АККУМУЛЯТОР ВОДОРОДА
HYDROGEN ACCUMULATOR

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.