ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА

Название	ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА
Разработчик (Авторы)	Буров Александр Леонидович, Демин Виктор Алексеевич, Козляков Вячеслав Васильевич, Панфилов Андрей Сергеевич, Субич Владимир Николаевич, Терещук Валерий Сергеевич, Хайри Азат Хасанович, Шестаков Николай Александрович, Шляпин Анатолий Дмитриевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2407701
Дата регистрации	27.10.2008
Правообладатель	Учреждение Российской академии наук Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Область применения (класс МПК)	C01B 3/08 (2006.01) B01J 7/02 (2006.01)

Описание изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте. Генератор представляет собой реактор для производства водорода путем химической реакции между водой и композитом из алюминия. Газогенератор может быть использован в автомобилях, а также в других подвижных и неподвижных системах, вырабатывающих газообразное топливо для питания ДВС, турбин и других устройств и установок, для работы которых необходимо газообразное топливо. Газогенератор может работать на твердых металлах, композитах из металлов и других твердых материалах, взаимодействие которых с водой или другими жидкостями (за исключением жидкостей с очень высокой токсичностью и химической активностью), способными в результате общей химической реакции производить газы.

Уровень техники

Известным газогенератором для производства водорода является газогенератор на основе использования энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), выделяющий энергию при химическом взаимодействии с водой [Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и их использование. - Киев: Наукова думка, 1980. - С.79-105 с.]. Реактор газогенератора представляет собой цилиндрическую емкость объемом 12,7 дм³ с приварными днищами. В верхнем днище имеется четыре штуцера: для засыпки ЭАВ, подачи воды, отвода водорода и размещения термопар. В нижнем днище - один штуцер для выгрузки продуктов реакции. Распределение жидкости в слое порошка обеспечивается разветвленной системой каналов для ее подвода, состоящей из вертикального коллектора диаметром 8 мм, по высоте которого в трех местах установлены по три штуцера диаметром 6 мм, заканчивающихся наконечниками с цилиндрическими соплами по 9 штук диаметром 5 мм в каждом. Экспериментальный образец прост по конструкции и надежен в эксплуатации.

К недостаткам аналога можно отнести следующее:

- совмещение емкости ЭАВ с реакционной зоной увеличивает размеры аппарата, находящегося под высоким давлением, в результате расход металла на изготовление реактора возрастает;

- нет гарантии также в том, что все слои порошка в достаточной степени смачиваются водой;

- реактор газогенератора обладает высокой инертностью, поскольку часть воды аккумулируется в продуктах реакции, и при отключении установки именно эта часть обусловливает продолжение реакции.

Известен газогенератор [Генератор водорода и способ его эксплуатации / И.Н.Глухих, В.Ф.Челяев, А.Н.Щербаков. - Патент РФ №2258669, МПК С01В 3/08. Опубл. 2005, Бюл. №23.], который содержит реакционный сосуд с гранулами твердого реагента, магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента и теплообменник для отвода тепла реакции. В состав генератора введен загрузочный бункер с люком, герметичным при работе генератора, а внутрь загрузочного бункера введены пусковой нагреватель и магистраль теплоносителя, которая включена в контур теплообменника для отвода тепла реакции на его выходе. К недостаткам данного изобретения можно отнести следующее:

- загрузка гранул твердого реагента в реакционный сосуд осуществляется из загрузочного бункера, что не позволяет создать управляемый процесс производства водорода;

- сложный технологический процесс перед загрузкой гранул твердого реагента в реакционный сосуд, когда их предварительно нагревают до температуры реакции в загрузочном бункере;

- эффективность работы генератора и его быстродействие зависят от работы загрузочного бункера, который в данном случае используется в качестве важного элемента системы терморегулирования генератора.

Известен газогенератор [Генератор водорода / И.Н.Глухих. - Патент РФ №226157, МПК С01В 3/08. Опубл. 2005, Бюл. №35.], который представляет собой химический реактор, в состав которого введены два накопителя водорода, снабженные датчиками давления, при этом каждый накопитель водорода пневматически связан через входной клапан с реакционным сосудом, а через выходной клапан - с магистралью выдачи водорода, причем накопители водорода выполнены в виде герметичных емкостей, частично заполненных водой и гидравлически соединенных друг с другом через теплообменник для отвода тепла реакции и регулятор расхода воды, который вместе с клапанами электрически соединен с блоком управления, к которому подключены также датчики давления, установленные в накопителях водорода. Данное изобретение имеет те же недостатки, а усложнение технологического процесса не позволяет повысить надежность его работы. Наличие накопителей водорода снижает безопасность его эксплуатации.

Более близким к предназначенному решению является газогенератор водорода [Сплав на основе алюминия для генерирования водорода. Способ его получения и генератор водорода / B.C.Терещук. - Патент РФ №2253606, МПК С01В 3/08. Опубл. 2005, Бюл. №16] (прототип). Данное изобретение представляет реактор для производства водорода путем химической реакции между водой и композитом из алюминия. Газогенератор водорода, предназначенный для производства водорода путем химической реакции воды и композита из алюминия, состоит из реактора, внутри которого установлены пластины из алюминия, ресивера, водяного насоса и крана слива. Однако и прототип имеет существенные недостатки, к которым можно отнести следующее:

- сложность технологического процесса смены реагирующего компонента.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого решения является разработка автономного газогенератора водорода повышенной производительностью с быстрой сменой реагирующего компонента.

Основные требования, предъявляемые к разработке газогенератора для производства водорода:

- процессы получения высокочистого водорода должны производиться в необратимых реакциях с различными водородогенерирующими материалами, технологические процессы их регенерации и последующего использования продуктов реакции;

- должны быть разработаны высокоактивные и стабильные инициаторы и катализаторы, обеспечивающие управление процессом и стабильную генерацию водорода в течение длительного времени работы энергетической установки;

- должны быть разработаны технология и средства быстрой (2-3 мин) заправки генератора водорода реагентами путем смены картриджей в полевых условиях, обеспечивающие безопасность и отсутствие вредных выбросов;

- должны быть разработаны конструктивные решения генераторов водорода модульных типов, допускающие технологическое масштабирование;

- ресурс единичной заправки генератора водорода должен обеспечивать непрерывную работу топливного элемента на максимальной мощности в течение не менее 8 часов;

- в режиме ожидания время гарантированной готовности разрабатываемого резервного источника энергии к использованию должно составлять не менее 10000 час.

Задача решается газогенератором для производства водорода путем химической реакции композита из алюминия и воды, содержащим реактор, внутри которого установлены пластины композита из алюминия, ресивер, водяной насос и кран слива. Пластины композита из алюминия выполнены прямоугольной формы, установлены внутри реактора вертикально, меньшей стороной вниз, расположены по радиусу равномерно по окружности и зафиксированы с двух сторон в радиальных пазах крепежного элемента пластин, выполненного в виде трубы и насаженных на нее двух дисков с радиальными пазами, прикрепленного по центру к крышке реактора и вместе с ней и пластинами образующего сменный картридж, в нижней части которого гайка, шайбы и пружина плотно закрепляют пластины между дисками. При этом реактор имеет отверстие, расположенное в верхней части реактора для отвода водорода, и два отверстия, расположенных на одном уровне в центральной части реактора для подачи и отвода воды, и отверстие в нижней части реактора для полного отвода воды и удаления шлаков из реактора.

Сущность предложения еще заключается в том, что позволяет производить водород в результате химической реакции композита из алюминия с содержанием NaOH до 10% и водой. Производительность данного реактора определяется суммарной площадью поверхности пластин активированного композита, а время работы их толщиной и массой.

Краткое описание чертежей

Схема предлагаемой конструкции газогенератора приведена на чертеже, где обозначено:

1 - замочный затвор;

2 - корпус реактора;

3 - легкосъемная крышка;

4 - центральный элемент крепежной панели (трубка);

5 - верхний элемент крепежной панели (диск с радиальными пазами);

6 - пластина активированного алюминия;

7 - нижний элемент крепежной панели (диск с радиальными пазами);

8 - резиновая прокладка;

9 - сменный картридж;

10 - ручка;

11 - штуцер;

12 - шайба;

13 - пружина;

14 - гайка.

Осуществление изобретения

Реактор газогенератора водорода имеет корпус 2 цилиндрической формы. К верхней части корпуса прикрепляется замочный затвор 1, который нужен для жесткого закрепления крышки, которая одновременно служит картриджем, для легкой и быстрой замены реагента, а также для сохранения герметичности внутри реактора. В верхней части корпуса реактора, в месте крепления крышки, наварена кайма с пазом внутри. Данная кайма необходима для повышения герметичности внутри реактора. В корпусе имеются четыре отверстия для последующего присоединения штуцеров 11. В этих отверстиях нарезается резьба для присоединения штуцеров.

Отверстие в верхней части корпуса служит для отвода водорода. Два отверстия, расположенных на одном уровне в центральной части корпуса, служат для подачи и отвода воды, при этом должно обеспечиваться условие проточности воды с целью отвода тепла, которое образуется в результате химической реакции композита из алюминия и воды. Отверстие в нижней части корпуса служит для полного отвода воды и удаления шлаков из реактора.

Сверху основной корпус закрывается легкосъемной крышкой 3, к которой приварены сверху ручка 10 для удобства открывания, а снизу по центру центральный элемент крепежной панели 4 для пластин активированного алюминия 6. Все эти позиции вместе образуют съемный картридж 9. Внизу крышки 3 имеется приваренная кайма, которая служит для увеличения герметичности внутри газогенератора. Центральный элемент крепежной панели представляет собой трубку. В верхней части имеется утолщение диаметра трубки, оно необходимо для упора верхней крепежной панели 5.

Верхний и нижний элементы крепежной панели 5 и 7 очень похожи между собой и выполнены в виде дисков с радиальными пазами. Верхний и нижний элементы идентичны по своим размерам и имеют с одной стороны прорезанные пазы, в которые вставляются пластины композита алюминия. Данный крепежный элемент необходим для жесткого закрепления и последующего удержания в газогенераторе пластин композита из алюминия 6 или другого активированного материала, способного при взаимодействии с водой (и другими жидкостями) выделять водород (или другой газ).

Между крышкой и корпусом газогенератора находится резиновая прокладка 8. Эта прокладка необходима для повышения герметичности газогенератора. В нижней части центрального крепежного элемента нарезана резьба. На нее надеваются две шайбы 12, пружина 13 и снизу она прижимается гайкой 14, это необходимо для более жесткого закрепления пластин активированного алюминия в крепежном элементе, так как при работе реактора возможна вибрация. Для удешевления производства предлагается использовать стандартные изделия (шайбы, пружина, гайка).

Верхний и нижний элементы крепежной панели рекомендуется изготавливать из тефлона, оргстекла или других коррозионно-стойких и теплостойких материалов. Эти материалы легки в обработке, недорогие, а также способны выдержать повышенную температуру, которая образуется в результате химической реакции между водой и активированным алюминием.

Пластины активированного алюминия выполнены прямоугольной формы. Производительность пластин определяется суммарной площадью их поверхности, а время работы их толщиной и массой и удельной (т.е. с 1 м² активированного Al) газопроизводительностью активированного Al при его реакции с обычной водой.

Реактор газогенератора водорода имеет корпус цилиндрической формы, изготовленный из нержавеющей стали или из другого коррозионно-стойкого материала, способного выдерживать рабочее давление от 1 до 3 атмосфер. Для усиления корпуса как концентратора напряжения необходима выпуклость в верхней части корпуса. Размеры корпуса подобраны исходя из того, что внутри корпуса должен помещаться легкосменный картридж с расположенными внутри пластинами из активированного алюминия. Расстояние между внутренней поверхностью бака до картриджа не менее 10 мм. Внутри реактора находится сменный картридж с установленными внутри пластинами из твердого реагента, который легко вынимается, перезаправляется и вставляется обратно для продолжения работы. Во время перезаправки картриджа реактор должен находиться в нерабочем (отключенном) состоянии. При работе реактора должны соблюдаться условия проточности воды (и др. жидкостей).

Формула изобретения

Газогенератор для производства водорода путем химической реакции композита из алюминия и воды, содержащий реактор, внутри которого установлены пластины из алюминия, ресивер, водяной насос и кран слива, отличающийся тем, что пластины композита из алюминия выполнены прямоугольной формы, установлены внутри реактора вертикально меньшей стороной вниз, расположены по радиусу равномерно по окружности и зафиксированы с двух сторон в радиальных пазах крепежного элемента пластин, выполненного в виде трубы и насаженных на нее двух дисков с радиальными пазами, прикрепленного по центру к крышке реактора и вместе с ней и пластинами образующего сменный картридж, в нижней части которого гайка, шайбы и пружина плотно закрепляют пластины между дисками, при этом реактор имеет отверстие, расположенное в верхней части реактора, для отвода водорода и два отверстия, расположенные на одном уровне в центральной части реактора, для подачи и отвода воды, и отверстие в нижней части реактора для полного отвода воды и удаления шлаков из реактора.

Изобретение "ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА" (Буров Александр Леонидович, Демин Виктор Алексеевич, Козляков Вячеслав Васильевич, Панфилов Андрей Сергеевич, Субич Владимир Николаевич, Терещук Валерий Сергеевич, Хайри Азат Хасанович, Шестаков Николай Александрович, Шляпин Анатолий Дмитриевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога