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 RU2267694

ЄМНІСТЬ ДЛЯ ЗБЕРІГАННЯ 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: 2005.02.03

Винахід відноситься до області водневої енергетики - акумулювання і зберігання водню. Ємність для зберігання водню, складається з герметичного корпусу, технологічних патрубків, нагрівача і наповнювача-акумулятора водню, розміщеного в корпусі. Наповнювач-акумулятор водню являє собою порожнисті мікросфери, скріплені між собою в єдину жорстку структуру, сформовану пошарово з мікросфер різного діаметру. Діаметр мікросфер зменшується від центрального шару до периферійного. На зовнішній поверхні жорсткої структури може бути виконано покриття з металу, ефективно поглинає водень, наприклад, паладію, або нікелю, або сплаву лантану з нікелем. Як матеріал мікросфери використовують сталь, або титан, або лантан, або нікель, або цирконій, або сплави на основі цих металів або графіт, або композиції на основі графіту. Мікросфери з металу можуть бути закріплені між собою дифузійної зварюванням. Винахід направлено на створення ємності для безпечного зберігання водню, що забезпечує збільшення 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 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, що 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 р), 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 г.). 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 масовий вміст водню в мікросфер, що істотно перевищує 6 мас.%.

Відома ємність для зберігання 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). Недоліками 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 водню, що забезпечує збільшення масового вмісту водню вище 6%.

Для цього запропонована ємкість для зберігання водню, що складається з герметичного корпусу, технологічних патрубків, нагрівача і наповнювача-акумулятора водню, розміщеного в корпусі, при цьому наповнювач-акумулятор водню являє собою порожнисті мікросфери, скріплені між собою в єдину, жорстку структуру, сформовану пошарово з мікросфер різного діаметру, причому діаметр мікросфер зменшується від центрального шару до периферійного.

Крім того, на зовнішній поверхні жорсткої структури може бути виконано покриття.

При цьому покриття виконано з металу, ефективно поглинає водень, наприклад паладію, або нікелю, або сплаву лантану з нікелем.

Як матеріал мікросфери використовують сталь, або титан, або лантан, або нікель, або цирконій, або сплави на основі цих металів, або графіт, або композиції на основі графіту.

Мікросфери з металу можуть бути закріплені між собою дифузійної зварюванням.

У такій ємності воднем буде заповнений простір як всередині мікросфер, так і весь простір між ними. Крім того, зміна діаметра мікросфер від центру корпусу до периферії дозволить створити щільно упаковану структуру, що ще ефективніше дозволить використовувати простір, укладену всередині корпусу ємності. При насиченні всієї структури воднем його тиск може бути підвищено до декількох тисяч атмосфер, тому що це дозволяє зробити як виконання мікросфер з високоміцного матеріалу, так і те, що стінки мікросфер в такій жорстко скріпленої структурі будуть розвантажені, тому що тиск водню в сусідніх мікросфер буде практично однаковим, а мікросфери з малим діаметром на периферії можуть витримувати великі надлишкові тиску водню. Як матеріал мікросфер повинні використовуватися високоміцні матеріали з низькими коефіцієнтами дифузії водню при температурах до 100-150 ° С, щоб витоку водню при зберіганні були мінімальні. До таких матеріалів відносяться насамперед сталь, або титан, або цирконій, або сплави на основі цих металів, або графіт, або композиційні матеріали. Для збільшення гарантії утримання водню в порожнинах між сферами на зовнішню поверхню жорсткої структури, що складається з мікросфер, наноситься покриття.

На фіг.1 дан загальний вид ємності для зберігання водню, де 1 - корпус, 2 - нагрівач, 3 - мікросфери, 4 - технологічний патрубок.

На фіг.2 показаний поперечний розріз ємності для зберігання водню, варіант з нанесеним покриттям на зовнішню поверхню жорсткої структури з мікросфер, де 5 - жорстка структура мікросфер, що складається з трьох зон 6, 7, 8 з микросферами різного діаметру, 9 - герметизуюче покриття.

У таблиці 1-4 зведені розрахункові дані по міцності параметрами і масового змістом водню для накопичувачів-акумуляторів водню, виконаних з мікросфер різного розміру. У таблицях - - Тангенціальна напруга на оболонці мікросфери, кг / мм ^2, _R - радіальне напруга на оболонці мікросфери, кг / мм ^2.

Мікросфери з діаметром 200 мкм, товщиною оболонки 1 мкм.

Таблиця 1 . Вага оболонки на літр об'єму акумулятора - 124,3 г / л, об'єм оболонки в літрі акумулятора - 0,0155375 л / л, об'єм водню в мікросхемах - 0,5077875 л / л, об'єм водню в мікросхемах і між мікросфер - 0,9844625 л / л. Мікросфери виконані зі сталі і титану. Питома вага стали - 8 кг / л. Питома вага титану - 4,5 кг / л.

Мікросфери з діаметром 100 мкм, товщиною оболонки 1 мкм.

Таблиця 2 . Вага оболонки на літр об'єму акумулятора - 0,246208 г / л, об'єм оболонки в літрі акумулятора - 0,030776 л / л, об'єм водню в мікросфер - 0,492557 л / л, об'єм водню в мікросфер і між мікросфер - 0,969232 л / л. Мікросфери виконані зі сталі. Питома вага стали - 8 кг / л.

Мікросфери з діаметром 10 мкм, товщиною оболонки 1 мкм.

Таблиця 3 . Вага оболонки на літр об'єму акумулятора - 1,13488 г / л, об'єм оболонки в літрі акумулятора - 0,14186 л / л, об'єм водню в мікросфер - 0,38151 л / л, об'єм водню в мікросфер і між мікросфер - 0,858135 л / л. Мікросфери виконані зі сталі і титану. Питома вага стали - 8 кг / л. Питома вага титану - 4,5 кг / л.

Мікросфери з діаметром 3 мкм, товщиною оболонки 1 мкм.

Таблиця 4 . Вага оболонки на літр об'єму акумулятора - 3992 г / л, об'єм оболонки в літрі акумулятора - 0,499 л / л, об'єм водню в мікросфер - 0,019 л / л, об'єм водню в мікросфер і між мікросфер - 0,501 л / л. Мікросфери виконані зі сталі. Питома вага стали - 8 кг / л.

Як видно з табл.1, наприклад, проводячи насичення воднем при тиску в 1000 ати жорсткої структури, створеної з мікросфер з діаметром 200 мкм, отримуємо ваговий вміст водню 41,4 мас.%. Оболонки мікросфер всередині жорсткої структури розвантажені, так як з обох сторін на оболонки впливає однаковий тиск в 1000 ати. Але оболонки мікросфер на поверхні жорсткої структури відчувають величезний тиск - 502,5 кг / мм ² (див. Табл.1).

Такий тиск оболонка не витримає і розірветься. Для забезпечення необхідних міцності поверхні жорсткої структури периферія цієї структури виконується з мікросфер з діаметром 10 мкм, ваговий вміст водню 6,3 мас.% (Табл.3). Напруги на оболонці цих мікросфер при тиску 1000 ати становить 27,5 кг / мм ^2, такий тиск витримує широкий клас сталей і інших матеріалів (табл.3). Таким чином, створена жорстка структура з мікросфер з розвантаженими оболонками в обсязі структури, так як у всіх оболонках і з діаметром 200 мкм і з діаметром 10 мкм тиск однакове 1000 ати, а мікросфери на поверхні з діаметром 10 мкм відчувають тиск на оболонку 27,5 кг / мм ^2. Присутність в жорсткій структурі дрібних мікросфер знижує масовий вміст водню в ній (200 мкм - 41,4 мас.%, 10 мкм - 6,3 мас.%). Так для жорсткої структури складається на 80% з мікросфер з діаметром 200 мкм і на 20% з мікросфер з діаметром 10 мкм, насичені воднем при 1000 ати, ваговий вміст водню одно 34,38 мас.%.

При насиченні мікросфер з діаметром 200 мкм при тиску 10000 ати (ваговий вміст в жорсткій структурі 87,6 мас.%) Периферію необхідно робити з дрібних сфер, наприклад з діаметром 3 мкм. У цьому випадку тиск на оболонки в поверхневому шарі буде 100 кг / мм, (табл.4), що дозволить виготовити такі жорсткі структури з високоміцних матеріалів.

Для жорсткої структури, що складається на 80% з мікросфер з діаметром 200 мкм і на 20% з мікросфер з діаметром 3 мкм, насичені воднем при 10000 ати, ваговий вміст водню одно 72,08 вага%.

Створюючи жорстку структуру з мікросфер, що містить шари мікросфер, усередині жорсткої структури розташовані мікросфери з великим діаметром, а при русі до периферії з зменшуваним діаметром, можна створити акумулятор з високим ваговим вмістом водню і високі характеристики міцності.

При виконанні мікросфер з титану ваговий вміст водню істотно зростає в порівнянні з його ваговим вмістом в стали так як питома вага титану менше в 1,8 рази, (табл.1, 2-4). Так для жорсткої структури, створеної з мікросфер з діаметром 200 мкм, насиченою при 300 ати водню, ваговий вміст водню в разі стали становить 17,5 мас.%, А в разі титану 27,4 вагу.% (Табл.1).

Таке рішення проблеми дозволяє створювати акумулятори з масовим вмістом водню, що значно перевищують 6 мас.%.

Покажемо можливість реалізації винаходу.

З порожніх мікросфер 3 різного діаметру, наприклад D _1, D _2, D _3, формують три шари 6, 7, 8 наповнювача-акумулятора водню, після чого мікросфери жорстко скріплюють між собою. Мікросфери з металу можна скріплювати, наприклад, дифузійної зварюванням. Мікросфери з композитів, кераміки та інших матеріалів можуть бути закріплені між собою, наприклад спеканием.

При цьому виходить єдина жорстка структура 5 з зменшуваним діаметром мікросфер від центру до периферії. Для поліпшення утримання водню можна герметизувати зовнішню поверхню цієї структури, наприклад, наносити покриття 9 з металу, ефективно поглинає водень, наприклад паладію, або нікелю, або сплаву лантану з нікелем товщиною 5-8 мкм. Потім наповнювач-акумулятор водню насичують воднем. Для цього жорстку структуру з мікросфер поміщають в автоклав, який витримує високі тиску і має систему нагріву. Автоклав вакуумируют форвакуумним насосом для видалення повітря, після чого в нього подають водень до невеликого надлишкового тиску порядка 1-10 ати. Далі автоклав нагрівають до 300-500 ° С (в залежності від матеріалу мікросфер), потім, в залежності від того, яке вагове зміст водню в жорсткій структурі ми хочемо отримати відповідно до таблиць 1-4 (або, в загальному випадку, для різних матеріалів створюють аналогічні таблиці), повільно створюють відповідне надлишковий тиск водню в автоклаві. Жорстку структуру витримують при цих параметрах до вирівнювання тиску водню в автоклаві і в порожнинах жорсткої структури за рахунок дифузії водню. Після цього при цьому ж надмірному тиску система охолоджується до кімнатної температури. Водень при кімнатній температурі з жорсткою структури не дифундує. Скидається тиск водню в автоклаві і виймається жорстка структура. Після цього заповнений воднем акумулятор водню завантажують в корпус 1. При включенні нагрівача 2 водень, запасені в акумуляторі, почне виділятися і подаватися до споживача через технологічний патрубок 4. Насичення воднем може проводитися як самою жорсткої структури, так і всієї ємності з встановленої в ній жорсткої структурою.

Приклад 1. Мікросфери зі сталі діаметром 200 мікрон засипалися в циліндр з кварцу діаметром 11 мм і висотою 8,0 см, мікросфери зварювалися дифузійної зварюванням. Потім циліндр, зварений з мікросфер, містився в циліндр з кварцу з діаметром 13 мм, на дно якого попередньо засипалися мікросфери діаметром 100 мкм, висота шару 1 мм. Мікросфери діаметром 100 мкм засипалися між стінкою кварцового циліндра і циліндра з мікросфер з діаметром 200 мкм. Такий же шар мікросфер з діаметром 100 мкм засипався на верхню поверхню циліндра з мікросфер з діаметром 200 мкм. Проводили диффузионную зварювання. Отримали жорстку мікроструктуру з мікросфер. Вага циліндра з жорсткою мікроструктури дорівнює 1,541 м Розрахункова вага 1,48 г (табл.1, 2). Насичення воднем цієї структури проводили в автоклаві за технологією описаної вище. Процес проводили при тиску водню 150 ати, температура процесу 450 ° С. Для гарантованого насичення жорсткої структури воднем процес тривав 2 години. Вага жорсткої структури після насичення воднем дорівнює 1,677 г, тобто вміст водню в ній 0,136 г, що становить 8,1 мас.%. Розрахункова величина - 8,68 мас.%

Приклад 2. Створена жорстка структура з мікросфер діаметром 100 мкм з товщиною оболонки 1 мкм. Структура створена шляхом дифузійної зварювання мікросфер один з одним. Зовнішній шар структури складався з мікросфер з діаметром 5 мкм. В ампулі при температурі 300 ° С і тиску водню 1000 ати протягом 2,5 годин відбувалося її насичення. Після цього температура знижувалася до 20 ° С при тому ж надмірному тиску водню. Вага структури до насичення воднем дорівнював 1,24 г, після насичення 1,42 г, тобто масова частка водню склало 12,7 мас.%.

Приклад 3. На поверхню аналогічної жорсткої структури за прикладом 2 наносилось нікелеве покриття, герметизуюче всю структуру. Товщина покриття 5-8 мкм. Потім проводилося насичення структури воднем як і в прикладі 1. Масовий вміст водню склало 18,6%.

Таким чином, запропонована ємкість для зберігання водню дозволить з високим ступенем безпеки зберігати водень, при цьому його вміст в ємності дозволить використовувати цю ємність для транспортних засобів, а й в інших галузях промисловості.

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 наповнювач-акумулятор водню являє собою порожнисті мікросфери, скріплені між собою в єдину жорстку структуру, сформовану пошарово з мікросфер різного діаметру, причому діаметр мікросфер зменшується від центрального шару до периферійного.

2. Ємність по п.1, що відрізняється тим, що на зовнішній поверхні жорсткої структури виконано покриття.

3. Ємність по п.2, що відрізняється тим, що покриття виконано з металу, ефективно поглинає водень, наприклад паладію, або нікелю, або сплаву лантану з нікелем.

4. Ємність по п.1, що відрізняється тим, що в якості матеріалу мікросфери використовують сталь, або титан, або лантан, або нікель, або цирконій, або сплави на основі цих металів, або графіт, або композиції на основі графіту.

5. Ємність по п.1, що відрізняється тим, що мікросфери з металу закріплені між собою дифузійної зварюванням.

Версія для друку
Дата публікації 22.12.2006гг

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