WO2019022643A1 - Система для хранения топливных газов - Google Patents

Система для хранения топливных газов Download PDF

Info

Publication number
WO2019022643A1
WO2019022643A1 PCT/RU2018/000495 RU2018000495W WO2019022643A1 WO 2019022643 A1 WO2019022643 A1 WO 2019022643A1 RU 2018000495 W RU2018000495 W RU 2018000495W WO 2019022643 A1 WO2019022643 A1 WO 2019022643A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microcapillaries
capillary
capillary structure
structure according
gas
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000495
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Николай Константинович ЖЕВАГО
Original Assignee
САЙФУДИНОВ, Сергей Константинович
Николай Константинович ЖЕВАГО
ПАВЛОВ, Станислав Александрович
Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый сервис и консалтинг"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by САЙФУДИНОВ, Сергей Константинович, Николай Константинович ЖЕВАГО, ПАВЛОВ, Станислав Александрович, Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый сервис и консалтинг" filed Critical САЙФУДИНОВ, Сергей Константинович
Priority to JP2020527722A priority Critical patent/JP7212957B2/ja
Priority to DE112018003849.1T priority patent/DE112018003849B4/de
Priority to KR1020207002203A priority patent/KR102303890B1/ko
Priority to CN201880050001.3A priority patent/CN110959088B/zh
Publication of WO2019022643A1 publication Critical patent/WO2019022643A1/ru
Priority to US16/750,573 priority patent/US10928005B2/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • F17C1/16—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge constructed of plastics materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/12—Arrangements or mounting of devices for preventing or minimising the effect of explosion ; Other safety measures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01—Shape
    • F17C2201/0147—Shape complex
    • F17C2201/0166—Shape complex divided in several chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/05—Size
    • F17C2201/056—Small (<1 m3)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634—Materials for walls or layers thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00—Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06—Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634—Materials for walls or layers thereof
    • F17C2203/0658—Synthetics
    • F17C2203/066—Plastics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2205/00—Vessel construction, in particular mounting arrangements, attachments or identifications means
    • F17C2205/03—Fluid connections, filters, valves, closure means or other attachments
    • F17C2205/0302—Fittings, valves, filters, or components in connection with the gas storage device
    • F17C2205/0311—Closure means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2209/00—Vessel construction, in particular methods of manufacturing
    • F17C2209/23—Manufacturing of particular parts or at special locations
    • F17C2209/234—Manufacturing of particular parts or at special locations of closing end pieces, e.g. caps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00—Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/01—Pure fluids
    • F17C2221/012—Hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0107—Single phase
    • F17C2223/0123—Single phase gaseous, e.g. CNG, GNC
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/036—Very high pressure (>80 bar)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2250/00—Accessories; Control means; Indicating, measuring or monitoring of parameters
    • F17C2250/04—Indicating or measuring of parameters as input values
    • F17C2250/0404—Parameters indicated or measured
    • F17C2250/043—Pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0184—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/45—Hydrogen technologies in production processes

Definitions

  • the invention relates to the field of storage of gases under high pressure. More precisely, the invention relates to compact and light storage of gases such as hydrogen and methane.
  • the invention can find application in the field of engines, in particular automobiles, in which catalytic reactions of fuel gases with oxygen in fuel cells are used to generate electricity.
  • lithium-polymer batteries have a specific energy capacity of about 200 W * h / kg with a total energy capacity of 20 A * h, which limits the device operation time without recharging the battery.
  • fuel cells are used. In fuel cells, the flow of fuel gas coming from a mobile store enters into a catalytic reaction with an oxidizer, as a result of which electrical energy is produced.
  • the most common fuel for fuel cells is hydrogen, and oxygen (air) is used as an oxidizing agent, which produces water, thermal energy and electrical energy.
  • other types of fuels may be used, for example, natural gas fuel cells.
  • capillary containers of high-strength glass grades are a practical alternative to existing cylinders of steel and composite materials for the storage and transportation of compressed fuel gases. According to available experimental data (Zhevago N. K., Denisov E. /., Glebov V. /., Experimental Survey, International Journal of Hydrogen. - 2010. - T. 35. - N °. 1. - C.
  • microcapillaries of glass can be used for the safe storage of hydrogen and other gases at pressures substantially higher (more than 100 MPa) than in standard (20-35 MPa) and composite (35-70 MPa) cylinders, which ensures a record weight content of gases in them. Since the volume of gas stored in capillary structures is divided into many small volumes corresponding to the number of microcapillaries in a multi-capillary container, the probability of an instantaneous release of large amounts of gas to the atmosphere during emergency destruction of a part of the container decreases, thereby increasing the safety of storing fuel gas under high pressure .
  • Multi-capillary containers have other advantages. Unlike conventional high-pressure gas cylinders, which, for reasons of strength, have the shape of a circular cylinder or sphere, multi-capillary containers can take an arbitrary shape (hex, flat, etc.). As a result, they can be placed in any hollow structural elements of devices that use fuel cells to generate electricity. An important property of glass capillaries with a diameter of less than 200 microns is also their mechanical flexibility.
  • a bundle of flexible capillaries can be used as a high-pressure gas pipeline connecting, for example, the bulk of the gas storage with the fuel cell, and if necessary, turning the gas flow does not require connecting sleeves (Zhevago IK et al., Microcapillary tanks for hydrogen storage , International Journal of Alternative Energy and Ecology. - 2012. - Na. 9. - p. 106-115).
  • Bundles of flexible capillaries are widely used not only in the field of storage of fuel gas. Thus, such structures were proposed to be used, for example, as a storage of gases, mainly oxygen, for breathing of passengers of airplanes in emergency situations (DE 10343250 A1).
  • a fusible metal layer covering the free (not sealed) capillary ends were used in the previously proposed designs of multi-capillary containers for gas release from capillaries. In them, the release of gas can be carried out by destruction (melting) of the layer or the plugs, respectively.
  • the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art. More precisely, it is an object of the present invention to provide a quick refill of a micro-capillary tank with high-pressure gas and a controlled release of gas from the tank to the manifold, where the moderate pressure ( ⁇ 1 MPa) required for the operation of the fuel cell should be maintained. At the same time, it is necessary to ensure optimal safety and mass-dimensional characteristics of the power plant, including a gas storage system and its transportation to fuel cells. The problem is solved due to the fact that:
  • the multi-capillary gas storage system including a bundle of microcapillaries sealed at one end, is characterized in that the microcapillaries are sealed with metal plugs, the space between the microcapillaries is filled with plastic material, and the microcapillaries themselves are cylindrical in shape and have a constant cross-section at closed ends, which then decreases closer to the open ends to the value at which microcapillaries become flexible to form a flexible gas pipeline.
  • the multi-capillary gas storage system which includes a bundle of microcapillaries sealed at one end, is characterized in that the microcapillaries are sealed with metal plugs, the microcapillaries are in the form of hexagonal prismatic capillaries with common faces, while for the extreme microcapillaries of the beam, their parts facing the outside made cylindrical, while the capillaries have a constant cross-section with closed ends, which then decreases closer to the open ends to the value at which the microcapilla The wells become flexible to form a flexible gas pipeline.
  • Multi-capillary structure according to any one of the above options, characterized in that the microcapillaries are made of glass, or quartz, or basalt.
  • the multi-capillary structure according to any one of the above-described variants is characterized in that a metal having a low melting point and high adhesion to the microcapillary material is selected as the material of the metal plugs.
  • the multi-capillary structure according to any one of the above-described variants is characterized in that an indium-tin alloy is chosen as the material of the plugs.
  • Multi-capillary structure according to any one of the above options, characterized in that the length of the tube L is determined by the formula:
  • g is the internal diameter of the capillary
  • k is the adhesion force of the alloy with a unit of the glass surface
  • P is the required gas pressure inside the capillary
  • the multi-capillary structure according to any one of the above-described variants is characterized in that the ratio of the wall thickness to the radius of microcapillaries in the area of constant cross section can be from 0.1% to 10%.
  • the multi-capillary structure according to any one of the above-described variants is characterized in that the ratio of the wall thickness to the radius of microcapillaries in the area of constant cross section can be from 0.1% to 2%.
  • the multi-capillary structure according to any one of the above-described variants is characterized in that epoxy rubber or epoxy glue is used as the plastic material.
  • the present invention is a device for storing and transporting compressed hydrogen gas to fuel cells, comprising one or more multi-capillary units containing hydrogen gas, a flexible multi-capillary gas pipeline integrated with multi-capillary blocks for transporting stored hydrogen to the fuel cell, and hydrogen inlet and outlet control system, including pressure sensors and gas pipeline valves.
  • the device includes a hexagonal multi-capillary structure consisting of a plurality of tightly packed cylindrical glass microcapillaries, one end of which is sealed with metal plugs.
  • the main difference from the analogs is that the space between the cylindrical microcapillaries is filled with epoxy rubber or other plastic material, which ensures solidity of the structure, prevents diffusion of hydrogen through the walls of the capillaries into the environment and increases the strength of the capillaries by filling nano-cracks on the outer surface of the capillaries.
  • the multi-capillary structure consists of tightly welded hexagonal prismatic (hexagonal) capillaries.
  • the external capillaries have a special shape, such that the flat edges of the prisms are replaced by segments of a cylindrical surface. This leads to the fact that under internal gas pressure, the external surface of the multi-capillary structure undergoes tension, not bending, as in the case of flat edges, leading to a cascade destruction of the structure at high gas pressures.
  • the plugs are made of a low-melting alloy with high adhesion to glass, preferably an indium-tin alloy, with the length of the plugs being proportional to the diameter of the microcapillaries and inversely proportional to the degree of adhesion.
  • a multi-capillary structure has a constant cross-section at a certain length, which then decreases sharply to the value at which the multi-capillaries become quite flexible.
  • the area of flexibility of multi-capillaries is the length required to transport hydrogen to the fuel cell.
  • a flexible multi-capillary gas pipeline may have an outer shell that protects it from external mechanical stress. Hydrogen storage of sufficient volume and arbitrary Forms are created from several multi-capillary structures by combining them with epoxy rubber. The storage may have an outer shell of a lightweight porous polymer that protects it from shock.
  • the device as a whole also includes an adjustable discharge valve connected to the end of a flexible multi-capillary gas pipeline.
  • the device according to the present invention can also be used for the storage and release of gases other than hydrogen, for example methane, oxygen, helium, a mixture of hydrogen and methane, a mixture of oxygen and helium, and other gases, as well as mixtures thereof.
  • gases other than hydrogen, for example methane, oxygen, helium, a mixture of hydrogen and methane, a mixture of oxygen and helium, and other gases, as well as mixtures thereof.
  • FIG. 1 is a cross section of a structure of densely packed cylindrical glass microcapillaries in a gas storage area.
  • FIG. 2 - view of the structure of tightly welded hexagonal prismatic (hexagonal) capillaries from the closed ends of the capillaries.
  • FIG. 3 - a form of multi-capillary structure in which the gas storage area goes into a flexible multi-capillary gas pipeline.
  • FIG. 4 is one of the possible schemes for combining multi-capillary structures into a single gas storage of arbitrary shape.
  • FIG. 5 - the possible structure of a multi-capillary gas cable.
  • FIG. 1 shows schematically a cross section of a first variant of a multi-capillary unit for storing and transporting hydrogen to a fuel cell.
  • the structure consists of many identical cylindrical thin-walled glass microcapillaries (1), tightly packed into a hexagonal or other matrix, closed at the ends with plugs (3) of a metal alloy with a sufficiently low melting point, having sufficiently good adhesion to glass and chemical resistance to hydrogen, for example , alloy ln50sn. After cooling the melt below the melting point inside the capillaries, a solid metal plug (3) is formed.
  • the length of the tube L is chosen from the condition of exceeding the adhesion force of the tube with the inner surface of the capillary over the force that pushes the plug when the capillary is filled with gas with pressure R.
  • r is the internal diameter of the capillary
  • k is the adhesion force of the alloy with a unit of the glass surface.
  • the material of the capillaries (1) can be various types of glass, quartz or basalt, which can be drawn from the corresponding preforms by softening them at elevated temperatures without subsequent crystallization.
  • the microcapillary wall thickness should preferably be less than 10 microns, more preferably less than 2 microns.
  • the ratio of the wall thickness to the radius of the microcapillaries should preferably be from 0.1% to 10%, more preferably from 0.1% to 2%.
  • the space between microcapillaries (1) is filled with plastic material (2), for example, epoxy glue or epoxy rubber, for example, Colltech CT 1010 glue, the liquid monomer phase of which has low viscosity and is able to easily fill the space inside and between the microcapillaries due to capillary forces.
  • plastic material (2) for example, epoxy glue or epoxy rubber, for example, Colltech CT 1010 glue, the liquid monomer phase of which has low viscosity and is able to easily fill the space inside and between the microcapillaries due to capillary forces.
  • another glue with the required characteristics can be used.
  • the monomer Since the lifting height of the monomer (the liquid phase of the plastic material) due to capillary forces is inversely proportional to the diameter of the channel, the monomer penetrates into the inter-capillary space to a much greater depth than the capillaries themselves. Polymerization of the monomeric phase of the adhesive occurs under the influence of ultraviolet radiation or heat. After polymerization, the part with closed capillaries must be cut off from the multi-capillary structure, leaving the inter-capillary space closed. Inter-capillary filling plastic material (2) provides a monolithic structure, prevents the diffusion of hydrogen through the walls of capillaries into the environment and increases the strength of capillaries by filling possible nano-cracks on the outer surface of the capillaries. To create the plugs (3), the ends of the microcapillaries (1) are immersed in the melt and vacuum of the air inside the capillaries is created using a pump.
  • the inner microcapillaries (1) have the shape of hexagonal prisms with common faces, forming a honeycomb structure in cross section
  • the outer microcapillaries have a special shape, where instead of flat faces they have cylindrical faces (4) on the outer surface and therefore Bending deformations are experienced when the structure is loaded with internal gas pressure, which may be critical for the strength of the glass.
  • the corresponding shape of the outer edges can be obtained, for example, from flat edges, if you heat the multi-capillary structure from fully hexagonal prisms, after having soldered all the ends of the structure.
  • the internal air pressure due to heating deforms the outer edges as necessary if the viscosity of the glass during heating is sufficiently low.
  • the initially open ends of the microcapillaries are immersed in the melt and vacuum of the air inside the capillaries is created using a pump.
  • Block (5) may contain from several tens to several hundred thousand microcapillaries (1) and have a cross-sectional area in the gas storage area from several square millimeters to several tens of square centimeters.
  • the shape of the block is not limited to the hexagon and may have a different geometric shape, for example, a parallelepiped shape or another shape that allows subsequent tight packing of the blocks into a micro-capillary system.
  • the transverse dimensions of the block should provide sufficient flexibility for the multi-capillaries (1), preferably these are transverse dimensions below 300 microns.
  • a micro-capillary system for mobile storage of fuel gases and their transportation to fuel cells is obtained by sintering or gluing several blocks (5) into an arbitrary shape structure, with This flexible ends (6) multi-capillaries are combined into a multi-capillary cable (7).
  • the end of the cable is connected with epoxy glue to the inlet of the control valve (pressure regulator) of high pressure (8).
  • the output of the reducer is connected to the buffer volume (collector) (9), where the gas pressure is maintained at the level required for normal operation of the fuel cell (10). For example, if the hydrogen pressure in the microcapillary system can reach 100 MPa, then in the buffer volume it should be reduced to 0.1 - 0.5 MPa.
  • Any standard high-pressure valve can be used as a reducer, for example, BuTech 316SS (http: //www.haskel.corn/wp-content/uploads/ReliefValve Brochure-4-12.pdf), designed to work with hydrogen at inlet pressure up to 100 MPa.
  • BuTech 316SS http: //www.haskel.corn/wp-content/uploads/ReliefValve Brochure-4-12.pdf
  • the cross-section of the multi-capillary cable is illustrated schematically in FIG. 5.
  • the multi-capillary cable (7) may have a supporting cable made of fiberglass or metal (11) covered with a polyethylene sheath (12), which serves to center individual gas pipelines (6), impart mechanical rigidity to the cable (7) and to fix the cable in coupling clutch (8).
  • the cable can be covered with a layer of Kevlar or carbon filaments (13) and / or a soft sheath (14), for example, from polyurethane foam, to protect against accidental external damage during its installation from multi-capillary blocks to the buffer volume.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области хранения газа, предпочтительно водорода и представляет собой мульти-капиллярную структуру. Мульти-капиллярная структура имеет постоянное сечение на некоторой длине, которое затем резко уменьшается до значения, при котором мульти-капилляры становятся достаточно гибкими. Область гибкости мульти-капилляров имеет длину, необходимую для транспортировки водорода в топливный элемент. Таким образом создается гибкий мульти-капиллярный газопровод, интегрированный с объемом хранящегося водорода, который служит для подачи водорода к топливному элементу. Технический результат заключается в обеспечение быстрой заправки микро-капиллярной емкости газом высокого давления и регулируемый выпуск газа из емкости в коллектор, где должно поддерживаться умеренное давление (<1 МПа), необходимое для работы топливного элемента. При этом достигается обеспечение оптимальной безопасности и массогабаритных характеристик энергетической установки, включающей систему хранения газа и его транспортировку в топливные элементы.

Description

СИСТЕМА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ГАЗОВ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области хранения газов под высоким давлением. Более точно, изобретение относится компактным и лёгким хранилищам газов, таких как водород и метан. Изобретение может найти применение в области двигателей, в частности автомобильных, в которых для выработки электроэнергии используются каталитические реакции топливных газов с кислородом в топливных элементах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время наиболее распространенными источниками электрической энергии для мобильной электроники и беспилотных летательных аппаратов являются никель-полимерные или литий-полимерные аккумуляторные батареи. Лучшие литий- полимерные батареи имеют удельную энергоёмкость около 200 Вт*час/кг при общей энергоемкости 20 А*час, что ограничивает время работы устройств без подзарядки батареи. Для существенного увеличения энергоемкости мобильной энергетической установки используются топливные элементы. В топливных элементах поток топливного газа, поступающего из мобильного хранилища, вступает в каталитическую реакцию с окислителем, в результате которой производится электроэнергия. Наиболее распространенным топливом для топливных элементов является водород, а в качестве окислителя используется кислород (воздух), при этом вырабатываются вода, тепловая энергия и электроэнергия. Однако могут использоваться и другие виды топлива, например, топливные элементы, работающие на природном газе.
Одной из проблем, с которыми сталкивается водородная энергетика, является безопасное хранение и регулируемая подача водородного топлива в топливный элемент. Разработаны различные способы мобильного хранения водорода в стальных или композитных баллонах, включающие физические методы хранения (в жидком, сжатом или сорбированном пористыми структурами виде) и химические методы хранения (гидриды металлов). Все эти способы имеют существенные ограничения по весовому и объёмному содержанию водорода в системе хранения и подачи топлива. (Gupta R., Basile A., Veziroglu Т. N. (ed.), Compendium of Hydrogen Energy: Hydrogen Storage, Distribution and Infrastructure - Woodhead Publishing, 2016).
Более перспективным выглядит использование хранилищ на основе микро- капиллярных структур. Известно, что капиллярные емкости из высокопрочных сортов стекла являются практической альтернативой существующим баллонам из стали и композитных материалов для хранения и транспортировки сжатых топливных газов. Согласно имеющимся экспериментальным данным (Zhevago N. К., Denisov Е. /., Glebov V. /., Experimental investigation of hydrogen storage in capillary arrays, International journal of hydrogen energy. - 2010. - T. 35. - N°. 1. - C. 169-175), микрокапилляры из стекла могут быть использованы для безопасного хранения водорода и других газов при давлениях, существенно более высоких (более 100 МПа), чем в стандартных (20-35 МПа) и композитных (35-70 МПа) баллонах, что обеспечивает рекордное весовое содержание газов в них. Поскольку объём газа, хранящегося в капиллярных структурах, разбит на множество мелких объёмов, соответствующее числу микрокапилляров в мульти- капиллярной емкости, то уменьшается вероятность мгновенного выброса большого количества газа в атмосферу при аварийном разрушении части емкости, тем самым повышается безопасность хранения топливного газа под большим давлением.
Мульти-капиллярные емкости обладают и иными преимуществами. В отличии от обычных газовых баллонов высокого давления, которые по соображениям прочности имеют форму кругового цилиндра или сферы, мульти-капиллярные емкости могут принимать произвольную форму (шестигранную, плоскую и т.д.). В результате они могут быть размещены в любых полых элементах конструкций аппаратов, использующих топливные элементы для генерации электроэнергии. Важным свойством стеклянных капилляров диаметром менее 200 микрон является также их механическая гибкость. По этой причине пучок гибких капилляров может использоваться как газопровод высокого давления, связывающий, например, основной объём хранилища газа с топливным элементом, причем при необходимости поворота потока газа не требуется соединительных муфт (Жеваго И. К. и др., Микрокапиллярные емкости для хранения водорода, Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. - 2012. - Na. 9. - С. 106-115). Пучки гибких капилляров находят широкое применение не только в области хранения топливного газа. Так, такие структуры предлагалось использовать, например, как хранилище газов, преимущественно кислорода для дыхания пассажиров самолетов в экстренных ситуациях (DE 10343250 А1 ).
Для практического использования топливного газа, хранящегося в мульти- капиллярной емкости, необходимо обеспечить быструю заправку емкости газом и регулируемый выпуск газа из ёмкости в буфер, где должно поддерживаться умеренное давление (порядка 0.1-1 .0 МПа) для последующего пропускания газового потока через мембраны топливного элемента. В предлагаемых ранее конструкциях мульти- капиллярных емкостей для выпуска газа из капилляров использовался плавкий металлический слой (патенты RU 2327078 С2, RU 2339870 С1 ) или пробки (US 2009012081 1 А1 , ЕР 2062850 A3), закрывающие свободные (не запаянные) торцы капилляров. В них выпуск газа может осуществляться путем деструкции (плавления) соответственно слоя или пробок. Подобный подход видится не самым эффективным, он слишком сложен для регулирования, требует энергетических затрат на нагрев, а также может приводить к снижению прочности капилляров из-за разности коэффициентов объёмного расширения стекла и материала слоев (пробок). Иным недостатком таких решений является то, что в них не обеспечены быстрая заправка емкости газом и регулируемый выпуск газа из емкости в буфер при обеспечении оптимальной надежности и скорости выпуска газа из капилляров.
Чтобы исключить термическое воздействие на капилляры для выпуска газа из емкости к топливному элементу было предложено (US 20150236362 А1 ) вклеить множество открытых с одного конца микрокапилляров (картриджей) в цилиндрические защитные цилиндры, которые в свою очередь своим открытым концом встроены в адаптер, имеющий стандартную систему подачи водорода в топливные элементы. В похожей схеме решения (US 2013186904 А1 ) пучок капилляров предлагалось поместить в закрытый контейнер, имеющий пространство высокого давления для выхода газа из капилляров, а для создания газового хранилища достаточного объёма, группу контейнеров было предложено объединить трубопроводами.
В то же время можно отметить, что такая схема подачи водорода относительно безопасна только в случае, если поперечное сечение защитного цилиндра (контейнера) достаточно мало. Это связано с тем, что сила давления газа в месте соединения картриджа с цилиндром пропорциональна площади его сечения. Например, при давлении 100 МПа и площади всего в 1 см2 эта сила составляет около 1000 кгс, поэтому для хранения достаточного объёма сжатого газа требуется большое число картриджей с умеренным поперечным сечением и ряд соединительных элементов картриджей с адаптером, что утяжеляет систему. Другим недостатком является то, что между картриджами возникает бесполезный объём и тем самым ухудшаются габаритные показатели энергетической установки.
Таким образом, на настоящий момент заявителю не известно решения, которое было бы удовлетворительным как по своим массогабаритным характеристикам, так и по критериям безопасности использования.
Существует необходимость в дальнейшем улучшении оборудования для мобильного хранения водорода с целью обеспечения более эффективной подачи водорода из мульти-капиллярного хранилища в топливные элементы. Таким образом, задача повышения безопасности и улучшения массогабаритных характеристик энергетической установки является на сегодня крайне актуальной.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является преодоление недостатков известного уровня техники. Более точно, задачей настоящего изобретения является обеспечение быстрой заправки микро-капиллярной емкости газом высокого давления и регулируемый выпуск газа из емкости в коллектор, где должно поддерживаться умеренное давление (<1 МПа), необходимое для работы топливного элемента. При этом необходимо обеспечение оптимальной безопасности и массогабаритных характеристик энергетической установки, включающей систему хранения газа и его транспортировку в топливные элементы. Задача решается за счёт того, что:
Мульти-капиллярная система хранения газа, включающая пучок микрокапилляров, герметизированных с одного конца, отличается тем, что микрокапилляры герметизированы при помощи металлических пробок, пространство между микрокапиллярами заполнено пластичным материалом, а сами микрокапилляры выполнены цилиндрической формы и имеют постоянное сечение с закрытых концов, которое затем уменьшается ближе к открытым концам до величины, при которых микрокапилляры становятся гибкими с образованием гибкого газопровода.
Мульти-капиллярная система хранения газа, включающая пучок микрокапилляров, герметизированных с одного конца, отличается тем, что микрокапилляры герметизированы при помощи металлических пробок, микрокапилляры выполнены в форме шестигранных призматических капилляров с общими гранями, при этом для крайних микрокапилляров пучка их части, обращенные наружу пучка выполнены цилиндрическими, при этом капилляры имеют постоянное сечение с закрытых концов, которое затем уменьшается ближе к открытым концам до величины, при которых микрокапилляры становятся гибкими с образованием гибкого газопровода.
Мульти-капиллярная структура по любому из вышеописанных вариантов, отличается тем, что микрокапилляры выполнены из стекла, или из кварца, или из базальта.
Мульти-капиллярная структура по любому из вышеописанных вариантов, отличается тем, что в качестве материала металлических пробок выбран металл, обладающий низкой температурой плавления и высокой адгезией к материалу микрокапилляров.
Мульти-капиллярная структура по любому из вышеописанных вариантов, отличается тем, что в качестве материала пробок выбран сплав индия с оловом.
Мульти-капиллярная структура по любому из вышеописанных вариантов, отличается тем, что длина пробки L определяется по формуле:
где г - внутренний диаметр капилляра, к - сила адгезии сплава с единицей поверхности стекла, Р - требуемое давление газа внутри капилляра.
Мульти-капиллярная структура по любому из вышеописанных вариантов, отличается тем, что отношение толщины стенки к радиусу микрокапилляров в области постоянного сечения быть от 0.1 % до 10%.
Мульти-капиллярная структура по любому из вышеописанных вариантов, отличается тем, что отношение толщины стенки к радиусу микрокапилляров в области постоянного сечения быть от 0.1% до 2%. Мульти-капиллярная структура по любому из вышеописанных вариантов, отличается тем, что в качестве пластичного материала используется эпоксидная резина или эпоксидный клей.
Настоящее изобретение представляет собой устройство для хранения и транспортировки сжатого газообразного водорода в топливные элементы, включающее один или несколько мульти-капиллярных блоков, содержащих газообразный водород, гибкий мульти-капиллярный газопровод, интегрированный с мульти-капиллярными блоками для транспортировки хранящегося водорода к топливному элементу, и систему контроля впуска и выпуска водорода, включающую датчики давления и клапаны газопровода.
Согласно одному из вариантов, устройство включает в себя шестигранную мульти- капиллярную структуру, состоящую из множества плотно упакованных цилиндрических стеклянных микрокапилляров, один конец которых герметизирован при помощи металлических пробок. Основным отличием от аналогов является то, что пространство между цилиндрическими микрокапиллярами заполнено эпоксидной резиной или другим пластичным материалом, которая обеспечивает монолитность конструкции, препятствует диффузии водорода через стенки капилляров в окружающую среду и увеличивает прочность капилляров за счёт заполнения нано-трещин на внешней поверхности капилляров.
В другом варианте мульти-капиллярная структура состоит из плотно спаянных шестигранных призматических (гексагональных) капилляров. Однако, в отличии от аналогов, внешние капилляры имеют специальную форму, такую, что плоские грани призм заменены на сегменты цилиндрической поверхности. Это приводит к тому, что при нагрузке внутренним давлением газа внешняя поверхность мульти-капиллярной структуры испытывает растяжение, а не изгиб, как в случае плоских граней, приводящий к каскадному разрушению структуры при высоких давлениях газа.
Пробки изготавливают из легкоплавкого сплава, имеющего высокую адгезию к стеклу, предпочтительно сплава индия с оловом, причем длина пробок пропорциональна диаметру микрокапилляров и обратно пропорциональна степени адгезии.
Основным отличием от аналогов является форма мульти-капиллярной структуры. Мульти-капиллярная структура имеет постоянное сечение на некоторой длине, которое затем резко уменьшается до значения, при котором мульти-капилляры становятся достаточно гибкими. Область гибкости мульти-капилляров имеет длину, необходимую для транспортировки водорода в топливный элемент. Таким образом создается гибкий мульти-капиллярный газопровод, интегрированный с объёмом хранящегося водорода, который служит для подачи водорода к топливному элементу. Гибкий мульти- капиллярный газопровод может иметь внешнюю оболочку, защищающую его от внешнего механического воздействия. Хранилище водорода достаточного объёма и произвольной формы создается из нескольких мульти-капиллярных структур путем их объединения посредством эпоксидной резины. Хранилище может иметь внешнюю оболочку из лёгкого пористого полимера, защищающего его от ударных воздействий. Устройство в целом также включает в себя регулируемый выпускной клапан, соединенный с концом гибкого мульти-капиллярного газопровода.
Следует отметить, что устройство согласно настоящему изобретению может быть использовано также для хранения и выпуска газов, отличных от водорода, например, метана, кислорода, гелия, смеси водорода и метана, смеси кислорода и гелия, и других газов, а также их смесей.
Вышеописанные черты и преимущества настоящего изобретения, а также способы их достижения, станут более ясными и понятными на основании дальнейшего описания вариантов осуществления изобретения со ссылками на фигуры чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - поперечное сечение структуры из плотно упакованных цилиндрических стеклянных микрокапилляров в области хранения газа.
Фиг. 2 - вид структуры из плотно спаянных шестигранных призматических (гексагональных) капилляров со стороны закрытых концов капилляров.
Фиг. 3 - форма мульти-капиллярной структуры, при которой область хранения газа переходит в гибкий мульти-капиллярный газопровод.
Фиг. 4 - одна из возможных схем объединения мульти-капиллярных структур в единое хранилище газа произвольной формы.
Фиг. 5 - возможная структура мульти-капиллярного газопроводного кабеля.
На чертежах цифрами обозначены следующие элементы:
1. Микрокапилляры
2. Пластичный материал
3. Пробки
4. Наружные грани капилляров
5. Блоки капилляров
6. Компонента газопроводного кабеля
7. Газопроводный кабель
8. Редуктор высокого давления
9. Буферный объём для водорода с редуцированным давлением
10. Топливные элементы
11. Несущий трос мульти-капиллярного кабеля
12. Полиэтиленовая оболочка
13. Кевларовая или углеродная обмотка кабеля
14. Противоударная оболочка кабеля ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
На фиг. 1 схематично изображено поперечное сечение первого варианта мульти- капиллярного блока для хранения и транспортировки водорода к топливному элементу. Структура состоит из множества одинаковых цилиндрических тонкостенных стеклянных микрокапилляров (1), плотноупакованных в матрицу гексагональной или другой формы, закрытых с торцов пробками (3) из металлического сплава с достаточно низкой температурой плавления, имеющего достаточно хорошую адгезию к стеклу и химическую стойкость к водороду, например, сплава ln50Sn. После охлаждения расплава ниже точки плавления внутри капилляров образуется твердая металлическая пробка (3). Длина пробки L выбирается из условия превышения силы сцепления пробки с внутренней поверхностью капилляра над силой, выталкивающей пробку при наполнении капилляра газом с давлением Р.
Согласно расчётам, длина пробки L должна удовлетворять условию
Р * г
L >
2 · к
где г - внутренний диаметр капилляра, к - сила адгезии сплава с единицей поверхности стекла.
Материалом капилляров (1) могут быть различные виды стекла, кварца или базальта, допускающие вытяжку из соответствующих преформ путем их размягчения при повышенных температурах без последующей кристаллизации. Для минимизации вероятности появления нано-трещин с критической глубиной на поверхности микро- цилиндров толщина стенки микрокапилляров должна быть предпочтительно менее 10 мкм, более предпочтительно менее 2 мкм.
Для минимизации веса микро-капиллярной системы отношение толщины стенки к радиусу микрокапилляров предпочтительно должно быть от 0.1% до 10%, более предпочтительно от 0.1% до 2%.
Пространство между микрокапиллярами (1) заполняется пластичным материалом (2), например, эпоксидным клеем или эпоксидной резиной, например, клеем Colltech СТ 1010, жидкая мономерная фаза которого имеет малую вязкость и способна легко заполнять пространство внутри и между микрокапиллярами за счёт капиллярных сил. В то же время, стоит отметить, что может быть использован и иной клей с требуемыми характеристиками.
Поскольку высота подъема мономера (жидкой фазы пластичного материала) за счёт капиллярных сил обратно пропорциональна диаметру канала, мономер проникает в между-капиллярное пространство на гораздо большую глубину, чем в сами капилляры. Полимеризация мономерной фазы клея происходит под воздействием ультрафиолетового излучения или нагревания. После полимеризации нужно отсечь от мульти-капиллярной структуры часть с закрытыми капиллярами, оставив закрытым между-капиллярное пространство. Заполнение между-капиллярного пространства пластичным материалом (2) обеспечивает монолитность конструкции, препятствует диффузии водорода через стенки капилляров в окружающую среду и увеличивает прочность капилляров за счёт заполнения возможных нано-трещин на внешней поверхности капилляров. Для создания пробок (3) концы микрокапилляров (1) погружают в расплав и создают разрежение воздуха внутри капилляров с помощью насоса.
Второй вариант осуществления схематично представлен на фиг. 2. В этом случае внутренние микрокапилляры (1) имеют форму шестигранных призм с общими гранями, образуя в поперечном сечении сотовую структуру, а внешние микрокапилляры, имеют специальную форму, где вместо плоских граней они имеют цилиндрические грани (4) на внешней поверхности и поэтому не испытывают деформации изгиба при нагрузке структуры внутренним давлением газа, которая может оказаться критической для прочности стекла. Соответствующая форма внешних граней может быть получена, например, из плоских граней, если нагреть мульти-капиллярную структуру из полностью шестигранных призм, предварительно запаяв все концы структуры. Внутреннее давление воздуха, возникающее из-за нагрева, деформирует внешние грани нужным образом, если вязкость стекла при нагреве будет достаточно низкой. Для создания пробок (3) в этом случае первоначально открытые концы микрокапилляров погружают в расплав и создают разрежение воздуха внутри капилляров с помощью насоса.
Общий вид шестигранного мульти-капиллярного блока схематически показан на фиг. 3. Блок (5) может содержать от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч микрокапилляров (1) и иметь площадь поперечного сечения в области хранения газа от нескольких квадратных миллиметров до нескольких десятков квадратных сантиметров. Форма блока не ограничивается шестигранником и может иметь другую геометрическую форму, например, форму параллелепипеда или другую форму, допускающую последующую плотную упаковку блоков в микро-капиллярную систему.
В области транспортировки газа (6) поперечные размеры блока должны обеспечивать достаточную гибкость мульти-капилляров (1), предпочтительно это поперечные размеры ниже 300 микрон. Гибкие концы микро-капиллярного блока (5) могут быть получены, например, путем нагревания мульти-капилляров (1) до температуры, когда вязкость стекла уменьшается до значения, при которой становится возможной перетяжка части блока. Такая процедура применяется, например, при создании стеклянных мульти-капиллярных структур с переменным поперечным сечением для рентгеновской оптики в ООО «ТОСС» (http://www.tegs. ru/?p=261). При перетяжке внутренняя структура мульти-капилляра (1) масштабируется к меньшим размерам, сохраняя свою геометрию.
Микро-капиллярная система для мобильного хранения топливных газов и их транспортировки в топливные элементы, схематически показанная на Фиг.4, получается спеканием или склеиванием нескольких блоков (5) в структуру произвольной формы, при этом гибкие концы (6) мульти-капилляров объединяются в мульти-капиллярный кабель (7). Конец кабеля соединяется эпоксидным клеем со входом регулирующего клапана (редуктора) высокого давления (8). Выход редуктора соединён с буферным объёмом (коллектором) (9), где поддерживается давление газа на уровне, требуемом для нормальной работы топливного элемента (10). Например, если давление водорода в микро-капиллярной системе может достигать 100 МПа, то в буферном объёме оно должно быть снижено до 0.1 - 0.5 МПа. В качестве редуктора может использоваться любой стандартный клапан высокого давления, например, BuTech 316SS (http://www.haskel.corn/wp-content/uploads/ReliefValve Brochure-4-12.pdf), предназначенный для работы с водородом при входном давлении до 100 МПа.
Поперечное сечение мульти-капиллярного кабеля иллюстрируется схематически на фиг. 5. Мульти-капиллярный кабель (7) может иметь несущий трос из стеклопластика или металла (11), покрытого полиэтиленовой оболочкой (12), который служит для центрирования отдельных газопроводов (6), придания механической жесткости кабелю (7) и для закрепления кабеля в муфте редуктора (8). Кабель может быть покрыт слоем из кевларовых или углеродных нитей (13) и/или мягкой оболочкой (14), например, из полиуретановой пены, для защиты от случайных внешних повреждений при его прокладке от мульти-капиллярных блоков до буферного объёма.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ.
Изобретение может быть осуществлено на основании настоящего описания. Все необходимые для этого средства и методы раскрыты в описании, либо известны специалисту из уровня техники.
Также следует понимать, что представленные в настоящей заявке графические материалы приведены исключительно в иллюстративных целях и не предназначены для того, чтобы быть ограничивающими. Следует отметить, что рисунки, иллюстрирующие различные примеры устройства согласно настоящему изобретению, приведены для ясности без соблюдения масштаба и пропорций. Следует также отметить, что блоки и другие элементы на данных рисунках представляют собой исключительно функциональные единицы, так что показаны функциональные соотношения между этими единицами, а не какие-либо физические связи и/или физические взаимодействия. Можно добавить, что изобретение может быть осуществлено в рамках заявленной формулы и иными вариантами, отличными от описанных, что будет очевидным для специалиста в данной области техники.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Мульти-капиллярная система хранения газа, включающая пучок микрокапилляров, герметизированных с одного конца, отличающаяся тем, что микрокапилляры герметизированы при помощи металлических пробок, пространство между микрокапиллярами заполнено пластичным материалом, а сами микрокапилляры выполнены цилиндрической формы и имеют постоянное сечение с закрытых концов, которое затем уменьшается ближе к открытым концам до величины, при которых микрокапилляры становятся гибкими с образованием гибкого газопровода.
2. Мульти-капиллярная система хранения газа, включающая пучок микрокапилляров, герметизированных с одного конца, отличающаяся тем, что микрокапилляры герметизированы при помощи металлических пробок, микрокапилляры выполнены в форме шестигранных призматических капилляров с общими гранями, при этом для крайних микрокапилляров пучка их части, обращенные наружу пучка выполнены цилиндрическими, при этом капилляры имеют постоянное сечение с закрытых концов, которое затем уменьшается ближе к открытым концам до величины, при которых микрокапилляры становятся гибкими с образованием гибкого газопровода.
3. Мульти-капиллярная структура по п. 1 , отличающаяся тем, что микрокапилляры выполнены из стекла, или из кварца, или из базальта.
4. Мульти-капиллярная структура по п. 2, отличающаяся тем, что микрокапилляры выполнены из стекла, или из кварца, или из базальта.
5. Мульти-капиллярная структура по п. 1 , отличающаяся тем, что в качестве материала металлических пробок выбран металл, обладающий низкой температурой плавления и высокой адгезией к материалу микрокапилляров.
6. Мульти-капиллярная структура по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве материала металлических пробок выбран металл, обладающий низкой температурой плавления и высокой адгезией к материалу микрокапилляров.
7. Мульти-капиллярная структура по п. 5, отличающаяся тем, что в качестве материала пробок выбран сплав индия с оловом.
8. Мульти-капиллярная структура по п. 6, отличающаяся тем, что в качестве материала пробок выбран сплав индия с оловом.
9. Мульти-капиллярная структура по п. 1 , отличающаяся тем, что длина пробки L определяется по формуле:
Р *г где г - внутренний диаметр капилляра, к - сила адгезии сплава с единицей поверхности стекла, Р - требуемое давление газа внутри капилляра.
10. Мульти-капиллярная структура по п. 2, отличающаяся тем, что длина пробки L определяется по формуле. P *r
£ >— 2 * к г
где г - внутренний диаметр капилляра, к - сила адгезии сплава с единицей поверхности стекла, Р - требуемое давление газа внутри капилляра.
11. Мульти-капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что отношение толщины стенки к радиусу микрокапилляров в области постоянного сечения быть от 0.1% до 10%.
12. Мульти-капиллярная структура по п. 2, отличающаяся тем, что отношение толщины стенки к радиусу микрокапилляров в области постоянного сечения быть от 0.1% до 10%.
13. Мульти-капиллярная структура по п. 11, отличающаяся тем, что отношение толщины стенки к радиусу микрокапилляров в области постоянного сечения быть от 0.1 % до 2%.
14. Мульти-капиллярная структура по п. 12, отличающаяся тем, что отношение толщины стенки к радиусу микрокапилляров в области постоянного сечения быть от 0.1% до 2%.
15. Мульти-капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве пластичного материала используется эпоксидная резина или эпоксидный клей.
16. Мульти-капиллярная структура по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве пластичного материала используется эпоксидная резина или эпоксидный клей.
PCT/RU2018/000495 2017-07-28 2018-07-25 Система для хранения топливных газов WO2019022643A1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020527722A JP7212957B2 (ja) 2017-07-28 2018-07-25 燃料ガスの貯蔵のシステム
DE112018003849.1T DE112018003849B4 (de) 2017-07-28 2018-07-25 System zur speicherung von brenngasen
KR1020207002203A KR102303890B1 (ko) 2017-07-28 2018-07-25 연료 가스 저장 시스템
CN201880050001.3A CN110959088B (zh) 2017-07-28 2018-07-25 燃料气体储存系统
US16/750,573 US10928005B2 (en) 2017-07-28 2020-01-23 Multicapillary system for storing fuel gases

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127195 2017-07-28
RU2017127195A RU2665564C1 (ru) 2017-07-28 2017-07-28 Система для хранения топливных газов

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US16/750,573 Continuation US10928005B2 (en) 2017-07-28 2020-01-23 Multicapillary system for storing fuel gases

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019022643A1 true WO2019022643A1 (ru) 2019-01-31

Family

ID=63460089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000495 WO2019022643A1 (ru) 2017-07-28 2018-07-25 Система для хранения топливных газов

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10928005B2 (ru)
JP (1) JP7212957B2 (ru)
KR (1) KR102303890B1 (ru)
CN (1) CN110959088B (ru)
DE (1) DE112018003849B4 (ru)
RU (1) RU2665564C1 (ru)
WO (1) WO2019022643A1 (ru)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111409840A (zh) * 2020-04-09 2020-07-14 深圳中科微管科技有限公司 氢动力无人驾驶飞行器的储氢容器
DE102020213911A1 (de) 2020-11-05 2022-05-05 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Tankeinrichtung für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Herstellen einer Tankeinrichtung für ein Brennstoffzellensystem
CN112361203A (zh) * 2020-11-09 2021-02-12 深圳中科微管科技有限公司 一种高安全性气体储存装置
CN113137560A (zh) * 2020-12-16 2021-07-20 深圳中科微管科技有限公司 一种用于氢气的储氢罐结构
US11703185B2 (en) * 2021-03-22 2023-07-18 Ezng Solutions, Llc Apparatus, systems, and methods for storing and transporting compressed fluids
CN113357526B (zh) * 2021-07-05 2022-06-17 中能氢储(北京)能源工程研究院有限责任公司 一种微管储氢装置的制造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2327078C2 (ru) * 2006-06-07 2008-06-20 Александр Федорович Чабак Емкость для хранения водорода
RU2339870C1 (ru) * 2007-03-14 2008-11-27 Александр Федорович Чабак Емкость для хранения газов
US20110030383A1 (en) * 2009-08-10 2011-02-10 General Electric Company Hybrid multichannel porous structure for hydrogen separation
RU123106U1 (ru) * 2012-06-26 2012-12-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Капиллярная емкость с системой охлаждения сжатого водорода
RU158382U1 (ru) * 2014-06-16 2015-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук Устройство для аккумулирования газов внутри трубок

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2661477B1 (fr) * 1990-04-26 1992-07-10 Inst Francais Du Petrole Procede de fabrication d'une structure creuse utilisable notamment pour le stockage de fluides sous pression et structure resultante.
JP3778101B2 (ja) * 2002-02-08 2006-05-24 日産自動車株式会社 一酸化炭素除去システム
KR100516643B1 (ko) * 2002-07-05 2005-09-22 삼성전자주식회사 네비게이션 시스템의 경로 설정 방법
DE10343250B4 (de) 2002-11-08 2005-11-17 Airbus Deutschland Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung eines gasförmigen Mediums und Druckbehälter
KR20040044737A (ko) * 2002-11-21 2004-05-31 김경복 구멍 개폐 등 기구
US7491263B2 (en) * 2004-04-05 2009-02-17 Technology Innovation, Llc Storage assembly
KR100619672B1 (ko) * 2004-06-16 2006-09-01 오성근 W/o 에멀젼을 이용하여 끝이 침상인 막대 형태의 금속산화물 입자 제조 및 이를 이용한 튜브 제조 기술
EP2062850A3 (en) 2007-11-08 2009-10-14 C. EN. Limited Apparatus for storage and liberation of compressed hydrogen gas in microcylindrical arrays and system for filling the microcylindrical arrays
US20100059528A1 (en) * 2008-09-11 2010-03-11 C. En. Limited Apparatus for gas storage
US9052063B2 (en) 2012-01-20 2015-06-09 L'Air Liquide Société Anonyme Pour L'Étude Device for storage of compressed gas, method of making the same, and method of using the same
US9217538B2 (en) * 2012-05-03 2015-12-22 Other Lab, Llc Conformable natural gas storage
US9882229B2 (en) 2012-09-19 2018-01-30 C. En Ltd. Hydrogen gas high pressure storage system
EP3234676B1 (en) * 2014-12-19 2022-01-05 Dow Global Technologies LLC Cable jackets having designed microstructures and methods for making cable jackets having designed microstructures
EP3357071A1 (en) * 2015-09-28 2018-08-08 Dow Global Technologies LLC Peelable cable jacket having designed microstructures and methods for making peelable cable jackets having designed microstructures
RU2616140C1 (ru) * 2015-12-24 2017-04-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) Способ хранения природного газа при помощи адсорбции в промышленных газовых баллонах
DE102016201654B3 (de) * 2016-02-03 2017-03-02 Schott Ag Verfahren und Vorrichtung zum Entladen eines Wasserstoffspeichers bei Parabolrinnenreceivern

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2327078C2 (ru) * 2006-06-07 2008-06-20 Александр Федорович Чабак Емкость для хранения водорода
RU2339870C1 (ru) * 2007-03-14 2008-11-27 Александр Федорович Чабак Емкость для хранения газов
US20110030383A1 (en) * 2009-08-10 2011-02-10 General Electric Company Hybrid multichannel porous structure for hydrogen separation
RU123106U1 (ru) * 2012-06-26 2012-12-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Капиллярная емкость с системой охлаждения сжатого водорода
RU158382U1 (ru) * 2014-06-16 2015-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук Устройство для аккумулирования газов внутри трубок

Also Published As

Publication number Publication date
JP7212957B2 (ja) 2023-01-26
RU2665564C1 (ru) 2018-08-31
US20200158285A1 (en) 2020-05-21
CN110959088A (zh) 2020-04-03
KR102303890B1 (ko) 2021-09-17
CN110959088B (zh) 2022-08-23
US10928005B2 (en) 2021-02-23
JP2020528988A (ja) 2020-10-01
DE112018003849B4 (de) 2024-06-13
KR20200022458A (ko) 2020-03-03
DE112018003849T5 (de) 2020-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10928005B2 (en) Multicapillary system for storing fuel gases
EP2805096B1 (en) Device for storage of compressed gas, method of making the same, and method of using the same
EP2163805A2 (en) Apparatus for gas storage
US7870878B2 (en) Apparatus for storage and liberation of compressed hydrogen gas in microcylindrical arrays and system for filling the microcylindrical arrays
US9882229B2 (en) Hydrogen gas high pressure storage system
US20200011483A1 (en) Multi-walled fluid storage tank
CN111336399A (zh) 一种输送能源气体的系统
RU141427U1 (ru) Аккумулятор для хранения газа
Zhevago et al. Experimental investigation of hydrogen storage in capillary arrays
Kastell Hydrogen storage technology for aerial vehicles
RU2339870C1 (ru) Емкость для хранения газов
Gusev et al. Development of advanced principles of hydrogen storage and rational design of novel materials for hydrogen accumulation
WO2007026332A2 (en) Storage of compressed gaseous fuel
CN216896784U (zh) 一种高压储氢装置及系统
WO2011080746A1 (en) Apparatus for storage of compressed hydrogen gas in micro-cylindrical arrays
RU123106U1 (ru) Капиллярная емкость с системой охлаждения сжатого водорода
CN217482505U (zh) 一种用于储存高压氢气的装置及系统
EP3984734A1 (en) Storage tank for gaseous hydrogen
CN111409840A (zh) 氢动力无人驾驶飞行器的储氢容器
RU81286U1 (ru) Емкость для хранения газов
Marquardt et al. An overview of Ball Aerospace cryogen storage and delivery systems
Eliezer et al. An innovative technology for hydrogen storage in portable and mobile systems
Harper OVERWRAPPED PRESSURE VESSELS: Evolution of Composite Overwrapped Pressure Vessels for Hydrogen Energy Production and Storage.
CN112594538A (zh) 一种用于储气的高压气瓶结构
Tariel et al. Thermal insulation for liquid hydrogen space tankage

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18838038

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20207002203

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020527722

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18838038

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18838038

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 20/05/2020)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18838038

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1