МОДУЛЬНЫЙ МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЙ АККУМУЛЯТОР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДОРОДА

Предлагаемая полезная модель относится к области водородной энергетики, а точнее к устройствам для аккумулирования водорода в твердофазном связанном состоянии, и полезная модель может быть использована для очистки и хранения водорода в энергетике и транспорте, а так же других областях хозяйственной деятельности.
Известны металлогидридные аккумуляторы, содержащие прочный герметичный корпус с засыпкой водородопоглощающего материала (патент США №4310601, класс B22F 5/00, 1982), недостатком этого устройства является продолжительное время зарядки водородом и невозможность работы с водородом, содержащим примеси.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является модульная металлогидридная система хранения водорода, имеющая прочный герметичный корпус с помещенными внутрь одним и более модулями, содержащими водородопоглощающий материал, и теплообменником (патент США №7431756, класс F17C 11/00, 2008, прототип). Недостатком этого устройства является сложность конструкции водородопоглощающих модулей и невозможность работы с водородом, содержащим примеси.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу устранения влияния посторонних примесей, содержащихся в водороде, на работу модульного металлогидридного аккумулятора.
Поставленная техническая задача решается тем, что в модульном металлогидридном аккумуляторе для хранения и очистки водорода, имеющем прочный герметичный корпус, содержащий один и более водородопоглощающих модулей, заполненных водородопоглощающим материалов в виде порошка, и теплообменник, корпус выполнен с герметично закрываемой крышкой, содержащей один и более клапанов для впуска и выпуска водорода, при этом корпус помещен в кожух, и между кожухом и корпусом расположен теплообменник в виде каналов для прокачки жидкого теплоносителя, и каждый водородопоглощающий модуль выполнен в виде сосуда с полыми стенками, которые выполнены из пористого материала, при этом полости в стенках заполнены водородопоглощающим материалом, и водородопоглощающие модули собраны в нежесткую, разгруженную от давления конструкцию в виде картриджа, размещенного внутри корпуса.
Такое выполнение модульного металлогидридного аккумулятора позволяет накапливать примеси, содержащиеся в водороде, в свободном объеме водородопоглощающих модулей, с последующим их удалением. Это позволяет использовать при работе модульного металлогидридного аккумулятора водород содержащий примеси, которые в противном случае могут приводить к существенному ухудшению макрокинетики сорбции водорода за счет осложнения тепломассоперенос в водородопоглощающем материале и негативного воздействия на активные центры сорбции водорода. При этом соотношение объема засыпки водоропоглощающего материала и суммарного свободного объема водородопоглощающих модулей определяется формулой:
g
МH
МH
H
V/V≥(ΔC·x·γ·(1-ε)/(1-x)·ρ)-ε
где
ΔC - максимальное изменение содержания водорода в водородопоглощающем материале за один цикл зарядки аккумулятора;
g
V - суммарный свободный объем водородопоглощающих модулей;
МH
V - объем засыпки водоропоглощающего материала;
x - объемная концентрация примесей в водороде на входе в аккумулятор;
H
ρ - плотность водорода;
МH
γ - плотность водородопоглощающего материала;
ε - пористость засыпки водородопоглощающего материала.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, показанной на фиг.1. Прочный герметичный корпус 1, содержит один и более водородопоглощающих модулей 2, заполненных водородопоглощающим материалом в виде порошка 3, и теплообменник 4, корпус выполнен с герметично закрываемой крышкой 5, содержащей один и более клапанов для впуска и выпуска водорода 6, при этом корпус помещен в кожух 7, и между кожухом и корпусом расположен теплообменник 4 в виде каналов 8 для прокачки жидкого теплоносителя, и каждый водородопоглощающий модуль 2 выполнен в виде сосуда с полыми стенками 9, которые выполнены из пористого материала, при этом полости 10 в стенках заполнены водородопоглощающим материалом 3, и водородопоглощающие модули собраны в нежесткую, разгруженную от давления конструкцию в виде картриджа 11, размещенного внутри корпуса 1.
В качестве водородопоглощающих материалов возможно применение любых сплавов-аккумуляторов водорода. Если обозначить через А- гидридообразующие элементы, а через В - элементы, относительно слабо взаимодействующие с водородом, то практически применяемые сплавы - аккумуляторы водорода можно подразделить на четыре типа:
0.8
0.2
АВ-сплавы (типичные представители: TiFe, TiFeNi, часто модифицируемые добавками Mn, Cr, Co, Ni, V и др.);
5
5
5
4.12
0.88
5
0.7
0.3
5
0.2
0.7
5
АВ-сплавы (типичные представители: LaNi, Mm Ni, MmNiFe, Ca Ni, CaMmNi, CaMmNi и др.);
2
2
1.5
0.5
2
0.98
0.02
0.45
0.1
0.05
1.5
0.6
0.15
1.25
АВ-сплавы (типичные представители: ZnFe, ZrFeCr, TiCr, TiZr VFeCrMn, TiVFeMn и др.);
2
2
2
АВ-сплавы (типичные представители: MgNi, MgCu и др.).
В качестве пористого материала стенок водородопоглощающего модуля применяют любой газопроницаемый и инертный в среде водорода материал, предпочтительно изготавливают из сложенной в несколько слоев мелкоячеистой металлической сетки, ткани, мелкопористой керамики.
Корпус теплообменника изготавливают из сплавов инертных в среде водорода, предпочтительно из алюминиевых сплавов или стали.
В качестве клапанов впуска и выпуска водорода и газообразных примесей используют клапаны любых типов, предпочтительно используют управляемый компьютером электроклапан.
В качестве охлаждающего/нагревающего агента можно использовать любые жидкие и газообразные агенты, как то фреоны, отработанные газы, инертные газы, вода.
В частном случае исполнения изобретения, подвод тепла можно осуществлять за счет отработанных газов двигателя или теплоносителя топливного элемента, а охлаждение за счет воды, инертных газов или фреонов.
Зарядку аккумулятора водородом осуществляют следующим образом. Через впускной клапан 6 подают чистый или содержащий примеси водород под давлением, превышающим давление насыщения водородопоглощающего материала 3, соответствующее желаемой рабочей температуре аккумулятора. Водородопоглощающий материал 3 сорбирует водород с выделением тепла. Для отвода теплоты реакции поглощения водорода в канал 8 теплообменника 4 подают охлаждающий теплоноситель с температурой равной или ниже желаемой рабочей температуры аккумулятора. В случае зарядки аккумулятора чистым водородом процесс продолжается до достижения необходимой степени насыщения водородопоглощающего материала 3 водородом. В случае зарядки аккумулятора водородом, содержащим примеси, ожидают накопления примесей в свободном объеме аккумулятора, что характеризуется резким снижением скорости поглощения водорода, после чего газовую смесь выпускают из аккумулятора через выпускной клапан 6, затем впускают свежую смесь через впускной клапан 6, и повторяют этот процесс циклически до достижения необходимой степени насыщения водородопоглощающего материала 3 водородом.
Разрядку аккумулятора осуществляют следующим образом. На вход в канал 8 теплообменника 4 подают нагревающий теплоноситель с температурой, равной или превышающей температуру, соответствующую равновесному давлению водородопоглощающего материала, равному необходимому рабочему давлению аккумулятора. При нагреве водородопоглощающий материал 3 начинает выделять чистый водород, отводимый через выпускной клапан 6. На выходе из аккумулятора, десорбированный водород имеет степень чистоты 99,999%.