початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2285859

ЄМНІСТЬ ДЛЯ ЗБЕРІГАННЯ ТА акумулювання ВОДНЮ

Ім'я винахідника: Чабак Олександр Федорович (RU)
Ім'я патентовласника: Чабак Олександр Федорович (RU)
Адреса для листування: 123585, Москва, вул. Берзаріна, 19, к.1, кв.203, А.Ф. Чабак
Дата початку дії патенту: 2005.03.29

Винахід відноситься до області водневої енергетики - акумулювання і зберігання водню, який в даний час використовується в хімічному, транспортному машинобудуванні та інших галузях промисловості. Ємність для зберігання і акумулювання водню складається з герметичного корпусу, технологічних патрубків, нагрівача і наповнювача-акумулятора водню, розміщеного в корпусі, при цьому ємність розділена перегородкою з протонопроводящего матеріалу на анодний порожнину, заповнену водою, з розташованим в ній пористим анодом, і катодний порожнину з розташованими в ній суцільним катодом і нагрівачем і заповнену наповнювачем-акумулятором водню, які представляють мікропористої структури з високоміцного матеріалу. При цьому перегородка виконана у вигляді протонопроводящей мембрани. Мікропориста структура виконана з порожнистих мікросфер. Крім того, микропористая структура виконана з полімерів групи арамидов. і микропористая структура може бути виконана з пенометалла, наприклад пінонікель, пенотітана. Крім того, микропористая структура виконана з матеріалу з протонопроводящімі властивостями. Винахід забезпечує створення ємності для безпечного зберігання та акумулювання водню при збільшенні масового вмісту водню вище 6%.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до області водневої енергетики - акумулювання і зберігання водню, який в даний час використовується в хімічному, транспортному машинобудуванні та інших галузях промисловості.

Відомі пристрої для акумулювання і зберігання водню, засновані на зв'язуванні водню в твердому матеріалі (наприклад, в гидридах металів або сорбція на поверхні дисперсних наноматеріалів), (патенти РФ №2037737, 2038525, МПК F 17 З 5/04), ці пристрої для акумулювання і зберігання водню є найбільш вибухобезпечними з існуючих, тому що водень не має надлишкового тиску, але такі системи інерційні і вимагають певний час (близько кілька хвилин) для початку роботи, поглинання і виділення водню відбувається зі значними тепловими ефектами, крім того, масова частка водню - відношення ваги водню міститься в акумуляторі до ваги самого акумулятора - 4,5% - є дуже низьким. Масовий вміст залежить як від кількості водню в акумулює матеріалі, так і від питомої ваги акумулює матеріалу.

Відома ємність для зберігання водню (патент №2222749, МПК F 17 C 5/04), що представляє собою герметичний кожух з внутрішнім посудиною для зберігання зрідженого водню, при цьому система газозаполненія виконана так, що дозволяє скоротити втрати водню, знизити час заправки ємності. Ця ємність призначена для водневого автомобіля (Шварц А. Автомобіль майбутнього. Ж. Вісник, №10 (347), стр.1-5, 12.05.2004), вона виконана з міцних композитних щодо легких матеріалів. Остання модифікація має обсяг 90 літрів, масу 40 кг, тиск водню 400 атм. Оцінки показують, що в цьому випадку в ємності може бути заготовлено 3,2 кг водню, отже, масова частка водню дорівнює 3,2 / 40 × 100% = 8%. Недоліками ємності є вибухонебезпечність і низький вміст водню на одиницю об'єму, до 400 л водню на 1 літр, втрати газу з ємності.

Відомо, що можна зберігати водень в порожнистих мікросфер, виконаних зі скла діаметром 5-200 мкм з товщиною стінки 0,5-5 мкм (Малишенко С.П., Назарова О.В. Акумулювання водню. У збірнику статей. «Атомно-воднева енергетика і технологія », вип.8, стр.155-205, 1988). При температурі 200-400 ° С під тиском водень, активно диффундируя через стінки, заповнює мікросфери і після охолодження залишається в них під тиском. Так при тиску водню в 500 атмосфер і нагріванні мікросфер до зазначених температур було отримано масовий вміст водню в мікросфер 5,5-6,0%. При більш низькому тиску масовий вміст водню в мікросфер буде знижуватися. При нагріванні до 200 ° С виділяється близько 55% запасеного в мікросфер водню і близько 75% при нагріванні до 250 ° С. При зберіганні водню в скляних мікросфер втрати дифузією через стінки складають близько 0,5% на добу. У разі покриття мікросфер металевими плівками дифузійні втрати водню при кімнатній температурі знижуються в 10-100 разів. Істотним недоліком є те, що зарядка акумулятора з микросферами здійснюється при відносно невисоких тисках водню, так як межа міцності скла при розтягуванні має низькі значення і знаходиться в межах до 20 кг / мм ^2. Це не дозволяє забезпечити масове вмісту водню в мікросфер, що істотно перевищує 6 мас.%.

Відома ємність для зберігання і акумулювання водню, що складається з герметичного корпусу, технологічних патрубків, внутрішньої теплообмінної поверхні і наповнювача-акумулятора водню, що представляє собою порошок интерметаллида (патент РФ №2037737, МПК F 17 З 5/04 - прототип). Недоліком винаходу є те, що поглинання і виділення водню відбувається зі значними тепловими ефектами, крім того, масова частка водню - відношення ваги водню, що міститься в ємності, до ваги самої ємності - 4,5% - є дуже низьким.

Технічним результатом, на яке направлено винахід, є створення ємності для безпечного зберігання та акумулювання водню, що забезпечує збільшення масового вмісту водню вище 6%.

Для цього запропонована ємкість для зберігання і акумулювання водню, що складається з герметичного корпусу, технологічних патрубків, нагрівача і наповнювача-акумулятора водню, розміщеного в корпусі, при цьому ємність розділена перегородкою з протонопроводящеего матеріалу на анодний порожнину, заповнену водою, з розташованим в ній пористим анодом , і катодний порожнину з розташованими в ній суцільним катодом і нагрівачем і заповнену наповнювачем-акумулятором водню, виконаним з матеріалу з межею міцності вище 30 кг / мм ² і мають мікропористої структури.

При цьому перегородка виконана у вигляді протонопроводящей мембрани.

При цьому мікропориста структура виконана з порожнистих мікросфер.

Крім того, микропористая структура виконана з полімерів групи арамидов. і микропористая структура може бути виконана з пенометалла, наприклад пінонікель, пенотітана.

Крім того, микропористая структура виконана з матеріалу з протонопроводящімі властивостями.

Зміст водню в мікропористої структурою визначається насамперед міцності матеріалу цієї структури. Для мікропористих структур для ємностей для зберігання і акумулювання водню підходять високоміцні матеріали з межею міцності вище 30 кг / мм ^2. Від міцності залежить, яку максимальну тиск водню можна створити при фіксованому розмірі пір, так як однаковий тиск водню створює велику напругу в порах великих розмірів і відповідно меншу напругу в малих порах. Збільшуючи обсяг пір (а отже, і їх розмір), отримуємо більший вміст водню в одиниці об'єму мікропористої структури, але збільшення розміру пір обмежена величиною граничних напруга, які створюються тиском водню в цих порах. В результаті для кожного матеріалу граничний максимальний розмір пор визначається міцності матеріалу мікропористої структури. Крім цього матеріал мікропористої структури повинен мати істотно різні характеристики по проникності водню при різних умовах, наприклад при зміні температури, при впливі ультразвуку, струмів високої частоти, при накладенні постійної або змінної напруги і т.п. Характер впливу і його величина визначаються вимогами швидкості поглинання водню мікропористої структурою і / або швидкості виходу водню з неї.

Найбільш простий і реально створеної мікропористої структурою є структура, створена з порожнистих мікросфер, насамперед металів або їх сплавів, а й микропористая структура з пінонікель, пенотітана, інших пенометаллов і з полімерних матеріалів.

Мікропориста структура з порожнистих мікросфер, наприклад зі сталі, формується в єдину жорстку структуру. Це може бути зроблено дифузійної зварюванням. При цьому весь вільний простір як всередині мікросфер, так і між ними буде заповнено воднем.

Винятковий інтерес для створення пористої мікроструктури представляють матеріали, що мають високі характеристики і низька питома вага, це перш за все композитні вуглецеві і полімерні матеріали. Так, полімери, виготовлені на основі полі-п-фенілентерефталаміда та інших аналогічних полімерів ароматичного ряду (арамидов), мають питому вагу в 5,5 раз менше стали, а міцності в 2,5-3,5 рази вище. Для високоміцних сталей межа міцності = 160-220 кг / мм ^2, для арамидов міцність при розтягуванні до 550 кг / мм ² (табл.1).

На фіг.1 представлена принципова схема ємності для зберігання і акумулювання водню, де 1 - корпус ємності, 2 - пористий електрод - анод, виконаний з провідника 1-го роду, 3 - патрубок підведення води до анодної порожнини, 4 - патрубок відводу кисню з анодної порожнини, 5 - перегородка з протонопроводящего матеріалу (мембрана), 6 - микропористая структура - акумулятор водню, 7 - суцільний електрод - катод, виконаний з провідника 1-го роду, 8 - патрубок відводу водню з ємності до двигуна (споживачеві), 9 - нагрівач.

На фіг.2 представлена микропористая структура з мікросфер, де 10 - мікросфера.

На Фіг.3 представлена микропористая структура з полімерного матеріалу - Армос, де 11 - волокна, 12 - пори.

Пристрій працює наступним чином

Герметичний корпус 1 ємності розділений перегородкою 5 на дві порожнини. Анодна порожнину заповнюється водою через патрубок 3. Вода надходить в пористий анод 2. На кордоні пористого анода, виконаного, наприклад, з пористого титану і протонопроводящей мембрани 5, яка може бути виконана з керамічного, полімерного або іншого матеріалу, протікає реакція окислення води:

2Н ₂ O + 2е ^- = О ₂ + 4H ^+.

Кисень через пори анода виділяється в обсяг води і через патрубок відводу кисню 4 видаляється. Іони водню (протони) по протонопроводящей мембрані 5 рухаються до катода 7, де відновлюються до водню. Водень не проходить через суцільний металевий катод 7 і насичує мікропористої структури 6. Катод і протонопроводящая мембрана утворюють катодну порожнину, заповнену пористої микроструктурой 6. З цього замкнутого обсягу водень при нагріванні нагрівачем 9 через патрубок 8 направляється споживачу, наприклад, на систему подачі водню в двигун внутрішнього згоряння або на паливні елементи. Для прискорення насичення воднем микропористая структура може мати протонопроводящіе властивості. Кількість водню в пористій структурі визначається по велич струму зарядки і часу зарядки.

Порівняємо характеристики ємності для зберігання і акумулювання водню з мікропористої структурою з порожнистих мікросфер 10 (див. Фіг.2) зі сталі і Армос (див. Фіг.3), де 11 - волокна матеріалу. При утворенні пір 12 форма їх може бути найрізноманітнішою від капілярів до сфер. Розглянемо варіант сферичних пір.

У таблиці 2 представлено порівняння характеристик мікропористих структур, виконаних з мікросфер стали і мікропористої структури з таким же розміром пір, виконаної з Армос. У таблицях - - Тангенціальна напруга на оболонці мікросфери, кг / мм ^2, - Радіальне напруга на оболонці мікросфери, кг / мм ^2. Питома вага стали - 8 кг / л. Питома вага Армос - 1,45 кг / л.

Як видно з таблиці 2, для однакових мікропористих структур з мікропорами діаметром 200 мкм масовий вміст водню в мікроструктурі досягається для кращих сталей 28,3 мас.%, А для Армос 390 вага.%.

приклад 1
Ємність для зберігання водню розділена високотемпературної (до 300 ° С) протонопроводящей керамічної мембраною на дві порожнини. Катодна порожнину обсягом 0,028 літра заповнена мікропористої структурою з порожнистих мікросфер з високоміцної сталі з діаметром мікросфер 200 і 80 мкм, товщиною оболонки 1 мкм. Мікросфери пов'язані в жорстку насадку дифузійної зварюванням. Вага 0,028 л мікропористої структури - 3,5 м Анод з пористого титану омивається водою. Зарядка мікропористої структури проводилася при щільності струму 1 А / см ^2. За 20 хвилин через поверхню протонопроводящей мембрани пройшло в обсяг мікропористої структури 7,2 літра водню. При зарядці температура мікропористої структури підтримувалася спеціальним нагрівачем на рівні 280 ° С. Масовий вміст водню склало 18,4 мас.%.

приклад 2
В цей же пристрій була завантажена микропористая структура на основі полімеру - Армос, що представляє собою волокна полімеру з розмірами пор ~200 мкм. Зарядка мікропористої структури воднем так само проводилася протягом 20 хвилин. Протонопроводящая полімерна мембрана - МФ-4СК. Мікропориста структура поглинула 7,2 літра водню. Вага пористої структури становив 0,64 г. Масовий вміст водню в мікроструктурі - 101%.

Такі ємності для зберігання і акумулювання водню мають істотні переваги перед тими, які заправляються воднем при високому тиску або за допомогою кріогенних технологій. Вони не тільки безпечні, але мають дуже високий ступінь насичення воднем при збереженні малих габаритів. Вони можуть поставлятися не тільки заправними станціями або спеціальними пунктами поставки акумуляторів, ці ємності зможуть заряджати самі споживачі (автомобілісти), для цього достатньо налити в порожнину з анодом чисту воду і підключити ємність до мережі (джерела живлення).

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Ємність для зберігання водню, що складається з герметичного корпусу, технологічних патрубків, нагрівача і наповнювача-акумулятора водню, розміщеного в корпусі, яка відрізняється тим, що ємність розділена перегородкою з протонопроводящего матеріалу на анодний порожнину, заповнену водою, з розташованим в ній пористим анодом, і катодний порожнину з розташованими в ній суцільним катодом і нагрівачем, і заповнену наповнювачем-акумулятором водню, виконаним з матеріалу з межею міцності вище 30 кг / мм ² і мають мікропористої структури.

2. Ємність по п.1, що відрізняється тим, що наповнювач-акумулятор виконаний з порожнистих мікросфер.

3. Ємність по п.1, що відрізняється тим, що наповнювач-акумулятор виконаний з полімерів групи арамидов.

4. Ємність по п.1, що відрізняється тим, що наповнювач-акумулятор виконаний з пенометалла, наприклад пінонікель, пенотітана.

5. Ємність по п.1, що відрізняється тим, що перегородка виконана у вигляді протонопроводящей мембрани.

6. Ємність по п.1, що відрізняється тим, що наповнювач-акумулятор виконаний з матеріалу з протонопроводящімі властивостями.

Версія для друку
Дата публікації 31.10.2006гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів