Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО ВОДОРОДА

Изобретение относится к технологии получения высокочистого водорода, и может использоваться в топливных элементах для выработки электрической энергии. Применение способа позволяет продлить срок службы катализатора окисления водорода в топливном элементе путем снижения содержания таких примесей как H₂O, CO₂ и других.

Известен способ получения водорода с одновременным получением Al(OH)₃ и Al₂O₃ («Способ получения водорода» №2356830 С01В 3/08, приор. 26.06.2007), в котором водород получают взаимодействием H₂O и Al, легированного в расплавленном состоянии Bi или Pb, а затем диспергированного, что позволяет повысить эффективность способа без внешнего воздействия.

Недостатком способа является получение водорода, насыщенного парами воды (1,2 кг/м³ при t=25°C), с примесью газообразного CO₂ и других, которые отравляют платино-палладиевый катализатор, снижают характеристики топливного элемента, сокращают срок его эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности и заявляемому способу является способ получения водорода путем использования гидрореагирующей смеси (патент на изобретение №2338684 C01B 3/00, B22F 9/20, В82В 1/00, опубл. 20.11.2008). Сущность изобретения заключается в смешении нанопорошка алюминия с водой и последующем добавлении гранулированного гидроксида натрия в суспензию.

Недостатком способа является неравномерность выделения водорода, связанная с протеканием гетерогенной реакции на поверхности гранул гидроксида натрия, что затрудняет управление процессом. Кроме того, недостатком способа является получение водорода также насыщенного парами воды (1,2 кг/м³ при t=25°C) с примесью CO₂ и других газов, которые отравляют платино-палладиевый катализатор, снижают характеристики топливного элемента, сокращают срок его эксплуатации.

Основной технической задачей изобретения является получение высокочистого водорода за счет повышенной диффузионной способности водорода при нагревании. Решение основной технической задачи достигается тем, что проводят термохимическое окисление алюминия водой, полученный горячий водород пропускают через слой пленки сверхвысокомолекулярного полиэтилена при давлении 1 атм. В результате односторонней диффузии только молекул водорода получают высокочистый водород.

Пример.

Согласно термохимическому уравнению реакции окисления алюминия водой, при взаимодействии алюминия с водой выделяются тепло и молекулярный водород, то есть температура воды будет расти по мере выделения водорода. Следовательно, скорость роста температуры воды пропорциональна величине скорости выделения водорода. В тоже время, скорость тепловыделения на границе раздела оксид-металл, согласно химической реакции будет равна:

где V - скорость реакции; U - объем реагирующего слоя (граничный слой между металлом и оксидно-гидроксидной оболочкой), ΔH - энтальпия химической реакции.

Скорость отвода тепла от реагирующего слоя через оксидно-гидроксидную оболочку пропорциональна разности температур в объеме реагирующего слоя Т и в окружающей среде Т₀:

где α - коэффициент теплоотдачи оксидно-гидроксидной оболочки; S - поверхность теплоотвода.

Для повышения температуры в объеме гидрореагирующего слоя необходимо выполнение условия:

,

Рост температуры в промежуточном слое будет продолжаться до достижения максимальной температуры T_max, т.е. до установления теплового равновесия:

,

Приравнивая правые части уравнений (1) и (2)получаем:

V|ΔН|U=αS(T_max-T₀),

откуда:

.

Анализ полученного выражения показывает, что с повышением скорости и теплового эффекта реакции, а также с увеличением реакционного объема величина T_max растет, тогда как увеличение коэффициента теплоотдачи α и поверхности теплоотвода снижают T_max. Температура окружающей среды Т₀ входит как аддитивная составляющая в значение T_max. Оценить максимально достигаемую температуру T_max можно по фазовому и химическому составу образующихся в объеме реагирующего слоя продуктов реакции.

Экспериментально показано, что с ростом температуры воды температура водорода, образующегося в зоне реакции повышается от 90 до 400°C. Образуется «горячий водород», имеющий высокую проникающую способность.

Для проведения экспериментов была собрана лабораторная установка. На фиг.1 представлена схема установки: 1 - V-образная трубка-манометр; 2 - соединительные шланги; 3 - колбы Вюрца; 4 - термометр; 5 - трубка с пленкой сверхвысокомолекулярного полиэтилена; 6 - делительная воронка.

Был взят нанопорошок алюминия, полученный при помощи электрического взрыва проводника в среде газообразного аргона. Среднеповерхностный диаметр частиц - 120 нм, распределение частиц по диаметру - нормально-логарифмическое в интервале 80-500 нм, насыпная плотность - 0,22 г/см³, содержание адсорбированных газов и воды - до 6% (мас.)

Компоненты гидрореагирующей смеси - порошок «АСД-1» крупностью 80 мкм, нанопорошок алюминия крупностью частиц 70÷120 нм, а также гранулированный гидроксид натрия крупностью 1,0÷2,5 мм в массовых соотношениях 70:26:4, при постоянном перемешивании одновременно добавляют в воду комнатной температуры (21÷23°C).

Молекулы воды и газообразна примесь CO₂ и другие примеси имеют гораздо больший диаметр и более низкую температуру, чем молекулярный водород, и поэтому не проникают через мембрану из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Попытки использования полиэтилена высокого давления (ПЭВД) не дали положительных результатов, так как обычный полиэтилен имеет низкую прочность при небольшом нагревании.

В результате реакции алюминия с водой происходит выделение водорода и рост температуры жидкости. На пороге температурного показателя 40°C и давления 1,3 атм. происходит плавное снижение давление, что свидетельствует о прохождении водорода через слой пленки. На фиг.2 представлена зависимость давления от температуры воды во время реакции нанопорошка алюминия с водой. Собранный в колбе водород отбирали в специальную емкость для проведения анализа. Результаты хроматографического анализа полученного исходного водорода и прошедшего водорода через мембрану из сверхвысокомолекулярного полиэтилена показали, что если исходный водород содержал 2,1 г/л (6,3%) H₂O, <1×10^-5% CO₂, то после прохождения через мембрану содержание примесей суммарно составило <1×10^-6%. Измерения содержания газов проводилось в научно-аналитическом центре национального исследовательского Томского политехнического университета на масс-спектрометре TRACE DSQ.