Устройство для получения водорода при диссоциации водородосодержащих газообразных соединений в неравновесной плазме атмосферного давления

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ПРИ ДИССОЦИАЦИИ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗООБРАЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Архипенко Валерий Иванович Згировский Сергей Михайлович Симончик Леонид Васильевич Кириллов Андрей Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для получения водорода при диссоциации водородосодержащих газообразных соединений в неравновесной плазме атмосферного давления, содержащее систему подачи газовой смеси, систему электропитания, камеру с анодом и катодом, отличающееся тем, что анод выполнен в виде сплошного стержня и имеет в 3-5 раз меньший диаметр, чем диаметр катода, который выполнен плоским и расположен на расстоянии 0,5-1 мм от анода. 51652009.04.30 Устройство относится к области источников неравновесной плазмы газовых разрядов атмосферного давления и может быть использовано для создания малогабаритных переносных источников получения водорода при разложении водородосодержащих газообразных соединений в неравновесной плазме тлеющего разряда атмосферного давления(ТРАД). Известно устройство, использующее для получения водорода микроразряд с полым катодом при атмосферном давлении в смеси аргона и аммиака 1. Устройство состоит из системы подачи газовой смеси, системы электропитания, камеры с двумя плоскими металлическими электродами толщиной 0,1 мм с керамической прокладкой толщиной 0,25-0,4 мм между ними, перпендикулярно которым просверлено сквозное отверстие диаметром 0,1-0,25 мм. Диссоциация аммиака происходит в неравновесной плазме, создаваемой в микроразряде в потоке газовой смеси внутри отверстия. Основным недостатком устройства является небольшой 210-6 см-3 объем плазмы, где происходит диссоциация аммиака, а также ограниченный промежуток времени 1-5 мкс, в течение которого газовая смесь находится в плазме разряда. Задачей полезной модели является создание большего объема для диссоциации водородосодержащих газообразных соединений (аммиак, метан и др.) путем использования неравновесной плазмы катодной области тлеющего разряда атмосферного давления, что приводит к увеличению производительности устройства. Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве для получения водорода при диссоциации водородосодержащих газообразных соединений в неравновесной плазме атмосферного давления, содержащем систему подачи газовой смеси, систему электропитания, камеру с анодом и катодом, анод выполнен в виде сплошного стержня и имеет в 3-5 раз меньший диаметр, чем диаметр катода, который выполнен плоским и расположен на расстоянии 0,5-1 мм от анода. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 представлен график интенсивности линий Не 587,6 нм, Н 656,3 нм и Н 2 603,2 нм - при включенном и выключенном разряде в камере. Устройство содержит систему подачи газовой смеси 1, систему электропитания 2, камеру 3 для получения плазмы ТРАД между стержневым анодом 4 и плоским катодом 5 со сквозными отверстиями для отвода газов. Система подачи газов 1 в камеру 3 состоит из баллонов с газами 6, 7 (инертным и водородосодержащим соответственно), ротаметров 8,9 и газопровода 10. Система электропитания 2 состоит из нестабилизированного источника постоянного тока 11 с балластным резистором 12. Выпуск газа из камеры 3 для анализа осуществляется через выход 13. Устройство функционирует следующим образом. Система подачи газов обеспечивает приготовление рабочей смеси газов в газопроводе 10 и прокачку ее через камеру 3. Система питания обеспечивает горение ТРАД в смеси газов в камере 3 между стержневым закругленным анодом 4 (диаметр 6 мм, радиус закругления 3 мм) и плоским катодом 5(диаметр 36 мм, толщина 10 мм) с тремя сквозными отверстиями диаметром 1 мм, расстояние между центрами которых порядка 1,5 мм. Устанавливается ток разряда более 0,5 А, чтобы слой отрицательного свечения толщиной менее 0,5 мм покрывал поверхность катода 5, перекрывая отверстия. Подаваемая в камеру 3 смесь газов протекает через плазму катодного слоя и выходит из камеры только через отверстия в катоде, при этом осуществляется диссоциация водородосодержащих соединений с образованием атомарного водорода, который затем при рекомбинации образует молекулярный водород. Работа устройства продемонстрирована на примере диссоциации аммиака в плазме разряда в смеси гелий-аммиак. Рабочая смесь создавалась при одновременной подаче в газопровод 10 потока гелия с постоянным расходом 1 л/мин и потока аммиака с расходом до 0,1 л/мин. Поджиг разряда 2 51652009.04.30 осуществлялся при подаче напряжения 700 В от источника питания 11 на анод 4 и катод 5,расстояние между которыми составляло 1 мм, устанавливался разрядный ток 0,7 А. Смесь газов с выхода 13 камеры 3 подавалась в анализатор (на фигурах не показан), в качестве которого служил другой ТРАД, для которого эта смесь являлась рабочей средой. Для обнаружения молекулярного водорода в анализаторе был использован метод оптической эмиссионной спектроскопии. Регистрировалась интенсивность Н 2 603,2 нм полосы Фулхера молекулярного водорода. Для этого использовалась спектрометрическая система,включающая сканирующий монохроматор с фотоэлектрической регистрацией спектра. Сбор и обработка данных производились с помощью персонального компьютера. Результаты изменения интенсивности линии Н 2 603,2 нм в анализаторе при включенном и выключенном разряде в камере 3 представлены на фиг. 2. Видно, что интенсивность линии 2 603,2 нм при включенном разряде в камере 3 на 15-20 превышает интенсивность при выключенном разряде. Наблюдаемый рост интенсивности излучения молекулярного водорода обусловлен его образованием в неравновесной плазме катодной области ТРАД в камере 3 при диссоциации аммиака. Предлагаемое устройство позволяет получить полезный объем неравновесной плазмы порядка 810-3 см-3, что в 100-1000 раз больше, чем в микроразряде в отверстии, при этом протекающий через плазму катодной области газ подвергается воздействию в течение около 40 мкс, что в несколько раз больше, чем в плазме прототипа. Устройство может быть использовано для получения водорода из водородосодержащих соединений с более высокой производительностью. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3