×
20.01.2016
216.013.a3ae

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ВОДОРОДА В МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДАХ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области водородной энергетики - аккумулированию и хранению водорода, который в настоящее время используется в химическом, транспортном машиностроении и других отраслях промышленности. Согласно изобретению емкость для хранения водорода представляет собой обычный никель-кадмиевый аккумулятор с металлокерамическими электродами. Предложенный способ аккумулирования водорода состоит в насыщении металлокерамических электродов водородом путем его диффузии внутрь электродов. Электроды насыщаются водородом благодаря электролизу электролита при перезаряде аккумуляторов при напряжении 1,5 В в течение 2 лет. Техническим результатом изобретения является возможность использования для накопления водорода дешевых, промышленно выпускаемых металлокерамических электродов и получение массового содержания водорода в оксидно-никелевых электродах 13,4%, а в кадмиевых электродах 8%.
Основные результаты: Способ аккумулирования водорода в металлокерамических электродах, заключающийся в насыщении накопителя путем диффузии водорода внутрь накопителя, отличающийся тем, что в качестве накопителя водорода используется никель-кадмиевый аккумулятор с металлокерамическими электродами, а насыщение водородом происходит во время перезаряда аккумулятора при напряжении 1,5 В в течении 2 лет.

Изобретение относится к области водородной энергетики - аккумулированию и хранению водорода, который в настоящее время используется в химическом, транспортном машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен способ аккумулирования водорода и емкость для хранения водорода (патент №2222749, МПК F17C 5/04, 2004), представляющая собой герметичный кожух с внутренним сосудом для хранения сжиженного водорода, при этом система газозаполнения выполнена так, что позволяет сократить потери водорода, снизить время заправки емкости. Эта емкость предназначена для водородного автомобиля (Шварц А. Автомобиль будущего. Ж. Вестник, №10 (347), стр. 1-5, 12.05.2004 г.), она выполнена из прочных композитных относительно легких материалов. Последняя модификация имеет объем 90 л, массу 40 кг, давление водорода 400 атм. Оценки показывают, что в этом случае в емкости может быть запасено 3,2 кг водорода, следовательно, массовое содержание водорода равно 3,2/40·100%=8%. Недостатками емкости является взрывоопасность и низкое содержание водорода на единицу объема, до 400 л водорода на 1 л, потери газа из емкости.

Также известен способ аккумулирования водорода (патент РФ №№2283453, МПК F17C 11/00, 2006), в котором в качестве накопителя аккумулятора водорода используются микросферы, изготовленные из стали, или титана, или лантана, или никеля, или циркония, или сплавов на основе этих металлов или графита, или композиции на основе графита. Способ аккумулирования водорода заключается в насыщении микросфер водородом путем диффузии, при этом помещают микросферы, являющиеся катодом, в водородосодержащую среду, а насыщение микросфер проводят водородом, переведенным в ионную форму. Перевод водорода в ионную форму можно проводить электролизом в водных растворах. Перевод водорода в ионную форму можно проводить ионизацией, например, в электрическом разряде. Недостатком изобретения является то, что в качестве накопителя-аккумулятора водорода используются микросферы, изготовление которых является очень высокотехнологичным и дорогостоящим процессом.

В качестве прототипа выбран способ аккумулирования водорода (патент РФ №№2037737, МПК F17C 5/04, 1995), заключающийся в насыщении накопителя путем диффузии водорода внутрь накопителя, в котором в качестве накопителя водорода используется порошок интерметаллида. Недостатками изобретения является то, что массовое содержание водорода - отношение веса водорода, содержащегося в емкости к весу самой емкости - 4,5%, является очень низким, кроме того, интерметаллиды накопители водорода содержат редкие и дорогие металлы.

Задачей изобретения является использование недорогих, широко выпускаемых материалов для накопления и хранения водорода, снижение давления и температуры на стадиях аккумулирования и хранения водорода, повышение массового содержания водорода, уменьшение потерь водорода при хранении и аккумулировании, что приведет к повышению безопасности и экономичности.

Поставленная задача решалась благодаря тому, что в известном способе аккумулирования водорода путем диффузии водорода внутрь накопителя внесены изменения, характеризующиеся тем, что в качестве накопителя водорода используется никель-кадмиевый аккумулятор с металлокерамическими электродами, а насыщение водородом происходит во время перезаряда аккумулятора при напряжении 1.5 В в течение 2 лет.

Емкость для хранения водорода представляет собой обычный никель-кадмиевый аккумулятор с металлокерамическими электродами.

Предложенный способ аккумулирования водорода состоит в насыщении металлокерамических электродов водородом путем его диффузии внутрь электродов. Электроды насыщаются водородом, переведенным в ионную форму. Перевод водорода в ионную форму проводится электролизом электролита во время перезаряда аккумулятора. Перезаряд аккумулятора осуществляется при напряжении 1,5 В в течение 2 лет. С самого начала используется уже заряженный аккумулятор, чтобы исключить предварительную стадию его заряда. Кислород, выделяющийся в результате разложения воды электролита, выходит из емкости, а водород частично выходит, а частично накапливается в пористых металлокерамических электродах [Галушкин Д.Н., Галушкина Н.Н. Накопление водорода в никель-кадмиевых аккумуляторах // Электрохимическая энергетика. - 2005. - Т. 5. - №3. - С. 206-208; Galushkin D.N., Yazvinskaya N.N., Galushkin N.E. Investigation of the process of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators // Journal of Power Sources. - 2008. - V. 177. - №2. - P. 610-616]. Несмотря на то что водород выделяется только на отрицательных электродах, из-за плотной упаковки электродов он проникает и в положительные электроды и в равной степени накапливается в обеих группах электродов. Водород обладает очень высокой диффузионной проницаемостью. Коэффициент диффузии атомов водорода в металлах во много раз больше коэффициента диффузии любых других атомов, включая и атомы кислорода. Например, при температуре 20°C коэффициент диффузии водорода в никеле примерно 1010 раз больше, чем коэффициент диффузии азота или кислорода [Колачев Б.А., Ильин А.А. Лаврененко В.А. Левинский Ю.В. Гидридные системы (справочник). М.: «Металлургия» (1992). С. 37-157]. Поэтому водород накапливается в пористых металлокерамических электродах, а кислород нет. Количество накапливаемого водорода в переходных металлах зависит от многих факторов. Во-первых, от конкретного процесса накопления водорода. В частности, при увеличении давления водорода количество накопленного водорода увеличивается. Во-вторых, от состояния кристаллической решетки металла. Чем мельче порошок никеля и больше разрушена его кристаллическая структура (в частности, чем больше дислокаций), тем больше он способен накапливать водород [Kirchheim R. Solubility, diffusivity and trapping of hydrogen in dilute alloys, deformed and amorphous metals. Acta Met 1982; 30(2):1069-1078]. Количество накопленного в металле водорода (С) связано с внешним давлением водорода (Р) соотношением [Fowler R.H., Smithels J.S., Proc. Roy. Soc, A160(1937) 37]

.

Капиллярное давление в порах электрода обратно пропорционально радиусу пор (R), т.е.

P=A/R.

А=0.2 мк·МПа - коэффициент пропорциональности для электролита, используемого в щелочных аккумуляторах. В пористом электроде основные поры имеют средний радиус порядка нескольких десятков микрон. Однако высокодисперсный порошок, используемый для изготовления металлокерамической матрицы электродов, имеет микротрещины размером от нескольких сот ангстрем до размеров кристаллической решетки металла [Чизмаджев Ю.А., Маркин B.C., Чирков Ю.Г. Макрокинетика процессов в пористых средах. - М.: Наука, 1971, с. 287-318]. Таким образом, водород, накапливающийся в этих микротрещинах в результате разложения электролита, может находиться под давлением до 100 МПа [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., I.A Galushkina Thermal Runaway in Sealed Alkaline Batteries // Int. J. Electrochem. Sci. - 2014. - V. 9. - P. 3022-3028]. Данный способ позволяет накапливать водород в электродах никель-кадмиевого аккумулятора в больших количествах. Массовое содержание водорода в оксидно-никелевых электродах может быть 13,4%, а объемное содержание 400 кг м-3 [Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Ni-Cd Batteries as Hydrogen Storage Units of High-Capacity // ECS Electrochem. Lett. - 2012. - V. 2, №1. - p. А1-А2]. Данные результаты превышают ранее получаемые результаты для любых обратимых гидридов металлов (полученных традиционными методами), включая гидрид магния или комплексные гидриды в два раза.

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1

В качестве накопителя водорода исследовался аккумулятор НКБН-25-У3. После перезаряда аккумулятора при напряжении 1.5 В в течение двух лет в электродах накапливается большое количество водорода.

Для определения количества аккумулированного водорода электрод помещался в герметичную металлическую емкость с трубкой для отвода, выделяющегося газа, и нагревался до 800°C. Выделяющийся водород по трубке поступал в эластичную емкость для сбора газа, по пути водород частично охлаждался, проходя через стандартный змеевик. Количество накопленного в эластичной емкости водорода, определялось по объему емкости. Массовое содержание водорода в оксидно-никелевых электродах было 13,4%. Массовое содержание водорода в кадмиевых электродах было 8%.

Пример 2

В качестве накопителя водорода исследовался аккумулятор 2НКБ-15. После перезаряда аккумулятора при напряжении 1.5 В в течение 1.8 лет в электродах накапливается большое количество водорода. Массовое содержание водорода в оксидно-никелевых электродах было 13,2%. Массовое содержание водорода в кадмиевых электродах было 7,9%.

Используемый способ накопления водорода обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Позволяет использовать для накопления водорода дешевые промышленно выпускаемые металлокерамические электроды.

2. Процесс насыщения водородом происходит при комнатной температуре. Таким образом, данное изобретение обеспечит промышленность безопасными и экономически выгодными способом и емкостью для аккумулирования и хранения водорода.

3. Массовое содержание водорода в оксидно-никелевых электродах может достигать 13,4%. Данный результат превышает ранее получаемые результаты для гидрида никеля (полученного лучшими традиционными методами) в 10 раз, а значения для любых высокоемких обратимых гидридов металлов, включая гидрид магния или комплексные гидриды, в два раза.

ИСТОЧНИКИ

1. Патент №2222749, МПК F17C 5/04, 2004.

2. Шварц А. Автомобиль будущего. Ж-л Вестник, №10 (347), стр. 1-5, 12.05.2004 г.

3. Патент РФ №№2283453, МПК F17C 11/00, 2006.

4. Патент РФ №№2037737, МПК F17C 5/04, 1995.

5. Галушкин Д.Н., Галушкина Н.Н. Накопление водорода в никель-кадмиевых аккумуляторах // Электрохимическая энергетика. - 2005. - Т. 5, №3. - С. 206-208.

6. Galushkin D.N., Yazvinskaya N.N., Galushkin N.E. Investigation of the process of thermal runaway in nickel-cadmium accumulators // Journal of Power Sources. - 2008. - V. 177, №2. - P. 610-616.

7. Колачев Б.А., Ильин A.A. Лаврененко B.A. Левинский Ю.В. Гидридные системы (справочник). М.: Металлургия, 1992, С. 37-157.

8. Kirchheim R. Solubility, diffusivity and trapping of hydrogen in dilute alloys, deformed and amorphous metals. Acta Met 1982; 30(2):1069-1078.

9. Fowler R.H., Smithels J.S., Proc. Roy. Soc, A160(1937) 37.

10. Чизмаджев Ю.А., Маркин B.C., Чирков Ю.Г. Макрокинетика процессов в пористых средах. - М.: Наука, 1971, с. 287-318.

11. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., I.A Galushkina Thermal Runaway in Sealed Alkaline Batteries // Int. J. Electrochem. Sri. - 2014. - V. 9. - P. 3022-3028.

12. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Ni-Cd Batteries as Hydrogen Storage Units of High-Capacity // ECS Electrochem. Lett. - 2012. - V. 2, №1. - P. A1-A2.

Способ аккумулирования водорода в металлокерамических электродах, заключающийся в насыщении накопителя путем диффузии водорода внутрь накопителя, отличающийся тем, что в качестве накопителя водорода используется никель-кадмиевый аккумулятор с металлокерамическими электродами, а насыщение водородом происходит во время перезаряда аккумулятора при напряжении 1,5 В в течении 2 лет.
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 105.
27.03.2014
№216.012.af21

Способ изготовления основы электрода химического источника тока из углеродного войлока с использованием переменного асимметричного тока

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления электродов химических источников тока, например для щелочных и кислотных аккумуляторов. Согласно изобретению углеродный войлок, обладающий электронной проводимостью, гальванически металлизируют в каком-либо...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510548
Дата охранного документа: 27.03.2014
20.05.2014
№216.012.c424

Способ аккумулирования водорода

Изобретение относится к способу аккумулирования водорода, заключающемуся в насыщении электродов водородом путем его диффузии внутрь электродов за счет электролиза электролита, в который погружены электроды. Способ характеризуется тем, что в качестве электродов используются металлокерамические...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515971
Дата охранного документа: 20.05.2014
10.07.2014
№216.012.da15

Способ ускоренного формирования и восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов переменным асимметричным током

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для сокращения времени формирования и восстановления емкости никель-кадмиевых аккумуляторов после их длительного хранения. Согласно предложенному изобретению зарядку аккумуляторов ведут переменным асимметричным током при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002521607
Дата охранного документа: 10.07.2014
10.09.2014
№216.012.f2a3

Способ восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов переменным асимметричным током

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, преобразующим химическую энергию в электрическую, и может найти применение при восстановлении никель-кадмиевых аккумуляторов, входящих в батареи, предназначенные для питания радиостанций, радиотелефонов и т.п. устройств....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002527937
Дата охранного документа: 10.09.2014
10.12.2014
№216.013.0f13

Способ электрохимической защиты текстильных изделий от статического электричества

Изобретение относится к области охраны труда и технике безопасности и предназначено для индивидуальной защиты от воздействия электростатического поля. Изобретение позволяет повысить эффективность индивидуальной защиты работников современных электростатических и взрывоопасных производств при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002535276
Дата охранного документа: 10.12.2014
20.02.2015
№216.013.2794

Пешеходный переход

Изобретение относится к области регулирования дорожного движения. Нерегулируемый пешеходный переход состоит из пешеходной дорожки на проезжей части автодороги, обозначенной по краям на тротуарах дорожными знаками. На их опоры устанавливаются видеокамеры, совмещенные с устройством для измерения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541589
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.281a

Прецизионный аналого-цифровой интерфейс для работы с резистивными микро- и наносенсорами

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в структуре различных датчиковых систем, в которых используются резистивные сенсоры, изменяющие свое сопротивление под физическим воздействием окружающей среды (давление, деформация, свет, температура, радиация, состав...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541723
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.28da

Источник опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещённой зоны

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны. Технический результат заключается в получении температурно-стабильного выходного напряжения, значение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541915
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.2b26

Способ определения драпируемости материалов для одежды

Изобретение относится к легкой промышленности и может быть использовано для определения драпируемости материалов для одежды. Для этого пробу материала в форме круга с заранее размеченными осями в продольном и поперечном направлениях фиксируют на основном диске в центре с иглой. Сверху...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542503
Дата охранного документа: 20.02.2015
10.03.2015
№216.013.3124

Пассажирское кресло с энергопоглощающей спинкой

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к системам, обеспечивающим пассивную безопасность пассажиров при столкновениях пассажирских транспортных средств. Пассажирское кресло с энергопоглощающей спинкой состоит из основания, подушки и спинки с подлокотником. Подушка...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002544048
Дата охранного документа: 10.03.2015
Показаны записи 1-10 из 101.
10.12.2014
№216.013.0f13

Способ электрохимической защиты текстильных изделий от статического электричества

Изобретение относится к области охраны труда и технике безопасности и предназначено для индивидуальной защиты от воздействия электростатического поля. Изобретение позволяет повысить эффективность индивидуальной защиты работников современных электростатических и взрывоопасных производств при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002535276
Дата охранного документа: 10.12.2014
20.02.2015
№216.013.2794

Пешеходный переход

Изобретение относится к области регулирования дорожного движения. Нерегулируемый пешеходный переход состоит из пешеходной дорожки на проезжей части автодороги, обозначенной по краям на тротуарах дорожными знаками. На их опоры устанавливаются видеокамеры, совмещенные с устройством для измерения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541589
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.281a

Прецизионный аналого-цифровой интерфейс для работы с резистивными микро- и наносенсорами

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в структуре различных датчиковых систем, в которых используются резистивные сенсоры, изменяющие свое сопротивление под физическим воздействием окружающей среды (давление, деформация, свет, температура, радиация, состав...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541723
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.28da

Источник опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещённой зоны

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения, определяемого удвоенной шириной запрещенной зоны. Технический результат заключается в получении температурно-стабильного выходного напряжения, значение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541915
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.2b26

Способ определения драпируемости материалов для одежды

Изобретение относится к легкой промышленности и может быть использовано для определения драпируемости материалов для одежды. Для этого пробу материала в форме круга с заранее размеченными осями в продольном и поперечном направлениях фиксируют на основном диске в центре с иглой. Сверху...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542503
Дата охранного документа: 20.02.2015
10.03.2015
№216.013.3124

Пассажирское кресло с энергопоглощающей спинкой

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к системам, обеспечивающим пассивную безопасность пассажиров при столкновениях пассажирских транспортных средств. Пассажирское кресло с энергопоглощающей спинкой состоит из основания, подушки и спинки с подлокотником. Подушка...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002544048
Дата охранного документа: 10.03.2015
10.04.2015
№216.013.38fe

Многозначный сумматор по модулю k

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики, связи. Техническим результатом является повышение быстродействия устройств преобразования информации. Многозначный сумматор по модулю k содержит: первый (1) и второй (2) токовые входы устройства, токовый выход (3) устройства,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002546078
Дата охранного документа: 10.04.2015
10.04.2015
№216.013.38ff

Источник опорного напряжения на основе утроенной ширины запрещенной зоны кремния

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Достигаемым техническим результатом является повышение выходного напряжения источника...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002546079
Дата охранного документа: 10.04.2015
10.04.2015
№216.013.3902

Многозначный сумматор по модулю k

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики, связи и может использоваться в различных цифровых структурах и системах автоматического управления, передачи и обработки цифровой информации и т.п. Технический результат - повышение быстродействия устройств преобразования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002546082
Дата охранного документа: 10.04.2015
10.04.2015
№216.013.3903

Температурно стабильный радиационно стойкий источник опорного напряжения на основе дифференциальной пары полевых транзисторов

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других элементов автоматики. Техническим результатом является возможность регулировать выходное напряжение в широких пределах...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002546083
Дата охранного документа: 10.04.2015
+ добавить свой РИД