Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода

Авторы патента:


Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода
Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода
Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода
Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода
Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода
Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода
Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода
Устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода

 


Владельцы патента RU 2440290:

Си. Эн. Лимитед (VG)
СТЕРН, Моше (IL)

Изобретение относится к устройству и картриджу для хранения сжатого газообразного водорода. Устройство для хранения сжатого газообразного водорода включает в себя герметичный корпус, имеющий выпускную трубу, присоединенную к корпусу и оборудованную регулируемым выпускным клапаном. Герметичный корпус ограничивает камеру, содержащую картридж. Картридж включает в себя узел из, по меньшей мере, двух различных типов микроконтейнеров, выполненных с возможностью накопления и хранения сжатого газообразного водорода. Микроконтейнеры выбраны из, по меньшей мере, одного полого частично проницаемого для водорода микроцилиндра, имеющего закупоренные концы, и множества частично проницаемых для водорода полых микросфер. Микроконтейнеры одного типа отличаются от микроконтейнеров другого типа по скорости высвобождения водорода из микроконтейнеров. Устройство для выделения водорода выполнено с возможностью регулируемого выделения газообразного водорода из картриджа в объем камеры, не занятый картриджем. Техническим результатом заявленной группы изобретений является снижение потерь водорода при хранении, а также обеспечение возможности регулирования скорости высвобождения водорода. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к хранению топлива, в частности к аккумулированию и хранению газообразного водорода.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как известно, водород является элементом с высокой плотностью энергии и представляет собой полностью сгорающее топливо. Плотность энергии водорода, составляющая около 120 МДж/кг, более чем в два раза превышает плотность энергии обычного топлива, например природного газа - 43 МДж/кг и газолина - 44,4 МДж/кг. Водород может связываться с кислородом в результате сгорания или путем окислительно-восстановительных реакций, опосредованных топливными элементами, с выделением тепла или электрической энергии. Первичным продуктом такой реакции является вода, которая не загрязняет окружающую среду, и ее можно рециркулировать для регенерации водорода и кислорода.

В настоящее время водородная энергетика находится в центре внимания ядерной промышленности, автомобильного транспорта, автомобилестроения, химической промышленности, авиакосмической промышленности, производства портативных источников энергии (сотовых телефонов, компьютеров, бытовых электроприборов) и тому подобного. В частности, транспортный сектор является потребителем почти половины мировой добычи нефти. Кроме того, в агломерациях крупных городов всего мира движение транспорта становится одним из наиболее значительных и быстро развивающихся источников загрязнения и шума. Водород в качестве нового моторного топлива представляет возможности как для снижения или устранения загрязняющих выбросов, так и для резкого сокращения уровня интенсивности создаваемого шума. Двигатели внутреннего сгорания, уже работающие на водороде, обладают низким шумовым напряжением и значительно сниженными уровнями загрязнения. Вследствие этого транспортный сектор экономики интенсивно внедряет использование водородного топлива. Это поможет решить проблемы окружающей среды, особенно в крупных мегаполисах и промышленных районах.

Одной из проблем, с которыми сталкивается водородная энергетика, является безопасное хранение и подача водородного топлива в топливный элемент. В целом существуют три основных способа хранения водорода. Водород может храниться в виде криогенной жидкости, в виде сжатого газа в больших емкостях или химически связанным в виде соединения, такого как гидрид металла.

К хранению жидкого водорода, вследствие очень низких криогенных температур -253°С (20К), предъявляются высокие требования к инфраструктуре. Поэтому системы для жидкого хранения, перекачивающие трубопроводы и топливозаправочные штуцера требуют значительной теплоизоляции для поддержания жидкого состояния и во избежание или замедления быстрого испарения жидкого водорода.

Наиболее распространенным способом хранения водорода является хранение сжатого водорода. Как правило, уровни давления составляют порядка 20 МПа-70 МПа. Современные емкости для хранения обычно изготавливают из волокнистых композиционных материалов, разработанных для снижения массы конструкции. Внутреннюю оболочку делают из нержавеющей стали или алюминия и обматывают стеклянными и/или волокнистыми волокнами. Известно также о конструкции резервуаров, полностью изготовленных из пластичных материалов. И тем не менее, большинство резервуаров для хранения сжатых газов являются достаточно громоздкими и тяжелыми. Кроме того, существующие способы накопления сжатого газообразного водорода в резервуарах обеспечивают относительно низкое массовое содержание водорода (отношение массы водорода в сборнике к массе сборника), то есть менее 10 мас.%, при этом существуют определенные ограничения для дополнительного увеличения этого параметра, помимо низкой взрывоопасности.

При хранении газообразного водорода в виде гидридов металлов применяют введение водорода в сплавы металлов. Такие способы накопления и хранения водорода являются относительно взрывобезопасными, поскольку требуется избыточного давления водорода. Недостатком хранения в виде гидридов металлов является то, что в зависимости от типа металлического сплава для высвобождения водорода требуются более или менее повышенные температуры, а также низкая масса, связанная с плотностью хранения. Обычно массовое содержание водорода составляет менее 4,5%.

В принципе, также может быть осуществлено хранение в составе других материалов за счет физической сорбции. Например, известно о хранении водорода в углеродных нановолокнах. Однако из-за более слабого связывания водорода в таких твердых веществах температура хранения должна быть ниже, чем температура при хранении водорода в виде гидридов металлов.

Известно, что водород можно безопасно хранить в микроконтейнерах, таких как полые стеклянные микросферы. Количество водорода в каждой индивидуальной микросфере является очень малым, что предотвращает возможность взрыва в результате неправильного обращения либо во время аварий.

При нагревании проницаемость микросфер по отношению к водороду возрастет. Водород сможет диффундировать в полости микросфер через тонкие стеклянные стенки с приемлемой на практике скоростью при температуре в интервале от 100°С до 400°С. Это позволяет заполнять микросферы газом путем помещения микросфер в условия с высокой температурой и высоким давлением. После охлаждения водород «запирается» внутри микросфер, 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 помощи последующего повышения 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 перемещаются механическими способами, например при помощи насоса, в камеру для хранения, из которой они могут быть извлечены для повторного заполнения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Несмотря на то, что известны способы накопления и хранения водорода в микроконтейнерах, в данной области техники по-прежнему существует необходимость дальнейшего усовершенствования с целью обеспечения безопасного хранения водорода при повышенном давлении, повышения массового содержания водорода, снижения потерь водорода при хранении, а также обеспечения достаточных нагрузки водорода и скорости высвобождения при эксплуатации, что приведет к повышенной безопасности и снижению затрат. Кроме того, было бы желательно иметь новое устройство для хранения сжатого газообразного водорода, в котором скорость выделения водорода можно было бы изменять регулируемым образом.

Согласно одному из основных аспектов, настоящее изобретение позволяет отчасти устранить недостатки способов предшествующего уровня техники и предлагает новое устройство для хранения сжатого газообразного водорода. В частности, устройство включает в себя герметичный корпус, имеющий выпускную трубу, присоединенную к корпусу и оборудованную регулируемым выпускным клапаном. Герметичный корпус ограничивает камеру, содержащую картридж. Согласно настоящему изобретению, картридж включает в себя узел из по меньшей мере двух различных типов микроконтейнеров, предназначенных для накопления и хранения сжатого газообразного водорода. Устройство также включает в себя устройство для выделения водорода, выполненное с возможностью регулируемого выделения (высвобождения) газообразного водорода из картриджа в объем камеры, не занятый картриджем. Предпочтительно, чтобы устройство также включало в себя систему управления, функционально связанную с регулируемым выпускным клапаном и устройством для выделения водорода и предназначенную для регулирования их работы. Корпус может включать съемную крышку, приспособленную для открывания и закрывания корпуса.

Согласно изобретению, давление водорода, хранящегося внутри микроконтейнеров, может превышать 1000 атм. В свою очередь, давление водорода, накопленного внутри объема камеры, не занятого картриджем, может превышать 1 атм, например быть в пределах от 1 до 15 атм.

Согласно варианту осуществления изобретения, система управления включает в себя датчик давления, выполненный с возможностью продуцирования сигнала датчика давления, показывающего давление газообразного водорода в камере. Помимо этого система управления включает в себя расходомер, выполненный с возможностью продуцирования сигнала датчика газового потока, который показывает напорный поток газообразного водорода в выпускной трубе. Система управления также включает регулятор, функционально связанный с датчиком давления и расходомером. Соответственно, система управления реагирует на сигнал датчика давления и сигнал датчика расхода газа. Таким образом, регулятор может генерировать управляющие сигналы для регулирования работы устройства для выделения водорода и выпускного клапана.

Устройство также может включать в себя по меньшей мере один предохранительный клапан, способный автоматически открываться, если давление в камере достигнет опасного уровня.

Согласно варианту осуществления изобретения, картридж включает в себя корпус и сборную конструкцию из двух типов полых микроконтейнеров, расположенную в корпусе. Толщина стенок корпуса может быть по меньшей мере в 10 раз больше толщины стенок микроконтейнеров. Согласно этому варианту осуществления изобретения, микроконтейнеры выбирают из по меньшей мере одного полого частично проницаемого для водорода микроцилиндра, имеющего закупоренные концы, и множества частично проницаемых для водорода полых микросфер.

В частности, узел микроконтейнеров включает в себя первую часть, имеющую трубчатую форму, и вторую часть, имеющую цилиндрическую форму и расположенную внутри полости первой части. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, первая часть состоит из множества микроцилиндров, плотно упакованных и размещенных аксиально внутри первой части. Согласно другому варианту осуществления изобретения, первая часть включает в себя один или несколько полых микроцилиндров, обмотанных вокруг второй части.

Согласно варианту осуществления изобретения, вторая часть включает в себя множество микросфер, плотно упакованных и заполняющих цилиндрический объем второй части.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, картридж включает в себя множество сопряженных газовых коллекторов, при этом каждый коллектор связан с частью общего количества микроконтейнеров.

Полые микроцилиндры могут быть изготовлены из материала, обладающего относительно невысокой проницаемостью по отношению к водороду при температуре ниже 20°С-30°С и более чем в 10 раз большей проницаемостью при температуре выше 70°С-90°С. Отношение прочности на растяжение к плотности материала полых микроцилиндров может быть больше 1000 МПа·см3/г. Материал полого микроцилиндра выбирают из различных полимерных и композиционных материалов, например из KEVLAR™, TWARON™, TERLON™, ARMOS™, TECHNORA™ и так далее. Наружный диаметр микроцилиндров может быть, например, в пределах от 50 микрометров до 5000 микрометров. Отношение толщины стенки к наружному диаметру микроцилиндров может составлять от 0,01 до 0,2. Наружный диаметр микроцилиндров может уменьшаться от внутренней поверхности первой части сборной конструкции по направлению к наружной поверхности первой части. Толщина стенок микроцилиндров может увеличиваться от внутренней поверхности первой части сборной конструкции по направлению к наружной поверхности первой части.

В свою очередь, микросферы могут быть изготовлены из материала, обладающего относительно невысокой проницаемостью по отношению к водороду при температуре 50°С-70°С и более чем в 10 большей проницаемостью при температуре выше 200°С-250°С. Отношение прочности на растяжение к плотности материала микросфер составляет более 1000 МПа·см3/г. Материал микросфер может быть выбран из MgAlSi стекол (например, из стекол S-2 Glass™, R-glass, доступных из компании Saint-Gobain Vetrotex Textiles, стекла T-Glass, доступного из Nitto Boseki Co., Ltd. (Nittobo)), плавленого кварца и так далее. Наружный диаметр микросфер может быть, например, в пределах от 50 микрометров до 5000 микрометров. Отношение толщины стенок к наружному диаметру микросфер может составлять от 0,01 до 0,2. Наружный диаметр микросфер может уменьшаться от центра второй части по направлению к краям второй части. Толщина стенок микросфер может увеличиваться от центра второй части по направлению к краям второй части. Толщина стенок микросфер увеличивается от центра второй части по направлению к краям второй части.

Согласно варианту осуществления изобретения, наружная поверхность микроцилиндров и микросфер по меньшей мере частично покрыта электропроводным слоем, поглощающим водород. Слой, поглощающий водород, образован из металла, выбранного из по меньшей мере одного из металлов, - палладия, никеля, лантано-никелевых сплавов.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения по меньшей мере часть микроконтейнеров соединены вместе при помощи электропроводного клеящего вещества.

Согласно варианту осуществления изобретения, устройство для выделения водорода включает в себя один или несколько электрических нагревательных элементов, связанных с картриджем, и регулируемый источник энергии, соединенный с системой управления и выполненный с возможностью регулируемого снабжения энергией электрического нагревательного элемента, благодаря чему происходит регулируемое изменение температуры микроконтейнеров.

Например, устройство для выделения водорода может включать в себя по меньшей мере два нагревательных элемента с двумя различными типами микроконтейнеров, соответственно, и регулируемый источник энергии, соединенный с системой управления и выполненный с возможностью регулируемого снабжения энергией указанных по меньшей мере двух нагревательных элементов, благодаря чему будет происходить регулируемое изменение температуры микроконтейнеров. В частности, устройство для выделения водорода может включать в себя первый нагревательный элемент, имеющий первую пару электродов, соединенных с поглощающим водород электропроводным слоем микросфер через указанную первую часть указанного картриджа; второй нагревательный элемент, имеющий вторую пару электродов, соединенных с указанным поглощающим водород электропроводным слоем микроцилиндров через указанную вторую часть указанного картриджа; и регулируемый источник энергии, соединенный с системой управления и выполненный с возможностью регулируемого снабжения энергией первого и второго нагревательных элементов, благодаря чему происходит регулируемое изменение температуры микросфер и микроцилиндров.

Согласно другому примеру, устройство для выделения водорода может включать в себя первый нагревательный элемент, имеющий первую пару электродов, соединенных с электропроводным клеящим веществом через первую часть указанного картриджа; второй нагревательный элемент, имеющий вторую пару электродов, соединенных с электропроводным клеящим веществом через вторую часть указанного картриджа; и регулируемый источник энергии, соединенный с системой управления и выполненный с возможностью регулируемого снабжения энергией первого и второго нагревательных элементов, благодаря чему происходит регулируемое изменение температуры микроконтейнеров.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, концы микроцилиндров, по крайней мере, ближайшие к указанному устройству для выделения водорода, закрыты крышками, изготовленными из пропускающего водород материала, характеризующегося фотостимулированной диффузией водорода. Устройство для выделения водорода включает в себя регулируемый источник излучения, работающий в заданном интервале частот излучения. Регулируемый источник излучения соединен с системой управления, адаптированной для управления работой источника излучения, благодаря чему обеспечивается фотостимулированная диффузия водорода через материал, пропускающий водород, при облучении его при помощи регулируемого источника излучения. Например, управление работой источника излучения может осуществляться путем изменения интенсивности использованного излучения или же управление работой источника излучения может осуществляться путем включения и выключения источника с заданной периодичностью.

Таким образом, в общих чертах достаточно ориентировочно изложены наиболее важные признаки изобретения, чтобы сделать более понятным последующее его подробное описание, а также чтобы позволить лучше оценить данное усовершенствование существующей 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 прилагаемые графические материалы, где:

Фиг.1 иллюстрирует схематический вид в разрезе устройства для хранения газообразного водорода;

Фиг.2 представляет собой схематический продольный разрез устройства с Фиг.1, включающего картридж для хранения водорода и устройство для выделения водорода, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг.3 представляет собой схематическое перспективное изображение верхнего поперечного разреза картриджа с Фиг.2 по линии А-А;

Фиг.4 представляет собой схематический продольный разрез устройства с Фиг.1, включающего картридж для хранения водорода и устройство для выделения водорода, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.5 представляет собой схематический продольный разрез устройства с Фиг.1, включающего картридж для хранения водорода и устройство для выделения водорода, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6 представляет собой схематический продольный разрез устройства с Фиг.1, включающего картридж для хранения водорода и устройство для выделения водорода, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.7 представляет собой схематическое перспективное изображение верхнего поперечного разреза картриджа с Фиг.5 по линии В-В; и

на Фиг.8 представлены примеры опорных цилиндров с микроцилиндрами (микротрубками), намотанными на них.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Принцип и работа устройства для хранения газообразного водорода согласно настоящему изобретению могут быть лучше поняты 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 фигуры, 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 фигурах представлены исключительно как функциональные единицы, вследствие чего 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 фигурах на всем протяжении настоящего описания изобретения, будут использованы одинаковые обозначения позиций и буквенные символы.

На Фиг.1 изображено схематическое поперечное сечение устройства 10 для хранения водорода согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Устройство 10 для хранения водорода включает корпус 11, имеющий съемную крышку 12, приспособленную для открывания и закрывания корпуса 11. Закрытый корпус 11 ограничивает камеру 13, содержащую картридж (модуль) 14, установленный в камере 13 при помощи крепежных элементов (не показаны). Картридж 14 включает в себя узел из по меньшей мере двух различных типов микроконтейнеров (не показаны на Фиг.1), предназначенных для накопления и хранения сжатого газообразного водорода.

Согласно настоящему изобретению, микроконтейнеры одного типа отличаются от микроконтейнеров другого типа по скорости высвобождения водорода из микроконтейнеров. Различные скорости выделения водорода могут достигаться путем изменения по меньшей мере одного из следующих признаков: конструкции картриджа 14, конфигурации микроконтейнеров в картридже 14, формы микроконтейнеров и материала, из которого эти микроконтейнеры изготовлены. Различные типы организации микроконтейнеров в картридже 14 будут описаны ниже.

Картридж 14 может быть вставлен в камеру 13 и извлечен из нее через отверстие (не показано), закрываемое при помощи съемной крышки 12. Устройство 10 также включает в себя по меньшей мере одно устройство для выделения водорода, связанное с картриджем 14 и схематически изображенное на Фиг.1 прямоугольником 15. Устройство 10 также включает в себя систему управления 16, функционально соединенную с устройством 15 для выделения газа и предназначенную, в числе прочего, для управления работой устройства 15 для выделения водорода. Система управления 16 и устройство 15 для выделения водорода обеспечиваются энергией при помощи регулируемого источника 19 электрической энергии, размещенного за пределами корпуса 11 и соединенного с системой управления 16 и устройством 15 для выделения водорода.

Устройство 15 для выделения водорода предназначено для управляемого выделения (высвобождения) газообразного водорода из картриджа 14, в котором водород хранится под очень высоким давлением, в объем камеры 13, не занятый картриджем 14, где водород хранится при умеренном давлении. К примеру, давление водорода, хранящегося внутри микроцилиндров картриджа 14, может превышать 1000 атм (например, быть в пределах 1000 атм - 3000 атм), тогда как давление водорода внутри незанятого объема камеры 13 может быть выше 1 атм (например, лежать в пределах 1 атм - 15 атм).

Для измерения давления водорода внутри незанятого объема камеры 13 система управления 16 включает датчик давления, схематически представленный на Фиг.1 квадратом 161, который может использоваться для продуцирования сигнала датчика давления газа. Датчик 161 давления соединен с регулятором 162 системы управления 16, который, наряду с прочим, реагирует на сигнал датчика давления газа и может генерировать управляющий сигнал устройству 15 для выделения водорода для регулируемого выделения сжатого газообразного водорода из картриджа 14.

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 выпускную трубу 17, соединенную с корпусом 11. Система управления 16, кроме того, содержит расходомер 163 и выпускной клапан 164, расположенные в выпускной трубе 17 и соединенные с регулятором 162 для регулируемого выпуска газообразного водорода 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, наряду с прочим, реагирующим на сигнал датчика расхода газа и способным генерировать сигнал управления клапаном для регулирования работы выпускного клапана 164. Выпускаемый при этом водород может использоваться в качестве топлива или в качестве сырьевого материала для реакций 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 изобретению, такие признаки как конструкция картриджа 14, конфигурация микроконтейнеров в картридже 14, форма микроконтейнеров и материал, из которого эти микроконтейнеры изготовлены, могут быть различными.

На Фиг.2 представлен схематический продольный разрез устройства с Фиг.1, в котором картридж 14 для хранения водорода и устройство 15 для выделения водорода изображены согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Согласно этому варианту осуществления, картридж 14 включает в себя кожух 141 и сборную конструкцию из двух различных типов микроконтейнеров, размещенную в кожухе 141.

На Фиг.3 показано схематическое перспективное изображение с верхним поперечным разрезом картриджа с Фиг.2 по линии А-А. Следует отметить, что для простоты кожух 141 на Фиг.3 не показан. Также следует отметить, что Фиг.2 и Фиг.3, а также последующие чертежи (иллюстрирующие другие примеры конструкции картриджа для хранения водорода) приведены для ясности без соблюдения масштаба и пропорций.

Как можно видеть из Фиг.2 и Фиг.3, сборная конструкция микроконтейнеров включает в себя первую часть 31, имеющую трубчатую форму, и вторую часть 32, имеющую цилиндрическую форму и размещенную внутри полости первой части 31.

Первая часть 31 включает в себя множество плотно упакованных полых микроцилиндров (микротрубок) 310, расположенных аксиально внутри первой части 31. Концы 22а и 22b микроцилиндров 310 закупорены, например закрыты на концах полусферами, имеющими соизмеримую толщину стенок. Полые микроцилиндры 310 сами по себе или по меньшей мере один из закупоренных концов 22а и 22b изготовлены из материала, по меньшей мере частично проницаемого для водорода, что позволяет молекулам водорода диффундировать через него. В свою очередь, вторая часть 32 включает в себя множество плотно упакованных частично проницаемых для водорода полых микросфер 320, заполняющих цилиндрический объем второй части 32.

Вообще говоря, микроцилиндры 310 могут иметь любую требуемую длину. В свою очередь, наружный диаметр d микроконтейнеров (микроцилиндров 310 и микросфер 320) может быть в пределах приблизительно от 50 микрометров до 5 миллиметров. Величину толщины стенок h микроцилиндров 310 и микросфер 320 определяют при помощи отношения h/d, которое может быть получено из уравнения h/d=р/(2σ), где р означает давление водорода, хранящегося в микроцилиндрах 310 и микросферах 320, а σ - прочность на растяжение материала микроконтейнеров. Предпочтительно, чтобы отношение толщины стенки к наружному диаметру было в пределах от 0,01 до 0,2, в зависимости от р и σ.

Следует отметить, что наружный диаметр d и толщина стенки h микроцилиндров, находящихся во внутренних слоях (то есть, в массе) первой части, и периферических микроцилиндров могут быть одинаковыми или разными. Аналогичным образом, все микросферы могут иметь приблизительно одинаковые либо разные размеры.

Предпочтительно, хотя это не показано на Фиг.2, чтобы наружный диаметр микроцилиндров 310 уменьшался от внутренней поверхности 311 первой части 31 по направлению к наружной поверхности 312 первой части 31. Аналогичным образом, диаметр разногабаритных микросфер может уменьшаться (не показано) от центра 321 второй части 32 по направлению к краям 322 второй части 32. Следует понимать, что за счет размещения микроцилиндров и микросфер большего диаметра в массе, а меньшего диаметра ближе к краям создается конструкция для накопления и хранения водорода, в которой напряжения в стенках уменьшаются по направлению к периметру вследствие меньшего диаметра микроконтейнеров. Соответственно, толщина стенок микроцилиндров может увеличиваться от внутренней поверхности сборной конструкции по направлению к наружной поверхности конструкции. Аналогичным образом, толщина стенок микросфер может увеличиваться от центра второй части 32 по направлению к краям второй части 32.

Предпочтительно, чтобы полые микроцилиндры 310 и микросферы 320 были изготовлены из материалов, обладающих разной проницаемостью по отношению к водороду. В частности, полые микроцилиндры 310 изготавливают из материала, имеющего относительно низкую проницаемость по водороду при температуре ниже 20°С-30°С и высокую проницаемость (более чем в 10 раз большую) при температуре выше 70°С-90°С. В свою очередь, полые микросферы 320 изготавливают из материала, имеющего относительно невысокую проницаемость по отношению к водороду при температуре ниже 50°С-70°С и высокую проницаемость (более чем в 10 раз большую) при температуре выше 200°С-250°С. Например, проницаемость по водороду при температуре 20°С-30°С может быть около (1-10)·10-9 см2/атм·с и (1-10)·10-17 см2/атм·с для материала микроцилиндров и микросфер, соответственно. Как можно заметить, в этом интервале температур выделение водорода будет происходить главным образом из микроцилиндров, тогда как в микросферах водород будет сохраняться для его последующего выделения, когда в этом возникнет необходимость, после дополнительного повышения температуры. Таким образом, путем регулируемого изменения скорости выделения водорода из микроконтейнеров может быть обеспечено многостадийное выделение газообразного водорода из картриджа 14 для хранения водорода.

Предпочтительно, чтобы материалы, выбранные для микроцилиндров 310, имели высокую прочность на растяжение σ и низкую плотность ρ. Например, для микроцилиндров 310 и микросфер 320 подходят материалы, удовлетворяющие условию σ/ρ≥1000 МПа·см3/г. Примеры материалов, подходящих для микроцилиндров 310, включают, не ограничиваясь перечнем, полимеры (например, арамид, KEVLAR™, TWARON™, TERLON™, ARMOS™, TECHNORA™) и так далее. В свою очередь, примеры материалов, подходящих для микросфер 320, включают, не ограничиваясь перечнем, MgAlSi стекла (например, стекла S-2 Glass™, R-glass, доступные из компании Saint-Gobain Vetrotex Textiles, стекло T-Glass, доступное из Nitto Boseki Co., Ltd. (Nittobo)), плавленый кварц и так далее.

Способы изготовления находящихся на расстоянии друг от друга микроцилиндров и микросфер для хранения водорода известны per se (см., например, патентные документы US Pat. Nos. 4981625 Won-Kyu Rhim, etc; 5260002 Masato Ishii; 5376347 Masamichi Ipponmatsu, etc.; 6224794 Brian G.Amsden, etc.; 6890592 Troy Ronald Seehafer, etc.; 6998074 Dalia Radulescu, раскрытие которых в силу данной ссылки включено в данное описание) и поэтому не будут изложены в данном описании.

Согласно варианту осуществления, изображенному на Фиг.2, сборная конструкция из двух различных типов микроконтейнеров окружена кожухом 141. При необходимости внутренняя поверхность стенки кожуха может быть соединена с периферическими микроцилиндрами первой части 31 сборной конструкции. Вообще, кожух 141 может быть сконструирован из любого подходящего металла, пластика или композиционного материала и может быть любой требуемой формы и конфигурации, обладающих жесткостью, достаточной для манипулирования с картриджем при его вставлении в корпус и извлечении из корпуса 11. Например, кожух 141 и микроцилиндры 310 могут быть изготовлены из одинакового материала. Толщина стенок кожуха может быть, например, в 10-15 раз больше, чем толщина стенок микроцилиндров. Как показано на Фиг.2, кожух 141 имеет цилиндрическую форму, то есть повторяет форму внутренней поверхности корпуса 11. Однако, вообще говоря, кожух 141 может иметь любую требуемую форму. При необходимости кожух 141 может быть оборудован ручкой для переноски (не показана), предназначенной для того, чтобы пользователю было легче вставлять, извлекать и/или нести картридж 14.

Согласно варианту осуществления изобретения, микроконтейнеры (микроцилиндры и микросферы) в сборной конструкции плотно (тесно) упакованы в кожухе 141 и, предпочтительно, скреплены вместе, образуя тем самым жесткую конструкцию. В частности, если микроконтейнеры изготовлены из стекла, полимера или металла, они могут быть скреплены вместе, например, при помощи спекания. Аналогичным образом, для скрепления микроконтейнеров также могут использоваться клеящие вещества, такие как клей.

Микроконтейнеры собраны вместе с образованием сборной конструкции. Таким образом, в первой части 31 сборной конструкции соседние микроцилиндры, граничащие друг с другом своими стенками, образуют пустые межцилиндровые пространства 33 вдоль микроцилиндров. Аналогичным образом, соседние микросферы, граничащие друг с другом своими стенками, образуют пустые межсферные пространства 34 во второй части сборной конструкции.

Согласно варианту осуществления изобретения, устройство 15 для выделения водорода включает в себя активирующий элемент, такой как один или несколько электрических нагревательных элементов, связанных с картриджем 14, для активирования выделения (диффузионного высвобождения) газообразного водорода, хранящегося внутри микроконтейнеров. Для варианта осуществления, изображенного на Фиг.2, активирующий элемент включает первый нагревательный элемент 151, связанный с первой частью 31 сборной конструкции, и второй нагревательный элемент 152, связанный со второй частью 32 сборной конструкции.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, микроконтейнеры покрывают поглощающим водород слоем электропроводного материала, вследствие чего в местах, где микроконтейнеры граничат друг с другом, образуется проводящий канал. Покрывающий слой может быть получен при помощи по меньшей мере одного способа нанесения покрытия, выбранного из химического осаждения из паровой фазы, гальванизации, покрытия методом химического восстановления, золь-гелевого метода, активированного плазмой химического осаждения из паровой фазы, напыления и покраски.

Согласно другому варианту осуществления, клеящие вещества, используемые для соединения микроконтейнеров, обладают электропроводными свойствами, вследствие чего может обеспечиваться электрическая перколяция через этот клеящий материал в тех случаях, когда электрический потенциал подают через первую и/или вторую части, соответственно. Следует понимать, что при подаче через проводящий материал электрического потенциала образуется электрический ток, проходящий через материал и генерирующий тепло.

Таким образом, согласно этому варианту осуществления изобретения, первый нагревательный элемент 151 включает в себя первую пару электродов 153, электрически соединенных через первую часть 31 для перколяции электропроводного клеящего вещества, скрепляющего микроцилиндры 310. Первый нагревательный элемент 151 предназначен для соединения клеящего вещества с регулируемым источником 19 электрической энергии. В свою очередь, второй нагревательный элемент 152 включает в себя вторую пару электродов 154, электрически соединенных через вторую часть 32 для перколяции клеящего вещества, скрепляющего микросферы 320.

Первый электрический нагревательный элемент 151 и второй электрический нагревательный элемент 152 обеспечиваются энергией при помощи регулируемого источника 19 энергии. Во время работы в зависимости от давления газообразного водорода внутри камеры 13, измеренного при помощи датчика 161 давления, и времени, требующегося для того, чтобы картридж начал выделять газообразный водород, система управления, наряду с прочим, приспособлена для регулирования работы источника энергии. Таким образом, первый и второй электрические нагревательные элементы, снабжаемые энергией при помощи регулируемого источника 19 энергии, могут регулируемо изменять напряжение, приложенное к первой и/или второй паре электродов, тем самым изменяя температуру микроцилиндров 310 и микросфер 320, соответственно. Выделение водорода можно регулировать таким образом, что напряжение, подаваемое через первую и/или вторую части узла микроконтейнеров, может увеличиваться, если давление в камере 13 будет ниже требуемого уровня, и, наоборот, напряжение уменьшается, если давление в камере 13 выше требуемого уровня.

При необходимости регулирования температуры во время нагревания микроконтейнеров картридж 14 может быть оборудован одним или несколькими температурными датчиками (не показаны), размещенными, например, в межцилиндровых и межсферных пространствах и предназначенными для измерения температуры микроконтейнеров и продуцирования сигналов температурных датчиков, показывающих температуру. Температурные датчики могут быть соединены с системой управления 16, способной, наряду с прочим, реагировать на сигналы датчиков температуры и обеспечивать управление электрическими нагревательными элементами 151 и 152 во избежание перегрева и разрушения элементов картриджа.

Регулируемое изменение температуры может позволять регулируемо высвобождать газообразный водород, хранящийся внутри микроконтейнеров, в объем кожуха 141, не занятый микроконтейнерами, то есть в межцилиндровые пространства 31 и межсферные пространства 34, соответственно. В свою очередь, газообразный водород, аккумулированный внутри этого объема кожуха 141, не занятого микроконтейнерами, может быть впоследствии выпущен в объем 130 камеры 13, не занятый картриджем 14. Например, газообразный водород может диффундировать через стенки кожуха 141 в объем 130. Кроме того, при необходимости, внутри кожуха 141 может быть расположен специальный клапан (не показан) для регулируемого высвобождения водорода из картриджа 14 в объем 130.

Такое многостадийное выделение газообразного водорода позволяет быстро нагревать первую часть картриджа 14 и, следовательно, начинать подачу газообразного водорода из микроцилиндров 310 и межцилиндровых пространств 33 в достаточно короткий промежуток времени после включения первого электрического нагревательного элемента 151, то есть в течение 3-5 секунд. С другой стороны, нагревание до относительно высоких температур второй части картриджа требует большего времени. Вследствие этого газообразный водород, хранящийся в микросферах 320 и межсферных пространствах 34, может быть выделен на более поздней стадии.

На Фиг.4 изображен схематический продольный разрез устройства с Фиг.1, включающего в себя картридж для хранения водорода согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Картридж согласно данному варианту осуществления отличается от картриджа, изображенного на Фиг.2, тем, что он включает в себя множество сопряженных газовых коллекторов 401, причем каждый коллектор связан с частью общего количества микроцилиндров 310. Каждая часть микроцилиндров 310 оборудована соответствующим нагревательным элементом 402, имеющим соответствующую пару электродов, соединенных с проводящим клеящим веществом, скрепляющим микроцилиндры 310.

В процессе работы газообразный водород, хранящийся внутри каждой из частей микроцилиндров и межцилиндровых пространств, может регулируемо высвобождаться в объем соответствующих сопряженных газовых коллекторов 401. В свою очередь, газообразный водород из сопряженных газовых коллекторов 401 далее может регулируемо выпускаться в объем 130 камеры 13, не занятый картриджем 14, через соответствующие клапаны 403 сопряженных коллекторов, размещенные в кожухе газовых коллекторов 401 и функционально соединенные с регулятором 162. Например, когда давление газа в камере 13, измеренное при помощи датчика 161 давления, меньше, чем заданная величина давления, регулятор 162 может генерировать сигналы управления давлением для регулирования работы клапанов 403 сопряженных коллекторов и, тем самым, для обеспечения выпуска газообразного водорода из одного или нескольких сопряженных газовых коллекторов 401 в объем 130 камеры 13.

Согласно этому варианту осуществления изобретения, картридж также может включать в себя один или несколько сопряженных газовых коллекторов 404, связанных со всеми микросферами или частью микросфер 320. Микросферы 320 снабжены соответствующим нагревательным элементом, имеющим пару электродов 405, связанных с проводящим клеящим веществом, скрепляющим микросферы 320. В процессе работы при необходимости газообразный водород может сначала накапливаться в объеме газовых коллекторов 404. Специальный сопряженный клапан 405 может быть размещен внутри кожуха газовых коллекторов 404 для регулируемого выпуска водорода из газовых коллекторов 404 в объем 130.

На Фиг.5 представлена схема устройства с Фиг.1, в котором картридж для хранения водорода и устройство для выделения водорода изображены согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. В соответствии с данным вариантом осуществления изобретения, картридж 14 имеет конфигурацию, по существу аналогичную изображенной на Фиг.2. В частности, картридж 14 включает кожух 141 и сборную конструкцию из двух различных типов микроконтейнеров, расположенных в кожухе 141. Сборная конструкция из микроконтейнеров включает в себя первую часть 51, имеющую трубчатую форму, и вторую часть 52, имеющую цилиндрическую форму и расположенную внутри полости первой части 51.

Первая часть 51 включает в себя множество плотно упакованных полых микроцилиндров 510, расположенных аксиально внутри первой части 51. Концы 53а и 53b микроцилиндров 510 закупорены. В частности, концы 53а микроцилиндров 510, удаленные от устройства 15 для выделения водорода, закрыты крышками 54а, изготовленными из непроницаемого для водорода материала, тогда как концы 53b микроцилиндров 510, приближенные к устройству 15 для выделения водорода, закрыты крышками 54b, изготовленными из материала, пропускающего водород. Таким образом, в микроцилиндрах 510 (закрытых с двух концов) газообразный водород может храниться под высоким давлением.

Согласно данному варианту осуществления изобретения, материал, пропускающий водород (закрывающий концы 53b), характеризуется фотостимулированной диффузией водорода. Согласно одному из примеров, материал, пропускающий водород, характеризуется фотостимулированной диффузией водорода. В данной области техники известно о материалах, демонстрирующих значительное увеличение скорости высвобождения водорода под воздействием инфракрасного (ИК) излучения (см., например, статью, озаглавленную "Photo-Enhanced Hydrogen Outgassing of Glass (Фотостимулированная водородная дегазация стекла)", D.B.Rapp, J.E.Shelby, опубликованную в журнале J.Non-Cryst. Solids, 2004, v.349, pp.254-259). Например, легирование коммерчески доступных боросиликатных стекол оптически активными элементами (например, Fe3O4) может приводить к сильной чувствительности скорости водородной диффузии под воздействием ИК-излучения.

Согласно данному варианту осуществления изобретения, для активирования высвобождения водорода из микроцилиндров 510 устройство 15 для выделения водорода включает в себя активирующий элемент, такой как регулируемый источник 56 излучения, обеспечивающий фотостимулированную диффузию водорода через крышки 54b, когда крышки 54b облучают в предварительно заданном интервале частоты. В зависимости от пропускающего водород материала крышек 54b регулируемый источник 56 излучения может работать в разных диапазонах электромагнитной шкалы.

Например, если материал, пропускающий водород, основан на стекле Pyrex™, легированном Fe3O4, регулируемый источник 56 излучения может быть инфракрасной (ИК) лампой. Фактически, ИК-излучение подвергает легирующее вещество реакции, при которой открываются микроскопические поры, естественным образом возникающие в стекле стекла. Водород, находящийся под высоким давлением внутри микроцилиндров 510, может диффундировать через поры, открывшиеся в крышках 54b. В этом случае высвобождение водорода из микроцилиндров 510 можно регулировать при помощи изменения интенсивности ИК-излучения и/или путем простого включения и выключения ИК-источника.

Источник 56 излучения может регулироваться при помощи системы управления 16. В процессе работы в зависимости от давления газообразного водорода внутри камеры 13 система управления, наряду с прочим, адаптирована для регулирования работы источника 56 излучения путем изменения интенсивности подаваемого излучения и/или путем включения и выключения источника 19 энергии с заданной периодичностью, обеспечивая тем самым регулируемое выделение водорода, хранящегося внутри микроцилиндров 510, в объем камеры 13, не занятый картриджем 14. Например, если давление в камере низкое, интенсивность излучения может быть увеличена, и наоборот.

В свою очередь, вторая часть 52 сборной конструкции микроконтейнеров включает в себя множество плотно упакованных частично проницаемых для водорода полых микросфер 520, заполняющих цилиндрический объем второй части 52, аналогично тому, как изображено на Фиг.2. Для активирования выделения водорода из микросфер 520 устройство 15 для выделения водорода включает в себя сферический нагревательный элемент 57, связанный со второй частью 52 и выполненный с возможностью нагревания микросфер 520. Аналогично случаю, изображенному на Фиг.2, сферический нагревательный элемент включает в себя пару электродов 571, электрически соединенных через вторую часть 52 для перколяции клеящего вещества, скрепляющего микросферы 520.

Сферический нагревательный элемент 57 обеспечивается питанием при помощи регулируемого источника 19 электрической энергии. В процессе работы в зависимости от давления газообразного водорода внутри камеры 13, измеренного при помощи датчика 161 давления, и времени, требующегося для того, чтобы картридж начал обеспечение газообразного водорода, систему управления, наряду с прочим, адаптируют для управления работой источника 19 энергии. Таким образом, сферический нагревательный элемент 57, снабжаемый энергией при помощи регулируемого источника 19 энергии, может регулируемо менять напряжение, подаваемое на пару электродов 571, тем самым изменяя температуру микросфер 520. Выделение водорода можно отрегулировать таким образом, что напряжение, подаваемое на концы второй части узла микроконтейнеров, может увеличиваться, если давление в камере 13 ниже требуемого уровня, и, наоборот, напряжение понижается, если давление в камере 13 выше требуемого уровня.

Таким образом, устройство данного изобретения обеспечивает возможность выделения газообразного водорода из первой части картриджа 14 и, следовательно, возможность начала подачи газообразного водорода из микроцилиндров 510 и межцилиндровых пространств 33 в течение достаточно короткого времени после включения регулируемого источника 56 излучения, например в течение 3-5 секунд. После этого может быть активирована вторая часть картриджа, в результате чего газообразный водород, хранящийся в микросферах 520 и межсферных пространствах 521, может быть выделен на более поздней стадии.

На Фиг.6 представлено схематическое продольное сечение устройства с Фиг.1, в котором картридж 14 для хранения водорода и устройство 15 для выделения водорода изображены согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Согласно данному варианту осуществления, картридж 14 включает в себя кожух 141 и сборную конструкцию из двух разных типов микроконтейнеров, размещенных в кожухе 141. На Фиг.7 изображено схематическое перспективное изображение верхнего поперечного разреза картриджа с Фиг.6 по линии В-В. Следует отметить, что для простоты кожух 141 на Фиг.7 не показан.

Как можно видеть из Фиг.6 и 7, сборная конструкция микроконтейнеров включает в себя первую часть 61, имеющую трубчатую форму, и вторую часть 62, имеющую цилиндрическую форму и расположенную внутри полости первой части 61.

Первая часть 61 включает в себя опорный цилиндр 611 и по меньшей мере один полый микроцилиндр (микротрубку) 610, обвитый вокруг второй части 62. Например, первая часть 61 может включать опорный цилиндр 611, а микроцилиндр 610 может быть намотан на опорный цилиндр 611 в один или несколько слоев. Концы микроцилиндра 610 закупорены, например закрыты на концах полусферами, имеющими соизмеримую толщину стенок. Полый микроцилиндр 610 изготовлен из материала, по меньшей мере частично проницаемого для водорода, что позволяет молекулам водорода диффундировать через него. Примеры опорных цилиндров с микроцилиндром (микротрубкой), намотанным на них, изображены на Фиг.8.

Вторая часть 62 сборной конструкции из микроконтейнеров аналогична той, что описана выше со ссылкой на Фиг.2-5. Она включает в себя множество плотно упакованных частично проницаемых для водорода полых микросфер 620, заполняющих объем опорного цилиндра 611.

Согласно этому варианту осуществления изобретения, устройство 15 для выделения водорода включает в себя один или несколько электрических нагревательных элементов, работающих от регулируемого электрического источника 19 энергии и связанных с картриджем 14 для активирования выделения (диффузионного высвобождения) газообразного водорода, хранящегося внутри микроконтейнеров первой и второй частей 61 и 62. В частности, активирующий элемент включает в себя первый нагревательный элемент 151, связанный с первой частью 61 сборной конструкции, и второй нагревательный элемент 152, связанный со второй частью 62 сборной конструкции.

Согласно данному варианту осуществления изобретения, микроцилиндр 610 может быть покрыт электропроводным материалом, вследствие чего образуется проводящий канал, когда витки и слои обвитого микроцилиндра 610 примыкают друг к другу. Кроме того, для соединения витков и слоев обвитого микроцилиндра может быть использован электропроводный клеящий материал, вследствие чего, когда через первую часть 61 будет подаваться напряжение, через этот клеящий материал будет происходить перколяция. При подаче электрического напряжения через проводящий материал возникает электрический ток, проходящий через материал и генерирующий тепло, необходимое для высвобождения газообразного водорода.

Аналогичным образом, электропроводным материалом могут быть покрыты микросферы, в результате чего образуется проводящий канал, когда микроконтейнеры примыкают друг к другу. Или же микросферы могут быть соединены при помощи электропроводного клеящего вещества, вследствие чего, когда через вторую часть будет подаваться напряжение, через этот клеящий материал может происходить перколяция.

Таким образом, согласно данному варианту осуществления изобретения, первый нагревательный элемент 151 включает в себя первую пару электродов 155, электрически соединенных через намотанный микроцилиндр 610. Первая пара электродов 155 предназначена для соединения либо с проводящим слоем, покрывающим микроцилиндр, либо с клеящим веществом, соединяющим витки и слои. В свою очередь, второй нагревательный элемент 152 включает в себя вторую пару электродов 156, электрически соединенных через вторую часть 62 либо с проводящим слоем, либо с перколируемым клеящим веществом, соединяющим микросферы 620.

Регулируемое изменение напряжения, подаваемого на первый и второй нагревательные элементы, может обеспечить регулируемое высвобождение газообразного водорода, хранящегося внутри микроконтейнеров, в объем кожуха 141, не занятый микроконтейнерами. В свою очередь, газообразный водород из этого объема далее может быть выпущен в объем 130 камеры 13, не занятый картриджем 14. Например, газообразный водород может диффундировать через стенки кожуха 141 в объем 130. Кроме того, при необходимости внутри кожуха 141 может быть размещен специальный клапан (не показан) для регулируемого выделения водорода из картриджа 14 в объем 130.

Такое многостадийное выделение газообразного водорода позволяет быстро нагреть первую часть картриджа 14 и, таким образом, начать высвобождение газообразного водорода из микроцилиндра в течение достаточно короткого промежутка времени после включения первого электрического нагревательного элемента 151, например в течение 3-5 секунд. С другой стороны, для нагревания до относительно высоких температур второй части картриджа потребуется большее время. Следовательно, газообразный водород, хранящийся в микросферах 620 и в межсферных пространствах 34, может быть выделен на более поздней стадии.

Картридж 14 для накопления и хранения водорода может быть заполнен газообразным водородом путем помещения картриджа 14 в условия с высокой температурой и давлением. Следует понимать, что картридж 14 не должен быть закупорен, чтобы микроконтейнеры (микроцилиндры и микросферы) были открыты в окружающую среду.

Как известно, газ будет диффундировать через стенки микроконтейнеров внутрь полых микроконтейнеров со скоростью, возрастающей по мере увеличения давления и/или температуры. В таком случае каждый микроконтейнер выступает в качестве защитной оболочки малого объема, рассчитанной на высокое давление. После накопления газообразного водорода картридж 14 может быть охлажден при повышенном давлении, после чего давление может снижаться либо поддерживаться на том же уровне, что и внутри микросфер.

Согласно одному из вариантов осуществления, заполнение картриджа 14 для накопления и хранения водорода осуществляют в автоклаве, выдерживающем высокое давление и имеющем нагревательное устройство. Сначала автоклав вакуумируют, например, при помощи форвакуумного насоса для удаления воздуха, после чего его заполняют газообразным водородом при избыточном давлении, которое может составлять приблизительно 1-3000 атм. После этого автоклав нагревают до температуры в пределах 200°С-500°С (в зависимости от материала микроконтейнеров). Картридж 14 выдерживают в таких условиях до тех пор, пока давление водорода в автоклаве и внутри микроконтейнеров не уравняется благодаря диффузии водорода. Затем систему охлаждают до комнатной температуры при том же избыточном давлении. При выдерживании картриджа 14 для накопления и хранения водорода при относительно низкой температуре окружающей среды, например при температуре 24°С, количество газообразного водорода, покидающего микроконтейнеры, будет минимальным, вследствие чего газ может храниться внутри картриджа 14 в течение длительного времени. Далее давление водорода в автоклаве может быть понижено, и картридж 14 извлечен из автоклава и помещен в камеру (13 на Фиг.1) устройства (10 на Фиг.1). Как только устройство 15 для выделения водорода будет активировано, чтобы поддерживать температуру в пределах 80°С-100°С, водород начнет высвобождаться из микроцилиндров в камеру (13 на Фиг.1). Соответственно, нагревание до температуры в пределах 250°С-300°С приведет к высвобождению газообразного водорода из микросфер.

В этой связи специалисты в области техники, к которой относится настоящее изобретение, смогут оценить, что поскольку настоящее изобретение описано на основании предпочтительных вариантов осуществления, концепция, на которой основано данное раскрытие, легко может использоваться в качестве основы для создания других конструкций, систем и способов для осуществления задач настоящего изобретения.

Хотя выше были описаны микроконтейнеры двух типов, такие как цилиндрические и сферические, настоящее изобретение не ограничивается этими двумя типами микроконтейнеров. Аналогичным образом, микроконтейнеры могут иметь эллипсоидальную, коническую и другие формы.

Следует понимать, что фразеология и терминология, использованные в данном описании, предназначены для описания и их не следует рассматривать как ограничивающие.

В связи с этим важно, чтобы объем изобретения не интерпретировался как ограниченный иллюстративными вариантами осуществления, изложенными в данном документе. В объеме настоящего изобретения возможны и другие варианты согласно прилагаемой формуле изобретения.

1. Устройство для хранения сжатого газообразного водорода, включающее в себя:
герметичный корпус, имеющий выпускную трубу, присоединенную к корпусу и оборудованную регулируемым выпускным клапаном, при этом указанный герметичный корпус ограничивает камеру, содержащую картридж, включающий в себя узел из, по меньшей мере, двух различных типов микроконтейнеров, выполненных с возможностью накопления и хранения сжатого газообразного водорода, где микроконтейнеры выбраны из, по меньшей мере, одного полого частично проницаемого для водорода микроцилиндра, имеющего закупоренные концы, и множества частично проницаемых для водорода полых микросфер; причем микроконтейнеры одного типа отличаются от микроконтейнеров другого типа по скорости высвобождения водорода из микроконтейнеров; и
устройство для выделения водорода, выполненное с возможностью регулируемого выделения газообразного водорода из картриджа в объем камеры, не занятый картриджем.

2. Устройство по п.1, включающее в себя систему управления, функционально связанную с указанным регулируемым выпускным клапаном и с указанным устройством для выделения водорода и имеющую конструкцию, обеспечивающую регулирование их работы, причем система управления включает:
датчик давления, выполненный с возможностью продуцирования сигнала датчика давления, показывающего давление газообразного водорода в камере;
расходомер, выполненный с возможностью продуцирования сигнала датчика расхода газа, характеризующего напорный поток газообразного водорода в выпускной трубе;
регулятор, функционально связанный с указанным датчиком давления и указанным расходомером и реагирующий на указанный сигнал датчика давления и указанный сигнал датчика расхода газа; при этом указанный регулятор может генерировать управляющие сигналы для регулирования работы указанного устройства для выделения водорода и выпускного клапана.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что узел микроконтейнеров включает в себя первую часть, имеющую трубчатую форму, и вторую часть, имеющую цилиндрическую форму и расположенную внутри полости первой части, при этом указанная первая часть включает множество микроцилиндров, плотно упакованных и размещенных аксиально внутри указанной первой части, тогда как указанная вторая часть включает в себя совокупность микросфер, плотно упакованных и заполняющих цилиндрический объем второй части.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть микроцилиндров и микросфер покрыта поглощающим водород слоем из электропроводного материала.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть микроцилиндров и микросфер соединена вместе при помощи электропроводного клеящего вещества.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что узел микроконтейнеров включает в себя первую часть, имеющую трубчатую форму, и вторую часть, имеющую цилиндрическую форму и расположенную внутри полости первой части, при этом указанная первая часть включает один полый микроцилиндр, обмотанный вокруг второй части, а указанная вторая часть включает в себя множество микросфер, плотно упакованных и заполняющих цилиндрический объем второй части.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство для выделения водорода включает в себя:
по меньшей мере, два нагревательных элемента, связанных с, по меньшей мере, двумя различными типами микроконтейнеров, соответственно; и регулируемый источник энергии, соединенный с указанной системой управления и выполненный с возможностью регулируемого снабжения энергией указанных, по меньшей мере, двух нагревательных элементов для регулируемого изменения температуры микроконтейнеров.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство для выделения водорода включает в себя:
первый нагревательный элемент, имеющий первую пару электродов, соединенных с поглощающим водород электропроводным слоем микросфер через указанную первую часть указанного картриджа;
второй нагревательный элемент, имеющий вторую пару электродов, соединенных с поглощающим водород электропроводным слоем микроцилиндров через указанную вторую часть указанного картриджа; и
регулируемый источник энергии, соединенный с системой управления и выполненный с возможностью регулируемого обеспечения энергией первого нагревательного элемента и второго нагревательного элемента для регулируемого изменения температуры микросфер и микроцилиндров.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что устройство для выделения водорода включает в себя:
первый нагревательный элемент, имеющий первую пару электродов, соединенных с электропроводным клеящим веществом через указанную первую часть указанного картриджа;
второй нагревательный элемент, имеющий вторую пару электродов, соединенных с электропроводным клеящим веществом через указанную вторую часть указанного картриджа; и
регулируемый источник энергии, соединенный с системой управления и выполненный с возможностью регулируемого обеспечения энергией первого нагревательного элемента и второго нагревательного элемента для регулируемого изменения температуры микроконтейнеров.

10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что концы указанного множества микроцилиндров, по крайней мере, ближайшие к устройству для выделения водорода, закрыты крышками, изготовленными из пропускающего водород материала, характеризующегося фотостимулированной диффузией водорода, при этом устройство для выделения водорода включает в себя регулируемый источник излучения, работающий в заданном интервале частот излучения, причем указанный регулируемый источник излучения соединен с системой управления, адаптированной для управления работой источника излучения, благодаря чему обеспечивается фотостимулированная диффузия водорода через указанный материал, пропускающий водород, при облучении его при помощи указанного регулируемого источника излучения.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что управление работой источника излучения осуществляют путем изменения интенсивности использованного излучения либо путем включения и выключения источника с заданной периодичностью.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что материал указанного, по меньшей мере, одного микроцилиндра выбран из полимеров и композиционных материалов, а материал микросфер выбран из MgAlSi стекол и плавленого кварца.

13. Картридж для накопления и хранения сжатого газообразного водорода, включающий в себя узел из, по меньшей мере, двух различных типов микроконтейнеров, при этом микроконтейнеры одного типа отличаются от микроконтейнеров другого типа по скорости высвобождения водорода из микроконтейнеров.

14. Картридж по п.13, отличающийся тем, что указанные микроконтейнеры выбраны из, по меньшей мере, одного полого частично проницаемого для водорода микроцилиндра, имеющего закупоренные концы, и множества частично проницаемых для водорода полых микросфер.

15. Картридж по п.13, отличающийся тем, что узел микроконтейнеров включает в себя первую часть, имеющую трубчатую форму, и вторую часть, имеющую цилиндрическую форму и расположенную внутри полости первой части, при этом указанная первая часть состоит из множества микроцилиндров, плотно упакованных и размещенных аксиально внутри указанной первой части, а указанная вторая часть включает в себя множество микросфер, плотно упакованных и заполняющих цилиндрический объем второй части.

16. Картридж по п.15, отличающийся тем, что включает в себя множество сопряженных газовых коллекторов, при этом каждый коллектор связан с частью общего количества микроконтейнеров.

17. Картридж по п.14, отличающийся тем, что узел микроконтейнеров включает в себя первую часть, имеющую трубчатую форму, и вторую часть, имеющую цилиндрическую форму и расположенную внутри полости первой части, при этом указанная первая часть включает, по меньшей мере, один полый микроцилиндр, обмотанный вокруг второй части, а указанная вторая часть включает в себя множество микросфер, плотно упакованных и заполняющих цилиндрический объем второй части.

18. Картридж по п.14, отличающийся тем, что материал, по меньшей мере, одного полого микроцилиндра выбран из полимеров и композиционных материалов.

19. Картридж по п.15, отличающийся тем, что наружный диаметр микроцилиндров уменьшается от внутренней поверхности первой части узла микроцилиндров по направлению к наружной поверхности первой части.

20. Картридж по п.15, отличающийся тем, что толщина стенок микроцилиндров увеличивается от внутренней поверхности первой части сборной конструкции по направлению к наружной поверхности первой части.

21. Картридж по п.14, отличающийся тем, что материал микросфер выбран из MgAlSi стекол и плавленого кварца.

22. Картридж по п.15, отличающийся тем, что наружный диаметр микросфер уменьшается от центра второй части по направлению к краям второй части.

23. Картридж по п.17, отличающийся тем, что наружный диаметр микросфер уменьшается от центра второй части по направлению к краям второй части.

24. Картридж по п.15, отличающийся тем, что толщина стенок микросфер увеличивается от центра второй части по направлению к краям второй части.

25. Картридж по п.17, отличающийся тем, что толщина стенок микросфер увеличивается от центра второй части по направлению к краям второй части.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области создания автономных источников энергии, систем хранения, выделения и транспортировки газообразных продуктов и может быть использовано в автономных и передвижных системах энергоснабжения.

Изобретение относится к устройствам обеспечения газообразным топливом двигателей средств передвижения. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению и заправочной технике, а именно к способам аккумулирования, хранения и подачи водорода с использованием гидридообразующих соединений.
Изобретение относится к области химии и может быть использовано в водородной энергетики для хранения и транспортировки водорода или гелия. .

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для хранения, транспортировки и распределения (подачи) водорода в топливных элементах и других энергетических установках.

Изобретение относится к водородной энергетике - аккумулированию, хранению и высвобождению водорода для использования в транспортных и стационарных энергетических установках.

Изобретение относится к области водородной энергетики - аккумулированию и хранению водорода, который в настоящее время используется в химическом, транспортном машиностроении и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к устройствам для хранения различных веществ, в том числе лекарств, ядов, биологических структур, химически активных соединений, радиоактивных веществ, а также любых других соединений, находящихся в жидком, газообразном или растворенном состоянии.

Изобретение относится к средствам хранения и подачи газов, в частности к аккумулированию и хранению водорода, использованию водорода в качестве топлива, в частности для автомобилей.

Изобретение относится к средствам для очистки, хранения и подачи газов, преимущественно водорода и его изотопов, а также гелия, аргона и других, может быть использовано в лазерной технике, в микроэлектронике, а также в автомобильном транспорте.
Изобретение относится к технологии неорганических веществ и может быть использовано при получении железокремниевых флокулянтов-коагулянтов и способу обработки с его помощью сточных вод промышленных предприятий, а также ливневых вод, содержащих нефтепродукты.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к получению аммиака с использованием природного газа. .

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к получению аммиака с использованием природного газа. .

Изобретение относится к обладающим модифицированной поверхностью диоксидам кремния, к способу их получения и к их применению в качестве наполнителей в композициях силиконового каучука.

Изобретение относится к получению углеродных ионообменных материалов. .

Изобретение относится к области медицины, в частности фармакологии, и может быть использовано для повышения антигипоксической активности бемитила основания (БО) при гипоксии с гиперкапнией.
Изобретение относится к области химии и может быть использовано для получения метановодородной смеси, содержащей H2 и СН4, для производства водорода, спиртов, аммиака, диметилового эфира, этилена, для процессов Фишера-Тропша, для переработки углеводородных газов, а также в хемотермических системах аккумулирования и транспорта энергии и метан-метанольных термохимических циклах разложения воды.

Изобретение относится к области химии. .

Изобретение относится к области химии и может быть использовано в устройствах для получения риформированных газов. .
Изобретение относится к области метеорологии, а именно к получению водорода, предназначенного для наполнения оболочек для проведения радиозондовых измерений различных параметров атмосферы
Наверх