RU2243147C1 - Hydrogen generator for transport power plant - Google Patents
Hydrogen generator for transport power plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2243147C1 RU2243147C1 RU2003115760/15A RU2003115760A RU2243147C1 RU 2243147 C1 RU2243147 C1 RU 2243147C1 RU 2003115760/15 A RU2003115760/15 A RU 2003115760/15A RU 2003115760 A RU2003115760 A RU 2003115760A RU 2243147 C1 RU2243147 C1 RU 2243147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- reagent
- reaction vessel
- hydrogen
- generator
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте.The invention relates to power equipment and can be used to produce hydrogen both in stationary installations and in transport.
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.The generator is a chemical reactor that produces hydrogen by hydrolysis, i.e. decomposition of water. For this, a solid reagent is used, i.e. the hydrolysis reaction is heterogeneous in nature - occurs on the surface of a solid. It is assumed that the hydrogen thus obtained is subsequently used as fuel for power plants (EC) on fuel cells (FC). In addition, hydrogen can be used, of course, in other areas, for example, in metal cutting, welding, etc.
Ранее в последнем случае использовались главным образом генераторы ацетилена типов ГНВ-1,25 и ГВР-1,25 [1]. При этом также применялась гетерогенная реакция гидролиза, а в качестве твердого реагента служил карбид кальция. Данное техническое решение принято за аналог. К его недостаткам следует отнести следующие:Previously, in the latter case, acetylene generators of the GNV-1.25 and GVR-1.25 types were used mainly [1]. A heterogeneous hydrolysis reaction was also used, and calcium carbide served as a solid reagent. This technical solution is taken as an analog. Its disadvantages include the following:
- синтезируемый ацетилен не пригоден для кислородоводородных ТЭ и нуждается в дальнейшем разложении до получения водорода. Это существенно усложняет конструкцию ЭУ и снижает ее КПД. Малое весовое содержание водорода в таких генераторах делает их непригодными для транспорта;- synthesized acetylene is not suitable for oxygen-hydrogen fuel cells and needs further decomposition to hydrogen. This significantly complicates the design of the EU and reduces its efficiency. The low weight hydrogen content in such generators makes them unsuitable for transport;
- при работе ацетиленовых генераторов образуется нерастворимый осадок (известь), накопление которого ограничивает время непрерывной работы генератора, ухудшает его габаритно-весовые характеристики. Удаление осадка из реактора требует дополнительных энергозатрат, усложняет конструкцию ЭУ, снижает ее КПД;- during the operation of acetylene generators an insoluble precipitate (lime) is formed, the accumulation of which limits the time of continuous operation of the generator, worsens its overall weight characteristics. Removing sludge from the reactor requires additional energy consumption, complicates the design of EU, reduces its efficiency;
- твердый реагент (карбид кальция) является материалом, длительное хранение которого достаточно сложно и небезопасно, поскольку он очень гигроскопичен и при поглощении влаги из воздуха выделяет ацетилен.- a solid reagent (calcium carbide) is a material whose long-term storage is quite difficult and unsafe, because it is very hygroscopic and when it absorbs moisture from the air, it releases acetylene.
К недостаткам аналога следует также отнести:The disadvantages of the analogue should also include:
- недостаточную глубину регулирования расхода газа, что обусловлено тем, что в вертикальном реакционном сосуде кассета с твердым реагентом размещается горизонтально;- insufficient depth of gas flow control, which is due to the fact that in the vertical reaction vessel the solid reagent cartridge is placed horizontally;
- большую временную инерционность, обусловленную тем, что жидкость вытесняется из кассеты с твердым реагентом не полностью и достаточно медленно;- a large temporary inertia, due to the fact that the liquid is not completely and rather slowly displaced from the solid reagent cassette;
Помимо этого недостатками аналога являются:In addition, the disadvantages of the analogue are:
- отсутствие температурной регулировки (хотя температура очень сильно влияет на реакцию);- lack of temperature adjustment (although the temperature greatly affects the reaction);
- неоптимальная габаритная компоновка конструкции, что является недостатком с точки зрения транспорта, особенно если габариты генератора велики.- non-optimal overall layout of the design, which is a disadvantage from the point of view of transport, especially if the dimensions of the generator are large.
Более близким по своей сути является генератор водорода, предназначенный для питания ЭУ на основе ТЭ, используемой на подводном аппарате [2]. Данный реактор также использует реакцию гидролиза, а в качестве твердого реагента используются металлогидриды (т.е. соединения металлов с водородом). Генератор включает реакционный сосуд, в который помещается “камера” с гидридом металла, теплообменник для отвода тепла реакции, устройство для перемешивания воды в реакционном сосуде (размещенное внутри последнего) и магистрали для подачи в реактор воды и отвода из реактора водорода. При этом для улучшения габаритно-весовых характеристик ЭУ применяются гидриды легких металлов, которые являются весьма дорогостоящими (LiH, BeH2 ... ). Это существенно повышает стоимость получаемого водорода и является существенным недостатком генератора [2], принятого в данном случае за прототип.Closer in essence is a hydrogen generator designed to power a fuel cell based on a fuel cell used in an underwater vehicle [2]. This reactor also uses a hydrolysis reaction, and metal hydrides (i.e. metal compounds with hydrogen) are used as a solid reagent. The generator includes a reaction vessel into which a “chamber” with metal hydride is placed, a heat exchanger for removing heat of reaction, a device for mixing water in the reaction vessel (located inside the latter) and a line for supplying water to the reactor and removing hydrogen from the reactor. In this case, to improve the overall weight and weight characteristics of EU, hydrides of light metals are used, which are very expensive (LiH, BeH 2 ...). This significantly increases the cost of hydrogen produced and is a significant drawback of the generator [2], adopted in this case as a prototype.
Помимо этого, к недостаткам прототипа следует отнести следующие:In addition, the disadvantages of the prototype include the following:
- жесткая расходная характеристика генератора, обусловленная сильной зависимостью скорости химической реакции от температуры и как следствие этого сложность стабилизации работы генератора;- tough flow characteristic of the generator, due to the strong dependence of the rate of the chemical reaction on temperature and, as a result, the difficulty of stabilizing the operation of the generator;
- энергоемкость системы терморегулирования генератора, связанная с тем, что при регулировке расхода необходимо изменять температуру всего вещества, находящегося в реакционном сосуде, и, кроме того, обеспечить равномерность температуры во всем реакционном объеме;- the energy intensity of the thermoregulation system of the generator, due to the fact that when adjusting the flow rate, it is necessary to change the temperature of the whole substance in the reaction vessel, and, in addition, to ensure uniform temperature throughout the reaction volume;
- недостатком конструкции генератора является также тепловая инерционность, затрудняющая его использование в транспортных ЭУ.- the disadvantage of the design of the generator is also thermal inertia, which complicates its use in transport power plants.
Последнее обусловлено тем, что для функционирования генератора на стационарном режиме необходимо поддерживать определенную температуру твердого и жидкого реагентов. Если их много, поддержание температурного режима генератора усложняется технически и требует существенных энергозатрат (например, на работу перемешивающих устройств). Кроме того, переходные режимы работы такого генератора водорода занимают в этом случае достаточно много времени, поскольку требует изменения температуры значительных масс веществ, имеющих сравнительно невысокую теплопроводность (вода, металлогидриды). Для транспортных задач это является огромным недостатком.The latter is due to the fact that for the generator to operate in stationary mode, it is necessary to maintain a certain temperature of solid and liquid reagents. If there are a lot of them, maintaining the temperature regime of the generator is technically complicated and requires significant energy consumption (for example, the operation of mixing devices). In addition, the transient modes of operation of such a hydrogen generator take a lot of time in this case, since it requires a temperature change of significant masses of substances having a relatively low thermal conductivity (water, metal hydrides). For transport tasks, this is a huge drawback.
Задачей предлагаемого решения является разработка генератора водорода с более “мягкой” расходной характеристикой, автоматической стабилизацией режима и повышенным быстродействием. Кроме того, генератор должен быть по возможности компактным, чтобы использоваться на транспорте.The objective of the proposed solution is to develop a hydrogen generator with a “softer” flow characteristic, automatic stabilization of the mode and increased speed. In addition, the generator should be as compact as possible to be used in vehicles.
Суть предложения состоит в следующем.The essence of the proposal is as follows.
Помимо регулировки хода реакции (т.е. производительности генератора) по температуре в предлагаемом решении меняется также площадь твердого реагента. При этом по сравнению с терморегулировкой влияние площади твердого реагента гораздо более “мягкое”. Последнее обуславливается тем, что расход водорода пропорционален площади реагирующего твердого компонента и может меняться достаточно плавно, а от температуры он зависит экспоненциальным образом (ехр (-1/Т)), т.е. существенно нелинейно. Это обстоятельство позволяет производить регулировку производительности генератора в две стадии: первоначально грубую регулировку - изменяя температуру реагентов, и последующую плавную - меняя площадь твердого реагента, погруженного в жидкость.In addition to adjusting the course of the reaction (i.e., the productivity of the generator) by temperature, the area of the solid reagent also changes in the proposed solution. Moreover, in comparison with thermal regulation, the effect of the area of the solid reagent is much more “soft”. The latter is caused by the fact that the hydrogen flow rate is proportional to the area of the reacting solid component and can vary quite smoothly, and it depends on temperature exponentially (exp (-1 / T)), i.e. substantially nonlinear. This circumstance allows you to adjust the performance of the generator in two stages: initially coarse adjustment - changing the temperature of the reagents, and the next smooth - changing the area of the solid reagent immersed in the liquid.
Для реализации этого принципа в состав генератора водорода транспортной энергоустановки, работающей на гидролизе с твердым реагентом и содержащего контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, введена перепускная емкость, сообщающаяся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, имеющая объем, превышающий объем жидкого реагента и снабженная магистралью наддува, а магистраль подачи жидкого реагента подсоединена к перепускной емкости, в которой размещен пусковой нагреватель, а также датчик температуры жидкости, при этом твердый реагент распределен по высоте столба жидкого реагента.To implement this principle, a hydrogen generator of a transport power plant operating on hydrolysis with a solid reagent and containing a container with a solid reagent, placed in a reaction vessel with a hydrogen supply line, a liquid reagent supply line, a heat exchanger for removing reaction heat and a starting liquid heater, was introduced a bypass vessel communicating in the lower part with the reaction vessel through a locking element having a volume exceeding the volume of the liquid reagent and equipped with a charge line VA, and the liquid reagent supply line is connected to a bypass vessel in which the starting heater is located, as well as a liquid temperature sensor, while the solid reagent is distributed along the height of the liquid reagent column.
Реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд размещен внутри.The reaction vessel and the bypass vessel are made in the form of two coaxial cylindrical vessels embedded in each other, the reaction vessel being placed inside.
Схема такого генератора дана на фигуре, где обозначено: 1 - контейнер с твердым реагентом; 2 - реакционный сосуд; 3 - магистраль выдачи водорода; 4 - магистраль подачи жидкого реагента; 5 - теплообменник для отвода тепла реакции; 6 - пусковой нагреватель жидкости; 7 - перепускная емкость; 8 - магистраль наддува; 9 - запорный элемент; 10 - датчик температуры жидкости.A diagram of such a generator is given in the figure, where it is indicated: 1 - a container with a solid reagent; 2 - reaction vessel; 3 - line for the issuance of hydrogen; 4 - line supply of liquid reagent; 5 - heat exchanger for removing heat of reaction; 6 - starting fluid heater; 7 - bypass capacity; 8 - boost line; 9 - locking element; 10 - liquid temperature sensor.
Работает генератор следующим образом. По магистрали подачи жидкого реагента (4) его набирают в перепускную емкость (7) и нагревают там пусковым нагревателем (6). Запорный элемент (9) при этом закрыт. После достижения необходимой температуры (контролируется по датчику температуры (10)) пусковой нагреватель отключают, а запорный элемент (9) открывают. Жидкость из перепускной емкости (7) перетекает в реакционный сосуд (2), где вертикально размещен контейнер с твердым реагентом (1). При этом контейнер (1) полностью покрывается жидкостью.The generator operates as follows. On the supply line of the liquid reagent (4), it is collected in the bypass tank (7) and heated there with a starting heater (6). The locking element (9) is thus closed. After reaching the required temperature (controlled by the temperature sensor (10)), the starting heater is turned off, and the locking element (9) is opened. The liquid from the transfer tank (7) flows into the reaction vessel (2), where a container with a solid reagent (1) is vertically placed. In this case, the container (1) is completely covered with liquid.
Начинается химическая реакция с выделением водорода и тепла, которое отводится с помощью теплообменника (5). Производительность генератора регулируется в два приема. Сначала грубо - задавая соответствующую температуру в реакционном сосуде, а затем более точно - регулируя высоту жидкости в нем, т.е. глубину погружения в жидкость контейнера с твердым реагентом (1). Последнее достигается изменением давления в перепускной емкости (7), для чего служит магистраль наддува (8).A chemical reaction begins with the release of hydrogen and heat, which is removed using a heat exchanger (5). Generator performance is regulated in two steps. First, roughly - by setting the appropriate temperature in the reaction vessel, and then more precisely - by adjusting the height of the liquid in it, i.e. depth of immersion in a liquid container with a solid reagent (1). The latter is achieved by changing the pressure in the overflow tank (7), for which the boost line (8) serves.
После установки необходимого уровня жидкости в реакционном сосуде (2) запорный элемент (9) можно перекрыть. Возможно также оставить его открытым. В этом случае при постоянном давлении в перепускной емкости происходит автоматическая стабилизация режима генерации, т.е. производительности генератора. При повышении давления водорода в реакционном сосуде (2) жидкость из него вытесняется в перепускную емкость (7), уменьшается площадь реагирующего твердого компонента и снижается расход выделяемого водорода. Давление в реакционном сосуде (2) падает, пока не достигнет прежней величины.After setting the required liquid level in the reaction vessel (2), the locking element (9) can be closed. It is also possible to leave it open. In this case, at a constant pressure in the overflow tank, the generation mode is automatically stabilized, i.e. generator performance. With an increase in the pressure of hydrogen in the reaction vessel (2), the liquid is displaced from it into the bypass vessel (7), the area of the reacting solid component decreases, and the consumption of released hydrogen decreases. The pressure in the reaction vessel (2) drops until it reaches the previous value.
При снижении давления в реакционном сосуде (2) жидкий реагент, наоборот, поступает в него из перепускной емкости (7). Повышается уровень жидкости и увеличивается смоченная площадь твердого реагента. Как следствие увеличивается и расход генерируемого водорода.When the pressure in the reaction vessel (2) decreases, the liquid reagent, on the contrary, enters it from the bypass vessel (7). The liquid level rises and the wetted area of the solid reagent increases. As a result, the consumption of generated hydrogen also increases.
Таким образом происходит автостабилизация давления водорода в реакционном сосуде (2) по величине опорного давления в перепускной емкости (7) (с учетом разницы в уровнях жидкости в этих сообщающихся объемах). При этом, поскольку твердый реагент размещен равномерно по высоте реакционного сосуда (2), соотношение между жидким и твердым реагентами сохраняется неизменным при любых уровнях жидкости в реакционном сосуде (2).Thus, auto-stabilization of the hydrogen pressure in the reaction vessel (2) occurs according to the value of the reference pressure in the bypass vessel (7) (taking into account the difference in liquid levels in these communicating volumes). Moreover, since the solid reagent is placed uniformly along the height of the reaction vessel (2), the ratio between liquid and solid reagents remains unchanged at any liquid level in the reaction vessel (2).
При останове генератора давление в перепускной емкости (7) снижается, жидкость из реакционного сосуда (2) перетекает в эту емкость (7), и твердый реагент изолируется в атмосфере водорода. Выделение водорода прекращается. При повторном пуске генератора оставшуюся в перепускной емкости (7) жидкость снова подогревают, что сокращает время выхода генератора на режим.When the generator stops, the pressure in the bypass vessel (7) decreases, the liquid from the reaction vessel (2) flows into this vessel (7), and the solid reagent is isolated in a hydrogen atmosphere. Hydrogen evolution ceases. When the generator is restarted, the liquid remaining in the transfer tank (7) is heated again, which reduces the time the generator takes to the mode.
Для уменьшения габаритов генератора водорода реакционный сосуд (2) и перепускную емкость (7) целесообразно выполнить в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд разместить внутри перепускной емкости.To reduce the size of the hydrogen generator, the reaction vessel (2) and the bypass vessel (7), it is advisable to perform in the form of two coaxial cylindrical vessels, nested in each other, and the reaction vessel is placed inside the bypass vessel.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать компактный генератор водорода, работающий на реакции гидролиза, имеющий глубокую степень регулировки, мягкую расходную характеристику, повышенное быстродействие и способный работать в режиме автостабилизации. Все это делает целесообразным использование такого генератора водорода на транспорте.Thus, the proposed technical solution allows you to create a compact hydrogen generator that works on the hydrolysis reaction, having a deep degree of adjustment, soft flow characteristics, high speed and able to work in auto stabilization mode. All this makes it advisable to use such a hydrogen generator in transport.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫLIST OF REFERENCES
1. В.В.Рыбаков. Учебник газосварщика. – М., МАШГИЗ, 1956 г.1. V.V. Rybakov. Textbook gas welder. - M., MASHGIZ, 1956
2. “Генерирование водорода путем гидролиза для энергоустановки на основе ТЭ подводного назначения”. Патент.5372617, США, 1994 г.2. “Hydrogen generation by hydrolysis for a power plant based on underwater fuel cells”. Patent. 5372617, USA, 1994.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003115760/15A RU2243147C1 (en) | 2003-05-29 | 2003-05-29 | Hydrogen generator for transport power plant |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003115760/15A RU2243147C1 (en) | 2003-05-29 | 2003-05-29 | Hydrogen generator for transport power plant |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003115760A RU2003115760A (en) | 2004-11-27 |
RU2243147C1 true RU2243147C1 (en) | 2004-12-27 |
Family
ID=34388130
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003115760/15A RU2243147C1 (en) | 2003-05-29 | 2003-05-29 | Hydrogen generator for transport power plant |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2243147C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2458854C2 (en) * | 2008-05-15 | 2012-08-20 | Панасоник Корпорэйшн | Hydrogen generator and energy source with fuel cell |
RU2481888C2 (en) * | 2008-03-20 | 2013-05-20 | Аммония Касале С.А. | Starting heater for ammonia synthesis reactors |
RU2792896C1 (en) * | 2022-07-19 | 2023-03-28 | Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Алтай" | Method for producing low-temperature gas in a gas generator |
-
2003
- 2003-05-29 RU RU2003115760/15A patent/RU2243147C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2481888C2 (en) * | 2008-03-20 | 2013-05-20 | Аммония Касале С.А. | Starting heater for ammonia synthesis reactors |
RU2458854C2 (en) * | 2008-05-15 | 2012-08-20 | Панасоник Корпорэйшн | Hydrogen generator and energy source with fuel cell |
RU2792896C1 (en) * | 2022-07-19 | 2023-03-28 | Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Алтай" | Method for producing low-temperature gas in a gas generator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Khosa et al. | Heat storage and release performance analysis of CaCO3/CaO thermal energy storage system after doping nano silica | |
CN1309656C (en) | Method and apparatus for controlled generation of hydrogen by dissociation of water | |
US8323364B2 (en) | Control system for an on-demand gas generator | |
US5372617A (en) | Hydrogen generation by hydrolysis of hydrides for undersea vehicle fuel cell energy systems | |
US8734546B2 (en) | Geothermal energization of a non-combustion chemical reactor and associated systems and methods | |
EP0129854B1 (en) | Process and apparatus for producing gaseous products by decomposing liquids | |
CN1299383C (en) | Method and apparats for cold temp operation of fuel cells utilizing hydrides having different heat capacities | |
US7524342B2 (en) | Method and apparatus for generating hydrogen gas on demand from water with recovery of water and complete recycling of consumable material | |
US20080233527A1 (en) | Method for continuous mixing and melting inorganic salts and furnace installation for realizing the method | |
AU2001275910A1 (en) | Method and apparatus for controlled generation of hydrogen by dissociation of water | |
MX2007015798A (en) | Hydrogen generating fuel cell cartridges. | |
RU2243147C1 (en) | Hydrogen generator for transport power plant | |
JP4574487B2 (en) | Hydrogen production method, hydrogen production apparatus and power supply | |
Garofalo et al. | Salt hydrates for thermochemical storage of solar energy: modeling the case study of calcium oxalate monohydrate dehydration/rehydration under suspension reactor conditions | |
RU2232710C1 (en) | Hydrogen generator | |
Bayon et al. | Dynamic modelling of a continuous hydrogen production plant based on a CeO2 thermochemical cycle | |
CN103282111A (en) | Self-regulated production, under submerged conditions, of a gas generated by chemical reaction between a liquid and a solid | |
US3783027A (en) | Apparatus and method for making chlorine hydrate from high energy density battery electrolyte and chlorine | |
WO2023105532A1 (en) | Autonomous onsite hydrogen generation systems | |
JP2009208972A (en) | Hydrogen generator | |
RU2258669C2 (en) | Hydrogen generator and method of operation of such generator | |
JPS5482757A (en) | Constituting method for heat and cold accumulating tanks | |
Pastushenko et al. | Self-regulated hydrogen generation with the use of nano-powders: application for portable fuel cells | |
US20210371276A1 (en) | System, device and method for hydrogen production | |
Khosa et al. | Silica dopant effect on the performance of calcium carbonate/calcium oxide based thermal energy storage system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070530 |