ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2265920

СИСТЕМА СНАБЖЕНИЯ ВОДОРОДОМ И МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

СИСТЕМА СНАБЖЕНИЯ ВОДОРОДОМ И МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

Имя изобретателя: СИМИЗУ Таку (JP); ИЙДЗИМА Масаки (JP); ХИРАНО Масахиро (JP); КОБАЯСИ Казуто (JP); ОГУТИ Акира (JP); КУРОДА Кенносуке (JP)  
Имя патентообладателя: МИЦУБИСИ ХЕВИ ИНДАСТРИЗ, ЛТД. (JP)
Адрес для переписки: 103735, Москва, ул. Ильинка, 5/2, ООО "Союзпатент", пат.пов. С.Б.Фелицыной
Дата начала действия патента: 2003.08.06 

Изобретение относится к системам снабжения водородом, которая используется для заправки автомобилей, работающих на топливных элементах. Согласно изобретению система снабжения водородом включает в себя пункт снабжения водородом и мобильную систему получения водорода, а полученный с помощью мобильной системы водород подают в пункт снабжения водородом. Техническим результатом изобретения является создание системы снабжения водородом с максимальным использованием существующей инфраструктуры.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к системе снабжения водородом и мобильной системе получения водорода, которые используются для автомобилей, работающих на топливных элементах, и для распределенных технических средств, работающих на топливных элементах.

В настоящее время ведутся активные разработки автомобилей, использующих в качестве источника энергии топливные элементы, и децентрализованной аппаратуры на топливных элементах. Например, автомобили, приводимые в действие топливным элементом, получающим водород из навесного резервуара, реализуют принцип, заключающийся в том, что в топливный элемент подают водород для получения электрической энергии, и полученной электрической энергией приводится в действие двигатель. Такой принцип обеспечения энергией применим ко всем транспортным средствам, включающим не только автомобили, движущиеся на четырех колесах, но также мотоциклы, идущие по рельсам поезда и т.п. Использование устройства, приводной механизм которого работает за счет энергии топливного элемента, позволяет достигнуть высокой эффективности потребления энергии, уменьшить выброс СО2 и почти исключить выброс NOX. Для окружающей среды выбросы CO2 и NOX представляют собой глобальную проблему.

В соответствии с одной из предложенных систем для автомобиля, приводимого в действие топливными элементами, в автомобиль поступает исходное вещество, предварительно не подвергнутое риформингу, и из этого вещества на самом автомобиле посредством риформинга получают водород, который можно использовать в топливном элементе. Однако представляется, что практическая реализация такой системы снабжения будет возможна через много лет, поскольку такая система обуславливает наличие ряда проблем, которые необходимо решить, таких как продолжительность времени, требуемого для запуска, приспособляемость к многочисленным запускам и остановкам, а также замерзание веществ в холодных районах. Поэтому представляется, что в настоящее время найдет широкое применение автомобиль, приводимый в действие с помощью топливного элемента, использующего водород, находящийся в навесном резервуаре под высоким давлением. Большой проблемой при широком применении автомобилей, работающих на топливных элементах, работающих за счет подачи водорода под высоким давлением из навесного резервуара, является разработка инфраструктуры для снабжения водородом (навесного резервуара автомобиля). Другими словами, в этом случае возникает проблема создания инфраструктуры, охватывающей большую зону действия и позволяющей при отсутствии указанных ограничений обеспечить водородом автомобили, работающие на топливных элементах. В настоящее время, как правило, разрабатывают инфраструктуру для снабжения водородом, которая может быть использована при реализации любого из трех нижеследующих способов:

(1) водород получают в больших количествах на заводе и т.п. и транспортируют к пунктам снабжения водородом (колонкам или станциям заправки водородом) в виде сжиженного водорода или водорода, находящегося под высоким давлением, используя для этого автоцистерну или подобное средство;

(2) водород получают в больших количествах на заводе и т.п. и транспортируют к пунктам снабжения водородом по трубопроводу;

(3) водород получают путем парового риформинга бытового газа или жидкого вещества (обессеренного лигроина, бензина, керосина, легкой фракции нефти, метанола и т.п.), используя риформинг-аппарат, установленный в пункте снабжения водородом.

Способ (1) имеет недостатки в части эффективности транспортирования автоцистерн, ограничений по расстоянию транспортирования, потерь в результате испарения вещества при транспортировании, стоимости транспортирования и тому подобного. Способ (2) требует широкомасштабного обеспечения, например новой укладки магистрального трубопровода и компрессора для подаваемого газа, так что случаи, в которых этот способ может быть применим, ограничены. Преимущество способа (3) состоит в том, что он дает возможность в высокой степени использовать существующую инфраструктуру, представляющую собой сеть трубопроводов для бытового газа и станции бензозаправки. Однако данный способ имеет и недостатки, заключающиеся в том, что риформинг-система является дорогостоящим устройством, и для ее размещения требуется большая площадь (т.к. система имеет большие размеры), а также в том, что такая система при ее работе и обслуживании, ввиду их сложности, требует использования высоких технологий, что затрудняет обеспечение безопасности персонала при обслуживании и работе системы.

Из вышеизложенного следует, что развитие инфраструктуры для снабжения водородом как основное условие широкого использования автомобилей, работающих на топливных элементах, связано с решением многих проблем, так что, как представляется, для широкого использования таких автомобилей потребуется значительное время.

В связи с описанной выше ситуацией настоящее изобретение предлагает систему снабжения водородом, которая обеспечивает возможность подачи водорода автомобилям, работающим на топливных элементах, и в распределенные технические средства, использующие топливные элементы, с максимальным использованием существующей инфраструктуры и использованием преимущества известного способа, согласно которому водород получают путем проведения парового риформинга бытового газа или жидкого вещества (обессеренного лигроина, бензина, керосина, легкой фракции нефти, метанола и т.п.) с помощью риформинг-системы, размещаемой в пункте снабжения водородом и, кроме того, решая проблемы высокой стоимости риформинг-системы, необходимости большой площади для размещения этого устройства, трудностей обеспечения безопасности персонала при обслуживании и работе системы, и другие подобные проблемы, которые являются недостатками известного метода.

Для решения поставленной задачи система снабжения водородом в соответствии с настоящим изобретением включает в себя пункт снабжения водородом и мобильную систему получения водорода и подает водород, производимый мобильной системой, в пункт снабжения водородом. Мобильной системой для получения водорода может быть система получения водорода, размещенная на подвижном кузове, перемещаемая с помощью такого подвижного кузова и тому подобного. Пункт снабжения водородом предназначен для снабжения водородом автомобиля, источником энергии которого служит топливный элемент, или распределенных технических средств, работающих на топливных элементах.

Система получения водорода должна быть небольших размеров с тем, чтобы размеры мобильной системы получения водорода позволяли ей передвигаться по дороге для общественного транспорта. В качестве риформинг-системы, предназначенной для использования в описанной выше мобильной системе, предпочтительно используется риформинг-система для получения водорода разделительного типа, например мембранная риформинг-система или риформинг-система такого типа, в которой осуществляют эффективный процесс отделения газа с помощью мембраны для отделения водорода. Риформинг-система такого типа является компактной и высокоэффективной, поскольку водород может быть извлечен непосредственно избирательным путем, без использования средства очистки, такого как СО-конвертер, процесса адсорбции, осуществляемого под регулируемым давлением, и сплава, абсорбирующего водород, в силу чего такая технологическая система приемлема для мобильных систем.

Производство водорода с максимальным использованием имеющейся инфраструктуры более эффективно в том случае, если могут быть использованы многие виды исходных веществ. Поэтому мобильная система для получения водорода предпочтительно выполнена с возможностью производства водорода при ее снабжении одним из двух или более возможных видов топлива. То есть предпочтительно, чтобы мобильная система для получения водорода была многотопливной. В качестве топлив, которые могут быть использованы как вещества для получения водорода, могут служить соединения на основе углеводородов, такие как бытовой газ, сжиженный нефтяной газ, керосин, бензин, легкие фракции нефти, и соединения на углеводородной основе в широком значении этого термина, которые включают в себя кислород, например метанол, этанол, диметиловый эфир. Выбор конкретного топлива зависит от экономических, региональных и социальных условий. Например, когда мобильная система для получения водорода перемещается в пределах большого числа регионов, в некоторых случаях она должна производить водород из различных исходных веществ, в зависимости от возможностей каждого региона. Следовательно, предпочтительно, чтобы мобильная система для получения водорода могла производить водород за счет ее снабжения различными веществами, включающими два или более вида исходных веществ.

Предпочтительно, чтобы перед мембранной риформинг-установкой был установлен десульфуризатор для удаления одоранта, содержащегося в бытовом газе, или же установка предриформинга, обеспечивающая однократное превращение содержащегося в топливе углеводорода в углеводородный газ, состоящий главным образом из метана. Кроме того, в случае использования метанола и т.п. предпочтительно устанавливают испаритель для испарения указанных веществ. С увеличением видов используемого оборудования функция системы в части использования различных видов топлива расширяется и за счет обеспечения некоторого количества оборудования мобильная система для получения водорода может быть приспособлена для двух или более видов топлив.

Предпочтительно мобильная система для получения водорода снабжена резервуаром с исходным веществом. При использовании для получения водорода мобильной системы используют схему, в соответствии с которой водород получают при подаче в систему исходного вещества в месте нахождения пункта снабжения водородом, и полученный водород направляют в пункт снабжения. Однако за счет наличия в мобильной системе резервуара с исходным веществом водород может быть получен заблаговременно, при движении системы, когда расстояние до пункта снабжения водородом велико, и поэтому время получения водорода может быть существенно сокращено. Водород, полученный во время передвижения, запасают в имеющиеся средства накопления. В качестве средств накопления могут быть выбраны водородный резервуар и накопитель водорода, снабженный сплавом, абсорбирующим водород. Кроме того, для зарядки резервуара водородом имеется компрессор для сжатия водорода.

В этом случае мобильная система для получения водорода снабжена приводным механизмом, использующим топливный элемент, и производит водород за счет снабжения ее исходным веществом из резервуара даже во время своего движения.

Для мобильной системы получения водорода в соответствии с настоящим изобретением в одном из ее воплощений пункты снабжения водородом размещают в двух или более местах, а мобильная система объезжает все эти пункты снабжения водородом или перемещается по направлению к ним.

Мобильная система получения водорода предпочтительно снабжена средством улавливания СО2, поскольку СО2 предпочтительно улавливать и повторно использовать для снижения ее выброса, что обеспечивает защиту окружающей среды от выброса СО2 . В этом случае предпочтительно, чтобы СО2 улавливалась за счет абсорбции с помощью абсорбента, имеющегося в мобильной системе получения водорода, и чтобы затем осуществлялась регенерация используемого абсорбента на станции регенерации абсорбента.

Извлеченную СО2 повторно используют в промышленности или связывают с образованием нелетучего соединения, что является одной из мер противодействия глобальному потеплению, и кроме того, иногда используют в деятельности, касающейся норм выбросов.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к мобильной системе получения водорода, которая характеризуется тем, что она включает средство получения водорода, включающее мембранную риформинг-установку, компрессор для сжатия водорода, резервуар для водорода, испаритель, резервуар с растворителем СО2 и резервуар с исходным веществом. Такую мобильную систему для получения водорода используют в предпочтительном воплощении системы снабжения водородом в соответствии с настоящим изобретением.

Вышеуказанные, а также другие задачи, аспекты и преимущества данного изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания предпочтительных воплощений данного изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:

СИСТЕМА СНАБЖЕНИЯ ВОДОРОДОМ И МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

Фиг.1 изображает блок-схему системы снабжения водородом согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения; фиг.2 - блок-схему пункта снабжения водородом и транспортного средства с размещенной на нем системой получения водорода, используемых в настоящем изобретении.

Фиг.3 - одно из воплощений мембранной риформинг-системы, используемой в данном изобретений, вид в перспективе в частичном разрезе; фиг.4 - блок-схему мобильной системы получения водорода, которая может быть использована в настоящем изобретении; фиг.5 - блок-схему мобильной системы получения водорода согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система снабжения водородом в соответствии с настоящим изобретением будет далее раскрыта со ссылками на варианты воплощения, показанные на чертежах.

На фиг.1 схематически показана схема одного варианта воплощения системы снабжения водородом в соответствии с данным изобретением.

Данная система снабжения водородом включает большое количество пунктов 100, 102, 104 и 106 снабжения водородом. По траектории, показанной пунктирной линией, перемещается транспортное средство, на котором размещено производство водорода (не показано).

На фиг.1 показаны четыре пункта снабжения водородом. Однако такое количество выбрано лишь для удобства объяснения, и пунктов снабжения может быть больше, чем показано на фиг.1, или меньше. Фиг.1 отображает воплощение изобретения, основанное на решении, согласно которому транспортное средство, на котором размещено производство водорода, периодически объезжает пункты снабжения. Однако конфигурация схемы может быть иной и соответствовать решению, в соответствии с которым мобильное транспортное средство, на котором размещено производство водорода, подъезжает к определенному пункту снабжения по выборочному требованию. В этом случае мобильное транспортное средство подъезжает к пунктам, рассредоточенным на большой площади, сразу же по получению требования.

Пункты снабжения водородом, обозначенные позициями от 100 до 106, могут использовать действующие станции бензозаправки. При этом получают водород и запасают его в водородном резервуаре во время подачи керосина или бензина к транспортному средству, на котором размещено производство водорода, от станции бензозаправки.

Пункты снабжения водородом, обозначенные позициями от 100 до 106, могут быть такими, что к мобильному транспортному средству, снабженному системой производства водорода, будут поступать разные виды различных веществ. В качестве топлив, которые могут служить исходными веществами, в дополнение к бытовому газу и керосину, соединениям на основе углеводородов, таким как бензин и дизельное топливо, могут быть использованы соединения на основе углеводородов, включающие кислород, например метанол, этанол и диметиловый эфир. За счет практического осуществления описанного ниже транспортного средства, на котором размещено производство водорода, представляющего собой мобильную систему получения водорода, снабженную риформинг-установкой, приспособленной для проведения риформинга многих видов топлива, указанное транспортное средство с размещенным на нем производством водорода может использовать в качестве исходного вещества различные топлива.

Кроме того, показанная на фиг.1 схема включает станцию 108 восстановления растворителя (абсорбента) СО2, а также средство 110 очистки растворителя СО2. Средство 110 очистки растворителя СО2 представляет собой базу регенерации растворителя СО2.

Далее будет описано функционирование системы снабжения водородом, выполненной так, как описано выше, в соответствии с воплощением изобретения, иллюстрируемым на фиг.1.

Транспортное средство, на котором размещено производство водорода, последовательно объезжает пункты снабжения водородом, от пункта 100 до пункта 106. При этом указанное транспортное средство останавливается у каждого из пунктов, от 100 до 106, и с помощью размещенной на нем системы производит водород, получая в то же время исходное вещество. Полученный водород запасается в водородном резервуаре, который установлен в каждом из пунктов снабжения водородом, от 100 до 106.

Размещенная на транспортном средстве система абсорбирует двуокись углерода (СО2), образующуюся в процессе получения водорода, с помощью растворителя СО 2, представляющего собой абсорбент, например амин. Растворитель СО2 восстанавливают на станции 108 восстановления растворителя CO2 и направляют на средство 110 очистки, обеспечивающее очистку растворителя СО2. Растворитель СО2 регенерируют в средстве 110, производящем очистку растворителя, и возвращают на станцию 108 восстановления растворителя СО2. Возвращенный растворитель СО2 вновь используют на транспортном средстве, снабженном системой получения водорода. Двуокись углерода, извлеченная из растворителя, имеет высокую чистоту, так что ее можно продавать как продукт.

Станция 108 восстановления растворителя СО2 и средство 110 очистки растворителя СО2 могут быть размещены в непосредственной близости друг от друга или же они могут входить в единое предприятие.

На фиг.2 представлено одно из воплощений транспортного средства с размещенным на нем производством водорода, которое может быть использовано в схеме снабжения водородом, показанной на фиг.1. Транспортное средство с размещенной на нем системой является одним из воплощений мобильной системы получения водорода. Фиг.2 иллюстрирует положение системы снабжения, при котором транспортное средство с системой получения водорода производит подачу водорода в пункт снабжения водородом.

Показанное транспортное средство 1, на котором размещено производство водорода, снабжено системой 2 получения водорода, размещенной в задней части на грузовой платформе. Система 2 получения водорода содержит размещенные в контейнере 8 мембранную риформинг-установку 3, испаритель 20, водородный компрессор 4, водородный резервуар 5, резервуар 6 с растворителем СО2 и резервуар с исходным веществом 7.

За счет использования мембранной риформинг-установки система 2 получения водорода может быть выполнена компактной и, таким образом, легко загружается на транспортное средство.

Заявителем настоящего изобретения ранее были предложены различные типы мембранной риформинг-установки, которая обеспечивает компактность системы получения водорода, способной быть легко погруженной на транспортное средство и т.д. (см., например, предварительную публикацию заявки на патент Японии №9-2805 (№2805/1997)).

Кроме того, в пункте 9 снабжения водородом транспортное средство 1, на котором размещено производство водорода, может получать бытовой газ 10, электрическую энергию и воду 11.

Транспортное средство 1 с размещенной на нем системой получения водорода, выполненное так, как описано выше, производит водород, используя мембранную риформинг-установку 3 при одновременном снабжении системы бытовым газом 10 и электроэнергией/водой 11. Испаритель 20 предназначен для подачи водяного пара, используемого в процессе парового риформинга бытового газа 10 (включающего предварительный риформинг). Полученный водород сжимают с помощью компрессора 4 и запасают в водородном резервуаре 5 или же в водородном резервуаре 12, установленном в пункте снабжения водородом 9. Двуокись углерода, образующаяся в процессе получения водорода, поглощается абсорбентом, например амином (растворитель СО2), находящимся в резервуаре 6 с растворителем СО2.

Пункт 9 снабжения водородом обеспечивает подачу водорода в автомобиль 14, использующий топливный элемент как источник энергии, с помощью заправочной колонки 13 высокого давления.

В показанном на фиг.2 воплощении транспортное средство 1 с размещенным на нем производством водорода снабжается бытовым газом. Однако бытовой газ содержит одорант. Поэтому этот одорант удаляют на стадии, предшествующей риформингу в риформинг-установке 3, с помощью десульфуризатора (не показан).

Кроме того, транспортное средство 1 с размещенной на нем системой выполнено с возможностью приспособления к поступающему исходному веществу. Например, оно снабжено установкой предварительного риформинга для осуществления одноступенчатого процесса превращения углеводорода, содержащегося в исходном веществе, в углеводородный газ, состоящий главным образом из метана.

На транспортном средстве 1 установлен резервуар с исходным веществом 7, и поэтому, когда расстояние до пункта 9 снабжения водородом велико, водород можно получать заранее, во время передвижения транспортного средства 1, за счет чего время производственного процесса может быть значительно сокращено. Кроме того, за счет обеспечения транспортного средства 1, на котором размещено производство водорода, приводом, использующим в качестве источника энергии топливный элемент, полученный водород может служить источником энергии для движения самого транспортного средства 1. В этом случае транспортное средство 1, кроме того, снабжено резервуаром для размещения запаса воды, необходимой для осуществления реакций парового риформинга. Водород, полученный при движении, накапливают в водородном резервуаре 5, который является средством хранения водорода. Для создания запаса водорода вместо водородного резервуара 5 может быть использовано средство, содержащее сплав, абсорбирующий водород.

Учитывая, что водород запасают в водородном резервуаре 5 указанным образом, транспортное средство 1, на котором размещено производство водорода, снабжено подвеской, позволяющей ограничить вибрацию системы 2 для получения водорода настолько, насколько это возможно.

Пункт 9 снабжения водородом снабжен датчиком утечек водорода или подобным средством (на фиг.2 не показано) с тем, чтобы в случае утечек водорода можно было принять необходимые меры для обеспечения безопасности.

На фиг.3 показано одно воплощение мембранной установки 3 риформинга. В такой риформинг-установке 3 перемешанные газообразное топливо и водяной пар вводят через патрубок 30 подачи вещества. Введенная смесь газов подвергается риформингу в присутствии слоя катализатора 31 процесса риформинга, в результате чего образуется газ, содержащий водород. Содержащийся в полученном газе водород проходит сквозь мембрану 33, пропускающую водород (элемент в виде мембраны), и вытекает из выходного патрубка 32. Кроме того, газ (СО2, СО, H2O, непрореагировавшее вещество), который не проходит через проницаемую для водорода мембрану 33, отводят через патрубок выхода остаточного газа и используют в установке в качестве топлива. Слой катализатора 31 процесса риформинга и мембрана 33 размещены во внутреннем цилиндре 34.

Мембранная риформинг-система 3 снабжена горелкой 36, установленной в центральном отверстии теплозащитной плитки 35. В горелке 36 сжигают горючий газ, вводимый через трубку 37 подвода горючего газа, вместе с воздухом, поступающим через трубку 38 подачи воздуха. В результате сжигания газовоздушной смеси к слою 31 катализатора риформинга подводится тепловая энергия, необходимая для проведения реакции парового риформинга и достаточная, чтобы поддерживать слой 31 катализатора риформинга при заданной температуре. Внутренний цилиндр 34 снаружи закрыт кожухом 39, а отходящий газ (продукты сгорания) выпускают через патрубок 40 выхода отходящего газа.

В данном воплощении риформинг-установки в качестве катализатора процесса риформинга может быть использован любой катализатор, который обычно применяют при получении из вышеуказанного исходного вещества водорода путем проведения парового риформинга. Для обеспечения возможности использования различных видов исходных веществ приемлем, например, катализатор на основе никеля или рутения, применяемый в случае углеводородного вещества, такого как бытовой газ, сжиженный нефтяной газ и бензин, а катализатор на основе меди/цинка или платины является подходящим для кислородсодержащего вещества, такого как метанол и метан (DME). Проницаемая для водорода мембрана 33 выполнена металлической и сквозь нее может проходить только полученный водород. Поскольку металлическая мембрана селективно пропускает только водород, то отделенный водород имеет чистоту до 99,999% и, следовательно, такой водород является весьма подходящим для использования в топливном элементе.

Кроме того, следует отметить, что полученный водород селективно отделяют от продукта реакции при помощи проницаемой для водорода мембраны 33, и парциальное давление водорода в продукте реакции снижается. Поэтому реакция протекает в направлении увеличения количества водорода, и в результате степень полноты реакции при той же температуре возрастает. Другими словами, хотя при проведении парового риформинга метана температура в зоне реакции должна быть около 800°С, такая же величина степени полноты реакции (соответствующая температуре 800°С) может быть реализована при температуре от 500 до 600°С, что достигается согласно данному изобретению путем использования мембраны 33, сквозь которую в мембранной риформинг-установке 3 проходит водород. Таким образом, поскольку за счет пропускания водорода через проницаемую для него мембрану 33 химическое равновесие можно сместить в направлении увеличения количества образующегося водорода, то температура реакции риформинга снижается до величины от 200 до 300°С. Тем самым достигается экономия тепла, необходимого для нагрева реакционного газа, и значительно повышается тепловая эффективность процесса. Кроме того, поскольку температура реакции низка, то для предлагаемой системы может быть использован недорогой материал, имеющий низкую термостойкость, и, следовательно, может быть снижена стоимость системы. Проницаемая для водорода металлическая мембрана имеет толщину от 5 до 50 мкм и установлена на слое пористого неорганического материала с тем, чтобы обеспечить избирательное прохождение через нее водорода. Слой пористого неорганического материала под металлической мембраной, проницаемой для водорода, служит основой для крепления и удержания металлической проницаемой для водорода мембраны и выполнен из пористого нетканого волокна, изготовленного из нержавеющей стали, из пористых керамики, стекла и тому подобного материала. Толщина пористой основы составляет от 0,1 мм до 1 мм. Кроме того, в качестве элемента, придающего конструкции прочность, предпочтительно используют проволочную сетку, состоящую из одного слоя или большого количества слоев. Лучше, чтобы проницаемая для водорода металлическая мембрана представляла собой непористый слой, изготовленный из сплава, содержащего палладий (Pd), или сплава, содержащего никель (Ni), или сплава, содержащего ванадий (V). В качестве сплава, включающего Pb, могут быть выбраны сплавы Pd-Ag, Pd-Y, Pd-Ag-Au и т.п. В качестве сплава, включающего V, могут быть выбраны сплавы V-Ni, V-Ni-Co и т.п. В качестве сплава, содержащего Ni, могут быть использованы LaNi5 и т.п. Способ изготовления непористого слоя палладия описан, например, в патенте США №3155467.

Как было описано выше, мембранный риформинг-аппарат 3, представленный на фиг.3, может обеспечить получение водорода высокой чистоты с высокой эффективностью и является лучшим типом риформинг-установки, используемой в системе снабжения водородом в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, высокая эффективность мембранной риформинг-установки 3 позволяет выполнить ее компактной и, следовательно, она может быть легко погружена на транспортное средство, на котором размещают производство водорода.

Схема мобильной системы для получения водорода, соответствующая настоящему изобретению, была описана выше для случая транспортного средства 1, приспособленного для получения водорода, показанного на фиг.2. Однако в зависимости от предполагаемого вида топлива, особенно в случае использования многих видов топлива, могут быть реализованы разнообразные воплощения системы. Возможные схемы воплощений мобильных систем для получения водорода, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, будут раскрыты ниже со ссылкой на фиг.4 и фиг.5.

На фиг.4 представлена схема, соответствующая лишь случаю использования углеводородного топлива, такого как бытовой газ, бензин и сжиженный нефтяной газ, и кислородсодержащего углеводорода, такого как диметиловый эфир и этанол.

Представленная схема включает в себя в качестве основных элементов бустерный компрессор 41, десульфуризатор 42, установка 43 предварительного риформинга, испаритель 44, риформинг-установка 45, утилизатор 46 теплоты, компрессор 47 и средство 48 для накопления водорода. В случае жидкого исходного вещества между бустерным компрессором 41 и десульфуризатором 42 размещают испаритель.

Ниже будет описан случай использования в этой схеме в качестве топлива бытового газа. Прежде всего, бытовой газ сжимают приблизительно до 10 атм бустерным компрессором 41. Одорант в бытовом газе, содержащий соединения, включающие серу, удаляется с помощью десульфуризатора 42. После этого бытовой газ направляют в установку 43 предварительного риформинга. В это же время в бытовой газ подают воду, необходимую для проведения реакции риформинга в паровой фазе. Воду подают в установку 43 предварительного риформинга в виде пара, поступающего из испарителя 44. В установке 43 предварительного риформинга бытовой газ и водяной пар реагируют друг с другом при температуре, составляющей от 300 до 500°С, и содержащееся в бытовом газе небольшое количество углеводорода, высшего по сравнению с этаном, превращается в метан или СО, СО2, Н2. После предриформинга полученный газ направляют в риформинг-установку 45, в которой из метана, входящего в состав бытового газа, за счет реакции парового риформинг-процесса, проводимого при температуре от 500 до 600°С, получают СО, СО2 и Н2 . Из указанных веществ от остального газа отделяют только Н 2 с помощью разделительной мембраны, установленной в слое катализатора, которая имеется в риформинг-установке 45, и после охлаждения в утилизаторе 46 теплоты Н2 подают в компрессор 47. В этом случае в качестве риформинг-установки 45 может быть использована мембранная риформинг-установка, показанная на фиг.3, или риформинг-установка (иного выполнения), внутри корпуса которой дополнительно установлена мембрана для отделения водорода.

Полученный в результате предриформинга газ, от которого в риформинг-установке 45 частично отделяется Н2, может быть использован в качестве источника тепла для риформинг-установки 45. Водород, сжатый в компрессоре 47, поступает в средство 48 накопления водорода (водородный резервуар, сплав, абсорбирующий водород и т.п.).

Когда данная схема системы используется для жидкого топлива, например бензина, поступающее топливо сжимают бустерным компрессором 41 и затем после прохождения испарителя подают в десульфуризатор 42. В этом случае почти вся жидкая компонента, такая как бензин, превращается в установке 43 предварительного риформинга в углеводород с низким молекулярным весом, например в метан.

Схема, представленная на фиг.5, включает в качестве основных элементов бустерный компрессор 51, испаритель 54, утилизатор 56 теплоты, компрессор 57 и средство 58 для накопления водорода. В этой схеме в качестве исходного топлива могут быть использованы метанол и диметиловый эфир. Такое топливо не содержит соединений, включающих серу, и поэтому нет необходимости использовать десульфуризатор.

Когда в качестве топлива выбран метанол, то прежде всего заранее смешивают воду с метанолом и полученную смесь подают в испаритель 54. Как описано выше, в качестве риформинг-установки 55 используют мембранную риформинг-установку или риформинг-установку, содержащую корпус и мембрану для отделения водорода.

В риформинг-установке 55 химическая реакция протекает при температуре от 200 до 300°С. Конструкция и функция утилизатора 56 теплоты, компрессора 57 и средства 58 для накопления водорода в этом случае такие же, как и для описанных выше, со ссылкой на фиг.4, утилизатора 46 теплоты, компрессора 47 и средства 58 для накопления водорода.

Система снабжения водородом в соответствии с настоящим изобретением не ограничена раскрытыми выше примерами воплощения, и в пределах объема и технической сущности изобретения возможны изменения, модификации и дополнения, очевидные для специалистов в данной области техники.

Показанное на фиг.2 транспортное средство 1, приспособленное для получения водорода, может представлять собой автоприцеп. В этом случае необходимо лишь на определенный промежуток времени установить систему для получения водорода в пункте снабжения водородом. Описанная система приемлема для пунктов снабжения водородом, оборудованных техническими средствами, способными запасать и хранить большой объем водорода.

Из вышеизложенного описания следует, что настоящее изобретение обеспечивает создание системы снабжения водородом, позволяющей подавать водород в автомобиль, приводимый в действие с помощью топливного элемента, и использующей при этом имеющуюся в наличии инфраструктуру.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система снабжения водородом, включающая пункт снабжения водородом и мобильную систему получения водорода, в которой водород, полученный с помощью мобильной системы получения водорода, подают в пункт снабжения водородом, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода дополнительно содержит мембранную риформинг-установку.

2. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что пункт снабжения водородом представляет собой пункт снабжения водородом для автомобиля, использующего в качестве источника энергии топливный элемент.

3. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что пункт снабжения водородом представляет собой пункт снабжения водородом для распределенных технических средств, работающих на топливных элементах.

4. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мембранная риформинг-установка содержит корпус и средство для отделения водорода, использующее разделительную мембрану.

5. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода снабжена испарителем.

6. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода снабжена десульфуризатором.

7. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода снабжена установкой предварительного риформинга, предназначенным для превращения высшего углеводорода в низший углеводород.

8. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что низший углеводород представляет собой углеводород с низким молекулярным весом, например метан.

9. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода снабжена компрессором для сжатия водорода.

10. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода выполнена с возможностью производства водорода при ее снабжении двумя или более видами исходных веществ.

11. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода снабжена резервуаром с исходным веществом.

12. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода снабжена водородным резервуаром.

13. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что пункты снабжения водородом размещены в двух или более местах, а мобильная система для получения водорода подъезжает к пунктам снабжения водородом или объезжает эти пункты.

14. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода снабжена приводом, использующим топливный элемент, так что водород получают во время движения системы, при поступлении исходного вещества из навесного резервуара с исходным веществом, причем полученный водород используют для приведения самой мобильной системы в движение.

15. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система получения водорода снабжена устройством для улавливания СО 2.

16. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что предусматривает уменьшение выброса СО2 путем поглощения СО2, выходящей из риформинг-установки, с помощью абсорбента, имеющегося в мобильной системе получения водорода, а на станции регенерации абсорбента использованный абсорбент регенерируют и, кроме того, восстанавливают СО 2.

17. Система снабжения водородом по п.16, отличающаяся тем, что регенерированный абсорбент вновь используется для абсорбирования СО2 в мобильной системе получения водорода.

18. Мобильная система для получения водорода, включающая мембранную риформинг-установку, компрессор для сжатия водорода, водородный резервуар, испаритель, резервуар с растворителем СО2 и резервуар с исходным веществом.

19. Система снабжения водородом по п.1, отличающаяся тем, что мобильная система для получения водорода представляет собой мобильную систему по п.18.

Версия для печати
Дата публикации 02.03.2007гг


вверх