ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2069164

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

Имя изобретателя: Подгорный Анатолий Николаевич[UA]; Соловей Виктор Васильевич[UA]; Кривцова Валентина Ивановна[UA] 
Имя патентообладателя: Институт проблем машиностроения АН Украины (UA)
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1991.06.26 

Изобретение относится к способам хранения и получения водорода с применением гидридообразующих сорбентов и может быть использовано в автономных источниках водорода. Водородосодержащий состав формируют из смеси взятых в стехиометрическом соотношении порошков гидридов с металлами или гидридами, металлические компоненты которых способны образовывать интерметаллические соединения и локально их воспламеняют.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к ракетно-космической и авиационной технике, в частности к способам хранения и получения водорода с применением гидридообразующих сорбентов, и может быть использовано в качестве автономного источника водорода как в полевых условиях, так и на борту летательного аппарата.

Известен способ получения водорода, реализованный в генераторе водорода, включающем камеру, заполненную металлогидридом, для обеспечения работы которого необходим подвод тепла стимулирующего десорбцию водорода [1]

Недостатком данного способа является то, что для получения водорода к гидриду необходимо подводить в единицу времени достаточно большие тепловые потоки, что с учетом теплопроводности гидрида и ограниченной возможности электронагревательных приборов довольно затруднительно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения водорода [2]заключающийся в эндотермическом разложении матрицы гидрида металла, размещенной в реакционном сосуде. Гидридная матрица имеет форму, соответствующую конфигурации внутренней оболочки сосуда, и такие размеры, что она заполняет большую часть внутреннего объема сосуда. Матрица имеет большое число равномерно распределенных перфорационных отверстий, в каждом из которых расположен химический источник теплоты для разложения гидрида. Каждый химический источник теплоты содержит инициатор, а на наружной поверхности сосуда имеется средство для приведения в действие указанного инициатора.

В известном способе для выделения водорода из гидридной матрицы необходимо и подводить тепло, достаточное для разложения гидрида. Как правило, упоминаемый химический источник теплоты, по массе почти равен массе гидридной матрицы. Так, например, для получения водорода путем выделения его из NaBН₄ (наиболее водородоемкого используемого гидрида), 1 кг которого содержит 0,1182 кг Н₂, термитного состава (BaO₂ + Al) необходимо брать столько же, сколько и NaBH₄. Таким образом, для получения 0,1182 кг Н₂необходимо 2 кг смеси гидрида и термитного состава, используемого в качестве химического источника теплоты. При получении водорода путем разложения таких гидридов, как LiH, NaH, ТiH₂ и необходимо иметь высокие температуры, при которых эти гидриды разлагаются, соответственно 1138 К, 703 К, 1193 К. Это при использовании химических источников теплоты и приводит к большим энергозатратам, а соответственно, и к большим массогабаритным характеристикам. Кроме того, в связи с низкой теплопроводностью гидридов время достижения заданных температур достаточно велико.

Задачей изобретения являетсяснижение энергозатрат и уменьшение длительности процесса получения водорода.

Поставленная задача достигается тем, что в соответствии со способом получения водорода путем подвода тепла к водородсодержащему составу на основе гидридов металлов или интерметаллидов, согласно изобретению, в бескислородную среду помещают образец, сформированный из смеси порошков гидридов с металлами или гидридами, взятых в стехиометрическом соотношении, металлические компоненты которых способны образовывать интерметаллические соединения и локально его воспламеняют. Сформированный образец предварительно нагревают до температуры 323-773К.

Процесс получения водорода из указанной смеси основан на использовании внутренней химической энергии исходных реагентов, образующих интерметаллические соединения, что является наивыгоднейшей организацией процесса выделения водорода из гидридов с тепловой точки зрения.

Часть признаков, отличающих данное техническое решение от известного, не являются новыми, однако совокупность всех отличительных признаков по сравнению с прототипом и аналогами позволяет получить качественно новый способ получения водорода, позволяющий существенно снизить энергозатраты при проведении процесса и ускорить процесс получения водорода. Это позволяет сделать вывод, что техническое решение обладает новизной и отличиями.

СУЩНОСТЬ СПОСОБА ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ

Водородсодержащий состав формируют по меньшей мере из гидрида металла и металла или из двух различных гидридов, металлы которых имеют значительное химическое средство, обладают однотипной кристаллической решеткой и близкими по величине атомными радиусами и способны образовывать между собой химические соединения интерметаллиды. При этом выделяется значительное количество тепла, особенно в реакции с образованием интерметаллидов с присутствием ковалентной или ионной составляющей. Этого тепла вполне достаточно, чтобы выделить водород из гидридов.

Процесс получения водорода предлагаемым способом можно представить следующим образом:

Me_mH_x+Me_nH_y__->Me_mMe_n+H_x+y

Реакции синтеза интерметаллических соединений Me_mMe_n носят название высокотемпературного самораспространяющегося синтеза (СВС) и могут проходить как в режиме теплового взрыва, так и в режиме послойного горения.

Режим теплового взрыва характеризуется протеканием реакции во всем объеме реакционной системы, в режиме горения химическая реакция после ее локального инициирования самопроизвольно перемещается по веществу в виде узкой зоны. Для протекания самораспространяющейся реакции как в режиме теплового взрыва, так и в режиме горения существуют критические условия: высокая экзотермичность скорости реакции от температуры.

Таким образом, из гидридов, металлы которых могут образовывать интерметаллиды методом СВС, можно выделить водород с минимальными затратами энергии.

Осуществление предлагаемого способа получения водорода можно продемонстрировать на следующих примерах.

1. Берут смесь порошков гидрида Тi, H₂и Al с дисперсностью от (50-100)10^-6 и в стехиометрическом соотношении по уравнению: TiH₂+Al __-> TiAl+H₂

Из полученной смеси прессуют таблетку пористостью ~ 40% диаметром (15-20)10^-3 м и длиной (20-30) 10^-3м. Поместив таблетку в герметичный реактор, создают в нем с помощью насоса вакуум 1,3·10^-6МПа. Затем, после предварительного нагрева смеси до температуры 573 К с помощью вольфрамовой нити, запрессованной в один из торцов таблетки, осуществляют поджиг смеси. После локального инициирования экзотермической реакции образования интерметаллического соединения ТiAl, фронт ее самопроизвольно перемещается по спрессованной таблетке. При этом выделяется значительное количество водорода. Так, в случае образования интерметаллического соединения ТiAl, 1 кгсмеси выделит 0,0256 кг водорода. В случае образования ТiAl₃ по реакции:

TiH₂+3Al __-> TiAl₃+H₂ кг смеси выделит 0,0149 кг Н₂. В случае использования 1 кг смеси гидридов ТiH₂и AlH₃ при образовании интерметаллического соединения ТiAl по уравнению: 2TiH₂+2AlH₃ __-> 2TiAl+5H₂ выделится 0,063 кг водорода.

При образовании интерметаллического соединения ТiAl₃по уравнению: TiH₂+3AlH₃ __-> TiAl₃+5,5H₂ из 1кг смеси выделится 0,069 кг Н₂.

Для сравнения необходимо отметить, что температура термического разложения TiH₂в соответствии со способом-прототипом составляет 1073-1273 К.

2. В случае использования смеси LiH и AlH₃ поджиг смеси осуществляют без предварительного нагрева. При образовании интерметаллического соединения LiAl, по уравнению LiH+AlH₃_-> LiAl+2H₂ 1 кг смеси выделит 0,1055 кг водорода.

При выделении водорода из LiH путем его термического разложения (Т_разл.1138 К) с помощью термитного состава, количество полученного водорода составит  ~ 0,052 кг.

При получении водорода путем разложения NaBH₄ (Т_разл. 600 К) с помощью термитного состава, например смеси BaO + Al который берется в соотношении с гидридом 1:1, имеет 1 кг смеси гидрида NaBH₄и термитного состава, в которой NaBH₄ cодержится 50% выделит 0,0591 кг водорода.

Cледует отметить, что при получении 10 л водорода при давлении 150 атм, используя разложение обратимых металлогидридов в стандартных конструкциях с нагревом до заданных температур через стенку, длительность процесса составляет 180-250 c.

При использовании предлагаемого способа для получения того же количества водорода при том же давлении длительность процесса получения водорода, в соответствии со скоростью реакции образования интерметаллических соединений, составляет 3-8 c.

Предлагаемый в заявляемом способе диапазон температур предварительного нагрева различных смесей соответствует температурному интервалу образования интерметаллических соединений для металлических компонентов, входящих в конкретную смесь.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать водород путем выделения его из металлогидридов посредством использования внутренней химической энергии, выделяемой при образовании интерметаллических соединений в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, значительно снизив энергозатраты и уменьшив длительность процесса.

Как показали проведенные расчеты и полученные экспериментальные данные, это значительно улучшает эксплуатационные параметры процесса по сравнению с термическим разложением гидридов металлов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения водорода путем разложения состава, содержащего гидрид, при нагреве через инициатор, отличающийся тем, что в бескислородную среду помещают образец, сформированный из смеси взятых в стехиометрическом соотношении порошков гидридов с металлами или гидридами, металлические компоненты которых способны образовывать интерметаллические соединения по реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и для ее проведения в качестве инициатора используют нить накала, подведенную к образцу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сформированный образец предварительно нагревают до 323-773К.

Версия для печати
Дата публикации 03.12.2006гг

 

 

---

---