистраль подачи водного раствора едкого натра, магистраль выдачи водорода, контейнер с алюминием, теплообменник для нагревания алюминия при запуске генератора и отвода тепла реакции. К недостаткам прототипа следует отнести: использование в качестве активатора алюминия экологически опасного реагента - водного раствора едкого натра; конструктивную сложность генератора; необходимость использования теплообменника в качестве пускового нагревателя для повышения быстродействия генератора.

При нормальных условиях алюминий обладает высокой устойчивостью по отношению к воде. Это обусловлено тем, что его поверхность покрыта защитной, очень тонкой, плотной, прочной и гибкой оксидной пленкой Al₂O₃. Поэтому основная проблема применения алюминия для получения водорода разложением воды состоит в разработке способов перевода его в активное состояние для взаимодействия с водой. Предлагаемые способы активации алюминия с помощью гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов, высоких температур и давлений, ультразвука, редких металлов (галлия, индия) в составе сплавов с алюминием являются экологически опасными, дорогостоящими и сложными для практической реализации.

Для активации алюминия нами найдены удобные химические реагенты - активаторы алюминия, позволяющие контролируемым образом управлять процессами удаления поверхностной оксидной пленки и синтеза водорода. В качестве активатора алюминия применяются водные растворы кристаллогидрата метасиликата натрия Na₂SiO₃·9H₂O, достоинством которых является химическая безопасность, доступность, промышленное производство в больших объемах, низкая стоимость. Разработанные на основе гидрореакционных гетерогенных композиций способы получения водорода отвечают основным принципам «зеленой» химии: процесс протекает эффективно при использовании растворов на основе дистиллированной и минерализованной воды; композициями синтезируется чистый водород, без примесей оксидов углерода; при использовании жидкого натриевого стекла синтез водорода протекает в эндотермическом режиме, а водных растворов кристаллогидратов метасиликата натрия - в экзотермическом. Схема физико-химических процессов получения водорода в этих композициях выглядит следующим образом. Первая стадия - гидролиз метасиликата натрия, протекающий с образованием гидроксида натрия. Вторая стадия - взаимодействие поверхностного слоя оксида алюминия Al₂O₃ с продуктами гидролиза. Известна высокая химическая стойкость оксида алюминия в массе по отношению к растворам щелочей и кислот. Высокая скорость, с которой протекает генерация водорода в разработанных композициях, свидетельствует о быстром исчезновении поверхностной оксидной пленки при взаимодействии с продуктами гидролиза метасиликата натрия, что обусловлено высокой реакционной способностью оксидного слоя, который, вероятно, на поверхности порошка алюминия находится в наноструктурированном состоянии. В результате исчезновения оксидного слоя алюминий переходит в состояние чистого металла, обладающего высокой восстановительной способностью по отношению к воде. Третья стадия - это реакция чистого алюминия с водой, протекающая с высокой скоростью с образованием водорода и тепловым эффектом -230 кДж/моль.

На основе разработанных способов получения водорода химическим разложением воды алюминием, защищенных патентами РФ 2371382, 2402486, нами создан автономный генератор водорода, схема которого представлена на рисунке. Генератор водорода состоит из двух металлических камер в форме цилиндров, которые сочленяются между собой резьбовым соединением с резиновым уплотнением (11); в нижнюю реакционную камеру (1) помещается гидрореакционная гетерогенная композиция (2); в верхнюю камеру (3), с металлическим дном (4), заливается водный раствор кристаллогидрата метасиликата натрия - активатора алюминия (5); подача водного раствора активатора из верхней камеры в нижнюю производится с помощью резьбового регулятора подачи раствора (7), который представляет собой стержень с конусным окончанием, позволяющий поставлять в нижнюю реакционную камеру нужный объем водного раствора активатора с заданной скоростью. В верхнюю камеру водный раствор активатора заливается через окно (6), расположенное на крышке камеры. Скорость подачи водного раствора из верхней в нижнюю камеру регулируется указателем номеров сегмента (12), индикация которых нанесена на поверхность крышки верхней камеры. Выпуск генерируемого композицией водорода из нижней камеры производится через металлическую трубку (8), которая через обечайку (9) присоединяется к гибкой резиновой трубке (10), соединенной с приемником водорода.

Работа генератора водорода протекает следующим образом. В нижнюю реакционную камеру (1) помещается гидрореакционная гетерогенная композиция, содержащая, например, алюминий в виде микродисперсного порошка и воду (12). Верхняя камера (3) через заливочное окно (6) заполняется водным раствором кристаллогидрата метасиликата натрия (5). Запуск генератора и производство водорода осуществляются путем подачи определенного объема водного раствора активатора в камеру (1) с помощью резьбового регулятора подачи раствора (7) с определенной скоростью (мл/мин). Путем изменения состава гетерогенной композиции, химического состава и концентрации активатора в водном растворе, скорости подачи раствора активатора в реакционную камеру (1) производится регулирование скорости генерации водорода (л/мин), температуры генератора, продолжительности генерации (мин, часы) и производительности генератора водорода (л/час). Работа генератора характеризуется быстрым запуском в рабочий режим (в течение 1-3 мин), легкостью управления процессом генерации водорода -скоростью и производительностью, простотой облуживания, экологической безопасностью, температурным режимом от комнатной до 40°С, отсутствием внешних источников энергии, полной автономностью, возможностью использования генератора в качестве децентрализованного источника водорода.

Реализация возможностей разработанного генератора водорода иллюстрируют приведенные ниже примеры, описывающие зависимость выделяющегося водорода от массы алюминии, концентрации и скорости подачи водного раствора активатора в реакционный сосуд.

Пример 1. В реакционную камеру генератора помещается гетерогенная смесь, 3 г алюминиевой пудры и 30 мл воды. В верхнюю камеру заливается 200 мл 20% водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия. Раствор метасиликата натрия подается в нижнюю камеру со скоростью 2 мл/мин. Процесс генерации водорода протекает при температуре ~25°C. Объем выделившегося водорода составляет через 50 мин - 0.5 л, 100 мин - 0.7 л. Средняя скорость накопления водорода составляет ~0.4 л/ч.

Пример 2. В реакционную камеру генератора помещается гетерогенная смесь, состоящая из 6 г алюминиевой пудры и 30 мл воды. В верхнюю камеру заливается 300 мл 20% водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия. Раствор метасиликата натрия подается в нижнюю камеру со скоростью 2 мл/мин. Процесс генерации водорода протекает при температуре ~25°C. Объем выделившегося водорода составляет через 50 мин - 0.8 л, 100 мин - 3.4 л, 150 мин - 7.3 л. Средняя скорость накопления водорода составляет ~2.9 л/ч.

Пример 3. В реакционную камеру генератора помещается гетерогенная смесь, состоящая из 7.5 г алюминиевой пудры и 30 мл воды. В верхнюю камеру заливается 500 мл 20% водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия. Раствор метасиликата натрия подается в нижнюю камеру со скоростью 2 мл/мин. Раствор метасиликата натрия подается со скоростью 2 мл/мин. Процесс генерации водорода протекает при температуре ~25°C. Объем выделившегося водорода составляет через 50 мин 3.7 л, 100 мин - 8.7 л, 150 мин - 9.3 л, 240 мин - 9.7 л. Средняя скорость накопления водорода составляет ~2.4 л/ч.

Пример 4. В реакционную камеру генератора помещается гетерогенная смесь, состоящая из 15 г алюминиевой пудры и 30 мл воды. В верхнюю камеру заливается 500 мл 7% водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия. Раствор метасиликата натрия подается со скоростью 3 мл/мин. Процесс генерации водорода протекает при температуре ~25°C. Объем выделившегося водорода составляет через 50 мин 0.6 л, 150 мин - 2.2 л. Средняя скорость накопления водорода составляет ~1.2 л/ч.

Пример 5. В реакционную камеру генератора помещается гетерогенная смесь, состоящая из 20 г алюминиевой пудры и 30 мл воды. В верхнюю камеру заливается 500 мл 7% водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия. Раствор метасиликата натрия подается со скоростью 2 л/мин. Процесс генерации водорода протекает при температуре ~25°C. Объем выделившегося водорода составляет через 50 мин 0.6 л, 150 мин - 4.1 л, 200 мин - 7.0 л, 240 мин - 8.4 л. Средняя скорость накопления водорода составляет ~2.1 л/ч.

Пример 6. В реакционную камеру генератора помещается гетерогенная смесь, состоящая из 6 г алюминиевой пудры и 30 мл воды. В верхнюю камеру заливается 500 мл 20% раствора кристаллогидрата метасиликата натрия. Раствор метасиликата натрия подается со скоростью 4 мл/мин. Процесс генерации водорода протекает при температуре 25°C. Объем выделившегося водорода составляет через 20 мин 4.7 л, 40 мин - 7.9 л. Средняя скорость накопления водорода составляет ~12.0 л/ч.

Источники информации

1. Милинчук В.К., Мерков С.М. Способ получения водорода химическим разложением воды. Патент 2314253 РФ, 2008. Бюл. №1, 10.01.2008.

2. Милинчук В.К., Мерков С.М. Гидрореакционная композиция для получения водорода. Патент 2371382 РФ, 2009. Бюл. №30, 27.10.2009.

3. Милинчук В.К., Шилина А.С. Гидрореакционная композиция для получения водорода. Патент 2402486 РФ, 2010.

Автономный генератор водорода, работающий за счет реакции восстановления водорода из воды алюминием, имеющий реакционный сосуд, магистраль подачи водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия, магистраль выдачи водорода, отличающийся тем, что он состоит из двух сочлененных камер, нижняя камера представляет собой реакционный сосуд с гидрореакционной гетерогенной композицией, верхняя камера содержит водный раствор кристаллогидрата метасиликата натрия, который с помощью резьбового регулятора подается в реакционный сосуд.

Изобретение относится к области химии. Горячий водород, образующийся в результате реакции термохимического окисления алюминия водой, пропускают через слой пленки сверхвысокомолекулярного полиэтилена при давлении 1 атм.

Система и способ производства химической потенциальной энергии // 2509828

Настоящее изобретение относится к системе и способу производства химической потенциальной энергии и может быть использовано в производстве эффективного топлива, которое можно было бы использовать в чистых энергетических процессах, при которых не образуются и не выделяются парниковые газы и другие загрязнители окружающей среды.

Способ получения водорода с полным улавливанием co2 и рециклом непрореагировавшего метана // 2509720

Изобретение относится к области химии. Способ получения водорода включает получение синтез-газа в установке парового риформинга углеводородной загрузки, паровую конверсию полученного синтез-газа с получением потока водорода, содержащего метан и диоксид углерода, улавливание диоксида углерода, присутствующего в потоке, улавливание и возврат на паровой риформинг метана, CO и CO2, присутствующих в потоке водорода.

Способ и устройство для получения водорода из воды (варианты) // 2509719

Изобретение относится к области химии. Согласно первому варианту для получения водорода железные стержни изолируют от стенок реактора 1 и подают на них высоковольтный потенциал от трансформатора Тесла 14.

Способ и установка для получения синтез-газа // 2509052

Изобретение относится к способу и установке для получения синтез-газа (S) из твердых частиц (C) углерода, причем указанные частицы (C) углерода получают посредством пиролиза, газификация частиц (C) углерода происходит в результате непрямого нагрева частиц (C) углерода в присутствии технологического газа (P) в том же самом пространстве реактора, где находятся частицы (C) углерода, при этом непрямой нагрев осуществляют с помощью теплового излучения от горелок (Br1-Brn), расположенных в реакторе (1), а синтез-газ (S), образовавшийся во время газификации, выпускают из указанного пространства.

Способ получения холодных инертных газообразных продуктов сгорания твердотопливного заряда в газогенераторе // 2507149

Изобретение может быть использовано для систем подъема затонувших объектов, в средствах дистанционного экстренного перекрытия нефте- и газопроводов, в средствах выброса и распыления специальных жидкостей при нейтрализации аварийных выделений газов и веществ на производствах, приведения в действие различных пневматических устройств, для средств пожаротушения.

Пористый керамический каталитический модуль и способ переработки отходящих продуктов процесса фишера-тропша с его использованием // 2506119

Настоящее изобретение относится к получению водородсодержащего газа и может быть использовано в промышленности при переработке отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша в присутствии пористой мембранно-каталитической системы.

Малотоннажная установка по утилизации ресурсов малых месторождений природного газа // 2505586

Изобретение относится к технологиям малотоннажной утилизации непромышленных газов в газовой промышленности. Изобретение касается малотоннажной установки по утилизации ресурсов малых месторождений природного газа, состоящей из последовательно соединенных очистительного модуля, теплообменника предварительного нагрева, теплообменника-рекуператора для тепловой обработки сырья, реактора плазмохимического синтеза для образования водородно-сажевой смеси, теплообменника-рекуператора для закалки, теплообменника-охладителя для охлаждения смеси, циклона для выделения и подачи в рукавный фильтр для сбора с последующей подачей в гранулятор и конденсатор, гранулятора для гранулирования частиц сажи при увлажнении водой из конденсатора и последующей подачи в сушильный барабан, конденсатора для подачи воды в гранулятор и конденсации воды с подачей водородной смеси в компрессор, сушильного барабана для осушки и выделения, компрессора для сжатия водорода и подачи в мембранный блок для обогащения и последующего выделения.

Способ совместного получения синтетических жидких углеводородов и метанола и установка для его осуществления, интегрированная в объекты промысловой подготовки нефтяных и газоконденсатных месторождений // 2505475

Изобретение относится к отрасли переработки нефти и газа и может быть использовано для получения синтетических жидких углеводородов и метанола на установке, интегрированной в объекты промысловой подготовки газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений.

Способ производства синтез-газа // 2503613

Изобретение относится к способу производства синтез-газа. Способ производства синтез-газа включает: риформинг углеводорода в присутствии пара и одного или более первых катализаторов в первой реакционной зоне с получением выходящего потока, содержащего часть углеводорода, моноксид углерода, диоксид углерода и водород при первой температуре, при этом первая реакционная зона может включать одну или более содержащих катализатор трубок; непрямой нагрев выходящего потока от первой температуры до второй температуры; и риформинг выходящего потока при второй температуре в присутствии одного или более окислителей, и одного или более вторых катализаторов в условиях, достаточных для получения синтез-газа, имеющего температуру примерно 1030°C или выше, включающего водород, моноксид углерода, диоксид углерода и меньше чем примерно 5 моль.% метана на сухое вещество, при этом синтез-газ используют для нагрева выходящего потока непрямым образом от первой температуры до второй температуры.

Аппарат для получения газообразного водорода с использованием состава, предназначенного для получения газообразного водорода, и состав для получения газообразного водорода // 2415072

Генератор для производства водорода // 2407701

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для производства водорода. .

Способ управления сжиганием унитарного твердого топлива в жидкой среде и газогенератор // 2357094

Изобретение относится к области регулируемых твердотопливных газогенерирующих систем. .

Химический реактор для получения водорода и способ его эксплуатации // 2297386

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

Генератор водорода // 2266157

Реактор для получения ацетилена из углеводородов // 2087185

Способ определения производительности электрохимического дозатора // 1468581

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению и может быть использовано , например, при разработке и метрологической аттестации устройств при приготовлении поверочных газовых смесей, а также калибровочных газов.

Генератор водорода // 904764

Устройство для получения потока газа // 893241

Лабораторный генератор водорода // 150494

Способ генерации водорода // 2544652

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может быть использовано для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте. Способ генерации водорода включает размещение изделий из композита алюминия или магния, выполненных в форме куба или параллелепипеда с отверстиями в трех ортогональных направлениях, в решетчатые контейнеры, которые помещают каждый в отдельный герметичный реактор, через который пропускают воду с помощью впускных для воды отверстий, снабженных запорными задвижками, соединенных с магистралью впускной воды, и выпускных для воды отверстий, снабженных запорными задвижками, соединенных с магистралью выпускной воды, при этом магистрали соединены с теплообменником, а водород отводят через отверстия, снабженные запорными задвижками, соединенные с магистралью водорода, которую соединяют с газопотребляющим устройством. Изобретение позволяет обеспечить быструю замену твердого реагента без остановки процесса выработки водорода, а также безопасность и отсутствие твердых выбросов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.