УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ СЖАТОГО ГАЗА В МАТРИЦЕ МИКРОЦИЛИНДРОВ И СИСТЕМА ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ МАТРИЦ МИКРОЦИЛИНДРОВ
FACILITY FOR STORAGE AND REMOVAL OF COMPRESSED GAS IN MATRIX OF MICRO-CYLINDERS AND SYSTEM FOR MICRO-CYLINDER MATRIXES FILLING

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение в целом относится к хранению топлива, и, в частности, к аккумулированию, хранению и выделению газов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Хорошо известно, что водород является элементом с высокой плотностью энергии и представляет собой полностью сгорающее топливо. Водород может связываться с кислородом в результате сгорания или при помощи окислительно-восстановительных реакций в топливных элементах, с выделением тепла или электрической энергии. Первичным продуктом такой реакции является вода, которая не загрязняет окружающую среду и которую можно рециркулировать для получения из нее водорода и кислорода.
В настоящее время водородная энергетика входит в круг интересов ядерной промышленности, автомобильного транспорта, автомобилестроения, химической промышленности, авиакосмической промышленности и тому подобного. В частности, транспортный сектор является потребителем почти половины мировой добычи нефти. Кроме того, в крупных городах всего мира движение транспорта является одним из наиболее значительных и быстро развивающихся источников загрязнения и шума. Водород в качестве нового моторного топлива представляет благоприятную возможность для снижения или устранения загрязняющих выбросов и резкого сокращения уровня интенсивности шума.
Одной из проблем, с которыми сталкивается водородная энергетика, является безопасное хранение и подача водородного топлива в топливный элемент. В целом, разработаны различные способы, включающие физическое хранение (жидкого или сжатого водорода) и химическое хранение (поглощение водорода гидридами металлов, а также поглощение водорода углеродными нановолокнами). Все эти способы имеют существенные ограничения по максимальному весу и вместимости хранилища.
Известно, что сжатый водород можно безопасно хранить в микрокапсулах, таких как полые стеклянные микросферические и/или микроцилиндрические (поликапиллярные) матрицы (комплекты). При нагревании проницаемость стекла для водорода будет увеличиваться. Водород сможет диффундировать в пустотелые микросферы и/или микроцилиндры через тонкие стеклянные стенки со скоростью, в значительной степени зависящей от температуры стенок. Это дает возможность заполнять микрокапсулы газом путем помещения микросфер и/или микроцилиндров в условия с высокой температурой и высоким давлением. После охлаждения водород блокируется внутри микрокапсул, поскольку при комнатной температуре скорость диффузии значительно снижается. Последующее повышение температуры приведет к увеличению скорости диффузии. Таким образом, водород, запертый в микросферах, сможет высвободиться при последующем повышении температуры.
Например, в патентном документе US №4328768 описаны хранение топлива и система доставки, где полые микросферы, заполненные газообразным водородом, хранят в камере для хранения топлива под давлением 400 атм. Из камеры для хранения топлива микросферы подают через разогретую нагнетательную камеру, в которой газообразный водород высвобождается путем диффузии и подается к двигателю, после чего по существу опорожненные микросферы направляются во вторую камеру для хранения. По существу, опорожненные микросферы удаляются механическими способами, например при помощи насоса, в камеру для хранения, из которой они могут быть извлечены для повторного заполнения.
В международной публикации WO2006/046248A1 Chabak описано аккумулирование водорода и материал для хранения, а также способ его получения. Материал включает множество разноразмерных и по меньшей мере частично проницаемых для водорода микросфер, соединенных вместе с образованием жесткой конструкции, в которой диаметр микросфер уменьшается от центра конструкции по направлению к ее краям. Наружная поверхность жесткой конструкции может быть покрыта герметизирующим слоем, благодаря чему закрываются межсферические пространства.
В международной публикации WO2005/028945A2 Vik описано устройство для хранения сильно сжатого газа, такого как водород. Устройство включает внешний сосуд и некоторое количество герметизированных по отдельности внутренних сосудов. Представлены приспособления для связи с внутренними пространствами внутренних сосудов и внешнего сосуда, соответственно. Внутренние и внешний сосуды могут иметь любую подходящую форму. Например, внутренние сосуды являются по существу сферическими. Или же внутренние сосуды выполнены в форме трубок, предпочтительно являющихся прямыми и параллельными друг другу. Предпочтительно, чтобы внутренние сосуды были изготовлены из углеродных волокон, армированных эпоксидными соединениями.
В международной публикации WO2007/072470A1 Gnedenko с сотр. описано устройство для хранения сжатого газообразного водорода. Устройство включает герметизированный корпус, ограничивающий камеру, содержащую картридж, включающий множество цилиндрических полостей, в которых содержится сжатый газообразный водород. Устройство также включает в себя устройство для выделения водорода, предназначенное для регулируемого выделения газообразного водорода из картриджа в объем камеры, не занятый картриджем.
Согласно одному из вариантов осуществления, описанных в публикации WO 2007/072470, картридж включает в себя сборную конструкцию, составленную из множества плотно упакованных полых микроцилиндров, имеющих герметизированные концы. В этом случае устройство для выделения водорода может включать электрический нагревательный элемент, такой как проволока, вплетенная внутри картриджа в межцилиндровом пространстве среди микроцилиндров, для выделения водорода, аккумулированного внутри микроцилиндров, в межцилиндровое пространство и иной объем корпуса, не занятый микроцилиндрами. Или же устройство для выделения может включать в себя механический открыватель, установленный на валу электропривода и предназначенный для постепенного разрушения концов микроцилиндров, ближайших к устройствоу для выделения.
Согласно другому варианту осуществления, описанному в патентном документе WO 2007/072470, картридж включает монолитный блок, имеющий множество цилиндрических полостей. Концы полостей, ближайшие к устройству для выделения водорода, покрыты пластиной водородного диффузора. В этом случае устройство для выделения водорода включает в себя регулируемый источник излучения для получения фотоусиленной диффузии водорода через пластину диффузора водорода.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из проблем, связанных с выделением сжатого водорода путем диффузии, является относительно низкая скорость высвобождения водорода из микрокапсул, индуцированного нагреванием. В частности, для высвобождения газа из микрокапсул с используемой на практике скоростью энергия активации для проникания через стекло должна превышать 57 кДж/моль. Кроме того, поперечный размер микрокапсул предпочтительно должен быть меньше приблизительно 80 микрон. Например, для того, чтобы получить требуемую скорость выделения водорода, промышленные боросиликатные стекла следует нагревать до температуры выше 600°С. В результате нагревания давление внутри микрокапсул может повышаться, в то время как прочность стекла на разрыв может понижаться по сравнению с микрокапсулами при нормальных условиях. Оба эти фактора могут привести к повреждению микрокапсул.
С другой стороны, в тех случаях, когда выделение сжатого водорода из микрокапсул проводят с использованием механического открывателя, микрокапсулы во время операции разрушаются. В этом случае картридж может быть только расширяемым и должен быть заменен без возможности его повторного заполнения.
Таким образом, в данной области техники существует необходимость в дальнейшем улучшении оборудования для хранения и выделения водорода с целью обеспечения более эффективной загрузки водорода и его выделения, что привело бы к возросшей безопасности и снижению затрат.
Согласно одному из основных аспектов настоящее изобретение, в частности, устраняет недостатки известных способов и предлагает новое устройство для хранения и выделения сжатого газообразного водорода, включающее один или несколько новых картриджей, содержащих газообразный водород, устройство для выделения водорода и систему управления, имеющую конструкцию, обеспечивающую управление работой устройства.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство включает в себя корпус, ограничивающий камеру, в которой содержится картридж, включающий матрицу полых микроцилиндров, ограничивающих полости для хранения сжатого газа, например водорода. Корпус включает съемную крышку, приспособленную для открывания и герметизации корпуса. У каждого микроцилиндра есть по меньшей мере один конец, герметизированный при помощи пробки. Микроцилиндры могут иметь конусообразную часть вблизи пробки. Пробки изготавливают из легкоплавкого сплава с температурой плавления ниже, чем рабочая температура материала микроцилиндра. В контексте настоящего изобретения термин «рабочая температура» относится к температуре, ниже которой механические свойства материала микроцилиндра изменяются незначительно. Устройство также включает в себя регулируемый выпускной клапан, соединенный с корпусом посредством отводящей трубы.
Следует отметить, что устройство согласно настоящему изобретению не ограничивается каким-либо конкретным газом и может быть использовано также для хранения и выделения газов, отличных от водорода, например метана, кислорода и так далее. При необходимости также может быть использована смесь различных газов.
Устройство также включает в себя устройство для выделения газа, предназначенное для регулируемого выделения водорода или других газов из картриджа в объем камеры, не занятый картриджем. Кроме того, устройство включает систему управления, оперативно связанную с регулируемым выпускным клапаном и устройством для выделения газа. Система управления предназначена для управления работой выпукного клапана и устройства для выделения газа.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для выделения газа включает в себя термический открыватель и электропривод. Термический открыватель находится в корпусе и установлен на валу. Электропривод механически соединен с валом для обеспечения движения термического открывателя. Например, в состав термического открывателя может входить нагревательная лента, связанная с регулируемым источником энергии, соединенным с системой управления.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения система управления включает в себя датчик давления, температурный датчик, расходомер и регулятор. Датчик давления расположен в камере и имеет конструкцию, обеспечивающую генерирование сигнала датчика давления, соответствующего давлению газа в камере. Температурный датчик расположен вблизи термического открывателя. Температурный датчик имеет конструкцию, обеспечивающую измерение температуры термического открывателя, и генерирует сигнал температурного датчика, показывающий температуру термического открывателя. Расходомер имеет конструкцию, обеспечивающую генерирование сигнала датчика расхода газа в выпускной трубе.
Регулятор функционально связан с термическим открывателем, электроприводом, датчиком давления и расходомером. Регулятор чувствителен к сигналу датчика давления, сигналу датчика температуры и сигналу датчика расхода газа. В процессе работы регулятор может генерировать управляющие сигналы для регулирования работы термического открывателя, электропривода и выпускного клапана.
Устройство может дополнительно включать по меньшей мере один предохранительный клапан, способный автоматически открываться, если давление в камере достигнет опасного уровня.
Устройство согласно настоящему изобретению представляет собой надежную в эксплуатации конструкцию с длительным сроком службы. Кроме того, устройство согласно настоящему изобретению может иметь низкую себестоимость.
Согласно другому основному аспекту изобретения предложена система для заполнения картриджа, содержащего матрицу полых микроцилиндров, имеющих открытые концы и приспособленных для хранения водорода или других газов. Система включает автоклав, укупоривающее устройство и блок управления.
Автоклав имеет корпус, соединенный с источником газа, используемого для заполнения картриджа через входной трубопровод, оборудованный регулируемым впускным клапаном. Корпус ограничивает камеру, предназначенную для хранения картриджа, такую, в которой полые микроцилиндры располагаются вертикально открытыми концами вниз. Укупоривающее устройство имеет конструкцию, обеспечивающую герметизацию открытых концов. Блок управления соединен с укупоривающим устройством и с регулируемым впускным клапаном и имеет конструкцию, обеспечивающую управление их работой.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения укупоривающее устройство включает в себя тигель, электрический нагревательный элемент, регулируемый компрессор и электропривод. Тигель установлен в корпусе под открытыми концами микроцилиндров и имеет конструкцию, обеспечивающую содержание в нем сплава, необходимого для образования пробок для герметизации микроцилиндров. Электрический нагревательный элемент соединен с тиглем и имеет конструкцию, обеспечивающую нагревание и плавление сплава, находящегося в тигле. Регулируемый компрессор соединен с камерой и источником газа и имеет конструкцию, обеспечивающую подачу газа в камеру через входной трубопровод. Электропривод механически соединен с тиглем и имеет конструкцию, обеспечивающую перемещение тигля для приведения сплава в его расплавленном состоянии в контакт с открытыми концами.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения блок управления включает датчик давления и регулятор. Датчик давления расположен в камере и выполнен с возможностью генерирования сигнала датчика давления газа, показывающего давление газа в камере. Регулятор функционально связан с датчиком давления, регулируемым компрессором и впускным клапаном. Регулятор может реагировать на сигнал датчика давления газа и способен генерировать управляющие сигналы для по меньшей мере одного устройства, выбранного из указанных регулируемого компрессора и впускного клапана, для управления их работой.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения блок управления может также включать в себя температурный датчик, расположенный внутри тигля и способный генерировать сигнал датчика температуры сплава, показывающего температуру сплава. Датчик температуры соединен с регулятором, способным реагировать на сигнал датчика температуры и генерировать управляющий сигнал электрическому нагревательному элементу для регулирования его работы.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения блок управления также включает в себя индикатор уровня сплава, соединенный с тиглем и пригодный для получения сигнала датчика уровня сплава, показывающего уровень сплава в тигле. Индикатор уровня сплава соединен с регулятором, способным реагировать на сигнал датчика уровня сплава и генерировать управляющий сигнал для электропривода. При необходимости регулятор может генерировать аварийный сигнал для оператора системы, указывающий, что уровень сплава меньше заранее установленного значения.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения блок управления также включает в себя измеритель высоты столба сплава, расположенный вблизи микроцилиндров и способный генерировать сигнал датчика высоты столба сплава, показывающего величину столба сплава в микроцилиндрах около их открытых концов. Измеритель высоты столба сплава соединен с регулятором, способным реагировать на сигнал датчика высоты столба сплава и генерировать управляющий сигнал по меньшей мере одному устройству, выбранному из регулируемого компрессора, впускного клапана и электропривода, для управления их работой.
Согласно еще одному общему аспекту настоящего изобретения предложен способ заполнения картриджа, содержащего матрицу полых микроцилиндров, имеющих открытые концы и приспособленных для хранения водорода или других газов. Способ включает: получение картриджа, помещение картриджа в камеру автоклава, имеющего корпус, соединенный с источником газа, используемого для заполнения картриджа; сжатие газа в камере, благодаря чему обеспечивается проникновение газа через указанные открытые концы в полости полых микроцилиндров, и герметизацию открытых концов при помощи пробок из легкоплавкого сплава, имеющего температуру плавления ниже рабочей температуры материала микроцилиндров. Помещение картриджа в камеру заключается в размещении картриджа вертикально, так что открытые концы микроцилиндров направлены вниз.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения герметизация открытых концов включает: расплавление указанного легкоплавкого сплава в тигле, установленном в корпусе под открытыми концами микроцилиндров, приведение сплава в его расплавленном состоянии в контакт с открытыми концами при помощи электропривода, создание в камере избыточного давления, чтобы протолкнуть расплавленный сплав в открытые концы, образуя тем самым столбы сплава в микроцилиндрах вблизи концов; отсоединение микроцилиндров от расплавленного сплава; отверждение указанных столбов сплава, благодаря чему происходит образование пробок.
Таким образом, в общих чертах изложены наиболее важные признаки изобретения. Далее следует подробное описание изобретения, чтобы его можено было лучше понять и лучше оценить его вклад в уровень техники. Дополнительные подробности и преимущества изобретения будут изложены в подробном описании.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Чтобы понять изобретение и показать, каким образом оно может быть осуществлено на практике, далее будут описаны предпочтительные варианты осуществления, исключительно в качестве неограничивающих примеров, со ссылкой на сопутствующие графические материалы, где
Фиг.1 представляет собой схематическое поперечное сечение устройства для хранения и выделения газа согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 представляет собой схематическое поперечное сечение системы для заполнения газом картриджа согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Составные части и работа устройства для хранения газообразного водорода согласно настоящему изобретению могут быть более понятными на основании графических материалов и сопутствующего описания. Следует понимать, что данные графические материалы приведены исключительно в иллюстративных целях и не предназначены для того, чтобы быть ограничивающими. Следует отметить, что рисунки, иллюстрирующие различные примеры устройства согласно настоящему изобретению, приведены для ясности без соблюдения масштаба и пропорций. Следует также отметить, что блоки и другие элементы на данных рисунках представляют собой исключительно функциональные единицы, так что показаны функциональные соотношения между этими единицами, а не какие-либо физические связи и/или физические взаимодействия. Для идентификации компонентов, являющихся общими для устройства для хранения водорода и его составных частей, изображенных на рисунках во всем настоящем описании изобретения, будут использованы одинаковые позиционные обозначения и буквенные символы.
На Фиг.1 изображено схематическое поперечное сечение устройства 10 для хранения и выделения газа согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Устройство 10 для хранения и выделения газа включает корпус 11, имеющий съемную крышку 12, выполненную с возможностью открывания и закрывания корпуса 11. Герметичный корпус 11 ограничивает камеру 13, содержащую картридж (модуль) 14, установленный в камере 13 при помощи крепежных элементов (не показаны). Картридж 14 может быть вставлен в камеру 13 и извлечен из нее через отверстие (не показано), герметизируемое при помощи съемной крышки 12. Форма корпуса 11 может быть, например, цилиндрической. Однако следует понимать, что может использоваться по существу любая требуемая форма корпуса 11. Корпус 11 может быть изготовлен из подходящего металла, пластмассы или композиционного материала с толщиной стенок, способной выдерживать напряжения в стенках, вызванные давлением газа внутри корпуса 11.
Устройство 10 также включает в себя устройство для выделения газа 15 и систему управления 16, функционально соединенную с устройством для выделения газа 15 и имеющую конструкцию, обеспечивающую управление его работой.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения картридж 14 включает в себя футляр 141 и матричную структуру 142 из микроконтейнеров, находящуюся в футляре 141. Матричная структура 142 из микроконтейнеров включает в себя множество плотно упакованных полых микроцилиндров (капилляров) 143, ограничивающих полости, в которых может содержаться сжатый газ. Микроцилиндры 143 матричной структуры 142 могут иметь любую требуемую форму поперечного сечения и быть плотно (тесно) упакованы в футляр 141. Примеры формы поперечного сечения включают, не ограничиваясь перечнем, круглое, овальное, полигональное, гексагональное сечение и так далее. Следует понимать, что наиболее плотная упаковка микроцилиндров 143 может быть получена, если форма поперечного сечения будет гексагональной.
Предпочтительно, но не обязательно, чтобы микроцилиндры 143 матричной структуры 142 были соединены вместе с образованием жесткой структуры. К примеру, микроцилиндры 143 могут быть соединены при помощи крепежного элемента (не показан), например окружены скрепляющей тесьмой. Аналогично, в случае, когда микроцилиндры 143 изготовлены из стекла, арамида или металла, они могут быть соединены вместе, например, при помощи сварки, пайки и/или обжига. Кроме того, для соединения микроцилиндров 143 вместе также может использоваться клеящее вещество, например эпоксидные клеи.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения концы 145 микроцилиндров 143 (наиболее удаленные от устройствоа для выделения 15) наглухо закрыты, например на концы надеты полусферы со сравнимой толщиной стенок. Другие концы 146 микроцилиндров 143 (ближайшие к устройству 15) могут быть либо открыты, либо закрыты при помощи пробок 147. В частности, концы 146 открыты, когда картридж не заполнен сжатым газом, чтобы обеспечить свободное проникновение газа внутрь полостей. После заполнения микроцилиндров 143 сжатым газообразным водородом концы 146 герметизируют при помощи пробок 147, как будет подробно описано ниже со ссылкой на Фиг.2. Со стороны концов 146 микроцилиндры 143 предпочтительно имеют конусообразные части 148 для предотвращения выталкивания пробок 147 из концов 146 за счет сильно сжатого газа, хранящегося в полостях микроцилиндров 143.
3
Микроцилиндры 143 изготовлены из материала, обладающего высокой прочностью на разрыв σ и низкой массовой плотностью ρ. Например, если газом, хранящимся в устройстве 10, является водород, для микроцилиндров 143 подходят материалы, удовлетворяющие условию σ/ρ≥1700 МПа·см/г. Примеры материалов, подходящих для изготовления микроцилиндров 143, включают, не ограничиваясь перечнем, стекла MgAlSi, S-2 Glass™, R-glass, доступные из компании Saint-Gobain Vetrotex Textiles, Т-Glass, доступное из Nitto Boseki Co., Ltd. (Nittobo)), плавленый кварц, полимеры (например, Kevlar™, Twaron™) и так далее.
В большинстве случаев микроцилиндры 143 могут иметь любую требуемую длину. В свою очередь, наружный диаметр d микроцилиндров 143 может лежать в пределах от приблизительно 1 микрометра до приблизительно 100 микрометров. Величины толщины стенки h микроцилиндров 143 определяют при помощи соотношения h/d, которое может быть получено из уравнения h/d=ρ/(2σ), где ρ означает давление водорода, хранящегося в микроцилиндрах 143, а σ - прочность на разрыв материала микроцилиндров. Например, если газом, хранящимся в устройстве 10, является водород, отношение толщины стенки к наружному диаметру может лежать в пределах от 0,01 до 0,2, в зависимости от ρ и σ.
Следует отметить, что наружный диаметр d и толщина стенки h микроцилиндров, находящихся во внутренних слоях (то есть внутри) матричной структуры 142 и периферических микроцилиндров могут быть разными. В частности, наружный диаметр микроцилиндров 143 может уменьшаться от центра сборной структуры к краям структуры. За счет размещения микроцилиндров большего размера внутри структуры, а меньшего - вблизи краев, создают конструкцию для аккумулирования и хранения водорода, в которой напряжения в стенках уменьшаются по направлению к периметру вследствие меньшего диаметра микроцилиндров. Соответственно, толщина стенки h микроцилиндров может быть увеличена от центра сборной структуры по направлению к краям структуры.
В соответствии с вариантом осуществления, описанным выше, матрицу 142 микроцилиндров 143 окружают футляром 141. Внутренняя поверхность стенки футляра может быть соединена с периферическими микроцилиндрами матрицы 142. Футляр 141 может быть любой требуемой формы и иметь жесткость, достаточную для манипуляций с картриджем при его вставке в корпус 11 и извлечении из корпуса. Предпочтительно, но не обязательно, чтобы футляр 141 повторял форму внутренней поверхности корпуса 11. Как правило, футляр 141 может быть сконструирован из любого подходящего металла, пластмассы или композиционного материала. При необходимости футляр 141 и микроцилиндры 143 могут быть изготовлены из одинакового материала. Толщина стенки футляра может быть, например, в 10 - 100 раз больше, чем толщина стенок микроцилиндров. В случае надобности футляр 141 может быть оборудован ручкой для переноски 149, предназначенной для того, чтобы пользователю было легче вставлять, извлекать и/или нести картридж 14.
Способы изготовления полых микроцилиндров и микроцилиндрических матричных конструкций известны per se (как таковые). В частности, различные матрицы микроцилиндров (капилляров), изготовленные из стекла и/или пластмасс, широко используют в рентгеновской оптике и фотоэлектронике. Как правило, способ изготовления матриц микроцилиндров делится на три основных этапа: (i) вытягивание капилляров относительно большого диаметра, (ii) повторное вытягивание их в пучок капилляров меньшего диаметра, и (iii) спекание капилляров в матрицу. Современная технология позволяет получать широкие матрицы с диаметром капилляра до 1 микрона и меньше и отношением толщины стенки к диаметру менее 5%. Например, матрицы капилляров, подходящие для целей настоящего изобретения, могут быть получены из компаний Paradigm Optics, Inc.; 9600 NE 126th Ave, Suite 2540 Vancouver, WA 98682 USA; Joint Stock Company "Technology Equipment Glass Structures (TEGS)", Prospect Stroiteley 1-B, Saratov, Russia, 410044 и так далее.
Устройство 15 для выделения газа имеет конструкцию, обеспечивающую управляемое выделение газообразного водорода из картриджа 14, в котором водород или другой газ хранится под очень высоким давлением, в объем камеры 13, не занятый картриджем 14, где газ хранится при умеренном далении. К примеру, давление водорода, хранящегося внутри картриджа 14, может превышать 1000 атм (например, быть в пределах 1000-3000 атм), тогда как давление водорода внутри незанятого объема камеры 13 может лежать в пределах 5-20 атм. Такое давление может потребоваться, например, для работы топливного элемента.
Для измерения давления газа внутри незанятого объема камеры 13 система 16 контроля включает датчик 161 давления, который может использоваться для продуцирования сигнала датчика давления газа. Датчик 161 давления соединен с регулятором 162 системы 16 управления, которая может находиться за пределами корпуса 11. Регулятор 162, наряду с прочим, реагирует на сигнал датчика давления газа и может генерировать управляющий сигнал устройству 15 для выделения газа для регулируемого выделения сжатого газа из картриджа 14, как будет описано ниже.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 15 для выделения газа включает в себя термический открыватель (тепловой нож) 151, расположенный в корпусе 11 и установленный на валу 152. Вал 152 механически соединен с электроприводом 153 для обеспечения движения теплового открывателя 151. Тепловой открыватель 151 включает в себя нагревательную ленту 154, соединенную с регулируемым источником 155 энергии, расположенным за пределами корпуса 11 и соединенным с регулятором 162 системы 16 управления.
Устройство 15 для выделения газа может использовать температурный датчик 156, связанный с системой 16 управления и расположенный вблизи нагревательной ленты 154. Датчик 156 температуры имеет конструкцию, обеспечивающую измерение температуры нагревательной ленты 154 и выработки сигнала температурного датчика, показывающего температуру. Датчик 156 температуры соединен с регулятором 162 системы 16 управления, который, кроме прочего, реагирует на сигнал датчика температуры и может обеспечивать управление регулируемым источником 155 энергии. Управление обеспечивают подачей необходимой электроэнергии на нагревательную ленту 154 для получения температуры, требуемой для плавления пробок 147, благодаря чему происходит открывание соответствующих микроцилиндров 143. Следует соблюдать осторожность во избежание перегрева и разрушения элементов картриджа.
52
32
58
52
Предпочтительно, чтобы пробки 147 были изготовлены из легкоплавкого сплава, обладающего достаточно хорошей адгезией к стеклу. В частности, температура плавления этого сплава должна быть ниже рабочей температуры материала микроцилиндров. Примеры сплавов, подходящих для изготовления пробок, включают Bi PbSn, BiSn и InSn, но не ограничиваются этим.
Электропривод 153 имеет конструкцию, обеспечивающую вращательное и/или поступательное движение вала 152. Предпочтительно, но не обязательно, чтобы направление оси вала 152 совпадало с направлениями осей микроцилиндров (или микроцилиндрических полостей) при направлении оси нагревательной ленты 154, перпендикулярном направлению оси вала 152. Электропривод 153 функционально связан с регулятором 162 системы управления 16. В свою очередь, регулятор 162, кроме прочего, реагирует на сигнал датчика давления газа, генерируемый датчиком 161 давления, и может создавать сигнал управления приводом для электропривода 153 для регулирования угловой скорости вращения и/или скорости поступательного движения теплового открывателя 151. Выделение газа из герметизированных микроцилиндров 143, например, может быть организовано как постепенное, то есть путем последовательного поочередного нагревания закрытых концов 146 микроцилиндров 143 выше точки плавления сплава при помощи нагретой полоски 154, благодаря чему происходит плавление пробок 147 и открывание микроцилиндров 143.
Электропривод 153 можно отрегулировать так, чтобы скорость вращательного и/или поступательного движения теплового открывателя 151 увеличивалась, если давление в камере 13 будет ниже требуемого уровня, и, наоборот, чтобы скорость уменьшалась, если давление в камере 13 поднимется выше требуемого уровня. Например, в режиме вращения электропривод 153 может быть настроен так, что во время полного разрушения концов 146 вал 152 будет обеспечивать один полный оборот.
Устройство 10 дополнительно включает в себя выпускную трубу 17, соединенную с корпусом 11. Система 16 управления, кроме того, содержит расходомер 163 и выпускной клапан 164, расположенные в выпускной трубе 17 и соединенные с регулятором 162 для регулируемого выпуска газа из камеры 13. В процессе работы расход газа внутри выпускной трубы 17 измеряют при помощи расходомера 163, который может использоваться для продуцирования сигнала датчика газового потока. Расходомер 163 соединен с регулятором 162, который, кроме прочего, реагирует на сигнал датчика расхода газа и может генерировать сигнал управления клапаном для регулирования работы выпускного клапана 164. Если устройство используют для хранения водорода, выпускаемый водород благодаря этому может быть использован в качестве топлива либо в качестве сырья для реакциий по желанию пользователя. Устройство 10, кроме того, может включать в себя один или несколько предохранительных клапанов 18, способных открываться автоматически, если давление газа в камере 13 достигнет опасного уровня.
Согласно другому основному аспекту настоящего изобретения предложен способ заполнения картриджа 14 газом. Заполнение водородом полостей микроцилиндров 143 может осуществляться путем впуска газа через открытые концы 46 с последующей герметизацией открытых концов 46 микроцилиндров 143 при помощи пробок 47.
На Фиг.2 представлено схематическое поперечное сечение системы 20 для заполнения картриджа 14 газом согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как было описано выше для Фиг.1, картридж 14 включает в себя матрицу полых микроцилиндров 143 с открытыми концами 146. Система 20 включает автоклав 21, имеющий корпус 211, соединенный с источником 22 газа, используемого для заполнения картриджа 14 через входной трубопровод 23. Входной трубопровод 23 оборудован регулируемым впускным клапаном 24. Источником 22 может быть, например, баллон (не показан), содержащий чистый водород или другие газы, используемые для заполнения картриджа 14.
Источник газа 22 может включать емкость 221, содержащую чистый газообразный водород, используемый для заполнения картриджа 14. Корпус 211 изготавливают из материала, способного выдерживать достаточно высокое давление. В частности, корпус 211 должен выдерживать давление, превышающее давление газообразного водорода, поддерживаемое в микроцилиндрах 143 картриджа (14 на Фиг.1) после заполнения. Примеры материалов, подходящих для изготовления корпуса 211, включают, не ограничиваясь перечнем, композиционные материалы, содержащие углеродные, кварцевые и/или арамидные волокна.
Корпус 211 ограничивает камеру 212, имеет конструкцию, обеспечивающую фиксацию картриджа 14, который вставлен в нее для заполнения газом. Предпочтительно, чтобы картридж 14 был расположен в корпусе 211 таким образом, чтобы микроцилиндры 143 располагались вертикально открытыми концами 146 вниз по высоте корпуса 211. После вставки картриджа 14 корпус 211 герметизируют, например, при помощи крышки 213, закрывающей отверстие с одного из концов корпуса, через которое вставляют картридж.
Кроме того, система включает укупоривающее устройство 25, имеет конструкцию, обеспечивающую герметизацию открытых концов 146 микроцилиндров 143. Система также включает в себя блок 26 управления, соединенный с укупоривающим устройством 25 и регулируемым впускным клапаном 24 и имеющий конструкцию, обеспечивающую управление их работой.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения укупоривающее устройство 25 включает в себя тигель 251, установленный в корпусе 211 под открытыми концами 146 микроцилиндров 143. Укупоривающее устройство 25 также включает электрический нагревательный элемент 252, соединенный с тиглем 251. Укупоривающее устройство 25, кроме того, включает в себя регулируемый компрессор 253, расположенный за пределами автоклава 21 и соединенный с камерой 212 и источником 22 газа через входной трубопровод 23. Укупоривающее устройство 25 также включает электропривод 254, механически соединенный с тиглем 251. Электрический нагревательный элемент 252 и электропривод 254 могут питаться от источника энергии (не показан), расположенного за пределами корпуса 211.
Тигель 251 имеет конструкцию, обеспечивающую содержание в нем сплава, требующегося для плавления и формирования пробок 147 для герметизации микроцилиндров 143. Электрический нагревательный элемент 252 имеет конструкцию, обеспечивающую нагрева и расплавление сплава, находящегося в тигле 251. Регулируемый компрессор 253 имеет конструкцию, обеспечивающую подачу газа в камеру 212 через входной трубопровод 23. Регулируемый компрессор 253 может быть настроен на непрерывные (плавные) или прерывистые (ступенчатые) изменения давления газа, вводимого в камеру 212, в соответствии с заранее определенным алгоритмом, определяемым типом картриджа 14. Электропривод 254 имеет конструкцию, обеспечивающую перемещение тигля 251 вверх и/или вниз, приведение сплава в расплавленном состоянии в контакт с открытыми концами 146.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения блок 26 управления включает в себя датчик 261 давления, расположенный в камере 212 и пригодный для продуцирования сигнала датчика давления газа, показывающего давление газа в камере 212. Блок 26 управления также включает регулятор 262, который может быть расположен за пределами корпуса 211. Регулятор 262 функционально связан с датчиком 261 давления, регулируемым компрессором 253 и впускным клапаном 24. Регулятор 262, кроме прочего, реагирует на сигнал датчика давления газа и может генерировать управляющие сигналы регулируемому компрессору 253 и/или впускному клапану 24 для управления подачей газа.
Блок 26 управления может дополнительно включать датчик 263 температуры, расположенный внутри тигля 251. Датчик 263 температуры может использоваться для продуцирования сигнала датчика температуры сплава, показывающего температуру сплава. Датчик 263 температуры соединен с регулятором 262, который, кроме прочего, реагирует на сигнал датчика температуры и может генерировать управляющий сигнал электрическому нагревательному элементу 252 для управления процессом его нагрева.
Блок 26 управления может дополнительно включать уровнемер 264, соединенный с тиглем 251. Уровнемер 264 может использоваться для получения сигнала датчика уровня сплава, показывающего уровень сплава в тигле 251. Уровнемер 264 может, например, включать поплавок (не показан), установленный на рукоятке поплавка (не показаны), и индикатор (не показан), соединенный с рукояткой поплавка. Индикатор может использоваться для определения положения поплавка в тигле 251.
Уровнемер 264 может быть соединен с регулятором 262, который, кроме прочего, реагирует на сигнал датчика уровня сплава и может генерировать управляющий сигнал электроприводу 254 для контроля движения тигля 251. Кроме того, если требуется добавить сплав в тигель 251, регулятор 262 может генерировать аварийный сигнал оператору (не показан), указывающий, что уровень сплава меньше величины заданного уровня.
Блок 26 управления может дополнительно включать в себя измеритель 265 высоты столба сплава, расположенный рядом с микроцилиндрами 143. Измеритель 265 высоты столба сплава может использоваться для продуцирования сигнала датчика высоты столба сплава, показывающего высоту столба сплава в микроцилиндрах 143 вблизи концов 146.
Измерителем 265 высоты столба сплава может быть известное устройство, подходящее для индикации наличия сплава на определенной высоте микроцилиндров 143 вблизи концов 146. Такое устройство может, например, включать источник освещения (не показан) и фотодетектор (не показан), измеряющий изменения оптических свойств микроцилиндров 143, в которые помещен сплав, по отношению к проходящему свету. Согласно другому примеру наличие сплава в микроцилиндрах 143 может определяться при помощи изменения магнитных свойств микроцилиндров 143. В соответствии с этим измеритель 265 высоты столба сплава может включать в себя соответствующий датчик (не показан), имеющий конструкцию, обеспечивающую измерение магнитных свойств микроцилиндров 143. Следует понимать, что настоящее изобретение не привязано к какому-либо конкретному выполнению измерителя 265 высоты столба сплава и других воспринимающих элементов блока 26 управления.
Измеритель 265 высоты столба сплава может быть соединен с регулятором 262, который, кроме прочего, реагирует на сигнал датчика высоты столба сплава и может генерировать управляющий сигнал регулируемому компрессору 253, впускному клапану 24 и/или электроприводу 254 для управления их работой. В частности, длина столба сплава в микроцилиндрах 143 может меняться за счет обеспечения избыточного давления, способного проталкивать расплавленный сплав в открытые концы 146.
В процессе работы картридж 14, подлежащий заполнению водородом, помещают в камеру 212 автоклава 21, которую затем закрывают крышкой 213. При размещении картриджа 14 в камере 212 микроцилиндры 143 предпочтительно располагают вертикально открытыми концами 146 вниз.
Далее газ сжимают в камере 212, тем самым обеспечивая введение газа через открытые концы 146 в полости полых микроцилиндров 143. Сжатие газа осуществляют при помощи компрессора 253, подающего газ из источника водорода 22 в камеру 212. Во время работы компрессора 253 в течение периода компрессии давление в камере 212 увеличивается. Полости полых микроцилиндров 143 принимают газ через концы 146, при этом давление в микроцилиндрах 143 также повышается. Автоклав выдерживают в этом режиме до тех пор, пока давление газа в автоклаве не достигнет заданной величины. Например, если используют водород, давление в автоклаве может достигать величины приблизительно 3000 атм. Скорость повышения давления во время процедуры заполнения может регулироваться таким образом, чтобы разность давлений между внешним и внутренним давлениями микроцилиндров 143 не превышала предела прочности для микроцилиндров 143, при котором они могут разрушиться.
После достижения заданной величины давления в камере 212 открытые концы 146 микроцилиндров 143 герметизируют пробками 147, полученными из легкоплавкого сплава, имеющего температуру плавления ниже рабочей температуры материала микроцилиндров. Герметизация открытых концов 146 осуществляется легкоплавким сплавом, который расплавляют в тигле 251, установленном в корпусе 211 под открытыми концами 146 микроцилиндров 143. Затем электропривод 254 может быть активирован для перемещения тигля 251 вверх, чтобы расплавленный сплав привести в контакт с открытыми концами 146. После этого давление в камере 212 может быть повышено в целях обеспечения избыточного давления в камере для проталкивания (вдавливания) расплавленного сплава в открытые концы 146 на требуемое расстояние. В результате, вблизи концов 146 в микроцилиндрах 143 могут образоваться столбики сплава. При достижении требуемой длины столбиков сплава (то есть глубины проникновения) электропривод 254 может быть активирован для перемещения тигля 251 вверх для отсоединения микроцилиндров 143 от расплавленного сплава. Затем температура сплава, проникшего внутрь микроцилиндров, может быть понижена ниже точки размягчения, что приведет к затвердеванию столбиков сплава и образованию посредством этого «твердых» пробок 147.
Заполненный картридж 14 может быть извлечен из автоклава 21 и использован потребителем, например, как описано выше в отношении Фиг.1.
По существу, специалист в области техники, к которой относится настоящее изобретение, может оценить, что хотя настоящее изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления, концепция, на которой базируется данное раскрытие, легко может быть использована в качестве основы для разработки других конструкций, систем и способов для реализации различных задач настоящего изобретения.
Следует отметить, что несмотря на то, что настоящее изобретение характеризует хранение и выделение сжатого газообразного водорода, применение изобретения не ограничивается водородной энергетикой. В известных способах заполнение и выделение водорода было основано на диффузии газа через стенки накопительных микрокапсул. Поскольку скорость диффузии газов, отличных от водорода и гелия, ничтожно мала при любых приемлемых температурах, указанные известные способы не могут применяться для хранения и выделения таких газов. Это ограничение не распространяется на настоящее изобретение, так как в устройстве согласно настоящему изобретению диффузия через стенки не используется.
В соответствии с этим настоящее изобретение может применяться для хранения и выделения газов, отличных от водорода, например метана, кислорода и так далее.
Следует понимать, что фразеология и терминология, использованные в данном контексте, приводятся для описания и их не следует рассматривать в качестве ограничений.
В связи с этим важно, что объем изобретения не интерпретируется как ограниченный иллюстративными вариантами осуществления, изложенными здесь. В объеме настоящего изобретения возможны и другие варианты, как это определено в прилагаемой формуле изобретения. Другие комбинации и суб-комбинации признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены путем изменения настоящей формулы изобретения или представления новой формулы изобретения в данной или родственной заявке. Такая измененная или новая формула изобретения, вне зависимости от того, направлена ли она на разные комбинации или направлена на те же комбинации, является ли отличной, более обширной, более подробной или равной в объеме ранее заявленной формуле изобретения, также рассматривается как объект настоящего описания.