Компактный аппарат для термофизического каталитического разделения жидкого аммиака (давление 10 бар) с целью получения водорода и азота в газообразном состоянии. Аппарат состоит из трех реакторов, расположенных каскадно; в первых двух реакторах осуществляется термокаталитическое разделение, а третий реактор выполняет функцию микроволнового резонатора. После заключительного прохождения через очиститель получается водород, пригодный для питания топливных щелочных элементов. Оборудование на борту автотранспортных средств обеспечивает производство электроэнергии для привода автотранспортного средства с выходом около 12000 кДж/кг NH ₃ .

 

(57) Реферат / Формула:
аппарат для термофизического каталитического разделения жидкого аммиака (давление 10 бар) с целью получения водорода и азота в газообразном состоянии. Аппарат состоит из трех реакторов, расположенных каскадно; в первых двух реакторах осуществляется термокаталитическое разделение, а третий реактор выполняет функцию микроволнового резонатора. После заключительного прохождения через очиститель получается водород, пригодный для питания топливных щелочных элементов. Оборудование на борту автотранспортных средств обеспечивает производство электроэнергии для привода автотранспортного средства с выходом около 12000 кДж/кг NH ₃ .

 

---

2420-155572ЕА/072 АППАРАТ ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ТЕРМОФИЗИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЖИДКОГО АММИАКА НА ГАЗООБРАЗНЫЕ АЗОТ И ВОДОРОД
Настоящее изобретение относится к отрасли энергетики и, точнее, к получению водорода посредством термофизического разделения жидкого аммиака, с целью использования, в частности, для питания топливных щелочных элементов. Типичным примером применения таких топливных элементов является производство электроэнергии для привода автотранспортных средств.
Проблемы, связанные с низкой плотностью энергии водорода (отношение энергия/объем) сравнительно с бензином и газойлем для автомобилей, представляют собой одно из основных препятствий для распространения этой системы питания. Другим тормозящим элементом ее широкого распространения является коэффициент внутренне присущей безопасности системы вследствие опасности пожаров и взрывов, особенно в случае аварии.
Преодоление этих критических аспектов обеспечивает многочисленные положительные характеристики, например устранение загрязняющих выбросов, а также высокие эксплуатационные качества и гибкость применения такого энергоносителя, как водород, который может быть получен из широкого ряда первичных источников энергии, даже и не ископаемого происхождения.
Следует учитывать, что использование стабилизированного жидкого аммиака в специальном баке под давлением около 10 бар позволяет достигать значения плотности энергии, в 10 раз превышающие соответствующие значения давления сжатого водорода в баллонах, более чем на 50% выше жидкого водорода (хранящегося при температуре -253°С с соответствующими криогенными проблемами), и почти вдвое больше междоузельных металлических гидридов в сплавах магния и лантана, пентаникеля и т.п.
Поэтому было бы крайне желательно создать компактные устройства, которые были бы в состоянии осуществлять выделение водорода, содержащегося в аммиаке, непосредственно на борту транспортного средства для питания топливных щелочных элементов, которые, как известно, могут давать электроэнергию
для привода автотранспортных средств по низкой цене и с высоким выходом энергии.
Основная проблема, для которой до сих пор не было найдено удовлетворительного решения в аспектах габаритных размеров и экономичности и которая делает неприемлемыми какие бы то ни было предложения для привода автотранспортных средств, состоит в том, что водород, являющийся продуктом разделения аммиака, должен быть свободен от соединений углерода для того, чтобы можно было подавать его в топливные щелочные элементы. Действительно, эти соединения оказывают дезактивирующее воздействие на поверхности ионного обмена топливного элемента (типичное явление для элементов с кислым электролитом).
Для того, чтобы устранить эти недостатки, автор настоящего изобретения создал компактный аппарат для полного выделения содержащегося в аммиаке водорода; в состав этого аппарата входят два каталитических реактора, установленных каскадно, за которыми следует специальный микроволновый резонатор, где завершается процесс диссоциации, причем, в выходящем потоке водорода наблюдается полное отсутствие соединений углерода. Затем поток газообразных водорода и азота проходит через абсорбционный газоочиститель, предназначенный для улавливания всех имеющихся следов NH3 перед подачей газов в топливные щелочные элементы. Применение топливных щелочных элементов, которые, как уже было указано, характеризуются низкой стоимостью производства и высоким выходом энергии, является возможным вследствие полного отсутствия соединений углерода (СОг, присутствующего в реформинге).
Испытания показали, что такая технология обеспечивает работу на валу соединенного с топливными элементами электрического двигателя в объеме около 12000 кДж/кг NH3, то есть величину такого же порядка, что и для теплового двигателя, используемого в настоящее время для привода автотранспортных средств, и со схожими результатами в аспектах автономии и потребления.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения изложены в нижеследующем подробном описании со
ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых, только в качестве неограничительного примера показана предпочтительная форма реализации.
На чертежах:
фиг. 1 - вид в продольном разрезе первого каталитического реактора для первой ступени разделения аммиака;
фиг. 2 - вид того же реактора в разрезе А-А по фиг. 1;
фиг. 3 - вид в продольном разрезе второго каталитического реактора для второй ступени разделения;
фиг. 4 - вид того же реактора в разрезе А-А по фиг. 3;
фиг. 5 - вид в разрезе направляющей трубы для микроволн, которая составляет третью ступень для завершения разделения остаточного аммиака;
фиг. 6 - вид в разрезе А-А направляющей трубы по фиг. 5;
на фиг. 7 показано в уменьшенном масштабе устройство излучения микроволн, которое привинчивается поперечно к направляющей трубе:
фиг. 8 и 8а виды в продольном разрезе конечного
газоочистителя и колпака, в котором накапливаются газы на выходе.
Со ссылкой на фигуры: описываемый аппарат оснащен средствами для проведения реакции разделения жидкого аммиака на его газообразные компоненты - азот и водород - в три последовательные ступени Ar, Вг и Сг. Поток газообразных водорода и азота на выходе из третьей ступени Сг пропускается через ступень абсорбционной газоочистки Dr для улавливания всех имеющихся следов NH3, прежде чем эти газы будут поданы на питание топливных элементов.
В частности, первые две ступени Аг (фиг. 1 и 2) и Вг (фиг. 3 и 4) включают два каталитических реактора, в которых осуществляется термокаталитическое разделение, в то время как третья ступень Сг (фиг. 3, 4 и 5) включает трубу электромагнитного резонанса в микроволновом поле, в которой завершается процесс диссоциации.
Рассмотрим первую ступень разделения Аг, показанную на фиг. 1.
Эта ступень состоит из наружного корпуса 10 из нержавеющей стали, в котором заключено внутреннее пространство в основном цилиндрической формы, где установлены соосно, снаружи к центру, диффузор 6 с тангенциальным потоком, из изолирующего фарфора, центральный корпус 4 с многоугольным поперечным сечением и сильфонным продольным сечением так, что на его кожухе образован ряд пирамидальных выступов с направленными наружу вершинами, и бронированное электрическое сопротивление 5, обогревающее изнутри упомянутый корпус 4.
В соответствии со специфической характеристикой изобретения материал центрального корпуса 4 представляет собой специальный спеченный сплав т.а. (механическое легирование) (50% W - 35% Fe - 6% Со - 5% Ад - 4% Мо).
Выпаренный аммиак, поступающий из специального бака хранения, проходит по каналу Еа, который соединен с наружным корпусом 10, входит в диффузор 6 с тангенциальным потоком через тангенциальные впускные отверстия ба, которые создают вихревое движение вокруг центрального корпуса 4 (фиг. 2). Последний удерживается в своем положении с помощью кольца 3 из изолирующего фарфора. Газовый поток, пройдя вдоль зоны контакта с сильфонным корпусом 4 с многочисленными выступами, который действует в качестве обогреваемого катализатора для разделения NH3, выходит радиально через перфорированное кольцо 7 и поступает в выпускной канал 9, выполненный в днище 8 реактора. Выходящие газообразные продукты, состоящие из Нг, N2 и недиссоциированного NH3, через соединительную трубу поступают во вторую ступень разделения Вг, показанную на фиг. 3.
Этот последний реактор цилиндрической формы включает наружный кожух 13, центральный канал 11, связанный снаружи с соединительным трубопроводом, выходящим из первого реактора Аг, и пакет каталитических колец 16, наложенных друг на друга, которые расположены соосно вокруг указанного центрального канала 11, над перфорированной диафрагмой 19. В свою очередь, центральный канал 19 установлен соосно с цилиндром 17, который выполнен из того же спеченного сплава т.а., что и корпус 4 первого реактора Аг, и обогревается изнутри бронированным
электрическим сопротивлением 18.
Каждый катализатор 16 состоит из смеси 30% окиси кобальта и 70% окиси хрома и опирается на сетку из нержавеющей стали.
Кожух 13 реактора обогревается ленточным электрическим сопротивлением 20, которое поддерживает в кольце катализатора 16 температуру от 500°С до 750°С.
Газообразные продукты Us на выходе из первой ступени проходят по соединительному трубопроводу в центральный канал 11 и достигают на входе температуры Ti в интервале 450°С-750°С. Газовый поток, обозначенный символом fg, входит затем в цилиндр 17, обогреваемый изнутри электрическим сопротивлением 18. Проходя по каналу, недиссоциированный аммиак, выходящий из первой ступени Аг, подвергается дальнейшему разделению, прежде чем выйти из многочисленных мелких отверстий, которые обеспечивают контакт потока газа с катализатором 16.
Перфорированная диафрагма 19 принимает выходящие газы Us и посредством теплоизолированного трубопровода соединяет выпускной канал второй ступени со входом Еу третьей ступени Сг, показанной на фиг. 5-7, в которой завершается разделение остаточного аммиака.
Эта третья ступень состоит, в основном, из направляющей трубы 22 для микроволн, по которой по продольной оси х-х проходит поток газов, выходящий из Еу, в чьем коллекторе 21 находится диафрагма d с микроотверстиями, препятствующая проникновению электромагнитных волн наружу.
Как показано на фиг. 6, в направляющей трубе 22, имеющей квадратное сечение шириной 1а, установлены с шагом р (расстояние, зависящее от длины волны X) металлические провода fi_n, изготовленные из сплава т. а. Эти металлические провода нагреваются электрически до температуры от 550°С до 750°С и изолированы от металлической конструкции посредством фарфоровых опор К (фиг. 5). Провода fj.-n заряжаются с высоким электрическим потенциалом: в таких условиях молекулы NH3 (сильно полярные) притягиваются к проводам и ионизируются. Поперечно в направляющей трубе расположен канал 24, который
принимает электромагнитные волны, излучаемые магнетроном М, действующим со специфической частотой v. Благодаря этому устанавливаются условия стационарного движения по продольной оси х-х: в результате электрическая составляющая электромагнитных волн взаимодействует с максимальной эффективностью (резонанс) с молекулами, ионизированными вокруг проводов fi-ru разъединяя их связи. В то время как диссоциированные газы (N2+H2) могут свободно вытекать через выпускной канал 2 6, выход микроволн из направляющей трубы наружу предотвращается металлической сеткой со скрещенными ячейками г, специально предназначенной для этой цели (фиг. 5).
Поток Us, выходящий из резонатора Сг, поступает по трубопроводу в газоочиститель Dr, показанный на фиг. 8. Последний состоит, в основном, из закрытого резервуара, обозначенного ссылочной позицией 28, в котором имеется впускной канал Еб ДЛЯ потока Us, оснащенный обратным клапаном 30, действующим под давлением "р" (рабочее давление топливных элементов), и центральный канал 32 с нижним отверстием 34, выходящим в раствор Sa, способный улавливать даже миллионные частицы остаточного аммиака, имеющиеся в газовом потоке, который поступает из трех предыдущих аппаратов диссоциации. Войдя в канал Еб, газы проходят через раствор Sa, который удерживает остаточную часть аммиака. Полностью диссоциированные газы (H2+N2) проходят по центральному каналу 32, на конце которого предусмотрена диафрагма с улавливающей туман сеткой 33, и поток Uf газов Нг и N2 идет на выход, свободный от влаги и готовый к подаче в топливные элементы.
Таким образом, обеспечивается возможность производить электрическую энергию с выходом от 60% до 7 0% и приводить в действие двигатель привода с регулируемым числом оборотов, с кпд свыше 90%, что позволяет достигать общего кпд системы привода в размере 55% (примерно вдвое превышающего кпд превращения на тепловых двигателях).
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Аппарат для разделения жидкого аммиака на его газообразные компоненты - азот и водород, отличающийся тем, что он включает три реактора (Аг, Вг и Сг) , установленные каскадно, из которых первые два (Аг, Вг) предназначены для термокаталитического разделения аммиака, а третий (Сг) представляет собой микроволновый резонатор, то есть реактор с электромагнитным резонансом в микроволновом поле.
2. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя абсорбционный газоочиститель (Dr) , предназначенный для улавливания возможных следов Шз, оставшихся в потоке газа на выходе из микроволнового резонатора, прежде чем этот поток будет направлен потребителю.
3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что первый реактор (Аг) включает наружный корпус (10), в котором заключено внутреннее пространство в основном цилиндрической формы, где установлены соосно, снаружи к центру, изолирующий диффузор (6) с тангенциальным потоком, центральный полый корпус (4) цилиндрической формы и бронированное электрическое сопротивление (5), обогревающее изнутри упомянутый корпус (4).
4. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что изолирующий диффузор (б) - это вихревой диффузор из керамического материала, оснащенный множеством тангенциальных впускных отверстий (ба) для газового потока, подвергающегося диссоциации.
5. Аппарат по п.З, отличающийся тем, что указанный полый центральный корпус (4) имеет многоугольное поперечное сечение и сильфонное продольное сечение так, что на его кожухе, на который направляется поток подвергаемого диссоциации аммиака, образован ряд пирамидальных выступов с направленными наружу вершинами.
6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что второй реактор (Вг) включает в себя наружный кожух (13), центральный канал (11), связанный снаружи с соединительным трубопроводом, выходящим из первого реактора (Аг), и множество каталитических
колец (16), наложенных друг на друга, которые расположены соосно вокруг указанного центрального канала (11).
7. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что узел каталитических колец (16) принимает радиально газовый поток, выходящий из центрального канала (11) с осевым выпуском и обогревается как изнутри, так и снаружи нагревательными средствами, установленными внутри центрального канала (11) и на наружном кожухе (13) реактора.
8. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что указанные средства включают в себя полый цилиндрический корпус
(17) , установленный внутри центрального канала (11) и обогреваемый изнутри с помощью бронированного сопротивления
(18) , и ленточные электрические сопротивления, установленные на наружном кожухе (13).
9. Аппарат по п. 6, отличающийся тем, что каждое каталитическое кольцо (16) состоит из смеси окиси кобальта ((СоО) от 15% до 55%, предпочтительно 30%) и окиси хрома (Сг20з от 45% до 85%, предпочтительно 70%) и опирается на сетку из нержавеющей стали.
10. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что микроволновый резонатор имеет направляющую трубу (22) с поперечным излучателем (24), и через него проходит продольно газовый поток, подвергающийся диссоциации.
11. Аппарат по п.10, отличающийся тем, что в направляющей трубе (22) размещены металлические провода (fi-n), нагреваемые электрически и изолированные от металлической конструкции посредством фарфоровых опор (К).
12. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что указанные провода (fi-n) заряжаются с высоким электрическим потенциалом, чтобы притягивать к проводам и ионизировать еще не диссоциированные молекулы NH3.
13. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что металлические провода (fi-n) расположены параллельно продольной оси направляющей трубы (22) в количестве от 4 до 400, предпочтительно от 25 до 64; эти провода удалены друг от друга
с шагом (р) , зависящем от длины (Я,) микроволн.
14. Аппарат по п.п.З, 8 и 11, отличающийся тем, что
провода резонатора и нагревательные приборы (4, 17) выполнены из спеченного сплава способом термокатализа; при этом сплав имеет следующий состав: от 30% до 65% вольфрама, предпочтительно 50%; от 15% до 40% железа, предпочтительно 35%; от 3% до 12% кобальта, предпочтительно 6%; от 4% до 10% серебра, предпочтительно 5%; от 2% до 8% молибдена, предпочтительно 4%.
15. Аппарат по п. 14, отличающийся тем, что рабочая температура спеченного сплава, поддерживаемая в трех ступенях разделения, составляет от 250°С до 950°С, предпочтительно от 350°С до 850°С, еще более предпочтительно от 550°С до 650°С, наиболее предпочтительно 600°С.
16. Аппарат по п. 14, отличающийся тем, что провода резонатора изолированы от его торцевых крышек посредством фарфоровых опор (К).
17. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что значение напряжения электрического поля, создаваемого в пуске проводов (fi-n) резонатора, составляет от 300 кВ до 0,3 кВ, предпочтительно 15 кВ.
18. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что газоочиститель (Рг) , установленный после реакторов термического разделения, включает в себя закрытый резервуар (28), в котором имеется впускной канал (Еб) для потока газа из реактора (Сг) ; этот канал оснащен обратным клапаном (30) с рабочим давлением (р) топливных элементов, и центральный канал (32) с нижним отверстием (34), выходящим в раствор Sa, способный улавливать даже минимальные остаточные количества аммиака, имеющиеся в газовом потоке, который поступает из трех предыдущих аппаратов диссоциации.
19. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что
впуск газового потока осуществляется перпендикулярно кожуху резервуара, а газы, очищенные сеткой улавливания тумана (33), выпускаются вдоль осевого центрального канала (32).
20. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что значение рабочего давления составляет от 20 до 1 бар, предпочтительно от 12 до 4 бар, более предпочтительно 8 бар.
По доверенности
6a-
~ v/wm ~ YAM mm-7
rm^f ______
rhi/ir 1
^///МШУЖУ
ФИГ. 2
?МИГ А 4> Vll . t
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Аппарат для разделения жидкого аммиака на его газообразные компоненты - азот и водород, отличающийся тем, что он включает три реактора (Аг, Вг и Сг) , установленные каскадно, из которых первые два (Аг, Вг) предназначены для термокаталитического разделения аммиака, а третий (Сг) представляет собой микроволновый резонатор, то есть реактор с электромагнитным резонансом в микроволновом поле.
2. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя абсорбционный газоочиститель (Dr), предназначенный для улавливания возможных следов Шз, оставшихся в потоке газа на выходе из микроволнового резонатора, прежде чем этот поток будет направлен потребителю.
3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что первый реактор (Аг) включает наружный корпус (10), в котором заключено внутреннее пространство в основном цилиндрической формы, где установлены соосно, снаружи к центру, изолирующий диффузор (б) с тангенциальным потоком, центральный полый корпус (4) цилиндрической формы и бронированное электрическое сопротивление (5), обогревающее изнутри упомянутый корпус (4).
4. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что изолирующий диффузор (6) - это вихревой диффузор из керамического материала, оснащенный множеством тангенциальных впускных отверстий (6а) для газового потока, подвергающегося диссоциации.
5. Аппарат по п.З, отличающийся тем, что указанный полый центральный корпус (4) имеет многоугольное поперечное сечение и сильфонное продольное сечение так, что на его кожухе, на который направляется поток подвергаемого диссоциации аммиака, образован ряд пирамидальных выступов с направленными наружу вершинами.
6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что второй реактор (Вг) включает в себя наружный кожух (13), центральный канал (11), связанный снаружи с соединительным трубопроводом, выходящим из первого реактора (Аг), и множество каталитических
колец (16), наложенных друг на друга, которые расположены соосно вокруг указанного центрального канала (11).
7. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что узел каталитических колец (16) принимает радиально газовый поток, выходящий из центрального канала (11) с осевым выпуском и обогревается как изнутри, так и снаружи нагревательными средствами, установленными внутри центрального канала (11) и на наружном кожухе (13) реактора.
8. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что указанные средства включают в себя полый цилиндрический корпус
(17) , установленный внутри центрального канала (11) и обогреваемый изнутри с помощью бронированного сопротивления
(18) , и ленточные электрические сопротивления, установленные на наружном кожухе (13).
9. Аппарат по п. 6, отличающийся тем, что каждое каталитическое кольцо (16) состоит из смеси окиси кобальта ( (СоО) от 15% до 55%, предпочтительно 30%) и окиси хрома (СГ2О3 от 45% до 85%, предпочтительно 70%) и опирается на сетку из нержавеющей стали.
10. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что микроволновый резонатор имеет направляющую трубу (22) с поперечным излучателем (24), и через него проходит продольно газовый поток, подвергающийся диссоциации.
11. Аппарат по п.10, отличающийся тем, что в направляющей трубе (22) размещены металлические провода (fi-n)i нагреваемые электрически и изолированные от металлической конструкции посредством фарфоровых опор (К).
12. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что указанные провода (fi-n) заряжаются с высоким электрическим потенциалом, чтобы притягивать к проводам и ионизировать еще не диссоциированные молекулы Шз.
13. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что металлические провода (fi-n) расположены параллельно продольной оси направляющей трубы (22) в количестве от 4 до 4 00, предпочтительно от 25 до 64; эти провода удалены друг от друга
с шагом (р), зависящем от длины (А.) микроволн.
14. Аппарат по п.п.З, 8 и 11, отличающийся тем, что
провода резонатора и нагревательные приборы (4, 17) выполнены из спеченного сплава способом термокатализа; при этом сплав имеет следующий состав: от 30% до 65% вольфрама, предпочтительно 50%; от 15% до 40% железа, предпочтительно 35%; от 3% до 12% кобальта, предпочтительно 6%; от 4% до 10% серебра, предпочтительно 5%; от 2% до 8% молибдена, предпочтительно 4%.
15. Аппарат по п. 14, отличающийся тем, что рабочая температура спеченного сплава, поддерживаемая в трех ступенях разделения, составляет от 250°С до 950°С, предпочтительно от 350°С до 850°С, еще более предпочтительно от 550°С до 650°С, наиболее предпочтительно 600°С.
16. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что провода резонатора изолированы от его торцевых крышек посредством фарфоровых опор (К).
17. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что значение напряжения электрического поля, создаваемого в пуске проводов (fi-n) резонатора, составляет от 300 кВ до 0,3 кВ, предпочтительно 15 кВ.
18. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что газоочиститель (Рг) , установленный после реакторов термического разделения, включает в себя закрытый резервуар (28), в котором имеется впускной канал (Е5) для потока газа из реактора (Сг); этот канал оснащен обратным клапаном (30) с рабочим давлением (р) топливных элементов, и центральный канал (32) с нижним отверстием (34), выходящим в раствор Sa, способный улавливать даже минимальные остаточные количества аммиака, имеющиеся в газовом потоке, который поступает из трех предыдущих аппаратов диссоциации.
19. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что
впуск газового потока осуществляется перпендикулярно кожуху резервуара, а газы, очищенные сеткой улавливания тумана (33), выпускаются вдоль осевого центрального канала (32).
20. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что значение рабочего давления составляет от 20 до 1 бар, предпочтительно от 12 до 4 бар, более предпочтительно 8 бар.
По доверенности
2420-155572ЕА/072 АППАРАТ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ТЕРМОФИЗИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЖИДКОГО АММИАКА НА ГАЗООБРАЗНЫЕ АЗОТ И ВОДОРОД
ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение относится к отрасли энергетики и, в частности, к производству водорода посредством термофизической диссоциации жидкого аммиака для использования для питания топливных щелочных элементов. Типичным примером применения таких топливных элементов является производство электроэнергии для автотранспортных средств.
Проблемы, связанные с низкой плотностью энергии водорода (отношение энергия/объем бензина и низкой плотности энергии) сравнительно с газойлем для автомобилей, представляют собой одно из основных препятствий для распространения этой системы питания. Другим тормозящим элементом ее широкого распространения является коэффициент безопасности системы вследствие опасности пожаров и взрывов, особенно в случае аварии.
Преодоление этих критических аспектов улучшает многочисленные положительные характеристики, например, устранение загрязняющих выбросов, а также обеспечивает высокие эксплуатационные качества такого энергоносителя, как водород, который может быть получен из широкого ряда первичных источников энергии, даже и не ископаемого происхождения.
Следует учитывать, что использование стабилизированного жидкого аммиака в специальном баке под давлением около 10 бар позволяет достигать значения плотности энергии, в 10 раз превышающие соответствующие значения давления сжатого водорода в баллонах, более чем на 50% выше жидкого водорода (хранящегося при температуре -253°С с вытекающими из этого криогенными проблемами, и почти вдвое междоузельных гидридов металлов в сплавах магния, лантана, пентаникеля и т.п.
По этим причинам имеется насущная необходимость в компактных устройствах, которые были бы в состоянии осуществлять диссоциацию водорода, содержащегося в аммиаке,
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
непосредственно на борту транспортного средства для питания топливных щелочных элементов, которые, как известно, могут давать электроэнергию для автомобильной тяги по низкой цене и с высоким выходом энергии.
Основная проблема, для которой до сих пор не было найдено удовлетворительное решение в аспектах габаритных размеров и экономичности (что делает неприемлемыми все предложения для автомобильной тяги) , состоит в том, что водород, являющийся продуктом диссоциации аммиака, должен быть свободен от соединений углерода для того, чтобы можно было подавать его в топливные щелочные элементы. Действительно, эти соединения оказывают дезактивирующее воздействие на поверхность ионного обмена элемента (типичное явление на элементы с кислым электролитом).
Для того, чтобы устранить эти проблемы, автор настоящего изобретения создал компактный цельный аппарат для отделения водорода от аммиака, в состав которого входят два каталитических реактора, установленных каскадно; за этими реакторами следует специальный микроволновый резонатор, в котором осуществляется процесс диссоциации, причем, в выходящем потоке водорода наблюдается полное отсутствие соединений углерода. Затем поток газообразных водорода и азота проходит через абсорбционный газоочиститель, предназначенный для улавливания всех имеющихся следов NH3 перед подачей газов в топливные щелочные элементы. Применение топливных щелочных элементов, которые, как уже было упомянуто, характеризуются низкой стоимостью производства и высоким выходом энергии, является возможным вследствие полного отсутствия соединений углерода (С02, присутствующего в реформинге).
Испытания показали, что такая технология обеспечивает механическую работу на валу соединенного с топливными элементами электрического двигателя в объеме около 12000 кДж/кг NH3, то есть такую же величину, что и для теплового двигателя, используемого в настоящее время для автомобильной тяги, и со схожими результатами в аспектах автономии и потребления.
Другие характеристики и преимущества настоящего
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
изобретения изложены в нижеследующем подробном описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых, только в качестве неограничительного примера показана предпочтительная форма реализации.
На чертежах:
Фиг. 1 - вид в продольном разрезе первого каталитического реактора для первой ступени диссоциации аммиака;
Фиг. 2 - вид того же реактора в разрезе А-А по фиг. 1;
Фиг. 3 - вид в продольном разрезе второго каталитического реактора, в котором осуществляется вторая ступень диссоциации аммиака;
Фиг. 4 - вид того же реактора в разрезе А-А по фиг. 3;
Фиг. 5 - вид в разрезе направляющей трубы для микроволн, которая составляет третью завершающую ступень диссоциации остаточного аммиака;
Фиг. 6 - вид в разрезе А-А направляющей трубы по фиг. 5;
На фиг. 7 показано в уменьшенном масштабе устройство излучения микроволн, которое привинчивается поперечно к направляющей трубе;
Фиг. 8 и 8а - это виды в продольном разрезе конечного газоочистителя и колпака, в котором накапливаются газы на выходе.
Со ссылкой на фигуры: описываемый аппарат оснащен средствами для проведения реакции разделения жидкого аммиака на его газообразные компоненты, азот и водород, в трех последовательных ступенях Аг, Вг и Сг. Поток газообразного водорода и азота на выходе из третьей ступени Сг пропускается через ступень очистки абсорбцией Dr для улавливания имеющихся следов NH3, прежде чем эти газы будут поданы на питание топливных элементов.
В частности, первые две ступени Аг (фиг. 1 и 2) и Вг (фиг. 3 и 4) включают два каталитических реактора, в которых осуществляется термокаталитическая диссоциация, в то время как третья ступень Сг (фиг. 3, 4 и 5) включает трубу магнитного резонанса в микроволновом поле, посредством которой завершается процесс диссоциации.
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
Рассмотрим первую ступень диссоциации Аг, показанную на фиг. 1.
Эта ступень состоит из наружного корпуса (10) из нержавеющей стали, в котором заключено внутреннее пространство цилиндрической формы, где установлены соосно, снаружи к центру, диффузор б с тангенциальным потоком, из изолирующего фарфора, центральный корпус (4) с многоугольной поперечной секцией и продольная гофрированная секция таким образом, чтобы на ее кожухе образовать ряд пирамидальных выступов с направленными наружу вершинами, и бронированное электрическое сопротивление 5, обогревающее изнутри упомянутый корпус (4).
Специфическая характеристика изобретения состоит в том, что материал центрального корпуса (4) представляет собой специальный спеченный сплав т.а. (механическое легирование) (50% W - 35% Fe - 6% Со - 5% Ад - 4% Мо) . Выпаренный аммиак поступает из специального резервуара хранения, проходя по каналу Еа, который соединен с наружным корпусом (10), входит в диффузор (б) с тангенциальным потоком через тангенциальные впускные отверстия (ба), которые создают вихревое движение вокруг центрального корпуса (4) (фиг. 2). Последний удерживается в своем положении с помощью кольца (3) из изолирующего фарфора. Газовый поток, пройдя вдоль зоны контакта с гофрированным корпусом (4) с многочисленными наконечниками, который действует в качестве обогреваемого катализатора для диссоциации NH3, выходит через отверстия в кольце (7), перфорированного радиально, и поступает в выпускной канал (9) в днище (8) реактора. Выходящие газообразные продукты, состоящие из Н2, N2 и недиссоциированного NH3, через соединительную трубу поступают во вторую ступень разделения Вг, показанную на фиг. 3.
Этот последний реактор цилиндрической формы включает наружный кожух (13), центральный канал (11), связанный снаружи с соединительным трубопроводом, выходящим из первого реактора Аг, и пакет каталитических колец (16), наложенных друг на друга, которые расположены соосно вокруг указанного центрального канала (11), над перфорированной диафрагмой (19).
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
В свою очередь, центральный канал (11) установлен соосно с цилиндром (17), который выполнен из того же спеченного сплава т. а., использованного для корпуса (4) первого реактора Аг, и обогревается изнутри бронированным электрическим сопротивлением (18) .
Каждый катализатор (16) состоит из смеси 30% окиси кобальта и 70% окиси хрома и опирается на сетку из нержавеющей стали.
Кожух 13 реактора обогревается ленточным электрическим сопротивлением 20, которое поддерживает в кольце катализатора 16 температуру от 500°С до 750°С.
Газообразные продукты Us на выходе из первой ступени проходят по соединительному трубопроводу в центральный канал 11 и достигают на входе температуры Ti в интервале 450°С-750°С. Газовый поток, обозначенный символом fg, входит затем в цилиндр 17, обогреваемый изнутри электрическим сопротивлением 18. Проходя по каналу, недиссоциированный аммиак, выходящий из первой ступени Аг, подвергается дальнейшему разделению, прежде чем выйти из многочисленных мелких отверстий, которые обеспечивают контакт потока газа с катализатором 16.
Перфорированная диафрагма 19 принимает выходящие газы Us и посредством теплоизолированного трубопровода соединяет выпускной канал второй ступени со входом Еу третьей ступени Сг, показанной на фиг. 5-7, в которой завершается разделение остаточного аммиака.
Эта третья ступень состоит, в основном, из направляющей трубы 22 для микроволн, по которой по продольной оси х-х проходит поток газов, выходящий из Еу, в чьем коллекторе 21 находится диафрагма d с микроотверстиями, препятствующая проникновению электромагнитных волн наружу.
Как показано на фиг. 6, в направляющей трубе 22, имеющей квадратное сечение шириной 1а, установлены с шагом р (расстояние, зависящее от длины волны К) металлические провода fi-n, изготовленные из сплава т. а. Эти металлические провода нагреваются электрически до температуры от 550°С до 750°С и
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
изолированы от металлической конструкции посредством фарфоровых опор К (фиг. 5). Провода fi_n заряжаются с высоким электрическим потенциалом: в таких условиях молекулы NH3 (сильно полярные) притягиваются к проводам и ионизируются. Поперечно в направляющей трубе расположен канал 24, который принимает электромагнитные волны, излучаемые магнетроном М, действующим со специфической частотой v. Благодаря этому устанавливаются условия стационарного движения по продольной оси х-х: в результате электрическая составляющая электромагнитных волн взаимодействует с максимальной эффективностью (резонанс) с молекулами, ионизированными вокруг проводов fi-n, разъединяя их связи. В то время как диссоциированные газы (N2+H2) могут свободно вытекать через выпускной канал 2 6, выход микроволн из направляющей трубы наружу предотвращается металлической сеткой со скрещенными ячейками г, специально предназначенной для этой цели (фиг. 5).
Поток Us, выходящий из резонатора Сг, поступает по трубопроводу в газоочиститель Dr, показанный на фиг. 8. Последний состоит, в основном, из закрытого резервуара, обозначенного ссылочной позицией 28, в котором имеется впускной канал Еб для потока Us, оснащенный обратным клапаном 30, действующим под давлением "р" (рабочее давление топливных элементов), и центральный канал 32 с нижним отверстием 34, выходящим в раствор Sa, способный улавливать даже миллионные частицы остаточного аммиака, имеющиеся в газовом потоке, который поступает из трех предыдущих аппаратов диссоциации.
Войдя в канал Еб, газы проходят через раствор Sa, который удерживает остаточную часть аммиака. Полностью диссоциированные газы (H2+N2) проходят по центральному каналу 32, на конце которого предусмотрена диафрагма с улавливающей туман сеткой 33, и поток Uf газов Н2 и N2 идет на выход, свободный от влаги и готовый к подаче в топливные элементы.
Таким образом, обеспечивается возможность производить электрическую энергию с выходом от 60% до 70% и приводить в действие двигатель привода с регулируемым числом оборотов, с
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
кпд свыше 90%, что позволяет достигать общего кпд системы привода в размере 55% (примерно вдвое превышающего кпд превращения на тепловых двигателях).
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
ИЗМЕНЕННАЯ ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ, ПРЕДЛОЖЕННАЯ ЗАЯВИТЕЛЕМ ДЛЯ РАССМОТРЕНИЯ (Ст. 34 РСТ)
1. Аппарат для физико-химического разложения жидкого аммиака (хранящегося в резервуарах в жидком состоянии под давлением 10-12 бар), на составные элементы - азот и водород в газообразном состоянии - с помощью трех устройств (Аг, Вг, и Сг) , установленных последовательно, через которые пропускается поток газообразного аммиака и из которых первые два (Аг, Вг) предназначены для проведения термокаталитической реакции, а третий (Сг) представляет собой микроволновый резонатор.
2. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя абсорбционный газоочиститель (Dr), предназначенный для улавливания возможных следов NH3, оставшихся в потоке газа на выходе из микроволнового резонатора, прежде чем этот поток будет направлен потребителю.
3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что первый реактор (Аг) включает наружный корпус (10), в котором заключено внутреннее пространство в основном цилиндрической формы, где установлены снаружи к центру, изолирующий диффузор (6) с тангенциальным потоком, центральный полый корпус (4) цилиндрической формы и бронированное электрическое сопротивление (5), обогревающее изнутри упомянутый корпус (4).
4. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что изолирующий диффузор (6) - это вихревой диффузор из керамического материала, оснащенный множеством тангенциальных впускных отверстий (6а) для газового потока, подвергающегося диссоциации.
5. Аппарат по п.З, отличающийся тем, что указанный полый центральный корпус (4) имеет многоугольное поперечное сечение и сильфонное продольное сечение так, что на его кожухе, на который направляется поток подвергаемого диссоциации аммиака, образован ряд пирамидальных выступов с направленными наружу вершинами.
6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что второй реактор (Вг) включает в себя наружный кожух (13), центральный канал (11), связанный снаружи с соединительным трубопроводом,
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
выходящим из первого реактора (Аг), и множество каталитических колец (16), наложенных друг на друга, которые расположены соосно вокруг указанного центрального канала (11).
7. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что узел каталитических колец (16) принимает радиально газовый поток, выходящий из центрального канала (11) с осевым выпуском и обогревается как изнутри, так и снаружи нагревательными средствами, установленными внутри центрального канала (11) и на наружном кожухе (13) реактора.
8. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что указанные средства включают в себя: полый цилиндрический корпус
(17) , установленный внутри центрального канала (11) и обогреваемый изнутри с помощью бронированного сопротивления
(18) , и ленточные электрические сопротивления, установленные на наружном кожухе (13).
9. Аппарат по п. 6, отличающийся тем, что каждое каталитическое кольцо (16) состоит из смеси окиси кобальта ( (СоО) от 15% до 55%, предпочтительно 30%) и окиси хрома (Сг20з от 45% до 85%, предпочтительно 70%) и опирается на сетку из нержавеющей стали.
10. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что микроволновый резонатор имеет направляющую трубу (22) с поперечным излучателем (24), и через него проходит продольно газовый поток, подвергающийся диссоциации.
11. Аппарат по п.10, отличающийся тем, что в направляющей трубе (22) размещены металлические провода {fi-n)i нагреваемые электрически и изолированные от металлической конструкции посредством фарфоровых опор (К).
12. Аппарат по пункту 11, отличающийся тем, что указанные провода fi_n заряжаются с высоким электрическим потенциалом, чтобы притягивать к проводам и ионизировать еще не диссоциированные молекулы Шз.
13. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что металлические провода (fi-n) расположены параллельно продольной оси направляющей трубы (22) в количестве от 4 до 4 00, предпочтительно от 25 до 64/ эти провода удалены друг от друга
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
с шагом (р), зависящем от длины (X.) микроволн.
14. Аппарат по п.п.З, 8 и 11, отличающийся тем, что провода резонатора и нагревательные приборы (4, 17) выполнены из спеченного сплава способом термокатализа; при этом сплав имеет следующий состав: от 30% до 65% вольфрама, предпочтительно 50%; от 15% до 40% железа, предпочтительно 35%; от 3% до 12% кобальта, предпочтительно 6%; от 4% до 10% серебра, предпочтительно 5%; от 2% до 8% молибдена, предпочтительно 4%.
15. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что рабочая температура спеченного сплава, поддерживаемая в трех ступенях диссоциации, составляет от 250°С до 950°С, предпочтительно от 350°С до 850°С, еще более предпочтительно от 550°С до 650°С, наиболее предпочтительно 600°С.
16. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что провода резонатора изолированы от его торцевых крышек посредством фарфоровых опор (К).
17. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что значение напряжения электрического поля, создаваемого в пучке проводов (fi-n) резонатора, составляет от 300 кВ до 0,3 кВ, предпочтительно 15 кВ.
18. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что газоочиститель (Рг) , установленный после реакторов термической диссоциации, включает в себя закрытый резервуар (28), в котором имеется впускной канал (Еб) для потока газа из реактора (Сг); этот канал оснащен обратным клапаном (30) с рабочим давлением (р) топливных элементов, и центральный канал (32) с нижним отверстием (34), выходящим в раствор Sa, способный улавливать даже минимальные остаточные количества аммиака, имеющиеся в газовом потоке, который поступает из трех предыдущих аппаратов диссоциации.
19. Аппарат по предыдущему пункту, отличающийся тем, что впуск газового потока осуществляется перпендикулярно кожуху резервуара, а газы, очищенные сеткой улавливания тумана(33), выпускаются вдоль осевого центрального канала (32).
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА
10-1
20. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что значение рабочего давления составляет от 20 до 1 бар, предпочтительно от 12 до 4 бар, более предпочтительно 8 бар.
По доверенности
ИЗМЕНЕННАЯ СТРАНИЦА