МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЙ ПАТРОН ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА

Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики, а точнее к устройствам для аккумулирования водорода в твердофазном связанном состоянии и может быть использована для хранения водорода в различных областях народного хозяйства.
Известен способ (патент США №6997242, класс МПК F28D 15/00, F25B 17/08) заключающийся во введении в засыпку элементов с высокой теплопроводностью, выполненных преимущественно из меди и спеченных с водородопоглощающим материалом, что приводит к увеличению эффективной теплопроводности засыпки в целом. Недостатком этого способа является существенное снижение водородной емкости засыпки.
Наиболее близким к предложенной полезной модели является техническое решение, представляющее собой канистру, заполненную засыпкой водородопоглощающего сплава, с введенными в нее трубками, предпочтительно спиралевидными, являющимися каналами для течения теплоносителя. Недостатком подобного решения является сложность конструкции, нерешенный вопрос с введением трубок с теплоносителем в герметизируемый заполненный водородом объем и увеличение массо-габаритных характеристик устройств (патент США №7241331, класс МПК В01D 53/02, прототип).
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу повышения эффективности теплопереноса в металлогидридном устройстве, что уменьшает вредное влияние низкой эффективной теплопроводности водородопоглощающего сплава на работу устройства.
Поставленная техническая задача решается тем, что металлогидридный патрон для хранения водорода, содержащий прочный герметичный корпус с отверстием для подачи водорода, заполненный водородопоглощающим материалом, внутри которого расположены одна или более трубок для подачи теплоносителя, выполнен в виде размещенных внутри корпуса трубок, образующих между собой и корпусом герметично закрытый зазор, заполненный водородопоглощающим материалом, и эти внутренние трубки герметично закрыты с торца, расположенного внутри корпуса, а в корпусе для подачи водорода выполнено отверстие, в котором установлен пористый фильтр, проницаемый для водорода и непроницаемый для частиц водородопоглощающего материала, при этом в полости внутренних трубок установлены трубки для подачи теплоносителя.
Технический результат: предлагаемый металлогидридный патрон позволяет интенсифицировать теплоперенос в устройствах хранения водорода, повысить эффективность работы, безопасность и технологичность конструкции устройств.
Среди существующих и разрабатываемых технологий хранения водорода наиболее приемлемой и безопасной может оказаться металлогидридная, основанная на уникальных свойствах некоторых твердофазных водородопоглощающих материалов, например, интерметаллических сплавов, избирательно и обратимо поглощать водород. При этом основная масса водорода в системе находится в связанном твердофазном состоянии, что обеспечивает повышенную безопасность при эксплуатации. Водород поглощается веществом с отводом тепла и выделяется при нагреве.
2
В активированном состоянии сплавы представляют собой порошкообразные засыпки с размером частиц до 1-10 мкм, характеризуемые низкой эффективной теплопроводностью (менее 1 Вт/м К, что в сочетании с высоким значением скрытой теплоты реакции поглощения/выделения водорода (25-70 кДж/моль Н) приводит к затрудненному теплопереносу в металлогидридных устройствах, в результате чего увеличиваются времена зарядки и разрядки, снижается эффективность работы. Предлагаемая полезная модель позволяет решить задачу организации эффективного теплопереноса в металлогидридных устройствах.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, показанной на фиг.1. Металлогидридный патрон состоит из прочного герметичного корпуса 1 и размещенных внутри корпуса 1 трубок 2,
образующих между собой и корпусом герметично закрытый зазор 3, заполненный водородопоглощающим материалом 4, чтобы компенсировать расширение засыпки водородопоглощающего материала 4 при зарядке водородом, зазор 3 между корпусом 1 и внутренними трубками 2 не заполняют плотно, оставляя свободное пространство для расширения засыпки, при этом внутренние трубки 2 герметично закрыты с торца, расположенного внутри корпуса, и в корпусе для подачи водорода выполнено отверстие 5, в котором установлен пористый фильтр 6, проницаемый для водорода и непроницаемый для частиц водородопоглощающего материала, при этом в полости внутренних трубок установлены трубки 7 для подачи теплоносителя.
Работа патронов осуществляется следующим образом. Отверстие 5 в корпусе 1 соединяется с водородным коллектором системы хранения водорода, трубки 2 и 7 соединяются с коллекторами впуска и выпуска теплоносителя. Для зарядки патрона водородом в него через отверстие 5 подают водород под давлением, превосходящим давление насыщения при заданной температуре хранения водорода, и внутри трубок 2 и 7 организуется протекание холодного теплоносителя с целью охлаждения патрона до заданной температуры хранения водорода. Разрядка патрона осуществляется путем организации внутри трубок 2 и 7 течения горячего теплоносителя с температурой, соответствующей необходимому равновесному давлению водорода над сплавом, при этом выделяющийся
водород подается через отверстие 5 в водородный коллектор системы хранения водорода. Таким образом, согласно предлагаемой полезной модели впускной и выпускной коллекторы теплоносителя и коллектор водорода оказываются разнесены по разные стороны металлогидридного патрона. Разнесение водородного коллектора и коллекторов теплоносителя позволяет уменьшить герметизируемый объем, заполненный водородом под давлением, и упростить конструкцию коллекторов теплоносителя, что повышает безопасность и технологичность изделия. Чтобы сплав не скапливался у одного из торцов патрона, что может привести к его механическому разрушению из-за увеличения объема засыпки, патроны следует располагать горизонтально.
Преимуществом указанной конструкции металлогидридного патрона является интенсификация теплопереноса в засыпке водородопоглощающего материала, охлаждаемой/нагреваемой с внешней и внутренней стороны, и простота изготовления патронов, собираемых из стандартной труб требуемого диаметра. Из металлогидридных патроны описанной конструкции легко создавать реакторы хранения водорода различной емкости, собирая патроны внутри, образуя кожухо-трубный теплообменник нужной конфигурации.
Примеры.
Были выполнены сравнительные испытания двух типов металлогидридных реакторов (фиг.2). Первый реактор был собран из
7-ми патронов, конструкция которых описана в настоящей полезной модели, поз.1 на фиг.2. Патроны были собраны внутри кожуха, теплоносителем являлась вода. Второй реактор представлял из себя сборку из 4-х O-образных капсул, заполненных водородопоглощающим сплавом и помещенных внутрь прочного герметичного цилиндрического корпуса, по внешней образующей которого был обустроен водяной теплообменник, поз.2 на фиг.2. Испытания проводились при следующих условиях:
- Зарядка реакторов проводилась высокочистым водородом при ограничении максимального расхода в 120 нл/мин.
0.8
0.2
4.1
0.8
0.1
- Реакторы были заполнены водородопоглощающим сплавом MmLaNiFeAl в количестве 4,69 кг.
- Расход охлаждающей воды составил 0,1 кг/с при температуре 15°С.
В результате первый реактор продемонстрировал большую производительность, поглотив за 7 минут зарядки 624 н.л водорода, что составило 91% от максимальной зарядки реактора, в то время как второй реактор поглотил 454 н.л водорода (67% от максимальной зарядки).