Генератор водорода

Генератор водорода

Реферат

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

Генератор представляет собой химический реактор, вырабатывающий водород путем гидролиза, т.е. разложения воды. Для этого используется твердый реагент, т.е. реакция гидролиза носит гетерогенный характер - идет на поверхности твердого вещества. Предполагается, что полученный таким образом водород в дальнейшем используется в качестве топлива для энергоустановок (ЭУ) на топливных элементах (ТЭ). Помимо этого, водород может использоваться, конечно, и в других областях, например при резке металла, сварке и т.д.

Наиболее известным примером генератора газа с твердым реагентом являются генераторы ацетилена типов ГНВ-1,25 и ГВР-1,25 и другие [1]. В них также применяется гетерогенная реакция гидролиза, а в качестве твердого реагента служит карбид кальция. Сходным образом работает и генератор водорода, использующий реакцию гидролиза алюминия в водном растворе щелочи [2] (аналог). В этом случае, однако, осуществляется непрерывное генерирование водорода, а вся система, включая генератор, работает по «проточной» схеме. К недостаткам аналога можно отнести следующее:

- использование «проточной» схемы усложняет конструкцию генератора и требует дополнительных энергозатрат, что снижает эффективность работы установки в целом;

- работа реактора обеспечивается специальной внешней системой охлаждения, что снижает надежность работы реактора, повышает энергоемкость системы, в которую он входит, и затрудняет автономную работу генератора.

Более близким к предназначенному решению является генератор водорода энергоустановки (ЭУ) подводного назначения на топливных элементах [2] (прототип). Эффективность работы ЭУ в этом случае выше, поскольку циркуляционная схема работы здесь не используется. Однако и прототип имеет существенные недостатки, к которым можно отнести следующие:

- используется дорогой твердый реагент (LiH);

- для охлаждения генератора используется «внешняя» система охлаждения, снижающая к.п.д. установки и ее надежность;

- кроме того, внешняя система охлаждения генератора водорода сужает возможности его автономного использования и усложняет конструкцию.

Задачей предлагаемого решения является разработка автономного генератора водорода, работающего без «внешней» системы охлаждения и не требующего (на свое охлаждение) энергозатрат.

Задача решается тем, что в генератор водорода, работающий на экзотермической реакции гидролиза и содержащий реакционный сосуд с магистралью выдачи водорода и теплообменником для отвода тепла реакции, введены два накопителя водорода, отличается тем, что в состав генератора введены два накопителя водорода, снабженные датчиками давления, при этом каждый накопитель водорода пневматически связан через входной клапан с реакционным сосудом, а через свой 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.

Суть предложения заключается в том, что генерируемый водород набирают поочередно в один из двух накопителей водорода (емкостей), в которых находится вода и которые гидравлически связаны друг с другом. При этом давлением водорода вода попеременно вытесняется из одной емкости в другую. В процессе перетекания эту воду пропускают через теплообменник для отвода тепла реакции и она охлаждает реагенты. Таким образом, в процессе работы генератор водорода «сам себя охлаждает» без использования специальных систем с насосами, электродвигателями и прочим, то есть напрямую используется механическая энергия выделяемого водорода, при этом расход охлаждающей воды регулируется. Это способствует повышению эффективности работы энергоустановок с таким генератором, повышает их надежность и превращает генератор водорода в автономное механическое устройство.

Кроме того, для такой схемы характерно авторегулирование интенсивности охлаждения: чем быстрее выделяется водород и выше его давление в ресивере, тем выше расход охлаждающей воды через генератор (как известно, скорость истечения воды пропорциональна давлению вытеснения). Таким образом, повышение тепловыделения в генераторе (пропорциональное выделению водорода) автоматически увеличивает и теплоотдачу из генератора и данная система охлаждения работает без тепловых датчиков.

Предлагаемый генератор обладает, кроме того, простой конструкцией и имеет элементарный алгоритм управления.

Схема предлагаемой конструкции генератора приведена на чертеже, где обозначено:

1 - реакционный сосуд;

2 - магистраль выдачи водорода;

3 - теплообменник для отвода тепла реакции;

4 - накопители водорода;

5 - входные клапаны накопителей водорода;

6 - выходные клапаны накопителей водорода;

7 - датчики давления;

8 - теплообменники-охладители;

9 - регулятор расхода воды;

10 - блок управления.

Реакционный сосуд (1), в котором идет экзотермическая реакция гидролиза, через входные клапаны (5) пневматически сообщается с двумя накопителями водорода (4), выполненными в виде емкостей, частично заполненных водой. Накопители водорода (4) снабжены датчиками давления (7) и теплообменниками-охладителями (8) для охлаждения воды.

Накопители водорода (4) через выходные клапаны (6) пневматически соединены с магистралью выдачи водорода (2). Кроме того, эти накопители через теплообменник для отвода тепла реакции (3) и регулятор расхода воды (9) гидравлически соединены друг с другом.

Управление входными и выходными клапанами (5, 6) и регулятором расхода воды (9) осуществляется от блока управления (10), который электрически соединен со всеми клапанами (5, 6) и регулятором расхода воды (9). К блоку управления (10) подключены также датчики давления (7), установленные в накопителях водорода (4).

Работает такой генератор водорода следующим образом. Перед началом гидролиза в реакционном сосуде (1) один из входных клапанов (5), соединяющих реакционный сосуд (1) с соответствующим накопителем водорода (4), открыт, а другой входной клапан этого накопителя закрыт. По магистрали с открытым входным клапаном (5) водород поступает в соответствующий накопитель водорода (4).

Если скорость роста давления в этом накопителе водорода (4) достаточно большая (т.е. реакция идет бурно и тепловыделение в реакционном сосуде велико), открывается регулятор расхода воды (9) и холодная вода из одного накопителя водорода под действием давления начинает перетекать в другой. Попутно она отбирает тепло из реакционного сосуда (1), проходя через теплообменник для отвода тепла реакции (3). Одновременно водород, который ранее находился во втором накопителе водорода (не заполненном водой) по магистрали с открытым выходным клапаном (6), соединяющей этот накопитель водорода (4) с магистралью выдачи водорода (2), выдается потребителю.

Длительность охлаждения реакционного сосуда (1) определяется количеством воды, запасенной в накопителях водорода (4), а мощность теплоотвода - расходом охлаждающей воды через теплообменник для отвода тепла реакции (3). Расход воды в свою очередь определяется давлением водорода в накопителях водорода (4) и площадью сечения в регуляторе расхода воды (9).

Таким образом, существует возможность как автоматического охлаждения реагирующей смеси, так и управляемого процесса охлаждения.

После завершения цикла работы генератора и вытеснения воды из одного накопителя водорода в другой нагретая вода в нем охлаждается теплообменником-охладителем и процесс повторяется в обратном направлении.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет создать автономный генератор водорода, способный охлаждать самого себя в автоматическим режиме. Это позволяет повысить надежность его работы, используя простейшие алгоритмы управления.

Список литературы

1. В.В.Рыбаков. «Учебник газосварщика», МАШГИЗ., Москва, 1956 г., стр.34-36.

2. «Устройство для генерирования тепла и электричества из алюминиевых отходов». Пат. США №4.218.520, 1980 г.

3. «Генерирование водорода путем гидролиза для энергоустановки на основе ТЭ подводного назначения». Пат.5372617, США, 1994 г.

Генератор водорода, работающий на экзотермической реакции гидролиза и содержащий реакционный сосуд с магистралью выдачи водорода и теплообменником для отвода тепла реакции, отличающийся тем, что в состав генератора 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.