Способ получения водородоаккумулирующего элемента

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к аккумуляторам водорода для источников тока, в частности к способу получения аккумулирующего элемента на основе интерметаллидных соединений. Согласно изобретению способ получения водородоаккумулирующего элемента, содержащего корпус, осуществляют следующим образом. Заполняют корпус интерметаллидом с плотностью, равной насыпной плотности, проводят неоднократное уплотнение интерметаллида с добавлением интерметаллида после каждого уплотнения, уплотнение ведут до плотности γ_кон= γ_экс= γ_нас K, где γ_кон - конструктивная плотность интерметаллида, γ_экс - эксплуатационная плотность интерметаллида, γ_сл - плотность интерметаллида в слитке, γ_нас - насыпная плотность интерметаллида, K - коэффициент уплотнения интерметаллида, при этом коэффициент уплотнения выбирают равным 1 ≅ K ≅ (γ_сл/γ_нас). Создают противодавление корпусу. Проводят процесс активации. Техническим результатом является увеличение водородоемкости элемента, уменьшение объемных характеристики и массы корпуса при заданной водородоемкости элемента. 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно аккумуляторам водорода для топливных или металлогазовых элементов, в частности к способу получения аккумулирующего элемента на основе интерметаллидных соединений.

Известны процессы аккумулирования водорода контактированием с твердыми интерметаллидными соединениями (см. авторское свидетельство СССР N 1134538, C 01 B 3/08, 1983).

Известны системы водород-гидрид интерметаллида (см. книгу г. Алефельда, И. Фелькля "Водород в металлах", т. 2, 1981, с. 265-268), в интерметаллидных соединениях которых содержится гидридообразующий элемент (редкоземельный металл) и негидридообразующий (переходной металл) (см. патент США N 4565686, C 01 B 6/24, 1986).

Известны аккумуляторы водорода с капсулами, заполненными порошкообразным металлом, способным поглощать и отдавать водород (см. заявку Японии N 61-29881, C 01 B 3/00).

Известен способ изготовления водородоаккумулирующего элемента (см. Hydrogen as an Energy carrier: Proc. of the 3rd Intern. Sem. - Dordrecht: D. Reidel Publ. Co., 1983, P. 520).

Водородоаккумулирующий элемент содержит корпус, который заполняют интерметаллидом с плотностью, равной γ_кон= γ_нас·α, где γ_кон - конструктивная плотность интерметаллида; γ_нас - - насыпная плотность интерметаллида; α - коэффициент, учитывающий разбухание интерметаллида при насыщении водородом (α < 1). В результате такого заполнения 40-60% объема не используется.

γ_нас= (0,4÷0,6)·γ_сл, где γ_нас - насыпная плотность интерметаллида; γ_сл - плотность интерметаллида в слитке.

После активации насыпная плотность интерметаллида становится равной конструктивной плотности, γ_кон= γ_нас По наибольшему количеству исходных признаков и достигаемому результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Заполнение корпуса интерметаллидом с плотностью, равной насыпной (в прототипе), не позволяет использовать рабочий объем элемента максимально, т. е. не позволяет получить максимально возможную водородную емкость.

Задачей предполагаемого изобретения является увеличение водородоемкости водородоаккумулирующего элемента путем увеличения массы интерметаллида при сохранении объемных характеристик и массы корпуса элемента.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения водородаккумулирующего элемента, содержащего корпус, путем заполнения корпуса интерметаллидом с плотностью, равной насыпной плотности, и проведения процесса активации, согласно изобретению при заполнении корпуса перед процессом активации проводят неоднократное уплотнение интерметаллида с добавлением интерметаллида после каждого уплотнения, уплотнение ведут до плотности
γ_кон= γ_экс= γ_нас·K,
где γ_кон - конструктивная плотность интерметаллида;
γ_экс - эксплуатационная плотность интерметаллида;
γ_нас - насыпная плотность интерметаллида;
K - коэффициент уплотнения интерметаллида,
при этом коэффициент уплотнения выбирают в диапазоне
1 ≅ K ≅ (γ_сл/γ_нас),
где γ_сл - плотность интерметаллида в слитке,
обеспечивающем длительную конструктивную прочность корпуса, а затем создают противодавление корпусу, после чего проводят процесс активации.

Согласно предлагаемому изобретению способ получения водородаккумулирующего элемента осуществляют заполнением корпуса интерметаллидом с уплотнением интерметаллида плотностью больше насыпной до величины
γ_нас·α·K ≅ γ_сл·α,
где γ_сл - плотность интерметаллида в слитке (кг/м);
γ_нас - насыпная плотность интерметаллида (кг/м);
α - коэффициент, учитывающий разбухание интерметаллида при насыщении водородом;
K - коэффициент уплотнения интерметаллида.

Коэффициент уплотнения выбирают равным
1 ≅ K ≅ γ_сл/γ_нас,
где K - коэффициент уплотнения интерметаллида;
γ_сл - плотность интерметаллида в слитке (кг/м³);
γ_нас - насыпная плотность интерметаллида (кг/м³),
создают противодавление корпусу, после чего проводят процесс активации.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающих получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Заявленное техническое решение является новым, т.к. совокупность его существенных признаков, содержащаяся в формуле, не известна из существующего на данный момент уровня техники.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленной совокупности признаков, заключается в том, что получен водородоаккумулирующий элемент с увеличенной водородоемкостью за счет уплотнения интерметаллида в корпусе и создания противодавления корпусу перед активацией.

При рассмотрении аналогов не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного решения. Можно сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где представлены
на фиг. 1 - водородоаккумулирующий элемент после заполнения интерметаллидом;
на фиг. 2 - водородоаккумулирующий элемент в процессе уплотнения интерметаллида (три этапа);
на фиг. 3 - водородоаккумулирующий элемент в процессе создания противодавления и проведения активации;
на фиг. 4 - водородоаккумулирующий элемент - металлогидридный.

Водородоаккумулирующий элемент содержит корпус 1 с интерметаллидом 2 и свободным объемом 3 (фиг. 1). В процессе уплотнения массы (неоднократного) и последующих заполнений интерметаллида в корпусе образуются соответственно объемы 4, 5 и 6 (фиг. 2). После создания противодавления корпусу и подвода водорода насыщенный водородом интерметаллид занимает объем 7 (фиг. 3). После снятия противодавления водородоаккумулирующий элемент имеет металлогидридный объем 8 (фиг. 4).

Заполняет корпус 1 водородоаккумулирующего элемента интерметаллидом 2 с плотностью (γ_кон), равной насыпной плотности, но с учетом разбухания интерметаллида в свободном объеме 3 (γ_нас·α) (фиг. 1).

Проводят процесс уплотнения (любым способом) массы интерметаллида и получают объем 4, досыпают новую порцию интерметаллида и проводят последующий процесс уплотнения - получают объем 5, затем снова уплотняют интерметаллид и получают объем 6. (Процесс уплотнения проводят неоднократно, в зависимости от свойств использованного интерметаллида). Уплотнением массы интерметаллида достигается заполнение всего внутреннего объема водородоаккумулирующего элемента, при этом свободные объемы 3 сокращаются. По завершению процесса уплотнения плотность интерметаллида достигает значения эксплуатационной плотности (γ_экс), равной конструктивной плотности (γ_кон) с учетом выбранного коэффициента уплотнения массы интерметаллида (K)
γ_экс= γ_кон= γ_нас·K (фиг.2).
Создают противодавление корпусу 1 (любым способом), подводят водород в корпус 1 и проводят процесс активации. В результате сорбции насыщенный водородом интерметаллид занимает объем 7 (фиг. 3).

Снимают противодавление и получают металлогидридный элемент с объемом 8 (фиг. 4).

Осуществление способа поясняется примерами.

Пример 1 (прототип). Заполняют корпус интерметаллидом. Определяют конструктивную плотность интерметаллида
γ_кон= γ_нас·α = 4·10³·0,8 = 3,2·10³,
где γ_кон - конструктивная плотность интерметаллида (кг/м³);
γ_нас - насыпная плотность интерметаллида (кг/м³);
α - коэффициент, учитывающий разбухание интерметаллида при насыщении водородом.

Определяют массу интерметаллида
M_ин= γ_кон·υ_эл= 3,2·10³·υ_эл,
где M_ин - масса интерметаллида (кг);
γ_кон - конструктивная плотность интерметаллида (кг/м³);
υ_эл - объем элемента (м³).

Подводят водород и проводят процесс активации.

Определяют массу водорода в элементе

где масса водорода (кг);
M_ин - масса интерметаллида (кг);
водородоемкость интерметаллида (мас.%).

Пример 2. Заполняют корпус интерметаллидом.

Определяют конструктивную плотность интерметаллида
γ_кон= γ_нас·α = 4·10³·0,8 = 3,2·10³,
где γ_кон - конструктивная плотность интерметаллида (кг/м³);
γ_нас - насыпная плотность интерметаллида (кг/м³);
α - коэффициент, учитывающий разбухание интерметаллида при насыщении водородом.

Выбирают коэффициент уплотнения интерметаллида (K > 1)
K = 1,25.

Уплотняют интерметаллид (трехкратно) и досыпают интерметаллид (трехкратно).

Определяют эксплуатационную плотность интерметаллида
γ_экс= γ_кон= γ_нас·K = 4·10³·1,25 = 5·10³,
где γ_экс - эксплуатационная плотность интерметаллида (кг/м³);
γ_кон - конструктивная плотность интерметаллида (кг/м³);
γ_нас - насыпная плотность интерметаллида (кг/м³);
K - коэффициент уплотнения интерметаллида.

Определяют массу интерметаллида
M_ин= γ_экс·υ_эл= 5·10³·υ_эл,
где M_ин. - масса интерметаллида (кг);
γ_экс - эксплуатационная плотность интерметаллида (кг/м³);
υ_эл - объем элемента (м³).

Подводят водород и проводят процесс активации.

Определяют массу водорода в элементе.

где масса водорода (кг);
M_ин - масса интерметаллида (кг);
водородоемкость интерметаллида (мас.%).

Из примеров видно, что масса водорода в водородоаккумулирующем элементе предлагаемого изобретения выше, чем в прототипе.

где масса водорода предлагаемого изобретения (кг);
масса водорода прототипа (кг);
υ_эл - объем элемента (м³).

На 56% запас водорода в водородоаккумулирующем элементе предлагаемого изобретения больше, чем в прототипе, в том же объеме элемента.

Полученный водородоаккумулирующий элемент по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения позволяет увеличить водородоемкость элемента; уменьшить объемные характеристики и массу корпуса при заданной водородоемкости элемента.

Формула изобретения

Способ получения водородоаккумулирующего элемента, содержащего корпус, путем заполнения корпуса интерметаллидом с плотностью, равной насыпной плотности, и проведения процесса активации, отличающийся тем, что при заполнении корпуса перед процессом активации проводят неоднократное уплотнение интерметаллида с добавлением интерметаллида после каждого уплотнения, уплотнение ведут до плотности
γ_кон= γ_экс= γ_нас·K,
где γ_кон - конструктивная плотность интерметаллида;
γ_экс - эксплуатационная плотность интерметаллида;
γ_нас - насыпная плотность интерметаллида;
K - коэффициент уплотнения интерметаллида, при этом коэффициент уплотнения выбирают в диапазоне
1 ≅ K ≅ (γ_сл/γ_нас),
где γ_сл - плотность интерметаллида в слитке, обеспечивающем длительную конструктивную прочность корпуса,
а затем создают противодавление корпусу, после чего проводят процесс активации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4