СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ ВОДОРОДА
SYSTEM OF KEEPING AND SUPPLY OF HYDROGEN

Изобретение относится к водородной энергетике - аккумулированию, хранению и высвобождению водорода для использования в транспортных и стационарных энергетических экологически чистых установках, работающих на водороде.
Известна емкость для хранения водорода, содержащая герметичный корпус, коллектор подачи и выпуска водорода, нагреватели и аккумулятор водорода из пористого материала. На часть внешней поверхности аккумулятора водорода, соединенной с коллектором подачи и выпуска водорода, нанесен слой материала с высокой проницаемостью для водорода, на остальную часть поверхности нанесено водородонепроницаемое покрытие (Патент Российской Федерации №2283454, МПК: F17C 11/00, 2006 г.).
Известен контейнер, заполненный полыми микросферами, для изменения проницаемости стенок микросфер при зарядке их водородом и высвобождении водорода из них используют облучение (Патент США №6231642, МПК: С03С 11/00, 2001 г.).
Общим недостатком этих систем хранения водорода является: повышенное энергопотребление на нагрев аккумулирующего материала и высокая инерционность процесса освобождения водорода; сложность их конструкции; использование дорогостоящих материалов.
Известна система хранения и подачи водорода в силовую установку автомобиля, содержащая топливный отсек с контейнерами и картриджами для водорода, коллектор, нагреватель, патрубки подачи и отвода водорода. Топливный отсек содержит группы гнезд, в которых размещены водородные картриджи с бортовым запасом водорода, каждое гнездо соединено выпускным патрубком через электроуправляемый отсечной вентиль с коллектором водорода, на выходе каждого гнезда установлен датчик давления, а внутри каждого гнезда установлен датчик температуры, нагреватель системы выполнен в виде СВЧ-излучателей и инфракрасных излучателей, гнезда выполнены из композитного материала и снабжены люками из того же материала, по внешней поверхности корпус и люк защищены металлическим экраном, внутри корпуса размещен установочный перфорированный кожух из радиопрозрачного материала, в промежутке между внешней поверхностью кожуха и внутренней поверхностью корпуса установлен СВЧ-излучатель с гермовводом для соединения с СВЧ-генератором, а в торцевой части каждого гнезда установлен инфракрасный излучатель с гермовводами для соединения с источником питания. К коллектору водорода через дополнительный отсечной вентиль подсоединен буферный баллон (Патент Российской Федерации №2315903, МПК: F17C 11/00, 2008 г. Прототип).
Для высвобождения водорода из картриджа и зарядки картриджей водородом используют два механизма изменения диффузионной проницаемости стекла для водорода: путем СВЧ-нагрева всей массы водорода, заключенного внутри герметизированного картриджа, и путем воздействия на него инфракрасным излучением.
Недостатками систем хранения водорода являются: длительность операций зарядки контейнеров и картриджей водородом на заправочных станциях; низкий темп высвобождения водорода из-за инерционности диффузионного механизма проникновения водорода сквозь материал стенок; потери водорода за счет его диффузной утечки в процессе хранения.
Данное изобретение устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом изобретения является повышение удельной вместимости картриджа по газообразному водороду, сокращение времени высвобождения водорода и зарядки водородом картриджа при любой внешней температуре, управление процессом высвобождения водорода, повышение надежности работы системы высвобождения и зарядки картриджа водородом, снижение энергетических затрат на зарядку и высвобождение водорода, устранение утечки водорода из картриджей.
Технический результат достигается тем, что в системе хранения и подачи водорода, содержащей топливный отсек с контейнерами и картриджами в виде пакета микрокапилляров для водорода, коллектор, нагреватель, патрубки подачи и отвода водорода, датчик давления, топливный отсек с группой гнезд, в которых размещены водородные картриджи с бортовым запасом водорода, гнезда соединены выпускным патрубком через отсечные вентили с коллектором водорода, пакет микрокапилляров выполнен в виде цилиндрической бутылкообразной фигуры, герметизирован с конца цилиндрической части большего радиуса и открыт с горловидной части, расположенной в корпусе клапанного наконечника со встроенным в него приводом игольчатого клапана, горловидная часть пакета закреплена во входном канале корпуса клапанного наконечника, имеющего цилиндрический корпус с диаметром, равным большему диаметру цилиндрической части пакета; во входном канале клапанного наконечника расположен игольчатый клапан, управляемый встроенным в тело клапанного наконечника механизмом возвратно-поступательного или вращательно-поступательного перемещения запорного клапана, выпускной патрубок гнезда топливного отсека снабжен отводом с отсечным клапаном, посредством которого внутренний объем клапанного наконечника сообщен с экономайзером, экономайзер выполнен в виде баллона с пористым материалом и снабжен устройством активации, отсечным клапаном и контроллером. Игольчатый клапан снабжен гайкой подачи игольчатого клапана, выступающей за торцовую поверхность картриджа, входящей в зацепление с муфтой электропривода, установленного с внешней стороны корпуса гнезда топливного отсека, диаметр горловидной части пакета микрокапилляров со стороны открытых их концов составляет 0,05-0,10 диаметра цилиндрической части пакета, а аспектное число микрокапилляров в горловидной и цилиндрической частях пакета лежит в пределах 0,01-0,10.
Аспектное число - это отношение толщины стенок микрокапилляров пакета к диаметру капилляра.
Сущность изобретения поясняется на чертежах 1-3.
На фиг.1 схематично представлен картридж и гнездо топливного отсека с элементами подачи водорода, где 1 - микрокапилляры; 2 - горловидная суженная часть пакета микрокапилляров; 3 - цилиндрическая часть пакета микрокапилляров; 4 - горловидная часть пакета микрокапилляров; 5 - корпус клапанного наконечника; 6 - оболочка картриджа; 7 - ручка для извлечения и установки картриджа в гнездо топливного отсека; 8 - гнездо топливного отсека; 9 - крышка гнезда топливного отсека; 10 - пружина, фиксирующая положение картриджа в гнезде; 11 - выпускной патрубок гнезда; 12 - датчик давления в выпускном патрубке; 13 - контроллер управления приводом игольчатого клапана; 14 - отводные патрубки для сообщения с экономайзером; 15, 16, 17 - отсечные электроклапаны; 18 - баллон экономайзера; 19 - устройство активации (подогрева) экономайзера; 20 - игольчатый клапан выпуска водорода; 21 - гайка подачи игольчатого клапана; 22 - муфта сцепления электропривода с гайкой подачи игольчатого клапана; 23 - пружина муфты сцепления; 24 - электромотор; 25 - редуктор.
На фиг.2 представлен внешний вид картриджа в сборе, где 7 - ручка для извлечения и установки картриджа в гнездо топливного отсека, 21 - гайка подачи игольчатого клапана.
На фиг.3 схематично приведено подключение элементов топливного отсека к топливной системе энергоустановки, где 8 - гнездо топливного отсека; 15, 16, 17 - отсечные электроклапаны; 26 - топливный отсек энергоустановки; 27 - картриджи в гнездах топливного отсека; 28 - форвакуумный насос; 29 - блок управления работой устройств топливного отсека; 30 - экономайзер; 31 - отсечной клапан; 32 - общий запорный клапан.
Система работает следующим образом. Водород содержат под давлением в сменных картриджах 27, размещенных в герметизируемых гнездах 8 топливного отсека транспортного средства или стационарной энергетической установки, из которых под рабочим давлением водород подают в энергогенератор. Каждое гнездо 8 снабжено выпускным патрубком 11, имеющим отсечной электроклапан 17 и датчик давления водорода 12 на выходе из гнезда 8, который посредством контроллера 13 регулирует подачу водорода из картриджей 27.
2
3
Картридж 27 газообразного водорода выполнен в виде пакета протяженных капилляров из стекла, или кварца, или полимера, или другого прочного и легкого материала, обладающего пределом прочности в диапазоне 350-550 кг/мм и плотностью в диапазоне 1,30-1,60 г/см, причем диаметр капилляров и толщина их стенок находятся в соотношении в диапазоне 0,01-0,10. Капилляры выдерживают внутреннее давление водорода в диапазоне от 1000 до 3000 бар и более. Картридж 27 представляет собой пакет плотно уложенных микрокапилляров 1, герметизированных с одного конца пакета и открытых с другого его конца, сочлененный с клапанным наконечником, и встроенным в него приводом игольчатого клапана. Пакет имеет форму суженного с одного конца цилиндра в виде цилиндрической бутылкообразной фигуры. Цилиндрическая часть пакета 3 имеет диаметр в диапазоне 4-12 см и длину от 20 до 80 см. Противоположный конец пакета выполнен в виде горловидной части 4 и содержит открытые с торцов микрокапилляры 1. Диаметр горловидной части 4 составляет 0,05-0,10 диаметра цилиндрической части пакета 3. Горловидная часть пакета 4 закреплена в равном ей по диаметру входном канале корпуса клапанного наконечника 5.
Корпус клапанного наконечника 5 выполнен из того же материала, что и микрокапилляры 1, или другого материала, например АРМОС или КЕВЛАР, способного выдержать давление водорода во входном канале, равного максимальному давлению водорода в микрокапиллярах 1, и обладающего линейным коэффициентом теплового расширения, близким к аналогичному показателю для материала микрокапилляров 1. Горловидная часть пакета 4 соединена с корпусом клапанного наконечника 5 по всей криволинейной поверхности пакета микрокапилляров 2. Входной канал клапанного наконечника 5 сообщается с конусообразным посадочным гнездом игольчатого клапана 20 (гнездо может иметь облицовку из износостойкого металла), в который входит конусообразный запорный клапан (игла), управляемый встроенным в тело наконечника механизмом возвратно-поступательного или вращательно-поступательного перемещения запорного клапана с винтовым приводом.
Диаметр конусообразного гнезда игольчатого клапана составляет, как минимум, 0,05-0,10 диаметра входного канала клапанного наконечника, но не более 0,15-0,30 диаметра входного канала. Тело игольчатого клапана 20 заканчивается резьбовым ходовым винтом, который получает поступательное перемещение при вращении сочлененной с ним гайки подачи игольчатого клапана 21. Последняя имеет выступающую часть за торцовую поверхность картриджа 27, которая при размещении картриджа 27 в гнезде 8 топливного отсека входит в зацепление с муфтой сцепления 22 механизма подачи игольчатого клапана с электроприводом. Электропривод - низкооборотный электродвигатель 24 с понижающим редуктором 25 обеспечивает контролируемое управление открытием и закрытием игольчатого клапана 20 в зависимости от давления, создаваемого выходящим из картриджа 27 водородом. Работа привода игольчатого клапана 20 управляется контроллером 13 в зависимости от давления водорода на выходе из гнезда 8. Выпускной патрубок 11 гнезда 8 имеет отвод с отсечным клапаном 17. При отсечении выпускного патрубка 11 от системы подачи водорода в энергоустановку и перекрытии игольчатым клапаном 20 канала выхода водорода из пакета микрокапилляров 3 внутренний объем картриджа сообщается с баллоном экономайзера 18, который аккумулирует водород утечки, если таковая происходит при длительном хранении. Баллон экономайзера 18 содержит пористый материал, например лантан, никель, титан или их сплавы (возможно использование низкотемпературных гидридообразующих соединений), способный абсорбировать водород с образованием гидридов. Баллон экономайзера 18 снабжен устройством активации (нагрева) экономайзера 19, электроотсечными клапанами 15 и 16, контроллером 13, управляющим его работой.
-2
В исходном положении все отсечные клапана 15, 16, 17, 31, 32 закрыты. После размещения заполненных водородом картриджей 27 в гнездах 8 топливного отсека 26 энергоустановки производят запуск устройства. По команде блока управления 23 переключают отсечные клапаны 15-17. Производят откачку воздуха из объема гнезд 8 и трубопроводов с помощью форвакуумного насоса 22 до давления, по крайней мере, 10 Торр.
По завершении вакуумирования гнезд 8 блок управления 29 перекрывает отсечной клапан 31 и запускает контроллер 13, который открывает посредством электропривода 24 игольчатый клапан 20 первого картриджа 27, обеспечивая выход водорода и подачу его в энергоустановку; при этом контроллер 13 по сигналам от датчика давления в выпускном патрубке 12 регулирует посредством электропривода 24 и игольчатого клапана 20 давление подаваемого в энергоустановку водорода в соответствие с заданным уровнем (или следуя управляющим действиям оператора).
При открывании игольчатого клапана 20 водород, находящийся под высоким давлением в микрокапиллярах первого картриджа 27, через открытые торцы пакета 4 микрокапилляров и приоткрытый игольчатым клапаном 20 канал подается на выход из гнезда 8 через выпускной патрубок 11. После расхода водорода из первого картриджа 27 начинает работать второй картридж 27 и т.д. По завершении работы энергоустановки блок управления работой устройств топливного отсека 29 переключает отсечные электроклапаны 15-17, прекращая сообщение топливного отсека 26 с энергетической установкой. Одновременно посредством патрубков 14 внутреннее пространство гнезд 8 сообщается с баллоном экономайзером 18, обеспечивая улавливание водорода утечки и удержание его хемосорбирующим материалом в объеме баллона экономайзера 18 в течение всего времени пребывания энергоустановки в неработающем режиме. В дальнейшем в период работы энергоустановки по сигналу от блока управления активируют баллон экономайзера 18 и подают водород для в энергоустановки, переключая отсечные клапаны 15-17.