Исследование процессов, разработка и создание металлогидридной системы хранения и очистки водорода для энергоустановок на основе ТПТЭ киловаттного класса мощности

• Автор: Борзенко, Василий Игоревич
• Шифр специальности: 05.14.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. Металлогидридные технологии для энергетики. Современное
состояние вопроса
1.1 Технологии хранения водорода
1.1.1 Физические методы хранения водорода
1.1.2 Адсорбционные методы хранения водорода
1.1.3 Химические методы хранения водорода
1.2 Металлогидридные технологии хранения и очистки водорода
1.3 Особенности тепловых процессов при сорбции/десорбции водорода в

металлогидридных пористых засыпках
1.4 Применение металлогидридных систем хранения и очистки водорода
1.5 Выводы к главе
Глава 2. Создание комплексного экспериментального стенда. Методика
экспериментальных исследований
2.1 Общие требования к экспериментальному стенду
2.2 Схема и состав оборудования комплексного экспериментального стенда
2.2.1 Система предварительной очистки водорода
2.2.2 Экспериментальная система тонкой очистки водорода
2.2.3 Реактор РХО-1 системы тонкой очистки водорода
2.2.4 Водородсодержащие материалы для системы тонкой очистки
2.3 Экспериментальная система хранения водорода

2.4. Система диагностики и управления

2.5. Технология подготовки газовых смесей
2.6. Измерение состава газа в реальном времени
2.7. Электрохимический генератор
2.8. Оценка погрешностей основных измерений
2.9. Выводы к главе 2
Глава 3. Экспериментальные исследования процессов тепломассообмена. Создание оптимизированных реакторов для систем очистки и хранения

3.1 Экспериментальные исследования процессов тепломассообмена при сорбции чистого водорода
3.2 Оценка коэффициента теплоотдачи к внешнему теплоносителю
3.3 Сравнение результатов экспериментов с результатами моделирования
3.4 Оптимизация конструкции металлогидридных реакторов с точки зрения улучшения тепломассообмена
3.5 Реактор рхо
3.6. Выбор новых водород со держащих материалов для систем хранения и очистки
3.7 . Реактор системы хранения РХ
3.8 Выводы к Г лаве
Глава 4. Экспериментальные исследования системной интеграции ТПТЭ и металлогидридных устройств хранения и очистки водорода
4.1 Концепция интегрированной системы топливообеспечения
4.2 Испытания ТПТЭ с использованием баллонной системы хранения водорода
4.3 Испытания ТПТЭ с использованием металлогидридной системы хранения

водорода
4.3 Выводы к главе
Глава 5. Экспериментальные исследования процессов очистки водорода
5.1. Модернизация экспериментальной установки
5.2 Предварительные исследования и выбор способа очистки водорода
5.3 Автоматизация процесса очистки водорода
5.4 Оптимизация автоматического режима процесса очистки водорода
5.5 Влияние зависимости свободного объёма реактора от массового содержания водорода на характеристики процесса очистки
5.6 Эффект перераспределения водорода при релаксации процесса зарядки
5.7 Выводы к Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ
Первый элемент таблицы Менделеева - водород обладает уникальными физико-химическими свойствами, делающими его самым перспективным промежуточным энергоносителем для будущих нужд энергетики, химической технологии и транспорта. Действительно, самая высокая теплота сгорания, достаточно хорошая реакционная способность водорода, доступность в виде разнообразных соединений, в том числе в составе воды и углеводородов, позволяют разработку огромного числа технологий преобразования энергии в водород и обратного использования водорода в качестве топлива. Водород, как промежуточный энергоноситель, может быть использован в распределенных энергетических сетях, транспортных системах, системах автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии и перспективных системах аккумулирования электроэнергии в централизованных сетях. Необходимость снижения нагрузки на мировую экосистему по мере роста потребления энергии, также, заставляет искать новые подходы к повышению эффективности производства и потребления энергии, что выводит водородные технологии на первое место в силу экологической чистоты процесса окисления
водорода.
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

2.2 СХЕМА И СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА
Пневмогидравлическая схема КЭС представлена на рисунке 7
Экспериментальная установка включает в себя серийный модуль хранения водорода на 6 баллонов ОепСоге, рампу подготовки газа поз. 3, состоящей из баллонов с различными газами, блок предварительной очистки водорода, состоящий из каталитического дожигателя кислорода поз. 5 и осушителя поз. 6, металлогидридную систему тонкой очистки, состоящую из двух металлогидридных реакторов хранения и очистки водорода поз. 7, металлогидридную систему хранения водорода поз. 8, пробоотборник поз. 9 для забора пробы газа и последующего лабораторного анализа содержания примесей, форвакуумный насос поз. 10, серийный топливный элемент ОепСоге 5Т48 поз.11, газовый хроматограф Уапап СР490(ЮС поз. 12 и проточный газоанализатор поз. 13, которые установлены на выходе из металлогидридной системы тонкой очистки водорода. Схема подачи и нагрева сетевой воды включает проточный водонагреватель ЭВП315 поз. 14 и счетчик воды поз. 19. Для упрощения доступа к основным точкам пневмогидравлической схемы установки с целью отбора проб, регенерации и откачки, предусмотрен основной газовый коллектор поз. 4, оборудованный датчиком измерения влажности.
Блок предварительной и тонкой очистки водорода и металлогидридный модуль хранения водорода расположены в металлическом блоке, оборудованном в соответствии с требованиями ГОСТ 12.4-021-75 вытяжной вентиляцией с кратностью воздухообмена 12... 15. Помещение и бокс оборудованы датчиками опасных накоплений (ДТХ-127-1), сблокированными с аварийной вытяжной вентиляцией для ее включения при достижении концентрации водорода в воздухе 1 %.