МУЛЬТИКАПИЛЛЯРНАЯ ЕМКОСТЬ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЖАТЫХ ГАЗОВ

Предложенное техническое решение - полезная модель относится к тем областям науки и техники, где требуется компактность и небольшой вес хранилища: при транспортировке газов, в частности, метана, гелия, водорода и кислорода, которые широко используются в газовой, химической промышленности, энергетике и транспорте, в автономных системах жизнеобеспечения и электроснабжения.
Согласно имеющимся математическим расчетам [Zhevago, N. К., et al., 2006. "Onboard hydrogen accumulator for vehicles". Report at the International G8 Forum "Hydrogen technologies for energy production", Moscow; 6-10 February 2006; Zhevago, N.K., Glebov, V.I., "Hydrogen storage in capillary arrays". Energy Convers Mgmt 48, (2007) 1554-1559] и полученным экспериментальным данным [Zhevago N.K., Denisov E.I., Glebov V.I. "Experimental investigation of hydrogen storage in capillary arrays". Int. Journal of Hydrogen Energy 35, (2010) 169-175], мульти-капилляры, в частности, - из стекла могут быть использованы для безопасного хранения водорода и других газов при давлениях, существенно более высоких (≥100 МРа), чем в стандартных металлических баллонах (20-35 МРа), используемых для этих целей в настоящее время.
Однако для практического использования газа, хранящегося в мульти-капиллярной емкости, необходимо обеспечить быструю заправку емкости газом и регулируемый выпуск газа из емкости в буфер, где должно поддерживаться умеренное давление (≤1.0 МРа), необходимое для работы топливного элемента. Например, в предлагаемых ранее конструкциях мульти-капиллярных емкостей для этой цели использовались плавкий металлический слой (патенты RU 2327078, RU 2339870) или пробки (US 2009/0120811, ЕР 2062850), закрывающие свободные (не запаянные) торцы капилляров. В этом случае выпуск газа может осуществляться путем деструкции (плавления) слоя или пробок. Этот способ слишком сложен, требует энергетических затрат на нагрев, а также может приводить к снижению прочности капилляров из-за разности коэффициентов объемного расширения стекла и материала слоев (пробок).
Кроме того, не обеспечены быстрая заправка емкости газом и регулируемый выпуск газа из емкости в буфер, где должно поддерживаться умеренное давление (до 1 МРа), необходимое для работы топливного элемента, при обеспечении оптимальной надежности, времени выпуска газа из капилляров, а также массо-габаритных показателей.
Предлагались также микро-клапаны, действие которых основывается на материале пробки с отрицательным коэффициентом линейного термического расширения (US 60/752,376). В этом случае также требуется тепловое воздействие для выпуска газа.
В указанном решении также не обеспечены быстрая заправка емкости газом и регулируемый выпуск газа из емкости в буфер, где должно поддерживаться умеренное давление (менее 1 МПа), необходимое для работы топливного элемента, при обеспечении оптимальной надежности, времени выпуска газа из капилляров, а также массо-габаритных показателей.
В другой известной схеме мульти-капиллярной емкости (патент RU №2339870) предлагалось использовать капилляры с постепенно суживающимся концом, подсоединенным к стандартному коллектору.
2
В этом случае выпуск водорода из капилляров к топливным элементам может быть осуществлен только, если поперечное сечение выпускного канала достаточно мало по сравнению с площадью поперечного сечения мульти-капиллярной структуры. Это связано с тем, что сила давления газа в месте соединения емкости с коллектором пропорциональна площади канала. При давлении 100 МРа и площади всего в 1 мм эта сила составляет около 10 кГ. В случае структуры цилиндрических капилляров длиной до 1 м и общим объемом больше литра диаметр структуры, и соответственно капилляров в зоне выпускного канала, должен быть на два порядка меньше, чем в структуре в целом. При этом длина переходной области от максимального сечения к минимальному должна иметь разумную величину. Чтобы изготовить такую мульти-капиллярную структуру, необходима дополнительная процедура перетяжки (нагрева и локального растяжения) структуры, что представляет собой трудоемкую и не всегда решаемую технологическую задачу, в особенности когда диаметр мульти-капиллярной структуры больше 1 см.
Кроме того, в указанных решениях не обеспечены быстрая заправка емкости газом и регулируемый выпуск газа из емкости в буфер, где должно поддерживаться умеренное давление (<1.0 МРа), необходимое для работы топливного элемента, при обеспечении оптимальной надежности, времени выпуска газа из капилляров, а также массо-габаритных показателей.
Также известно решение (прототип), патент на полезную модель RU 81286, МПК F17C 11/00,
«ЕМКОСТЬ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ГАЗОВ»:
«Емкость для хранения газов, состоящая из корпуса, технологических патрубков, и размещенных в корпусе коллектора подачи-выпуска газа и пучка полых капилляров, торцы которых соединены с коллектором подачи-выпуска газа, отличающаяся тем, что на все внешние поверхности капилляров, за исключением торцов капилляров, соединенных с коллектором, нанесено покрытие из материала с большей пластичностью, чем материал капилляров.
…5. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что пучок капилляров намотан па оправку в виде бобины.
6. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что пучок капилляров выполнен в виде отдельных секций, каждая из которых соединена со своим коллектором подачи-выпуска газа.
В этом решении также не обеспечены быстрая заправка емкости газом и регулируемый выпуск газа из емкости в буфер, где должно поддерживаться умеренное давление (≤1.0 МРа), необходимое для работы топливного элемента, при обеспечении оптимальной надежности, времени выпуска газа из капилляров, а также массо-габаритных показателей.
Технический результат предложенного в данной заявке решения состоит в том, чтобы обеспечить быструю заправку емкости газом и регулируемый выпуск газа из емкости вколлектор, где должно поддерживаться умеренное давление (≤1.0 МРа), необходимое, например, для работы топливного элемента, при обеспечении оптимальной надежности, времени выпуска газа из капилляров, а также массо-габаритных показателей.
Реализация предложенного технического результата, обеспечена следующей совокупностью существенных признаков.
Мульти-капиллярная емкость для хранения сжатых газов, включающая размещенный в корпусе, намотанный на оправку, пучок полых капилляров, концы которых сформированы в виде отдельных секций, каждая из которых расположена с возможностью соединения с коллектором подачи-выпуска газа, причем оправка выполнена в виде катушки с торцевыми дисками, намотка пучка капилляров на катушку выполнена в виде коаксиально расположенных, последовательно-попарных от одного из торцевых дисков катушки к противоположному торцевому диску торцу катушки слоев намотки, торцевой диск катушки снабжен каналами, для ввода концов капилляров и впуска-выпуска сжатого газа, устройство снабжено соосным с катушкой вращающимся диском со средствами для регулирования впуска/выпуска газа из капилляров в коллектор подачи-выпуска газа и обратно, при этом средства для регулирования впуска/выпуска газа из капилляров в коллектор подачи-выпуска газа и обратно выполнены в виде отверстий имеющих ступенчатый профиль, больший диаметр которых обращен к торцам капилляров, а меньший диаметр, обращен к коллектору подачи-выпуска газа.
Предложенное решение поясняется графически.
Фиг.1. Схематическое изображение емкости для хранения сжатого газа на основе гибких капилляров, намотанных на катушку с переключением входа/выхода газа через каналы в торце катушки. Схема соответствует двум намотанным на катушку капиллярам.
Фиг.2. - разрез А-А на фиг.1 - показан ступенчатый профиль каналов 1 и 2 торцевого диска катушки 4 (в которых размещены концы 6 и 7 гибких капилляров, намотанных на катушку).
На фигурах позициями обозначены:
1 - каналы в диске для размещения концов первого капилляра
2 - каналы в диске для размещения концов второго капилляра
3 - последовательные слои намотки капилляров,
4 - торцевой диск катушки с каналами 1 и 2 для ввода (размещения) концов капилляров 6 и 7 и впуска-выпуска сжатого газа,
5 - вращающийся диск с отверстием 8 для регулирования выпуска газа из капилляров в коллектор подачи-выпуска газа,
6 - концы первого капилляра,
7 - концы второго капилляра,
8 - отверстие, выполненное во вращающемся диске 5 для регулирования выпуска газа из капилляров в коллектор подачи-выпуска газа (на фигурах не показан).
9 - тело первого капилляра.
10 - тело второго капилляра.
Схема соответствует двум намотанным на катушку капиллярам.
В сравнении с известным решением-прототипом, предлагаемая мульти-капиллярная емкость является более эффективным способом решения проблемы регулируемого выпуска газа.
В отличие от упакованных параллельно друг другу капилляров, предложено использовать один или несколько достаточно гибких и длинных капилляров, намотанных коаксиально на цилиндрическую поверхность. При этом для сопряжения мульти-капиллярной структуры с выпускным клапаном свободные концы намотанных капилляров выводятся в специальные каналы в теле катушки.
Предметом предложенной полезной модели является конструктивное решение мульти-капиллярной емкости для хранения сжатых газов, в частности водорода, с принципиально новой системой выпуска газа для потребления в топливных элементах, с возможностью использования для мобильного хранения водорода и других газов при давлениях свыше 100 МРа.
Пример реализации решения.
В процессе изготовления предложенного устройства из стеклянной преформы вытягивают гибкий капилляр с внешним диаметром меньшим 100 мкм и достаточной длиной (в сотни метров или более), покрывают его мономером эпоксидной резины (например, используемым в технологии производства оптического волокна) и наматывают с плотной упаковкой витков на катушку из легкого материала с радиусом, большим критического радиуса изгиба капилляра (фиг.2). В процессе намотки проводится процедура полимеризации эпоксидной резины под действием ультрафиолетового или теплового излучения. Препятствуя росту наноразмерных трещин в напряженном под давлением газа стекле, образовавшийся полимер повышает прочность капилляров.
2
В торцевом диске 4, катушки, проделываются малые отверстия 1, 2. Эти отверстия могут иметь ступенчатый профиль: с внутренней стороны катушки диаметр отверстий должен быть примерно равным внешнему диаметру капилляра, а с внешней стороны катушки для уменьшения силы действующую со стороны сжатого газа на вращающийся диск при закрытом диском 5 отверстиях 1 и 2 выпускные каналы могут иметь диаметр, меньший внешнего диаметра капилляра. Для уменьшения скорости выпуска газа выпускные каналы с внешней стороны могут быть закрыты слоем материала, частично проницаемого для газов, например, пористым стеклом или любым другим веществом, используемым в газовых мембранах (в случае водорода - палладием, никелем или полимером). В выпускные каналы с внутренней стороны катушки вводятся два свободных конца намотанного капилляра. Эта процедура повторяется с другими капиллярами, которые наматываются на катушку последовательно, слой за слоем, причем концы всех капилляров таким же образом выводятся в выпускные каналы. Промежутки между капиллярами и стенками выпускных каналов герметизируются (запаиваются) металлическим сплавом, например, In50Sn или другим подходящим материалом с хорошей адгезией к стеклу и материалу катушки и непроницаемым для газа. Таким образом, каждый выходной канал может иметь достаточно малый диаметр (<100 мкм), а общая площадь каналов равна произведению площади поперечного сечения капилляра и удвоенного числа используемых капилляров. Концы нескольких капилляров могут быть также сведены вместе и внедрены в один общий канал, при этом промежутки между капиллярами должны быть герметизированы. Суммарная длина капилляров определяет объем полученной мульти-капиллярной структуры, который может быть достаточно большим даже при относительно малом диаметре капилляров. Число используемых капилляров может варьироваться от одного до нескольких десятков. Например, 100 концов от 50 капилляров, каждый диаметром 100 мкм. занимают площадь примерно 1 мм, что вполне приемлемо для сопряжения с механизмом выпуска газа (клапаном) небольшого размера. Большое количество капилляров (или групп капилляров) с раздельными выпускными каналами имеет преимущество в безопасности хранения, так как повреждение одного намотанного на катушку капилляра (внешнего по отношению к остальным) сохраняет газ в остальных.
Выпуск газа из емкости организуется с помощью вращающегося диска 5, плотно прилегающего к торцевому диску катушки 4 и имеющего специальное отверстие 8 для выпуска, как это показано на фиг.2. Газ может выпускаться как из каждого капилляра последовательно, так сразу из всех капилляров (каналов). В последнем случае число отверстий в диске соответствует числу открываемых одновременно каналов. Выпускные каналы в теле катушки могут быть организованы и другим способом, например, в ее цилиндрической части.
Потенциальные потребители указанного устройства - автомобильный, авиационный транспорт; портативные источники питания для электронной техники (компьютеры, сотовые телефоны); автономные источники электроснабжения (маяки, метеостанции, светофоры в горах и т.п.)