Патент на изобретение №2296392

(54) СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОДОРОДА В ТРАНСПОРТНЫХ УСТАНОВКАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам генерирования водорода и может использовать в энергоустановках (ЭУ) с топливными элементами, работающих на транспортных средствах. Согласно изобретению способ генерирования водорода в транспортных энергоустановках включает последовательные процессы испарения водо-метанольной смеси, парового риформинга с выделением водорода из полученной таким образом газовой смеси. Перед испарением водо-метанольной смеси проводят гидролиз алюминия в щелочном растворе, с выделением тепла и водорода, причем щелочной раствор предварительно нагревают до температуры, соответствующей требуемому минимальному времени получения водорода, после чего за счет выделившегося при гидролизе тепла начинают испарять водо-метанольную смесь. Техническим результатом изобретения является использование месте с паровым риформингом более быстрого процесса получения водорода гидролизом алюминия, который при переходных режимах работы ЭУ играет роль “стартера” в общем процессе генерирования водорода.

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может использовать в энергоустановках (ЭУ), работающих на кислородно-водородных топливных элементах (ТЭ) и предназначенных для транспортных средств.

Для получения водорода на борту транспортных средств во многих случаях используют риформинг углеводородных топлив и метанола. Наиболее эффективным и распространенным на практике является паровой риформинг металла – он дает хороший «выход по водороду», требует невысокого уровня рабочих температур и генерирует наиболее чистый водородосодержащий газ, практически свободный от серы и других примесей, отравляющих ТЭ. Для испарения водо-метанольной смеси (реакция идет в газовой фазе) и проведения эндотермической реакции риформинга обычно сжигают часть исходного топлива – метанола [1] (аналог). Это снижает эффективность работы системы генерирования водорода и повышает пожароопасность ЭУ, поскольку состав «водородной» ЭУ дополняется системой сжигания метанола. Последняя, кроме того, может давать вредные для человека пары недогоревшего спирта. В связи с этим использование такой методики риформинга метанола в транспортных энергоустановках проблематично.

Более близким к предлагаемому техническому решению является способ, при котором для испарения воды и метанола, а также для поддержания самой реакции сжигают не исходное топливо (метанол), а часть водородосодержащего газа, полученного в результате риформинга [2] (прототип). В этом случае отпадает необходимость сжигания спирта, а тепло генерируется путем каталитического (беспламенного) дожигания водорода, полученного риформингом. Такое техническое решение повышает пожаробезопасность ЭУ, однако эффективность процесса генерирования водорода остается невысокой, поскольку часть его по-прежнему приходится расходовать на получение тепла.

Кроме того, существенным недостатком прототипа (как и аналога) является большая временная инерционность ЭУ, использующей риформинг метанола. Это обусловлено инерционностью самого риформера и необходимостью его предварительного прогрева перед включением ЭУ, и вывода его на стационарный режим работы. Кроме того, инерционность риформера затрудняет работу ЭУ на переходных режимах, что особенно важно для транспорта. Например, при необходимости увеличения мощности ЭУ требуется повышение производительности риформера по водороду, а это занимает достаточно много времени. В существующих транспортных ЭУ это время составляет несколько десятков секунд, что существенно снижает динамические характеристики транспортного средства (например, время разгона автомобиля).

Задачей предлагаемого решения является повышение быстродействия процесса получения водорода, основанного на паровом риформинге метанола.

Задача решается тем, что в способе генерирования водорода в транспортных энергоустановках, включающем последовательные процессы испарения водо-метанольной смеси, парового риформинга с выделением водорода из полученной таким образом газовой смеси перед испарением водо-метанольной смеси проводят гидролиз алюминия в щелочном растворе с выделением тепла и водорода, причем щелочной раствор предварительно нагревают до температуры, соответствующей требуемому минимальному времени получения водорода, после чего за счет выделившегося при гидролизе тепла начинают испарять водо-метанольную смесь.

Суть предлагаемого способа состоит в том, что обеспечение теплом парового риформинга (как испарения жидкостей, так и самой реакции) осуществляется за счет вспомогательной экзотермической реакции, также генерирующей водород (гидролиз алюминия в щелочном растворе). При этом быстродействие этой «вспомогательной» реакции гораздо выше, чем процесса риформинга – если исходный щелочной раствор предварительно нагреть, реакция гидролиза с выделением тепла и водорода начинается практически сразу и в дальнейшем температура его повышается до температуры его кипения. Таким образом, появляется возможность опережающего получения водорода за счет реакции гидролиза, то есть повышается быстродействие способа генерирования водорода в целом.

В дальнейшем в процесс генерирования водорода «подключается» также реакция парового риформинга, которая идет за счет тепла, выделяемого при реакции гидролиза.

Степень предварительного нагрева щелочного раствора определяется требуемым минимальным временем получения водорода.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Перед тем, как начать паровой риформинг метанола, инициируют реакцию гидролиза алюминия в щелочном растворе. Получаемый при этом водород очищают и направляют для использования в ТЭ, либо без очистки используют в двигателях внутреннего сгорания. После того, как реагирующая гидролизная смесь (щелочной раствор+продукты реакции) разогреется до необходимой температуры (последняя определяется давлением, при котором ведется гидролиз), через эту смесь начинают пропускать смесь воды и метанола, в результате чего жидкости испаряются. Полученную таким образом смесь паров воды и метанола затем направляют в риформер, а выходящую из риформера водородосодержащую газовую смесь направляют на разделение. Очищенный водород после этого может использоваться в ТЭ. При использовании водорода в двигателях внутреннего сгорания степень его очистки может быть невысокой.

Положительный эффект в предлагаемом способе достигается за счет того, что:

– вместе с паровым риформингом используется более быстрый процесс получения водорода (гидролиз), который при переходных режимах работы ЭУ играет роль «стартера» в общем процессе генерирования водорода;

– на стационарных режимах работы ЭУ этот же процесс обеспечивает теплом и паровой риформинг водорода.

Таким образом, используемая дополнительная реакция (гидролиза) является многофункциональной, что повышает эффективность общего процесса генерирования водорода в ЭУ.

Литература

1. Патент США №4001041.

2. Патент США №6063515, 2000 г.

Формула изобретения

Способ генерирования водорода в транспортных энергоустановках, включающий последовательные процессы испарения водометанольной смеси, парового риформинга с выделением водорода из полученной таким образом газовой смеси, отличающийся тем, что перед испарением водометанольной смеси проводят гидролиз алюминия в щелочном растворе с выделением тепла и водорода, причем щелочной раствор предварительно нагревают до температуры, соответствующей требуемому минимальному времени получения водорода, после чего за счет выделившегося при гидролизе тепла начинают испарять водометанольную смесь.