RU2672202C1

RU2672202C1 - Multistage metal hydride hydrogen compressor

Info

Publication number: RU2672202C1
Application number: RU2017134262A
Authority: RU
Inventors: Михайло В ЛОТОЦКИ; Дана СВЕЙНПОЛ; Могамат Вафик ДЭВИДС; Евгений КЛОЧКО; Бернард Дж. БЛЭЙДЕРГРЕН; Владимир М. ЛИНКОВ
Original assignee: Юниверсити Оф Дзе Вестерн Кэйп
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2018-11-12
Also published as: ZA201706400B; WO2016147134A1

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to multistage metal hydride hydrogen compressors and can be used in power engineering, chemical technology, gas supply and other industries. Compressor comprises at least two compression modules, wherein each module includes at least two compression stages, each of which constitutes one or more metal hydride containers equipped with at least one hydrogen inlet and outlet pipe. It contains a heating and cooling device, a gas distribution system including gas manifolds of compression stages, a hydrogen inlet manifold connected to gas manifolds, intermediate gas manifolds equipped with buffer tanks, a hydrogen outlet manifold, a heating and cooling system that provides alternate heating and cooling of metal hydride containers. Control system ensures the operation of the heating and cooling system for specified periods of time.EFFECT: presence of a buffer for receiving and transferring a sufficient amount of hydrogen from the heated previous compression stage to a cooled subsequent compression stage increases the productivity of the compressor.23 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение предлагает многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор.The present invention provides a multi-stage metal hydride hydrogen compressor.

Более конкретно, настоящее изобретение предлагает многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор, который использует металлогидридные материалы и обеспечивает высокие коэффициенты сжатия водорода и высокую пропускную способность/производительность посредством периодического нагревания и охлаждения металлогидридных материалов, где используется горячий (пар) и холодная (циркулирующая вода) теплонесущая текучая среда, доступная в промышленных процессах.More specifically, the present invention provides a multi-stage metal hydride hydrogen compressor that uses metal hydride materials and provides high hydrogen compression ratios and high throughput / throughput by periodically heating and cooling metal hydride materials using hot (steam) and cold (circulating water) heat transfer fluid available in industrial processes.

Компрессор может использоваться в энергетике (включая водородные энергетические системы), химической технологии, газоснабжении и т. д., для заполнения газовых баллонов высокочистым газообразным водородом высокого давления, который может продаваться потребителям или использоваться в собственных промышленных процессах, например, для охлаждения турбогенераторов на тепловых или атомных электростанциях.The compressor can be used in energy (including hydrogen energy systems), chemical technology, gas supply, etc., to fill gas cylinders with high-purity high-pressure gaseous hydrogen, which can be sold to consumers or used in own industrial processes, for example, for cooling turbine generators using thermal or nuclear power plants.

Уровень техники, к которой относится изобретениеBACKGROUND OF THE INVENTION

Перспективный способ сжатия водорода, для которого не требуется использование движущихся деталей, представляет собой применение гидридов металлов (MH). В указанном способе используется обратимое термически активируемое взаимодействие образующего гидрид металла, сплава или интерметаллического соединения с газообразным водородом, в результате которого образуется гидрид металла. При этом экзотермическое образование гидрида металла сопровождается абсорбцией водорода низкого давления в образующем гидрид материале в течение теплоотвода от него при пониженной температуре. В качестве альтернативы, эндотермическое разложение MH сопровождается десорбцией из него водорода высокого давления в течение подвода тепла к гидриду металла при повышенной температуре.A promising method for compressing hydrogen, which does not require the use of moving parts, is the use of metal hydrides (MH). The method uses a reversible thermally activated interaction of a hydride-forming metal, alloy or intermetallic compound with hydrogen gas, resulting in the formation of a metal hydride. In this case, the exothermic formation of a metal hydride is accompanied by the absorption of low-pressure hydrogen in the hydride-forming material during heat removal from it at a low temperature. Alternatively, the endothermic decomposition of MH is accompanied by the desorption of high pressure hydrogen from it during the supply of heat to the metal hydride at elevated temperature.

Таким образом, периодическое охлаждение/нагревание материала MH приводит к периодической абсорбции водорода низкого давления/десорбции водорода высокого давления, аналогично процессам всасывания и выпуска в механическом компрессоре.Thus, periodic cooling / heating of the MH material results in periodic absorption of low pressure hydrogen / desorption of high pressure hydrogen, similar to the processes of suction and discharge in a mechanical compressor.

Всесторонний обзор, представляющий многочисленные статьи и патентные документы, описывающие металлогидридную технологию сжатия водорода, недавно опубликовали Лотоцкий и его соавторы [1]. В данном обзоре рассмотрены (a) фундаментальные аспекты разработки материалов и (b) прикладные аспекты, включающие соответствующие соображения с точки зрения прикладной термодинамики, отличительные конструктивные признаки системы, эксплуатационные характеристики металлогидридных компрессоров и основные приложения.A comprehensive review of numerous articles and patent documents describing the metal hydride technology for compressing hydrogen was recently published by Lototsky and his coauthors [1]. This review addresses (a) the fundamental aspects of material development and (b) the application aspects, including relevant considerations from the point of view of applied thermodynamics, the distinctive design features of the system, the performance of metal hydride compressors, and the main applications.

Общий признак всех металлогидридных материалов, применяемых для сжатия водорода, представляют собой однозначные соотношения между температурой охлаждения и всасыванием/низким давлением водорода, а также между температурой нагревания и выпуском/высоким давлением водорода; оба соотношения определяются термодинамикой обратимого взаимодействия водорода с металлогидридным материалом. Таким образом, для достижения высокого коэффициента сжатия в узком доступном температурном интервале (требуется, когда отбросное промышленное тепло используется как движущая сила для сжатия водорода) необходимы специальные технологические решения.A common feature of all metal hydride materials used to compress hydrogen is the unequivocal relationship between the cooling temperature and the absorption / low pressure of hydrogen, as well as between the heating temperature and the exhaust / high pressure of hydrogen; both relationships are determined by the thermodynamics of the reversible interaction of hydrogen with metal hydride material. Thus, in order to achieve a high compression ratio in a narrow accessible temperature range (required when industrial waste heat is used as a driving force for hydrogen compression), special technological solutions are needed.

Подход к получению высокого давления водорода при умеренных рабочих температурах представляет собой использование многоступенчатых металлогидридных компрессоров, и данную концепцию предложил Golben [2]. Многоступенчатый компрессор с последовательным использованием двух или более гидридов металлов, различающихся по термической устойчивости. Наиболее устойчивый гидрид помещается в элементы сжатия (металлогидридные контейнеры) первой ступени, а другие гидриды загружаются в элементы сжатия, принадлежащие последующим ступеням, в порядке уменьшения их термической устойчивости. Многоступенчатая работа обеспечивает достижение более высокого суммарного коэффициента сжатия с использованием такого же или меньшего изменения температуры.The approach to obtaining high hydrogen pressure at moderate operating temperatures is the use of multi-stage metal hydride compressors, and this concept was proposed by Golben [2]. A multi-stage compressor with sequential use of two or more metal hydrides, differing in thermal stability. The most stable hydride is placed in the compression elements (metal hydride containers) of the first stage, and other hydrides are loaded into the compression elements belonging to the subsequent stages, in order to reduce their thermal stability. Multi-stage operation ensures a higher total compression ratio using the same or less temperature change.

Реализация указанной концепции была описана в ряде патентов и публикаций. Как правило, газораспределительная система многоступенчатого металлогидридного компрессора представляет собой конфигурацию проточного (запорного) клапана, и периодическое нагревание/охлаждение металлогидридных контейнеров надлежащим образом управляется посредством времени, как, например, описали в патентах Golben и Rosso [3] и Golben [4]. Согласно указанным изобретениям, водородный компрессор включает множество гидридных контейнеров, имеющих водородные впускные/выпускные трубопроводы и теплообменные средства, впуск газообразного водорода, вводимого при низком впускном давлении, и выпуск газообразного водорода, выходящего при высоком давлении, а также нагревательные и охлаждающие средства, обеспечивающие периодическое нагревание/охлаждение теплообменных средств, с которыми связаны соответствующие гидридные контейнеры, где осуществляется десорбция водорода высокого давления/ абсорбция водорода низкого давления. Водородные впускные/выпускные трубопроводы контейнеров присоединяются через конфигурацию проточных (запорных) клапанов, и периодическое нагревание/охлаждение теплообменников управляется посредством времени.The implementation of this concept has been described in a number of patents and publications. Typically, the gas distribution system of a multi-stage metal hydride compressor is a flow valve (shut-off) valve configuration, and the periodic heating / cooling of metal hydride containers is properly controlled by time, as, for example, described in the patents Golben and Rosso [3] and Golben [4]. According to these inventions, a hydrogen compressor includes a plurality of hydride containers having hydrogen inlet / outlet pipes and heat exchangers, an inlet of gaseous hydrogen introduced at a low inlet pressure, and an outlet of gaseous hydrogen leaving at a high pressure, as well as heating and cooling means providing intermittent heating / cooling of heat exchangers to which the corresponding hydride containers are connected, where hydrogen is highly desorbed a pressure / low pressure of hydrogen absorption. The hydrogen inlet / outlet pipelines of the containers are connected through the configuration of the flow (shutoff) valves, and the periodic heating / cooling of the heat exchangers is controlled by time.

Аналогичное решение описали Golben и Rosso [5], где теплообменные средства включают пару продолговатых рубашек, каждая из которых содержит три гидридных контейнера: первый, второй и третий. Каждый из первых контейнеров присоединялся к водородному впускному трубопроводу и ко второму контейнеру, расположенному в противоположной рубашке; в свою очередь, каждый второй контейнер присоединялся к третьему контейнеру, расположенному в противоположной рубашке, и в то же время каждый третий контейнер, присоединялся к водородному выпускному трубопроводу. Каждое газовое соединение в указанной установке осуществлялось через обратный (запорный) клапан, обеспечивая поток водорода из впускного трубопровода в первый контейнер, затем в соответствующий второй контейнер, соответствующий третий контейнер и, наконец, в выпускной трубопровод. Первый, второй и третий контейнеры заполняли различные образующие гидриды материалы в порядке уменьшения термической устойчивости гидрированного материала, расположенного в последующем контейнере, по сравнению с предшествующим контейнером. Две установки металлогидридных контейнеров, которые располагались в рубашках теплообменника (назовем эту установку модулем сжатия) нагревались/охлаждались в противоположном направлении, т. е. когда один модуль сжатия нагревался, другой модуль сжатия охлаждался. Таким образом, был реализован процесс трехступенчатого сжатия водорода, обеспечивающий достижение высокого коэффициента сжатия (составляющего более чем 10) в узком температурном интервале (охлаждение и нагревание водой при температурах, составляющих 20 и 75°C, соответственно). Горячая и холодная вода поступали в компрессор и выходили из него через трубопроводы (отдельно для впуска и выпуска каждой теплоносящей текучей среды), и периодическое нагревание и охлаждение модулей сжатия обеспечивала система из четырех трехходовых сервоклапанов, у которых общие отверстия присоединялись к впускам и выпускам горячей и холодной воды, а другие отверстия присоединялись к теплообменным рубашкам элементов сжатия.A similar solution was described by Golben and Rosso [5], where heat exchangers include a pair of elongated shirts, each of which contains three hydride containers: the first, second and third. Each of the first containers was connected to a hydrogen inlet pipe and to a second container located in the opposite jacket; in turn, every second container was attached to a third container located in the opposite jacket, and at the same time, every third container was connected to a hydrogen outlet pipe. Each gas connection in the specified installation was carried out through a check valve, providing a flow of hydrogen from the inlet pipe to the first container, then to the corresponding second container, the corresponding third container and, finally, to the exhaust pipe. The first, second and third containers were filled with various hydride-forming materials in order to reduce the thermal stability of the hydrogenated material located in the subsequent container compared to the previous container. Two installations of metal hydride containers, which were located in the heat exchanger shirts (we call this installation a compression module) were heated / cooled in the opposite direction, i.e., when one compression module was heated, the other compression module was cooled. Thus, a three-stage hydrogen compression process was implemented, which ensured a high compression ratio (of more than 10) in a narrow temperature range (cooling and heating with water at temperatures of 20 and 75 ° C, respectively). Hot and cold water entered and exited the compressor through pipelines (separately for the inlet and outlet of each heat-transfer fluid), and periodic heating and cooling of the compression modules was provided by a system of four three-way servo valves, in which common openings were connected to the inlets and outlets of the hot and cold water, and other holes were attached to the heat exchange shirts of the compression elements.

Лотоцкий и его соавторы [6] описали еще один пример как вариант осуществления термически активируемого металлогидридного водородного компрессора, который включает следующие элементы, находящиеся в надлежащем технологическом соединении друг с другом: по меньшей мере, два модуля сжатия; газораспределительная система; система распределения теплоносящей текучей среды; системы горячей и холодной текучей среды; трубопроводы для нагревания/охлаждения; и система управления. Согласно указанному варианту осуществления, газовые коллекторы элементов сжатия первой ступени присоединялись, через обратные (запорные) клапаны, к газовым коллекторам элементов сжатия второй ступени, которые располагались в противоположном модуле сжатия. Аналогичная конфигурация, в которой газовый коллектор элемента сжатия ступени n компрессора присоединяется через обратный клапан к газовому коллектору элемента сжатия ступени (n+1), принадлежащей противоположному модулю сжатия, была предложена и для других вариантов осуществления изобретения, реализующего схему многоступенчатого сжатия.Lototsky and his coauthors [6] described another example as an embodiment of a thermally activated metal hydride hydrogen compressor, which includes the following elements in proper technological connection with each other: at least two compression modules; gas distribution system; heat transfer fluid distribution system; hot and cold fluid systems; pipelines for heating / cooling; and management system. According to this embodiment, the gas manifolds of the compression elements of the first stage are connected, via check valves, to the gas manifolds of the compression elements of the second stage, which are located in the opposite compression module. A similar configuration in which the gas manifold of the compression element of the compressor stage n is connected via a non-return valve to the gas manifold of the compression element of the stage (n + 1) belonging to the opposite compression module has been proposed for other embodiments of the invention that implements a multi-stage compression scheme.

Отличительный признак рассматриваемых и других многочисленных технических решений термически активируемых многоступенчатых водородных компрессоров представляет собой взаимное соединение элементов сжатия (металлогидридных контейнеров), принадлежащий предшествующей и последующей ступеням сжатия и различным модулям сжатия, через обратный (запорный) клапан. Указанный признак подразумевает работу модулей сжатия в противоположных режимах, т. е. когда модуль, включающий элемент сжатия предшествующей ступени, нагревается, производя водород повышенного давления, модуль, который включает соответствующий элемент сжатия последующей ступени, охлаждается, абсорбируя, таким образом, водород пониженного давления. Все другие сочетания рабочих режимов рассматриваемых элементов сжатия включают "мертвые" периоды рабочего цикла компрессора, когда водород не поступает со стороны пониженного давления на сторону повышенного давления. Кратчайший "мертвый" период и, в свою очередь, максимальная средняя производительность/пропускная способность компрессора могут быть достигнуты, когда периоды нагревания и охлаждения являются одинаковыми. Как правило, технические решения многоступенчатых металлогидридных водородных компрессоров предусматривают одинаковые заданные периоды времени для нагревания (десорбции водорода) и охлаждения (абсорбции водорода). В то же время, как упоминали в своем обзоре Лотоцкий и его соавторы [1], периоды абсорбции и десорбции в металлогидридных контейнерах могут не равняться друг другу. Этот факт является очевидным, поскольку динамические эксплуатационные характеристики металлогидридных контейнеров в режимах абсорбции и десорбции зависят от ряда факторов, прежде всего от свойств используемого металлогидридного материала и конструкции самого контейнера. В результате этого работа элементов сжатия (металлогидридных контейнеров) в компрессорной установке, изготовленной на основе предшествующего уровня техники, не является оптимальной с точки зрения обеспечения максимальной средней производительности/пропускной способности, которая ограничивается переносом водорода между предшествующей и последующей ступенями многоступенчатого металлогидридного водородного компрессора - данный факт подтвердили экспериментально Лотоцкий и его соавторы [7] в течение исследований двухступенчатого металлогидридного компрессора, изготовленного в соответствии с решением, описанным выше [6].A distinctive feature of the considered and other numerous technical solutions of thermally activated multi-stage hydrogen compressors is the interconnection of compression elements (metal hydride containers) belonging to the previous and subsequent compression stages and various compression modules through a check valve. This feature implies the operation of compression modules in opposite modes, that is, when a module including a compression element of a previous stage is heated to produce high pressure hydrogen, a module that includes a corresponding compression element of a subsequent stage is cooled, thus absorbing reduced pressure hydrogen . All other combinations of the operating modes of the considered compression elements include “dead” periods of the compressor operating cycle, when hydrogen does not flow from the low pressure side to the high pressure side. The shortest “dead” period and, in turn, the maximum average compressor capacity / throughput can be achieved when the heating and cooling periods are the same. As a rule, technical solutions of multistage metal hydride hydrogen compressors provide for the same specified periods of time for heating (hydrogen desorption) and cooling (hydrogen absorption). At the same time, as Lototsky and his co-authors mentioned in their review [1], the periods of absorption and desorption in metal hydride containers may not equal each other. This fact is obvious, since the dynamic performance of metal hydride containers in the absorption and desorption modes depends on a number of factors, primarily on the properties of the metal hydride material used and the design of the container itself. As a result, the operation of compression elements (metal hydride containers) in a compressor unit made on the basis of the prior art is not optimal from the point of view of providing maximum average productivity / throughput, which is limited by the transfer of hydrogen between the previous and subsequent stages of a multi-stage hydrogen metal hydride compressor - this The fact was confirmed experimentally by Lototsky and his coauthors [7] during the studies of the two-stage method allogidridnogo compressor constructed in accordance with the solution described above [6].

Многочисленные промышленные приложения, связанные со сжатием водорода, предусматривают введение водорода низкого давления, который может содержать разнообразные газообразные примеси, тип и концентрация которых зависят от технологии производства водорода. Как представили Modibane и др. [8], гидриды металлов могут быть успешно использованы для очистки загрязненного водорода, и нежелательный эффект "отравления" металлогидридного материала некоторыми примесям может уменьшаться посредством модификации поверхности, произведенной, например, в соответствии с решением, которое запатентовали Williams и др. [9]. Оказывается возможным и весьма перспективным введение варианта очистки водорода в процесс сжатия водорода, что могло бы в значительной степени повышать ценность конечного продукта.Numerous industrial applications associated with the compression of hydrogen, include the introduction of low pressure hydrogen, which may contain a variety of gaseous impurities, the type and concentration of which depend on the technology of hydrogen production. As presented by Modibane et al. [8], metal hydrides can be successfully used to purify contaminated hydrogen, and the undesirable effect of “poisoning” metal hydride material with some impurities can be reduced by modifying the surface, made, for example, in accordance with the solution that Williams and et al. [9]. It turns out to be possible and very promising to introduce a hydrogen purification option into the hydrogen compression process, which could significantly increase the value of the final product.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор в целях содействия преодолению вышеупомянутых проблем и препятствий, которые ограничивают производительность многоступенчатых термически активируемых металлогидридных компрессоров, а также разработать металлогидридный водородный компрессор, который обеспечивает достижение высокого коэффициента сжатия и в то же время проявляет гибкость в оптимизации своей работы в целях повышения производительности, а также для возможного введения дополнительных родственных вариантов, включающих, например, очистку сжатого водорода.An object of the present invention is to provide a multi-stage metal hydride hydrogen compressor in order to help overcome the above problems and obstacles that limit the performance of multi-stage thermally activated metal hydride compressors, and also to develop a metal hydride hydrogen compressor that achieves a high compression ratio and at the same time exhibits flexibility in optimizing its work in order to increase productivity, as well as for possible introduction of additional related embodiments, including, for example, compressed hydrogen purification.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Согласно настоящему изобретению, многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор составляют:According to the present invention, a multi-stage metal hydride hydrogen compressor comprises:

(a) по меньшей мере, два модуля сжатия, где каждый модуль включает, по меньшей мере, две ступени сжатия, каждую из которых составляют один или более металлогидридных контейнеров, оборудованных, по меньшей мере, одним водородным впускным и выпускным трубопроводом, и устройство нагревания и охлаждения;(a) at least two compression modules, where each module includes at least two compression stages, each of which comprise one or more metal hydride containers equipped with at least one hydrogen inlet and outlet pipe, and a heating device and cooling;

(b) газораспределительная система, включающая:(b) a gas distribution system including:

i. газовые коллекторы ступеней сжатия, которые принадлежат модулям сжатия и присоединяются к водородным впускным и выпускным трубопроводам соответствующих металлогидридных контейнеров;i. gas manifolds of compression stages, which belong to the compression modules and are connected to the hydrogen inlet and outlet pipelines of the respective metal hydride containers;

ii. водородный впускной коллектор, присоединенный к газовым коллекторам первой ступени сжатия через систему трубопроводов и газовые впускные клапаны, а также к водородному впускному трубопроводу низкого давления;ii. a hydrogen inlet manifold connected to gas manifolds of the first compression stage through a piping system and gas inlet valves, as well as to a low pressure hydrogen inlet pipe;

iii. промежуточные газовые коллекторы, оборудованные буферами и присоединенные к газовым коллекторам соответствующей предшествующей и соответствующей последующей ступеней сжатия через систему трубопроводов и обратные (запорные) клапаны;iii. intermediate gas manifolds equipped with buffers and connected to gas manifolds of the corresponding previous and corresponding subsequent compression stages through a piping system and check valves;

iv. водородный выпускной коллектор, присоединенный к газовым коллекторам последней ступени сжатия через систему трубопроводов и обратные (запорные) клапаны и к водородному выпускному трубопроводу высокого давления;iv. a hydrogen exhaust manifold connected to gas collectors of the last compression stage through a piping system and non-return (shut-off) valves and to a high-pressure hydrogen exhaust pipe;

(c) система нагревания и охлаждения, которая обеспечивает поочередное нагревание и охлаждение устройства нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров; и(c) a heating and cooling system that provides alternately heating and cooling the heating and cooling device of the metal hydride containers; and

(d) система управления, обеспечивающая работу системы нагревания и охлаждения в течение заданных периодов времени.(d) a control system that enables the heating and cooling system to operate for predetermined periods of time.

Размер и число металлогидридных контейнеров принадлежащий ступеням сжатия обеспечивает количество водорода, абсорбированного в контейнерах, принадлежащих предшествующей ступени сжатия, которое составляют на 10-20% более чем количество водорода, абсорбированного в контейнерах, принадлежащих последующей ступени сжатия.The size and number of metal hydride containers belonging to the compression stages provides the amount of hydrogen absorbed in containers belonging to the previous compression stage, which is 10-20% more than the amount of hydrogen absorbed in containers belonging to the subsequent compression stage.

Газовые впускные клапаны могут представлять собой обратные (запорные) клапаны.Gas inlet valves may be check valves.

Газовые впускные клапаны могут дистанционно управляться системой управления.Gas inlet valves can be remotely controlled by a control system.

Каждый металлогидридный контейнер, принадлежащий первой ступени сжатия, может быть оборудован двумя водородными впускным и выпускным трубопроводами, один из которых может присоединяться к соответствующему газовому коллектору первой ступени сжатия, а другой может присоединяться к вентиляционному коллектору через клапан, дистанционно управляемый системой управления.Each metal hydride container belonging to the first compression stage can be equipped with two hydrogen inlet and outlet pipes, one of which can be connected to the corresponding gas manifold of the first compression stage, and the other can be connected to the ventilation manifold through a valve remotely controlled by the control system.

Буфер в промежуточном газовом коллекторе между предшествующей и последующей ступенями сжатия может обеспечивать хранение водорода при давлении в интервале между равновесным давлением P_A абсорбции водорода в охлаждаемом металлогидридном материале последующей ступени сжатия и равновесным давлением P_D десорбции водорода из нагреваемого металлогидридного материала предшествующей ступени сжатия, и количество водорода V, сохраняющегося в буфере, связано со средней производительностью p_a компрессора и разностью Δt между временем нагревания металлогидридных контейнеров предшествующей ступени и временем охлаждения металлогидридных контейнеров последующей ступени следующим неравенством:The buffer in the intermediate gas manifold between the previous and subsequent compression stages can provide hydrogen storage at a pressure between the equilibrium pressure P _{A of} hydrogen absorption in the cooled metal hydride material of the subsequent compression stage and the equilibrium pressure P _{D of} hydrogen desorption from the heated metal hydride material of the previous compression stage, and the amount hydrogen V, conserved in a buffer associated with an average capacity of the compressor and p _a difference Δt between the time of heating Metal containers Ia preceding stage and subsequent stage of cooling time Metal containers following inequality:

V ≥ p_a⋅|Δt|.V ≥ p _a ⋅ | Δt |.

Буфер может представлять собой один или более газовых баллонов с общим газовым коллектором, и полный объем баллонов V_TOTAL связан с количеством V сохраняющегося водорода и разностью (P_D-P_A) следующим неравенством:The buffer may be one or more gas cylinders with a common gas manifold, and the total volume of V _TOTAL cylinders is related to the amount V of stored hydrogen and the difference (P _D -P _A ) by the following inequality:

V_TOTAL ≥ V/(P_D-P_A).V _TOTAL ≥ V / (P _D -P _A ).

Буфер может представлять собой один или более металлогидридных контейнеров с общим газовым коллектором; металлогидридные контейнеры наполнены металлогидридным материалом, характеризуемым равновесным давлением водорода при комнатной температуре в интервале между равновесными давлениями P_A и P_D, и количество M металлогидридного материала в буфере связано с количеством V сохраняющегося водорода и способностью обратимого хранения водорода v металлогидридного материала следующим неравенством:The buffer may be one or more metal hydride containers with a common gas manifold; metal hydride containers are filled with metal hydride material characterized by equilibrium hydrogen pressure at room temperature in the interval between equilibrium pressures P _A and P _D , and the amount M of metal hydride material in the buffer is related to the amount V of hydrogen stored and the ability to reversibly store hydrogen v metal hydride material by the following inequality:

M ≥ V/v.M ≥ V / v.

Металлогидридный материал в буфере может характеризоваться наклонным плато на своей изотерме давление-состав при комнатной температуре и тепловым эффектом абсорбции/десорбции водорода ниже 25 кДж/моль H₂.The metal hydride material in the buffer can be characterized by an inclined plateau on its pressure-composition isotherm at room temperature and the thermal effect of hydrogen absorption / desorption below 25 kJ / mol H ₂ .

Система нагревания и охлаждения может иметь соответствующую конфигурацию соединительных трубопроводов и клапанов, дистанционно управляемую системой управления, и использовать потоки нагревающей и охлаждающей текучих сред: воду для охлаждения и пар для нагревания.The heating and cooling system may have an appropriate configuration of connecting pipes and valves remotely controlled by the control system, and use the flows of heating and cooling fluids: water for cooling and steam for heating.

Устройство нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров может быть оборудовано трубопроводами для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучей среды.The heating and cooling device for metal hydride containers can be equipped with piping for the inlet and outlet of the heating and cooling fluid.

Металлогидридный контейнер может включать:The metal hydride container may include:

(a) газонепроницаемый контейнер, включающий наружную оболочку и две торцевые крышки;(a) a gas-tight container comprising an outer shell and two end caps;

(b) металлогидридный материал, расположенный в объеме полости внутри газонепроницаемого контейнера высокого давления;(b) a metal hydride material located in the volume of the cavity inside the gas-tight high-pressure container;

(c) один или два трубопровода для впуска и выпуска водорода из пространства, заполненного металлогидридным материалом;(c) one or two pipelines for introducing and discharging hydrogen from a space filled with metal hydride material;

(d) внутренний теплообменник, расположенный в объеме полости газонепроницаемого контейнера высокого давления, заполненного металлогидридным материалом и оборудованного двумя трубопроводами для впуска/выпуска нагревающей/охлаждающей текучей среды; и(d) an internal heat exchanger located in the cavity volume of a high-pressure gas-tight container filled with metal hydride material and equipped with two pipelines for the inlet / outlet of the heating / cooling fluid; and

(e) наружную рубашку нагревания и охлаждения, прикрепленную к наружной поверхности наружной оболочки и оборудованную двумя трубопроводами для впуска/выпуска нагревающей/охлаждающей текучей среды.(e) an outer heating and cooling jacket attached to the outer surface of the outer shell and equipped with two heating / cooling fluid inlet / outlet pipes.

Внутренний теплообменник металлогидридного контейнера может быть изготовлен посредством экструзии мягкого теплопроводного материала, прикрепленного к наружной поверхности внутренней трубы.The internal heat exchanger of the metal hydride container can be manufactured by extrusion of a soft heat-conducting material attached to the outer surface of the inner pipe.

Внутренний теплообменник и наружный рубашка нагревания и охлаждения металлогидридного контейнера могут соединяться последовательно.The inner heat exchanger and the outer jacket for heating and cooling the metal hydride container may be connected in series.

Нагревающая текучая среда может вводиться в трубопровод внутреннего теплообменника, не присоединенный к наружной рубашке нагревания и охлаждения, и выводиться из трубопровода наружной рубашки нагревания и охлаждения, не присоединенной к внутреннему теплообменнику; при этом введение и выведение охлаждающей текучей среды осуществляется в противоположных направлениях.The heating fluid may be introduced into the pipeline of the internal heat exchanger, not connected to the outer jacket of heating and cooling, and removed from the pipeline of the outer jacket of heating and cooling, not connected to the internal heat exchanger; however, the introduction and removal of the cooling fluid is carried out in opposite directions.

Металлогидридный контейнер может быть установлен горизонтально, таким образом, что верхний трубопровод его рубашки нагревания и охлаждения присоединяется к трубопроводу внутреннего теплообменника, и выпуск нагревающей текучей среды и впуск охлаждающей текучей среды осуществляются через нижний трубопровод рубашки нагревания и охлаждения.The metal hydride container can be mounted horizontally, so that the upper pipe of its heating and cooling jacket is connected to the pipe of the internal heat exchanger, and the heating fluid is released and the cooling fluid is inlet through the lower pipe of the heating and cooling jacket.

Устройство нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров, принадлежащих различным ступеням сжатия, и один модуль сжатия могут соединяться последовательно в порядке, который соответствует увеличению номера ступени сжатия.The device for heating and cooling metal hydride containers belonging to different compression stages and one compression module can be connected in series in the order that corresponds to an increase in the number of the compression stage.

Поток нагревающей текучей среды направляется от первой до последней ступени сжатия, и поток охлаждающей текучей среды направляется противоположно.The flow of the heating fluid is directed from the first to the last stage of compression, and the flow of the cooling fluid is directed opposite.

Газовые коллекторы металлогидридных контейнеров оборудованы холодильниками, которые обеспечивают охлаждение водорода в течение его выпуска.Gas manifolds of metal hydride containers are equipped with refrigerators, which provide cooling of hydrogen during its release.

Кроме того, согласно настоящему изобретению, способ эксплуатации компрессора по любому из предшествующих пунктов включает циклическую последовательность следующих стадий:In addition, according to the present invention, a method of operating a compressor according to any one of the preceding paragraphs includes a cyclic sequence of the following steps:

(a) охлаждение металлогидридных контейнеров, принадлежащих модулю сжатия, в течение периода времени, определяемого первым заданным периодом времени; и(a) cooling metal hydride containers belonging to the compression module for a period of time determined by a first predetermined period of time; and

(b) нагревание металлогидридных контейнеров, принадлежащих модулю сжатия, в течение периода времени, определяемого вторым заданным периодом времени; при этом сумма первого и второго заданных периодов времени составляет полный период эксплуатации.(b) heating the metal hydride containers belonging to the compression module for a period of time determined by a second predetermined period of time; however, the sum of the first and second predetermined periods of time is the full period of operation.

Первый и второй заданные периоды времени не равняются друг другу, и их значения выбираются таким образом, чтобы обеспечивать максимальную среднюю производительность металлогидридных контейнеров в течение выпуска из них водорода и абсорбции в них водорода, соответственно.The first and second predetermined time periods are not equal to each other, and their values are selected in such a way as to ensure maximum average productivity of metal hydride containers during the release of hydrogen from them and the absorption of hydrogen in them, respectively.

Открытие дистанционно управляемого газового впускного клапана синхронизировано с охлаждением соответствующих металлогидридных контейнеров, принадлежащих первой ступени сжатия, и клапан удерживается в открытом положении в течение периода времени, определяемого первым заданным периодом времени.The opening of the remotely controlled gas inlet valve is synchronized with the cooling of the corresponding metal hydride containers belonging to the first compression stage, and the valve is held open for a period of time determined by the first predetermined time period.

Дистанционно управляемый клапан, присоединенный вентиляционному коллектору, может открываться в начале нагревания соответствующих металлогидридных контейнеров, принадлежащих первой ступени сжатия, в течение периода времени, определяемого третьим заданным периодом времени, который является короче, чем второй заданный период времени.A remotely controlled valve attached to the ventilation manifold may open at the beginning of heating of the corresponding metal hydride containers belonging to the first compression stage for a period of time determined by a third predetermined period of time that is shorter than the second predetermined period of time.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Далее настоящее изобретение будет описано посредством примера со ссылкой на сопровождающие схематические чертежи.The present invention will now be described by way of example with reference to the accompanying schematic drawings.

Чертежи представляют собой следующие изображения:The drawings are the following images:

фиг. 1: диаграмма газопровода двухступенчатого термически активируемого металлогидридного водородного компрессора согласно настоящему изобретению;FIG. 1: a gas pipeline diagram of a two-stage thermally activated metal hydride hydrogen compressor according to the present invention;

фиг. 2: диаграмма нагревающего и охлаждающего газопровода двухступенчатого металлогидридного водородного компрессора с возможностью очистки водорода посредством парового нагревания и водяного охлаждения согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;FIG. 2: a diagram of a heating and cooling gas pipeline of a two-stage metal hydride hydrogen compressor with the possibility of purifying hydrogen by steam heating and water cooling according to a preferred embodiment of the present invention;

фиг. 3: пример, связанный с выбором металлогидридного материала для буфера промежуточного газового коллектора между первой и второй ступенями металлогидридного компрессора и представляющий изотерму десорбции водорода для материала первой ступени, изотерму абсорбции водорода для материала второй ступени и изотерму абсорбции-десорбции водорода для материала буфера;FIG. 3: an example related to the selection of a metal hydride material for an intermediate gas reservoir buffer between the first and second stages of a metal hydride compressor and representing a hydrogen desorption isotherm for a first stage material, a hydrogen absorption isotherm for a second stage material and a hydrogen absorption-desorption isotherm for a buffer material;

фиг. 4: схема металлогидридного контейнера согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;FIG. 4: schematic diagram of a metal hydride container according to a preferred embodiment of the present invention;

фиг. 5: пример трехступенчатого металлогидридного компрессора с двумя модулями сжатия (газопровод) согласно настоящему изобретению;FIG. 5: an example of a three-stage metal hydride compressor with two compression modules (gas pipeline) according to the present invention;

фиг. 6: пример трехступенчатого металлогидридного компрессора с двумя модулями сжатия (трубопровод для пара и воды) согласно настоящему изобретению; иFIG. 6: an example of a three-stage metal hydride compressor with two compression modules (steam and water piping) according to the present invention; and

фиг. 7: пример работы металлогидридных контейнеров ступеней 1, 2 и 3 металлогидридного компрессора в зависимости от значений производительности (FR) средней загрузки/абсорбции (A) и выпуска/десорбции (D) в течение цикла. Сплошные линии представляют результаты для контейнеров с последовательным соединением внутренних и наружных каналов пара/воды; пунктирные линии представляют результаты для параллельного соединения.FIG. 7: an example of the operation of metal hydride containers of stages 1, 2 and 3 of a metal hydride compressor, depending on the performance (FR) of the average charge / absorption (A) and discharge / desorption (D) during the cycle. The solid lines represent the results for containers with a series connection of the internal and external channels of steam / water; the dashed lines represent the results for parallel connection.

Подробное описание чертежейDetailed Description of Drawings

На приведенных чертежах представлен многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор в соответствии с настоящим изобретением.The drawings provide a multi-stage metal hydride hydrogen compressor in accordance with the present invention.

Фиг. 1 и 2 иллюстрируют типичные варианты осуществления настоящего изобретения. Для простоты варианты осуществления представляют трубопроводные схемы двухступенчатого термически активируемого металлогидридного водородного компрессора, включающего два модуля сжатия; каждая ступень в модуле сжатия включает один металлогидридный контейнер. В пределах объема настоящего изобретения число ступеней сжатия, модулей сжатия и металлогидридных контейнеров может увеличиваться в зависимости от требуемых давлений всасывания и выпуска H₂, требуемой производительности, доступных температур нагревания и охлаждения и типов материалов MH, используемых для сжатия H₂. При этом соединения между предшествующими и последующими ступенями сжатия H₂ осуществляются аналогично соединениям между ступенями 1 и 2, которые представлены на фиг. 1 и 2.FIG. 1 and 2 illustrate typical embodiments of the present invention. For simplicity, embodiments are piping diagrams of a two-stage thermally activated metal hydride hydrogen compressor including two compression modules; each stage in the compression module includes one metal hydride container. Within the scope of the present invention, the number of compression stages, compression modules, and metal hydride containers may increase depending on the required suction and discharge pressures H ₂ , the required capacity, the available heating and cooling temperatures, and the types of MH materials used to compress H ₂ . In this case, the connections between the preceding and subsequent stages of compression of H _{2 are} made similarly to the connections between stages 1 and 2, which are presented in FIG. 1 and 2.

Компрессор согласно настоящему изобретению включает следующие компоненты, которые обозначаются соответствующими условными номерами на фиг. 1 и 2:The compressor according to the present invention includes the following components, which are denoted by the corresponding reference numbers in FIG. 1 and 2:

10 - впуск водорода низкого давления;10 - inlet of low pressure hydrogen;

11 - металлогидридный контейнер первой ступени, принадлежащий первому модулю сжатия;11 - metal hydride container of the first stage, belonging to the first compression module;

12 - металлогидридный контейнер первой ступени, принадлежащий второму модуль сжатия;12 - metal hydride container of the first stage, belonging to the second compression module;

13-14 - впускные запорные (или дистанционно управляемые) клапаны первой ступени;13-14 - inlet locking (or remotely controlled) valves of the first stage;

15-16 - выпускные запорные клапаны первой ступени;15-16 - exhaust shut-off valves of the first stage;

17-18 - дистанционно управляемые продувочные клапаны первой ступени;17-18 - remotely controlled purge valves of the first stage;

20 - выпуск водорода высокого давления;20 - release of high pressure hydrogen;

21 - металлогидридный контейнер второй ступени, принадлежащий первому модулю сжатия;21 - a metal hydride container of the second stage, belonging to the first compression module;

22 - металлогидридный контейнер второй ступени, принадлежащий второму модулю сжатия;22 is a second stage metal hydride container belonging to a second compression module;

23-24 - впускные запорные клапаны второй ступени;23-24 - intake shutoff valves of the second stage;

25-26 - выпускные запорные клапаны второй ступени;25-26 - exhaust shutoff valves of the second stage;

30 - буфер в промежуточном газовом коллекторе;30 - buffer in the intermediate gas manifold;

31 - металлогидридный материал, загруженный в буфер;31 - metal hydride material loaded into a buffer;

40 - впуск охлаждающей воды;40 - cooling water inlet;

41-42 - дистанционно управляемые клапаны для введения охлаждающей воды;41-42 - remotely controlled valves for introducing cooling water;

43-44 - дистанционно управляемые клапаны для стока охлаждающей воды;43-44 - remote-controlled valves for the drain of cooling water;

45 - сток охлаждающей воды;45 - drain of cooling water;

46 - охлаждение газовых коллекторов металлогидридных контейнеров;46 - cooling of gas manifolds of metal hydride containers;

50 - введение пара;50 - introduction of steam;

51-52 - дистанционно управляемые клапаны для введения пара;51-52 - remotely controlled valves for introducing steam;

53-54 - дистанционно управляемые клапаны для выпуска пара;53-54 - remote-controlled valves for the release of steam;

55 - паровая ловушка;55 - steam trap;

56 - сток конденсата;56 - condensate drain;

60 - блок управления.60 - control unit.

Фиг. 4 представляет схему металлогидридного контейнера в компрессоре, изготовленном согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Металлогидридный контейнер включает следующие компоненты, которые обозначаются соответствующими условными номерами:FIG. 4 is a diagram of a metal hydride container in a compressor manufactured in accordance with a preferred embodiment of the present invention. The metal hydride container includes the following components, which are indicated by the corresponding conventional numbers:

70 - водородный впускной/выпускной трубопровод металлогидридного контейнера;70 - hydrogen inlet / outlet pipe of the metal hydride container;

71 - водородный вентиляционный трубопровод металлогидридного контейнера;71 is a hydrogen vent line of a metal hydride container;

72 - газонепроницаемый контейнер металлогидридного контейнера;72 is a gas tight container of a metal hydride container;

73 - металлогидридный материал;73 - metal hydride material;

74 - внутренняя/наружная труба внутреннего теплообменника металлогидридного контейнера;74 - inner / outer tube of an internal heat exchanger of a metal hydride container;

75 - ребра внутреннего теплообменника;75 - fins of the internal heat exchanger;

76 - внутренняя труба/первый соединительный трубопровод внутреннего теплообменника;76 - inner pipe / first connecting pipe of the internal heat exchanger;

77 - второй соединительный трубопровод внутреннего теплообменника;77 - second connecting pipe of the internal heat exchanger;

78 - наружная рубашка нагревания/охлаждения;78 - outer jacket heating / cooling;

79, 79a - соединительные трубопроводы наружной рубашки нагревания/охлаждения.79, 79a are the connecting pipes of the outer heating / cooling jacket.

Фиг. 1 представляет простейшую схему двухступенчатого металлогидридного компрессора согласно настоящему изобретению. Компрессор включает два модуля сжатия, каждый из которых включает две ступени сжатия водорода. Сжатие водорода осуществляется в ходе охлаждения металлогидридных контейнеров (11, 21) одного модуля, что обеспечивает соответствующее снижение давление абсорбции водорода и нагревание металлогидридных контейнеров (12, 22) другого модуля, обеспечивая, таким образом, повышенное давление десорбции водорода. После завершения процессов абсорбции/десорбции в металлогидридных контейнерах 11, 21/12, 22 их режимы охлаждения/нагревания становятся противоположными, и имеющий более высокое давление водород десорбируется из нагреваемых металлогидридных контейнеров (11, 21), и имеющий меньшее давление водород абсорбируется в охлаждаемых металлогидридных контейнерах (12, 22). Такая операция обеспечивает постоянное сжатие водорода вследствие периодического нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров (11, 21, 12, 22), у которых впускные и выпускные водородные трубопроводы надлежащим образом присоединяются к газораспределительной системе компрессора, изготовленного в конфигурации соединительных трубопроводов и запорных клапанов (13-16, 23-26). Газораспределительная система включает:FIG. 1 is a simple diagram of a two-stage metal hydride compressor according to the present invention. The compressor includes two compression modules, each of which includes two stages of hydrogen compression. Hydrogen is compressed during cooling of metal hydride containers (11, 21) of one module, which ensures a corresponding decrease in the pressure of hydrogen absorption and heating of metal hydride containers (12, 22) of another module, thus providing an increased pressure of hydrogen desorption. After completion of the absorption / desorption processes in metal hydride containers 11, 21/12, 22, their cooling / heating modes become opposite, and higher pressure hydrogen is desorbed from heated metal hydride containers (11, 21), and hydrogen having a lower pressure is absorbed in cooled metal hydride containers containers (12, 22). This operation ensures constant hydrogen compression due to periodic heating and cooling of metal hydride containers (11, 21, 12, 22), in which the hydrogen inlet and outlet pipes are properly connected to the compressor gas distribution system made in the configuration of connecting pipelines and shut-off valves (13-16 , 23-26). The gas distribution system includes:

• Газовые коллекторы, присоединенные к водородным впускным и выпускным трубопроводам металлогидридных контейнеров первой (11,12) и второй (21, 22) ступеней. Хотя фиг. 1 представляет только один металлогидридный контейнер для каждой ступени сжатия в каждом модуле, если требуется более высокая производительность, ступень сжатия может включать несколько одинаковых или аналогичных металлогидридных контейнеров, у которых впускные и выпускные водородные трубопроводы присоединяются параллельно к газовым коллекторам соответствующих ступеней сжатия.• Gas manifolds connected to the hydrogen inlet and outlet pipelines of metal hydride containers of the first (11,12) and second (21, 22) stages. Although FIG. 1 represents only one metal hydride container for each compression stage in each module, if higher performance is required, the compression stage may include several identical or similar metal hydride containers, in which the hydrogen inlet and outlet pipes are connected in parallel to the gas manifolds of the respective compression stages.

• Водородный впускной коллектор, присоединенный к впускному трубопроводу водорода низкого давления (10), и газовые коллекторы первой ступени сжатия, включающие металлогидридные контейнеры (11, 21) через обратные (запорные) клапаны (13, 14). В течение охлаждение металлогидридного контейнера первой ступени (например, 11) давление водорода в нем (и, соответственно, в соединенном с ним газовом коллекторе первой ступени) уменьшается ниже давления водорода во впускном трубопроводе (10), и, таким образом, обеспечивается открытие запорного клапана (13) и пропускание водорода низкого давления (10) в охлаждаемый металлогидридный контейнер (11). Когда металлогидридный контейнер первой ступени (например, 12) нагревается, давление водорода в нем (и, соответственно, в соединенном с ним газовом коллекторе первой ступени) увеличивается выше давления водорода во впускном трубопроводе (10), таким образом, обеспечивается закрытие запорного клапана (14), что предотвращает обратный поток водорода во впускной трубопровод (10).• A hydrogen inlet manifold connected to the low pressure hydrogen inlet pipe (10), and gas collectors of the first compression stage, including metal hydride containers (11, 21) through check (shut-off) valves (13, 14). During cooling of the metal hydride container of the first stage (for example, 11), the pressure of hydrogen in it (and, accordingly, in the gas manifold of the first stage connected to it) decreases below the pressure of hydrogen in the inlet pipe (10), and thus the shut-off valve is opened (13) and passing low pressure hydrogen (10) into a cooled metal hydride container (11). When the metal hydride container of the first stage (for example, 12) is heated, the pressure of hydrogen in it (and, accordingly, in the gas manifold of the first stage connected to it) increases above the pressure of hydrogen in the inlet pipe (10), thus closing the shut-off valve (14 ), which prevents the reverse flow of hydrogen into the inlet pipe (10).

• Промежуточный газовый коллектор, включающий буфер (30; например, один или более газовых баллонов, соединенных параллельно) и присоединенный ко всем газовым коллекторам первой ступени через обратные (запорные) клапаны (15,16) и ко всем газовым коллекторам второй ступени через обратные (запорные) клапаны (23, 24). Водород среднего давления, десорбированный из нагреваемого металлогидридного контейнера первой ступени (например, 12), проходит через соответствующий газовый коллектор первой ступени и соответствующий запорный клапан (16) в промежуточный газовый коллектор и далее в газовый коллектор второй ступени, соединенный с охлаждаемым металлогидридным контейнером (например, 21) через запорный клапан (23). Работа второй ступени является аналогичной работе первой ступени, которая описана выше: водород среднего давления абсорбируется в охлаждаемом металлогидридном контейнере (например, 21), и водород высокого давления десорбируется из нагреваемого металлогидридного контейнера (например, 22) и проходит через соответствующий запорный клапан (25) в коллектор водорода высокого давления. В то же время разность между средним и низким, а также между высоким и средним давлениями водорода приводит к закрытию соответствующих запорных клапанов (24, 25), и, таким образом, предотвращается обратный поток водорода.• An intermediate gas manifold including a buffer (30; for example, one or more gas cylinders connected in parallel) and connected to all first-stage gas collectors through check valves (15.16) and to all second-stage gas collectors through check ( shut-off) valves (23, 24). Medium-pressure hydrogen stripped from a heated first stage metal hydride container (e.g. 12) passes through a corresponding first stage gas manifold and corresponding shutoff valve (16) to an intermediate gas manifold and then to a second stage gas manifold connected to a cooled metal hydride container (e.g. , 21) through the shutoff valve (23). The work of the second stage is similar to the work of the first stage, which is described above: medium-pressure hydrogen is absorbed in a cooled metal hydride container (for example, 21), and high-pressure hydrogen is desorbed from a heated metal hydride container (for example, 22) and passes through the corresponding shut-off valve (25) into the high pressure hydrogen collector. At the same time, the difference between the medium and low, as well as between the high and medium pressures of hydrogen, closes the corresponding shut-off valves (24, 25), and thus the reverse flow of hydrogen is prevented.

• Водородный выпускной коллектор, присоединенный к трубопроводу для выпуска водорода высокого давления (20), а также к газовым коллекторам последней (второй для рассматриваемого варианта осуществления) ступени сжатия водорода через обратные (запорные) клапаны (25, 26).• A hydrogen exhaust manifold connected to the pipeline for the release of high pressure hydrogen (20), as well as to the gas reservoirs of the last (second for the considered embodiment) stage of hydrogen compression through non-return (shut-off) valves (25, 26).

Хотя вариант осуществления представленный на чертежах, иллюстрирует схему двухступенчатого водородного компрессора, если требуется более высокий коэффициент сжатия, компрессор может иметь больше ступеней сжатия. При этом соединение газовых коллекторов предшествующей и последующей ступеней сжатия водорода, согласно настоящему изобретению, должно осуществляться через промежуточный газовый коллектор с буфером, как представлено на фиг. 1 для первой и второй ступеней. Соответственно, газовый коллектор последней ступени сжатия должен присоединяться к водородному выпускному коллектору, как представлено на фиг. 1 для второй ступени.Although the embodiment shown in the drawings illustrates a two-stage hydrogen compressor, if a higher compression ratio is required, the compressor may have more compression stages. In this case, the gas collectors of the previous and subsequent hydrogen compression stages according to the present invention should be connected through an intermediate gas collector with a buffer, as shown in FIG. 1 for the first and second steps. Accordingly, the gas manifold of the last compression stage must be connected to the hydrogen exhaust manifold, as shown in FIG. 1 for the second stage.

Отличительный признак настоящего изобретения по сравнению с предшествующим уровнем техники разработки многоступенчатых металлогидридных водородных компрессоров (в которых газовый выпуск предшествующей ступени сжатия присоединялся к газовому впуску соответствующей последующей ступени сжатия) представляет собой присоединение выпусков всех газовых коллекторов предшествующей ступени сжатия и впусков всех газовых коллекторов последующей ступени сжатия к общему промежуточному газовому коллектору согласно конфигурации соответствующий запорный клапан. Это увеличивает гибкость работы компрессора согласно настоящему изобретению, когда продолжительность нагревания и охлаждения не являются одинаковыми (насколько это необходимо для обеспечения постоянной работы согласно предшествующему уровню техники). Это также увеличивает возможность увеличения производительности компрессора без увеличения размера и числа металлогидридных контейнеров, но посредством установления продолжительности нагревания и охлаждения, которая является оптимальной для выбранных металлогидридных материалов и контейнеров. Чтобы предотвратить потерю производительности в течение периодов, когда все металлогидридные контейнеры на предшествующей и последующей ступенях сжатия нагреваются или охлаждаются, промежуточный газовый коллектор должен включать буфер (30), который может принимать/передавать достаточное количество водорода с нагреваемой предшествующей ступени сжатия/на охлаждаемую последующую ступень сжатия. Чтобы постоянно обеспечивать движущую силу десорбции водорода с нагреваемой предшествующей ступени и абсорбция водорода на охлаждаемой последующей ступени, давление водорода в буфере P должно быть ниже равновесного давления десорбции водорода P_D металлогидридного материала предшествующей ступени при температуре нагревания и выше равновесного давления абсорбции водорода P_A металлогидридного материала последующей ступени при температуре охлаждения.A distinctive feature of the present invention compared to the prior art is the development of multi-stage metal hydride hydrogen compressors (in which the gas outlet of the previous compression stage is connected to the gas inlet of the corresponding subsequent compression stage) is the connection of the outlets of all gas manifolds of the previous compression stage and the inlets of all gas manifolds of the subsequent compression stage to the common intermediate gas manifold according to the configuration conductive isolation valve. This increases the flexibility of the compressor according to the present invention when the heating and cooling times are not the same (as necessary to ensure continuous operation according to the prior art). It also increases the possibility of increasing compressor productivity without increasing the size and number of metal hydride containers, but by setting the heating and cooling duration that is optimal for the selected metal hydride materials and containers. To prevent loss of performance during periods when all metal hydride containers in the preceding and subsequent compression stages are heated or cooled, the intermediate gas manifold should include a buffer (30) that can receive / transfer enough hydrogen from the heated previous compression stage / to the cooled subsequent stage compression. In order to constantly provide the driving force for hydrogen desorption from the heated preceding stage and hydrogen absorption in the cooled subsequent stage, the pressure of hydrogen in the buffer P should be lower than the equilibrium pressure of hydrogen desorption P _{D of the} metal hydride material of the previous stage at a heating temperature and above the equilibrium pressure of hydrogen absorption P _{A of} metal hydride material the next stage at a cooling temperature.

Следует отметить, что движущие силы давления десорбции (P_D-P) и абсорбции (P-P_A) даже для очень большого буфера (P≈const) не будут постоянным, потому что, вследствие наклонного плато P_D уменьшается, и P_A увеличивается в ходе процессов десорбции и абсорбции водорода. В результате этого уменьшается движущая сила с течением времени в течение цикла работы, и, соответственно, уменьшается производительность. Указанный нежелательный эффект ослабляется согласно настоящему изобретению посредством обеспечения более высокого количества водорода, хранящегося в металлогидридных контейнерах предшествующей ступени сжатия, по сравнению с металлогидридными контейнерами последующей ступени. Согласно настоящему изобретению, указанный избыток обеспечивается посредством изменения размера или числа металлогидридных контейнеров, что позволяет помещать на 10-20% больше водорода на предшествующей ступени сжатия водорода, чем на последующей ступени. Заданные пределы позволяют предотвращать значительное уменьшение движущей силы давления без значительного увеличения количество дорогостоящих металлогидридных материалов.It should be noted that the driving forces of desorption pressure (P _D -P) and absorption (PP _A ) even for a very large buffer (P≈const) will not be constant because, due to the inclined plateau, P _D decreases and P _A increases during processes of desorption and absorption of hydrogen. As a result of this, the driving force decreases over time during the work cycle, and, accordingly, productivity decreases. Said undesired effect is attenuated according to the present invention by providing a higher amount of hydrogen stored in metal hydride containers of the preceding compression stage compared to metal hydride containers of the subsequent compression stage. According to the present invention, the specified excess is provided by changing the size or number of metal hydride containers, which allows you to place 10-20% more hydrogen in the previous stage of hydrogen compression than in the next stage. The specified limits can prevent a significant decrease in the driving force of pressure without a significant increase in the number of expensive metal hydride materials.

Продолжительность Δt "мертвых" рабочих периодов (все металлогидридные контейнеры на предшествующей и последующей ступенях сжатия нагреваются или охлаждаются) может оцениваться следующим неравенством:The duration Δt of "dead" working periods (all metal hydride containers in the previous and subsequent compression stages are heated or cooled) can be estimated by the following inequality:

Δt=t_H-t_C (4)Δt = t _H -t _C (4)

где t_H и t_C представляют собой продолжительность нагревания и охлаждения, соответственно. Чтобы сохранялась требуемая средняя производительность p_a в течение указанного периода, должна продолжаться десорбция водорода из нагреваемых контейнеров при давлении P<P_D, или абсорбция водорода в охлаждаемых контейнерах при P>P_A, и количество десорбированного/абсорбированного водорода p_a⋅|Δt|, которое должно приниматься буфером или выпускаться из него и который должна обеспечивать способность хранения V при P_A < P < P_D, как представлено выше в неравенстве (1). Когда буфер (30) составляют один или более газовых баллонов, их полный внутренний объем V_TOTAL, умноженный на разность (P_D-P_A), приблизительно составляет количество V, и неравенство (1) будет выполняться, если значение указанного объема подчиняется приведенному выше неравенству (2).where t _H and t _C represent the duration of heating and cooling, respectively. In order to maintain the required average productivity p _a during the indicated period, the desorption of hydrogen from heated containers at a pressure P <P _D , or the absorption of hydrogen in cooled containers at P> P _A , and the amount of hydrogen stripped / absorbed p _a ⋅ | Δt | , which should be accepted by the buffer or released from it and which should provide the ability to store V at P _A <P <P _D , as presented above in inequality (1). When the buffer (30) consists of one or more gas cylinders, their total internal volume V _TOTAL times the difference (P _D -P _A ) is approximately the number V, and inequality (1) will be fulfilled if the value of the indicated volume obeys the above inequality (2).

Поскольку направления газовых потоков в металлогидридном компрессоре (фиг. 1) управляются автоматически с помощью запорных клапанов (13-16, 23-26), его постоянная работа может обеспечиваться только посредством управления периодического нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров (11, 12, 21, 22) с помощью блока управления (60). Согласно настоящему изобретению, продолжительность нагревания (t_H) и охлаждения (t_C) может устанавливаться отдельно для металлогидридных контейнеров каждой ступени сжатия, что позволяет оптимизировать их режимы работы в целях максимальной производительности.Since the directions of gas flows in the metal hydride compressor (Fig. 1) are automatically controlled by shut-off valves (13-16, 23-26), its constant operation can only be ensured by controlling the periodic heating and cooling of metal hydride containers (11, 12, 21, 22 ) using the control unit (60). According to the present invention, the duration of heating (t _H ) and cooling (t _C ) can be set separately for metal hydride containers of each compression stage, which allows to optimize their operating modes for maximum performance.

Для промышленных приложений, где доступная инфраструктура допускает использование низкопотенциального пара для нагревания и циркулирующей воды для охлаждения, предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован, как представлено на фиг. 2. Согласно предпочтительному варианту осуществления система нагревания и охлаждения изготовлена в соответствующей конфигурации, включающей соединительные трубопроводы, клапаны и вспомогательные компоненты, которые распределяют пар (50-56) и воду (40-45) на устройство нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров (11, 12,21, 22), оборудованное трубопроводами для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучих сред. Клапаны (41-44; 51-54) дистанционно управляются системой управления (60). При этом открытие клапанов 41, 43 или 42, 44 обеспечивает охлаждение металлогидридных контейнеров в первом (11, 21) или втором (12, 22) модулях сжатия.For industrial applications where the available infrastructure allows the use of low-grade steam for heating and circulating water for cooling, a preferred embodiment of the present invention can be implemented as shown in FIG. 2. According to a preferred embodiment, the heating and cooling system is made in an appropriate configuration, including connecting pipelines, valves and auxiliary components that distribute steam (50-56) and water (40-45) to the device for heating and cooling metal hydride containers (11, 12 , 21, 22), equipped with pipelines for the inlet and outlet of heating and cooling fluids. Valves (41-44; 51-54) are remotely controlled by a control system (60). The opening of valves 41, 43 or 42, 44 provides cooling of metal hydride containers in the first (11, 21) or second (12, 22) compression modules.

Соответственно, открытие клапанов 51, 53 или 52, 54 обеспечивает нагревание металлогидридных контейнеров в первом (11, 21) или втором (12, 22) модулях сжатия.Accordingly, opening the valves 51, 53 or 52, 54 provides heating of the metal hydride containers in the first (11, 21) or second (12, 22) compression modules.

Хотя в пределах объема настоящего изобретения металлогидридные контейнеры, принадлежащий различным ступеням и различным модулям сжатия, могут нагреваться и охлаждаться независимо, оказывается предпочтительным объединение нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров, принадлежащих одному модулю сжатия, что сокращает до минимума число паровых и водяных клапанов и упрощает их управление, таким образом, сокращая до минимума стоимость изготовления компрессора. В данном случае продолжительность нагревания (t_H) модуля сжатия представляет собой первый заданный период времени, и продолжительность охлаждения (t_C) представляет собой второй заданный период времени, которые устанавливаются блоком управления (60) и являются одинаковыми для всех модулей сжатия в компрессореAlthough metal hydride containers belonging to different stages and different compression modules can be heated and cooled independently within the scope of the present invention, it is preferable to combine heating and cooling metal hydride containers belonging to one compression module, which minimizes the number of steam and water valves and simplifies their management thus minimizing the cost of manufacturing a compressor. In this case, the heating time (t _H ) of the compression module is the first predetermined time period, and the cooling duration (t _C ) is the second predetermined time period, which are set by the control unit (60) and are the same for all compression modules in the compressor

Когда в промышленных приложениях, помимо сжатия, поступающий водород должен быть очищен, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, предусматривается возможность очистки водорода. Это реализуется посредством использования клапанов (13, 14), дистанционно управляемых системой управления (60), и присоединения впуска водород низкого давления (10) к газовым коллекторам первой ступени сжатия. При этом каждый из металлогидридных контейнеров (11, 12) первой ступени оборудован двумя впускными и выпускными водородными трубопроводами, один из которых присоединяется к соответствующему газовому коллектору, а другой, через клапан (17,18), дистанционно управляемый системой управления (60), к вентиляционному трубопроводу. Работа дистанционно управляемых клапанов 13 или 14 синхронизирована с охлаждением соответствующих металлогидридных контейнеров, принадлежащих первой ступени сжатия, и клапан (13 или 14) удерживается в открытом положении в течение периода времени, определяемого первым заданным периодом времени, т. е. в течение охлаждения металлогидридного контейнера (11 или 12), когда соответствующие водяные клапаны (41, 43 или 42, 44) являются открытыми. После окончания охлаждения (водяные клапаны 41, 43 или 42, 44 закрыты) и начала нагревания (паровые клапаны 51, 53 или 52, 54 открыты) модуля сжатия соответствующий противоположный клапан (17 или 18) металлогидридного контейнера первой ступени (11 или 12) открывается таким образом, что примеси не могут абсорбироваться металлогидридным материалом и аккумулируются в объеме полости контейнера, чтобы удаляться путем вентиляции вместе с первой частью десорбированного водорода. Клапан (17 или 18) удерживается в открытом положении в течение периода (продолжительность вентиляции), который определяется третьим заданным периодом времени, значение которого зависит от концентрации примесей в исходном водороде и требуемой чистоты поступающего водорода высокого давления. Продолжительность вентиляции/третьего заданного периода времени должна быть короче, чем второй заданный период времени, т. е. продолжительность нагревания металлогидридного контейнера (11 или 12), когда соответствующие паровые клапаны (51, 53 или 52, 54) являются открытыми. После закрытия вентиляционного клапана (17 или 18) нагревание приводит к увеличению давление водорода в соответствующем контейнере первой ступени (11 или 12), и возобновляется сжатие водорода, которое описано выше.When in industrial applications, in addition to compression, the incoming hydrogen must be purified, according to a preferred embodiment of the present invention, it is possible to purify hydrogen. This is achieved through the use of valves (13, 14), remotely controlled by the control system (60), and by attaching a low pressure hydrogen inlet (10) to the gas reservoirs of the first compression stage. Moreover, each of the metal hydride containers (11, 12) of the first stage is equipped with two inlet and outlet hydrogen pipelines, one of which is connected to the corresponding gas manifold, and the other, through a valve (17,18), remotely controlled by the control system (60), ventilation pipe. The operation of the remotely controlled valves 13 or 14 is synchronized with the cooling of the corresponding metal hydride containers belonging to the first compression stage, and the valve (13 or 14) is held open for a period of time determined by the first predetermined period of time, i.e., during cooling of the metal hydride container (11 or 12) when the corresponding water valves (41, 43 or 42, 44) are open. After cooling (water valves 41, 43 or 42, 44 are closed) and heating has begun (steam valves 51, 53 or 52, 54 are open) of the compression module, the corresponding opposite valve (17 or 18) of the metal hydride container of the first stage (11 or 12) opens so that impurities cannot be absorbed by the metal hydride material and accumulate in the volume of the container cavity in order to be removed by ventilation together with the first part of the desorbed hydrogen. The valve (17 or 18) is held open for a period (ventilation duration), which is determined by a third predetermined period of time, the value of which depends on the concentration of impurities in the starting hydrogen and the required purity of the incoming high-pressure hydrogen. The duration of the ventilation / third predetermined period of time should be shorter than the second predetermined period of time, i.e., the duration of heating the metal hydride container (11 or 12) when the corresponding steam valves (51, 53 or 52, 54) are open. After closing the ventilation valve (17 or 18), heating leads to an increase in the hydrogen pressure in the corresponding container of the first stage (11 or 12), and the compression of hydrogen, which is described above, resumes.

Как было отмечено, введение буфера (30) в промежуточный газовый коллектор обеспечивает прием или передачу количества водорода V, определяемого неравенством (1), и предотвращение остановки процессов десорбции или абсорбции водорода, когда нагреваются или охлаждаются все металлогидридные контейнеры предшествующей и последующей ступеней сжатия. Если буфер (30) составляют один или более газовых баллонов с общим газовым коллектором, его требуемый объем V_TOTAL, определяемый неравенством (2), может быть чрезмерно большим, в частности, когда значения равновесных давлений десорбции водорода P_D металлогидридного материала предшествующей ступени при температуре нагревание и абсорбции водорода P_A металлогидридного материала последующей ступени при температуре охлаждения приближаются друг к другу. Чтобы уменьшить объем буфера и сделать компрессор более компактным, буфер могут составлять один или более металлогидридных контейнеров (30), наполненных металлогидридным материалом (31). Металлогидридный материал должен характеризоваться равновесным давлением водорода при комнатной температуре в интервале между равновесными давлениями P_A и P_D.As noted, the introduction of a buffer (30) into the intermediate gas collector ensures the reception or transfer of the amount of hydrogen V defined by inequality (1), and prevents the desorption or absorption of hydrogen from stopping when all metal hydride containers of the previous and subsequent compression stages are heated or cooled. If the buffer (30) consists of one or more gas cylinders with a common gas reservoir, its required volume V _TOTAL , defined by inequality (2), can be excessively large, in particular, when the equilibrium pressure of hydrogen desorption P _{D of the} metal hydride material of the previous stage at temperature heating and absorption of hydrogen P _A metal hydride material of the next stage at a cooling temperature approach each other. To reduce the volume of the buffer and make the compressor more compact, the buffer can be one or more metal hydride containers (30) filled with metal hydride material (31). The metal hydride material must have an equilibrium hydrogen pressure at room temperature in the range between the equilibrium pressures P _A and P _D.

Фиг. 3 представляет изотермы десорбции водорода для металлогидридных материалов, используемых для первой (LaNi_4,9Sn_0,1) и второй (La_0,8Ce_0,2Ni₅) ступеней термически активируемого водородного компрессора, работающего в температурном интервале от 20 до 100°C. Видно, что почти полная десорбция водорода из материала первой ступени происходит при P_D=20 бар, и материал второй ступень может абсорбировать приблизительно 1,5 мас.% H₂ при P_A=10 бар. При производительности p_a=100 Нл/мин и разности между продолжительностью нагревания и охлаждения Δt=5 мин, требуемое количество сохраняющегося водорода (неравенство (1)) должно составлять более чем 500 Нл H₂, для чего требуется полный размер буфера, который составляют один или более газовых баллонов (неравенство (2)), составляющий более чем 50 л. Изготовление буфера в форме контейнера, наполненного аккумулирующим водород сплавом типа AB₂ (A=Ti+Zr; B=Cr+Mn+Fe+Ni) и имеющего наклонное плато в интервале между 10 и 20 бар при комнатной температуре (значение регулируется посредством надлежащего выбора атомного соотношения Ti:Zr ≈ 0,6:0,4; причем тепловой эффект абсорбции/десорбции водорода составляет приблизительно 21 кДж/моль H₂) позволяет значительно уменьшать размер буфера. Действительно, согласно неравенству (3), требуемый объем 500 Нл (44,6 г) H₂ может обеспечиваться посредством M=3 кг указанного материала, имеющего способность обратимого хранения водорода в количестве ≈1,5 мас.% H в заданных условиях. Указанное количество металлогидридного материала может помещаться в объем, составляющий лишь приблизительно 1 л, и, таким образом, в результате этого значительно уменьшается размер буфера по сравнению с изготовлением буфера в форме одного или нескольких газовых баллонов.FIG. 3 represents hydrogen desorption isotherms for metal hydride materials used for the first (LaNi _4.9 Sn _0.1 ) and second (La _0.8 Ce _0.2 Ni ₅ ) steps of a thermally activated hydrogen compressor operating in the temperature range from 20 to 100 ° C. It can be seen that almost complete desorption of hydrogen from the material of the first stage occurs at P _D = 20 bar, and the material of the second stage can absorb about 1.5 wt.% H ₂ at P _A = 10 bar. With a productivity of p _a = 100 Nl / min and a difference between the duration of heating and cooling Δt = 5 min, the required amount of stored hydrogen (inequality (1)) should be more than 500 Nl H ₂ , which requires a full buffer size of one or more gas cylinders (inequality (2)) of more than 50 liters. Fabrication of a buffer in the form of a container filled with a hydrogen storage alloy of type AB ₂ (A = Ti + Zr; B = Cr + Mn + Fe + Ni) and having an inclined plateau in the range between 10 and 20 bar at room temperature (the value is adjusted by appropriate selection atomic ratio Ti: Zr ≈ 0.6: 0.4; moreover, the thermal effect of hydrogen absorption / desorption is approximately 21 kJ / mol H ₂ ) allows a significant reduction in the size of the buffer. Indeed, according to inequality (3), the required volume of 500 Nl (44.6 g) of H ₂ can be provided by M = 3 kg of the indicated material having the ability to reversibly store hydrogen in an amount of ≈1.5 wt.% H under given conditions. The indicated amount of metal hydride material can be placed in a volume of only about 1 liter, and thus, as a result of this, the size of the buffer is significantly reduced compared to the manufacture of the buffer in the form of one or more gas cylinders.

Следует отметить, что наклонное плато и низкий тепловой эффект абсорбции/десорбции водорода для "буферного" гидрида металла имеют очень большое значение для эффективной работы компрессора согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения. Когда металлогидридные контейнеры предшествующей ступени нагреваются без охлаждения контейнеров последующей ступени, изменения давления газа в промежуточном коллекторе соответствуют направлению, обозначенном стрелкой на фиг. 3, т. е. наклонное плато при более высокой температуре приводит к постепенному увеличению давления, и, согласно данной тенденции, изотерма гидрида металла в буфере обеспечивает приблизительно постоянную движущую силу давления для абсорбции водорода. Низкий тепловой эффект уменьшает изменения давления плато гидрида металла в буфере вследствие его нагревания (экзотермическая абсорбция водорода) и охлаждения (эндотермическая десорбция водорода), а также вследствие изменений температуры окружающей средыIt should be noted that the inclined plateau and the low thermal effect of hydrogen absorption / desorption for the "buffer" metal hydride are very important for the efficient operation of the compressor according to this embodiment of the present invention. When the metal hydride containers of the previous stage are heated without cooling the containers of the next stage, changes in gas pressure in the intermediate manifold correspond to the direction indicated by the arrow in FIG. 3, i.e., an inclined plateau at a higher temperature leads to a gradual increase in pressure, and, according to this trend, the metal hydride isotherm in the buffer provides an approximately constant driving pressure force for the absorption of hydrogen. The low thermal effect reduces the changes in the pressure of the metal hydride plateau in the buffer due to its heating (exothermic absorption of hydrogen) and cooling (endothermic desorption of hydrogen), as well as due to changes in ambient temperature

Фиг. 4 представляет схему металлогидридного контейнера согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Газонепроницаемый контейнер (72), состоящий из наружной оболочки и двух торцевых крышек, содержит металлогидридный материал (73), который может абсорбировать поступающий водород низкого давления или десорбировать выпускаемый водород высокого давления через впускной/выпускной трубопровод (70), установленный в одной из двух торцевых крышек. Вентиляция для удаления водорода и примесей согласно варианту осуществления с возможностью очистки водорода может осуществляться через второй трубопровод (71), установленный в противоположной торцевой крышке, которая также содержит внутреннюю трубу (74) внутреннего двухтрубного теплообменника, имеющего трубопроводы (76, 77) для введения и выведения нагревающей и охлаждающей текучей среды и поперечные ребра (75), прикрепленные к внутренней трубе (74) и расположенные в металлогидридном материале (73), что упрощает теплообмен между ним и нагревающей и охлаждающей текучей средой. Для интенсификации нагревания и охлаждения периферических слоев металлогидридного материала (73) контейнер также оборудован наружной нагревающей и охлаждающей рубашкой (78) с трубопроводами (79, 79a) для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучей среды. Чтобы сократить до минимума расход указанной текучей среды, внутренний теплообменник и наружная нагревающая и охлаждающая рубашка соединяются последовательно посредством соединения их трубопроводов (например, 77 и 79a); при этом остальные трубопроводы (76, 79) предназначаются для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучей среды.FIG. 4 is a diagram of a metal hydride container according to a preferred embodiment of the present invention. The gas-tight container (72), consisting of an outer shell and two end caps, contains metal hydride material (73), which can absorb the incoming low pressure hydrogen or desorb high pressure hydrogen through an inlet / outlet pipe (70) installed in one of the two end covers. Ventilation to remove hydrogen and impurities according to an embodiment with the possibility of hydrogen purification can be carried out through a second pipe (71) installed in the opposite end cap, which also contains an inner pipe (74) of an internal two-pipe heat exchanger having pipelines (76, 77) for introducing and removal of the heating and cooling fluid and transverse ribs (75) attached to the inner pipe (74) and located in the metal hydride material (73), which simplifies the heat exchange between it and the heating s and the cooling fluid. To intensify the heating and cooling of the peripheral layers of metal hydride material (73), the container is also equipped with an external heating and cooling jacket (78) with pipelines (79, 79a) for the inlet and outlet of the heating and cooling fluid. In order to minimize the flow rate of said fluid, the internal heat exchanger and the external heating and cooling jacket are connected in series by connecting their pipelines (for example, 77 and 79a); while the remaining pipelines (76, 79) are intended for the inlet and outlet of the heating and cooling fluid.

Чтобы уменьшить нежелательный эффект агломерации мелких частиц металлогидридного материала (73) в нижних частях контейнера, оказывается предпочтительным его горизонтальное расположение. При этом может осуществляться впуск нагревающей текучей среды (пара) через впускной трубопровод (76) внутреннего теплообменника и выпуск через трубопровод (79) рубашки нагревания и охлаждения (78). Чтобы обеспечить ускоренное нагревание металлогидридного материала (73) в течение замены охлаждающей воды паром, указанный пар направляется во впускной трубопровод (76) внутреннего теплообменника, обеспечивая интенсивный теплообменник между его внутренним пространством и металлогидридным материалом (73) через ребра (75). Охлаждающая вода направляется в противоположном направлении из трубопровода (79) наружной рубашки нагревания и охлаждения (78).To reduce the undesirable effect of agglomeration of small particles of metal hydride material (73) in the lower parts of the container, it is preferable to have a horizontal arrangement. In this case, the heating fluid (steam) can be inlet through the inlet pipe (76) of the internal heat exchanger and the heating and cooling jacket (78) can be released through the pipe (79). In order to provide accelerated heating of the metal hydride material (73) during the replacement of cooling water with steam, this steam is sent to the inlet pipe (76) of the internal heat exchanger, providing an intensive heat exchanger between its inner space and metal hydride material (73) through the fins (75). Cooling water flows in the opposite direction from the pipe (79) of the outer heating and cooling jacket (78).

Устройства нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров, установленные в компрессорном блоке и принадлежащие различным ступеням сжатия в одном модуле сжатия предпочтительно соединяются последовательно в порядке, который соответствует увеличению числа ступеней сжатия (см. фиг. 2). Это приводит к уменьшению расхода нагревающих и охлаждающих текучих сред, а также обеспечивает более эффективное нагревание и охлаждение металлогидридных материалов в контейнерах, когда материалы предшествующей ступени (11, 12) обычно характеризуются более высокими тепловыми эффектами абсорбции/десорбции водорода, чем материалы последующей ступени (21, 22). Соответственно, десорбция водорода высокого давления из контейнеров предшествующей ступени (11,12) должна происходить при более высокой температуре, что может обеспечиваться направлением нагревающего пара из первой ступени (клапаны 51, 52) в последнюю ступень (клапаны 53, 54) компрессора. Охлаждающая вода течет в противоположном направлении из клапанов (41, 42), присоединенных к устройству нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров (21, 22), принадлежащих последней ступени сжатия, и, таким образом, становится более интенсивной соответствующая абсорбция водорода пониженного давления.The heating and cooling devices for metal hydride containers installed in the compressor unit and belonging to different compression stages in one compression module are preferably connected in series in an order that corresponds to an increase in the number of compression stages (see FIG. 2). This leads to a decrease in the consumption of heating and cooling fluids, and also provides more efficient heating and cooling of metal hydride materials in containers, when the materials of the previous stage (11, 12) are usually characterized by higher thermal effects of hydrogen absorption / desorption than the materials of the subsequent stage (21 , 22). Accordingly, the desorption of high-pressure hydrogen from the containers of the previous stage (11.12) should occur at a higher temperature, which can be achieved by directing the heating steam from the first stage (valves 51, 52) to the last stage (valves 53, 54) of the compressor. Cooling water flows in the opposite direction from valves (41, 42) connected to the heating and cooling device of metal hydride containers (21, 22) belonging to the last compression stage, and thus the corresponding absorption of reduced pressure hydrogen becomes more intense.

Еще один отличительный признак предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения заключается в том, что газовые коллекторы металлогидридных контейнеров оборудованы холодильниками (46). Как экспериментально наблюдали авторы настоящего изобретения, водород высокого давления, выпускаемый из нагреваемых металлогидридных контейнеров, имеет достаточно высокую температуру (приблизительно 100°C при температуре нагревания 130°C), что часто приводит к повреждению уплотнений в клапанах (13-16; 23-26), установленных в газовых коллекторах ступеней сжатия. Чтобы предотвратить это и, таким образом, повысить надежность работы, холодильники (46) обеспечивают охлаждение водорода в течение его выпуска. Холодильники (46) установлены в охлаждающей системе (40-45) компрессора. Наконец, на выходе (56) из нагревательной системы может быть установлена паровая ловушка (55), которая обеспечивает эффективное нагревание пара при температурах выше 100°C.Another distinguishing feature of a preferred embodiment of the present invention is that the gas manifolds of the metal hydride containers are equipped with refrigerators (46). As the authors of the present invention experimentally observed, high-pressure hydrogen discharged from heated metal hydride containers has a sufficiently high temperature (approximately 100 ° C at a heating temperature of 130 ° C), which often leads to damage to the seals in the valves (13-16; 23-26 ) installed in the gas manifolds of the compression stages. To prevent this and, thus, increase reliability, refrigerators (46) provide cooling of hydrogen during its release. Refrigerators (46) are installed in the cooling system (40-45) of the compressor. Finally, a steam trap (55) can be installed at the outlet (56) of the heating system, which ensures efficient heating of steam at temperatures above 100 ° C.

Работу компрессора обеспечивает блок управления (60; например, программируемый логический контроллер/PLC), который осуществляет периодическое энергопитание клапанов, что обеспечивает паровое нагревание (51, 53 или 52, 54) и водяное охлаждение (41, 43 или 42, 44). Согласно варианту осуществления с возможностью очистки водорода, охлаждение также сопровождается открытием подающих водород клапанов (13 вместе с 41 и 43, или 14 вместе с 42 и 44); кроме того, в начале нагревания, когда клапаны (51 и 53, или 52 и 54) являются открытыми, продувочные клапаны соответствующих металлогидридных контейнеров первой ступени (17 или 18) являются открытыми в течение периода (продувочный период), необходимого для желательного уменьшения концентрации газообразных примесей. При этом работа управляется посредством времени с использованием следующих заданных периодов времени, которые устанавливаются в блоке/PLC (60):The compressor is controlled by a control unit (60; for example, a programmable logic controller / PLC), which provides periodic power supply to the valves, which provides steam heating (51, 53 or 52, 54) and water cooling (41, 43 or 42, 44). According to an embodiment with the possibility of hydrogen purification, cooling is also accompanied by the opening of hydrogen supply valves (13 together with 41 and 43, or 14 together with 42 and 44); in addition, at the beginning of heating, when the valves (51 and 53, or 52 and 54) are open, the purge valves of the respective metal hydride containers of the first stage (17 or 18) are open for the period (purge period) necessary to reduce the concentration of gaseous impurities. In this case, the operation is controlled by time using the following specified time periods, which are set in the unit / PLC (60):

• первый заданный период времени (период абсорбции водорода/охлаждения; клапаны 13,41, 43 или 14, 42, 44 являются открытыми);• first set period of time (hydrogen absorption / cooling period; valves 13.41, 43 or 14, 42, 44 are open);

• второй заданный период времени (период десорбции водорода/нагревания; клапаны 51, 53 или 52, 54 являются открытыми);• second predetermined period of time (hydrogen desorption / heating period; valves 51, 53 or 52, 54 are open);

• третий заданный период времени (продувочный период; клапаны 17 или 18 являются открытыми), должен быть короче, чем второй заданный период времени.• The third preset time period (purge period; valves 17 or 18 are open) must be shorter than the second preset time period.

Следует отметить, что сумма первого и второго заданных периодов времени составляет полную продолжительность работы (или продолжительность цикла), которая должна быть одинаковой при различных модулях сжатия, чтобы обеспечивать динамический баланс компрессора и упрощать его работу.It should be noted that the sum of the first and second predetermined time periods is the total operating time (or cycle time), which should be the same for different compression modules in order to ensure the dynamic balance of the compressor and simplify its operation.

ПримерExample

Следующий пример описывает трехступенчатый металлогидридный компрессор промышленного масштаба, изготовленный согласно настоящему изобретению. Компрессор имеет давление всасывания 3 бар, давление выпуска 200 бар, пропускную способность 5 Нм³/час и возможность очистки водорода.The following example describes an industrial scale three stage metal hydride compressor manufactured according to the present invention. The compressor has a suction pressure of 3 bar, a discharge pressure of 200 bar, a throughput of 5 Nm ³ / h and the possibility of purifying hydrogen.

Металлогидридные контейнеры для водородного компрессора были изготовлены в соответствии с фиг. 4. Все контейнеры имеют одинаковые схемы, но контейнер для каждой следующей ступени является несколько короче, чем контейнер для предшествующей ступени, т. е. количество металлогидридного материала в предшествующей ступени является больше, чем его количество в следующей ступени. Контейнеры, принадлежащие различным ступеням, включают металлогидридные материалы в порядке уменьшения их термической устойчивости (таблица 1). Важно отметить, что количество водорода, которое может быть абсорбировано в металлогидридном контейнере последующей ступени составляет на 10-12% менее чем соответствующее количество водорода, абсорбированного в контейнере предшествующей ступени. Сжатие водорода обеспечивается посредством охлаждения циркулирующей водой (T≈20°C) и нагревания паром (T≈140°C), что предоставляет возможность сжатия водорода от менее чем 1 до более чем 200 бар; номинальная пропускная способность/средний производительность может обеспечиваться в интервале давления от 3 до 200 бар.The metal hydride containers for the hydrogen compressor were manufactured in accordance with FIG. 4. All containers have the same design, but the container for each next stage is slightly shorter than the container for the previous stage, that is, the amount of metal hydride material in the previous stage is greater than its quantity in the next stage. Containers belonging to different steps include metal hydride materials in decreasing order of their thermal stability (table 1). It is important to note that the amount of hydrogen that can be absorbed in the metal hydride container of the next stage is 10-12% less than the corresponding amount of hydrogen absorbed in the container of the previous stage. Compression of hydrogen is ensured by cooling with circulating water (T≈20 ° C) and heating with steam (T≈140 ° C), which makes it possible to compress hydrogen from less than 1 to more than 200 bar; nominal throughput / average capacity can be provided in the pressure range from 3 to 200 bar.

Таблица 1. Металлогидридные материалы, загружаемые в металлогидридные контейнерыTable 1. Metal hydride materials loaded into metal hydride containers

СтупеньStage Состав металлогидридного материалаThe composition of the metal hydride material Количество [кг]/способность сорбции водорода [Нм³]Amount [kg] / hydrogen sorption capacity [Nm ³ ] Равновесное давление H₂ [бар]Equilibrium pressure H ₂ [bar] T=20°CT = 20 ° C T=140°CT = 140 ° C 1one LaNi_4,9Sn_0,1 LaNi _4.9 Sn _0.1 17/2,517 / 2.5 <1<1 >30> 30 22 La_0,8Ce_0,2Ni₅ La _0.8 Ce _0.2 Ni ₅ 16/2,216 / 2.2 <10<10 >100> 100 33 (Ti,Zr)(Cr,Mn,Fe,Ni)_2-x (Ti, Zr) (Cr, Mn, Fe, Ni) _2-x 12,3/2,012.3 / 2.0 <60<60 >200> 200

Компрессорная установка, изготовленная согласно настоящему изобретению (фиг. 5 представляет диаграмму ее газопровода, а фиг. 6 представляет диаграмму трубопроводов для пара и воды), позволяет оптимизировать работу находящихся в ней металлогидридных контейнеров. Компрессор имеет два модуля сжатия (модуль 1 и модуль 2). Каждый модуль включает три ступени сжатия водорода (ступень 1, ступень 2 и ступень 3), которые составляют шесть металлогидридных контейнеров (фиг. 5; MHC-1.1-MHC-3.1 для модуля 1; MHC-1.2-MHC-3.2 для модуля 1). Каждый элемент сжатия включает два металлогидридных контейнера (1 и 2) соответствующей ступени сжатия: 1 (MHC-1.1, MHC-1.2), 2 (MHC-2.1, MHC-2.2) и 3 (MHC-3.1, MHC-3.). Газопроводы и нагревающие и охлаждающие трубопроводы элементов сжатия соединяются параллельно.The compressor installation made according to the present invention (Fig. 5 is a diagram of its gas pipeline, and Fig. 6 is a diagram of pipelines for steam and water), allows you to optimize the operation of metal hydride containers inside it. The compressor has two compression modules (module 1 and module 2). Each module includes three stages of hydrogen compression (stage 1, stage 2 and stage 3), which comprise six metal hydride containers (Fig. 5; MHC-1.1-MHC-3.1 for module 1; MHC-1.2-MHC-3.2 for module 1) . Each compression element includes two metal hydride containers (1 and 2) of the corresponding compression stage: 1 (MHC-1.1, MHC-1.2), 2 (MHC-2.1, MHC-2.2) and 3 (MHC-3.1, MHC-3.). Gas pipelines and heating and cooling pipelines of compression elements are connected in parallel.

Как можно видеть из результатов отдельных исследований металлогидридных контейнеров, принадлежащий ступеням 1-3 (фиг. 7; An означает абсорбцию водорода низкого давления на ступени n, Dn означает десорбцию водорода высокого давления со ступени n), средняя производительность цикла зависит от продолжительности охлаждения и нагревания, и максимальная производительность в течение абсорбции достигается при меньшей продолжительности охлаждения (от 8 до 20 минут), чем продолжительность нагревания (от 30 до 45 минут). Кроме того, когда внутренний теплообменник и наружная рубашка нагревания и охлаждения контейнеров соединяются последовательно, производительность цикла десорбции (сплошные линии в D1 и D3) является выше, чем в случае параллельного соединения устройства нагревания и охлаждения (пунктирные линии в D1 и D3).As can be seen from the results of separate studies of metal hydride containers, belonging to stages 1-3 (Fig. 7; An means the absorption of low pressure hydrogen at stage n, Dn means the desorption of high pressure hydrogen from stage n), the average cycle capacity depends on the duration of cooling and heating , and the maximum productivity during absorption is achieved with a shorter cooling time (from 8 to 20 minutes) than the heating time (from 30 to 45 minutes). In addition, when the inner heat exchanger and the outer jacket for heating and cooling the containers are connected in series, the performance of the desorption cycle (solid lines in D1 and D3) is higher than in the case of parallel connection of the heating and cooling device (dashed lines in D1 and D3).

Рассмотрим фиг. 5, где газовые коллекторы контейнеров (1, 2) каждой ступени оборудованы холодильниками (C1.1, C1.2, C2.1, C2.2, C3.1, C3.2), присоединенными к системе водяного охлаждения компрессора.Consider FIG. 5, where the gas manifolds of the containers (1, 2) of each stage are equipped with refrigerators (C1.1, C1.2, C2.1, C2.2, C3.1, C3.2) connected to the compressor water cooling system.

Водород низкого давления из впускного трубопровода (H2 IN) проходит через фильтр (F1) и отсечной клапан (V1) в коллектор водорода низкого давления, включающий датчик давления (M1) и два соленоидных клапана SV1 и SV2, которые направляют H₂ в установки MHC-1.1 и MHC-1.2 контейнера MH первой ступени модулей 1 и 2, соответственно. Работа соленоидных клапанов (SV1, SV2) синхронизирована с охлаждением (первый заданный период времени) и нагреванием (второй заданный период времени) модулей сжатия, т. е. когда соответствующий модуль (1 или 2) охлаждается, клапан (SV1 или SV2) является открытым. Когда охлаждение модуля 1 или 2 завершается, и начинается нагревание, соленоидный клапан (SV3 или SV4), установленный в противоположном газопроводе контейнера MH первой ступени в установке (MHC-1.1 или MHC-1.2), открывается, обеспечивая удаление водорода с газообразными примесями посредством вентиляции через запорный клапан CV3 или CV4 в вентиляционный коллектор и далее, через запорный клапан CV13, в вентиляционный трубопровод (выпуск), и, таким образом, обеспечивается очистка водорода. После заданного периода времени (третий заданный период времени) клапан SV3 или SV4 закрывается, и водород низкого и среднего давления (≈20 бар), десорбированный из нагреваемого контейнера MH, принадлежащего установке MHC-1.1 или MHC-1.2 проходит, через запорный клапан (CV1 или CV2) в коллектор водорода низкого и среднего давления, включающий датчик давления (M2) и четыре буферных баллона (B1-B4; внутренний объем каждого составляет 6,8 л). Коллектор также оборудован предохранительным клапаном RV1, который обеспечивает удаление H₂ посредством вентиляции (если давление превышает 35 бар) в вентиляционный коллектор и далее, через запорный клапан CV13, в вентиляционный трубопровод (выпуск).Low pressure hydrogen from the inlet pipe (H2 IN) passes through a filter (F1) and a shut-off valve (V1) to a low-pressure hydrogen manifold including a pressure sensor (M1) and two solenoid valves SV1 and SV2 that direct H ₂ to the MHC- 1.1 and MHC-1.2 of the first stage MH container of modules 1 and 2, respectively. The operation of the solenoid valves (SV1, SV2) is synchronized with cooling (the first predetermined period of time) and heating (the second predetermined period of time) of the compression modules, i.e. when the corresponding module (1 or 2) cools, the valve (SV1 or SV2) is open . When the cooling of module 1 or 2 is completed and heating starts, the solenoid valve (SV3 or SV4) installed in the opposite gas line of the first stage container MH in the installation (MHC-1.1 or MHC-1.2) opens, allowing the removal of hydrogen with gaseous impurities through ventilation through the shut-off valve CV3 or CV4 to the ventilation manifold and further, through the shut-off valve CV13, into the ventilation pipe (outlet), and thus hydrogen purification is ensured. After a predetermined period of time (the third predetermined period of time), the valve SV3 or SV4 closes, and the low and medium pressure hydrogen (≈20 bar) desorbed from the heated container MH belonging to the installation MHC-1.1 or MHC-1.2 passes through the shut-off valve (CV1 or CV2) into a low and medium pressure hydrogen collector including a pressure sensor (M2) and four buffer cylinders (B1-B4; each internal volume is 6.8 L). The collector is also equipped with a safety valve RV1, which allows the removal of H ₂ by ventilation (if the pressure exceeds 35 bar) to the ventilation manifold and then, through the shut-off valve CV13, to the ventilation pipe (outlet).

Водород низкого и среднего давления далее проходит через запорный клапан (CV5 или CV6) в водородный коллектор контейнера MH второй ступени установки MHC-2.1 или MHC-2.2 модулей 1 и 2, соответственно. При этом установка, которая охлаждается в момент абсорбции водорода низкого и среднего давления (≈20 бар), в то время как противоположная установка, когда она нагревается, десорбирует водород высокого и среднего давления (≈80 бар), который, через запорные клапаны CV7 или CV8, проходит в коллектор водорода высокого и среднего давления, включающий датчик давления (M3), два буферных баллона (B5-B6; внутренний объем каждого составляет 6,8 л), и предохранительный клапан (RV2), что позволяет удалять посредством вентиляции водород (если давление превышает 100 бар) в вентиляционный коллектор и далее, через запорный клапан CV13, в вентиляционный трубопровод (выпуск).Low and medium pressure hydrogen then passes through a shutoff valve (CV5 or CV6) into the hydrogen manifold of the MH container of the second stage of the MHC-2.1 or MHC-2.2 installation of modules 1 and 2, respectively. At the same time, the installation, which cools at the moment of absorption of low and medium pressure hydrogen (≈20 bar), while the opposite installation, when it is heated, desorbes high and medium pressure hydrogen (≈80 bar), which, through shut-off valves CV7 or CV8, passes into the high and medium pressure hydrogen collector, including a pressure sensor (M3), two buffer cylinders (B5-B6; each internal volume is 6.8 L), and a safety valve (RV2), which allows hydrogen to be removed through ventilation ( if the pressure exceeds 100 ba p) into the ventilation manifold and further, through the shut-off valve CV13, into the ventilation pipe (outlet).

Водород высокого и среднего давления далее проходит через запорный клапан (CV9 или CV10) в водородный коллектор контейнера MH третьей ступени установки MHC-3.1 или MHC-3.2 модулей 1 и 2, соответственно. При этом установка, которая охлаждается в момент абсорбции водорода высокого и среднего давления (≈80 бар), в то время как противоположная установка, когда она нагреваемый, десорбирует водород высокого давления (≈200 бар), который, через запорные клапаны CV11 или CV12, проходит в коллектор водорода высокого давления, включающий датчик давления (M4), отсечной клапан (V2), присоединенный к выпускному трубопроводу водорода H2 (OUT) и предохранительный клапан (RV3), позволяющий удалять посредством вентиляции водород (если давление превышает 200 бар) в вентиляционный коллектор и далее, через запорный клапан CV13, в вентиляционный трубопровод (выпуск).High and medium pressure hydrogen then passes through a shutoff valve (CV9 or CV10) into the hydrogen manifold of the third stage MH container of the MHC-3.1 or MHC-3.2 installation of modules 1 and 2, respectively. At the same time, the installation, which cools at the moment of absorption of high and medium pressure hydrogen (≈80 bar), while the opposite installation, when it is heated, desorbes high pressure hydrogen (≈200 bar), which, through shut-off valves CV11 or CV12, passes into the high-pressure hydrogen collector, including a pressure sensor (M4), a shut-off valve (V2) connected to the H2 exhaust pipe H2 (OUT) and a safety valve (RV3) that allows hydrogen to be removed (if the pressure exceeds 200 bar) through the valve ion collector and further through the check valve CV13, a vent line (outlet).

Принципиальное отличие настоящего металлогидридного компрессора от ранее предшествующих разработанных прототипов представляет собой соединение последовательных ступеней (1-2, 2-3) посредством расположения запорных клапанов и общих газовых коллекторов с буферными баллонами. Указанное решение допускает "асимметрическое" термическое действие металлогидридных модулей сжатия, т. е. продолжительность охлаждения не должна равняться продолжительности нагревания, в отличие от многоступенчатых металлогидридных компрессоров предшествующего уровня техники. Как было представлено выше, разработанные металлогидридные контейнеры характеризуются различными продолжительностями нагревания и охлаждения, которые обеспечивают максимальную производительность цикла абсорбции и десорбции водорода. Таким образом, согласно настоящему изобретению, максимальная производительность цикла может быть достигнута посредством возможности установления различных периодов времени, что приводит к увеличению полной средней производительности/пропускной способности установки металлогидридных компрессоров без увеличения числа металлогидридных контейнеров.The fundamental difference between this metal hydride compressor and the previously developed prototypes is the connection of successive stages (1-2, 2-3) through the arrangement of shut-off valves and common gas manifolds with buffer cylinders. The specified solution allows the "asymmetric" thermal action of metal hydride compression modules, that is, the duration of cooling should not equal the duration of heating, in contrast to multistage metal hydride compressors of the prior art. As presented above, the developed metal hydride containers are characterized by different heating and cooling durations, which provide the maximum performance of the hydrogen absorption and desorption cycle. Thus, according to the present invention, maximum cycle capacity can be achieved by the possibility of setting different time periods, which leads to an increase in the total average productivity / throughput of the installation of metal hydride compressors without increasing the number of metal hydride containers.

Максимальная разность Δt продолжительности нагревания и охлаждения определяется неравенствами (1) и (2): при V_TOTAL=27,2 л (буферы B1-B4), P_D=30 бар и P_A=10 бар, количество сохраняющегося H₂ может составлять приблизительно V=540 л, и при средней производительности p_a=5 Нм³/ч=83 Нл/мин, Δt ≤ 6,5 минут (например, нагревание в течение 35 минут и охлаждение в течение 28,5 минут; полная продолжительность цикла 63,5 минуты). Дальнейшее увеличение Δt становится возможным посредством осуществления замены баллонов B1-B4 металлогидридным контейнером, имеющим внутренний объем 2 л и содержащим 6 кг металлогидридного материала типа AB₂ (см. фиг. 3 и соответствующие обсуждение, приведенное выше). Способность хранения водород в указанном контейнере составляет приблизительно V=1000 Нл H₂, и неравенства (1) и (3) дают Δt ≤ 12 минут (например, нагревание в течение 40 минут и охлаждение в течение 28 минут; полная продолжительность цикла 68 минут), что обеспечивает более оптимальную работу металлогидридных контейнеров в отношении их средней производительности цикла в обоих режимах (абсорбция и десорбция).The maximum difference Δt of the duration of heating and cooling is determined by inequalities (1) and (2): at V _TOTAL = 27.2 l (buffers B1-B4), P _D = 30 bar and P _A = 10 bar, the amount of stored H ₂ can be approximately V = 540 l, and with an average productivity p _a = 5 Nm ³ / h = 83 Nl / min, Δt ≤ 6.5 minutes (e.g. heating for 35 minutes and cooling for 28.5 minutes; full cycle time 63.5 minutes). A further increase in Δt is made possible by replacing the B1-B4 cylinders with a metal hydride container having an internal volume of 2 L and containing 6 kg of AB ₂ metal hydride material (see Fig. 3 and the corresponding discussion above). The hydrogen storage capacity in the indicated container is approximately V = 1000 Nl H ₂ , and inequalities (1) and (3) give Δt ≤ 12 minutes (e.g. heating for 40 minutes and cooling for 28 minutes; total cycle time 68 minutes) , which ensures a more optimal operation of metal hydride containers with respect to their average cycle capacity in both modes (absorption and desorption).

Рассмотрим фиг. 6, где работа модулей сжатия (модуль 1, модуль 2) в системе обеспечивается поочередным нагреванием и охлаждением соответствующих установок металлогидридных контейнеров с переключением положений ON (открытие) и OFF (закрытие) соленоидных клапанов SV1-SV8. Охлаждение обеспечивается потоком воды при температуре, составляющей приблизительно 20°C, в то время как для нагревания должен использоваться низкопотенциальный пар (T ≥ 130°C). Таким образом, в металлогидридном компрессоре используется типичная инфраструктура, доступная для промышленных потребителей.Consider FIG. 6, where the operation of the compression modules (module 1, module 2) in the system is ensured by heating and cooling the respective metal hydride container installations by switching the ON (opening) and OFF (closing) positions of the SV1-SV8 solenoid valves. Cooling is ensured by the flow of water at a temperature of approximately 20 ° C, while low-grade steam (T ≥ 130 ° C) should be used for heating. Thus, the metal hydride compressor uses a typical infrastructure available to industrial consumers.

Охлаждающая вода поступает из трубопровода водоснабжения и фильтр F1. Соленоидные клапаны SV1 или SV2 обеспечивают поочередное введение охлаждающей воды в контейнеры MH модуля 1 или модуля 2. Запорные клапаны CV1 и CV2 предотвращают обратный поток пара/горячей воды в трубопроводы водоснабжения, когда происходит переключение режимов нагревания и охлаждения. Охлаждение установок контейнеров MH, принадлежащих различным ступеням, осуществляется последовательно в следующем порядке: "ступень 3 - ступень 2 - ступень 1"; при этом вода сначала проходит в наружные охлаждающие рубашки контейнеров MH, а затем в их внутренние теплообменники. Такая схема охлаждения обеспечивает быстрое охлаждение контейнеров MH после завершения цикла нагревания. Вода стекает через соленоидные клапаны CV3 или CV4 в водосточный трубопровод.Cooling water comes from the water supply and filter F1. The solenoid valves SV1 or SV2 allow the cooling water to be introduced alternately into the containers MH of module 1 or module 2. The shut-off valves CV1 and CV2 prevent steam / hot water from flowing back into the water supply pipelines when the heating and cooling modes are switched. The cooling of the MH container installations belonging to different stages is carried out sequentially in the following order: "stage 3 - stage 2 - stage 1"; the water first passes into the outer cooling jackets of the MH containers, and then into their internal heat exchangers. Such a cooling scheme provides for quick cooling of the MH containers after the completion of the heating cycle. Water flows through the CV3 or CV4 solenoid valves into the downpipe.

Нагревание модуля 1 или модуля 2 осуществляется в противоположном направлении, посредством введения пара из трубопровода подачи пара, фильтр F2 и соленоидный клапан SV5 или SV6. Запорные клапаны CV3 и CV4 предотвращают прохождение охлаждающей воды в трубопроводы подачи пара в начале нагревания, когда давление может уменьшаться вследствие конденсации. Согласно результатам исследований металлогидридных контейнеров, которые представляют наиболее высокую чувствительность производительности ступени 1 к температуре нагревания, нагревание осуществляется в следующем порядке: "ступень 1 - ступень 2 - ступень 3"; при этом пар сначала проходит во внутренние теплообменники контейнеров, а затем в их наружные охлаждающие рубашки. Трубопровод введения пара также оборудован предохранительными клапанами RV1 и RV2, которые обеспечивают выпуск пара, если его давление превышает 10 бар. Конденсат выводится через соленоидный клапан SV7 или SV8 и паровую ловушку ST1 в трубопровод стока конденсата.Heating of module 1 or module 2 is carried out in the opposite direction, by introducing steam from the steam supply line, filter F2 and solenoid valve SV5 or SV6. The shut-off valves CV3 and CV4 prevent the passage of cooling water into the steam supply lines at the start of heating, when the pressure may decrease due to condensation. According to the results of studies of metal hydride containers, which represent the highest sensitivity of the performance of stage 1 to the heating temperature, heating is carried out in the following order: "stage 1 - stage 2 - stage 3"; in this case, the steam first passes into the internal heat exchangers of the containers, and then into their external cooling shirts. The steam supply line is also equipped with safety valves RV1 and RV2, which allow steam to be released if its pressure exceeds 10 bar. The condensate is discharged through the solenoid valve SV7 or SV8 and the steam trap ST1 into the condensate drain pipe.

Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике (например, в обеспечении охлаждения турбогенераторов на тепловых и атомных электростанциях), интегрированных энергетических технологических системах для промышленных приложений, а также в химической технологии, газоснабжении и т. д., для заполнения газовых баллонов высокочистым газообразным водородом при высоком давлении. Важно, что компрессор согласно настоящему изобретению может быть легко интегрирован в инфраструктуру промышленных потребителей, где являются доступными низкопотенциальный пар и циркулирующая охлаждающая вода. Компрессор позволяет сочетать высокую пропускную способность/производительность и высокий коэффициент сжатия без значительного увеличения необходимого количества образующих гидриды материалов и числа металлогидридных контейнеров для сжатия водорода.The present invention can be used in energy (for example, to provide cooling of turbogenerators in thermal and nuclear power plants), integrated energy technology systems for industrial applications, as well as in chemical technology, gas supply, etc., for filling gas cylinders with high-purity hydrogen gas at high pressure. It is important that the compressor according to the present invention can be easily integrated into the infrastructure of industrial consumers, where low-grade steam and circulating cooling water are available. The compressor allows you to combine high throughput / performance and high compression ratio without significantly increasing the required number of hydride-forming materials and the number of metal hydride containers for hydrogen compression.

Список литературыBibliography

1. M.V. Lototskyy, V.A. Yartys, B.G. Pollet, R.C. Bowman Jr. Металлогидридные водородные компрессоры: обзор; Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 5818-5851.1. M.V. Lototskyy, V.A. Yartys, B.G. Pollet, R.C. Bowman jr. Hydrogen Metal Hydride Compressors: A Review; Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 5818-5851.

2. P.M.Golben. Многоступенчатый гидридный водородный компрессор. Материалы восемнадцатой межведомственной конференции по преобразованию энергии, Орландо, штат Флорида, 21-26 августа 1983 г. Том 4 (A84-30169 13-44). Нью-Йорк: Американский институт химиков-технологов; 1983 г., с. 1746-1753.2. P.M. Golben. Multistage hydride hydrogen compressor. Proceedings of the Eighteenth Inter-Agency Conference on Energy Transformation, Orlando, Florida, August 21-26, 1983 Volume 4 (A84-30169 13-44). New York: American Institute of Chemical Technology; 1983, p. 1746-1753.

3. P.M.Golben, M.J.Rosso. Водородный компрессор. Патент США 4402187, 1983 г.3. P. M. Golben, M. J. Rosso. Hydrogen compressor. U.S. Patent 4,402,187, 1983.

4. P.M.Golben. Водородный компрессор. Патент США 4505120, 1985 г.4. P.M. Golben. Hydrogen compressor. U.S. Patent 4,551,020, 1985.

5. P.M.Golben, M.J.Rosso, Водородный компрессор. Европейский патент 0094202 A2, 1983 г.5. P.M. Golben, M.J. Rosso, Hydrogen Compressor. European patent 0094202 A2, 1983

6. M.Lototskyy, Y.KIochko, V.M.Linkov. Металлогидридный водородный компрессор. Патент ЮАР 2011/01351 (WO 2012/114229 A1).6. M. Lototskyy, Y. KIochko, V. M. Linkov. Hydrogen metal hydride compressor. South African Patent 2011/01351 (WO 2012/114229 A1).

7. M.Lototskyy, Ye.Klochko, V.Linkov, P.Lawrie, B.G.Pollet. Термически активируемый металлогидридный водородный компрессор для среднемасштабных приложений, Energy Procedia 29 (2012) 347-356.7. M. Lototskyy, Ye. Klochko, V. Linkov, P. Lawrie, B. G. Pollet. Thermally activated metal hydride hydrogen compressor for medium-sized applications, Energy Procedia 29 (2012) 347-356.

8. K.D.Modibane, M.Williams, M.Lototskyy, M.W.Davids, Ye.Klochko, B.G. Pollet. Устойчивые к отравлению металлогидридные материалы и их применение для отделения водорода от содержащих CO₂/CO газовых смесей, Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 9800-9810.8. KDModibane, M.Williams, M. Lototskyy, MWDavids, Ye. Klochko, BG Pollet. Poison-resistant metal hydride materials and their use for separating hydrogen from CO ₂ / CO containing gas mixtures, Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 9800-9810.

9. M.Williams, M.V.Lototsky, A.N.Nechaev, V.M.Linkov. Способ модификации поверхности материалов, образующих гидриды металлов. Патент США 8354552 B2, 2013 г.9. M.Williams, M.V. Lototsky, A.N. Nechaev, V.M. Linkov. The method of surface modification of materials forming metal hydrides. U.S. Patent 8,354,552 B2, 2013.

Claims

1. A multi-stage metal hydride hydrogen compressor, which includes:

(a) at least two compression modules, each module comprising at least two compression stages, each of which form one or more metal hydride containers equipped with at least one hydrogen inlet and outlet pipe, and a heating and cooling device;

(b) a gas distribution system comprising:

i. gas manifolds of compression stages, which belong to the compression modules and are connected to the hydrogen inlet and outlet pipelines of the respective metal hydride containers;

ii. a hydrogen inlet manifold connected to gas manifolds of the first compression stage through a piping system and gas inlet valves, as well as to a low pressure hydrogen inlet pipe;

iii. intermediate gas manifolds equipped with buffers and connected to gas manifolds of the corresponding previous and corresponding subsequent compression stages through a piping system and check valves;

iv. a hydrogen exhaust manifold connected to gas collectors of the last compression stage through a piping system and non-return (shut-off) valves and to a high-pressure hydrogen exhaust pipe;

(c) a heating and cooling system that provides heating and cooling of the heating and cooling of the metal hydride containers in turn; and

(d) a control system enabling the heating and cooling system to operate for predetermined periods of time.

2. The compressor according to claim 1, wherein the size and number of metal hydride containers belonging to the compression stages ensures that the amount of hydrogen absorbed in containers belonging to the previous compression stage is 10-20% more than the amount of hydrogen absorbed in containers belonging to the subsequent compression stage.

3. The compressor according to claim 1 or 2, in which the gas inlet valves are check valves.

4. A compressor according to any one of the preceding claims, wherein the gas inlet valves are remotely controlled by a control system.

5. The compressor according to any one of the preceding paragraphs, in which each metal hydride container belonging to the first compression stage is equipped with two inlet and outlet hydrogen pipes, one of which is connected to the corresponding gas manifold of the first compression stage, and the other is connected to the ventilation manifold through a valve, remotely controlled by a control system.

6. The compressor according to any one of the preceding paragraphs, in which a buffer in the intermediate gas manifold between the previous and subsequent compression stages provides storage of hydrogen at a pressure between the equilibrium pressure P _{A of} hydrogen absorption in the cooled metal hydride material of the subsequent compression stage and the equilibrium pressure P _{D of} hydrogen desorption from the heated metal hydride material of the previous compression stage and the amount of hydrogen V stored in the buffer is associated with the average productivity p _a compressor and a difference Δt between the time of heating Metal containers preceding stage and subsequent stage of cooling time Metal containers following inequality:

V ≥ p _a ⋅ | Δt |.

7. The compressor according to claim 6, in which the buffer is one or more gas cylinders with a common gas manifold and the total volume of cylinders V _TOTAL is associated with the amount V of stored hydrogen and the difference (P _D -P _A ) by the following inequality:

V _TOTAL ≥ V / (P _D -P _A ).

8. The compressor of claim 6 or 7, wherein the buffer is one or more metal hydride containers with a common gas manifold; metal hydride containers are filled with metal hydride material characterized by equilibrium hydrogen pressure at room temperature in the interval between equilibrium pressures P _A and P _D , and the amount M of metal hydride material in the buffer is related to the amount V of hydrogen stored and the ability to reversibly store hydrogen v metal hydride material by the following inequality:

M ≥ V / v.

9. The compressor according to any one of the preceding claims, wherein the metal hydride material in the buffer is characterized by an inclined plateau on its pressure-composition isotherm at room temperature and the thermal effect of hydrogen absorption / desorption below 25 kJ / mol H ₂ .

10. The compressor according to any one of the preceding paragraphs, in which the heating and cooling system is an appropriate configuration of connecting pipes and valves, remotely controlled by the control system, and uses flows of heating and cooling fluids: water for cooling and steam for heating.

11. The compressor according to any one of the preceding paragraphs, in which the device for heating and cooling metal hydride containers is equipped with pipelines for the inlet and outlet of heating and cooling fluids.

12. The compressor according to any one of the preceding paragraphs, in which the metal hydride container includes:

(a) a gas-tight container comprising an outer shell and two end caps;

(b) a metal hydride material located in the volume of the cavity inside the gas-tight high-pressure container;

(c) one or two pipelines for introducing and discharging hydrogen from a space filled with metal hydride material;

(d) an internal heat exchanger located in the cavity volume of a high-pressure gas-tight container filled with metal hydride material and equipped with two pipelines for the inlet / outlet of the heating / cooling fluid; and

(e) an outer heating and cooling jacket attached to the outer surface of the outer shell and equipped with two heating / cooling fluid inlet / outlet pipes.

13. The compressor of claim 12, wherein the internal heat exchanger of the metal hydride container is made by extrusion of a soft heat-conducting material attached to the outer surface of the inner pipe.

14. The compressor of claim 12 or 13, wherein the inner heat exchanger and the outer jacket for heating and cooling the metal hydride container are connected in series.

15. The compressor according to any one of paragraphs. 12-14, in which a heating fluid is introduced into an internal heat exchanger conduit not connected to an external heating and cooling jacket, and discharged from an external heating and cooling jacket conduit not connected to an internal heat exchanger; while the introduction and removal of the cooling fluid are carried out in opposite directions.

16. The compressor according to any one of paragraphs. 12-15, in which the metal hydride container is mounted horizontally so that the upper pipe of its heating and cooling jacket is connected to the pipe of the internal heat exchanger and the release of the heating fluid and the inlet of the cooling fluid are carried out through the lower pipe of the heating and cooling jacket.

17. The compressor according to any one of the preceding paragraphs, in which the device for heating and cooling metal hydride containers belonging to different compression stages and one compression module are connected in series in an order that corresponds to an increase in the number of the compression stage.

18. The compressor according to any one of the preceding paragraphs, in which the flow of the heating fluid is directed from the first to the last stage of compression and the flow of the cooling fluid is directed opposite.

19. The compressor according to any one of the preceding paragraphs, in which the gas manifolds of the metal hydride containers are equipped with refrigerators that provide cooling of hydrogen during its release.

20. The method of operating the compressor according to any one of the preceding paragraphs, which includes a cyclic sequence of the following stages:

(a) cooling metal hydride containers belonging to the compression module for a period of time determined by a first predetermined period of time; and

(b) heating the metal hydride containers belonging to the compression module for a period of time determined by a second predetermined period of time; however, the sum of the first and second predetermined periods of time is the full period of operation.

21. The method according to p. 20, in which the first and second predetermined time periods are not equal to each other and their values are selected in such a way as to ensure maximum average productivity of metal hydride containers during the release of hydrogen from them and the absorption of hydrogen in them, respectively.

22. The method according to p. 20 or 21, in which the opening of the remotely controlled gas inlet valve is synchronized with the cooling of the corresponding metal hydride containers belonging to the first compression stage, and the valve is held open for a period of time determined by the first predetermined period of time.

23. The method according to p. 22, in which a remotely controlled valve attached to the ventilation manifold opens at the beginning of heating the corresponding metal hydride containers belonging to the first compression stage for a period of time defined by a third predetermined period of time that is shorter than the second predetermined period of time.