RU2606301C2 - Accumulator for hydrogen storage in bound state and accumulator cartridge - Google Patents

Accumulator for hydrogen storage in bound state and accumulator cartridge Download PDF

Info

Publication number
RU2606301C2
RU2606301C2 RU2015120162A RU2015120162A RU2606301C2 RU 2606301 C2 RU2606301 C2 RU 2606301C2 RU 2015120162 A RU2015120162 A RU 2015120162A RU 2015120162 A RU2015120162 A RU 2015120162A RU 2606301 C2 RU2606301 C2 RU 2606301C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogen
foil
accumulator
cartridges
cartridge
Prior art date
Application number
RU2015120162A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015120162A (en
Inventor
Дмитрий Алексеевич Карпов
Владимир Николаевич Литуновский
Original Assignee
Акционерное общество "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова" (АО "НИИЭФА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова" (АО "НИИЭФА") filed Critical Акционерное общество "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова" (АО "НИИЭФА")
Priority to RU2015120162A priority Critical patent/RU2606301C2/en
Publication of RU2015120162A publication Critical patent/RU2015120162A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2606301C2 publication Critical patent/RU2606301C2/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
    • F17C11/005Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels for hydrogen
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/32Hydrogen storage

Abstract

FIELD: energy.
SUBSTANCE: invention relates to hydrogen power engineering and can be used for storage, transportation and distribution (supply) of hydrogen in fuel cells and other power plants. Hydrogen accumulator structure is based on the concept of modular implementation of a hydrogen accumulator in the form of a system of easily replaceable during operation cartridges containing hydrogen in the bound state in a hydrogen-saturated film coating applied on a metal foil tape, which can be folded then into a spiral or another form with a shape providing high degree of compaction. For fixation of the cartridges a system of heat exchange elements with bee cells geometry is used, and a device for extracting hydrogen of the accumulator has a system of needles/knives for depressurization of charged (hydrogen-charged) cartridges after their initial loading into the accumulator. To obtain the possibility of using fast-response time hydrogen thermal desorption modes as the foil material selected are metals or alloys with high ohmic resistance, ends of the foil are connected with electric contacts on the metal end of the cartridge connected with a controlled voltage source. Fast-response time hydrogen thermal desorption is performed by ohmic heating the foil with high resistance, that provides new possibilities for programming hydrogen release parameters.
EFFECT: technical result of using the invention are elimination of explosion hazard in emergency situations, higher bulk density of hydrogen in the accumulator and improved operating performances, including minimization of hydrogen release transient modes time down to 0,1 sec, as well as of pressure level in the accumulator at hydrogen supply to consumers.
8 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано для хранения, транспортировки и распределения (подачи) водорода в топливных элементах и других энергетических установках.The invention relates to the field of hydrogen energy and can be used for storage, transportation and distribution (supply) of hydrogen in fuel cells and other power plants.

Уровень техникиState of the art

Одной из важнейших задач водородной энергетики является создание технически и экономически обоснованных аккумуляторов для хранения водорода. Причем согласно требованиям Международного энергетического агентства системы хранения должны содержать не менее 5 мас. % водорода и выделять его при температуре не выше 373 К. Кроме того, одним из решающих критериев выбора системы аккумулирования является экономическая целесообразность ее использования.One of the most important tasks of hydrogen energy is the creation of technically and economically viable batteries for storing hydrogen. Moreover, according to the requirements of the International Energy Agency, storage systems must contain at least 5 wt. % of hydrogen and emit it at a temperature not higher than 373 K. In addition, one of the decisive criteria for choosing an accumulation system is the economic feasibility of its use.

В настоящее время развиваются физические методы хранения водорода (в виде криогенной жидкости или сжатого газа) и химические или физико-химические методы (адсорбция, абсорбция, химическая реакция, например, образующая с водородом гидриды металлов (металлогидриды)).Currently, physical methods of hydrogen storage (in the form of a cryogenic liquid or compressed gas) and chemical or physico-chemical methods (adsorption, absorption, chemical reaction, for example, forming metal hydrides with hydrogen (metal hydrides) are being developed.

Известны решения, использующие физические методы [Патент РФ №2498151, 2013 г.; Патент РФ №2346202, 2009 г.; Патент РФ №2440290, 2012 г.; Международная заявка WO 2008/019414, опубл. 21.02.2008 г. и др.], в которых предлагается аккумулировать водород под большим давлением (до нескольких тысяч атмосфер) в пучках микро(нано)капилляров или в микросферах.Known solutions using physical methods [RF Patent No. 2498151, 2013; RF patent No. 2346202, 2009; RF patent No. 2440290, 2012; International application WO 2008/019414, publ. 02.21.2008, etc.], in which it is proposed to accumulate hydrogen under high pressure (up to several thousand atmospheres) in bundles of micro (nano) capillaries or in microspheres.

Известны устройство и картридж для хранения сжатого газообразного водорода [Patent US 8167122]. Устройство для хранения сжатого газообразного водорода включает в себя герметичный корпус, имеющий выпускную трубу, присоединенную к корпусу и оборудованную регулируемым выпускным клапаном, устройство для выделения водорода, выполненное с возможностью регулируемого выделения (высвобождения) газообразного водорода. Внутри герметичного корпуса расположен картридж, выполненный с возможностью накопления и хранения сжатого газообразного водорода и включающий в себя кожух и сборную конструкцию из двух различных типов микроконтейнеров, размещенную в кожухе. Микроконтейнеры выбраны из, по меньшей мере, одного полого частично проницаемого для водорода микроцилиндра, имеющего закупоренные концы, и множества частично проницаемых для водорода полых микросфер. Микроконтейнеры одного типа отличаются от микроконтейнеров другого типа по скорости высвобождения водорода из микроконтейнеров.A known device and cartridge for storing compressed hydrogen gas [Patent US 8167122]. A device for storing compressed hydrogen gas includes a sealed housing having an exhaust pipe attached to the housing and equipped with an adjustable exhaust valve, a hydrogen evolution device configured to selectively release (release) hydrogen gas. Inside the sealed enclosure is a cartridge configured to store and store compressed hydrogen gas and comprising a housing and a prefabricated structure of two different types of microcontainers housed in the housing. The microcontainers are selected from at least one hollow micro-cylinder partially permeable to hydrogen having clogged ends and a plurality of hollow microspheres partially permeable to hydrogen. Microcontainers of one type differ from microcontainers of another type in the rate of hydrogen release from microcontainers.

Узел микроконтейнеров включает в себя первую часть, имеющую трубчатую форму, и вторую часть, имеющую цилиндрическую форму и расположенную внутри полости первой части. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, первая часть состоит из множества микроцилиндров, плотно упакованных и размещенных аксиально внутри первой части, а вторая часть включает в себя множество микросфер, плотно упакованных и заполняющих цилиндрический объем второй части.The microcontainer assembly includes a first part having a tubular shape and a second part having a cylindrical shape and located inside the cavity of the first part. According to one embodiment of the invention, the first part consists of a plurality of micro cylinders tightly packed and axially placed inside the first part, and the second part includes many microspheres tightly packed and filling the cylindrical volume of the second part.

Полые микроцилиндры могут быть изготовлены из материала, обладающего относительно невысокой проницаемостью по отношению к водороду при температуре ниже 20-30°C и более чем в 10 раз большей проницаемостью при температуре выше 70-90°C. Микросферы могут быть изготовлены из материала, обладающего относительно невысокой проницаемостью по отношению к водороду при температуре 50-70°C и более чем в 10 большей проницаемостью при температуре выше 200-250°C.Hollow microcylinders can be made of a material having relatively low permeability with respect to hydrogen at temperatures below 20-30 ° C and more than 10 times greater permeability at temperatures above 70-90 ° C. The microspheres can be made of a material having a relatively low permeability with respect to hydrogen at a temperature of 50-70 ° C and more than 10 greater permeability at a temperature above 200-250 ° C.

Картридж для накопления и хранения водорода может быть заполнен газообразным водородом путем помещения картриджа в условия с высокой температурой (200-500°C) и давлением (1-300 атм.) водорода (например, в автоклав).The cartridge for storing and storing hydrogen can be filled with hydrogen gas by placing the cartridge in conditions with a high temperature (200-500 ° C) and a pressure (1-300 atm.) Of hydrogen (for example, in an autoclave).

Недостатком устройства является неравномерный прогрев микроконтейнеров в картридже, что не позволяет проводить программируемое выделение водорода. Изготовление картриджей, включая наводороживание методом Сиверта, трудоемко и малоэффективно, причем последнее возможно только при наличии специального оборудования в стационарных условиях. Конструкция устройства и картриджа не позволяет оперативной замены последнего. Кроме того, все физические методы недостаточно экономически эффективны, удобны и безопасны.The disadvantage of this device is the uneven heating of the micro-containers in the cartridge, which does not allow programmed hydrogen evolution. The manufacture of cartridges, including hydrogenation by the Sievert method, is laborious and inefficient, the latter being possible only if special equipment is available in stationary conditions. The design of the device and cartridge does not allow rapid replacement of the latter. In addition, all physical methods are not cost effective, convenient and safe.

Известен накопитель водорода, в котором водород аккумулируется в массе алюмосиликата (галлуадия, halloysite), наносимого в виде монослоя на подложку, размещаемую (размещаемыми) в герметическом контейнере, а материалом подложки могут быть нержавеющая сталь или полимерные пленки [Patent US 7425232, Hydrogen storage apparatus comprised of halloysite]. В процессе наводороживания часть сорбирующего материала трансформируется в пустотелые стержни с различным аспектным отношением (диаметром около 20 нм и длиной 200÷500 нм), в которых содержится часть (1÷5) % находящегося в накопителе водорода. Для сепарации стержней из агломерата алюмосиликата используются различные методы (электростатические, центрифугальная, фильтровальная и др.), а для их нанесения на субстрат - электролитический способ.A hydrogen storage device is known in which hydrogen is accumulated in the mass of aluminosilicate (halloydium, halloysite) applied in the form of a monolayer on a substrate placed (placed) in an airtight container, and the substrate material may be stainless steel or polymer films [Patent US 7425232, Hydrogen storage apparatus comprised of halloysite]. During the hydrogenation process, a part of the sorbent material is transformed into hollow rods with various aspect ratios (with a diameter of about 20 nm and a length of 200 ÷ 500 nm), which contain part (1 ÷ 5)% of the hydrogen stored in the storage. Various methods (electrostatic, centrifugal, filter, etc.) are used to separate the rods from the aluminosilicate agglomerate, and the electrolytic method is used to apply them to the substrate.

Накопитель и способ его изготовления сложны в реализации и малоэффективны. Кроме того, как и все физические методы хранения водорода недостаточно экономически эффективен, удобен и безопасен.The drive and its manufacturing method are difficult to implement and ineffective. In addition, like all physical methods of hydrogen storage, it is not economically efficient, convenient, and safe.

Известно устройство "Контейнер для водорода и его изотопов и картридж для его снаряжения" [Патент РФ №2221290, 2004 г.], которое позволяет увеличить скорость поглощения и выделения водорода за счет снижения фильтрационного сопротивления. Устройство содержит корпус, внутри которого между цилиндрическими концентрично установленными обечайками размещены картриджи, имеющие газопроницаемый корпус, в который помещена смесь порошка сорбента для водорода и инертного к водороду и сорбенту порошка теплопроводного материала при объемной доле порошка теплопроводного материала от 0,3 до 0,5. Нагрев смеси порошка производится через поверхность внутренней обечайки.A device is known "A container for hydrogen and its isotopes and a cartridge for its equipment" [RF Patent No. 2221290, 2004], which allows to increase the rate of absorption and evolution of hydrogen by reducing filtration resistance. The device comprises a housing, inside of which, between cylindrical concentric mounted shells, cartridges are placed having a gas-permeable housing, in which a mixture of powder of a sorbent for hydrogen and a powder of heat-conducting material inert to hydrogen and a sorbent is placed with a volume fraction of powder of heat-conducting material from 0.3 to 0.5. The powder mixture is heated through the surface of the inner shell.

Недостатком данного устройства является то, что сорбент для газов разбавлен материалом в объемной доле до 0,5, что значительно снижает важный для автономных и передвижных устройств хранения показатель - объемную долю аккумулируемого водорода. Кроме того, картриджи установлены таким образом, что их замена требует разборки всего устройства.The disadvantage of this device is that the sorbent for gases is diluted with the material in a volume fraction of up to 0.5, which significantly reduces the indicator important for stand-alone and mobile storage devices - the volume fraction of accumulated hydrogen. In addition, the cartridges are installed in such a way that replacing them requires disassembling the entire device.

Известно устройство для хранения и транспортировки водорода (Патент РФ №2435098, 2011 г.). Устройство содержит корпус с водородной магистралью, в которой расположены аккумуляторы водорода, сорбционные элементы и электрические нагреватели, а также магистраль для подачи рабочей среды в виде коллектора, где в качестве рабочей среды используется теплоноситель или хладагент, при этом коллектор соединен с источниками рабочей среды с возможностью переключения теплоносителя на хладагент. Аккумуляторы водорода расположены в капсулах с газопроницаемыми оболочками, которые установлены на коллекторах коаксиально с возможностью их замены. Внутри капсул установлены теплопроводящие элементы, между которыми расположены аккумуляторы водорода.A device for storing and transporting hydrogen is known (RF Patent No. 2435098, 2011). The device comprises a housing with a hydrogen line, in which hydrogen accumulators, sorption elements and electric heaters are located, as well as a line for supplying a working medium in the form of a collector, where a coolant or refrigerant is used as a working medium, while the collector is connected to the working medium sources switching the coolant to the refrigerant. Hydrogen accumulators are located in capsules with gas-permeable shells, which are mounted on the collectors coaxially with the possibility of their replacement. Heat-conducting elements are installed inside the capsules, between which hydrogen accumulators are located.

В качестве аккумулятора водорода использованы микросферы и (или) интерметаллические сплавы, образующие с газом стабильные твердые соединения и (или) фуллерид лития. Нагреватели установлены вокруг капсул. Электрические нагреватели установлены с возможностью независимого регулирования температуры каждой капсулы. По внешней поверхности капсул могут быть установлены инфракрасные (ИК) излучатели.Microspheres and (or) intermetallic alloys, which form stable solid compounds and / or lithium fulleride with gas, are used as a hydrogen accumulator. Heaters are installed around the capsules. Electric heaters are installed with the ability to independently control the temperature of each capsule. On the outer surface of the capsules can be installed infrared (IR) emitters.

При нагреве капсул из микросфер выделяется водород, который через пористую стенку капсулы поступает во внутреннюю полость бака (водородную магистраль) и отводится потребителю.When the capsules are heated, hydrogen is released from the microspheres, which enters the internal cavity of the tank (hydrogen line) through the porous wall of the capsule and is discharged to the consumer.

Недостатками устройства являются:The disadvantages of the device are:

1) использование герметичных капсул (картриджей) с пористыми стенками, что существенно ограничивает как скорость выделения водорода в коллектор, так и эффективность наводороживания активных элементов капсул;1) the use of sealed capsules (cartridges) with porous walls, which significantly limits both the rate of hydrogen evolution into the collector and the efficiency of hydrogenation of the active elements of the capsules;

2) использование в качестве активных элементов капсул микросфер, дисперсных и пористых материалов и (или) интерметаллических сплавов, образующих с водородом стабильные твердые соединения, и (или) фуллеридов лития требует использования низкоэффективной технологии газового насыщения (метод Сиверта) водородом под большим давлением (до 300 атм.) с использованием специального оборудования в стационарных условиях, что существенно снижает экономическую эффективность использования устройства;2) the use of microspheres, dispersed and porous materials and (or) intermetallic alloys forming stable solid compounds with hydrogen and (or) lithium fullerides as active elements of capsules of capsules requires the use of low-efficiency gas saturation technology (Sievert method) under high pressure hydrogen (up to 300 atm.) Using special equipment in stationary conditions, which significantly reduces the economic efficiency of using the device;

3) наличие внутри устройства многочисленных электрических и ИК-нагревателей, микросфер с водородом под большим давлением существенно снижает уровень безопасности эксплуатации устройства и увеличивает габариты.3) the presence inside the device of numerous electric and infrared heaters, microspheres with hydrogen under high pressure significantly reduces the level of operational safety of the device and increases its size.

Общим недостатком известных систем хранения водорода является высокая инерционность процесса освобождения водорода. С другой стороны, для эффективной работы автомобиля время старта освобождения водорода до достижения полного потока, а также времена переходных режимов (10-90% или 90-0%) не должны превышать 0,5 с.A common disadvantage of the known hydrogen storage systems is the high inertia of the hydrogen release process. On the other hand, for efficient operation of the vehicle, the start time for the release of hydrogen before reaching the full flow, as well as the times of transient conditions (10-90% or 90-0%) should not exceed 0.5 s.

Техническим результатом изобретения является устранение недостатков известных водородных аккумуляторов: уменьшение взрывоопасности в аварийных ситуациях, улучшение их эксплуатационно-технических и экономических характеристик.The technical result of the invention is the elimination of the disadvantages of known hydrogen batteries: reducing explosiveness in emergency situations, improving their operational, technical and economic characteristics.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Указанный результат достигается тем, что в основу конструкции аккумулятора водорода положена концепция модульного выполнения накопителя водорода в виде системы аксиально расположенных легко заменяемых картриджей, содержащих водород в связанном состоянии в водородонасыщенном пленочном покрытии, наносимом на металлическую фольговую ленту, которая может быть свернута затем в спираль или другую форму с геометрией, обеспечивающей высокую степень компактирования, что способствует достижению высоких значений удельной плотности водорода в аккумуляторе. Из-за существенно меньшей энергии связи десорбция водорода происходит в пленочных покрытиях легче и при значительно более низких температурах (Tm~500K для Ti) по сравнению с монолитными металлами и сплавами (Tm~700K) [W. Lisowski et al., Decomposition of thin titanium deuteride films; thermal desorption kinetics studies combined with microstructure analysis //Appl. Surface Science, 254 (9), (2008) pp. 2629-2637] при одновременной возможности повышения степени насыщения [Е. Tal-This result is achieved by the fact that the design of the hydrogen accumulator is based on the concept of modular implementation of the hydrogen accumulator in the form of a system of axially arranged easily replaceable cartridges containing hydrogen in a bound state in a hydrogen-saturated film coating deposited on a metal foil tape, which can then be rolled into a spiral or another shape with a geometry that provides a high degree of compaction, which contributes to the achievement of high specific gravity in the battery. Due to the significantly lower binding energy hydrogen desorption occurs more easily in the film coating and at much lower temperatures (T m ~ 500K for Ti) compared to monolithic metals and alloys (T m ~ 700K) [W. Lisowski et al., Decomposition of thin titanium deuteride films; thermal desorption kinetics studies combined with microstructure analysis // Appl. Surface Science, 254 (9), (2008) pp. 2629-2637] with the simultaneous possibility of increasing the degree of saturation [E. Tal-

Gutelmacher et al., The effect of residual hydrogen on hydrogenation behaviour of Ti thin film // Scripta Materialia 62 (2010) pp. 709-712].Gutelmacher et al., The effect of residual hydrogen on hydrogenation behavior of Ti thin film // Scripta Materialia 62 (2010) pp. 709-712].

Для получения возможности использования режимов термодесорбции водорода с малой инерционностью в качестве материала фольги выбираются металлы или сплавы с высоким омическим сопротивлением, концы фольги соединены с контактами электронагрева фольги на металлическом торце картриджа, соединяемыми с регулируемым источником напряжения. В этом режиме термодесорбция водорода осуществляется омическим нагревом фольги с высоким сопротивлением. Режим электротермической десорбции водорода из покрытия обладает существенно меньшей инерционностью по сравнению с режимом нагрева внешней поверхности картриджа, что позволяет достигать длительность задержки от старта высвобождения водорода до достижения полного потока, а также времени переходных режимов (10-90% или 90-0%) ~0,1 с, что предоставляет новые возможности для программирования параметров выделения и хранения водорода. Для ограничения долговременной диффузии водорода в материал фольги на последнюю предварительно наносится водородный диффузионный барьер в виде покрытия из нитридов (например, TiN), или оксидов (например, TiO, Al2O3), или тонких пленок Al, или W, или Mo, или Ta, или Cr, или Nb. Диффузионный барьер наносится также на корпус картриджа и его элементы.To obtain the possibility of using hydrogen thermal desorption modes with low inertia, metals or alloys with high ohmic resistance are selected as the foil material, the ends of the foil are connected to the foil electric heating contacts on the metal end of the cartridge, which are connected to an adjustable voltage source. In this mode, thermal desorption of hydrogen is carried out by ohmic heating of the foil with high resistance. The mode of electrothermal desorption of hydrogen from the coating has a significantly lower inertia compared to the heating mode of the outer surface of the cartridge, which allows to achieve a delay time from the start of hydrogen release to achieve full flow, as well as the time of transitional modes (10-90% or 90-0%) ~ 0.1 s, which provides new opportunities for programming the parameters of hydrogen evolution and storage. To limit the long-term diffusion of hydrogen into the foil material, the latter is preliminarily coated with a hydrogen diffusion barrier in the form of a coating of nitrides (e.g., TiN), or oxides (e.g., TiO, Al 2 O 3 ), or thin films of Al, or W, or Mo, or Ta, or Cr, or Nb. A diffusion barrier is also applied to the cartridge body and its elements.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Представленные графические материалы приведены исключительно в иллюстративных целях и не являются ограничивающими. Следует отметить, что фигуры, иллюстрирующие устройство согласно настоящему изобретению, приведены для ясности без соблюдения масштаба и пропорций.The presented graphic materials are for illustrative purposes only and are not limiting. It should be noted that the figures illustrating the device according to the present invention are given for clarity without observing the scale and proportions.

На фиг. 1 изображено схематическое поперечное сечение цилиндрического варианта сменного картриджа для хранения водорода согласно настоящему изобретению. Картридж включает корпус 1 с размещенным внутри него активным элементом - фольговой металлической лентой с покрытием из наводороженного металла или композита, свернутой в спираль 2, торцевую фольговую заглушку 3, металлическую заглушку 4 с тонкостенным патрубком для вакуумирования 5 и контактами электронагрева фольги 6 для подключения концов фольги к источнику напряжения. Игла/нож 7 для вскрытия фольговой заглушки картриджа перед началом эксплуатации последнего является частью устройства для выделения водорода.In FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a cylindrical embodiment of a replaceable hydrogen storage cartridge according to the present invention. The cartridge includes a housing 1 with an active element located inside it - a foil metal strip coated with hydrogen metal or composite rolled into a spiral 2, an end foil plug 3, a metal plug 4 with a thin-walled nozzle for evacuation 5 and contacts for electrical heating of the foil 6 for connecting the ends of the foil to a voltage source. The needle / knife 7 for opening the foil plugs of the cartridge before operating the latter is part of a device for hydrogen evolution.

Материал корпуса картриджа - металл с хорошей теплопроводностью, например алюминий с покрытием в виде водородного диффузионного барьера, препятствующего долговременной диффузии водорода в материал.The material of the cartridge case is a metal with good thermal conductivity, for example, aluminum coated in the form of a hydrogen diffusion barrier that prevents the long-term diffusion of hydrogen into the material.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения накопителя водорода для цилиндрического корпуса аккумулятора. Элементы системы теплообмена (9) устройства выделения/заправки водорода образуют объемную матрицу для фиксации цилиндрических картриджей (8).In FIG. 2 shows an embodiment of a hydrogen storage device for a cylindrical battery case. The elements of the heat exchange system (9) of the hydrogen separation / filling device form a volume matrix for fixing cylindrical cartridges (8).

На фиг. 3 изображено схематическое поперечное сечение устройства для хранения водорода (аккумулятора) согласно настоящему изобретению. Устройство включает корпус 10, имеющий легкосъемную крышку 11, накопитель водорода 12, установленный в камере 10 при помощи крепежных элементов (не показаны), устройство выделения водорода 13, предохранительный клапан 14, порт для вакуумирования камеры/напуска водорода 15, датчик давления 16, регулятор расхода 17, расходомер 18, выпускной клапан 19.In FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen storage device (battery) according to the present invention. The device includes a housing 10 having an easily removable cover 11, a hydrogen storage device 12 installed in the chamber 10 using fasteners (not shown), a hydrogen evolution device 13, a safety valve 14, a port for evacuating the chamber / hydrogen inlet 15, a pressure sensor 16, a regulator flow rate 17, flow meter 18, exhaust valve 19.

Форма корпуса 10 может быть, например, цилиндрической. Однако может использоваться, по существу, любая требуемая форма. Корпус 10 может быть изготовлен из подходящего металла, пластмассы или композиционного материала с толщиной стенок, способной выдерживать напряжения в стенках, вызванные давлением газа внутри корпуса 10 в рабочем режиме (до ~10 атм.) и атмосферным давлением при предварительном вакуумировании.The shape of the housing 10 may be, for example, cylindrical. However, essentially any desired shape may be used. The housing 10 may be made of a suitable metal, plastic or composite material with a wall thickness capable of withstanding the stresses in the walls caused by gas pressure inside the housing 10 in the operating mode (up to ~ 10 atm.) And atmospheric pressure during preliminary evacuation.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Ключевым в осуществлении изобретения является использование активных элементов картриджей - водородонасыщенных пленочных покрытий, наносимых на подложку с помощью плазменных источников в среде водорода. Подложкой служит тонкая металлическая (например, нержавеющая сталь или металлы и сплавы с высоким омическим сопротивлением) лента из фольги с покрытием из оксидов или нитридов в качестве водородного диффузионного барьера, ограничивающего диффузию водорода из покрытия в подложку, свертываемая затем в спираль Архимеда с шагом, обеспечивающим зазор между соседними витками. Однако этим не ограничивается многообразие возможных форм ленты, выбираемых в соответствии с требованиями к форме и размерам картриджа и/или аккумулятора (например, пластины или "пчелиные соты" из правильных шестиугольников и др.).The key in the implementation of the invention is the use of the active elements of the cartridges - hydrogen-saturated film coatings deposited on a substrate using plasma sources in a hydrogen environment. The substrate is a thin metal (for example, stainless steel or metals and alloys with high ohmic resistance) foil tape coated with oxides or nitrides as a hydrogen diffusion barrier that limits the diffusion of hydrogen from the coating into the substrate, then coiled into an Archimedes spiral with a step that ensures the gap between adjacent turns. However, this does not limit the variety of possible tape shapes, selected in accordance with the requirements for the shape and size of the cartridge and / or battery (for example, plates or "honeycombs" from regular hexagons, etc.).

Изготовленные таким способом водородонасыщенные ленты заправляются в аксиально расположенные цилиндрические картриджи (фиг. 1) и фиксируются (например, спиралеобразными направляющими в торцевых частях картриджа). Спиралевидная геометрия рулона фольги способствует снижению деформации фольги при термодесорбции водорода за счет компенсации напряжений на свободных (не закрепленных) участках фольги. Материал корпуса картриджа - металл с высокой теплопроводностью (например, Al), покрытый с обеих сторон водородными диффузионными барьерами. Одна из вакуумплотных торцевых заглушек выполнена из фольги (например, из нержавеющей стали с покрытием - водородным диффузионным барьером). Герметизация обеспечивается микросваркой либо запрессовкой.Hydrogenated tapes made in this way are threaded into axially arranged cylindrical cartridges (Fig. 1) and fixed (for example, by spiral guides in the end parts of the cartridge). The spiral geometry of the foil roll helps to reduce the deformation of the foil during thermal desorption of hydrogen by compensating for stresses on the free (not fixed) sections of the foil. The body material of the cartridge is a metal with high thermal conductivity (for example, Al), coated on both sides with hydrogen diffusion barriers. One of the vacuum tight end caps is made of foil (for example, stainless steel coated with a hydrogen diffusion barrier). Sealing is provided by microwelding or pressing.

Другая вакуумплотная торцевая заглушка имеет тонкостенный патрубок для вакуумирования картриджа после его изготовления и контакты электронагрева фольги для соединения концов фольги с источником напряжения при электрическом нагреве фольги из сплавов с высоким сопротивлением. После вакуумирования картриджа его герметизация осуществляется спрессовыванием трубки. Изготовленные таким способом картриджи могут храниться в нормальных условиях без ограничения времени [Б.П. Тарасов и др., Проблемы хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Российский химич. журнал (2006), т. L, №6].Another vacuum tight end plug has a thin-walled nozzle for evacuating the cartridge after its manufacture and contacts foil electric heating to connect the ends of the foil to a voltage source during electrical heating of the foil from alloys with high resistance. After evacuating the cartridge, it is sealed by compressing the tube. Cartridges made in this way can be stored under normal conditions without any time limit [B.P. Tarasov et al., Problems of hydrogen storage and prospects of using hydrides for hydrogen storage // Russian Chemicals. Journal (2006), T. L, No. 6].

После открытия легкосъемного фланца аккумулятора картриджи вставляют в объемную механическую структуру фиксации картриджей, образованную системой теплообменных элементов (каналов) с геометрией пчелиных сот (фиг. 2), камера герметизируется и проводится форвакуумная откачка воздуха, используя специальный порт 15 (фиг. 3) с целью минимизации примесей в десорбированном водороде. После этого приводится в действие система игл/ножей устройства выделения водорода для вскрытия фольговых торцевых заглушек картриджей и включается программированный прогрев картриджей теплоносителем через теплообменные элементы и/или для переходных режимов с высокой скоростью изменения потока водорода, электроподогрев фольги пропусканием через нее тока с программируемой величиной.After opening the easily removable battery flange, the cartridges are inserted into the volumetric mechanical structure of the cartridge fixing formed by a system of heat exchange elements (channels) with the geometry of a honeycomb (Fig. 2), the chamber is sealed and evacuated air is pumped using a special port 15 (Fig. 3) to minimize impurities in desorbed hydrogen. After that, the system of needles / knives of the hydrogen evolution device is opened to open the foil end caps of the cartridges and the programmed heating of the cartridges by the heat carrier through the heat exchange elements and / or for transient conditions with a high rate of change of the hydrogen flow is activated, the foil is electrically heated by passing a current with a programmable value through it.

Управление манипуляциями (вакуумирование, вскрытие картриджей, программируемый нагрев картриджей системой теплообмена или электроподогрева для осуществления программируемой термодесорбции водорода из активных элементов картриджей или охлаждение картриджей при заправке водородом под давлением, регулировка потока газа на выходе) при использовании аккумулятора производится с помощью системы управления (на фиг.3 не показана) на основе данных с датчиков температуры картриджей, давления в камере, расходомера, размещенных в камере. Подача водорода пользователю при заданном потоке и ее прекращение осуществляется с помощью выпускного клапана 19 (фиг. 3).Manipulation control (evacuation, opening the cartridges, programmable heating of the cartridges by a heat exchange or electric heating system for programmable thermal desorption of hydrogen from the active elements of the cartridges or cooling the cartridges when refueling with hydrogen under pressure, adjusting the gas flow at the outlet) using the battery using the control system (in Fig. .3 not shown) based on data from the temperature sensors of the cartridges, pressure in the chamber, and a flow meter located in the chamber. The supply of hydrogen to the user at a given flow and its termination is carried out using the exhaust valve 19 (Fig. 3).

При необходимости оперативной замены одного, нескольких или всех картриджей давление в камере приводится к атмосферному путем открытия предохранительного клапана 14 (фиг. 3), открывается легкосъемная крышка 11 (фиг. 3) и производится замена. Такая возможность существенно увеличивает автономность использования аккумулятора при недоступности традиционной заправки напуском водорода под давлением, а также повышает удобство в эксплуатации и обслуживании.If it is necessary to quickly replace one, several or all of the cartridges, the pressure in the chamber is brought to atmospheric pressure by opening the safety valve 14 (Fig. 3), the easily removable cover 11 (Fig. 3) opens and a replacement is made. Such an opportunity significantly increases the autonomy of using the battery when the traditional refueling with hydrogen inlet under pressure is unavailable, and also increases the convenience in operation and maintenance.

Вариант заправки (дозаправки) водородом накопителя после его полной или частичной выработки требует только программированного инвертирования режима системы теплообмена картриджей (переключение рабочей среды системы с теплоносителя на хладагент), т.е. переход в режим охлаждения при насыщении картриджей путем напуска водорода под давлением через порт 15 (фиг. 3).The option of refueling (refueling) the drive with hydrogen after its full or partial generation requires only programmed inversion of the mode of the heat transfer system of the cartridges (switching the working environment of the system from the coolant to the refrigerant), i.e. the transition to cooling mode when the cartridges are saturated by injecting hydrogen under pressure through port 15 (Fig. 3).

Т.о. положительными эффектами использования устройства для хранения водорода (аккумулятора) являются устранение взрывоопасности в аварийных ситуациях, повышение объемной плотности водорода в накопителе и улучшение его эксплуатационно-технических характеристик, в том числе минимизация времени переходных режимов выделения водорода до 0,1 с. Возможность контроля давления десорбируемого водорода программированием электротермического воздействия на сорбирующие элементы картриджей предоставляет возможность минимизации уровня давления в накопителе при поставке водорода потребителю.T.O. the positive effects of using a device for storing hydrogen (battery) are the elimination of explosive hazards in emergency situations, increasing the bulk density of hydrogen in the drive and improving its operational and technical characteristics, including minimizing the transition time of hydrogen evolution to 0.1 s. The ability to control the pressure of desorbed hydrogen by programming the electrothermal effect on the sorbent elements of the cartridges makes it possible to minimize the pressure level in the storage ring when supplying hydrogen to the consumer.

Хранение водорода в связанном состоянии в водородонасыщенном пленочном покрытии, наносимом на металлическую фольговую ленту, способствует достижению высоких значений удельной плотности водорода в аккумуляторе.The storage of hydrogen in a bound state in a hydrogen-saturated film coating applied to a metal foil tape helps to achieve high values of the specific density of hydrogen in the battery.

Конструкция аккумулятора позволяет оперативную заправку (запасными картриджами) и дозаправку (как в виде замены картриджей, так и насыщения накопителя водородом под давлением). Экономическая эффективность изготовления активных элементов картриджей позволяет их одноразовое использование с последующей утилизацией.The design of the battery allows quick refueling (with spare cartridges) and refueling (both in the form of replacing cartridges and saturating the drive with hydrogen under pressure). The economic efficiency of manufacturing the active elements of the cartridges allows their single use with subsequent disposal.

Claims (8)

1. Аккумулятор для хранения водорода в виде гидридов металлов или композитов, содержащий герметичный корпус с патрубком для вывода водорода с регулируемым выпускным клапаном, предохранительным клапаном, портом для вакуумирования/напуска и по крайней мере одной легкосъемной торцевой заглушкой, при этом внутри корпуса размещены блок хранения водорода, выполненный в виде системы аксиально расположенных водородосодержащих картриджей, плотно упакованных в объемной механической структуре фиксации, позволяющей оперативные извлечение и замену картриджей, датчики давления и температуры, устройство для выделения водорода, включающее в себя теплообменные элементы с возможностью оперативного переключения рабочей среды на теплоноситель или хладагент, характеризующийся тем, что в качестве объемной механической структуры фиксации картриджей используется система теплообменных элементов с геометрией пчелиных сот, а устройство для выделения водорода имеет систему игл или ножей для разгерметизации наводороженных картриджей после их первоначальной загрузки в объемную механическую структуру фиксации.1. A battery for storing hydrogen in the form of metal hydrides or composites, comprising a sealed housing with a nozzle for hydrogen output with an adjustable exhaust valve, a safety valve, a port for evacuation / inlet and at least one easily removable end cap, while the storage unit is located inside the housing hydrogen, made in the form of a system of axially arranged hydrogen-containing cartridges, tightly packed in a volumetric mechanical structure of fixation, which allows quick extraction and cartridges, pressure and temperature sensors, a device for hydrogen evolution, including heat exchange elements with the ability to quickly switch the working medium to a coolant or refrigerant, characterized in that as a volumetric mechanical structure for fixing the cartridges, a system of heat exchange elements with the geometry of bee cells is used, and The device for hydrogen evolution has a system of needles or knives for depressurization of hydrogenated cartridges after their initial loading into the volumetric mechanical esky structure of fixation. 2. Картридж аккумулятора для хранения водорода в виде гидридов металлов или композитов соответственно, содержащий герметичный корпус с активным элементом, характеризующийся тем, что последний выполнен в виде металлической фольги с нанесенным на ее поверхность с помощью плазменных источников в среде водорода пленочным покрытием из наводороженного металла или композита соответственно.2. A battery cartridge for storing hydrogen in the form of metal hydrides or composites, respectively, containing a sealed housing with an active element, characterized in that the latter is made in the form of a metal foil deposited on the surface using plasma sources in a hydrogen medium with a film coating of hydrogenated metal or composite, respectively. 3. Картридж по п. 2, характеризующийся тем, что покрытие из наводороженного металла или композита соответственно нанесено на обе стороны металлической фольги в картридже.3. The cartridge according to claim 2, characterized in that the coating of hydrogenated metal or composite, respectively, is applied to both sides of the metal foil in the cartridge. 4. Картридж по пп. 2, 3, характеризующийся тем, что на фольгу предварительно нанесен водородный диффузионный барьер в виде покрытия из нитридов, или оксидов, или тонких пленок Al, или W, или Мо, или Та, или Cr, или Nb.4. The cartridge according to paragraphs. 2, 3, characterized in that the foil is preliminarily coated with a hydrogen diffusion barrier in the form of a coating of nitrides, or oxides, or thin films of Al, or W, or Mo, or Ta, or Cr, or Nb. 5. Картридж по п. 4, характеризующийся тем, что фольга имеет форму спирали Архимеда с шагом, достаточным для образования зазора между витками ленты.5. The cartridge according to claim 4, characterized in that the foil has the shape of an Archimedes spiral with a step sufficient to form a gap between the turns of the tape. 6. Картридж по п. 5, характеризующийся тем, что в качестве материала фольги выбираются металлы или сплавы с высоким омическим сопротивлением, а концы фольги имеют электрические выводы.6. The cartridge according to claim 5, characterized in that metals or alloys with high ohmic resistance are selected as the foil material, and the ends of the foil have electrical leads. 7. Картридж по п. 6, характеризующийся тем, что на поверхность корпуса картриджа и его элементы нанесен водородный диффузионный барьер в виде покрытия из нитридов, или оксидов, или тонких пленок Al, или W, или Мо, или Та, или Cr, или Nb.7. The cartridge according to claim 6, characterized in that a hydrogen diffusion barrier in the form of a coating of nitrides, or oxides, or thin films of Al, or W, or Mo, or Ta, or Cr, or Nb. 8. Картридж по п. 7, характеризующийся тем, что металлический корпус картриджа, содержащий фольгу, имеет вакуумплотные торцевые заглушки, одна из которых выполнена из металлической или композитной фольги с низкой водородопроницаемостью, достигаемой путем нанесения покрытия - водородного диффузионного барьера, а вторая - металлическая - имеет тонкостенный патрубок для вакуумирования картриджа после его изготовления и электрические контакты для соединения концов фольги с источником напряжения.8. The cartridge according to claim 7, characterized in that the metal housing of the cartridge containing the foil has vacuum tight end caps, one of which is made of metal or composite foil with low hydrogen permeability, achieved by coating - a hydrogen diffusion barrier, and the second metal - has a thin-walled nozzle for evacuating the cartridge after its manufacture and electrical contacts for connecting the ends of the foil to a voltage source.
RU2015120162A 2015-05-27 2015-05-27 Accumulator for hydrogen storage in bound state and accumulator cartridge RU2606301C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015120162A RU2606301C2 (en) 2015-05-27 2015-05-27 Accumulator for hydrogen storage in bound state and accumulator cartridge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015120162A RU2606301C2 (en) 2015-05-27 2015-05-27 Accumulator for hydrogen storage in bound state and accumulator cartridge

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015120162A RU2015120162A (en) 2016-12-20
RU2606301C2 true RU2606301C2 (en) 2017-01-10

Family

ID=57759169

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015120162A RU2606301C2 (en) 2015-05-27 2015-05-27 Accumulator for hydrogen storage in bound state and accumulator cartridge

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2606301C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823931B1 (en) * 1999-12-17 2004-11-30 Energy Conversion Devices, Inc. Hydrogen cooled hydride storage unit incorporating porous encapsulant material to prevent alloy entrainment
US6936185B1 (en) * 1999-08-18 2005-08-30 Hydro-Quebec Metal hydride bands and use thereof for storing hydrogen
US20070089764A1 (en) * 2005-10-12 2007-04-26 Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Gas tight vessel with a diffusion barrier layer of metal hydrides
RU2440290C2 (en) * 2006-06-12 2012-01-20 Си. Эн. Лимитед Device and cartridge for storage of compressed hydrogen gas

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6936185B1 (en) * 1999-08-18 2005-08-30 Hydro-Quebec Metal hydride bands and use thereof for storing hydrogen
US6823931B1 (en) * 1999-12-17 2004-11-30 Energy Conversion Devices, Inc. Hydrogen cooled hydride storage unit incorporating porous encapsulant material to prevent alloy entrainment
US20070089764A1 (en) * 2005-10-12 2007-04-26 Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Gas tight vessel with a diffusion barrier layer of metal hydrides
RU2440290C2 (en) * 2006-06-12 2012-01-20 Си. Эн. Лимитед Device and cartridge for storage of compressed hydrogen gas

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015120162A (en) 2016-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7648567B2 (en) Tank and material for storage of hydrogen gas
US8628609B2 (en) Hydrogen storage tank
US20120201719A1 (en) Tank for storing and withdrawing hydrogen and/or heat
US9276278B2 (en) Hydrogen producing fuel cartridge
WO2006036856A2 (en) Flexible hydrogen delivery mechanism for storage and recovery of hydrogen
EP2805096A1 (en) Device for storage of compressed gas, method of making the same, and method of using the same
RU2283454C1 (en) Hydrogen storage reservoir (versions)
RU2606301C2 (en) Accumulator for hydrogen storage in bound state and accumulator cartridge
GB1572796A (en) Storage of hydrogen gas
JP2013146680A (en) Treatment material for jet gas from nonaqueous electrolyte secondary battery
CN112361210A (en) Hydrogen storage system
RU2327078C2 (en) Hydrogen vessel
US7318520B2 (en) Flexible and semi-permeable means of hydrogen delivery in storage and recovery systems
RU2345273C1 (en) Capacity for storage of hydrogen
US9705145B2 (en) Hydrogen generator
RU2321796C1 (en) Tank for storing hydrogen
RU2376522C1 (en) Hydrogen accumulator
CN214222739U (en) Hydrogen storage system
RU158382U1 (en) DEVICE FOR GAS ACCUMULATION INSIDE PIPES
KR102583833B1 (en) Cylinder for hydrogen storage in solid state and it`s appartus including the same
EP2850682A1 (en) Hydrogen producing fuel cartridge
RU2733200C1 (en) Compact system for stabilizing hydrogen pressure in portable power source based on chemical reactor
RU2435098C1 (en) Hydrogen storage and transportation device
RU77093U1 (en) CONTAINER FOR HYDROGEN AND ITS ISOTOPES
EP1701403B1 (en) A system for feeding gaseous fuel, in particular hydrogen, for fuel cells