Правила хранения водорода

Правила хранения водорода

Гладышева Марина Алексеевна, 10А,школа №75, г. Черноголовка. Доклад на конференции «Старт в науку», МФТИ, 2004.

Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием. Технологии разномасштабного производства водорода достаточно хорошо освоены и имеют практически неограниченную сырьевую базу. Однако низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов, ставят на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода — именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики и технологии в настоящее время.

В соответствии с классификацией департамента энергетики США, методы хранения водородного топлива можно разделить на 2 группы:

Первая группа включает физические методы, которые используют физические процессы (главным образом, компрессирование или ожижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние. Водород, хранимый с помощью физических методов, состоит из молекул Н2 , слабо взаимодействующих со средой хранения. На сегодня реализованы следующие физические методы, хранения водорода:

Сжатый газообразный водород:

стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;

хранение в трубопроводах;

Жидкий водород: стационарные и транспортные криогенные контейнеры.

В химических методах хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами. Данные методы характеризуются сильным взаимодействием молекулярного либо атомарного водорода с материалом среды хранения. Данная группа методов главным образом включает следующие:

цеолиты и родственные соединения;

Абсорбция в объёме материала (металлогидриды)

фуллерены и органические гидриды;

водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.

Хранение газообразного водорода не является более сложной проблемой, чем хранение природного газа. На практике для этого применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами. Доказана принципиальная возможность хранения газообразного водорода в соляных кавернах, создаваемых путём растворения соли водой через боровые скважины.

Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 Мпа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои – из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, расчитанных на давление до 40 – 70 Мпа.

Широкое распространение получило хранение газообразного водорода в газгольдерах с водяным бассейном (мокрые газгольдеры), поршневых газгольдерах постоянного давления (сухие газгольдеры), газгольдерах постоянного объёма (ёмкости высокого давления). Для хранения малых количеств водорода используют баллоны.

Следует иметь в виду, что мокрые, а также сухие (поршневые) газгольдеры сварной конструкции не обладают достаточной герметичностью. Согласно техническим условиям допускается утечка водорода при нормальной эксплуатации мокрых газгольдеров вместимостью до 3000 м 3 – около 1,65%, а вместимостью от 3000 м 3 и более — около 1,1% в сутки (считая на номинальный объём газгольдера).

Одним из наиболее перспективных способов хранения больших количеств водорода является хранение его в водоносных горизонтах. Годовые потери составляют при таком способе хранения 1 – 3%. Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа.

Газообразный водород возможно хранить и перевозить в стальных сосудах под давлением до 20 Мпа. Такие ёмкости можно подвозить к месту потребления на автомобильных или железнодорожных платформах, как в стандартной таре, так и в специально сконструированных контейнерах.

Для хранения и перевозки небольших количеств сжатого водорода при температурах от –50 до +60 0 С используют стальные бесшовные баллоны малой ёмкости до 12 дм 3 и средней ёмкости 20 – 50 дм 3 с рабочим давлением до 20 Мпа. Корпус вентиля изготавливают из латуни. Баллоны окрашивают в тёмно-зелёный цвет, они имеют красного цвета надпись “Водород”.

Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 2 кг Н 2 требуются болоны массой 33 кг. Прогресс в материаловедении даёт возможность снизить массу материала баллона до 20 кг на 1 кг водорода, а в дальнейшем возможно снижение до 8 – 10 кг. Пока масса водорода при хранении его в баллонах составляет примерно 2 – 3% от массы самого баллона.

Большие количества водорода можно хранить в крупных газгольдерах под давлением. Газгольдеры обычно изготовляют из углеродистой стали. Рабочее давление в них обычно не превышает 10 Мпа. Вследствие малой плотности газообразного водорода хранить его в таких ёмкостях выгодно лишь в сравнительно небольших количествах. Повышение же давление сверх указанного, например, до сотен мега Паскаль, во-первых, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и, во-вторых, приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.

Для хранения очень больших количеств водорода экономически эффективным является способ хранения истощённых газовых и водоносных пластах. В США насчитывается более 300 подземных хранилищ газа.

Газообразный водород в очень больших количествах хранится в соляных кавернах глубиной 365 м при давлении водорода 5 Мпа, в пористых водонаполненных структурах вмещающих до 20·10 6 м 3 водорода.

Опыт продолжительного хранения (более 10 лет) в подземных газохранилищах газа с содержанием 50 % водорода показал полную возможность его хранения без заметных утечек. Слои глины, пропитанные водой, могут обеспечивать герметичное хранение ввиду слабого растворения водорода в воде.

Хранение жидкого водорода

Среди многих уникальных свойств водорода, которые важно учитывать при его хранении в жидком виде, одно является особенно важным. Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20К до точки замерзания 17К, когда он переходит в твёрдое состояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород мгновенно переходит из жидкого состояния в газообразное.

Чтобы не допустить местных перегревов, сосуды, которые заполняют жидким водородом, следует предварительно охладить до температуры, близкой к точки кипения водорода, только после этого можно заполнять их жидким водородом. Для этого через систему пропускают охлаждающий газ, что связано с большими расходами водорода на захолаживание ёмкости.

Переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Стоимость и энергосодержание испаряющегося газа значительны. Поэтому организация использования этого газа с точки зрения экономики и техники безопасности необходимы. По условиям безопасной эксплуатации криогенного сосуда необходимо, чтобы после достижения максимального рабочего давления в ёмкости газовое пространство составляло не менее 5 %.

К резервуарам для хранения жидкого водорода предъявляют ряд требований:

конструкция резервуара должна обеспечивать прочность и надёжность в работе, длительную безопасную эксплуатацию;

расход жидкого водорода на предварительное охлаждение хранилища перед его заполнением жидким водородом должен быть минимальным;

резервуар для хранения должен быть снабжён средствами для быстрого заполнения жидким водородом и быстрой выдачи хранимого продукта.

Главная часть криогенной системы хранения водорода – теплоизолированные сосуды, масса которых примерно в 4 – 5 раз меньше на 1 кг хранимого водорода, чем при баллонном хранении под высоким давлением. В криогенных системах хранения жидкого водорода на 1 кг водорода приходится 6 – 8 кг массы криогенного сосуда, а по объёмным характеристикам криогенные сосуды соответствуют хранению газообразного водорода под давлением 40 Мпа.

Жидкий водород в больших количествах хранят в специальных хранилищах объёмом до 5 тыс. м 3 . Крупное шарообразное хранилище для жидкого водорода объёмом 2850 м 3 имеет внутренний диаметр алюминиевой сферы 17,4 м 3 .

Хранение и транспортирование водорода в химически связанном состоянии

Преимущества хранения и транспортирование водорода в форме аммиака, метанола, этанола на дальние расстояния состоят в высокой плотности объёмного содержания водорода. Однако в этих формах хранения водорода среда хранения используется однократно. Температура сжижения аммиака 239,76 К, критическая температура 405 К, так что при нормальной температуре аммиак сжижается при давлении 1,0 Мпа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде. Основные соотношения приведены ниже:

1 м 3 Н 2 (г) » 0,66 м 3 NH3 » 0?75 дм 3 Н 2 (ж);

1 т NH3 » 1975 м 3 Н 2 + 658 м 3 N2 – 3263 МДж;

В диссоциаторах для разложения аммиака (крекерах), которое протекает при температурах примерно порядка 1173 – 1073 К и атмосферном давлении, используется отработанный железный катализатор для синтеза аммиака. Для получения одного кг водорода затрачивается 5,65 кг аммиака. Что касается затрат тепла на диссоциацию аммиака при использовании этого тепла со стороны, то теплота сгорания полученного водорода может до 20% превосходить теплоту сгорания использованного в процессе разложения аммиака. Если же для процесса диссоциации используется водород, полученный в процессе, то КПД такого процесса (отношение теплоты полученного газа к теплоте сгорания затраченного аммиака) не превышает 60 – 70%.

Водород из метанола может быть получен по двум схемам: либо методом каталитического разложения:

с последующей каталитической конверсией СО, либо каталитической паровой конверсии в одну стадию:

Обычно для процесса используют цинк-хромовый катализатор синтеза метанола. Процесс протекает при 573 – 673 К. Метанол можно использовать как горючее для процессов конверсии. В этом случае КПД процесса получения водорода составляет 65 – 70% (отношение теплоты полученного водорода к теплоте сгорания затраченного метанола); если теплота для процесса получения водорода подводится извне, теплота сгорания водорода, полученного методом каталитического разложения, на 22%, а водорода, полученного методом паровой конверсии, на 15% превосходят теплоту сгорания затраченного метанола.

К сказанному следует добавить, что при создании энерго-технологичекой схемы с использованием отходящего тепла и применения водорода, полученного из метанола, аммиака или этанола, можно получить КПД процесса более высокий, чем при использовании указанных продуктов как синтетических жидких горючих. Так, при прямом сжигании метанола и газотурбинной установке КПД составляет 35%, при проведении же за счёт тепла отходящих газов испарения и каталитической конверсии метанола и сжигания смеси СО+Н 2 КПД возрастает до 41,30%, а при проведении паровой конверсии и сжигания полученного водорода – до 41,9%.

Гидридная система хранения водорода

В случае хранения водорода в гидридной форме отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, требуемых при хранении газообразного водорода в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих сосудов для хранения жидкого водорода. При хранении водорода в виде гидридов объём системы уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с объёмом хранения в баллонах. Упрощается транспортирование водорода. Отпадают расходы на конверсию и сжижение водорода.

Водород из гидридов металлов можно получить по двум реакциям: гидролиза и диссоциации.

Методом гидролиза можно получать вдвое больше водорода, чем его находится в гидриде. Однако этот процесс практически необратим. Метод получения водорода термической диссоциацией гидрида даёт возможность создать аккумуляторы водорода, для которых незначительное изменение температуры и давления в системе вызывает существенное изменение равновесия реакции образования гидрида.

Стационарные устройства для хранения водорода в форме гидридов не имеет строгих ограничений по массе и объёму, поэтому лимитирующим фактором выбора того или иного гидрида буде, по всей вероятности, его стоимость. Для некоторых направлений использования может оказаться полезным гидрид ванадия, поскольку он хорошо диссоциирует при температуре, близкой в 270 К. Гидрид магния является относительно недорогим, но имеет сравнительно высокую температуру диссоциации 560 – 570 К и высокую теплоту образования. Железо-титановый сплав сравнительно недорог, а гидрид его диссоциирует при температурах 320 – 370 К с низкой теплотой образования. Использование гидридов имеет значительные преимущества в отношении техники безопасности. Повреждённый сосуд с гидридом водорода представляет значительно меньшую опасность, чем повреждённый жидководородный танк или сосуд высокого давления, заполненный водородом.

В настоящий момент в Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке ведутся работы по созданию аккумуляторов водорода на основе гидридов металла.

Список используемой литературы :

1. Справочник. “Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение”. Москва “Химия” — 1989 г.

www.abitura.com

Правила хранения водорода

Технологические процессы хранения, транспорта и распределения газообразного водорода во многом аналогичны тем, которые применяются в случае природного газа.

При современном уровне криогенной техники трубопроводный транспорт жидкого водорода дорог и вряд ли сможет конкурировать с транспортом газообразного водорода. Потери водорода на испарение при хранении и транспортировании водорода в криогенных емкостях составляют 0,3. 1,0% в сутки [1].
Возможны следующие системы хранения водорода:
• газообразного под давлением;
• в жидком состоянии;
• в интерметаллических соединениях;
• в химических соединениях;
• комбинированные системы.

В настоящее время наиболее распространены стационарные газобаллонные системы хранения газообразного водорода под давлением. Их достоинством является простота конструкции, однако их большой удельный вес ограничивает использование на транспорте. В США распространены такие системы хранения в виде подземных газохранилищ, представляющим, главным образом, технологическую выработку газа или нефти.
Хранение водорода в виде газа требует повышения его давления до высоких значений (30 МПа), что вызывает необходимость повышенных мер безопасности.
К следующей системе хранения водорода – в жидком состоянии, выдвигаются специфические требования: применение высокоэффективной теплоизоляции или термостатирование данного объема. Такое хранение представляет лучший вариант в отношении снижения массы топлива и повышения плотности энергии (в настоящее время запас хода автомобилей на одну заправку бака составляет около 300 км). Очень низкая температура хранения (–253°С) требует высокой степени теплоизоляции бака [1]. Во время работы двигателя электрический испаритель поддерживает в баке требуемое давление. Остаточная теплота заставляет водород выходить наружу через предохранительный клапан, что приводит к его ежедневным потерям (около 2%) при неработающем двигателе. Основными параметрами оценки системы являются потери на испарение mб и коэффициент относительных потерь η [12]:
mб = Qб /rН2 , кг/ч; (1)
η = (mо – mк) mо; (2)
где:
Qб – тепловой поток, проникающий в сосуд для хранения (банку);
2 – теплота парообразования водорода;
mо – масса водорода в начале хранения;
mк – масса водорода в конце хранения.

Существуют сосуды емкостью до 5000 м3 с потерями на испарение водорода от 0,02 до 0,3% в сутки [2].
Суть следующего способа хранения водорода (в интерметаллических соединениях) заключается в следующем. В емкости, предназначенные для хранения, помещают специально подобранные сплавы некоторых металлов, которые обладают свойством при определенных условиях (давлениях и температурах) подобно губке поглощать водород, превращаясь при этом в гидрид. При изменении параметров (повышении температуры или давления) гидрид вновь распадается, высвобождая водород.
Основными показателями, определяющими конкурентоспособность такого способа по сравнению с другими являются:
• отношение полезного веса водорода к весу устройства;
• обратимость процесса и отсутствие технических трудностей при отборе водорода и зарядке «водородного аккумулятора»;
• возможность многократного использования;
• возможность придания контейнеру, содержащему связанный водород, произвольной формы, вписывающейся в габариты основной конструкции;
• безопасность работы с «водородным аккумулятором»;
• экономичность способа.

Следующий способ предполагает хранения водорода в связанном состоянии в таких химических соединениях как СН4, С2Н6 и др. [3].
Примером комбинированной системы хранения водорода является хранение водорода в жидком виде с поглощением испарившейся части водорода гидридным патроном.
Перспективным направлением для решения проблем транспортировки и хранения Н2 является метод, основанный на применении энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) [4]. ЭАВ называются многократно восстановляемые вещества, при определенных условиях отдающие аккумулированную в них энергию. Многократное восстановление ЭАВ производится за счет использования солнечной, атомной энергии, электричества или сжигания природных топлив, включая низкокалорийные угли. В качестве ЭАВ могут рассматриваться Si, Al, B, Mg и др., а также некоторые сплавы. Выделение водорода производится термическим или другим путем со скоростью, необходимой для потребления без предварительного накопления свободного водорода.
Содержание Al в земной коре составляет 7,45%, Si – 26%, Mg – 2,1%. В то же время чистый Si очень труднодоступен, а Al всегда покрыт трудноудалимой окисной пленкой.

Еще в 80-е годы в ЛПИ проводились исследования влияния различных факторов на скорость реакции
Mg + 2H2O = Mg (OH)2 + H2 (3)

и попытка регулирования выхода водорода. Данные исследования были предназначены для создания реактора по получению водорода с целью его дальнейшего использования в качестве топлива для автомобильного двигателя.
В общем случае на скорость реакции ЭАВ влияют величина контактной поверхности реагентов, химический состав, скорость диффузии продуктов реакции и реагентов через поверхностный слой.
В связи с этим возможны следующие методы увеличения скорости реакции с водой: активация путем снятия поверхностной пленки, интенсификация реакции за счет увеличения контактной поверхности, ускорение реакции за счет подбора химического состава сплава, активизация реакции путем создания определенных дефектов в его структуре.
Затраты на магистральный транспорт водорода на большие расстояния при той же передаваемой мощности в 3…5 раз меньше, чем затраты на транспорт электроэнергии. Однако вопрос о целесообразности применения такого транспорта энергии можно решить только анализируя всю совокупность затрат от первичного производства водорода до производства электроэнергии на приемном конце магистрали.

Литература
1. Автомобильный справочник Bosch/ Пер. с англ. – М.: За рулем, 2000. – 896 с.
2. Теплоэнергетика. 1980. № 3.
3. Атомная техника за рубежом. 1976. № 12.
4. Энергия. 1994. № 2.

П.В. Дружинин, В.А. Мельников, ВИТУ, Санкт-Петербург,
С.Н. Журавлев, ЦОПУ КС МО РФ, Москва,
А.А. Дегтярев, 104 УНР, Санкт-Петербург

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка горюче-смазочных материалов можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:

newchemistry.ru

Хранение водорода в металлах

Обычные способы хранения (в баллонах) сжатого или сжиженного водорода — достаточно опасное занятие. Кроме того, водород очень активно проникает через большинство металлов и сплавов, что делает запорную и транспортную арматуру очень дорогостоящей.

Свойство водорода растворяться в металлах известно с 19 века, но только сейчас стали видны перспективы применения гидридов металлов и интерметаллических соединений в качестве компактных хранилищ водорода.

Типы гидридов

Гидриды разделяются на три типа (некоторые гидриды могут иметь несколько свойств связей, например быть металл-ковалентным): металлические, ионные и ковалентные.

Ионные гидриды — как правило, создаются при высоких давлениях (

100 атм.) и при температурах больше 100°С. Типичные представители — гидриды щелочных металлов. Интересной особенностью ионных гидридов является большая степень плотности атомов чем в исходном веществе.

Ковалентные гидриды — практически не находят применения из-за малой стабильности и высокой токсичности используемых металлов и интерметаллидов. Типичный представитель — гидрид бериллия, получаемый методом «мокрой химии» реакцией диметилбериллия с литийалюмогидридом в растворе диэтилового эфира.

Металлические гидриды — можно рассматривать как сплавы металлического водорода, эти соединения отличаются высокой электропроводностью как и материнские металлы. Металлогидриды образуют почти все переходные металлы. В зависимости от типов связей металлические гидриды могут быть ковалентными (например гидрид магния), так и ионными. Практически все металлогидриды требуют высоких температур для дегидрирования (реакции отдачи водорода).

Типичные гидриды металлов

  • Гидрид свинца — PbH4 — бинарное неорганическое химическое соединение свинца с водородом. Очень активен, в присутствии кислорода (на воздухе) самовоспламеняется.
  • Гидроксид цинка — Zn(OH)2 — амфотерный гидроксид. Широко распространён как реагент во многих химических производствах.
  • Гидрид палладия — металл, в котором водород находится между атомами палладия.
  • Гидрид никеля — NiH — часто применяется с добавками лантана LaNi5 для электродов аккумуляторов.

Металлогидриды могут образовывать следующие металлы:
Ni, Fe, Ni, Co, Cu, Pd, Pt, Rh, Pd–Pt, Pd–Rh, Mo–Fe, Ag–Cu, Au–Cu, Cu–Ni, Cu–Pt, Cu–Sn.

Металлы-рекордсмены по объёму запасаемого водорода

Наилучшим металлом для хранения водорода является палладий (Pd). В одном объеме палладия может быть «упаковано» почти 850 объемов водорода. Но перспективность подобного хранилища вызывает сильные сомнения в виду дороговизны этого металла платиновой группы.
Напротив, некоторые металлы (например медь Cu) растворяют всего 0.6 объема водорода на один объём меди.

Гидрид магния (MgH2) может запасать до 7.6% массовых долей водорода в кристаллической решетке. Несмотря на заманчивые значения и малый удельный вес подобных систем очевидным препятствием являются высокие температуры прямой и обратной реакции заряд-разряд и высокие эндотермические потери при дегидрировании соединения (около трети энергии запасённого водорода).
Кристаллическая структура β-фазы гидрида MgH2 (рисунок)

Накопление водорода в металлах

Реакция поглощения водорода металлами и интерметаллидами происходит при большем давлении, чем его выделение. Это определяется остаточными пластическими деформациями кристаллической решетки при переходе от насыщенного α-раствора (изначального вещества) к β-гидриду (вещества с запасённым водородом).

Металлы, не растворяющие водород

Не абсорбируют водород следующие металлы:
Ag, Au, Cd, Pb, Sn, Zn
Некоторые из них находят применение в качестве запорной арматуры для хранения сжатого и сжиженного водорода.

Низкотемпературные металлические гидриды — одни из самых перспективных гидридов. Имеют малые значения потерь при дегидрировании, высокие скорости циклов «заряд-разряд», практически полностью безопасны и малотоксичны. Ограничением является сравнительно малая удельная плотность хранения водорода. Теоретическим максимумом является хранение 3%, а в реальности 1–2% массовых доли водорода.

Применение порошкообразных металлогидридов накладывает ограничения на скорость циклов «заряд-разряд» из-за низкой теплопроводности порошков и требуют особого подхода к конструированию ёмкостей для их хранения. Типичным является введения в ёмкость для хранения областей, способствующих переносу тепла и изготовлению тонких и плоских баллонов. Некоторого увеличения скорости циклов разряда-заряда можно достигнуть введением в металлогидрид инертного связующего, обладающего большой теплопроводностью и высоким порогом инертности к водороду и базовому веществу.

Интерметаллические гидриды

Помимо металлов перспективным является хранение водорода в так называемых «интерметаллических соединениях». Подобные хранилища водорода нашли широкое применение в бытовых металлгидридных аккумуляторах. Преимущество подобных систем заключается в достаточно невысокой стоимости реагентов и малом вреде окружающей среде. В данный момент металлгидридные аккумуляторы практически повсеместно вытеснены литиевыми системами аккумулирования энергии. Максимальная запасаемая энергия промышленных образцов в никель-металл-гидридных аккумуляторах (Ni-MH) равна 75 Вт·ч/кг.

Важным свойством некоторых интерметаллидов является высокая стойкость по отношению к примесям, содержащимся в водороде. Это свойство позволяет эксплуатировать подобные соединения в загрязнённых средах и в присутствии влаги. Многократные циклы «заряд-разряд» при наличии загрязнений и воды в водороде не отравляют рабочее вещество, но уменьшают ёмкость последующих циклов. Уменьшение полезной ёмкости происходит из за загрязнения оксидами металлов базового вещества.

Разделение интерметаллических гидридов

Интерметаллические гидриды разделяются на высокотемпературные (дегидрирующие при комнатной температуре) и высокотемпературные (более 100°С). Давление, при котором происходит разложение гидридной фазы) как правило не больше 1 атм.
В реальной практике применяются сложные интерметаллические гидриды, состоящие из трёх и более элементов.

Типичные интерметаллические гидриды

Гидрид лантана никеля — LaNi5 — гидрид, в котором одна единица LaNi5 содержит более 6 атомов Н. Десорбция водорода из лантана никеля возможна при комнатных температурах. Однако, элементы входящие в этот интерметаллид также весьма недёшевы.
В единице объема лантана-никеля содержится в полтора раза больше водорода, чем в жидком Н2.

Особенности систем интерметалл-водород:

  • высокое содержание водорода в гидриде (масс. %);
  • экзо (эндо)-термичность реакции абсорбции (десорбции) изотопов водорода;
  • изменение объема металлической матрицы в процессе абсорбции — десорбции водорода;
  • обратимая и селективная абсорбция водорода.

Области практического применения интерметаллических гидридов:

  • стационарные хранилища водорода;
  • мобильность хранилища и перевозка водорода;
  • компрессоры;
  • отделение (очистка) водорода;
  • тепловые насосы и кондиционеры.

Примеры применения систем металл-водород:

  • тонкая очистка водорода, всевозможные водородные фильтры;
  • реагенты для порошковой металлургии;
  • замедлители и отражатели в системах ядерного деления (ядерных реакторах);
  • разделение изотопов;
  • термоядерные реакторы;
  • установки диссоциации воды (электролизёры, вихревые камеры получения газообразного водорода);
  • электроды для аккумуляторов на основе вольфрам-водородных систем;
  • металлгидридные аккумуляторы;
  • кондиционеры (тепловые насосы);
  • преобразователи для электростанций (ядерные реакторы, ТЭЦ);
  • транспортировка водорода.

www.metatorg.com

Хранение водорода — различные способы, включая гидридный аккумулятор

Наибольшую сложность представляет хранение водорода в автомобиле. Поскольку водород очень легок, то масса и размеры существующих металлических баллонов, а также способы его хранения в них неприемлемы. В табл. ниже для сравнения приведены различные способы хранения водорода. Сжиженный водород занимает небольшой объем, однако теплоизоляция емкости с ним очень громоздка и дорога. Кроме того, обращение с жидким водородом небезопасно и требует обученного персонала. Несмотря на достигнутый значительный прогресс в хранении и доставке сжиженного водорода, его применение в легковых автомобилях до сих пор представляет собой нерешенную задачу. Неприемлемы также и величины потерь водорода в результате его испарения из криогенных баков.

Гидридный аккумулятор

Для хранения водорода в автомобиле наиболее выгодно использовать гидриды металлов. Некоторые металлические сплавы имеют особенность при определенных давлениях насыщаться водородом и образовывать с ним химические соединения — гидриды. В процессе связывания водорода с металлом выделяется теплота, которую необходимо отводить. Для обратного процесса выделения водорода гидрид необходимо нагреть подобно воде для образования пара.

Эти свойства гидридов при применении в автомобиле дают преимущества по сравнению с другими способами хранения водорода. При движении автомобиля емкость с гидридами нагревается жидкостью системы охлаждения или же отработавшими газами двигателя. Эта теплота аккумулируется в гидридах, температура которых повышается и растет давление водорода. Однако при достижении определенного значения давления в емкости температура вновь падает и выравнивается с температурой окружающей среды. На рис. 1 приведены изотермические диаграммы систем «металл — водород» для соединений FeTi и NiMg. В емкости с гидридом FeTi уже при температуре — 20 °C устанавливается избыточное давление 0,1 МПа, что достаточно для подачи водорода в смесительное устройство. Для дальнейшего повышения давления и выделения водорода необходимо нагревать гидрид жидкостью системы охлаждения двигателя. Холодный пуск двигателя без подогрева гидридов возможен таким образом до — 20 °C.

Если для дальнейшего выделения водорода использовать теплоту системы охлаждения, то через радиатор системы охлаждения будет отводиться меньшее количество теплоты и, следовательно, можно иметь и меньшего размера вентилятор. Следовательно, системой охлаждения в этом случае может отводиться лишь некоторая доля неиспользуемой теплоты, другая же ее часть может аккумулироваться в гидриде для извлечения водорода.

Теплоту, аккумулированную в гидриде, необходимо отводить при заправке автомобиля. Ее можно использовать, например, для нагревания технической воды, отопления гаража и т. д. Такой путь можно расценить как улучшение теплового КПД двигателя в более широком смысле этого понятия. О тепловом балансе двигателя с гидридным аккумулятором можно судить по рис. 2, где слева показан тепловой баланс обычного двигателя, а справа — двигателя с питанием водородом из гидридного аккумулятора. Из общего количества поданной в двигатель с топливом теплоты Q часть Qe используется на эффективную мощность, Qv — на привод вентилятора, a Qz теряется и отводится отработавшими газами и системой охлаждения. В водородном двигателе с гидридным аккумулятором из общего количества теплоты Q на эффективную мощность расходуется теплота Qe , теплота Qa используется для нагревания гидрида, теплота Qz теряется.

Таким образом, гидрид представляет собой аккумулятор двойного действия. Когда гидрид заряжается водородом, из него отводится теплота, когда он «заряжается» теплотой, из него отводится водород. Следовательно, при одной и той же форме и размерах аккумулятор выполняет две функции. При определенной комбинации различных гидридов можно добиться работы двигателя без радиатора системы охлаждения с ее вентилятором.

Гидрид FeTi состоит из относительно тяжелых железа и титана и поэтому масса аккумулированного в нем водорода составляет лишь 2 % от собственной массы аккумулятора, что представляет собой весьма неблагоприятное соотношение. Лучшее соотношение характерно для гидрида NiMg, включающего сверхлегкий магний; в настоящее время интенсивно ведутся поиски более приемлемых гидридов.

Относительно легкий гидрид NiMg начинает выделять приемлемое количество водорода при нагревании почти до 350 °C. До такой температуры гидрид можно нагреть лишь отработавшими газами. При холодном пуске двигателя таких температурных условий в автомобиле нет и поэтому гидрид необходимо нагревать иным источником. В данном случае приемлемо сочетание двух гидридов, в частности, гидрид FeTi обеспечивает холодный пуск, а гидрид NiMg — подачу водорода при движении автомобиля, благодаря обогреву гидридного бака отработавшими газами двигателя, как это показано на рис. 3.

Комбинация этих двух гидридов позволяет, кроме того, отапливать или охлаждать салон автомобиля при отключенном двигателе. Если соединить между собой оба гидридных бака, то водород будет перемещаться из емкости с гидридом FeTi, где более высокое давление, в гидридный бак NiMg с более низким давлением. Резервуар с более высоким давлением будет освобождать водород и, следовательно, охлаждаться, в то время как емкость с более низким давлением будет наполняться водородом и, следовательно, нагреваться. Если климатической установкой автомобиля подавать в салон воздух, обдувающий гидридные баки, то можно обеспечить желаемый температурный режим в салоне при выключенном двигателе. Обдув резервуара с NiMg, однако, будет связан с некоторой потерей водорода.

Все эти свойства гидридов следует учитывать при сравнении водородных двигателей с другими альтернативными приводами.

Гидридный аккумулятор с FeTi, схематически изображенный на рис. 3, представляет собой стальной цилиндр, наполненный гранулами этого металлического соединения. Для лучшего теплообмена в центре аккумулятора расположен также трубопровод, через который проходит жидкость системы охлаждения. При заправке аккумулятора объем наполнителя увеличивается (с чем приходится считаться при его конструировании), а сам наполнительный материал превращается в порошок. Долговечность его не ограничена.

Читайте также

Для наполнения цилиндра воздухом необходимо возникновение перепада давлений между цилиндром и внешней средой. Двигатель действует как воздушный насос и на его привод расходуется часть индикаторной мощности двигателя.

Для эффективного преобразование энергии топлива в механическую энергию, прежде всего, нужно выбрать оптимальный термодинамический цикл для двигателя.

icarbio.ru

Популярное:

  • Екатеринбург нотариусы на карте Нотариусы в Екатеринбурге Предлагаем вашему вниманию все нотариусы и нотариальные конторы на карте Екатеринбурга. Нотариусы на карте Екатеринбурга Если вы собираетесь срочно оформить доверенность или заключить какой нибудь […]
  • Юрист университеты Юридические вузы Санкт-Петербурга Санкт-Петербургский гуманитарный университет профсоюзов 5 факультетов, 22 направления, Очно, заочно, дистанционно.2 гос. диплома, отсрочка от армии, 100% трудоустройство. Высшее образование в […]
  • Налоги ипн опв Как рассчитать «чистый» доход от зарплаты Представим ситуацию: на собеседовании вам назвали размер будущей заработной платы. Чтобы понять, сколько вы будете получать, как говорится, «на руки», вы мысленно отнимаете от заработной […]
  • Как выйти из ипотеки после развода как выйти из ипотеки после развода как выйти из созаемщиков по ипотеке после развода?развелись с супругом. до развода составили брачный договор - он не имеет ко мне претензий по выплатам ипотеки оплачивает сам, я не имею […]
  • Геворкян адвокат Адвокатское бюро "Падва и партнеры" Год основания: 1995 Основатель: Падва Генрих Павлович Количество адвокатов: 35 Контактная информация Адрес: г. Москва, Большой Головин пер, д. 6 Телефон: +7 (495) 737-43-03 Информация о […]
  • Как влияет амортизация на налог на прибыль ПОЛНЫЙ СПЕКТР УСЛУГ В ОБЛАСТИ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯСОЗДАВАЯ ПУТЬ В БУДУЩЕЕ. «Амортизация, налог на прибыль, денежный поток» Аннотация - В статье рассмотрен вопрос влияния методов начисления амортизации, разрешенных […]
  • 10 лет вредного стажа Стаж на опасном и вредном производстве Законодательством закреплено, что сотрудники опасного и вредного производства имеют право на досрочную трудовую пенсию. Среди них этим правом обладают те, у кого в страховой стаж и стаж на […]
  • Правила пдд 2018 категория е Экзаменационные билеты ПДД категории СД 2018 года Экзаменационные билеты CD ГИБДД 2018 Официальные экзаменационные билеты категории СД 2018 года. Билеты и комментарии составлены на основе ПДДот 18 июля 2018 года (применяются с […]