Способ получения водорода

Авторы патента:

C25B1/02 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

C01B3/00 - Неметаллические элементы; их соединения

C01B13/02 - получение кислорода (сжижением F25J)

Владельцы патента RU 2551425:

КВАСНИКОВ Сергей Викторович (RU)

Изобретение относится к способу получения водорода низкого давления для последующего сжигания и получения водяного пара с помощью низковольтного электролиза щелочного электролита раствора солей галогенводородных кислот и их смесей постоянным током, с помощью алюминиевых электродов, с дальнейшим извлечением кислорода в отдельный накопитель из образовавшихся алюминиевых комплексов, с поддержанием состава электролита и контролем температуры и давления в электрохимической ячейке. Использование настоящего способа позволяет снизить опасность при проведении процесса за счет того, что кислород, образующийся в результате реакции, связывается в комплексы и может быть затем утилизирован. 3 ил.

Область техники

Заявленное изобретение относится к электрическим способам получения водорода для последующего его сжигания с образованием тепла и может быть использовано в теплоэнергетике, а также в других отраслях промышленности.

Уровень техники

Водород является одним из наиболее легкодоступных и широко распространенных материалов, но он, в основном, находится в виде соединений и больше всего его - в воде. Сегодня технологии, связанные с водородом, в частности производство отопительных систем, интенсивно развиваются. При использовании водорода в качестве источника тепла отпадет необходимость в ископаемых ресурсах. Использование водорода для отопления одновременно решает и проблему загрязнения окружающей среды. Вполне возможно, что этот революционный энергоноситель, чистый и существующий практически в неограниченном количестве, вместе с возобновляемыми природными энергоресурсами в самом ближайшем будущем освободят общество от постоянной добычи ископаемых видов топлива. Это безусловно благоприятно скажется на окружающей среде, климате, а также на экологической ситуации в мире. Таким образом, получение водорода в качестве источника тепла является перспективным направлением в настоящее время.

Известно множество способов получения водорода, в том числе и электрохимические. Из патента США №3703358, опубл. 13.12.1972, известен способ получения водорода электролизом растворов электролитов с использованием растворимых электродов. В качестве растворимого электрода применяют анод из магния или магниевых сплавов, электролиз проводят постоянным током. Недостатками этого способа является использование дорогих и дефицитных анодов из магния, а также сложность технологической схемы.

Из патента РФ №2089670, опубл. 10.09.1997, известен способ получения водорода электролизом водного раствора переменным током с использованием в качестве анода и катода алюминия и его сплавов, при этом процесс ведут при давлениях водорода 0,1-5,0 МПа. Недостатком данного способа является тот факт, что водород получают при низких давлениях и для его транспортировки или наполнения емкостей необходимо наличие в системе компрессорной установки, что увеличивает энергозатраты и усложняет конструкцию.

Также известны способы получения водорода из воды путем реакции расщепления воды (патент США №6440385, опубл. 27.08.2002, и патент США №6582676, опубл. 24.06.2003). В этих патентах алюминий был использован для получения водорода из воды, но указанные способы недостаточно эффективны.

Есть большое количество патентов для генерации водорода из воды с использованием металлического алюминия в качестве основного расходуемого компонента. Однако большинство из них связаны с использованием других химических веществ (активаторов) в воде, которые реагируют с алюминием, чтобы генерировать водород.

Однако в предшествующем уровне техники все методы имеют некоторые недостатки, такие как использование экологически неблагоприятных химических веществ, высокая стоимость, невозможность контролировать скорость выработки водорода, повышенная опасность и т.д.

Наиболее близкой по технической сущности является система для генерации газообразного водорода, описанная в патенте США №20060249393, опубл. 09.11.2006. Изобретение описывает систему для генерации газообразного водорода в водном растворе на основе электролитического или гальванического элемента, в котором катод выполнен из алюминия или алюминиевого сплава. Недостатком данного способа является относительно невысокий выход водорода, повышенная опасность проведения процесса за счет выделения больших количеств свободного кислорода, повышенные энергетические затраты.

Раскрытие изобретения

Таким образом, целью настоящего изобретения является устранение недостатков известного уровня техники, в частности создание контролируемого (т.е. по требованию) способа получения водорода электролизом, который характеризуется высоким выходом водорода, пониженной опасностью при проведении процесса, снижением энергетических затрат, простотой выполнения, а также расширение ассортимента средств для получения водорода.

Цель настоящего изобретения достигается за счет способа получения водорода низкого давления для последующего сжигания и получения водяного пара с помощью низковольтного электролиза щелочного электролита раствора солей галогенводородных кислот и их смесей постоянным током, с помощью алюминиевых электродов, с дальнейшим извлечением кислорода в отдельный накопитель из образовавшихся алюминиевых комплексов, с поддержанием состава электролита и контролем температуры и давления в электрохимической ячейке.

Техническим результатом при осуществлении способа является повышение выхода водорода за счет использования других электролитов, которые позволяют получать растворимые комплексы на основе Al, понижение опасности при проведении процесса за счет того, что кислород, образующийся в результате реакции в больших количествах, связывается в комплексы, снижение энергетических затрат, поскольку протекает низковольтный электролиз, простота выполнения, а также расширение ассортимента средств для получения водорода. Впоследствии связанный кислород может быть извлечен из комплексов и направлен на утилизацию.

В заявленном техническом решении под низковольтным электролизом понимается электролиз, протекающий при потенциале от 1,358 В до 12 В. Под водородом низкого давления понимается водород с давлением от 100 мм водяного столба до давления, не превышающего 1 атмосферу.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена общая схема устройства для получения водорода.

На фиг.2 изображена конструкция емкости В.

На фиг.3 изображен другой вариант схемы устройства для получения водорода, содержащей емкость С.

Пример осуществления изобретения

На алюминиевые электроды, расположенные в емкости А, которая собственно и представляет собой электрохимическую ячейку, подается потенциал ~4,5 В, в емкости А находится (поступает из внешней емкости) электролит (рН 11), состоящий из щелочного раствора солей галогенводородных кислот, предпочтительно из смеси 1 М растворов NH₄Cl и NaCl, доведенных NaOH до pH 11. Также могут быть использованы другие соли других галогенводородных кислот. Выделившийся водород поступает в емкость Б (водяной затвор) во избежание воспламенения полученного водорода. Из емкости Б водород поступает на сжигание.

Одновременно из емкости А в емкость В с помощью насоса (1) поступают полученные в результате реакции растворимые комплексы алюминия для нагревания на катализаторе (около 200°C) и отделения растворенного кислорода (в виде газа), который в свою очередь направляется в отдельный накопитель и затем на утилизацию. Таким образом, в результате реакции образуется водород с давлением 100-300 мм вод.ст., с температурой, близкой к температуре окружающей среды (предусмотрено дополнительное нагревание ячейки, но не выше Т=35°C).

Катализатор в емкости В может представлять собой любой подходящий катализатор, способный разлагать алюминиевые комплексы, например, MnO₂. Следует отметить, что без катализатора температура разложения алюминиевых комплексов составляет около 480°C, на катализаторе температура разложения намного меньше.

Завершающей частью является горелка (на чертеже не показана), т.е. устройство утилизации (сжигания) водорода для получения тепла или электрохимическая ячейка для получения электрического тока.

Водород из емкости А поступает в горелку через водяной затвор (емкость Б), шланги внутри снабжены защитной сеткой для безопасности (рассечения ударной волны по принципу дифракционной решетки) и с помощью извлеченного в емкости В кислорода сгорает, образуя водяной пар определенной температуры, который направляется на утилизацию.

Емкость В содержит и фильтр-отсекатель (4) для поддержания состава электролита и извлечения кислорода из указанных комплексов (фиг.2).

Фильтр-отсекатель (4) содержит нагреватель (2) и отсекатель (3). В отсекателе (3) предусмотрены поглотители на основе полимерных волокон для хемсорбции оксидов галогенов. Оксиды хлора (брома и т.д.) выделяются при термической деструкции комплексов в фильтре на MnO₂ или оксидах некоторых других металлов. Поглотители применяются для доочистки кислорода, выделяющегося при термической деструкции, образовавшихся алюминиевых комплексов.

Принцип работы следующий: в фильтр-отсекатель (4) посредством насоса (1) (преимущественно перистальтического) перекачивается электролит, обогащенный вышеуказанным алюминиевыми комплексами, нагревается нагревателем (2), в результате термического разложения освобождается кислород (в виде газа), содержащий некоторое количество примесей. Во избежание попадания оксидов галогенов в область горения, а затем в воздух примеси улавливаются отсекателем (3), состоящим из оболочки, заполненной полимерными волокнами, с которыми вступают в необратимую химическую реакцию, в результате чего в горелку на утилизацию (сжигание) поступает кислород, освобожденный от алюминиевых комплексов, без опасных примесей.

Оставшаяся окись алюминия Al₂O₃, нерастворима в воде и указанных электролитах и остается в фильтре до очистки. Электролиты, оставшиеся после нагревания и охлаждения, поступают в емкость (С) (см. фиг.3) с обогащенным электролитом, где по плотности раствора (ареометром) поддерживается заданная концентрация электролита и pH-метром заданная указанная выше pH. Характеристики электролита поддерживаются либо вручную в емкости С, либо применяется простая автоматизация (на основе кондуктометрического метода).

Контроль давления для безопасности представляет собой пробку с отверстием внутри, через которую герметично пропущен электрический провод от источника тока, в случае хлопка, указанная пробка вылетает наружу, выпуская пар, так как давление значительно возрастает и разрывает электрическую цепь, прекращая выделение водорода и все химические реакции.

Контроль температуры в ячейке, во избежание взрыва, осуществляется термопарой, при нагревании которой выше заданных параметров, электромагнитное реле разрывает электрическую цепь, подача электричества прекращается, вместе с этим прекращаются химические реакции в электрохимической ячейке.

Следует отметить, что во всех вышеуказанных работах не учтена возможность комплексообразования солей Al, в результате чего появляется возможность значительного увеличения количественного выхода генерируемого по требованию водорода, а также в описанных работах в качестве электролита используются не самые оптимальные смеси солей галогенводородных кислот.

В результате использования традиционных растворов KCL, NaCl, KOH, NaOH, алюминий приходит к виду, описываемому реакцией

2Al+4Н₂О→2A1OOH+3Н₂. (1)

В данной работе предлагается использование смесей солей галогенводородных кислот, например NH₄Cl и NaCl, в щелочной среде NaOH, в результате чего в растворе образуются растворимые комплексы вида: (NH₄)₂[Al(ClO₄)₅], а также (NH₄)₃[Al(ClO₄)₆], по уравнению реакции

6NH₄Cl+11NaCl+NaOH+13Al+87H₂O→Na₂[Al(ClO₄)₅]+2(NH₄)₃[Al(ClO₄)₆]+10NaAlO₂+87H₂↑. (2)

Анод и катод изготавливаются из алюминия, электрическая схема предусматривает равномерное расходование анода и катода посредством переключения электрического потенциала. Водород получают по мере надобности (т.е. по требованию), а в остальное время в электрохимической ячейке, отключенной от источника постоянного электричества, находятся щелочной раствор и алюминиевые электроды, которые практически не реагируют друг с другом.

Процессы, происходящие на электродах:

на катоде:

оставшиеся в растворе ионы натрия Na⁺образуют с ионами ОН^- раствор гидроксида натрия ОН^-+Na⁺→NaOH;

на аноде:

происходит образование хлора по реакции

и дальнейшее его окисление кислородом до вида лиганд ClO₄ ^-

φO₂(ОН^-)=+0,82 V; φCl₂=+1,32 V.

Таким образом, на каждый израсходованный кг-моль Al выделяется 20-24 кг-молей водорода, что является крайне существенным количеством, если учесть, что при сжигании 1 кг водорода выделяется 285 МДж тепла, что почти в 5 раз больше, чем при сжигании 1 кг метана. Образовавшиеся в результате реакции комплексы Na₂[Al(ClO₄)₅], (NH₄)₃[Al(ClO₄)₆] могут быть подвержены термическому разложению с целью выделения кислорода для сжигания полученного водорода, только после этого образуется соединение вида AlOOH (или Al₂O₃), которое так же, как и в вышеуказанных случаях, может быть направлено на заводскую переработку.

Способ получения водорода низкого давления для последующего сжигания и получения водяного пара с помощью низковольтного электролиза щелочного электролита раствора солей галогенводородных кислот и их смесей постоянным током, с помощью алюминиевых электродов, с дальнейшим извлечением кислорода в отдельный накопитель из образовавшихся алюминиевых комплексов, с поддержанием состава электролита и контролем температуры и давления в электрохимической ячейке.

Изобретение относится к проницаемому для ионов армированному сепаратору. При этом сепаратор содержит по меньшей мере один сепарационный элемент и по существу полый обходной канал, прилегающий к указанному по меньшей мере одному сепарационному элементу, причем указанный по меньшей мере один сепарационный элемент содержит связующее и оксид или гидроксид металла, диспергированный в нем, и указанный сепарационный элемент характеризуется давлением выдавливания первого пузырька по меньшей мере 1 бар и сопротивлением при обратной промывке по меньшей мере 1 бар, причем давление выдавливания первого пузырька определяется с помощью ASTM E128 и ISO 4003.

Способ извлечения йода из подземных напорных вод // 2550405

Изобретение может быть использовано в газо- и нефтедобывающей промышленности для попутного извлечения йод-сырца из бедных по его содержанию подземных напорных вод.

Электрохимический способ получения циклогексантиола в органических растворителях // 2550141

Изобретение относится к электрохимическому способу получения циклогексантиола в органических растворителях. Способ включает взаимодействие циклогексена с сероводородом при атмосферном давлении, причем одностадийную реакцию циклогексена с сероводородом проводят в условиях электролиза при потенциале окисления сероводорода в органическом растворителе, в который помещают фоновый электролит, без использования катализатора или специфического реагента при температуре процесса 20-25°С.

Способ получения ультрамикродисперсного порошка оксида никеля // 2550070

Изобретение относится к получению ультрамикродисперсного порошка оксида никеля. Способ включает получение порошка оксида никеля из металлических никелевых электродов электролизом в щелочном растворе гидроксида натрия.

Способ и устройство получения водорода и кислорода из водяного пара с электрической гравитационной водородной ячейкой // 2546149

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для частичного или полного замещения углеводородного топлива на различных видах транспорта, в отопительных системах жилых и производственных помещений, в генераторах производства пара и для раздельного получения чистого кислорода и водорода для производственных, медицинских и других нужд.

Способ очистки нефтяного газа от сероводорода // 2545285

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для подготовки нефтяного газа к потреблению. Содержащийся в нефтяном газе сероводород удаляют с использованием трех массообменных колонн, работающих по принципу противоточной циркуляции.

Способы получения фторированных карбоновых кислот и их солей // 2545172

Изобретение относится к усовершенствованному способу получения фторированных карбоновых кислот и их солей, состоящему из реакции фторсодержащих спиртов с общей формулой (А):A-CH2-OH, с как минимум одним первым и как минимум одним вторым окислителями для получения фторированной карбоновой кислоты или ее солей с общей формулой (В):A-COO-M+, где M+является катионом и где «A» в формулах (А) и (В) является одинаковым фрагментом, представляющим остаток: Rf-[0]p-CX″Y″-[0]m-CX′Y′-[0]n-CXY-, где Rf является фторированным алкильным остатком, который может содержать, а может не содержать один или несколько катенарных атомов кислорода, p, m и n являются независимыми друг от друга или 1, или 0; X, X′, X″, Y, Y′ и Y″ являются независимыми друг от друга прочими H, F, CF3, или C2F5, при условии, что по меньшей мере одно из значений X и Y представляет собой F, CF3, или C2F5; или A является остатком:R-CFX-, где Х и R являются независимо выбранными из водорода, галогена или остатков алкила, алкенила, циклоалкила или арила, которые могут содержать, а могут не содержать один или несколько атомов фтора и которые могут иметь, а могут и не иметь один или несколько катенарных атомов кислорода; где первый окислитель является соединением, имеющим группы, выбираемые из N-оксилов, P-оксилов-, альфа-галокарбонилов, кетонов, иминов, солей иминимов и их комбинаций; и второй окислитель выбирается из электрического тока гальванического элемента, пероксида, оксидов галогенов, хлора, кислорода, озона, солей азотистой кислоты или их комбинаций.

Устройство для выделения нанодисперсных порошков и способ его эксплуатации // 2544974

Изобретение относится к области выделения частиц заданной дисперсности из суспензии и может быть применено в промышленности при получении нанодисперсных порошков для изготовления высокопрочных изделий с улучшенными свойствами.

Распределение в электролизере рециркулируемого отходящего газа // 2544015

Изобретение относится к способу вентилирования электролизера для производства алюминия. Способ включает: отведение газов из внутреннего пространства укрытия электролизера; охлаждение по меньшей мере части упомянутых газов с образованием холодных газов; и осуществление циркуляции по меньшей мере части упомянутых холодных газов во внутреннее пространство через одно или более распределительных устройств.

Электролизная установка космического назначения и способ ее эксплуатации // 2543048

Изобретение относится к электролизной установке космического назначения, включающей электролизный модуль с выходными пневмомагистралями кислорода и водорода, снабженными конденсаторами пара, выполненными из пористого гидрофильного материла и имеющими водоотвод в окружающую среду, резервуар с водой, снабженный датчиком температуры, гидравлически связанный с электролизным модулем и работающий под избыточным давлением, газобаллонную систему хранения кислорода и водорода с пневмомагистралями выдачи этих газов с запорными элементами, имеющую, по крайней мере, по два последовательно связанных друг с другом пневмомагистралями баллона для каждого из газов, с установленными на баллонах датчиками давления, а также систему контроля параметров, подключенную к этим датчикам, датчику внешнего давления и датчику температуры.

Совмещенный способ производства водорода и воды // 2551367

Изобретение относится к способу производства водородсодержащего продукта и одного или нескольких продуктов в виде жидкой воды с использованием каталитического парового реформинга углеводородов.

Катализатор риформинга газообразного углеводородного сырья (варианты) // 2549878

Изобретение относится к катализаторам для получения синтез-газа из газообразного углеводородного сырья, например метана, природного газа или попутных нефтяных газов.

Термодиссоционный генератор водорода и кислорода // 2549847

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для производства водорода и кислорода из водяного пара методом термической диссоциации и может быть использовано в сельском хозяйстве, коммунально-бытовой отрасли для работы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок.

Двухступенчатый непрерывнодействующий подземный генератор биоводорода // 2549238

Двухступенчатый беспрерывнодействующий подземный генератор биоводорода включает биогенератор, установленный в земле, заполненный до определенного уровня биомассой, газоотводную трубу и трубу отвода остаточной биопульпы.

Непрерывнодействующий подземный генератор биоводорода // 2549237

Изобретение относится к области устройств, предназначенных для получения биогаза (биоводорода) из сточных вод от животных и людей. Задача изобретения - превращение работоспособной периодически действующей с ручной загрузкой-выгрузкой биогенераторной установки для получения биогаза низкого давления в промышленную непрерывно действующую установку по производству биогаза (биоводорода) высокого давления (10-12 МПа) путем размещения биореактора в Земле на глубине порядка 2000 м, что обеспечит оптимальные температурные условия реакций анаэробного преобразования биомассы, создаст условия для самотечной загрузки биореактора биомассой, газолифтной выгрузки биогаза и остаточной биопульпы. Для получения биоводорода предусмотрены системы: укисления биомассы до рН 5,49; засева биомассы водородогенными микроорганизмами; подачи биологического катализатора в зону реакции биореактора, Для устройства непрерывнодействующих подземных генераторов биогаза (биоводорода) может быть использовано штатное буровое оборудование и материалы. Предлагаемое изобретение является идеально энергосберегающим и экологически безопасным. .

Способ и устройство для получения синтез-газа // 2548410

Группа изобретений относится к области переработки углеводородного сырья (CH4) - к способу и устройству (реактору) для получения синтез-газа. Способ получения синтез-газа путем каталитического превращения метана посредством пропускания реагентов через неподвижный слой катализатора, в качестве неподвижного слоя катализатора используют кольцевой слой катализатора, в котором реагенты пропускают от внутренней к наружной поверхности кольцевого слоя катализатора, в качестве реагентов используют смесь метана с газообразными реагентами, дополнительно содержащую продукты плазмохимического распада газообразных реагентов или их смеси, тепловой режим процесса обеспечивают путем смешивания продуктов плазмохимического распада со смесью метана с газообразными реагентами, а, по крайней мере, часть реагентов подают непосредственно в плазмохимическую зону.

Катализатор, способ его получения и способ получения синтез-газа // 2547845

Изобретение относится к катализатору получения синтез-газа в процессе парциального окисления метана, представляющему собой микросферический носитель с нанесенным активным компонентом на основе оксидов металлов, при этом в качестве микросферического носителя используют частицы диаметром от 50 до 160 мкм оксида алюминия и/или алюмосиликата, а в качестве активного компонента - оксид Со или Ni, или Fe, или Mn, или Cu, или Се, или смесь оксидов NiO, Co3O4 и Се2О3, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный активный компонент - 2-40, оксид алюминия и/или алюмосиликат - остальное.

Извлечение водорода и азота из аммиачного продувочного газа // 2545546

Изобретение относится к области синтеза аммиака из кондиционного газа, содержащего водород и азот. Аммиачная установка для производства аммиака, в которой аммиачный продувочный газ (20) направляют в узел извлечения, включающий средства охлаждения (102, 202, 302, 402, 502) и фазовые сепараторы, расположенные каскадом и включающие сепаратор высокого давления (103, 203, 303, 403, 503), работающий при давлении контура, и сепаратор, работающий при существенно меньшем давлении, чем давление контура (205, 206, 305); при этом продувочный газ (20) сначала охлаждают до криогенной температуры с достижением частичного ожижения метана и аргона, а затем разделяют охлажденный поток в фазовом сепараторе высокого давления на газообразный поток и нижний жидкий продукт, который далее подают в сепаратор более низкого давления.

Способ получения водорода за счет гидролиза твердого реагента-алюминия в реакционном сосуде // 2545290

Изобретение относится к способам получения водорода за счет гидролиза твердого реагента - алюминия в реакционном сосуде и может быть использовано для получения водорода в сфере автономной энергетики, преимущественно в энергоустановках с электрохимическими генераторами, как в стационарных установках, на транспорте, так и при ремонтах электрогенераторов с водородным охлаждением и в химической промышленности.

Термодиссоционный генератор водорода и кислорода // 2549847