Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Аккумулятор водорода


Аккумулятор водорода

Изобретение относится к области водородной энергетики - аккумулированию и хранению водорода, который в настоящее время используется в химическом и транспортном машиностроении, а также других отраслях промышленности. В аккумуляторе используется двухслойная конструкция - сорбент со слоем покрытия. В качестве материала сорбента используются слабо поглощающие водород металлы с положительной энергией активации, выделяющие водород практически полностью при небольших температурах. В качестве материала покрытия используются металлы с отрицательной энергией активации (активно поглощающие водород) и выделяющие его только при высоких температурах. Изобретение позволяет улучшить эксплуатационно-технические характеристики: снизить время заправки и извлечения водорода из сорбента, повысить его обратимую емкость при снижении температуры нагрева, а также уменьшить взрывоопасность в аварийных ситуациях снижением времени заправки и извлечения водорода из сорбента, повышением его обратимой емкости при снижении температуры нагрева, а также уменьшением взрывоопасности в аварийных ситуациях. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области водородной энергетики - аккумулированию и хранению водорода, который в настоящее время используется в химическом и транспортном машиностроении, а также других отраслях промышленности.

Известна емкость для хранения водорода [1], где в качестве аккумулирующего жидкий водород элемента используется герметичный кожух с внутренним сосудом, при этом система газозаполнения выполнена так, что позволяет сократить потери водорода и снизить время заправки емкости. Массовое содержание водорода достигает 8%. Недостатками описанной емкости являются взрывоопасность и невысокое объемное содержание водорода.

Можно хранить водород в емкостях, заполненных сорбентами многократного действия. Описанный в [2] аппарат для аккумулирования водорода содержит вертикальный цилиндрический корпус, фильтровальные перегородки, сорбент, внутреннюю теплообменную поверхность, технологические патрубки и штуцер для засыпки сорбента и снабжен спеченным с фильтровальными перегородками и внутренней теплообменной поверхностью высокопористым ячеистым металлическим материалом. Недостатки описанного аппарата заключаются в том, что сорбент находится в виде порошка, что не позволяет обеспечить одинаковую температуру во всем его объеме, фильтровальные перегородки выполнены на основе микропор и не защищают сорбент от воздействия примесей водорода, отравляющих сорбент, не обеспечивается достаточный уровень насыщения сорбента и его обратимая емкость.

Известно, что можно хранить водород в оболочке-баллоне, заполненном матрицей из микропористой структуры в виде сфер [3]. Микропористые сферы скреплены друг с другом с помощью токопроводящих материалов на основе металла, графита или токопроводящего клея. Это позволяет, пропуская ток по такому материалу, нагревать матрицу микропористой структуры для извлечения из нее водорода. Однако приводимые в цитируемой и других подобных работах данные по водородосорбционной емкости таких материалов очень противоречивы (от 1 массовых % до 10 массовых %) и значения емкости выше 4-5 массовых %, по мнению автора работы [4], следует считать ошибочными. Кроме того, при сдавливании микропористой массы в аварийных ситуациях сохраняется взрывоопасность, поскольку водород находится в несвязанном состоянии.

Известна емкость для хранения водорода [5] (прототип), состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков, нагревателя и наполнителя (сорбента), размещенного в корпусе. Наполнитель представляет собой полые микросферы, скрепленные между собой в единую жесткую структуру, сформированную послойно из микросфер разного диаметра. Диаметр микросфер уменьшается от центрального слоя к периферийному. На внешней поверхности жесткой структуры выполнено покрытие из металла, эффективно поглощающего водород. В качестве материала микросферы используют сталь или титан, или лантан, или никель, или цирконий, или сплавы на основе этих металлов, или графит, или композиции на основе графита. Микросферы из металла закреплены между собой диффузионной сваркой. В этом же патенте описана конструкция аккумулятора водорода с микросферами, покрытыми металлическими пленками. Недостатками описанной емкости являются:

- при наличии на поверхности структуры слоя покрытия из хорошо поглощающего водород металла увеличиваются возможности по насыщению микросфер водородом, но при этом существенно возрастают трудности по его извлечению из микросфер, что снижает обратимую емкость такого аккумулятора водорода, а затраты на нагрев уменьшают КПД использования водорода;

- в аварийных ситуациях при смятии микросфер сохраняется взрывоопасность, поскольку водород находится в несвязанном состоянии.

Техническим результатом настоящего изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, конкретно - улучшение эксплуатационно-технических характеристик путем снижения временных характеристик заправки и извлечения водорода из сорбента, повышения обратимой емкости сорбента и снижения температуры нагрева сорбента, а также уменьшения взрывоопасности в аварийных ситуациях.

Для достижения этого технического результата предлагается усовершенствовать известный аккумулятор водорода, содержащий герметичный корпус с патрубками для ввода и вывода водорода и размещенный внутри корпуса сорбент, каждый составляющий элемент которого покрыт металлической пленкой.

Усовершенствование заключается в том, что в качестве материала сорбента использован металл с положительной энергией активации или интерметаллид, а металл пленки выбран с отрицательной энергией активации. Составляющие элементы сорбента выполнены в виде пластин, которые разделяют объем корпуса на полости для ввода и вывода водорода, а металлическая пленка нанесена только на поверхностях пластин, обращенных к входной полости. Пластины сорбента подключены к источнику питания.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная конструктивная схема аккумулятора водорода, а на фиг.2 показан продольный разрез конкретного варианта исполнения аккумулятора водорода, в котором сорбент состоит из 6-ти пластин.

Аккумулятор водорода содержит корпус 1, сорбент в виде пластин 2, слой покрытия 3 на пластинах сорбента, полости 4 для насыщения сорбента, полости 5 для вывода водорода от сорбента к выпускному патрубку 6, непроницаемые перегородки 7 и впускной патрубок 8 (фиг.1, 2). В качестве материала сорбента использован металл с положительной энергией активации или интерметаллид. Толщина пластин 2 (пластины могут быть и цилиндрической формы) сорбента выбирается в пределах 0,1-10 мм, материал пластин определяется в зависимости от температурного диапазона, времени и степени насыщения пластин водородом, а также других условий эксплуатации аккумулятора водорода (например, интерметаллические соединения выделяют основную часть водорода при нагреве до 300°С, а некоторые металлы с положительной энергией активации выделяют водород до 150°С). Толщина слоя покрытия 3 составляет 1-10 мкм. В качестве материала покрытия 3 используются металлы, имеющие отрицательную энергию активации в уравнении растворимости Сиверта [6], то есть обладающие способностью растворять в своем объеме большие количества водорода и выделяющие водород при нагреве при более высоких температурах (например, титан или цирконий, которые интенсивно выделяют водород только при температурах выше 600°С).

Аккумулятор водорода работает следующим образом. При сорбировании водород, поступающий через впускной патрубок 8 и полости 4, насыщает материал слоя покрытия, проходит через него и насыщает сорбирующие пластины. При этом слой покрытия действует как своеобразный усилитель, увеличивая в 10000-100000 раз уровень насыщения сорбента, а также препятствует доступу к сорбенту газовых примесей, продлевая срок работы сорбента. При разрядке аккумулятора пластины сорбента 2 нагревают (например, пропусканием электрического тока через пластины), тепло равномерно распределяется по всему объему сорбента благодаря хорошей теплопроводности металлических пластин 2. Выделяющийся водород со стороны пластин без слоя покрытия поступает в полости 5 и далее через выпускной патрубок 6 к потребителю.

Полости 4, соединенные с впускным патрубком 8, обеспечивают свободную подачу водорода к пластинам сорбента для их насыщения по всей площади со стороны слоя покрытия.

Полости 5, соединенные с выпускным патрубком 6, обеспечивают свободную подачу к нему водорода, выделяющегося из сорбирующих пластин со стороны без покрытия при их нагреве.

Непроницаемые перегородки 7 (фиг.2), установленные между полостями 4 и 5, соединенными с впускным и выпускным патрубками, закрывают доступ водорода между входными и выходными полостями. Например, при насыщении водородом пластин сорбента 2 водород имеет доступ к пластинам только со стороны покрытия и не имеет доступа к пластинам со стороны без покрытия, в результате чего сорбент не отравляется газовыми примесями.

Слой покрытия 3 из металла с отрицательной энергией активации (титан или цирконий) обеспечивает: во-первых, защиту от проникновения к сорбенту газовых примесей, отравляющих сорбент, и, во-вторых, существенно увеличивает уровень насыщения сорбента водородом. Как показали эксперименты, при насыщении водородом молибдена со слоем покрытия (цирконий или титан) и без слоя покрытия в одинаковых условиях насыщения (давление, температура, время насыщения) уровень насыщения образца молибдена водородом со стороны покрытия в 100000 раз превышает уровень насыщения этого образца со стороны без покрытия. Сокращается время насыщения сорбента. Таким образом, изобретение позволяет улучшить эксплуатационно-технические характеристики аккумулятора водорода.

Источники информации

1. Патент РФ №2222749, кл. F17С 5/04, 2004.

2. Патент РФ №2037737, кл. F17С 11/00, 1995.

3. А.Ф.Чабак. Создание аккумуляторов с высоким содержанием водорода и мобильной подачей его к топливным элементам. Тезисы докладов Международного форума «Водородные технологии для производства энергии» 6-10 февраля 2006 г., Москва, с.118-121.

4. Б.П.Тарасов. Проблемы и перспективы создания материалов для хранения водорода в связанном состоянии. Тезисы докладов Международного форума «Водородные технологии для производства энергии» 6-10 февраля 2006 г. г.Москва, с.98-100.

5. Патент РФ №2267694, кл. F17С 11/00, 2006. - прототип

6. F.Reiter, К.Forcey, G.Gervasini. A compilation of tritium-material interaction parameters in fusion reactor materials. Jointr Research Centre Report EUR 15217 EN Commission of the European Communities, ISPRA, 1993.

1. Аккумулятор водорода, содержащий герметичный корпус с патрубками для ввода и вывода водорода и размещенный внутри корпуса сорбент, каждый составляющий элемент которого покрыт металлической пленкой, отличающийся тем, что в качестве материала сорбента использован металл с положительной энергией активации или интерметаллид, а металл пленки выбран с отрицательной энергией активации.

2. Аккумулятор водорода по п.1, отличающийся тем, что составляющие элементы сорбента выполнены в виде пластин, которые разделяют объем корпуса на полости для ввода и вывода водорода, а металлическая пленка нанесена на поверхностях пластин, обращенных к входной полости.

3. Аккумулятор водорода по п.2, отличающийся тем, что пластины сорбента подключены к источнику питания.

www.findpatent.ru

Никель-водородный аккумулятор Википедия

Никель-водородный аккумулятор (Nih3 или Ni–h3) - это обратимый химический источник тока, состоящий из никелевого и водородного электродов [1]. Он отличается от никель-металл-гидридного аккумулятора использованием водорода в газообразной форме, хранящегося в сжатом состоянии в ячейке при давлении в 82,7 бар[2].

Nih3 ячейки с использованием 26% раствора гидроксида калия (KOH) в качестве электролита достигают срока эксплуатации в 15 лет или более при 80% глубине разряда [3]. Плотность энергии составляет 75 Вт•ч/кг, 60 Вт•ч/дм3[4][5]. Напряжение на контактах составляет 1,55 В, среднее напряжение на протяжении разряда - 1,25 В [6].

Несмотря на то, что плотность энергии составляет только около одной трети аналогичного показателя литиевой батареи, специфическим свойством никель-водородного аккумулятора является продолжительность срока эксплуатации: ячейки выдерживают более чем 20000 циклов разряда[7] при 85% эффективности.

Nih3аккумуляторы обладают хорошими электрическими свойствами, делающими их привлекательными для хранения электрической энергии на космических аппаратах [8]. Например, МКС [9], Messenger[10], Марс Одиссей[11], Mars Global Surveyor[12] и MRO оборудованы никель-водородными аккумуляторами. Телескоп Хаббла, когда его оригинальные батареи были заменены в мае 2009 года спустя 19 лет после запуска, достиг наибольшего числа циклов разряда среди Nih3 батарей на низких опорных орбитах [13].

История

Развитие никель-водородных аккумуляторов началось в 1970 году в COMSAT[14] где впервые были использованы в 1977 году на борту спутника NTS-2 военно-морских сил США.[15]

Характеристики

Никель-водородный аккумулятор объединяет положительный никелевый электрод никель-кадмиевого элемента и отрицательный электрод, включающий катализатор и газ-диффузионную часть топливного элемента. В ходе разряда водород, содержащийся в сосуде под давлением взаимодействует с кислородом никельоксихлоридного электрода. Вода потребляется на никелевом электроде и высвобождается на водородном, таким образом концентрация гидроксида калия в электролите не изменяется. По мере разряда аккумулятора давление водорода падает, обеспечивая надёжную индикацию степени разряда. В батарее одного из коммуникационных спутников давление при полном заряде было свыше (3,4 МПа), падая практически до (0,1 МПа) при полном разряде.

Если заряженный аккумулятор продолжить заряжать, вода, образуемая на никелевом электроде диффундирует в водородный электрод и там диссоциирует; как следствие, аккумуляторы могут выдерживать перезаряд до тех пор, пока рассеивается выделяющееся тепло.

Аккумуляторы имеют недостаток в виде относительно высокого саморазряда, который пропорционален давлению водорода в ячейке; в некоторых конструкциях 50% ёмкости могут быть потеряны после нескольких дней хранения. Саморазряд снижается при снижении температуры. [16]

В сравнении с другими аккумуляторами никель-водородные обладают хорошей плотностью энергии в 60 Вт•ч/кг, и очень длительным сроком эксплуатации на спутниках. Ячейки могут выдерживать перезарядку, случайное нарушение полярности, давление водорода в ячейке обеспечивает хорошую индикацию степени разряда. Однако, газообразная природа водорода означает, что объёмная эффективность достаточно низка, а требуемое высокое давление приводит к необходимости использовать дорогие сосуды под давлением. [16]

Положительный электрод изготавливают из спеченного [17] пористого никелевого диска, который содержит гидроксид никеля. В отрицательном водородном электроде используют связанный тефлоном платиновый катализатор с сепаратором из циркониевых нитей [18].[19]

Конструкция

Конструкция аккумулятора с индивидуальным сосудом (IPV) состоит из Nih3 ячейки и сосуда под давлением. [20]

Конструкция аккумулятора с общим сосудом (CPV) состоит из двух последовательных Nih3 ячеек и общего сосуда под давлением. CPV обеспечивает несколько большую плотность энергии, чем IPV.

SPV конструкция объединяет до 22 ячеек в общем сосуде.

В биполярной конструкции достаточно толстый электрод является общим: положительным для одной и отрицательным для соседней ячейки в SPV. [21]

Конструкция с зависимым сосудом (DPV) обеспечивает большую плотность энергии при меньших затратах.[22]

Конструкция с общим/зависимым сосудом (C/DPV) является гибридом CPV и DPV с высокой объёмной эффективностью.[23]

См. также

Ссылки

Литература

  • Albert H. Zimmerman (ed), Nickel-Hydrogen Batteries Principles and Practice, The Aerospace Press, El Segundo, California. ISBN 1-884989-20-9.

Внешние ссылки

wikiredia.ru

Аккумулятор - водород - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Аккумулятор - водород

Cтраница 1

Аккумулятор водорода / служит для регулирования рабочего давления в аппарате в зависимости от температуры окружающего воздуха. При ее повышении, когда давление становится недостаточным для конденсации, пары аммиака поступают в аккумулятор, вытесняют водород в испаритель и абсорбер, увеличивая общее давление в системе.  [2]

Наиболее широкое применение в качестве аккумуляторов водорода нашло соединение LaNis, молекула которого может присоединять до 6 - 7 атомов водорода.  [4]

При рассмотрении бинарных гидридов в качестве аккумуляторов водорода необходимо учитывать следующие обстоятельства: некоторые гидриды, например гидриды бериллия и алюминия, не могут быть получены простым взаимодействием водорода с металлом. Их получение в промышленном масштабе сложно и неэкономично.  [6]

Активные вое-ли, реагенты, источники или аккумуляторы элементного водорода. Выделяют водород при гидролизе ( напр.  [7]

Подобные соотношения характерны и для использования этих аккумуляторов водорода в автотранспорте вместо их прямого сжигания.  [8]

Соединение LaNi5 - перспективная основа для разработки аккумуляторов водорода, что очень важно в связи с энергетической и экологической проблемами. Одна молекула этого соединения может поглощать шесть атомов водорода.  [9]

Очень важная область применения редкоземельных металлов - получение аккумуляторов водорода на основе интерметаллидов, в состав которых входят переходные металлы и РЗЭ. Примером может служить интерметаллид La № 5 и др. Замечательным свойством таких сплавов является их способность в мягких условиях взаимодействовать с водородом, а потом при незначительном нагревании отдавать водород. Установлено, что такого рода сплавы могут поглотить количество водорода в 1 5 - 2 раза большее, чем его содержится в таком же объеме жидкого или твердого водорода. По-видимому, молекулярная структура твердого водорода является настолько рыхлой, что включе ние атомарного водорода в пустоты кристаллической структуры упомянутых интерметаллидов позволяет получить более плотный ( по водороду) материал.  [10]

Система FeTi-Нг имеет характеристики, наиболее подходящие для аккумуляторов водорода. Энергия образования этого гидрида не превышает 30 кДж / моль Н2, его сорбционная способность около 0 02 массовых долей, равновесное давление водорода при температуре О С составляет примерно 0 15 МПа, а при температуре 50 С - 1 0 МПа.  [12]

При оценке возможности применения того или иного гидрида в качестве аккумулятора водорода для транспортной энергетической установки с ДВС основным условием является выделение необходимого количества водорода из гидрида на всех режимах работы двигателя.  [13]

В последнее время на гидриды интерметаллических соединений и сплавов как на аккумуляторы водорода обратимого действия обращено особое внимание, поскольку по эксплуатационным свойствам они являются наиболее подходящими для использования на наземном транспорте, в частности на автомобильном.  [15]

Страницы:      1    2    3

www.ngpedia.ru

Аккумуляторы водорода - это... Что такое Аккумуляторы водорода?

 Аккумуляторы водорода [hydrogen storage materials] — металлические материалы, способные поглощать, сохранять и отдавать поглощённый водород в значительном количестве. Принцип использования материалов основан на образовании ими при определённых условиях устойчивых гидридов (сорбции водорода) и разложении гидридов (десорбции). Известно несколько основных веществ, которые рассматриваются как аккумуляторы водорода (LaNi5, TiFe, Mg2Ni, Mgи др.). Аккумуляторы водорода предназначены для хранения водорода и использования его в областях, где он является энергоносителем: в стационарных энергетических установках, двигателях внутреннего сгорания, тепловых насосах и др., а также для очистки водорода.

Энциклопедический словарь по металлургии. — М.: Интермет Инжиниринг. Главный редактор Н.П. Лякишев. 2000.

  • hydrogen storage materials
  • ACR-argon carbon refining-process

Смотреть что такое "Аккумуляторы водорода" в других словарях:

  • аккумуляторы водорода — Металлич. материалы, способные поглощать. сохранять и отдавать поглощ. водород в значит. кол ве. Принцип использования материалов основан на образовании ими при определ. условиях устойчивых гидридов (сорбции водорода) и разложении гидридов… …   Справочник технического переводчика

  • АККУМУЛЯТОРЫ — (от лат. accumulfltio накопление), или вторичные элементы, аппараты, служащие для накопления электрической энергии путем превращения ее в энергию химическую. Первый аккумулятор построил в 1860 г. Планте (Plan te), обнаруживший, что при… …   Большая медицинская энциклопедия

  • Электрические аккумуляторы* — Русский академик Якоби впервые (в 1860 г.) применил для телеграфных целей принцип вторичных батарей, т. е. батарей, которые становятся источниками Э. энергии после того, как через них пропущен ток от другого источника тока. Гастон Планте… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • Электрические аккумуляторы — Русский академик Якоби впервые (в 1860 г.) применил для телеграфных целей принцип вторичных батарей, т. е. батарей, которые становятся источниками Э. энергии после того, как через них пропущен ток от другого источника тока. Гастон Планте… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • ГОСТ Р МЭК 61951-2-2007: Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Портативные герметичные аккумуляторы. Часть 2. Никель-металл-гидрид — Терминология ГОСТ Р МЭК 61951 2 2007: Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Портативные герметичные аккумуляторы. Часть 2. Никель металл гидрид оригинал документа: 3.3.5 герметичный… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ — Твердые, реже жидкие или пастообразные, в ва с функцион. св вами, зависящими от способа получения. Различают Н. м. металлические, неметаллические и ком позиционные, к рые могут содержать как металлич., так и неметаллич. фазы (см. Композиционные… …   Химическая энциклопедия

  • ИНТЕРКАЛАТЫ — (от лат. intercalatus вставленный, добавленный), клатраты, образующиеся в результате обратимой р ции внедрения (интеркалации) к. л. в в в межслоевое пространство слоистых кристаллов. В вом хозяином в И. служит графит, дихалькогениды переходных… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • hydrogen storage materials — Смотри Аккумуляторы водорода …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • «интеллектуальные» материалы — [smart materials] условное название группы металлических материалов, разработанных в последние годы с использованием, как правило, новых метастабильных структурных состояний (аморфное, нанокотористаллическое состояние, модифицированное состояние… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • сплавы щелочноземельных металлов — [alkali earth metal alloys] сплавы на основе Са, Sr, Ba или содержащие их в значительном количестве; применяются в основном как материалы с высокой химической активностью, например, сплавы АL с 50 60 % Ва используют в качестве геттеров в… …   Энциклопедический словарь по металлургии

metallurgicheskiy.academic.ru

Аккумулятор водорода

Изобретение относится к области водородной энергетики - аккумулированию, хранению и высвобождению водорода для использования в автомобилях и стационарных энергетических установках. В аккумуляторе водорода пучок капилляров выполнен в виде монолита, собранного из капилляров большего радиуса, в промежутках между капиллярами большего радиуса расположены капилляры меньшего радиуса. Торцовая поверхность монолита закрыта диффузором, выполненным из стекла с добавлением в него 0,5-0,7% вес. окисла Fe2О3 или NiO, с противоположной стороны монолита торцы капилляров герметично закрыты заглушками из стекла. Больший радиус капилляра относится к меньшему радиусу как 2,5 к 1. Капилляры выполнены из магнийалюмосиликатного стекла с составом: SiO2 - 58÷60% вес.; Al2O3 - 23,5÷25,5%; CaO+MgO - 14÷17%; прочие компоненты - 2% или боросиликатного стекла с составом: SiO2 - 72% вес.; В2О3 - 25%; Al2О3 - 1%; LiO2 - 0,5%; Na2O - 0,5%; К2О - 1%. Использование изобретения позволит упростить конструкцию аккумулятора водорода, повысить относительное массовое содержание водорода, обеспечить возможность многократного использования аккумулятора при высокой его надежности и долговечности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области водородной энергетики - аккумулированию, хранению и высвобождению водорода для использования в автомобилях и стационарных энергетических установках.

Известна емкость для хранения водорода, состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков, внутренней теплообменной поверхности и наполнителя-аккумулятора водорода, представляющего собой порошок интерметаллида. Патент РФ №2037737, МПК F17С 5/04, 2006.

Недостатками изобретения является то, что поглощение и выделение водорода происходит со значительными тепловыми эффектами, а массовое содержание водорода не превышает 4,5%.

Известна емкость для хранения водорода, состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков, нагревателя и наполнителя-аккумулятора водорода, размещенного в корпусе. Наполнитель-аккумулятор водорода представляет собой полые микросферы, скрепленные между собой в единую жесткую структуру, сформированную послойно из микросфер разного диаметра. Диаметр микросфер уменьшается от центрального слоя к периферийному слою. На внешней поверхности жесткой структуры может быть выполнено покрытие из металла, эффективно поглощающего водород, например палладия, или никеля, или сплава лантана с никелем. В качестве материала микросферы используют сталь, или титан, или лантан, или никель, или цирконий, или сплавы на основе этих металлов или графит, или композиции на основе графита. Микросферы из металла могут быть закреплены между собой диффузионной сваркой. Патент Российской Федерации №22676944, МПК F17С 11/00, 2006 г.

Известна емкость для хранения и аккумулирования водорода, состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков, нагревателя и наполнителя-аккумулятора водорода. Аккумулятор водорода размещен в корпусе, емкость разделена перегородкой из протонопроводящего материала на анодную полость, заполненную водой, с расположенным в ней пористым анодом, катодную полость, с расположенным в ней сплошным катодом и нагревателем. При этом перегородка выполнена в виде протонопроводящей мембраны. Микропористая структура выполнена из полых микросфер. Кроме того, микропористая структура выполнена из полимеров группы арамидов. Микропористая структура может быть выполнена из пенометалла, например пеноникеля, пенотитана. Кроме того, микропористая структура выполнена из материала с протонопроводящими свойствами. Патент Российской Федерации №2285859, МПК F17С 11/00, 2006 г.

Общим недостатком известных систем является повышенное энергопотребление и сравнительно высокая инерционность процесса освобождения водорода.

Системы с жидким водородом или баллонами высокого давления обладают очевидными недостатками: отсутствием гибкости конфигурации, высоким весом и объемом баллонов высокого давления, что делает весьма затруднительным и практически нецелесообразным их использование на современных автомобилях при существующих технологиях автомобилестроения.

Известна емкость для хранения водорода, представляющая собой герметичный кожух с внутренним сосудом для содержания компремированного водорода под давлением 400 бар.

При массе баллона 40 кг и объеме 90 литров запас водорода, составляющий 3,2 кг, означает достижение относительного массового содержания водорода на уровне 8%. Недостатком емкости является ее взрывоопасность и низкое объемное содержание водорода, не превышающее 35 г/л. Патент Российской Федерации №2222749, МПК F17С 5/04, 2006 г.

Известен аккумулятор водорода, выполненный в виде пучка полых капилляров из стекла или полимера, или углерода, на внешнюю поверхность пучка нанесено покрытие из металла; при этом капилляры выполнены с разными диаметрами, диаметр внешних капилляров меньше диаметра внутренних капилляров; торцы капилляров соединены с коллектором, а на торцевых поверхностях пучка капилляров выполнено покрытие в виде слоя материала с высокой проницаемостью для водорода или низкой температурой плавления, или с низкой температурой деструкции; на уровне этого покрытия расположен нагреватель. Патент Российской Федерации №2283454, МПК F17С 11/00, прототип.

Общим недостатком известных систем хранения водорода является повышенное энергопотребление на омический нагрев аккумулирующего материала и сравнительно высокая инерционность процесса освобождения водорода. Для эффективной работы автомобиля время старта освобождения водорода - до достижения полного потока, а также времена переходных режимов (10-90% или 90-0%) не должны превышать 0,5 с.

Кроме того, недостатком является наличие технологических патрубков, предусматривающих необходимость сочленения водородных контейнеров с арматурой топливной системы автомобиля (энергетической установки) при установке контейнеров, что ведет к усложнению конструкции, снижению надежности и уменьшению ресурса работоспособности контейнеров такого типа.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Задачей изобретения является обеспечение возможности применения в бортовой системе автомобиля заменяемых аккумуляторов водорода с повышенным удельным содержанием, обеспечение зарядки свежим водородом на автозаправочных станциях, повышение относительного массового содержания водорода, обеспечение возможности многократного использования аккумулятора при высокой его надежности и долговечности. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции аккумулятора водорода, повышение относительного массового содержания водорода, обеспечение возможности многократного использования аккумулятора при высокой его надежности и долговечности.

Технический результат изобретения достигается тем, что в аккумуляторе водорода, содержащем пучок стеклянных капилляров разного диаметра, на торцевых поверхностях которого расположен слой материала, проницаемого для водорода, пучок капилляров выполнен в виде монолита, собранного из капилляров большего радиуса, в промежутках между капиллярами большего радиуса расположены капилляры меньшего радиуса, а размер каждого капилляра выбран из соотношения:

0,01≤Δ/r≤0,2,

где r - радиус капилляра, Δ - толщина стенок капилляра,

с одной стороны торцовая поверхность монолита закрыта диффузором толщиной в пределах от 2 до 5 толщин стенок капилляров большего размера, выполненного из стекла с добавлением в него 0,5 - 0,7% вес. окисла Fe2О3 или NiO, с противоположной стороны монолита торцы капилляров герметично закрыты заглушками из стекла, промежутки между самими капиллярами открыты, монолит расположен в кожухе 7 из радиопрозрачного материала, который снабжен рукояткой, в кожухе со стороны рукоятки выполнены вырезы. Больший радиус капилляра относится к меньшему радиусу как 2,5 к 1. Капилляры выполнены из магнийалюмосиликатного стекла с составом: SiO2 - 58÷60% вес.; Al2О3 - 23,5÷25,5%; СаО+MgO - 14÷17%; прочие компоненты - 2%

или боросиликатного стекла с составом: SiO2 - 72% вес.; В2O3 - 25%; Al2O3 - 1%; LiO2 - 0,5%; Na2O - 0,5%; K2O - 1%.

Достижение технического результата предполагает использование двух дополняющих друг друга механизмов изменения диффузионной проницаемости стекла для водорода:

- повышение проницаемости стенок стеклянного капилляра путем СВЧ-нагрева всей массы водорода, заключенного внутри герметизированного контейнера;

- повышение проницаемости стекла при воздействии на него инфракрасным излучением управляемой интенсивности, когда практически мгновенно возрастает до несколько порядков величины, причем это явление особенно ярко выражено, если в составе стекла имеется добавка Fe2О3 или NiO в небольшой доле (около 0,5-0,7% вес.). Максимальная спектральная плотность энергии инфракрасного излучения приходится преимущественно на область длин волн вблизи 2785 нм.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4.

На фиг.1 схематично представлена структура аккумулятора водорода в продольном разрезе, где 1 - капилляр; 2 - стеклянная оболочка; 3 - кожух картриджа; 4 - пластина диффузора из стекла; 5 - герметизирующая заглушка; 6 - рукоятка картриджа; 7 - отверстия для пропуска водорода.

На фиг.2 схематично показана структура аккумулятора водорода в поперечном сечении, где 1 - капилляр; 2 - стеклянная оболочка; 3 - кожух аккумулятора водорода; 8 - торец тонкого капилляра.

На фиг.3 схематично показано устройство аккумулятора водорода с торца, закрытого пластиной диффузора, где 1 - капилляр; 2 - стеклянная оболочка; 3 - кожух аккумулятора водорода; 4 - пластина диффузора, 8 - торец тонкого капилляра.

На фиг.4 схематично показано устройство аккумулятора водорода с торца, снабженного рукояткой, где 1 - капилляр; 2 - стеклянная оболочка; 3 - кожух аккумулятора водорода; 5 - торцы "толстых" капилляров, закрытые герметизирующими заглушками 5; 8 - торцы "тонких" капилляров, закрытые герметизирующими заглушками 5.

Аккумулятор состоит из пакета капилляров 1, заключенных в стеклянную оболочку 2, помещенную в кожух 3 из радиопрозрачного материала (пластмассы).

Пакет капилляров выполнен в виде монолита, собранного из капилляров двух размеров капилляров: капилляров 1 - «толстых» и капилляров 8 - «тонких». Оси «толстых» капилляров 1 образуют в поперечном сечении прямоугольную сетку, а «тонкие» капилляры 8 заполняют промежутки между плотно упакованными капиллярами 1 большего диаметра (Фиг.2). Диаметр «толстых» капилляров 1 может иметь размеры в пределах от 20 до 200 мкм, преимущественно в диапазоне 50÷80 мкм, при этом диаметр «тонких» капилляров 8 соотносится с диаметром «толстых» капилляров как 1:2,5. При такой упаковке капилляров 1 и 8 в пакете показатель относительной плотности их компоновки по объему пакета достигает максимальной величины 0,87 и превосходит плотность компоновки равновеликих микросфер в 3-мерной упаковке, которая не превышает величины 0,75. Используемый для изготовления капилляров 1 и 8 материал должен быть легким и прочным (предел прочности желательно в диапазоне 4÷5 тыс. МПа) при уровне энергии активации водородной проницаемости при нагреве не менее 55÷60 кДж/моль.

В данном устройстве капилляры 1 и 8 выполнены из магнийалюмосиликатного стекла с составом: SiO2 - 58÷60% вес.; Al2О3 - 23,5÷25,5%; СаО+MgO - 14÷17%; прочие компоненты - 2% или боросиликатного стекла с составом: SiO2 - 72% вес.; В2О3 - 25%; Al2О3 - 1%; LiO2 - 0,5%; Na2O - 0,5%; K2O - 1%.

Толщина стенок стеклянных капилляров 1 и 8 определена в зависимости от прочностных свойств стекла и величины рабочего давления водорода в них. Радиус и толщина стенок определена отношением: 0,01≤Δ/r≤0,2, где r - радиус капилляра, Δ - толщина стенок капилляра, независимо от того, какие это капилляры: капилляры 1 «толстые» или капилляры 8 «тонкие». Толщина стенок стеклянных капилляров 1 и 8 находится в диапазоне 0,01÷0,2 соотношений между толщиной стенок Δ и радиусом капилляров 1 и 8 от величины соотношения Δ/r и зависит предельное допустимое давление водорода в капиллярах 1 и 8 при заданном материале его стенок. Пакет капилляров по наружной поверхности плотно охвачен стеклянной оболочкой 2 из такого же стекла, из которого изготовлены капилляры 1 и 8. С одной стороны торцовая поверхность пакета плотно закрыта (впаяна) плоским диффузором 4, представляющим собой пластину толщиной в пределах от 2 до 5 толщин стенок "толстых" капилляров 1.

Материалом диффузора служит такое же стекло с добавлением в него 0,5-0,7% вес. окисла Fe2О3 или NiO. С противоположной стороны (Фиг.4) торцы капилляров 1 и 8 герметично закрываются заглушками 5 из того же материала, из которого выполнены капилляры 1 и 8, причем их толщина может превышать толщину стенок капилляров. При этом промежутки между самими капиллярами 1 и 8 остаются открытыми. Пакет капилляров фиксируется в кожухе 7 из радиопрозрачного материала, теплоустойчивого до температур, по крайней мере, 350÷400°С (пластмассы), который снабжен рукояткой 6, используемой для перемещения аккумулятора в топливный отсек автомобиля или бокса зарядки на автозаправочной станции. Кожух 7 в области тыльной стороны (со стороны рукоятки 6) имеет вырезы, обеспечивающие свободный выход водорода, вытекающего из пакета капилляров 1 и 8 (на фиг.1 условно показаны отверстиями 7).

Аккумулятор водорода работает следующим образом.

Заряженный водородом аккумулятор помещают в одно из герметизированных гнезд (боксов) топливного отсека автомобиля или энергоустановки. На диффузор 4 воздействуют инфракрасным излучением, под воздействием которого проницаемость диффузора 4 возрастает в несколько порядков от начальной величины, водород начинает выходить сквозь него через торцовые сечения капилляров 1 и 8. При воздействии на пакет капилляров 1 и 8 СВЧ-излучения находящийся в капиллярах 1 и 8 водород нагревается до температуры 250÷300°С. Стенки капилляров 1 и 8 становятся проницаемыми для водорода, и водород, находящийся внутри капилляров 1 и 8 под высоким давлением, выходит сквозь стенки и по межкапиллярным промежуткам истекает из аккумулятора, и попадает в силовую установку.

1. Аккумулятор водорода, содержащий пучок полых стеклянных капилляров разного диаметра, на торцевых поверхностях которого расположен слой материала, проницаемого для водорода, отличающийся тем, что пучок полых капилляров выполнен в виде монолита, собранного из капилляров большего радиуса, в промежутках между капиллярами большего радиуса расположены капилляры меньшего радиуса, а размер каждого капилляра выбран из соотношения 0,01≤Δ/r≤0,2,

где r - радиус капилляра, Δ - толщина стенок капилляра, с одной стороны торцевая поверхность монолита закрыта диффузором толщиной в пределах от 2 до 5 толщин стенок капилляров большего размера, выполненным из стекла с добавлением в него 0,5-0,7 вес.% окисла Fe2О3 или NiO, с противоположной стороны монолита торцы капилляров герметично закрыты заглушками из стекла, промежутки между самими капиллярами открыты, монолит расположен в кожухе из радиопрозрачного материала, который снабжен рукояткой, в кожухе со стороны рукоятки выполнены вырезы.

2. Аккумулятор водорода по п.1, отличающийся тем, что больший радиус капилляра относится к меньшему радиусу как 2,5 : 1.

3. Аккумулятор водорода по п.1, отличающийся тем, что капилляры выполнены из магнийалюмосиликатного стекла с составом, вес.%:

SiO258÷60
Al2О323,5÷25,5
CaO+MgO14÷17
прочие компоненты2

или боросиликатного стекла с составом, вес.%:

SiO272
В2О325
Al2О31
LiO20,5
Na2O0,5
K2O1

www.findpatent.ru

Украинец разрабатывает водородный аккумулятор нового типа

09.12.2016 Просмотры: 365

Инженер Института металлофизики имени Г. Курдюмова НАН Украины, кандидат технических наук Владимир Дехтяренко создал водородный аккумулятор.

Как отмечает ученый, технологии хранения водорода, который является восстанавливаемым ресурсом и имеет ряд преимуществ, будут всегда актуальны.

«Я учился в КПИ, в 2006 году окончил магистратуру и был переведен на инженерную должность в Институт металлофизики, где поступил в аспирантуру, а в 2012-м защитил кандидатскую диссертацию. Водород заинтересовал, прежде всего, как относительный источник энергии: при его сжигании образуется обычная вода, а для получения самого водорода можно воду разложить разными методами, чаще всего – это электролиз», – говорит Владимир Дехтяренко.

Поскольку воды на планете очень много, запасов водорода хватит на тысячи лет. «В отличие от бензина, водород не токсичен, имеет более низкую вероятность самовозгорания и загорается при температуре почти +500°C, а вот горит этот газ быстро, имея самую высокую скорость распространения пламени в воздухе. В конце концов, можем в бак автомобиля заливать просто воду: в Японии уже создан автомобиль, работающий на воде – на очень чистой, без каких-либо примесей воде, которая стоит 10 центов за один литр», – отмечает ученый.

Водородный аккумулятор – это, в основном, металл или композит, где водород содержится внутри материала. «Этот газ можно хранить в трех состояниях: жидком (охлажденный до –250°C, но охлаждать его очень дорого, и он испаряется), можно хранить водород в баллонах, но количество его будет небольшим, в металле же можно удерживать в пять раз больше этого газа. Над технологией сорбции водорода металлами человечество работает более ста лет: начинали с титана, который поглощает его медленно и при слишком высокой температуре (+300°C), а отдает при температуре +600°C, потом взялись за магний, который более легкий и берет большую массу водорода, но еще хуже поглощает и отдает его, наконец, пришли к интерметаллическим соединениям (химические соединения между металлами, которые образуются в результате взаимодействия компонентов при сплавливании, конденсации из пара, а также при реакциях в твердом состоянии вследствие взаимной диффузии), которые имеют значительно более высокую водородную емкость, сорбируют газ при комнатной температуре без дополнительных обработок», – объясняет Владимир Дехтяренко.

Можно выплавить интерметаллид, заложить его в замкнутый объем, откачать воздух, напустить водород, 10 минут – и получаем водород внутри материала. «Первым таким материалом был лантан-нікель-5 (LaNi5), однако лантан – это редкоземельный материал и очень дорогой. Только в 1970-х годах появилось соединение титан-марганец-2, усовершенствованием которого заинтересовались многие страны, среди которых США, Германия, Япония», – отмечает ученый.

«Я начал работать с титан-марганцем-2, – вспоминает он. – Мы исследовали соединение титан-марганец-цирконий: за счет циркония пустоты в решетке металла становятся больше и могут накапливать больше водорода, но марганец не является гидрид-образующим и нужен только для того, чтобы образовать это интерметаллическое соединение, – поскольку он не поглощает водород, – емкость падает. А если его заменять гидрид-образующим элементом, емкость сразу увеличивается – таким образом, мы добавили ванадий, с которым важно не переборщить, потому что будет совсем другой материал, с другими свойствами».

С водородом работают уже сто лет, но полноценную машину, которая на нем может ехать, выпустили только несколько лет назад. «Комбинированные автомобили второго поколения оборудовали водородными аккумуляторами, а под задним сидением пассажиров находился еще газовый баллон, который позволял подавать водород намного проще, но которого все боялись. Пробег автомобиля увеличили до 650 км, но такой баллон – это, по сути, взрывчатка, потому и взялись за усовершенствование технологии аккумуляторов – в металлах запасать водород не только безопаснее, а и в разы эффективнее», – подчеркивает ученый.

От постоянного накачивания и выкачивания водорода металл деградирует, но при условии, что водород достаточно чистый, металл выдерживает 5 тыс. циклов. «На данный момент мы пришли к третьему поколения автомобилей, оснащенных оборудованием, которое разделяет воду на кислород и водород. Машины стали дороже: в Японии такой автомобиль стоит 60 тыс. долларов, из которых государство компенсирует 15 тыс. долларов в рамках сбережения окружающей среды, но ездить на них можно в радиусе 200 км от заправки и при отсутствии инфраструктуры они не станут массовым продуктом», – отмечает Владимир Дехтяренко.

В Украине «водородной революции» не будет, по крайней мере, 30 лет, уверен ученый. «Мы будем покупать газ, плакать, что он очень дорогой, но делать свое не будем. Все, что мы сделали, лежит мертвым грузом: «Делаете? Хорошо. Пускай будет». Ко мне обратилась фирма, которой нужен был водородный аккумулятор, но институт как неприбыльная организация не может его изготовить и продать, – и условный покупатель должен брать технологию, патент и платить за него роялти. Пока мы со всем разбирались, фирма потеряла интерес», – рассказывает он.

Разработка Владимира Дехтяренко была признана изобретением года и получила первую премию на конкурсе научно-технических разработок молодых ученых в рамках международного дискуссионного мероприятия "Наука–Общество–Личность» (Science–Society–Personality).

Академия уже более 10 лет занимается водородом. «Есть грант, который рассчитан на 5 лет, и распределяется на три направления: получение водорода, его хранение и использование. Люди, работающие в первом направлении, получают водород почти со всего, лучше всего – из ила Бортницкой станции аэрации. Кроме того, биологами были разработаны специальные бактерии, которые перерабатывают отход и выделяют газ, 70-80% которого – водород. Но, по грантовой программе, каждой группе на год дают порядка 60 тыс. грн., – на зарплату остается 8 тысяч», – отмечает ученый.

После того, как урезали финансирование, даже те, кто был предан науке, ушли. «Если бы я работал на стройке, зарабатывал бы в два раза больше. Моя коллега, которая часто работает во Франции, в похожей лаборатории получает результаты за два часа: в помещении стоит печка, которая плавит материал, рядом – станок, который делает шлифы (чтобы смотреть структуру), рентгеновский аппарат, который за 20 минут снимает образец и выдает результат. Приходит руководство и корректирует. Сразу можно повторить эксперимент», – рассказывает Владимир Дехтяренко.

Водород, при сжигании которого образуется обычная вода, называют топливом будущего. Во многих странах мира водородные технологии, призванные сократить зависимость от традиционных энергоносителей – нефти, газа и угля, – являются приоритетными направлениями развития науки. Развитые страны постоянно открывают новые материалы, которые лучше поглощают и отдают водород, и устанавливают новую планку для характеристик таких материалов. «К примеру, они должны поглощать водород при комнатной температуре, а отдавать – при +100°C. Однако глобального интереса нет – компании «сидят» на скважинах, качают полезные ископаемые, работают перерабатывающие заводы, на продаже нефтепродуктов и газа можно хорошо греть руки, – все отработано…», – отмечает ученый.

agrostory.com

АККУМУЛЯТОР ВОДОРОДА

Изобретение относится к водородной энергетике, в частности к аккумуляторам водорода, находящим широкое применение на автомобильном транспорте, в энергетических установках и в других отраслях промышленности и техники.

Известна емкость для хранения водорода, состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков, нагревателя и наполнителя-аккумулятора водорода, размещенного в корпусе, при этом наполнитель-аккумулятор водорода представляет собой полые микросферы, скрепленные между собой в единую жесткую структуру, сформированную послойно из микросфер разного диаметра, причем диаметр микросфер уменьшается от центрального слоя к периферийному [1].

Данное техническое решение функционально предназначено только для хранения водорода и наполнитель-аккумулятор емкости практически трудно использовать для питания двигателя автомобильного транспорта из-за жесткой структуры, в которую скреплены его полые микросферы.

Известны также способ и установка для аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя; при этом способ включает трехстадийный процесс аккумулирования адсорбента с использованием газообразной присадки, причем на первой стадии проводят адсорбцию газообразного вещества и вещества присадки при повышенной температуре и высоком давлении, на второй стадии температуру системы понижают до температуры хранения, а давление - до нормального, и на третьей стадии систему регулируемо нагревают до температуры, обеспечивающей требуемый отбор газа. Установка для аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя содержит емкость, слой адсорбента и патрубок для введения и выведения газа, причем материал адсорбента имеет нанопоры диаметром 4-20 Å, а диаметр молекул присадки на 1,5-4 Å меньше диаметра нанопор, но больше или равен диаметру молекул адсорбированного газа, а также нагреватель [2].

Это техническое решение достаточно сложно по своему технологическому процессу аккумулирования адсорбента с использованием газообразной присадки, так как осуществляется в три стадии с двукратным повышением температуры системы и ее понижением и регулировкой до нормального значения, что значительно усложняет и удорожает установку и вызывает трудности использования в автомобильной технике.

Известна емкость для хранения различных жидких и газообразных веществ, в том числе лекарств, ядов, биологических структур, химически активных соединений, радиоактивных веществ, а также любых других соединений, находящихся в жидком, газообразном или растворенном состоянии; причем емкость состоит из герметичного, непроводящего, химически инертного корпуса, отверстия для закачивания/откачивания веществ, подложки, на поверхности которой расположены нанотрубки, закрывающиеся для хранения веществ и открывающиеся для освобождения хранимых веществ заряженными наночастицами под действием электростатического поля, создаваемого двумя пластинами, к которым подведены провода для переноса электрического заряда от источника тока [3].

В вышеуказанной емкости хранение и получение вещества из нее осуществляется посредством нанотрубок, закрывающихся и открывающихся заряженными наночастицами (заряженными фуллеренами) под действием электростатического поля, создаваемого источником электрического тока. При этом для обеспечения нормальных условий хранения и выпуска вещества приходится постоянно регулировать воздействующие на заряженные фуллерены давление и температуру в емкости, что приводит, в частности к выходу большей части адсорбированного хранящегося вещества (водорода) при повышении температуры, например до комнатной температуры (290 К). Кроме того, применение источника тока для создания электростатического поля, воздействующего соответствующим образом на наночастицы, усложняет конструкцию емкости, делая проблематичным ее использование в качестве двигателя для автотранспорта. Осуществить производство такого аккумулятора крайне сложно, так как для работы нужно точное позиционирование фуллеренов относительно углеродных нанотрубок, при этом размерность ячейки микрометр, а размеры аккумулятора по габаритам в тысячу раз больше, а по объему в миллиард раз больше, то есть необходимо сначала изготовить миллиард ячеек аккумуляторов, а затем их уложить в строгом порядке, что на современном этапе развития технологий невозможно.

Заявитель ставил перед собой задачу разработки аккумулятора водорода, обеспечивающего хранение большой массы водорода по сравнению с классическими баллонами, имеющего на два порядка большее число циклов заправки, что позволило бы сделать его рентабельным в качестве аккумулятора водорода для наземных транспортных систем - автомобилей и автобусов. Отмеченный положительный технический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных конструктивных признаков аккумулятора водорода согласно настоящему изобретению, представленной в нижеследующей формуле: «аккумулятор водорода, выполненный в виде снабженного устройством для закачки и выпуска водорода погруженного в сосуд Дьюара бака, при этом бак выполнен составным из набора секций, составленных из плотно прилегающих друг к другу круглых труб или в виде цельнометаллической конструкции, состоящей из продольных ячеек в форме правильных многоугольников, в поперечном сечении расположенных в виде пчелиных сот, с одной стороны трубы или упомянутые ячейки герметически запечатаны неразъемным соединением, а с другой стороны вставлены во втулки-горлышки, жестко соединенные с дополнительными изогнутыми трубами меньшего диаметра, сходящимися в едином ресивере, причем вышеуказанные трубы или ячейки заполнены насыпным материалом в виде углеродных нанотрубок или графена или активированного угля, адсорбирующим закачиваемый в бак водород; неразъемное герметичное соединение с одной стороны труб или ячеек выполнено сварным в форме донышек; расположенные в виде пчелиных сот ячейки выполнены в форме правильных шестиугольников; ресивер выполнен в виде центральной трубы, проходящей внутри секций из круглых труб; ресивер выполнен в виде монолитного тела сферической формы или цилиндра; круглые трубы, продольные ячейки, дополнительные трубы меньшего диаметра и ресивер выполнены металлическими или из пластического материала или из композитного материала или из металлофторопласта; сосуд Дьюара состоит из окруженной тепловой изоляцией внутренней емкости и внешней емкости; внутренняя и внешняя емкости сосуда Дьюара выполнены металлическими или из металлофторопласта; устройство для закачки и выпуска водорода состоит из металлического трубопровода, редуктора, и соединительной металлической трубки, выходящей из ресивера и подсоединенной к штуцеру с накидной гайкой и фильтром манометра, закрепленного на вентиле высокого давления; хранение и выпуск водорода осуществляется при температуре в пределах от 77 К до 290 К по абсолютной шкале температур и под давлением в пределах 1÷10000 атмосфер».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид аккумулятора водорода, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - разрез круглой трубы бака в сборе на фиг.1; на фиг.4 - представлен вариант бака цельнометаллической конструкции аккумулятора водорода на фиг.1; на фиг.5 - вид по стрелке Б на фиг.4; на фиг.6 - разрез устройства для закачки и выпуска водорода на участке крепления штуцера к соединительной металлической трубке.

Заявляемый аккумулятор водорода состоит из бака, погруженного в сосуд Дьюара и устройства для закачки и выпуска водорода. Бак представляет собой емкость, состоящую из набора секций, составленных из плотно прилегающих друг к другу нескольких круглых труб 1, в поперечном сечении расположенных по окружности. Бак может быть выполнен также в виде цельнометаллической конструкции с продольными ячейками в форме правильных многоугольников, например, шестиугольников 2 по типу пчелиных сот, что существенно облегчает всю конструкцию и одновременно позволяет увеличить ее механическую прочность, поскольку нагрузки на внутренние стороны шестиугольников действуют симметрично и взаимно компенсируются.

С одной стороны трубы 1 или ячейки (шестиугольные соты) 2 герметически запечатываются неразъемным соединением в форме цилиндрических или шестиугольных донышек 3, например сварным соединением (сваркой) 4, а с другой стороны входят во втулки - горлышки 5, жестко скрепленные с изогнутыми трубами 6 меньшего диаметра, сходящимися в едином ресивере 7 или 8. Ресивер 7, если бак выполняется секционным представляет собой центральную трубу, расположенную внутри секций из круглых труб 1. Если бак изготовлен цельнометаллическим из ячеек 2 шестиугольной формы, то ресивер 8 может быть выполнен в форме сферического тела (шара) или цилиндра. Трубы 1, ячейки 2, ресивер 7 или 8 могут выполняться из различных материалов, в частности из металла, пластика, композитного материала или из металлофторопласта.

Сосуд Дьюара, в который опускается бак аккумулятора, состоит из окруженной тепловой изоляцией 9 внутренней емкости 10 и внешней емкости 11, изготовленными металлическими или, например, из металлофторопласта. Закачивается и выпускается водород в/из бака с помощью специального устройства, в состав которого входят металлический трубопровод 12, редуктор 13, и соединительная металлическая трубка 14, выходящая из ресивера 7 (8) и подсоединенная к штуцеру 15 с накидной гайкой 16 и фильтром 17 манометра 18, закрепляемого на вентиле 19 высокого давления, при этом заправка осуществляется от баллона 20 или от заправочной магистрали.

Бак, трубы 1 или ячейки 2 заполняются углеродными нанотрубками, графеном или активированным углем, то есть насыпным материалом 21, хорошо адсорбирующим закачиваемый в бак водород.

Изобретение работает следующим образом:

Сначала внутренняя емкость 10 сосуда Дьюара заполняется жидким азотом, охлаждая бак. Когда температура бака опустится до 77 К по абсолютной шкале температур, открывается вентиль 19 высокого давления и в бак закачивается водород при давлении закачки в пределах от 1 атм до 10000 атм. Водород проникает внутрь углеродных нанотрубок (графена или активированного угля), адсорбируясь в них, а также в пространство между ними. В связи с тем, что температура по абсолютной шкале температур в баке меньше комнатной температуры (290 К) в 3,77 раза, плотность водорода в баке возрастает в это же число раз. То есть, имеется реальная возможность разместить в баке при температуре 77 К почти в четыре раза большую массу водорода при той же величине давления без учета адсорбции водорода наноструктурами, графеном или активированным углем. Выпуск адсорбированного водорода из бака можно осуществить, выпустив жидкий азот из сосуда Дьюара, при нагреве от 77 К до 290 К.

Предложенный аккумулятор водорода по сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает хранение водорода значительно большей массы. Данная конструкция с использованием баков из нержавеющей стали при применении аккумулятора для автотранспорта обеспечивает в сто раз большее количество циклов заправки аккумулятора (15000) по сравнению с известными баллонами высокого давления из нержавеющей стали, покрытыми оболочкой из органопластиков (150 циклов заправки).

В ИПРИМ РАН изготовлены опытные образцы заявляемых аккумуляторов водорода, после всесторонних испытаний которых они будут предлагаться для в серийного производства и поставки в качестве экономичных и экологически чистых двигателей для автомобильной промышленности.

Источники информации:

[1] Описание изобретения к патенту РФ №2267694, «Емкость для хранения водорода», F17C 11/00, заявлено 20.06.2008 г., опубликовано 27.10.2009 г.

[2] Описание изобретения к патенту РФ №2319893, «Способ и установка для аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя», F17C 11/00, заявлено 01.08.2006 г., опубликовано 20.03.2008 г.

[3] Описание изобретения к патенту РФ №2347135 «Емкость для хранения различных жидких и газообразных веществ», F17C 11/00, заявлено 09.01.2007 г., опубликовано 20.02.2009 г.

[4] Патент США №6132492.

[5] Патент США №6432176.

[6] Патент США 6930193.

[7] Описание изобретения к патенту РФ №2346202 «Аккумулятор водорода», F17C 11/00, заявлено 02.03.2007 г., опубликовано 10.02.2009 г.

АККУМУЛЯТОР ВОДОРОДААККУМУЛЯТОР ВОДОРОДААККУМУЛЯТОР ВОДОРОДААККУМУЛЯТОР ВОДОРОДААККУМУЛЯТОР ВОДОРОДААККУМУЛЯТОР ВОДОРОДА

edrid.ru