Аппарат для получения газообразного водорода с использованием состава, предназначенного для получения газообразного водорода, и состав для получения газообразного водорода - RU2415072C2

Чертежи

Описание

Техническая область применения

Настоящее изобретение относится к аппарату для получения газообразного водорода с использованием состава, предназначенного для получения газообразного водорода, который получит газообразный водород (Н₂) из воды (H₂O) посредством выполнения спонтанной термохимической реакции без подачи электроэнергии с использованием состава для получения газообразного водорода, который обеспечивает получение газообразного водорода посредством спонтанного окисления с использованием воды при комнатной температуре.

Кроме того, настоящее изобретение относится к составу, который обеспечивает получение газообразного водорода посредством контакта с водой при комнатной температуре.

Предпосылки к созданию изобретения

Водород представляет собой бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха горючий и некоррозионный газ с сильной диффузионной способностью и восстановительной способностью, а также является наиболее легким газом. В периодической системе элементов водород имеет атомный номер 1 и существует в виде газообразной молекулы. Кроме того, водород имеет скорость диффузии, в 14 раз превышающую скорость диффузии воздуха. Поэтому водород насыщает ненасыщенные связи органических соединений благодаря его превосходной диффузионной способности и восстановительной способности, и его применяют в различных областях, таких как производство электронных устройств, в химии, при изготовлении металлов, стеклянных изделий, при приготовлении пищевых продуктов, масел, жиров и тому подобном, используя его характеристики. Кроме того, водород используют в качестве топлива для топливного элемента, а также в качестве источника тепла посредством реакции с катализаторами, например с платиной, палладием или чем-то подобным, при комнатной температуре. Когда водород реагирует с катализатором, то он отличается тем, что вырабатывает более высокую калорию, чем при его сжигании. Кроме того, поскольку водород, который присутствует в количестве порядка 0,018 грамма на 1 килограмм морской воды и представляет собой элемент, наиболее распространенный из других химических элементов, является источником энергии, наиболее пригодным для будущей энергетической системы, а также является энергетической средой, которая может поддерживать современную систему совместно с электрической энергией, и, следовательно, может быть использован как неограниченный источник, водород может решить проблемы, касающиеся энергии и загрязнения окружающей среды, в качестве чистой энергии в будущем и поэтому находится в центре внимания в качестве альтернативного источника энергии. В частности, водород обладает преимуществами, которые заключаются в том, что он не выделяет загрязнений, за исключением минимального количества окиси азота (NO_x), когда его используют в качестве топлива, при этом он обычно может быть использован в качестве топлива для непосредственного сжигания либо топлива для топливного элемента и негорючего катализатора.

Автор данного изобретения изобрел аппарат, являющийся источником тепла, с применением несгораемого и невоспламеняемого катализатора, используя водород, обладающий вышеупомянутыми преимуществами, в качестве топлива, и ему были выданы патенты, которые являются корейскими патентами №10-0566966 и №10-0640681.

Вследствие такой возможности использования водорода проведены многие исследования с целью определения путей получения водорода. Недавно выполнено получение водорода из метанола, коммунально-бытового газа, биогаза и тому подобного посредством использования реформинг-установки для получения водорода. Однако такой способ имеет недостатки, которые заключаются в том, что цена реформинг-установки для получения водорода и расходы на ее разработку высоки, а также необходимо подавать энергию во время начальной операции.

Кроме того, используют способ производства водорода и высококачественного углеродного продукта без выпуска двуокиси углерода (СО₂) посредством возбуждения природного газа для получения состояния плазмы, а также используют термохимический способ получения водорода, который приводит к образованию водорода при низкой температуре посредством химического цикла, состоящего из эндотермической и экзотермической реакций [I&EC Process Design and Development, 5(1966) 336]. Однако они приемлемы для массового производства водорода при использовании сложного оборудования.

Недавно разработаны бытовой или портативный топливный элемент и аппарат, служащий источником тепла, где в качестве топлива используют водород, при этом требование к способу заключается в том, чтобы получение водорода происходило быстро и просто. Способ получения водорода с использованием гидридных соединений, например борогидрида натрия (NaBH₄), гидрида лития (LiH), гидрида магния (MgH₂) и тому подобного, обладает преимуществом, которое заключается в том, что можно получать водород просто путем подачи воды, однако он неприемлем для получения водорода из соображений экономии, поскольку гидридные соединения имеют высокую стоимость.

В корейском патенте №0522964 в качестве способа получения газообразного водорода раскрыт способ отделения водорода от молекулы пара или молекулы воды посредством контакта пара или воды с составным оксидом, состоящим из кремнезема и глинозема, при температуре, составляющей менее 300-600°С. Этот способ отличается тем, что он позволяет получать газообразный водород посредством диссоциации и рекомбинации протонов благодаря каталитическому действию составного оксида из кремнезема-глинозема согласно действию твердой кислоты. То есть в случае этого способа водород создают посредством нагревания чистой воды, то есть дистиллированной воды, более чем на 80°С и подачи воды или пара к реакционному сосуду, заполненному цеолитом в качестве составного оксида из кремнезема-глинозема. В выложенном корейском патенте №1994-25939 раскрыт способ изготовления безопасного генератора водорода, в котором используют алюминиевый порошок. При таком способе изготовления газообразный водород получают посредством впрыскивания воды в смесь с алюминиевым порошком, используемым в качестве вспенивающего агента, либо с осушенным алюминиевым порошком, в котором каждая частица алюминиевого порошка покрыта растворимым ингибитором реакции, например метафосфатом натрия, и с осушенным порошком сильной щелочи, в котором каждая частица минерального порошка, например гидроокиси кальция или диатомита, покрыта сильным щелочным материалом, например гидроокисью натрия. Однако стоимость производства увеличена, поскольку состав для получения газообразного водорода, который подвергают воздействию сложных процессов, таких как покрытие минерала или что-то подобное, должен быть использован для проведения безопасной реакции с целью получения газообразного водорода, и возникает угроза безопасности при перегреве, поскольку по существу невозможно контролировать скорость реакции. Кроме того, чистота полученного водорода низка и, в частности, может произойти взрыв вследствие смешивания с кислородом. Следовательно, этот способ не может быть принят для практического использования.

СОДЕРЖАНИЕ

Техническая проблема

Задача настоящего изобретения заключается в создании аппарата для получения весьма чистого водорода, который имеет простую конструкцию, при этом еще одна цель настоящего изобретения заключается в создании безопасного аппарата для получения водорода, который может получать один водород посредством спонтанной термохимической реакции без подачи электроэнергии и, следовательно, может быть использован для портативного или стационарного водородного топливного элемента, невоспламеняемого каталитического нагревателя, использующего водород, или невоспламеняемого водородного бойлера, а еще одна цель настоящего изобретения заключается в создании недорогого состава для получения водорода, который может быть применен для аппарата, предназначенного для получения весьма чистого водорода согласно настоящему изобретению.

Техническое решение

Согласно аспекту настоящего изобретения аппарат для получения газообразного водорода, использующий состав, предназначенный для получения газообразного водорода, включает в себя: реакционный сосуд, который получает состав для получения газообразного водорода посредством контакта с водой при комнатной температуре и обеспечен теплообменным змеевиком для извлечения теплоты реакции; часть для подачи воды, обеспеченную распылителем для распыления воды к составу, предназначенному для получения газообразного водорода, в реакционном сосуде; часть для очистки водорода, предназначенную для очистки газообразного водорода, выходящего из реакционного сосуда; часть для хранения газообразного водорода под давлением, обеспеченным посредством части для создания давления газообразного водорода. В настоящем изобретении получение водорода будет происходить мгновенно, как только вода будет добавлена к составу, предназначенному для получения газообразного водорода. Поэтому для предотвращения угрозы безопасности вследствие быстрого повышения температуры внутри реакционного сосуда предпочтительно, чтобы в реакционном сосуде был обеспечен датчик температуры, а также была обеспечена управляющая часть для управления количеством воды, подаваемой к теплообменному змеевику в ответ на температуру, подводимую к датчику температуры, чтобы посредством этого сохранять температуру внутри реакционного сосуда на уровне надлежащей температуры реакции и таким образом управлять скоростью получения газообразного водорода, заранее предотвращая угрозу безопасности вследствие избыточного получения водорода и рециркулируя тепло, получаемое из теплоты реакции. Кроме того, предпочтительно контролируемым образом сохранять температуру реакционного сосуда, равной 30-150°С, из соображений, касающихся скорости и устойчивости получения водорода.

В настоящем изобретении состав для получения газообразного водорода незамедлительно и быстро реагирует с водой, как только к нему добавляют воду, и при этом в смешанном состоянии будут получены газообразный водород (Н₂) и пар. Поэтому, чтобы удалить примеси, такие как пар и кислород, из полученного газообразного водорода и таким образом получить весьма чистый газообразный водород, часть, служащая для очистки газообразного водорода, обеспечивает его прохождение, по меньшей мере, через что-то одно, выбранное из устройства для удаления воды, устройства для удаления кислорода и устройства для осушения газообразного водорода.

Чтобы получить газообразный водород высокой очистки, предпочтительно удалить воздух, включающий в себя кислород, который присутствует в компонентах аппарата для получения газообразного водорода, выполненного согласно изобретению, например, в реакционном сосуде, части для хранения водорода и т.д. С этой целью предпочтительно, чтобы был обеспечен вакуумный насос, при этом уровень вакуума, который следует удерживать в аппарате, должен составлять приблизительно 10^-3-10^-7 Торр.

Чтобы хранить газообразный водород высокой очистки, между частью для очистки газообразного водорода и частью для его хранения обеспечена часть для создания давления газообразного водорода, при этом часть для создания давления газообразного водорода может быть оснащена диафрагменным насосом или вакуумным насосом.

Между тем, в настоящем изобретении состав для получения газообразного водорода включает в себя по весу 40-70% окиси кальция (СаО) в виде порошка, 2-20% хлорида кальция (CaCl₂), хлорида магния (MgCl₂) или бикарбоната натрия (NaHCO₃) в виде порошка, 6,7-30% алюминия или окиси алюминия (Al₂O₃) в виде порошка и 0,001-10% железа или магния в виде порошка. Окись алюминия в виде порошка может представлять собой сферическую, плоскую или волокнистую пористую окись алюминия, приготовленную посредством золь-гель реакции, хлорид кальция может представлять собой ангидрид, при этом окись кальция (СаО) по весу на 95-100% является чистой без примесей. Кроме того, порошок пористой окиси алюминия содержит по весу 0,01-0,03% железа, так что он существует в виде порошка окиси алюминия (Al₂O₃) и порошка железа.

Как вариант, в настоящем изобретении состав для получения газообразного водорода включает в себя по весу 80-150 частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного из порошка окиси кальция и доломитового порошка, и 5-20 частей гидроокиси натрия в виде порошка на основе 100 весовых частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного, включая алюминиевый порошок, из алюминиевого порошка, магниевого порошка и порошка железа, и может дополнительно включать в себя по весу 0,1-5 частей порошка хлорида натрия (NaCl) на основе 100 весовых частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного, включая алюминиевый порошок, из алюминиевого порошка, магниевого порошка и порошка железа.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения состав для получения газообразного водорода включает в себя по весу 40-70% окиси кальция (СаО), 2-20% хлорида кальция (CaCl₂), хлорида магния (MgCl₂) или бикарбоната натрия (NaHCO₃) в виде порошка, 6,7-30% алюминия или окиси алюминия (Al₂O₃) в виде порошка и 0,001-10% железа или магния в виде порошка, при этом окись алюминия в порошке может представлять собой сферическую, плоскую или волокнистую пористую окись алюминия, приготовленную при проведении золь-гель реакции.

Как вариант, состав для получения газообразного водорода включает в себя по весу 80-150 частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного из порошка окиси кальция и доломитового порошка, и 5-20 частей порошка гидроокиси натрия на основе 100 весовых частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного, включая алюминиевый порошок, из алюминиевого порошка, магниевого порошка и порошка железа, и может дополнительно включать в себя 0,1-5 весовых частей хлорида натрия (NaCL) в виде порошка на основе 100 весовых частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного, включая алюминиевый порошок, из алюминиевого порошка, магниевого порошка и порошка железа.

Преимущественные результаты

Согласно настоящему изобретению, поскольку используют состав для получения газообразного водорода, который обеспечивает получение газообразного водорода посредством спонтанной реакции окисления с водой при комнатной температуре, можно незамедлительно получать газообразный водород высокой чистоты посредством добавления воды к составу при комнатной температуре. Кроме того, поскольку обеспечен змеевик для теплообмена, температуру реакции в реакционном сосуде можно постоянно контролировать и, следовательно, можно безопасным образом и непрерывно получать газообразный водород, а также регенерировать тепло реакции, образуемое, когда происходит получение газообразного водорода. Далее, поскольку можно получать один водород посредством спонтанной термохимической реакции без подачи электроэнергии, можно создать портативные и стационарные генераторы водорода. Кроме того, поскольку стоимость производства может быть уменьшена по сравнению с обычными способами получения газообразного водорода, этот способ можно использовать для нагревателя с невоспламеняемым катализатором, использующим водород, или для невоспламеняемого водородного бойлера. Помимо этого, такое решение является эффективным в качестве альтернативных усилий для уменьшения выделения газов, вызывающих парниковый эффект. Далее, что касается области топливного элемента, то также следует ожидать использования такого аппарата, обеспечивающего подачу водорода, для небольших, средних и больших топливных элементов при использовании водорода в качестве топлива.

Описание фигур

Приведенные выше и другие цели, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего описания предпочтительных вариантов конструкции, приведенных совместно с прилагаемыми фигурами, на которых:

На фиг.1 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий аппарат для получения водорода, выполненный согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий реакционный сосуд согласно фиг.1.

На фиг.3 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий аппарат для получения водорода, выполненный согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.4 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий автоматическое подающее устройство согласно фиг.3.

На фиг.5 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий аппарат для получения водорода, выполненный согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.6 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий аппарат для получения водорода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Во-первых, будет подробно описан пример состава для получения газообразного водорода согласно настоящему изобретению.

Состав 1 для получения газообразного водорода

Состав 1 для получения газообразного водорода включает в себя по весу 40-70% окиси кальция (СаО) в виде порошка, 2-20% хлорида кальция (CaCl₂), хлорида магния (MgCl₂) или бикарбоната натрия (NaHCO₃) в виде порошка, 6,7-30% алюминия или окиси алюминия (Al₂O₃) в виде порошка и 0,001-10% железа или магния в виде порошка.

Настоящее изобретение относится к аппарату для получения газообразного водорода с использованием окиси кальция (СаО), которой богата земля, при этом состав 1 представляет собой состав для получения газообразного водорода с использованием реакции нейтрализации и реакции гидратации путем подачи воды к окиси кальция и включает в себя водород и гидроокись кальция [Ca(ОН)₂] в качестве конечных продуктов. Гидроокись кальция [Ca(ОН)₂], один из конечных продуктов, обладает тем преимуществом, что она благоприятна с точки зрения воздействия на окружающую среду.

Состав 1 для получения газообразного водорода основан на формуле реакции, в которой окись кальция термохимически реагирует с водой (Н₂О) для получения газообразного водорода, при этом основная формула может быть представлена в следующем виде:

Между тем, в процессе термохимической реакции кальция с водой (H₂O) в случае выполнения вышеупомянутой реакции (1) возникают проблемы, заключающиеся в том, что реакция не будет начата на ранней стадии, пока температура реакционной системы не станет высокой и, следовательно, вода будет находиться в состоянии пара, так что скорость реакции, то есть скорость получения водорода будет весьма низкой. В частности, поскольку затруднительно, чтобы вода просачивалась внутрь окиси кальция, поскольку гидроокись кальция, имеющая низкую растворимость в воде, будет создана на поверхности окиси кальция в виде порошка, трудно в достаточной степени получать газообразный водород из окиси кальция.

Чтобы снять вышеуказанные проблемы, состав 1 для получения газообразного водорода включает в себя хлорид кальция, который представляет собой ангидрид, а также хлорид магния или бикарбонат натрия. Если к составу 1 добавлена вода, то окись кальция будет преобразована в газообразный водород и гидроокись кальция посредством реакции воды с окисью кальция, и в то же время температура самого состава будет увеличена посредством тепла гидратации, получаемого в процессе гидратации ангидрида, следовательно, вода, добавляемая к составу 1, будет испаряться для ее преобразования в пар. Поэтому способность воды вступать в реакцию с окисью кальция будет увеличена в большей степени, и, следовательно, скорость получения водорода будет увеличена, при этом наибольшая часть окиси кальция может быть преобразована в газообразный водород и гидроокись кальция. В то же время гидратированный хлорид кальция вновь может поглощать воду, когда при ведении экзотермического процесса некоторая часть воды вновь постепенно утекает.

Предпочтительно, чтобы окись кальция (известь, СаО), используемая для состава 1, предназначенного для образования газообразного водорода, имела размер порядка 40-325 меш, а ее чистота составляла по весу более 95%.

Между тем, состав для получения газообразного водорода содержит порошок алюминия или окиси алюминия (Al₂O₃), а также порошок железа или магния в качестве ускорителей для ускорения реакции, при которой окись кальция реагирует с водой для получения газообразного водорода и гидроокиси кальция.

Порошок из алюминия или окиси алюминия (Al₂O₃) препятствует быстрому преобразованию извести в Са(ОН)₂, используя его свойство, заключающееся в том, что он имеет низкую вязкость при контакте с водой и обеспечивает полное вступление в реакцию окиси кальция, тем самым способствуя эффективному получению газообразного водорода. Кроме того, порошок железа или магния повышает эффективность реакции и скорость реакции посредством обеспечения спонтанной термохимической реакции для получения газообразного водорода, который должен быть результатом не многоступенчатых термохимических циклов, а одноступенчатого термохимического цикла.

Предпочтительно, чтобы окись алюминия представляла собой сферическую, плоскую или волокнистую пористую окись алюминия, приготавливаемую при выполнении золь-гель реакции. Используемый порошок из алюминия или окиси алюминия (Al₂O₃) действует как катализатор в процессе спонтанной реакции при добавлении порошков из алюминия или железа и магния, когда известь вступает в реакцию для получения газообразного водорода (Н₂).

Между тем, что касается вышеуказанного ускорителя реакции, то пористая окись алюминия (название продукта: Cataloid-AP) может быть применена в виде порошка окиси алюминия (Al₂O₃) и порошка железа. Cataloid представляет собой два вида керамических порошков, главным образом содержащих Al₂O₃ или SiO₂ и Na₂O, и является материалом, который используют в качестве коллоидного раствора окиси алюминия или двуокиси кремния посредством рассеивания в воде, при этом он становится активной окисью алюминия или двуокисью кремния. Cataloid-AP, используемый в данном изобретении, имеет размер частиц порядка 40-60 нанометров, содержит по весу 67-75% Al₂O₃ и 0,01-0,03 Fe и является кислотным с pH, составляющим порядка 4,3-5. Cataloid представляет собой гидрофильную и устойчивую сферическую пористую керамику в форме микрокапсул и нанокапсул, и его готовят посредством использования золь-гель реакции. При контакте с водой он поглощает воду в форме капсулы и затем медленно выделяет воду. Кроме того, Cataloid демонстрирует эффект нейтрализации при реакции с окисью кальция. В частности, Cataloid обладает свойством, заключающимся в превосходной степени поглощения в отношении растворимого в воде третьего компонента, поскольку Cataloid имеет большую удельную площадь поверхности и большой объем микропор и препятствует быстрому преобразованию извести в гидроокись кальция, используя его свойство, состоящее в том, что он имеет низкую вязкость, когда вступает в контакт с водой, и способствует полному вступлению в реакцию окиси кальция.

Что касается количества получаемого газообразного водорода из состава 1, предназначенного для получения газообразного водорода, то 56 граммов окиси кальция (СаО) и 2 моля, то есть 36 граммов, воды (H₂O) вступают в реакцию для получения 2 граммов газообразного водорода (Н₂). Объем 2 граммов газообразного водорода составляет 22,4 литра при температуре 0°C и 1 атмосфере (нормальное состояние), и, следовательно, 35,7 грамма (примерно 400 литров) газообразного водорода будет выработано из 1 кг окиси кальция. Поскольку цена окиси кальция низка, можно легко получать газообразный водород (Н₂) посредством проведения спонтанной термохимической реакции.

Состав 2 для получения газообразного водорода

Состав 2 для получения газообразного водорода включает в себя 80-150 весовых частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного из порошка окиси кальция и порошка доломита, и 5-20 весовых частей порошка гидроокиси натрия на основе 100 весовых частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного, включая алюминиевый порошок, из алюминиевого порошка, магниевого порошка и порошка железа.

Состав 2 для получения газообразного водорода получает водород не посредством нагревания воды или повышения температуры до высокого значения, а посредством спонтанной химической реакции с водой при комнатной температуре без подачи электроэнергии. Газообразный водород получают более экономично, просто и безопасно посредством одноступенчатой спонтанной каталитической реакции, при этом кислород вступает в реакцию с металлом или окисью металла для преобразования в гидроокись.

Состав 2 для получения водорода является основой для проведения одноступенчатой спонтанной каталитической реакции, которая происходит согласно указанной далее формуле (1).

Химическое свойство алюминия заключается в его амфотерности, и, следовательно, алюминий реагирует как с кислотой, так и со щелочью. Поэтому формула реакции, относящаяся к одному алюминию (Al), будет иметь следующий вид:

Гидролитическая реакция в приведенных выше формулах (2) и (3) происходит так, как указано в следующих далее формулах (4) и (5).

Раствор в формулах (4) и (5) представляет собой кислотный раствор, константа диссоциации кислоты в котором подобна константе диссоциации для уксусной кислоты. Если алюминий (Al) вступает в реакцию с гидроксильным ионом, то алюминий переходит из гидроокиси алюминия в ион алюмината.

Следовательно, алюминий (Al) будет растворен в воде только в кислотном или щелочном состоянии и реагирует экзотермически. Используя это свойство, были изобретены способ и устройство, позволяющие обеспечить массовое производство газообразного водорода за короткое время. Водород получают в щелочном состоянии посредством смеси, состоящей из окиси кальция (СаО) и алюминия (Al). Теоретически окись кальция (СаО) реагирует с водой в соответствии с приведенной далее формулой (7) ведения реакции для получения газообразного водорода.

Однако реакция для получения газообразного водорода согласно формуле (7) ведения реакции не происходит при комнатной температуре и будет в незначительной степени развиваться только при добавлении кислоты или щелочи. В этом состоянии водород получают только посредством содействия реакции с помощью нагревания реакционной системы до высокой температуры, составляющей более 800 К в герметичном состоянии. Однако состав 2 для получения газообразного водорода может немедленно получать водород в случае добавления воды даже при комнатной температуре.

Состав 2 для получения газообразного водорода в качестве предпочтительного состава, который безопасно и непрерывно образует газообразный водород при комнатной температуре, включает в себя 80-150 весовых частей порошка окиси кальция и 5-20 весовых частей гидроокиси натрия на основе 100 весовых частей порошка алюминия. Когда окись кальция составляет менее 80 весовых частей на основе 100 весовых частей алюминиевого порошка, затруднительно управлять скоростью реакции получения водорода. Напротив, когда окись кальция составляет более 80 весовых частей на основе 100 весовых частей порошка алюминия, скорость реакции будет чрезмерно понижена. Кроме того, когда весовое количество составляет менее 5 частей, не будет происходить достаточное выделение газообразного водорода. Напротив, когда весовое количество составляет более 20 частей, затруднительно управлять скоростью получения газообразного водорода.

Между тем, в составе 2 для получения газообразного водорода некоторая часть алюминиевого порошка может быть заменена таким же весом, по меньшей мере, одного порошка, выбранного из порошка магния и порошка железа. Это основано на том обстоятельстве, что действие магния и железа подобно действию алюминия.

Кроме того, в составе 2 для получения газообразного водорода некоторую часть порошка окиси кальция или весь этот порошок можно заменить таким же по весу доломитовым порошком. Это основано на том обстоятельстве, что действие доломита, который содействует химической реакции, подобно действию окиси кальция.

Для эффективного запуска реакции при низкой температуре зимой состав, предназначенный для получения газообразного водорода, может дополнительно включать в себя 0,1-5 весовых частей порошка хлорида натрия (NaCl) в дополнение к 80-150 весовым частям, по меньшей мере, одного порошка, выбранного из порошка окиси кальция и порошка доломита, и 5-20 весовым частям порошка гидроокиси натрия на основе 100 весовых частей, по меньшей мере, одного порошка, выбранного, включая алюминиевый порошок, из алюминиевого порошка, магниевого порошка и порошка железа.

Далее будет подробно описан аппарат для получения газообразного водорода, выполненный согласно варианту осуществления настоящего изобретения и использующий описанные выше составы 1 и 2, предназначенные для получения газообразного водорода, а также другие составы для получения газообразного водорода, которые обеспечивают получение газообразного водорода посредством спонтанного окисления в контакте с водой при комнатной температуре.

На фиг.1 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий аппарат для получения водорода согласно варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг.2 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий реакционный сосуд согласно фиг.1; на фиг.3 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий аппарат для получения водорода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг.4 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий автоматическое подающее устройство согласно фиг.3; на фиг.5 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий аппарат для получения водорода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг.6 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий аппарат для получения водорода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Как показано на фиг.1, аппарат для получения водорода, выполненный согласно варианту осуществления настоящего изобретения, включает в себя реакционный сосуд 11, часть 12 для подачи воды, часть 13 для очистки водорода и часть 14 для хранения водорода.

Как показано на фиг.1, реакционный сосуд 11 представляет собой реактор, в котором состав 1 для получения газообразного водорода (см. фиг.4) и вода, подаваемая из части 12, обеспечивающей подачу воды, вступают в реакцию друг с другом для получения газообразного водорода. Реакционный сосуд 11 обеспечен теплообменным змеевиком 17, при этом змеевик 17 служит для извлечения (регенерации) тепла, образуемого при выполнении реакции, и, следовательно, управляет скоростью реакции получения газообразного водорода, которая происходит в виде экзотермической реакции. Между тем, реакционный сосуд 11 может быть оснащен датчиком температуры (не показан), служащим для измерения температуры в реакционном сосуде 11. Кроме того, реакционный сосуд 11 может быть оснащен манометром 61, который служит для измерения в реакционном сосуде 11 давления, создаваемого вследствие образования в этом сосуде пара и получения газообразного водорода.

Как показано на фиг.2, змеевик 17, предназначенный для теплообмена, соединен с линией 51 для подачи охлаждающей воды и с линией 52 для выпуска горячей воды. Посредством использования горячей воды, выпускаемой по линии 52 для нагревания и т.д., можно без потерь использовать отходящее тепло, создаваемое в устройстве, предназначенном для получения газообразного водорода и выполненном согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Между тем, хотя на фиг.1 это и не показано, аппарат для получения водорода, выполненный согласно варианту осуществления настоящего изобретения и показанный на фиг.1, может быть оснащен автоматическим подающим устройством (не показано) для подачи состава 1 (см. фиг.4), который предназначен для получения газообразного водорода, и который упакован в проницаемый водой мешок, предназначенный для реакционного сосуда 11.

Тем временем, хотя это на фигурах не показано, аппарат для получения водорода, выполненный согласно варианту осуществления настоящего изобретения, представленному на фиг.1, может быть оснащен управляющей частью (не показана). Управляющая часть (не показана) управляет количеством охлаждающей воды, подаваемой к теплообменному змеевику 17 в соответствии с температурой в реакционном сосуде 11, подводимой к датчику температуры (не показан). Между тем, управляющая часть (не показана) может управлять количеством охлаждающей воды, подаваемой к теплообменному змеевику 17, с учетом давления в реакционном сосуде 11, которое подводят к манометру 61, вместе с температурой. Предпочтительно, чтобы управляющая часть (не показана) действовала для сохранения внутри реакционного сосуда 11 температуры порядка 30-150°С.

Как показано на фиг.1, газообразный водород, получаемый в реакционном сосуде 11, выпускают совместно с паром и вводят в часть 13, предназначенную для очистки газообразного водорода. Часть 13 может включать в себя устройство 13-1 для удаления воды, устройство 13-2 для удаления кислорода и осушитель 13-3 водорода. В устройстве 13-1 для удаления воды используют щелочной способ поглощения, а точнее, используют щелочной водный раствор из перманганата калия (KMnO₄) и раствор из 0,1N гидроокиси натрия (NaOH). В устройстве 13-2 для удаления кислорода используют углеродное молекулярное сито в качестве поглотителя кислорода, а в осушителе 13-3 газообразного водорода, который окончательно очищает водород, используют молекулярное сито 5А или 13Х.

Как показано на фиг.1, газообразный водород, очищенный посредством части 13, выпускают с высокой степенью очистки, составляющей более 99,9%, при этом газообразный водород, выпускаемый из части 13, хранят в части 14, предназначенной для его хранения, которую оснащают сосудом высокого давления.

Как показано на фиг.1, чтобы хранить газообразный водород, выпущенный из части 13, предназначенной для его очистки, в части 14 при давлении больше атмосферного давления со стороны части 14 для хранения водорода обеспечивают часть 15 для создания давления газообразного водорода. Часть 15 оснащают диафрагменным насосом (не показан) или вакуумным насосом 16.

Между тем, газообразный водород с высокой степенью очистки может быть эффективно получен только тогда, когда воздух, который находится внутри аппарата для получения газообразного водорода, выполненного согласно настоящему изобретению, будет удален перед работой аппарата. Чтобы получить газообразный водород с высокой степенью очистки, составляющей более 99,99%, предпочтительно, чтобы внутри аппарата было сохранено состояние вакуума величиной более 10^-3 Торр перед получением газообразного водорода. В таблице 1, представленной ниже, приведена чистота газообразного водорода в соответствии с уровнем вакуума в аппарате для получения газообразного водорода, выполненного согласно варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг.1.

Позицией 56 обозначен нисходящий обратный клапан, предназначенный для предотвращения обратного течения газообразного водорода после его получения.

На фиг.3 представлен аппарат для получения газообразного водорода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором реакционный сосуд 111 имеет двухкамерную систему, а на фиг.5 представлен аппарат для получения газообразного водорода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором реакционный сосуд 111 имеет четырехкамерную систему. В настоящем изобретении количество реакционных сосудов может быть увеличено или уменьшено в виде модуля согласно цели использования, количеству получаемого газообразного водорода и количеству тепла вследствие использования отходящего тепла. Вариант осуществления конструкции, показанный на фиг.3 и 4, обеспечен нисходящим обратным клапаном 156 или 256 для предотвращения обратного потока газообразного водорода после его получения, датчиком давления 161 или 261 для определения давления газообразного водорода и частью 113 или 213 для очистки газообразного водорода. Кроме того, вариант конструкции, показанный на фиг.3 и 4, включает в себя часть 115 или 215 для создания давления газообразного водорода, которая оснащена вакуумным насосом 116 или 216. При использовании вакуумного насоса 116 или 216 газообразный водород может находиться под давлением примерно до 10 атмосфер и храниться в части 114 или 214. Вариант конструкции, показанный на фиг.3 и 4, оснащен змеевиком 117 или 217 для теплообмена, при этом змеевик 117 или 217 расположен внутри реакционного сосуда 111 или 211.

На фиг.4 представлено автоматическое устройство 170 для подачи состава. Автоматическое устройство 170 предназначено для подачи состава 1, служащего для получения газообразного водорода, который упакован в проницаемый водой мешок, к реакционному сосуду 11. Устройство 170 включает в себя часть 171 для подачи состава, часть 172 для введения и удаления состава, часть 173 для приема состава и часть 174 для выгрузки состава. Состав 1 для получения газообразного водорода автоматически подают посредством части 171 для подачи состава и перемещают к части 173 для приема состава посредством части 171. Часть 173 для приема состава вводят вовнутрь реакционного сосуда 121 и удаляют ее из этого сосуда, когда часть 172 для введения и удаления состава, обеспеченную в верхней части реакционного сосуда 121, опускают и поднимают.

Как показано на фиг.3 и 4, электромагнитный клапан 128 устанавливают между частью 114 для хранения газообразного водорода и трубопроводом вакуумного насоса 116, при этом часть 173 для захождения состава вводят внутрь реакционного сосуда 121 по сигналу электромагнитного клапана 128 и после этого происходит реакция.

Как показано на фиг.3 и 4, состав 1 для получения газообразного водорода, выгружаемый из реакционного сосуда 111 после проведения реакции, транспортируют к части 174 для выгрузки состава и затем выгружают посредством транспортировочного устройства, например ленточного транспортера (не показан) и т.д.

На фиг.5 позицией 228 обозначен электромагнитный клапан, позицией 270 - автоматическое устройство для подачи состава, позицией 271 - часть для подачи состава, позицией 272 - часть для ввода состава и позицией 274 - часть для выгрузки состава. Они такие же, что и части согласно варианту конструкции, показанному на фиг.3, либо подобны им.

Как показано на фиг.6, аппарат для получения газообразного водорода согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения может быть оснащен радиатором 382. Радиатор 382 соединяют с теплообменным змеевиком внутри реакционного сосуда 311 посредством линии выпуска горячей воды 352. Радиатор 382 может быть использован для нагревания и т.д., поскольку внутри радиатора 382 течет горячая вода. Между тем, с радиатором 382 может быть соединен насос 386 для циркуляции воды, а водяной резервуар 384 соединяют с насосом 386 таким образом, что вода циркулирует через теплообменный змеевик и радиатор 382.

Кроме того, квалифицированные специалисты в этой области могут легко понять, что детали, подробно не представленные на фиг.1-6, основаны на принципе аппарата для получения газообразного водорода.

Экспериментальный пример 1

Состав для получения газообразного водорода был приготовлен из 60 граммов порошка окиси кальция (40-325 меш, чистое вещество без примесей 95% веса), 5 граммов безводного хлорида кальция, 20 граммов алюминия и 5 граммов железа и был запакован с помощью нетканого материала в форме мешка.

Приготовленный мешок был помещен в реакционный сосуд, и после этого к нему было медленно добавлено 250 граммов воды, чтобы посредством этого получать газообразный водород.

Экспериментальный пример 2

В качестве ускорителя реакции был использован Cataloid-AP1 (Zeus Chemtech Co., Ltd., Корея). Упаковываемый в мешок состав для получения газообразного водорода был приготовлен посредством смешивания 70 граммов окиси кальция и 20 граммов хлорида кальция или 20 граммов бикарбоната натрия и 10 граммов Cataloid-AP1, и был помещен в реакционный сосуд. После этого к нему было медленно добавлено 250 граммов воды, чтобы таким образом получать газообразный водород.

Экспериментальный пример 3

Такой же, как и экспериментальный пример 2, за исключением того, что вместо Cataloid-AP1 был использован Cataloid-АР3 (Zeus Chemtech Co., Ltd., Корея).

Экспериментальный пример 4

Состав для получения газообразного водорода был приготовлен из 50 граммов алюминиевого порошка (50% веса), 10 граммов порошка окиси кальция (10% веса), 37 граммов доломитового порошка (37% веса) и 3 граммов порошка гидроокиси натрия (3% веса), и он был упакован в нетканый материал в форме мешка.

Подготовленный мешок был помещен в реакционный сосуд, и после этого к нему было медленно добавлено 250 граммов воды, чтобы таким образом получать газообразный водород.

Экспериментальный пример 5

Состав для получения газообразного водорода был приготовлен из 25 граммов порошка алюминия (25% веса), 25 граммов порошка магния (25% веса), 10 граммов порошка окиси кальция (10% веса), 37 граммов доломитового порошка (37% веса) и 3 граммов порошка гидроокиси натрия (3% веса), и он был упакован в нетканый материал в форме мешка.

Подготовленный мешок был помещен в реакционный сосуд, и после этого к нему было медленно добавлено 250 граммов воды, чтобы таким образом получать газообразный водород.

Экспериментальный пример 6

Состав для получения газообразного водорода был приготовлен из 20 граммов порошка алюминия (20% веса), 20 граммов порошка магния (20% веса), 10 граммов порошка железа (10% веса), 10 граммов порошка окиси кальция (10% веса), 37 граммов доломитового порошка (37% веса) и 3 граммов порошка гидроокиси натрия (3% веса), и он был упакован в нетканый материал в форме мешка.

Подготовленный мешок был помещен в реакционный сосуд, и после этого к нему было медленно добавлено 250 граммов воды, чтобы таким образом получать газообразный водород.

В случае обычного состава, поскольку гидроокись кальция, получаемая в процессе получения водорода, будет образована на поверхности окиси кальция и, следовательно, вода не сможет эффективно просачиваться вовнутрь окиси кальция, возникала проблема, заключающаяся в том, что с течением времени скорость получения водорода падала. Однако в случае состава для получения газообразного водорода, используемого в экспериментальных примерах 1-3, было подтверждено, что скорость получения газообразного водорода высока по сравнению с обычным составом и ею можно управлять, причем получение газообразного водорода происходит непрерывно и в достаточной степени, когда пар проникает в окись кальция.

Возможность промышленного применения

Согласно настоящему изобретению, которое описано выше, поскольку можно получать один водород посредством спонтанной термохимической реакции без подачи электроэнергии, можно создавать портативные и стационарные генераторы водорода. Кроме того, поскольку стоимость производства может быть уменьшена по сравнению с обычным способом получения газообразного водорода, можно использовать невоспламеняющийся каталитический нагреватель с применением водорода и невоспламеняющийся водородный бойлер. Кроме того, это решение является эффективным в качестве одного из альтернативных активных усилий для уменьшения выделения газов, создающих парниковый эффект. Далее, что касается области топливного элемента, то также следует ожидать применения аппарата для подачи водорода, предназначенного для малых, средних и больших топливных элементов с использованием водорода в качестве топлива.

Реферат

Изобретения относятся к области химии и могут быть использованы при получении водорода. Согласно первому варианту состав для получения газообразного водорода содержит порошок окиси кальция, порошок хлорида кальция, хлорида магния или бикарбоната натрия, порошок алюминия или окиси алюминия и порошок железа или магния. Согласно второму варианту состав содержит, по меньшей мере, один порошок, выбранный из порошка окиси кальция и доломитового порошка, порошка гидроокиси натрия, и, по меньшей мере, один порошок, выбранный, включая алюминиевый порошок, из магниевого порошка и порошка железа. Аппарат содержит реакционный сосуд 11, который принимает состав для получения газообразного водорода посредством контакта с водой и обеспечен теплообменным змеевиком 17, часть 12 для подачи воды, оснащенную распылителем для распыления воды к составу для получения газообразного водорода внутри реакционного сосуда 11, часть 13 для очистки водорода, часть 14 для хранения водорода. Изобретения позволяют получить чистый водород. 14 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Формула