Способ и система аккумулирования, хранения и подачи водорода в энергетическую установку

Изобретение относится к средствам хранения и подачи газов, в частности к аккумулированию и хранению водорода, использованию водорода в качестве топлива, в частности для автомобилей. Способ аккумулирования хранения и подачи водорода в энергетическую установку заключается в наполнении картриджа водородом за счет диффузии через стенки. Выделяющийся из картриджа водород собирают и аккумулируют в экономайзере, выполненном в виде емкости из пористого материала, например La, Ni, или Ti, способного абсорбировать водород с образованием гидридов, а затем вновь извлекают из него и подают в энергетическую установку. Топливный отсек содержит, по крайней мере, одну герметизированную ячейку отбора водорода из картриджа с бортовым запасом водорода, активатор отбора водорода из картриджа, экономайзер, выполненный в виде емкости из пористого материала La или Ni, или Ti, способного абсорбировать водород с образованием гидридов, блок питания и управления работой системы активации экономайзера, блок питания и управления системой активации картриджей и отсечными клапанами. Техническим результатом изобретения является обеспечение темпа высвобождения газообразного водорода из аккумуляторов на основе диффузии водорода через стенки микроконтейнеров и снижение или исключение потерь водорода. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к средствам хранения и подачи газов, преимущественно водорода и его изотопов, в частности к области водородной энергетики - аккумулированию и хранению водорода, использованию водорода в качестве топлива для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания или электромобилей с электрохимическим генератором на основе топливных элементов.

Известна система снабжения водородом, содержащая пункт снабжения водородом и мобильную систему получения водорода. Патент Российской Федерации №2265920, МПК: Н01М 8/06, 2005.

Известен способ аккумулирования водорода в полых сферических микроконтейнерах. Малышенко С.П., Назарова С.П. Аккумулирование водорода. Атомно-водородная энергетика и технология, вып.8, 1988, стр.155-205; Акунец А.А., Басов Н.Г., Бушуев B.C. и др. Сверхпрочные баллоны для хранения водорода. Труды Физического института им. П.Н.Лебедева (ФИАН), т.220, 1992, стр.96-112.

В соответствие с этим способом полые микросферы из стекла диаметром 5-200 мкм и толщиной стенок 0,5-5 мкм заполняют водородом под давлением при температуре 200-400°С, который диффундирует через стенки. Однако и при комнатной температуре водород, находящийся внутри микросфер под давлением 500 бар, выходит из них вследствие диффузии, так что потери его составляют свыше 0,5% в сутки.

Известен способ аккумулирования и хранения водорода, в котором микросферы могут быть выполнены из стали, титана, лантана, никеля, циркония или сплавов этих металлов, а также графита или композитов на его основе, стекла и полимеров. Патент Российской Федерации №22676944. Патенты Российской Федерации №2285859, 2267694, 2283454, МПК: F17C 11/00, 2006 г.

Известен способ аккумулирования, хранения и подачи водорода в энергетическую установку, путем наполнения картриджа водородом за счет диффузии через стенки. Микроконтейнеры наполняют водородом путем его диффузии через стенки. Патент Российской Федерации №2283453, МПК: F17С 11/00, 2006 г. - прототип способа. Работа аккумуляторов основана на способности водорода проникать сквозь материал стенок микроконтейнеров под воздействием давления и температуры.

Аккумуляторы газообразного водорода, основанные на использовании полых микроконтейнеров инерционны, не нашли практической реализации для использования в топливных системах энергетических установок.

Известны способы и устройства для аккумулирования водорода, основанные на связывании водорода в твердом материале, например в гидридах металлов или на основе физической сорбции газообразного водорода на поверхности дисперсных наноматериалов. Патенты Российской Федерации №2037737, МПК: F17С 11/00, 2006 г.; №2038525, МПК: F17С 11/00, 1995 г.; №2221290, G21F 5/00, 2004 г.

Эти изобретения не обеспечивают необходимого удельного массового содержания водорода. Достигнутый уровень отношения массы аккумулированного водорода к массе самого аккумулятора не превышает 4,5%. Металлогидридные системы не обеспечивают возможности создания практических аккумуляторов водорода.

Известный контейнер с картриджами для газов, содержащий цилиндрический корпус, герметичную камеру, в которой расположены картриджи с сорбентом для газов, нагреватель, расположенный вдоль оси корпуса контейнера, патрубки подачи и отвода газа, взят нами за прототип. Патент Российской Федерации №2221290, G21F 5/00, 2004 г.

Задачей изобретения является обеспечение применения в топливных системах автомобилей или стационарных энергетических установках аккумуляторов на основе микроконтейнеров компремированного газообразного водорода и использования механизмов управляемой диффузии водорода для наполнения аккумуляторов водородом и извлечения его из них с требуемой скоростью.

Техническим результатом изобретения является обеспечение требуемого темпа высвобождения газообразного водорода из аккумуляторов на основе диффузии водорода через стенки микроконтейнеров и снижение или исключение потерь водорода в системе хранения и подачи водорода в энергетическую установку.

Технический результат достигается тем, что в способе аккумулирования хранения и подачи водорода в энергетическую установку, заключающемся в наполнении картриджа водородом за счет диффузии через стенки, выделяющийся из картриджа водород собирают и аккумулируют в экономайзере, выполненном в виде емкости из пористого материала, например La, Ni, или Ti, способного абсорбировать водород с образованием гидридов, а затем вновь извлекают из нее и подают в энергетическую установку.

В системе хранения и подачи водорода в энергетическую установку, содержащую топливный отсек с контейнерами и картриджами для водорода, коллектор, нагреватель, патрубки подачи и отвода водорода, топливный отсек содержит, по крайней мере, одну герметизированную ячейку отбора водорода из картриджа с бортовым запасом водорода, активатор отбора водорода из картриджа, экономайзер, выполненный в виде емкости из пористого материала La или Ni, или Ti, способного абсорбировать водород с образованием гидридов, блок питания и управления работой системы активации экономайзера, блок питания и управления системой активации картриджей и отсечными клапанами.

Система хранения и подачи водорода в энергетическую установку содержит стартовую батарею топливного отсека, систему активации стартовой батареи, блок питания и управления системой активации стартовой батареи, отсечные клапаны, блок управления отсечными клапанами.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где схематично представлена топливная водородная система энергетической установки:

1 - герметизированная ячейка отбора водорода из картриджа, 2 - картридж, 3 - активатор отбора водорода из картриджа, 4 - экономайзер, 5 - система активации (высвобождения водорода из экономайзера), 6 - блок питания и управления работой системы активации экономайзера, 7 - стартовая батарея топливной системы, 8 - система активации стартовой батареи, 9 - блок питания и управления системой активации стартовой батареи, 10, 11, 12, 13 - отсечные клапаны, 14 - блок управления отсечными клапанами, 15 - блок питания и управления системой активации картриджей и отсечными клапанами, 16 - энергетическая установка (двигатель внутреннего сгорания, электрохимический генератор), 17 - предохранительный клапан.

На схеме опущены вспомогательные элементы топливной системы, такие как поджимные и откачивающие насосы, редукторы, расходомеры, датчики давления и температуры и пр.

Герметизированная ячейка 1 отбора водорода из картриджа 2 является составной частью топливного отсека, в составе которого может находиться несколько герметизированных ячеек 1. Герметизированная ячейка 1 представляет собой контейнер, в который вставлен сменный картридж 2 с запасом водорода. Отбор водорода происходит под действием активатора 3, например СВЧ-нагревателя, при включении которого водород внутри картриджа 2 нагревается и выходит, диффундируя через стенки составляющих его микроконтейнеров (например, капилляров). Через отсечные клапаны 10 и 12 в номинальном режиме водород подают в энергетическую установку 16.

Топливная система содержит стартовую батарею 7, которая обеспечит быструю подачу водорода в энергетическую установку 16 в стартовом режиме. Расходуемый из стартовой батареи 7 за время старта водород пополняют за счет водорода, выделяемого картриджами 2 топливного отсека.

При неработающей установке клапаны 11 и 12 перекрыты, а через клапаны 10 и 13 водород, выделяющийся из картриджей 2 в результате диффузионной утечки, поступает в экономайзер 4, где и аккумулируется. В момент запуска, наряду со стартовой батареей 7, в работу включается и экономайзер 4, выделяющий под воздействием системы активации водород, который также поступает в энергетическую установку 16.

Поскольку экономайзер 4 не обладает неограниченной емкостью по аккумулированию водорода утечки, а рассчитан на сбережение водорода в течение ограниченного времени пребывания энергетической установки в неработающем состоянии, возможно повышение давления водорода в системе до опасной величины. Чтобы избежать возможного в этом случае повреждения элементов топливной системы, в нее включен предохранительный клапан 17.

Исключить потери водорода в процессе длительного хранения можно путем извлечения картриджей 2 с водородом из герметизированных ячеек 1 топливного отсека установки для содержания их на заправочной станции.

1. Способ аккумулирования хранения и подачи водорода в энергетическую установку, заключающийся в наполнении картриджа водородом за счет диффузии через стенки, отличающийся тем, что выделяющийся из картриджа водород собирают и аккумулируют в экономайзере, выполненном в виде емкости из пористого материала, например La, Ni, или Ti, способного абсорбировать водород с образованием гидридов, а затем вновь извлекают из нее и подают в энергетическую установку.

2. Система хранения и подачи водорода в энергетическую установку, содержащая топливный отсек с контейнерами и картриджами для водорода, коллектор, нагреватель, патрубки подачи и отвода водорода, отличающаяся тем, что топливный отсек содержит, по крайней мере, одну герметизированную ячейку отбора водорода из картриджа с бортовым запасом водорода, активатор отбора водорода из картриджа, экономайзер, выполненный в виде емкости из пористого материала La, или Ni, или Ti, способного абсорбировать водород с образованием гидридов, блок питания и управления работой системы активации экономайзера, блок питания и управления системой активации картриджей и отсечными клапанами.

3. Система хранения и подачи водорода в энергетическую установку по п.1, отличающаяся тем, что она содержит стартовую батарею топливного отсека, систему активации стартовой батареи, блок питания и управления системой активации стартовой батареи, отсечные клапаны, блок управления отсечными клапанами.