RU2733200C1 - Compact system for stabilizing hydrogen pressure in portable power source based on chemical reactor - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used to stabilize hydrogen pressure in portable power sources including a chemical hydrogen source and an electrochemical generator. Feed buffer is connected in series with a chemical hydrogen source in a portable source of ethane to the hydrogen gas line. Storage buffer used is a thin-walled polymer vessel with a screwed cover, which is equipped with a sealed nozzle, outside the cover the union ends with a threaded connection for connection of a gas threaded fitting, and opposite end of nozzle has cylindrical place with groove for fixation and sealing of elastic membrane. Elastic membrane divides the total volume of the vessel into two compartments of variable volumes. On the shell of the vessel there are outlet and inlet valves, pressure in compartment with hydrogen is determined by pressure in gas main line of hydrogen. To adjust the pressure inside the polymer vessel there are inlet and outlet valves, or holes with diameter from 1 mm to 3 mm with smooth edges. At abrupt jumps of hydrogen pressure in the gas main the elastic membrane in the buffer-accumulator provides the required inertia of change of volumes of compartments and limits pressure drops of hydrogen in gas main line of the power supply source in safe limits.

EFFECT: technical result of invention is smoothing of non-uniformity in generation of hydrogen and maintenance of constant level of power of portable power supply.

6 cl, 11 dwg, 1 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретение:The technical field to which the invention relates:

Настоящее изобретение относится к области водородной энергетики, точнее к способам получения стабильного давления водорода в мобильных источниках энергии на основе химических источников водорода и электрохимических генераторов.The present invention relates to the field of hydrogen energy, more precisely to methods for obtaining a stable hydrogen pressure in mobile energy sources based on chemical hydrogen sources and electrochemical generators.

Энергосистемы на водородных топливных элементах (ТЭ) находят применение в беспилотных летательных аппаратах, робототехнических системах, мобильных и портативных источниках энергии. Они обеспечивают высокий удельный запас энергии, превосходящий в 2-3 раза литий-ионные аккумуляторные батареи, характеризуются высоким (до 60%) КПД процесса преобразования химической энергии в электрическую и высокой удельной энергоемкостью водорода, используемого в качестве топлива. Несмотря на неоспоримые преимущества, существует ряд проблем, без решения которых не происходит быстрого распространения энергосистем на ТЭ.Hydrogen fuel cell (FC) power systems are used in unmanned aerial vehicles, robotic systems, mobile and portable energy sources. They provide a high specific energy reserve that is 2-3 times higher than lithium-ion storage batteries, are characterized by a high (up to 60%) efficiency of the process of converting chemical energy into electrical energy and a high specific energy content of hydrogen used as a fuel. Despite the indisputable advantages, there are a number of problems, without the solution of which there is no rapid spread of power systems to thermal power plants.

Одной из таких проблем является проблема эффективного и безопасного хранения и транспортировки водорода. Существует несколько способов хранения водорода, а именно: хранение газообразного водорода в сжатом виде, хранение водорода в сжиженном состоянии, хранение водорода в металлогидридных соединениях, хранение водорода в мезопористых сорбентах. Физические методы хранения водорода (сжатый или сжиженный водород) характеризуются высокой опасностью при обращении с источником водорода, что накладывает строгие ограничения на условия хранения, транспортировки и перезаправки источника водорода. Способы хранения водорода в металлогидридных соединениях или мезопористых сорбентах обеспечивают повышенную безопасность при работе с источником водорода, так как при данных способах отсутствует опасность образования больших объемов взрывоопасной газовой смеси водорода с воздухом при повреждении или разгерметизации сосудов. При этом гравиметрическая емкость хранения водорода в мезопористых сорбентах составляет менее 2% по массе, что сильно ограничивает применение данных источников водорода в мобильных и портативных системах. Металлогидридные системы хранения водорода выглядят оптимальным решением для мобильных и портативных применений, благодаря сочетанию высокой гравиметрической емкости хранения водорода (от 2 масс. % до 12 масс. %), отсутствию избыточного давления и криогенных температур. Классическими примерами металлогидридных соединений используемых в качестве источников водорода являются: бор гидрид натрия (NaBH₄), гидрид магния (MgH₂), гидрид алюминия (AlH₃), гидриды интерметаллических соединений (LaNi₅H₆ и FeTiH₂).One of these problems is the problem of efficient and safe storage and transportation of hydrogen. There are several ways to store hydrogen, namely: storing gaseous hydrogen in a compressed form, storing hydrogen in a liquefied state, storing hydrogen in metal hydride compounds, storing hydrogen in mesoporous sorbents. Physical methods of hydrogen storage (compressed or liquefied hydrogen) are characterized by a high hazard when handling a hydrogen source, which imposes severe restrictions on the conditions of storage, transportation and refueling of the hydrogen source. Methods for storing hydrogen in metal hydride compounds or mesoporous sorbents provide increased safety when working with a hydrogen source, since with these methods there is no danger of the formation of large volumes of an explosive gas mixture of hydrogen with air if the vessels are damaged or depressurized. At the same time, the gravimetric storage capacity of hydrogen in mesoporous sorbents is less than 2% by weight, which severely limits the use of these hydrogen sources in mobile and portable systems. Metal hydride hydrogen storage systems appear to be the optimal solution for mobile and portable applications due to the combination of high gravimetric hydrogen storage capacity (from 2 wt% to 12 wt%), absence of overpressure and cryogenic temperatures. Classic examples of metal hydride compounds used as hydrogen sources are sodium boron hydride (NaBH ₄ ), magnesium hydride (MgH ₂ ), aluminum hydride (AlH ₃ ), intermetallic hydrides (LaNi ₅ H ₆ and FeTiH ₂ ).

Извлечение водорода из металлогидридов возможно при обратимой десорбции водорода из соединений, либо при проведении необратимой химической реакции. Первый способ применяется в стационарных энергетических системах и водородных накопителях энергии. Последний способ не требует энергетических затрат и позволяет добиться большей эффективности от источника водорода, что наиболее важно для мобильных и портативных применений.Extraction of hydrogen from metal hydrides is possible with reversible desorption of hydrogen from compounds, or with an irreversible chemical reaction. The first method is used in stationary energy systems and hydrogen energy storage systems. The latter method does not require energy costs and allows for greater efficiency from a hydrogen source, which is most important for mobile and portable applications.

Одной из наиболее сложных проблем возникающих при эксплуатации портативных источников энергии является проблема поддержания генерации потока водорода на постоянном уровне, который соответствует номинальной мощности электрохимического генератора. Количество выделяющегося во время необратимой химической реакции водорода зависит от множества параметров процесса. В случае использования в качестве реагентов порошка гидрида магния и воды/водяного пара, количество выделяющегося водорода будет зависеть от температуры в зоне реакции и концентрации исходных компонентов, проницаемости слоя продуктов реакции для пара и водорода, и, от особенностей конструкции реактора - химического источника водорода. Продуктом реакции в описываемом случае является смесь оксида и гидроксида магния, которая также может поглощать и выделять водяной пар в зависимости от температуры, давления, удельной площади поверхности порошка. В процессе реакции при повышенных температурах гидрид магния может разлагаться на металлический магний и водород. При этом с течением времени в зоне реакции оказывается смесь порошков гидрида магния и магния, параметры взаимодействия этой смеси с водой оказываются совсем иными по сравнению с чистым порошком гидрида магния. При росте градиента давления в реакторе, порошковая масса уплотняется, при этом возрастает время диффузии водяного пара к зоне реакции и ухудшается управляемость реактора. Отношение объема выхода водорода по отношению к объему подачи воды/водяного пара является сильно нелинейным, пульсирующим. Подобное поведение химических источников водорода в той или иной мере наблюдается и при использовании других типов гидридов: гидрида кальция, натрия, лития и их смесей с другими химическими компонентами, например, силицидами. Проблемы с поддержанием постоянного уровня генерации водорода имеются и у систем, использующих растворы бор гидридов металлов, например, бор гидрида натрия (NaBH₄). Как правило, такие химические источники водорода строятся по одному принципу: раствор бор гидрида натрия в воде прокачивается через сетку/фильтр с нанесенным катализатором, который стимулирует реакцию взаимодействия с водой с выделением водорода. С течением времени изменяется температура раствора, уменьшается концентрация бор гидрида натрия в воде, ухудшается активность катализатора (по многим причинам), что изменяет выход водорода в единицу времени и требует внесения корректив в работу и управляемость химического источника водорода.One of the most difficult problems arising during the operation of portable power sources is the problem of maintaining the generation of hydrogen flow at a constant level, which corresponds to the nominal power of the electrochemical generator. The amount of hydrogen released during an irreversible chemical reaction depends on many process parameters. In the case of using magnesium hydride powder and water / water vapor as reagents, the amount of released hydrogen will depend on the temperature in the reaction zone and the concentration of the initial components, the permeability of the layer of reaction products for steam and hydrogen, and, on the design features of the reactor - a chemical source of hydrogen. The reaction product in the described case is a mixture of magnesium oxide and hydroxide, which can also absorb and release water vapor depending on temperature, pressure, and specific surface area of the powder. During the reaction at elevated temperatures, magnesium hydride can decompose into metallic magnesium and hydrogen. In this case, over time, a mixture of magnesium and magnesium hydride powders appears in the reaction zone, the interaction parameters of this mixture with water turn out to be completely different in comparison with pure magnesium hydride powder. With an increase in the pressure gradient in the reactor, the powder mass becomes denser, while the time of diffusion of water vapor to the reaction zone increases and the controllability of the reactor worsens. The ratio of the hydrogen outlet volume to the water / steam supply volume is highly non-linear, pulsating. A similar behavior of chemical sources of hydrogen, to one degree or another, is observed when using other types of hydrides: hydride of calcium, sodium, lithium and their mixtures with other chemical components, for example, silicides. Systems using solutions of boron metal hydrides, such as sodium boron hydride (NaBH ₄ ), also have problems with maintaining a constant level of hydrogen generation. As a rule, such chemical sources of hydrogen are built according to the same principle: a solution of sodium boron hydride in water is pumped through a mesh / filter with a supported catalyst, which stimulates the reaction of interaction with water with the release of hydrogen. Over time, the temperature of the solution changes, the concentration of sodium boron hydride in water decreases, the activity of the catalyst deteriorates (for many reasons), which changes the hydrogen yield per unit of time and requires adjustments to the operation and controllability of the chemical hydrogen source.

Таким образом возникает потребность в разработке устройства, которое позволяло бы в течении коротких промежутков времени сглаживать неравномерности в генерации водорода и обеспечивать постоянный уровень мощности портативного источника питания.Thus, there is a need to develop a device that would allow smoothing irregularities in hydrogen generation for short periods of time and provide a constant power level of a portable power source.

Уровень техники:Vehicle tier:

В патенте US 4155712 описан способ регулирования скорости генерации водорода в химическом реакторе на основе металлогидридных соединений CaH₂ или LiAlH₄ путем дозирования подачи водяного пара. Секция с водой в реакторе, отделена от секции, содержащей порошок металлогидрида при помощи гидрофобной пористой мембраны из тефлона, пропускающей водяной пар и не пропускающей воду в жидком виде при небольших перепадах давления. При повышении давления водорода в отделении с металлогидридом, уменьшается перепад давления через пористую мембрану и поступление новых порций водяного пара через мембрану в отделение с металлогидридом прекращается. Авторы патента считают, что такое решение может обеспечить автоматическую подачу водяного пара при поддержании заданного избыточного давления в отделении с водой в реакторе. Но в описании не учтено, что во время работы реактора происходит увеличение температуры, изменение концентрации металлогидрида, увеличение слоя продуктов реакции на поверхности частиц, и т.д. Все перечисленные факторы оказывают существенное влияние на скорость взаимодействия водяного пара с частицами металлогидрида и вызывают нелинейность зависимости величины потока водорода от количества подаваемого водяного пара. Кроме того, в патенте нет графиков экспериментальной зависимости потока и давления водорода при работе предлагаемого реактора с потребителем водорода обеспечивающего постоянную выходную мощность.US Pat. No. 4,155,712 describes a method for controlling the rate of hydrogen generation in a chemical reactor based on metal hydride compounds CaH ₂ or LiAlH ₄ by metering the supply of water vapor. The section with water in the reactor is separated from the section containing the metal hydride powder by a hydrophobic porous Teflon membrane that allows water vapor to pass through and does not allow water to pass through in liquid form at low pressure drops. With an increase in the hydrogen pressure in the compartment with metal hydride, the pressure drop across the porous membrane decreases and the flow of new portions of water vapor through the membrane into the compartment with metal hydride stops. The authors of the patent believe that such a solution can provide an automatic supply of water vapor while maintaining a predetermined excess pressure in the compartment with water in the reactor. But the description does not take into account that during the operation of the reactor there is an increase in temperature, a change in the concentration of metal hydride, an increase in the layer of reaction products on the surface of particles, etc. All of the above factors have a significant effect on the rate of interaction of water vapor with metal hydride particles and cause nonlinearity in the dependence of the hydrogen flux on the amount of supplied water vapor. In addition, the patent does not contain graphs of the experimental dependence of the flow and pressure of hydrogen during the operation of the proposed reactor with a hydrogen consumer providing constant output power.

Авторы патента US 5593640 предлагают решать проблему неравномерности потока водорода из химического источника водорода, основанного на высокотемпературном гидролизе LiAlH₄, путем использования буфера из сплава, способного обратимо поглощать и выделять водород при изменении давления и температуры. Эффективно поглощают и выделяют водород при температурах близких к нормальной и давлениях порядка десяти бар соединения редкоземельных металлов с высоким содержанием никеля. В патенте рассматривается сплав «Alloy М», производимый компанией Hydrogen Consultants Inc. США. Предложенный способ рассчитан на работу под давлением, значительно превышающим атмосферное, что вызывает необходимость применять соответствующие по прочности емкости, трубопроводы и соединения. Следовательно, из-за большого веса он не подходит для мобильных приложений. Кроме того, график выделения водорода, приведенного в тексте патента, демонстрирует, что зависимость потока водорода от времени имеет нелинейный характер с небольшими локальными максимумами и минимумами, что говорит о несовершенстве и большой инерционности предлагаемой системы.The authors of US Pat. No. 5,593,640 propose to solve the problem of uneven hydrogen flow from a chemical hydrogen source based on high-temperature hydrolysis of LiAlH ₄ by using an alloy buffer capable of reversibly absorbing and releasing hydrogen upon changes in pressure and temperature. Compounds of rare earth metals with a high nickel content are efficiently absorbed and evolved at temperatures close to normal and pressures of the order of ten bar. The patent discusses Alloy M manufactured by Hydrogen Consultants Inc. USA. The proposed method is designed to operate under pressure significantly exceeding atmospheric pressure, which necessitates the use of containers, pipelines and connections of appropriate strength. Therefore, due to its heavy weight, it is not suitable for mobile applications. In addition, the graph of hydrogen evolution given in the text of the patent demonstrates that the dependence of the hydrogen flux on time has a non-linear character with small local maxima and minima, which indicates the imperfection and high inertia of the proposed system.

В патенте US 7951349 предлагается способ регулирования количества выделяющегося водорода в реакциях высокотемпературного гидролиза порошков магния и гидрида магния, а также в реакции термолиза порошка гидрида магния подаваемых в реактор в виде пеллет или дисков, с помощью дозирования или с помощью регулировки потока отводимого от реактора тепла. Но и в этом способе, судя по приводимым графическим зависимостям, не удается достичь равномерного и постоянного во времени потока водорода.US Pat. No. 7,951,349 proposes a method for controlling the amount of evolved hydrogen in the reactions of high-temperature hydrolysis of magnesium and magnesium hydride powders, as well as in the reaction of thermolysis of magnesium hydride powder supplied to the reactor in the form of pellets or disks, by dosing or by adjusting the flow of heat removed from the reactor. But even in this method, judging by the given graphical dependencies, it is not possible to achieve a uniform and constant flow of hydrogen in time.

В заявке US 2010/0064584 описывается способ поддержания постоянного уровня генерации водорода с помощью дозатора, который подает брикеты или пеллеты гидридов или комплексных соединений гидридов металлов в раствор в ответ на понижение давления на выходе водорода из системы. При таком дискретном способе управления концентрацией раствора будут наблюдаться пульсации давления и количества генерируемого водорода на выходе из системы.US 2010/0064584 describes a method for maintaining a constant level of hydrogen generation using a dispenser that feeds briquettes or pellets of hydrides or metal hydride complexes into solution in response to a decrease in pressure at the outlet of hydrogen from the system. With such a discrete method of controlling the concentration of the solution, pulsations in the pressure and the amount of generated hydrogen at the outlet from the system will be observed.

Таким образом, указанные недостатки приведенных способов регулирования количества генерируемого водорода, обуславливают пульсации давления водорода в системе, что негативно отражается на работе батарей топливных элементов в мобильных источниках энергии.Thus, the indicated disadvantages of the above methods for controlling the amount of generated hydrogen cause fluctuations in the hydrogen pressure in the system, which negatively affects the operation of fuel cell batteries in mobile energy sources.

Раскрытие изобретения:Disclosure of the invention:

Задачей изобретения является предложение варианта решения проблемы компенсации скачков давления водорода в системе портативного источника, имеющего в составе два основных компонента: химический источник водорода и электрохимический генератор. Скачки давления водорода при постоянной полезной нагрузке на топливном элементе возникают по двум основным причинам - сложностью обеспечения постоянного потока водорода из химического источника водорода и из-за необходимости периодической продувки электрохимического генератора водородом для сброса балластных газов.The objective of the invention is to propose a solution to the problem of compensating for pressure surges of hydrogen in the system of a portable source, which has two main components: a chemical hydrogen source and an electrochemical generator. Hydrogen pressure surges at a constant payload on a fuel cell arise for two main reasons - the difficulty of providing a constant flow of hydrogen from a chemical hydrogen source and because of the need to periodically purge the electrochemical generator with hydrogen to discharge ballast gases.

Наиболее востребованными на рынке являются портативные источники энергии мощностью в пределах до 300 Вт. В зависимости от КПД электрохимических генераторов, который обычно находится в диапазоне от 35% до 40%, необходимый поток водорода составляет 0.24-0.27 м³/ч. Продувки электрохимических генераторов осуществляются с периодичностью один раз в 2-3 мин, в зависимости от модели генератора и от его производителя. Объем требуемого для продувки водорода (при нормальном давлении водорода) составляет от 40 см³ до 70 см³. Инерционность реакции химического источника водорода (изменение скорости генерации водорода) на изменение скорости подачи реагентов (воды или металлогидридного соединения в виде порошка или пеллет) находится в диапазоне от нескольких секунд до одного - двух десятков секунд. Кроме того, в химических источниках водорода гидролизного типа периодически возникают условия для спонтанного, кратковременного и очень резкого ускорения реакции, вызванного локальными перегревами и выделением адсорбированной влаги из продуктов реакции или механическим разрушением слоя, пассирующего катализатор. Такие процессы пульсаций термокинетических химических реакций были исследованы профессором Франк-Каменецким в 30-х годах прошлого столетия. Если объем газа в системе, включая объем газа в химическом источнике водорода, объем трубопроводов и электрохимического генератора не превышает 100 см³, то при продувках электрохимического генератора и при изменении скорости генерации водорода химическим источником водорода в системе наблюдаются большие скачки давления от величин менее 0,01 МПа до величины больше чем 0,1 МПа. Большинство широко распространенных батарей топливных элементов PEMFC с полимерной мембраной в мембранно-электродном блоке предназначены для работы в диапазоне давлений водорода 0,03-0,08 МПа. При давлении менее 0,03 МПа у электрохимического генератора начинается водородное голодание, что отрицательно сказывается на долговременных электрофизических характеристиках прибора. Давления выше 0,08 МПа опасны для мембран топливных элементов электрохимического генератора из-за возможности разрыва мембраны. Таким образом, возникает необходимость использования в газовой системе мобильного источника питания некоего газового буфера-накопителя, имеющего способность очень быстро потреблять и выделять водород в объемах не превышающих 1 дм³ и работающего в диапазоне давлений водорода от 0 МПа до 0,15 МПа. Кроме того, буфер-накопитель должен иметь небольшой вес. Предлагаемым решением является тонкостенная емкость из полиэтилентерефталата, лавсана или полиэстера закрывающаяся завинчивающейся пробкой из аналогичных материалов. Завинчивающаяся пробка имеет герметичный штуцер - газовый ввод, который снаружи оканчивается резьбовым соединением для подсоединения газового резьбового фитинга, а внутри имеет посадочное цилиндрическое место с канавкой для уплотнительного резинового кольца для фиксации и уплотнения эластичной надувающейся мембраны. На оболочке тонкостенной полимерной емкости дополнительно располагаются два клапана: впускной клапан, открывающийся при понижении давления внутри емкости ниже атмосферного и выпускной (предохранительный) клапан, открывающийся при превышении давления внутри емкости выше 0,04 МПа.The most popular on the market are portable power sources with power up to 300 W. Depending on the efficiency of electrochemical generators, which usually ranges from 35% to 40%, the required hydrogen flow is 0.24-0.27 m ³ / h. Purge of electrochemical generators is carried out at intervals of once every 2-3 minutes, depending on the generator model and its manufacturer. The volume of hydrogen required for flushing (at normal hydrogen pressure) is from 40 cm ³ to 70 cm ³ . The inertia of the reaction of a chemical source of hydrogen (change in the rate of hydrogen generation) to a change in the rate of supply of reagents (water or a metal hydride compound in the form of powder or pellets) ranges from several seconds to one to two tens of seconds. In addition, in chemical sources of hydrogen of the hydrolysis type, conditions periodically arise for a spontaneous, short-term and very sharp acceleration of the reaction caused by local overheating and release of adsorbed moisture from the reaction products or mechanical destruction of the layer passing through the catalyst. Such processes of pulsation of thermokinetic chemical reactions were investigated by Professor Frank-Kamenetsky in the 30s of the last century. If the volume of gas in the system, including the volume of gas in the chemical source of hydrogen, the volume of pipelines and the electrochemical generator does not exceed 100 cm ³ , then during the purging of the electrochemical generator and when the rate of hydrogen generation by the chemical source of hydrogen changes in the system, large pressure jumps are observed from values less than 0, 01 MPa to a value greater than 0.1 MPa. Most of the widespread PEMFC fuel cell batteries with a polymer membrane in a membrane-electrode assembly are designed to operate in the hydrogen pressure range of 0.03-0.08 MPa. At a pressure of less than 0.03 MPa, hydrogen starvation begins at the electrochemical generator, which negatively affects the long-term electrophysical characteristics of the device. Pressures above 0.08 MPa are dangerous for the membranes of the fuel cells of the electrochemical generator due to the possibility of membrane rupture. Thus, it becomes necessary to use in the gas system a mobile power source some kind of gas buffer storage, which has the ability to very quickly consume and release hydrogen in volumes not exceeding 1 dm ³ and operating in the hydrogen pressure range from 0 MPa to 0.15 MPa. In addition, the storage buffer should be lightweight. The proposed solution is a thin-walled container made of polyethylene terephthalate, lavsan or polyester closed with a screw cap made of similar materials. The screw plug has a sealed fitting - a gas inlet, which ends with a threaded connection on the outside for connecting a gas threaded fitting, and inside it has a cylindrical seat with a groove for a rubber sealing ring for fixing and sealing an elastic inflatable membrane. There are two additional valves on the shell of a thin-walled polymer container: an inlet valve that opens when the pressure inside the container drops below atmospheric and an outlet (safety) valve that opens when the pressure inside the container is above 0.04 MPa.

Осуществление изобретения:Implementation of the invention:

При сборке буфера-накопителя давление внутри тонкостенной полимерной емкости равно атмосферному (рис. 4-а). Эластичная надувающаяся мембрана (рис. 4-а, поз. 6) находится в сжатом состоянии и объем воздуха, находящегося в ней незначительный. Подключенный к газовой магистрали буфер-накопитель работает следующим образом. При включении химического источника водорода давление в газовой магистрали начинает повышаться (рис. 4-б). Эластичная мембрана внутри полимерной емкости начинает раздуваться и сжимать находящийся в ней воздух, давление внутри емкости и внутри мембраны уравниваются. При повышении давления в газовой магистрали до 0,04 МПа, срабатывает предохранительный клапан и стравливает находящийся в емкости воздух, надувающаяся мембрана при этом занимает практически весь объем полимерной емкости (рис. 4-в). При еще большем повышении давления так же линейно растет давление в полимерной емкости и внутри надувающейся мембраны (рис. 4-г).When assembling the buffer storage, the pressure inside the thin-walled polymer container is equal to atmospheric (Fig. 4-a). The elastic inflated membrane (Fig. 4-a, pos. 6) is in a compressed state and the volume of air in it is insignificant. The buffer storage connected to the gas main works as follows. When a chemical source of hydrogen is switched on, the pressure in the gas line begins to rise (Fig. 4-b). The elastic membrane inside the polymer container begins to inflate and compress the air in it, the pressure inside the container and inside the membrane are equalized. When the pressure in the gas line rises to 0.04 MPa, the safety valve is triggered and the air in the tank is released, the inflating membrane occupies almost the entire volume of the polymer tank (Fig. 4-c). With an even greater increase in pressure, the pressure in the polymer container and inside the inflated membrane also increases linearly (Fig. 4-d).

В случае использования буфера-накопителя с отверстием (рис. 5), при включении химического источника водорода и повышении давления в системе, эластичная мембрана раздувается и занимает практически весь объем буфера-накопителя (рис. 5-а, 5-б). При нормальной работе газовой системы источника питания с топливными элементами и давлении в системе более 0,01 МПа, весь объем буфера-накопителя занят водородом. В данном случае реализации системы стабилизации давления, буфер-накопитель служит для увеличения газового объема системы и, следовательно, повышает ее газовую инерционность, таким образом, сглаживая резкие перепады давления. При выключении химического источника водорода, давление в газовой системе снижается и, в зависимости от конструкции системы управления батареей топливных элементов, может снижаться до нуля путем открытия стравливающего клапана. В этом случае водород из буфера-накопителя удаляется за счет силы растяжения эластичной мембраны (рис. 5-в).In the case of using a storage buffer with a hole (Fig. 5), when a chemical source of hydrogen is turned on and the pressure in the system increases, the elastic membrane inflates and occupies almost the entire volume of the storage buffer (Fig. 5-a, 5-b). During normal operation of the gas system of a power source with fuel cells and a pressure in the system of more than 0.01 MPa, the entire volume of the storage buffer is occupied by hydrogen. In this case, the implementation of the pressure stabilization system, the storage buffer serves to increase the gas volume of the system and, therefore, increases its gas inertia, thus smoothing out sharp pressure drops. When the chemical source of hydrogen is turned off, the pressure in the gas system is reduced and, depending on the design of the fuel cell stack control system, can be reduced to zero by opening the bleed valve. In this case, hydrogen is removed from the storage buffer due to the tensile force of the elastic membrane (Fig. 5-c).

При включении в работу с химическим источником водорода батареи топливных элементов с постоянной номинальной выходной мощностью, водород начинает потребляться. При согласованной работе химического источника водорода, алгоритм управления которого подбирает оптимальный расход воды или скорости прокачки раствора металлогидридного соединения через катализатор для получения на выходе номинальной величины потока водорода, давление водорода в газовой системе в среднем остается в диапазоне 0,03-0,05 МПа. Тем не менее, периодически возникают спонтанные увеличения и уменьшения скорости генерации водорода и давление в газовой системе портативного источника питания изменяется. В этом случае, буфер-накопитель эффективно компенсирует эти изменения скачков давления: при резком падении давления в газовой магистрали надувающаяся мембрана сжимается и в течении нескольких десятков секунд способна поддерживать требуемый поток водорода и необходимое минимальное давление, при резком повышении давления мембрана увеличивается в размерах и способствует меньшей скорости роста давления в системе до критических значений, таким образом предоставляя некий запас времени для коррекции подачи воды или скорости прокачки раствора металлогидрида.When a fuel cell stack with a constant rated power output is put into operation with a chemical hydrogen source, hydrogen begins to be consumed. With the coordinated operation of the chemical hydrogen source, the control algorithm of which selects the optimal water flow rate or the rate of pumping the solution of the metal hydride compound through the catalyst to obtain the nominal hydrogen flow at the outlet, the hydrogen pressure in the gas system on average remains in the range of 0.03-0.05 MPa. However, spontaneous increases and decreases in the hydrogen generation rate periodically occur, and the pressure in the gas system of the portable power source changes. In this case, the storage buffer effectively compensates for these changes in pressure surges: with a sharp drop in pressure in the gas line, the inflated membrane is compressed and within several tens of seconds is able to maintain the required hydrogen flow and the required minimum pressure; with a sharp increase in pressure, the membrane increases in size and contributes to a lower rate of pressure growth in the system to critical values, thus providing a certain margin of time to correct the water supply or the rate of pumping the metal hydride solution.

Пример 1: В качестве полимерной емкости предлагается использовать подходящую по форме и по объему обычную ПЭТ бутылку для жидкостей, которая рассчитана на максимальное давление внутри до 1 МПа.Example 1: It is proposed to use a regular PET bottle for liquids of a suitable shape and volume as a polymer container, which is designed for a maximum internal pressure of up to 1 MPa.

Иллюстрация эффективности работы буфера накопителя приведена на рис. 2. В данном случае исследовалась работа портативного источника питания с химическим источником водорода основанном на высокотемпературном гидролизе порошка гидрида магния и батареей топливных элементов мощностью 100 Вт. Номинальный поток водорода для такой номинальной мощности и КПД используемой батареи топливных элементов 35% составляет 1,45 дм³/мин. Без использования буфера накопителя при работе портативного источника питания в течении 2 часов наблюдались 15 стравливаний избыточного водорода при превышении давления водорода в системе выше 0.055 МПа, и 21 раз происходило аварийное отключение нагрузки от батареи топливных элементов при понижении давления менее 0.03 МПа.An illustration of the efficiency of the drive buffer is shown in Fig. 2. In this case, we investigated the operation of a portable power source with a chemical source of hydrogen based on high-temperature hydrolysis of magnesium hydride powder and a battery of 100 W fuel cells. The nominal hydrogen flow for such a nominal power and the efficiency of the used fuel cell stack 35% is 1.45 dm ³ / min. Without the use of the storage buffer, during the operation of the portable power supply for 2 hours, 15 excess hydrogen was vented when the hydrogen pressure in the system exceeded 0.055 MPa, and 21 times the emergency disconnection of the load from the fuel cell battery occurred when the pressure dropped below 0.03 MPa.

При использовании буфера накопителя за 2 часа работы не было ни одного повышения давления до 0.055 МПа и один раз наблюдалось отключение полезной нагрузки от батареи топливных элементов при понижении давления в системе ниже 0.03 МПа. Таким образом буфер-накопитель кардинальным образом улучшает работу источника питания и повышает эффективность и КПД его использования.When using the storage buffer, during 2 hours of operation, there was not a single increase in pressure to 0.055 MPa, and once the payload was disconnected from the fuel cell stack when the pressure in the system dropped below 0.03 MPa. Thus, the buffer storage cardinally improves the operation of the power supply and increases the efficiency and efficiency of its use.

Краткое описание рисунков:Brief description of the figures:

На рис. 1 приведена схема мобильного источника питания, показывающая что химический источник водорода, буфер-накопитель, электрохимический генератор последовательно соединены в единую газовую систему.In fig. 1 is a diagram of a mobile power supply, showing that a chemical hydrogen source, a buffer-storage, an electrochemical generator are connected in series into a single gas system.

На рис. 2 (а, б) приведены графики изменения давления в газовой системе портативного источника питания, обеспечивающего выходную мощностью 100 Вт, на водородных топливных элементах: без буфера-накопителя (а), с буфером - накопителем (б). В качестве источника водорода взят картридж, реализуемый на принципе высокотемпературного гидролиза гидрида магния по заявке на патент RU 2018123625 от 28.06.2018In fig. 2 (a, b) shows the graphs of pressure changes in the gas system of a portable power source providing an output power of 100 W, based on hydrogen fuel cells: without a storage buffer (a), with a storage buffer (b). As a source of hydrogen, a cartridge was taken, implemented on the principle of high-temperature hydrolysis of magnesium hydride according to patent application RU 2018123625 dated 06/28/2018

На рис. 3 приведена схема буфера-накопителя. Цифрами на схеме отмечены:In fig. 3 shows a diagram of a storage buffer. The numbers in the diagram indicate:

1 - тонкостенный полимерный сосуд;1 - thin-walled polymer vessel;

2 - завинчивающаяся крышка;2 - screw cap;

3 - герметичный штуцер;3 - sealed fitting;

4 - газовый резьбовой фитинг;4 - gas threaded fitting;

5 - посадочное цилиндрическое место с канавкой для резинового кольца;5 - cylindrical seat with a groove for a rubber ring;

6 - эластичная мембрана;6 - elastic membrane;

7 - выпускной (предохранительный) клапан;7 - outlet (safety) valve;

8 - впускной клапан;8 - inlet valve;

На рис. 4 (а, б, в, г) приведена последовательность изображений, иллюстрирующая работу буфера-накопителя (вариант реализации с клапанами):In fig. 4 (a, b, c, d) shows a sequence of images illustrating the operation of the storage buffer (implementation with valves):

а) Эластичная надувающаяся мембрана (рис. 4-а, поз. 6) находится в сжатом состоянии.a) The elastic inflation diaphragm (Fig. 4-a, pos. 6) is in a compressed state.

б) Давление в газовой магистрали начинает повышаться (рис. 4-б). При этом эластичная мембрана внутри полимерной емкости начинает раздуваться и сжимать находящийся в ней воздух так что давление внутри емкости и внутри мембраны уравниваются.b) The pressure in the gas line starts to rise (Fig. 4-b). In this case, the elastic membrane inside the polymer container begins to inflate and compress the air in it so that the pressure inside the container and inside the membrane are equalized.

в) При повышении давления в газовой магистрали до 0,04МПа, срабатывает предохранительный клапан и стравливает находящийся в емкости воздух так, что надувающаяся мембрана занимает практически весь объем полимерной емкости (рис. 4-в).c) When the pressure in the gas line rises to 0.04 MPa, the safety valve is triggered and releases the air in the tank so that the inflated membrane occupies almost the entire volume of the polymer tank (Fig. 4-c).

г) При резком падении давления в газовой магистрали мембрана сжимается (рис. 4-г) и в течении нескольких десятков секунд способна поддерживать требуемый поток водорода в газовой магистрали.d) With a sharp drop in pressure in the gas main, the membrane is compressed (Fig. 4-d) and within several tens of seconds is able to maintain the required hydrogen flow in the gas main.

На рис. 5(а, б, в) приведена последовательность изображений, иллюстрирующая работу буфера-накопителя (вариант реализации с отверстием):In fig. 5 (a, b, c) shows a sequence of images illustrating the operation of the storage buffer (implementation with a hole):

а) При повышении давления в системе, эластичная мембрана раздуваетсяa) When the pressure in the system rises, the elastic membrane inflates

б) Эластичная мембрана раздувается и занимает практически весь объем буфера-накопителя (рис. 5-а, 5-б).b) The elastic membrane inflates and occupies almost the entire volume of the storage buffer (Fig. 5-a, 5-b).

в) Водород из буфера-накопителя удаляется за счет силы растяжения эластичной мембраны.c) Hydrogen is removed from the storage buffer due to the tensile force of the elastic membrane.

Claims (6)

1. Способ стабилизации давления водорода для портативных источников питания, включающих химический источник водорода и электрохимический генератор, заключающийся в подключении буфера-накопителя к газовой магистрали портативного источника питания последовательно с химическим источником водорода и отличающийся оригинальной конструкцией буфера-накопителя, имеющего в своем составе два отсека с подвижной эластичной перегородкой, перемещаемой в пределах общего объема буфера-накопителя и обеспечивающей при резких скачках давления в газовой системе водорода, изменение объемов отсеков в пределах общего объема буфера-накопителя с инерционностью достаточной для поддержания давления водорода в газовой магистрали в заданных пределах.1. A method for stabilizing hydrogen pressure for portable power sources, including a chemical hydrogen source and an electrochemical generator, which consists in connecting the buffer-storage to the gas line of the portable power source in series with the chemical source of hydrogen and characterized by the original design of the buffer-storage, which has two compartments with a movable elastic baffle, movable within the total volume of the buffer storage and providing, in case of sudden pressure surges in the hydrogen gas system, a change in the volumes of the compartments within the total volume of the storage buffer with inertia sufficient to maintain the hydrogen pressure in the gas pipeline within the specified limits. 2. Устройство стабилизации давления водорода для портативных источников питания, включающих химический источник водорода и электрохимический генератор, представляет собой буфер-накопитель водорода, подключаемый к газовой магистрали портативного источника питания последовательно с химическим источником водорода, отличающейся тем, что в качестве буферной емкости используется легкий тонкостенный полимерный сосуд с завинчивающейся крышкой, снабженной герметичным штуцером на котором закреплена эластичная, слабо проницаемая для водорода мембрана, ограничивающая занимаемую водородом часть объема полимерного сосуда и два клапана: выпускной клапан, открывающийся при повышении давления внутри полимерного сосуда выше 0,4 кПа и впускной клапан, открывающийся при понижении давления в полимерном сосуде ниже атмосферного.2. A device for stabilizing the hydrogen pressure for portable power sources, including a chemical hydrogen source and an electrochemical generator, is a hydrogen storage buffer connected to the gas main of a portable power source in series with a chemical hydrogen source, characterized in that a light thin-walled a polymer vessel with a screw cap, equipped with a sealed fitting on which an elastic membrane, poorly permeable to hydrogen is fixed, limiting the part of the volume of the polymer vessel occupied by hydrogen, and two valves: an outlet valve that opens when the pressure inside the polymer vessel exceeds 0.4 kPa and an inlet valve, opening when the pressure in the polymer vessel drops below atmospheric. 3. Устройство по п. 2, в котором используется полимерный сосуд с предельным давлением на разрыв не менее 0.8 МПа и емкостью от 0,5 дм³ до 2 дм³.3. A device according to claim 2, in which a polymer vessel is used with an ultimate burst pressure of at least 0.8 MPa and a capacity of 0.5 dm ³ to 2 dm ³ . 4. Устройство по п. 2, в котором в качестве надувающейся эластичной мембраны используются резиновые шары с толщиной стенки от 0,1 мм до 1 мм.4. The device according to claim. 2, in which rubber balls with a wall thickness of 0.1 mm to 1 mm are used as the inflatable elastic membrane. 5. Устройство п. 2, в котором предохранительный и впускной клапаны изготавливаются из алюминий-магниевых сплавов или полимерных материалов.5. Device p. 2, in which the safety and inlet valves are made of aluminum-magnesium alloys or polymer materials. 6. Устройство по п. 2, в котором для регулировки давления внутри полимерного сосуда вместо впускного и выпускного клапанов служит отверстие диаметром от 1 мм до 3 мм с гладкими краями.6. The device according to claim. 2, in which a hole with a diameter of 1 mm to 3 mm with smooth edges serves instead of the inlet and outlet valves to regulate the pressure inside the polymer vessel.

Images