Аккумулятор водорода на основе капиллярных структур

Аккумулирование
АККУМУЛЯТОРЫ ВОДОРОДА
водорода
в
капиллярных
НА ОСНОВЕ
структурах
КАПИЛЛЯРНЫХ
СТРУКТУР
«Водородная энергетика –
экологически чистая линия
взаимоотношений Человека
и Природы»
А.Ф.Чабак
Водород Метан
ДТ
Бензин
Теплота
сгорания 120,1
(низшая):
массовая,
МДж/кг
48,7
42,5
43,9
Структура мирового потребления
водорода на 2000г.
(Суммарное потребление 40млн.т)
20
11
3
3
3
20млн.т
Производство
аммиака
11млн.т
Нефтеперера
ботка и
нефтехимия
3млн.т
Производство
метанола
3млн.т
Металлургия
3млн.т Другие
потребители
Перспективная структура мирового потребления водорода на 2100г.
450млн.т Топливо для
(суммарное потребление ~800млн.т)
автотранспорта
180млн.т Производство
синтетического
топлива
87.5млн.т
Производство аммиака
32млн.т Металлургия
27.5млн.т
Нефтепереработка и
нефтехимия
13млн.т Производство
метанола
13млн.т Другие
потребители
Т0К
Криостаты крупные
14
%
вес
12
Относительная
концентрация
жидкого Н2
0,950,95-1,05
Характеристики извлечения из
хранилищ
Характеристики заправки
хранилищ
Время
хранехранения
сутки
КДж/
КДж/
моль
Т0К
Время,
Время,ч
Т0К
КДж/
КДж/
моль
ВреВре-мя,
мя,ч
10
6565-84
20,4
0,50,5-5,0
30,5
300
0,5
Гидриды металлов:
LaNi5 1010-12атм
295
1,4
1,25
∞
-
289
0,50,5-1,0
31
283
10
Mg2Ni(2Ni(2-5атм)
атм)
300
3,2
1,14
∞
-
-
2 -3
64
526
0,50,5-20
FeTiMn
300
1,5
-
∞
-
289
2
29
325
1 -8
Гидриды неметаллов:
NH3
300
10
1,1
∞
-
-
-
34
800
0,10,1-1,0
CH3OH
300
12
1,3
∞
-
-
-
45
650
0,10,1-1,0
Адсорберы:
Уголь
80
15
0,70,7-0,9
80
2222-30
80
2-20
-
400
0,20,2-2,0
Цеолиты
80
0,12
-
300
0,5
200
0,10,1-1,0
-
-
-
Сосуды высокого
давления
(390(390-500 атм)
атм)
300
3 -8
0,250,25-0,30
-
-
300
-
-
-
-
Микробаллоны стеклянные:
УПУП-67
300
26
0,6
103-104
70
800
2020-50
30
900
0,50,5-20
Стекло№29
Стекло№29
300
15
0,5
60
30
700
5 -8
5-15
800
0,10,1-10
Микробаллоны
кварцевые
80
42
1,25
∞
20
500
0,50,5-2
15
470
0,20,2-2
Зависимость плотности водорода от давления
Low weight
COMPRESSED
HYDROGEN
High pressure compressor
High volume
Impact-resistant
polymer end cap
Strong lightweight
carbon-fiber inner
shell
Leak-resistant
polymer liner
Tough fiber/resin outer shell
Компрессоры водорода
Водород в
микросферах
Микрокапилляры
Новая матрица
D2
δ /R = 0,01
δ = 1,0 мкм,
R = 100мкм,
D = 200 мкм.
π /4 (D12 – D22)= π /4(2002 - 1982)= π /4(40000-39204)= π /4 796.
Объемная доля оболочки:. 796/39204=0,02 или ≤
2%.
При давлении Н2 = 100МПа,
Н2
= 50г/л,
армоса = 1450 г/л
% вес.= (50х39204/1450х796)х100% =169,8%
Основные характеристики материала пористой и микронаноразмерной структуры.
• δ/R – аспектное число;
• δ – толщина оболочки микрокапсулы;
• R – радиус микрокапсулы(микросферы,
капилляра и т.п.).
• σпр./ ρ δ - безразмерный комплекс;
• σпр - предел прочности на растяжение,
• ρ - плотность
материала.
Материал
ρ, г/см3 σвр , МПа
(г/см2 105)
σпр./ ρ δ , 108
Хромонике 7,8
левая сталь
550 (55)
7,05
Полиамид
1,4
80 (8)
5,71
Армос
1,45
5500 (550)
379,3
СВМ
1,45
4200 (420)
293,7
Терлон
1,45
3100 (310)
213,8
Кварц
3,2
>7500
>300,0
Содержание водорода в аккумуляторе с капиллярами из полимера
и стекла при заполнении их водородом с давлением 100 МПа.
Аспектное
число,
σэкв.
МПа
δ/R
Содержание водорода в капиллярах
из полимера,
масс.%
из стекла,
масс.%
из стекла и
полимера, г/л
0,01
8790
169,3
98,2
49,0
0,02
4460
83,6
48,5
48,0
0,04
2296
40,5
23,5
46,1
0,05
1863
31,9
18,5
45,1
Сотовая микроканальная структура из стекла
Параметры
1.
Плотность стекла (ρ), г/см3
2.
Плотность водорода (ρн), г/см3: при давлении (PН), атм (t =
20оС)
2,5300
1650
0,06653028
Гексагональная микроканальная моноструктура:
3.
Диаметр нормали моноструктуры (d), мм
0,1000
4.
Толщина стенки моноструктуры (h), мм
0,0085
5.
Длина моноструктуры (l), мм
200,00
6.
Вместимость моноструктуры (v), мм3
1,7321
Полиструктура - матрица из моноструктур:
7.
Диаметр матрицы (D), мм
4,00
9.
Вместимость матрицы (V), дм3
10.
Масса матрицы без водорода (Mm), г
0,94
11.
Объем водорода в матрице (VH) при норм. давл., л
1,62
12.
Масса водорода в матрице (MH), г
0,15
13.
Массовый параметр вместимости матрицы, %
13,40
14.
Объемный параметр вместимости матрицы, г/л
51,18
0,002
Параметры Стандарт- Разрабатываемый
ный
баллон.
баллон.
50
50
50
700
1000
2000
Плотность, 14,58
г/л.
39,42
49,56
72,2
Вес Н2, г.
729
1971
2478
3610
Объем Н2,
м3
8, 16
22, 07
27, 75
40, 43
Геометриче
ский
объем, л.
Давление,
бар.
200
50
КапилКапиллярная
лярная
матрица. матрица.
Плотность жидкого водорода при температуре
равна 70,8 г/л
-253 0С
Потенциальные потребители аккумуляторов
водорода
Ultracapacitor
Air-Pump
Hydrogen Tank
Fuel Cell Stack
Moto
r
RUSSIAN PATENTS ISSUED AND PENDING
MULTIPLE PUBLICATIOMS IN RUSSIAN AND INTERNATIONAL JOURNALS
1.
2.
3.
4.
5.
В Ы В О Д Ы.
Разработаны основные принципы технологии создания
аккумуляторов на основе капиллярных структур, позволяющих
аккумулировать газы с высоким весовым и объемным
содержанием, превосходящим все на настоящий
момент существующие технологии хранения газов
Новая технология хранения газов создает возможность
обеспечивать высокую их плотность соизмеримую с
плотностью жидких газов (и даже большую) без применения
криогенных систем..
Разработана технология быстрой заправки/ извлечения газов
в/из аккумулятора.
Проведены исследования, экспериментально
подтверждающие возможность создания таких аккумуляторов
газов.
Разбиение аккумулируемого газа на микрообъемы снижает
взрыво-и пожароопасность аккумулятора.
6. Создана кооперация научноисследовательских институтов,
предприятий и заводов для проведения
исследований и запуска производства
капиллярных аккумуляторов газов.
7. Создание производства нового типа
аккумуляторов обеспечит
принципиально новые решения в
использовании газов.
Давление МПа
19
17
15
13
11
0
0
0
0
0
90
70
50
30
10
П ло тн о сть м о ль /дм 3
Метан
30
25
20
15
Ряд1
10
5
0
Давлений МПа
19
17
15
13
11
0
0
0
0
0
90
70
50
30
10
Плотность моль/дм3
Гелий
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Ряд1