Способ получения водорода патенты

Учёные АО «НИИЭФА» запатентовали новый способ производства и хранения водорода

Учёные АО «НИИЭФА» (предприятие Госкорпорации «Росатом») запатентовали новый способ производства и хранения водорода.

Патент на изобретение № 2694033 «Способ и устройство для выделения водорода из метана» призван решить ключевую проблему в развитии водородной энергетики: снижение стоимости и сложности производства и хранения водорода. Использование изобретения позволит обеспечить энергетические установки и водородные двигатели качественным и доступным топливом.

В настоящее время в промышленности водород получают в основном из доступного и дешевого сырья — природного газа, который более чем на 90% состоит из метана. Природное углеводородное сырьё разлагают при высоких температурах и давлениях на водород и легкие углеводороды. Для извлечения водорода из полученных таким образом водородосодержащих газовых смесей используется фракционированная конденсация или диффузия через пористые мембраны, после чего водород хранится в газообразном или жидком виде. Получение и хранение водорода таким способом требует больших затрат и сложного технологического оборудования.

Авторский коллектив исследователей АО «НИИЭФА» предложил плазменный способ разложения (конверсии) природного газа на водород и другие составляющие при помощи СВЧ или дуговых источников плазмы. Выделение водорода из продуктов такого разложения осуществляется путём его связывания в гидридах через плазменное осаждение на носитель гидридообразующих металлов. Такое выделение водорода возможно, так как гидридообразующие металлы активно реагируют с водородом (с образованием гидридов) и не вступают в реакцию с углеводородами. Здесь же, в металлогидридах, осуществляется и хранение водорода, причём плотность упаковки его атомов выше плотности атомов в жидком водороде. Чтобы подать водород потребителю из такой системы хранения, её достаточно просто нагреть.

Источник

Способ и устройство получения водорода

Владельцы патента RU 2532561:

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для получения водорода из воды. В электролизере (1) энергию подают на теплообменник-анод (3) и катод (4), выполненный из активированного алюминия. Анод (3) электролизера (1) изготовлен в виде изогнутой по спирали полой трубки для циркуляции теплоносителя. Полученный в результате электролиза водород направляют в накопитель водорода и производят отбор тепла, выделяющегося в процессе электролиза. Энергию для электролиза поставляют от возобновляемых источников энергии в импульсном режиме, а тепло забирают посредством нагревания и прокачивания теплоносителя в полом теплообменнике-аноде (3). Активацию катода (4) проводят импульсным П-образным электрическим током в электролите (2) электролизера (1), в качестве которого использована морская вода. Изобретение позволяет повысить эффективность получения водорода и уменьшить массу и габариты электролизера. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики и экологии, а именно к способам и устройствам получения водорода из воды.

Известен способ получения водорода (патент РФ 2261942, 05.11.2003 г., МПК С25 D 1/04), который включает преобразование электрической энергии в плазмоэлектролитическом процессе, проводимом между анодом и катодом в воде, с удалением из нее газообразных водорода из прикатодной области и кислорода из прианодной области. При этом жидкость подвергают гидродинамической кавитации в вихревом потоке, в котором массивные ионы кислорода центробежной силой перемещают на периферию потока, ионы водорода с малой массой концентрируют в его центре, а электрическое напряжение прикладывают в центре потока к катоду и на периферии потока — к аноду, и плазмоэлектролитический процесс проводят в ионизированной таким образом воде. Выделившиеся в плазмоэлектролитическом процессе водород и (или) кислород подают в воду. Технический эффект — уменьшение электрического напряжения, увеличение тепловой производительности, исключение применения кислот и щелочей.

Известен также способ и устройство получения водорода (патент РФ 2438966, 06.-4.2009 г., МПК С01 ВЗ/00), при котором в качестве электролита используют водопроводную воду, в качестве анода — пластину из меди, а в качестве катода — сплав Д16 — дюралюминий, при напряжении в электролизной ячейке 30-110В, плотности тока 4 мА/см 2 сплав активируется 20 мин, затем ток отключается на 5-10 мин, после чего активацию при каждом последующем цикле проводят в течение 1-10 мин.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является способ и устройство получения водорода (патент РФ 2404290, 16.04.2007 г., C25B 1/04), при котором подают энергию от энергоисточника, не использующего углеводороды, в электролизер, из энергоисточника, например ветроустановки, преобразующей энергию ветра в электрическую энергию, а воду в электролизер для осуществления процесса электролиза воды подают насосом из водоема, при этом полученный в результате электролиза воды водород направляют в накопитель водорода, а кислород — в накопитель кислорода, а тепловым насосом забирают тепло, выделяющееся в воде, и посылают его в аккумулятор тепла для использования потребителем в качестве отопления или горячего водоснабжения или направляют для хранения в аккумулятор тепла.

Недостатком известных технических решений является невысокая эффективность получения тепла и водорода при работе электролизера, малая универсальность и большая масса и габариты конструкции электролизера, так как анод и теплообменник выполнены отдельно и катод выполнен пассивным.

Целями заявляемого технического решения являются:

— повышение эффективности получения водорода и тепла при работе

электролизера и экономию электроэнергии,

— снижение веса, уменьшение габаритов,

— повышение простоты и надежности эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения водорода при электролизе, при котором подают энергию от источника энергии на анод и активированный катод в электролизере, а полученный в результате электролиза водород направляют в накопитель водорода и производят отбор тепла, выделяющегося в процессе электролиза в теплообменник, энергию для электролиза поставляют от возобновляемых источников энергии в импульсном режиме, а тепло забирают посредством нагревания и прокачивания теплоносителя в полом теплообменнике-аноде, а активацию катода проводят импульсным П-образным электрическим током непосредственно в электролите электролизера — морской воде с содержанием соли от 3,5 до 40 г на литр.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для получения водорода, содержащем источник электроэнергии, электролизер и хранилище водорода, катод электролизера выполнен из активированного алюминия, а анод электролизера изготовлен в виде полой трубки для циркуляции теплоносителя, при этом подача энергии на анод и катод осуществляется в импульсном режиме, а активация катода производится импульсным электрическим током непосредственно в электролите электролизера, в качестве которого использована морская вода с содержанием соли от 3,5-40 г/литр.

Поставленная цель достигается также тем, что импульсный электрический ток имеет П-образную форму.

Способ и устройство, в котором реализован предлагаемый способ, поясняются общей схемой на фиг.1.

Устройство для получения водорода содержит корпус электролизера 1 (фиг.1) с электролитом 2 и теплообменником-анодом 3, который расположен внутри электролизера 1, при этом катод электролизера 4 выполнен из активированного алюминия. Теплообменник-анод 3 и катод 4 электролизера соединены с энергоисточником 5 посредством электропроводов 6 и 7. При этом катод электролизера 4 соединен с электропроводом 7 посредством шины 8, которая электрически изолирована от корпуса 1. Теплообменник-анод 3 выполнен в виде полой трубки с возможностью протекания теплоносителя и изогнутой в виде спирали для лучшего теплосъема. Энергию для процесса электролиза поставляют от возобновляемых источников энергии в импульсном режиме, а отбор тепла осуществляют посредством циркуляции теплоносителя в полом теплообменнике-аноде, при этом активацию катода проводят импульсным П-образным электрическим током непосредственно в электролите электролизера, в качестве которого использована морская воде с содержанием соли от 3,5 до 40 г/литр.

Катод электролизера 4 выполнен из активированного алюминия. Активация дюралюминия типа Д-16 производится непосредственно в электролите 2. В качестве электролита используют морскую воду с соленостью от 3,5 до 40 г на литр. Катода электролизера 4 выполнен цилиндрической формы. Выделенный водород поступает в хранилище водорода (на фиг.1 не показано). Теплоноситель затем поступает в хранилище тепла, например тепловой насос (на фиг.1 не показан).

Варианты осуществления изобретения.

Электролиз воды осуществляется непосредственно от возобновляемых источников энергии, например морской приливной электростанции, при помощи энергоисточника 5 (фиг.1), формирующего импульсный ток П-образной формы и подающий его по электропроводам 6 и 7 на теплообменник-анод 3 и катод 4, расположенные в электролите 2 электролизера 1. По теплообменнику-аноду 3 прокачивают теплоноситель, например воду. Катод электролизера 4 соединяют с электропроводом 7 посредством шины 8.

При использовании активированного катода 4 тепла выделяется больше, чем при использовании пассивного, т.к. активный катод, взаимодействуя с электролитом, дополнительно за счет химических реакций выделяет водород, что экономит электроэнергию на производство водорода при электролизе.

Также можно отметить, что в зависимости от потребностей и внешних обстоятельств может быть увеличена выработка водорода или тепловой энергии, что приводит к повышению адаптивности работы установки. Использование П-образных импульсов ведет к уменьшению потерь в процессе электролиза, так как процесс электролиза начинается с 2В, и соответственно к повышению эффективности работы энергетической установки.

1. Способ получения водорода при электролизе, при котором подают энергию от источника энергии на анод и активированный катод в электролизере, а полученный в результате электролиза водород направляют в накопитель водорода и производят отбор тепла, выделяющегося в процессе электролиза в теплообменник, отличающийся тем, что энергию для электролиза поставляют от возобновляемых источников энергии в импульсном режиме подачи тока, а отбор тепла осуществляют посредством циркуляции теплоносителя в теплообменнике-аноде, выполненном в виде изогнутой по спирали полой трубки, при этом активацию катода проводят импульсным П-образным электрическим током непосредственно в электролите электролизера, в качестве которого использована морская вода с содержанием соли от 3,5 до 40 г/л.

2. Устройство для получения водорода, содержащее источник электроэнергии, электролизер и хранилище водорода, отличающееся тем, что катод электролизера выполнен из активированного алюминия, а анод электролизера изготовлен в виде изогнутой по спирали полой трубки, при этом анод и катод расположены в электролизере, заполненном электролитом, в качестве которого использована морская вода с содержанием соли от 3,5-40 г/л, и подключены к источнику электроэнергии с импульсным режимом подачи электрического тока.

3. Устройство для получения водорода по п.2, отличающееся тем, что импульсный электрический ток имеет П-образную форму.

Источник

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА Российский патент 2014 года по МПК C01B3/10

Описание патента на изобретение RU2524391C1

Изобретение относится к области химии, а более точно касается способа получения водорода.

Ввиду предполагаемого перехода к водородной энергетике производство молекулярного водорода является важнейшей задачей.

Наиболее дешевым и доступным сырьем для получения водорода в настоящее время рассматривается вода.

Известны различные способы получения водорода при взаимодействии воды с металлами, например, термохимический железо-паровой способ получения водорода.

Известен способ получения водорода (RU №2191742, опубл. 27.10.2002), при котором водород получают из водяного пара путем его конверсии в среде раскаленного в высоковольтном разряде технического железа, затем подвергают двустадийному осушению и сбору в интерметаллидные компрематоры, доводящие водород при десорбции до высокой степени чистоты, составляющей 99,99 об.%.

Известен способ получения водорода (RU №2466927, опубл. 20.11.2012) путем циклического окисления порошка металлического вольфрама водяным паром, который затем восстанавливают до металла при температуре 950-1200°С с помощью синтез-газа, получаемого при паровой конверсии угля. В начале циклического процесса чистый водяной пар подается в реактор с порошком металлического вольфрама при температуре 900-1200°С и давлении 0,1 МПа, где протекает реакция окисления. Для обеспечения требуемой глубины окисления металлического вольфрама водяной пар подается в реактор с 5-10-кратным избытком. Окисление металлического вольфрама до оксида W18O49 протекает в течение 15-20 минут. В результате реакции образуется газовая смесь водяного пара с водородом.

Производительность этих способов обусловлена периодической работой и скоростью гидротермального окисления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является получение водорода путем взаимодействия алюминия и воды.

Известен способ получения водорода из воды с помощью плазменного генератора (RU №2440925, опубл. 27.01.2012), при котором в качестве рабочего плазмообразующего вещества используют пар или пароводяную смесь, в область дуги подают алюминиевый пруток и полученную смесь водорода и мелкодисперсных частиц оксида алюминия охлаждают в воде для отделения чистого водорода.

Известен способ получения водорода (RU №2432316, опубл. 27.10.2011), при котором в реактор в зону расположения алюминиевых электродов подают воду со следами гидроокисей щелочных металлов. Между электродами создают вольтову дугу, которая диспергирует алюминиевые электроды и распыляет их в вольтовой дуге с образованием алюминиевого нанопорошка, который взаимодействует с водой, образует оксиды алюминия и газообразный водород.

Известен способ получения водорода (RU №2430011, опубл. 27.10.2011, №2428372, опубл. 10.09.2011), при котором в реактор между электродами периодически подают воду и алюминиевый порошок. Ток проходит по слою металлического порошка, образуя в точках неполного касания искровой высокочастотный разряд, диспергируют порошок, образуя наночастицы алюминия, которые, взаимодействуя с водой, образуют окислы алюминия и газообразный водород.

Известен способ получения водорода (RU №2363659, опубл. 10.08.2009) окислением алюминия водой, при котором готовят суспензию порошкообразного алюминия в воде в присутствии катализатора гидроксида щелочного металла и распыляют ее в реактор высокого давления, выдерживают для окисления алюминия и выводят из реактора смесь паров воды и водорода.

Известен способ получения водорода (RU №2223221, опубл. 10.02.2004) окислением алюминия водой, при котором суспензию мелкодисперсного порошкообразного алюминия в воде, непрерывно подают в реактор высокого давления, где суспензию порошкообразного алюминия распыляют при диаметре капель не более 100 мкм в воду при температуре 220-900°С и давлении 20-40 МПа.

Главным недостатком известных методов окисления алюминия является невысокая производительность, обусловленная гетерогенным характером процесса на поверхности металлических частиц. Отрицательно влияет на производительность гидротермальных установок и циклический характер их работы, требующий периодической перезагрузки топлива и очистки фильтров от образующихся крупных частиц Аl₂О₃. Это препятствует промышленному производству водорода.

В основу изобретения положена задача создания более производительного альтернативного способа получения водорода.

Техническим результатом является повышение производительности за счет получения водорода высокотемпературным синтезом.

В качестве альтернативы предлагается метод высокотемпературного синтеза водорода на основе горения флюидизированного инертным газом нанопорошка алюминия в парах воды.

Термин «флюидизированный алюминий» обозначает нанопорошок чистого алюминия в инертном газе (последний препятствует образованию оксидной пленки).

Поставленная задача решается тем, что алюминий в виде нанопорошка псевдоожижают сжатым инертным газом и приводят в контакт с водой в виде водяного пара в реакционной зоне, в результате чего флюидизированный нанопорошок алюминия самовоспламеняется и горит в водяном паре в объеме реакционной зоны, тем самым с получением высоких температур для газификации наночастиц алюминия и образованием высокотемпературным синтезом в газофазной реакционной среде молекулярного водорода, который отделяют с помощью мембраны в качестве целевого продукта от побочных, таких как остатков паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда.

Принципиальная схема получения водорода высокотемпературным синтезом водорода показана на рисунке.

Ее основным элементом является адиабатически устроенная реакционная зона высокотемпературного химического реактора 1, имеющего впуск 2 для нанопорошка алюминия псевдоожиженного сжатым инертным газом, впуск 3 для водяного пара и выпуск 4 для вывода остатков паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда.

Способ осуществляют следующим образом.

Инертный газ, сжатый до давления в несколько атмосфер, подают непрерывным потоком в емкость 5 с нанопорошком алюминия с достижением его псевдоожижения (термин «псевдоожижение» означает полную увлекаемость газовым потоком нанопорошка алюминия).

Псевдоожиженный сжатым инертным газом нанопорошок алюминия и вода в виде водяного пара поступают в реакционную зону высокотемпературного химического реактора.

Образование водяных паров может быть достигнуто, например, за счет впрыска воды, предварительно прогретой до температуры, близкой к температуре кипения, в реакционную зону через форсунки с перепадом в несколько атмосфер. Адиабатическое устройство реакционной зоны может быть обеспечено, например, устройством ее терморубашек. В реакционной зоне высокотемпературного химического реактора 7 флюидизированный инертным газом нанопорошок алюминия при контакте с водяным паром самовоспламеняется и горит в водяном паре в объеме реакционной зоны.

При горении алюминия в парах воды развиваются весьма высокие температуры — более 3000К. Получение высоких температур приводит к газификации наночастиц алюминия и образованию высокотемпературным синтезом в газофазной реакционной среде молекулярного водорода. Эксперименты показывают, что наночастицы алюминия при высоких температурах

1800К быстро газифицируются с образованием атомарного алюминия. Благодаря этому горение алюминия происходит через газофазные реакции, протекающие во всем объеме реакционной зоны, а не на поверхности частиц. Это существенно повышает производительность способа.

Инертный газ препятствует образованию оксидной пленки. Кроме того, на входе в реакционную зону инертный газ используется для псевдоожижения нанопорошка алюминия. На выходе из нее тот же инертный газ играет роль дисперсионной среды двухфазных продуктов горения. Полученный водород может быть отделен с помощью мембраны, например, платиновой, в качестве целевого продукта от побочных, таких как остатков паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда. Кроме того, поскольку крупные оксидные частицы Аl₂О₃, отрицательно влияющие на работу установки, не успевают образоваться за время сгорания

0.1 с, на выходе получается кристаллический порошок (корунд) микронного размера, имеющий большое практическое значение, сопутствующее получение которого могло бы удешевить производство основного продукта — водорода.

При модельном осуществлении способа в качестве инертного газа использовали аргон при давлении 10 атм, соотношение нанопорошка алюминия и паров воды применяют близким к стехиометрическому между ними, при этом температура синтеза молекулярного водорода составляет не менее 1800К(Аr), содержание аргона (Аr) в смеси составляет по массе 80%. Скорость потока в высокотемпературном реакторе 1 составляла U=10 м/с и выбрана из условия, чтобы его длина оставалась в пределах 1-10 м, а сам процесс сгорания проходил в изобарном режиме. Расчеты показывают, что при начальных условиях Т=1800К, Р=10 атм, α=1-2 и при 80% (по массе) Аr в смеси на входе в высокотемпературный реактор (но после газификации Аl) выход водорода составляет примерно 10-12% от массы Аl, а выход частиц корунда — около 12-14% по массе от суммарного выхода всех продуктов горения.

Изобретение может быть использовано для производства водорода.

Похожие патенты RU2524391C1

название	год	авторы	номер документа
ГИБРИДНЫЙ РАКЕТНО-ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ	2014	Старик Александр Михайлович Кулешов Павел Сергеевич Савельев Александр Михайлович	RU2563641C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОГО ПОРОШКА МЕТАЛЛА	2011	Новиков Александр Николаевич	RU2489232C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА КАРБИДА ЖЕЛЕЗА	2020	Жигач Алексей Николаевич Лейпунский Илья Овсеевич Березкина Надежда Георгиевна Кусков Михаил Леонидович Афанасенкова Елена Сергеевна	RU2756555C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА ГИДРИДА ТИТАНА	2014	Жигач Алексей Николаевич Лейпунский Илья Овсеевич Березкина Надежда Георгиевна Кусков Михаил Леонидович Афанасенкова Елена Сергеевна	RU2616920C2
СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ	2015	Старик Александр Михайлович Кулешов Павел Сергеевич	RU2599407C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА КАРБИДА ТИТАНА	2018	Жигач Алексей Николаевич Лейпунский Илья Овсеевич Березкина Надежда Георгиевна Кусков Михаил Леонидович Афанасенкова Елена Сергеевна Сафронова Оксана Александровна	RU2707596C2
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА НАНОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ	2008	Гусев Сергей Владимирович Провоторов Михаил Викторович Харитонов Евгений Леонидович Гусев Александр Васильевич Несмелов Александр Сергеевич Шакуров Валерий Владимирович	RU2397139C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ	2013	Алексеев Николай Васильевич Самохин Андрей Владимирович Цветков Юрий Владимирович	RU2534477C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА	2010	Носырев Дмитрий Яковлевич Плетнев Александр Игоревич	RU2432316C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА КАРБИДА КРЕМНИЯ	2006	Галевский Геннадий Владиславович Галевский Сергей Геннадьевич Руднева Виктория Владимировна Полях Ольга Анатольевна	RU2327638C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 524 391 C1

Реферат патента 2014 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

Изобретение относится к области химии, а более точно к способу получения водорода. Способ получения водорода путем взаимодействия алюминия и воды представляет собой псевдоожижижение алюминия в виде нанопорошока потоком сжатого инертного газа и приведение в контакт полученного реагента с водяным паром в реакционной зоне, в результате чего флюидизированный нанопорошок алюминия самовоспламеняется и горит в водяном паре в объеме реакционной зоны, с получением высоких температур для газификации наночастиц алюминия и образованием газофазной реакционной среды с протеканием в ней высокотемпературного синтеза и получением молекулярного водорода, который непрерывно отделяют с помощью мембраны, селективно проницаемой для водорода, в качестве целевого продукта от побочных продуктов выхлопа реактора, таких как остатки паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда. Изобретение обеспечивает повышение производительности получения водорода. 3 з.п. ф — лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 524 391 C1

1. Способ получения водорода путем взаимодействия алюминия и воды, отличающийся тем, что алюминий в виде нанопорошока псевдоожижают потоком сжатого инертного газа и полученный реагент приводят в контакт с водяным паром в реакционной зоне, в результате чего флюидизированный нанопорошок алюминия самовоспламеняется и горит в водяном паре в объеме реакционной зоны, тем самым с получением высоких температур для газификации наночастиц алюминия и образованием газофазной реакционной среды с протеканием в ней высокотемпературного синтеза с получением молекулярного водорода, который непрерывно отделяют с помощью мембраны, селективно проницаемой для водорода, в качестве целевого продукта от побочных продуктов выхлопа реактора, таких как остатки паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда.

2. Способ получения молекулярного водорода по п.1 отличающийся тем, что при отделении водорода используют платиновую мембрану.

3. Способ получения молекулярного водорода по п.1 отличающийся тем, что в качестве инертного газа применяют аргон, который сжимают до давления порядка 10 атм, соотношение нанопорошка алюминия и паров воды применяют близким к стехиометрическому между ними, при этом температура синтеза молекулярного водорода составляет не менее 1800К.

4. Способ получения молекулярного водорода по п.3 отличающийся тем, что содержание аргона в смеси составляет по массе 80%.

Источник