Научная статья на тему 'Проблемы и технические решения создания генератора водорода'

Проблемы и технические решения создания генератора водорода Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
155
88
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОДОРОД / ГОРЕНИЕ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Козляков В. В., Сажин Б. С., Сажнн В. Б., Панфилов А. С., Беляев О. Ф.

Самое экологически чистое топливо водород. Продуктом горение водорода является вода, как видно из уравнения этой химической реакции 2H 2 + O 2 = 2H 2O. Этот аспект и делает водород самым привлекательным видом топлива из всех существующих топлив.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Проблемы и технические решения создания генератора водорода»

УДК 66.011

В. В. Козляков. Б. С. Сажин, В. Б. Сажии*, А. С. Панфилов, О. Ф. Беляев

Московский государственный текстильным университет им. А.И. Косыгина, Москва. Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ПРОБЛЕМЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СОЗДАНИЯ ГЕНЕРАТОРА ВОДОРОДА

Самое экологически чистое топливо - водород..Продуктом горения водорода является вода, как видно из уравнения этой химической реакции 2Н2 + 02-2Н20. Этот аспект и делает водород самым привлекательным видом топлива из всех существующих топлив.

В последнее время водородные двигатели получают все большую популярность. Токсичность таких устройств необычайно мала. Безусловно, при этом выбросы не представляют собой абсолютно чистый водяной пар, но они не столь вредны для окружающей среды, как результат работы бензиновых или дизельных двигателей внутреннего сгорания [1-3].

Одним из авторов уже несколько лет ведутся разработки по практическому изготовлению и применению водородопроизводящих топливных элементов на основе алюминия [2]. Основная суть данного метода получения водорода в том, что при химической реакции воды (Н>0) и алюминия (А!) протекает химическая реакция, в результате которой получается водород (112) как топливо, и гидроокись алюминия (АЮН) как сырьё, пригодное для дальнейшей переработки и использовании в промышленных целях

А1 + 31ЬО = А1(ОН)3 + 1,5Н2.

В обычных условиях эта реакция не протекает из-за наличия на поверхности алюминия очень тонкой, но большой плотности, оксидной пленки, образующейся почти мгновенно по реакции:

2А1+ 1,502 = А1203.

В МГИУ был разработан сплав алюминия и едкого натра, благодаря которому оксидная плёнка вокруг алюминия растворяется, и к поверхности алюминия открыт доступ для воды [4]. В качестве растворителя в данном сплаве используется щёлочь, а именно едкий натр (ЫаОН)

2А1 + 2МаОН + ЮН20 = 2Ыа[А1(0Н)4(Н20)2] + ЗН2.

Зависимость скорости выделения водорода от концентрации ЫаОН в растворе исследовали на образцах сплава алюминия следующего состава: А1 - 97.96 %; Си - 1.49 %; Мп - 0,53 %. В качестве примера на рис. 1 приведены зависимости объема выделившегося водорода от времени. Эта зависимость была изучена на двух концентрациях ЫаОН. Было приготовлено два раствора с концентрациями ЫаОН 0,9 моль/л (мольные соотношения

АШаОН=б:1) и 3 моль/л (мольные соотношения АШаОН=1:1). Температуру в реакторе поддерживали постоянной, равной 25°С.

500 4» <40© 350 ЗО0 290 2О0

100 50 0

ЯГ.

Л

чо. о

— кривая 1 кривая 2

У*

лС.

щич м, ими

0

20

АО

60

Рис. 1 - Зависимость объема выделившегося водорода от времени при Т=25"С: кривая I - концентрация Л'аОН равна 3,0 моль/л кривая 2- концентрация N801) равна 0,9 моль/л

Для вышеуказанного сплава был разработан газогенератор, который может производить до 700 л. водорода в час, на протяжении 8-и часов [5]. Газогенератор водорода (рис. 2) представляет собой цилиндрическую ёмкость следующих размеров: 357 мм высота, 180 мм диаметр, максимальная ширина в верхней части 201 мм.

Корпус (поз. 1) газогенератора (рис. 3) изготавливается из нержавеющей стали 300 мм высотой и 180 мм в диаметре. Толщина стенок по технологии 0,6 мм. (в рабочем чертеже толщина стенок 3 мм.). Для усиления корпуса будет использована выпуклость в верхней части корпуса (в рабочем чертеже отсутствует, т.к. запас прочности удерживается за счёт более толстых стенок). В корпусе будет иметься 4 отверстия, для последующего присоединения штуцеров (поз. 11) рабочего диаметра 1/2 дюйма.. Сверху основной корпус будет закрываться легкосъемной крышкой (поз. 2), к которой приварены сверху ручка (поз. 10) для удобства открывания, а снизу по центру крепёжный элемент (поз. 4,5,6 и 7) для пластин из алюминиевого сплава с 10% содержанием едкого натра (Активированный алюминий) (поз. 9).

Между основным корпусом бака и крышкой находиться резиновая прокладка (поз. 8) для повышения герметичности газогенератора. Крепёжный элемент для пластин планируется изготовить из тефлона или оргстекла. В крепёжном элементе будут прорезаны пазы глубиной 2,5 мм и шириной 3 мм. в которые должны вставляться пластины активированного алюминия. Основные требования к крепёжному элементу пластин - лёгкость в обработке, дешевизна производства, способность выдержать температуру более 350

Пластины активированного алюминия изготавливаются из алюми-

ниевой стружки, пудры, опилок и т.д. с добавлением в данную массу едкого натра в объеме до 10% от общего количества. Пластины изготавливаются методом штамповки либо прессования. Внутри пластин должен находиться алюминиевый каркас из тонкой алюминиевой проволоки. Основные требования - равномерность распределения едкого натра по объёму пластины, физическая устойчивость пластины к разрушению под действием давления и высокой температуры (Г~ 350°С.) Пластины имеют размеры 100 мм высота, 30 мм ширииа, и 3 мм. толщина.

Производительность алюминиевого сплава обуславливается процентным содержанием едкого натра в алюминии (не менее 10%), а также общей шющадыо поверхности композита алюминия, и температурой воды, подаваемой в реактор. Исследования показывают, что чем выше температура воды, тем быстрее протекает реакция, и тем большее количество водорода выделяется за заданное количество времени.

. Система, производящая водород путём химической реакции воды и композита алюминия, имеет несколько степеней защиты от самопроизвольного возгорания или взрыва, а также от воздействия внешних факторов. Даже в случаи аварии автомобиля, и, как следствие повреждения реактора, не произойдет никакого взрыва. Рабочее давление в реакторе 1,3 атмосферы. Благодаря немедленному потреблению производимого водорода, он не ска-

Рис, 2.3-0 схема газогенератора водорода

шшвается, а сразу же сгорает в ДВС или на турбине. При разгерметизации реактора, из него вытечет вся вода, и водород перестанет вырабатываться.

Данная система может существовать автономно. Она может применяться как на автомобилях и других транспортных средствах к качестве тои-ливопроизводящей установки для питания ДВС, так и в зданиях, посёлках, научных станциях и т.д. в качестве производителя топлива для питания энергоустановок, вырабатывающих электроэнергию. Кроме того, обслуживание этой системы не требует серьёзных затрат. Для заправки автомобиля необходимо лишь заменять картридж с композитом алюминия, и извлекать отработанную гидроокись алюминия.

Рис.3. Конструкция газогенератора: I - корпус; 2 - съемная крышка; 3-6 - крепежный элемент■; 7 - резиновая прокладка; 8— пластина активированного алюминия; 9 - ручка крышки; 10 - штуцер;

На первый взгляд, данная установка не выгодна с экономической точки зрения, т.к. алюминий является цветным металлом, и стоимость его производства довольно велика из-за высоких энергозатрат. Но, если учесть, что результатом химической реакции служит гидроокись алюминия - ценнейшее сырьё для повторного производства алюминия, или изготовления высокопрочных металлических изделий и деталей, то применение данного

метода вполне обосновано. Переработка гидроокиси алюминия может осуществляться за счёт использования избыточных мощностей гидро- и атомных электростанций, что сделает её ещё более дешёвой и экономически выгодной. Это особенно важно в эпоху всемирного экономического кризиса.

Принцип работы водородной установки заключается в следующем: в реактор загружается картридж композита алюминия. При запуске двигателя водяной насос закачивает воду в реактор. После этого немедленно начинает вырабатываться водород, который, поступая в двигатель, служит топливом. После израсходования композита алюминия необходимо провести заправку. Для этого требуется извлечь из реактора отработанный картридж, где находился композит алюминия, извлечь гидроокись алюминия, и вставить новый картридж с композитом алюминия. При заправке, в целях безопасности двигатель должен быть остановлен. При остановке двигателя, вода автоматически выливается из реактора, и химическая реакция прекращается.

Использование водорода в традиционных ДВС возможно лишь в качестве добавки к основному топливу. Но при добавке водорода в количестве 5%, количество вредных выбросов снижается на порядок больше, а также повышается КПД двигателя. Использование водорода, как 100% топлива рассматривается в том случае, если использовать энергетическую турбину. Эта турбина будет вырабатывать электроэнергию, и питать основной электродвигатель. а также другие системы. Преимущества данного решения в том, что от него нет никаких вредных выбросов, и шума.

Библиографические ссылки

1. Козляков В.В. Перспективы водородной энергетики. // Ориентированные фундаментальные исследования - новые модели сотрудничества в инновационных процессах: Сб. науч. тр. и инженерных разработок науч. конф. [Под ред. чл.-корр. РАН, академика РИА Б.В. Гусева]. М.: Эксподизайн-Холдииг, 2008. С. 441.

2. Буров А.Л., Хайри А.Х., Панфилов A.C. Генерация водорода - технология будущего. // Ориентированные фундаментальные исследования - новые модели сотрудничества в инновационных процессах: Сб. науч. тр. и инженерных разработок науч. конф. [Под ред. чл.-корр. РАН, академика РИА Б.В. Гусева]. М.: Эксподизайн-Холдинг, 2008. С. 428-432.

3. Панфилов A.C., Козляков В.В., Хайри А.Х. Генерация водорода - технология будущего. // Секция 5. Энергетика, транспорт и энергосбережение: Материалы юбилейной XX межд. интернет-ориентированной конф. молод, ученых и студ-в по соврем, проблемам машиноведения. М.: ИМАШ РАН, 2008. С. 76.

4. Композит на основе алюминия для генерирования водорода и способ его . получения. [Заявка о выдаче патента РФ на изобретение № 2007148837 от

29.12.2007]. / Ю.С.Авраамов [и др,|.

5. Реактор генератора водорода. [Заявка о выдаче патента РФ на изобрете-. ние Ks 20081.42694 от 27.10.2008]. / А.Л.Буров [и др.].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.