Аккумулятор водорода
Владельцы патента RU 2376522:
Чабак Александр Федорович (RU)
Прокопьев Иван Прокопьевич (RU)
Якунин Геннадий Николаевич (RU)
Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для хранения, транспортировки и распределения (подачи) водорода в топливных элементах и других энергетических установках. В аккумуляторе водорода, содержащем полые микросферы и сплав, образующий с водородом гидрид металла, внутренняя полость микросферы выполнена свободной. Сплав металла нанесен на наружную поверхность микросферы. Стенка микросферы выполнена проницаемой для водорода при комнатной температуре. Техническим результатом изобретения является обеспечение одновременно высокого весового и высокого объемного содержания водорода, обладающего высокоскоростными регулирующими свойствами при заполнении аккумулятора и при его разрядке (подаче к потребителю), и безопасного хранения и транспортировки водорода. 2 ил., 1 табл.
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.)
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/см3. 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:
диаметр микросферы (R1) - 100 микрон;
толщина стенки (оболочки) - 1 микрон (R2-R1);
толщина слоя покрытия гидрида металла - 0,2 микрона (R3-R2);
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).
4/3 я (513-503)- 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
4/3π(51,23-513)=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/H2/кг | 0,045 | 0,06 | 0,09 |
| Объемное содержание водорода, кг/Н2/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 |
Аналогичные расчеты были произведены для прототипа, т.е. для микросфер диаметром 100 микрон, с толщиной стенки 10 микрон, (плотность от 1 до 2 г/см3) 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.
Аккумулятор водорода, содержащий полые микросферы и сплав, образующий с водородом гидрид металла, отличающийся тем, что внутренняя полость микросферы выполнена свободной, сплав металла нанесен на наружную поверхность микросферы, а стенка микросферы выполнена проницаемой для водорода при комнатной температуре.
