Металогідридні твердотільні -накопичувачі водню мають ключові переваги-висока об’ємна щільність зберігання, низький робочий тиск, виняткова безпека та нульовий ризик-витоку водню під високим тиском-, що робить його основним технологічним шляхом для стаціонарного зберігання енергії, бортового водневого обладнання та розподілених водневих електростанцій. Під час повторюваних циклів заряджання-розряджання порошки металогідридних сплавів у шарі утворюють дрібний пил через розмивання газового потоку, теплове розширення-скорочення та стирання частинок. Ці мікро-дрібні частки легко мігрують вниз за течією, проникаючи в клапани, регулятори тиску, прецизійні витратоміри та датчики тиску, спричиняючи залипання золотника, дрейф приладів і незворотний знос трубопроводу. Порошкові спечені металеві фільтрувальні елементи, що характеризуються повністю-металевою монолітною пористою структурою, відмінною стійкістю до водневої крихкості, сумісністю з двонаправленим потоком і регенеративною здатністю, стали основним компонентом фільтрації для утримування частинок у твердотільних-системах зберігання водню.
У цій статті розглядаються робочі характеристики сектору водневої енергетики, порівнюються внутрішні відмінності матеріалів, логіка конструкції та межі застосування фільтрів із спеченого порошку з нержавіючої сталі SS316L і фільтрів із спеченого порошку з титану, аналізуються основні причини несправності фільтрації в умовах двонаправленого заряду й розряду, а також розглядаються галузеві-стандартні вказівки щодо проектування та практики технічного обслуговування. Мета полягає в тому, щоб надати технічну довідку для стандартизованої конструкції блоків фільтрації в твердотільних-системах зберігання водню.
Унікальні робочі умови фільтрації та промислові проблеми в системах зберігання на основі металогідридів
1.1 Характеристики системної рідини та порошку
На відміну від-сховища газоподібного водню під високим тиском, транспортування рідкого водню або виробництва водню-електролізом водню, системи зберігання металогідридів демонструють три характерні особливості роботи: двонаправлений змінний потік газу, термоциклічний зв’язок і безперервне виділення частинок.
►Двонаправлений режим потоку:Система працює за умов випуску водню (пряма течія від бака до трубопроводу, що йде нижче за течією) і заряду водню (зворотний високий{0}}тиск H₂ у бак). Напрямок течії періодично змінюється. Звичайні односпрямовані градієнтні фільтри страждають від різкого зниження ефективності зворотної фільтрації та необоротного блокування пор.
►Зміна тиску та температури:Типовий робочий тиск коливається від 0 до 50 бар. Реакції заряду-розряду передбачають значне поглинання/виділення тепла, коли температура внутрішнього шару коливається від –20 градусів до 80 градусів. Фільтруючі елементи повинні витримувати як пульсації тиску, так і циклічні термічні навантаження.
►Визначений гранулометричний склад:Основні гідриди на основі рідкоземельних-земель, Ti-і Mg-мають первинні розміри частинок 50–200 мкм. Тривалий-цикл утворює незначну кількість (2–10 мкм) вторинного над-дрібного пилу. Ці тверді незграбні частинки легко впроваджуються в пори гнучкого фільтруючого середовища, спричиняючи постійне закупорювання.
►Середовище-водню високої чистоти:Тривалий вплив високого-тиску H₂ спричиняє водневу крихкість, розтріскування гратки та гідрид{1}}спричинені тріщини у звичайних металах. Не-металічні полімерні носії страждають від старіння, забруднювачів, що витягуються, і недостатньої стійкості до тиску, що робить їх непридатними для-тривалої служби.
1.2 Обмеження звичайних фільтраційних рішень у системах зберігання
Ранні промислові спроби використання плетеної дротяної сітки, гофрованих полімерних картриджів і перфорованих пластин виявилися неадекватними. Ключові недоліки підсумовано в таблиці 1.
| Тип фільтра | Рівномірність пор | Двонаправлений потік | H₂ Стійкість до крихкості | Термічна регенерація | Стабільність утримання частинок |
| Плетена сітка | Бідний | немає | Помірний | так | Низька (деформація дроту) |
| Гофрований полімерний картридж | добре | немає | Бідний | немає | Низький (старіння та розтріскування) |
| Градуйований композитний металевий фільтр | добре | немає | добре | так | Низький (реверс блокування) |
| KСиметричний спечений порошок металу | Чудово | так | добре | так | Високий (стабільний у всьому) |
Таблиця 1 – Порівняння звичайних типів фільтрів із вимогами до застосування
Плетена сітка:Нерівномірний розмір пор, слабкий опір газовому зіткненню, схильність до деформації дроту під час змінного потоку, високе проникнення частинок і недостатня здатність до глибинної-фільтрації.
Полімерні гофровані картриджі:Серйозна воднева крихкість, не витримує високий-тиск H₂, не має високо-температурної регенерації, несумісний із термічним циклом.
Градуйовані композитні металеві фільтри:Асиметрична структура пор (груба зовнішня, тонка внутрішня) призначена для односпрямованого потоку. Під час зворотного заряду тонкий поверхневий шар негайно ущільнюється порошком, викликаючи швидке підвищення диференціального тиску та зниження швидкості заряджання.
Виходячи з цих галузевих-завдань,симетричний однорідний порошковий спечений металевий фільтруючий елементстали визнаним оптимальним рішенням фільтрації для твердотільних{0}}застосувань зберігання водню.
Процес виробництва та механізми фільтрації порошкових спечених металевих фільтруючих елементів
2.1 Принцип виготовлення
Порошкові металеві фільтрувальні елементи виготовляються за-процесом порошкової металургії спікання: сферичний порошок із нержавіючої сталі або чистого титану рівномірно укладається,-пресується, а потім-спікається у вакуумі-при високій температурі для досягнення-металургійного зв’язку між частинками-без сполучних речовин, адгезивів або багатошарові інтерфейси. Отримана структура є три-тривимірно взаємопов’язаною однорідною пористою мережею. Основні структурні переваги підсумовано в таблиці 2.
| Атрибут | опис |
| Розподіл пор | Висока однорідність (вузький діапазон розмірів пор) |
| Механічна міцність | Висока стійкість до роздавлювання/стиску |
| Злиття ЗМІ | Відсутність-вивільнення частинок із самого елемента |
| Сумісність матеріалів | Повністю металевий, повністю сумісний з системами H₂ |
| Регенеративність | Кілька циклів очищення (зворотна промивка + ультразвукова + термічна) |
Таблиця 2 – Основні структурні переваги спечених металевих фільтрів
2.2 Механізми утримання частинок у системах зберігання
Для порошків гідридних сплавів твердих металів спечені металеві фільтри використовують подвійний механізм: поверхневе перехоплення та глибоке{0}}утримання.
Екранування поверхні:Первинні грубі частинки (50–200 мкм) утримуються на зовнішній поверхні фільтра, утворюючи проникний осад, який можна видалити за допомогою зворотного продування газу (само-очищення).
Зйомка-глибокого дна:Вторинний над-дрібний пил (2–10 мкм), що утворюється внаслідок циклічного стирання, затримується всередині звивистих тривимірних-каналів внутрішніх пор, запобігаючи проникненню до точних компонентів, що знаходяться нижче.
Ефект виправлення потоку:Спечена пориста структура гасить стрибки тиску під час переходів заряджання/розряджання, зменшуючи турбулентні збурення гідридного шару та мінімізуючи вторинне захоплення пилу.
......
