RU2333294C2 - Синтез гидрида кальция в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция - Google Patents
Синтез гидрида кальция в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция Download PDFInfo
- Publication number
- RU2333294C2 RU2333294C2 RU2006124927/15A RU2006124927A RU2333294C2 RU 2333294 C2 RU2333294 C2 RU 2333294C2 RU 2006124927/15 A RU2006124927/15 A RU 2006124927/15A RU 2006124927 A RU2006124927 A RU 2006124927A RU 2333294 C2 RU2333294 C2 RU 2333294C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- reactor
- calcium
- temperature
- oxygen
- Prior art date
Links
- CSDQQAQKBAQLLE-UHFFFAOYSA-N 4-(4-chlorophenyl)-4,5,6,7-tetrahydrothieno[3,2-c]pyridine Chemical compound C1=CC(Cl)=CC=C1C1C(C=CS2)=C2CCN1 CSDQQAQKBAQLLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 44
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 42
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L calcium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 title claims abstract description 33
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 29
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 107
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 107
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 94
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 46
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910001861 calcium hydroxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 16
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 abstract description 12
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 150000004681 metal hydrides Chemical class 0.000 abstract description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007888 film coating Substances 0.000 abstract 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 abstract 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 19
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 14
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 13
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000000047 product Substances 0.000 description 11
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 11
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 7
- -1 titanium hydride Chemical compound 0.000 description 5
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 2
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 2
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 1
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 230000005592 electrolytic dissociation Effects 0.000 description 1
- 239000011532 electronic conductor Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910000000 metal hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004692 metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 239000012255 powdered metal Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910000048 titanium hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Изобретение относится к химии гидридов металлов и может быть использовано, например, для аккумулирования водорода в химически связанном состоянии. Гидроксид кальция, помещенный в реактор, нагревают до температуры 860°С за счет пропускания по трубам, размещенным во внутреннем объеме реактора, теплоносителя, являющегося продуктом окисления водорода кислородом в водородной горелке, температура водородного факела на выходе из которой достигает 2600°С, производят многократное впрыскивание в реактор через форсунки воды, нагретой в камере с водородной горелкой до температуры не менее 860°С, с образованием высокотемпературного водяного пара, подключают к источнику постоянного электрического тока клеммы катода, функцию которого выполняют стенки реактора, и клеммы анода, функцию которого выполняет твердооксидная сплошная пленка, нанесенная на заглушенную снизу полую трубу с множеством сквозных отверстий в стенках, предназначенных для выхода во внутреннюю полость трубы кислорода, абсорбированного твердооксидной пленкой, и осуществляют высокотемпературный электролиз водного раствора гидроксида кальция с образованием гидрида кальция у внутренних поверхностей стенок реактора. Способ позволяет синтезировать гидрид кальция в качестве надежного и безопасного хранилища химически связанного водорода. 1 ил.
Description
Изобретение относится к химии гидридов металлов, в частности к способам их получения методом прямого взаимодействия водорода с атомами металлов, и может быть использовано, например, для аккумулирования водорода в химически связанном состоянии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ получения гидридов путем гидрирования металлов при высоких температурах в атмосфере водорода в течение 1-12 часов (1).
Известны аккумуляторы водорода с капсулами, заполненными порошкообразным металлом, который способен поглощать и отдавать водород (2). Известен способ получения гидридов переходных металлов, в частности гидрида титана (3), который включает: прессование порошка титана дисперсностью 0,5-1,5 мм в виде таблеток, размещение их в герметичном водоохлаждаемом реакторе; вакуумирование реактора до достижения давления в 1 Па; заполнение реактора водородом до давления 1-5 атм. (0,1-0,5 МПа); локальное инициирование горения с помощью вольфрамовой проволоки, находящейся в контакте с металлом; развитие самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и извлечение готового продукта. Основным недостатком способа (3) является высокая себестоимость при низкой производительности (не более 0,5 кг за один эксперимент). Кроме этого, продукт синтеза представляет собой сильно спеченный материал и требует дополнительного длительного помола для его измельчения. Для длительного хранения водорода в химически связанном состоянии разработан способ приготовления гидрида ванадия (4), по которому термическую обработку ванадия перед подачей к нему изотопов водорода проводят при 593-793 К, в процессе нагрева до температуры термической обработки и во время ее давление остаточных газов в камере поддерживают не выше 1,3 Па, и процесс взаимодействия ванадия с водородом производят при давлении от 300000 до 1000000 Па. Наиболее близким решением к заявляемому является «Электрическая печь для производства гидрида кальция» по патенту GB 176354 A (ALBIN KIESEWALTER) от 11.01.1923 года (5), в описании к которому раскрыт способ ввода водорода и оксида кальция во внутренний объем печи, где при температуре горящей электрической дуги осуществляется синтез гидрида кальция. Основным недостатком прототипа (5) является то обстоятельство, что для осуществления синтеза гидрида кальция в печь необходимо вводить не только ту массу водорода, которая требуется для гидридизации кальция, но также и дополнительную массу водорода, расходуемую на восстановление кальция из оксида кальция. Все указанные способы аккумулирования водорода путем химического связывания его в гидридах металлов требуют применения водорода и ценных металлов, при производстве которых уже осуществлены большие затраты ресурсов, а кроме этого известные технологии гидридизации металлов требуют применения сложнейшего оборудования, способного обеспечить выполнение необходимых технологических операций как при сверхнизких, так и при высоких давлениях.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Синтез гидрида кальция в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция происходит в реакторе, где поддерживают высокую температуру, а самокомпримирующийся водород реагирует с кальцием. Для иллюстрации сущности процессов, в ходе которых может быть получен водород не только при электролизе водного раствора гидроксида кальция, но также и без затрат электроэнергии на осуществление электролизного процесса, на чертеже изображена блок-схема комплектов оборудования для синтеза гидрида кальция (при двух и более комплектах, в одном из них готовый гидрид кальция). Батарея топливных элементов 1 соединена трубами 2 с ресивером 3, предназначенным для хранения запаса водорода, и трубами 4 с ресивером 5, в котором должен храниться запас кислорода. Трубы 6 предназначены для отвода продуктов окисления водорода кислородом, образующихся при выработке электроэнергии в топливных элементах, в магистральный трубопровод 7, по которому эти продукты транспортируют в резервуар 8. Насос 9 предназначен для создания напора воды, которую по трубам 10 подводят к форсункам 11, размещенным в днище 12 реактора 13. На днище 12 опирается своим заглушенным концом труба 14, имеющая в стенках множество сквозных отверстий 15, предназначенных для пропуска во внутреннюю полость трубы 14 кислорода, который абсорбируется твердым электролитом 16, нанесенным на наружную поверхность трубы 14. Труба 14 за пределами реактора 13 соединена с герметичным патрубком 17, предназначенным для транспортирования кислорода из внутренней полости трубы 14 в сборник кислорода 18, с помощью которого поддерживают расчетное давление кислорода во внутренней полости трубы 14. Сборник кислорода 18 соединен трубой 19 с ресивером 5. Во внутреннем объеме реактора 13 размещены трубы 20, металлические стенки которых должны передавать тепловую энергию от теплоносителя к веществам внутри реактора. В случае использования в качестве теплоносителя водяного пара для его транспортирования в высокотемпературный электролизер 21 известной конструкции предназначены трубы 22. Для вывода образующихся продуктов электролиза: кислорода в накопитель 23, а водорода в накопитель 24 - предназначены соответственно трубы 25 и 26. Для транспортирования кислорода из накопителя 23 к водородной горелке 27 предназначены трубы 28, а для транспортирования водорода из накопителя 24 к горелке 27 предназначены трубы 29. Часть трубы с водой 10 проходит через камеру 30, внутри которой размещена водородная горелка 27. Трубы 31 предназначены для транспортирования водорода из реактора 13 в сборник водорода 32. Для транспортирования избыточного объема водорода из сборника 32 в ресивер 3 предназначены трубы 33. Для подключения к источнику постоянного электрического тока слоя твердого электролита 16, размещенного на наружной поверхности трубы 14 и являющегося анодом при осуществлении электролизного процесса в реакторе, предназначены клеммы 34, а для подключения к источнику постоянного электрического тока внутренней поверхности металлических стенок 35 реактора 13, которые являются катодом при осуществлении электролизного процесса в реакторе, предназначены клеммы 36.
Функционирование комплектов оборудования для получения водорода проиллюстрировано на примере электролиза гидроксида кальция. В процессе подготовки комплектов оборудования к работе загружают во внутреннюю полость каждого реактора 13 химически чистый гидроксид кальция и осуществляют нагрев его до температуры 860 градусов по Цельсию за счет пропуска по трубам 20 теплоносителя - водяного пара, являющегося продуктом окисления водорода кислородом в водородной горелке 27. В связи с тем, что температура водородного факела на выходе из водородной горелки 27 достигает 2600 градусов по Цельсию, водяной пар, пропущенный по трубам 20 в качестве теплоносителя, на входе в трубы 22 имеет температуру не менее 860 градусов по Цельсию и может быть использован в качестве готового электролита для высокотемпературного электролизера 21. Известные конструкции высокотемпературных электролизеров (8), которые предназначены для разделения водяного пара на водород и кислород, имеют наиболее экономичные показатели работы при вводе в них электролита в виде водяного пара при температуре 850 градусов по Цельсию. В процессе электролиза такого электролита образуется кислород и водород. Кислород из электролизера 21 транспортируют по трубам 25 в накопитель 23, а водород - по трубам 26 в накопитель 24. Для питания горелки 27 дозированные порции водорода транспортируют из накопителя 24 по трубам 29, а порции кислорода, масса которых должна быть в 8 раз больше массы каждой порции водорода, транспортируют из накопителя 23 по трубам 28. В массу гидроксида кальция, нагретую до температуры 860 градусов по Цельсию, впрыскивают расчетные порции воды через форсунки 11 для барботажа образующегося водного раствора гидроксида кальция с целью достижения однородной концентрации получаемой щелочи. В связи с тем, что воду, предназначенную для впрыскиваемая в реактор, нагревают до температуры не менее 860 градусов по Цельсию во время нахождения ее в участке трубы 10, размещенном в пределах камеры 30, внутри реактора в атмосфере высокотемпературного водяного пара происходит разрушение молекул гидроксида кальция с наименьшими затратами энергии. Молекулы гидроксида кальция диссоциируют на ионы в соответствии с законами теории электролитической диссоциации (6): положительно заряженные ионы кальция и отрицательно заряженные гидроксид-ионы. В обзоре исследований (6) приведено утверждение о том, что «...диссоциация электролита на ионы большей частью не связана с заметным выделением или поглощением тепла, поэтому небольшие изменения температуры обычно мало на ней сказываются, а диссоциация воды идет со значительным поглощением тепла: 
; при нагревании степень диссоциации воды сильно увеличивается...». В описываемом реакторе дополнительную тепловую энергию, необходимую для диссоциации воды в составе щелочи, передают через стенки труб 20 за счет пропуска внутри них высокотемпературного теплоносителя в виде водяного пара. При подаче на клеммы 34 и 36 постоянного электрического тока в электропроводящей массе высокотемпературного водного раствора гидроксида кальция (щелочи) осуществляются электролизные процессы: ионы кальция движутся к поверхностям стенок 35 реактора 13, как к катоду, а гидроксид-ионы притягиваются поверхностью твердого электролита 16, как анодом. Твердый электролит 16 известного состава (7), например, из циркония, стабилизированного кальцием (Zr0,89Ca0,11 О1,89), абсорбирует атомы кислорода из гидроксид-ионов, дошедших до его поверхности, в результате чего из гидроксид-ионов высвобождаются атомы водорода, которые в ходе электрохимического взаимодействия с атомами кальция во внутреннем объеме реактора образуют молекулы гидрида кальция в соответствии с известным химическим уравнением (8):
Са+Н2=СаН2.
В ходе электролизных процессов, протекающих внутри реактора 13, только часть выделившегося водорода может вступить в химическую реакцию с кальцием при образовании гидрида кальция. Так, например, при вводе в реактор воды массой 100 килограммов для барботажа находящегося в реакторе гидроксида кальция массой 100 килограммов в процессе электролиза щелочи массой 200 килограммов твердым электролитом анода абсорбируется 132,15 килограммов кислорода, а внутри реактора останется 54,05 килограммов кальция в атмосфере водорода массой 13,8 килограммов. Для гидрирования кальция массой 54,05 килограммов потребность в водороде составляет 2,6 килограммов, а избыточно полученный водород массой 11,2 килограммов самокомпримируется внутри реактора и остается в нем до тех пор, пока автоматические приборы контроля давления водорода в реакторе не приведут в открытое положение разобщительный кран, размещенный на входе в трубу 31 (на чертеже не показан, чтобы не затемнять его деталями оборудования известной конструкции) для того, чтобы часть избыточной массы водорода из реактора попала в сборник водорода. В связи с тем, что исследованиями, результаты которых опубликованы в (1), доказана необходимость поддержания давления в водородной атмосфере внутри реактора на уровне 1 бара для получения гидридов, «близких по своему составу к стехиометрическим», избыточный водород может быть выведен из реактора. Автоматические приборы контроля давления водорода в реакторе передают управляющий импульс на перевод разобщительного крана в закрытое положение в тот момент, когда давление водорода в реакторе снизится до расчетного, после чего водород из сборника 31 транспортируют в ресивер 3, откуда его расходуют по мере возникновения необходимости для питания топливных элементов. Одновременно со сбросом части избыточной массы водорода из реактора в сборник водорода автоматические приборы контроля давления кислорода во внутренней полости трубы 14 переводят в открытое положение разобщительный кран, размещенный на входе в патрубок 17 (на чертеже не показан во избежание затемнения его деталями оборудования известной конструкции), для выравнивания давления по обе стороны пленки твердого электролита 16, нанесенного на внешнюю поверхность трубы 14. После автоматического возврата в закрытое положение разобщительного крана кислород, прошедший через патрубок 17 в сборник 18, транспортируют в ресивер 5, откуда расходуют по мере возникновения необходимости для питания топливных элементов либо в других целях. После завершения электролизных процессов внутри реактора остается гидрид кальция в атмосфере водорода. С этого момента электролизный ток отключают и внутренний объем реактора охлаждают известными способами, например, путем пропуска по трубам 20 воды. Охлажденный гидрид кальция может храниться в реакторе для того, чтобы в любой момент можно было возобновить производство водорода за счет впрыскивания через форсунки 11 воды, масса которой составляет 85,74% массы гидрида кальция. Гидрид кальция взаимодействует в реакторе с водой в соответствии с известным уравнением:
СаН2+2H2O=Са(ОН)2+2H2.
В результате осуществления этой химической реакции выделяется водород, масса которого составляет 5,128% от общей массы гидрида кальция и воды, а остальные 94,872% от общей массы гидрида кальция и воды приходятся на остающийся в реакторе химически чистый гидроксид кальция, который будет использован для приготовления раствора гидроксида кальция (щелочи) в реакторе путем впрыскивания через форсунки 11 воды с целью подготовки реактора к осуществлению электролиза щелочи при возобновлении подачи постоянного электрического тока через клеммы 34 и 35.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На изображенной на чертеже блок-схеме компоновки оборудования, предназначенного для синтеза гидрида кальция, а также для накопления водорода и кислорода, используемых в качестве топлива и окислителя в батарее топливных элементов, и для получения водорода при прекращении подачи постоянного электрического тока чрез клеммы 34 и 35 цифрами обозначены части оборудования, имеющие существенное значение для его функционирования:
1 - батарея топливных элементов;
2 - трубы для соединения батареи топливных элементов с ресивером 3;
3 - ресивер, в котором накапливают водород в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция, а также при извлечении водорода из гидрида кальция при прекращении энергоснабжения оборудования;
4 - трубы для соединения батареи топливных элементов с ресивером 5;
5 - ресивер, предназначенный для хранения запаса кислорода, который получают в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция;
6 - трубы, предназначенные для отвода продуктов окисления водорода кислородом из топливных элементов в магистральный трубопровод 7;
7 - магистральный трубопровод для транспортирования продуктов окисления водорода кислородом в резервуар 8;
8 - резервуар, предназначенный для хранения запаса воды;
9 - насос, предназначенный для создания напора воды, впрыскиваемой в реактор;
10 - трубы, предназначенные для подачи воды из резервуара 8 в реактор;
11 - форсунки, предназначенные для ввода воды в реактор;
12 - часть днища реактора, электрически изолированная от остальной массы металлического корпуса реактора;
13 - реактор, представляющий собой герметичную емкость из прочного и жаростойкого металла, предназначенную для электролиза водного раствора гидроксида кальция, а также для хранения гидрида кальция (на чертеже показан в сечении плоскостью, проходящей через ось трубы 14);
14 - труба, заглушенная снизу, предназначенная для приема кислорода из водного раствора гидроксида кальция в процессе его электролиза;
15 - сквозные отверстия в стенках трубы 14, через которые кислород из массы твердого электролита попадает во внутреннюю полость трубы 14;
16 - слой твердого электролита известного состава, предназначенный для абсорбирования кислорода из водного раствора гидроксида кальция в процессе его электролиза;
17 - герметичный патрубок, предназначенный для транспортирования кислорода из внутренней полости трубы 14 в сборник кислорода;
18 - сборник кислорода, предназначенный для приема образующегося в процессе электролиза в реакторе кислорода, а также для поддержания расчетного давления кислорода во внутренней полости трубы 14;
19 - труба, предназначенная для соединения сборника кислорода 18 с ресивером 5;
20 - трубы, размещенные во внутреннем объеме реактора 13, предназначенные для пропуска внутри них теплоносителя - продуктов окисления водорода кислородом;
21 - электролизер, предназначенный для разделения продуктов окисления водорода кислородом после пропуска их внутри труб 20;
22 - трубы, предназначенные для транспортирования продуктов окисления водорода кислородом из труб 20 в электролизер 21;
23 - накопитель кислорода, предназначенный для приема из электролизера 21 кислорода, образующегося там в процессе электролиза высокотемпературного водяного пара;
24 - накопитель водорода, предназначенный для приема из электролизера 21 водорода, образующегося там в процессе электролиза высокотемпературного водяного пара;
25 - трубы, предназначенные для пропуска кислорода из электролизера 21 в накопитель 23;
26 - трубы, предназначенные для пропуска водорода из электролизера 21 в накопитель 24;
27- водородная горелка известной конструкции, предназначенная для осуществления процесса окисления водорода кислородом;
28 - трубы, предназначенные для транспортирования кислорода из накопителя 23 к водородной горелке 27;
29 - трубы, предназначенные для транспортирования водорода из накопителя 24 к водородной горелке 27;
30 - камера, внутри которой размещена водородная горелка и часть труб 10, предназначенных для подачи воды к форсункам 11;
31 - трубы, предназначенные для транспортирования водорода из реактора 13 в сборник водорода 32;
32 - сборник водорода, предназначенный для приема водорода из реактора при автоматическом открытии разобщительного крана на входе в трубу 31;
33 - трубы, предназначенные для транспортирования избыточного объема водорода из сборника водорода 32 в ресивер 3;
34 - клеммы, предназначенные для подключения к источнику постоянного электрического тока слоя твердого электролита 16, нанесенного на внешнюю поверхность трубы 14, который при осуществлении электролизного процесса водного раствора гидроксида кальция является анодом;
35 - внутренняя поверхность металлических стенок реактора 13, которые при осуществлении электролизного процесса водного раствора гидроксида кальция являются катодом;
36 - клеммы для подключения к источнику постоянного электрического тока катода.
Лучший вариант осуществления изобретения
Одним из основных вариантов осуществления изобретения является использование его при проектировании такого оборудования, которое предназначено для извлечения водорода и кислорода из водных растворов гидроксидов металлов, в частности из водного раствора гидроксида кальция, с одновременным синтезом гидридов металлов, в частности гидрида кальция, способного длительно сохранять водород в химически связанном состоянии. Полученный гидрид может оставаться внутри реактора до того момента, когда потребуется извлечь из него водород без затрат электроэнергии, для чего в реактор необходимо ввести воду, масса которой должна составлять 85,74% массы гидрида кальция. В результате взаимодействия гидрида кальция с водой образуется водород, масса которого составляет 5,128% от общей массы гидрида кальция и воды, а остальные 94,872% от общей массы гидрида кальция и воды приходятся на выпадающий в осадок гидроксида кальция, который будет использован для приготовления водного раствора гидроксида кальция (щелочи) при осуществлении очередного цикла электролиза в реакторе. Возможность повторного использования гидроксида кальция для осуществления электролизных процессов в реакторе создает условия для улучшения экономических показателей работы оборудования. Лучшим вариантом осуществления изобретения будет проектирование таких реакторов для электролиза водного раствора гидроксида кальция, конструкция которых позволит производить перегрузку синтезированного гидрида кальция из реактора в специальные водонепроницаемые контейнеры с целью длительного хранения его до возникновения необходимости извлечь водород из гидрида кальция. В этом варианте появляется реальная возможность использования всех избыточных электрических мощностей в энергосистемах в периоды спадов в потреблении электроэнергии для накопления запасов водорода, кислорода и гидрида кальция для того, чтобы в периоды пиковых нагрузок в энергосистемах вводить в работу дополнительные батареи топливных элементов с целью производства недостающей электроэнергии.
Синтезированный гидрид кальция, перегруженный из реакторов в специальные водонепроницаемые контейнеры, может также доставляться любыми видами транспорта в те регионы, в которых после извлечения из него водорода образующийся гидроксид кальция будет использован в качестве ценного попутного продукта, например, для известкования кислых почв, для использования в качестве наполнителя в производстве красок и в других химических технологиях.
Может оказаться перспективным направлением использование гидрида кальция в качестве надежного и безопасного хранилища химически связанного водорода, предназначенного для питания топливных элементов на транспортных средствах, например на локомотивах железных дорог, где при включении между управляющими секциями локомотива специального подвижного состава (контейнеровоза для гидрида кальция массой 60 тонн и цистерны для воды массой 52 тонны) будет произведено 5700 килограмм водорода, при использовании которого в топливных элементах можно выработать 100000 киловатт-часов электроэнергии. При мощности непрерывно работающих энергетических установок локомотива 5000 киловатт топливные элементы локомотива обеспечат питание их электроэнергией за счет полученного водорода в течение 20 часов. Такой запас хода локомотива с генерированием электроэнергии в батареях топливных элементов вместо генераторов, для вращения которых необходимы двигатели внутреннего сгорания, достаточен для размещения пунктов экипировки локомотивов через 500 километров, что позволяет сохранить систему тягового обслуживания движения поездов. В пунктах экипировки локомотивов необходимо перецепить управляющие секции к загруженному гидридом кальция контейнеровозу и цистерне с водой, а отцепленный от локомотива контейнеровоз, в котором находится 106,3 тонн гидроксида кальция, освобождают от гидроксида кальция и загружают 60 тоннами гидрида кальция в процессе подготовки его к очередному рейсу. В пустую цистерну, отцепленную от управляющих секций, наливают 52 тонны воды в процессе подготовки ее к очередному рейсу. Наличие необходимого количества контейнеровозов, а также специальных водонепроницаемых контейнеров позволит синтезировать гидрид кальция в периоды спада в потреблении электроэнергии в энергосистемах, обслуживающих пункты экипировки локомотивов, и за счет этого достигнуть снижения затрат на производство гидрида кальция.
Замечательные свойства гидрида кальция, как безопасного и надежного аккумулятора водорода, позволяют прогнозировать его использование в электромобилях при применении топливных элементов с твердым электролитом в виде тонкой пленки из стабилизированного диоксида циркония. Загруженный в электромобиль гидрид кальция массой 600 килограммов в сочетании с запасом воды общей массой 520 килограммов позволяет получить 57 килограммов водорода без затрат электроэнергии. Полученное количество водорода позволяет выработать не менее 1000 киловатт-часов электроэнергии. Этой электроэнергией можно обеспечить питание тяговых электродвигателей электромобиля общей мощностью 100 киловатт при непрерывном движении на подъем в течение 10 часов. За это время электромобиль проедет около 600 километров. Такой пробег между пунктами заправки гидридом кальция может оказаться привлекательным стимулом для широкого распространения электромобилей в мире.
В случаях затруднений со строительством газопроводов и линий для электроснабжения новостроящихся домов усадебного типа может оказаться конкурентоспособным вариант замены дорогостоящей транспортировки электроэнергии и газа в эти пункты на выработку водорода из гидрида кальция для питания топливных элементов. Например, при годовом расходе электроэнергии в 100000 киловатт-часов достаточно привезти к усадьбе 60 тонн гидрида кальция, из которого при добавлении 52 тонн воды можно получить 5700 килограмм водорода и обеспечить питание им топливных элементов, вырабатывая в каждый период суток ровно столько электроэнергии, сколько ее требуется для своих электроприборов, а 106,3 тонн гидроксида кальция, который образуется в течение года, можно использовать в качестве ценного известкового удобрения почвы.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Синтез гидрида кальция в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция происходит в реакторе потому, что для соединения атомов кальция и водорода в молекулы гидрида кальция созданы все необходимые условия:
1) температура внутри реактора, где происходит химическая реакция, поддерживается на уровне не ниже 860 градусов по Цельсию за счет тепловой энергии, которую отдает стенкам нагревательных труб 20 водяной пар, имеющий на входе в трубы 20 температуру 2600 градусов по Цельсию, а после выхода из труб 20 этот водяной пар попадает на вход в высокотемпературный электролизер, предназначенный для получения водорода и кислорода, используемых для питания водородных горелок 27. Конструкция высокотемпературных электролизеров была разработана в последней четверти 20 века. Например, в Институте электрохимии Уральского отделения Академии наук СССР в электролизерах с твердым электролитом из (ZrO2)0,9(Y2O3)0,1 в виде пленки толщиной 1 миллиметр при температуре 850 градусов по Цельсию получена плотность тока 3 килоампер на квадратный метр с расходом электроэнергии на выработку кубометра водорода 3,25 киловатт-час;
2) давление водорода, самокомпримирующегося в ходе электролизных процессов в реакторе за счет получения избыточных в сравнении с потребностью для гидридизации кальция масс водорода, поддерживают на расчетном уровне путем автоматизации управления приборами выпуска из реактора части масс водорода и кислорода.
Имеющиеся на земном шаре запасы карбоната кальция, из которого получают гидроксид кальция, практически неисчерпаемы и не требуют больших затрат на их добычу и переработку известными способами.
Источники информации
1. Мюллер В. Гидриды металлов, Атомиздат, 1973 г.,с.44-189.
2. Заявка Японии №61 - 29881, С01В 3/00.
3. Патент SU 552293, C01G 1/00 от 30.03.77 г.
4. Патент RU 2171784 С2, С01G 31/00, С01В 6/02, опубликован 10.08.01 г.
5. Патент GB 176354 A (ALBIN KIESEWALTER) от 11.01.1923 г.
6. Б.В.Некрасов Основы общей химии, том 1, изд.3 исправленное и дополненное, издательство Химия, 1974 г., с.171-187.
7. С.Ф.Пальгуев и др. Высокотемпературные оксидные электронные проводники для электрохимических устройств, М.: Наука, 1990 г., с.173-180.
8. И.А.Зубович Неорганическая химия, М.: Высшая школа, 1989 г., с.261.
Claims (1)
- Синтез гидрида кальция, отличающийся тем, что гидроксид кальция, помещенный в реактор, нагревают до температуры 860°С за счет пропускания по трубам, размещенным во внутреннем объеме реактора, теплоносителя, являющегося продуктом окисления водорода кислородом в водородной горелке, температура водородного факела на выходе из которой достигает 2600°С, производят многократное впрыскивание в реактор через форсунки воды, нагретой в камере с водородной горелкой до температуры не менее 860°С, с образованием высокотемпературного водяного пара, подключают к источнику постоянного электрического тока клеммы катода, функцию которого выполняют стенки реактора, и клеммы анода, функцию которого выполняет твердооксидная сплошная пленка, нанесенная на заглушенную снизу полую трубу с множеством сквозных отверстий в стенках, предназначенных для выхода во внутреннюю полость трубы кислорода, абсорбированного твердооксидной пленкой, и осуществляют высокотемпературный электролиз водного раствора гидроксида кальция с образованием гидрида кальция у внутренних поверхностей стенок реактора.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006124927/15A RU2333294C2 (ru) | 2003-11-24 | 2003-11-24 | Синтез гидрида кальция в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006124927/15A RU2333294C2 (ru) | 2003-11-24 | 2003-11-24 | Синтез гидрида кальция в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006124927A RU2006124927A (ru) | 2008-01-20 |
| RU2333294C2 true RU2333294C2 (ru) | 2008-09-10 |
Family
ID=39108378
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006124927/15A RU2333294C2 (ru) | 2003-11-24 | 2003-11-24 | Синтез гидрида кальция в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2333294C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2505739C2 (ru) * | 2012-03-06 | 2014-01-27 | Александр Иванович Голодяев | Зарядное устройство для водородных аккумуляторов из гидрида металлов с высокой степенью пассивирования (алюминий, титан, магний) |
-
2003
- 2003-11-24 RU RU2006124927/15A patent/RU2333294C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2505739C2 (ru) * | 2012-03-06 | 2014-01-27 | Александр Иванович Голодяев | Зарядное устройство для водородных аккумуляторов из гидрида металлов с высокой степенью пассивирования (алюминий, титан, магний) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006124927A (ru) | 2008-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11333069B2 (en) | Power generation systems and methods regarding same | |
| US3975913A (en) | Gas generator and enhanced energy conversion systems | |
| Gregory et al. | The hydrogen economy | |
| US7803349B1 (en) | Method and apparatus for hydrogen production from water | |
| US7594939B2 (en) | System for hydrogen storage and generation | |
| US10879552B2 (en) | Radical-ion battery and operation thereof | |
| EP3052433B1 (en) | A method of producing hydrogen | |
| CN103004000B (zh) | 包括用于生产氯酸钠的氯化钠电解器的用于生产和供应氢气和氯酸钠的系统 | |
| US20130115139A1 (en) | Compact, safe and portable hydrogen generation apparatus for hydrogen on-demand applications | |
| MX2008012464A (es) | Almacenamiento y transportacion de energia. | |
| Dinçer et al. | Hydrogen and fuel cell systems | |
| US20070207085A1 (en) | Power Systems Utilizing Hydrolytically Generated Hydrogen | |
| WO2007096857A1 (en) | A system for hydrogen storage and generation | |
| US9780398B1 (en) | Selectively locatable power generation system employing a water splitting process | |
| CN112786934A (zh) | 一种以甲醇为原料的磷酸燃料电池动力系统及其发电方法 | |
| RU2333294C2 (ru) | Синтез гидрида кальция в процессе электролиза водного раствора гидроксида кальция | |
| JP6130655B2 (ja) | 周期表第１、２族水素化物の製造方法、製造装置及びその使用方法 | |
| KR102198519B1 (ko) | 액상화합물 기반 발전 시스템 및 그 운전 방법 | |
| US10818951B2 (en) | Method and molten salt electrolytic cell for implementing a hydrogen fuel, sustainable, closed clean energy cycle on a large scale | |
| DE19523939A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung und Nutzbarmachung von Solar-, Wind- oder Wasserkraftenergie | |
| Kochański et al. | The technical and economical perspectives for the production and storage of hydrogen in Poland | |
| CN102971899B (zh) | 具有包括向电池提供氧气的氯酸钠分解反应器的燃料电池的电动交通工具 | |
| JP2005281716A (ja) | 電解発光装置、電解発光装置用電極、水素ガス発生装置、発電装置、コジェネレーションシステム、水素ガス発生方法、発電方法およびエネルギー供給方法 | |
| CN113921855A (zh) | 一种燃料电池动力系统及燃料电池电动船 | |
| CN208038034U (zh) | 一种基于铝储能的循环式可再生能源水解制氢系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151125 |