Спосіб одержання водню та пристрій для його реалізації

1. Спосіб одержання водню, який полягає в тому, що в реакційну камеру, яка містить воду в рідкому стані, подають металевий реагент у вигляді витратного електрода, між яким та розрядним електродом, розташованим безпосередньо в реакційній камері, прикладають напругу від зовнішнього джерела живлення, яка спричиняє електричний розряд у воді, що ініціює хімічну реакцію гідролізу металу, який відрізняється тим, що між витратним електродом та розрядним електродом створюють та підтримують низьковольтний дуговий розряд. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що запалювання дугового розряду здійснюють шляхом короткого замикання електричного кола між витратним та розрядним електродами, для чого подають витратний електрод у напрямку розрядного електрода до моменту виникнення короткого замикання, після чого напрямок руху витратного електрода змінюють на протилежний і продовжують цей рух до моменту утворення стійкого дугового розряду, а подальше підтримування дугового розряду проводять регулюванням величини дугового проміжку. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що запалювання дугового розряду здійснюють шляхом подачі високої напруги від додаткового джерела живлення з подальшим перемиканням виникаючого електричного кола на живлення від основного низьковольтного джерела електричного струму. 4. Пристрій для одержання водню, який містить: систему керування з її датчиками, подавальний механізм, зовнішнє джерело живлення, ємність з 2 (19) 1 3 84099 Винахід належить до галузі електрохімії, а саме до способів отримання водню хімічною взаємодією металів та води і може використовуватись для отримання водню. Відомий спосіб отримання водню, який полягає в тому, що в реакторі створюються необхідні температура та тиск насиченої водяної пари, після чого в зону реакції подається металевий реагент [Патент Російської Федерації RU 2278077 від 2005.07.11]. Недоліком цього винаходу є необхідність підтримання значних тиску та температури в реакторі (водяна пара повинна мати температур у 250400°C та перебувати під тиском 10-20МПа). Також відомий спосіб та пристрій отримання водню, який полягає в тому, що в реакторі підтримується температура, необхідна для існування насиченої водяної пари, після чого в зону реакції подається металевий реагент у вигляді витратного електрода, між котрим та катодним контактом, розташованим безпосередньо у камері реактора подається розрядна напруга від зовнішнього джерела живлення, яка створює електричний розряд, ініціюючий хімічну реакцію гідролізу металу [Патент США WO/2006/123330 від 23.11.2006]. Недоліком цього способу є необхідність підтримання в реакційній камері високої температури. Найбільш близьким по суті і досягаємому результату є спосіб отримання водню, який полягає в тому, що в реактор, якій містить воду в рідкому стані, подається металевий реагент у вигляді витратного електроду, між котрим та рухомим контактом, розташованим безпосередньо у камері реактора подається розрядна напруга від зовнішнього високовольтного джерела живлення (18000В, 1А), котра спричиняє розряд, ініціюючий реакцію гідролізу металу [Патент США US 4702894 від 27.10.1987]. Недоліком цього способу є те, що для досягнення мети він потребує потужного високовольтного джерела живлення, що негативно впливає на загальний енергетичний баланс. Також відомий пристрій, найближчий по суті і досягаємому результату, який містить: систему керування з датчиками, подаючий механізм, джерело живлення, ємність з запасом води до якої під'єднана через регулюючий пристрій водонаповнювана реакційна камера, обладнана системами збору цільових та видалення вторинних продуктів реакції з їх ємностями для накопичення цільових та вторинних продуктів реакції відповідно, яка містить в собі розрядний електрод, електрично під'єднаний до першого виводу джерела живлення, другий вивід якого через контактний пристрій електрично під'єднаний до витратного електроду, виконаного з металевого реагенту, причому електроди розташовані таким чином, щоб забезпечити можливість протікання струму між ними по розрядному проміжку, джерело живлення виконане таким чином, щоб забезпечити напругу та стр ум у вищезазначеному електричному колі такої інтенсивності, щоб ініціювати електричний розряд між 4 електродами, регулюючий пристрій побудований таким чином, щоб забезпечувати рівень води в реакційній камері таким, щоб розрядний проміжок між витратним та розрядним електродами знаходився нижче цього рівня, а система керування побудована таким чином, щобзабезпечувати необхідну швидкість подачі витратного електроду в реакційну камеру за допомогою подаючого механізму. (Патент США US 4702894 від 27.10.1987 ). Недоліком пристрою для реалізації способу є те, що при роботі пристрою спостерігається інтенсивне розбризкування металу електроду з подальшим швидким охолодженням крапель розплавленого металу у навколишній воді. Утворюваний при цьому осад з непрореагованого металу свідчить про недостатню ефективність проведення реакції. Метою винаходу є підвищення енергетичної ефективності та підвищення виходу цільового продукту реакції. Суть способу отримання водню хімічною взаємодією металу і води по п. 1 полягає в тому, що у водонаповнювану реакційну камеру подають металевий реагент у вигляді витратного електроду, між котрим та розрядним електродом, розташованим безпосередньо в реакційній камері, прикладають напругу від зовнішнього джерела живлення, котра спричиняє електричний розряд у воді та ініціює хімічну реакцію гідролізу металу. У якості металу витратного електроду може бути застосований довільний метал або сплав металів, які забезпечують протікання хімічної реакції взаємодії металу та води. Як приклад, можна рекомендувати магній, алюміній, залізо та їх сплави. Для досягнення мети винаходу між витратним електродом та розрядним електродом одним з загальновідомих способів створюють та підтримують низьковольтний дуговий розряд, причому зменшення енергетичних витрат та підвищення виходу водню досягається завдяки тому, що в результаті виникнення електричної дуги у воді, навколо розрядного проміжку виникає парогазова бульбашка, в якій в результаті тепловиділення спочатку від електричної дуги, а потім і від екзотермічної реакції взаємодії металу та води створюються умови протікання цільової реакції. Крім того, дуговий розряд порушує цілісність оксидної плівки на поверхні металу. При використанні в якості реагенту алюмінію за таких умов протікають наступні реакції: - під дією дугового розряду проходить розпад води: 2H2O = О 2+ 2H2­, - вільний кисень окислює алюміній до оксиду: 2Al +3O2 = 2 Al 2O3 . В результаті протікання цих двох реакцій виділяється вільний водень. Крім того, під дією високої температури дугового розряду, протікає основна цільова реакція прямої взаємодії водяної пари з металічним алюмінієм з отриманням гідроксиду алюмінію: 2Al + 6H2O = 2 Al(OH)3 +3H2­ 5 84099 При цьому також виділяється вільний водень. При використанні заліза в якості реагенту реакції мають аналогічний вигляд: 2Fe + 3O2 = 2Fe2O3 , 2Fe + 6H2O = 2Fe(OH)3 +3H2­. Парогазові бульбашки, які містять в собі водень, що виділився в результаті реакції, піднімаючись до поверхні, охолоджуються водою та зменшуються в об'ємі, втрачаючи пару. Таким чином, до споживача надходить водень, який і є цільовим продуктом реакції. Залежні пункти формули описують різні варіанти ініціювання дугового розряду. Спосіб по п. 2 описує ініціювання дугового розряду, при якому подаючий механізм через втулку подає в реакційну камеру витратний електрод до моменту замикання електричного кола, що забезпечує протікання струму короткого замикання по ланцюгу від джерела живлення через перший вивід джерела живлення, розрядний електрод, витратний електрод, контакти подаючого механізму, другий вивід джерела живлення. Після чого система керування подає сигнал на зворотній рух витратного електроду. При розмиканні струму короткого замикання виникає дуговий розряд, а зворотній рух витратного електроду триває доти, поки не буде досягнуто необхідного для проведення хімічної реакції розміру дугового проміжку, причому в якості вхідних параметрів для системи керування виступають величини струму та напруги на дуговому проміжку, які легко можуть бути виміряні. Спосіб по п.3 описує ініціювання дугового розряду, при якому запалювання дуги проводять шляхом подачі високої напруги від додаткового джерела живлення з подальшим перемиканням виникаючого електричного кола на живлення від основного низьковольтного джерела електричного струму. Новим у способі є застосування дугового розряду у воді та прийоми ініціювання та підтримання електричного дугового розряду для отримання водню хімічною взаємодією металів та води. Суть пристрою по п.4 полягає в тому, що для підвищення енергетичної ефективності та збільшення виходу цільового продукту реакції, в пристрої, що включає систему керування з датчиками, подаючий механізм, джерело живлення, ємність з запасом води до якої під'єднана через регулюючий пристрій водонаповнювана реакційна камера, обладнана системами збору цільових та видалення вторинних продуктів реакції з їх ємностями для накопичення цільових та вторинних продуктів реакції відповідно, яка містить в собі розрядний електрод, електрично під'єднаний до першого виводу джерела живлення, другий вивід якого через контактний пристрій електрично під'єднаний до витратного електроду, виконаного з металевого реагенту, електроди розташовані таким чином, щоб забезпечити можливість протікання струму між ними по розрядному проміжку, джерело живлення виконане таким чином, щоб забезпечити напругу та струм у ви щезазначеному електричному колі такої інтенсивності, щоб ініціювати електричний розряд між електродами та забезпечити перехід ініційованого електричного розряду в низьковоль 6 тний дуговий розряд з подальшим протіканням низьковольтного дугового розряду, регулюючий пристрій, побудований таким чином, щоб забезпечувати рівень води в реакційній камері таким, щоб розрядний проміжок між витратним та розрядним електродами знаходився нижче цього рівня, а система керування побудована таким чином, щоб забезпечувати необхідн у швидкість подачі витратного електроду в реакційну камеру за допомогою подаючого механізму. В пристрої по п. 5 джерело живлення виконане регульованим, а система керування виконана таким чином, щоб забезпечити напругу та струм регульованого джерела живлення, необхідні для підтримки швидкості генерації водню, заданої споживачем. В пристрої по п. 6 подаючий механізм обладнаний вібратором. В пристрої по п. 7 вібратором обладнаний розрядний електрод. В пристрої по п. 8 реакційна камера обладнана теплообмінником. Пристрій по п. 9 додатково містить теплоізолюючу втулку, яка охоплює витратний електрод і розташована між виходом контактного пристрою і зоною проведення реакції. В пристрої по п. 10 реакційна камера обладнана щонайменше одним контрольним віконцем. Суть пристрою пояснюється малюнком Фіг.1, на якому зображений варіант пристрою для отримання водню хімічною взаємодією металів та води. На Фіг.1 позначено: систему керування 1, подаючий механізм 2, джерело живлення 3, ємність з запасом води 4, регулюючий пристрій 5, водонаповнювану реакційну камеру 6, втулку 7 системи збору цільових продуктів реакції, розрядний електрод 8, витратний електрод 9, вібратор 11, теплоізолюючу втулку 12, ущільнюючу втулку 13 з її калібруючою насадкою 14, втулки 15, контактний пристрій 16. Системи збору цільових та видалення вторинних продуктів реакції на Фіг.1 не показані. Крім того, на Фіг.1 зображені розрядний проміжок 10 та зона проведення реакції 17. На Фіг.2 зображена кінематична схема одного з можливих варіантів виконання вібратора 11. На Фіг.3 показана схема одного з можливих варіантів виконання регульованого джерела живлення. Пристрій працює наступним чином: вода з ємності 4 через регулюючий пристрій 5 поступає в реакційну камеру 6. Регулюючий пристрій 5 підтримує рівень води в камері таким, щоб дуговий розрядний проміжок 10 знаходився під поверхнею води. В реакційну камеру 6 через втулк у 12 за допомогою подаючого механізму 2, обладнаного вібратором 11, подають металевий реагент у вигляді витратного електрода 9, причому для запалювання низьковольтного дугового розряду витратний електрод 9 подається в напрямку розрядного електроду 8 до моменту замикання електричного кола, яке забезпечує протікання струму короткого замикання по ланцюгу від джерела живлення 3 через перший вивід джерела живлення, розрядний електрод 8, витратний електрод 9, контактний пристрій 16, другий вивід джерела живлення. Піс 7 ля чого подальший рух витратного електроду здійснюють у протилежному напрямку і продовжують цей рух до моменту утворення стійкого дугового розряду, а подальше підтримування дугового розряду проводять регулюванням величини дугового розрядного проміжку 10. Робота пристрою за п. 4, 5 відрізняється тим що запалювання дугового розряду здійснюють шляхом подачі короткочасного високовольтного імпульсу від джерела живлення. Джерело живлення 3, з можливістю отримання високовольтного імпульсу, схема якого зображена на Фіг.3, працює наступним чином. Під дією сигналів системи керування 1, ключ, виконаний на транзисторі V1, через дросель L1 підтримує необхідну для протікання струму дугового розряду напругу на ємності C1. У випадку, коли відсутній електричний розряд між електродами, по команді системи керування 1 на короткий проміжок часу, достатній для виникнення струму у дроселі L2, замикається ключ V2. Ємність C1 розряджається по електричному колу, утвореному дроселем L2 та силовимключем V2. По досягненні необхідної величини струму через дросель L2, система керування знімає керуючий сигнал. При цьому ключ V2 закривається, розриваючи електричне коло. Енергія, накопичена у дроселі L2, призводить до генерування високовольтного імпульсу, який, в свою чергу, призводить до пробою розрядного проміжку 10 у реакційній камері 6. Носії електричних зарядів, які виникли під дією високовольтного розряду призводять до зменшення електричного опору розря 84099 8 дного проміжку та утворюють шлях протікання струму низьковольтного дугового розряду. Робота пристрою за п. 6, 7 відрізняється тим, що пристрій додатково обладнаний вібратором. Застосування пристрою для надання додаткової вібрації забезпечує більш стійке протікання розряду, можливість працювати при меншому рівні напруги джерела живлення, а також призводить до дрібнішого каплеутворення металічного реагенту в електричному розряді і в результаті підвищує ефективність протікання реакції та збільшує вихід цільового продукту. У пристрої по п. 8 реакційна камера обладнана теплообмінником, що дозволяє підтримувати робочу температуру зі збільшенням питомої потужності. У пристрої по п. 9 втулка на виході контактного пристрою виконана з теплоізолюючого матеріалу, що зменшує охолодження витратного електроду навколишньою водою і, відповідно, дозволяє працювати при менших значеннях струму джерела живлення. У пристрої по п. 10 реакційна камера обладнана щонайменше одним контрольним віконцем, що дозволяє більш точне налагодження режимів робочого процесу, внаслідок чого збільшується вихід цільового продукту. Бібліографічні дані джерел інформації 1. Патент Російської Федерації RU 2278077 від 2005.07.11 2. Патент США WO/2006/123330 від 23.11.2006 3. Патент США US 4702894 від 27.10.1987 9 84099 10 11 Комп’ютерна в ерстка А. Крулевський 84099 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601