Система хранения и выдачи водорода с металлогидридными аккумуляторами водорода

Полезная модель относится к устройствам хранения и получения водорода с применением гидридообразующих сорбентов и может быть использована в автономных источниках водорода.

Система содержит металлогидридные аккумуляторы водорода, батарею топливных элементов, магистрали приема и выдачи водорода, магистрали контура циркуляции теплоносителя, регулирующие клапаны. В систему дополнительно введены промежуточный контур циркуляции жидкого теплоносителя с теплообменным аппаратом и компенсационная емкость, при этом промежуточный контур циркуляции жидкого теплоносителя соединен с нижней частью компенсационной емкости, а верхняя часть емкости соединена с магистралью выдачи водорода.

Техническим результатом заявляемой конструкции является существенное уменьшение массы этой системы.

Полезная модель относится к устройствам хранения и получения водорода с применением гидридообразующих сорбентов и может быть использована в автономных источниках водорода.

Все известные конструкции металлогидридных аккумуляторов водорода имеют прочный герметичный корпус, в котором размещается порошкообразный металлогидридный материал, оснащенный штуцером приема-выдачи газообразного водорода и фильтрующим элементом для предотвращения уноса мелкодисперсных частиц сорбента (Тарасов Б.П. и др., Методы хранения водорода и возможности использования металлогидридов // Альтернативная энергетика и экология. 2005, 12 (32); Европейский патент: ЕР 1635109, F17C 11/00).

Для улучшения технических характеристик крупных систем хранения водорода внутри герметичного корпуса устанавливают дополнительные элементы, обеспечивающие подвод теплоты к сорбенту во время выдачи водорода потребителю (Лотоцкий М.В. и др., Металлогидридный накопитель/нагнетатель водорода // Труды IX Межд. конф. «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов» ICHMS-2005, Севастополь-Крым-Украина, 5-11 сент.2005 г.Киев, 2005; патенты Германии: DE 202004020537; DE 10041131, B63G 8/00).

С целью дальнейшего улучшения динамики процессов сорбции-десорбции водорода путем интенсификации тепло- и массопереноса в дисперсной малотеплопроводной системе металлогидрид - газообразный водород предлагается устанавливать внутри корпуса развитые поверхности из материалов с высокой теплопроводностью (патент RU 2037737, F17C 11/00) и разделять массив сорбента на отдельные слои, размещая его в кассетах (контейнерах), уменьшая тем самым характерные размеры тепло- и массопереноса.

Известен патент США: US 2007289882, Н01М 8/04 "APPARATUS FOR REFUELING ON-BOARD METAL HYDRIDE HYDROGEN STORAGE TANK", согласно которому потребитель водорода (батарея топливных элементов) получает водород от металлогидридного аккумулятора водорода. При этом теплота десорбции водорода подводится к металлогидриду через теплообменную поверхность, расположенную в корпусе аккумулятора водорода, и доставляется туда от батареи топливных элементов теплоносителем, циркулирующим по замкнутому контуру.

Недостатком такого технического решения является необходимость принимать толщину стенок теплообменной поверхности с учетом значительной разницы давлений газообразного водорода в металлогидридном аккумуляторе и теплоносителя, циркулирующего в контуре батарея топливных элементов - металлогидридный аккумулятор. Вследствие этого масса металлогидридного аккумулятора водорода и всей системы хранения и выдачи водорода существенно возрастает.

Техническим результатом заявляемой конструкции системы хранения и выдачи водорода с металлогидридными аккумуляторами водорода является существенное уменьшение массы этой системы.

Указанный результат достигается тем, что в систему хранения и выдачи водорода с металлогидридными аккумуляторами водорода, состоящую по меньшей мере из одного металлогидридного аккумулятора водорода, соединенного с батареей топливных элементов магистралью выдачи водорода и магистралями контура циркуляции теплоносителя для подвода теплоты десорбции водорода от батареи топливных элементов к металлогидридному аккумулятора водорода, вводится промежуточный контур циркуляции жидкого теплоносителя с промежуточным теплообменным аппаратом, в котором греющей средой является теплоноситель, циркулирующий по контуру батарея топливных элементов - промежуточный теплообменный аппарат, а нагреваемой средой является жидкий теплоноситель, циркулирующий по контуру промежуточный теплообменный аппарат - металлогидридный аккумулятор водорода. При этом промежуточный контур циркуляции жидкого теплоносителя соединен с нижней частью компенсационной емкости, частично заполненной жидким теплоносителем, а ее верхняя часть (выше уровня жидкого теплоносителя) соединена с магистралью выдачи водорода на батарею топливных элементов до регулятора, поддерживающего требуемое давление водорода в батарее топливных элементов. Благодаря этому среды, находящиеся в металлогидридном аккумуляторе водорода (газообразный водород и жидкий теплоноситель), разделенные теплопередающей поверхностью, всегда будут находиться под одинаковым давлением. Это позволяет минимизировать толщину стенки теплопередающей поверхности, снизить ее массу и улучшить условия теплопереноса в металлогидридном аккумуляторе водорода.

На фигуре изображена заявляемая система хранения и выдачи водорода с металлогидридными аккумуляторами водорода, где

1 - металлогидридный аккумулятор водорода;

2 - магистраль выдачи водорода из металлогидридного аккумулятора водорода на батарею топливных элементов;

3 - магистраль приема водорода в металлогидридный аккумулятор водорода на хранение;

4 - регулятор давления водорода в полостях батареи топливных элементов;

5 - батарея топливных элементов;

6 - магистрали циркуляции теплоносителя по контуру батарея топливных элементов - промежуточный теплообменный аппарат;

7 - циркуляционный насос;

8 - промежуточный теплообменный аппарат;

9 - магистрали циркуляции жидкого теплоносителя по контуру промежуточный теплообменный аппарат- металлогидридный аккумулятор водорода;

10 - емкость компенсационная;

11 - охладитель жидкого теплоносителя;

12 - магистрали подвода и отвода среды, охлаждающей жидкий теплоноситель;

13, 14, 15 и 16 - клапаны.

На режиме приема водорода на хранение в металлогидридный аккумулятор водорода 1 клапан 16 на магистрали 2 выдачи водорода из металлогидридного аккумулятора на батарею топливных элементов и клапан 13 на магистрали 6 циркуляции теплоносителя по контуру батарея топливных элементов - промежуточный теплообменный аппарат закрыты; клапаны 15 на магистрали 3 приема водорода в металлогидридный аккумулятор водорода и 14 на магистрали 12 подвода и отвода среды, охлаждающей жидкий теплоноситель, открыты. Водород по магистрали 3 поступает в металлогидридный аккумулятор водорода 1. Теплота, выделяющаяся при сорбции водорода металлогидридом через поверхности теплообмена, расположенные в металлогидридном аккумуляторе водорода 1, передается жидкому теплоносителю и отводится по магистралям 9 в охладитель жидкого теплоносителя 11, охлаждаемый средой, перемещающейся по магистралям 12. Величины давления газообразного водорода и жидкого теплоносителя уравниваются с помощью компенсационной емкости 10, соединенной с магистралями жидкого теплоносителя 9 и приема водорода 3 (через магистраль 2).

На режиме выдачи водорода из металлогидридного аккумулятора водорода 1 на батарею топливных элементов 5 клапан 16 на магистрали 2 выдачи водорода из металлогидридного аккумулятора водорода 1 на батарею топливных элементов и клапан 13 на магистрали 6 открыты. Клапан 15 на магистрали 3 приема водорода в металлогидридный аккумулятор водорода на хранение закрыт. Клапан 14 на магистрали 12 подвода и отвода среды, охлаждающей жидкий теплоноситель, занимает положение, обеспечивающее требуемую температуру жидкого теплоносителя на входе в металлогидридный аккумулятор водорода 1 для подвода теплоты, необходимой для десорбции водорода из металлогидрида, через поверхности теплообмена, расположенные в металлогидридном аккумуляторе водорода. На этом режиме также как и на режиме хранения водорода давления газообразного водорода и жидкого теплоносителя уравниваются аналогично тому, как было показано на режиме приема водорода на хранение.

Таким образом, применение предлагаемой системы хранения и выдачи водорода обеспечивает уравнивание давлений сред (газообразного водорода и жидкого теплоносителя), разделенных поверхностью теплообмена, расположенной в металлогидридном аккумуляторе водорода. Это обеспечивает возможность минимизации толщины стенки поверхности теплообмена и соответствующего уменьшения ее массы, а также более рационального использования внутреннего объема прочного герметичного корпуса металлогидридного аккумулятора водорода за счет большей эффективности передачи теплоты через стенку поверхности теплообмена минимальной толщины, что позволяет уменьшить размеры поверхности теплообмена и увеличить количество порошкообразного металлогидридного материала, размещаемого в прочном корпусе аккумулятора водорода.

Система хранения и выдачи водорода, содержащая металлогидридные аккумуляторы водорода, батарею топливных элементов, магистрали приема и выдачи водорода, магистрали контура циркуляции теплоносителя, регулирующие клапаны, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены промежуточный контур циркуляции жидкого теплоносителя с теплообменным аппаратом и компенсационная емкость, при этом промежуточный контур циркуляции жидкого теплоносителя соединен с нижней частью компенсационной емкости, а верхняя часть емкости соединена с магистралью выдачи водорода.