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Erfindung
Russische Föderation Patent RU2283453

KAPAZITÄT zur Wasserstoffspeicherung und Verfahren Wasserstoff-Speicher

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: 2006.04.10

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wasserstoffenergie, Energiespeicherung und Wasserstoffspeicherung, die in der chemischen, der Verkehrstechnik und anderen Branchen. Um die Druck- und Temperaturstufen Akkumulation und Speicherung von Wasserstoff zu reduzieren, um die Masse des Wasserstoffgehaltes zunimmt, verringern die Wasserstoffverluste während der Lagerung und Akkumulation im Tank zur Wasserstoffspeicherung, bestehend aus einem geschlossenen Gehäuse, Rohrleitungen, die internen Wärmeübertragungsflächen und Wasserstoffspeicher Füllstoff innerhalb des Gehäuses angeordnet ist Wasserstoff-Füllung-Batterie ist eine Mikrohohlkugeln aus leitendem Material hoher Festigkeit. Das Verfahren der Wasserstoffspeicherung mit Wasserstoffdiffusion durch die Mikrokügelchen gesättigt ist, die Mikrokugeln in diesem Fall angeordnet ist, eine Kathode, ein wasserstoffhaltiges Medium sein, und eine Sättigung Mikrokügelchen Wasserstoff in ionischer Form übertragen getragen. Übersetzung von Wasserstoff in ionischer Form kann durch Elektrolyse in wäßrigen Lösungen durchgeführt werden. Übersetzung von Wasserstoff in ionischer Form kann durch Ionisation durchgeführt werden, beispielsweise in einer elektrischen Entladung.

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 Wasserstoffspeicherung und Wasserstoffspeicherverfahren basieren von Wasserstoff in einem festen Material (wie beispielsweise Metallhydriden oder Adsorption auf der Oberfläche von dispergierten Nanomaterial) auf die Bindung (Russische Patente №№2037737, 2.038.525 IPC F 17 C 5/04), diese Methoden und Vorrichtungen zur Wasserstoffspeicherung und der Lagerung sind die meisten der vorhandenen Explosionsschutz, da 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 des enthaltenen Batterie - 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 verwendet wird (Shvarts Zukunft Auto. J. Bulletin, №10 (347), Gebäude 05.01, 12.05.2004) wird der festen Verbund von 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 Einheitsvolumen auf 400 Liter pro 1 Liter Wasserstoff, den Verlust von Gas aus dem Behälter.

Bekannte Wasserstoffspeichertank, bestehend aus einem hermetischen Gehäuse, Rohrleitungen, interne Wärmeaustauschflächen und Wasserstoff-Batterie Füllstoff, der die intermetallische Verbindung Pulver (RF Patent №№2037737, IPC F 17 C 04.05 - Prototyp). Nachteile der Erfindung ist , dass die Wasserstoffaufnahme und -abgabe mit großer thermischer Effekte auftritt, neben Wasserstoff Gewichtsgehalt - das Gewichtsverhältnis des Wasserstoffs in dem Tank zu dem Tank selbst Gewicht enthielt - 4,5%, ist sehr gering.

Es ist ein Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff in Mikrokugeln (Malyshenko Nazarov OV SP Ansammlung von Wasserstoff in der Sammlung von Artikeln "Kernenergie und Wasserstofftechnologie", vyp.8, str.155-205 1988 - .. Ein Prototyp). Die Mikrohohlkugeln aus Glas mit einem Durchmesser von 5-200 Mikrometer und eine Wanddicke von 0,5-5 Mikrometern. 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 wurde in den Mikrokugeln 5,5-6,0% einer Masse von Wasserstoffgehalt unter einem Wasserstoffdruck von 500 atm und erhitzt bis zu diesen Temperaturen Mikrokugeln 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 dieses Verfahrens ist, dass die Ansammlung von Wasserstoff, die Beschickung mit den Mikrokugeln bei hohen Wasserstoffdrücken durchgeführt wird und bei erhöhten Temperaturen, was zu einem erhöhten Risiko des Prozesses führt.

Das technische Ergebnis, das auf die Erfindung gerichtet ist , ist es, die Druck- und Temperaturstufen Akkumulation und Speicherung von Wasserstoff, den Wasserstoffgehalt der Massenzunahme zu reduzieren, um den Verlust von Wasserstoffspeicherung und Akkumulations Verringerung zu einer verbesserten Sicherheit und Effizienz führt.

Aus diesem vorgeschlagenen Wasserstoffspeicherkapazität und Wasserstoffspeicherverfahren.

Wasserstoffspeicherbehälter besteht aus einem geschlossenen Gehäuse, Rohrleitungen, und der inneren Wärmeaustauschfläche-Wasserstoff in dem Gehäuse angeordnet Batterie Füllstoff, wobei der Füllstoff-Wasserstoff - Batterie mit einer Zugfestigkeit von über 30 kg / mm 2 mit einer Mikrohohlkugeln aus leitfähigem Material ist.

So wie das verwendete Material Mikrokugeln aus Stahl oder Titan oder Lanthan, oder Nickel oder Zirkonium oder auf diesen Metallen basierenden Legierungen, oder Graphit oder Graphit-basierende Zusammensetzungen.

Der Durchmesser der Mikrokügelchen können aus dem Körper Zentrum zum Umfang reduziert werden.

Jede Perle kann mit einem Metall-Wasserstoff-absorbierenden wie Palladium oder Nickel, oder Lanthan-Nickel-Legierung beschichtet werden.

Behälterkörper kann zum Zuführen eines wasserstoffhaltigen Medium innerhalb der negativen Elektrode und mit einem Einlaß angeordneten nichtleitenden Material hergestellt sein, wobei die positive Elektrode außerhalb des Gehäuses befindet.

Das vorgeschlagene Verfahren der Wasserstoffspeicherung mit Wasserstoff Mikrokugeln durch Diffusion gesättigt, und die Mikrokügelchen angeordnet ist, die negative Elektrode ist, ein wasserstoffhaltiges Medium und Sättigung Mikrokugeln Wasserstoff in ionischer Form übertragen getragen.

Übersetzung von Wasserstoff in ionischer Form in der Elektrolyse von wässrigen Lösungen durchgeführt.

Übersetzung von Wasserstoff in ionischer Form durch Ionisation durchgeführt, beispielsweise in einer elektrischen Entladung.

KAPAZITÄT zur Wasserstoffspeicherung und Verfahren die Wasserstoffspeicherung. Russische Föderation Patent RU2283453 KAPAZITÄT zur Wasserstoffspeicherung und Verfahren die Wasserstoffspeicherung. Russische Föderation Patent RU2283453 KAPAZITÄT zur Wasserstoffspeicherung und Verfahren die Wasserstoffspeicherung. Russische Föderation Patent RU2283453

Abbildung 1 ist eine allgemeine Ansicht des Wasserstoff - Speichertanks, wobei 1 - Körper, 2 - Wärmeaustauschfläche, 3 - die Mikrokugeln, 4 - Prozessanschluss.

In dieser Ausführungsform kann der Körper 1 kann aus einem beliebigen Material hergestellt ist, die Mikrokügelchen das gesamte Gehäuse 3 und die Wasserstoffspeicher füllen sie die vom Körper abgegeben werden. Entladenen Mikrokugeln an die ein negatives Potential zugeführt wird, angeordnet, beispielsweise in einer Elektrolytlösung (eine wässrige Lösung von Schwefelsäure, Hydrazin-hydrat, etc.), um die Prozesse der Diffusion von Wasserstoff durch die Schalenmikrokügelchen umgewandelt Wasserstoffionenform während der Elektrolyse und gesättigtem Innenhöhlung Mikrokugeln beschleunigen Wasserstoff.

Die Mikrokugeln können mit Wasserstoff und in dem Prozess der Ionisierung von Wasserstoff in einer elektrischen Entladungs ​​gesättigt sein. In diesem Fall können die Mikrokügelchen sind und die Kathode (vgl. Beispiel 4).

Die Mikrokugeln werden gefüllt mit Wasserstoff wieder aufgeladen wurden in das Gehäuse 1 während des Heizens und der Wärmeaustauschfläche 2 von ihnen beginnt Wasserstoff zu dem Benutzer durch das Prozessrohr 4 zugeführt zu lösen.

2 zeigt die allgemeine Ansicht der Wasserstoffspeichertank , in dem die Mikrokugeln mit Wasserstoff in dem Behälter direkt gesättigt sind, der Körper 1 aus einem nicht leitenden Material hergestellt ist , und der Strom weist eine zweite Leitung 5 für ein wasserstoffhaltiges Medium zuzuführen, die innerhalb nur während der Wasserstoffsättigung Mikrokugeln öffnet eine negative gewickelte Körperelektrode 6 und die positive Elektrode 7 außerhalb des Gehäuses 1 in diesem Fall angeordnet ist, wird der Behälter in einem wasserstoffhaltigen mittel~~POS=TRUNC 5 angeordnet geöffnet wird, versorgt die entsprechenden Potentiale an den Elektroden 6 und 7 und die Ansammlung von Wasserstoff wird ohne Entladen der Behälter von der Mikrokugeln während der Elektrolyse durchgeführt wird, oder in einer elektrischen Entladung.

3 zeigt eine Mikrokügelchen, bei 8 - eine Schale, 9 - ein Hohlraum, der mit Wasserstoff gefüllt ist, 10 - eine Beschichtung aus Metall.

Echt Materialien - hohe Festigkeit (mit bp - eine Zugfestigkeit von über 30 kg / mm 2), leitenden, von denen Mikrokugeln mit einem Durchmesser von 1 bis 50 Mikrometern mit einer Wandstärke von etwa 1 Mikrometer sind Stahl oder Titan oder Lanthan oder Nickel produzieren kann, oder Zirkonium oder Legierungen auf der Basis dieser Metalle, oder Graphit oder Graphit-basierende Zusammensetzungen. Somit Wasserstoffsättigungsprozess können Mikrokügelchen verstärken , indem sie mit einer Metallschicht 13 Dicke von etwa 0,1 Mikrometern mit einer hohen Fähigkeit Beschichtung Wasserstoff, wie Palladium oder Nickel, oder Lanthan-Nickel - Legierung zu absorbieren.

In einem solchen Mikrokugeln können Wasserstoffdruck von mehreren tausend Atmosphären erstellen. Zum Beispiel Mikrokügelchen mit einem Durchmesser von 10 Mikrometer in Schalendicke von 1 mm, aus Stahl 30X gemacht ( 75 = 0,2 kg / mm 2, Bp = 90 kg / mm 2) mit einem Druck von 3000 atm standzuhalten.

wo 0,2 - Streckgrenze, kg / mm 2,

BP - Zugfestigkeit kg / mm 2.

Als

= PR s / 2S, ein r = R / 2,

wo - Tangentiale Belastung der Schale Mikro kg / mm 2

P - Druck des Wasserstoffs in die Mikrosphäre, kg / mm 2,

R S - Radius der Mikrokugeln in die Mitte der Schalendicke, mm,

S - Schalendicke, mm

r - radiale Spannung auf der Schale von Mikrokugeln, kg / mm 2

die = 30 × 0,0045 / 2 = 0,001 · 67,5 kg / mm 2, R = 30/2 = -15 kg / mm 2, und - R = 82,5 kg / mm 2.

Die Hohlräume zwischen den Mikrokügelchen nicht mehr als 20 Vol-%, also das Volumen der Mikrokügelchen beträgt 80%. Das Volumen der Mikrokugeln ist gleich 4/3 R 3. Der innere Hohlraum der Mikrokügelchen gleich Wasserstoff = 4/3 64 Mikron. Das Volumen der Schale Mikrokügelchen 4/3 (125-64) = 4/3 61. Daher sind das Volumen der Mikrokügelchen und das Schalenvolumen mit Wasserstoff praktisch identisch sind und jeweils 40%. Die Menge an Wasserstoff bei 3000 atm in Mikrokügelchen in 1 Liter solche Granulate beträgt 0,4 · L 1 · L = 1200 3000. Dies ist 3 - mal höher als in einem 1 - Liter - Behälter bei 400 atm Prototyps.

Je nach Größe der Mikrokugeln kann das Verhältnis von Volumen durch die Schale besetzt verändern und das Volumen durch Wasserstoff besetzt, aber der Wasserstoffdruck geändert wird, die die Mikrokügelchen widerstehen kann. Somit zeigen Berechnungen, daß Durchmesser der Volumenanteil des Wasserstoffs nimmt mit steigender, sondern Druck abnimmt, wodurch die Mikrokügelchen widerstehen kann. Tabelle 1 zeigt die Berechnung veranschaulicht die Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration in den Mikrokugeln nach ihrem Durchmesser ES-222 zu werden ( 37 = 0,2 kg / mm 2, Bp = 70 kg / mm 2).

Für Stähle, in denen - R = 150 kg / mm 2, der Wasserstoffgehalt erhöht sich fast proportional.

Tabellen 3-6 für verschiedene Durchmesser Mikrokügelchen zeigt Daten über Wasserstoffgehalt je nach dem Druck im Inneren der Mikrokugeln.

Durchmesser Microspheres - 5 m, die Dicke der Schale - 1 Mikrometer.

Der Durchmesser der Mikrokügelchen - 8mkm, Schalendicke - 1 mm.

Der Durchmesser der Mikrokugeln - 10 Mikrometer, die Dicke der Schale - 1 mm.

Der Durchmesser der Mikrokugeln - 15 mkm, Schalendicke - 1 mm.

Von tabl.3-6 ist ersichtlich , daß , wenn die verschiedenen Mikrokugeln mit Wasserstoff beispielsweise bis zu 2000 psig, die Spannungen in der Schale der Mikrokügelchen, die denselben Druck, zu sättigen verschieden sein. Für Mikrokügelchen mit einem Durchmesser von 5 mm, sind sie gleich 30 kg / mm 2 bis 8 mm - 45 kg / mm 2 bis 10 Mikrometer - 55 kg / mm 2 bis 15 Mikrometer - 80 kg / mm 2. Somit Plazieren (zapressovyvaya, Schweißen) Mikrokugeln in einem Behälter, so daß die Mitteltanks haben Mikrokugeln wurden mit einem größeren Durchmesser und dem Umfang verringert Batterie erhalten, in dem Belastungswert verringert, wenn von der Mitte der Batterie durch Verringerung des Radius der Mikrokugeln Wegbewegen und in jedem Wulst verringert, indem sie mit jeder anderen Wand (Doppelwanddicke von beiden Seiten auf den Wasserstoffdruck im wesentlichen gleich erhalten) in Kontakt bringen, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Reißens der Mikrokugeln zu verringern und den Behälter selbst.

Tabelle 7 zeigt die Massengehalt an Wasserstoff nach der Wasserstoffdruck in den Mikrokugeln zu drei Materialien: Stahl - d = 8 g / cm 3, einen Titan - d = 4,5 g / cm 3, Graphit d = 2,25 g / cm wobei D - der Anteil an Material, g / cm 3.

Aus Tabelle 5.7 ist ersichtlich , dass die Batterie wirkliche Massengehalt von 6% Wasserstoff liefern, wobei die Automobilunternehmen sind bereit, die Wasserstoff als Kraftstoff zu bewegen, für Mikrokugeln mit einem Durchmesser von 15 Mikron unter Verwendung von Stahl BP 120 kg / mm 2 oder eine Titan BP 80 kg / mm oder Graphit BP 40 kg / mm 2.

Alle der oben genannten Berechnungen und Experimente zeigen , dass die wirtschaftlich für die Mikrokugeln mit Durchmessern im Bereich von 1-50 Mikrometern und eine Wanddicke von etwa 1 Mikrometer auf eine breite Klasse von hochfesten Metallen, Legierungen, Verbundwerkstoffe eine wirkliche Massengehalt an Wasserstoff bereitzustellen vorteilhaft ist.

Beispiel 1
Microspheres 10 Mikron Durchmesser Stahl EI-647 - in Mengen von 2 ml, als negative Elektrode gesättigt mit Wasserstoff bei Raumtemperatur in einer 4% igen wässrigen Lösung von Schwefelsäure. Elektrolyseverfahren dauerte 1 Stunde bei der Elektrodenpotential größer ist als die Zersetzungsspannung von Wasser (mehr als 2 V). Nach Beendigung des Prozesses wurden die Pellets demineralisiertem Wasser gewaschen, bei Raumtemperatur in einem Luftstrom getrocknet.

Zur Bestimmung der Menge von angesammeltem Wasserstoffpellets wurden in einem verschlossenen Glasfläschchen mit einem Manometer geladen. Die Pellets wurden erhitzt auf 300ºC, dann wird das Granulat auf Raumtemperatur, der Wasserstoffdruck abgekühlt wurde in dem Fläschchen gemessen. Messungen und Berechnungen haben gezeigt , dass Mikrokügelchen von 1 ml 2.400 ml Wasserstoff zugeteilt wurde, wird dieser Wert mit dem berechneten Wasserstoffdruck nahe ist , und entspricht 6.000 psig Granulaten, siehe. Tabelle 5. Das entspricht dem Massengehalt von 7,1%.

Beispiel 2
Ein ähnliches Experiment wurde mit 10 Mikrometer Durchmesser Mikrokugeln aus Titanlegierung AT-3 durchgeführt. Aus 1 ml der Mikrokügelchen 1200ml Wasserstoff zugeordnet, die zum Massengehalt von 6,3% entspricht.

Beispiel 3
Um den Prozess der Sättigung mit Wasserstoff - Mikrokugeln auf der Oberfläche der Mikrokügelchen wurden beschichtet mit chemischen Mitteln Palladium um 0,1mkm dick zu intensivieren. Der Prozess der Sättigung mit Wasserstoff beschleunigt 3-4mal ähnlich seinem Gehalt in der unbeschichteten Mikrokugeln.

Beispiel 4
Die Ampulle mit Methan, das zu den Elektroden und eine Spannung von 10-20 kV angelegt wurde , wurde eine stille Entladung erzeugt Moleküle zu ionisieren, Mikrokügelchen wurden in Stahl EI-647 mit einem Durchmesser von 15 Mikrometern angeordnet. Mikrokügelchen wurden negative Elektrode, eine positive Elektrode wurde hergestellt aus Graphit (unabhängige elektrische Schaltung). Die Wasserstoffionen von der Entladung erhalten mit der negativen Elektrode - Mikrokugeln und mit Wasserstoff gesättigt. Sättigungszeit betrug 30 Minuten. Dann, wie in Beispiel 1 Mikrokügelchen wurden in ein verschlossenes Vial Messer geladen und aus den Mikrokügelchen Wasserstoff entfernt. 1 ml der Mikrokügelchen enthielt 2250 ml Wasserstoff, der Wasserstoffdruck, der in den Mikrokugeln zu 4500 atm entspricht, ist es auf dem Massengehalt an Wasserstoff in der Größenordnung von 9,2% der Mikrokügelchen gleich.

Die Ergebnisse zeigen, daß diese Materialien die berechneten und experimentellen Daten sind in der Nähe in ihren Werten sind. Der Prozess der Sättigung mit Wasserstoff-Mikrokugeln bei niedrigen Temperaturen verkauft. Somit stellt die vorliegende Erfindung die Industrie sichere und kostengünstige Weise und mit einer Kapazität zur Akkumulation und Speicherung von Wasserstoff, die zum Einbau in Fahrzeugen verwendet werden kann und für die Verwendung in anderen Industrien.

FORDERUNGEN

1. Die Fähigkeit zur Wasserstoffspeicherung, bestehend aus einem geschlossenen Gehäuse, Rohrleitungen, und der inneren Wärmeaustauschfläche-Wasserstoff in dem Gehäuse angeordneten Batterie Füllstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff-Wasserstoff - Batterie mit einer Zugfestigkeit von 30 kg eine Mikrohohlkugeln aus leitfähigem Material / mm 2.

2. Behälter nach dass 1, dadurch gekennzeichnet, als Material für die Mikrokugeln aus Stahl oder Titan oder Lanthan verwendet, oder Nickel oder Zirkonium oder Legierungen auf Basis dieser Metalle, oder Graphit oder Graphit-basierende Zusammensetzungen.

3. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Mikrokugeln aus dem Körper Zentrum zur Peripherie verringert.

4. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicke eine Beschichtung aus einem Metallwasserstoffabsorption wie Palladium oder Nickel, oder Lanthan-Nickel-Legierung aufweist.

5. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus nichtleitendem Material innerhalb der Strom von der negativen Elektrode angeordnet ist hergestellt ist, und hat einen Einlass eines wasserstoffhaltigen Medium zum Zuführen, wobei die positive Elektrode außerhalb des Gehäuses befindet.

6. Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff, Wasserstoff, der darin besteht, die Mikrokugeln durch Diffusion sättigen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokugeln angeordnet sind, die negative Elektrode ist, ein wasserstoffhaltiges Medium und Sättigung Mikrokugeln Wasserstoff in ionischer Form übertragen getragen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Wasserstoffübertragung in ionischer Form in der Elektrolyse von wässrigen Lösungen durchgeführt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Wasserstoffübertragung in ionischer Form durch Ionisation durchgeführt, beispielsweise in einer elektrischen Entladung.

Druckversion
Erscheinungsdatum 28.11.2006gg