АККУМУЛЯТОР ВОДОРОДА Российский патент 2008 года по МПК F17C11/00 

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.

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.

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.