АККУМУЛЯТОР ВОДОРОДА
HYDROGEN ACCUMULATOR

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для хранения, транспортировки и распределения (подачи) водорода в топливных элементах и других энергетических установках.
Одной из основных проблем, сдерживающих развитие водородной энергетики, является отсутствие надежных, безопасных и энергоемких устройств для хранения и транспортировки водорода.
Известны аккумуляторы водорода, выполненные в виде полых микросфер, преимущественно из стекла, во внутреннюю полость которых под давлением и при повышенной температуре порядка 400°С закачивают водород, а для последующего извлечения водорода микросферы подвергают нагреву опять же до 400°С, и водород из внутренней полости через капилляры в стенке поступает в пространство между микросферами и далее к потребителю (См. Международная заявка WO 2008/019414, классификация отсутствует, опубл. 21.02.2008 г.).
Недостатком аккумуляторов данного типа является недостаточное объемное содержание водорода и сложность управления процессом извлечения водорода из внутренней полости, т.к. требуется нагрев микросфер до температуры 400°С для увеличения проницаемости стенки, сложность регулирования нагрева для получения заданного количества водорода, длительное время для создания требуемого потока водорода.
Другим направлением в данной области является использование металлов, образующих с водородом гидриды металлов (металлогидриды). Гидриды металлов обычно располагают на подложках, в качестве которых используют различные микрочастицы.
Использование металлогидридов позволяет достичь объемное содержание водорода до 13%, т.е. 13 кг водорода на 100 литров металлогидрида. Но весовое содержание водорода при использовании металлогидридов очень низкое, что ограничивает их использование как аккумуляторов водорода. (См. п. США №7279222, B22F 1/00, С01В 3/00, опубл. 28.10.2004 г.)
3
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является аккумулятор водорода, содержащий полые микросферы, внутренние полости которых содержат зерна металлогидрида, например палладия. Для введения раствора соли палладия и проникновения водорода во внутреннюю полость в стенке микросферы выполнены поры размером от 10 до 1000 Ангстрем, плотность микросферы составляет от 1 до 2 кг/см. Водород аккумулируется и хранится в металлогидриде (палладии), расположенном во внутренней полости микросферы и извлекается из зерен металлогидрида за счет нагрева микросферы и прохождения через поры в стенке. Поры служат, в первую очередь, для проникновения раствора соли палладия во внутреннюю полость микросферы и последующего осаждения палладия в виде зерен (См. Международная заявка WO 2007/050362, опубл. 03.05.2007 г., МКИ С03С 11/00).
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание аккумулятора водорода, обеспечивающего одновременно высокое весовое и высокое объемное содержание водорода, обладающего высокоскоростными регулирующими свойствами при заполнении аккумулятора и при его разрядке (подаче к потребителю), обеспечивающего безопасное хранение и транспортировку водорода, исключающего его воспламенение и взрыв.
Министерством энергетики США представлены основные требования к параметрам аккумуляторов водорода, выполнение которых обеспечивает государственную поддержку данному направлению устройств для хранения и транспортировки водорода. (См. Таблицу 1.)
В заявляемом решении сочетаются свойства микросфер - высокое весовое содержание водорода и свойства гидридов металлов - высокое объемное содержание водорода. При этом гидрид металла выполняет несколько функций, а именно: является барьером для выхода водорода из микросферы, является регулятором подачи водорода из микросферы при изменении температуры. Температурный режим функционирования аккумулятора значительно ниже (порядка 100°С), чем в известных аккумуляторах (400°С).
Оболочка (стенка) микросферы позволяет заполнение ее без нагрева, но является и прочным барьером для восприятия нагрузки - внутреннего давления водорода, обеспечивая высокую безопасность аккумулятора. Внутренняя полость микросферы и металлогидрид одновременно содержат водород.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - схематично изображен предлагаемый аккумулятор;
на фиг.2 - микросфера в разрезе.
Предлагаемый аккумулятор состоит из цилиндрического корпуса 1 с патрубками 2 для зарядки водородом и патрубками 3 для подачи (разрядки). Внутреннее пространство корпуса заполнено микросферами 4. Аккумулятор снабжен нагревателем 5 для нагрева микросфер. Каждая из микросфер имеет внутреннюю полость 6, которая выполнена свободной, т.е. не содержит каких-либо твердых или жидких материалов. В стенке (оболочке) 7 имеются капилляры 8, обеспечивающие стенке проницаемость водорода при комнатной температуре. На наружной поверхности стенки нанесен слой 9 металла (сплава), образующего с водородом гидрид металла, например лантанат никеля.
При работе аккумулятор заряжается водородом, который под давлением через патрубки 2 подается в аккумулятор. Водород через слой 9 металлогидрида и капилляры 8 поступает во внутреннюю полость 6 микросферы, а также сорбируется слоем 9 металлогидрида. Таким образом, и во внутренней полости микросферы и на ее поверхности в слое 9 находится водород. Для получения водорода (разрядки) микросферы в аккумуляторе нагревают до температуры 100°С, при которой из слоя 9 металлогидрида выделяется водород. Выделившийся из слоя 9 водород непрерывно подпитывается водородом из внутренней полости 6 микросферы 4 до достижения равновесного состояния при этой температуре.
Этим самым: исключается необходимость в нагреве стенки микросферы до высокой температуры в 400°С для увеличения ее проницаемости и получения требуемого количества водорода; увеличивается быстродействие системы, т.к. масса микросфер достаточно инерционна (в тепловом смысле) из-за низкой теплопроводности микросфер в условиях повышенной температуры, т.е. управляющее воздействие осуществляется на внешний слой микросферы, где расположен металлогидрид, а не на саму стенку, т.к. в этом нет неободимисти; водород и при невысокой температуре (даже при комнатной) поступает из внутренней полости в слой металлогидрида.
Пример
Аккумулятор водорода заполняют микросферами со следующими параметрами:
1
диаметр микросферы (R) - 100 микрон;
2
1
толщина стенки (оболочки) - 1 микрон (R-R);
3
2
толщина слоя покрытия гидрида металла - 0,2 микрона (R-R);
При давлении водорода, которым заполняется микросфера, равном 1000 атм, плотность водорода внутри микросфер составляет 50 г/л.
Рассчитаем весовое содержание водорода в микросфере, для чего определим объемы микросферы, водорода и оболочки (стенки).
3
3
4/3 я (51-50)- 4/3π (132651-12500)=4/3π 7651.
Вес водорода - 4/3π 125000×50=4/3π 6250000.
вес оболочки - 4/3π 7651×2200=4/3π 16832200.
Отношение веса водорода к весу оболочки =6250000/16832200=0,37 т.е. 37%.
Для металлогидрида принимаем объемное содержание водорода 80 г/л, весовое содержание 4%, для LaNi плотность - 9,0. Наносим покрытие толщиной 0,2 микрона. Объем покрытия равен
3
3
4/3π(51,2-51)=4/3π(134217,7-132651)=4/3π1566,7.
Вес покрытия 4/3π 1566,7×9000=4/3π 14100300.
Определим массовое (весовое) содержание водорода в микросфере
37×132651+4×1566,7/134217,7=0,366, т.е. 36,6%.
Определим объемное содержание водорода в микросфере
80×1566,7+50×125000/134217,7=47,5 г/л.
Сравнение полученных результатов с данными таблицы показывает, что по всем показателям предлагаемое решение превосходит требования Министерства энергетики США к аккумуляторам водорода.
Таблица
Параметр
2007 г.
2010 г.
2015 г.
Весовое содержание водорода, кг/H<sub>2</sub>/кг
0,045
0,06
0,09
Объемное содержание водорода, кг/Н<sub>2</sub>/л
0,036
0,045
0,081
Время до создания полного потока водорода при 20°С, с
4
4
0,5
Время заполнения аккумулятора, мин
10
3
2,5
3
Аналогичные расчеты были произведены для прототипа, т.е. для микросфер диаметром 100 микрон, с толщиной стенки 10 микрон, (плотность от 1 до 2 г/см) во внутренней полости расположены зерна сплава тантала и никеля.
Весовое содержание водорода в такой микросфере составляет 5%, объемное содержание 17%. При одинаковом времени заполнения аккумулятора, равному 3 минутам, время до создания полного рабочего потока водорода в предлагаемом решении составило 3 секунды, а в известном 8 секунд.
Таким образом, на основании технических характеристик заявляемое техническое решение превосходит известные в технике решения.