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Erfindung
Russische Föderation Patent RU2285859

Behälter zur Aufbewahrung und Speicherung von Wasserstoff

Name des Erfinders: Chabak Alexander Fjodorowitsch (RU)
Der Name des Patentinhabers: Chabak Alexander Fjodorowitsch (RU)
Korrespondenzanschrift: 123585, Moskau, ul. Berzarina, 19, K.1, kv.203, AF Chabak
Startdatum des Patents: 2005.03.29

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wasserstoffenergie - die Ansammlung und Speicherung von Wasserstoff, die derzeit in der chemischen, der Verkehrstechnik und in anderen Industrien verwendet wird. Die Kapazität für die Wasserstoffspeicherung und Lagerung besteht aus einem geschlossenen Gehäuse, Rohrleitungen, der Heizung und der Wasserstoffspeicher Füllstoff innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Behälter durch eine Trennwand aus einem protonenleitenden Material in Anodenhohlraum gefüllt mit Wasser und mit darin angeordneten eine poröse Anoden- und Kathodenhohlraum unterteilt ist darin mit einer festen Kathode und einer Heizung und einem Füllstoff gepackte Wasserstoff-Batterie darstellt, eine mikroporöse Struktur aus hochfestem Material angeordnet ist. Wenn dieses Septum als protonenleitende Membran gestaltet. Die mikroporöse Struktur aus Mikrohohlkugeln hergestellt. Darüber hinaus wird die mikroporöse Struktur aus Aramid Polymergruppe hergestellt. und eine mikroporöse Struktur aus geschäumtem Metall, beispielsweise Nickelschaum, penotitana hergestellt werden. Zusätzlich ist die mikroporöse Struktur aus einem Material mit protonenleitenden Eigenschaften. Die Erfindung stellt einen Behälter für die sichere Lagerung, Wasserstoffspeichermasse mit einer Erhöhung der Wasserstoffgehalt über 6%.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wasserstoffenergie - die Ansammlung und Speicherung von Wasserstoff, die derzeit in der chemischen, der Verkehrstechnik und in anderen Industrien verwendet wird.

Bekannte Vorrichtungen zur Akkumulation und Speicherung von Wasserstoff an der Wasserstoffbindung in dem festen Material auf der Basis (beispielsweise Metallhydriden oder Sorption an der Oberfläche der dispergierten Nanomaterial) (russischen Patent №2037737, 2.038.525, IPC F 17 C 5/04), die Speichereinrichtung und Speicherung von Wasserstoff sind die meisten der bestehenden Ex-Schutz, weil Wasserstoff kein Überdruck, aber solche Systeme Trägheit und erfordern eine gewisse Zeit (etwa mehrere Minuten) für den Beginn der Arbeit, die Absorption und Freisetzung von Wasserstoff erfolgt bei großen thermischen Effekte zudem der Gewichtsgehalt an Wasserstoff - das Gewichtsverhältnis von Wasserstoff in dem Akkumulator auf das Gewicht der Batterie enthaltenen - 4,5% - ist sehr gering. Gewichtsgehalt ist abhängig von der Menge an Wasserstoff in dem Speichermaterial und dem spezifischen Gewicht des Speichermaterials.

Bekannte Wasserstoffspeichertank (Patent №2222749, IPC F 17 C 5/04), die zum Speichern von Flüssigwasserstoff ein abgedichtetes Gehäuse mit Innengefäß, wobei das System gazozapolneniya konfiguriert ist, wodurch Verluste an Wasserstoff zu reduzieren, unteren Tank während des Auftankens. Diese Kapazität für das Wasserstoff - Auto (Shvarts Auto der Zukunft. J. Bulletin, №10 (347), Gebäude 05.01, 12.05.2004) verwendet wird, wird es von festen Verbund aus relativ leichten Materialien gefertigt. Die letztere Modifikation hat ein Volumen von 90 Liter, 40 kg Gewicht, einem Wasserstoffdruck von 400 atm. Schätzungen zeigen , dass der Behälter in diesem Fall kann somit der Gewichtsanteil an Wasserstoff gleich 3,2 / 40 × 100% = 8% 3,2 kg Wasserstoff gelagert werden. Die Nachteile des Behälters Explosivität und niedrigen Wasserstoffgehalt pro Volumeneinheit auf 400 Liter Wasserstoff pro 1 Liter Gasverlust aus dem Behälter.

Es ist bekannt , dass Wasserstoff in den Mikrohohlkugeln aus Glas mit einem Durchmesser von 5 bis 200 Mikron 0,5-5 mm Wandstärke (Malyshenko SP, OV Nazarova Speicherung von Wasserstoff. Die Sammlung von Artikeln gespeichert werden. "Atomic-Wasserstoff Energie und Technologie, "vyp.8, str.155-205, 1988). Bei einer Temperatur von 200-400 ° C unter einem Wasserstoffdruck von aktiv durch die Wände diffundieren, und füllt die Mikrosphären blieben nach ihnen unter Druck abgekühlt wird . So bei einem Druck von 500 Atmosphären Wasserstoff und erhitzt auf den angegebenen Temperaturen Mikrokügelchen wurde eine Masse von Wasserstoffgehalt in den Mikrokugeln 5,5-6,0% erhalten. Bei niedrigerem Druck der Massengehalt an Wasserstoff in den Mikrokugeln abnimmt. Wenn in den Mikrokugeln zu etwa 55% des gespeicherten Wasserstoffs auf 200 ° C erhitzt und etwa 75% beim Erwärmen auf 250 ° C Wenn Glasmikrokugeln in die Wasserstoffdiffusion durch die Wände gespeicherten Verluste bilden etwa 0,5% pro Tag. Im Fall der Beschichtung von Metallfolien Mikrosphären Diffusionsverlust von Wasserstoff bei Raumtemperatur wird mit 10-100 mal reduziert. Ein wesentlicher Nachteil ist , dass der Ladevorgang mit den Mikrokugeln bei relativ niedrigen Wasserstoffdrücken durchgeführt, da die Grenze der Zugfestigkeit des Glases ist niedrig und der Wert liegt im Bereich von bis zu 20 kg / mm 2. Diese im wesentlichen nicht mehr als 6 Gew.% In der Mikrokügelchen für das Gewicht des Wasserstoffgehalts erlaubt.

Bekannte Speicherbehälter und die Wasserstoffspeicherung eines hermetischen Gehäuse besteht, Rohrleitungen, innere Wärmeaustauschflächen und Wasserstoff-Batterie Füllstoff, der die intermetallische Verbindungspulver (RF Patent №2037737, IPC F 17 C 5/04 - Prototyp). Nachteilig an der Erfindung ist , dass die Absorption und Freisetzung von Wasserstoff bei großen thermischen Effekte tritt außerdem der Wasserstoffgehalt der Masse - das Gewichtsverhältnis des Wasserstoffs in dem Tank enthalten ist , das Gewicht des Behälters selbst - 4,5% - sehr niedrig ist.

Das technische Ergebnis, das auf die Erfindung gerichtet ist , ist es, einen Behälter für die sichere Aufbewahrung und Speicherung von Wasserstoff zu schaffen, eine Erhöhung der Masse des Wasserstoffgehalt über 6% bereitstellt.

Für diese vorgeschlagene Speicherkapazität und die Wasserstoffspeicherung, bestehend aus einem geschlossenen Gehäuse, Rohrleitungen, der Heizeinrichtung und dem Füllstoff Akkumulator Wasserstoff innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Behälter durch eine Trennwand von protonoprovodyascheego Material in Anodenhohlraum gefüllt mit Wasser und mit darin angeordneten porösen Anode unterteilt ist und Kathodenhohlraum darin mit einem Durchlauferhitzer angeordnet ist und der Kathode und einer mit Wasserstoff gefüllten Akkumulator-Füllstoff aus einem Material mit einer Zugfestigkeit über 30 kg / mm 2 aufweist und eine mikroporöse Struktur aufweist.

Wenn dieses Septum als protonenleitende Membran gestaltet.

In dieser mikroporöse Struktur aus Mikrohohlkugeln hergestellt.

Darüber hinaus wird die mikroporöse Struktur aus Aramid Polymergruppe hergestellt. und eine mikroporöse Struktur aus geschäumtem Metall, beispielsweise Nickelschaum, penotitana hergestellt werden.

Zusätzlich ist die mikroporöse Struktur aus einem Material mit protonenleitenden Eigenschaften.

Der Wasserstoffgehalt in der mikroporösen Struktur wird durch die Festigkeitseigenschaften der Materialstruktur in erster Linie bestimmt. Für mikroporöse Strukturen für Lagertanks für die Wasserstoffspeicherung und eignen sich hochfeste Materialien mit einer Zugfestigkeit über 30 kg / mm 2. Es hängt von den Festigkeitseigenschaften kann ein Maximaldruck von Wasserstoff unter Verwendung eines festen Porengröße erzeugt werden, der gleiche wie der Wasserstoffdruck erzeugt große Spannungen in den großen Poren und entsprechend geringere Spannung in kleinen Poren. Erhöhen des Porenvolumens (und daher ihre Größe), so erhält man einen höheren Gehalt an Wasserstoff pro Volumeneinheit der mikroporösen Struktur, aber die Porengrößenzunahme wird auf die Begrenzungsspannung begrenzt sind Wasserstoffdruck in diese Poren erzeugt. Als Ergebnis wird die Grenze für jedes Material durch die maximale Porengröße der mikroporösen Struktur der Festigkeitseigenschaften des Materials bestimmt. Darüber hinaus sollte das Material eine mikroporöse Struktur wesentlich unterschiedliche Permeabilitätseigenschaften Wasserstoff unter verschiedenen Bedingungen, wie Temperaturänderungen, durch Beschallung, Hochfrequenzströme, wenn die Spannung AC oder DC angelegt usw. Die Art der Wirkung und seine Größe sich nach den Erfordernissen des Wasserstoffabsorptionsrate der mikroporösen Struktur und / oder Freisetzungsrate von Wasserstoff aus bestimmt.

Die einfachste und tatsächlichen erstellt mikroporöse Struktur ist eine Struktur aus Mikrohohlkugeln gebildet werden, insbesondere Metalle oder deren Legierungen, und die mikroporöse Struktur des geschäumten Nickel, penotitana, Metallschäumen und anderen polymeren Materialien.

Die mikroporöse Struktur der Mikrohohlkugeln, beispielsweise aus Stahl, in einer einzigen starren Struktur gebildet. Dies kann durch Diffusionsschweißen erfolgen. In diesem Fall werden alle der freie Raum im Inneren der Mikrokugeln und zwischen ihnen wird mit Wasserstoff gefüllt.

Besonderem Interesse einer porösen Mikrostruktur, Materialien zu schaffen, sind eine hohe Festigkeit und ein geringes spezifisches Gewicht, es ist in erster Linie Kohlenstoffverbundstoff und Polymermaterialien. Beispielsweise aus Polymeren von Poly-p-phenylenterephthalamid und andere ähnliche aromatische Polymer (Aramide) , ein spezifisches Gewicht von 5,5 - mal weniger als Stahl und Festigkeitseigenschaften 2,5-3,5 mal höher. Für hochfeste Stähle = 160-220 kg / mm 2, für Aramide Zugfestigkeit 550 kg / mm 2 (Tabelle 1).

Behälter zur Aufbewahrung und Speicherung von Wasserstoff. Russische Föderation Patent RU2285859

Behälter zur Aufbewahrung und Speicherung von Wasserstoff. Russische Föderation Patent RU2285859

1 ist ein schematisches Diagramm von Speichertanks und Wasserstoffspeicherung, wobei 1 - der Behälterkörper, 2 - poröse Elektrode - die Anode aus einem Leiter der ersten Art hergestellt ist, 3 - Wassereinlassrohr zu der Anodenkammer, 4 - Sauerstoff Auslaßrohr aus der Anodenraum, 5 - Teilung des Protons Material (Membran) leitend, 6 - mikroporöse Struktur - Wasserstoff-Batterie 7 - feste Elektroden - eine Kathode aus einem Leiter der ersten Art gemacht, 8 - Rohr Entfernung von Wasserstoff aus dem Tank zum Motor (zum Verbraucher), 9 - Heizung.

Behälter zur Aufbewahrung und Speicherung von Wasserstoff. Russische Föderation Patent RU2285859

2 zeigt die Struktur der mikroporösen Kügelchen, wobei 10 - Mikrokügelchen.

3 ist eine mikroporöse Struktur aus Polymermaterial - ARMOS wo 11 - Fasern 12 - Poren.

Vorrichtung arbeitet wie folgt

Hermetisch abgedichteter Behälter 1 ist durch eine Trennwand 5 in zwei Hohlräume unterteilt. Der Anodenraum wird mit Wasser durch das Rohr gefüllt 3. das Wasser die poröse Anode 2. An der Grenze der porösen Anode aus beispielsweise eintritt, ein poröses Titan und protonenleitende Membran 5, die aus Keramik, Polymer hergestellt sein kann, oder ein anderes Material, fortschreitender Reaktion der Wasseroxidation:

2H 2 O + 2e - = O 2+ 4H +.

Sauerstoff wird in dem Anodenvolumens von Wasser und Sauerstoff durch das Auslassrohr durch die Poren freigesetzt 4 entfernt wird. Die Wasserstoffionen (Protonen) auf der protonenleitenden Membran 5 bewegen sich in Richtung der Kathode 7, die zu Wasserstoff reduziert werden. Wasserstoff tritt durch den massiven metallischen Kathode 7 und füllt mikroporöse Struktur 6. Die Kathode und die protonenleitende Membran, die die Kathodenhohlraum mit porösen Mikrostruktur 6. Aus diesem geschlossenen Volumen von Wasserstoff bei einer Erwärmungsheizung 9 durch die Leitung 8 geschickt wird an den Verbraucher, beispielsweise eine Wasserstoffzufuhrsystem des Motors gefüllt zu bilden Verbrennungs oder Brennstoffzellen. Um Wasserstoff Sättigung mikroporöse Struktur beschleunigen kann ein Proton haben leitende Eigenschaften. Die Menge an Wasserstoff in der porösen Struktur wird durch die Größe des Ladestroms und der Ladezeit bestimmt.

Vergleichen Sie die Eigenschaften der Speicherkapazität und der Wasserstoff - Speicherstruktur der mikroporösen Mikrohohlkugeln 10 (siehe Abbildung 2) ARMOS und Stahl (siehe Abbildung 3), wo 11 -.. Fasermaterial. Bei der Bildung von Poren 12 bilden, um sie von den Kapillaren in den Bereich sehr vielfältig sein kann. Betrachten wir den Fall von sphärischen Poren.

Tabelle 2 vergleicht die Eigenschaften von mikroporösen Strukturen aus Stahl und Mikrokugeln , mikroporöse Struktur mit derselben Porengröße, aus ARMOS. Tabellen - - Tangentiale Belastung der Schale Mikro kg / mm 2, - Radialspannung auf der Schale von Mikrokugeln, kg / mm 2. Der Anteil der Stahl - 8 kg / l. Die Aktie ARMOS - 1,45 kg / l.

Wie aus Tabelle 2 für die gleichen mikroporöse Strukturen mit Mikroporen mit einem Durchmesser von 200 Mikrometer Gewichtsgehalt an Wasserstoff in der Mikrostruktur für die beste Stahl 28,3 Gew.%, Erreicht zu sehen und für ARMOS 390 Gew.%.

Beispiel 1
Wasserstoffspeicherkapazität hoher Temperatur (300 ° C) protonenleitende keramische Membran in zwei Hohlräume unterteilt. Das Volumen Kathodenhohlraum mit 0,028 Liter mikroporöse Struktur der Mikrohohlkugeln aus hochfestem Stahl mit einem Durchmesser der Mikrokügelchen gefüllten 200 und 80 Mikrometer, 1 Mikrometer dicken Mantel. Microspheres sind mit einem starren Düsendiffusionsbonden. Gewicht 0,028 Liter mikroporöse Struktur - 3,5, wobei die Anode aus porösem Titan wird mit Wasser gewaschen. mikroporöse Struktur bei einer Stromdichte von 1 A / cm 2 durch auflädt. 20 Minuten durch die Oberfläche des protonenleitenden Membran innerhalb des Bereichs der mikroporösen Struktur von 7,2 Liter Wasserstoff gehalten. Wenn die Temperatur der mikroporösen Struktur geladen wird bei 280 ° C durch eine spezielle Heizung unterstützt Die Masse des Wasserstoffgehalt betrug 18,4 Gew.%.

Beispiel 2
Die gleiche Vorrichtung mikroporöse Polymerbasis Struktur geladen wurde - ARMOS , die die Polymerfasern mit Porengrößen von ca. 200 Mikron. Lade Wasserstoff mikroporöse Struktur auch für 20 Minuten durchgeführt. Protonenleitende Polymermembran - MF-4SK. Die mikroporöse Struktur von 7,2 Liter Wasserstoff verbraucht. Poröse Struktur Gewicht betrug 0,64 g. Masse Wasserstoffgehalt in der Mikrostruktur - 101%.

Derartige Behälter zur Lagerung und Akkumulation von Wasserstoff haben erhebliche Vorteile gegenüber denen, die mit Wasserstoff bei hohem Druck oder unter Verwendung von kryogenen Techniken gefüllt sind. Sie sind nicht nur sicher, sondern haben einen sehr hohen Grad an Wasserstoffsättigung, während eine geringe Grße beibehalten wird. Sie können nicht nur die Stationen oder speziellen Abnahmestellen Batterien Füllung geliefert werden, wird die Kapazität der Lage sein, die Verbraucher zu belasten selbst (Autofahrer), ist es genug, um in den Hohlraum der Anode von sauberem Wasser zu gießen und auf die Netzkapazität (Stromversorgung) angeschlossen werden.

FORDERUNGEN

1. Die Fähigkeit zur Wasserstoffspeicherung, bestehend aus einem geschlossenen Gehäuse, Rohrleitungen, und eine Heizung-Wasserstoff-Batterie Füllstoff innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Behälter durch eine Trennwand aus einem protonenleitenden Material in Anodenhohlraum mit Wasser darin angeordnet ist mit einer porösen Anode gefüllt unterteilt ist, und Kathodenhohlraum darin mit einer festen Kathode angeordnet ist, und einer Heizung und gefüllt mit Wasserstoff gefüllten Akkumulator, der aus einem Material mit einer Zugfestigkeit über 30 kg / mm 2 und eine mikroporöse Struktur aufweist.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff einer Batterie-Mikrohohlkugeln hergestellt wird.

3. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff-Polymer-Batterie aus der Gruppe der Aramide hergestellt ist.

4. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff aus einem batterie geschäumtem Metall, wie beispielsweise Nickelschaum hergestellt ist, penotitana.

5. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand als eine protonenleitende Membran gebildet wird.

6. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff-Batterie aus einem Material mit protonenleitenden Eigenschaften.

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Erscheinungsdatum 31.10.2006gg