RU2536501C2 - Резервуар для аккумулирования и отбора водорода и/или тепла - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области хранения и отбора водорода с применением пористых компонентов, взаимодействующих с водородом с обратимым образованием гидридов металлов. Резервуар для аккумулирования и отбора водорода посредством обратимой реакции гидрирования/дегидрирования состоит из теплоизолированной камеры, содержащей множество аккумулирующих водород элементов в виде гидридов, причем каждый элемент имеет поверхность для обмена с газообразным водородом, с одной стороны, и поверхность теплообмена, с другой стороны, и множество теплоаккумулирующих элементов для накопления и возвращения теплоты, связанной с обратимой реакцией гидрирования/дегидрирования. Изобретение обеспечивает экономичное и практичное аккумулирование водорода. 28 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области хранения и отбора водорода с применением пористых компонентов, взаимодействующих с водородом с обратимым образованием гидридов металлов.

Реакция гидрирования/дегидрирования, например, магния, зависит от температуры. Реакция гидрирования является экзотермической, а реакция дегидрирования эндотермической.

Этот принцип позволяет создавать резервуары, позволяющие запасать водород в твердой форме, а не в газообразной и не в жидкой, что существенно снижает опасность взрыва при обращении с резервуарами.

Эти резервуары предназначены, в частности, для снабжения водородом топливного элемента или теплового двигателя.

Эти резервуары позволяют также аккумулировать или улавливать теплоту при реакции гидрирования и возвращать ее при дегидрировании.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В международной патентной заявке W09736819 предлагается аккумулирующее устройство многократного действия, содержащее сосуд, внутри которого находится теплопроводящая матрица с открытыми ячейками, удерживающими аккумулирующую водород среду.

Множество разделительных элементов делит сосуд на камеры. Среда для хранения водорода частично заполняет некоторые камеры, но не все. Структура открытых ячеек матрицы позволяет миграцию аккумулирующей водород среды между ячейками камер.

Американская патентная заявка US 2009155648 описывает аккумулирующий резервуар, использующий гидрид металла, для применения в автомобилях.

Международная патентная заявка WO20071011476 описывает резервуар для аккумулирования водорода, содержащий трубчатый контейнер, внутри которого расположены ячейки, причем каждая ячейка состоит из множества маленьких емкостей в форме сектора, и каждая емкость содержит порошок гидрида металла.

Во французском патенте FR2924787 также предлагался резервуар для хранения водорода. Это изобретение относится к аккумулирующему резервуару, состоящему из, по меньшей мере, одного твердого тела, образованного из уплотненного материала, содержащего гидрид металла и матрицу. Матрица состоит из вспененного графита, а гидрид металла является гидридом магния или сплава магния. Резервуар содержит множество твердых тел, уложенных пакетом внутри сосуда в направлении укладки в пакет. Каждое твердое тело имеет форму пластинки и удерживается внутри сосуда таким образом, чтобы образовать кольцевое пространство между боковой внутренней поверхностью сосуда и каждым твердым телом. Резервуар содержит теплообменник, имеющий, по меньшей мере, один канал для теплоносителя, проходящий внутри сосуда. Резервуар содержит, кроме того, металлические пластины, устанавливаемые на канал с чередованием с твердыми телами, и кольцевые распорки, устанавливаемые на канал с чередованием с металлическими пластинками, причем каждое твердое тело надевается на одну распорку. Этот канал содержит по существу коаксиальные трубу подачи и трубу выведения теплоносителя.

Резервуар содержит также нагревательные элементы для нагрева твердых тел, проходящие через несколько твердых тел.

В уровне техники известна также патентная заявка US 2001/035281, описывающая резервуар для аккумулирования водорода, содержащий двойную цилиндрическую оболочку с двумя модулями, разделенными периферийной поверхностью, позволяющую прохождение водорода. Цилиндрическая трубка для хранения водорода имеет структуру, объединяющую множество аккумулирующих водород элементов, содержащих порошки водородосодержащих материалов. Водород производится в результате десорбции, вызванной подачей тепла от теплоносителя.

Американский патент US4270360 описывает устройство аккумулирования водорода, содержащее резервуар, снабженный двумя параллельными пластинами, привинченными к внутренней стенке резервуара. Между пористыми пластинами вставлены нагревательные и охлаждающие элементы. Они находятся на фиксированном расстоянии друг от друга. Аккумулирующий водород материал находится между пластинами и нагревательными и охлаждающими элементами.

ПРОБЛЕМЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Эти разные решения имеют тот недостаток, что они требуют внешнего источника тепловой энергии.

В частности, американские патенты US2001/035281 или US4270360 требуют внешнего источника энергии, чтобы вызвать дегидрирование, и, в частности, один источник для нагрева и один источник охлаждения для десорбции. Таким образом, эти решения не позволяют создать автономные резервуары для аккумулирования, и их изготовление влечет повышенные затраты.

Эти недостатки тем более вредны, когда аккумулирующие водород материалы являются материалами типа гидридов магния, то есть имеют высокую рабочую температуру, порядка 300°C, и энтальпия реакции которых выше 36 миллионов джоулей (более 10 киловатт-час) на килограмм запасенного водорода. Таким образом, решения, предлагаемые в патентах, отвечающих уровню техники, плохо адаптированы к такой теплоте реакции.

Кроме того, в решениях предшествующего уровня резервуар должен иметь несколько соединений для жидкостей и газов: одно для входа-выхода водорода, другое для подвода теплоносителя и еще одно для выхода теплоносителя.

Решение, описанное в патенте FR2924787, имеет другой недостаток: трубы "плавают" в материале с фазовым превращением (теплоаккумулирующий материал), и поэтому они обязательно должны быть вертикальными, следствием чего являются большие габариты.

Это выражается в ограниченном объеме аккумулирования водорода, когда стремятся к удовлетворительным скоростям загрузки и выгрузки.

Действительно, взаимодействие с газообразным водородом и пористым материалом, реагирующими посредством гидрирования/дегидрирования, является относительно слабым ввиду малой поверхности обмена.

РЕШЕНИЕ, ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

Объектом настоящей заявки на изобретение является применение этого материала в устройствах, оптимизированных в зависимости от массы и стоимости.

Целью изобретения является сделать более экономичными и более практичными системы аккумулирования водорода в виде гидрида магния или других металлов и сплавов того же типа.

В этой связи настоящее изобретение состоит в том, чтобы обеспечить каждой пластинке гидрида или металла, который должен быть гидрирован, термический резервуар из теплоаккумулирующего материала или, более точно, чередовать пластинки гидридов с отдельными герметичными емкостями.

Изобретение, в его самом общем смысле, относится к резервуару для аккумулирования и отбора водорода посредством обратимой реакции гидрирования/дегидрирования, состоящему из теплоизолированной камеры, содержащей множество аккумулирующих водород элементов в виде гидридов, каждый из которых имеет, по меньшей мере, одну поверхность обмена с газообразным водородом, с одной стороны, и, по меньшей мере, одну поверхность теплообмена, с другой стороны, отличающемуся тем, что он содержит, кроме того, множество теплоаккумулирующих элементов (3) для сохранения и возвращения тепла, связанного с обратимой реакцией гидрирования/дегидрирования.

Предпочтительно поверхности обмена между, по меньшей мере, одним из теплоаккумулирующих элементов (3) и одним из указанных аккумулирующих водород элементов (2) включают фронтальную поверхность обмена с одним из указанных аккумулирующих водород элементов (2).

Предпочтительно тепловая энергия, необходимая для дегидрирования, обеспечивается in-situ теплоаккумулирующими элементами, причем резервуар не связан ни с каким внешним средством подвода тепла, кроме как для компенсации теплопотерь.

Под "теплопотерями" в смысле настоящего патента понимаются потери, связанные с дефектами изоляции резервуара и с тепловым потоком, связанным с разницей температуры между входящим водородом и выходящим водородом. В противоположность уровню техники в эти тепловые потери не включается энергия, необходимая для реакций гидрирования/дегидрирования.

В качестве примера, при аккумулировании пяти килограммов водорода тепловые потери, связанные с повреждением изоляции, составляют порядка киловатта, а потери, связанные с наполнением водородом, составляют порядка 4,35 мегаджоулей на килограмм аккумулированного водорода, когда водород входит в резервуар при температуре 30°C.

Таким образом, полные потери составляют менее 5% от суммарной энтальпии реакции.

Таким образом, энергия, необходимая для функционирования резервуара по изобретению, в 20 раз меньше, чем потребность в подводе тепла в решениях предшествующего уровня.

Предпочтительно резервуар состоит из камеры, содержащей множество патронов, причем каждый из указанных патронов содержит множество аккумулирующих водород элементов, каждый из которых имеет, по меньшей мере, одну фронтальную поверхность обмена с водородом с одной стороны и, по меньшей мере, одну фронтальную поверхность теплообмена с другой стороны, причем указанные патроны соединены, по меньшей мере, одной трубой для циркуляции водорода.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления номинальная рабочая температура выше 280°C, и указанные теплоаккумулирующие элементы содержат материал с фазовым превращением.

В одном варианте указанный материал с фазовым превращением образован металлическим сплавом.

Преимущественно указанный материал с фазовым превращением образован сплавом на основе магния и цинка.

Согласно одному варианту указанный материал с фазовым превращением образован солью.

Преимущественно аккумулирующий водород материал образован пластинкой гидридов, уплотненных, чтобы образовать твердый блок. Это решение позволяет улучшить теплообмен с теплоаккумулирующими элементами по сравнению с решениями предшествующего уровня, в которых используются порошкообразные материалы, и упростить внедрение резервуара в промышленность. Действительно, порошкообразные материалы опасны в обращении из-за их самовоспламеняющихся свойств. Решение согласно этому варианту позволяет получить твердые пластинки, в частности, в форме диска или тора, или призматической формы, которые безопасны в обращении.

Основным достоинством этого устройства является то, что оно позволяет теплообмен на двух сторонах пластинок, тогда как в системе предшествующего уровня техники обмен мог происходить только в радиальном направлении.

При такой компоновке можно регулировать давление в капсуле и иметь очень маленький остаточный объем с максимальным контактом между теплоаккумулирующим материалом и стенками капсулы, то есть с гидридом, который находится напротив него. Благодаря настоящему изобретению можно разместить элементарные резервуары с гидридом горизонтально и можно перемещать всю совокупность без проблем.

Изобретение относится к разным вариантам осуществления. В частности, резервуар может быть выполнен в виде простого патрона или системы патронов, объединенных в камере, с образованием модульного резервуара.

Согласно этому последнему варианту резервуар для аккумулирования и отбора водорода отличается тем, что он состоит из камеры, содержащей множество патронов, причем каждый из указанных патронов содержит множество аккумулирующих водород элементов, каждый из которых имеет, по меньшей мере, одну фронтальную поверхность обмена с водородом с одной стороны и, по меньшей мере, одну фронтальную поверхность теплообмена с другой стороны, причем указанные патроны соединены с, по меньшей мере, одной трубой для циркуляции водорода.

Это решение позволяет разработать резервуары с вместимостью, адаптированной к конкретным нуждам, исходя из стандартных патронов, образующих элементарные резервуары.

Согласно первому варианту осуществления резервуар содержит, кроме того, множество теплоаккумулирующих элементов для накопления и возвращения теплоты, связанной с обратимой реакцией гидрирования/дегидрирования, каждый из которых имеет, по меньшей мере, одну фронтальную поверхность обмена с одним из указанных аккумулирующих водород элементов.

Эти аккумулирующие элементы обеспечивают поглощение и возвращение тепла, образованного при реакции гидрирования/дегидрирования, пассивным образом, то есть без внесения внешней энергии.

Согласно альтернативному варианту осуществления, но не исключающему предыдущий, резервуар содержит, кроме того, множество теплообменных элементов для циркуляции теплоносителя для внешнего сохранения и возвращения теплоты, связанной с обратимой реакцией гидрирования/дегидрирования, каждый из которых имеет, по меньшей мере, одну фронтальную поверхность обмена с одним из указанных аккумулирующих водород элементов.

Этот вариант осуществления позволяет обеспечить поглощение и возвращение тепла, образованного при реакции гидрирования/дегидрирования, и факультативно компенсировать тепловые потери при слишком длительном накоплении.

Согласно первому варианту, по меньшей мере, некоторые из указанных теплоаккумулирующих элементов заключены в оболочку из теплопроводящего материала, являющегося непроницаемым для водорода и стойкого к высоким температурам и к коррозии, вызванными теплоаккумулирующими материалами и водородом.

Предпочтительно указанные теплоаккумулирующие элементы содержат распорки, утопленные в материале с фазовым превращением. Эти распорки делают капсулу жесткой и предотвращают ее раздавливание при приложении давления. Во время гидрирования материал с фазовым превращением плавится и теряет свою механическую прочность. Распорки позволяют сохранить геометрию капсулы и поддержать хорошую теплопроводность.

Согласно второму варианту, по меньшей мере, некоторые из указанных аккумулирующих водород элементов заключены в оболочку из теплопроводящего материала, являющегося непроницаемым для водорода и стойкого к высоким температурам и к коррозии, вызываемым теплоаккумулирующими материалами.

Согласно одному варианту осуществления фронтальная поверхность указанной оболочки имеет выступы, образующие распорки между теплоаккумулирующим элементом и аккумулирующим водород элементом, граничащими фронтально.

Согласно одному особому варианту осуществления резервуар содержит коаксиальную чередующуюся последовательность аккумулирующих водород элементов и теплоаккумулирующих элементов. Это чередование может быть простым, то есть чередование пары находящихся рядом аккумулирующих водород элементов и одного теплоаккумулирующего элемента, или множественной, то есть чередование одного аккумулирующего водород элемента и одного теплоаккумулирующего элемента.

Согласно первому варианту осуществления указанные теплоаккумулирующие элементы и указанные аккумулирующие водород элементы занимают плоский объем и имеют форму диска. Под "плоским" понимается, что толщина дискообразного элемента для аккумулирования водорода меньше сечения фронтальной поверхности круглой формы.

Согласно второму варианту осуществления указанные теплоаккумулирующие элементы и указанные аккумулирующие водород элементы занимают плоский объем и имеют форму тора.

Согласно третьему варианту осуществления указанные аккумулирующие водород элементы и указанные теплоаккумулирующие элементы имеют трубчатую форму.

Предпочтительно между указанными теплоаккумулирующими элементами и указанными аккумулирующими водород элементами вставлены диффузоры из теплопроводящего материала, которые имеют проходы для подачи водорода.

Согласно частному варианту резервуар состоит из, по меньшей мере, одного патрона, содержащего пакет, образованный чередованием аккумулирующих водород элементов и теплоаккумулирующих элементов, причем указанный резервуар содержит наружную теплоизолированную оболочку.

Преимущественно указанный патрон образован трубчатой камерой, имеющей отверстие для подачи водорода и ограничивающей внутренний объем циркуляции водорода, в котором размещен пакет чередующихся аккумулирующих водород элементов и теплоаккумулирующих элементов, прижимаемых друг к другу, по меньшей мере, одной пружиной, опирающейся на внутреннюю поверхность указанной камеры с одной стороны и на фронтальную поверхность последнего элемента указанного пакета.

Согласно другому варианту осуществления аккумулирующие водород элементы и теплообменные элементы имеют плоскую форму и содержат, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для прохождения трубы, по которой подается водород.

Согласно частному варианту пластинки гидридов являются тороидальными и заключены в капсулы, и между ними помещаются запаянные тороидальные капсулы из сплавов с фазовым превращением, заранее формованные отливкой.

Предпочтительно в капсулах теплоаккумулирующего материала предусмотрен небольшой избыточный объем, чтобы поддержать значительное давление после плавления теплоаккумулирующего материала, чтобы уравновесить внешнее давление при гидрировании/дегидрировании.

Предпочтительно объем теплоаккумулирующего материала подбирают таким образом, чтобы перепад давления между двумя сторонами стенок капсулы соответствовал механическим и термическим характеристикам капсул.

Согласно одному варианту к капсулам теплоаккумулирующего материала добавляют систему выпуска, позволяющую вытеснить расплавленный теплоаккумулирующий материал, чтобы быстро охладить пластинки гидридов и воспрепятствовать десорбции.

Согласно другому варианту пластинки гидридов являются тороидальными и заключены в капсулы, и между ними помещаются тороидальные запаянные капсулы с теплоаккумулирующим материалом.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение станет более понятным при прочтении следующего описания, которое проводится с обращением к приложенным чертежам, относящимся к неограничивающим примерам воплощения изобретения.

- Фиг. 1 показывает первый пример осуществления элементарного аккумулирующего модуля для реализации изобретения;

- фиг. 2 показывает патрон, содержащий множество пластинок гидрида и капсул теплоаккумулирующего материала;

- фиг. 3 показывает пример диффузора;

- фиг. 4 и 5 показывают соответственно в продольном и поперечном разрезе, резервуар, содержащий множество патронов;

- фиг. 6 и 7 показывают в разрезе соответственно патрон и элементарный модуль согласно второму варианту осуществления;

- фиг. 8 показывает другой вариант осуществления такого патрона;

- фиг. 9 и 10 показывают другой вариант, использующий соответственно один и три диффузора.

Фиг. 1 показывает вид в разрезе элементарного модуля аккумулирования водорода для применения аккумулирующего резервуара согласно изобретению.

Элементарный модуль состоит из пластинки (1) аккумулирующего водород материала, реагирующего путем гидрирования/ дегидрирования, чтобы абсорбировать или высвободить газообразный водород в зависимости от температуры и давления.

Этот материал в описанном примере состоит из гидрида магния (или сплавов и металлов, способных образовывать гидриды с сильной экзотермичностью), находящегося в виде измельченного сплава, в который добавлен графит, чтобы образовать очень тонкодисперсный порошкообразный материал, который затем прессуют для получения твердой пластинки.

Эта пластинка для аккумулирования водорода может также быть получена из других комбинаций общей формулы Mg_xB_yM_zH_n со следующими особенностями:

- отношение x/y составляет от 0,15 до 1,5;

- z составляет от 0,005 до 0,35;

- x+y+z равно 1;

- M означает один или меньше металлов группы Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu и Zn;

- n больше или равно 4y.

Эта аккумулирующая водород пластинка (1) соединена с диском, образующим термический резервуар (2). Этот диск содержит материал с фазовым превращением, обеспечивающий аккумуляцию тепла, у которого при переходе из твердой фазы в жидкую фазу поглощается тепло, выделенное при реакции гидрирования, а при обратном переходе это тепло отдается во время реакции дегидрирования.

Материал с фазовым превращением представляет собой, например, сплав магния и цинка.

В материале с фазовым превращением установлены распорки (3) из теплопроводящего материала. Эти распорки обеспечивают механическое сопротивление давлению оболочки, содержащей теплоаккумулирующий материал.

В описанном примере теплоаккумулирующий материал хранится в герметичных капсулах в контакте с пластинками.

Капсула выполнена штамповкой чаши (4), имеющей плоское дно (5), окруженное цилиндрически поясом (6). Вторая штампованная часть (7) будет закрывать эту чашу (4) после введения распорок (43) и заливки материала с фазовым превращением (2).

Крышка (7) имеет снаружи углубление формы, комплементарной форме пластинки гидрида металла (2), чтобы облегчить теплообмен.

Чтобы позволить обмен между газообразным водородом и пластинкой (2) на, по меньшей мере, одну из фронтальных поверхностей пластинки (2) помещен диффузор (8). Этот диффузор имеет радиальные проходы, позволяющие рассеивать на фронтальную поверхность пластинки (2) газообразный водород внутрь камеры, содержащей пластинки (2) и элементы с теплоаккумулирующим материалом (3).

Эта конфигурация позволяет также использовать теплоноситель, предназначенный для компенсации теплопотерь, а не для обеспечения внесения тепла, необходимого для реакции гидрирования.

Теплоаккумулирующий материал плавят в разливочном устройстве и отверждают в форму тора или диска объемом чуть меньше объема капсул, которые должны их вмещать.

Так, для теплоаккумулирующего материала с эвтектическим или близким к эвтектическому составом, типа Zn₂₈Mg₇₂ или Zn_92,2Mg_7,8 (выражено в атомах на сто), соответствующие плотности в твердом состоянии равны 2,84 и 6,42.

Например, для Zn₂₈Mg₇₂ плотность сплава в твердом состоянии равна 2,84, тогда как в жидком состоянии его плотность равна 2,59. Таким образом, когда теплоаккумулирующий материал плавится, его объем увеличится на 8,8%, поэтому капсула должна иметь вместимость на 8,8% больше объема твердого теплоаккумулирующего материала, если капсулу запаивают под вакуумом.

Если капсулу запаивают в нормальной инертной атмосфере, предусматривается такой избыточный объем, чтобы, например, внутреннее давление газа было равным внешнему давлению водорода.

Объем капсулы, содержащей теплоаккумулирующий материал, должен в этих условиях быть в 1,1 раз больше объема твердого теплоаккумулирующего материала.

В целях безопасности избыточный объем берут очень малый, равный 1,1 от объема твердого теплоаккумулирующего материала, что приводит к давлению в капсуле при высокой температуре порядка 10 атмосфер, то есть к промежуточному значению, которое ограничивает усилия на стенки во всех конфигурациях резервуара.

Фиг. 3 показывает пример диффузора (8).

Он состоит из металлического диска (9), просверленного так, чтобы иметь радиальные вырезы (10-12) разной длины, а также поперечные отверстия (13).

Из этой новой идеи, обеспечивающей теплообмен, а также обмен гидрид/газообразный водород через фронтальные поверхности, а не только через радиальные, следует намного более быстрая кинетика обмена и, самое главное, намного меньшая стоимость. Например, тепло, которое нужно отвести к теплоаккумулирующему материалу на "n" пластинок толщиной 2 см, в предшествующей патентной заявке располагало фронтальной поверхностью обмена:

S0=2nπd (выражено в см),

где d - диаметр пластинки (в см).

С устройствами согласно настоящему изобретению имеется фронтальная поверхность обмена:

$$S1=2n\frac{\pi d^2}{4}$$

И отношение S1/S0 равно d/4.

То есть для диаметра 14 см имеем увеличение поверхности обмена в 3,5 раза.

Скорость обмена также очень сильно повышается (от 3 до 10 раз) благодаря намного меньшему расстоянию, которое должно проходить тепло в случае этого нового изобретения.

Раньше тепло должно было идти, начиная от центра цилиндра диаметром 14 см, к его периметру, тогда как согласно настоящему изобретению оно идет из середины пластинок толщиной около 2 см к их поверхности.

Таким образом, расстояния уменьшаются, вообще говоря, в отношении:

d/2e,

где e - толщина пластинки.

Проведенное выше обсуждение с очевидностью показывает большую выгоду от настоящего изобретения.

Для реализации изобретения можно представить себе несколько систем, позволяющих чередовать пластинки гидрида, и/или сплава, или негидрированного металла, или частично гидрированного металла.

MgH₂ можно также заключить в капсулу независимо от теплоаккумулирующего материала.

Чередующиеся пластинки (2) и капсулы (3) помещены в патрон, вид в разрезе которого представлен на фиг. 2.

Патрон состоит из камеры, непроницаемой для газообразного водорода, прочной к высокому давлению водорода и предпочтительно теплоизолированной, чтобы ограничить потери тепла. В некоторых случаях патрон помещен в отделение, вмещающее несколько патронов, чтобы получить резервуар большой емкости, и этот резервуар термостатируют или теплоизолируют.

Патрон имеет трубчатый корпус (15), закрытый крышкой (16), установленной герметично, и имеет отверстие (17), в описанном примере по центру, для подачи газообразного водорода и его отведения.

Краевой зажим (18) обеспечивает сжатие укладки капсул теплоаккумулирующего материала (3) и пластинок гидрида (2).

Он опирается на крышку верхней капсулы. Пружины (19) оказывают давление между внутренней поверхностью крышки (16) и краевым зажимом (18).

Форма этого патрона может быть трубчатой с плоским дном. Он может также иметь альтернативные формы, чтобы улучшить его механическую прочность и при необходимости облегчить сборку нескольких патронов, чтобы образовать резервуар большой вместимости.

В частности, дно может иметь выпуклую форму. В этом случае между внутренней выгнутой поверхностью патрона и внутренней поверхностью внутренней капсулы теплоаккумулирующего материала помещается распорка.

Другая форма патрона предусматривает выгнутую крышку.

Патроны могут быть объединены в одном резервуаре, позволяя аккумулировать водород в большом объеме.

Фиг. 4 и 5 показывают соответственно в продольном и поперечном разрезе резервуар, содержащий множество патронов.

Он состоит из теплоизолированной камеры (20), внутри которой находятся патроны (21, 22). Труба (23) соединяет отверстия подачи патронов (21, 22).

Можно предусмотреть нагревательные элементы (24), например линии, питаемые теплоносителем, или электрические сопротивления, чтобы компенсировать тепловые потери и удержать патроны в диапазоне температуры, совместимом с обратимой реакцией гидрирования/дегидрирования.

Следующее описание относится ко второму варианту осуществления.

Фиг. 6 и 7 показывают в виде в разрезе соответственно патрон и элементарный модуль согласно этому второму варианту осуществления.

Патрон, показанный на фиг. 6, содержит три элементарных модуля (31-33) тороидальной формы.

Каждый элементарный модуль (31-33) содержит капсулу (34-36), содержащую теплоаккумулирующий элемент, и капсулу (37, 38), содержащую гидрид металла.

Капсулы с теплоаккумулирующим элементом и гидридом устанавливают по одной оси и по очереди на центральный трубчатый элемент (39), обеспечивающий снабжение газообразным водородом капсул (37, 38), содержащих гидрид металла.

Фиг. 7 показывает детальный вид элементарного модуля. Он содержит первую тороидальную капсулу (40), образованную из двух одинаковых венцов (41, 42), сваренных друг с другом после заполнения таким материалом, как магнийцинковый сплав (43), и установки распорной структуры (44).

Вторая тороидальная капсула (45) содержит в описанном примере две дискообразные пластинки гидрида металла (46, 47), разделенные рассеивающим диском (48). Эти пластинки (46, 47) и этот диск (48) имеют по центру просвет для прохода трубки (50) для подачи и извлечения газообразного водорода. Эта трубка имеет радиальные просверленные отверстия (51, 52). Она имеет сужение внутреннего сечения (53) на одном из концов и сужение наружного сечения (54) на противоположном конце, чтобы позволить добавление последовательности модулей простой установкой их друг на друга, образуя, таким образом, патрон, который можно изменять в зависимости от искомой накопительной емкости, исходя из стандартных элементарных модулей. Это снижает расходы на освоение производства и позволяет предложить полный спектр резервуаров с уменьшенным числом разных компонентов.

Фиг. 8 показывает другой вариант такого патрона. Он, как и в предыдущем примере, имеет модульную структуру. Совокупность чередующихся тороидальных модулей заключена в камеру (60), внутри которой может циркулировать теплоноситель, снабжающий модули теплотой (61-63). Этот теплоноситель позволяет внести ограниченное количество теплоты, недостаточное для энергии, необходимой для реакции гидрирования/дегидрирования, но способное компенсировать тепловые потери из-за дефектов теплоизоляции камеры, и тепловые потери, возникающие при загрузке резервуара.

Фиг. 9 и 10 показывают другой вариант, в котором используется соответственно один и три диффузора.

Диффузоры (8) вставлены между аккумулирующим водород элементом (2) и теплоаккумулирующим элементом (3) или между соседними аккумулирующими водород элементами (2). Эти диффузоры (8) образованы из пористого материала, позволяющего циркуляцию водорода в газовой фазе и имеющего хорошую удельную теплопроводность.

Claims (29)

1. Резервуар для аккумулирования и отбора водорода посредством обратимой реакции гидрирования/дегидрирования, состоящий из теплоизолированной камеры, содержащей множество аккумулирующих водород элементов (2) в виде гидридов, причем каждый имеет, по меньшей мере, одну поверхность для обмена с газообразным водородом, с одной стороны, и по меньшей мере одну поверхность теплообмена, с другой стороны, отличающийся тем, что он, кроме того, включает в себя множество теплоаккумулирующих элементов (3) для накопления и возвращения теплоты, связанной с обратимой реакцией гидрирования/дегидрирования.

2. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что поверхность обмена между, по меньшей мере, одним из теплоаккумулирующих элементов (3) и одним из указанных аккумулирующих водород элементов (2) включает фронтальную поверхность обмена с одним из указанных аккумулирующих водород элементов (2).

3. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что тепловая энергия, необходимая для дегидрирования, обеспечивается теплоаккумулирующими элементами (3), причем резервуар не соединен ни с одним внешним средством подвода тепла, за исключением средств для компенсации тепловых потерь.

4. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что он состоит из теплоизолированной камеры (20), содержащей, по меньшей мере, один патрон, непроницаемый для водорода, причем каждый из указанных патронов содержит множество аккумулирующих водород элементов (2), каждый из которых имеет, по меньшей мере, одну фронтальную поверхность обмена с водородом, с одной стороны, и, по меньшей мере, одну фронтальную поверхность теплообмена, с другой стороны, причем указанные патроны соединены, по меньшей мере, одной трубой для циркуляции водорода.

5. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что номинальная рабочая температура превышает 280°С, и тем, что указанные теплоаккумулирующие элементы (3) содержат материал с фазовым превращением.

6. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что указанный материал с фазовым превращением образован металлическим сплавом.

7. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что указанный материал с фазовым превращением образован сплавом на основе магния и цинка.

8. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что указанный материал фазового превращения образован солью.

9. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что указанный аккумулирующий водород материал образован пластинкой гидридов, уплотненных для формирования твердого блока.

10. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, некоторые из указанных теплоаккумулирующих элементов (3) заключены в оболочку из теплопроводящего материала, не пропускающего водород, стойкого к температурам и к коррозии, вызываемыми теплоаккумулирующими материалами и водородом.

11. Резервуар по предыдущему пункту, отличающийся тем, что указанные теплоаккумулирующие элементы (3) содержат распорки (43), утопленные в материале с фазовым превращением.

12. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, некоторые из указанных аккумулирующих водород элементов заключены в оболочку из теплопроводящего материала, непроницаемую для водорода и стойкую к температурам и к коррозии, вызываемым теплоаккумулирующими материалами.

13. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что фронтальная поверхность указанной оболочки имеет выступы, образующие распорки между теплоаккумулирующим элементом и аккумулирующим водород элементом, граничащими фронтально.

14. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что он содержит чередующуюся последовательность расположенных по одной оси аккумулирующих водород элементов (2) и теплоаккумулирующих элементов (3).

15. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что указанные теплоаккумулирующие элементы (3) и указанные аккумулирующие водород элементы (2) занимают плоский объем и имеют форму диска.

16. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что указанные теплоаккумулирующие элементы (3) и указанные аккумулирующие водород элементы (2) занимают плоский объем и имеют форму тора.

17. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что указанные теплоаккумулирующие элементы (3) и указанные аккумулирующие водород элементы (2) занимают плоский объем и имеют поперечное многоугольное сечение.

18. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что указанные аккумулирующие водород элементы (2) и указанные теплоаккумулирующие элементы (3) имеют трубчатую форму.

19. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что между указанными теплоаккумулирующими элементами и указанными аккумулирующими водород элементами (2) вставлены диффузоры (8) из теплопроводящего материала, имеющие проходы для подачи водорода.

20. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что аккумулирующие водород элементы (2) разделены фронтально распорками, содержащими теплоноситель, снабжаемый источником тепла, мощность которого ограничена компенсацией тепловых потерь.

21. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что он состоит из множества патронов, каждый из которых содержит пакет, образованный чередованием аккумулирующих водород элементов и теплоаккумулирующих элементов, причем указанный резервуар содержит внешнюю теплоизолированную оболочку (20), и через указанную оболочку проходит единственная труба для водорода, и причем каждый патрон запитывается по единственной трубе.

22. Резервуар по предыдущему пункту, отличающийся тем, что указанный патрон образован трубчатой камерой, имеющей отверстие для подачи водорода и ограничивающей внутренний объем циркуляции водорода, в котором находится пакет чередующихся аккумулирующих водород элементов и теплоаккумулирующих элементов, прижимаемых друг к другу, по меньшей мере, одной пружиной.

23. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что он содержит модули, состоящие из, по меньшей мере, одного аккумулирующего водород элемента и по меньшей мере одной распорки, позволяющей прохождение теплоносителя, соединенные термически.

24. Резервуар по п.9, отличающийся тем, что аккумулирующие водород элементы и теплообменные элементы имеют плоскую форму и содержат, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для прохода трубки подачи водорода.

25. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что пластинки гидрида имеют форму тора и заключены в капсулы, и между ними помещены запаянные тороидальные капсулы со сплавами с фазовым превращением, заранее сформованные путем отливки.

26. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что в капсулах теплоаккумулирующего материала образован небольшой избыточный объем, чтобы сохранить значительное давление после плавления теплоаккумулирующего материала для уравновешивания внешнего давления при гидрировании/дегидрировании.

27. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что объем теплоаккумулирующего материала подбирают таким образом, чтобы перепад давления между двумя сторонами стенок капсулы соответствовал механическим и тепловым характеристикам капсул.

28. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что к капсулам теплоаккумулирующего материала добавляют систему выпуска, позволяющую отвести расплавленный теплоаккумулирующий материал, чтобы быстро охладить пластинки гидридов, препятствуя десорбции.

29. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что пластинки гидридов являются тороидальными и заключены в капсулы, и между ними помещены запаянные тороидальные капсулы с теплоаккумулирующим материалом.

Images