СПОСОБ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА
STORAGE AND FEEDING METHOD OF GASEOUS HYDROGEN

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению и заправочной технике, а именно к способам аккумулирования, хранения и подачи водорода с использованием гидридообразующих соединений.
Целью изобретения является повышение термодинамической, технической и эксплуатационной эффективности устройств хранения и подачи водорода на базе гидридообразующих соединений. В известных способах (книга Водород в металлах. В 2-х т. / Под ред. Алефельда Г., Фелькля И. - М.: Мир, 1981, Т.2, Прикладные аспекты, 430 с.) для диссоциации металлогидридов используется теплота, полученная от охлаждения двигателя внутреннего сгорания, и теплота горячих выхлопных газов двигателя.
Недостатком способа работы данных устройств является то, что для получения первой порции водорода необходимо разогревать всю конструкцию металлогидридного бака и затратить на его разогрев большое количество низкопотенциальной теплоты, вследствие чего невозможен быстрый запуск энергоустановки.
Также недостатком является то, что, если используется теплота разогрева бака отработанными газами двигателя (для дизеля температура выхлопных газов превышает 1000°C), имеет место низкая термодинамическая и функциональная эффективность. Высокий потенциал выхлопных газов не используется для получения энергии, а расходуется как низкопотенциальная теплота с большими потерями.
Кроме того, отработанные газы двигателя внутреннего сгорания химически агрессивны к конструкционным материалам бака, а наличие в них твердых частиц приводит к отложению сажи на теплообменных поверхностях.
Известен также способ изготовления устройства для аккумулирования водорода (патент СССР №1792503 A3), в котором с целью уменьшения запыленности получаемого водорода в качестве фильтра применяются пористые трубы из ферромагнитного материала, которые перед сборкой намагничивают. Слабое магнитное поле препятствует выносу микрочастиц металлогидрида и уменьшает запыленность водорода.
Недостатком такого способа очистки водорода от твердых частиц является то, что увеличение их концентрации в магнитных ловушках имеет временный эффект, так как, накапливаясь в местах выхода водорода, они увеличивают его гидравлическое сопротивление и по мере накопления, теряя магнитную связь, все равно уносятся потоком водорода.
За прототип взяты способ хранения и выдачи газообразного водорода и устройство для его осуществления (патент СССР №1806305 А3) с применением теплового воздействия на металлогидрид для десорбции водорода. Источником теплоты служит энергия, освобождающаяся при окислении (сжигании) части десорбируемого водорода.
К недостаткам рассмотренных устройств и способа их работы относятся высокая тепловая инерционность, что не позволяет обеспечить малое время выхода на режим, низкая термодинамическая эффективность процесса получения и подвода низкопотенциальной теплоты на разложение металлогидрида при десорбции водорода, так как теплота сгорания водорода имеет самый высокий потенциал среди всех углеводородных топлив, длительная заправка водородом, большое гидравлическое сопротивление потоку водорода в слое металлогидрида, отсутствие эффективной фильтрации водорода от твердых частиц пыли металлогидрида, высокая инерционность нагрева из-за малой площади теплового контакта тепловых труб с поверхностью нагрева металлогидрида и слабо развитая поверхность нагрева металлогидрида.
Задача изобретения - устранение отмеченных недостатков, повышение термодинамической, технической и эксплуатационной эффективности устройств на базе гидридообразующих соединений.
Поставленная цель достигается тем, что хранение водорода осуществляется в связанном состоянии в виде бака модульного исполнения и металлогидридном стартере, а для процесса десорбции водорода и подачи его в энергетическую установку используется теплота окружающей среды, преобразованная в тепловом насосе и поочередно подаваемая в металлогидридные модули, а также устройства механического повышения давления водорода, выходящего из модуля, с начального, соответствующего равновесному тепловому состоянию металлогидрида, до давления, необходимого для потребления водорода энергоустановкой.
Для ускоренного запуска энергетической установки применяется водородный стартер, состоящий из баллонного аккумулятора газообразного водорода, и металлогидридный генератор-сорбер, в котором используется теплота электрического нагревателя.
Для предотвращения выхода твердых частиц пыли металлогидрида с потоком водорода осуществляется двойная фильтрация выходящего водорода из металлогидрида. Первый фильтр грубой очистки является составной частью водородного коллектора и является армирующим элементом для слоя металлогидрида и дает возможность проходить металлогидридной пыли через фильтр грубой очистки. Второй фильтр тонкой очистки предотвращает передвижение металлогидридной пыли с потоком водорода, а его очистка происходит во время обратного движения потока водорода через фильтр во время заправки металлогидрида водородом, и таким образом в пространстве между двумя фильтрами происходит накопление пыли металлогидрида. Для ее удаления из этого пространства устанавливается конденсатор металлогидридной пыли, в котором происходит ее накопление с дальнейшим удалением.
Высокие эксплуатационные качества системы достигаются также в процессе насыщения металлогидридных модулей водородом. Так, система хранения и подачи позволяет совместную работу с генераторами водорода, например электролизером или генератором с гидрореагирующими веществами. В целом это может быть комбинированная система хранения и подачи водорода как стационарного, так и транспортного назначения. Образованный водород в процессе реакции поступает из генератора водорода в механический компрессор, после которого водород высокого давления поступает в металлогидридные модули. Для ускорения процесса насыщения металлогидрида водородом используется испарительный процесс для отвода образованной теплоты сорбции. А для выхода на температурный режим процесса сорбции теплота подводится в процессе конденсации подводимого перегретого пара.
Описание устройства системы хранения и подачи водорода, работающего по предложенному способу, представлено на фиг.1 в виде блок-схемы.
Устройство состоит из металлогидридного модульного бака 1 с подсоединительным вентилем для водорода 9, энергетической установки 2, в которую водород поступает через редуктор 7, теплового насоса 4 с теплообменным устройством 5, металлогидридного стартера 3 с подсоединительным вентилем 10, устройства повышения давления водорода 8, поступающего из металлогидридного бака, заправочного вентиля 11, генератора водорода с присоединенными вентилями 15 и 16 подачи водорода в энергетическую установку и (или) на компрессор 13 и далее через вентиль 12 в металлогидридный бак.
Устройство снабжено датчиками давления: 21 - на выходе из генератора водорода; 17 - на выходе из металлогидридного бака; 20 - на выходе из металлогидридного стартера; 19 - на входе в энергетическую установку; 18 - давления перед редуктором. Работа устройства системы хранения и подачи водорода осуществляется с помощью блока управления 24.
Устройство модульного металлогидридного бака
На фиг.2 представлена блок-схема устройства модульного металлогидридного бака.
Металлогидридный бак 25 состоит из металлогидридных модулей, количество которых может быть сколь угодно много. На представленной фиг.2 их показано четыре: I, II, III и IV. Бак снабжен системой подачи 26 греющего газообразного теплоносителя в металлогидридные модули, для выхода которого установлены вентиляционные окна 27 и 28, системой газораспределения 29 десорбированного водорода из металлогидридных модулей и подсоединительным вентилем 30.
За прототип металлогидридного бака принят патент Германии №2103348 А. В нашем случае металлогидридный бак служит накопителем основной массы водорода, имеет модульное исполнение, каждый модуль которого имеет возможность автономно обеспечивать энергетическую установку водородом. За базовые гидридообразующие материалы могут быть приняты лантанникелевые, железотитановые сплавы или сплавы на основе магния.
Устройство металлогидридного модуля
На фиг.3 представлена блок-схема устройства металлогидридного модуля.
Металлогидридный модуль состоит из кожуха 31 в сечении квадратной или другой формы; металлогидридных элементов 32; коллектора водорода 33, к которому подсоединен конденсатор металлогидридной пыли 34; фильтра модуля тонкой очистки 35; подсоединительного вентиля 36; реверсивного вентилятора 37; вентиляционного окна 38; термопары контроля температуры газового теплоносителя на входе и выходе металлогидридного модуля 39 и 40.
В сечении А-А показаны турбулизаторы 41 для газового потока теплоносителя. Подвод газоводяной смеси для охлаждения (нагрева) металлогидридных элементов в процессе зарядки их водородом осуществляется с помощью форсунок-эжекторов 42.
Устройство водородного стартера
Водородный стартер по своему назначению служит для обеспечения водородом энергетической установки в момент пуска и содержит водород, который при нужном давлении легко может из него извлекаться.
Водородный стартер состоит из баллона низкого давления и металлогидридного генератора-сорбера.
Схема устройства водородного стартера представлена на фиг.4. Водородный стартер включает в себя: 43 - кожух, снабженный вентилятором 44 и окнами 45 и 46; 47 - баллон низкого давления, снабженный запорным вентилем 48; 49 - металлогидридный генератор-сорбер, снабженный электрическим нагревателем 50, фильтром 51 и запорным вентилем 52; 53 - форсунку-эжектор для охлаждения генератора-сорбера. Для контроля температурного режима установлена термопара 54. Давление в баллоне низкого давления и генераторе-сорбере контролируется датчиками 55 и 56 соответственно.
На входе водородного стартера имеется подсоединительный штуцер 57.
В генераторе-сорбере могут быть размещены обратимые гидридообразующие материалы, например лантанникелевый сплав, модифицированный алюминием, сплавы на базе железотитанового или магнийникелевых соединений. Для улавливания металлогидридной пыли со всех металлогидридных элементов модуля установлен конденсатор 81.
Устройство генератора-сорбера для водородного стартера
Устройство генератора-сорбера для водородного стартера представлено на фиг.5.
Устройство генератора-сорбера для водородного стартера включает в себя: 58 - корпус генератора-сорбера; 59 и 60 - переднее и заднее донышки; 61 - водородный коллектор; 62 - фильтр грубой очистки; 63 - штуцер для водорода; 64 - заглушка водородного коллектора; 65 - центрирующее кольцо; 66 - ребра теплопроводности; 67 - металлогидрид; 68 - штуцер засыпки металлогидрида; 69 - теплоразводящая подложка; 70 - змеевик жидкостного альтернативного охлаждения; 71 - змеевик для электрического нагревателя; 72 - электрический нагреватель.
Устройство, обеспечивающее сбор металлогидридной пыли в конденсаторе
Схема устройства, обеспечивающего сбор металлогидридной пыли в конденсаторе, представлено на фиг.6.
Устройство включает в себя: 73 - металлогидридный элемент, состоящий из металлогидрида 74, теплопередающую поверхность 75 со стороны металлогидрида, теплопередающую поверхность 76 со стороны теплоносителя с патрубками подвода и отвода теплоносителя 77, водородный коллектор 78 с фильтром грубой очистки 79 водорода от металлогидридной пыли, фильтр тонкой очистки 80 и конденсатор металлогидридной пыли 81.
Устройство металлогидридного модуля, потребляющего теплоту окружающей среды
На фиг.7 представлен металлогидридный модуль, позволяющий потребление теплоты в процессе десорбции водорода как с окружающей среды, так и от теплового насоса.
Металлогидридный модуль включает в себя: 82 - кожух; 83 - металлогидридные элементы; 84 - штуцер для подсоединения конденсатора металлогидридной пыли; 85 - запорный вентиль; 86 - фильтр тонкой очистки; 87 - переднюю стенку; 88 - заправочный штуцер; 89 - заднюю стенку; 90 - реверсивный вентилятор; 91 - турбулизаторы газового теплоносителя.
Устройство металлогидридного элемента модуля
На фиг.8 представлено устройство металлогидридного элемента с ребрами теплопроводности в слое металлогидрида.
Металлогидридный элемент включает в себя: 92 - корпус; 93 и 94 - переднее и заднее донышки; 95 - ребра теплопроводности; 96 - водородный штуцер; 97 - водородный коллектор; 98 - фильтр грубой очистки; 99 - заглушку водородного коллектора; 100 - штуцер засыпки металлогидрида; 101 - металлогидрид.
Описание работы металлогидридной системы хранения и подачи газообразного водорода
Заправка металлогидридной системы водородом
Заправку системы водородом следует разделять условно на заправку зимнюю и заправку летнюю, различия которых заключаются в принудительной интенсификации теплообмена металлогидридных элементов в летнее время.
Возможны варианты заправки металлогидридного бака и водородного стартера водородом из стационарной водородной заправочной станции в разовом порядке и заправка металлогидридного бака и водородного стартера из собственного генератора водорода, проводимая в процессе работы энергетической установки.
Простейшим вариантом стационарной заправочной станции водородом, схема которой представлена на фиг.7, может быть рампа 102 из баллонов, содержащих водород, снабженная вентилем 103, редуктором давления 104, вакуумным насосом 105 с отсечным вентилем 106 и гибким шлангом высокого давления 107.
Заправка включает в себя следующие действия:
1. Подсоединение гибкого шланга высокого давления 107 (фиг.9) заправочной магистрали к заправочному штуцеру металлогидридной системы хранения и подачи водорода через вентиль 11 (фиг.1).
2. Вакуумирование полостей подсоединительной магистрали и заправочного штуцера, для чего включается вакуумный насос 105, на несколько минут открывается отсечной вентиль 106 (фиг.9), после чего отсечной вентиль закрывается и выключается вакуумный насос 105 (фиг.9).
3. Открывается вентиль 103 (фиг.9) и по манометру редуктора 104 (фиг.9) устанавливается давление подачи водорода.
4. Открываются вентили 11, 9 и 10 (фиг.1) металлогидридной системы хранения и подачи водорода, а также вентиль 30 и вентили блока газораспределения 29 (фиг.2).
5. Включаются реверсивные вентиляторы 37 (фиг.3) модулей металлогидридного бака и вентилятор 44 водородного стартера (фиг.4), открываются вентили 36 (фиг.3) металлогидридных модулей, открываются вентили 57, 52 и 48 (фиг.4) водородного стартера. При заправке водородом в летнее время для оросительного охлаждения металлогидридных элементов и генератора-сорбера подается сетевая вода в форсунки-эжекторы 42 (фиг.3) металлогидридных модулей и форсунку-эжектор 53 (фиг.4) водородного стартера.
Контроль заправки металлогидридного бака и стартера осуществляется по падению давления датчиками 17 и 20 (фиг.1) при кратковременном закрытии вентилей 9 и 10 (фиг.1) соответственно.
При достижении полной заправки системы водородом все открытые вентили при заправке закрываются и вентиляторы выключаются.
Управление водородными вентилями осуществляется из электронного блока на базе бортового или стационарного компьютера. Контроль процесса заправки осуществляется с помощью сигналов от имеющихся датчиков давления и температур.
Подача водорода в энергетическую установку в процессе ее запуска
Согласно базовой программе в пусковые периоды, в том числе в случае значительной выработки водорода в металлогидридной системе, используется водород из баллона водородного стартера, и, если давление в баллоне недостаточно, водород извлекается из генератора-сорбера водородного стартера.
Подача водорода в пусковой период включает в себя следующие действия:
1. Включается тепловой насос 4 (фиг.1), и прогревается металлогидридный бак или его часть до заданной температуры, например 10°C через систему подачи теплоносителя 26 (фиг.2).
Чтобы отключить модули от попадания в них греющего газообразного теплоносителя от системы подачи 26 (фиг.2), вентиляторы 37 (фиг.3) включаются на реверс, то есть создают встречный поток теплоносителя, и циркуляция теплоносителя через металлогидридный модуль прекращается.
2. Открываются водородные вентили 48, 57 (фиг.4) и вентиль 10 (фиг.1) для получения первой порции водорода из баллона низкого давления 47 (фиг.4) для питания энергетической установки 2 через редуктор 7 и вентиль 22 (фиг.1).
3. Включается нагревательный элемент 50 (фиг.4) генератора-сорбера водородного стартера, и при достижении заданного давления, например 10-15 атм, подводимая электрическая мощность нагревателя переходит под контроль компьютера, задействованного на термопару 54 (фиг.4).
4. Закрывается вентиль 48, и открывается вентиль 52 (фиг.4), и питание энергоустановки осуществляется от генератора-сорбера водородного стартера.
5. Закрывается вентиль 10, открывается вентиль 9 (фиг.1), открывается вентиль 30 (фиг.2), и включается устройство механического повышения давления 8 (фиг.1).
С этого момента энергоустановка снабжается водородом от металлогидридного бака, в котором могут быть несколько режимов работы в зависимости от температурного состояния металлогидридного бака.
В зимний период выработка водорода и его прогрев происходят по частям, то есть водород вырабатывается сначала с одного модуля, например с I, затем с II, затем с III и так далее. Это позволяет более рационально расходовать теплоту разогрева металлогидридного бака. Система газораспределения 3 (фиг.1) открывает соответствующие каждому металлогидридному модулю вентили.
В летний период тепловой насос отключен и поддержание температурного режима металлогидридных модулей осуществляется газовым теплоносителем (воздухом) при температуре окружающей среды, то есть используется теплота окружающей среды. Поэтому имеется возможность включения одновременно всех металлогидридных модулей.
Подача водорода в энергетическую установку в процессе ее работы
Водород для работы энергетической установки в зимний период подается из одного металлогидридного модуля. По мере его опорожнения блок управления переключает питание энергетической установки на следующий модуль. По падению давления водорода в подключенном модуле определяется степень выработки водорода в нем, и на определенном этапе начинается подготовительный тепловой прогрев следующего модуля.
В функцию блока управления на этапе работы энергетической установки входит также зарядка баллона низкого давления и генератора-сорбера водородного стартера.
Базовая программа блока управления подачи водорода в энергетическую установку на этапе ее работы предусматривает следующие действия:
- открытие электромагнитного клапана 36 (фиг.3) предварительно разогретого металлогидридного модуля (например, II) (фиг.2);
- по мере роста давления в модуле открываются водородные вентили 10 (фиг.1), 57, 52 и 48 (фиг.4) и часть водорода переходит в баллон низкого давления и генератор-сорбер водородного стартера.
Процесс перепуска водорода базовая программа согласовывает с величиной давления в водородном коллекторе, которое определяется датчиком давления 18 (фиг.1).
При фиксации датчиком 18 (фиг.1) заданного минимального значения давления водорода по мере его выработки из разогретого модуля II осуществляется предварительный разогрев следующего модуля (например, модуля III).
Для этого вентилятор 37 (фиг.3) из режима реверса переключается на режим продувки теплого теплоносителя.
Прекращение подачи водорода в энергетическую установку в случае ее остановки
С прекращением подачи водорода в энергетическую установку не заканчивается работа металлогидридной системы хранения и подачи водорода. Для нее еще остается задача утилизации теплоты металлогидридных модулей, заключающаяся в осуществлении дозаправки баллона водородного стартера и насыщении водородом генератора-сорбера стартера. При этом базовой программой осуществляются следующие действия:
- отключение водородного вентиля 22 (фиг.1) подачи водорода в энергетическую установку;
- отключение вентиляторов металлогидридных модулей 11 (фиг.1) и отключение системы подачи теплого теплоносителя 26 (фиг.2);
- включение вентилятора 44 (фиг.4) на продувку водородного стартера;
- сравнение показаний датчиков давлений 55, 56 (фиг.4) и датчика 18 (фиг.1) и дозаправка баллона низкого давления 47 (фиг.4), а потом генератора-сорбера 49 (фиг.4) водородного стартера.
Через некоторое время (5-6 мин) водородные вентили металлогидридного модуля и генератора-сорбера закрываются, а вентилятор генератора-сорбера и устройство повышения давления 8 (фиг.1) выключаются.