Разработка и создание металлогидридной системы хранения и очистки водорода для энергоустановок

Размещено на http://www.allbest.ru/

19

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Разработка и создание металлогидридной системы хранения и очистки водорода для энергоустановок

05.14.01 -- энергетические системы и комплексы

Борзенко Василий Игоревич

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, Малышенко Станислав Петрович;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Кулешов Николай Васильевич;

доктор технических наук, Попель Олег Сергеевич.

Ведущая организация: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт».

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Рост интереса к водородным энергетическим технологиям последнего времени, в большой степени связан с успехами в разработке и создании электрохимических генераторов (топливных элементов), преобразующих водород и кислород воздуха в электрическую энергию с высоким КПД. Из всех типов топливных элементов наиболее перспективными видятся системы на основе полимерэлектролитных ячеек (твердополимерные топливные элементы, ТПТЭ), характеризующиеся низкими рабочими температурами, высокой плотностью потока энергии в единичной ячейке и большим сроком службы при правильной эксплуатации. К настоящему времени в мире создано большое число успешных демонстрационных и промышленных систем на основе ТПТЭ, в том числе транспортных, однако дальнейшее развитие технологии сдерживается рядом технических проблем, где ключевой является проблема хранения водорода, как на борту транспортного средства, так и в стационарных энергетических установках.

Среди разрабатываемых новых технологий и устройств хранения водорода наиболее экономически приемлемыми и безопасными могут стать устройства и системы, основанные на использовании обратимых металлогидридов - интерметаллических соединений (ИМС), способных избирательно и обратимо поглощать водород [1, 2]. При этом основная масса водорода в системе находится в связанном твердофазном состоянии, что обеспечивает повышенную безопасность при эксплуатации. Водород поглощается ИМС с отводом тепла и выделяется при нагреве, причем большой тепловой эффект реакции обеспечивает весьма сильную зависимость равновесного давления водорода над сплавом от температуры - для низкотемпературных систем оно может изменяться от долей атмосферы до величины порядка 1 МПа при изменении температур от 20 °C до 80-90 °C. Это позволяет обеспечить проведение процессов поглощения и выделения водорода за счет имеющихся в системе энергообеспечения ресурсов горячей и холодной воды и осуществить безмашинное компримирование газообразного водорода за счет использования низкопотенциального тепла потерь в топливном элементе. Поскольку ИМС избирательно поглощают только водород, в циклическом процессе сорбции/десорбции осуществляется очистка водорода от примесей. Для низкотемпературных гидридов ИМС весовое содержание водорода в металлогидридах относительно невелико (1-2%), но объемная плотность (более 75 кг Н₂/м³) превышает плотность жидкого водорода. По низшей теплоте сгорания это соответствует более 2,5 МВт•ч/м³ среды хранения энергии. Поэтому металлогидридные системы очистки и хранения водорода на основе низкотемпературных гидридов весьма перспективны для создания систем аккумулирования энергии для стационарных энергоустановок, в том числе на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В активированном состоянии металлогидриды в реакторах сорбции/десорбции водорода являются мелкодисперсным порошком с характерными размерами частиц примерно 1-10 мкм с низкой эффективной теплопроводностью среды (0,1-1 Вт/м•К), зависящей от давления водорода и концентрации поглощенного водорода частицами сплава. Реакция сорбции/десорбции водорода сопровождается большим тепловым (20-50 кДж/моль Н₂) и объемным эффектами. Основным лимитирующим процессом, определяющим эффективность работы металлогидридных реакторов, является тепломассоперенос в металлогидридной засыпке при сорбции/десорбции. Теория тепломассообмена в мелкодисперсных средах при наличии фазовых превращений и реакции сорбции/десорбции, учитывающая размерные и масштабные эффекты, в настоящее время отсутствует. В этой связи важнейшими задачами становятся экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в реакторах и разработка эффективных методов их математического моделирования и инженерных методик оптимизации конструктивных решений.

Другой, не менее важный класс научных и технических задач, связан с разработкой эффективных технологий системной интеграции металлогидридных устройств для хранения и очистки водорода с энергоустановкой на основе ТПТЭ с учетом требований потребителей энергии (график потребления, требуемая электрическая и тепловая мощность), а также с источниками водорода. Для таких систем необходима оптимизация как схемы автономной энергоустановки в целом, так и режимов работы ее агрегатов, исходя из графиков электрической и тепловой нагрузки конкретных потребителей.

Цели работы:

· Разработка и создание комплексного экспериментального стенда для проведения исследований процессов тепломассопереноса в металлогидридных реакторах систем хранения и очистки водорода и проблемы системной интеграции металлогидридных устройств с энергоустановкой киловаттного класса мощности на основе ТПТЭ.

· Исследование особенностей тепломассопереноса в металлогидридных реакторах при сорбции и десорбции чистого водорода и водорода с примесями и создание экспериментальных образцов реакторов производительностью до 3 н.м³/ч и емкостью до 12 н.м³.

· Исследование особенностей системной интеграции металлогидридных устройств хранения и очистки водорода с энергоустановками киловаттного класса мощности на основе ТПТЭ и создание экспериментальной системы хранения и очистки водорода для топливообеспечения энергоустановок на основе электрохимических генераторов.

Научная новизна

При выполнении работы получены следующие новые научные результаты:

· Разработан и создан комплексный экспериментальный стенд, позволяющий проводить исследования, как тепловых процессов в металлогидридных реакторах различных типов и масштабов, так и проблем системной интеграции металлогидридных устройств с энергоустановками киловаттного класса мощности на основе ТПТЭ.

· Выполнен комплекс исследований тепловых процессов в металлогидридных реакторах при сорбции и десорбции водорода и разработана оригинальная методика экспериментов, основанная на инструментальном ограничении расхода водорода. Впервые определены различные режимы зарядки металлогидридных реакторов и установлены условия реализации оптимальных режимов.

· Разработаны конструкции и изготовлены экспериментальные образцы металлогидридных реакторов для систем очистки и хранения водорода. Проведены их успешные испытания и определены оптимальные режимы работы.

· Впервые исследованы особенности тепловых процессов в металлогидридных средах, связанные с наличием неабсорбируемых газовых примесей в водороде и предложена технология глубокой очистки водорода путем циклирования давления в реакторах. Изучены основные факторы, лимитирующие потери водорода при очистке, и эффективность процессов очистки водорода.

· Впервые исследованы основные проблемы системной интеграции металлогидридных устройств очистки и хранения водорода с промышленной энергоустановкой и создана интегрированная с ТПТЭ система топливообеспечения. Определены основные источники потерь и направления оптимизации структурной схемы системы топливообеспечения.

· Впервые разработаны и практически реализованы алгоритмы работы автоматической системы управления технологическими процессами для металлогидридных систем очистки водорода, в том числе, в составе энергоустановки на основе ТПТЭ мощностью до 5 кВт.

Практическая значимость

· В результате выполненных исследований созданы научно-технические основы технологии водородного аккумулирования энергии с использованием металлогидридных устройств для автономных систем энергообеспечения киловаттного класса мощности;

· Разработанные оригинальные конструктивные решения для стационарных систем хранения и очистки водорода допускают масштабирование и могут быть практически использованы при создании систем обеспечения различных технологических процессов высокочистым водородом в микроэлектронной, фармацевтической, пищевой и ряде других отраслей.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов работы обусловлена результатами детальных экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в металлогидридных системах, экспериментальными исследованиями интегрированных систем и сопоставлением с теоретическими расчетами процессов тепломассопереноса в разработанных металлогидридных аккумуляторах.

Положения выносимые на защиту

Автор защищает:

1. Разработку и создание комплексного экспериментального стенда для исследований процессов тепломассопереноса в металлогидридных средах и процессов системной интеграции металлогидридных устройств хранения и очистки водорода с ТПТЭ, включающего все основные элементы перспективных металлогидридных систем топливо и -энергоообеспечения автономных объектов киловаттного класса мощности.

2. Методику экспериментальных исследований процессов в металлогидридных реакторах, основанную на аппаратном ограничении расхода водорода.

3. Результаты фундаментальных экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в мелкодисперсных металлогидридных средах при сорбции и десорбции чистого водорода и с газовыми примесями.

4. Разработку и реализацию алгоритма работы АСУ ТП в металлогидридной системе хранения и очистки водорода интегрированной с ТПТЭ.

5. Разработанные конструкции и результаты испытаний экспериментальных образцов металлогидридных реакторов хранения и очистки водорода производительностью до 5 н.м³/ч и емкостью по водороду до 15 н.м³.

6. Результаты исследований особенностей системной интеграции металлогидридных устройств и энергоустановок на основе ТПТЭ киловаттного класса мощности в автономные системы энергообеспечения и предложения по оптимизации основных схемных и конструктивных решений.

Личный вклад автора

Все перечисленные выше результаты получены автором лично или при его определяющем участии.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на:

· 11-ой Международной конференции по чистой энергетике, 2-5 ноября 2011 г., Тайчунг, Тайвань.

· XVIII Школе -семинаре «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях», 23-27 мая 2011 г., Звенигород.

· Юбилейной научной конференции, посвященной 50-летию ОИВТ РАН, Москва, сентябрь 2011 г.

· 18-ой Всемирной конференции по водородной энергетике, 16-21 мая 2010 г., Эссен, Германия.

· II Международной выставке и конференции «Технологии хранения водорода», 28-29 октября 2009 г., Москва.

· Семинаре Соглашения по внедрению водорода Международного энергетического агентства (HIA IEA Task 17/22), Cакакоми лейк, Канада, 2-5 марта 2008 г.

· 2-ом Международном конгрессе по водородной энергетике, Стамбул, Турция, 15-19 июля 2007 г.

· Семинаре Соглашения по внедрению водорода Международного энергетического агентства (HIA IEA Task 17/22), Виндермере, Англия, 2-6 мая 2006 г.

· Международном симпозиуме по водородной энергетике. Москва, 1--2 ноября 2005 г.

· Конференции по технологиям хранения водорода Международного партнерства по водородной экономике, Лука, Италия, 19-22 июня 2005 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 2 входят в перечень ВАК, получено 2 патента.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 124 страницы, включая 72 рисунка, 11 таблиц и библиографию, содержащую 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранной темы и определены цели работы.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященной современному состоянию вопроса разработки и создания систем хранения и очистки водорода на основе металлогидридных технологий. Рассмотрены различные технологии хранения водорода, изложены физические основы технологии обратимого твердофазного хранения водорода (ОТХВ) в гидридах металлов и рассмотрены работы, связанные с исследованиями в области создания новых интерметаллических соединений для систем хранения и очистки водорода. Рассмотрены различные химические системы, пригодные в технологии ОТХВ, перспективы их практического применения. Отмечены как недостатки, в частности, низкое массовое содержание водорода, так и достоинства низкотемпературных металлогидридов (НМГ) на основе LaNi₅, а именно, хорошая изученность свойств и удобство их модификации. Рассмотрены литературные источники по моделированию процессов тепломассообмена при сорбции/десорбции водорода в пористых засыпках НМГ и произведен выбор модели для сопоставления с результатами экспериментальных исследований [3]. На основе литературных источников проанализированы возможные источники и состав примесей в водороде и проведена их классификация по степени отравляющего воздействия на НМГ. Рассмотрены различные технологии очистки водорода и сделан вывод о возможности построения универсальных стационарных систем хранения и очистки водорода на основе НМГ для использования совместно с ТПТЭ в энергоустановках резервного питания и в автономных энергоустановках на основе ВИЭ в качестве аккумулятора энергии.

Во второй главе приводится описание созданного комплексного экспериментального стенда (КЭС), предназначенного для решения следующих задач: исследования процессов тепломассообмена в металлогидридных пористых средах при сорбции чистого водорода, а также при наличии примесей во входящем газе и проверки выбранных математических моделей; экспериментального исследования режимов работы металлогидридных устройств хранения и очистки водорода; исследования сорбирующих свойств различных НМГ; исследования особенностей совместной работы ТПТЭ и металлогидридной системы хранения водорода. В соответствии со сформулированными требованиями КЭС состоит из подсистем предварительной очистки водорода, экспериментальной системы тонкой очистки, системы хранения водорода, серийной энергоустановки на ТПТЭ (GenCore 5B(T) 48), системы диагностики и управления и модельного потребителя мощности. Для решения задач экспериментальных исследований тепломассообмена в пористых засыпках НМГ созданы модульные исследовательские реакторы хранения и очистки водорода РХО-1 (Рис.1), оснащенные датчиками температуры и давления. В качестве сплава образующего НМГ в реакторе использовался сплав Mm_0.8La_0.2Ni_4.1Fe_0.8Al_0.1 (4,69 кг), созданный в МГУ [4] и отличающийся повышенной разностью величин давления в заданном интервале температур десорбции 20-60^оС. На Рис. 2 приведены изотермы десорбции водорода указанным сплавом (Р-С-Т диаграмма).

На начальном этапе исследования в качестве металлогидридного хранилища чистого водорода был использован аккумулятор, созданный ранее в ИПМаш НАН Украины [5] совместно с ИВТ РАН и оснащенный сплавом на основе LaNi₅, а именно его модификацией церием: La_0,98Ce_0,02Ni_4,85Al_0,15.

Рис. 1. Модульный металлогидридный реактор хранения и очистки водорода РХО-1

Рис. 2. Изотермы десорбции водорода в системе Mm_0.8La_0.2Ni_4.1Fe_0.8Al_0.1 - Н₂

металлогидридный водород энергоустановка твердополимерный

Приводятся состав и параметры системы диагностики КЭС, основанной на многофункциональном шасси NI PXI-1036, приводятся оценочные расчеты погрешностей измерений температуры, давления и расхода и описывается методика приготовления газовых смесей для исследований процессов тепломассообмена при сорбции водорода с примесями неабсорбируемых газов.

В третьей главе диссертации приводятся основные результаты экспериментальных исследований процессов тепломассообмена [6] при сорбции/десорбции чистого водорода в реакторе РХО-1, их сравнения с результатами математического моделирования, описания конструкций нескольких типов созданных металлогидридных реакторов с оптимизированными теплообменными характеристиками и результаты их испытаний. В ходе экспериментальных исследований была применена оригинальная методика аппаратного ограничения расхода на входе/выходе из реактора, позволяющая избежать потери ценных данных по интегральным расходным характеристикам реактора (Рис. 3) и определить стадии зарядки/разрядки реактора с целью, дальнейшей оптимизации его режимов работы. Для сопоставления с расчетами по модели [3] были получены временные характеристик давления и температуры (Рис. 4 и 5). По результатам серии экспериментов по зарядке и разрядке реактора РХО-1 его водородная емкость оказалась равной 690±5 нл (1,33 % масс.). Для номинальных расходов от 30% и выше время зарядки реактора до 650 нл составило 18±1 мин и практически не зависело от начальных условий, для меньших номинальных расходов наблюдался рост времени зарядки до 30 мин (режим 10%). Для большинства номинальных расходов водорода реактор не может долго поддерживать установленную скорость поглощения водорода (Рис. 3). Анализ кривых роста содержания водорода в поглощающем сплаве показывает, что в общем случае процесс поглощения водорода протекает в три стадии. На первой стадии реакция ограничена притоком газа в реактор через регулятор, и расход водорода постоянен, содержание водорода в поглощающем сплаве растет линейным образом. Окончание первой стадии характеризуется резким снижением расхода водорода на входе в реактор. Вторая стадия характеризуется постепенным снижением скорости поглощения водорода и по мере снижения расхода водорода на входе в реактор переходит в третью стадию, на которой достигается окончательное насыщение поглощающего сплава водородом. Эти особенности работы металлогидридного реактора определяются характером теплопереноса в засыпке водородопоглощающего сплава.

Рис. 3. Расход водорода на входе в реактор для различных режимов зарядки, 1 - 100% (240 н.л/мин), 2 - 80%; 3 - 40%; 4 - 20%; 5 - 10%

Рис. 4. Температура в центре засыпки водородопоглощающего материала для различных режимов зарядки, 1 - 100%, 2 - 80%; 3 - 40%; 4 - 20%; 5 - 10%

Рис. 5. Давление в реакторе для различных режимов зарядки, 1 - 10%, 2 - 20%; 3 - 30%; 4 - 40%; 5 - 60%; 6 - 100%

На Рис. 4 представлены кривые изменения температуры в засыпке в течение процесса зарядки реактора. Первая стадия зарядки сопровождается резким прогревом засыпки, вызванным выделением теплоты реакции поглощения водорода. Анализ перепада температур в засыпке (Рис. 6) показывает, что в наиболее интенсивных режимах зарядки на первой стадии температура у охлаждаемой границы засыпки выше, чем в ее центре, то есть прогрев распространяется от внешних границ засыпки к центру по мере проникновения водорода от проницаемых стенок водородопоглощающих модулей в поровое пространство между частицами сплава. Частицы у границы засыпки быстрее контактируют с водородом и, соответственно, выделяют больше тепла, чем частицы в центре. При этом внешнее охлаждение практически не играет никакой роли на первой стадии процесса зарядки реактора, и его тепловое состояние определяется только скоростью подачи водорода в поглощающую зону. По мере роста температуры засыпки и насыщения частиц сплава водородом, их поглощающая способность снижается, что приводит к росту давления водорода в реакторе (Рис. 5).

Рис. 6. Разница между температурой в центре засыпки поглощающего сплава и температурой у внешней охлаждаемой стенки в зависимости от давления в реакторе: 1 - 10%, 2 - 20%; 3 - 30%; 4 - 40%; 5 - 60%; 6 - 100%

Окончание первой стадии зарядки характеризуется достижением максимума температуры, формированием радиального градиента температуры в засыпке, а также, резким снижением темпа роста давления в реакторе. На второй стадии зарядки скорость поглощения водорода в засыпке ограничивается скоростью отвода тепла реакции через охлаждаемую стенку, процесс на этой стадии перестает зависеть от начальных условий, при этом происходит при температуре, близкой к максимальной, и характеризуется слабым ростом давления в реакторе. На третьей стадии сплав уже практически насыщен водородом, интенсивность тепловыделения значительно снижена, и происходит охлаждение реактора при давлении, равном давлению на входе в реактор. Отличаются по характеру режимы зарядки с малым расходом водорода на входе (см. представленный на рисунках режим 10% и, частично, режим 20%). В этих режимах начального расхода водорода недостаточно для создания избыточного тепловыделения в реакционной зоне, тепло реакции отводится через охлаждаемую стенку, и в результате первая и вторая стадии зарядки сливаются. Такие режимы можно назвать сбалансированными. В процессе разрядки реактора можно выделить те же три стадии, что и при его зарядке, отличающиеся только знаком изменения характеристик процесса.

На Рис. 7 показано изменение среднеинтегральной концентрации связанного водорода в реакторе в процессе зарядки, рассчитанное с использованием подобранной зависимости равновесного давления по модели, созданной в МЭИ (ТУ) [3]. Подбор производился для максимального режима, поэтому именно в этом режиме наблюдается наилучшее соответствие результатов расчета и эксперимента.

Рис. 7. Изменение среднеинтегральной концентрации водорода в твердой фазе в процессе сорбции

Рис. 8. Разработанные реакторы хранения и очистки водорода: 1 - РХО-1; 2 - РХО-2 (трубная доска); 3 - РХО-3 (трубная доска); 4 - РХО-5 (только один патрон, сильфон)

В остальных режимах наблюдается отклонение в начальные моменты времени, которое может быть обусловлено зависимостью ширины «плато» равновесной изотермы от температуры, которое в данном расчете не учитывалось. В результате численного моделирования удалось достичь хорошего количественного соответствия экспериментальным данным по среднеинтегральным характеристикам работы металлогидридного реактора и качественного соответствия в локальных характеристиках. По итогам экспериментальных исследований и в соответствии с рекомендациями по результатам математического моделирования были спроектированы и созданы несколько типов металлогидридных реакторов патронного типа (Рис. 8) для систем тонкой очистки водорода с улучшенными теплообменными характеристиками и динамикой зарядки/разрядки (РХО-3). Основными техническими решениями, обусловившими улучшение характеристик по отношению к реактору РХО-1, явились уменьшение толщины сорбирующего слоя и увеличение удельной площади теплообмена путем создания канала для внутреннего тока теплоносителя [7]. Для системы хранения очищенного водорода был создан реактор на 81 кг сплава, изготовленный по схеме аналогичной реакторам очистки РХО-3 (Рис. 9).

Рис. 9. Реактор хранения водорода РХ-1

Состав использованных гидридообразующих материалов был оптимизирован с точки зрения соответствия предполагаемым режимам работы реакторов системы очистки и хранения. Выбраны оптимальные композиции интерметаллических сплавов, исследованы их свойства и изготовлены партии сплавов LaFe_0.1Mn_0.3Ni_4.8 - для использования в системе очистки водорода, и La_0.5Nd_0.5Al_0.1Fe_0.4Co_0.2Ni_4.3. - для использования в системе хранения водорода.

Рис. 10. Энергетические характеристики совместной работы металлогидридной системы хранения и подачи водорода с энергоустановкой на основе ТПТЭ мощностью 5 кВт. 1 - тепловая мощность потока водорода (по низшей теплоте сгорания); 2 - электрическая мощность батареи ТЭ; 3 - мощность перед инвертором; 4 - электрическая мощность потребителя; 5 - мощность, потребляемая на собственные нужды энергоустановки

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований системной интеграции ТПТЭ и созданных металлогидридных устройств хранения и очистки водорода, где были измерены основные интегральные характеристики энергоустановки (Рис. 10), такие как потребляемая мощность (в пересчете на теплоту сгорания водорода), мощность стэка ТПТЭ, общая мощность энергоустановки с учетом собственных нужд и инвертирования постоянного тока в переменный (220 В, 50 Гц) и соответствующие КПД. Учитывая, что рабочая температура ТПТЭ лежит в диапазоне равновесных температур НМГ типа АВ₅, сделан вывод о целесообразности использования низкопотенциального тепла системы охлаждения ТПТЭ для десорбции водорода в реакторах систем ОТХВ. При совместной работе c ТПТЭ, реактор РХ-1 продемонстрировал ёмкость по водороду более 13 н.м³ и обеспечил работу ТПТЭ на номинальной мощности в течении более 3-х часов при нагреве в диапазоне 30 - 85 ^оС.

Рис. 11. Давление в реакторе РХО-3 при зарядке смесью водорода и 6,6% азота с последующей разрядкой в металлогидридный реактор хранения РХ-1

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса очистки водорода, описание созданной автоматической металлогидридной системы очистки водорода, использующей технологию схожую с методом коротко-цикловой адсорбции (КЦА), и приводится алгоритм её функционирования. Особенностью предложенного метода циклирования давления является избирательное поглощение адсорбентом не примеси, как в методе КЦА, а самого водорода. Обнаружено радикальное влияние эффекта блокирования инертной примесью (“inert blanketing”) [2] на процесс циклической очистки. Накопление примесей в свободном объеме реактора блокирует реакцию сорбции и для продолжения сорбции до полной зарядки реактора необходима эвакуация примесей из свободного объёма реактора, которая в автоматической системе может быть организована несколькими способами: регулировкой времени цикла, расходов на входе и выходе или давления. Последняя методика имеет свои преимущества, как с точки зрения эффективности очистки, уменьшения потерь водорода, так и с точки зрения простоты организации системы диагностики и управления при переходе от экспериментальной к демонстрационной или полупромышленной установке. В рамках исследования предложена и успешно реализована методика процесса очистки водорода основанная на экспериментальных данных по изотермамметаллогидридной засыпке ниже температуры охлаждающей воды, которые могут быть объяснены только предположением о локальном процессе десорбции водорода в том месте, где расположен датчик температуры. Эффект “перераспределения” заключается в одновременном наличии зон в металлогидриде, сорбирующих и десорбирующих водород. Возможность получения такого же результата для чистого водорода, в аналогичном по количеству заправленного водорода цикле зарядки была проверена в специальном эксперименте, где эффект проявился слабее. Полученный результат подтверждает фронтальный характер распространения процесса сорбции в пористой засыпке НМГ, свойственный работе аппаратов со стационарным зернистым слоем [9].

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.

1. Создан комплексный экспериментальный стенд для исследований тепловых процессов в металлогидридных реакторах различных типов и масштабов и проблем системной интеграции металлогидридных устройств с энергоустановками на основе ТПТЭ, разработана оригинальная методика экспериментов, основанная на аппаратном ограничении расхода водорода, и исследованы тепловые процессы в металлогидридных реакторах при сорбции и десорбции водорода. Определены различные режимы зарядки металлогидридных реакторов и установлены условия реализации оптимальных режимов.

2. Разработаны конструкции, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы металлогидридных реакторов для систем очистки и хранения водорода.

3. Исследованы особенности тепловых процессов в металлогидридных средах, связанные с наличием неабсорбируемых газовых примесей в водороде, предложена и реализована в автоматическом режиме технология глубокой очистки водорода от неабсорбируемых газовых примесей путем циклирования давления в реакторах. Изучены основные факторы, лимитирующие потери водорода при очистке и эффективность процессов очистки водорода.

4. Исследованы основные проблемы системной интеграции металлогидридных устройств очистки и хранения водорода с промышленной энергоустановкой и создана интегрированная с ТПТЭ система топливообеспечения. Определены направления оптимизации структурной схемы системы топливообеспечения.

5. Разработаны и практически реализованы алгоритмы работы АСУ ТП для металлогидридных систем очистки водорода, в том числе, в составе энергоустановки на основе ТПТЭ мощностью до 5 кВт

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Артемов В.И., Лазарев Д.О., Яньков Г.Г., Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Влияние неабсорбируемых газовых примесей на процессы тепломассообмена в металлогидридных устройствах для аккумулирования и очистки водорода.// Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 42. № 6. с. 97-105.

2. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Кризисные явления в металлогидридных устройствах хранения водорода.// Теплофизика высоких температур. 2011. Т. 49. № 2. с. 256-264.

3. Artemov V.I., Yankov G.G., Lazarev D.O., Borzenko V.I., Dunikov D.O., Malyshenko S.P. Numerical Simulation of the Processes of Heat and Mass Transfer in Metal-Hydride Accumulators of Hydrogen // Heat Transfer Research, 2004, Vol. 35, Issue 1&2, p. 140-156

4. Malyshenko S.P., Borzenko V.I., Dunikov D.O. et. al. Modeling of Thermophysical Processes in Me-H Cleaning Systems. // Hydrogen Energy Progress XIII. Proc. of the 13^th World Hydrogen Energy Conference, Beijing, China, June 12-15, 2000. V.2. р. 1323-1327.

5. Borzenko V.I., Blinov D.V., Dunikov D.O., Malyshenko S.P. Reversible Solid State Hydrogen Storage System Integrated with PEM Fuel Cell.// Proceedings of the 18th World Hydrogen Energy Conference 2010 - WHEC 2010. Schriften des Forschungszentrums Jьlich, Essen, Germany. V. 4, p. 115-121.

6. Borzenko V.I., Dunikov D.O., Malyshenko S.P. Optimization of heat transfer in metal hydride reactor.// 18th World Hydrogen Energy Conference 2010, May 16?21. Essen, (CD-ROM).

7. Блинов Д.В., Борзенко В.И., Дуников Д.О., Жемерикин В.Д. Cистема твердофазного хранения и очистки водорода и ее использование с водородо-воздушным топливным элементом.// Труды международного симпозиума по водородной энергетике, Москва, 2007, Издательство МЭИ, с.226-230.

8. Артемов В.И., Лазарев Д.О., Яньков Г.Г., Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Основные факторы, ограничивающие скорость сорбции водорода в металлогидридных системах хранения.// Труды Международного симпозиума по водородной энергетике. Москва, 1--2 ноября 2005 г. Издательство МЭИ, с.121--126.

9. Artemov V.I., Borovskih O.V., Lazarev D.O., Yankov G.G,. Borzenko V.I., Dunikov D.O. Mathematical model and 3d numerical simulation of heat and mass transfer in metalhydride reactors.// 17^th World Hydrogen Energy Conference. 2008. Brisbane. Australia, (CD-ROM).

10. Borzenko V.I., Malyshenko S.P. Hydrogen technologies for power production.// 2010 APEC Advanced Biohydrogen Technology, November 18-20, 2010, Taichung, Taiwan. Proc. Vol.1 p.107-129.

11. Borzenko V.I., Dunikov D.O., Malyshenko S.P., Zhemerikin V.D. Experimental investigations of Heat and Mass Transfer Processes in Metal Hydride Porous Bed of Hydrogen Storage and Purification Unit. // IPHE International Hydrogen Storage Technology Conference 19-22 June 2005. Lucca, Italy, (CD-ROM).

12. Дуников Д.О., Борзенко В.И., Малышенко С.П. Влияние теплопередачи в водородопоглощающих материалах на эффективность работы металлогидридных устройств хранения водорода.// Тезисы докладов II Международной конференции «Технологии хранения водорода». Москва, 28-29 окт. 2009 г., с. 46-47.

13. Блинов Д.В., Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Система твердофазного хранения и очистки водорода и ее использование с твердополимерным топливным элементом.// Тезисы докладов II Международной конференции «Технологии хранения водорода». Москва, 28-29 окт. 2009 г., с.76-77.

14. Borzenko V.I., Dunikov D.O., Malyshenko S.P. Reversible solid-state hydrogen storage systems and their integration with PEM FC.// Second Russia-Taiwan Symposium on Hydrogen and Fuel Cell Technology Application. Moscow, Oct. 5-6, 2009, (CD-ROM).

15. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Жемерикин В.Д., Малышенко С.П. Металлогидридные системы хранения и очистки водорода и их применение в энергетике.// Юбилейная научная конференция, посвященная 50-летию ОИВТ РАН. Сборник тезисов докладов. М.: ОИВТ РАН, 2011. с. 278 - 281.

16. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Кризисные явления в металлогидридных устройствах хранения водорода.// Юбилейная научная конференция, посвященная 50-летию ОИВТ РАН. Сборник тезисов докладов. М.: ОИВТ РАН, 2011. с. 286 - 289.

17. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Металлогидридный патрон для хранения водорода.// Патент РФ на полезную модель №80702, 2008.

18. Борзенко В.И. и др. Металлогидридный патрон с гофрированной внешней поверхностью для хранения водорода.// Патент РФ на полезную модель №81568. 2009.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В., Яртысь В.А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода.// Рос.хим.ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2006, т. L, №6, с. 34-48.

2. Sandrock G. A panoramic overview of hydrogen storage alloys from a gas reaction point of view.// Journal of Alloys and Compounds, vol 293-295, 1999, p. 877-888.

3. Artemov V.I., Yankov G.G., Lazarev D.O., Borzenko V.I., Dunikov D.O., Malyshenko S.P. Numerical Simulation of the Processes of Heat and Mass Transfer in Metal-Hydride Accumulators of Hydrogen // Heat Transfer Research, 2004, Vol. 35, Issue 1&2, p. 140-156.

4. Mitrokhin, S., et al. Synthesis and properties of AB5-type hydrides at elevated pressures.// Journal of Alloys and Compounds, vol. 446-447(0), 2007, p. 603-605.

5. Соловей В.В., Кривцова В.И. Системы хранения и подачи водорода для автономных энергоустановок// Харьков, 1994.-35 с. - Препр. / НАН Украины. Ин-т проблем машиностроения; № 376.

6. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Кризисные явления в металлогидридных устройствах хранения водорода.// Теплофизика высоких температур. 2011. Т. 49. № 2. c. 256-264

7. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Малышенко С.П. Металлогидридный патрон для хранения водорода. // Патент РФ на полезную модель № 80702, 2008.

8. Chernov I., Gabis I. Mathematical model of metal-hydride hydrogen tank with quick sorption // Journal of Alloys and Compounds. Vol. 509. 2011. p. 809-811.

9. Аэров М. Э., Тодес О. М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем.// Изд-во «Химия», 1968 г., 512 с.

Размещено на Allbest.ru