УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДОРОДА
HYDROGEN STORAGE AND TRANSPORTATION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области создания автономных источников энергии, систем хранения, выделения и транспортировки газообразных продуктов и может быть использовано как в стационарных, так и в автономных и передвижных системах энергоснабжения, процессах разделения газовых смесей и очистки газообразных продуктов.
В решении задачи создания технологических основ водородной энергетики одним из нерешенных вопросов является разработка способов хранения водорода. Если для стационарных потребителей можно использовать существующие наработки по хранению водорода в жидком состоянии или под давлением, то для автономных и передвижных энергоустановок ни один из существующих способов хранения водорода в полной мере не удовлетворяет требованиям Международного Энергетического Агентства.
Известно устройство "Автономный аккумулятор водорода", защищенное АС СССР SU №1798593 A1, кл. F17C 11/00, опубл. 28.02.1993, которое позволяет снизить массогабаритные показатели и повысить надежность существующих автономных аккумуляторов водорода за счет использования тепла экзотермических химических реакций солей и оксидов различных щелочных металлов. Устройство содержит корпус, внутри которого размещены капсулы с водородсодержащим веществом. Каждая капсула разделена на два отсека, в одном из которых содержатся водородаккумулирующее вещество, система сбора и отвода водорода, система отвода тепла. Во втором отсеке капсул расположен автономный источник тепловой энергии. Высвобождение водорода осуществляется воспламенением заряда лития, находящегося во втором отсеке, электрической искрой и нагревом его до температуры воспламенения окислителя, после чего окислитель подается в первый отсек, что вызывает начало экзотермической реакции выделения водорода.
Недостатком данного устройства является то, что для хранения водорода используются соли и оксиды щелочных металлов, для обеспечения безопасной работы которых необходимо создание эффективных систем защиты от химически агрессивной среды, высоких температур и давления, что в свою очередь не позволяет обеспечить требуемые параметры по массовой и объемной доле хранимого водорода для автономных и передвижных аккумуляторов водорода.
Известно устройство "Контейнер для водорода и его изотопов и картридж для его снаряжения", описанное в патенте №2221290, кл. G21F 5/00, опубл. 10.01.2004, которое позволяет увеличить скорость поглощения и выделения газа за счет снижения фильтрационного сопротивления. Устройство содержит корпус, внутри которого между цилиндрическими концентрично установленными обечайками размещены капсулы, имеющие внешний газопроницаемый чехол, в который помещена смесь порошка сорбента для газов и инертного к газу и сорбенту порошка теплопроводного материала при объемной доле порошка теплопроводного материала от 0,3 до 0,5. Нагрев смеси порошка производится через поверхность внутренней обечайки.
Недостатком данного устройства является то, что сорбент для газов разбавлен материалом в объемной доле до 0,5. Введение такого количества инертного материала значительно снижает важный для автономных и передвижных устройств хранения показатель - объемную долю аккумулируемого водорода. Кроме того, картриджи установлены таким образом, что их замена требует разборки всего устройства. Нагрев картриджей с сорбентом для газа ведется с одной стороны, что даже при наличии в картриджах порошка теплопроводящего материала не может обеспечить равномерный прогрев сорбента, что снижает эффективность процесса выделения газа.
Известно устройство "Система хранения и подачи водорода в силовую установку автомобиля", описанное в патенте №2315903, кл. F17C 11/00, опубл. 27.01.2008, которое позволяет повысить удельное содержание водорода и автоматизировать высвобождение водорода из картриджей аккумуляторов. Устройство содержит топливный отсек с контейнерами и картриджами для водорода, коллектор, нагреватель, патрубки подачи и отвода водорода. Топливный отсек содержит независимые группы гнезд, в которых размещены водородные картриджи, соединенные патрубками с коллектором водорода. Нагреватель выполнен в виде узла СВЧ нагрева и (или) узла ИК активации.
Недостатком данного устройства является использование единого узла СВЧ и (или) ИК для нагрева всех картриджей, что не позволяет равномерно прогревать весь объем аккумуляторов водорода и тем самым обеспечить полное выделение газа из аккумуляторов. Расположение каждого картриджа в независимом контейнере значительно увеличивает вес и объем системы хранения.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранному в качестве прототипа, является устройство для хранения и подачи водорода, описанное в патенте США 4302217 [United States Patent, Hydrogen supply system, Teitel 4302217 November 24, 1981]. Устройство содержит корпус с водородной магистралью, в которой расположены емкость с аккумулятором водорода в виде микросфер и емкость с аккумулятором водорода в виде гидрида металла, резервуар для хранения топливно-воздушной смеси, коллекторы для подачи рабочей среды, установленные внутри емкостей, сорбционные элементы, нагреватели.
Недостатками данного устройства являются: - неравномерный прогрев микросфер, а как следствие, отсутствие возможности полного использования аккумулированного в микросферах водорода; - замена микросфер производится по напорному трубопроводу, что может приводить к потере водорода при разрушении микросфер вследствие их абразивного истирания, а также абразивному износу трубопроводов; - проведение операций с микросферами как с сыпучим материалом, т.е. потери при замене отработанных микросфер и возможность попадания мелкодисперсного материала в запорную арматуру и рабочие части газовых и других систем, что приводит как к снижению эффективности использования аккумулированного в микросферах водорода, так и снижению ресурса работы газовых и других систем хранения и использования водорода.
Задачей заявленного изобретения является повышение эффективности работы устройства для хранения водорода за счет снижения потерь водорода при заправке топливного бака, повышения полноты использования водорода, находящегося в топливном баке, обеспечения необходимых массогабаритных, температурных и временных показателей работы топливного водородного бака при повышении безопасности эксплуатации устройства.
2
2
2
Технический результат от использования изобретения заключается в создании водородного топливного бака, удовлетворяющего требованиям по безопасной работе с водородом и требованиям по массовым и габаритным параметрам, предъявляемым к аккумуляторам водорода для передвижных потребителей. В результате проведения модельных испытаний достигнуты следующие основные показатели заявляемого устройства для хранения и транспортировки водорода. Гравиметрическая емкость до 0,08 кг H/кг при потерях H менее 0,03 (г/ч) на кг хранимого водорода. Уровень потока водорода составляет более 0,04 (г/сек) на кВт при давлении извлечения H из емкости менее 3 МПа. Время достижения полной скорости потока составляет ~2 с. Температура внешней поверхности топливного бака не превышает 60°C.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата в устройстве для хранения и транспортировки водорода, содержащем корпус с водородной магистралью, в которой расположены аккумуляторы водорода, сорбционные элементы и электрические нагреватели, а также магистраль для подачи рабочей среды в виде коллектора, где в качестве рабочей среды используется теплоноситель или хладагент, при этом коллектор соединен с источниками рабочей среды с возможностью переключения теплоносителя на хладагент, согласно изобретению аккумуляторы водорода расположены в капсулах с газопроницаемыми оболочками, которые установлены на коллекторах с возможностью замены, а внутри капсул установлены теплопроводящие элементы, между которыми расположены аккумуляторы водорода. В качестве аккумулятора водорода использованы микросферы и (или) интерметаллические сплавы, образующие с газом стабильные твердые соединения, и (или) фулерид лития. Капсулы установлены коаксиально на коллекторах. Сорбционные элементы могут быть выполнены или из материала с физической сорбцией водорода, или из интерметаллических соединений. Нагреватели установлены вокруг капсул и/или внутри сорбционного элемента. В качестве рабочей среды могут быть использованы выхлопные газы автомобиля. Электрические нагреватели установлены с возможностью независимого регулирования температуры каждой капсулы и материала сорбционного элемента. По внешней поверхности капсул могут быть установлены инфракрасные (ИК) излучатели.
Размещение аккумулятора водорода внутри корпуса в капсулах, установленных на коллекторах с возможностью замены, позволяет при подаче потребителю подавать требуемое количество газа путем задействования не всего объема топливного бака, а его части, т.е. необходимого количества капсул. Причем и при заправке происходит замена только использованных капсул, а не всего устройства. Это повышает удобство в эксплуатации и обслуживании устройства. Установка капсул на коллекторах и размещение внутри капсул теплопроводящих элементов, например, в виде ребер совместно с электронагревателями и теплоносителем, поступающим по коллектору, способствует быстрому нагреву микросфер в капсулах и выделению газа. Выполнение оболочек капсул газопроницаемыми значительно ускоряет вывод газа за счет большой площади газовыделения, что уменьшает время вывода газа из устройства, а также положительно влияет на время заправки капсул газом. Предложенный в устройстве аккумулятор водорода в сочетании с компоновкой коллекторов, газовых магистралей, системой электрических и ИК-нагревателей, адсорберов позволило получить компактное безопасное устройство хранения и транспортировки водорода.
Устройство позволяет использовать дисперсные и пористые материалы, являющиеся аккумуляторами водорода, которые выделяют водород при термическом воздействии на них, в качестве сорбционных элементов могут быть использованы материалы как с физической сорбцией водорода, так и интерметаллические соединения, являющиеся аккумуляторами водорода.
Устройство позволяет использовать в качестве рабочей среды выхлопные газы автомобиля для нагрева капсул с аккумуляторами водорода в процессе работы двигателя и атмосферный воздух для охлаждения бака перед дозаправкой - заменой капсул в баке.
Обеспечение равномерного прогрева капсул с аккумулятором водорода достигается их коаксиальной установкой на коллекторах и наличием тепловых ребер, расположенных внутри капсул.
Удаление водорода из газовой полости производится сорбционными элементами, находящимися внутри корпуса, что позволяет снизить потери водорода при перезагрузке бака капсулами.
Электрические нагреватели разделены на секции, имеющие независимое управление, что позволяет управлять температурой каждой капсулы и температурой материала сорбционного элемента.
ИК-излучатели, установленные по периметру капсул, нагревают капсулы, содержащие водород, с внешней поверхности, что в сочетании с газовыми коллекторами и электрическими нагревателями, нагревающими капсулы с внутренней поверхности и в объеме, позволяют повысить управляемость процессами выделения водорода и увеличить полноту его выделения.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство (поперечное сечение).
На фиг.2 изображено заявляемое устройство (продольное сечение).
На фиг.3 изображена капсула на коллекторе.
На фиг.4 изображены сорбционный элемент и нагревательные элементы (электрический и инфракрасные).
Заявляемое устройство, изображенное на фиг.1-фиг.4, содержит:
1 - корпус,
2 - водородную магистраль,
3 - крышку корпуса,
4 - коллекторы для подачи рабочей среды,
5 - съемные капсулы с аккумулятором водорода,
6 - теплопроводящие элементы в виде ребер из теплопроводящего материала,
7 - аккумуляторы водорода,
8 - сорбционные элементы,
9 - электрические нагреватели,
10 - инфракрасные излучатели,
11 - теплозащитный слой.
Заявляемое устройство для хранения и транспортировки газообразных продуктов состоит из корпуса 1 с крышкой 3 и теплозащитным слоем 11, двух газовых систем: одна для нагрева и охлаждения аккумуляторов водорода 7 рабочей средой - газовые коллекторы 4, вторая для отвода водорода - водородная магистраль 2. Система нагрева и охлаждения имеет коллекторы 4, по которым проходят либо выхлопные газы - если необходимо нагреть аккумуляторы водорода 7, либо воздух при температуре окружающей среды - если необходимо охладить аккумуляторы водорода 7. На коллекторы 4 надеты съемные капсулы 5 с газопроницаемыми стенками, внутри которых находятся аккумуляторы водорода 7. Для улучшения теплопередачи от коллектора 4 к аккумуляторам водорода 7 в капсулах 5 установлены тепловые ребра 6. Для обеспечения необходимой скорости выделения водорода из аккумуляторов водорода 7, т.е. требуемой скорости нагрева аккумуляторов водорода 7, на коллекторах 4 установлены электрические нагреватели 9 и вокруг капсул 5 расположены ИК-излучатели 10. В корпусе установлены сорбционные элементы 8, имеющие независимые электронагревательные устройства 9. Корпус герметично закрывается крышкой 3.
Работа заявляемого устройства происходит следующим образом - по коллекторам 4 запускаются выхлопные газы, включаются электронагреватели 9 в сорбционных интерметаллических системах 8, расположенные вдоль коллекторов 4, и включаются ИК-излучатели 10. Одновременно разогреваться будут не более 2-3 капсул, что при температуре газового потока через коллектор ~450°C температура внешней стенки бака не будет превышать 60°C. Температура газового потока регулируется электронагревателями 9 и ИК-излучателями 10. При нагреве капсул 5 из микросфер выделяется газ, который через пористую стенку капсулы 5 поступает во внутреннюю полость бака (водородную магистраль 2) и отводится потребителю. Прекращение газовыделения из микросфер 7 и сорбционных интерметаллических систем 8 производится отключением электронагревателей 9 и ИК-излучателей 10 и пропусканием через коллектор 4 воздуха при температуре окружающей среды.
Вскрытие бака производится с помощью ручки 3. Перед вскрытием температура внутренней части бака понижается до 60°C пропусканием воздуха при температуре окружающей среды. При этом имеющийся во внутренней полости газ будет поглощаться сорбционными элементами 8.
2
2
2
Модельные испытания, проведенные на микросферах (по аккумулированию водорода) и капсулах (по газовыделению) в сочетании с компоновкой коллекторов, газовых магистралей, системой электрических и ИК-нагревателей, адсорберов, позволили получить следующие основные показатели заявляемого устройства для хранения и транспортировки водорода. Гравиметрическая емкость достигает 0,08 кг H/кг при потерях H менее 0,03 (г/ч) на кг хранимого водорода. Уровень потока водорода составляет более 0,04 (г/сек) на кВт при давлении извлечения H из емкости менее 3 МПа, что позволяет обеспечить работу автономных и передвижных энергоустановок во всех режимах, включая быстрый и холодный старт. Время достижения полной скорости потока составляет ~2 с, в том числе и в условиях холодного двигателя.