EA041695B1 - CATALYTIC COMPOSITION AND METHOD FOR ITS PRODUCTION - Google Patents

CATALYTIC COMPOSITION AND METHOD FOR ITS PRODUCTION Download PDF

Info

Publication number
EA041695B1
EA041695B1 EA202090423 EA041695B1 EA 041695 B1 EA041695 B1 EA 041695B1 EA 202090423 EA202090423 EA 202090423 EA 041695 B1 EA041695 B1 EA 041695B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
kov
substrate
catalytic
catalyst
catalyst composition
Prior art date
Application number
EA202090423
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Стивен Джеймс Хитон
Сэмуэль Джеймс Кирк
Original Assignee
Стар Сайентифик Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Стар Сайентифик Лимитед filed Critical Стар Сайентифик Лимитед
Publication of EA041695B1 publication Critical patent/EA041695B1/en

Links

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к каталитическому сжиганию топливных смесей. В частности, настоящее изобретение относится к каталитическому сжиганию чистых топливных смесей.The present invention relates to the catalytic combustion of fuel mixtures. In particular, the present invention relates to the catalytic combustion of pure fuel mixtures.

Уровень техникиState of the art

Для использования энергии применяют различные виды топлива. Традиционно, большую часть топлив получают из ископаемого топлива. Однако использование ископаемого топлива может приводить к образованию выбросов диоксида углерода и других парниковых газов. Все более очевидно, что эти выбросы могут вносить вклад в антропогенное изменение климата и в снижение общего качества воздуха.Various types of fuel are used to use energy. Traditionally, most fuels are derived from fossil fuels. However, the use of fossil fuels can lead to emissions of carbon dioxide and other greenhouse gases. It is increasingly clear that these emissions can contribute to anthropogenic climate change and to a decrease in overall air quality.

В ответ на эти открытия были сделаны попытки изменить источники энергии с ископаемого топлива на топливо, получаемое из более чистых источников. Например, во многих странах работающее на угле оборудование было остановлено с целью снижения выбросов для улучшения качества воздуха. Такое оборудование можно встретить, например, на электростанциях или районных отопительных станциях. Указанные станции могут включать другое оборудование, такое как паровое оборудование и/или турбины, которое может быть переделано для применения других видов топлива для выработки электроэнергии или тепла.In response to these discoveries, attempts have been made to change energy sources from fossil fuels to fuels derived from cleaner sources. For example, in many countries coal-fired equipment has been shut down to reduce emissions to improve air quality. Such equipment can be found, for example, at power plants or district heating stations. These stations may include other equipment, such as steam equipment and/or turbines, which may be converted to use other fuels to generate electricity or heat.

Одним из возможных источников чистой энергии является водород. Водород может быть получен при помощи ряда способов, включая паровую конверсию или электролиз. Если электричество для электролиза получено из чистых источников, таких как ядерная, ветряная, приливная или солнечная энергия, полученный водород не приводит к образованию выбросов углерода. Водород взаимодействует с кислородом с образованием воды и выделением энергии.One possible source of clean energy is hydrogen. Hydrogen can be produced by a number of methods, including steam reforming or electrolysis. If the electricity for electrolysis comes from clean sources such as nuclear, wind, tidal or solar power, the resulting hydrogen does not generate carbon emissions. Hydrogen reacts with oxygen to form water and release energy.

Указанную реакцию использовали в топливных элементах для прямого получения электричества. Однако такие факторы, как разрушение мембран и сложные способы изготовления топливных элементов, препятствуют внедрению водорода в качестве топлива. Также водород применяли в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Однако такие системы могут быть сложными и имеют недостатки, связанные с безопасностью обращения с указанными системами.This reaction has been used in fuel cells to produce electricity directly. However, factors such as membrane degradation and complex fuel cell fabrication methods hinder the introduction of hydrogen as a fuel. Hydrogen has also been used as a fuel in internal combustion engines. However, such systems can be complex and have disadvantages related to the safe handling of said systems.

Системы каталитического сжигания применяли, но такие системы часто требуют сложных или дорогостоящих систем инициирования самоподдерживающейся реакции, таких как системы предварительного нагревания. Даже после запуска самоподдерживающихся реакций такие системы часто требуют ограничения температур, которые можно использовать, по причине абляции каталитического материала и проблем, связанных с воспламенением топлива в объеме.Catalytic combustion systems have been used, but such systems often require complex or expensive self-sustaining reaction initiation systems, such as preheating systems. Even after starting self-sustaining reactions, such systems often require limitations on the temperatures that can be used due to ablation of the catalytic material and fuel ignition problems in the bulk.

Существует необходимость в усовершенствованных системах и способах для использования чистых источников энергии.There is a need for improved systems and methods for using clean energy sources.

Краткое описание изобретенияBrief description of the invention

В одном из аспектов предложена каталитическая композиция, содержащая непрерывную фазу, содержащую катализатор окисления водорода (КОВ); и дискретную фазу, содержащую катализатор восстановления кислорода (КВК), нанесенные на субстрат так, что образуется каталитическая поверхность, в которой отношение площади поверхности КОВ к площади поверхности КВК составляет от 9:1 до 4:1, причем каталитическая композиция выполнена с возможностью низкотемпературной активации реакции сжигания водорода. В некоторых вариантах реализации отношение площади поверхности КОВ к площади поверхности КВК составляет примерно 20:3. В некоторых вариантах реализации КОВ и КВК получены путем электроосаждения. В некоторых вариантах реализации катализатор выполнен с возможностью активировать сжигание водорода при температуре ниже примерно 140°С. В некоторых вариантах реализации катализатор выполнен с возможностью активировать сжигание водорода при температуре ниже 20°С. В некоторых вариантах реализации КОВ представляет собой благородный металл. В некоторых вариантах реализации КОВ представляет собой платину или палладий. В некоторых вариантах реализации КОВ представляет собой палладий. В некоторых вариантах реализации КВК представляет собой оксид двухвалентного олова.In one aspect, a catalytic composition is provided comprising a continuous phase containing a hydrogen oxidation catalyst (KOV); and a discrete phase containing an oxygen reduction catalyst (ORC) deposited on the substrate so that a catalytic surface is formed, in which the ratio of the surface area of the OTC to the surface area of the OCR is from 9:1 to 4:1, and the catalytic composition is made with the possibility of low-temperature activation hydrogen combustion reactions. In some embodiments, the ratio of the surface area of the KOV to the surface area of the CVC is about 20:3. In some embodiments, the implementation of KOV and KVK obtained by electrodeposition. In some embodiments, the catalyst is configured to activate the combustion of hydrogen at a temperature below about 140°C. In some embodiments, the catalyst is configured to activate the combustion of hydrogen at a temperature below 20°C. In some embodiments, the KOV is a noble metal. In some embodiments, the KOV is platinum or palladium. In some embodiments, the KOV is palladium. In some embodiments, the CVC is stannous oxide.

В одном из аспектов предложен способ получения каталитической композиции, включающий нанесение каталитической композиции на субстрат с образованием каталитической поверхности так, что нанесенная на субстрат непрерывная фаза содержит катализатор окисления водорода (КОВ), а нанесенная на субстрат дискретная фаза содержит катализатор восстановления кислорода (КВК), причем полученная каталитическая поверхность содержит участок КОВ и участок КВК, отношение площадей которых составляет от 9:1 до 4:1, и причем каталитическая поверхность выполнена с возможностью низкотемпературной активации реакции сжигания водорода.In one aspect, a method for producing a catalyst composition is provided, comprising applying the catalyst composition to a substrate to form a catalytic surface, such that the continuous phase deposited on the substrate contains a hydrogen oxidation catalyst (OHC), and the discontinuous phase deposited on the substrate contains an oxygen reduction catalyst (ORC), moreover, the obtained catalytic surface contains a section of KOV and a section of KVK, the ratio of the areas of which is from 9:1 to 4:1, and moreover, the catalytic surface is made with the possibility of low-temperature activation of the hydrogen combustion reaction.

В некоторых вариантах реализации отношение площади участка КОВ к площади участка КВК составляет примерно 20:3. В некоторых вариантах реализации нанесение каталитической композиции включает нанесение КОВ и нанесение КВК. В некоторых вариантах реализации КВК наносят после нанесения КОВ. В некоторых вариантах реализации нанесение каталитической композиции включает электроосаждение КОВ, КВК или обоих указанных катализаторов на субстрат. В некоторых вариантах реализации нанесение каталитической композиции включает электроосаждение КОВ на субстрат. В некоторых вариантах реализации нанесение каталитической композиции включает электроосаждение КВК на субстрат с нанесенным КОВ. В некоторых вариантах реализации перед нанесением каталитической компоIn some embodiments, the ratio of the area of the KOV plot to the area of the KVC plot is about 20:3. In some embodiments, the application of the catalyst composition includes the application of KOV and the application of CVC. In some embodiments, the implementation of the CVC is applied after the application of KOV. In some embodiments, the application of the catalyst composition includes the electrodeposition of KOV, KVK or both of these catalysts on the substrate. In some embodiments, application of the catalyst composition includes electrodeposition of the KOH onto the substrate. In some embodiments, application of the catalyst composition includes electrodeposition of the CVC onto the CCA supported substrate. In some embodiments, prior to applying the catalyst compo

- 1 041695 зиции на субстрат наносят предшественник, причем указанный предшественник усиливает адгезию каталитической композиции к субстрату. В некоторых вариантах реализации предшественник представляет собой никель или медь. В некоторых вариантах реализации нанесение предшественника включает электроосаждение предшественника на субстрат. В некоторых вариантах реализации предложен способ термической обработки субстрата с нанесенным катализатором.- 1 041695 position on the substrate is applied to the precursor, and the specified precursor enhances the adhesion of the catalytic composition to the substrate. In some embodiments, the precursor is nickel or copper. In some embodiments, application of the precursor comprises electrodeposition of the precursor onto the substrate. In some embodiments, a method for thermally treating a supported catalyst substrate is provided.

В одном из аспектов предложен каталитический реактор, содержащий каталитическую поверхность, содержащую указанную каталитическую композицию.In one aspect, a catalytic reactor is provided, comprising a catalytic surface containing said catalytic composition.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Ниже настоящее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи.Below, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

Фиг. 1А представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую каталитическую поверхность, где показана непрерывная фаза, содержащая катализатор окисления водорода, и дискретная фаза, содержащая катализатор восстановления кислорода.Fig. 1A is a schematic diagram illustrating a catalytic surface showing a continuous phase containing a hydrogen oxidation catalyst and a discontinuous phase containing an oxygen reduction catalyst.

Фиг. 1В представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую каталитическую поверхность, где показана непрерывная фаза, содержащая катализатор окисления водорода, и дискретная фаза, содержащая катализатор восстановления кислорода, причем общая площадь дискретной фазы такая же, как показано на фиг. 1А, но при большем периметре соприкосновения фаз.Fig. 1B is a schematic diagram illustrating a catalyst surface showing a continuous phase containing a hydrogen oxidation catalyst and a discrete phase containing an oxygen reduction catalyst, with the total area of the discrete phase being the same as shown in FIG. 1A, but with a larger phase contact perimeter.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ нанесения каталитической композиции согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 2 is a flow chart illustrating a method for applying a catalyst composition according to one embodiment of the present invention.

Фиг. 3 представляет собой вид в перспективе поперечного сечения теплообменника согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 3 is a cross-sectional perspective view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention.

Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ нагревания теплообменной среды согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 4 is a flow chart illustrating a method for heating a heat exchange medium according to one embodiment of the present invention.

Фиг. 5А представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую частицы катализатора, напыленные на субстрат.Fig. 5A is a schematic diagram illustrating catalyst particles sprayed onto a substrate.

Фиг. 5В представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую катализатор, нанесенный на субстрат с помощью электроосаждения согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 5B is a schematic diagram illustrating a catalyst deposited on a substrate by electrodeposition according to one embodiment of the present invention.

Фиг. 6А представляет собой изображение СЭМ, показывающее присутствие палладия и олова на субстрате с покрытием согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 6A is an SEM image showing the presence of palladium and tin on a coated substrate according to one embodiment of the present invention.

Фиг. 6В представляет собой изображение СЭМ, показывающее присутствие палладия на субстрате с покрытием согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 6B is an SEM image showing the presence of palladium on a coated substrate according to one embodiment of the present invention.

Фиг. 6С представляет собой изображение СЭМ, показывающее присутствие палладия и олова на субстрате с покрытием согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 6C is an SEM image showing the presence of palladium and tin on a coated substrate according to one embodiment of the present invention.

Фиг. 7 представляет собой график, показывающий температуру системы, функционирование которой осуществляется согласно способу согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.Fig. 7 is a graph showing the temperature of a system operated according to a method according to one embodiment of the present invention.

Фиг. 8 представляет собой вид в перспективе поперечного сечения теплообменника согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Показана одна пара входных отверстий для топлива и окислителя.Fig. 8 is a cross-sectional perspective view of a heat exchanger according to one embodiment of the present invention. One pair of fuel and oxidizer inlets is shown.

Фиг. 9 представляет собой поперечное сечение нагревательного элемента согласно варианту реализации теплообменника, показанному на фиг. 8.Fig. 9 is a cross-sectional view of a heating element according to the heat exchanger embodiment shown in FIG. 8.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

В следующем описании конкретные подробности приведены с целью обеспечения более полного понимания для специалистов в данной области техники. Однако хорошо известные элементы могут быть не показаны или не описаны подробно, чтобы избежать ненужной затрудненности в понимании настоящего описания. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать как иллюстративные, а не как ограничивающие.In the following description, specific details are provided for the purpose of providing a more complete understanding to those skilled in the art. However, well-known elements may not be shown or described in detail in order to avoid unnecessary confusion in understanding the present description. Therefore, the description and drawings are to be considered illustrative and not restrictive.

Каталитическая композиция.catalytic composition.

В одном из аспектов предложена каталитическая композиция, содержащая катализатор окисления водорода (КОВ) и катализатор восстановления кислорода (КВК). Каталитическая композиция выполнена с возможностью низкотемпературной активации реакции сжигания водорода.In one aspect, a catalyst composition is provided comprising a hydrogen oxidation catalyst (OHC) and an oxygen reduction catalyst (ORC). The catalytic composition is made with the possibility of low-temperature activation of the hydrogen combustion reaction.

В некоторых вариантах реализации КОВ представляет собой материал, на поверхности которого молекулярный водород диссоциирует на радикалы водорода. В некоторых вариантах реализации КОВ представляет собой благородный металл. В некоторых вариантах реализации благородный металл представляет собой палладий или платину. В некоторых вариантах реализации благородный металл представляет собой палладий.In some embodiments, the ROC is a material on the surface of which molecular hydrogen dissociates into hydrogen radicals. In some embodiments, the KOV is a noble metal. In some embodiments, the noble metal is palladium or platinum. In some embodiments, the noble metal is palladium.

В некоторых вариантах реализации КВК представляет собой материал, на поверхности которого молекулярный кислород диссоциирует на радикалы кислорода. В некоторых вариантах реализации КВК представляет собой железо, цинк, серебро, медь, олово, оксиды указанных металлов или любую комбинацию указанных материалов. В некоторых вариантах реализации КВК представляет собой SnO2.In some embodiments, the implementation of the CVC is a material on the surface of which molecular oxygen dissociates into oxygen radicals. In some embodiments, the CVC is iron, zinc, silver, copper, tin, oxides of these metals, or any combination of these materials. In some embodiments, the implementation of the CVC is SnO 2 .

В некоторых вариантах реализации после введения молекулярного водорода и молекулярного кислорода в каталитическую композицию КОВ вызывает диссоциацию молекулярного водорода на радикаIn some embodiments, after the introduction of molecular hydrogen and molecular oxygen into the catalyst composition, the KOH causes the molecular hydrogen to dissociate into a radical

- 2 041695 лы водорода, и КВК вызывает диссоциацию молекулярного кислорода на радикалы кислорода. Перенос двух радикалов водорода к одному из радикалов кислорода на поверхности катализатора приводит к образованию воды. В целом реакция является экзотермической и может рассматриваться как каталитическое сжигание водорода. Энергия, выделяющаяся при каталитическом сжигании водорода, может использоваться для других целей. В некоторых вариантах реализации энергия, выделяющаяся в реакции, используется для нагревания теплообменной среды. В других вариантах реализации энергия, выделяющаяся в реакции, превращается в работу.- 2 041695 ly hydrogen, and KVK causes the dissociation of molecular oxygen into oxygen radicals. The transfer of two hydrogen radicals to one of the oxygen radicals on the surface of the catalyst leads to the formation of water. In general, the reaction is exothermic and can be considered as catalytic combustion of hydrogen. The energy released during the catalytic combustion of hydrogen can be used for other purposes. In some embodiments, the energy released in the reaction is used to heat the heat exchange medium. In other implementations, the energy released in the reaction is converted into work.

В некоторых вариантах реализации каталитическая композиция понижает энергию активации реакции сжигания водорода, в результате чего реакция протекает при низких температурах. Например, энергия активации реакции может быть снижена настолько, что реакция протекает при температуре ниже 140, 100, 50, 30, 20, 15°С или даже ниже 10°С. В некоторых вариантах реализации реакция сжигания водорода, протекающая на поверхности катализатора, не воспламеняет молекулярный водород в объеме. В таких вариантах реализации каталитическое сжигание представляет собой беспламенное каталитическое сжигание.In some embodiments, the catalyst composition lowers the activation energy of the hydrogen combustion reaction so that the reaction proceeds at low temperatures. For example, the activation energy of the reaction can be reduced so that the reaction proceeds at a temperature below 140, 100, 50, 30, 20, 15°C, or even below 10°C. In some embodiments, the hydrogen combustion reaction occurring on the surface of the catalyst does not ignite bulk molecular hydrogen. In such embodiments, the catalytic combustion is flameless catalytic combustion.

В некоторых вариантах реализации КОВ и КВК расположены так, чтобы обладать высоким периметром соприкосновения фаз. В некоторых вариантах реализации отношение площади поверхности КОВ к площади поверхности КВК составляет от 9:1 до 4:1. В некоторых вариантах реализации отношение площади поверхности КОВ к площади поверхности КВК составляет примерно 20:3. В некоторых вариантах реализации указанные отношении площадей поверхностей КОВ и КВК обеспечивают достаточный периметр соприкосновения фаз и количества каталитических материалов для снижения энергии активации реакции настолько, чтобы реакция сжигания водорода могла протекать при меньших температурах.In some embodiments, the KOV and KVK are located so as to have a high phase contact perimeter. In some embodiments, the ratio of the surface area of the KOV to the surface area of the CVC is between 9:1 and 4:1. In some embodiments, the ratio of the surface area of the KOV to the surface area of the CVC is about 20:3. In some embodiments, the above ratios of the surface areas of the CFC and CCR provide a sufficient contact perimeter of the phases and the amount of catalytic materials to reduce the activation energy of the reaction so that the hydrogen combustion reaction can proceed at lower temperatures.

В некоторых вариантах реализации, как показано на фиг. 1А и 1В, на поверхности катализатора 100 КОВ образует непрерывную площадь поверхности 110, и КВК образует дискретные площади поверхностей 120. В некоторых вариантах реализации КОВ и КВК расположены так, чтобы увеличить общий периметр соприкосновения фаз между площадью непрерывной поверхности и площадями дискретных поверхностей. Например, уменьшение размера каждой из площадей дискретных поверхностей 120' с одновременным увеличением числа площадей дискретных поверхностей приводит к увеличению общего периметра соприкосновения фаз при той же общей площади дискретных поверхностей.In some embodiments, as shown in FIG. 1A and 1B, on the surface of the catalyst 100, the ROC forms a continuous surface area 110, and the CRC forms discrete surface areas 120. In some embodiments, the CTC and CRC are positioned to increase the overall phase contact perimeter between the continuous surface area and the discrete surface areas. For example, reducing the size of each of the areas of the discrete surfaces 120' while increasing the number of areas of the discrete surfaces results in an increase in the total phase contact perimeter for the same total area of the discrete surfaces.

Когда энергия активации реакции каталитического сжигания водорода снижена настолько, что реакция может протекать при низких температурах, например при комнатной температуре, реакция может инициироваться просто введением водорода и кислорода в каталитическую композицию без необходимости предварительного нагревания или иной стадии инициирования. Благодаря устранению предварительного нагревания может быть снижена сложность и стоимость системы каталитического сжигания водорода. Кроме того, предварительное нагревание приводит к потенциальному риску нежелательного преждевременного горения водорода, что может привести к снижению эффективности или к проблемам с безопасностью.When the activation energy of the hydrogen catalytic combustion reaction is reduced so that the reaction can proceed at low temperatures, such as room temperature, the reaction can be initiated simply by introducing hydrogen and oxygen into the catalyst composition without the need for preheating or other initiation step. By eliminating preheating, the complexity and cost of the hydrogen catalytic combustion system can be reduced. In addition, preheating leads to the potential risk of undesired premature combustion of hydrogen, which can lead to reduced efficiency or safety issues.

Получение катализатора.Obtaining a catalyst.

В некоторых вариантах реализации каталитическую композицию получают согласно способу, описанному ниже. В некоторых вариантах реализации каталитическую композицию получают при помощи электроосаждения.In some embodiments, the catalyst composition is prepared according to the method described below. In some embodiments, the catalyst composition is obtained by electrodeposition.

В одном из аспектов предложен способ 200 для получения каталитической композиции. Как показано на фиг. 2, способ включает обеспечение субстрата на стадии 202. На стадии 208 каталитическую композицию наносят на субстрат, получая каталитическую поверхность. Каталитическая композиция включает катализатор окисления водорода (КОВ) и катализатор восстановления кислорода (КВК). Каталитическая поверхность выполнена с возможностью низкотемпературной активации реакции сжигания водорода.In one aspect, a method 200 is provided for preparing a catalyst composition. As shown in FIG. 2, the method includes providing a substrate in step 202. In step 208, the catalyst composition is applied to the substrate to form a catalyst surface. The catalytic composition includes a hydrogen oxidation catalyst (KOV) and an oxygen reduction catalyst (ORC). The catalytic surface is made with the possibility of low-temperature activation of the hydrogen combustion reaction.

В некоторых вариантах реализации каталитическая композиция содержит участок КОВ и участок КВК. В некоторых вариантах реализации каталитическая поверхность содержит участок КОВ и участок КВК, причем соотношение их площадей составляет от примерно 9:1 до примерно 4:1. В некоторых вариантах реализации отношение площади КОВ к площади КВК составляет примерно 20:3.In some embodiments, the catalyst composition contains a KOV region and a CVC region. In some embodiments, the catalytic surface comprises a KOH region and a CVR region, with their area ratio being from about 9:1 to about 4:1. In some embodiments, the ratio of KOV area to KVK area is about 20:3.

В некоторых вариантах реализации субстрат является стойким к водородному охрупчиванию. В некоторых вариантах реализации субстрат представляет собой графит, керамический материал, аустенитную нержавеющую сталь, алюминий, сплав алюминия или сплав меди. В некоторых вариантах реализации субстрат представляет собой графит, керамический материал, аустенитную нержавеющую сталь или сплав меди. В некоторых вариантах реализации субстрат представляет собой графит или аустенитную нержавеющую сталь. В некоторых вариантах реализации субстрат представляет собой графит. В некоторых вариантах реализации субстрат представляет собой нержавеющую сталь 316. В некоторых вариантах реализации субстрат представляет собой проводник тепла. Теплопроводность субстрата может снижать накопление тепла в области реакции, что в свою очередь уменьшает образование участков перегрева.In some embodiments, the substrate is resistant to hydrogen embrittlement. In some embodiments, the substrate is graphite, a ceramic material, austenitic stainless steel, aluminum, an aluminum alloy, or a copper alloy. In some embodiments, the substrate is graphite, a ceramic material, austenitic stainless steel, or a copper alloy. In some embodiments, the substrate is graphite or austenitic stainless steel. In some embodiments, the substrate is graphite. In some embodiments, the substrate is 316 stainless steel. In some embodiments, the substrate is a heat conductor. The thermal conductivity of the substrate can reduce the accumulation of heat in the reaction area, which in turn reduces the formation of hot spots.

В некоторых вариантах реализации нанесение каталитической композиции включает нанесение КОВ на стадии 208А и нанесение КВК на стадии 208В. В некоторых вариантах реализации КОВ наносят перед нанесением КВК. В некоторых вариантах реализации КВК наносят перед нанесением КОВ. В неIn some embodiments, the application of the catalyst composition includes the application of the CFC at step 208A and the application of the CFC at step 208B. In some embodiments, the KOV is applied prior to the application of the KVK. In some embodiments, the implementation of the CVC is applied before applying the KOV. In not

- 3 041695 которых вариантах реализации КОВ и КВК наносят на одной стадии. В некоторых вариантах реализации нанесение каталитической композиции включает нанесение на субстрат покрытия из КОВ, КВК или обоих указанных материалов. В некоторых вариантах реализации нанесение покрытия включает электроосаждение или нанесение расплавленного каталитического материала на субстрат. В некоторых вариантах реализации нанесение покрытия включает электроосаждение.- 3 041695 which embodiments of KOV and KVK are applied at one stage. In some embodiments, the application of the catalyst composition includes coating the substrate with KOV, KVK, or both of these materials. In some embodiments, coating includes electrodeposition or the application of molten catalytic material to a substrate. In some embodiments, the coating application includes electrodeposition.

В некоторых вариантах реализации нанесение каталитической композиции приводит к образованию защитной поверхности. Например, в некоторых вариантах реализации каталитическая композиция ингибирует окисление субстрата. Поэтому в некоторых случаях применение катализатора может обеспечить возможность применения более широкого ряда материалов субстрата.In some embodiments, the application of the catalyst composition results in the formation of a protective surface. For example, in some embodiments, the catalyst composition inhibits oxidation of the substrate. Therefore, in some cases, the use of a catalyst may allow a wider range of substrate materials to be used.

В некоторых вариантах реализации нанесение каталитической композиции включает нанесение предшественников или подслоя. В одном из вариантов реализации нанесение предшественника включает нанесение базового слоя перед нанесением каталитической композиции. В некоторых вариантах реализации базовый слой представляет собой подслой. В настоящем описании подслой относится к слою, наносимому между субстратом и катализатором для содействия связыванию или адгезии между катализатором и субстратом. В одном из вариантов реализации подслой представляет собой никель. В других вариантах реализации подслой представляет собой медь, цинк или медь. В вариантах реализации, включающих нанесение подслоя, способ включает одну или более завершающих стадий, включая термическую обработку.In some embodiments, applying the catalyst composition includes applying precursors or a sublayer. In one embodiment, applying the precursor includes applying a base layer prior to applying the catalyst composition. In some embodiments, the base layer is a sublayer. As used herein, undercoat refers to a layer applied between a substrate and a catalyst to promote bonding or adhesion between the catalyst and the substrate. In one embodiment, the sublayer is nickel. In other embodiments, the sublayer is copper, zinc, or copper. In embodiments involving the application of a sublayer, the method includes one or more final steps, including heat treatment.

В некоторых вариантах реализации субстрат имеет текстурированную поверхность. Текстурированная поверхность может обеспечить улучшение адгезии каталитического материала к субстрату. Текстура поверхности позволяет найти равновесие между адгезией каталитического материала к субстрату и теплопроводностью и конструкционными требованиями. В некоторых вариантах реализации поверхность субстрата имеет величину шероховатости Ra приблизительно 12,5 мкм или градус шероховатости по ISO, равный N10.In some embodiments, the substrate has a textured surface. The textured surface can provide improved adhesion of the catalytic material to the substrate. The surface texture makes it possible to find a balance between the adhesion of the catalytic material to the substrate and thermal conductivity and structural requirements. In some embodiments, the surface of the substrate has a roughness R a of approximately 12.5 µm, or an ISO roughness of N10.

В некоторых вариантах реализации субстрат делают шероховатым на стадии 204 до нанесения какого-либо каталитического материала для обеспечения желаемой текстуры. В некоторых вариантах реализации субстрат делают шероховатым при помощи механической обработки, такой как шлифовка, пескоструйная обработка, обработка напильником, нанесение насечек и накатывание.In some embodiments, the substrate is roughened at 204 prior to the application of any catalytic material to provide the desired texture. In some embodiments, the substrate is roughened by mechanical processing such as grinding, sandblasting, filing, notching, and rolling.

В некоторых вариантах реализации субстрат очищают на стадии 206 до или во время нанесения какого-либо каталитического материала. При очистке удаляют загрязнения с поверхности субстрата для улучшения адгезии каталитического материала. В некоторых вариантах реализации загрязнения на поверхности включают жир, остатки после механической обработки для придания шероховатости, или оба указанных варианта. В некоторых вариантах реализации очистка включает электролитическую очистку, промывку растворителем или оба указанных варианта. В некоторых вариантах реализации очистка включает химическую очистку, ультразвуковую очистку или оба указанных варианта.In some embodiments, the substrate is cleaned at 206 before or during the application of any catalytic material. Cleaning removes contaminants from the surface of the substrate to improve adhesion of the catalytic material. In some embodiments, surface contaminants include grease, residue from mechanical roughening, or both. In some embodiments, cleaning includes electrolytic cleaning, solvent washing, or both. In some embodiments, cleaning includes chemical cleaning, ultrasonic cleaning, or both.

В одном предпочтительном варианте реализации базовый слой наносят на стадии 207 на субстрат перед нанесением каталитической композиции на стадии 208. В некоторых вариантах реализации базовый слой представляет собой никелевое базовое покрытие. В одном из вариантов реализации никелевое базовое покрытие наносят электролитически с использованием соли NiCl в растворителе борной кислоте на глубину от 100 до 500 мкм, при напряжении 3-10 В и токе 2-5 А. Покрытие субстрата проверяют при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ)/ рентгеновского дисперсионного анализа (РДА). Предпочтительно гладкое, непрерывное покрытие базового слоя наносят на субстрат с покрытием более 80, более 90, более 95, более 99 или 100% субстрата. Никелевый базовый слой способствует связыванию катализатора с субстратом. В одном из вариантов реализации никелевый базовый слой улучшает адгезию КОВ к субстрату из нержавеющей стали, поскольку никелевый базовый слой обладает сильным сродством или связывающей способностью одновременно по отношению к субстрату из нержавеющей стали и к КОВ. В некоторых вариантах реализации никелевый базовый слой значительно улучшает адгезию катализатора к пластинам нагревательного элемента в реакторе и увеличивает долговечность материала.In one preferred embodiment, a base layer is applied at step 207 to the substrate prior to application of the catalyst composition at step 208. In some embodiments, the base layer is a nickel base coat. In one embodiment, the nickel base coating is applied electrolytically using a NiCl salt in a boric acid solvent to a depth of 100 to 500 µm, at a voltage of 3-10 V and a current of 2-5 A. The coating of the substrate is checked using a scanning electron microscope (SEM) / X-ray analysis of variance (RDA). Preferably, a smooth, continuous base coat is applied to a substrate with a coating of greater than 80%, greater than 90%, greater than 95%, greater than 99%, or 100% of the substrate. The nickel base layer promotes the binding of the catalyst to the substrate. In one embodiment, the nickel base layer improves the adhesion of the KOV to the stainless steel substrate because the nickel base layer has a strong affinity or bonding capacity for both the stainless steel substrate and the KOV. In some embodiments, the nickel base layer significantly improves the adhesion of the catalyst to the heating element plates in the reactor and increases the durability of the material.

В других вариантах реализации нанесение КОВ на стадии 208А включает непосредственное нанесение покрытия катализатора на субстрат. В некоторых вариантах реализации нанесение покрытия включает электроосаждение КОВ на субстрат. В некоторых вариантах реализации электроосаждение включает приложение тока к субстрату, погруженному в раствор для электроосаждения КОВ, содержащий соль КОВ и растворитель.In other embodiments, applying the KOV in step 208A involves directly coating the catalyst on the substrate. In some embodiments, the coating application comprises electrodeposition of the KOH onto the substrate. In some embodiments, electrodeposition involves applying a current to a substrate immersed in a KOH electrodeposition solution containing a KOH salt and a solvent.

В некоторых вариантах реализации нанесение КОВ включает нанесение покрытия на субстрат, имеющий покрытие базового слоя. В одном из вариантов реализации базовый слой представляет собой никель. В некоторых вариантах реализации нанесение покрытия включает электроосаждение КОВ на субстрат, имеющий покрытие базового слоя. В некоторых вариантах реализации электроосаждение включает приложение тока к имеющему покрытие базового слоя субстрат, погруженный в раствор для электроосаждения КОВ, содержащий соль КОВ и растворитель.In some embodiments, the implementation of the application of KOV includes applying a coating to a substrate having a coating of the base layer. In one embodiment, the base layer is nickel. In some embodiments, the implementation of the coating includes the electrodeposition of KOV on the substrate, having a coating of the base layer. In some embodiments, electrodeposition includes applying a current to a base layer coated substrate immersed in a KOH electrodeposition solution containing a KOH salt and a solvent.

В некоторых вариантах реализации соль КОВ представляет собой соль аммония или хлорид. В некоторых вариантах реализации соль КОВ представляет собой хлорид палладия-аммония или хлорид палIn some embodiments, the KOV salt is an ammonium salt or chloride. In some embodiments, the KOV salt is palladium ammonium chloride or palladium chloride.

- 4 041695 ладия. В некоторых вариантах реализации соль представляет собой хлорид палладия. В некоторых вариантах реализации соль КОВ содержится в концентрации от примерно 5 до примерно 15 мМ. В некоторых вариантах реализации соль КОВ содержится в концентрации от примерно 7 до примерно 10 мМ. В некоторых вариантах реализации соль КОВ содержится в концентрации примерно 8,8 мМ.- 4 041695 boat. In some embodiments, the salt is palladium chloride. In some embodiments, the KOH salt is present at a concentration of about 5 to about 15 mM. In some embodiments, the KOH salt is present at a concentration of about 7 to about 10 mM. In some embodiments, the KOH salt is present at a concentration of about 8.8 mM.

В некоторых вариантах реализации растворитель включает водный раствор аммиака.In some embodiments, the solvent includes aqueous ammonia.

В некоторых вариантах реализации раствор для электроосаждения КОВ содержит агент для улучшения электропроводности. В некоторых вариантах реализации агент для улучшения электропроводности содержит NaCl.In some embodiments, the KOH electrodeposition solution contains an agent to improve electrical conductivity. In some embodiments, the conductive agent comprises NaCl.

В некоторых вариантах реализации электроосаждение включает приложение напряжения от примерно 5 до примерно 32 В. В некоторых вариантах реализации электроосаждение включает приложение тока от примерно 0,3 до примерно 3 А. В некоторых вариантах реализации электроосаждение выполняют в течение примерно 15 мин.In some embodiments, electrodeposition includes applying a voltage of about 5 to about 32 V. In some embodiments, electrodeposition includes applying a current of about 0.3 to about 3 A. In some embodiments, electrodeposition is performed for about 15 minutes.

В некоторых вариантах реализации толщина слоя КОВ, нанесенного на субстрат, составляет от примерно 100 до примерно 1000 мкм. В некоторых вариантах реализации толщина слоя КОВ, нанесенного на субстрат, составляет примерно 250 мкм.In some embodiments, the thickness of the KOV layer applied to the substrate is from about 100 to about 1000 microns. In some embodiments, the thickness of the KOV layer applied to the substrate is about 250 microns.

В некоторых вариантах реализации после электроосаждения КОВ субстрат подвергают обработке для стабилизации КОВ. В некоторых вариантах реализации стабилизирующая обработка включает нагревание субстрата, на который с помощью электроосаждения нанесен КОВ. В некоторых вариантах реализации нагревание осуществляют при температуре примерно 100°С.In some embodiments, after electrodeposition of the KOV, the substrate is subjected to a treatment to stabilize the KOV. In some embodiments, the stabilizing treatment comprises heating the substrate onto which the KOV has been electrodeposited. In some embodiments, the heating is carried out at a temperature of about 100°C.

В некоторых вариантах реализации нанесение КВК на стадии 208В включает нанесение покрытия на субстрат. В некоторых вариантах реализации нанесение КВК включает непосредственное нанесение КВК на субстрат. В других вариантах реализации нанесение КВК включает нанесение КВК на субстрат, покрытый КОВ. В некоторых вариантах реализации нанесение покрытия включает электроосаждение КВК на субстрат. В некоторых вариантах реализации электроосаждение включает приложение тока к субстрату, погруженному в раствор для электроосаждения КВК, содержащий соль КВК и растворитель.In some embodiments, applying the CVC in step 208B includes coating the substrate. In some embodiments, the implementation of the application of the CVC includes the direct application of the CVC to the substrate. In other embodiments, applying the CVC includes applying the CVC to a CCA-coated substrate. In some embodiments, the coating comprises electrodeposition of the CVC onto the substrate. In some embodiments, electrodeposition includes applying a current to a substrate immersed in an KVA electrodeposition solution containing an KVA salt and a solvent.

В некоторых вариантах реализации соль КВК представляет собой хлоридную соль. В некоторых вариантах реализации соль КВК представляет собой хлорид двухвалентного олова. В некоторых вариантах реализации соль КВК содержится в концентрации от примерно 5 до примерно 10 мМ. В некоторых вариантах реализации соль КВК содержится в концентрации примерно 6,6 мМ.In some embodiments, the KVC salt is a chloride salt. In some embodiments, the KVC salt is stannous chloride. In some embodiments, the KVA salt is present at a concentration of about 5 to about 10 mM. In some embodiments, the KVA salt is present at a concentration of about 6.6 mM.

В некоторых вариантах реализации соль получают путем растворения предшественника соли КВК в растворителе. В некоторых вариантах реализации предшественник соли КВК представляет собой оксид. В некоторых вариантах реализации оксид представляет собой SnO2.In some embodiments, the salt is prepared by dissolving the KVC salt precursor in a solvent. In some embodiments, the KVC salt precursor is an oxide. In some embodiments, the oxide is SnO 2 .

В некоторых вариантах реализации растворитель содержит соляную кислоту. В некоторых вариантах реализации раствор для электроосаждения КВК получают путем растворения SnO2 в HCl. В некоторых вариантах реализации раствор для электроосаждения КВК получают путем растворения 1 г SnO2 в 800 мл 32% HCl.In some embodiments, the solvent contains hydrochloric acid. In some embodiments, the KVC electrodeposition solution is prepared by dissolving SnO 2 in HCl. In some embodiments, the KVC electrodeposition solution is prepared by dissolving 1 g of SnO 2 in 800 ml of 32% HCl.

В некоторых вариантах реализации электроосаждение включает приложение напряжения от примерно 5 до примерно 32 В. В некоторых вариантах реализации электроосаждение включает приложение тока от примерно 0,3 до примерно 3 А. В некоторых вариантах реализации электроосаждение выполняют в течение примерно 7 мин.In some embodiments, electrodeposition includes applying a voltage of about 5 to about 32 V. In some embodiments, electrodeposition includes applying a current of about 0.3 to about 3 A. In some embodiments, electrodeposition is performed for about 7 minutes.

В некоторых вариантах реализации толщина слоя КВК, нанесенного на субстрат, составляет от примерно 100 до примерно 1000 мкм. В некоторых вариантах реализации толщина слоя КВК, нанесенного на субстрат, составляет примерно 250 мкм.In some embodiments, the thickness of the CVC layer deposited on the substrate is from about 100 to about 1000 microns. In some embodiments, the thickness of the CVC layer applied to the substrate is about 250 microns.

В некоторых вариантах реализации субстрат проверяют после нанесения КОВ или КВК для подтверждения области покрытия КОВ или КВК. В некоторых вариантах реализации субстрат проверяют при помощи СЭМ/РДА. В некоторых вариантах реализации, если получена недостаточная область покрытия, осуществляют повторное нанесение КОВ или КВК. В некоторых вариантах реализации термическая обработка (описанная ниже) приводит к уменьшению КВК по отношению к КОВ. Например, в то время как до 40% поверхности субстрата может быть покрыто КВК после его нанесения (т.е. в отношении 6:4 поверхности КОВ к поверхности КВК), только 30% поверхности может быть покрыто КВК после термической обработки. Проверка перед термической обработкой может применяться для определения, является ли область покрытия КВК перед термической обработкой достаточной для получения желаемой области покрытия КВК после термической обработки. Поэтому в некоторых вариантах реализации целевое отношение между КВК и КОВ после нанесения каталитического материала выше, чем после термической обработки.In some embodiments, the substrate is inspected after application of the KOV or KVK to confirm the coverage area of the KOV or KVK. In some embodiments, the substrate is checked using SEM/RDA. In some embodiments, if an insufficient area of coverage is obtained, reapplying the KOV or KVK is carried out. In some embodiments, the heat treatment (described below) results in a reduction in the CVR relative to the ROC. For example, while up to 40% of the surface of a substrate can be coated with CVC after it has been applied (i.e., a 6:4 ratio of CCA surface to CCA surface), only 30% of the surface can be coated with CCA after heat treatment. A pre-heat treatment test can be used to determine if the pre-heat treatment CVC coverage is sufficient to obtain the desired CVC coverage after heat treatment. Therefore, in some embodiments, the target ratio between CVR and ROC after application of the catalytic material is higher than after heat treatment.

Поверхность с покрытием КОВ, КВК или их комбинацией или с нанесенными электроосаждением КОВ, КВК или их комбинацией, может демонстрировать меньшее образование участков перегрева во время каталитического сжигания, по сравнению с поверхностью, на которую нанесены гранулы или частицы катализатора. Не ограничиваясь никакой теорией, и со ссылками на фиг. 5А и 5В, полагают, что нанесение катализатора 510 в виде гранул или частиц приводит к получению относительно малых областей контакта с нижележащим субстратом 520. Напротив, электроосаждение материала катализатора приводит к образованию тонкого слоя 530 КОВ и КВК 540, нанесенного на слой КОВ, благодаря чему теплоA surface coated with CFC, CFC, or a combination thereof, or electrodeposited with CFC, CFC, or a combination thereof, may exhibit less formation of hot spots during catalytic combustion compared to a surface coated with catalyst pellets or particles. Without wishing to be bound by any theory, and with reference to FIGS. 5A and 5B, it is believed that the application of the catalyst 510 in the form of granules or particles results in relatively small areas of contact with the underlying substrate 520. In contrast, electrodeposition of the catalyst material results in a thin layer of KOV and KVK 540 deposited on the KOV layer, whereby warm

- 5 041695 легко передается субстрату. Когда топливную смесь, содержащую топливо и окислитель, подают на каталитическую поверхность, топливо подвергается процессу сжигания с выделением тепла. Если тепло не отводится от катализатора, могут образовываться локализованные участки перегрева, что может приводить к абляции катализатора с поверхности или к воспламенению топливной смеси, что может вызвать горение или взрыв. Благодаря увеличению области контакта между катализатором и нижележащим субстратом тепло может эффективнее отводиться от катализатора, что уменьшает образование участков перегрева. Более равномерное распределение тепла может обеспечивать возможность применения более высоких рабочих температур.- 5 041695 is easily transferred to the substrate. When a fuel mixture containing a fuel and an oxidizer is supplied to the catalytic surface, the fuel undergoes a combustion process to generate heat. If heat is not removed from the catalyst, localized hot spots may form, which may ablate the catalyst from the surface or ignite the fuel mixture, which may cause a fire or explosion. By increasing the area of contact between the catalyst and the underlying substrate, heat can be more effectively removed from the catalyst, which reduces the formation of hot spots. More uniform heat distribution may allow higher operating temperatures to be applied.

В некоторых вариантах реализации субстрат, на который нанесен КОВ и КВК, подвергают одной или более завершающих стадий 210. В некоторых вариантах реализации одна или более завершающих стадий включают термическую обработку. В некоторых вариантах реализации термическую обработку проводят в атмосфере воздуха или N2. В некоторых вариантах реализации термическую обработку проводят на воздухе. В некоторых вариантах реализации термическую обработку проводят после нанесения КОВ на субстрат, после нанесения КВК на субстрат или после нанесения обоих катализаторов. В некоторых вариантах реализации термическая обработка включает термическую обработку КОВ и термическую обработку КВК.In some embodiments, the substrate to which the CCB and CVC has been deposited is subjected to one or more finishing steps 210. In some embodiments, one or more finishing steps include heat treatment. In some embodiments, the heat treatment is carried out in an atmosphere of air or N2. In some embodiments, the heat treatment is carried out in air. In some embodiments, the heat treatment is carried out after the application of the CCA to the substrate, after the application of the CCA to the substrate, or after the application of both catalysts. In some embodiments, the heat treatment includes a KOH heat treatment and a CVC heat treatment.

В некоторых вариантах реализации термическую обработку КОВ проводят после стабилизирующей обработки. В некоторых вариантах реализации термическую обработку КОВ проводят при температуре от примерно 800 до примерно 1200°С. В некоторых вариантах реализации термическую обработку КОВ проводят при температуре примерно 900°С. В некоторых вариантах реализации термическую обработку проводят в течение промежутка времени от примерно 30 мин до примерно 4 ч. В некоторых вариантах реализации термическую обработку проводят в течение примерно 1 ч. В некоторых вариантах реализации термическая обработка вызывает отжиг КОВ, нанесенного на субстрат. В некоторых вариантах реализации термическая обработка вызывает отжиг КОВ, нанесенного на базовый слой.In some embodiments, the heat treatment of the KOH is carried out after the stabilizing treatment. In some embodiments, the heat treatment of the KOV is carried out at a temperature of from about 800 to about 1200°C. In some embodiments, the heat treatment of the KOV is carried out at a temperature of about 900°C. In some embodiments, the heat treatment is carried out for a period of time from about 30 minutes to about 4 hours. In some embodiments, the heat treatment is carried out for about 1 hour. In some embodiments, the heat treatment causes annealing of the KOV deposited on the substrate. In some embodiments, the heat treatment causes annealing of the KOV deposited on the base layer.

В некоторых вариантах реализации термическую обработку КВК проводят после стабилизирующей обработки. В некоторых вариантах реализации термическую обработку КВК проводят при температуре от примерно 200 до примерно 600°С. В некоторых вариантах реализации термическую обработку КВК проводят при температуре примерно 400°С. В некоторых вариантах реализации термическую обработку проводят в течение промежутка времени от примерно 30 мин до примерно 4 ч. В некоторых вариантах реализации термическую обработку проводят в течение примерно 1 ч.In some embodiments, the CVC heat treatment is carried out after the stabilizing treatment. In some embodiments, the implementation of the heat treatment of the CVC is carried out at a temperature of from about 200 to about 600°C. In some embodiments, the heat treatment of the CVC is carried out at a temperature of about 400°C. In some embodiments, the heat treatment is carried out for a period of time from about 30 minutes to about 4 hours. In some embodiments, the heat treatment is carried out for about 1 hour.

В некоторых вариантах реализации термическая обработка активирует или увеличивает каталитическую активность КОВ, КВК или обоих катализаторов. В некоторых вариантах реализации термическая обработка активирует или увеличивает активность КВК. В некоторых вариантах реализации термическая обработка обеспечивает обжиг КОВ, КВК или обоих катализаторов. В некоторых вариантах реализации наносят предшественник КВК, и термическая обработка обеспечивает образование КВК, в частности в результате превращения предшественника КВК в КВК.In some embodiments, the heat treatment activates or increases the catalytic activity of the KOV, KVK, or both catalysts. In some embodiments, the heat treatment activates or increases the activity of the CCA. In some embodiments, the heat treatment calcines the KOV, KVK, or both catalysts. In some embodiments, the CFC precursor is applied and the heat treatment causes the formation of the CFC, particularly by converting the CFC precursor to the CFC.

В некоторых вариантах реализации на субстрат наносят олово, а термическая обработка обеспечивает образование оксида двухвалентного олова.In some embodiments, tin is applied to the substrate and heat treatment causes the formation of stannous oxide.

Реакторы.Reactors.

Согласно фиг. 3, в одном из аспектов, предложен реактор 300. В одном из вариантов реализации реактор представляет собой теплообменник. Реактор 300 включает трубопровод 310, имеющий входное отверстие 312 для приема первого текучего материала и выходное отверстие 314; и корпус 330, окружающий трубопровод 310 и имеющий входное отверстие 332 для приема второго текучего материала и выходное отверстие 334. Один из первого текучего материала и второго текучего материала представляет собой топливную смесь. Другой из первого текучего материала и второго текучего материала представляет собой теплообменную среду. Трубопровод 310 включает нагревательный элемент 316 с нанесенной на него каталитической композицией, содержащей катализатор окисления водорода (КОВ) и катализатор восстановления кислорода (КВК). Нагревательный элемент 316 выполнен с возможностью осуществления каталитического сжигания топливной смеси и передачи энергии, выделяющейся при каталитическом сжигании, теплообменной среде. В некоторых вариантах реализации каталитическая композиция понижает энергию активации каталитического сжигания, в результате чего оно протекает при низких температурах.According to FIG. 3, in one aspect, a reactor 300 is provided. In one embodiment, the reactor is a heat exchanger. The reactor 300 includes a conduit 310 having an inlet 312 for receiving a first fluid material and an outlet 314; and a housing 330 surrounding conduit 310 and having an inlet 332 for receiving a second fluid material and an outlet 334. One of the first fluid material and the second fluid material is a fuel mixture. The other of the first fluid material and the second fluid material is a heat exchange medium. The conduit 310 includes a heating element 316 coated with a catalyst composition comprising a hydrogen oxidation catalyst (OHC) and an oxygen reduction catalyst (ORC). The heating element 316 is configured to carry out catalytic combustion of the fuel mixture and transfer the energy released during catalytic combustion to the heat exchange medium. In some embodiments, the catalyst composition lowers the activation energy of catalytic combustion so that it proceeds at low temperatures.

В некоторых вариантах реализации каталитическая композиция представляет собой каталитическую композицию, описанную выше. В некоторых вариантах реализации нагревательный элемент 316 содержит субстрат, на который нанесены КОВ и КВК. В некоторых вариантах реализации КОВ и КВК нанесены на субстрат при помощи способа, описанного выше. В некоторых вариантах реализации отношение площади поверхности КОВ и КВК составляет от примерно 9:1 до примерно 4:1. В некоторых вариантах реализации отношение площади поверхности КОВ и КВК составляет примерно 20:3.In some embodiments, the catalyst composition is the catalyst composition described above. In some embodiments, the heating element 316 includes a substrate on which CFCs and CFCs have been applied. In some embodiments, the implementation of KOV and KVK applied to the substrate using the method described above. In some embodiments, the ratio of the surface area of KOV and KVK is from about 9:1 to about 4:1. In some embodiments, the ratio of the surface area of KOV and KVK is about 20:3.

В некоторых вариантах реализации топливная смесь содержит топливо и окислитель. В некоторых вариантах реализации топливо содержит водород, углеводородный материал или смесь указанных материалов. В некоторых вариантах реализации углеводородный материал представляет собой возобновляемый углеводородный материал, такой как биодизель, биогаз или топливо из водорослей. В некоторыхIn some embodiments, the fuel mixture contains a fuel and an oxidizer. In some embodiments, the fuel contains hydrogen, a hydrocarbon material, or a mixture of these materials. In some embodiments, the hydrocarbon material is a renewable hydrocarbon material such as biodiesel, biogas, or algal fuel. In some

- 6 041695 вариантах реализации топливо представляет собой водород. В некоторых вариантах реализации окислитель содержит кислород, обогащенный кислородом воздух или воздух. В некоторых вариантах реализации окислитель представляет собой кислород.- 6 041695 embodiments, the fuel is hydrogen. In some embodiments, the oxidant comprises oxygen, oxygen-enriched air, or air. In some embodiments, the oxidizing agent is oxygen.

В некоторых вариантах реализации входное отверстие для приема топливной смеси содержит входное отверстие для топлива и входное отверстие для окислителя. Таким образом, не происходит предварительного смешивания топлива и окислителя. Путем введения компонентов топливной смеси в реактор можно лучше контролировать состав топливной смеси. Любые изменения в составе топливной смеси, вводимой в реактор, осуществляются быстрее, поскольку могут быть минимизированы задержки транспортировки. Кроме того, если в топливе отсутствует окислитель, отдельная транспортировка топлива и окислителя может быть относительно безопаснее, чем транспортировка топливной смеси.In some embodiments, the fuel mixture inlet includes a fuel inlet and an oxidizer inlet. Thus, there is no pre-mixing of fuel and oxidizer. By introducing the components of the fuel mixture into the reactor, the composition of the fuel mixture can be better controlled. Any changes in the composition of the fuel mixture introduced into the reactor are carried out more quickly because transport delays can be minimized. Also, if there is no oxidizer in the fuel, transporting the fuel and oxidizer separately may be relatively safer than transporting a fuel mixture.

В некоторых вариантах реализации теплообменная среда содержит воду или гелий. В некоторых вариантах реализации теплообменная среда содержит или представляет собой воду. В некоторых вариантах реализации за счет каталитического сжигания топливной смеси обеспечивается нагрев воды. В некоторых вариантах реализации воду нагревают для получения пара. Пар, полученный в теплообменнике 300, можно применять для различных целей. Например, пар можно применять для вращения турбин для выработки электричества, для обеспечения энергией центрального отопления, или для других применений, где требуется пар.In some embodiments, the heat exchange medium contains water or helium. In some embodiments, the heat exchange medium contains or is water. In some embodiments, the catalytic combustion of the fuel mixture provides water heating. In some embodiments, water is heated to produce steam. The steam produced in the heat exchanger 300 can be used for various purposes. For example, steam can be used to drive turbines to generate electricity, to provide power for central heating, or for other applications that require steam.

В некоторых вариантах реализации по меньшей мере часть нагревательного элемента 316 является составной частью поверхности трубопровода 310. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере часть нагревательного элемента 316 соединена с поверхностью трубопровода 310.In some embodiments, at least a portion of the heating element 316 is an integral part of the surface of the conduit 310. In some embodiments, at least a portion of the heating element 316 is connected to the surface of the conduit 310.

В некоторых вариантах реализации нагревательный элемент 316 содержит множество ребер 318. Добавление ребер может увеличить площадь поверхности, на которой может протекать каталитическое сжигание водорода. В некоторых вариантах реализации одно или более ребер является рифленым или имеет форму гармошки для дополнительного увеличения площади поверхности. В некоторых вариантах реализации множество ребер 318 соединено с трубопроводом 310. Такое соединение ребер способствует теплопередаче, например, за счет теплопроводности от ребер 318 к трубопроводу 310 и любому материалу, находящемуся с ним в контакте. Например, если каталитическое сжигание топливной смеси происходит на поверхности ребер 318, выделяющееся в результате реакции тепло может передаваться теплообменной среде через трубопровод 310.In some embodiments, heating element 316 includes a plurality of fins 318. The addition of fins can increase the surface area on which catalytic combustion of hydrogen can occur. In some embodiments, one or more of the fins is grooved or bellows-shaped to further increase surface area. In some embodiments, a plurality of fins 318 are connected to conduit 310. Such connection of fins facilitates heat transfer, such as by conduction, from fins 318 to conduit 310 and any material in contact therewith. For example, if the catalytic combustion of the fuel mixture occurs on the surface of the fins 318, the heat generated by the reaction may be transferred to the heat exchange medium through conduit 310.

В некоторых вариантах реализации реактор 300 содержит распределитель 320 для распределения топливной смеси вблизи нагревательного элемента 316. Распределение топливной смеси к нагревательному элементу 316 может лучше подводить несгоревший водород к поверхности нагревательного элемента 316. В некоторых вариантах реализации распределитель 320 сообщается по текучей среде с входным отверстием (312 или 332), в которое подают топливную смесь. В некоторых вариантах реализации распределитель 320 содержит множество изогнутых труб, каждая из которых формирует отверстия для доставки топливной смеси к нагревательному элементу 316. В некоторых вариантах реализации распределитель 320 изменяет состав топливной смеси, доставляемой к различным участкам нагревательного элемента 316, благодаря чему для каждой зоны обеспечивают индивидуально подобранную топливную смесь. Например, каждая из множества труб может доставлять независимую топливную смесь.In some embodiments, the reactor 300 includes a distributor 320 for distributing the fuel mixture near the heating element 316. Distributing the fuel mixture to the heating element 316 may better supply unburned hydrogen to the surface of the heating element 316. In some embodiments, the distributor 320 is in fluid communication with the inlet ( 312 or 332) into which the fuel mixture is supplied. In some embodiments, distributor 320 includes a plurality of curved tubes, each of which forms holes for delivering fuel mixture to heating element 316. individually selected fuel mixture. For example, each of the plurality of pipes may deliver an independent fuel mixture.

В некоторых вариантах реализации трубопровод 310 содержит множество трубок 322. Таким образом, скорость передачи тепла к теплообменной среде увеличивается благодаря максимизации отношения площади поверхности к объему. В некоторых вариантах реализации трубки 322 расположены в одноходовой конструкции, в которой текучая среда, поступающая к одному из концов трубопровода 310, проводится к другому концу. В некоторых вариантах реализации трубки расположены в многоходовой конструкции, в которой текучая среда, поступающая к одному из концов трубопровода, проводится к другому концу и обратно к первому концу, и необязательно несколько раз.In some embodiments, conduit 310 includes a plurality of tubes 322. Thus, the rate of heat transfer to the heat exchange medium is increased by maximizing the surface area to volume ratio. In some embodiments, tubes 322 are arranged in a one-way design in which fluid entering one end of conduit 310 is conducted to the other end. In some embodiments, the tubes are arranged in a multi-pass arrangement in which fluid entering one end of the conduit is conducted to the other end and back to the first end, optionally multiple times.

В некоторых вариантах реализации трубопровод 310 принимает теплообменную среду, а корпус 330 принимает топливную смесь. В таких вариантах реализации нагревательный элемент 316 расположен с наружной стороны трубопровода 310 и находится в контакте с внутренним объемом корпуса 330. Тепло, выделяющееся при каталитическом сжигании топливной смеси, передается теплообменной среде, находящейся внутри трубопровода 310.In some embodiments, conduit 310 receives the heat exchange medium and housing 330 receives the fuel mixture. In such embodiments, the heating element 316 is located on the outside of the conduit 310 and is in contact with the interior of the housing 330. The heat generated during the catalytic combustion of the fuel mixture is transferred to the heat exchange medium located inside the conduit 310.

В некоторых вариантах реализации каталитическое сжигание топливной смеси обеспечивает нагревание корпуса 330. В некоторых вариантах реализации предварительный нагреватель 340, находящийся в контакте с наружной поверхностью корпуса 330, передает тепло, выделяющееся при каталитическом сжигании топливной смеси, топливной смеси или теплообменной среде перед их введением в трубопровод 310 или в корпус 330. В некоторых вариантах реализации предварительный нагреватель 340 расположен выше по технологической цепочке по отношению к трубопроводу 310 и обеспечивает предварительное нагревание теплообменной среды перед ее введением в трубопровод 310 выше по технологической цепочке. В некоторых вариантах реализации теплообменную среду нагревают до температуры примерно 90°С перед введением ее во входное отверстие.In some embodiments, the catalytic combustion of the fuel mixture provides heat to the housing 330. In some embodiments, the preheater 340 in contact with the outer surface of the housing 330 transfers heat generated by the catalytic combustion of the fuel mixture, fuel mixture, or heat exchange medium prior to their introduction into the pipeline 310 or housing 330. In some embodiments, preheater 340 is located upstream of conduit 310 and preheats the heat transfer fluid before it is introduced into conduit 310 upstream. In some embodiments, the heat exchange medium is heated to a temperature of about 90° C. before being introduced into the inlet.

В некоторых вариантах реализации непрореагировавшее топливо в топливной смеси возвращают обратно в теплообменник. Рециркуляция топлива уменьшает количество несгоревшего топлива, котороеIn some embodiments, the unreacted fuel in the fuel mixture is returned back to the heat exchanger. Fuel recycling reduces the amount of unburned fuel that

- 7 041695 необходимо обрабатывать или хранить. В некоторых вариантах реализации расположенный ниже по технологической цепочке конденсатор (не показан) удаляет воду из продуктов сгорания. Благодаря удалению воды из продуктов сгорания рециркулированное топливо может содержать меньше термического разбавителя. Термический разбавитель может вызывать снижение рабочей температуры или увеличение образования конденсата на каталитической поверхности, что может уменьшать или ингибировать сжигание.- 7 041695 must be processed or stored. In some embodiments, a downstream condenser (not shown) removes water from the combustion products. By removing water from the combustion products, the recycled fuel can contain less thermal diluent. The thermal diluent may cause a decrease in operating temperature or an increase in the formation of condensate on the catalytic surface, which may reduce or inhibit combustion.

В некоторых из вариантов реализации, в которых топливо представляет собой водород, компоненты, выполненные с возможностью контакта с водородом, изготовлены из материалов, стойких к водородному охрупчиванию. Например, материалы, стойкие к водородному охрупчиванию, включают аустенитную нержавеющую сталь, медь, сплавы меди, алюминий, сплавы алюминия и керамические материалы.In some of the embodiments where the fuel is hydrogen, the hydrogen-contactable components are made from materials that are resistant to hydrogen embrittlement. For example, materials resistant to hydrogen embrittlement include austenitic stainless steel, copper, copper alloys, aluminium, aluminum alloys, and ceramic materials.

В некоторых из тех вариантов реализации, в которых корпус 330 принимает топливную смесь, внутренняя часть корпуса покрыта отражающим материалом для уменьшения или минимизации потерь из-за излучения тепла. В некоторых вариантах реализации теплообменник включает изоляцию, окружающую корпус. В некоторых вариантах реализации изоляция представляет собой стекловату.In some of the embodiments where the housing 330 receives the fuel mixture, the interior of the housing is lined with reflective material to reduce or minimize heat radiation losses. In some embodiments, the heat exchanger includes insulation surrounding the housing. In some embodiments, the insulation is glass wool.

Как показано на фиг. 8, предложен другой вариант реализации реактора 800 с улучшенной теплопередачей за счет теплопроводности. В некоторых вариантах реализации переплетение между собой нагревательных элементов и трубопроводов для первого и второго текучих материалов обеспечивает возможность большей теплопередачи, а также возможность масштабирования с применением больших объемов текучего материала и топлива.As shown in FIG. 8, another embodiment of a reactor 800 with improved conduction heat transfer is provided. In some embodiments, the interweaving of the heating elements and the first and second fluid conduits allows greater heat transfer, as well as the ability to scale with large volumes of fluid and fuel.

Реактор 800 содержит трубопровод 810, имеющий входное отверстие 812 для приема первого текучего материала и выходное отверстие 814. Трубопровод 810 соединен с нагревательным элементом 816, на который нанесена каталитическая композиция, содержащая катализатор окисления водорода (КОВ) и катализатор восстановления кислорода (КВК). Нагревательный элемент 816 выполнен с возможностью осуществления каталитического сжигания топливной смеси и передачи энергии, выделяющейся при каталитическом сжигании, теплообменной среде. В некоторых вариантах реализации каталитическая композиция понижает энергию активации каталитического сжигания, в результате чего оно протекает при низких температурах. Трубопровод 810 и нагревательный элемент 816 расположены в реакционной полости, окруженной корпусом 830. Корпус 830 имеет один или более входных отверстий для приема второго текучего материала. В одном из вариантов реализации первый текучий материал представляет собой теплообменную среду, а второй текучий материал представляет собой топливо и окислитель. В некоторых вариантах реализации второй текучий материал представляет собой смесь топлива и окислителя. В предпочтительных вариантах реализации топливо и окислитель подают раздельно, и не смешивают предварительно. В некоторых вариантах реализации топливо представляет собой смесь одного или более различных типов топлива.The reactor 800 includes a conduit 810 having an inlet 812 for receiving the first fluid material and an outlet 814. The conduit 810 is connected to a heating element 816, on which a catalyst composition containing a hydrogen oxidation catalyst (HOX) and an oxygen reduction catalyst (ORC) is applied. The heating element 816 is configured to perform catalytic combustion of the fuel mixture and transfer the energy released during catalytic combustion to the heat exchange medium. In some embodiments, the catalyst composition lowers the activation energy of catalytic combustion so that it proceeds at low temperatures. Conduit 810 and heating element 816 are located in a reaction cavity surrounded by housing 830. Housing 830 has one or more inlets for receiving a second fluid material. In one embodiment, the first fluid material is a heat exchange medium and the second fluid material is a fuel and an oxidizer. In some embodiments, the second fluid material is a mixture of fuel and oxidizer. In preferred embodiments, fuel and oxidizer are fed separately and are not premixed. In some embodiments, the fuel is a mixture of one or more different types of fuel.

В одном из вариантов реализации корпус содержит пару входных отверстий 832а, 832b для приема топливной смеси в реакционную полость. В некоторых вариантах реализации второй текучий материал включает топливо и окислитель. Одно из входных отверстий 832а, 832b предназначено для приема топлива, а другой - для приема окислителя. В некоторых вариантах реализации топливо представляет собой описанное выше топливо. В некоторых вариантах реализации теплообменная среда представляет собой описанную выше теплообменную среду.In one embodiment, the housing includes a pair of inlets 832a, 832b for receiving the fuel mixture into the reaction cavity. In some embodiments, the second fluid material includes a fuel and an oxidizer. One of the inlets 832a, 832b is for receiving fuel and the other is for receiving oxidizer. In some embodiments, the fuel is the fuel described above. In some embodiments, the heat exchange medium is the heat exchange medium described above.

В некоторых вариантах реализации каталитическая композиция представляет собой каталитическую композицию, как описано выше. Как показано на фиг. 9, в некоторых вариантах реализации нагревательный элемент 816 содержит множество горизонтальных пластин 950а, 950b, 950с, на которые нанесены КОВ и КВК. В некоторых вариантах реализации КОВ и КВК наносят на пластины с использованием описанного выше способа. В некоторых вариантах реализации отношение площади поверхности КОВ и КВК составляет от примерно 9:1 до примерно 4:1. В некоторых вариантах реализации отношение площади поверхности КОВ и КВК составляет примерно 20:3.In some embodiments, the catalyst composition is a catalyst composition as described above. As shown in FIG. 9, in some embodiments, heating element 816 includes a plurality of horizontal plates 950a, 950b, 950c, which are coated with CFC and CFC. In some embodiments, KOV and KVK are applied to the plates using the method described above. In some embodiments, the ratio of the surface area of KOV and KVK is from about 9:1 to about 4:1. In some embodiments, the ratio of the surface area of KOV and KVK is about 20:3.

В некоторых вариантах реализации нагревательный элемент 816 содержит множество пластин, включая гофрированные пластины. В некоторых вариантах реализации некоторые из множества пластин являются гофрированными. В некоторых вариантах реализации множество гофрированных пластин расположено стопкой. В некоторых вариантах реализации трубопровод 810 расположен рядом с той областью, где одна пластина контактирует с другой.In some embodiments, heating element 816 includes a plurality of plates, including corrugated plates. In some embodiments, some of the plurality of plates are corrugated. In some embodiments, a plurality of corrugated plates are stacked. In some embodiments, conduit 810 is located adjacent to the area where one plate contacts another.

В некоторых вариантах реализации каждая пластина имеет форму поперечного сечения, включающую чередующиеся выступы 952 и углубления 954. Примеры форм поперечного сечения включают, без ограничения: синусоидальные волны, зигзаг, изогнутое, фестончатое и зубчатое. В предпочтительных вариантах реализации каждая пластина соединена с соседней пластиной при помощи одного или более соединений 956. В некоторых вариантах реализации одно или более соединений удерживают соседние пластины на некотором расстоянии одна от другой. В одном из вариантов реализации первая сторона соединения прикреплена к верхней поверхности выступа на одной пластине, а вторая сторона соединения прикреплена к нижней поверхности углубления на другой пластине. В некоторых вариантах реализации каждое соединение занимает всю ширину пластины и содержит просвет 958 для размещения труIn some embodiments, each plate has a cross-sectional shape including alternating projections 952 and recesses 954. Examples of cross-sectional shapes include, but are not limited to, sine waves, zigzag, curved, scalloped, and scalloped. In preferred embodiments, each plate is connected to an adjacent plate by one or more joints 956. In some embodiments, one or more joints hold adjacent plates at some distance from one another. In one embodiment, the first side of the connection is attached to the top surface of the protrusion on one plate, and the second side of the connection is attached to the bottom surface of the recess on the other plate. In some embodiments, each connection occupies the entire width of the plate and contains a clearance 958 to accommodate the pipe.

- 8 041695 бопровода 810. В одном из вариантов реализации соединение образовано двумя элементами соединения, каждый из которых содержит вытянутый открытый канал, при этом один из элементов приварен к одной пластине, а второй приварен к соседней пластине. Когда две пластины собирают в стопку, два вытянутых открытых канала соединяются с образованием непрерывного просвета 958 для размещения трубопровода 810. В других вариантах реализации соединение содержит углубление для размещения трубопровода 810.- 8 041695 conduit 810. In one embodiment, the connection is formed by two connection elements, each of which contains an elongated open channel, while one of the elements is welded to one plate, and the second is welded to an adjacent plate. When the two plates are stacked, the two elongate open channels are connected to form a continuous lumen 958 to receive conduit 810. In other embodiments, the connection includes a recess to receive conduit 810.

В некоторых вариантах реализации множество горизонтальных пластин собраны в стопку и удерживаются вместе при помощи силы сжатия, обеспечиваемой, например, зажимом или болтами. В некоторых вариантах реализации множество горизонтальных пластин и соединений удерживаются вместе при помощи силы сжатия, обеспечиваемых, например, зажимом или болтами. В альтернативном варианте реализации множество горизонтальных пластин и соединений сварены или соединены между собой. В другом варианте реализации множество пластин непосредственно сварены или соединены между собой, без соединительных элементов, и содержат полость вытянутой формы в той области, где соседние пластины контактируют или соединены между собой, для размещения трубопровода.In some embodiments, a plurality of horizontal plates are stacked and held together by a compressive force provided, for example, by a clamp or bolts. In some embodiments, a plurality of horizontal plates and joints are held together by a compressive force provided, for example, by a clamp or bolts. In an alternative implementation, a plurality of horizontal plates and joints are welded or interconnected. In another embodiment, a plurality of plates are directly welded or connected to each other, without connecting elements, and contain an elongated cavity in the area where adjacent plates contact or are interconnected to accommodate the pipeline.

В некоторых вариантах реализации множество пластин, собранных в стопку, имеют общую форму поперечного сечения, например, в виде решетки, сот или узора булата.In some embodiments, the plurality of stacked plates have a common cross-sectional shape, such as a lattice, honeycomb, or damask pattern.

В одном из вариантов реализации нагревательный элемент содержит множество пластин, собранных в стопку, где каждая пластина размером примерно 30 на 400 мм. В другом варианте реализации нагревательный элемент содержит шесть пластин, собранных в стопку, где каждая пластина размером примерно 100 на 200 мм.In one embodiment, the heating element comprises a plurality of plates stacked, where each plate measures approximately 30mm by 400mm. In another embodiment, the heating element comprises six plates stacked, where each plate measures approximately 100mm by 200mm.

В некоторых вариантах реализации трубопровод 810 переплетается через просветы в соединениях, образуя петлю 860 в той области, где трубопровод выходит из одного просвета и входит в следующий просвет. В некоторых вариантах реализации петля 860 выступает за границы ширины множества пластин. В некоторых вариантах реализации трубопровод расположен в виде одноходовой конструкции через просвет таким образом, что текучая среда, поступающая в один конец просвета, проводится к другому концу просвета. В некоторых вариантах реализации трубопровод 810 расположен в виде многоходовой конструкции через просвет таким образом, что текучая среда, поступающая в один конец просвета, проводится к другому концу просвета и обратно к первому концу, и необязательно несколько раз.In some embodiments, conduit 810 weaves through gaps in connections, forming a loop 860 at the region where conduit exits one gap and enters the next gap. In some embodiments, loop 860 extends beyond the width of the plurality of plates. In some embodiments, the conduit is positioned in a one-way structure across the lumen such that fluid entering one end of the lumen is conducted to the other end of the lumen. In some embodiments, conduit 810 is arranged in a multi-way arrangement through the lumen such that fluid entering one end of the lumen is conducted to the other end of the lumen and back to the first end, and optionally multiple times.

В некоторых вариантах реализации множество пластин являются плоскими, и каждая пластина соединена с соседней пластиной при помощи множества удлиненных соединений, которые простираются на всю ширину пластин и удерживают пластины на некотором расстоянии друг от друга. В этом варианте реализации соединения содержат просвет, через который переплетается трубопровод 810.In some embodiments, a plurality of plates are flat and each plate is connected to an adjacent plate by a plurality of elongated joints that extend the full width of the plates and keep the plates spaced apart. In this embodiment, the connections comprise a lumen through which conduit 810 is weaved.

В некоторых вариантах реализации каждый сегмент 910 трубопровода, проходящий через просвет, отделен от следующего сегмента расстоянием w, где w составляет по меньшей мере 10, по меньшей мере 20, по меньшей мере 30, предпочтительно по меньшей мере 40 мм. В одном из вариантов реализации w составляет по меньшей мере 42 мм. В некоторых вариантах реализации каждый ряд трубопровода, переплетающегося между парой пластин, отделен от следующего ряда расстоянием h, где h составляет по меньшей мере 10, по меньшей мере 15, по меньшей мере 20, предпочтительно по меньшей мере 25 мм. В одном из вариантов реализации h составляет по меньшей мере 26 мм.In some embodiments, each tubing segment 910 passing through the lumen is separated from the next segment by a distance w, where w is at least 10, at least 20, at least 30, preferably at least 40 mm. In one embodiment, w is at least 42 mm. In some embodiments, each row of conduit intertwined between a pair of plates is separated from the next row by a distance h, where h is at least 10, at least 15, at least 20, preferably at least 25 mm. In one embodiment, h is at least 26 mm.

В некоторых вариантах реализации множество пластин составляют одно целое с поверхностью трубопровода 810. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере часть множества пластин соединена с поверхностью трубопровода 810.In some embodiments, a plurality of plates are integral with the surface of conduit 810. In some embodiments, at least a portion of the plurality of plates are connected to the surface of conduit 810.

В некоторых вариантах реализации реактор 800 содержит распределитель 820 для распределения топлива и окислителя вблизи пластин. Распределение топлива и окислителя к пластинам может обеспечивать лучшее подведение несгоревшего водорода к поверхности пластин. В некоторых вариантах реализации распределитель 820 сообщается по текучей среде с одним или более входными отверстиями, в которые поступают топливо и окислитель. Распределитель простирается вдоль ширины пластин через полость 970, образованную выступом одной пластины и углублением другой пластины. В некоторых вариантах реализации распределитель 820 содержит отверстия для доставки топливной смеси в полости 970, образованные между пластинами. В некоторых вариантах реализации распределитель 820 содержит множество отверстий одинаковых или разных размеров вдоль длины распределителя, простирающегося вдоль ширины пластин. В некоторых вариантах реализации размер отверстий вдоль длины распределителя варьируется для обеспечения некоторого баланса в скорости потока. Например, отверстие, расположенное ближе к входному концу распределителя, меньше, чем отверстия на конце распределителя, находящиеся дальше всего от входного отверстия. Другие размеры также возможны и известны специалистам в данной области техники.In some embodiments, reactor 800 includes a distributor 820 for distributing fuel and oxidizer near the plates. The distribution of fuel and oxidizer to the plates can provide a better supply of unburned hydrogen to the surface of the plates. In some embodiments, distributor 820 is in fluid communication with one or more inlets that receive fuel and oxidizer. The distributor extends along the width of the plates through a cavity 970 formed by the protrusion of one plate and the depression of the other plate. In some embodiments, distributor 820 includes fuel mixture delivery ports in cavities 970 formed between the plates. In some embodiments, the distributor 820 includes a plurality of holes of the same or different sizes along the length of the distributor extending along the width of the plates. In some embodiments, the size of the holes along the length of the distributor varies to provide some balance in flow rate. For example, the opening closest to the inlet end of the distributor is smaller than the openings at the end of the distributor farthest from the inlet. Other sizes are also possible and known to those skilled in the art.

В некоторых вариантах реализации пара распределителей 920а, 920b сообщается по текучей среде с соответствующей парой входных отверстий 832а, 832b, в которые соответственно поступают топливо и окислитель. Оба распределителя в паре проходят через полость 970, образованную выступом одной пластины и углублением другой пластины, обеспечивая тем самым доставку и топлива и окислителя в полость 970. В некоторых вариантах реализации один из пары распределителей расположен ближе к или по существу внутри части полости, образованной выступом 972, а второй из пары распределителей распоIn some embodiments, a pair of distributors 920a, 920b are in fluid communication with a corresponding pair of inlets 832a, 832b, which respectively receive fuel and oxidizer. Both distributors in a pair pass through a cavity 970 defined by a protrusion of one plate and a recess of the other plate, thereby allowing both fuel and oxidizer to be delivered to cavity 970. 972, and the second of a pair of distributors is located

- 9 041695 ложен ближе к или по существу внутри части полости, образованной углублением 974. В некоторых вариантах реализации каждый из пары распределителей 920а, 920b содержит множество отверстий одинаковых или разных размеров вдоль длины распределителя, который расположен вдоль ширины пластин. Отверстия вдоль одного из распределителей в паре совпадают по продольному расположению и находятся напротив соответствующих отверстий во втором распределителе в паре. Газообразные топливо и окислитель, встречаясь друг с другом на выходе из расположенных напротив питающих трубок распределителей, смешиваются турбулентно, образуя смесь топлива и окислителя, которая вступает в контакт с окружающей каталитической поверхностью пластин. Одно из преимуществ раздельной подачи топлива и окислителя и смешивания их в реакторе настолько поздно, насколько это возможно, заключается в том, что это обеспечивает возможность более эффективного сжигания, с минимальным выбросом загрязняющих веществ и максимальным сжиганием топлива.- 9 041695 lies closer to or substantially within the portion of the cavity formed by recess 974. In some embodiments, each of the pair of distributors 920a, 920b contains a plurality of holes of the same or different sizes along the length of the distributor, which is located along the width of the plates. The holes along one of the distributors in the pair coincide in longitudinal arrangement and are opposite the corresponding holes in the second distributor in the pair. The gaseous fuel and oxidizer, meeting each other at the outlet of the distributors located opposite the feed tubes, mix turbulently, forming a mixture of fuel and oxidizer, which comes into contact with the surrounding catalytic surface of the plates. One of the advantages of feeding the fuel and oxidizer separately and mixing them in the reactor as late as possible is that it allows for more efficient combustion, with minimal pollutant emissions and maximum fuel burn.

В некоторых вариантах реализации распределитель имеет диаметр 3-10, 5-8, 6-7, предпочтительно 6,35 мм. В некоторых вариантах реализации отверстия имеют размер в диапазоне 0,1-2, 0,5-1,5, предпочтительно 1 мм. Другие размеры также возможны.In some embodiments, the distributor has a diameter of 3-10, 5-8, 6-7, preferably 6.35 mm. In some embodiments, the holes have a size in the range of 0.1-2, 0.5-1.5, preferably 1 mm. Other sizes are also possible.

В некоторых вариантах реализации реактор содержит сеть распределителей или множество пар распределителей для распределения топлива и окислителей в различные полости, образованные между пластинами. В предпочтительных вариантах реализации в каждой полости размещена пара распределителей, сообщающихся по текучей среде с соответствующей ей парой входных отверстий. В таких вариантах реализации существует множество пар входных отверстий и соответствующее множество пар распределителей. В некоторых вариантах реализации распределитель имеет открытый конец, сообщающийся по текучей среде с входным отверстием для приема топливной смеси, и закрытый конец. Таким образом, топливную смесь вводят через входные отверстия, затем она выходит через отверстия, служащие выходными отверстиями. В некоторых вариантах реализации каждый из пары распределителей имеет открытый конец и закрытый конец, и отверстия, через которые выходят топливо и окислитель, что обеспечивает достижение высокой степени смешивания топлива и окислителя до вступления их в контакт с поверхностью пластин. В альтернативных вариантах реализации распределитель или пара распределителей переплетаются сквозь различные полости, образованные между пластинами.In some embodiments, the reactor contains a network of distributors or a plurality of pairs of distributors for distributing fuel and oxidizers into various cavities formed between the plates. In preferred embodiments, each cavity houses a pair of distributors in fluid communication with a corresponding pair of inlets. In such embodiments, there are a plurality of pairs of inlets and a corresponding plurality of pairs of distributors. In some embodiments, the distributor has an open end in fluid communication with the fuel mixture inlet and a closed end. Thus, the fuel mixture is introduced through the inlets, then it exits through the holes serving as outlets. In some embodiments, each of the pair of distributors has an open end and a closed end, and openings through which fuel and oxidizer exit to achieve a high degree of mixing of the fuel and oxidizer before they come into contact with the surface of the plates. In alternative embodiments, a distributor or a pair of distributors intertwine through various cavities formed between the plates.

В некоторых вариантах реализации реактор представляет собой модульный блок, имеющий собственные корпус, нагревательный элемент, трубопровод для теплообменной среды и входное отверстие для топлива. В одном из вариантов реализации система для каталитического сжигания содержит множество модульных реакторов. В одном из вариантов реализации каждый блок, представляющий собой модульный реактор, содержит нагревательный элемент с 30 нагревательными пластинами диаметром 400 мм и толщиной примерно 1 мм. В некоторых вариантах реализации система каталитического сжигания содержит более 3, более 5, более 10 или более 20 блоков, представляющих собой модульные реакторы. В одном из вариантов реализации система каталитического сжигания содержит от 4 до 6 блоков, представляющих собой модульные реакторы. В одном из вариантов реализации блоки, представляющие собой модульные реактор, собраны в стопки. Обеспечение реакторов в виде модулей имеет множество преимуществ, включая возможность замены одного модуля независимо от остальных, для обслуживания или ремонта.In some embodiments, the reactor is a modular unit having its own housing, heating element, heat exchange fluid conduit, and fuel inlet. In one embodiment, the catalytic combustion system comprises a plurality of modular reactors. In one embodiment, each block, which is a modular reactor, contains a heating element with 30 heating plates with a diameter of 400 mm and a thickness of about 1 mm. In some embodiments, the catalytic combustion system comprises more than 3, more than 5, more than 10, or more than 20 modular reactor units. In one embodiment, the catalytic combustion system comprises 4 to 6 modular reactor units. In one embodiment, the units, which are modular reactors, are stacked. Providing reactors in modules has many advantages, including the ability to replace one module independently of the others, for maintenance or repair.

В некоторых вариантах реализации системы каталитического сжигания, трубопровод представляет собой отдельный трубопровод для каждого элемента модульного реактора. В некоторых вариантах реализации система каталитического сжигания содержит сеть трубопроводов, расположенных параллельно или последовательно, для доставки теплообменной среды в каждый из элементов модульного реактора. В некоторых вариантах реализации, в которых система каталитического сжигания содержит элементы модульного реактора, собранные в стопки, трубопровод выполнен с возможностью подачи теплообменной среды через входное отверстие трубопровода, расположенное в нижней части модульного реактора, и выведения ее через выходное отверстие трубопровода, расположенное в верхней части модульного реактора. Выходное отверстие трубопровода первого модульного реактора в стопке сообщается по текучей среде с входным отверстием трубопровода второго модульного реактора в стопке. Таким образом, число элементов модульного реактора в системе каталитического сжигания можно изменять в зависимости от желаемого выхода теплообменной среды из самого верхнего блока, представляющего собой модульный реактор.In some embodiments of the catalytic combustion system, the pipeline is a separate pipeline for each element of the modular reactor. In some embodiments, the catalytic combustion system comprises a network of conduits arranged in parallel or in series to deliver a heat exchange medium to each of the modular reactor elements. In some embodiments where the catalytic combustion system comprises stacked modular reactor elements, the conduit is configured to supply the heat exchange medium through the conduit inlet located at the bottom of the modular reactor and withdraw it through the conduit outlet located at the top. modular reactor. The outlet of the conduit of the first modular reactor in the stack is in fluid communication with the inlet of the conduit of the second modular reactor in the stack. Thus, the number of elements of the modular reactor in the catalytic combustion system can be changed depending on the desired output of the heat exchange medium from the uppermost unit, which is a modular reactor.

В некоторых вариантах реализации реактор согласно настоящему описанию содержит множество нагревательных элементов, каждый из которых содержит множество пластин. В некоторых вариантах реализации реактор согласно настоящему описанию содержит модульный нагревательный элемент, причем каждый модульный блок содержит множество пластин.In some embodiments, the reactor according to the present description contains a plurality of heating elements, each of which contains a plurality of plates. In some embodiments, the reactor according to the present disclosure comprises a modular heating element, with each modular unit comprising a plurality of plates.

Теплообмен.Heat exchange.

В известных теплообменниках горячую среду обычно обеспечивают внутри трубопровода и обеспечивают окружение холодной средой для передачи тепла от горячей среды к холодной среде. Для максимизации сжигания топлива и одновременной максимизации теплопередачи разработаны усовершенствованные реакторы и каталитические поверхности согласно настоящему описанию, которые являются более эффективными, когда холодную среду (т.е. теплообменную среду) обеспечивают внутри трубоIn prior art heat exchangers, a hot medium is typically provided within the conduit and a cold medium is provided to transfer heat from the hot medium to the cold medium. To maximize fuel combustion and simultaneously maximize heat transfer, improved reactors and catalytic surfaces according to the present disclosure have been developed that are more efficient when a cold environment (i.e. heat exchange medium) is provided inside the tube.

- 10 041695 провода, окруженного горячей средой (т.е. нагревательным элементом, покрытым каталитической композицией).- 10 041695 wire surrounded by a hot medium (i.e. a heating element coated with a catalytic composition).

Кроме того, при первоначальном запуске теплообменника, ранние потери тепла, обусловленные теплопередачей за счет теплопроводности к теплообменной среде, могут снизить эффективность нагревательного элемента с нанесенной на него каталитической композицией, в начале сжигания. Чтобы избежать значительной задержки или медленного первоначального увеличения температуры, реакторы согласно настоящему описанию также обладают преимуществом, связанным с более эффективным контролем за указанными ранними потерями тепла при запуске, за счет переплетения трубопровода между пластинами и образования петель трубопровода вне ширины пластин, так что образующая петли часть не находится в контакте с пластинами.In addition, during the initial start-up of the heat exchanger, early heat loss due to conduction heat transfer to the heat exchange medium can reduce the efficiency of the catalytic composition-supported heating element at the start of combustion. To avoid significant delay or slow initial temperature rise, the reactors of the present disclosure also have the advantage of more effectively controlling these early start-up heat losses by entangling tubing between the plates and looping the tubing outside the width of the plates so that the looping portion is not in contact with the plates.

В одном из аспектов предложен способ 400 для нагревания теплообменной среды, показанный на фиг. 4. Под номером 402 показана каталитическая поверхность, содержащая катализатор окисления водорода (КОВ) и катализатор восстановления кислорода (КОВ). Каталитическая поверхность выполнена с возможностью снижения энергии активации сжигания топливной смеси, содержащей топливо и окислитель, в результате чего сжигание протекает при низких температурах. На стадии 404 топливную смесь подают к каталитической поверхности. На стадии 406 топливная смесь сжигается на каталитической поверхности. На стадии 408 тепло, выделяющееся при каталитическом сжигании, передается теплообменной среде.In one aspect, a method 400 for heating a heat exchange medium is provided, as shown in FIG. 4. 402 shows a catalytic surface containing a hydrogen oxidation catalyst (OHC) and an oxygen reduction catalyst (ORC). The catalytic surface is configured to reduce the activation energy of combustion of the fuel mixture containing fuel and oxidizer, resulting in combustion proceeding at low temperatures. At 404, the fuel mixture is supplied to the catalytic surface. In step 406, the fuel mixture is burned on the catalytic surface. In step 408, the heat generated by the catalytic combustion is transferred to the heat exchange medium.

В некоторых вариантах реализации КОВ и КВК присутствуют в отношении от примерно 9:1 до примерно 4:1 по площади поверхности. В некоторых вариантах реализации КОВ и КВК присутствуют в отношении примерно 20:3.In some embodiments, KOV and KVK are present in a ratio of from about 9:1 to about 4:1 by surface area. In some embodiments, KOV and KVK are present in a ratio of about 20:3.

В некоторых вариантах реализации топливная смесь содержит топливо и окислитель. В некоторых вариантах реализации топливо содержит водород, углеводородный материал или смесь указанных материалов. В некоторых вариантах реализации углеводородный материал представляет собой возобновляемый углеводородный материал, такой как биодизель, биогаз или топливо из водорослей. В некоторых вариантах реализации топливо представляет собой водород. В некоторых вариантах реализации окислитель содержит кислород, обогащенный кислородом воздух или воздух. В некоторых вариантах реализации окислитель представляет собой кислород.In some embodiments, the fuel mixture contains a fuel and an oxidizer. In some embodiments, the fuel contains hydrogen, a hydrocarbon material, or a mixture of these materials. In some embodiments, the hydrocarbon material is a renewable hydrocarbon material such as biodiesel, biogas, or algal fuel. In some embodiments, the fuel is hydrogen. In some embodiments, the oxidant comprises oxygen, oxygen-enriched air, or air. In some embodiments, the oxidizing agent is oxygen.

В некоторых вариантах реализации продукты сжигания от каталитического сжигания содержат воду. Накопление воды на каталитической поверхности уменьшает поверхность, доступную для катализа сжигания топливной смеси. В некоторых вариантах реализации каталитическое сжигание протекает при низком давлении. Низкие значения давления могут снизить температуру кипения воды. Сниженная температура кипения может уменьшить накопление жидкой воды на каталитической поверхности за счет увеличения скорости испарения воды.In some embodiments, the combustion products from catalytic combustion contain water. The accumulation of water on the catalytic surface reduces the surface available for catalysis of the combustion of the fuel mixture. In some embodiments, catalytic combustion occurs at low pressure. Low pressures can lower the boiling point of water. The reduced boiling point can reduce the accumulation of liquid water on the catalytic surface by increasing the rate of water evaporation.

В некоторых вариантах реализации подача топливной смеси включает изменение состава топливной смеси. В некоторых вариантах реализации подача топливной смеси включает фазу запуска 404А, рабочую фазу 404В или обе указанные фазы.In some embodiments, the implementation of the supply of the fuel mixture includes changing the composition of the fuel mixture. In some implementations, the supply of the fuel mixture includes a start-up phase 404A, an operating phase 404B, or both of these phases.

Во время фазы запуска 404А каталитическая поверхность находится при начальной температуре. В некоторых вариантах реализации начальная температура поверхности катализатора ниже 100, 50, 30, 20, 15 или даже ниже 10°С. В некоторых вариантах реализации состав топливной смеси, обеспечиваемый во время фазы запуска 404А, относительно обогащен кислородом. Относительно обогащенная кислородом топливная смесь может подвергаться каталитическому сжиганию при меньшей температуре, чем обогащенная топливом смесь. В некоторых вариантах реализации отношение кислорода к топливу в топливной смеси, подаваемой во время фазы запуска, составляет от примерно 1:2 до примерно 1:1. В некоторых вариантах реализации отношение кислорода к топливу в топливной смеси, подаваемой во время фазы запуска, составляет примерно 11:14. Каталитическое сжигание приводит к нагреванию каталитической поверхности. В некоторых вариантах реализации фаза запуска продолжается до 1 ч, 45, 30 или даже 20 мин.During the startup phase 404A, the catalytic surface is at an initial temperature. In some embodiments, the initial catalyst surface temperature is below 100, 50, 30, 20, 15, or even below 10°C. In some embodiments, the fuel mixture provided during the startup phase 404A is relatively enriched in oxygen. The relatively oxygen-enriched fuel mixture can undergo catalytic combustion at a lower temperature than the fuel-rich mixture. In some embodiments, the ratio of oxygen to fuel in the fuel mixture supplied during the startup phase is from about 1:2 to about 1:1. In some embodiments, the ratio of oxygen to fuel in the fuel mixture supplied during the startup phase is about 11:14. Catalytic combustion leads to heating of the catalytic surface. In some embodiments, the startup phase lasts up to 1 hour, 45 minutes, 30 minutes, or even 20 minutes.

Как показано на фиг. 7, в конкретном варианте реализации настоящего изобретения, топливную смесь подают в реактор. Исходная температура равнялась температуре окружающей среды (примерно 25°С). Температура медленно повышалась в течение примерно 10 с до достижения примерно 35°С, после чего продолжала повышаться значительно быстрее. Не ограничиваясь никакой теорией, полагают, что при исходной температуре энергии активации была достаточной для активации реакции, но с относительно низкой скоростью реакции. По мере протекания реакции выделялась энергия за счет экзотермической реакции каталитического сжигания. Это приводило к наблюдаемому повышению температуры и обеспечивало дополнительную энергию, что приводило к увеличению скоростей реакции и приводило к более быстрому повышению температуры. Напротив, в системе, в которую подавали ту же самую топливную смесь, но в которой палладий являлся единственным каталитическим материалом в аналогичном нагревательном элементе, не наблюдалось повышения температуры выше температур окружающей среды даже по прошествии более 1 ч.As shown in FIG. 7, in a specific embodiment of the present invention, the fuel mixture is fed into the reactor. The initial temperature was equal to the ambient temperature (about 25°C). The temperature rose slowly over about 10 seconds until reaching about 35°C, after which it continued to rise much faster. Without wishing to be bound by theory, it is believed that at the initial temperature, the activation energy was sufficient to activate the reaction, but with a relatively slow reaction rate. As the reaction proceeded, energy was released due to the exothermic catalytic combustion reaction. This resulted in an observable increase in temperature and provided additional energy, resulting in increased reaction rates and resulted in a faster temperature rise. In contrast, in a system fed with the same fuel mixture but with palladium as the only catalytic material in a similar heating element, no temperature rise above ambient temperature was observed even after more than 1 hour.

В некоторых вариантах реализации после того, как температура каталитической поверхности превысит примерно 140°С, способ переходит в рабочую фазу 404В. В некоторых вариантах реализации композиция топливной смеси является относительно обогащенной топливом. В некоторых вариантах реализации каталиIn some embodiments, once the catalytic surface temperature has exceeded about 140°C, the process enters operation phase 404B. In some embodiments, the fuel mixture composition is relatively rich in fuel. In some implementations, the catalog

- 11 041695 тическое сжигание топливной смеси, относительно обогащенной топливом, может протекать при более высоких рабочих температурах, поскольку отсутствует избыточный окислитель, действующий как термический разбавитель. В некоторых вариантах реализации отношение кислорода к топливу в топливной смеси, подаваемой во время рабочей фазы, составляет от примерно 2:5 до примерно 2:3. В некоторых вариантах реализации отношение кислорода к топливу в топливной смеси, подаваемой во время рабочей фазы, составляет примерно 3:4. В некоторых вариантах реализации каталитическое сжигание во время рабочей фазы протекает на каталитической поверхности с рабочей температурой более 300, 400, 500 или даже более 600°С. В некоторых вариантах реализации рабочая температура превышает 600°С. Более высокие температуры каталитической поверхности приводят к большему температурному градиенту с теплообменной средой, что увеличивает количество тепла, передаваемого теплообменной среде.- 11 041695 Thermal combustion of a fuel mixture relatively rich in fuel can proceed at higher operating temperatures because there is no excess oxidizer acting as a thermal diluent. In some embodiments, the ratio of oxygen to fuel in the fuel mixture supplied during the operating phase is from about 2:5 to about 2:3. In some embodiments, the ratio of oxygen to fuel in the fuel mixture supplied during the operating phase is about 3:4. In some embodiments, catalytic combustion during the operating phase occurs on a catalytic surface with an operating temperature of greater than 300, 400, 500, or even greater than 600°C. In some embodiments, the operating temperature exceeds 600°C. Higher catalytic surface temperatures result in a larger temperature gradient with the heat exchange medium, which increases the amount of heat transferred to the heat exchange medium.

В некоторых вариантах реализации топливная смесь содержит ограниченное количество или не содержит термического разбавителя. Например, воздух представляет собой смесь газов, включающих азот, кислород и диоксид углерода. Все газы в воздухе, отличные от кислорода, имеют ограниченную реакционную способность и могут служить термическими разбавителями, которые поглощают часть тепла, выделяющегося при каталитическом сжигании, благодаря чему температуры, которые можно достичь при каталитическом сжигании топливной смеси, будут ниже, чем если бы топливная смесь содержала ограниченное количество или не содержала термического разбавителя. Кроме того, при высоких рабочих температурах присутствие азота может приводить к образованию нежелательных NOx. Поэтому в некоторых вариантах реализации окислитель представляет собой обогащенный кислородом воздух или кислород. В некоторых вариантах реализации окислитель представляет собой кислород.In some embodiments, the fuel mixture contains limited or no thermal diluent. For example, air is a mixture of gases including nitrogen, oxygen and carbon dioxide. All gases in the air, other than oxygen, have limited reactivity and can serve as thermal diluents that absorb some of the heat generated during catalytic combustion, due to which the temperatures that can be achieved with catalytic combustion of the fuel mixture will be lower than if the fuel mixture contained a limited amount or did not contain a thermal diluent. In addition, at high operating temperatures, the presence of nitrogen can lead to the formation of undesirable NOx. Therefore, in some embodiments, the oxidant is oxygen-enriched air or oxygen. In some embodiments, the oxidizing agent is oxygen.

В некоторых вариантах реализации каталитическое сжигание осуществляют при давлении ниже атмосферного. В некоторых вариантах реализации каталитическое сжигание осуществляют при давлении ниже 100, 90, 80, 70, 60 или даже ниже 50 кПа. При давлении ниже атмосферного давления снижается температура кипения воды, благодаря чему уменьшается вероятность накопления жидкой воды на каталитической поверхности. Кроме того, при меньших давлениях может быть снижена способность топливной смеси к горению в объеме, что может обеспечивать большую безопасность.In some embodiments, catalytic combustion is carried out at subatmospheric pressure. In some embodiments, catalytic combustion is carried out at pressures below 100, 90, 80, 70, 60, or even below 50 kPa. At a pressure below atmospheric pressure, the boiling point of water decreases, thereby reducing the likelihood of accumulation of liquid water on the catalytic surface. In addition, at lower pressures, the ability of the fuel mixture to burn in volume can be reduced, which can provide greater safety.

В некоторых вариантах реализации теплообменная среда представляет собой воду, традиционную охлаждаемую гелиевую петлю, пСО2 (перегретый диоксид углерода). В некоторых вариантах реализации передача тепла к воде приводит к образованию пара. Пар можно применять, например, для приведения в движение турбин, для обеспечения энергией систем центрального отопления или в операциях опреснения.In some embodiments, the heat exchange medium is water, a traditional cooled helium loop, pCO 2 (superheated carbon dioxide). In some embodiments, the transfer of heat to water results in the formation of steam. Steam can be used, for example, to drive turbines, to power central heating systems, or in desalination operations.

В некоторых вариантах реализации каталитическая поверхность представляет собой по меньшей мере часть поверхности нагревательного элемента описанного выше теплообменника. В некоторых вариантах реализации каталитическую поверхность получают при помощи описанного выше способа. В некоторых вариантах реализации каталитическая поверхность содержит описанную выше каталитическую композицию.In some embodiments, the catalytic surface is at least a portion of the heating element surface of the heat exchanger described above. In some embodiments, the catalytic surface is obtained using the method described above. In some embodiments, the catalyst surface contains the catalyst composition described above.

В одном из аспектов предложена каталитическая камера сжигания. Каталитическая камера сжигания содержит каталитическую поверхность. Каталитическая поверхность содержит каталитическую композицию, описанную выше или полученную при помощи описанного выше способа.In one aspect, a catalytic combustor is provided. The catalytic combustion chamber contains a catalytic surface. The catalytic surface contains the catalytic composition described above or obtained using the method described above.

В некоторых вариантах реализации тепло, вырабатываемое при работе каталитической камеры сжигания, используют в качестве источника тепла для получения работы. В некоторых вариантах реализации тепло, вырабатываемое при работе каталитической камеры сжигания, используют для приведения в движение двигателя Стирлинга, турбины, операции смены фаз для кондиционирования воздуха, системы центрального отопления или системы опреснения. Например, в некоторых вариантах реализации, каталитическая камера сжигания представляет собой нагревательный элемент, входящий в состав реактора 300. В другом варианте реализации каталитическая камера сжигания представляет собой графитовый блок с отверстием, выполненным с возможностью приема расширительного цилиндра двигателя Стирлинга. В некоторых вариантах реализации тепло, вырабатываемое при работе каталитической камеры сжигания, применяют для получения пара. Например, каталитическая камера сжигания может входить в состав описанного выше реактора.In some embodiments, the heat generated by the operation of the catalytic combustor is used as a heat source to produce work. In some embodiments, the heat generated from the operation of the catalytic combustor is used to drive a Stirling engine, a turbine, an air conditioning phase change operation, a central heating system, or a desalination system. For example, in some embodiments, the catalytic combustor is a heating element included with reactor 300. In another embodiment, the catalytic combustor is a graphite block with an opening configured to receive a Stirling engine expansion cylinder. In some embodiments, the heat generated from the operation of the catalytic combustor is used to generate steam. For example, the catalytic combustion chamber may be part of the reactor described above.

В одном из аспектов предложен способ каталитического сжигания топливной смеси. Топливную смесь, содержащую топливо и окислитель, подают в описанную выше каталитическую камеру сжигания и подвергают каталитическому сжиганию на каталитической поверхности каталитической камеры сжигания. В некоторых вариантах реализации каталитическое сжигание осуществляют аналогично нагреванию теплообменной среды, описанному выше, за исключением того, что тепло не обязательно передается теплообменной среде.In one aspect, a method for catalytically combusting a fuel mixture is provided. The fuel mixture containing the fuel and the oxidant is fed into the above-described catalytic combustion chamber and subjected to catalytic combustion on the catalytic surface of the catalytic combustion chamber. In some embodiments, catalytic combustion is performed similarly to heating the heat exchange medium described above, except that heat is not necessarily transferred to the heat exchange medium.

ПримерыExamples

Пример 1. Получение каталитической композиции.Example 1. Obtaining a catalytic composition.

Из листа нержавеющей стали 316 вырезали диск толщиной 0,8 мм. В диске просверливали монтажные отверстия. Поверхности диска придали механическим способом шероховатость до градуса шероховатости ISO N10 при помощи карборундовой бумаги с постепенно уменьшающейся зернистостью от 30 до 800.A 0.8 mm thick disc was cut from a 316 stainless steel sheet. Mounting holes were drilled in the disk. The disc surfaces were mechanically roughened to ISO N10 roughness using carborundum paper with gradually decreasing grit from 30 to 800.

- 12 041695- 12 041695

Раствор для электроосаждения КОВ получали путем растворения 1 г PdCl в 800 мл 30% аммиака. Диск и палладиевый электрод аналогичной площади механически подвешивали в растворе и подавали электрический ток 1 А при 30 В течение 15 мин. Целью являлось получение однородного покрытия из палладия толщиной приблизительно 250 мкм.A solution for electrodeposition of KOV was obtained by dissolving 1 g of PdCl in 800 ml of 30% ammonia. A disk and a palladium electrode of the same area were mechanically suspended in the solution and an electric current of 1 A at 30 V was applied for 15 min. The goal was to obtain a uniform palladium coating with a thickness of approximately 250 µm.

После завершения нанесения покрытия диск извлекали, промывали дистиллированной водой и осторожно промокали мягкой тряпкой для удаления избытка оставшейся жидкости. Затем диск нагревали в промышленной печи при 100°С в течение примерно 15 мин для удаления остатков раствора для электроосаждения.After coating was completed, the disc was removed, washed with distilled water, and gently blotted with a soft cloth to remove excess remaining liquid. The disc was then heated in a commercial oven at 100° C. for about 15 minutes to remove any remaining electrodeposition solution.

Проводили визуальную проверку поверхности для подтверждения нанесения однородного покрытия без видимого субстрата. Если покрытие предельно допустимое, проводили многоточечное исследование СЭМ/РДА. При необходимости повторяли электроосаждение.Conducted a visual inspection of the surface to confirm the application of a homogeneous coating without visible substrate. If the coverage was marginal, a multipoint SEM/RDA study was performed. Electroplating was repeated if necessary.

После подтверждения покрытия диск отжигали при 900°С в течение 1 ч, а затем оставляли остыть до комнатной температуры.After coating was confirmed, the disc was annealed at 900°C for 1 h and then allowed to cool to room temperature.

Раствор для электроосаждения КВК получали путем растворения 1 г SnO2 в 800 мл 32% HCl.Solution for electrodeposition KVK was obtained by dissolving 1 g of SnO 2 in 800 ml of 32% HCl.

Охлажденный диск механически подвешивали в растворе для электроосаждения КВК и пропускали через диск и палладиевый электрод аналогичных размеров электрический ток 10 В 3 А в течение 7 мин.The cooled disk was mechanically suspended in the KVK electrodeposition solution and an electric current of 10 V 3 A was passed through the disk and a similarly sized palladium electrode for 7 min.

После завершения электроосаждения КВК диск извлекали и промывали дистиллированной водой. Проверку повторяли, чтобы подтвердить, что произошло электроосаждение олова по меньшей мере на 30% поверхности.After completion of CVC electrodeposition, the disc was removed and washed with distilled water. The test was repeated to confirm that tin electrodeposition had occurred on at least 30% of the surface.

После подтверждения покрытия диск отжигали при 400°С в течение 1 ч.After confirmation of the coating, the disk was annealed at 400°С for 1 h.

Изображение СЭМ/РДА, показывающее каталитическую композицию, нанесенную на субстрат, представлено на фиг. 6А-С. Для получения изображения использовались следующие параметры:An SEM/XRD image showing the catalyst composition applied to the substrate is shown in FIG. 6A-C. The following parameters were used to obtain the image:

ускоряющее напряжение: 15,0 кВ, разрешение: 512x512 точек, видимое разрешение: 50%, время обработки: 5, ширина изображения: 1,567 мм, смешанная схема: палладий Lal (красный), олово Lal (зеленый).accelerating voltage: 15.0 kV, resolution: 512x512 dots, visible resolution: 50%, processing time: 5, image width: 1.567 mm, mixed circuit: Lal palladium (red), Lal tin (green).

Пример 2. Каталитическое сжигание с использованием каталитической композиции.Example 2 Catalytic Combustion Using a Catalyst Composition.

Применяли реактор с каталитической композицией, нанесенной на расположенный в реакторе нагреватель, как показано на фиг. 3. Система действовала так, что в трубопровод поступала вода, а в корпус поступала топливная смесь.A reactor was used with a catalyst composition applied to a heater located in the reactor as shown in FIG. 3. The system operated in such a way that water entered the pipeline, and the fuel mixture entered the housing.

Через систему прокачивали воду из резервуара при помощи насоса, до тех пор пока вода не начинала вытекать из выходного отверстия для воды/пара через открытый клапан. Затем закрывали выходной клапан подсистемы для воды. Давление во внутренней среде корпуса понижали для получения вакуума примерно 2 кПа (абс). Затем вводили водород и кислород во внутреннюю полость через регулятор, контролируя по массовому расходомеру. Первоначально поток устанавливали такой, чтобы обеспечить подачу водорода и кислорода в соотношении примерно 14:11. Для наблюдения за внутренними и внешними температурами использовали ряд термопар.Water was pumped through the system from the reservoir using a pump until water began to flow from the water/steam outlet through the open valve. Then the outlet valve of the water subsystem was closed. The pressure in the internal environment of the case was lowered to obtain a vacuum of about 2 kPa (abs). Then hydrogen and oxygen were introduced into the internal cavity through a regulator, controlled by a mass flow meter. Initially, the flow was set to provide a supply of hydrogen and oxygen in a ratio of about 14:11. A number of thermocouples were used to monitor internal and external temperatures.

Как показано на фиг. 7, первоначальная внутренняя температура составляла примерно 25°С. В течение примерно 10 с наблюдалось относительно медленное первоначальное повышение температуры. После достижения температуры в диапазоне примерно от 40 до 60°С скорость повышения температуры значительно возрастала. Температура достигала равновесного значения в диапазоне примерно от 350 до 400°С.As shown in FIG. 7, the initial internal temperature was about 25°C. A relatively slow initial rise in temperature was observed over about 10 seconds. After reaching a temperature in the range of about 40 to 60°C, the rate of temperature increase increased significantly. The temperature reached an equilibrium value in the range from about 350 to 400°C.

Вода циркулировала в подсистеме и давление пара регулировали путем открытия выходного клапана для поддержания давления пара ниже 800 кПа.Water was circulated in the subsystem and the steam pressure was controlled by opening an outlet valve to keep the steam pressure below 800 kPa.

Затем расход топливной смеси регулировали для увеличения количества вводимого H2, а затем количества вводимого O2, до тех пор пока внутреннее давление в вакуумной системе более не могло поддерживаться ниже приблизительно 100 кПа (абс).The fuel mixture flow rate was then adjusted to increase the amount of H2 injected and then the amount of O2 injected, until the internal pressure in the vacuum system could no longer be maintained below about 100 kPa (abs).

Температура повышалась примерно до 600°С, и получали пар высокого качества.The temperature was raised to about 600° C. and high quality steam was obtained.

Пример 3. Каталитическое сжигание с использование каталитической композиции, нанесенной на гофрированные нагревательные пластины.Example 3 Catalytic Combustion Using a Catalyst Composition Spread on Corrugated Heating Plates.

Применяли реактор с каталитической композицией, нанесенной на множество расположенных в реакторе гофрированных пластин, как показано на фиг. 8. Система функционировала таким образом, что в трубопровод поступала вода, а в корпус поступали водород и кислород через два отдельных входных отверстия. Через систему прокачивали воду, а затем вводили во внутреннюю полость водород и кислород аналогично тому, как описано в примере 2 выше.A reactor was used with the catalyst composition deposited on a plurality of corrugated plates arranged in the reactor as shown in FIG. 8. The system was operated in such a way that water entered the pipeline, and hydrogen and oxygen entered the casing through two separate inlets. Water was pumped through the system, and then hydrogen and oxygen were introduced into the internal cavity in the same way as described in example 2 above.

Первоначальная внутренняя температура составляла примерно 11°С (данные не показаны), и система демонстрировала профиль повышения температуры или тенденцию, аналогичную показанной на фиг. 7, с образованием пара высокого качества.The initial internal temperature was about 11°C (data not shown) and the system exhibited a temperature rise profile or trend similar to that shown in FIG. 7, with the formation of high quality steam.

Хотя выше был описан ряд примеров аспектов и вариантов реализации, специалист в данной области техники поймет, что возможны определенные модификации, изменения, дополнения и субкомбинаWhile a number of exemplary aspects and implementations have been described above, one skilled in the art will appreciate that certain modifications, changes, additions, and subcombinations are possible.

--

Claims (21)

ции. В приведенном выше описании, с целью объяснения, показаны многочисленные подробности для обеспечения глубокого понимания настоящего изобретения. Однако специалист в данной области техники поймет, что указанные конкретные подробности не являются необходимыми для практического осуществления настоящего изобретения. Хотя описаны определенные размеры и материалы для осуществления описанных примеров вариантов реализации, в рамках настоящего изобретения можно применять другие подходящие размеры и/или материалы. Все подобные модификации и варианты, включая все подходящие современные и будущие изменения в технологии, рассматривают как входящие в сферу и объем настоящего изобретения. Все ссылки, упомянутые в настоящем описании, полностью включены в настоящее описание посредством ссылок.tion. In the above description, for the purpose of explanation, numerous details are shown to provide a thorough understanding of the present invention. However, the person skilled in the art will understand that these specific details are not necessary for the practice of the present invention. Although certain dimensions and materials are described for carrying out the described exemplary embodiments, other suitable dimensions and/or materials may be used within the scope of the present invention. All such modifications and variations, including all relevant current and future changes in technology, are considered to be within the scope and scope of the present invention. All references mentioned in the present description, fully incorporated in the present description by reference. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Каталитическая композиция, содержащая непрерывную фазу, содержащую катализатор окисления водорода (КОВ); и дискретную фазу, содержащую катализатор восстановления кислорода (КВК);1. Catalytic composition containing a continuous phase containing a hydrogen oxidation catalyst (KOV); and a discrete phase containing an oxygen reduction catalyst (ORC); нанесенные на субстрат так, что образуется каталитическая поверхность, в которой отношение площади поверхности КОВ к площади поверхности КВК составляет от 9:1 до 4:1; причем каталитическая композиция выполнена с возможностью низкотемпературной активации реакции сжигания водорода.deposited on the substrate so that a catalytic surface is formed, in which the ratio of the surface area of the KOV to the surface area of the CVC is from 9:1 to 4:1; moreover, the catalytic composition is made with the possibility of low-temperature activation of the hydrogen combustion reaction. 2. Каталитическая композиция по п.1, отличающаяся тем, что отношение площади поверхности КОВ к площади поверхности КВК составляет примерно 20:3.2. Catalyst composition according to claim 1, characterized in that the ratio of the surface area of the KOV to the surface area of the KVK is about 20:3. 3. Каталитическая композиция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что КОВ и КВК получены путем электроосаждения.3. Catalyst composition according to claim 1 or 2, characterized in that KOV and KVK are obtained by electrodeposition. 4. Каталитическая композиция по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что катализатор выполнен с возможностью активировать сжигание водорода при температуре ниже примерно 140°С.4. Catalyst composition according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the catalyst is adapted to activate the combustion of hydrogen at a temperature below about 140°C. 5. Каталитическая композиция по п.4, отличающаяся тем, что катализатор выполнен с возможностью активировать сжигание водорода при температуре ниже 20°С.5. Catalyst composition according to claim 4, characterized in that the catalyst is configured to activate the combustion of hydrogen at a temperature below 20°C. 6. Каталитическая композиция по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что КОВ представляет собой благородный металл.6. Catalyst composition according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the KOH is a noble metal. 7. Каталитическая композиция по п.6, отличающаяся тем, что КОВ представляет собой платину или палладий.7. Catalyst composition according to claim 6, characterized in that the KOV is platinum or palladium. 8. Каталитическая композиция по п.7, отличающаяся тем, что КОВ представляет собой палладий.8. Catalyst composition according to claim 7, characterized in that the KOV is palladium. 9. Каталитическая композиция по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что КВК представляет собой железо, цинк, серебро, медь, олово, оксиды указанных элементов или комбинации указанных материалов.9. Catalyst composition according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the CVC is iron, zinc, silver, copper, tin, oxides of these elements or combinations of these materials. 10. Каталитическая композиция по п.9, отличающаяся тем, что КВК представляет собой оксид двухвалентного олова.10. Catalyst composition according to claim 9, characterized in that the CVC is a stannous oxide. 11. Способ получения каталитической композиции, включающий нанесение каталитической композиции на субстрат с образованием каталитической поверхности так, что нанесенная на субстрат непрерывная фаза содержит катализатор окисления водорода (КОВ), а нанесенная на субстрат дискретная фаза содержит катализатор восстановления кислорода (КВК);11. A method for producing a catalytic composition, which includes applying the catalytic composition to a substrate to form a catalytic surface so that the continuous phase deposited on the substrate contains a hydrogen oxidation catalyst (KOV), and the discrete phase deposited on the substrate contains an oxygen reduction catalyst (ORC); причем полученная каталитическая поверхность содержит участок КОВ и участок КВК, отношение площадей которых составляет от 9:1 до 4:1; и каталитическая поверхность выполнена с возможностью низкотемпературной активации реакции сжигания водорода.moreover, the obtained catalytic surface contains the plot KOV and plot KVK, the ratio of the areas of which is from 9:1 to 4:1; and the catalytic surface is configured to low-temperature activation of the hydrogen combustion reaction. 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что отношение площади участка КОВ к площади участка КВК составляет примерно 20:3.12. The method according to claim 11, characterized in that the ratio of the area of the KOV section to the area of the KVK section is approximately 20:3. 13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что нанесение каталитической композиции включает нанесение КОВ и нанесение КВК.13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that the application of the catalyst composition includes the application of KOV and the application of KVK. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что КВК наносят после нанесения КОВ.14. The method according to claim 13, characterized in that the KVK is applied after the application of the KOV. 15. Способ по любому из пп.11-14, отличающийся тем, что нанесение каталитической композиции включает электроосаждение КОВ, КВК или обоих указанных катализаторов на субстрат.15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the application of the catalyst composition comprises the electrodeposition of KOV, KVK or both of these catalysts on the substrate. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что нанесение каталитической композиции включает электроосаждение КОВ на субстрат.16. The method according to claim 15, characterized in that the application of the catalytic composition includes the electrodeposition of KOV on the substrate. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что нанесение каталитической композиции включает электроосаждение КВК на субстрат с нанесенным КОВ.17. The method according to claim 16, characterized in that the application of the catalytic composition includes the electrodeposition of KVK on the substrate with applied KOV. 18. Способ по любому из пп.11-17, дополнительно включающий нанесение предшественника на субстрат перед нанесением каталитической композиции, причем указанный предшественник усиливает адгезию каталитической композиции к субстрату.18. The method according to any one of claims 11 to 17, further comprising applying a precursor to the substrate prior to applying the catalyst composition, said precursor enhancing the adhesion of the catalyst composition to the substrate. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что предшественник представляет собой никель или медь.19. The method according to claim 18, characterized in that the precursor is nickel or copper. 20. Способ по п.18 или 19, отличающийся тем, что нанесение предшественника включает электроосаждение предшественника на субстрат.20. The method according to claim 18 or 19, wherein the application of the precursor comprises electrodeposition of the precursor onto the substrate. 21. Способ по любому из пп.11-20, дополнительно включающий термическую обработку субстрата 21. The method according to any one of claims 11-20, further comprising heat treatment of the substrate --
EA202090423 2017-08-24 2018-08-22 CATALYTIC COMPOSITION AND METHOD FOR ITS PRODUCTION EA041695B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/549,816 2017-08-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA041695B1 true EA041695B1 (en) 2022-11-23

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230136790A1 (en) Compositions, methods, and apparatuses for catalytic combustion
RU2175799C2 (en) Reforming unit and method for converting reagent into reaction products (alternatives)
RU2680048C2 (en) Ceramic oxygen transport membrane array reactor and reforming method
US7311986B2 (en) Multi-function energy system operable as a fuel cell, reformer, or thermal plant
US4853100A (en) High performance electrochemical energy conversion systems
TWI633050B (en) Hydrogen manufacturing system and a method for producing hydrogen
KR20210134071A (en) Sofc-conduction
JP2003506306A (en) Compact reactor
JP2022544377A (en) SOFC - Conduction
EP2864525B1 (en) Device and method for carrying out electrochemical reactions at elevated temperatures
EA041695B1 (en) CATALYTIC COMPOSITION AND METHOD FOR ITS PRODUCTION
OA21235A (en) Compositions, methods, and apparatuses for catalytic combustion.
OA19992A (en) Compositions, methods, and apparatuses for catalytic combustion.
OA19690A (en) Compositions, methods, and apparatuses for catalytic combustion.
CA2304752C (en) Hydrogen catalysis power cell for energy conversion systems
JPS5826002A (en) Steam reforming method and reaction tube for steam reforming
RU2264853C1 (en) Method for recombining hydrogen and oxygen in gas medium and hydrogen-and-oxygen recombiner
JP2005188807A (en) Film combustion method and device
Housley et al. Design of an Integrated Laboratory Scale Test for Hydrogen Production Via High Temperature Electrolysis