сплав на основе алюминия для генерирования водорода, способ его получения и газогенератор водорода

Формула изобретения

1. Сплав на основе алюминия, предназначенный для получения водорода, содержащий алюминий и добавку, разрушающую окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой, отличающийся тем, что в качестве добавки он содержит обезвоженный гидроксид щелочного металла в весовом количестве до 10% или обезвоженный гидроксид щелочного металла и медь до 5% так, что в сумме этот сплав содержит эти добавки до 10%.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве обезвоженного гидроксида щелочного металла сплав содержит обезвоженный гидроксид натрия, лития или калия.

3. Способ получения сплава по любому из пп.1 и 2, заключающийся в том, что обезвоженный гидроксид щелочного металла помещают на дно тигля, а сверху размещают алюминий и при необходимости медь, плавку ведут в индукционной печи в вакууме при 0,2-0,5 атм или в защитной атмосфере инертного газа, сначала расплавляют гидроксид щелочного металла и в его расплаве при температуре выше 660°С плавят алюминий и при необходимости медь.

4. Газогенератор водорода, содержащий реактор, отличающийся тем, что реактор выполнен в виде теплообменника, в котором пластины или трубки изготовлены из сплава по любому из пп.1 и 2, промежутки между пластинами или трубками заполнены водой.

5. Газогенератор водорода по п.4, отличающийся тем, что для регулирования процесса газовыделения он содержит магистраль с насосом и ресивером воды и водорода и трубопроводом для слива воды в магистраль между насосом и ресивером.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к областям энергетики и экологии. По данному изобретению получают сплав на основе алюминия, предназначенный для получения водорода при реакции с водой. При этом полученный водород используют, например, в двигателях внутреннего сгорания, работающих на водородном топливе, что дает абсолютно экологически чистый выхлоп отработанных газов.

Известен сплав, содержащий алюминий, галлий, индий, олово, предназначенный для получения водорода при реакции его с водой (см. авт. свид. SU № 535364, опубл. 15.11.1976).

Недостатками данного сплава являются, во-первых, дороговизна индия и галлия (200 тыс. руб./кг) и ничтожно малое их содержание в земной коре (стотысячные доли %), т.е. предполагать промышленное производство и применение таких сплавов весьма проблематично. Во-вторых, множество подобных сплавов изготовляют путем спекания порошков, т.к. растворимость многих металлов в алюминии при их сплавлении имеет ограниченный характер. Но спекание приводит к тому, что при реакции с водой сплав буквально рассыпается на глазах и дальше реакция идет совершенно неупорядоченно, т.е. довольно быстро выходит на максимум по газопроизводительности, а затем идет медленный (десятки минут) спад до нуля, т.е. осуществить дозированную подачу водорода, например, в двигатель технически очень сложно и будет связано с лишними объемами и устройствами. К тому же к.п.д. подобного процесса (по газовыделению) в лучшем случае составит 60%.

Известен газогенератор водорода, выполненный в виде двух баков, размещенных в багажнике “Москвича-412”. В баки засыпался активированный алюминий и заливался раствором щелочи, после чего начинался процесс выделения водорода (см. книгу Варшавского И.Л. Энергоаккумулирующие вещества, из-во “Наукова думка”, 1980, с.101-105). Недостатком подобных газогенераторов является сильная зависимость от состава воды. Так переход от водопроводной воды одного района к водопроводной воде другого района на одном и том же образце индиево-галлиево сплава газопроизводительность изменяется в два раза, а переход от дистиллированной воды к водопроводной - в 3,5 раза.

Задачей изобретения является создание дешевого сплава на основе алюминия, у которого отсутствуют все вышеуказанные недостатки, предлагается способ создания этого сплава и газогенератор водорода на этом сплаве.

Поставленная задача достигается сплавом на основе алюминия, способом его получения и газогенератором водорода.

Сплав, предназначенный для получения водорода, содержит алюминий и добавку, разрушающую окисную пленку при взаимодействии с водой. В качестве добавки он содержит обезвоженный гидроксид щелочного металла в весовом количестве до 10% или обезвоженный гидроксид щелочного металла и медь до 5%, так, чтобы в сумме этот сплав содержал эти добавки до 10%.

В качестве обезвоженного гидроксида щелочного металла сплав содержит обезвоженный гидроксид натрия, лития или калия.

Способ получения вышеуказанного сплава заключается в том, что обезвоженный гидроксид щелочного металла помещают на дно тигля, а сверху размещают алюминий и, при необходимости, медь, плавку ведут в индукционной печи в вакууме при 0,2-0,5 атм или в защитной атмосфере инертного газа, сначала расплавляют гидроксид щелочного металла и в его расплаве при температуре выше 660°С плавят алюминий и, при необходимости, медь. Плавку ведут при перемешивании за счет индукционных токов печи.

Газогенератор водорода содержит реактор. Реактор выполнен в виде теплообменника, в котором пластины или трубки изготовлены из вышеописанного сплава на основе алюминия. Промежутки между пластинами или трубками заполнены водой. Для регулирования процесса газовыделения газогенератор водорода содержит магистраль с насосом и ресивером воды и водорода и трубопроводом для слива воды в магистраль между насосом и ресивером.

Плавку производят в индукционной печи в вакууме или в среде инертного газа, т.к. обезвоженный гидроксид натрия обладает значительной гигроскопичностью и в противном случае (при недостатке вакуума или отсутствии инертной атмосферы) при плавке были отмечены небольшие вспышки. При соблюдении перечисленных условий вспышки отсутствовали (Опытные плавки проводились в Институте высоких температур РАН). Хорошая смешиваемость при сплавлении обезвоженного гидрооксида натрия с алюминием заложена в их физических и химических свойствах.

Обезвоженный гидроксид натрия в отсутствии воды и значительного количества оксида алюминия в химическую реакцию с алюминием не вступает. Гидроксид натрия начинает плавиться при 322°С и находится в расплавленном состоянии до 1378°С (температура кипения), ее плотность-2,13 г/см³. Поэтому плавка проводится следующим образом. В тигель на дно насыпают сначала обезвоженный гидрооксид натрия в количестве до 10%, а сверху размещают алюминий (чем больше гидроксида натрия в смеси, тем больше будем проигрывать в газопроизводительности и прочности сплава, из которого в дальнейшем будет изготавливаться лист, трубки, стержни и т.д.) Для увеличения скорости газовыделения в пределах выше рекомендованных 10% можно добавлять в сплав до 5% медь. К тому же медь хорошо растворяется в расплаве с алюминием.

Подобными свойствами обладают и другие обезвоженные гидроксиды щелочных металлов лития и калия (за исключением гидроксида кальция, т.к. он, разлагаясь при 580°С, выделяет воду, которая тут же вступает в реакцию с алюминием, образуя оксиды алюминия), поэтому вместо гидроксида натрия они тоже могут быть использованы при приготовлении алюминиевого сплава.

После расплавления гидроксида в ней тонут гранулы (куски алюминия) и процесс плавки алюминия идет уже в расплаве гидроксида. Как только алюминий расплавляется (температура свыше 660°С), начинается интенсивный процесс перемешивания за счет индукционных токов. Из полученного слитка был выточен цилиндрический образец. Стружка от этого образца была испытана на газопроизводительность. Полнота газовыделения (по сравнению с теоретической) составила 92%. Образец после испытаний имел золотистый цвет. Цилиндрический образец был подвергнут поперечной распиловке и вторично испытан на газовыделение. По всему поперечному сечению образца газовыделение было равномерным, о чем дополнительно говорил равномерный характерный золотистый окрас по всему поперечному сечению. Стружка и сам образец имели идеальную равномерную (гладкую) коррозию - без питтинга, язв и растрескиваний. Сама стружка по эластичности не уступала чистому алюминию, т.е. сплав вполне пригоден для изготовления тонких листов, трубок и т.п. для изготовления газогенераторов водорода, конструкция которых будет подобна конструкции трубчатых, слоистых (пластинчатых) и т.п. теплообменников.

Изобретение заключается в разработке состава алюминиевого сплава, который сам уже содержит в себе щелочь и при взаимодействии с любой водой (водопроводной, дистиллированной, речной, озерной и т.п.) разрушает окисную пленку алюминия, способа получения водорода и конструкции газогенератора водорода на основе этого сплава.

Состав сплава и способ его получения описаны выше. На чертеже приводится конструкция газогенератора на основе этого сплава со следующими позициями: 1 - трубчатый или пластинчатый газогенератор, 2 - ресивер воды и водорода, 3 - насос с регулируемой подачей воды, 4 - кран слива.

Устройство работает следующим образом. Вначале ресивер 2 заполняется обычной водой и в момент запуска двигателя вода при помощи насоса 3 подается в реактор 1, который устроен наподобие теплообменника, например, пластинчатого, только пластины 5 в нем сделаны из сплава алюминия с обезвоженным гидроксидом щелочного металла, в промежутках между ними протекает вода со скоростью 1±0,5 м/сек, которая при взаимодействии с пластинами 5 выделяет водород. Водород вместе с непрореагировавшей водой по трубопроводу поступает в ресивер 2, где как в сепараторе (из-за незначительной растворимости водорода в воде) отделяется от воды и поступает в верхнюю часть ресивера 2, откуда по трубопроводу - к потребителю, а вода по нижнебоковому трубопроводу через насос 3 возвращается в реактор 1. Процесс газовыделения регулируют подачей воды в реактор 1 через насос 3. Для полного прекращения подачи водорода установлен кран слива 4 к входу насоса 3 с полным выключением последнего.